Lecture 1: Introduction to Embedded Processors

Lecture @ 2025-2-24

分数构成

• Final Examination : 75%
  • 期末考试
• Lab Work : 15%
  • 和之前一样的实验课
• Written Assessment : 10%
  • 做出东西后写报告

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嵌入式系统

什么是嵌入式系统 (Embedded System) ？

• 是一种应用计算机系统。
• 它的定义不断发展，很难确定，因为技术的进步。一些关键特征：
  • 硬件和/或软件功能有限，比 PC 有限，例如内存、功耗、处理性能、没有或有限的操作系统等。
  • 嵌入式系统是一种具有更高质量和可靠性要求的计算机系统，因为它可以服务于关键应用。
  • 一些被称为嵌入式系统的设备，如 PDA 或 Web Pad，实际上并不是嵌入式系统。

通用系统和嵌入式系统的区别：

不同方面	通用系统 (General-Purpose Computer)	嵌入式系统 (Embedded System)
内容 (Content)	包含通用的硬件，可以运行通用的系统，可以运行通用的软件	很多特定用途的部件的组合，运行嵌入式的操作系统以执行特定的任务
操作系统 (OS)	通用的操作系统	没有操作系统或者嵌入式的操作系统
重要因素	主要考虑的是性能	主要考虑的是特定用途的需求
功率消耗	相对较大	相对较小
响应时间	相对较大	相对较小
修改 (alterations)	可以进行改变	通常不会改变

常见的嵌入式系统

• Stand-alone Embedded System
  • 一个独立的嵌入式系统，没有网络连接。
• Real-time Embedded System
  • 实时嵌入式系统，对时间要求非常严格。
• Networked Embedded System
  • 有网络连接的嵌入式系统，例如智能家居、智能城市等。
• Mobile Embedded System
  • 移动嵌入式系统，例如智能手机、智能手表等。

嵌入式系统的组成

嵌入式系统通常由以下几个部分组成：

• 硬件部分
  • 处理器 (Processor/CPU)
    • 通常是 Microprocessor 或者 Microcontroller
  • 也包含其他部分，比如板子上的供电以及别的接口和外设
    • 如 A/D, D/A, GPIO
  • 可能有用于加速的 FPGA 或者 ASIC
• 软件部分
  • （可选的）嵌入式操作系统
    • 比如 RTOS
  • 嵌入式软件
  • 不同外设的驱动

不同的电脑架构

冯诺伊曼架构和哈佛架构是两种计算机的基础架构

冯诺伊曼架构 (Von Neumann Architecture)	哈佛架构 (Harvard Architecture)
只有一条总线通向 Flash 和 RAM，程序和数据共享一条总线	有两条总线，分别用于程序和数据，可以同时访问程序和数据
速度慢，因为程序和数据共享一条总线	速度快，因为程序和数据分开存储
成本更低，因为只有一条总线，设计相对简单	成本更高，设计更加复杂

而 CPU 等组成如下

• 控制单元 (Control Unit, CU)
  • 控制整个计算机的操作，从 RAM 读取指令并翻译，读取对应的数据并让 ALU 操作
• 算术逻辑单元 (Arithmetic Logic Unit, ALU)
  • 执行算术和逻辑运算，从 RAM 读取的数据经过 ALU 进行运算
  • 运行加减乘除等基本运算及位运算和逻辑运算
• 寄存器 (Registers)
  • 用于存储指令、数据和地址
  • 有时候会有专门的寄存器用于存储特定的数据，比如专门的寄存器用于存储地址
  • 是高速存储器，用于存储 CPU 的工作数据，没有专门的地址

一些专有词汇：

• 接口 (Ports)
  • 输入接口 (Input Port)
    • 用于接收外界的数据输入
  • 输出接口 (Output Port)
    • 用于输出数据到外界
• 设备驱动 (Device Drivers)
  • 用于控制外设的软件
• 接口 (Interfaces)
  • 硬件：用于连接 CPU 和 I/O 设备、外置元件的接口
  • 软件：用于连接 CPU 和操作系统、应用程序的接口，即驱动程序
• 总线 (Bus)
  • 用于连接 CPU 和其他部件的通信线路
  • 有数据总线、地址总线和控制总线

MCU 和 MPU 的区别

参数	MCU (Microcontroller Unit)	MPU (Microprocessor Unit)
应用场景	用于特定任务的嵌入式系统	用于通用计算机系统
内部结构	集成内存、外设等, 封装在一起	内存、外设等是独立的
性能	低	高
开销	低	高
内存大小	2KB ~ 256KB	512MB ~ 32GB
存储大小	Flash Memory 32KB ~ 2MB	硬盘 128GB ~ 2TB
外设	UART, I2C, SPI	USB, UART, Ethernet

因此，MCU 适合于资源有限的嵌入式系统，而 MPU 适合于通用计算机系统。

总线 (Bus)

总线是一些传输信号的线路的集合，联通嵌入式主板上的各个部件。

总线的分类

总线可以分为这样几类：

• 地址总线 (Address Bus)
  • 从处理器向外部设备传送地址信息
• 数据总线 (Data Bus)
  • 数据总线是个双向 (bidirectional) 的总线
  • 用于传输数据
• 控制总线 (Control Bus)
  • 用于传输控制信息
  • 例如读写信号、中断信号等

我们把这三者结合起来的总线叫做 系统总线 (System Bus)。

数据传输方式

• 并行传输 (Parallel Transmission)
  • 一次传输多个比特
  • 使用多根线，每根线传输一个比特
  • 速度快，但是成本高
• 串行传输 (Serial Transmission)
  • 一次传输一个比特
  • 使用一根线传输一个比特
  • 速度慢，但是成本低

比较	并行传输	串行传输
速度	快	慢
传输线数	多条	单条
每次时钟传输 bit 数	多 bit	单 bit
成本	高	低
串扰	易受干扰	不易受干扰

串行总线更适合嵌入式系统，因为嵌入式系统对成本和功耗有要求，同时嵌入式系统传输的数据量不大。

而在有些数据量大并且延迟敏感的系统中，比如视频传输，会使用并行总线。