嵌入式开发要学习哪些内容

内容纲要

生活中，智能手环、智能音箱、智能家电、共享单车、无人驾驶…..这些都属于嵌入式系统，其特点是由嵌入式计算机系统和执行装置组成。嵌入式技术为人类带来了今日的美好生活，人们怎么可能浅尝辄止，为了将嵌入式技术发扬光大，国内的DJI、美团&NINEBOT、小马智行、地平线、小米等优秀企业正使用嵌入式技术优化人类的生活。显而易见，嵌入式开发这条路是光明的。

01 嵌入式开发需要学习哪些内容？
那么，如果我们想学习嵌入式，需要掌握哪些内容呢？其实，我们直接分析大企业嵌入式相关岗位的工作描述，就可以找到答案，也是我们努力的方向。十几年前的嵌入式开发受限于硬件处理器的性能，无法实现复杂的逻辑和功能，使得嵌入式产品功能单一。现在嵌入式开发随着处理器的成长要面对全新的挑战：计算性能和内存永远不够用、为了保障不丢帧要求高效的实时性、高级接口和协议栈的产生导致代码的规模越来越大。为了应对这些新的挑战，各大企业对工程师有以下几个方面的要求：编程能力、处理器架构、操作系统、接口与驱动、Framework、应用编程与调试、硬件知识。

编程能力

嵌入式工程师大类上属于软件工程师的范畴，编程技能是基本功，DJI、小马智行、NINEBOT、石头科技、OPPO、小米、地平线这些公司都对C/C++要求熟练掌握的程度。除此以外对解释型语言要求为至少熟悉一种脚本语言。了解Linux系统，会使用Makefile工程管理工具等。可见，C和C++仍旧是嵌入式开发绝对主流的语言。底层软件这么多年来，一直是C的天下，在可预见的将来，不会改变。随着系统复杂度越来越高，越来越多的应用层软件采用C++来编写。Sehll主要用于制作工程管理工具，Python可以让你和人工智能工程师愉快对话。

处理器架构

美团、小马智行、石头科技、OPPO、VIVO都要求熟练掌握或者精通STM32单片机和ARM处理器架构，其它加分项有DSP、熟练使用ARM Cortex-A或M系列内核的SOC。这部分我们需要了解Cortex-M和Cortex-A系列处理器架构。哈佛架构、冯诺依曼架构、多级流水线、是最简单的问题。SIMD、MIMD、指令预取、乱序执行这些概念也要搞懂。

操作系统

目前的电子产品功能越来越多，也越来越复杂，操作系统可以极大地简化产品的开发难度。大疆、美团、小马智行、小米、地平线都要求熟悉Linux下的多进程多线程、网络编程的开发和调试，内存、功耗、性能优化等。无人驾驶和无人机，这些对响应速度要求高的行业，对实时操作系统也有不同程度的要求。在这一部分我们需要掌握基本的操作系统知识，理论结合实际，熟悉一个RTOS，大多数的RTOS的复杂度远小于Linux。Linux拥有完善的生态，相较于RTOSLinux的C库配置已经很完善了。但是想要用好就有一定难度了，在这里需要了解内存管理、进程管理、多核、中断、锁、消息队列，性能分析等等内容来应对开发工程中帧率下降、系统秒级卡死、相机丢帧等异常。

接口与驱动

许多初涉嵌入式行业的人会狭隘的认为搞嵌入式就是写驱动。美团无人配送、小马智行、石头科技对CAN、SPI、I2C、UART这些常见的低速接口都要求熟悉，其它的像LCD、Touch、Camera、USB、BT/WIFI/GPS、IMU这些进入寻常百姓家的Sensor驱动开发经验是妥妥的加分项。低速接口的驱动，在厂家提供的BSP中一般都有，只需要仔细看手册，搞清各接口所需的工作模式并做适当配置，该用中断的时候用中断，该用DMA的时候用DMA，即可。

Framework

中间件和协议栈的部分有一个特点，研发机器人的企业一般都会要求熟悉ROS，相机类的企业要求熟悉camera、codec、storage相关的pipeline。还有基本的协议栈也是必须了解和掌握的。

应用编程与调试

美团无人配送、小马智行、NINEBOT、小米都要求熟悉Linux或Unix系统编程，了解基本的编译原理，需要掌握gdb、valgrind、strace、perf、coredump等调试手段，用好log系统。只要掌握上面编程能力、操作系统、Framework这些内功心法，调试工具不过是招数。

硬件知识

科技企业大多要求了解一定的硬件知识，基础硬件知识的掌握程度，达到可以看懂原理图并对常见的元器件有一定了解，熟悉模电数电知识即可。基本上是电子工程类学生，所学专业课的内容。另外，要会使用示波器等测试仪器，会驱动常见的传感器等。

02 嵌入式开发如何入门？
嵌入式系统专业是综合了计算机硬件技术，计算机软件技术以及电子电路技术的一门综合学科，所涉及的内涵和知识非常广泛。

C语言基础

在开始学习嵌入式之前，首先要打好基础，其中最重要的是C语言基础，要至少达到能单独编写调试一个500行的小项目（大概是一个本地员工管理系统的代码量），能够了解C语言的基本语法规则，基本语句的使用，理解指针概念并能灵活使用各种指针。在学习C语言的过程中，指针的概念比较难理解，但是如果对计算机组成原理有了解的话，地址和指针，源码和可执行程序，软件通过寄存器控制硬件这些概念都会变得很清晰。

那学习C语言使用什么环境？

首选方案，Windows安装虚拟机，虚拟机运行Linux操作系统，编辑器选择vim，命令行运行gcc编译器编译环境。

为什么要用Linux操作系统呢？

从上文中的各大企业对研发工程师的要求可以看出，Linux操作系统在嵌入式行业中的地位是任何操作系统不可比拟的。许多公司为了保护自己的代码产权，开发用的主机直接运行Linux操作系统，并在命令行终端来控制主机。出于未来工作中尽快适应这种开发环境，所以可以在入门的时候就直接体验和见识酷炫的Linux操作系统。但是入门阶段并不需要刻意背过Linux的各种使用命令、Linux各种服务器的配置，还原备份各种操作等，只要会基本文件相关的命令，会使用vim编辑器和gcc编辑器即可。大约一周的时间即可熟悉Linux系统，你会体会到Linux和Windows系统的不同，摆脱对图形化界面的依赖。当学会了C语言编程后，你需要掌握操作系统相关的知识，多线程多进程编程、网络编程。通过实践学习一些接口函数完成一些小项目比如银行家算法、网络聊天室等。对操作系统的知识有一个初步的感性认识。

MCU和CPU

以上的所有编程学习都是在单一的环境下进行的。即开发环境和运行环境都是一样的都在Ubuntu下进行。难道嵌入式开发就是如此吗，说好的软硬件可裁剪呢？别急，紧接着我们就需要加入MCU和CPU的学习，要学习ARM是什么，不同系列的MCU开发方式不同，ARM Cortex™-A 系列应用型处理器，可向托管丰富OS平台和用户应用程序的设备提供全方位的解决方案，从超低成本手机、智能手机、移动计算平台、数字电视和机顶盒到企业网络、打印机和服务器解决方案，是作为学习嵌入式的合适的素材。现在嵌入式的学习资源丰富，选择合适的Cortex™-A 系列的开发板后，根据裸板开发、系统移植、驱动开发这样的顺序学习。裸板开发的学习主要是感受一下如何通过编程实现控制硬件。系统移植中我们会发现搭载Linux操作系统的板子功力大增，交叉编译工具链的出现使得我们对架构两个字有了更深入的认识。刚刚还在怀念在Ubuntu下编写C代码运指如飞的感觉，现在可以继续编写Linux风格的C代码了。

驱动开发

前面裸板开发和驱动移植的学习目的是面对接下来的驱动大魔头，学习驱动开发我们需要有一个空杯心态，需要有主动理解Linux内核设计理念的意识（但是不要钻牛角尖），时刻把握Linux下一切皆文件的宗旨和分层的思想。当我们在这一阶段点亮开发板上的一盏明灯，恭喜你，一只脚踏进嵌入式开发的大门了。

C++和Qt

体会了最基本的驱动开发后，嵌入式学习还未结束，但是之后的学习我们有了一些选择的主动权，当我们看到一些有意思的嵌入式小项目，我们可以理解它的实现思路。而最好的学习方法是自己实践完成一些小项目，你也许不满足之前所学，为什么不能把黑乎乎的命令行终端优化成精美的液晶屏显示，C++和Qt的学习就在所难免了。不过还好，有C语言的加持，C++的学习变得比较顺利，最大的困难应该在于面向过程到面向对象思维的转变。

Python人工智能

那么，如果你已经可以实现一个小型的嵌入式项目了，但是如果大火的人工智能技术可以加入到这个小项目中，想必一定非常酷炫，我们可以把呆板的用户界面输入改成图像识别或者人脸识别。现在编写人工智能代码最广泛的语言是Python3，在github上有许多的开源项目和代码。为了看懂开源代码，暂且不管复杂的数学相关的算法，首先需要学习Python3。其实，Python3也是一种解释型语言，之前的基础学习中我们学过Shell，两者都是解释型语言，最大区别在于运行的环境和应用的场景不同。Shell多用于编写Linux系统下的小工具，Makefile的编写是最大的应用场景，Python可以运行在Windows和Linux下，移植了Python的开发板，可以根据各大AI开放平台的支持，将设备接入平台调用云平台提供的API，实现图像识别、人脸识别、文字识别……

STM32

一个产品级的项目考虑的不仅仅是功能的实现，还要考虑功耗、成本。此时你会发现许多低功耗的模块可以取代之前基于ARM Cortex™-A的开发板，STM32映入眼帘，STM32的开发原理无非也是控制寄存器驱动硬件模块，在芯片手册中挣扎一段时间，通过一周的时间熟悉CubeMX和keil的使用，驱动一个温湿度传感器或者其它传感器模块，在这个过程中我们就可以了解STM32开发的基本套路。

总结
本文首先通过分析各大企业，对嵌入式开发的岗位人员的要求，得到嵌入式开发人员需要掌握的技术，然后结合自己的经历对入门嵌入式的学习路径提出个人的建议。我们可以了解到，嵌入式开发的入门级别需要熟练掌握C\C++，有熟练控制寄存器的能力，无论是通过驱动还是直接控制裸板。有管理工程代码的能力，这里需要学会Shell编程，会搭建基本的开发环境，并编写合理规范的Makefile。我认为，只要掌握上述的技术，中间一些学习顺序不必完全遵循，像是先学STM32还是先学ARM Cortex™-A开发板的系统移植，根据自己的需要和兴趣选择就好。学习的过程本就有迭代和螺旋上升的特点，面对陌生的技术要学会举一反三，可以通过接触过的技术对比去理解。最后，祝看到本文的你，可以通过过硬的开发技能，拥有自由选择职业底气。

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