嵌入式基础

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前言

参考韦东山资料。

一、嵌入式发展史

1.1 CPU Central Processing Unit

CPU(Central Processing Unit)：在一个电子系统中，处理器占据最重要的位置，被称为中内处理器单元CPU。它从IO设备读取数据，处理，然后显示出来。在PC机它是一个独立的芯片。在嵌入系统中，它是芯片里的一个单元，跟其他模块比如USB、UART、音频组成一个芯片。

CPU的发展有两个路线：MPU、MCU。

1.2 MPU Mircro Processor Unit

微处理器单元，其作用等同于在PC上使用的CPU，它也只仅仅是一个处理器，需要配合内存、Flash等外设才可以使用。

1.3 MCU Micro Controller Unit

微控制器单元，有时又称为单片机。MCU内部集成了处理器和各类模块，比如USB控制器、UART控制器、内存、Flash等等。只需要外接少量的器件，就可以搭建一个电子系统。C51芯片、STM32等芯片，都是MCU。

MCU不断发展，出现了Application Processors

1.4 Application Processors

手机中的主芯片跟MCU类似，也是集成了处理器和各类模块。但是它的性能已经极大提升，可以外接几GB的内存、几GB的Flash。在手机中，这个主芯片一般用来处理显示、输入，运行用户的程序，所以称它为“Application Processors”。“Application Processors”的概念可以扩展到其他场景，不再局限于手机。

跟MCU进行比较，Application Processors有以下不同：

⚫集成了更多的模块：
Application Processors内部集成了更多的模块，比如用于数据处理的DSP、用于图形显示的GPU，甚至有多个处理器。这里又引入一个概念“片上系统”(SoC，System on Chip)，SoC的本意是在一个芯片上就可以搭建完整的系统。但是这个概念在日常使用中比较宽泛：MCU芯片也可以称为SoC，Application Processors也可以称为SoC，即使它们还必须外接内存/Flash等外设才可以运行。在以前的文档中涉及SoC时，意指比较复杂的系统；这时候MCU不属于SoC，因为MCU比较简单。但是时代在发展，MCU也越来越复杂了，所以把MCU也当作SoC也是可以的。
在手机电路板中，可用空间非常小。Application Processors还需要搭配内存芯片才可以使用，于是发展出了一种名为package-on-package (PoP)的工艺：在电路板上先焊接Application Processors，在Application Processors上面再焊接内存芯片，即2个芯片叠在一起。

⚫运行的操作系统不同：
MCU上一般不运行操作系统，或是运行一些资源耗费较小的小型实时操作系统(RTOS)。MCU一般用来处理实时性要求高的事情，处理一些比较简单的事情。
Application Processors基本上都会运行比较复杂的操作系统(比如Linux)，在操作系统上运行多个APP。

1.5 哈弗架构与冯诺伊曼架构

CPU架构可以分为哈弗架构与冯诺伊曼架构。
哈弗架构中指令与数据分开存放，CPU可以同时读入指令、读写数据。
冯诺伊曼架构中指令、数据混合存放，CPU依次读取指令、读写数据，不可同时操作指令和数据。
ARM公司的芯片，ARM7及之前的芯片是冯诺伊曼架构，ARM7之后使用“改进的哈弗架构”。“改进的哈弗结构”如下所示：

在“改进的哈弗架构”里，指令和数据在外部存储器中混合存放；CPU运行时，从指令cache中获得指令，从数据cache中读写数据。

二、嵌入式系统硬件结构与启动

2.1 XIP eXecute In Place

XIP: eXecute In Place, 本地执行。可以不用将代码拷贝到内存，而直接在代码的存储空间运行。
XIP devices: CPU 可以直接由CPU寻址的设备.

2.2 硬件结构

基本架构如下：

ARM芯片内部有很多部件，这是一个片上系统(System on chip),如上图所示，比如有： cpu、rom、 ram、 memory controller — ddr、 sd/mmc controller — sd card、spi controller — spi flash、usb controller — usb storage device、uart controller、interrtupt controller 等等。

跟PC的类比，pc有一个板卡，各各芯片、模块可以安装到上面：
CPU ---- 单独的芯片
启动设备 ---- BIOS芯片
DDR ---- 单独的可拔插式模块
存储设备 ---- SATA硬盘，可拔插
usb controller …

2.3 系统启动

ARM板子支持多种启动方式：XIP设备启动、非XIP设备启动等等。 比如：Nor Flash、SD卡、SPI Flash, 甚至支持UART、USB、网卡启动。 这些设备中，很多都不是XIP设备。

上电后，CPU运行的第1条指令、第1个程序，位于片内ROM中，它是XIP设备， 这个程序会执行必要的初始化，比如设置时钟、设置内存，再从"非XIP设备"中把程序读到内存，最后启动这些程序。

三、ARM裸板及引申

裸板点灯led

3.1 LED 硬件

LED的驱动方式，常见的有四种。

方式1：使用引脚输出3.3V点亮LED，输出0V熄灭LED。

方式2：使用引脚拉低到0V点亮LED，输出3.3V熄灭LED。

有的芯片为了省电等原因，其引脚驱动能力不足，这时可以使用三极管驱动。

方式3：使用引脚输出1.2V点亮LED，输出0V熄灭LED。

方式4：使用引脚输出0V点亮LED，输出1.2V熄灭LED。

三极管的控制，看其图标的箭头，箭头方向代表电流方向，高电压为P极，低电压为N极，中间为P，即为NPN三极管，中间为N，即为PNP三极管。