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