什么是嵌入式編程？如何入門和提高？
時間：2024-05-15 來源：華清遠見
要學習嵌入式編程，先來了解下什么是嵌入式？嵌入式，又為嵌入式系統?（Embedded System），是一種專用的計算機系統，以應用為中心，基于計算機技術，軟硬件可裁剪以適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積和功耗等方面嚴格要求的專用計算機系統。用于控制、監視或輔助操作機器和設備的裝置。它通常作為某個裝置或設備的一部分存在，其核心部分是一個控制程序存儲在ROM中的嵌入式處理器控制板。所有帶有數字接口的設備，如手表、微波爐、錄像機、汽車等，都使用了嵌入式系統。其應用領域廣泛涉及IT、通信、軍工、工業控制、汽車電子等多個行業。從結構上看，嵌入式系統由硬件和軟件兩大部分組成：
硬件包括信號處理器、存儲器、通信模塊等在內的多方面內容；而軟件則主要涵蓋軟件運行環境及其操作系統。不過與一般計算機處理系統相比，嵌入式系統在存儲功能上存在較大差異性，因其沒有匹配的大容量介質，多采用E-PROM、EEPROM等作為存儲介質。
軟件研發還分為驅動研發和應用研發兩個領域。其中，API編程接口在開發中扮演著重要角色。有些復雜的嵌入式系統中還會包含操作系統，但大多數都是由單個程序來實現整個控制邏輯。
而嵌入式編程是一種針對嵌入式系統的軟件開發，這種編程涉及在嵌入式系統中設計和開發軟件，包括編寫底層驅動程序、操作系統、應用程序和算法等。
嵌入式系統是其他設備的一部分，集成了處理器、存儲器、輸入/輸出接口和其他硬件組件，并通過特定的軟件來控制和管理這些硬件資源。由于嵌入式系統通常具有固定的功能和任務，如家用電器、汽車、醫療設備、智能手表和智能手機等，因此嵌入式編程需要對硬件和軟件的相互作用有深入理解，并進行相應的開發和調試。
嵌入式編程通常使用低級語言，如匯編語言、C語言和C++語言，這些語言提供了對硬件的直接訪問能力，有助于優化程序的性能和資源利用。此外，嵌入式系統編程還涉及對系統結構的裁剪，以適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積和功耗的要求。隨著技術的發展，嵌入式系統的編程環境也在不斷進步，從無操作系統階段發展到使用簡單的操作系統，再到支持實時操作的系統，以及最終與互聯網完美結合的階段。
那么如何學習嵌入式編程呢？對于初學者而言，可以先從面向過程的C編程語言入手，建議從以下幾點學習：
學習C語言是一個系統化的過程，以下是一些基本的步驟和建議：
1. 理解基礎概念：首先，了解編程的基本概念，比如變量常量、數據類型、指針、控制結構（順序語句、分支語句、循環語句）、函數等；讓初學者對于計算機編程有初步認識，具備基本的編程思維和解決問題的能力，使得成為一名真正的程序員；C語言被認為是一種中級語言，因為結合了高級和低級編程語言的特點。它的語法與其他編程語言如Java、C++和Python相似，使程序員更容易學習和使用。C語言執行速度快，效率高，內存占用小，是開發需要高性能的應用程序的理想選擇。而嵌入式設備中的內存容量剛好比較小，適合采用C語言進行開發。此外C語言也是一種可移植的語言，這意味著C語言程序可以很容易地移植到不同的平臺上，而不需要進行大量修改。C編程語言也有豐富的庫，這使得程序員很容易開發復雜的應用程序。
2. 選擇合適的教材：可以是書籍，也可以是在線教程。一些經典的C語言書籍包括《C程序設計語言》（K&R）和《C Primer Plus》。
3. 實踐編程：理論學習之后，通過編寫簡單的程序來實踐所學知識。從“Hello, World!”程序開始熟悉編程過程，逐步增加難度，完成一些小游戲制作，如2048項目、五子棋、掃雷等等。
4. 使用開發環境：熟悉一個集成開發環境（IDE），如Visual Studio Code、Eclipse或者Code::Blocks，它們可以提供代碼編輯、編譯、調試等功能。
5. 學習標準庫：C語言有一個強大的標準庫，包括字符串處理、數學函數、文件操作等，這些都是編程中常用的功能。
6. 解決實際問題：嘗試解決一些實際問題，比如數據結構的實現、算法的編寫等，數據結構也是提升C語言能力的一門重要學科，能夠學習棧、隊列、樹、圖等數據結構深入理解解決問題的最優算法，這樣可以加深對C語言的理解。畢竟是眾多前輩所總結下來的知識，原本10行的代碼可以3行解決；代碼優化度越好，更節省CPU資源，更能體現出一名程序員的技術能力。
7. 閱讀別人的代碼：通過閱讀和分析其他人的代碼，可以學習到不同的編程風格和最佳實踐。
8. 加入社區：參與編程社區，如Stack Overflow、GitHub或者Reddit上的C語言相關論壇，可以幫助你解決遇到的問題，也可以讓你了解行業的最新動態。
9. 持續學習：編程是一個不斷學習的過程，隨著技術的發展，總會有新的工具和最佳實踐出現。
10. 構建項目：嘗試構建一個完整的項目，這樣可以綜合運用你所學的知識，并且提高解決復雜問題的能力。
11. 調試和測試：學習如何使用調試工具來找出和修復程序中的錯誤，同時學習編寫測試用例來驗證程序的正確性。
12. 理解指針和內存管理：C語言中指針的使用非常關鍵，同時也是C語言與其他高級語言相比的一個顯著特點。
13. 遵守編碼規范：養成良好的編碼習慣，比如變量命名、代碼注釋等，這有助于提高代碼的可讀性和可維護性。
14. 參加在線課程或線下課程：有許多提供C語言的課程，這些課程通常由經驗豐富的講師授課，并且提供實踐練習。
15. 參加編程競賽：參加編程競賽可以提高你的編程技能，并且讓你在壓力下工作，這對于提高編程能力非常有幫助。
學習編程是一個逐步積累的過程，不要急于求成，要有耐心和毅力。
學好C語言正是嵌入式編程的基礎，掌握了軟件編程基礎之后，對于嵌入式編程的難點就在于單片機開發了；單片機的編程就是通過軟件編程控制硬件中的寄存器操作，實現硬件控制。對于初級嵌入式開發者而言，不需要熟悉太多的電路知識，掌握基本電路元器件的工作原理，如二極管、三極管、電阻、電容、場效應管、與或非邏輯門等等，基本上就可以實現簡單的軟硬件結合開發了。
要提升嵌入式編程的能力，可以從以下幾點學習：
1. 理解硬件：熟悉你正在編程的硬件平臺，包括微控制器、處理器、內存、輸入/輸出設備等基礎理論與應用。
2. 學習基本原理：掌握嵌入式系統的基本原理，包括中斷、并發、實時操作、低功耗設計等。
3. 實踐編程：通過實際編寫和測試代碼來提高技能。從簡單的LED閃爍程序開始，逐步過渡到更復雜的項目，如定時器PWM應用、串口、IIC、SPI、CAN、WIFI、MQTT等多種通信協議。
4. 使用開發工具：熟練掌握嵌入式開發工具，如編譯器、調試器、仿真器和實時操作系統（RTOS）。
5. 閱讀數據手冊：仔細閱讀你所使用的微控制器或其他硬件的數據手冊，了解其特性和編程接口。
6. 學習低級編程：嵌入式編程常常需要直接與硬件交互，因此學習如何進行低級編程，如結構體、枚舉類型、指針操作、位操作、內存映射I/O等。
7. 掌握C/C++：大多數嵌入式系統使用C或C++編程語言，因此深入學習這兩種語言是非常重要的。
8. 理解操作系統：學習嵌入式操作系統（如FreeRTOS, VxWorks, Zephyr等）的工作原理和使用。
9. 網絡編程：嵌入式設備越來越多地連接到網絡，因此學習TCP/IP、UDP、HTTP等網絡協議是必要的。
10. 關注安全性：了解嵌入式系統的安全問題，學習如何編寫安全的代碼以保護系統免受攻擊。
11. 參加在線課程和研討會：參加相關的在線課程和研討會，這些課程通常由經驗豐富的講師授課，并且提供實踐練習。
12. 加入社區：加入嵌入式編程社區，如論壇、郵件列表或社交媒體群組，與其他開發者交流經驗和最佳實踐。
13. 閱讀相關書籍：閱讀關于嵌入式系統設計和編程的書籍，以獲得更深入的理解。
14. 構建項目：通過構建完整的嵌入式項目來綜合運用所學知識，解決實際問題。
15. 性能優化：學習如何優化代碼以提高性能，包括減少內存使用、提高處理速度等。
16. 調試技巧：掌握嵌入式系統的調試技巧，包括使用調試器、日志記錄和性能分析工具。
17. 參加競賽和挑戰：參加編程競賽或黑客馬拉松，這些活動可以提供實踐機會并激發創新思維。
18. 持續學習：技術不斷發展，持續學習新的工具、技術和最佳實踐是非常重要的。
19. 代碼復審：通過代碼復審來提高代碼質量，同時也能從他人的代碼中學習。
20. 模擬和仿真：使用模擬和仿真工具來測試你的嵌入式系統，這可以在實際硬件之前發現問題。
通過以上的這些方法，可以逐步提高個人的嵌入式編程技能，并成為一名更優秀的嵌入式系統開發者。
