写在前面
自毕业以来,已经历了两个春秋,也经历了一次完整的项目开发。从最初,根据技术需求,调查相关的技术内容,到功能、结构以及详细的设计,再随后的编码、评审、白盒黑盒测试,历时了有一年多的时间。
在这一个完整的瀑布模型的开发流程中,越是底端的流程(诸如编码和测试),就越是忙碌。经历过几个月的9 10 6,有时也会到需要赶末班地铁的境遇。
一直想着,工作了这么一段时间,有了些许的工作经验,虽然说是忙碌,但是却少有对工作彻底而深入的思考。这几日,正值休假,台风利奇马刚过境,太阳非常好,适合把自己拿出来晒一晒。
当然,正如我一样,这篇文章主要内容就是作为一个初入世的新手,对于工作内容的总结与思考,内容简单,适合嵌入式新手看,或者和我相仿的一两年生。
正文
嵌入式
嵌入式这个词汇听起来似乎并不陌生,但是在我看来,它所包含的内容是非常之多的。对于嵌入式的技术人员来说,并不能将其一概而论为软件工程师还是硬件工程师。
虽然我的工作是嵌入式的软件开发,但是,随着这两年开发的积累,发现如果一味只懂软件层面的东西,那么在一个新项目的开发中将会相当吃力。许多文档如果没有一定的电路知识和硬件知识,阅读起来会相当困难。所以,今后需要重视这方面的技术积累,是时候再把大学当年的数电模电电子线路拿出来看一看了。
嵌入式系统
无论是什么学科,对它有一个宏观上的认识和理解是很重要,如何去理解一个嵌入式系统呢。我自己把它和我们经常用到的PC机系统,在几个大学肯定会学到的学科下面来对比理解。
计算机组成原理
在这门学科里面,应该在第一节课就会被提到的一个名词——冯诺依曼。在这个体系中的三大核心:CPU、存储器、IO设备。那我就分别就这三个说一说我的理解。
CPU
CPU是一个计算机系统的核心,不管是嵌入式系统还是PC机,都需要通过CPU计算和处理得到结果。但是嵌入式系统和PC机的CPU自然是不一样的,毕竟从价格上看就有差别了。
对比他们两个CPU的差别之前需要对两个很装B的词有所理解,就是RISC和CISC。从这两个的英文全拼,其实就能理解他们的意思了——Reduced Instruction Set Computing和Complex Instruction Set Computer。
总的来说,他们的差别就是这样,嵌入式系统的CPU通常就是精简指令集的处理器(RISC)。精简指令集的含义就是指令集比较少,那么指令集少有什么好处呢?
首先,嵌入式系统的功能较于PC机少很多,所以很多指令集在嵌入式系统中没有用处。所以原本的CISC处理器用在嵌入式系统上没有必要,而且很浪费,所以RISC处理器应运而生。
第二,指令集少可以减少嵌入式系统的开销,每个指令都需要一定的电路器件来支撑它的执行,如果指令集少的话,那么就可以减少用于支撑指令集的电路元件,就可以节约成本。所以嵌入式系统CPU的价格要便宜很多。
第三,如果指令集比较复杂庞大,处理器也会变复杂,随之带来的就是执行操作变慢。由于嵌入式系统的应用的特性,很多嵌入式需要能够实时的处理并反馈,RISC处理器比CISC处理器的实时性高很多。
存储器
存储器,顾名思义,就是存放东西的地方。需要什么就可以存什么,诸如程序,程序所需的配置文件、数据,甚至图片,声音,视频等等。机器运行中需要什么再从中找。
同样的,和PC机一样,嵌入式系统的存储器也是一样功能。虽然嵌入式系统中的存储器有很多种(比如Flash、EEPROM、RAM、SRAM等等),但是无非就是类似于PC机的硬盘和内存,他们之前的区别就是读写速度、掉电是否丢失、写入和擦除。
IO设备
嵌入式虽然没有PC机那么强大的UI交互,但是他也需要一定的输入输出来满足它的功能,比如声音,画面,数据交互,通信等等。
当然,这些输入输出对应的设备具体是如何接入嵌入式系统的(比如扬声器、显示屏、数据外设、通信猫),涉及到的内容会比较多,简单提一下,不详细展开了。
输入输出设备是需要与嵌入式系统通信的,提到通信必然会有协议,嵌入式中经常会使用到的协议有I2C、UART、USB、SPI、CAN等,以及与网络相关的通信协议TCP/IP协议族、HTTP协议也会运用在嵌入式系统中。
操作系统
操作系统,这个东西看不到摸不着,但在各个方面都会接触到。例如在PC机上,我们会用到Windows或者乌班图或者MacOS;在移动设备上我们也会用到安卓、IOS;以及先前一直活跃于各大网络营销中的华为的鸿蒙OS,这些名词就是所谓的操作系统。
那么为什么会有这么多OS,这些又有什么区别呢?原因想起来也很简单,从操作系统的作用来想。操作系统是用来管理计算机的,管理计算机的硬件和软件之间、硬件和硬件之间以及软件和软件之间的关系。所以,当我们在不同的硬件平台上使用软件的时候,就需要不同的OS来协调他们之间的关系。
对于嵌入式来说,硬件条件没有PC机那么复杂,功能针对性也非常强,所以像我们常用的Windows这样的OS在嵌入式中肯定是没必要的,也用不起来。所以在嵌入式的OS中,常用到的有arm-Linux、FreeRTOS、安卓等,他们的主要功能是任务的管理和中断的处理。
嵌入式操作系统,对于实时性要求普遍比较高,所以嵌入式采用的大多是一些实时操作系统(RTOS)。这样的系统的特点就是能够在很短的时间完成所需要的处理,处理内容简单迅速有效。
高级语言程序
操作系统中,这个任务和中断处理,实际上就是我们使用高级语言(C、C++、JAVA等)写的程序。
我们可以根据相应的OS,创建任务,在任务中使用来完成我们的需求。大多数任务,通过无限循环while(TRUE)和一定的周期实现,在每个周期,根据外部的情况和数据的分析做出对应的处理。
中断处理。中断这个东西不同于任务,任务是我们写好,让计算机主动去执行。而中断则是根据不同的情况,由外部触发,当外部发生了这个事件,计算机会暂停任务的处理,转而去解决外部发生的事件。当然,发生这个事件,如何处理也是我们通过程序预先设计好的。
总结
嵌入式系统是非常庞大的一个知识体系,短短几行还是不能完全描述这个东西的。我所列的这三个方面,以及我所聊到的内容都只是很表面的东西,需要深入学习,并在工作中实际理解,才能把嵌入式系统自底向上得融会贯通。
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