到底什么是嵌入式？什么是單片機(jī)？

大家好，我是小棗君。

凡是從事計(jì)算機(jī)或電子信息相關(guān)領(lǐng)域工作的童鞋，一定都聽說(shuō)過(guò)嵌入式和單片機(jī)吧？

很多人應(yīng)該知道，這兩個(gè)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(jī)，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(gè)入門科普，揭秘上述問題的答案。與此同時(shí)，我還會(huì)給大家介紹一下，我們經(jīng)常聽說(shuō)的51、STM32，究竟是什么。

什么是嵌入式

首先，我們來(lái)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(shí)就是對(duì)嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。

IEEE（美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）對(duì)嵌入式系統(tǒng)的定義是：“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置”。

國(guó)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(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪，適用于對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

以應(yīng)用為中心，說(shuō)明嵌入式系統(tǒng)是有明確實(shí)際用途的。以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，說(shuō)明它其實(shí)就是一種特殊的計(jì)算機(jī)。軟硬件可裁剪，說(shuō)明它有很強(qiáng)的靈活性和可定制能力。

專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，“專用”所對(duì)應(yīng)的，就是“通用”。我們常用的個(gè)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(jì)算機(jī)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(gè)人通信與娛樂系統(tǒng)：手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、音樂播放器、可穿戴電子產(chǎn)品、PSP游戲機(jī)
• 家電類產(chǎn)品：數(shù)字電視、掃地機(jī)器人、智能家電
• 辦公自動(dòng)化：打印機(jī)，復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)
• 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(jī)、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(jī)、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(wú)人機(jī)、雷達(dá)、作戰(zhàn)機(jī)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(shuō)，嵌入式系統(tǒng)完完全全地包圍了我們，時(shí)刻影響著我們的工作和生活。

嵌入式系統(tǒng)，既然是一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，那么肯定離不開硬件和軟件。

一個(gè)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(lái)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(gè)人PC是一樣的方式

下面這張圖，就是一個(gè)嵌入式系統(tǒng)的實(shí)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。可以看出，嵌入式系統(tǒng)麻雀雖小，五臟俱全。

什么是單片機(jī)

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(shí)/計(jì)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(hào)處理，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)。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(lái)，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(jī)，就屬于上述的第一種——MCU（嵌入式微控制器）。

我們來(lái)詳細(xì)介紹一下它。

單片機(jī)，又稱為單片微控制器，英文叫Single-Chip Microcomputer。

它其實(shí)就是一種集成電路芯片，是通過(guò)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(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能，塞進(jìn)一塊硅片上，變成一個(gè)超小型的計(jì)算機(jī)。

這么說(shuō)來(lái)，單片機(jī)不就是一個(gè)嵌入式系統(tǒng)？別急，我們往下看。

“單片機(jī)”其實(shí)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(wú)法做進(jìn)一個(gè)芯片（Chip），所以會(huì)有多片機(jī)。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(jī)。但是，“單片機(jī)”的叫法卻一直延用至今。

很多高校老師喜歡強(qiáng)調(diào)單片機(jī)姓“單”，除了指單片機(jī)只是一個(gè)硅片之外，更多是指單片機(jī)的功能單一，它是完成運(yùn)算、邏輯控制、通信等功能的單一模塊。即便它性能再?gòu)?qiáng)大，功能依然是單一的。

單片機(jī)技術(shù)從上世紀(jì)70年代末誕生，早期的時(shí)候是4位，后來(lái)發(fā)展為8位，16位，32位。它真正崛起，是在8位時(shí)代。8位單片機(jī)功能很強(qiáng)，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?cè)谘芯繂纹瑱C(jī)的時(shí)候，經(jīng)常會(huì)聽到兩個(gè)詞——51單片機(jī)、STM32。我來(lái)介紹一下它們究竟是什么。

51單片機(jī)，其實(shí)就是一系列單片機(jī)的統(tǒng)稱。該系列單片機(jī)，兼容Intel 8031指令系統(tǒng)。它們的始祖，是Intel（英特爾）的8004單片機(jī)。

注意，51單片機(jī)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(guó)產(chǎn)宏晶）等公司，也有很多產(chǎn)品屬于51單片機(jī)系列。

ATMEL公司的51單片機(jī)，AT89C51

這是一個(gè)51單片機(jī)的開發(fā)板，中間那個(gè)芯片才是51單片機(jī)

51單片機(jī)曾經(jīng)在很長(zhǎng)時(shí)間里都是市面上最主流、應(yīng)用最廣泛的單片機(jī)，占據(jù)大量的市場(chǎng)份額。

51單片機(jī)其實(shí)放在現(xiàn)在毫無(wú)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是一種很老的技術(shù)。之所以它的生命力頑強(qiáng)，除了它曾經(jīng)很流行之外，還有一個(gè)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(wú)論任何單位或個(gè)人，都可以毫無(wú)顧忌地使用51單片機(jī)，不用付費(fèi)，也不用擔(dān)心版權(quán)風(fēng)險(xiǎn)。

此外，51單片機(jī)擁有雄厚的存量基礎(chǔ)和群眾基礎(chǔ)。很多老項(xiàng)目都是用的51單片機(jī)，出于成本的考慮，有時(shí)候只能繼續(xù)沿用51單片機(jī)的技術(shù)進(jìn)行升級(jí)。而且，很多老一輩的工程師，都精通51單片機(jī)開發(fā)技術(shù)。所以，51單片機(jī)的生命力得以不斷延續(xù)。

再來(lái)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(jī)。

STM32單片機(jī)

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(guó)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(guò)。它是目前全球做芯片設(shè)計(jì)最厲害的公司之一，利用手機(jī)芯片的快速發(fā)展而崛起，占有物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)極大的份額。

在單片機(jī)領(lǐng)域，ARM的Cortex-M內(nèi)核擁有壓倒性的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為絕對(duì)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(jī)。

STM32單片機(jī)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(jī)學(xué)習(xí)的首選對(duì)象。

嵌入式和單片機(jī)的區(qū)別

說(shuō)到這里，我們來(lái)看看，嵌入式和單片機(jī)的區(qū)別到底是什么。

從前文的介紹來(lái)看，嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)大類，單片機(jī)是其中一個(gè)重要的子類。嵌入式系統(tǒng)像是一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)，而單片機(jī)更像是一個(gè)沒有外設(shè)的計(jì)算機(jī)。

以前單片機(jī)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(jī)之中。所以，嵌入式系統(tǒng)和單片機(jī)之間的硬件區(qū)別越來(lái)越小，分界線也越來(lái)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(yùn)行RTOS（實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，例如ucos、華為L(zhǎng)iteOS、RT-Thread、freertos等）的system，叫做單片機(jī)（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(jí)”操作系統(tǒng)的system，叫做嵌入式。

在某些時(shí)候，單片機(jī)本身已經(jīng)足夠強(qiáng)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(duì)較小，尤其是針對(duì)一些針對(duì)性更強(qiáng)的應(yīng)用。而嵌入式系統(tǒng)理論上性能更強(qiáng)，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(jī)的學(xué)習(xí)價(jià)值

最后我們來(lái)說(shuō)一說(shuō)嵌入式和單片機(jī)的學(xué)習(xí)價(jià)值，到底有沒有必要學(xué)習(xí)嵌入式和單片機(jī)。

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(shí)的價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于硬件，而學(xué)習(xí)軟件，從事軟件方向，會(huì)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(jī)，往往被歸為“硬件”方向，遭人“嫌棄”。加上嵌入式和單片機(jī)的學(xué)習(xí)難度較大，學(xué)習(xí)周期很長(zhǎng)，需要漫長(zhǎng)的“煎熬”，所以越來(lái)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(jī)并不是純“硬件”類方向。前面我也說(shuō)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(jī)，只懂?dāng)?shù)字電路和微機(jī)接口這樣的硬件知識(shí)是不夠的，你更需要學(xué)習(xí)的，是匯編、C/C++語(yǔ)言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法知識(shí)。

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(yǔ)言更有價(jià)值。

其次，嵌入式和單片機(jī)擁有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，在各個(gè)領(lǐng)域都有項(xiàng)目需求和人才需求。

根據(jù)權(quán)威部門統(tǒng)計(jì)，目前我們國(guó)家每年的嵌入式人才缺口高達(dá)50萬(wàn)。尤其是嵌入式軟件開發(fā)，是未來(lái)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(yàn)的高級(jí)嵌入式工程師，年薪可以達(dá)到30-50萬(wàn)元左右。

而且我們國(guó)家現(xiàn)在正在大力發(fā)展芯片產(chǎn)業(yè)，也會(huì)帶動(dòng)嵌入式人才的就業(yè)，提升待遇。

隨著5G的全面啟動(dòng)，整個(gè)社會(huì)正在向“萬(wàn)物互聯(lián)”的方向發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也將迎來(lái)前所未有的歷史機(jī)遇。嵌入式和單片機(jī)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(guò)程會(huì)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(guò)程越苦，越有利于構(gòu)建競(jìng)爭(zhēng)壁壘。到了后期，個(gè)人價(jià)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(jī)的內(nèi)容，小棗君今天就介紹到這里。

謝謝大家啦！