ARM微控制器与嵌入式系统

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图灵机

• 可计算性（calculability）是指一个实际问题是否可以使用计算机来解决，定义为“可以再有限步骤内被解决的问题”（数理逻辑）
• 很多非数值问题（比如文字识别，图像处理等）都可以通过转化为数值问题来交给计算机处理
• 1936年，Alan Turing在伦敦权威的数学杂志上发表了一篇划时代的重要论文《可计算数字及其在判断性问题中的应用》
• 在这篇开创性的论文中，图灵给“可计算性”下了一个严格的数学定义，并提出著名的“图灵机”（Turing Machine）的设想。一台完全属于想象中的“计算机”!
• “图灵机”想象使用一条无限长度的纸带子，带子上划分成许多格子。 机器的运作时按逐步进行的方式，每一步由三个不同的动作组成：
  （1）在任意确定时刻，读写头对准带子上的一个方格，根据该格上的内容和机器的状态决定自己的动作；
  （2）机器可以抹去带上的原有符号，使方格保持空白或者写上另外的符号（也可以与原来相同）
  （3）然后让带子通过读写头，朝两个方向之一移动一个方格
• 机器的行为自始至终是由一个指令集所决定，它明确地指示机器每一步应该执行哪三个动作
• 整个运作从读写头是读一个方格数据开始，一旦计算结束，机器就进入一个特别的停止状态。运算过程的任何结果都被记录在带子上
• “图灵机”是一个虚拟的“计算机”，完全忽略硬件状态，考虑的焦点是逻辑结构
• 图灵甚至还想象在带子上存储数据和程序，“万能图灵机”实际上就是现代通用计算机的最原始的模型
  
• 图灵的文章从理论上证明了制造出通用计算机的可能性
• 几年之后，美国的阿坦纳索夫在1939年果然研究制造看世界上的第一台电子计算机ABC，其中采用了二进制，电路的开与合分别代表数字0与1，运用电子管和电路执行逻辑运算等
• ABC是“图灵机”的第一个硬件实现，看得见摸得着
  
• 冯·诺依曼不仅在上个世纪40年代研制成功了功能更好、用途更为广泛的电子计算机，并且为计算机设计了编码程序，还实现了运用纸带存储与输入
  *“冯·诺依曼体系结构”指出了计算机分为控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五大部件
  

编码Encoding

• 编码（Encoding）描述的是：为信息分配表示形式的过程
• 选择一种合适的有效编码方案是一项真正的工程学挑战
  （1）机制、效率（所使用的比特数）
  （2）可靠性（噪声）
  （3）安全性（加密）

ASCII编码

• American Standard Code for Information Interchange，基于英语字母序的码表系统
• ASCII长久以来在计算机系统中广泛采用，是实质上的标准
• ASCII采用7个bit来进行编码
  （1）数字0~9
  （2）英文字母：小写与大写
  （3）标点符号
  （4）32个非打印字符用来控制打印机
  

从晶体管到概念CPU

• 用电压幅值来代表0与1，常见的定义方式有
  — TTL： VCC=5V±5%，0-0.7V为0，2.4-5V为1
  — CMOS：VDD=3-8V（Lower to 1.8 or 0.9） 0-0.3VDD为0，0.7-1VDD为1
• 4比特的概念CPU如下
  
  
  

通用CPU

• CPU不仅仅是运算单元：CPU是计算机/微控制器的核心，进行算术/逻辑运算
• 通用CPU需要大量的外围辅助部件：
  — 内存：DDR2、DDR3
  — 硬盘
  — 主板
  — 显卡
  — 显示器
  — 鼠标键盘

微控制器MCU

• 微控制器MCU不仅仅是一个简单的CPU：微控制器是一个完整的计算机系统，在单个芯片上包含了处理器、存储器和所有外设IO模块
• 微控制器是一个片上计算机，对比PC中的处理器，微控制器更注重自完备（Self-sufficiency）和低成本。典型的微控制器包含了应用所需的全部存储器和接口，而PC的处理器需要其他的外部器件来提供这些需求
• 微控制器MCU有哪些部件：
  — CPU：从4位到8位到16位到32位到64位
  — 输入/输出接口：例如串口
  — 外设：例如定时器、信号转换电路（从CPU角度向外看）
  — ARM：数据存储器
  — ROM：程序存储器，例如EPROM、EEPROM、Flash
  — 时钟发生器、电压调节器等

ARM Cortex-M指令集