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嵌入式硬件工程师，从单片机最小系统学起
前言 此文献给那些刚刚踏上嵌入式之路的朋友们，在此我简要的记录了我的学习经历和其间自己所获的一些心得，希望能帮助初学者少走弯路。 上图就是我工作学习过的实验室一角，看起来杂乱不堪，摆满了各种电子元器件与工具。 曾经的工作团队有四个人，其一是拥有11年工作经验且已拥有自己专利的高级工程师，一个是拥有5年经验、热心肠的工程师，还有两个分别是电源和视频方面的专家。 在这里耳濡目染，渐渐的对硬件发生了浓厚的兴趣。单片机 从单片机，FPGA、SOPC硬件的搭建以及软件编程，以及现在正在努力研究的ARM，我是凭着无限的热情来做的。 实验室提供了便捷的学习环境，这里有现成的winbond 51单片机、有伟福仿真器、advanced labtool 48uxp万能编程器，一台12万的示波器。自己买了个万能板，学习阶段时，找本书就能在上边进行试验了。 从简单的led闪烁开始，后来接触到数码管显示、pwm到中断、串口通信（单片机与单片机通信，单片机与pc通信）、I2Ceeprom读写、A/D转换、温度测量等。一个个试验，从资料查找、程序编写、调试直到问题的解决，收获了满满的成就感。FPGA 刚进实验室的时候，得到了一块Altera公司的nios ep1c20 cyclone系列开发板，当时是以大学计划的名义买的，5000元人民币。于是就开始了我FPGA学习之路。之前学习过verilog，只停留在纯粹的理论阶段，编几个小小的程序，用quartus-ii自带的仿真软件进行一下仿真就ok了。 用仿真软件进行仿真，往往能够得出你所想要的结果，但是一旦下载到芯片里边运行，问题就会接踵而至。万事开头难，我做的第一个实验是点亮led，自己编写程序（几行而已）、编译、引脚分配、仿真、然后就用jtag下载线连接开发板和pc，将sof文件下载到芯片。现在想起来这是多么简单的几个步骤，但是对于当时的我来说，花费了相当的时间和精力来查找资料和埋头反复实验。特别是引脚的分配，文档上只说需要这么做，那为什么要这么做呢？当时没有过多的想法，只想看到实验的结果，有了结果我就有了无限的成就感和高涨的热情，所以当经过努力，第一个FPGA实验里的led终于按照意图动作的时候，那种激动与当初学习单片机时得以实现led闪烁的情形如出一辙。 我做实验的一个惯例同时也是一个经验就是边做实验边看书，在实验中发现问题，遇到不懂的问题或者原理在查找相关的文档。抱着这种热情，后来一点一点地深入学习FPGA，一些常规逻辑电路的设计，包括逻辑门电路、数据选择器、编译码器、加减乘除运算器、移位器，到后来的稍微复杂的电路设计，如FIFO、数字跑表、频率计、状态机、交通等的控制、卡式电话计费系统以及UART等。 这些试验当时我都是采用的verilog语言实现的。初接触FPGA时本想学VHDL，那时的同学都用verilog，为了与他们讨论问题的方便，就改学verilog了。一学不打紧，慢慢发现自己深深地爱上了verilog，对于我来说，它无疑更适合我。这也是我要推荐的一个经验，那就是多看看你周围的人用的是什么工具，他们用的工具往往不是你最喜欢的或者不是当前最广泛最流行的，但你若要和他们交流讨论问题，那还是迁就一下，和别人所用工具一样，交流起来也会顺畅方便。 到实验室后，因为实验室的员工都用伟福的仿真器，所以软件当然还是用伟福提供的。伟福的软件我认为不怎么好，只支持汇编，比起大名鼎鼎的keil c51逊了一大截，但除非你想等到自己有问题不会的时候周边竟没有人帮助你，不然在前期还是选择伟福的软件方便沟通。 再后来，经过自己的摸索和向身边的工程师们请教，伟福用很熟悉了，汇编也有了自己的一套，这时候我开始在伟福里边嵌入keil，用c语言来写程序。再后来我就下载了keil c51软件，从此以后便正式地在keil的开发界面下写程序了。当然仿真的时候也可以在keil环境下用伟福仿真器，我想伟福在制造自己产品的时候就已经考虑到这点了，他们的一些产品肯定要考虑兼容主流软件keil的。用了keil C51后就不想用伟福编译软件了，同样的用了c写程序后，就不想用汇编了。但是汇编是每一个硬件研发工程师们必备的，汇编有c不可企及之处，但有时候还非用汇编不可。汇编的运行效率高，写起来很是烦琐，但是在某些特定的时刻，汇编还是发挥了它不可替代的作用。比如在将usoc移植到单片机的时候，与处理器相关的程序还真是必须用汇编来完成的。SOPC 再后来，学习sopc。从最小系统硬件平台的搭建，到简单的led闪烁程序的编写，到sof文件在芯片上跑起来，看着led的亮与灭，心中热情澎湃。 与前边学习单片机、FPGA一样，第一个实验还是led闪烁，然后慢慢的转向一些比较复杂的功能设计上去，也无非是实现以前用verilog实现过的一些功能。两者的区别是：一种完全用verilog语言来实现全部功能;一种需要先用sopc builder搭建硬件系统，然后在nios ide中进行软件的编程。这两种方法都能够实现需要的功能，但是后者更方便快捷，因为在这种方法里，我们使用的是“拿来主义”，IP核已经实现了我们的功能，要做的仅仅是去利用它而已。 在此期间本人比较欣赏Altera公司推出的可编程片上系统即sopc，它解放了我们搭建硬件系统的烦琐，仅仅需要按照需求在系统里边加上自己的IP核和一些必须的外设。Altera公司或者其他的第三方公司已经为我们提供了性能和功能很完善的IP核，我们所要做的只是将这些IP核加入到我们的系统里完成我们需要的功能。硬件系统完成后，需要在Altera公司提供的nios IDE环境下对硬件系统进行软件编程，在这里，完全用c语言来完成所需要的功能。UCOS 再后来学习ucos嵌入式操作系统，主要是运用在FPGA里面。nios已经为使用者移植好了，不需要修改任何文件。在nios用户界面里进行一些相应的设置就可以使用了。Altera公司为我们提供的模板里边有几个很好的例子，任务管理、信号量、邮箱传递、事件标志、时间管理等提供了很好的模板，我们需要做的是认真的阅读，研究它，必要的话对模板进行一些改写来完成自己的功能，这是模仿的更高境界了，把他的一些东西进行吸收转化成为自己的东西，我想这是一个硬件爱好者和初学者非常乐于做的事情。后记 其实，在进行FPGA学习的时候，我遇到过试验没有进展、心情沮丧的时候。那时对底层硬件一无所知，连对基本的原理图也看不太懂，更别说程序在开发板上是怎么运行的了。每天感受不到一点进步，真是很漫长难熬的日子。 一次，我和办公室的一个热心肠的工程师聊天，谈到了我的困惑，他建议我先学习单片机，自己搭建硬件平台，从最小系统做起。学习方面的问题他总是很耐心地帮助解答，让我受益匪浅，我很庆幸能够在这种环境当中学习。 遇到问题的时候，感觉事情没法进展下去的时候，不妨换一种方式，与周边的人聊聊，或许会有改变。
关键词： 嵌入式 硬件 工程师
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