整理自網絡，排版：付斌

對嵌入式系統工程師及嵌入式硬件工程師而言，2020年將是振奮人心的一年。隨著物聯網應用的普及，MCU市場將再次繁榮。因此，市場上對嵌入式系統工程師人才的需求也將出現新高。這些都是底層編程領域中即將出現的趨勢。

01

先搞清楚什么是嵌入式

我們已經習慣了使用強大的計算能力來處理機器學習，那么嵌入式是這樣的嗎？我們先和機器學習比一比。

AlexNet 需要727MFlops的運算能力（Flops=浮點運算）以及235Mb的內存才能處理小小的一張227 x 227像素的圖像。例如，Google Nexus S上的 ARM Cortex-A8的處理能力為每秒 66MFlops。因此，你必須等待大約 11 秒才能進行推斷。這也太慢了！

大學里我上了幾門與機器學習相關的課程。我們做了很多有趣的作業(yè)。但是當時即便是4GB GTX1050也不足以訓練所有模型。

一般的機器學習工程師很少考慮計算資源。而且他們也很少關心內存的使用情況。為什么？因為這些硬件都很便宜，甚至是你的手機都擁有相當不錯的CPU和大量內存。

你已經很久沒有過聚會拍照時發(fā)現自己手機上的存儲不夠的情況了吧？想象一下，你使用的是只有256KB閃存的TrueTouch感應控制器。沒錯，只有 256KB。而且由于固件占用了一部分， 因此你不能完全使用這點存儲。算下來，你能使用的也就是大約100KB?；仡^再看看你的上一個模型的大小。可能比這個大多了。

有意思吧？我們來繼續(xù)看。

當聽到“嵌入式設備”時你會想起什么？記住腦海中出現的第一印象。

1. 嵌入式設備可以是任何電動機械，甚至是微波爐和洗衣機

沒錯，你答對了！

如今，幾乎所有的電氣設備都是嵌入式的。這些設備內部可能擁有一個或多個控制器來負責每個功能：觸摸感應、發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)控等。

2. Arduino 和樹莓派

恭喜你，再次答對了！

二者是 DIY 項目中最受歡迎和使用最廣泛的工具包之一。它們也是嵌入式設備。

3. Jetson Nano 及類似的產品

再次回答正確。

這是一種特殊的開發(fā)套件，簡稱迷你計算機，專門為運行機器學習模型而開發(fā)。它非常強大，而且非?？帷?/span>

但似乎有些不對。

我有很多朋友都在做一些很棒的硬件業(yè)余項目。通常他們會使用Arduino或 STM32。

我認識幾個AI工程師對Jetson Nano和類似設備超有興趣。他們認為這些設備是嵌入式AI的未來。

那么，接下來請考慮這樣一個問題：“這些設備有多少用在了生產級別的產品中？”

答案：微乎其微

想一想你家中有多少電氣設備，然后再想想汽車中包含的大量控制器，以及工作上用到的安保系統，等等。

每個設備都有一個控制器。通常，這些控制器都是微型，且超級便宜。它們根本無法企及 Jetson 或樹莓派的資源和功能。

假設你有一個微控制器。它的主要任務是處理手指觸摸屏幕。它擁有ARM Cortex-M0處理器，256KB內存（其中只有80–120KG可用）。這是一個實時系統，因此你只需很少的時間來推斷模型，例如100微秒。你的目標是改善算法或替換算法。

祝你好運，歡迎來到“嵌入式AI”的世界。

重點：真正的嵌入式世界，由資源極其有限的 1-2 美元芯片組成。而生產級別的產品使用的就是這種芯片。

02

2020年軟硬件有什么值得學習的新技術

編程語言

 

當我們談及編寫圍繞硬件層運行的代碼時，最常提起的就是C語言。25年前，當我們從匯編語言過渡到C語言時，整個過程非常緩慢，且需求很高。如果你想進入嵌入式編程領域，那么2020年C以及C++仍然是你應該重點學習的編程語言。

如果你想嘗試嵌入式編程，那么可以從下面幾個方面著手：

• https://www.learn-c.org/

Learn-c.org 是 Ron Reiter 的私人項目。雖然這個項目與嵌入式或硬件的關系不大，但作為C語言入門還是很不錯的。

• 買個微處理器

就我個人而言，實際操作才是最佳的學習途徑。所以，你也可以買一個微處理器，實際接觸硬件，親眼看到實際結果才是你最應該做的事情。你可以購買 Arduino 等流行的處理器，然后從一個小項目開始，真正了解硬件的工作原理。

• 閱讀書籍和文檔

閱讀書籍和文檔是最關鍵的學習方式。你可以根據自己選擇的方向（嵌入式系統、固件開發(fā)、驅動程序開發(fā)等），選擇相應的書籍。

除了C/C++之外，該領域沒有真正占據實際市場份額的編程語言，但是下面的新起之秀值得關注。

Rust

今年我一定要把學習 Rust 提上日程。有傳言說 Rust 是從C發(fā)展而來的，Rust 將在很多應用領域廣泛取代C。Rust 在嵌入式領域的發(fā)展非常迅速。如果我們比較 StackOverflow 網站上有關C、Rust 和 Assembly 的提問，就可以看到2019年有關 Rust 的問題數超過了 Assembly，而C在過去幾年中略有下降。

相對于C，Rust 有幾大優(yōu)勢，最大的優(yōu)勢之一就在于內存的安全性。Medium 網站上有很多關于 Rust 的文章，你可以通過閱讀了解 Rust 的所有優(yōu)勢。此外，Rust 可以在許多微控制器上運行，這個 GitHub 代碼庫中匯總了大量信息（https://github.com/rust-embedded/awesome-embedded-rust）。

如果你想學習 Rust，那么我強烈建議你訪問 Rust 主頁（https://www.rust-lang.org/）。這個網站提供了大量的入門文檔和教程。還有這本書《The Rust Programming Language》也是很好的起點。Rust 網站專門提供了有關嵌入式的說明（https://www.rust-lang.org/what/embedded），可以幫助你了解嵌入式設備上的 Rust 編程。

Golang

Golang？Golang！Golang 這種編程語言的潛力也超過了你的想象。目前，它主要運行在用戶空間，可以替代 Ruby 等后端語言，或用作用戶空間的應用程序，因為它擁有良好的多處理器支持。

不過，我相信 Golang 會慢慢進入底層的編程。目前，它已應用在固件開發(fā)中，用于開發(fā)引導程序。隨著嵌入式設備上的 RAM、ROM 和 Flash 的容量不斷增大，將來也有可能在嵌入式設備上運行 Golang。 對于每位嵌入式系統程序員來說，Golang 絕對值得一試，而希望參與固件開發(fā)的人則必須學習 Golang。

硬件

 

除了編程語言之外，硬件設計方面也有一些有趣的趨勢。我想提及的第一件事情是：RISC-V。

RISC-V

RISC-V 是一種開源硬件指令集體系結構。它基于精簡指令集計算機原理，即所謂的 RISC。與 Arm 相比，制造商不需要支付許可費用即可使用 RISC-V。

面向服務器和消費者的硬件大多采用了x86硬件。我認為 RISC-V 不會很快在這部分市場中贏得份額，但是它有可能應用于其他幾個市場。路由器和交換機等嵌入式設備以及智能手機制造商或物聯網設備都可能切換到 RISC-V 架構。

現在市場已有 RISC-V 的電路板，雖然價格仍然偏高，但值得關注。例如，眼前我的辦公桌上的這塊就是 SiFive HiFive Board。

big.LITTLE

最后我想談談 big.LITTLE 架構。最初它是由 ARM 發(fā)明的。原理是將低功耗的處理器（LITTLE）與功能強大、高功耗的（big）處理器相結合。同一時間內， LITTLE 或 big 只有一側處于活動狀態(tài)。這種架構應該能夠更好地適應當今的動態(tài)計算需求。

這并不是一個新想法，ARM 于2011年就提出了此項建議。但是似乎其他制造商也對 big.LITTLE 躍躍欲試。英特爾于2019年預覽的英特爾 Lakefield 異構處理器就采用了 big.LITTLE 架構。

03

除了這些還要學什么？

1、打好嵌入式編程的基礎 

這一階段重點打好嵌入式軟件編程的基礎，包括學習Linux系統的基本應用，Linux的常用命令、C語言編程基礎、常用的數據結構。

特別是C語言中對指針的理解和應用。這一階段的主要目的是學習編程語言、開發(fā)環(huán)境、和培養(yǎng)自己的編程思維，為進一步學習嵌入式開發(fā)打下良好的基礎。

這一階段推薦的嵌入式學習書籍如下：《C程序設計語言》，《C語言核心技術》，《數據結構與算法分析－－C語言描述》，《C和指針》，《C陷阱與缺陷》，《C＋＋ Primer》 

  

當然，現在講求的是軟硬結合的時代，除了C語言最好還會這些東西：

• 看懂電路圖
• 看懂芯片手冊
• 有編寫，移植驅動的能力
• 懂內核的實現機制
• 懂C語言，C++, JAVA等

2、學習ARM體系結構編程 

這一階段才是真正的嵌入式編程，首先我們要選擇一款嵌入式CPU和一款嵌入式開發(fā)平臺，目前ARM 嵌入式CPU應用最廣泛，這一階段重點是學習嵌入式CPU的裸機編程，熟悉中斷、定時器、串口、NAND FLASH、網絡控制器、LCD屏、觸摸屏等常用嵌入式外圍設備的硬件工作原理，以及如何使用C語言來編程、控制這些硬件。這一階段除了要學習對硬件編程之外，還需要學習嵌入式硬件的知識，但是對于嵌入式軟件工程師來講，重點是學習硬件的工作原理，在掌握硬件工作原理的基礎上，對硬件進行編程控制。這和硬件工程師學習的側重點有所不同。這一階段對應的學校的課程主要包括模擬電路、數字電路、微機原理和單片機。這一階段重點是要看CPU的芯片手冊，大部分的參考書也是對芯片手冊的翻譯。

推薦的參考書籍如下：

• 《微機原理》，可以理解一個計算機的組成原理
• 《數字電路》，掌握一些邏輯運算，理解各種門電路的原理
• 《ARM體系結構與編程》，對ARM的運行原理解釋的很到位

3、學習嵌入式系統的構建 

這一階段主要學習帶有操作系統的嵌入式系統的構建，包括系統的啟動流程、Bootloader的工作流程、UBOOT的編譯、裁剪與移植、嵌入式Linux內核的裁剪、移植與編譯，嵌入式根文件系統的定制、BootLoader、內核和根文件系統的燒寫。這一階段的主要目的是掌握帶有操作系統的嵌入式系統的構建和燒寫過程，以及對嵌入式系統軟件的總體構成有個整體認識，為我們接下來學習嵌入式應用和驅動開發(fā)打下堅實的基礎。

這一階段推薦的書籍如下：《構建嵌入式Linux核心軟件系統實戰(zhàn)》 

本課程會涉及到以下知識點：

• Linux總線，設備，驅動模型的探究
• Linux設備樹的深入理解
• Linux的啟動流程
• Linux設備和驅動的相遇
• 動手定制一個開發(fā)板

4、學習嵌入式Linux應用程序開發(fā) 

這一階段主要學習上層的嵌入式Linux應用程序開發(fā)，包括基于Linux多進程、多線程、網絡、文件與目錄和QT編程。掌握嵌入式Linux環(huán)境下應用程序開發(fā)技術。

這一階段推薦的書籍有： 《UNIX環(huán)境高級編程》， 《Unix網絡編程》，《Qt Creatｏｒ快速入門》， 《精通Qt4編程》 

5、學習嵌入式Linux驅動程序開發(fā) 

這一階段主要學習底層嵌入式Linux設備驅動程序開發(fā)設計，包括常用的字符設備驅動、塊設備驅動、LCD設備驅動、觸摸屏設備驅動以及驅動程序開發(fā)中的核心技術。

這一階段推薦的參考書籍有：《Linux設備驅動程序》，《Linux設備驅動開發(fā)詳解》 

關于驅動的內容暫定如下：

• LCD驅動程序
• 觸摸屏驅動程序
• USB驅動程序
• NAND FLASH驅動程序
• NOR FLASH驅動程序
• 網卡驅動程序
• 聲卡驅動程序

6、根文件系統

在開發(fā)應用程序時，也需要搭建文件系統，把各種庫、配置文件放進去；在發(fā)布產品時，你還需要修改配置文件，使得產品可以自動運行程序；甚至你想實現插上U盤后自動啟動某個程序，這也要要修改配置文件；這一切，都需要你理解根文件系統的構成，理解內核啟動后是根據什么配置文件來啟動哪些應用程序。根文件系統相對比較簡單，可以根據以下路線學習：

• Linux根文件系統目錄結構
• 移植Busybox
• init進程介紹及用戶程序啟動過程
• 使用glibc庫
• 制作/使用文件系統映象文件
  
  

7、完成一個綜合項目 

嵌入式技術關鍵在于理論和實踐的結合，要能夠學以致用，完成了以上的所有階段的知識點學習后，到底有沒有學會，會不會用，能不能應用所學知識來解決實際開發(fā)中的問題，我們需要來完成一個綜合的嵌入式實訓項目，例如：基于嵌入式Linux平臺實現的飛行器、 基于嵌入式Linux平臺實現的智能機器人等，這些項目都綜合應用了嵌入式開發(fā)當中的應用，驅動和QT開發(fā)技術。

【參考文獻】

1、Christian Walter . Two must-knows for embedded engineers in 2020

2、Andrew Zhuravchak . Machine Learning Fails When It Comes to Embedded System. Here’s Why

3、Peter . The roadmap of embedded learning

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