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嵌入式和单片机,是同一个东西吗

2021-08-16 20:55鲜枣课堂(小枣君)114评

凡是从事信息技术相关工作的童鞋,一定都听说过嵌入式和单片机。

大家都知道,这两个名词,和硬件系统有着非常密切的关系。

但是,如果要问具体什么是嵌入式,什么是单片机,它们之间究竟有什么区别,我相信大部分人并不能解释清楚。

今天,小枣君就给大家做一个入门科普,揭秘上述问题的答案。

与此同时,我也顺便解释一下,我们常说的 51、STM32,究竟是什么。

什么是嵌入式

首先,我们来看看什么是嵌入式。

嵌入式,一般是指嵌入式系统,英文叫作:embedded system。嵌入式开发,其实就是对嵌入式系统的开发。

IEEE(美国电气和电子工程师协会)对嵌入式系统的定义是:“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”。

国内学术界的定义更为具体一些,也更容易理解:

嵌入式系统,是以应用为中心,以计算机技术为基础,软件硬件可裁剪,适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。

以应用为中心,说明嵌入式系统是有明确实际用途的。以计算机技术为基础,说明它其实就是一种特殊的计算机。软硬件可裁剪,说明它有很强的灵活性和可定制能力。

专用计算机系统,“专用”所对应的,就是“通用”。我们常用的个人 PC、笔记本电脑、数据中心服务器,可以用于多种用途,就是“通用计算机系统”。

嵌入式系统究竟具体应用于哪些“专用”方向呢?

举例如下:

上述这些领域,都使用了嵌入式系统。这还只是冰山一角。

可以说,嵌入式系统完完全全地包围了我们,时刻影响着我们的工作和生活。

嵌入式系统,既然是一个计算机系统,那么肯定离不开硬件和软件。

一个嵌入式系统的典型架构如下:

注意,最重要的就是嵌入式操作系统和嵌入式微处理器。

从硬件角度来看,嵌入式系统就是以处理器(CPU)为核心,依靠总线(Bus)进行连接的多模块系统:

和个人 PC 是一样的方式

下面这张图,就是一个嵌入式系统的实物样例:

中间偏左上角,S3C2440,是 CPU,中间是 RAM,然后还有 ROM、网卡、串口、电源等等。可以看出,嵌入式系统麻雀虽小,五脏俱全。

什么是“单片机”?

嵌入式系统的核心,就是嵌入式处理器。嵌入式处理器一般分为以下几种典型类型:

嵌入式微控制器 MCU(Micro Control Unit)

MCU 内部集成 ROM/RAM、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串口、A/D、D/A、FLASH 等。典型代表是 8051、8096、C8051F 等。

嵌入式 DSP 处理器(Digital Signal Processor)

DSP 处理器专门用于信号处理,在系统结构和指令算法进行了特殊设计。在数字滤波、FFT、频谱分析中广泛应用。典型代表是 TI(德州仪器)公司的 TMS320C2000/C5000 系列。

嵌入式微处理器 MPU(Micro Processor Unit)

MPU 由通用处理器演变而来,具有较高的性能,拥有丰富的外围部件接口。典型代表是 AM186/88、386EX、SC-400、PowerPC、MIPS、ARM 系列等。

此外,还有嵌入式片上系统 SoC(System on Chip)和可编程片上系统 SoPC(System on a Programmable Chip)。

我们的单片机,就属于上述的第一种 ——MCU(嵌入式微控制器)

我们来详细介绍一下它。

单片机,又称为单片微控制器,英文叫 Single-Chip Microcomputer。

它其实就是一种集成电路芯片,是通过超大规模集成电路技术,将 CPU、RAM、ROM、输入输出和中断系统、定时器/计数器等功能,塞进一块硅片上,变成一个超小型的计算机。

这么说来,单片机不就是一个嵌入式系统?别急,我们往下看。

“单片机”其实是一种古老的叫法。以前半导体工艺技术不成熟,不同的功能无法做进一个芯片(Chip),所以会有多片机。现在半导体技术早已非常发达,所以不存在多片机。但是,“单片机”的叫法却一直延用至今。

很多高校老师喜欢强调单片机姓“单”,除了指单片机只是一个硅片之外,更多是指单片机的功能单一,它是完成运算、逻辑控制、通信等功能的单一模块。即便它性能再强大,功能依然是单一的。

单片机技术从上世纪 70 年代末诞生,早期的时候是 4 位,后来发展为 8 位,16 位,32 位。它真正崛起,是在 8 位时代。8 位单片机功能很强,被广泛应用于工业控制、仪器仪表、家电汽车等领域。

我们在研究单片机的时候,经常会听到两个词 ——51 单片机、STM32。我来介绍一下它们究竟是什么。

51 单片机,其实就是一系列单片机的统称。该系列单片机,兼容 Intel 8031 指令系统。它们的始祖,是 Intel(英特尔)的 8004 单片机。

注意,51 单片机并不全是英特尔公司的产品。包括 ATMEL(艾德梅尔)、Philips(飞利浦)、华邦、Dallas(达拉斯)、Siemens(西门子)、STC(国产宏晶)等公司,也有很多产品属于 51 单片机系列。

▲ ATMEL 公司的 51 单片机,AT89C51

▲ 这是一个 51 单片机的开发板,中间那个芯片才是 51 单片机

51 单片机曾经在很长时间里都是市面上最主流、应用最广泛的单片机,占据大量的市场份额。

51 单片机其实放在现在毫无技术优势,是一种很老的技术。之所以它的生命力顽强,除了它曾经很流行之外,还有一个原因,就是英特尔公司彻底开放了 51 内核的版权。

所以,无论任何单位或个人,都可以毫无顾忌地使用 51 单片机,不用付费,也不用担心版权风险。

此外,51 单片机拥有雄厚的存量基础和群众基础。很多老项目都是用的 51 单片机,出于成本的考虑,有时候只能继续沿用 51 单片机的技术进行升级。而且,很多老一辈的工程师,都精通 51 单片机开发技术。所以,51 单片机的生命力得以不断延续。

再来看看 STM32。

STM32,是意法半导体公司推出的基于 ARM Cortex-M 内核的通用型单片机。

▲ STM32 单片机

意法半导体(STMicroelectronics)是世界最大的半导体公司之一,于 1987 年 6 月成立,是由意大利的 SGS 微电子公司和法国 Thomson 半导体公司合并而成。1998 年 5 月,SGS-THOMSON Microelectronics 将公司名称改为意法半导体有限公司。

▲ 意法半导体 LOGO

ARM 公司以前小枣君给大家介绍过。它是目前全球做芯片设计最厉害的公司之一,利用手机芯片的快速发展而崛起,占有物联网市场极大的份额。

在单片机领域,ARM 的 Cortex-M 内核拥有压倒性的优势,已经成为绝对的主流。很多半导体公司都放弃了自己原先的架构,转做 ARM 架构的单片机。

STM32 单片机开发板

STM32 的硬件配置可以满足大部分的物联网开发需求,开发工具和相关的文档资料齐全,已经成为目前单片机学习的首选对象。

嵌入式和单片机的区别

说到这里,我们来看看,嵌入式和单片机的区别到底是什么。

从前文的介绍来看,嵌入式系统是一个大类,单片机是其中一个重要的子类。嵌入式系统像是一个完整的计算机,而单片机更像是一个没有外设的计算机。

以前单片机包括的东西并不算多,两者的硬件区别较为明显。但是,随着半导体技术的突飞猛进,现在各种硬件功能都能被做进单片机之中。所以,嵌入式系统和单片机之间的硬件区别越来越小,分界线也越来越模糊。

于是,人们倾向于在软件上进行区分。

从软件上,行业里经常把芯片中不带 MMU(memory management unit,内存管理单元)从而不支持虚拟地址,只能裸奔或运行 RTOS(实时操作系统,例如 ucos、华为 LiteOS、RT-Thread、freertos 等)的 system,叫做单片机(如 STM32、NXP LPC 系列、NXP imxRT1052 系列等)。

同时,把芯片自带 MMU 可以支持虚拟地址,能够跑 Linux、Vxworks、WinCE、Android 这样的“高级”操作系统的 system,叫做嵌入式。

在某些时候,单片机本身已经足够强大,可以作为嵌入式系统使用。它的成本更低,开发和维护的难度相对较小,尤其是针对一些针对性更强的应用。而嵌入式系统理论上性能更强,应用更广泛,但复杂度高,开发难度大。

嵌入式和单片机的学习价值

最后我们来说一说嵌入式和单片机的学习价值,到底有没有必要学习嵌入式和单片机。

最近这些年,有一句话被广泛传播,那就是 ——“软件为王”。人们普遍认为软件知识的价值远远大于硬件,而学习软件,从事软件方向,会更容易找到工作,找到更高收入、更有前途的工作。

而嵌入式和单片机,往往被归为“硬件”方向,遭人“嫌弃”。加上嵌入式和单片机的学习难度较大,学习周期很长,需要漫长的“煎熬”,所以越来越多的人放弃这条路。

小枣君认为这种想法是不正确的。

首先,嵌入式和单片机并不是纯“硬件”类方向。前面我也说了,它们是软件和硬件的紧密结合。

如果你想学好嵌入式和单片机,只懂数字电路和微机接口这样的硬件知识是不够的,你更需要学习的,是汇编、C/C++ 语言、数据结构和算法知识。

拥有软硬结合的能力,远远比单纯掌握某种程序开发语言更有价值。

其次,嵌入式和单片机拥有广泛的应用场景,在各个领域都有项目需求和人才需求。

根据权威部门统计,目前我们国家每年的嵌入式人才缺口高达 50 万。尤其是嵌入式软件开发,是未来几年最热门和最受欢迎的职业之一。具有 10 年工作经验的高级嵌入式工程师,年薪可以达到 30-50 万元左右。

而且我们国家现在正在大力发展芯片产业,也会带动嵌入式人才的就业,提升待遇。

随着 5G 的建设深入,整个社会正在向“万物互联”的方向发展。物联网技术也将迎来前所未有的历史机遇。嵌入式和单片机技术是物联网技术的重要组成部分,也将进入发展的快车道。

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