嵌入式基础知识理论概述

嵌入式基础知识理论概述

摘要：

当前我们正步入新时代、正面临新态势、正迈进新征程,嵌入式已经融入到我们的各行各业、日常生活之中，嵌入式无处不在。简要概述了嵌入式基础知识，供读者对嵌入式有一个基础的认知。

关键词：ARM  处理器  芯片  RISC（精简指令集）  CISC（复杂指令集）  MCU  MPU  DSP  FPG

• 嵌入式基础知识

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

（一）ARM的理解

（1）ARM是一家公司

 

ARM首先是一个公司，是一家全球半导体行业技术领先的公司，主要业务是设计RISC嵌入式处理器。

RISC：精简指令集，指的是一种指令类型比较少的计算机指令，因为其执行速度快而 被广泛应用，缺点就是指令类型少，实现的功能相对单一。

CISC：复杂指令集，指的是一种指令类型比较丰富的计算机指令，因为其指令丰富，运算效率高而被广泛使用，缺点就是指令执行速度相对较慢（它是通过微程序触发实现）。

（2）ARM一类芯片或产品的统称

因为很多的公司，在拿到ARM公司的授权以后生产了很多的芯片或产品，像我们经常使用的STM32F103这一系列就是Cortex-M3系列，就是使用的ARM的M系列的核等等。

（3）ARM是采用RISC处理器体系架构技术的名称

现在几乎大家都把RISC处理器架构称为ARM架构了，所以ARM也指一种体系架构，即RISC处理器体系架构。

（二）、ARM和intel的区分

ARM和intel的区分，其实就是RISC和CISC的区分，两家公司代表计算机指令集的两个极端。区别也在于两种指令集的区别。

ARM因其精简指令集，指令执行速度快，所以广泛应用于嵌入式领域，实现一些功能相对单一的产品。

intel因其CISC指令类型丰富，执行效率高，所以广泛应用于PC，高级智能机等领域。

（三）、ARM和STM32的关系

ARM和STM32的关系就是，STM32的体系结构就是ARM架构。

STM32是由ST公司研发的产品，而这个产品的产生是ST公司在购买到了ARM公司的授权以后，经过ST公司自己的添加外设，设置结构等方式而生产的产品。但是这个产品的核心，内核的结构是由ARM公司设计的。里面的IP核的设计就是ARM公司授权给ST公司，ST公司根据这个IP核的设计结构进行添加，设计进而生产，就有了我们日常使用的一系列STM32产品。

• 处理器基础概念

（一）、MCU

微控制器，俗称单片机。之所以称之为单片机，是因为不同于其它处理器，它将CPU、RAM(随机存储器)、ROM(只读存储器)、I/O、中断系统、定时器等各种功能外设资源集中到一个芯片上。这个芯片就是一个完整的微型计算机，只需要供电或加上极少的外围电路即可工作。

常见的MCU有80C51系列单片机、Atmel公司的AVR系列单片机、 Microchip公司的PIC系列单片机、TI公司的MSP430系列单片机、 ST公司的STM32系列单片机、NXP公司的LPC1700系列单片机。早期的MCU主要是8位，后面发展出16位，再到现在主流的已经是32位。此外，主频不断提高、ROM不断增大、外设不断增多，单片机的应用领域和场合越来越大。

（二）、MPU

微处理器，类似通用计算机的CPU，主要负责处理计算，需要外加RAM、Flash、电源等电路。

MCU和MPU的本质区别是因为应用场景的定位不同。 MPU注重通过相对强大的运算/处理能力，执行复杂多样的大型程序，因此常需要外挂运行内存(RAM)、存储器(Flash)等。 MCU注重功能较为单一、价格敏感的应用场景，不需要相对强大的运算/处理能力，更多的是对设备管理/控制，因此不需要大容量的RAM、Flash来运行大型程序，于是将RAM、Flash全集成在一起，大家也就俗称“单片机”。

随着市场及需求的变化，MPU和MCU的界限日趋模糊。高端的32位MCU主频越来越高，已经反超低端MPU主频，MCU也有外挂RAM和Flash的场景，依靠硬件结构去区分逐渐困难。

读者可以简单的认为，嵌入式微处理器MPU，通常运行Linux、 Android等非实时操作系统，应用在高端应用市场，比如智能手机、 路由器等消费电子市场领域，而嵌入式微控制器MCU，常用运行裸机或实时性操作系统，应用在中、低端应用市场，比如家电控制领域、工业控制领域等。

总的来说MCU，主要应用于微控制领域，运行逻辑程序或实时性操作系统的场合。而MPU，主要就是针对跑Linux，Android操作系统等程序复杂，需要操作系统进行资源管理的应用。

（三）、DSP

DSP通常有两个含义。

数字信号处理（Digital Signal Processing， DSP），是一门学科技术，使用数值计算的方式对信号进行加工处理的理论和技术。

数字信号处理器（Digital Signal Processor， DSP），是一种专门用于数字信号处理领域的微处理器。

DSP芯片为了达到快速处理数字信号处理的目的，采用了许多特殊软硬件结构。首先是采用哈佛结构，（哈佛结构就是将程序指令和存储数据存在不同的存储器上）将程序和数据分开，同时为处理器提供指令和数据。然后采用多级流水线技术，在指令周期内可以执行更多指令。加上专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令， 使得DSP芯片在计算处理上，远超同主频的MCU或MPU。

DSP芯片拥有强大的数据处理能力，在数字信号处理领域，如调制/解调、数据加密/解密、图形处理、数字滤波、音频处理等计算密集型的场景广泛应用。

（四）、FPGA

现场可编程门阵列，由可编程互连连接的可配置逻辑块(CLB) 矩阵构成的半导体器件。通俗地说，FPGA就是一个可以通过编程改变内部硬件结构，实现所需功能的芯片。前面的MCU、DSP等都是硬件资源固定，只能通过修改软件实现所需功能。而FPGA是通过硬件描述语言或其它方式修改硬件，将FPGA变为CPU或专用芯片，来实现控制或算法。因此，MCU、DSP能够实现的功能，FPGA理论上都可以实现，反之则不一定。

FPGA主要有两大优势：高速和灵活。FPGA使用硬件处理数据，采用并发和流水技术，多个模块之间可以同时并行执行。FPGA可以根据现场情况配置器件功能，能够在技术和需求变化时重新配置，实现系统优化升级。在某些通信领域，需要处理高速的通信协议，同时通信协议随时都可能修改，不适合做成专门的芯片，FPGA的高速、灵活就便成了首选。

虽然FPGA功能强大，但实际工程项目中，还需考虑硬件成本、开发难度和市场需求等因素。一些简单的控制场合，尽管FPGA和MCU都能胜任，但MCU价格低廉和研发简单，更划算。

• 存储器的基础概念

（一）、随机存储器(Random Access Memory，RAM)

RAM能够随时在任一地址读出或写入内容。优点是读/写方便、使用灵活；缺点是不能长期保存信息，一旦停电，所存信息就会丢失。RAM用于二进制信息的临时存储或缓冲存储。

RAM主要有两大类存储设备，即静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）。两者都是易失性存储器，它们之间的最大差别是存储于其中的数据的寿命。

（1）SRAM的存储单元电路是以双稳态电路为基础的，因此状态稳定，只要不掉电，信息就不会丢失。

（2）DRAM的存储单元是以电容为基础的，电路简单，集成度高，功耗小，但DRAM即使不掉电也会因电容放电而丢失信息，需要定时刷新。

（二）、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)

ROM中存储的数据可以被任意读取，断电后，ROM中的数据仍保持不变，但不可以写入数据。

ROM在嵌入式系统中非常有用，常常用来存放系统软件（如ROM BIOS）、应用程序等不随时间改变的代码或数据。

ROM存储器按发展顺序可分为：掩膜ROM、可编程ROM（PROM）和可擦写可编程ROM（EPROM）。

（三）、介于两者之间的混合存储器

混合存储器既可以随意读写，又可以在断电后保持设备中的数据不变。混合存储设备可分为三种：

（1）EEPROM（Electrical Erasable Programmed Programmable ROM）

EEPROM是电可擦写可编程存储设备，与EPROM不同的是EEPROM是用电来实现数据的清除，而不是通过紫外线照射实现的。

EEPROM允许用户以字节为单位多次用电擦除和改写内容，而且可以直接在机内进行，不需要专用设备，方便灵活，常用作对数据、参数等经常修改又有掉电保护要求的数据存储器。

（2）NVRAM

NVRAM通常就是带有后备电池的SRAM。当电源接通的时候，NVRAM就像任何其他SRAM一样，但是当电源切断的时候，NVRAM从电池中获取足够的电力以保持其中现存的内容。

NVRAM在嵌入式系统中使用十分普遍，它最大的缺点是价格昂贵，因此，它的应用被限制于存储仅仅几百字节的系统关键信息。

（3）FLASH

Flash（闪速存储器，简称闪存）是不需要Vpp电压信号的EEPROM，一个扇区的字节可以在瞬间（与单时钟周期比较是一个非常短的时间）擦除。

Flash比EEPROM优越的方面是，可以同时擦除许多字节，节省了每次写数据前擦除的时间，但一旦一个扇区被擦除，必须逐个字节地写进去，其写入时间很长。