到底什么是嵌入式？什么是單片機？

大家好，我是小棗君。

凡是從事計算機或電子信息相關領域工作的童鞋，一定都聽說過嵌入式和單片機吧？

很多人應該知道，這兩個名詞和硬件系統有著非常密切的關系。一聽到它們，就容易讓人聯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，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入門科普，揭秘上述問題的答案。與此同時，我還會給大家介紹一下，我們經常聽說的51、STM32，究竟是什么。

什么是嵌入式

首先，我們來看看什么是嵌入式。

嵌入式，一般是指嵌入式系統，英文叫作：embedded system。嵌入式開發(fā)，其實就是對嵌入式系統的開發(fā)。

IEEE（美國電氣和電子工程師協會）對嵌入式系統的定義是：“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機器和設備的裝置”。

國內學術界的定義更為具體一些，也更容易理解：

嵌入式系統，是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟件硬件可裁剪，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統。

以應用為中心，說明嵌入式系統是有明確實際用途的。以計算機技術為基礎，說明它其實就是一種特殊的計算機。軟硬件可裁剪，說明它有很強的靈活性和可定制能力。

專用計算機系統，“專用”所對應的，就是“通用”。我們常用的個人PC、筆記本電腦、數據中心服務器，可以用于多種用途，就是“通用計算機系統”。

嵌入式系統究竟具體應用于哪些“專用”方向呢？

舉例如下：

• 個人通信與娛樂系統：手機、數碼相機、音樂播放器、可穿戴電子產品、PSP游戲機
• 家電類產品：數字電視、掃地機器人、智能家電
• 辦公自動化：打印機，復印機、傳真機
• 醫(yī)療電子類產品：生化分析儀、血液分析儀、CT
• 網絡通信類產品：通信類交換設備、網絡設備 (交換機、路由器、網絡安全)
• 汽車電子類產品：引擎控制、安全系統、汽車導航與娛樂系統
• 工業(yè)控制類產品：工控機、交互式終端 (POS、ATM)、安全監(jiān)控、數據采集與傳輸、儀器儀表
• 軍事及航天類產品：無人機、雷達、作戰(zhàn)機器人

嵌入式系統的應用領域

上述這些領域，都使用了嵌入式系統。這還只是冰山一角。

可以說，嵌入式系統完完全全地包圍了我們，時刻影響著我們的工作和生活。

嵌入式系統，既然是一個計算機系統，那么肯定離不開硬件和軟件。

一個嵌入式系統的典型架構如下：

注意，最重要的就是嵌入式操作系統和嵌入式微處理器。

從硬件角度來看，嵌入式系統就是以處理器（CPU）為核心，依靠總線（Bus）進行連接的多模塊系統：

和個人PC是一樣的方式

下面這張圖，就是一個嵌入式系統的實物樣例：

中間偏左上角，S3C2440，是CPU，中間是RAM，然后還有ROM、網卡、串口、電源等等?？梢钥闯?，嵌入式系統麻雀雖小，五臟俱全。

什么是單片機

嵌入式系統的核心，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內部集成ROM/RAM、總線邏輯、定時/計數器、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處理，在系統結構和指令算法進行了特殊設計。在數字濾波、FFT、頻譜分析中廣泛應用。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，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SoC（System on Chip）和可編程片上系統SoPC（System on a Programmable Chip）。

我們的單片機，就屬于上述的第一種——MCU（嵌入式微控制器）。

我們來詳細介紹一下它。

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

它其實就是一種集成電路芯片，是通過超大規(guī)模集成電路技術，將CPU、RAM、ROM、輸入輸出和中斷系統、定時器/計數器等功能，塞進一塊硅片上，變成一個超小型的計算機。

這么說來，單片機不就是一個嵌入式系統？別急，我們往下看。

“單片機”其實是一種古老的叫法。以前半導體工藝技術不成熟，不同的功能無法做進一個芯片（Chip），所以會有多片機?，F在半導體技術早已非常發(fā)達，所以不存在多片機。但是，“單片機”的叫法卻一直延用至今。

很多高校老師喜歡強調單片機姓“單”，除了指單片機只是一個硅片之外，更多是指單片機的功能單一，它是完成運算、邏輯控制、通信等功能的單一模塊。即便它性能再強大，功能依然是單一的。

單片機技術從上世紀70年代末誕生，早期的時候是4位，后來發(fā)展為8位，16位，32位。它真正崛起，是在8位時代。8位單片機功能很強，被廣泛應用于工業(yè)控制、儀器儀表、家電汽車等領域。

我們在研究單片機的時候，經常會聽到兩個詞——51單片機、STM32。我來介紹一下它們究竟是什么。

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

注意，51單片機并不全是英特爾公司的產品。包括ATMEL（艾德梅爾）、Philips（飛利浦）、華邦、Dallas（達拉斯）、Siemens（西門子）、STC（國產宏晶）等公司，也有很多產品屬于51單片機系列。

ATMEL公司的51單片機，AT89C51

這是一個51單片機的開發(fā)板，中間那個芯片才是51單片機

51單片機曾經在很長時間里都是市面上最主流、應用最廣泛的單片機，占據大量的市場份額。

51單片機其實放在現在毫無技術優(yōu)勢，是一種很老的技術。之所以它的生命力頑強，除了它曾經很流行之外，還有一個原因，就是英特爾公司徹底開放了51內核的版權。

所以，無論任何單位或個人，都可以毫無顧忌地使用51單片機，不用付費，也不用擔心版權風險。

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

再來看看STM32。

STM32，是意法半導體公司推出的基于ARM Cortex-M內核的通用型單片機。

STM32單片機

意法半導體（STMicroelectronics）是世界最大的半導體公司之一，于1987年6月成立，是由意大利的SGS微電子公司和法國Thomson半導體公司合并而成。1998年5月，SGS-THOMSON Microelectronics 將公司名稱改為意法半導體有限公司。

意法半導體LOGO

ARM公司以前小棗君給大家介紹過。它是目前全球做芯片設計最厲害的公司之一，利用手機芯片的快速發(fā)展而崛起，占有物聯網市場極大的份額。

在單片機領域，ARM的Cortex-M內核擁有壓倒性的優(yōu)勢，已經成為絕對的主流。很多半導體公司都放棄了自己原先的架構，轉做ARM架構的單片機。

STM32單片機開發(fā)板

STM32的硬件配置可以滿足大部分的物聯網開發(fā)需求，開發(fā)工具和相關的文檔資料齊全，已經成為目前單片機學習的首選對象。

嵌入式和單片機的區(qū)別

說到這里，我們來看看，嵌入式和單片機的區(qū)別到底是什么。

從前文的介紹來看，嵌入式系統是一個大類，單片機是其中一個重要的子類。嵌入式系統像是一個完整的計算機，而單片機更像是一個沒有外設的計算機。

以前單片機包括的東西并不算多，兩者的硬件區(qū)別較為明顯。但是，隨著半導體技術的突飛猛進，現在各種硬件功能都能被做進單片機之中。所以，嵌入式系統和單片機之間的硬件區(qū)別越來越小，分界線也越來越模糊。

于是，人們傾向于在軟件上進行區(qū)分。

從軟件上，行業(yè)里經常把芯片中不帶MMU（memory management unit，內存管理單元）從而不支持虛擬地址，只能裸奔或運行RTOS（實時操作系統，例如ucos、華為LiteOS、RT-Thread、freertos等）的system，叫做單片機（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”操作系統的system，叫做嵌入式。

在某些時候，單片機本身已經足夠強大，可以作為嵌入式系統使用。它的成本更低，開發(fā)和維護的難度相對較小，尤其是針對一些針對性更強的應用。而嵌入式系統理論上性能更強，應用更廣泛，但復雜度高，開發(fā)難度大。

嵌入式和單片機的學習價值

最后我們來說一說嵌入式和單片機的學習價值，到底有沒有必要學習嵌入式和單片機。

最近這些年，有一句話被廣泛傳播，那就是——“軟件為王”。人們普遍認為軟件知識的價值遠遠大于硬件，而學習軟件，從事軟件方向，會更容易找到工作，找到更高收入、更有前途的工作。

而嵌入式和單片機，往往被歸為“硬件”方向，遭人“嫌棄”。加上嵌入式和單片機的學習難度較大，學習周期很長，需要漫長的“煎熬”，所以越來越多的人放棄這條路。

小棗君認為這種想法是不正確的。

首先，嵌入式和單片機并不是純“硬件”類方向。前面我也說了，它們是軟件和硬件的緊密結合。

如果你想學好嵌入式和單片機，只懂數字電路和微機接口這樣的硬件知識是不夠的，你更需要學習的，是匯編、C/C++語言、數據結構和算法知識。

擁有軟硬結合的能力，遠遠比單純掌握某種程序開發(fā)語言更有價值。

其次，嵌入式和單片機擁有廣泛的應用場景，在各個領域都有項目需求和人才需求。

根據權威部門統計，目前我們國家每年的嵌入式人才缺口高達50萬。尤其是嵌入式軟件開發(fā)，是未來幾年最熱門和最受歡迎的職業(yè)之一。具有10年工作經驗的高級嵌入式工程師，年薪可以達到30-50萬元左右。

而且我們國家現在正在大力發(fā)展芯片產業(yè)，也會帶動嵌入式人才的就業(yè)，提升待遇。

隨著5G的全面啟動，整個社會正在向“萬物互聯”的方向發(fā)展。物聯網技術也將迎來前所未有的歷史機遇。嵌入式和單片機技術是物聯網技術的重要組成部分，也將進入發(fā)展的快車道。

因此，盡管學習過程會比較艱辛，小棗君仍然建議有志青年關注這一賽道。技術越難，過程越苦，越有利于構建競爭壁壘。到了后期，個人價值可以得到進一步的體現。

好了，關于嵌入式和單片機的內容，小棗君今天就介紹到這里。

謝謝大家啦！