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为什么说嵌入式开发比单片机要难很多?

发表时间: 2019-10-22 19:59:19

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为什么说嵌入式开发比单片机要难很多?

单片机和嵌入式,其实没有什么标准的定义来区分他们,对于进行过单片机和嵌入式开发的开发者来说,都有他们自己的定义,接下来,就谈谈本人对这两个概念的理解和感悟。

首先明确概念,什么是单片机,单片机是一种集成电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统,在工业控制领域广泛应用。从上世纪80年代,由当时的4位、8位单片机,发展到现在的300M的高速单片机。单片机开发


比如最经典的51系列单片机,如下图所示,外观只是一块一个拇指大小的长方体芯片,共40个引脚,里面包含了逻辑运算单元。实际上也就是一个cpu。

在最开始接触单片机的时候,还曾经有过一个疑问,为什么单片机是黑色的而不可以是别的颜色,后来才知道是单片机材料的限制。

对单片机而言,其实一个芯片就是全部,其他的比如单片机最小系统都是为了单片机的正常运作而加入其他元件,比如晶振,5v电源,电感电阻等。当然最小系统只能保证单片机正常运行,几乎实现不了基于单片机的任何应用。

为了使单片机实现应用,必须要加入其他外设。比如按键,led灯,led屏,蜂鸣器,各种sensor。这也就是市面上很多公司都在做的单片机开发板。

总结,单片机就是完成运算、逻辑控制、通信等功能的单一模块。也就是单片机真的姓“单”。DSP芯片也可以认为是一个单片机。当然它们性能很强大,但是功能依然很单一,总之就是处理数据、逻辑。


那么什么是嵌入式呢,一般说嵌入式都是指嵌入式系统,嵌入式系统是将应用程序、操作系统、和计算机硬件在一起的系统,是指以应用为中心,以计算机技术为基础,软硬件可裁剪,其针对的用户应用对功能、可靠性、成本、体积、功耗和使用环境有特殊要求的专用计算机系统。IEEE(Instituteof Electrical and ElectronicsEngineers,美国电气和电子工程师协会)对嵌入式系统的定义:“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”。

嵌入式系统是一种专用的计算机系统,作为装置或设备的一部分。通常,嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板。事实上,所有带有数字接口的设备,如手表、微波炉、录像机、汽车等,都使用嵌入式系统,有些嵌入式系统还包含操作系统,但大多数嵌入式系统都是由单个程序实现整个控制逻辑。这是因为嵌入式系统一般用于工业控制,也就是说对外设的控制都是写死的,并不需要人工干预,同时也为了保证系统的稳定和可靠。

我们经常可以听到公司招聘的要求是嵌入式软件工程师或者嵌入式硬件工程师,也就是说嵌入式系统包括软件和硬件,其实仔细想想也能明白,都已经跑系统了,当然有软件也有bsp硬件啦。也就是说嵌入式系统是软硬件结合体,国内普遍认同的嵌入式系统定义为:以应用为中心,以计算机技术为基础,软硬件可裁剪,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。


接下来将嵌入式分成硬件和软件详细说明。


硬件层:

硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器(SDRAM、ROM、Flash等)、通用设备接口和I/O接口(A/D、D/A、I/O等)。在一片嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路,就构成了一个嵌入式核心控制模块。其中操作系统和应用程序都可以固化在ROM中。

其中核心就是微处理器,嵌入式处理器和一般的电脑cpu还有区别,嵌入式微处理器大多工作在特定设计的系统中,比如TI或者Atmel公司都有很多定位不同的处理器,Atmel的SAM系列是专门为物联网设计的,AVR则由于性能十分突出,广泛应用于工业领域。

嵌入式微处理器有各种不同的体系,即使在同一体系中也可能具有不同的时钟频率和数据总线宽度,或集成了不同的外设和接口。据不完全统计,全世界嵌入式微处理器已经超过1000多种,体系结构有30多个系列,其中主流的体系有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。但与全球PC市场不同的是,没有一种嵌入式微处理器可以主导市场,仅以32位的产品而言,就有100种以上的嵌入式微处理器。嵌入式微处理器的选择是根据具体的应用而决定的。

比如arm公司有各种各样的处理器架构,最经典的cortex系列,它属于ARMv7架构,这是到2010年为止ARM公司***的指令集架构。ARMv7架构定义了三大分工明确的系列:“A”系列面向***的基于虚拟内存的操作系统和用户应用;“R”系列针对实时系统;“M”系列对微控制器。下图就是cortex系列的不同定位。

在嵌入式领域,可以说arm架构的处理器占据了半壁江山,而arm公司也成为***的科技公司,而它却没有生产任何处理器,而只是提供了IP,可以看出***公司做标准。而其他用的比较多的架构就是sparc、powerpc等。

嵌入式系统和外界交互需要一定形式的通用设备接口,如A/D、D/A、I/O等,外设通过和片外其他设备的或传感器的连接来实现微处理器的输入/输出功能。每个外设通常都只有单一的功能,它可以在芯片外也可以内置芯片中。外设的种类很多,可从一个简单的串行通信设备到非常复杂的802.11无线设备。

嵌入式系统中常用的通用设备接口有A/D(模/数转换接口)、D/A(数/模转换接口),I/O接口有RS-232接口(串行通信接口)、Ethernet(以太网接口)、USB(通用串行总线接口)、音频接口、VGA视频输出接口、I2C(现场总线)、SPI(串行外围设备接口)和IrDA(红外线接口)等。这一点其实和单片机类似。

软件层:

类Unix主要是FreeBSD以及Solaris等。

嵌入式领域最常用的还是一些实时操作系统,实时操作系统的核心就是实时性,本质就是任务处理所华为时间的可预测性,即任务需要在规定内时限内完成。IEEE对实时系统的定义是“那些正确性不仅取决于计算的逻辑结果也取决于产生结果所花费时间的系统”。实时操作系统有硬实时和软实时之分,硬实时要求在规定的时间内必须完成操作,这是在操作系统设计时保证的;软实时则只要按照任务的优先级,尽可能快地完成操作即可。我们通常使用的操作系统在经过一定改变之后就可以变成实时操作系统。


那么实时操作系统和Linux这种分时操作系统的区别列举如下:

(1)多路性。实时信息处理系统与分时系统一样具有多路性。系统按分时原则为多个终端用户服务;而对实时控制系统,其多路性则主要表现在经常对多路的现场信息进行采集以及对多个对象或多个执行机构进行控制。

(2)独立性。实时信息处理系统与分时系统一样具有独立性。每个终端用户在向分时系统提出服务请求时,是彼此独立的操作,互不干扰;而在实时控制系统中信息的采集和对对象的控制,也彼此互不干扰。

(3)及时性。实时信息系统对实时性的要求与分时系统类似,都是以人所能接受的等待时间来确定;而实时控制系统的及时性,则是以控制对象所要求的开始截止时间或完成截止时间来确定的,一般为秒级、百毫秒级直至毫秒级,甚至有的要低于100微秒。

(4)交互性。实时信息处理系统具有交互性,但这里人与系统的交互,仅限于访问系统中某些特定的专用服务程序。它不像分时系统那样能向终端用户提供数据处理服务、资源共享等服务。

(5)可靠性。分时系统要求系统可靠,相比之下,实时系统则要求系统高度可靠。因为任何差错都可能带来巨大的经济损失甚至无法预料的灾难性后果。因此,在实时系统中,采取了多级容错措施来保证系统的安全及数据的安全。

由于更加可靠和及时。嵌入式实时操作系统更加广泛应用于工业控制、航空航天、军工等领域,比如美国航天局NASA近几年发射的火星探测器等都是采用的RTEMS实时操作系统。

中间层:

所谓的中间层就是软件层和硬件层之间的接口层,其实严格而言也属于软件层。一般开发者称之为BSP,这一层主要负责的是向下提供硬件的驱动,硬件的配置等操作,向上则向软件开发者提供标准API,进行中间层开发的开发者通常称为嵌入式驱动工程师。

从这里也可以看出来,嵌入式设计和软硬都分不开,既要掌握底层硬件的特性以及如何驱动其工作,也要了解操作系统的相关知识,才可以编写相应功能的应用。

因此看一个操作系统是否支持某个芯片或者某个开发板,只要看其源码中是否包含相应芯片或开发板的板级支持包。


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        近年来,公司尤为专注于单片机智能控制和工业自动化控制和机电设备智能控制、自动化的应用与推广,专业为企业提供完善的自动控制系统研发和工业控制器、控制板的设计生产服务。

        公司的科研力量强大,机械电子、电气、通讯等领域人才组成的科研开发队伍正不断壮大。 针对每个项目的设计研发,公司设立项目管理小组,在为客户提供研发设计同时,能全面兼顾时效与成本。

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