| 谈嵌入式系统 | |
嵌入式系统无疑是当前最热门最有发展前途的IT应用领域之一。嵌入式系统用在一 些特定专用设备上，通常这些设备的硬件资源（如处理器、存储器等）非常有限 ，并且 对成本很敏感，有时对实时响应要求很高等。特别是随着消费家电的智能化，嵌入式更 显重要。像我们平常常见到的手机、PDA、电子字典、可视电话、 VCD/DVD/MP3 Player、数字相机（DC）、数字摄像机(DV)、U-Disk、机顶盒(Set Top Box)、高清电视 (HDTV)、游戏机、智能玩具、交换机、路由器、数控设备或仪 表、汽车电子、家电控制 系统、医疗仪器、航天航空设备等等都是典型的嵌入式系统。 嵌入式系统是软硬结合的东西，搞嵌入式开发的人有两类： 一类是学电子工程、通信工程等偏硬件专业出身的人，他们主要是搞硬件设计，有 时要开发一些与硬件关系最密切的最底层软件，如BootLoader、Board Support Package (像PC的BIOS一样，往下驱动硬件，往上支持操作系统），最初级的硬件驱动程序等。他 们的优势是对硬件原理非常清楚，不足是他们更擅长定义各种硬件接口，但对复杂软件 系统往往力不从心（例如嵌入式操作系统原理和复杂应用软件等）。 另一类是学软件、计算机专业出身的人，主要从事嵌入式操作系统和应用软件的开 发。如果我们学软件的人对硬件原理和接口有较好的掌握，我们完全也可写BSP和 硬件 驱动程序。嵌入式硬件设计完后，各种功能就全靠软件来实现了，嵌入式设备的增值很 大程度上取决于嵌入式软件，这占了嵌入式系统的最主要工作（目前有 很多公司将硬件 设计包给了专门的硬件公司，稍复杂的硬件都交给台湾或国外公司设计，国内的硬件设 计力量很弱，很多嵌入式公司自己只负责开发软件，因为公 司都知道，嵌入式产品的差 异很大程度在软件上，在软件方面是最有"花头"可做的），所以我们搞软件的人完全不 用担心我们在嵌入式市场上的用武之地，越是智 能设备越是复杂系统，软件越起关键作 用，而且这是目前的趋势。 从事嵌入式软件开发的好处是： （1）目前国内外这方面的人都很稀缺。一方面，是因为这一领域入门门槛较高，不 仅要懂较底层软件（例如操作系统级、驱动程序级软件），对软件专业水平要 求较高 （嵌入式系统对软件设计的时间和空间效率要求较高），而且必须懂得硬件的工作原 理，所以非专业IT人员很难切入这一领域；另一方面，是因为这一领域 较新，目前发展 太快，很多软硬件技术出现时间不长或正在出现（如ARM处理器、嵌入式操作系统、MPEG 技术、无线通信协议等），掌握这些新技术的人当然很找。 嵌入式人才稀缺，身价自然 就高，越有经验价格就越高。其实嵌入式人才稀少,根本原因可能是大多数人无条件接 触,这需要相应的嵌入式开发板和软件,另外需要有 经验的人进行指导开发流程。 （2）与企业计算等应用软件不同，嵌入式领域人才的工作强度通常低一些（但收入 不低）。搞企业应用软件的IT企业，这个用户的系统搞完了，又得去搞下一个 用户的， 而且每个用户的需求和完成时间都得按客户要求改变，往往疲于奔命，重复劳动。相比 而言，搞嵌入式系统的公司，都有自己的产品计划，按自己的节奏 行事。所开发的产品 通常是通用的，不会因客户的不同而修改。一个产品型号开发完了，往往有较长一段空 闲时间（或只是对软件进行一些小修补），有时间进行 充电和休整。另外，从事嵌入式 软件的每个人工作范围相对狭窄，所涉及的专业技术范围就是那些（ARM、RTOS、MPEG、 802.11等），时间长了这些东西会越搞越有 经验，卖卖老本，几句指导也够让那些初入 道者琢磨半年的。若搞应用软件，可能下一个客户要换成一个完全不同的软件开发平 台，那就苦了。 （3）哪天若想创业，搞自已的产品，那么嵌入式是一个不错的主意，这可不像应用 软件那样容易被盗版。土木学院有一个叫启明星的公司开发出一个好象叫“工 程e”的 掌上PDA（南校区门口有广告），施工技术人员用该PDA可当场进行土木概预算和其它土 木计算，据说销路特好。我认识的某大学老师，他开发的饭馆用的点 菜PDA（WinCE平 台，可无线连网和上网），据他说销路不错，饭馆点点PDA让客户点菜，多显派头档次。 我记得00级2+2班当年有一组同学在学Windows程序设计课程 时用VC++设计了一个功能很 强的点菜系统做为课程项目，当时真想建议他们将这个软件做成PDA，估计会有些销路 （上海火车站南广场的Macdonald便使用很漂亮的 PDA给用户点食品，像摸像样的）。这 些PDA的硬件设计一般都是请其它公司给订做（这叫“贴牌”：OEM），都是通用的硬 件，我们只管设计软件就变成自己的产品了。 从事嵌入式软件开发的缺点是： （1）入门起点较高，所用到的技术往往都有一定难度，若软硬件基础不好，特别是 操作系统级软件功底不深，则可能不适于此行。 （2）这方面的企业数量要远少于企业计算类企业。特别是从事嵌入式的小企业数量 较多（小企业要搞自己的产品创业），知名大公司较少（搞嵌入式的大公司主 要有 Intel、Motorola、TI、Philip、Samsung、Sony、Futjtum、Bell-Alcatel、意法半导 体、Microtek、研华、华为、中兴通信、上广电等制造类企业）。这些企 业的习惯思维 方式是到电子、通信等偏硬专业找人。由于我院以前毕业生以企业计算为主，所以我院 与这些企业联系相对较少。我院正积极努力，目前已与其中部 分公司建立了联系，争取 今后能有我院同学到这些企业中实习或就业。 （3）有少数公司经常要硕士以上的人搞嵌入式，主要是基于嵌入式的难度。但大多 数公司也并无此要求，只要有经验即可。 我院同学若学习嵌入式，显然应偏重于嵌入式软件，特别是嵌入式操作系统方面， 应是我们的强项。对于搞嵌入式软件的人，最重要的技术显然是（实际上很多公司的招 聘广告上就是这样写的）： （1）掌握主流嵌入式微处理器的结构与原理 （2）必须掌握一个嵌入式操作系统 （3）必须熟悉嵌入式软件开发流程并至少做过一个嵌入式软件项目。 我院在嵌入式软件方面最重要的课程包括： （1）嵌入式微处理器结构与应用 这是一门嵌入式硬件基础课程，我院用这门课取代了传统的“微机原理与接口”课 程（目前国内已有少部分高校IT专业这样做了，因为讲x86微机原理与接口很难找到实际 用处，只为教学而已）。我们说过，嵌入式是软硬件结合的技术，搞嵌入式软件的人应 对ARM处理器工作原理和接口技术有充分了解，包括ARM的汇编指令系统。若不了解处理 器原理，怎么能控制硬件工作，怎么能写出节省内存又运行高速的最优代码（嵌入式软 件设计特别讲究时空效率），怎么能写出驱动程序（驱动程序都是与硬件打交道的）？ 很多公司招聘嵌入式软件人员时都要求熟悉ARM处理器，将来若同学到公司中从事嵌入式 软件开发，公司都会给你一本该设备的硬件规格说明书 (xxx Specification)，您必须 能看懂其中的内存分布和端口使用等最基本的说明（就像x86汇编一样），否则怎么设计 软件。有些同学觉得嵌入式处理器课程较枯燥，这主要是硬件课程都较抽象的原因，等 我们的嵌入式实验室10月份建好后，您做了一些实验后就会觉得看得见摸得着。还有同 学对ARM汇编不感兴趣，以为嵌入式开发用C语言就足够了。其实不应仅是将汇编语言当 成一个程序设计语言，学汇编主要是为了掌握处理器工作原理的。一个不熟悉汇编语言 的人，怎么能在该处理器写出最优的C语言代码。在嵌入式开发的一些关键部分，有时还 必须写汇编，如Bootloader等（可能还包括BSP）。特别是在对速度有极高要求的场合 （如DSP处理器的高速图像采集和图像解压缩），目前主要还要靠汇编写程序（我看到过 很多公司是这样做的）。当您在一个嵌入式公司工作时，在查看描述原理的手册时，可 能很多都是用汇编描述的（我就遇到过），这是因为很多硬件设计人员只会写或者喜欢 用汇编描述，此时您就必须看懂汇编程序，否则软硬件人员可能就无法交流。很多嵌入 式职位招聘时都要求熟悉汇编。 [小知识]目前嵌入式处理器常见的有ARM、PowerPC、MIPS、Motorola 68K、 ColdFire(冷火)等，但ARM占据了绝对主流（资料说手机中几乎100%都是ARM处理器）。 ARM是一个只卖知识产权的公司，目前获得购买了ARM CPU核授权许可的大公司很多，包 括Intel、Samsung、Amstel、Motorola、Philip等，他们都在ARM CPU核的基础上进行了 一些外围扩展，形成自己的处理器（如Samsung S3C2410，Motorola i.MXL9328等处理器 都是采用ARM 9内核，指令一级是相同的）。而众多中小公司又购买了这些处理器，设计 了各种各样的开发板，如华恒等国内很多著名嵌入式公司都生产基于Samsung S3C2410的 开发板，供最终用户使用或供教学实验。在ARM这个食物链上，ARM公司是大鱼，Intel、 Samsung等公司是小鱼，而华恒等则是虾米，最终用户（想我们要采购嵌入式开发板的实 验室）则是喂虾米的。Intel早期生产的是低端ARM(Strong ARM，相当于ARM 7),现在转 向主要生产高端ARM(即Intel Xscale处理器,相当于ARM 10，主要用在高端PDA上,如HP和 DELL生产的PDA都采用Intel Xscale，价格较高)。目前应用最多的是ARM 7和ARM 9两类 处理器。 ARM 7较便宜，可跑uclinux（是一个不支持高级内存管理功能的嵌入式Linux 系统）、Vxworks、uc/os II等实时操作系统，但因处理器不带内存管理单元MMU（无内 存分页和地址映射机制，所以不能使用虚拟内存），所以不能跑Windows CE，另外通用 Linux中的某些内存管理功能也不能用在ARM 7上。ARM 9是一个带MMU功能的高端处理 器，可跑WinCE或通用Linux的大多数功能。以上是我的一点了解，可能有不对的地方。 我们学院正在建设的嵌入式实验室（10月底到货）包括30套ARM 7系统（拟采用Samsung S3C44b0x开发板，主要用于嵌入式处理器结构、嵌入式linux课程实验），10套ARM 9系 统（拟采用Samsung S3C2410x开发板，主要用于Windows CE课程建设），每套实验板都 配了高速仿真器，价格都很贵（比我们招标的DELL PC还贵），很容易损坏，同学应爱护 使用。 （2） 嵌入式操作系统类课程 除了WinCE的实时性稍差外，大多数嵌入式操作系统的实时性都很强,所以也可称为 实时操作系统Real Time Operating System.从事嵌入式的人至少须掌握一个嵌入式操作 系统(当然掌握两个更好),这在嵌入式的所有技术中是最为关键的了。目前最重要的RTOS 主要包括： 第一类、传统的经典RTOS：最主要的便是Vxworks操作系统，以及其Tornado开发平 台。Vxworks因出现稍早，实时性很强（据说可在1ms内响应外部事件请求），并且内核 可极微（据说最小可8K），可靠性较高等，所以在北美，Vxworks占据了嵌入式系统的多 半疆山。特别是在通信设备等实时性要求较高的系统中，几乎非Vxworks莫属。Vxworks 的很多概念和技术都和Linux很类似，主要是C语言开发。像Bell-alcatel、Lucent、华 为等通信企业在开发产品时，Vxworks用得很多。但Vxworks因价格很高，所以一些小公 司或小产品中往往用不起。目前很多公司都在往嵌入式Linux转（听说华为目前正在这样 转）。但无论如何，Vxworks在一段长时间内仍是不可动摇的。与Vxworks类似的稍有名 的实时操作系统还有pSOS、QNX、Nucleus等RTOS。 第二类、嵌入式Linux操作系统：Linux的前途除作为服务器操作系统外，最成功的 便是在嵌入式领域的应用，原因当然是免费、开源、支持软件多、呼拥者众，这样嵌入 式产品成本会低。Linux本身不是一个为嵌入式设计的操作系统，不是微内核的，并且实 时性不强。目前应用在嵌入式领域的Linux系统主要有两类：一类是专为嵌入式设计的已 被裁减过的Linux系统，最常用的是uClinux（不带MMU功能），目前占较大应用份额，可 在ARM7上跑；另一类是跑在ARM 9上的，一般是将Linux 2.4.18内核移植在其上，可使用 更多的Linux功能（当然uClinux更可跑在ARM 9上）。很多人预测，嵌入式Linux预计将 占嵌入式操作系统的50%以上份额，非常重要。缺点是熟悉Linux的人太少，开发难度稍 大。另外，目前我们能发现很多教材和很多大学都以ucOS/II为教学用实时操作系统，这 主要是由于ucOS/II较简单，且开源，非常适合入门者学习实时操作系统原理，但由于 ucOS/II功能有限，实用用得较少，所以我院不将其作为教学重点，要学习就应学直接实 用的，比如 uClinux就很实用。况且熟悉了Linux开发，不仅在嵌入式领域有用，对开发 Linux应用软件，对加深操作系统的认识也有帮助，可谓一举多得。据我所知，目前 Intel、Philip都在大搞ARM+LINUX的嵌入式开发，Fujitum则是在自己的处理器上大搞 Linux开发。目前在嵌入式Linux领域，以下几个方面的人特别难找，一是能将Linux移植 到某个新型号的开发版上；二是能写Linux驱动程序的人；三是熟悉Linux内核裁减和优 化的人。我院在该嵌入式Linux方面的课程系列是：本科生操作系统必修课，然后是 Linux程序设计选修课，最后是嵌入式Linux系统选修课。我院在Linux方面目前已有较强 力量，魏老师和张老师熟悉Linux开发，金老师和唐老师熟悉Linux系统管理。 第三类、 Windows CE嵌入式操作系统：Microsoft也看准了嵌入式的巨大市场，MS 永远是最厉害的，WinCE出来只有几年时间，但目前已占据了很大市场份额，特别是在 PDA、手机、显示仪表等界面要求较高或者要求快速开发的场合，WinCE目前已很流行 （据说有一家卖工控机的公司板子卖得太好，以至来不及为客户裁减WinCE）。WinCE目 前主要为4.2版（.NET)，开发平台主要为WinCE Platform Builder，有时也用EVC环境开 发一些较上层的应用，由于WinCE开发都是大家熟悉的VC++环境，所以我院学过Windows 程序设计课程的同学都不会有多大难度，这也是WinCE容易被人们接受的原因，开发环境 方便快速，微软的强大技术支持，WinCE开发难度远低于嵌入式Linux。对于急于完成， 不想拿嵌入式Linux冒险的开发场合，WinCE是最合适了（找嵌入式Linux的人可没那么好 找的），毕竟公司不能像学生学习那样试试看，保证开发成功更重要。根据不同的侧重 点 ，WinCE还有两个特殊版本，一个是MS PocketPC操作系统专用于PDA上（掌上电 脑），另一个是MS SmartPhone操作系统用于智能手机上（带PDA功能的手机），两者也 都属于WinCE平台。在PDA和手机市场上，除WinCE外，著名的PDA嵌入式操作系统还有 Palm OS（因出现很早，很有名）、Symbian等，但在WinCE的强劲冲击下，Palm和 Symbian来日还能有多长？我院可能是全国高校中唯一一家开设专门的"Windows CE嵌入 式操作系统"课程的学校，这主要是基于以下原因：我院本身前面便有Windows程序设计 课程，同学学过VC++后再学WinCE,非常方便自然，通过学习WinCE同样也可了解嵌入式软 件的一般开发过程，对Linux有惧怕心理的同学也很合适。很显然，嵌入式Linux永远不 可能替代WinCE，而且将来谁占份额大还很难讲，毕竟很多人更愿意接受MS的平台，就像 各国政府都在大力推LINUX已好长时间，但您能看到几个在PC机上真正使用LINUX的用 户？据我观察,目前在嵌入式平台上,LINUX是叫得最响,但还是WinCE实际用得更多.嵌入 式LINUX可能更多地是一些有长远产品计划的公司,为降低成本而进行长远考虑; 二是微 软亚洲研究院对我院WinCE课程的支持计划，我们也很希望将来我院能有同学通过微软的 面试去实习。WinCE和多媒体(如MPEG技术)是微软亚洲工程院目前做得较多的项目领域之 一,他们很需要精通WinCE的人。 总结关于嵌入式操作系统类课程，若您觉得自己功底较深且能钻研下去，则可去学 嵌入式Linux；若您觉得自己VC++功底较好且想短平快地学嵌入式开发，则我院的WinCE 课程是最好的选择。 （3） 嵌入式开发的其它相关软件课程 搞嵌入式若能熟悉嵌入式应用的一些主要领域，这样的人更受企业欢迎。主要的相 关领域包括： ① 数字图像压缩技术：这是嵌入式最重要最热门的应用领域之一，主要是应掌握 MPEG编解码算法和技术，如DVD、MP3、PDA、高精电视、机顶盒等都涉及MPEG高速解码问 题。为此，我院已预订了一位能开设数字图像处理课程的博士。 ② 通信协议及编程技术：这包括传统的TCP/IP协议和热门的无线通信协议。首先， 大多数嵌入式设备都要连入局域网或Internet，所以首先应掌握TCP/IP协议及其编程， 这是需首要掌握的基本技术；其次，无线通信是目前的大趋势，所以掌握无线通信协议 及编程也是是很重要的。无结通信协议包括无线局域网通信协议802.11系列， Bluetooth，以及移动通信（如GPRS、GSM、CDMA等）。 ③ 网络与信息安全技术：如加密技术，数字证书CA等。我院有这方面的选修课。 ④ DSP技术：DSP是Digital Signal Process数字信号处理的意思，DSP处理器通过 硬件实现数字信号处理算法，如高速数据采集、压缩、解压缩、通信等。数字信号处理 是电子、通信等硬件专业的课程，对于搞软件的人若能了解一下最好。目前DSP人才较 缺。如果有信号与系统、数字信号处理等课程基础，对于学习MPEG编解码原理会有很大 帮助。 （4）嵌入式开发的相关硬件基础 对于软件工程专业的学生，从事嵌入式软件开发，例如数字电路、计算机组成原 理、嵌入式微处理器结构等硬件课程是较重要的。另外，汇编语言、C/C++、数据结构和 算法、特别是操作系统等软件基础课也是十分重要的。我们的主要目地是能看懂硬件工 作原理，但重点应是在嵌入式软件，特别操作系统级软件，那将是我们的优势。 我们的研究生里有些是学电子、通信类专业过来的，有较好的模拟电路和单片机基 础，学嵌入式非常合适。嵌入式本身就是从单片机发展过来的，只是单片机不带OS，而 现在很多嵌入式应用越来越复杂，以至不得不引入嵌入式操作系统。另外，为追求更高 速的信号处理速度，现在在一些速度要求较高的场合，有不少公司是将一些DSP算法，如 MPEG压缩解压缩算法等用硬件来实现，这就涉及到HDL数字电路设计技术及其FPGA/IP核 实现技术，这方面的人目前市场上也很缺。 (5) 题外话 另外，能写驱动程序的人目前是非常紧缺的（驱动程序也可归于嵌入式范畴），包 括桌面 Windows 中的DDK开发环境和WDM驱动程序。公司每时每刻都要推出新产品，每一 个新产品出来了，要能被操作系统所使用，是必须写驱动程序的。写驱动程序就必须掌 握操作系统(如Windows或Linux)的内部工作原理，还涉及到少量硬件知识，难度较大， 所以这方面的人很难找。想成为高手的同学，也可从驱动程序方面获得突破。我可说一 下自己的经历，三年前我曾短暂地在一家公司写过WinCE驱动程序（正是因为知道这方面 的人紧缺，所以才要做这方面的事），尽管那以前从未做过驱动程序，应聘那个职位时 正是看准了公司是很难招聘到这方面的人，既然都找不到人，驱动还得有人做，这正是 可能有机会切入这一领域的大好机会。面试时大讲自己写过多少万行汇编程序，对计算 机工作原理如何清楚，简历中又写着我曾阅读完两本关于Windows Driver Model的两本 英文原版书，写过几个小型的驱动程序练习程序（其实根本没写过，我们的同学将来千 万不要像我这样，早练就些过硬功夫，就不至于沦落到我这等地步，就不用像我那样去 “欺骗”公司了，我这是一个典型的反面教材），居然一切都PASS（当然最重要的是笔 试和面试问题还说得过去），这只能说明这一领域找人的困难程度。公司本就未指望找 到搞过驱动的人，找个有相关基础的人就算不错了。做了以后，发现也并不是怎样难 的。其实搞驱动程序的工作是很舒服的，搞完一个版本就会空一段时间，只有等公司新 的芯片推出或新的OS出现后，才需要再去开发新一版驱动，那时有将近一个月时间空闲 着在等WinCE .NET Beta版推出，准备将驱动程序升级到CE .NET上，现在在软件学院工 作整日忙，无限怀念那段悠闲时光。 很巧合，最近本人无意中再次体会到了嵌入式的迷人之处。上周我那用了3年的手机 终于不能WORK了。此次更新，除要求有手机常见功能外，最好有MP3功能（现在很多英语 听力都有MP3文件），最好有英汉词典，最好还能读WORD文档。最后选了个满足以上条件 的最便宜的手机DOPOD 515（斩了我2.2K，但想想这也算自己对嵌入式事业的支持，这样 便也想开了），算得上最低档的智能手机了。回来一查，手机的about显示，本手机Processor是ARM，其OS是MS Smartphone（即WinCE .NET 4.2），这么巧合，简直可做为学习嵌入式课程的产品案例了（等我们的WinCE课程开得有声有色后，希望能从微软研究院搞些Smartphone来开发开发）。有OS的手机果然了得，金山词霸、WORD、EXCEL、REGEDIT等居然都有smartphone版的，PC上的MP3、DOC等居然在download时都可被自动转换成smartphone格式，真是爽。完全可用Windows CE自己开发一些需要的程序download到自己的手机上。现在市面销售PDA智能手机火爆，MS总是财源滚滚。但我已发现国产的ARM+LINUX手机出现在市面上，价格只1.2K。 要么走ARM+WinCE，要么走ARM+LINUX，要么走ARM+VXWORKS。每个搞嵌入式的人都可选一条路，条条大路通罗马。 声明：以上对嵌入式的解释估计有错，任课教师最有权威性，一切以任课教师为准。 |
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