到底什么是嵌入式？什么是单片机？

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大家好，我是小枣君。


凡是从事计算机或电子信息相关领域工作的童鞋，一定都听说过嵌入式和单片机吧？


很多人应该知道，这两个名词和硬件系统有着非常密切的关系。一听到它们，就容易让人联想到插满芯片和针脚的电路板：


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，我还会给大家介绍一下，我们经常听说的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：


  • 个人通信与娱乐系统：手机、数码相机、音乐播放器、可穿戴电子产品、PSP游戏机
  • 家电类产品：数字电视、扫地机器人、智能家电
  • 办公自动化：打印机，复印机、传真机
  • 医疗电子类产品：生化分析仪、血液分析仪、CT
  • 网络通信类产品：通信类交换设备、网络设备 (交换机、路由器、网络安全)
  • 汽车电子类产品：引擎控制、安全系统、汽车导航与娱乐系统
  • 工业控制类产品：工控机、交互式终端 (POS、ATM)、安全监控、数据采集与传输、仪器仪表
  • 军事及航天类产品：无人机、雷达、作战机器人


嵌入式系统的应用领域

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）。而把芯片自带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的全面启动，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。


因此，尽管学习过程会比较艰辛，小枣君仍然建议有志青年关注这一赛道。技术越难，过程越苦，越有利于构建竞争壁垒。到了后期，个人价值可以得到进一步的体现。


好了，关于嵌入式和单片机的内容，小枣君今天就介绍到这里。如果觉得对你有帮助，欢迎点击右下角的“好看”，并转发。


谢谢大家啦！