單片機和嵌入式，其實(shí)沒(méi)有什么標準的定義來(lái)區分他們，對于進(jìn)行過(guò)單片機和嵌入式開(kāi)發(fā)的開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，都有他們自己的定義，接下來(lái)，就談?wù)劚救藢@兩個(gè)概念的理解和感悟。
首先明確概念，什么是單片機，單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規模集成電路技術(shù)把具有數據處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時(shí)器/計數器等功能(可能還包括顯示驅動(dòng)電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路)集成到一塊硅片上構成的一個(gè)小而完善的微型計算機系統，在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應用。從上世紀80年代，由當時(shí)的4位、8位單片機，發(fā)展到現在的300M的高速單片機。
比如最經(jīng)典的51系列單片機，如下圖所示，外觀(guān)只是一塊一個(gè)拇指大小的長(cháng)方體芯片，共40個(gè)引腳，里面包含了邏輯運算單元。實(shí)際上也就是一個(gè)cpu。
在最開(kāi)始接觸單片機的時(shí)候，還曾經(jīng)有過(guò)一個(gè)疑問(wèn)，為什么單片機是黑色的而不可以是別的顏色，后來(lái)才知道是單片機材料的限制。
對單片機而言，其實(shí)一個(gè)芯片就是全部，其他的比如單片機最小系統都是為了單片機的正常運作而加入其他元件，比如晶振，5v電源，電感電阻等。當然最小系統只能保證單片機正常運行，幾乎實(shí)現不了基于單片機的任何應用。
為了使單片機實(shí)現應用，必須要加入其他外設。比如按鍵，led燈，led屏，蜂鳴器，各種sensor。這也就是市面上很多公司都在做的單片機開(kāi)發(fā)板。
總結，單片機就是完成運算、邏輯控制、通信等功能的單一模塊。也就是單片機真的姓“單”。DSP芯片也可以認為是一個(gè)單片機。當然它們性能很強大，但是功能依然很單一，總之就是處理數據、邏輯。
那么什么是嵌入式呢，一般說(shuō)嵌入式都是指嵌入式系統，嵌入式系統是將應用程序、操作系統、和計算機硬件在一起的系統，是指以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎，軟硬件可裁剪，其針對的用戶(hù)應用對功能、可靠性、成本、體積、功耗和使用環(huán)境有特殊要求的專(zhuān)用計算機系統。IEEE(Instituteof Electrical and ElectronicsEngineers，美國電氣和電子工程師協(xié)會(huì ))對嵌入式系統的定義：“用于控制、監視或者輔助操作機器和設備的裝置”。
嵌入式系統是一種專(zhuān)用的計算機系統，作為裝置或設備的一部分。通常，嵌入式系統是一個(gè)控制程序存儲在ROM中的嵌入式處理器控制板。事實(shí)上，所有帶有數字接口的設備，如手表、微波爐、錄像機、汽車(chē)等，都使用嵌入式系統，有些嵌入式系統還包含操作系統，但大多數嵌入式系統都是由單個(gè)程序實(shí)現整個(gè)控制邏輯。這是因為嵌入式系統一般用于工業(yè)控制，也就是說(shuō)對外設的控制都是寫(xiě)死的，并不需要人工干預，同時(shí)也為了保證系統的穩定和可靠。
我們經(jīng)?？梢月?tīng)到公司招聘的要求是嵌入式軟件工程師或者嵌入式硬件工程師，也就是說(shuō)嵌入式系統包括軟件和硬件，其實(shí)仔細想想也能明白，都已經(jīng)跑系統了，當然有軟件也有bsp硬件啦。也就是說(shuō)嵌入式系統是軟硬件結合體，國內普遍認同的嵌入式系統定義為：以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎，軟硬件可裁剪，適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專(zhuān)用計算機系統。
接下來(lái)將嵌入式分成硬件和軟件詳細說(shuō)明。
硬件層：
硬件層中包含嵌入式微處理器、存儲器(SDRAM、ROM、Flash等)、通用設備接口和I/O接口(A/D、D/A、I/O等)。在一片嵌入式處理器基礎上添加電源電路、時(shí)鐘電路和存儲器電路，就構成了一個(gè)嵌入式核心控制模塊。其中操作系統和應用程序都可以固化在ROM中。
其中核心就是微處理器，嵌入式處理器和一般的電腦cpu還有區別，嵌入式微處理器大多工作在特定設計的系統中，比如TI或者Atmel公司都有很多定位不同的處理器，Atmel的SAM系列是專(zhuān)門(mén)為物聯(lián)網(wǎng)設計的，AVR則由于性能十分突出，廣泛應用于工業(yè)領(lǐng)域。
嵌入式微處理器有各種不同的體系，即使在同一體系中也可能具有不同的時(shí)鐘頻率和數據總線(xiàn)寬度，或集成了不同的外設和接口。據不完全統計，全世界嵌入式微處理器已經(jīng)超過(guò)1000多種，體系結構有30多個(gè)系列，其中主流的體系有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。但與全球PC市場(chǎng)不同的是，沒(méi)有一種嵌入式微處理器可以主導市場(chǎng)，僅以32位的產(chǎn)品而言，就有100種以上的嵌入式微處理器。嵌入式微處理器的選擇是根據具體的應用而決定的。
比如arm公司有各種各樣的處理器架構，最經(jīng)典的cortex系列，它屬于A(yíng)RMv7架構，這是到2010年為止ARM公司最新的指令集架構。ARMv7架構定義了三大分工明確的系列：“A”系列面向尖端的基于虛擬內存的操作系統和用戶(hù)應用;“R”系列針對實(shí)時(shí)系統;“M”系列對微控制器。下圖就是cortex系列的不同定位。
在嵌入式領(lǐng)域，可以說(shuō)arm架構的處理器占據了半壁江山，而arm公司也成為著(zhù)名的科技公司，而它卻沒(méi)有生產(chǎn)任何處理器，而只是提供了IP，可以看出一流公司做標準。而其他用的比較多的架構就是sparc、powerpc等。
嵌入式系統和外界交互需要一定形式的通用設備接口，如A/D、D/A、I/O等，外設通過(guò)和片外其他設備的或傳感器的連接來(lái)實(shí)現微處理器的輸入/輸出功能。每個(gè)外設通常都只有單一的功能，它可以在芯片外也可以?xún)戎眯酒?。外設的種類(lèi)很多，可從一個(gè)簡(jiǎn)單的串行通信設備到非常復雜的802.11無(wú)線(xiàn)設備。
嵌入式系統中常用的通用設備接口有A/D(模/數轉換接口)、D/A(數/模轉換接口)，I/O接口有RS-232接口(串行通信接口)、Ethernet(以太網(wǎng)接口)、USB(通用串行總線(xiàn)接口)、音頻接口、VGA視頻輸出接口、I2C(現場(chǎng)總線(xiàn))、SPI(串行外圍設備接口)和IrDA(紅外線(xiàn)接口)等。這一點(diǎn)其實(shí)和單片機類(lèi)似。
軟件層：
也就是操作系統了，包括內核和文件系統，還有就是更為頂層的應用程序，嵌入式操作系統一般都是Linux或者其他類(lèi)Unix，還有一些實(shí)時(shí)操作系統(RTOS)比如VxWorks、RTEMS、ucOS等。
其中Linux還包括不同的distribution，比如Ubuntu、Redhat、Debian、centos等，他們都是采用Linux的內核，不同的是上面的software和tools，當然不用太過(guò)于擔心標準問(wèn)題，這些Linux發(fā)行版選擇的軟件幾乎都是比較通用的，比如網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器的Apache、電子郵件服務(wù)器的postfix、sendmail、文件服務(wù)器的Samba等。此外還有Linuxstandard base等標準來(lái)規范開(kāi)發(fā)者。
類(lèi)Unix主要是FreeBSD以及Solaris等。
嵌入式領(lǐng)域最常用的還是一些實(shí)時(shí)操作系統，實(shí)時(shí)操作系統的核心就是實(shí)時(shí)性，本質(zhì)就是任務(wù)處理所華為時(shí)間的可預測性，即任務(wù)需要在規定內時(shí)限內完成。IEEE對實(shí)時(shí)系統的定義是“那些正確性不僅取決于計算的邏輯結果也取決于產(chǎn)生結果所花費時(shí)間的系統”。實(shí)時(shí)操作系統有硬實(shí)時(shí)和軟實(shí)時(shí)之分，硬實(shí)時(shí)要求在規定的時(shí)間內必須完成操作，這是在操作系統設計時(shí)保證的;軟實(shí)時(shí)則只要按照任務(wù)的優(yōu)先級，盡可能快地完成操作即可。我們通常使用的操作系統在經(jīng)過(guò)一定改變之后就可以變成實(shí)時(shí)操作系統。
那么實(shí)時(shí)操作系統和Linux這種分時(shí)操作系統的區別列舉如下：
(1)多路性。實(shí)時(shí)信息處理系統與分時(shí)系統一樣具有多路性。系統按分時(shí)原則為多個(gè)終端用戶(hù)服務(wù);而對實(shí)時(shí)控制系統，其多路性則主要表現在經(jīng)常對多路的現場(chǎng)信息進(jìn)行采集以及對多個(gè)對象或多個(gè)執行機構進(jìn)行控制。
(2)獨立性。實(shí)時(shí)信息處理系統與分時(shí)系統一樣具有獨立性。每個(gè)終端用戶(hù)在向分時(shí)系統提出服務(wù)請求時(shí)，是彼此獨立的操作，互不干擾;而在實(shí)時(shí)控制系統中信息的采集和對對象的控制，也彼此互不干擾。
(3)及時(shí)性。實(shí)時(shí)信息系統對實(shí)時(shí)性的要求與分時(shí)系統類(lèi)似，都是以人所能接受的等待時(shí)間來(lái)確定;而實(shí)時(shí)控制系統的及時(shí)性，則是以控制對象所要求的開(kāi)始截止時(shí)間或完成截止時(shí)間來(lái)確定的，一般為秒級、百毫秒級直至毫秒級，甚至有的要低于100微秒。
(4)交互性。實(shí)時(shí)信息處理系統具有交互性，但這里人與系統的交互，僅限于訪(fǎng)問(wèn)系統中某些特定的專(zhuān)用服務(wù)程序。它不像分時(shí)系統那樣能向終端用戶(hù)提供數據處理服務(wù)、資源共享等服務(wù)。
(5)可靠性。分時(shí)系統要求系統可靠，相比之下，實(shí)時(shí)系統則要求系統高度可靠。因為任何差錯都可能帶來(lái)巨大的經(jīng)濟損失甚至無(wú)法預料的災難性后果。因此，在實(shí)時(shí)系統中，采取了多級容錯措施來(lái)保證系統的安全及數據的安全。
由于更加可靠和及時(shí)。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統更加廣泛應用于工業(yè)控制、航空航天、軍工等領(lǐng)域，比如美國航天局NASA近幾年發(fā)射的火星探測器等都是采用的RTEMS實(shí)時(shí)操作系統。
中間層：
所謂的中間層就是軟件層和硬件層之間的接口層，其實(shí)嚴格而言也屬于軟件層。一般開(kāi)發(fā)者稱(chēng)之為BSP，這一層主要負責的是向下提供硬件的驅動(dòng)，硬件的配置等操作，向上則向軟件開(kāi)發(fā)者提供標準API，進(jìn)行中間層開(kāi)發(fā)的開(kāi)發(fā)者通常稱(chēng)為嵌入式驅動(dòng)工程師。
從這里也可以看出來(lái)，嵌入式設計和軟硬都分不開(kāi)，既要掌握底層硬件的特性以及如何驅動(dòng)其工作，也要了解操作系統的相關(guān)知識，才可以編寫(xiě)相應功能的應用。
因此看一個(gè)操作系統是否支持某個(gè)芯片或者某個(gè)開(kāi)發(fā)板，只要看其源碼中是否包含相應芯片或開(kāi)發(fā)板的板級支持包。
以上就是本人對嵌入式系統系統的理解，接下來(lái)再來(lái)談?wù)勄度胧较到y應該跑在什么樣的硬件上。
談起嵌入式硬件或者開(kāi)發(fā)板，我想很多人第一印象就是RaspberryPi，是一塊只有信用卡大小的微型電腦，別看其外表“嬌小”，內“心”卻很強大，視頻、音頻等功能通通皆有，可謂是“麻雀雖小，五臟俱全”。樹(shù)莓派推出后，很多廠(chǎng)商爭相推出類(lèi)似產(chǎn)品，比如香蕉派之類(lèi)的。在這里用TI的Beagleboneblack板子進(jìn)行說(shuō)明，Beagleboneblack板如下圖所示：
可以看出體積大小和樹(shù)莓派類(lèi)似，外設包括有USBhost和USBmini以及網(wǎng)卡接口，，背面還有一個(gè)sd卡槽和HDMI接口。接下來(lái)看看它的性能參數：
下表是BBB板和樹(shù)莓派的性能參數比較：
Beagleboneblack的處理器是一塊主頻達到1GHZ的Ti處理器，基于arm的cortexa8架構，RAM是512M的DDR3，存儲器大小為2GB，支持的操作系統包括Ubuntu、archLinux、Android等。外設有USBhost和一塊百兆網(wǎng)卡。
BBB的處理器采用的是當前嵌入式系統中最流行的ARMv7指令集。采用當今廣泛使用的指令集的處理器可以被更多的軟件支持。例如，一些操作系統已經(jīng)不支持在A(yíng)RMv6指令集上運行，例如，Ubuntu在2012年4月放棄了對ARMv6指令集的支持。
ARMv7相對與ARMv6指令集的另一個(gè)優(yōu)勢在于，使用ARMv7的處理器的實(shí)際性能更加強勁。ARMv7相對與ARMv6的優(yōu)勢還有很多，比如一些顯著(zhù)的改進(jìn)：實(shí)現了超標量架構、包含了SIMD操作指令、改進(jìn)了分支預測算法從而極大的提高了某些性能。
最后總結：
以上就是一塊基本的嵌入式核心板所具有的性能參數，和上面說(shuō)到的單片機的性能參數相比較，單片機的處理能力較低，主頻大多在幾十M上下，和嵌入式動(dòng)輒上百上千M的處理速度還是相差較多，此外單片機并不具有圖形界面的處理能力，也就是GPU的缺乏導致單片機幾乎不可能帶動(dòng)圖形界面;單片機的存儲空間和嵌入式處理器也不是一個(gè)等級的，單片機通常片內存儲只有幾k大小，而由于外設的限制也不太可能大范圍增加外設emmc，而嵌入式處理器通常有幾百兆的RAM，如此巨大的差別導致單片機幾乎不可能像嵌入式處理器那樣運行操作系統，甚至連TCP/IP協(xié)議棧和USB協(xié)議棧都跑不起來(lái)，一些高端的單片機比如ST公司的STM32系列，可能可以跑一些輕量級的系統os和嵌入式網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧，比如IwIP協(xié)議棧。嵌入式處理器豐富強大的性能決定它能完成更多單片機不能完成的應用，比如網(wǎng)絡(luò )通信功能，視頻傳輸處理功能等，而當外設存儲增加后，嵌入式處理器能夠輕松運行各種Linux系統，以及圖形GUI界面。
在開(kāi)發(fā)方式上單片機和嵌入式也有較大差別，也就是編譯過(guò)程的區別，單片機主要在Windows等圖形界面下開(kāi)發(fā)，目前有很多成熟的IDE工具比如keil、IAR、以及ti的CCS等，這些工具集編譯、匯編、鏈接、仿真為一體，并且由于在Windows下開(kāi)發(fā)，具有友好的用戶(hù)界面，開(kāi)發(fā)者只需編寫(xiě)c代碼，然后點(diǎn)擊編譯鏈接按鍵即可，出現錯誤還可以debug或者仿真，上手還是非?？斓?。而嵌入式開(kāi)發(fā)一般是在Linux下進(jìn)行的，要將c代碼在自己主機上編譯完成，然后通過(guò)系統鏡像或者uboot引導將編譯好的文件燒入開(kāi)發(fā)板，由于主機的處理器的x86架構，而編寫(xiě)的代碼是為了運行在arm架構或sparc架構的處理器上，因此存在一個(gè)交叉編譯鏈的安裝，此外，Linux下沒(méi)有Windows那樣的IDE，也就是編譯，鏈接源代碼都需要開(kāi)發(fā)者自己完成，一般都是利用GNUmake腳本編寫(xiě)Makefile以及configure文件來(lái)完成，Makefile文件中編寫(xiě)如何對c或者h文件編譯，也就是編譯規則以及依賴(lài)文件是什么。這些都需要開(kāi)發(fā)者自己完成。并且以上過(guò)程都是在Linux下的終端也就是命令行中完成，這也給嵌入式開(kāi)發(fā)增加了難度。
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