嵌入式系統的研究方向

嵌入式系統無疑是當前最熱門最有發展前途的IT應用領域之一。嵌入式系統用在一些特定專用設備上,通常這些設備的硬件資源(如處理器、存儲器等)非常有限,並且對成本很敏感,有時對實時響應要求很高等。特別是隨着消費家電的智能化,嵌入式更顯重要。像我們平常常見到的手機、PDA、電子字典、可視電話、VCD/DVD/MP3 Player數字相機(DC數字攝像機(DV)U-Disk機頂盒(Set Top Box)、高清電視(HDTV)、遊戲機、智能玩具、交換機、路由器、數控設備或儀表、汽車電子、家電控制系統、醫療儀器、航天航空設備等等都是典型的嵌入式系統。 
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嵌入式系統是軟硬結合的東西,搞嵌入式開發的人有兩類:

一類是學電子工程、通信工程等偏硬件專業出身的人,他們主要是搞硬件設計,有時要開發一些與硬件關係最密切的最底層軟件,如BootLoaderBSPBoard Support Package,像PCBIOS一樣,往下驅動硬件,往上支持操作系統),最初級的硬件驅動程序等。他們的優勢是對硬件原理非常清楚,不足是他們更擅長定義各種硬件接口,但對複雜軟件系統往往力不從心(例如嵌入式操作系統原理和複雜應用軟件等)。
       
另一類是學軟件、計算機專業出身的人,主要從事嵌入式操作系統和應用軟件的開發。如果我們學軟件的人對硬件原理和接口有較好的掌握,我們完全也可寫BSP和硬件驅動程序。嵌入式硬件設計完後,各種功能就全靠軟件來實現了,嵌入式設備的增值很大程度上取決於嵌入式軟件,這佔了嵌入式系統的最主要工作(目前有很多公司將硬件設計包給了專門的硬件公司,稍複雜的硬件都交給臺灣或國外公司設計,國內的硬件設計力量很弱,很多嵌入式公司自己只負責開發軟件,因爲公司都知道,嵌入式產品的差異很大程度在軟件上,在軟件方面是最有“花頭“可做的),所以我們搞軟件的人完全不用擔心我們在嵌入式市場上的用武之地,越是智能設備越是複雜系統,軟件越起關鍵作用,而且這是目前的趨勢。

 
      從事嵌入式軟件開發的好處是:
     
1 目前國內外這方面的人都很稀缺。一方面,是因爲這一領域入門門檻較高,不僅要懂較底層軟件(例如操作系統級、驅動程序級軟件),對軟件專業水平要求較高(嵌入式系統對軟件設計的時間和空間效率要求較高),而且必須懂得硬件的工作原理,所以非專業IT人員很難切入這一領域;另一方面,是因爲這一領域較新,目前發展太快,很多軟硬件技術出現時間不長或正在出現(如ARM處理器、嵌入式操作系統、MPEG技術、無線通信協議等),掌握這些新技術的人當然很找。嵌入式人才稀缺,身價自然就高,越有經驗價格就越高。其實嵌入式人才稀少,根本原因可能是大多數人無條件接觸,這需要相應的嵌入式開發板和軟件,另外需要有經驗的人進行指導開發流程。
    
2 與企業計算等應用軟件不同,嵌入式領域人才的工作強度通常低一些(但收入不低)。搞企業應用軟件的IT企業,這個用戶的系統搞完了,又得去搞下一個用戶的,而且每個用戶的需求和完成時間都得按客戶要求改變,往往疲於奔命,重複勞動。相比而言,搞嵌入式系統的公司,都有自己的產品計劃,按自己的節奏行事。所開發的產品通常是通用的,不會因客戶的不同而修改。一個產品型號開發完了,往往有較長一段空閒時間(或只是對軟件進行一些小修補),有時間進行充電和休整。另外,從事嵌入式軟件的每個人工作範圍相對狹窄,所涉及的專業技術範圍就是那些(ARMRTOSMPEG802.11等),時間長了這些東西會越搞越有經驗,賣賣老本,幾句指導也夠讓那些初入道者琢磨半年的。若搞應用軟件,可能下一個客戶要換成一個完全不同的軟件開發平臺,那就苦了。
     
3 哪天若想創業,搞自已的產品,那麼嵌入式是一個不錯的主意,這可不像應用軟件那樣容易被盜版。有一個叫啓明星的公司開發出一個叫“工程e”的掌上PDA,施工技術人員用該PDA可當場進行土木概預算和其它土木計算,銷路特好;某大學老師,他開發的飯館用的點菜PDAWinCE平臺,可無線連網和上網),銷路也不錯,飯館點點PDA讓客戶點菜,多顯派頭檔次。這些PDA的硬件設計一般都是請其它公司給訂做(這叫“貼牌”:OEM),都是通用的硬件,我們只管設計軟件就變成自己的產品了。

       
從事嵌入式軟件開發的缺點是:
       
1)入門起點較高,所用到的技術往往都有一定難度,若軟硬件基礎不好,特別是操作系統級軟件功底不深,則可能不適於此行。
       
2 這方面的企業數量要遠少於企業計算類企業。特別是從事嵌入式的小企業數量較多(小企業要搞自己的產品創業),知名大公司較少(搞嵌入式的大公司主要有IntelMotorolaTIPhilipSamsungSonyFutjtumBell-Alcatel、意法半導體、Microtek、研華、華爲、中興通信、上廣電等製造類企業)。這些企業的習慣思維方式是到電子、通信等偏硬專業找人。

3)有少數公司經常要碩士以上的人搞嵌入式,主要是基於嵌入式的難度。但大多數公司也並無此要求,只要有經驗即可。

        
若學習嵌入式,顯然應偏重於嵌入式軟件,特別是嵌入式操作系統方面。對於搞嵌入式軟件的人,最重要的技術顯然是(實際上很多公司的招聘廣告上就是這樣寫的):
    
1 掌握主流嵌入式微處理器的結構與原理。
    
2 必須掌握一個嵌入式操作系統 
    
3 必須熟悉嵌入式軟件開發流程並至少做過一個嵌入式軟件項目。

    嵌入式軟件方面最重要的課程包括:
     
1 嵌入式微處理器結構與應用:

這是一門嵌入式硬件基礎課程,目前國內已有少部分高校IT專業用這門課取代了傳統的“微機原理與接口”課程,因爲講x86微機原理與接口很難找到實際用處,只爲教學而已。我們說過,嵌入式是軟硬件結合的技術,搞嵌入式軟件的人應對ARM處理器工作原理和接口技術有充分了解,包括ARM的彙編指令系統。若不瞭解處理器原理,怎麼能控制硬件工作,怎麼能寫出節省內存又運行高速的最優代碼(嵌入式軟件設計特別講究時空效率),怎麼能寫出驅動程序(驅動程序都是與硬件打交道的)?有些同學覺得嵌入式處理器課程較枯燥,這主要是硬件課程都較抽象的原因,還有同學對ARM彙編不感興趣,以爲嵌入式開發用C語言就足夠了,其實不應僅是將彙編語言當成一個程序設計語言,學彙編主要是爲了掌握處理器工作原理的。一個不熟悉彙編語言的人,怎麼能在該處理器寫出最優的C語言代碼。在嵌入式開發的一些關鍵部分,有時還必須寫彙編,如Bootloader等(可能還包括BSP)。特別是在對速度有極高要求的場合(如DSP處理器的高速圖像採集和圖像解壓縮),目前主要還要用匯編寫程序。當您在一個嵌入式公司工作時,在查看描述原理的手冊時,可能很多都是用匯編描述的,這是因爲很多硬件設計人員只會寫或者喜歡用匯編描述,此時您就必須看懂彙編程序,否則軟硬件人員可能就無法交流。另外,很多嵌入式職位招聘時都要求熟悉彙編。
  
   2 嵌入式操作系統類課程:

除了WinCE的實時性稍差外,大多數嵌入式操作系統的實時性都很強,所以也可稱爲實時操作系統(RTOS: Real Time Operating System)。從事嵌入式的人至少須掌握一個嵌入式操作系統,這在嵌入式的所有技術中是最爲關鍵的了。

目前最重要的RTOS主要包括:

第一類是傳統的經典RTOS:最主要的便是Vxworks操作系統,以及其Tornado開發平臺。Vxworks因出現稍早,實時性很強(據說可在1ms內響應外部事件請求),並且內核可極微(據說最小可8K),可靠性較高等,所以在北美,Vxworks佔據了嵌入式系統的多半江山。特別是在通信設備等實時性要求較高的系統中,幾乎非Vxworks莫屬。Vxworks的很多概念和技術都和Linux很類似,主要是C語言開發。像Bell-alcatelLucent、華爲等通信企業在開發產品時,Vxworks用得很多。但Vxworks因價格很高,所以一些小公司或小產品中往往用不起。目前很多公司都在往嵌入式Linux轉(聽說華爲目前正在這樣轉)。但無論如何,Vxworks在一段長時間內仍是不可動搖的。與Vxworks類似的稍有名的實時操作系統還有pSOSQNXNucleusRTOS
 
      第二類是嵌入式Linux操作系統Linux的前途除作爲服務器操作系統外,最成功的便是在嵌入式領域的應用,原因當然是免費、開源、支持軟件多、呼擁者衆,這樣嵌入式產品成本會低。Linux本身不是一個爲嵌入式設計的操作系統,不是微內核的,並且實時性不強。目前應用在嵌入式領域的Linux系統主要有兩類:一類是專爲嵌入式設計的已被裁減過的Linux系統,最常用的是uClinux(不帶MMU功能,Memory Management Unit),目前佔較大應用份額,可在ARM7上跑;另一類是跑在ARM 9上的,一般是將Linux 2.4.18內核移植在其上,可使用更多的Linux功能(當然uClinux更可跑在ARM 9上)。很多人預測,嵌入式Linux預計將佔嵌入式操作系統的50%以上份額,非常重要。缺點是熟悉Linux的人太少,開發難度稍大。另外,目前我們能發現很多教材和很多大學都以ucOS/II爲教學用實時操作系統,這主要是由於ucOS/II較簡單,且開源,非常適合入門者學習實時操作系統原理,但由於ucOS/II功能有限,實際用得較少。況且熟悉了Linux開發,不僅在嵌入式領域有用,對開發Linux應用軟件,對加深操作系統的認識也有幫助,可謂一舉多得。據我所知,目前IntelPhilip都在大搞ARM+LINUX的嵌入式開發,Fujitum則是在自己的處理器上大搞Linux開發。目前在嵌入式Linux領域,以下幾個方面的人特別難找:一是能將Linux移植到某個新型號的開發版上;二是能寫Linux驅動程序的人;三是熟悉Linux內核裁減和優化的人。
       
第三類是 Windows CE嵌入式操作系統Microsoft也看準了嵌入式的巨大市場,MS永遠是最厲害的,WinCE出來只有幾年時間,但目前已佔據了很大市場份額,特別是在PDA、手機、顯示儀表等界面要求較高或者要求快速開發的場合,WinCE目前已很流行(據說有一家賣工控機的公司板子賣得太好,以至來不及爲客戶裁減WinCE)。WinCE目前主要爲4.2版(.NET),開發平臺主要爲WinCE Platform Builder,有時也用EVC環境開發一些較上層的應用,由於WinCE開發都是大家熟悉的VC++環境,所以學過Windows程序設計課程的人都不會有多大難度,這也是WinCE容易被人們接受的原因。開發環境方便快速,微軟的強大技術支持,WinCE開發難度遠低於嵌入式Linux。對於急於完成,不想拿嵌入式Linux冒險的開發場合,WinCE是最合適了(找嵌入式Linux的人可沒那麼好找的),畢竟公司不能像學生學習那樣試試看,保證開發成功更重要。根據不同的側重點 WinCE還有兩個特殊版本,一個是MS PocketPC操作系統專用於PDA上,另一個是MS SmartPhone操作系統用於智能手機上(帶PDA功能的手機),兩者也都屬於WinCE平臺。在PDA和手機市場上,除WinCE外,著名的PDA嵌入式操作系統還有Palm OSSymbian等,但在WinCE的強勁衝擊下,PalmSymbian來日還能有多長?

       
總結關於嵌入式操作系統類課程,若您覺得自己功底較深且能鑽研下去,則可去學嵌入式Linux;若您覺得自己VC++功底較好且想短平快地學嵌入式開發,則WinCE課程是最好的選擇。

        
3 嵌入式開發的其它相關軟件課程:
       
搞嵌入式若能熟悉嵌入式應用的一些主要領域,這樣的人更受企業歡迎。主要的相關領域包括:
         
A、數字圖像壓縮技術:這是嵌入式最重要最熱門的應用領域之一,主要是應掌握MPEG編解碼算法和技術,如DVDMP3PDA、高清電視、機頂盒等都涉及MPEG高速解碼問題。

 B、通信協議及編程技術:這包括傳統的TCP/IP協議和熱門的無線通信協議。首先,大多數嵌入式設備都要連入局域網或Internet,所以首先應掌握TCP/IP協議及其編程,這是需首要掌握的基本技術;其次,無線通信是目前的大趨勢,所以掌握無線通信協議及編程也是是很重要的。無線通信協議包括無線局域網通信協議802.11系列,Bluetooth,以及移動通信(如GPRSGSMCDMA等)。
       
 C、網絡與信息安全技術:如加密技術,數字證書CA(CACertificate Authority的縮寫,是證書授權的意思)等。

          DDSP技術:DSPDigital Signal Processing/Processor數字信號處理/處理器的意思,DSP處理器通過硬件實現數字信號處理算法,如高速數據採集、壓縮、解壓縮、通信等。數字信號處理是電子、通信等硬件專業的課程,對於搞軟件的人若能瞭解一下最好。目前DSP人才較缺。如果有信號與系統、數字信號處理等課程基礎,對於學習MPEG編解碼原理會有很大幫助。

      
4)嵌入式開發的相關硬件基礎:
       
對於軟件工程專業的學生,從事嵌入式軟件開發,像數字電路、計算機組成原理、嵌入式微處理器結構等硬件課程是較重要的。另外,彙編語言、C/C++、數據結構和算法、特別是操作系統等軟件基礎課也是十分重要的。我們的主要目的是能看懂硬件工作原理,但重點應是在嵌入式軟件,特別操作系統級軟件,那將是我們的優勢。
       
學電子、通信類專業過來的,有較好的模擬電路和單片機基礎,學嵌入式非常合適。嵌入式本身就是從單片機發展過來的,只是單片機不帶OS,而現在很多嵌入式應用越來越複雜,以至不得不引入嵌入式操作系統。另外,爲追求更高速的信號處理速度,現在在一些速度要求較高的場合,有不少公司是將一些DSP算法,如MPEG壓縮解壓縮算法等用硬件來實現,這就涉及到HDL數字電路設計技術及其FPGA/IP覈實現技術,這方面的人目前市場上也很缺。

        
另外,能寫驅動程序的人目前是非常緊缺的(驅動程序也可歸於嵌入式範疇),包括桌面Windows中的DDK(Device Drivers Kit:設備驅動程序開發包)開發環境和WDM(Windows Driver Model)驅動程序。公司每時每刻都要推出新產品,每一個新產品出來了,要能被操作系統所使用,是必須寫驅動程序的。寫驅動程序就必須掌握操作系統(WindowsLinux)的內部工作原理,還涉及到少量硬件知識,難度較大,所以這方面的人很難找。
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