Think：如何成为嵌入式软件工程师

嵌入式软件工程师

Technology has the power to make the world a better place
唯有热爱可抵岁月漫长

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工作内容

系统设计与开发

驱动程序开发与调试

系统集成与测试

维护与升级

基础层

电子基础

• 数字电路
  
  
  
  • 逻辑门
    
    
    
    • 真值表
      
      
      
      • AND
        
      • OR
        
      • NOT
        
      • XOR
        
      
      
    
    
  • 时序电路
    
    
    
    • 触发器（D Flip-Flop）
      
    • 计数器
      
    • 状态机设计
      
    
    
  • 总线协议
    
    
    
    • 地址总线
      
    • 数据总线
      
    • 控制总线
      
    • 时序分析
      
    
    
  
  
• 模拟电路
  
  
  
  • ADC/DAC
    
    
    
    • 逐次逼近型 vs Σ-Δ型
      
    • 分辨率与采样率选择
      
    
    
  • 电源管理
    
    
    
    • LDO
      
    • DC-DC转换器（Buck/Boost）
      
    • 低功耗设计
      
    
    
  • 传感器接口
    
    
    
    • 温度传感器（DS18B20）
      
    • 加速度计（MPU6050）
      
    
    
  
  
• 常用元器件
  
  
  
  • 贴片（0805、0603）
    
    
    
    • 电阻
      
    • 电容
      
    • 电感
      
    
    
  • 功率器件
    
    
    
    • MOSFET 驱动电路
      
    • 热设计（散热片与 PCB 布局）
      
    
    
  
  
• 计算机组成原理
  
  
  
  • 数字逻辑与硬件基础
    
    
    
    • 布尔代数与逻辑门（AND/OR/NOT/XOR）
      
    • 组合电路（多路复用器、译码器）
      
    • 时序电路（触发器、寄存器、计数器）
      
    • 有限状态机（FSM）设计
      
    
    
  • 数据表示与运算
    
    
    
    • 二进制/十六进制表示（补码、浮点数）
      
    • 算术逻辑单元（ALU）结构与运算流程
      
    • 位操作优化（掩码、位移）
      
    
    
  • 存储器系统
    
    
    
    • 存储层次：寄存器→缓存→主存→外存
      
    • 缓存工作原理（Cache Line、映射策略）
      
    • 内存管理：地址空间、内存对齐
      
    
    
  • CPU架构与指令集
    
    
    
    • 指令集架构（RISC vs CISC）
      
    • 指令周期：取指→译码→执行→写回
      
    • 流水线技术（冒险与解决方法）
      
    
    
  • 输入输出（I/O）系统
    
    
    
    • I/O接口：轮询 vs 中断 vs DMA
      
    • 中断处理流程（ISR、优先级、嵌套）
      
    • DMA传输机制（减少CPU占用）
      
    
    
  • 总线与通信协议
    
    
    
    • 总线类型：系统总线（地址/数据/控制）
      
    • 通信协议：SPI/I2C/UART/CAN
      
    • 总线仲裁与冲突解决
      
    
    
  
  

编辑基础

• C语言
  
  
  
  • 内存管理
    
    
    
    • free（）
      
    • calloc（）/malloc（）
      
    
    
  • 指针与内存
    
    
    
    • 函数指针
      
    • 数组指针
      
    • 结构体指针
      
    • 内存对齐
      
    
    
  • 数组
    
    
    
    • 匿名数组
      
    • 指针数组
      
    • 结构体数组
      
    • 多维数组
      
    
    
  • 位操作
    
    
    
    • 寄存器位掩码（|=、&= ~）
      
    • 位域（struct { uint8_t flag : 1; }）
      
    
    
  • 枚举/结构体/联合体
    
  
  
• C++
  
  
  
  • STL
    
  • RTTL
    
  • 面向对象
    
    
    
    • 封装（类与访问控制）
      
    • 继承（虚函数与多态）
      
    • 抽象
      
    • 类
      
    • 多态
      
    
    
  • 模板编程
    
    
    
    • 泛型容器（std::vector）
      
    • 模板元编程（编译期计算）
      
    
    
  • 资源管理
    
    
    
    • RAII（资源获取即初始化）
      
    • 智能指针（std::unique_ptr）
      
    
    
  
  
• Python
  
  
  
  • 脚本自动化
    
    
    
    • 使用 pySerial 控制串口设备
      
    • pandas 处理日志数据
      
    
    
  • 硬件交互
    
    
    
    • 树莓派 GPIO 控制（RPi.GPIO 库）
      
    • 自动化测试框架（pytest）
      
    
    
  • 数据处理
    
  
  
• 数据结构和算法
  
  
  
  • 数据结构
    
    
    
    • 字符串
      
    • 图
      
    • 哈希
      
    • 树
      
    • 队列
      
    • 栈
      
    • 堆
      
    • 链表
      
    • 数组
      
    
    
  • 算法
    
    
    
    • 排序
      
    • 查找
      
    
    
  
  
• 计算机网络
  
  
  
  • TCP/IP协议和分层
    
  • ARP协议
    
  • IP协议/ICMP协议
    
  • IP协议/ICMP协议
    
  • NDS协议/HTTP协议/HTTPS协议
    
  
  

核心层

微控制器（MCU）

• 架构与选型
  
  
  
  • ARM Cortex-M
    
    
    
    • M0（低成本）
      
    • M4（带 FPU，适合 DSP）
      
    • M7（高性能）
      
    
    
  • RISC-V
    
    
    
    • 开源架构（如 GD32VF103）
      
    • 工具链（riscv-gcc）
      
    
    
  • AVR
    
  • ESP32
    
    
    
    • 双核 Wi-Fi/BLE 芯片
      
    • FreeRTOS 集成
      
    
    
  
  
• 开发框架
  
  
  
  • STM32
    
    
    
    • 标准库开发
      
    • HAL/LL库开发
      
      
      
      • HAL 的抽象层 vs LL 的直接寄存器操作
        
      
      
    
    
  • ESP-IDF
    
    
    
    • 基于 FreeRTOS 的 ESP32 开发框架，支持事件循环（Event Loop）
      
    
    
  • Arduino兼容库
    
    
    
    • 快速原型开发
      
    
    
  
  
• 外设驱动开发
  
  
  
  • GPIO
    
    
    
    • 输入（上拉/下拉电阻）
      
    • 输出（推挽/开漏模式）
      
    
    
  • Timer
    
    
    
    • PWM 生成（占空比调节）
      
    • 输入捕获（测量脉冲宽度）
      
    
    
  • 通信接口
    
    
    
    • UART
      
      
      
      • 波特率配置
        
      • DMA 传输（减少 CPU 占用）
        
      
      
    • SPI
      
      
      
      • 主从模式
        
      • 片选信号（CS）管理
        
      
      
    • I2C
      
      
      
      • ACK/NACK 处理
        
      • 总线冲突检测
        
      
      
    
    
  
  

实时操作系统（RTOS）

• 任务管理
  
  
  
  • 任务优先级
    
    
    
    • 抢占式调度 vs 时间片轮转
      
    
    
  • 任务间通信
    
    
    
    • 队列（xQueueSend()）
      
      
      
      • 传递结构化数据
        
      
      
    • 信号量（二进制/计数信号量）
      
      
      
      • 同步资源访问
        
      
      
    • 互斥锁（xSemaphoreTake()）
      
      
      
      • 防止优先级反转
        
      
      
    
    
  
  
• FreeRtos
  
  
  
  • 任务调度
    
  • 队列
    
  • 信号量
    
  
  
• Zepher
  
  
  
  • 多线程
    
  • 低功耗支持
    
  
  
• 内存管理
  
  
  
  • 静态分配
    
    
    
    • 固定大小内存池
      
    
    
  • 动态分配
    
    
    
    • 堆管理（pvPortMalloc()）与碎片优化
      
    
    
  
  
• 低功耗模式
  
  
  
  • 睡眠模式
    
    
    
    • Idle 模式（唤醒源：定时器、外部中断）
      
    
    
  • 停机模式
    
    
    
    • 关闭外设时钟，保留 RAM 数据
      
    
    
  
  

通信协议

• 有线
  
  
  
  • UART
    
  • SPI
    
  • I2C
    
  • CAN总线
    
    
    
    • 帧格式（标准帧 vs 扩展帧）
      
    • 仲裁机制
      
    • 应用场景：汽车 OBD-II 诊断、工业控制
      
    
    
  • USB协议栈
    
    
    
    • CDC（虚拟串口）
      
    • HID（人机接口设备）
      
    • 使用 libusb 开发主机端驱动
      
    
    
  
  
• 无线
  
  
  
  • BLE（低功耗蓝牙）
    
    
    
    • GATT 协议（服务与特征值）
      
    • 广播包过滤
      
    • 开发工具：nRF Connect（Nordic 芯片）
      
    
    
  • Wi-Fi
    
  • LoRa
    
    
    
    • 扩频技术
      
    • 传输距离与功耗平衡
      
    • 网关设计（如 ChirpStack 服务器）
      
    
    
  • ZigBee
    
  
  

工具层

开发工具链

• 编译器与调试器
  
  
  
  • GCC 交叉编译链
    
    
    
    • arm-none-eabi-gcc 编译 Cortex-M 代码
      
    
    
  • Keil MDK
    
    
    
    • 集成调试（ULINK 仿真器）
      
    • 性能分析（Event Recorder）
      
    
    
  • OpenOCD
    
    
    
    • 开源调试工具
      
    • 支持 SWD/JTAG 接口
      
    
    
  
  
• 仿真与测试
  
  
  
  • 模拟 ARM 处理器
    
  • 逻辑分析仪
    
    
    
    • Saleae 或 PulseView 抓取 SPI/I2C 波形
      
    
    
  • 单元测试
    
    
    
    • CppUTest 框架验证驱动逻辑
      
    
    
  • QEMU
    
  • Proteus
    
  
  
• 协作与自动化
  

版本控制与协作

• Git
  
  
  
  • 分支管理
    
    
    
    • 分支策略
      
    
    
  • 冲突解决
    
  • 子模块管理
    
  • Hooks 脚本
    
  
  
• CI/CD
  
  
  
  • GitHub Actions 自动化编译固件（.hex 文件）
    
  • Jenkins 部署自动化硬件测试（如通过串口发送测试指令）
    
  
  

进阶层

低功耗设计

• 睡眠模式
  
  
  
  • Sleep/Stop模式
    
  
  
• 功耗分析工具
  
  
  
  • Energy Trace
    
  
  
• 硬件级优化
  
  
  
  • 动态电压频率调节（DVFS）
    
    
    
    • 动态电压频率调节（DVFS）
      
    
    
  • 外围设备时钟门控（关闭未使用的外设时钟）
    
  
  
• 软件策略
  
  
  
  • 中断驱动设计（替代轮询）
    
  • 短时唤醒（如每 10 秒采集一次数据）
    
  • 使用 __WFI()（等待中断）指令进入深度睡眠
    
  
  

嵌入式Linux

• 内核裁剪与驱动开发
  
• 交叉编译
  
  
  
  • Buildroot/Yocto
    
  
  
• 内核开发
  
  
  
  • 设备树（Device Tree）配置外设（如 &i2c1 节点）
    
  • 字符设备驱动框架（file_operations 结构体）
    
  
  
• 用户态开发
  
  
  
  • Socket 编程（TCP/UDP 服务器）
    
  • 多线程（pthread 库）
    
  
  

安全与可靠性

• 加密算法
  
  
  
  • AES
    
    
    
    • AES-128/256 加解密
      
      
      
      • 硬件加速模块使用
        
      
      
    
    
  • 安全启动（Secure Boot）：验证固件签名
    
  • SHA
    
  
  
• 看门狗
  
  
  
  • ECC内存
    
    
    
    • 纠正单比特错误，检测双比特错误
      
    
    
  • 独立看门狗
    
  • 窗口看门狗
    
  
  

linux操作系统

• 基本使用
  
  
  
  • 系统概述和特点
    
  • 系统概述和特点
    
  • 目录结构
    
  • 基本命令和常用工具
    
  • 基本网络管理
    
  • 基本系统管理
    
  • 基本的shell编程
    
  
  
• Linux平台的C/C++开发流程
  
  
  
  • 编辑
    
    
    
    • vim
      
    • Emacs
      
    
    
  • 编译
    
    
    
    • 编译套件
      
      
      
      • gcc
        
      
      
    • 编译工具
      
      
      
      • gcc
        
      • makefile
        
      • cmake/aototools
        
      
      
    
    
  • 调试
    
    
    
    • gdb
      
    
    
  • 运行
    
  
  
• Linux系统平台编程
  
  
  
  • 系统控制
    
  • 内存管理和使用
    
  • 多任务编程
    
  • 文件I/O编程
    
  • 网络编程
    
  • 图形化界面编程
    
  
  

应用层

应用层

• 行业场景
  
  
  
  • 汽车电子
    
    
    
    • AUTOSRA
      
      
      
      • 分层架构（应用层、RTE、BSW）
        
      
      
    • CAN
      
      
      
      • CAN 通信（PDU 路由、DBC 文件解析）
        
      
      
    • 功能安全
      
      
      
      • ISO 26262 标准，ASIL 等级划分
        
      
      
    
    
  • 物联网
    
    
    
    • MQTT
      
      
      
      • QoS 等级（0/1/2）
        
      • 保留消息
        
      • 使用 Mosquitto Broker 搭建私有服务器
        
      
      
    • OTA 升级
      
      
      
      • 差分升级（减少传输数据量
        
      • 安全签名验证
        
      
      
    • CoAP
      
    
    
  • 工业控制
    
    
    
    • Modbus
      
      
      
      • RTU 模式（CRC 校验）
        
      • TCP 模式（从站地址映射）
        
      • 使用 libmodbus 库实现主从机通信
        
      
      
    • PLC
      
      
      
      • 梯形图编程
        
      • 实时性保障
        
      
      
    
    
  
  
• 项目
  
  
  
  • 智能家居
    
    
    
    • 硬件
      
      
      
      • STM32 + ESP32（Wi-Fi 中继）
        
      
      
    • 功能
      
      
      
      • 采集温湿度（DHT11）并通过 MQTT 上报云端
        
      • 通过 BLE 控制智能灯泡（PWM 调光
        
      
      
    • 技术点
      
      
      
      • FreeRTOS 任务划分
        
      • JSON 数据解析（cJSON 库）
        
      
      
    
    
  • 无人机
    
    
    
    • 飞控算法
      
      
      
      • PID 控制（姿态稳定）
        
      • 路径规划（A* 算法）
        
      • 卡尔曼滤波（传感器融合）
        
      
      
    • 硬件
      
      
      
      • STM32F7 + MPU6050（陀螺仪）
        
      • 无刷电机驱动
        
      
      
    • 通信
      
      
      
      • 2.4GHz 射频模块（NRF24L01）传输遥控指令
        
      
      
    
    
  • 穿戴设备
    
    
    
    • 低功耗
      
      
      
      • 采集数据后立即进入睡眠模式
        
      • BLE 广播间隔优化（1s → 2s）
        
      
      
    • BLE通信
      
    • 硬件
      
      
      
      • nRF52832（BLE SoC）
        
      • 心率传感器（MAX30102）
        
      
      
    • 数据同步
      
      
      
      • 通过 Nordic UART Service（NUS）上传至手机 App
        
      
      
    
    
  
  

嵌入式应用层开发

• 内存管理/使用
  
  
  
  • 内存分配
    
  • 内存管理
    
  
  
• 多任务编程
  
  
  
  • 进程
    
    
    
    • 进程概念和基础
      
    • 进程控制
      
      
      
      • 创建
        
      • 等待
        
      • 退出
        
      
      
    • 守护进程
      
      
      
      • 守护进程的编写
        
      • 错误处理
        
      
      
    • 进程间通信
      
      
      
      • 管道通信
        
      • 消息队列
        
      • 信号
        
      • 信号量
        
      • 共享内存
        
      • socket通信
        
      
      
    
    
  • 线程
    
    
    
    • 线程的概念和基础
      
    • 线程控制和编程
      
      
      
      • 属性
        
      • 创建
        
      • 等待
        
      • 退出
        
      • 清楚
        
      • 同步
        
      • 优先级
        
      
      
    
    
  
  
• 文件I/O编程
  
  
  
  • 文件/文件描述符
    
  • 文件指针/文件流
    
  • 缓冲
    
  • 流操作：开/闭/读/写/内容定位等
    
  • 标准I/O流
    
  • 标准I/O操作
    
  • 非阻塞I/O
    
  • 异步I/O
    
  • 多路复用
    
  
  
• 网络编程
  
  
  
  • TCP/IP协议族
    
  • Socket通信和应用
    
  • TCP编程
    
  • UDP编程
    
  
  
• 图像化界面编程
  
  
  
  • Qt开发基础
    
    
    
    • C++-QT
      
    • Py-C++
      
    
    
  • 对话框/窗口
    
  • 信号与槽
    
  • 组件/控件/布局/事件
    
  • 绘图
    
  • 文件操作
    
  • 定时器
    
  • 多线程
    
  • 网络通信
    
  
  

学习路径与资源

初级阶段

• 《C Primer Plus》《STM32CubeMX 实战指南》
  

中级阶段

• 《Mastering STM32》《FreeRTOS 实时内核实战》
  

高级阶段

• 《嵌入式Linux系统开发》《AUTOSAR 规范详解》
  

工具与社区

• 论坛
  
  
  
  • EEVBlog
    
  • Stack Overflow
    
  • CSDN
    
  • 博客园
    
  
  

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