嵌入式系统

到底嵌入了什么 什么是微控制器

从事计算机或电子信息相关领域工作的人一定听说过嵌入式和微控制器吧?

很多人应该都知道,这两个术语和硬件系统有着非常密切的关系。 当您听到它们时,很容易想到充满芯片和引脚的电路板:

但是,如果要具体问什么是嵌入式系统,什么是单片机,它们之间有什么区别,相信大多数人都解释不清楚。

今天,小枣君就给大家科普一下,揭秘以上问题的答案。 同时也给大家介绍一下我们常听到的51和STM32是什么。

嵌入了什么

首先我们先来了解一下什么是嵌入式。

嵌入式一般指嵌入式系统,英文称为embedded system。 嵌入式开发实际上就是嵌入式系统的开发。

IEEE(电气和电子工程师协会)将嵌入式系统定义为:“用于控制、监视或协助机器和设备操作的设备”。

国内学术界的定义比较具体,也更容易理解:

嵌入式系统以应用程序为中心,以计算机技术为基础。 软件和硬件均可定制,适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的特殊计算机系统。

以应用为中心意味着嵌入式系统具有明确的实际用途。 基于计算机技术,意味着它实际上是一种特殊的计算机。 软硬件均可定制,说明其具有很强的灵活性和可定制性。

专用计算机系统,“专用”对应于“通用”。 我们常用的个人电脑、笔记本电脑和数据中心服务器可以用于多种用途,被称为“通用计算机系统”。

嵌入式系统具体应用在哪些“特殊”方向?

示例如下:

个人通信和娱乐系统:手机、数码相机、音乐播放器、可穿戴电子产品、PSP游戏机

家电:数字电视、扫地机器人、智能家电

办公自动化:打印机、复印机、传真机

医疗电子产品:生化分析仪、血液分析仪、CT

网络通讯产品:通讯交换设备、网络设备(交换机、路由器、网络安全)

汽车电子产品:发动机控制、安全系统、汽车导航及娱乐系统

工控产品:工业计算机、交互终端(POS、ATM)、安防监控、数据采集与传输、仪器仪表

军事和航空航天产品:无人机、雷达、战斗机器人

嵌入式系统的应用领域 嵌入式系统都应用于上述领域。 这只是冰山一角。

可以说,嵌入式系统完全围绕着我们,无时无刻不在影响着我们的工作和生活。

嵌入式系统既然是一个计算机系统,那么它必然离不开硬件和软件。

嵌入式系统的典型架构如下:

STM32单片机/

注意,最重要的是嵌入式操作系统和嵌入式微处理器。 从硬件角度来看,嵌入式系统是以处理器(CPU)为核心、通过总线连接的多模块系统:

STM32单片机/

这与个人电脑相同。 下图是嵌入式系统的物理示例:

STM32单片机/

中间左上角,S3C2440是CPU,中间是RAM,然后还有ROM、网卡、串口、电源等。可见,嵌入式系统虽然小,但是拥有所有内脏器官。

什么是微控制器

嵌入式系统的核心是嵌入式处理器。 嵌入式处理器一般分为以下典型类型:

嵌入式微控制器MCU(微控制单元)

MCU内部集成了ROM/RAM、总线逻辑、定时器/计数器、看门狗、I/O、串口、A/D、D/A、FLASH等,典型代表有8051、8096、C8051F等。

嵌入式DSP处理器(数字信号处理器)

DSP处理器专门用于信号处理,在系统结构和指令算法上进行了专门设计。 它广泛应用于数字滤波、FFT、频谱分析等领域。 典型代表是TI(德州仪器)的TMS320C2000/C5000系列。

嵌入式微处理器MPU(微处理器单元)

MPU由通用处理器演变而来,具有高性能,并具有丰富的外围组件接口。 典型代表有AM186/88、386EX、SC-400、PowerPC、MIPS、ARM系列等。

此外,还有嵌入式片上系统SoC(System on Chip)和可编程片上系统SoPC(System on a Programmable Chip)。 我们的微控制器属于上面提到的第一种类型——MCU(嵌入式微控制器)。

STM32单片机/

我们来详细介绍一下。

单片机又称单片机,英文名为Single-Chip Microcomputer。 它实际上是一种集成电路芯片,采用超大规模集成电路技术,将CPU、RAM、ROM、输入/输出和中断系统、定时器/计数器等功能塞进一块硅片中,使之成为一台超小型计算机。 。 这样看来,单片机不就是一个嵌入式系统吗? 别急,我们往下看。

“单片机”其实是一个古老的术语。 过去,半导体制程技术不成熟,不同的功能无法集成到一颗芯片(Chip)中,因此出现了多个芯片。 如今,半导体技术已经非常发达,所以没有多芯片计算机。 然而,“单片机”这个名称至今仍在使用。

很多大学老师喜欢强调单片机的姓氏是“单一”。 除了指单片机只是一块硅芯片外,它还指单片机的功能单一。 它是一个单独的模块,完成运算、逻辑控制、通信等功能。 无论其性能多么强大,其功能仍然单一。

微控制器技术诞生于 20 世纪 70 年代末。 早期是4位,后来发展到8位、16位、32位。 它在 8 位时代真正崭露头角。 8位单片机功能强大,广泛应用于工业控制、仪器仪表、家电、汽车等领域。

我们研究单片机的时候,经常会听到两个词——51单片机和STM32。 让我解释一下它们是什么。

51单片机实际上是一系列单片机的统称。 该系列单片机兼容Intel 8031指令系统。 它们的祖先是Intel的8004微控制器。

请注意,并非所有 51 微控制器都是 Intel 产品。 包括ATMEL、飞利浦、华邦、达拉斯、西门子、STC等公司,也有很多产品属于51单片机系列。

ATMEL公司的51单片机,AT89C51

这是51单片机的开发板。 中间的芯片是51单片机。 51单片机长期以来一直是市场上最主流、应用最广泛的单片机,​​占有很大的市场份额。

51单片机现在其实已经没有什么技术优势了,是很老的技术了。 除了受欢迎之外,其顽强生命力的另一个原因是Intel彻底开放了51核心的版权。 因此,任何组织或个人都可以毫无顾忌地使用51单片机,无需付费,也不必担心版权风险。

此外,51单片机拥有强大的库存基础和群众基础。 许多老项目都使用51微控制器。 出于成本考虑,有时他们只能继续使用51单片机的技术进行升级。 而且,很多老一代工程师都精通51单片机开发技术。 因此,51单片机的生命力得以延续。

我们来看看STM32。

STM32是意法半导体推出的基于ARM Cortex-M内核的通用微控制器。

STM32微控制器

意法半导体是全球最大的半导体公司之一。 成立于1987年6月,由意大利SGS微电子公司和法国汤姆逊半导体公司合并而成。 1998年5月,SGS-THOMSON微电子公司更名为意法半导体有限公司。

意法半导体标志

之前小枣君给大家介绍过ARM公司。 是目前全球最具实力的芯片设计公司之一。 它借助手机芯片的快速发展而崛起,并占据了物联网市场的巨大份额。 在微控制器领域,ARM的Cortex-M内核具有压倒性优势,已经成为绝对主流。 许多半导体公司已经放弃了原来的架构,转而使用基于 ARM 的微控制器。

STM32单片机开发板STM32的硬件配置可以满足大部分物联网的开发需求。 开发工具和相关文档齐全,成为学习单片机的首选。

嵌入式和微控制器的区别

说了这么多,我们来看看嵌入式和单片机有什么区别。 从前面的介绍来看,嵌入式系统是一个大类,而微控制器是一个重要的子类。 嵌入式系统就像一台完整的计算机,而微控制器更像是一台没有外设的计算机。 过去,微控制器包含的东西并不多,两者之间的硬件差异也很明显。 然而,随着半导体技术的快速进步,现在可以将各种硬件功能集成到微控制器中。 因此,嵌入式系统和微控制器之间的硬件差异越来越小,分界线也越来越模糊。 因此,人们倾向于对软件进行区分。

在软件方面,业界常常假设芯片没有MMU(内存管理单元),因此不支持虚拟地址。 只能裸运行或运行RTOS(实时操作系统,如ucos、Huawei LiteOS、RT-Thread、freertos等)系统的称为微控制器(如STM32、NXP LPC系列、NXP imxRT1052系列等)。 )。 拥有芯片自带的MMU,可以支持虚拟地址,并且可以运行Linux、Vxworks、WinCE、Android等“高级”操作系统的系统称为嵌入式。

在某种程度上,微控制器本身变得足够强大,可以用作嵌入式系统。 它的成本较低,开发和维护的难度也相对较小,特别是对于更有针对性的应用程序。 理论上,嵌入式系统性能更强,应用更广泛,但复杂度高,开发难度大。

嵌入式和单片机的学习价值

最后说一下嵌入式和单片机的学习价值。 有必要学习嵌入式和单片机吗?

近年来,有一句话被广泛流传,那就是——“软件为王”。 人们普遍认为软件知识的价值远远大于硬件知识。 学习软件、从事软件,会更容易找到工作,找到收入更高、更有前景的工作。

嵌入式和微控制器通常被归类为“硬件”并且被其他人“不喜欢”。 另外,嵌入式和单片机学习难度较大,学习周期很长,需要长时间的“煎熬”,所以越来越多的人放弃了这条路。

肖枣君认为这种想法是不正确的。

首先,嵌入式和微控制器并不是纯粹的“硬件”方向。 正如我之前所说,它们是软件和硬件的紧密结合。

STM32单片机/

想要学好嵌入式和单片机,仅仅了解数字电路、微机接口等硬件知识是不够的。 你需要更多学习的是汇编、C/C++语言、数据结构和算法知识。

拥有软件和硬件结合的能力远比仅仅掌握某种编程语言更有价值。

其次,嵌入式和微控制器的应用场景广泛,各个领域都有项目需求和人才需求。 据权威部门统计,目前我国每年嵌入式人才缺口高达50万。 尤其是嵌入式软件开发,是未来几年最热门、最受欢迎的职业之一。 一名拥有10年工作经验的高级嵌入式工程师年薪约为30万-50万元。 而且,我国现在正在大力发展芯片产业,这也会促进嵌入式人才的就业,提高他们的薪资。

STM32单片机/

随着5G的全面启动,整个社会正朝着“万物互联”的方向发展。 物联网技术也将迎来前所未有的历史机遇。 嵌入式和微控制器技术是物联网技术的重要组成部分,也将进入发展的快车道。

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