1 嵌入式系統的知識體系

嵌入式系統的應用范圍可以粗略分為兩大類：（1）電子系統的智能化（工業控制，現代農業、家用電器、汽車電子、測控系統、數據采集等等）;（2）計算機應用的延伸（MP3、手機、通信、網絡、計算機外圍設備等）。從這些應用可以看出，要完成一個以MCU為核心的嵌入式系統應用產品設計，需要有硬件、軟件及行業領域相關知識。硬件主要有MCU的硬件最小系統、輸入/輸出外圍電路、人機接口設計。軟件設計有固化軟件的設計，也可能含PC機軟件的設計。行業知識需要通過協作、交流與總結獲得。

概括地說，學習以MCU為核心的嵌入式系統，需要以下軟件硬件基礎知識與實踐訓練：

1：硬件最小系統（包括電源、晶振、復位、寫入調試接口）;

2：通用I/O（開關量輸入/輸出，涉及各種二值量檢測與控制）;

3：模數轉換A/D（各種傳感器信號的采集與處理，如紅外、溫度、光敏、超聲波、方向等等）;

4：數模轉換D/A（對模擬量設備利用數字進行控制）;

5：通信（串行通信接口SCI、串行外設接口SPI、集成電路互聯總線I2C，CAN、USB、嵌入式以太網、ZigBee技術等）;

6：顯示（LED、LCD等等）;

7：控制（控制各種設備，包含PWM等控制技術）;

8：數據處理（圖形、圖像、語音、視頻等處理或識別）;

9：各種具體應用。

事實上，萬變不離其宗，任何應用都可以歸入這幾類。而應用中的硬件設計、軟件設計、測試等都必須遵循嵌入式軟件工程的方法、原理與基本原則。所以，嵌入式軟件工程也是嵌入式系統知識體系的有機組成部分，只不過，它融于具體項目的開發過程之中。

以上實踐訓練涉及硬件基礎、軟件基礎及相關領域知識。計算機語言、操作系統、開發環境等均是完成這些目的的工具。有些初學者，容易把工具的使用與所要達到的真正目的相混淆。例如，有的學習者，學了很長時間的嵌入式操作系統移植，而不進行實際嵌入式系統產品的開發，到了最后，做不好一個嵌入式系統小產品，偏離了學習目標，甚至放棄了嵌入式系統領域。這就是進入了嵌入式系統學習誤區的情況，下面對此做一些分析。

2 嵌入式系統的學習誤區

關于嵌入式系統的學習方法，因學習經歷、學習環境、學習目的、已有的知識基礎等不同，可能在學習順序、內容選擇、實踐方式等方面有所不同。但是，應該明確哪些是必備的基礎知識，哪些應該先學，哪些應該后學，哪些必須通過實踐才能獲得的，哪些是與具體芯片無關的通用知識，哪些是與具體芯片或開發環境相關的知識。

由于微處理器與微控制器種類繁多，也可能由于不同公司、不同機構出于自身的利益，給出一些誤導性宣傳，特別是我國嵌入式微控制器制造技術的落后及其他相關情況，使得人們對微控制器的發展，在認識與理解上存在差異。導致一些初學者，進入了嵌入式系統的學習誤區，浪費了寶貴的學習時間。下面分析初學者可能存在的幾個誤區。

如果說，學習嵌入式系統不是為了開發其應用產品，那就沒有具體目標了，許多諸如學習方法問題也就不必談了。實際上，這正是許多人想學，又不知從何開始學習的關鍵問題所在，不知道自己學習的具體目標。于是，看了一些培訓廣告，看了書店中書架上種類繁多的嵌入式系統的書籍，或上網以“嵌入式系統”為關鍵詞進行查詢，然后參加培訓或看書，開始“學習起來”。對于有計算機閱歷的人，往往選擇一個嵌入式操作系統就開始學習了。不好聽的比喻，有點象“瞎子摸大象”，只了解其一個側面。這樣如何能對嵌入式產品的開發過程有個全面了解呢？針對許多初學者選擇“xxx嵌入式操作系統+xxx處理器”的嵌入式系統入門學習模式，我認為是不合適的。我的建議是：首先把嵌入式系統軟件與硬件基礎打好了，再根據實際需要，選擇一種實時操作系統（RTOS）進行學習實踐。要記住：RTOS是開發某些類嵌入式產品的輔助工具，是手段，不是目的。許多類嵌入式產品，并不需要RTOS。所以，一開始就學習RTOS，并不符合學習“由淺入深、循序漸進”的學習規律。

RTOS本身由于種類繁多，實際使用何種RTOS，一般需要工作單位確定。基礎階段主要學習RTOS的基本原理與在RTOS之上的軟件開發方法，而不是學習如何設計RTOS。以開發實際嵌入式產品為目標的學習者，不要把過多的精力花在設計或移植RTOS上面。正如很多人使用Windows操作系統，而設計Windows操作系統只有Microsoft。許多人“研究”Linux，但不使用它，浪費時間了，人的精力是有限的，學習必須有所選擇。

2.2 嵌入式系統學習誤區2-硬件與軟件的困惑

以MCU為核心的嵌入式技術的知識體系必須通過具體的MCU來體現、實踐與訓練。但是，選擇任何型號的MCU，其芯片相關的知識只占知識體系的20%，80%是通用知識。但是80%的通用知識，必須通過具體實踐才能進行，所以學習嵌入式技術要選擇一個系列的MCU。但不論如何，系統含有硬件與軟件兩大部分，它們之間的關系如何？

有些學者，僅從電子角度認識嵌入式系統。認為“嵌入式系統=MCU硬件系統+小程序”。這些學者，大多學習背景是具有良好的電子技術基礎知識。實際情況是，早期MCU內部RAM小、程序存儲器外接，需要外擴各種I/O，沒有象現在這樣USB、嵌入式以太網等較復雜的接口，因此，程序占總設計量小于50%，使人們認為嵌入式系統（單片機）是“電子系統”，以硬件為主、程序為輔。但是，隨著MCU制造技術的發展，不僅MCU內部RAM越來越大，Flash進入MCU內部改變了傳統的嵌入式系統開發與調試方式，固件程序可以被更方便地調試與在線升級，許多情況與開發PC機程序方便程度相差無幾，只不過開發環境與運行環境不是同一載體而已。這些情況使得嵌入式系統的軟件硬件設計方法發生了根本變化。

有些學者，僅從軟件開發角度認識嵌入式系統，甚至有的僅從嵌入式操作系統認識嵌入式系統。這些學者，大多具有良好的計算機軟件開發基礎知識，認為硬件是生產廠商的事，沒有認識到，嵌入式系統產品的軟件與硬件均是需要開發者設計的。我常常接到一些關于嵌入式產品穩定性的咨詢電話，發現大多數是由于軟件開發者對底層硬件的基本原理不理解造成的。特別是，有些功能軟件開發者，過分依賴于底層硬件的驅動軟件設計完美，自己對底層驅動原理知之甚少。實際上，一些功能軟件開發者，名義上再做嵌入式軟件，實際上，僅僅使用嵌入式編輯、編譯環境而已，本質與開發通用PC機軟件沒有兩樣。而底層硬件驅動軟件的開發，若不全面考慮高層功能軟件對底層硬件的可能調用，也會使得封裝或參數設計得不合理或不完備，導致高層功能軟件的調用困難。從這段描述可以看出，若把一個嵌入式系統的開發孤立地分為硬件設計、底層硬件驅動軟件設計、高層功能軟件設計，一旦出現了問題，就可能難以定位。實際上，嵌入式系統設計是一個軟件、硬件協同設計工程，不能象通用計算機那樣，軟件、硬件完全分開來看，要在一個大的框架內協調工作。 面對學習嵌入式系統以軟件為主還是以硬件為主，或是如何選擇切入點，如何在軟件與硬件之間取得一些平衡。對于這個困惑的建議是：要想成為一名真正的嵌入式系統設計師，在初學階段，必須重視打好嵌入式系統的硬件與軟件基礎。以下是從事嵌入式系統設計二十多年的一個美國學者John Catsoulis 在《Designing Embedded Hardware》一書中關于這個問題的總結：嵌入式系統與硬件緊密相關，是軟件與硬件的綜合體，沒有對硬件的理解就不可能寫好嵌入式軟件，同樣沒有對軟件的理解也不可能設計好嵌入式硬件。

嵌入式系統產品種類繁多，應用領域各異。在2.1小節中，我們把嵌入式系統的應用范圍粗略分為電子系統的智能化與計算機應用的延伸兩大類，從初學者角度，可能有分別從這兩個角度片面認識嵌入式系統的問題。因此，一些從電子系統智能化角度認識嵌入式系統的學習者，可能會忽視編程結構、編程規范、軟件工程的要求、操作系統等知識的積累。另一些從計算機應用的延伸角度認識嵌入式系統的學習者，可能會把通用計算機學習過程中的概念與方法生搬硬套到嵌入式系統的實踐中，忽視嵌入式系統與通用計算機的差異。

實際上，在嵌入式系統學習與實踐的初始階段，應該充分了解嵌入式系統的特點，根據自身的已有知識結構，制定適合自身情況的學習計劃。目標應該是打好嵌入式系統的硬件與軟件基礎，通過實踐，為成為良好的嵌入式系統設計師建立起基本知識結構。學習過程，可以通過具體應用系統為實踐載體，但不能拘泥于具體系統，應該有一定的抽象與歸納。例如，有的初學者開發一個實際控制系統，沒有使用實時操作系統，但不要認為實時操作系統不需要學習。又例如，有的初學者以一個帶有實時操作系統的樣例為藍本進行學習，但不要認為，任何嵌入式系統都需要使用實時操作系統，甚至把一個十分簡明的實際系統加上一個不必要的實時操作系統。因此，片面認識嵌入式系統，可能導致學習困惑。應該根據實際項目需要，鍛煉自己分析實際問題、解決問題的能力。這是一個比較長期的學習與實踐過程，不能期望通過短期培訓完成整體知識體系的建立，應該重視自身實踐，全面地理解嵌入式系統的知識體系。

嵌入式系統的大部分初學者需要選擇一個微控制器（MCU）進行入門級學習，面對眾多廠家生產的微控制器系列，不知如何是好。

首先是關于位數問題，目前主要有8位、16位、32位，面對嵌入式系統應用的多樣性，不同位數的MCU各有應用領域，這一點與通用微機有很大不同。你做一個遙控器，不需要使用一個32位MCU，可能一個MCU芯片價格已經超過遙控器價格需求。對于首次接觸嵌入式系統的學習者，可以根據自己的知識基礎選擇入門芯片的位數。建議大多數初學者，可以選擇一個8位MCU作為快速入門芯片，了解一些匯編與底層硬件知識，之后再選一個16位或32位芯片進行學習實踐。

關于芯片選擇的另一個誤區，認為有“主流芯片”存在，嵌入式系統也可以形成芯片壟斷。這完全是一種誤解，是套用通用計算機系統的思維模式，而忽視了嵌入式系統應用的多樣性。

關于學習芯片選擇還有一個誤區，是系統的工作頻率。誤認為選擇工作頻率高的芯片進行入門學習，表示更先進。實際上，工作頻率高可能給初學者帶來學習過程中的不少困難。

實際嵌入式系統設計不是追求芯片位數、工作頻率、操作系統等因素，而是追求穩定可靠、維護、升級、功耗、價格等指標。而初學者選擇入門芯片，是通過某一MCU作為藍本獲得嵌入式系統知識體系的通用基礎，其基本原則是：入門時間較快、硬件成本較少，知識要素較多，學習難度較低。

3 基礎階段的學習建議

基于以上討論，下面對廣大渴望學習嵌入式系統的學子提出幾點基礎階段的學習建議：

（1）嵌入式系統軟件硬件密切相關，一定要打好軟件硬件基礎。其實，只要找到正確的方法，加上努力，任何理工科學生，甚至非理工科學生，都能學好嵌入式系統。

（2）選擇一個芯片及硬件評估板（入門芯片最好是簡單一點，例如8位MCU）、選擇一本好書（最好有規范的例子）、找一位好老師（最好是有經驗且熱心的）。硬件評估板的價格一定要在1000元以下，不要太貴，最好能有自己動手的空間。不花一分硬件錢，要想學好嵌入式系統不實際。因為，這是實踐性很強的學科。好書，可以使你少走彎路，不會被誤導，要知道有的書是會使人進入學習誤區的。好老師也可以是做過一些實際項目的學長（一定要找做過幾個成功項目的學長或老師做指導，否則，經驗不足也可能誤導），有教師指導，學習進程會加快（人工智能學科里有個術語叫無教師指導學習模式與有教師指導學習模式，無教師指導學習模式比有教師指導學習模式復雜許多）。

（3）許多人怕硬件，其實嵌入式系統硬件比電子線路好學多了。只要深入理解MCU的硬件最小系統，對I/O口、串行通信、鍵盤、LED、LCD、SPI、I2C、PWM、A/D（包括一些傳感器）、D/A等逐個實驗理解，逐步實踐。再通過自己做一個實際的小系統，底層硬件基礎就有了。各個硬件模塊驅動程序的編寫是嵌入式系統的必備基礎。學習嵌入式系統的初期，這個過程是必須的。

（4）至于嵌入式實時操作系統RTOS，一定不要一開始就學，這樣會走很多彎路，也會使你對嵌入式系統感到畏懼。等你軟件硬件基礎打好了，再學習就感到容易理解。實際上，眾多嵌入式應用，并不一定需要操作系統。也可以根據實際項目需要再學習特定的RTOS。一定不要被一些嵌入式實時操作系統培訓班宣傳所誤導，而忽視實際嵌入式系統軟件硬件基礎知識的學習。

（5）要避免片面地單純從“電子”或“計算機軟件”角度認識嵌入式系統。前面說過，嵌入式系統是軟件與硬件的綜合體。因此，要逐步從MCU的最小系統開始，一點一點理解硬件原理及底層硬件驅動編程方法。要通過規范的例子，理解軟件工程封裝、可復用等思想。通過規范編程，積累底層構件（Component），也就是一個一個模塊，但是要封裝得比較好，可復用。

（6）注重實驗與實踐。這里說的實驗主要指通過重復或驗證他人的工作，目的是學習基礎知識，這個過程一定要經歷。實踐是自己設計，有具體的“產品”目標。如果你能花500元左右自己做一個具有一定功能的小產品，且能穩定運行1年以上，就可以說接近入門了。

（7）關于入門芯片的選擇。不要選太復雜的微控制器作為入門芯片，不能超越學習過程。不要一下子學習幾種芯片，可以通過一個芯片入門并具有一個實踐經驗后，根據實際需要選擇芯片開發實際產品。注意，不要把微處理器（MPU）與微控制器（MCU）概念相混淆，微處理器只是微控制器的內核。

（8）關于操作系統的選擇。可以等到你具有一定實踐后，選擇一個簡單容易理解原理的進行學習，不要一開始就學習幾種操作系統，理解了基本原理，實踐中確有實際需要再學習也不遲。人總是要不斷學習的。

（9）關于匯編與C語言的取舍。隨著MCU對C編譯的優化支持，對于匯編可以只了解幾個必須的語句，直接使用C語言編程。但必須通過第一個程序理解芯片初始化過程、中斷機制、程序存儲情況等區別于PC機程序的內容。另外，為了測試的需要，最好掌握一門PC機編程語言。

（10）要明確自己的學習目的，并注意學習方法。關于學習目的要明確是打基礎，還是為了適應某些工作而進行的短訓;而學習方法方面，要根據學習目的選擇合適的學習途徑，注意理論學習與實踐、通用知識與芯片相關知識、硬件知識與軟件知識的平衡，要在理解軟件工程基本原理基礎上理解硬件構件與軟件構件等基本概念。