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什么是嵌入式编程?如何入门和提高? 来源 : 华清远见     2024-05-15

要学习嵌入式编程,先来了解下什么是嵌入式?嵌入式,又为嵌入式系统(Embedded System),是一种专用的计算机系统,以应用为中心,基于计算机技术,软硬件可裁剪以适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗等方面严格要求的专用计算机系统。用于控制、监视或辅助操作机器和设备的装置。它通常作为某个装置或设备的一部分存在,其核心部分是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板。所有带有数字接口的设备,如手表、微波炉、录像机、汽车等,都使用了嵌入式系统。其应用领域广泛涉及IT、通信、军工、工业控制、汽车电子等多个行业。从结构上看,嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成:

硬件包括信号处理器、存储器、通信模块等在内的多方面内容;而软件则主要涵盖软件运行环境及其操作系统。不过与一般计算机处理系统相比,嵌入式系统在存储功能上存在较大差异性,因其没有匹配的大容量介质,多采用E-PROM、EEPROM等作为存储介质。

软件研发还分为驱动研发和应用研发两个领域。其中,API编程接口在开发中扮演着重要角色。有些复杂的嵌入式系统中还会包含操作系统,但大多数都是由单个程序来实现整个控制逻辑。

而嵌入式编程是一种针对嵌入式系统的软件开发,这种编程涉及在嵌入式系统中设计和开发软件,包括编写底层驱动程序、操作系统、应用程序和算法等。

嵌入式系统是其他设备的一部分,集成了处理器、存储器、输入/输出接口和其他硬件组件,并通过特定的软件来控制和管理这些硬件资源。由于嵌入式系统通常具有固定的功能和任务,如家用电器、汽车、医疗设备、智能手表和智能手机等,因此嵌入式编程需要对硬件和软件的相互作用有深入理解,并进行相应的开发和调试。

嵌入式编程通常使用低级语言,如汇编语言、C语言和C++语言,这些语言提供了对硬件的直接访问能力,有助于优化程序的性能和资源利用。此外,嵌入式系统编程还涉及对系统结构的裁剪,以适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗的要求。随着技术的发展,嵌入式系统的编程环境也在不断进步,从无操作系统阶段发展到使用简单的操作系统,再到支持实时操作的系统,以及最终与互联网完美结合的阶段。

那么如何学习嵌入式编程呢?对于初学者而言,可以先从面向过程的C编程语言入手,建议从以下几点学习:

学习C语言是一个系统化的过程,以下是一些基本的步骤和建议:

1. 理解基础概念:首先,了解编程的基本概念,比如变量常量、数据类型、指针、控制结构(顺序语句、分支语句、循环语句)、函数等;让初学者对于计算机编程有初步认识,具备基本的编程思维和解决问题的能力,使得成为一名真正的程序员;C语言被认为是一种中级语言,因为结合了高级和低级编程语言的特点。它的语法与其他编程语言如Java、C++和Python相似,使程序员更容易学习和使用。C语言执行速度快,效率高,内存占用小,是开发需要高性能的应用程序的理想选择。而嵌入式设备中的内存容量刚好比较小,适合采用C语言进行开发。此外C语言也是一种可移植的语言,这意味着C语言程序可以很容易地移植到不同的平台上,而不需要进行大量修改。C编程语言也有丰富的库,这使得程序员很容易开发复杂的应用程序。

2. 选择合适的教材:可以是书籍,也可以是在线教程。一些经典的C语言书籍包括《C程序设计语言》(K&R)和《C Primer Plus》。

3. 实践编程:理论学习之后,通过编写简单的程序来实践所学知识。从“Hello, World!”程序开始熟悉编程过程,逐步增加难度,完成一些小游戏制作,如2048项目、五子棋、扫雷等等。

4. 使用开发环境:熟悉一个集成开发环境(IDE),如Visual Studio Code、Eclipse或者Code::Blocks,它们可以提供代码编辑、编译、调试等功能。

5. 学习标准库:C语言有一个强大的标准库,包括字符串处理、数学函数、文件操作等,这些都是编程中常用的功能。

6. 解决实际问题:尝试解决一些实际问题,比如数据结构的实现、算法的编写等,数据结构也是提升C语言能力的一门重要学科,能够学习栈、队列、树、图等数据结构深入理解解决问题的最优算法,这样可以加深对C语言的理解。毕竟是众多前辈所总结下来的知识,原本10行的代码可以3行解决;代码优化度越好,更节省CPU资源,更能体现出一名程序员的技术能力。

7. 阅读别人的代码:通过阅读和分析其他人的代码,可以学习到不同的编程风格和最佳实践。

8. 加入社区:参与编程社区,如Stack Overflow、GitHub或者Reddit上的C语言相关论坛,可以帮助你解决遇到的问题,也可以让你了解行业的最新动态。

9. 持续学习:编程是一个不断学习的过程,随着技术的发展,总会有新的工具和最佳实践出现。

10. 构建项目:尝试构建一个完整的项目,这样可以综合运用你所学的知识,并且提高解决复杂问题的能力。

11. 调试和测试:学习如何使用调试工具来找出和修复程序中的错误,同时学习编写测试用例来验证程序的正确性。

12. 理解指针和内存管理:C语言中指针的使用非常关键,同时也是C语言与其他高级语言相比的一个显著特点。

13. 遵守编码规范:养成良好的编码习惯,比如变量命名、代码注释等,这有助于提高代码的可读性和可维护性。

14. 参加在线课程或线下课程:有许多提供C语言的课程,这些课程通常由经验丰富的讲师授课,并且提供实践练习。

15. 参加编程竞赛:参加编程竞赛可以提高你的编程技能,并且让你在压力下工作,这对于提高编程能力非常有帮助。

学习编程是一个逐步积累的过程,不要急于求成,要有耐心和毅力。

学好C语言正是嵌入式编程的基础,掌握了软件编程基础之后,对于嵌入式编程的难点就在于单片机开发了;单片机的编程就是通过软件编程控制硬件中的寄存器操作,实现硬件控制。对于初级嵌入式开发者而言,不需要熟悉太多的电路知识,掌握基本电路元器件的工作原理,如二极管、三极管、电阻、电容、场效应管、与或非逻辑门等等,基本上就可以实现简单的软硬件结合开发了。

要提升嵌入式编程的能力,可以从以下几点学习:

1. 理解硬件:熟悉你正在编程的硬件平台,包括微控制器、处理器、内存、输入/输出设备等基础理论与应用。

2. 学习基本原理:掌握嵌入式系统的基本原理,包括中断、并发、实时操作、低功耗设计等。

3. 实践编程:通过实际编写和测试代码来提高技能。从简单的LED闪烁程序开始,逐步过渡到更复杂的项目,如定时器PWM应用、串口、IIC、SPI、CAN、WIFI、MQTT等多种通信协议。

4. 使用开发工具:熟练掌握嵌入式开发工具,如编译器、调试器、仿真器和实时操作系统(RTOS)。

5. 阅读数据手册:仔细阅读你所使用的微控制器或其他硬件的数据手册,了解其特性和编程接口。

6. 学习低级编程:嵌入式编程常常需要直接与硬件交互,因此学习如何进行低级编程,如结构体、枚举类型、指针操作、位操作、内存映射I/O等。

7. 掌握C/C++:大多数嵌入式系统使用C或C++编程语言,因此深入学习这两种语言是非常重要的。

8. 理解操作系统:学习嵌入式操作系统(如FreeRTOS, VxWorks, Zephyr等)的工作原理和使用。

9. 网络编程:嵌入式设备越来越多地连接到网络,因此学习TCP/IP、UDP、HTTP等网络协议是必要的。

10. 关注安全性:了解嵌入式系统的安全问题,学习如何编写安全的代码以保护系统免受攻击。

11. 参加在线课程和研讨会:参加相关的在线课程和研讨会,这些课程通常由经验丰富的讲师授课,并且提供实践练习。

12. 加入社区:加入嵌入式编程社区,如论坛、邮件列表或社交媒体群组,与其他开发者交流经验和最佳实践。

13. 阅读相关书籍:阅读关于嵌入式系统设计和编程的书籍,以获得更深入的理解。

14. 构建项目:通过构建完整的嵌入式项目来综合运用所学知识,解决实际问题。

15. 性能优化:学习如何优化代码以提高性能,包括减少内存使用、提高处理速度等。

16. 调试技巧:掌握嵌入式系统的调试技巧,包括使用调试器、日志记录和性能分析工具。

17. 参加竞赛和挑战:参加编程竞赛或黑客马拉松,这些活动可以提供实践机会并激发创新思维。

18. 持续学习:技术不断发展,持续学习新的工具、技术和最佳实践是非常重要的。

19. 代码复审:通过代码复审来提高代码质量,同时也能从他人的代码中学习。

20. 模拟和仿真:使用模拟和仿真工具来测试你的嵌入式系统,这可以在实际硬件之前发现问题。

通过以上的这些方法,可以逐步提高个人的嵌入式编程技能,并成为一名更优秀的嵌入式系统开发者。

 

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