入坑嵌入式開(kāi)發(fā)多年！一位資深工程師談怎樣才能保證自己不被歷史洪流沖走....

xyd2018

我時(shí)常在想，現代社會(huì )發(fā)展變化速度之快超越了很多人的認知。羅胖子說(shuō)跟不上時(shí)代要交認知稅，很有道理。半導體和IT行業(yè)又是旋渦中心，發(fā)展更加快，其實(shí)想想其他行業(yè)的創(chuàng )新（美團外賣(mài)、滴滴打車(chē)、微信社交、淘寶京東電商，以及最新的新零售自動(dòng)售貨機、自動(dòng)駕駛汽車(chē)等）本質(zhì)上都是半導體行業(yè)的創(chuàng )新驅動(dòng)的，都要靠先有芯片，先有配套的軟件資源和開(kāi)發(fā)人才，才能有人在這些行業(yè)創(chuàng )新。

入坑嵌入式開(kāi)發(fā)多年的我，面對芯片及其相關(guān)的軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)的快速發(fā)展變化，經(jīng)常會(huì )去思考，這些發(fā)展變化的內在推動(dòng)力和外在合理性在哪里，這些發(fā)展變化對我們有哪些啟發(fā)和引導，身處旋渦中心應該何去何從，才能保證自己不被歷史洪流沖走，才能不斷提升自己的價(jià)值。


單片機
單片機是中文名，對應的英文名稱(chēng)是“Single Chip Microomputer”，很多人可能奇怪平時(shí)不是都說(shuō)MCU（Micro Control Unit）嗎？其實(shí)MCU準確翻譯過(guò)來(lái)應該叫微控制器，現在很多中文書(shū)籍都用這個(gè)詞，不用單片機了。因為單片機這個(gè)詞是很多年前的概念了，在那個(gè)年代半導體工藝還在起步階段，集成能力很差，往往是CPU一個(gè)芯片，SRAM一個(gè)芯片，Flash一個(gè)芯片，需要中斷的話(huà)又得有個(gè)專(zhuān)門(mén)處理中斷的芯片，所以一個(gè)完整可用的計算機系統是很多個(gè)芯片（Chip）做在一個(gè)PCB板上構成的。

單片機呢？就是在一個(gè)芯片（Chip）上集成了CPU、SRAM、Flash及其他需要模塊，在一個(gè)Chip上實(shí)現一個(gè)微型計算機系統，所以就叫Single Chip Microcomputer，也就是單片機了。其實(shí)從這個(gè)角度來(lái)講，單片機這個(gè)詞現在已經(jīng)沒(méi)意義了，因為現在的半導體工藝早就很厲害了，現在你買(mǎi)到的所有都是“單片機”，根本不存在分離式的所謂“多片機”。而且現代的單片機不但集成了CPU、SRAM、Flash等微型計算機不可少的部件，而且大多集成了很多內部外設，如Nand控制器、LCD控制器、串口通信、定時(shí)器、RTC等等，所以現在的單片機其實(shí)應該叫SoC（System on Chip）。

英文是很準確的。這里有好幾個(gè)詞你可以體會(huì )下各自含義：microcomputer、computer、system、microcontroller。不嚴格區分的話(huà)這些詞很多時(shí)候可以互相替換和通用的，但是嚴格說(shuō)其實(shí)各自有不同代指的。譬如computer，指的就是電腦，你可以理解為就是電腦，譬如筆記本、臺式機這些。當然很多年前的電腦很龐大很笨重，所以computer就是指的這種有機箱外殼，有鍵盤(pán)鼠標，很龐大笨重，通用性強的電腦。而microcomputer指的就是單片機這類(lèi)東西，它也是一個(gè)獨立的電腦系統，有CPU和內存和外設這些，能跑計算機程序。但是他相對于computer來(lái)說(shuō)體積很小，而且不是通用的而是專(zhuān)用的，所以叫microcomputer。system呢？更傾向于整個(gè)系統，也就是說(shuō)system=microcomputer+各種外設。簡(jiǎn)單理解就是，當串口、LCD控制器等模塊進(jìn)入了Chip內部時(shí)，整個(gè)microcomputer就成為system了。所以其實(shí)system才是更有意義，更適合現代單片機芯片的一個(gè)名字。所以現在我們都把芯片叫SoC，這個(gè)名字更有價(jià)值。那microcontroller呢？現在很多單片機廠(chǎng)商都把自己的單片機叫microcontroller（微控制器），其實(shí)我個(gè)人理解，覺(jué)得microcontroller的重點(diǎn)在于controller，也就是說(shuō)他們想強調這個(gè)chip中集成的system是一個(gè)controller，擅長(cháng)控制。而不是一個(gè)DSP（擅長(cháng)運算）。


嵌入式
嵌入式的全稱(chēng)是嵌入式系統，英文是Embeded system，所以可以看出嵌入式是一個(gè)system。為什么叫嵌入式呢？這里的嵌入指的是我們把這個(gè)system（硬件上表現為一個(gè)Chip）嵌入到某個(gè)設備中去。譬如冰箱的板卡上的芯片就是一個(gè)嵌入到冰箱中的system，負責控制用戶(hù)按鍵、冰箱照明燈、制冷系統等�？梢钥闯�，嵌入式系統這個(gè)名字主要是從芯片在使用時(shí)的組織形態(tài)來(lái)命名的。所以從這個(gè)角度講，只要是被嵌入到設備中的芯片都可以被叫做嵌入式系統。

那這個(gè)范圍太寬了，說(shuō)真的你很難找到不屬于嵌入式的system······所以我經(jīng)常覺(jué)得嵌入式這個(gè)名詞根本是廢話(huà)，根本沒(méi)意義。好在這個(gè)理解只是廣義上的嵌入式的定義，但是我們平時(shí)講嵌入式大多時(shí)候是從狹義上理解的。

狹義上講，嵌入式是為了區別于單片機。我們經(jīng)常把芯片中不帶MMU（memory management unit）從而不支持虛擬地址，只能跑裸機或RTOS（典型如ucos、華為L(cháng)iteOS、RT-Thread、freertos等）的system叫單片機（典型如STM32、NXP LPC系列、新的NXP imxRT1052系列等），而把芯片自帶MMU可以支持虛擬地址，能夠跑Linux、Vxworks、WinCE、Android這樣的操作系統的system叫嵌入式。所以linux WinCE等也常被叫做嵌入式操作系統，就是這么回事。你仔細回顧下，其實(shí)大部分人在講單片機和嵌入式時(shí)都是從狹義角度出發(fā)的，并非廣義。



單片機的技術(shù)和市場(chǎng)狀況
單片機是出貨量最大的一類(lèi)計算機。這個(gè)很好理解，因為單片機用途太廣泛了，所有家電內置的控制系統幾乎都是單片機的，這個(gè)數目就很驚人了。還有各種公共設施，工廠(chǎng)自動(dòng)化設備等幾乎也都是單片機控制的。單片機的廠(chǎng)商和品類(lèi)也是非常多，我下面列舉幾類(lèi)常用的。

· 8位和4位機。這類(lèi)單片機性能低配置低，但是優(yōu)勢是價(jià)格便宜。所以很多低端家電產(chǎn)品都會(huì )用到，小家電是這類(lèi)單片機最大的市場(chǎng)。為了降低成本，這類(lèi)單片機很多只能用匯編編程（當然近幾年很多也提供了C編譯器），很多芯片采用bounding封裝（就是芯片內核直接貼在PCB上然后用黑乎乎硬膠黏住，大家玩過(guò)LCD1602的看那后面那個(gè)圓盤(pán)型黑色的就是）。做這類(lèi)產(chǎn)品的以前都是臺灣一些小芯片廠(chǎng)商。這些年中國大陸也涌現了很多這類(lèi)芯片廠(chǎng)商，這些單片機行業(yè)大多對標某個(gè)具體應用領(lǐng)域，對行業(yè)需求很熟悉，直接推出適用這個(gè)行業(yè)的解決方案。外行的人可能根本都沒(méi)聽(tīng)說(shuō)過(guò)這種單片機的型號和相關(guān)信息�？偟膩�(lái)說(shuō)，這屬于比較低端的行業(yè)，不太建議大家學(xué)習和進(jìn)入。尤其現在中國在搞產(chǎn)業(yè)升級，落后的傳統家電產(chǎn)品不斷降價(jià)還賣(mài)不出去，相反各種高端功能和外觀(guān)的“產(chǎn)業(yè)升級”型家電產(chǎn)品利潤很高。所以這種適用于傳統老舊電子產(chǎn)品的芯片和技術(shù)其實(shí)并不值得去投入。

· 51單片機。其實(shí)51單片機也是8位機，之所以單獨拿出來(lái)說(shuō)是因為51單片機實(shí)在太出名了。實(shí)際上當年單片機百家爭鳴的時(shí)候（大約1980年代吧）51單片機只是其中一種，還有很多其他很厲害的，可惜都被時(shí)間給雨打風(fēng)吹去了。51單片機之所以出名并活到現在，是因為Intel后來(lái)開(kāi)放了51內核的版權，所以很多公司很多人可以毫無(wú)顧忌的使用它而不擔心付費或版權風(fēng)險。實(shí)際上到了現在（2018年），51單片機已經(jīng)是很老很沒(méi)有技術(shù)優(yōu)勢的解決方案了，但是為什么還在大量使用？主要有以下幾個(gè)原因：一是大量存量項目和存量開(kāi)發(fā)者，這些人很熟悉51單片機，甚至很多老工程師可能只會(huì )51單片機，很多老的項目也不可能再去重新開(kāi)發(fā)所以沿用了51單片機。二是51單片機也夠便宜，很多對性能沒(méi)有過(guò)多要求的產(chǎn)品干脆就用51也挺好。三是51內核開(kāi)放，所以很多需要內置單片機核的SoC（譬如很多電容觸摸屏芯片，很多指紋識別芯片等）就會(huì )選擇用51核，不要錢(qián)還夠用嘛，不選這個(gè)選誰(shuí)。很多同學(xué)問(wèn)我還要不要學(xué)51單片機？我認為還是要學(xué)。一個(gè)原因是51單片機的開(kāi)發(fā)用到的技術(shù)技能在開(kāi)發(fā)別的單片機時(shí)照樣有用，所以學(xué)了51將來(lái)再學(xué)其他的也會(huì )快很多，時(shí)間不會(huì )白花的。另一個(gè)原因是確實(shí)有時(shí)候實(shí)際開(kāi)發(fā)也會(huì )遇到用到51單片機的，所以學(xué)會(huì )了也算是個(gè)拿得出手的技能。所以如果你要學(xué)習單片機開(kāi)發(fā)，從51單片機入手絕對不會(huì )錯。但是要記得不要沉迷于51了，要迅速學(xué)會(huì )51單片機后，迅速繼續學(xué)習更現代更實(shí)用的其他單片機（譬如stm32）。很多人學(xué)會(huì )51后就不動(dòng)了，這就好像幼兒園畢業(yè)就不繼續讀書(shū)了一樣，是不對的。

· STM32單片機。終于到了STM32這個(gè)當紅辣子雞了，ST于2007年發(fā)布了第一款STM32，至今已經(jīng)11年了。STM32是ARM Cortex-M內核的單片機，實(shí)際上同樣使用ARM Cortex-M系列內核的單片機還有很多（譬如NXP的LPC系列，原Freescale的K60系列，臺灣新唐的M051系列，國內如兆易創(chuàng )新的GD32系列等），STM32只是其中的代表作而已。ARM這些年風(fēng)頭很強，在application級別的SoC中大勝I(mǎi)ntel，現在手機行業(yè)的芯片都被ARM吃掉了，MIPS之類(lèi)的更是被壓的生不如死。在單片機領(lǐng)域，ARM的Cortex-M系列（M0、M3、M4、M7）也是大獲全勝，很多半導體廠(chǎng)商都放棄了自己原來(lái)的架構轉而做ARM內核的單片機了。怎么說(shuō)呢，個(gè)人覺(jué)得ARM內核的單片機很適合當前時(shí)代，尤其STM32這種，不管硬件配置還是開(kāi)發(fā)工具都深得市場(chǎng)認可，普及度越來(lái)越高。強烈建議大學(xué)學(xué)單片機就學(xué)STM32，會(huì )玩STM32很有價(jià)值。至于GD32之類(lèi)國產(chǎn)的類(lèi)似STM32的單片機，我認為后面會(huì )越來(lái)越強，甚至會(huì )主導市場(chǎng)把洋品牌趕出中國。這些芯片的開(kāi)發(fā)方式也很類(lèi)同于STM32，所以會(huì )了STM32開(kāi)發(fā)很容易切過(guò)去，不用擔心。
· 其他單片機。我指的是PIC、ATmega、MSP430、STM8之類(lèi)的，這些不是很熟悉所以不予詳細論述�？偟膩�(lái)說(shuō)，這些單片機性?xún)r(jià)比都不錯，在各自領(lǐng)域都有一定競爭力，但是還是不如STM32使用領(lǐng)域寬廣。所以除非是公司研發(fā)用到，否則不建議主動(dòng)學(xué)習。

· 高性能高價(jià)格單片機。這里我特指的是如STM32F7、STM32H7、NXP imxRT1052之類(lèi)的單片機。這類(lèi)雖然是單片機，但是性能比一般單片機強勁很多，外設也復雜很多，甚至需要外接SDRAM來(lái)提供更大內存，外接SLC Nand或Spiflash來(lái)提供存儲。同時(shí)從價(jià)格角度講這些單片機大多在人民幣30元以上，甚至高達100多元。這些真的是單片機中的戰斗機，價(jià)格都能?chē)標廊肆�。對于這類(lèi)單片機，我個(gè)人其實(shí)很不看好。其實(shí)寫(xiě)這篇長(cháng)文，就是想解釋我為什么不看好這類(lèi)單片機。感興趣的同學(xué)可以繼續看下文分析。


嵌入式的技術(shù)和市場(chǎng)狀況
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嵌入式領(lǐng)域目前最火的就是ARM+linux和ARM+android。
芯片都是基于A(yíng)RM的，低端的有ARM9、ARM11，高端的有Cortex-A7、Cortex-A8、Cortex-A9、Cortex-A53、Cortex-A57等。從單核心到雙核心、四核心、八核心都有。廠(chǎng)商也一大堆，國產(chǎn)進(jìn)口臺產(chǎn)等都有。覆蓋面也廣，消費級、工業(yè)級、車(chē)規級都有。
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嵌入式級別的ARM因為有MMU所以可以很好的跑復雜OS，因此雖然芯片本身也可以裸機運行，但是基本沒(méi)有人用這類(lèi)芯片來(lái)跑裸機或者RTOS的。都會(huì )上操作系統。簡(jiǎn)單說(shuō)，如果產(chǎn)品不需要華麗美觀(guān)的人機界面就上linux（譬如路由器、網(wǎng)絡(luò )攝像機），如果需要人機界面但是界面簡(jiǎn)單注重功能和穩定性，那就上linux+QT（譬如工控HMI、電動(dòng)車(chē)充電樁、停車(chē)場(chǎng)顯示），如果產(chǎn)品很注重人機交互的用戶(hù)體驗，那就上Android（譬如智能手機、智能電視機、游戲機等）。

總的來(lái)說(shuō)，嵌入式系統的復雜性高、開(kāi)發(fā)難度大、學(xué)習曲線(xiàn)長(cháng)。因為軟件上的復雜性，導致出bug的可能性大。一旦出bug查找起來(lái)也更加需要技巧和經(jīng)驗。所以很多公司用嵌入式linux或android做產(chǎn)品問(wèn)題很多，這一方面和開(kāi)發(fā)者的技術(shù)能力有關(guān)，另一方面和公司不能花時(shí)間和成本去潛心把產(chǎn)品做穩定做成熟有關(guān)。
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