到底什么是嵌入式？什么是單片機？
大家好，我是小棗君。
凡是從事計算機或電子信息相關(guān)領(lǐng)域工作的童鞋，一定都聽說過嵌入式和單片機吧？
很多人應(yīng)該知道，這兩個名詞和硬件系統(tǒng)有著非常密切的關(guān)系。一聽到它們，就容易讓人聯(lián)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(qū)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(jīng)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(tǒng)，英文叫作：embedded system。嵌入式開發(fā)，其實就是對嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。
IEEE（美國電氣和電子工程師協(xié)會）對嵌入式系統(tǒng)的定義是：“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機器和設(shè)備的裝置”。
國內(nèi)學(xué)術(shù)界的定義更為具體一些，也更容易理解：
嵌入式系統(tǒng)，是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)。
以應(yīng)用為中心，說明嵌入式系統(tǒng)是有明確實際用途的。以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，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(tǒng)，“專用”所對應(yīng)的，就是“通用”。我們常用的個人PC、筆記本電腦、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，可以用于多種用途，就是“通用計算機系統(tǒng)”。
嵌入式系統(tǒng)究竟具體應(yīng)用于哪些“專用”方向呢？
舉例如下：
- 個人通信與娛樂系統(tǒng)：手機、數(shù)碼相機、音樂播放器、可穿戴電子產(chǎn)品、PSP游戲機
- 家電類產(chǎn)品：數(shù)字電視、掃地機器人、智能家電
- 辦公自動化：打印機，復(fù)印機、傳真機
- 醫(yī)療電子類產(chǎn)品：生化分析儀、血液分析儀、CT
- 網(wǎng)絡(luò)通信類產(chǎn)品：通信類交換設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 (交換機、路由器、網(wǎng)絡(luò)安全)
- 汽車電子類產(chǎn)品：引擎控制、安全系統(tǒng)、汽車導(dǎo)航與娛樂系統(tǒng)
- 工業(yè)控制類產(chǎn)品：工控機、交互式終端 (POS、ATM)、安全監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集與傳輸、儀器儀表
- 軍事及航天類產(chǎn)品：無人機、雷達(dá)、作戰(zhàn)機器人
嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域
上述這些領(lǐng)域，都使用了嵌入式系統(tǒng)。這還只是冰山一角。
可以說，嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)，既然是一個計算機系統(tǒng)，那么肯定離不開硬件和軟件。
一個嵌入式系統(tǒng)的典型架構(gòu)如下：
注意，最重要的就是嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式微處理器。
從硬件角度來看，嵌入式系統(tǒng)就是以處理器（CPU）為核心，依靠總線（Bus）進(jìn)行連接的多模塊系統(tǒng)：
和個人PC是一樣的方式
下面這張圖，就是一個嵌入式系統(tǒng)的實物樣例：
中間偏左上角，S3C2440，是CPU，中間是RAM，然后還有ROM、網(wǎng)卡、串口、電源等等?？梢钥闯?，嵌入式系統(tǒng)麻雀雖小，五臟俱全。
什么是單片機
嵌入式系統(tǒng)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(nèi)部集成ROM/RAM、總線邏輯、定時/計數(shù)器、看門狗、I/O、串口、A/D、D/A、FLASH等。典型代表是8051、8096、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(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法進(jìn)行了特殊設(shè)計。在數(shù)字濾波、FFT、頻譜分析中廣泛應(yīng)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、PowerPC、MIPS、ARM系列等。
此外，還有嵌入式片上系統(tǒng)SoC（System on Chip）和可編程片上系統(tǒng)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(xì)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(guī)模集成電路技術(shù)，將CPU、RAM、ROM、輸入輸出和中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器等功能，塞進(jìn)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(tǒng)？別急，我們往下看。
“單片機”其實是一種古老的叫法。以前半導(dǎo)體工藝技術(shù)不成熟，不同的功能無法做進(jìn)一個芯片（Chip），所以會有多片機。現(xiàn)在半導(dǎo)體技術(shù)早已非常發(fā)達(dá)，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(diào)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(shù)從上世紀(jì)70年代末誕生，早期的時候是4位，后來發(fā)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(yīng)用于工業(yè)控制、儀器儀表、家電汽車等領(lǐng)域。
我們在研究單片機的時候，經(jīng)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(tǒng)稱。該系列單片機，兼容Intel 8031指令系統(tǒng)。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(chǎn)品。包括ATMEL（艾德梅爾）、Philips（飛利浦）、華邦、Dallas（達(dá)拉斯）、Siemens（西門子）、STC（國產(chǎn)宏晶）等公司，也有很多產(chǎn)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(fā)板，中間那個芯片才是51單片機
51單片機曾經(jīng)在很長時間里都是市面上最主流、應(yīng)用最廣泛的單片機，占據(jù)大量的市場份額。
51單片機其實放在現(xiàn)在毫無技術(shù)優(yōu)勢，是一種很老的技術(shù)。之所以它的生命力頑強，除了它曾經(jīng)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(nèi)核的版權(quán)。
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(dān)心版權(quán)風(fēng)險。
此外，51單片機擁有雄厚的存量基礎(chǔ)和群眾基礎(chǔ)。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(xù)沿用51單片機的技術(shù)進(jìn)行升級。而且，很多老一輩的工程師，都精通51單片機開發(fā)技術(shù)。所以，51單片機的生命力得以不斷延續(xù)。
再來看看STM32。
STM32，是意法半導(dǎo)體公司推出的基于ARM Cortex-M內(nèi)核的通用型單片機。
STM32單片機
意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）是世界最大的半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體有限公司。
意法半導(dǎo)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(shè)計最厲害的公司之一，利用手機芯片的快速發(fā)展而崛起，占有物聯(lián)網(wǎng)市場極大的份額。
在單片機領(lǐng)域，ARM的Cortex-M內(nèi)核擁有壓倒性的優(yōu)勢，已經(jīng)成為絕對的主流。很多半導(dǎo)體公司都放棄了自己原先的架構(gòu)，轉(zhuǎn)做ARM架構(gòu)的單片機。
STM32單片機開發(fā)板
STM32的硬件配置可以滿足大部分的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)需求，開發(fā)工具和相關(guān)的文檔資料齊全，已經(jīng)成為目前單片機學(xué)習(xí)的首選對象。
嵌入式和單片機的區(qū)別
說到這里，我們來看看，嵌入式和單片機的區(qū)別到底是什么。
從前文的介紹來看，嵌入式系統(tǒng)是一個大類，單片機是其中一個重要的子類。嵌入式系統(tǒng)像是一個完整的計算機，而單片機更像是一個沒有外設(shè)的計算機。
以前單片機包括的東西并不算多，兩者的硬件區(qū)別較為明顯。但是，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的突飛猛進(jìn)，現(xiàn)在各種硬件功能都能被做進(jìn)單片機之中。所以，嵌入式系統(tǒng)和單片機之間的硬件區(qū)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(jìn)行區(qū)分。
從軟件上，行業(yè)里經(jīng)常把芯片中不帶MMU（memory management unit，內(nèi)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(tǒng)，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(tǒng)的system，叫做嵌入式。
在某些時候，單片機本身已經(jīng)足夠強大，可以作為嵌入式系統(tǒng)使用。它的成本更低，開發(fā)和維護(hù)的難度相對較小，尤其是針對一些針對性更強的應(yīng)用。而嵌入式系統(tǒng)理論上性能更強，應(yīng)用更廣泛，但復(fù)雜度高，開發(fā)難度大。
嵌入式和單片機的學(xué)習(xí)價值
最后我們來說一說嵌入式和單片機的學(xué)習(xí)價值，到底有沒有必要學(xué)習(xí)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(rèn)為軟件知識的價值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于硬件，而學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)難度較大，學(xué)習(xí)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(rèn)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(jié)合。
如果你想學(xué)好嵌入式和單片機，只懂?dāng)?shù)字電路和微機接口這樣的硬件知識是不夠的，你更需要學(xué)習(xí)的，是匯編、C/C++語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法知識。
擁有軟硬結(jié)合的能力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比單純掌握某種程序開發(fā)語言更有價值。
其次，嵌入式和單片機擁有廣泛的應(yīng)用場景，在各個領(lǐng)域都有項目需求和人才需求。
根據(jù)權(quán)威部門統(tǒng)計，目前我們國家每年的嵌入式人才缺口高達(dá)50萬。尤其是嵌入式軟件開發(fā)，是未來幾年最熱門和最受歡迎的職業(yè)之一。具有10年工作經(jīng)驗的高級嵌入式工程師，年薪可以達(dá)到30-50萬元左右。
而且我們國家現(xiàn)在正在大力發(fā)展芯片產(chǎn)業(yè)，也會帶動嵌入式人才的就業(yè)，提升待遇。
隨著5G的全面啟動，整個社會正在向“萬物互聯(lián)”的方向發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也將迎來前所未有的歷史機遇。嵌入式和單片機技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要組成部分，也將進(jìn)入發(fā)展的快車道。
因此，盡管學(xué)習(xí)過程會比較艱辛，小棗君仍然建議有志青年關(guān)注這一賽道。技術(shù)越難，過程越苦，越有利于構(gòu)建競爭壁壘。到了后期，個人價值可以得到進(jìn)一步的體現(xiàn)。
好了，關(guān)于嵌入式和單片機的內(nèi)容，小棗君今天就介紹到這里。
謝謝大家啦！
