【嵌入式】快速入门

嵌入式处理器

常见单片机 (MCU)

经典单片机：89C51、STM32、ESP32
入门之选：
- Arduino：开源嵌入式硬件平台
  - 语言简单，硬件开源，库丰富
- 树莓派：微型电脑
  - 芯片集成了处理器、内存、IO接口等组件
  - 芯片中包含了ARM架构的处理器核心
  - 树莓派有更高的计算能力和更大的存储容量，支持运行复杂操作系统和应用程序
- ARM：设计低功耗、高性能的处理器架构
  - ARM：一家公司
  - 设计架构，授权给其他公司
图示：

硬件、软件和固件

硬件

硬件包括处理器、存储器、传感器和执行器等物理组件
硬件是嵌入式系统的基础
- 开发者需要设计和布局硬件电路，选择适当的处理器和外围设备

软件

软件是运行在嵌入式系统上的可执行代码和数据的集合
软件：包括应用程序、驱动程序和操作系统；
软件是嵌入式系统的核心
- 开发者根据系统的计算和控制任务，开发相应的操作系统和程序

固件

固件是介于硬件和软件之间的一类软件
固件是存储在非易失性存储器中的代码和数据
固件用于控制硬件设备的操作和功能
- 初始化硬件、加载操作系统或直接执行控制功能。

典型的单片机结构与功能

单片机结构

一台完整的计算机，由处理器、存储器、输入输出组成

处理器

处理器类比为工厂中的流水线，是核心中的核心
- 类比：将仓库中的原料运上工作台，进行相应的处理，并调配好生产速度
- 对应处理器的3个功能
处理器的功能：
- 寄存、运算、控制
时钟控制：”流水线合理的运行机制“
- 时钟为定时器提供一个计时基准
- 定时器达到预先设定的时间后触发中断
- 流水线得到命令进行新的生产，周而复始: A-B-C-A-...
- 看门狗：监视工厂安全，定时喂狗，否则判断为系统问题

片上存储

分级存储：高效的存储方案
工厂：流水线、货架、仓库
- 流水线装不了太多物料
- 定时将仓库中的原料转运到流水线旁的货架上
存储器分为ROM、RAM和Flash
- 分别用于存储程序、运行时数据和永久数据；
- ROM：read only
  - 用于程序启动和内核功能调用
- SRAM：流水线旁的货架
  - 临时存储运行数据
- Flash(闪存)：原料仓库
  - 存储程序代码、数据、烧录的固件
  - 特点：单个写入，整块擦除；内存块必须全部擦掉才能再次写入
    - 关联D Flash的擦写策略
  - P Flash-程序；
  - D Flash-数据，可以仿NVM（擦写策略）
图示：

模拟量与数字量

模拟量：
- 连续变化的信号，可以在范围内取任何值，且可无限细分
- 计算机不能直接处理
- 现实中大多数概念都是模拟的
- eg.语言信号、温度、速度等
数字量：
- 离散的信号，在一系列离散的数值中取值
- 只能取有限的、特定的数值
- 通常使用二进制（0/1）表示
- 计算机可以处理
- eg.点灯开关、数字图像、时钟等
模拟量转为数字量：采用量化
- 一段时间取一个值，转化为数字量
数字量转为模拟量：逆量化滤波
- 通过平滑转化为模拟量
图示：

输入输出

单片机交互类型：
单片机与外部的交互
- 类似：公司与外部公司的沟通，原料采购、产品售出等
- GPIO：通用输入输出
  - 与外部设备进行数字通信
  - 运行输入数字量、输出数字量
  - 是连接外设与传感器的通用接口
- PWN：脉冲宽度调制
  - 用于产生模拟信号，如控制电机速度，调光LED等
  - 通过输出快速切换的数字量高低电平，被电机平均为比较平滑的模拟信号
- ADC：模数转换器
  - 将模拟量转化为数字量
  - 用于从传感器中读取模拟数据，如获取外界温度
- DAC：数模转换器
  - 将数字量转化为模拟量
  - 用于向执行器生成模拟输出，如播放音频
芯片与芯片的交互
- 类似：工厂内各部门的沟通
- UART：通用异步收发器
  - 类似两个部门发邮件，扁平化管理
  - 异步（不必同时），全双工（相互交流，各说各的）
  - 常用于与计算机连接，烧录调试程序
- SPI：串行外设接口
  - 类似年会，CEO在礼堂讲话
  - 同步，全双工
  - 常用于与存储器、屏幕等要求较快传输速度的设备连接
- I2C：I2C总线 I方C
  - 类似年会，CEO在礼堂讲话
  - 同步，半双工
  - 对比SPI：
    - I2C总线通过更复杂的协议省去两条线，
    - 代价是：更慢的速度，半双工（领导发言不能插嘴）
  - 因接线简单，常用于与各种传感器连接
单片机与单片机的交互：
- 类似工厂与上下游企业的合作
- 目前使用较多的无线通信协议的关键优劣对比：