嵌入式基础1（cpu和gpio）

一.

1. CPU (Central Processing Unit，中央处理器)

核心定义：CPU 是计算机系统的运算和控制核心，通常指能够执行计算机指令的通用计算芯片。它本身不包含片上存储器（RAM）和丰富的片上外设（如GPIO、ADC等），必须外接内存、硬盘和各种接口芯片才能构成一个完整的计算机系统。

特点：

计算能力极强，主频高（通常在 GHz 级别）。

架构复杂，功耗较高，发热量大。

运行复杂的操作系统（如 Windows、macOS、Linux）。

典型应用场景：个人电脑、服务器、高性能计算、高端智能手机。

2. MCU (Microcontroller Unit，微控制器 / 单片机)

核心定义：MCU 常被称为“单片机”，它将 CPU、存储器（RAM/Flash）、以及各种外设接口（如定时器、ADC、UART、SPI、I2C等） 全部集成在单一芯片上。它是一个微型计算机系统，接上电源和简单的外围电路就能直接运行程序。

特点：

强调“控制”而非超强计算，主频通常在几 MHz 到几百 MHz 之间。

功耗低、成本低、体积小、可靠性高。

通常不运行复杂的操作系统，直接运行裸机程序（Bare-metal）或轻量级实时操作系统（如 FreeRTOS、RT-Thread）。

3. MPU (Microprocessor Unit，微处理器)

核心定义：MPU 类似于功能精简后的 CPU 芯片。它内部集成了强大的 CPU 内核，但通常没有在芯片内部集成 Flash 存储器（或者只集成很少的 SRAM/Cache），需要芯片外部扩展 RAM（如 DDR3、DDR4）和 Flash（如 eMMC、NAND Flash）。

特点：

计算能力比 MCU 强大得多，但比传统的桌面/服务器 CPU 功耗低、集成度更偏向嵌入式。

通常带有内存管理单元 (MMU)，支持虚拟内存。

能够运行功能完整的复杂操作系统（如 Linux、Android、Windows CE）。

二.

输入模式的作用是读取外界电平信号（高电平 1 / 低电平 0）

浮空输入

原理：芯片内部的上拉电阻和下拉电阻都不开通，引脚处于高阻抗状态。此时引脚上的电平完全由外部连接的电路决定。

上拉输入 (Pull-up Input)

原理：芯片内部通过开关闭合一个上拉电阻（通常为 30kΩ~50kΩ）连接到 VDD

特点：当外部没有任何输入（悬空）时，引脚默认被拉高到高电平（1）；只有当外部电路强行拉低（接 GND）时，引脚才会变为低电平（0）。

下拉输入 (Pull-down Input)原理：

芯片内部通过开关闭合一个下拉电阻连接到(GND)。

特点：当外部悬空时，引脚默认保持低电平（0）；只有当外部电路输入高电平时，引脚才会被拉高到高电平（1）。

模拟输入 (Analog Input)

原理：关闭内部所有上下拉电阻，同时断开数字输入通道（Schmitt 触发器关闭），将引脚直接连接到芯片内部的 ADC（模数转换器） 或比较器。

特点：不经过数字逻辑门，能够直接读取 0~3.3V 连续变化的模拟电压信号。

测量连续变化的物理量、 芯片内部 ADC 采样。

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输出模式的作用是通过芯片引脚驱动外部电路，控制高低电平或特定时序。

1. 推挽输出 (Push-Pull Output)

原理：引脚内部由一对 互补的 PMOS 和 NMOS 管 组成：

输出高电平时：PMOS 导通，NMOS 截止，引脚强行连接到 $V_{DD}$（输出 3.3V，强拉电流能力）。

输出低电平时：PMOS 截止，NMOS 导通，引脚强行连接到 $V_{SS}$（输出 0V，强灌电流能力）。

既能输出高电平也能输出低电平，驱动能力强、开关速度快

2. 开漏输出 (Open-Drain Output)

原理：内部断开了 PMOS 管，只保留 NMOS 下拉管：

输出低电平时：NMOS 导通，引脚接地，拉低到 0V。

输出高电平时：NMOS 截止，内部没有任何管子导通（处于浮空/高阻态）。必须在外部接一个上拉电阻才能输出高电平。

3.复用推挽输出 (Alternate Function Push-Pull)

原理：引脚内部电路依然是“推挽输出”结构，但输出信号的控制权不再归普通的 GPIO 寄存器，而是交给了芯片内部的外设硬件（如定时器 PWM、USART 串口发数据端 TX、SPI 的 SCLK 等）。

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PWM 波形输出（用定时器产生 PWM 控制电机/舵机/呼吸灯）。

USART/UART 串口发送引脚 (TX)。

SPI 总线的 MOSI / SCK 引脚。

4.复用开漏输出 (Alternate Function Open-Drain)

原理：引脚内部电路依然是“开漏输出”结构，控制权同样交给了内部硬件外设，通常需要配合外部上拉电阻使用。