本文涉及的內(nèi)容較多，個(gè)人知識(shí)水平有限，如有不當(dāng)之處歡迎指正。

特別鳴謝：嵌入式大神 @tofulee?，@woshizmxin?對(duì)本文給出了一些很好的意見。

何為嵌入式

嵌入式是一個(gè)比較模糊的概念，也沒有很準(zhǔn)確的解釋，其實(shí)也沒必要一定找出個(gè)準(zhǔn)確的解釋來，并不影響學(xué)習(xí)。

參考了網(wǎng)上的資料，根據(jù)我的認(rèn)識(shí)，可以認(rèn)為嵌入式系統(tǒng)是一種完全嵌入到設(shè)備內(nèi)部、解決特定問題的專用計(jì)算機(jī)。我們常用的電腦被認(rèn)為是通用計(jì)算機(jī)，能安裝各種軟件，從而解決各種不同問題；而嵌入式系統(tǒng)是專用計(jì)算機(jī)，只負(fù)責(zé)解決特定問題，例如控制洗衣機(jī)、控制路由器等；其軟件被稱為固件，一般不會(huì)經(jīng)常進(jìn)行變動(dòng)。

一般認(rèn)為智能手機(jī)也是嵌入式系統(tǒng)，但是現(xiàn)在手機(jī)功能越來越強(qiáng)大，可以裝各種軟件，和電腦之間的界限也比較模糊了。例如平板電腦，既可以當(dāng)成電腦，又可以當(dāng)成大屏幕手機(jī)……當(dāng)然，沒必要過多的去糾結(jié)這些。

從上面的這個(gè)定義來看，單片機(jī)一般也屬于嵌入式系統(tǒng)。

典型嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程

這里舉一個(gè)使用ARM9的CPU和Linux操作系統(tǒng)的、典型的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程。整個(gè)設(shè)計(jì)過程有點(diǎn)組裝電腦的感覺，就是拼接各種模塊，包括軟件模塊和硬件模塊。

需要注意的是，嵌入式的范疇非常廣。這里要舉的例子，作為典型的嵌入式設(shè)備，也是近幾年很流行的智能硬件設(shè)備；其設(shè)計(jì)重點(diǎn)在軟件系統(tǒng)和硬件電路上，和IT類專業(yè)的關(guān)系非常密切。本文也是以這種典型的嵌入式設(shè)備為主進(jìn)行介紹的。

實(shí)際上還有很多不一樣的情況。例如一臺(tái)全自動(dòng)洗衣機(jī)，智能化程度不高，運(yùn)算量小，往往只需要簡(jiǎn)單的單片機(jī)就可以控制，也不依賴操作系統(tǒng)，這時(shí)設(shè)計(jì)重點(diǎn)就放在了機(jī)電控制、力學(xué)、外觀等方面。

方案確定

現(xiàn)在要做一個(gè)產(chǎn)品，人臉識(shí)別的門鎖。人臉識(shí)別的算法實(shí)現(xiàn)，需要用到較高運(yùn)算能力的器件。如果使用一臺(tái)常規(guī)電腦執(zhí)行算法，并和門鎖連接，那樣成本太高，體積大，不實(shí)用，還很費(fèi)電。這時(shí)最佳選擇就是使用嵌入式系統(tǒng)了。

硬件方面，根據(jù)算法的運(yùn)算量和響應(yīng)時(shí)間，可以選擇一款合適的CPU，例如三星的一款A(yù)RM9芯片；容量合適的存儲(chǔ)器，包括RAM、ROM芯片等；給它配備攝像頭負(fù)責(zé)獲取人臉圖像；電機(jī)之類的裝置負(fù)責(zé)開門；可能還有一些指示燈和控制按鈕；以及USB接口，用于連接電腦進(jìn)行更多操作。確定硬件器件時(shí)，往往需要考慮很多因素，例如器件的體積，成本，批量制造時(shí)是否便于采購，是否易于使用，等等。

軟件方面，為了開發(fā)方便，考慮直接使用Linux操作系統(tǒng)。Linux系統(tǒng)和Windows類似，但是Linux是開源的，可以看到源代碼，可以按需要修改。在Linux的基礎(chǔ)上，利用OpenCV圖形庫編寫應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)人臉錄入、識(shí)別等功能。

嵌入式軟件

Linux操作系統(tǒng)是開源的，可以找到它的源碼，按需修改?；贚inux的操作系統(tǒng)很多，例如電腦上用的Ubuntu，手機(jī)上的Android。

整體方案考慮好之后就有問題來了，產(chǎn)品方案已經(jīng)確定，不需要顯示器、聲卡、網(wǎng)卡等硬件設(shè)備。如果把一個(gè)完整的Linux操作系統(tǒng)裝進(jìn)去，上面就會(huì)有很多多余的東西，不僅對(duì)有限的CPU配置來說浪費(fèi)運(yùn)算能力，而且浪費(fèi)存儲(chǔ)空間，又費(fèi)電。

Linux開源免費(fèi)，可以按需要修改，帶來了巨大的好處。實(shí)際上只要把需要的設(shè)備驅(qū)動(dòng)和Linux內(nèi)核一起編譯就可以了（操作系統(tǒng)和常見的C語言編程一樣，也是從源碼編譯成可執(zhí)行文件）。而顯卡、聲卡等設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序就不需要了。另外還有負(fù)責(zé)引導(dǎo)操作系統(tǒng)啟動(dòng)的BootLoader程序，也可以直接用成品。

Linux的資源非常豐富，需要的攝像頭驅(qū)動(dòng)程序往往都能找到，通常攝像頭的硬件廠商也會(huì)提供配套的驅(qū)動(dòng)程序。有些情況下或許會(huì)有特殊需要，這個(gè)時(shí)候才需要有人專門負(fù)責(zé)給這個(gè)攝像頭寫驅(qū)動(dòng)程序，也就是嵌入式驅(qū)動(dòng)開發(fā)（這里是從產(chǎn)品研發(fā)廠商的角度來考慮的。如果從攝像頭廠商的角度考慮，他們提供的攝像頭產(chǎn)品配套驅(qū)動(dòng)程序，也是需要有人來寫的）。

針對(duì)挑選好的CPU等硬件的型號(hào)，配置好各種參數(shù)，將這些軟件模塊進(jìn)行編譯，就成了經(jīng)過裁剪的專用操作系統(tǒng)。在這個(gè)操作系統(tǒng)上開發(fā)好人臉識(shí)別程序（嵌入式應(yīng)用軟件）。最后固件開發(fā)完成，下載進(jìn)硬件中就可以了。

嵌入式硬件

硬件方面，首先是電路設(shè)計(jì)，一般各種硬件設(shè)備和芯片，例如攝像頭、CPU等都會(huì)有它的接口，就像單片機(jī)的IO口、各種芯片的接口一樣，按照一些規(guī)則進(jìn)行連接就可以了。

然后是PCB的設(shè)計(jì)，根據(jù)電路設(shè)計(jì)PCB，PCB設(shè)計(jì)的過程中可能要考慮到布線、產(chǎn)品外觀等問題（實(shí)際上還要設(shè)計(jì)產(chǎn)品外觀，可以利用3D打印技術(shù)；大概是工業(yè)設(shè)計(jì)什么的，不太了解，也不細(xì)說）。

產(chǎn)品原型與量產(chǎn)

設(shè)計(jì)好以后，進(jìn)行產(chǎn)品原型的制造，制造的量很少。例如外殼可以用3D打印實(shí)現(xiàn)，3D打印非常適合原型的制造，免除了模具設(shè)計(jì)等復(fù)雜的工藝；硬件電路方面，可以申請(qǐng)公司樣片，人工焊接到電路板上；然后燒寫固件并組裝產(chǎn)品。將軟硬件整合成產(chǎn)品原型進(jìn)行測(cè)試，如果有問題則需要再修改設(shè)計(jì)，重復(fù)這些步驟。完成后，產(chǎn)品的研發(fā)階段就差不多了，也就是產(chǎn)品原型已經(jīng)能用了。

產(chǎn)品原型實(shí)現(xiàn)了，就可以進(jìn)行批量生產(chǎn)了。批量生產(chǎn)又會(huì)涉及很多問題，例如元器件采購要考慮成本和供應(yīng)量，PCB、外殼的批量制造，焊接、裝配、包裝等。

嵌入式開發(fā)的特點(diǎn)與難點(diǎn)

還是以上面的典型嵌入式系統(tǒng)為例，可以看出，嵌入式系統(tǒng)涉及的東西很多，從最底層的硬件電路，一直到上層的應(yīng)用程序。通常說的嵌入式開發(fā)，最主要的就是軟硬件結(jié)合的部分；在其上是應(yīng)用程序開發(fā)了，例如安卓App的開發(fā)，對(duì)于底層原理不需要有太多的了解；而在其下如PCB設(shè)計(jì)之類，一般認(rèn)為是純硬件，也不算嵌入式的內(nèi)容了。

軟件方面，利用了很成熟的Linux操作系統(tǒng)，整個(gè)過程中大部分軟件模塊都有成品，只需要合理的選用，然后進(jìn)行拼接、編譯就可以了。這些軟件模塊早就有人寫好了，往往不需要去寫，但是要能大致理解寫好的程序，并根據(jù)需要做一些小的修改調(diào)整。而對(duì)于一些特殊和極端情況，才有必要對(duì)程序進(jìn)行較大改動(dòng)，甚至自行實(shí)現(xiàn)。很多時(shí)候就是在移植驅(qū)動(dòng)和系統(tǒng)，程序方面常用成品，更多的是小規(guī)模的修改調(diào)整；寫程序相對(duì)少，難度較大，往往也沒必要重復(fù)發(fā)明輪子。看懂代碼最簡(jiǎn)單，修改次之，自己寫最難。

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，如果使用的都是現(xiàn)成的代碼，難點(diǎn)在哪呢？有大神給我解釋，嵌入式開發(fā)入門比較難，學(xué)著學(xué)著，發(fā)現(xiàn)很多現(xiàn)成的驅(qū)動(dòng)都擺在那兒，而難題在于怎么將這些驅(qū)動(dòng)移植到系統(tǒng)中，怎么去調(diào)試了。因?yàn)檎{(diào)試的時(shí)候，涉及整個(gè)linux系統(tǒng)，非常龐大，要考慮的地方非常多，所以顯得比較難了。但是只要在繁雜的linux系統(tǒng)中找到問題所在了，往往就只需要修改那么一兩個(gè)地方即可。另外，在設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)時(shí)，需要考慮開支，技術(shù)難度等各種因素，選取合適的芯片、模塊，也比較難。

如何學(xué)習(xí)

嵌入式涉及的東西非常多，學(xué)起來也不容易。我本人只做過單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，和學(xué)嵌入式的同學(xué)聊過一些，沒有具體的去學(xué)嵌入式，所以這里簡(jiǎn)單提一些看法。嵌入式方面我研究的不多，所以也沒辦法推薦太多的書籍，知道的就順便推薦下。

根據(jù)網(wǎng)上的招聘信息，嵌入式常分為嵌入式硬件和嵌入式軟件兩個(gè)大的方向，硬件方向負(fù)責(zé)電路設(shè)計(jì)之類；嵌入式軟件常常是底層的驅(qū)動(dòng)程序移植、開發(fā)之類；而嵌入式軟件再往上層一點(diǎn)，差不多就是操作系統(tǒng)之上的應(yīng)用開發(fā)了。

首先C語言幾乎是嵌入式各種崗位必備的基礎(chǔ)知識(shí)，并且要求很高（很多公司給出的要求是精通）。在嵌入式的底層，C語言大量被使用，特別是多維指針、結(jié)構(gòu)體等，還有很多上層C編程中不常用的知識(shí)，例如volatile關(guān)鍵字。另外C++在有些公司的招聘要求中也有提到，稍上層一點(diǎn)的編程可能會(huì)用C++。《The C Programming Language》《C++ Primer》這兩本書比較經(jīng)典。

單片機(jī)作為嵌入式的重要基礎(chǔ)，有必要學(xué)習(xí)一下，對(duì)于提高動(dòng)手能力等也很有好處。微機(jī)原理也是基礎(chǔ)知識(shí)，學(xué)習(xí)單片機(jī)對(duì)于理解微機(jī)原理有幫助；匯編語言則是微機(jī)原理中的重點(diǎn)知識(shí)，在嵌入式最底層的程序中會(huì)用到。數(shù)字電路是微機(jī)原理的基礎(chǔ)，在單片機(jī)/嵌入式的硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)，也會(huì)經(jīng)常用到。如果做偏硬件方面，可能還需要一定的模擬電路和PCB設(shè)計(jì)知識(shí)。

Linux的操作也是一個(gè)很基礎(chǔ)的知識(shí)，嵌入式用Linux系統(tǒng)很多，編譯很多時(shí)候也是在Linux環(huán)境下進(jìn)行的。由于嵌入式往往涉及操作系統(tǒng)，所以操作系統(tǒng)也有學(xué)習(xí)的必要。網(wǎng)絡(luò)方面的知識(shí)也經(jīng)常會(huì)涉及。推薦書籍：《鳥哥的Linux私房菜》《現(xiàn)代操作系統(tǒng)》《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》。

然后推薦一本韋東山的《嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)完全手冊(cè)》，里面涉及了嵌入式系統(tǒng)移植方方面面的知識(shí)。如果想學(xué)的再深入一些，可以去看嵌入式驅(qū)動(dòng)開發(fā)，還有BootLoader、Linux的原理以及代碼實(shí)現(xiàn)等等。Linux操作系統(tǒng)非常龐大，能把里面的原理都弄明白，需要很多的知識(shí)，也需要很長(zhǎng)時(shí)間的積累。編程方面還可能涉及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)模式等學(xué)科內(nèi)容。嵌入式的編程一般是在Linux系統(tǒng)下進(jìn)行的，所以熟悉Linux系統(tǒng)下的代碼編輯器、熟悉程序的編譯、工程的管理、Makefile的編寫等也很必要。

Android作為一個(gè)新興的優(yōu)秀開源嵌入式系統(tǒng)，也在越來越多的被用到，安卓智能手機(jī)的設(shè)計(jì)也少不了嵌入式方面的研發(fā)工作。例如有安卓?jī)?nèi)核與驅(qū)動(dòng)開發(fā)方面的崗位；專門的安卓ROM移植工程師，負(fù)責(zé)安卓系統(tǒng)的定制移植等工作?！禔ndroid內(nèi)核剖析》這本書不錯(cuò)。通常所說的嵌入式方向，不包括安卓應(yīng)用程序的開發(fā)。

總得來說，嵌入式涉及的東西特別多，軟件、硬件都有，其中很多東西對(duì)理論要求倒也不高，但是不好理解。知識(shí)太多需要長(zhǎng)期堅(jiān)持和積累。初級(jí)的嵌入式工程師，主要是移植驅(qū)動(dòng)和系統(tǒng)之類，看懂已有的程序，做一些小的調(diào)整；而高級(jí)的嵌入式工程師，則能對(duì)代碼進(jìn)行大規(guī)模的調(diào)整，甚至自己寫代碼。這一點(diǎn)非常不容易，因?yàn)榍度胧降某绦蛲茈y寫，每一行代碼都可能包含了大量的背景知識(shí)（所以待遇肯定也不會(huì)差）。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的嵌入式科普：基本概念，设计流程，开发特点，如何学习的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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