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到底什么是嵌入式?什么是單片機?

日期:2020-08-03 09:48:35 / 人氣: / 發布者:譯聲翻譯公司

凡是從事計算機或電子信息相關領域工作的童鞋,一定都聽說過嵌入式和單片機吧? 很多人應該知道,這兩個名詞和硬件系統有著非常密切的關系。一聽到它們,就容易讓人聯想到插滿芯片和針腳的電路板: 但是,如果要問具體什么是嵌入式,什么是單片機,它們之間究竟有什么區別,我相信大部分人并不能解釋清楚。 今天,小棗君就給大家做一個入門科普,揭秘上述問題的答

  凡是從事計算機或電子信息相關領域工作的童鞋,一定都聽說過嵌入式和單片機吧?

  很多人應該知道,這兩個名詞和硬件系統有著非常密切的關系。一聽到它們,就容易讓人聯想到插滿芯片和針腳的電路板:

  但是,如果要問具體什么是嵌入式,什么是單片機,它們之間究竟有什么區別,我相信大部分人并不能解釋清楚。

  今天,小棗君就給大家做一個入門科普,揭秘上述問題的答案。與此同時,我還會給大家介紹一下,我們經常聽說的51、STM32,究竟是什么。

  什么是嵌入式

  首先,我們來看看什么是嵌入式。

  嵌入式,一般是指嵌入式系統,英文叫作: embedded system。嵌入式開發,其實就是對嵌入式系統的開發。

  IEEE(美國電氣和電子工程師協會)對嵌入式系統的定義是: “用于控制、監視或者輔助操作機器和設備的裝置”。

  國內學術界的定義更為具體一些,也更容易理解:

  嵌入式系統,是以應用為中心,以計算機技術為基礎,軟件硬件可裁剪,適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統。

  以應用為中心,說明嵌入式系統是有明確實際用途的。 以計算機技術為基礎,說明它其實就是一種特殊的計算機。 軟硬件可裁剪,說明它有很強的靈活性和可定制能力。

  專用計算機系統, “專用”所對應的,就是“通用”。 我們常用的個人PC、筆記本電腦、數據中心服務器,可以用于多種用途,就是“通用計算機系統”。

  嵌入式系統究竟具體應用于哪些“專用”方向呢?

  舉例如下:

  個人通信與娛樂系統:手機、數碼相機、音樂播放器、可穿戴電子產品、PSP游戲機

  家電類產品:數字電視、掃地機器人、智能家電

  辦公自動化:打印機,復印機、傳真機

  醫療電子類產品:生化分析儀、血液分析儀、CT

  網絡通信類產品:通信類交換設備、網絡設備 (交換機、路由器、網絡安全)

  汽車電子類產品:引擎控制、安全系統、汽車導航與娛樂系統

  工業控制類產品:工控機、交互式終端 (POS、ATM)、安全監控、數據采集與傳輸、儀器儀表

  軍事及航天類產品:無人機、雷達、作戰機器人

  嵌入式系統的應用領域

  上述這些領域,都使用了嵌入式系統。這還只是冰山一角。

  可以說,嵌入式系統完完全全地包圍了我們,時刻影響著我們的工作和生活。

  嵌入式系統,既然是一個計算機系統,那么肯定離不開硬件和軟件。

  一個嵌入式系統的典型架構如下:

  注意,最重要的就是嵌入式操作系統和嵌入式微處理器。

  從硬件角度來看,嵌入式系統就是以處理器(CPU)為核心,依靠總線(Bus)進行連接的多模塊系統:

  和個人PC是一樣的方式

  下面這張圖,就是一個嵌入式系統的實物樣例:

  中間偏左上角,S3C2440,是CPU,中間是RAM,然后還有ROM、網卡、串口、電源等等。可以看出,嵌入式系統麻雀雖小,五臟俱全。

  什么是單片機

  嵌入式系統的核心,就是嵌入式處理器。 嵌入式處理器一般分為以下幾種典型類型:

  嵌入式微控制器MCU(Micro Control Unit)

  MCU 內部集成ROM/RAM、總線邏輯、定時/計數器、看門狗、I/O、串口、A/D、D/A、FLASH等。 典型 代表 是 8051 、809 6、C8051F等。

  嵌入式DSP處理器(Digital Signal Processor)

  DSP處理器專門用于信號處理,在系統結構和指令算法進行了特殊設計。 在數字濾波、FFT、頻譜分析中廣泛應用。典型代表是 TI(德州儀器)公司的TMS320C2000/C5000系列。

  嵌入式微處理器MPU(Micro Processor Unit)

  MPU由通用處理器演變而來,具有較高的性能,擁有 豐富的外圍部件接口。 典型代表是 AM186/88、386EX、SC- 400、Po werPC、MIPS、ARM系列等。

  此外,還有嵌入式片上系統SoC(System on Chip)和可編程片上系統SoPC(System on a Programmable Chip)。

  我們的單片機,就屬于上述的第一種——MCU(嵌入式微控制器)。

  我們來詳細介紹一下它。

  單片機,又稱為單片微控制器,英文叫Single-Chip Microcomputer。

  它其實就是一種集成電路芯片,是通過超大規模集成電路技術,將CPU、RAM、ROM、輸入輸出和中斷系統、定時器/計數器等功能,塞進一塊硅片上,變成一個超小型的計算機。

  這么說來,單片機不就是一個嵌入式系統?別急,我們往下看。

  “單片機”其實是一種古老的叫法。 以前半導體工藝技術不成熟,不同的功能無法做進一個芯片(Chip),所以會有多片機。 現在半導體技術早已非常發達,所以不存在多片機。 但是,“單片機”的叫法卻一直延用至今。

  很多高校老師喜歡強調單片機姓“單”,除了指單片機只是一個硅片之外,更多是指單片機的功能單一,它是完成運算、邏輯控制、通信等功能的單一模塊。 即便它性能再強大,功能依然是單一的。

  單片機技術從上世紀70年代末誕生,早期的時候是4位,后來發展為8位,16位,32位。它 真正崛起,是在8位時代。 8位單片機功能很強,被廣泛應用于工業控制、儀器儀表、家電汽車等領域。

  我們在研究單片機的時候,經常會聽到兩個詞——51單片機、STM32。 我來介紹一下它們究竟是什么。

  51單片機,其實就是一系列單片機的統稱。 該系列單片機,兼容Intel 8031指令系統。 它們的始祖,是Intel(英特爾)的8004單片機。

  注意,51單片機并不全是英特爾公司的產品。 包括ATMEL(艾德梅爾)、Philips(飛利浦)、華邦、Dallas(達拉斯)、Siemens(西門子)、STC(國產宏晶)等公司,也有很多產品屬于51單片機系列。

  ATMEL公司的51單片機,AT89C51

  這是一個51單片機的開發板,中間那個芯片才是51單片機

  51單片機曾經在很長時間里都是市面上最主流、應用最廣泛的單片機,占據大量的市場份額。

  51單片機其實放在現在毫無技術優勢,是一種很老的技術。 之所以它的生命力頑強,除了它曾經很流行之外,還有一個原因,就是英特爾公司徹底開放了51內核的版權。

  所以,無論任何單位或個人,都可以毫無顧忌地使用51單片機,不用付費,也不用擔心版權風險。

  此外,51單片機擁有雄厚的存量基礎和群眾基礎。 很多老項目都是用的51單片機,出于成本的考慮,有時候只能繼續沿用51單片機的技術進行升級。 而且,很多老一輩的工程師,都精通51單片機開發技術。所以,51單片機的生命力得以不斷延續。

  再來看看STM32。

  STM32,是意法半導體公司推出的基于ARM Cortex-M內核的通用型單片機。

  STM32單片機

  意法半導體(STMicroelectronics)是世界最大的半導體公司之一,于1987年6月成立,是由意大利的SGS微電子公司和法國Thomson半導體公司合并而成。 1998年5月,SGS-THOMSON Microelectronics 將公司名稱改為意法半導體有限公司。

  意法半導體LOGO

  ARM公司以前小棗君給大家介紹過。它是目前全球做芯片設計最厲害的公司之一,利用手機芯片的快速發展而崛起,占有物聯網市場極大的份額。

  在單片機領域,ARM的Cortex-M內核擁有壓倒性的優勢,已經成為絕對的主流。 很多半導體公司都放棄了自己原先的架構,轉做ARM架構的單片機。

  STM32單片機開發板

  STM32的硬件配置可以滿足大部分的物聯網開發需求,開發工具和相關的文檔資料齊全,已經成為目前單片機學習的首選對象。

  嵌入式和單片機的區別

  說到這里,我們來看看,嵌入式和單片機的區別到底是什么。

  從前文的介紹來看,嵌入式系統是一個大類,單片機是其中一個重要的子類。嵌入式系統像是一個完整的計算機,而單片機更像是一個沒有外設的計算機。

  以前單片機包括的東西并不算多,兩者的硬件區別較為明顯。但是,隨著半導體技術的突飛猛進,現在各種硬件功能都能被做進單片機之中。所以,嵌入式系統和單片機之間的硬件區別越來越小,分界線也越來越模糊。

  于是,人們傾向于在軟件上進行區分。

  從軟件上,行業里經常把芯片中不帶MMU(memory management unit,內存管理單元)從而不支持虛擬地址,只能裸奔或運行RTOS(實時操作系統,例如ucos、華為LiteOS、RT-Thread、freertos等)的system,叫做單片機(如STM32、NXP LPC系列、NXP imxRT1052系列等)。 而把芯片自帶MMU可以支持虛擬地址,能夠跑Linux、Vxworks、WinCE、Android這樣的“高級”操作系統的system,叫做嵌入式。

  在某些時候,單片機本身已經足夠強大,可以作為嵌入式系統使用。它的成本更低,開發和維護的難度相對較小,尤其是針對一些針對性更強的應用。而嵌入式系統理論上性能更強,應用更廣泛,但復雜度高,開發難度大。

  嵌入式和單片機的學習價值

  最后我們來說一說嵌入式和單片機的學習價值,到底有沒有必要學習嵌入式和單片機。

  最近這些年,有一句話被廣泛傳播,那就是——“軟件為王”。 人們普遍認為軟件知識的價值遠遠大于硬件,而學習軟件,從事軟件方向,會更容易找到工作,找到更高收入、更有前途的工作。

  而嵌入式和單片機,往往被歸為“硬件”方向,遭人“嫌棄”。 加上嵌入式和單片機的學習難度較大,學習周期很長,需要漫長的“煎熬”,所以越來越多的人放棄這條路。

  小棗君認為這種想法是不正確的。

  首先,嵌入式和單片機并不是純“硬件”類方向。 前面我也說了,它們是軟件和硬件的緊密結合。

  如果你想學好嵌入式和單片機,只懂數字電路和微機接口這樣的硬件知識是不夠的,你更需要學習的,是匯編、C/C++語言、數據結構和算法知識。

  擁有軟硬結合的能力,遠遠比單純掌握某種程序開發語言更有價值。

  其次,嵌入式和單片機擁有廣泛的應用場景,在各個領域都有項目需求和人才需求。

  根據權威部門統計,目前我們國家每年的嵌入式人才缺口高達50萬。 尤其是嵌入式軟件開發,是未來幾年最熱門和最受歡迎的職業之一。 具有10年工作經驗的高級嵌入式工程師,年薪可以達到30-50萬元左右。

  而且我們國家現在正在大力發展芯片產業,也會帶動嵌入式人才的就業,提升待遇。

  隨著5G的全面啟動,整個社會正在向“萬物互聯”的方向發展。 物聯網技術也將迎來前所未有的歷史機遇。 嵌入式和單片機技術是物聯網技術的重要組成部分,也將進入發展的快車道。

 

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