讲师博文
嵌入式系统有哪些坑可以避免 来源 : 华清远见     2021-08-25

学习硬件的小伙伴们都知道嵌入式是用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置。嵌入式是一种专用的计算机系统,作为装置或设备的一部分。 嵌入式是才发展起来的一项IT开发技术。嵌入式在ARMMCU等各个方面都有了细分专业团队进行外协设计。但是往往我们在使用过程中有很多误区。

很多嵌入式初学者认为,学嵌入式,就是学习ARM,就是学习开发板。买一块开发板,然后在上面“移植”u-boot、Linux内核,再使用busybox制作一个根文件系统,大功告成!觉得可以出去找工作了。这其实是有一定片面性的:首先ARM是个CPU架构,跟PC上的X86架构一样,你见过有人在Windows下面学习C/C++编程、MFC编程、网络编程、互联网编程,说自己学习X86的吗?当然,也不可否认,嵌入式平台的多样性、硬件的可定制性导致我们在嵌入式平台上开发应用程序、驱动之前,首先要搭建这个平台,就像我们在Windows下面要装操作系统一样,但是这仅仅是我们学习嵌入式开发的第一步。其次,关于系统的“移植”,很多人玩了开发板之后,会在自己的简历上写自己移植过u-boot,Linux内核。其实,这种写法也是有点瑕疵的。真正的移植,往一个新的芯片或开发板上porting一个u-boot或Linux内核,那可不是一个人能干的事情,是一个团队干的事情。时钟、DDR、存储<,可能牵涉到各个模块,哪里遇到问题,都需要各个模块的owner去debug,有时候甚至可能是芯片的bug,或者硬件开发板的bug,这就需要我们使用软件去解决、去规避这个坑,这都需要我们在很短时间,甚至一两天的时间去解决这个问题,需要一个团队的各个模块专家合力完成。

所以说,我们所说的“移植”,其实就像是在Windows下面安装操作系统,按照步骤完成装机。当然,通过这个过程,可以加深我们对嵌入式系统的理解,但是我们首先要知道的是,我们“移植”的系统,都是芯片公司团队做好的系统镜像,我们做的只是配置、编译、安装、甚至升级这些基本的操作。这些环境只是我们学习嵌入式开发的平台,万里长征才走完了第一步。

学习嵌入式,我们到底该学些什么?

嵌入式越来越复杂,一个SOC芯片上集成的模块越来越多。以手机为例,典型的嵌入式产品,我们看看上面集成了多少模块:触摸屏、LCD、i、4G等无线通信、音视频编解码IP、DDR、存储控制器、3D/2D加速、指纹识别、DMA、G-sensor各种传感器......可以说,现在一个手机的复杂度和硬件配置,已经超过我们的桌面PC了。除了不断增加的硬件,软件方面,比如Linux内核,光内核代码就有1000多万行,每天更新的速度超过你学习的进度,你能学得完嵌入式的所有知识和技能吗?

早期PC时代,我们知道能做出X86 CPU量产的也没有几家,AMD和威盛。但是嵌入式时代不一样了,ARM的IP授权模式导致不同的芯片厂商百家齐放,不同的SOC平台和开发板眼花缭乱,针对不同行业需求定制的SOC平台雨后春笋:手机芯片、平板芯片、视频安防、物联网、汽车电子、工业控制,甚至人工智能AI芯片......,你到Linux内核的ARCH下面可以看看有多少种CPU架构,再到arch/arm下面看看有多少种开发平台,这还只是加入到内核mainline的平台,算上没有加入Linux内核主线的各种平台,其实数量更多。

众多的芯片架构、不同的开发板平台,我们该如何去学习?

嵌入式和PC的概念也越来越模糊了,Intel已经推出X86架构的CPU和嵌入式产品了,比如平板。ARM也开始进军服务器和笔记本领域了。无论什么CPU架构,ARM、X86、MIPS、PowerPC,还有最近火热的物联网芯片,无论是做嵌入式产品,还是PC、服务器,他们的底层本质其实都没有变,都是计算机原理和系统架构,都是冯诺依曼的计算机架构,图灵原型机的各种实现。

不断复杂的软硬件系统,对嵌入式工程师或者学习者来说是一个挑战。这对我们本身的知识和技能有一个更新的要求。早期51单片机时代,我们可以自己使用面包板或者自己画PCB,做一个开发板,然后在上面开发软件。软件、硬件自己全搞。现在不断复杂的SOC平台,再想一个人全搞,软硬通吃,基本不可能,这也导致我们需要分工协作来完成。首先软硬件的分工,各司其职,各自精通自己的领域,然后进行软硬件整合,协作开发。再次,软件方面,嵌入式软件也越来越复杂,Linux内核1000多万行,android源码下载下来就占几个G的空间,自己想全搞,同样不可能,同样需要进行分工。比如android,需要分为BSP工程师、Linux内核工程师、驱动工程师、android中间层开发工程师、APP开发工程师。对于一个Linux内核,也需要分工,各个模块同样进行分工:Linux内核的USB子系统、音频子系统、视频编解码、文件系统......把其中一个模块你搞精通了,工资绝对不是问题。

对于嵌入式学习者来说,我们该学习什么,或者说如何学习?才能提高自己的职场竞争力,或者说对于一个新手来说,如何通过自学,达到公司的用人标准和技术要求,找到一份自己想要的工作?

首先,你要学会做减法,从现实出发,要有这样一个意识:我不可能精通所有的嵌入式技术,学会坚持,制定合理现实的小目标。很多人喜欢那种不切实际的广告轰炸营销,击中你心理上的某个软肋,某个G点,一下子兴奋起来。越熬越浓的心灵鸡汤,并不能解决我们吃饭的生存现实问题。很多人,包括我,在学习的时候,都喜欢给自己树立各种路线、计划、日程表。制定计划时激情满满,热情高涨,激动得睡不着觉。计划宏伟而饱满,仿佛成功就在眼前。但是往往不切实际,往往在早期,遇到各种困难,各种坑,各种拖延导致没有坚持下来,最后夭折。然后接着制定下一个宏伟的计划,继续夭折,生活周而复始,day after day。观察我们生活周围,真正做出成绩的都是那些基于现实出发,能一路坚持下来的人,day by day。有时候你会发现,并不觉得他们有多聪明。

其次,保持自己的兴趣,说白了就是为了坚持下去。见过很多人想学习嵌入式,花了很多米买一块开发板,激情满满,过一段是过去再看,已经不折腾了。嵌入式开发难,难在哪里呢?主要在于开发环境的搭建,软件调试上,不像在Windows上使用VC开发程序,集成开发环境都帮你弄好了,各种断点、单步、查看堆栈、寄存器、内存窗口。而嵌入式不一样,硬件环境搭建会遇到各种各样的问题,各种电脑的兼容问题,各种莫名其妙的问题,有时候着实让人抓狂,时间久了,慢慢地学习的激情殆尽,也就不想学习了。这还不算什么,更严重的是,很多人学习嵌入式遇到挫折,往往会打击人的自信,觉得自己能力不行,智商不够,不适合干这行,在心理留下了阴影。

对于个人学习者来说,买了开发板,你不买配套的示波器等调试设备,遇到硬件问题也是一筹莫展,无法解决。其实我们可以完全使用其它的平台去开展我们的研究和学习,比如QEMU,一款可以仿真开发板的开源软件,使用这款开源软件,我们可以在电脑上虚拟一个世面上流行的开发板,然后再在这个仿真的开发板上跑u-boot、Linux内核、挂载根文件系统,使用和开发板一样的源码,运行效果和真实的开发板是一样的。而且,使用QEMU的好处就是,“硬件”永远不会出问题,可以让我们避过硬件的各种坑,腾出更多的精力去研究嵌入式软件的各种架构、编程技能、内核驱动。。。。,这些才是嵌入式工程师的核心竞争力,需要花大量的时间不断地去积累,去磨合,去提高的。把大量的时间耗在一个本该不属于学习范畴的硬件bug上或者硬件环境不兼容上,不划算,因为你以后进公司后,遇到同样的问题,找硬件工程师,半分钟帮你搞定。所以说,选择一个理想的嵌入式学习平台,尤其对于初学者来说,很重要。

最后,要保持学习的深度,刻意练习。不要让自己永远待在学习的舒适区,要学会挑战自己,不断去扩展自己知识的边界,完善自己的知识体系和技能。很多人买了开饭,按照教程,“移植”了u-boot,Linux内核,制作了根文件系统,然后就陷入了迷茫:接着要干什么?要学习什么?想学习又感觉深入不下去,东一耙子,西一耙子,看看这,看看那,时间不知不觉就过去了。其实,学习嵌入式,基本的嵌入式知识和理论学习还是必要的,很多人推崇边做边学,到项目中学习,实践出真知。

当然这也是一个方法,但是也有弊端,那就是学习的不系统,很多有心人到后来还是得回来补课,完善自己的知识体系和技能。很多人玩开发板,烧写镜像,玩得贼溜,但是你知道这里面的原理吗?知道JTAG怎么下载的吗?Jlink和JTAG有什么区别?为什么PC上要装个JTAG软件而Jlink不用?程序的编译和链接是怎么样的?为什么内核镜像要下载内存的某个地址?换个地址行不行?为什么我们编写的程序要在有OS的环境下运行,在ARM开发板裸机环境下,你能写一个跑起来的程序吗?只有对这些问题深入思考,你才会对嵌入式有一个更深的认识,超越了平台,一通百通。

80%的嵌入式知识和技能,其实跟硬件平台无关

嵌入式开发需要的知识体系和技能,80%其实跟硬件平台无没有无关系的。比如计算机系统原理、编程技能、程序的编译链接、你对Linux内核的理解、设备模型、驱动架构、项目管理等等。

真正跟硬件平台有关的,比如驱动开发,上面的框架是跟平台无关的,下面跟各个硬件平台的适配部分,可能跟硬件平台就有关系了,寄存器配置、开发板硬件配置等。而对于嵌入式工程师来说,尤其是驱动开发工程师,等你工作后,你会发现,跟应用开发相比,真正要写的代码量很少,往往只需要改几行代码。但是往往这几行的代码量,需要你深厚的背景知识:硬件知识、通信协议、对芯片、开发平台资源掌握、对Linux内核架构、设备模型、驱动框架的理解,这些才是嵌入式工程师的核心竞争力。

如果你看到很多广告还在以开发板或者平台作为噱头,能拿多少工资作为宣传,这时候你的脑海里要有这种意识,这是一种推广宣传。工资多少是由你自己的水平和市场大行情决定的,虽然在面试时HR会对你本身的水平评估有一些误差,但是要相信,时间会证明你自己的真实价值,不断提高自己的知识水平和技能才是王道。真正的技术需要自己花时间慢慢吸收、积累、消化,内化为自己的知识体系和技能。外在的心灵鸡汤或高煲老鸭汤,只能让你一时地热情高涨,产生暂时的错觉,并不能真正的提高技能。

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