目录1、历史生态问题1.1、计算机发展的底层驱动力1.2、计算机从军用转化为民用1.3、摩尔定律1.4、通用与专业计算机1.5、为什么叫做嵌入式系统2发展生态问题2.1 arm发展史1. 起源Acorn计算机公司1983-19902. 独立与转型ARM控股公司成立19903. 移动时代崛起1990s-2000s4. 智能手机霸主2010s5. 超越移动多元化扩张6. 核心成功因素2.2 Soc3STM323.1 MCU3.2 STM321、历史生态问题1.1、计算机发展的底层驱动力1946年2⽉14号美国⼈发明第⼀台计算机埃尼阿克 ENIAC 由美国宾夕法尼亚⼤学为军⽅研制旨在计算炮弹弹道轨迹解决⼆战中新型武器研发的需求由物理学家约翰·莫奇利与年轻电气⼯程师普雷斯珀·埃克特时年仅25岁主导设计。从⼆战结束之后世界格局进入美苏冷战阶段苏联 1991 年解体但是⽃争⼀直在进⾏。 ⽃争体现在各个方面政治、军事、文化、科技等。⽽科技发展的原始动力就是因为有斗争。所以你应该听过军备竞赛和科技竞赛这样的说法。计算机就是在这样的背景下诞⽣和发展的。1.2、计算机从军用转化为民用在这样⽃争的背景下新的科技在初期诞⽣的时候基本都是以国家为主导主要应⽤于军⼯领域。⽐如1.电⼦计算机ENIAC为了算弹道、破密码⽽诞⽣。第⼀笔资⾦来⾃美国陆军军械部第⼀个任 务是给氢弹研制做计算。2. 互联⽹ARPANET为了在核战争下仍能分散指挥⽽建。主导者是美国国防部⾼级研究计划局 DARPA最初的节点连接到军⽅和⼤学实验室。3. 全球定位系统GPS为了让海陆空三军拥有实时、全天候的定位导航能⼒。由美国国防部出资、运营早期严格保密只供军⽅使⽤。4. 喷⽓式客机如波⾳707技术源头是B-47轰炸机和KC-135加油机。没有军⽅的订单和巨额研发投⼊跨洋⺠航时代的到来会推迟很多年。5. 集成电路/微处理器早期⼤规模订单和严苛的可靠性要求⼏乎全来⾃导弹制导如“⺠兵”导弹和航天计算机如阿波罗导航计算机。军⽅包销式的采购让半导体公司敢于⼤规模投⼊⽣产.实⼒相近叫斗争实⼒差距巨大就...科技发展你稍有领先我会⽴⻢跟进所以最后技术会趋同比拼核心比的是谁能⼀直领先要⼀直领先就必须要持续性的投⼊⼈⼒物⼒财⼒。单单靠政府投⼊那么这个过程就是不可持续的。 为了让科技创新可持续那么就必须给政府增加新的收⼊增⻓点解决⽅式就是军转⺠。我们的嵌入式就是从军用转化为民用的一个技术产品1.3、摩尔定律摩尔定律是半导体行业的一个著名观察和预测由英特尔联合创始人戈登·摩尔在1965年提出。其核心内容是集成电路上可容纳的晶体管数量大约每两年后修正为每18-24个月便会增加一倍同时性能提升一倍而成本则下降一半。嵌入式的关键就在于摩尔定律只有当规模绝对小了之后我们的计算机小型化提供可能1.4、通用与专业计算机计算机在⺠⽤过程中计算机是什么样⼦的完全取决于⼈们需要什么样⼦的即需求决定。我们有听歌/看电影/上⽹/打游戏/写⽂档/写代码等等需求⽽且要求⽤⼀台计算机全部解决于是就有了我们⼿⾥⾯的电脑也叫做个⼈PC这类电脑就是通⽤计算机的代表。国家需要进⾏科学研究如可控核聚变装置的控制与数据采集、天⽓预报的超级模拟、基因序列分析、密码破译等超⼤规模计算任务时单台个⼈电脑的性能远远不够。于是我们把成千上万个⾼性能计算单元CPU、GPU等通过⾼速网络连接起来组成⼀台巨型计算机——也就是超级计算机电视要被单独控制冰箱/洗⾐机/⽆⼈机/空调/微波炉/汽⻋/机械臂……我们并不需要它们像电脑⼀样能装各种软件、上⽹或打游戏只需要它们稳定、⾼效、低功耗地完成某⼀个或少数⼏个特定的任务。于是在这些设备内部都藏着⼀颗专⻔为它们设计的“⼩电脑”——也就是嵌⼊式计算机。它们看不⻅⿏标和桌⾯但能在按下按钮的瞬间做出响应。这类设备就是专⽤计算机的代表我们的嵌入式也是专用计算机的代表嵌⼊式为什么叫做嵌⼊式1.5、为什么叫做嵌入式系统⼀个计算机系统被“嵌入”到某个更大的设备或系统中成为其不可分割的⼀部分⽽不是作为⼀个独⽴的通⽤计算机存在。它不是独⽴产品 没有⼈会单独“购买⼀个嵌⼊式系统”。你买的是智能空调、⽆⼈机、⼼率监测⼿环。嵌⼊式系统是这些产品的“⼤脑”或“控制器”是产品实现智能化的内在组件。它藏⾝在内部 从你家的洗⾐机、微波炉到汽⻋的刹⻋系统、航空发动机再到智能⼿表、医疗监护仪……这些设备的内部都有⼀块或多块小的芯⽚和电路板。这个计算核⼼就是被“嵌⼊”在设备外壳之内的⽤⼾通常看不⻅也摸不着它。更重要的是它的软件和硬件都是为⼀个或多个特定的、专有的任务⽽量⾝定做的。也就是说它的功能是被“嵌⼊”在应⽤场景⾥的。功能单⼀且固定 ⼀台微波炉⾥的嵌⼊式系统它的全部使命就是控制⾯板、定时、设定⽕⼒、驱动磁控管。它永远不会在某个时刻变成⼀个MP3播放器。⽽你的电脑可以同时处理⽂档、看视频、上⽹。软硬件⾼度定制 为了完成这个特定任务⼯程师会精确地设计硬件需要⽤到哪些传感器需要⼏个按键要不要屏幕并编写恰好能完成这个任务的软件。多余的硬件和软件都不会有因为这关系到成本和可靠性正是由于这种“嵌⼊”的特性带来了它独特的设计哲学实时性 当汽⻋刹⻋踏板被踩下时嵌⼊式系统必须在⼏毫秒内作出反应。这种对“时限”的严格要求也是嵌⼊式的关键特征资源受限 为了成本和功耗嵌⼊式系统的运算能⼒、存储空间⽐如空调中内置的计算机, 可能只有⼏KB到⼏百KB的内存⽽你的电脑是⼏GB甚⾄⼏⼗GB都⾮常有限低功耗与低成本 为了能电池供电⽤很久⽐如智能⼿表或者让产品在市场上更具竞争⼒功耗和成本必须压到最低核⼼结论 通⽤计算机是“站出来让你⽤的”嵌⼊式是“蹲在⾥⾯替你⼲的”2发展生态问题我们⽇常使⽤的电脑⽐如台式机和笔记本⾥⾯的 CPU ⼤多采⽤ x86 架构 架构就是⼀种 CPU 核⼼类型、体系 ——这是桌⾯和服务器领域最主流的处理器架构。⽽到了嵌⼊式世界由于 对功耗、成本、体积的要求完全不同 CPU 核⼼架构就换了⼀批选⼿常⻅的有 51、ARM、PPC、MIPS、Xtensa、RISC-V 等。其中ARM 架构的应⽤范围最⼴从⼏⼗美分的芯⽚到⼿机处理器从智能⼿环到汽⻋电⼦⼏乎⽆处不在——可以说学嵌⼊式ARM 是绕不开的核⼼架构。无论你现在如何理解芯⽚但是芯⽚这种我们看不到的产品必须是依附于用户能接触到的终端产品才能⼤量发展起来的⽐如 intel 芯⽚和个⼈PC电脑 arm 芯⽚和⼿机⽽终端产品背后就是⼤量的需求。2.1 arm发展史ARMAdvanced RISC Machines的发展史是一部从学术研究到商业帝国再到移动计算霸主的传奇历程。1. 起源Acorn计算机公司1983-1990ARM的故事始于英国的Acorn计算机公司。1983年Acorn为BBC Micro计算机寻找新的处理器但当时的处理器如6502、Z80性能不足而更强大的处理器如摩托罗拉68000又太贵。于是Acorn决定自己设计一款处理器。1985年Acorn的工程师团队包括Sophie Wilson和Steve Furber开发出了第一代ARM处理器——ARM1。它的设计理念非常超前精简指令集RISC与当时主流的复杂指令集CISC不同ARM采用精简指令集每条指令执行时间固定硬件设计更简单低功耗ARM1的功耗只有当时其他处理器的1/10低成本晶体管数量少芯片面积小ARM1最初用于Acorn的Archimedes个人电脑但市场反响平平。2. 独立与转型ARM控股公司成立19901990年Acorn与苹果公司、VLSI Technology合资成立了Advanced RISC Machines Ltd.后更名为ARM Holdings。这次转型的关键决策是放弃制造专注设计ARM不再自己生产芯片而是授权IP知识产权给其他公司商业模式创新采用授权费版税模式客户支付一次性授权费获得设计再按芯片销量支付版税苹果的Newton PDA1993年是ARM早期的重要客户虽然Newton商业上失败但证明了ARM在移动设备上的潜力。3. 移动时代崛起1990s-2000s1990年代后期ARM迎来了转折点1997年德州仪器TI获得ARM授权用于数字信号处理器1998年ARM7TDMI成为经典被诺基亚、爱立信等手机厂商采用2001年ARMv6架构发布支持Thumb-2指令集进一步优化代码密度2007年苹果iPhone发布使用三星制造的ARM处理器开启了智能手机时代4. 智能手机霸主2010s2010年代ARM统治了移动市场2011年ARMv8架构发布首次支持64位计算2012年苹果A6芯片首次使用自定义ARM核心性能大幅提升2016年ARM被软银以320亿美元收购2020年苹果宣布Mac电脑将从Intel x86转向自研的ARM芯片Apple Silicon5. 超越移动多元化扩张如今ARM的版图早已超越手机物联网IoTCortex-M系列主导微控制器市场汽车电子Cortex-R系列用于实时控制Cortex-A系列用于信息娱乐系统服务器与数据中心亚马逊Graviton、Ampere Altra等ARM服务器芯片挑战x86高性能计算富士通的ARM芯片富岳曾登顶超级计算机排行榜6. 核心成功因素ARM成功的背后有几个关键因素能效比每瓦性能远超x86适合电池供电设备灵活性客户可以购买标准核心也可以深度定制生态系统建立了庞大的软件和工具链生态商业模式IP授权让更多公司能参与创新从BBC Micro的一个备选方案到全球95%智能手机的心脏再到挑战Intel的服务器霸主地位ARM的发展史完美诠释了小而美的设计哲学如何改变世界。对于嵌入式开发者而言理解ARM不仅是学习一种架构更是理解现代计算产业演进的关键脉络。结论ARM只设计 CPU 核心IP不制造 CPU 。然后通过 IP 授权和收取版权费用盈利造成这种经营⽅式是当时的商业竞争下的产物细节什么叫做IP核“IP”是 Intellectual Property 知识产权 的缩写是⼀个法律概念站在ARM 的⻆度ARM 卖的并非实体芯片而是受法律保护的芯片“设计方法”的使用权即其知识产权的使⽤权。芯片行业之所以用“IP”这个叫法是为了突出“设计”与“实物产品”的本质区别买芯片得到的是物理实体买IP核得到的是受法律保护的技术设计⽅案。它不是有形商品而是⼀份“设计方案”的使用权所以直观地称为“知识产权核”简称“IP核2.2 SocSoC 介绍SoC 是 System on a Chip 的缩写中文叫片上系统。就是把⼀个完整的电子系统集成到单个芯片上。你可以把传统的电脑主板理解成⼀个城市各个功能部件都是独⽴的CPU处理器 市政府⼤脑决策内存 图书馆临时存数据显卡 美术馆处理图像声卡 ⾳乐厅处理声⾳⽹卡 邮局负责通信各个芯⽚之间需要通过电路板上的⾼速公路总线来连接距离远、速度慢、功耗⼤。⽽ SoC 就是把这个城市的所有关键部⻔全部塞进同⼀栋⼤楼⾥ 市政府、图书馆、美术馆、⾳乐厅、邮局……全部在⼀栋楼⾥内部有专⽤电梯直接连通。所以你得到了⼀栋功能完整的超级⼤楼——这就是 SoCCPU vs SoC CPU 是⼀个负责通用计算的处理器核心。 SoC 是⼀颗芯片它包含了 CPU以及 GPU、内存控制器、NPU、ISP、DSP、音频处理器、各类接口控制器USB/PCIe/Wi-Fi/蓝⽛基带等构成⼀个“完整的微型计算机系统”。CPU是SoC的⼀部分SoC CPU 很多其他功能模块。集成在⼀起就意味着电路板走线短那么整个SoC就具有电池续航更长、更低的发热高带宽与低延迟、节省空间与成本、更高的可靠性等多种好处这也⽐较符合专用领域的需求。PC 使用CPU主流是 x86Intel/AMD收机/嵌入式主流是 ARM 架构的 SoC细节芯片不仅仅指的是CPU这类逻辑类芯片还有存储类芯片接⼝类芯片模拟类芯片包括各种传感器等都属于芯片范畴。3STM323.1 MCUMCU是Microcontroller Unit微控制单元的缩写中文常称为单⽚机Single Chip Microcomputer 从功能上看MCU是把处理器 CPU核⼼、存储器Flash、RAM、以及各种输⼊输出接口定时器、ADC、串⼝等 集成在⼀起形成⼀个芯片。从制造上看在极纯的硅片上经过光刻、刻蚀、沉积、离⼦注入等上百道工序把 CPU、Flash、RAM、ADC、定时器、串⼝等模块的晶体管⼀层层堆叠起来再把它们内部连通最终形成⼀个完整的芯⽚核心结论就是 MCU 内部除了 CPU还有其他模块那么 MCU 和之前提到的 SoC 是什么关系简单来说MCU微控制器可以看作是⼀种功能特定、高度集成的“SoC”。SoC 是⼀个更宽泛的概念而MCU 是这个概念下非常经典的⼀个分⽀。核心结论MCU 之所以存在是因为物理世界中海量的控制任务家电、电机、传感器等要求极低的成本、功耗和硬实时响应而通用处理器无法低成本兼顾这些——只有专们为控制而生的MCU才能在商业和技术上成为最优解。3.2 STM32STM32 是意法半导体STMicroelectronics基于 ARM Cortex-M 内核开发的一系列 32 位微控制器MCU自 2007 年推出以来已成为全球嵌入式领域最受欢迎、应用最广泛的 MCU 产品线之一。STM32 名称含义ST- 意法半导体STMicroelectronicsM- 微控制器Microcontroller32- 32 位架构STM32 的核心优势完整的生态系统STM32CubeMX图形化配置工具、STM32CubeIDE集成开发环境、HAL/LL 库、丰富的中间件RTOS、文件系统、网络协议栈等丰富的产品线从超低功耗到高性能从基础型到无线连接型覆盖几乎所有应用场景ARM Cortex-M 内核基于 ARM 架构享有庞大的软件生态和工具链支持出色的性价比在性能、功耗、价格之间取得了良好平衡强大的社区支持全球庞大的开发者社区丰富的学习资源和开源项目STM32 主要产品系列STM32F 系列- 基础型最早推出的系列应用最广泛STM32L 系列- 低功耗型专为电池供电设备设计STM32H 系列- 高性能型面向需要高算力的应用STM32G 系列- 通用型平衡性能与成本STM32W 系列- 无线型集成无线通信功能STM32MP 系列- 微处理器MPU运行 Linux 等复杂操作系统STM32 在嵌入式学习中的重要性行业标准STM32 已成为嵌入式开发的行业标准之一掌握 STM32 等于掌握了嵌入式开发的核心技能就业优势大量企业使用 STM32 进行产品开发掌握 STM32 能显著提升就业竞争力学习曲线平缓完善的工具链和丰富的学习资源降低了入门门槛知识可迁移掌握了 STM32 后学习其他 ARM Cortex-M 芯片会变得非常容易STM32 与其他 MCU 的对比各个厂商都会生产 MCU比如恩智浦(NXP)的 LPC 系列德州仪器(TI)的 MSP430 系列国内兆易创新(GD)的 GD32 系列乐鑫(Espressif) 的 ESP32 系列而意法半导体生产的 MCU 系列叫做 STM32。为什么选择 STM32 作为嵌入式学习入门生态完善从芯片到开发板从工具链到教程STM32 拥有最完整的生态系统社区活跃遇到问题容易找到解决方案有大量的中文资料和社区支持性价比高开发板价格亲民从几十元到几百元不等适合学生和初学者应用广泛工业控制、智能家居、消费电子、汽车电子等领域都有广泛应用技术延续性STM32 的技术栈可以平滑过渡到其他 ARM 平台甚至 Linux 嵌入式开发STM32 开发流程简介硬件选型根据项目需求选择合适的 STM32 型号环境搭建安装 STM32CubeIDE 或 Keil MDK 等开发工具工程配置使用 STM32CubeMX 进行引脚配置、时钟配置、外设初始化代码编写使用 HAL 库或 LL 库进行应用程序开发调试下载通过 ST-Link 或 J-Link 进行程序下载和调试测试验证功能测试、性能测试、稳定性测试总结STM32 不仅仅是一个芯片系列更是一个完整的嵌入式开发生态系统。对于嵌入式初学者而言选择 STM32 意味着站在了巨人的肩膀上——完善的工具链、丰富的学习资源、活跃的社区支持这些都能大大降低学习门槛加快从理论到实践的转化速度。在后续的学习中我们将从最基础的 GPIO 控制开始逐步深入到定时器、中断、通信接口、RTOS 等核心内容最终能够独立完成一个完整的嵌入式项目。
嵌入式历史与生态
目录1、历史生态问题1.1、计算机发展的底层驱动力1.2、计算机从军用转化为民用1.3、摩尔定律1.4、通用与专业计算机1.5、为什么叫做嵌入式系统2发展生态问题2.1 arm发展史1. 起源Acorn计算机公司1983-19902. 独立与转型ARM控股公司成立19903. 移动时代崛起1990s-2000s4. 智能手机霸主2010s5. 超越移动多元化扩张6. 核心成功因素2.2 Soc3STM323.1 MCU3.2 STM321、历史生态问题1.1、计算机发展的底层驱动力1946年2⽉14号美国⼈发明第⼀台计算机埃尼阿克 ENIAC 由美国宾夕法尼亚⼤学为军⽅研制旨在计算炮弹弹道轨迹解决⼆战中新型武器研发的需求由物理学家约翰·莫奇利与年轻电气⼯程师普雷斯珀·埃克特时年仅25岁主导设计。从⼆战结束之后世界格局进入美苏冷战阶段苏联 1991 年解体但是⽃争⼀直在进⾏。 ⽃争体现在各个方面政治、军事、文化、科技等。⽽科技发展的原始动力就是因为有斗争。所以你应该听过军备竞赛和科技竞赛这样的说法。计算机就是在这样的背景下诞⽣和发展的。1.2、计算机从军用转化为民用在这样⽃争的背景下新的科技在初期诞⽣的时候基本都是以国家为主导主要应⽤于军⼯领域。⽐如1.电⼦计算机ENIAC为了算弹道、破密码⽽诞⽣。第⼀笔资⾦来⾃美国陆军军械部第⼀个任 务是给氢弹研制做计算。2. 互联⽹ARPANET为了在核战争下仍能分散指挥⽽建。主导者是美国国防部⾼级研究计划局 DARPA最初的节点连接到军⽅和⼤学实验室。3. 全球定位系统GPS为了让海陆空三军拥有实时、全天候的定位导航能⼒。由美国国防部出资、运营早期严格保密只供军⽅使⽤。4. 喷⽓式客机如波⾳707技术源头是B-47轰炸机和KC-135加油机。没有军⽅的订单和巨额研发投⼊跨洋⺠航时代的到来会推迟很多年。5. 集成电路/微处理器早期⼤规模订单和严苛的可靠性要求⼏乎全来⾃导弹制导如“⺠兵”导弹和航天计算机如阿波罗导航计算机。军⽅包销式的采购让半导体公司敢于⼤规模投⼊⽣产.实⼒相近叫斗争实⼒差距巨大就...科技发展你稍有领先我会⽴⻢跟进所以最后技术会趋同比拼核心比的是谁能⼀直领先要⼀直领先就必须要持续性的投⼊⼈⼒物⼒财⼒。单单靠政府投⼊那么这个过程就是不可持续的。 为了让科技创新可持续那么就必须给政府增加新的收⼊增⻓点解决⽅式就是军转⺠。我们的嵌入式就是从军用转化为民用的一个技术产品1.3、摩尔定律摩尔定律是半导体行业的一个著名观察和预测由英特尔联合创始人戈登·摩尔在1965年提出。其核心内容是集成电路上可容纳的晶体管数量大约每两年后修正为每18-24个月便会增加一倍同时性能提升一倍而成本则下降一半。嵌入式的关键就在于摩尔定律只有当规模绝对小了之后我们的计算机小型化提供可能1.4、通用与专业计算机计算机在⺠⽤过程中计算机是什么样⼦的完全取决于⼈们需要什么样⼦的即需求决定。我们有听歌/看电影/上⽹/打游戏/写⽂档/写代码等等需求⽽且要求⽤⼀台计算机全部解决于是就有了我们⼿⾥⾯的电脑也叫做个⼈PC这类电脑就是通⽤计算机的代表。国家需要进⾏科学研究如可控核聚变装置的控制与数据采集、天⽓预报的超级模拟、基因序列分析、密码破译等超⼤规模计算任务时单台个⼈电脑的性能远远不够。于是我们把成千上万个⾼性能计算单元CPU、GPU等通过⾼速网络连接起来组成⼀台巨型计算机——也就是超级计算机电视要被单独控制冰箱/洗⾐机/⽆⼈机/空调/微波炉/汽⻋/机械臂……我们并不需要它们像电脑⼀样能装各种软件、上⽹或打游戏只需要它们稳定、⾼效、低功耗地完成某⼀个或少数⼏个特定的任务。于是在这些设备内部都藏着⼀颗专⻔为它们设计的“⼩电脑”——也就是嵌⼊式计算机。它们看不⻅⿏标和桌⾯但能在按下按钮的瞬间做出响应。这类设备就是专⽤计算机的代表我们的嵌入式也是专用计算机的代表嵌⼊式为什么叫做嵌⼊式1.5、为什么叫做嵌入式系统⼀个计算机系统被“嵌入”到某个更大的设备或系统中成为其不可分割的⼀部分⽽不是作为⼀个独⽴的通⽤计算机存在。它不是独⽴产品 没有⼈会单独“购买⼀个嵌⼊式系统”。你买的是智能空调、⽆⼈机、⼼率监测⼿环。嵌⼊式系统是这些产品的“⼤脑”或“控制器”是产品实现智能化的内在组件。它藏⾝在内部 从你家的洗⾐机、微波炉到汽⻋的刹⻋系统、航空发动机再到智能⼿表、医疗监护仪……这些设备的内部都有⼀块或多块小的芯⽚和电路板。这个计算核⼼就是被“嵌⼊”在设备外壳之内的⽤⼾通常看不⻅也摸不着它。更重要的是它的软件和硬件都是为⼀个或多个特定的、专有的任务⽽量⾝定做的。也就是说它的功能是被“嵌⼊”在应⽤场景⾥的。功能单⼀且固定 ⼀台微波炉⾥的嵌⼊式系统它的全部使命就是控制⾯板、定时、设定⽕⼒、驱动磁控管。它永远不会在某个时刻变成⼀个MP3播放器。⽽你的电脑可以同时处理⽂档、看视频、上⽹。软硬件⾼度定制 为了完成这个特定任务⼯程师会精确地设计硬件需要⽤到哪些传感器需要⼏个按键要不要屏幕并编写恰好能完成这个任务的软件。多余的硬件和软件都不会有因为这关系到成本和可靠性正是由于这种“嵌⼊”的特性带来了它独特的设计哲学实时性 当汽⻋刹⻋踏板被踩下时嵌⼊式系统必须在⼏毫秒内作出反应。这种对“时限”的严格要求也是嵌⼊式的关键特征资源受限 为了成本和功耗嵌⼊式系统的运算能⼒、存储空间⽐如空调中内置的计算机, 可能只有⼏KB到⼏百KB的内存⽽你的电脑是⼏GB甚⾄⼏⼗GB都⾮常有限低功耗与低成本 为了能电池供电⽤很久⽐如智能⼿表或者让产品在市场上更具竞争⼒功耗和成本必须压到最低核⼼结论 通⽤计算机是“站出来让你⽤的”嵌⼊式是“蹲在⾥⾯替你⼲的”2发展生态问题我们⽇常使⽤的电脑⽐如台式机和笔记本⾥⾯的 CPU ⼤多采⽤ x86 架构 架构就是⼀种 CPU 核⼼类型、体系 ——这是桌⾯和服务器领域最主流的处理器架构。⽽到了嵌⼊式世界由于 对功耗、成本、体积的要求完全不同 CPU 核⼼架构就换了⼀批选⼿常⻅的有 51、ARM、PPC、MIPS、Xtensa、RISC-V 等。其中ARM 架构的应⽤范围最⼴从⼏⼗美分的芯⽚到⼿机处理器从智能⼿环到汽⻋电⼦⼏乎⽆处不在——可以说学嵌⼊式ARM 是绕不开的核⼼架构。无论你现在如何理解芯⽚但是芯⽚这种我们看不到的产品必须是依附于用户能接触到的终端产品才能⼤量发展起来的⽐如 intel 芯⽚和个⼈PC电脑 arm 芯⽚和⼿机⽽终端产品背后就是⼤量的需求。2.1 arm发展史ARMAdvanced RISC Machines的发展史是一部从学术研究到商业帝国再到移动计算霸主的传奇历程。1. 起源Acorn计算机公司1983-1990ARM的故事始于英国的Acorn计算机公司。1983年Acorn为BBC Micro计算机寻找新的处理器但当时的处理器如6502、Z80性能不足而更强大的处理器如摩托罗拉68000又太贵。于是Acorn决定自己设计一款处理器。1985年Acorn的工程师团队包括Sophie Wilson和Steve Furber开发出了第一代ARM处理器——ARM1。它的设计理念非常超前精简指令集RISC与当时主流的复杂指令集CISC不同ARM采用精简指令集每条指令执行时间固定硬件设计更简单低功耗ARM1的功耗只有当时其他处理器的1/10低成本晶体管数量少芯片面积小ARM1最初用于Acorn的Archimedes个人电脑但市场反响平平。2. 独立与转型ARM控股公司成立19901990年Acorn与苹果公司、VLSI Technology合资成立了Advanced RISC Machines Ltd.后更名为ARM Holdings。这次转型的关键决策是放弃制造专注设计ARM不再自己生产芯片而是授权IP知识产权给其他公司商业模式创新采用授权费版税模式客户支付一次性授权费获得设计再按芯片销量支付版税苹果的Newton PDA1993年是ARM早期的重要客户虽然Newton商业上失败但证明了ARM在移动设备上的潜力。3. 移动时代崛起1990s-2000s1990年代后期ARM迎来了转折点1997年德州仪器TI获得ARM授权用于数字信号处理器1998年ARM7TDMI成为经典被诺基亚、爱立信等手机厂商采用2001年ARMv6架构发布支持Thumb-2指令集进一步优化代码密度2007年苹果iPhone发布使用三星制造的ARM处理器开启了智能手机时代4. 智能手机霸主2010s2010年代ARM统治了移动市场2011年ARMv8架构发布首次支持64位计算2012年苹果A6芯片首次使用自定义ARM核心性能大幅提升2016年ARM被软银以320亿美元收购2020年苹果宣布Mac电脑将从Intel x86转向自研的ARM芯片Apple Silicon5. 超越移动多元化扩张如今ARM的版图早已超越手机物联网IoTCortex-M系列主导微控制器市场汽车电子Cortex-R系列用于实时控制Cortex-A系列用于信息娱乐系统服务器与数据中心亚马逊Graviton、Ampere Altra等ARM服务器芯片挑战x86高性能计算富士通的ARM芯片富岳曾登顶超级计算机排行榜6. 核心成功因素ARM成功的背后有几个关键因素能效比每瓦性能远超x86适合电池供电设备灵活性客户可以购买标准核心也可以深度定制生态系统建立了庞大的软件和工具链生态商业模式IP授权让更多公司能参与创新从BBC Micro的一个备选方案到全球95%智能手机的心脏再到挑战Intel的服务器霸主地位ARM的发展史完美诠释了小而美的设计哲学如何改变世界。对于嵌入式开发者而言理解ARM不仅是学习一种架构更是理解现代计算产业演进的关键脉络。结论ARM只设计 CPU 核心IP不制造 CPU 。然后通过 IP 授权和收取版权费用盈利造成这种经营⽅式是当时的商业竞争下的产物细节什么叫做IP核“IP”是 Intellectual Property 知识产权 的缩写是⼀个法律概念站在ARM 的⻆度ARM 卖的并非实体芯片而是受法律保护的芯片“设计方法”的使用权即其知识产权的使⽤权。芯片行业之所以用“IP”这个叫法是为了突出“设计”与“实物产品”的本质区别买芯片得到的是物理实体买IP核得到的是受法律保护的技术设计⽅案。它不是有形商品而是⼀份“设计方案”的使用权所以直观地称为“知识产权核”简称“IP核2.2 SocSoC 介绍SoC 是 System on a Chip 的缩写中文叫片上系统。就是把⼀个完整的电子系统集成到单个芯片上。你可以把传统的电脑主板理解成⼀个城市各个功能部件都是独⽴的CPU处理器 市政府⼤脑决策内存 图书馆临时存数据显卡 美术馆处理图像声卡 ⾳乐厅处理声⾳⽹卡 邮局负责通信各个芯⽚之间需要通过电路板上的⾼速公路总线来连接距离远、速度慢、功耗⼤。⽽ SoC 就是把这个城市的所有关键部⻔全部塞进同⼀栋⼤楼⾥ 市政府、图书馆、美术馆、⾳乐厅、邮局……全部在⼀栋楼⾥内部有专⽤电梯直接连通。所以你得到了⼀栋功能完整的超级⼤楼——这就是 SoCCPU vs SoC CPU 是⼀个负责通用计算的处理器核心。 SoC 是⼀颗芯片它包含了 CPU以及 GPU、内存控制器、NPU、ISP、DSP、音频处理器、各类接口控制器USB/PCIe/Wi-Fi/蓝⽛基带等构成⼀个“完整的微型计算机系统”。CPU是SoC的⼀部分SoC CPU 很多其他功能模块。集成在⼀起就意味着电路板走线短那么整个SoC就具有电池续航更长、更低的发热高带宽与低延迟、节省空间与成本、更高的可靠性等多种好处这也⽐较符合专用领域的需求。PC 使用CPU主流是 x86Intel/AMD收机/嵌入式主流是 ARM 架构的 SoC细节芯片不仅仅指的是CPU这类逻辑类芯片还有存储类芯片接⼝类芯片模拟类芯片包括各种传感器等都属于芯片范畴。3STM323.1 MCUMCU是Microcontroller Unit微控制单元的缩写中文常称为单⽚机Single Chip Microcomputer 从功能上看MCU是把处理器 CPU核⼼、存储器Flash、RAM、以及各种输⼊输出接口定时器、ADC、串⼝等 集成在⼀起形成⼀个芯片。从制造上看在极纯的硅片上经过光刻、刻蚀、沉积、离⼦注入等上百道工序把 CPU、Flash、RAM、ADC、定时器、串⼝等模块的晶体管⼀层层堆叠起来再把它们内部连通最终形成⼀个完整的芯⽚核心结论就是 MCU 内部除了 CPU还有其他模块那么 MCU 和之前提到的 SoC 是什么关系简单来说MCU微控制器可以看作是⼀种功能特定、高度集成的“SoC”。SoC 是⼀个更宽泛的概念而MCU 是这个概念下非常经典的⼀个分⽀。核心结论MCU 之所以存在是因为物理世界中海量的控制任务家电、电机、传感器等要求极低的成本、功耗和硬实时响应而通用处理器无法低成本兼顾这些——只有专们为控制而生的MCU才能在商业和技术上成为最优解。3.2 STM32STM32 是意法半导体STMicroelectronics基于 ARM Cortex-M 内核开发的一系列 32 位微控制器MCU自 2007 年推出以来已成为全球嵌入式领域最受欢迎、应用最广泛的 MCU 产品线之一。STM32 名称含义ST- 意法半导体STMicroelectronicsM- 微控制器Microcontroller32- 32 位架构STM32 的核心优势完整的生态系统STM32CubeMX图形化配置工具、STM32CubeIDE集成开发环境、HAL/LL 库、丰富的中间件RTOS、文件系统、网络协议栈等丰富的产品线从超低功耗到高性能从基础型到无线连接型覆盖几乎所有应用场景ARM Cortex-M 内核基于 ARM 架构享有庞大的软件生态和工具链支持出色的性价比在性能、功耗、价格之间取得了良好平衡强大的社区支持全球庞大的开发者社区丰富的学习资源和开源项目STM32 主要产品系列STM32F 系列- 基础型最早推出的系列应用最广泛STM32L 系列- 低功耗型专为电池供电设备设计STM32H 系列- 高性能型面向需要高算力的应用STM32G 系列- 通用型平衡性能与成本STM32W 系列- 无线型集成无线通信功能STM32MP 系列- 微处理器MPU运行 Linux 等复杂操作系统STM32 在嵌入式学习中的重要性行业标准STM32 已成为嵌入式开发的行业标准之一掌握 STM32 等于掌握了嵌入式开发的核心技能就业优势大量企业使用 STM32 进行产品开发掌握 STM32 能显著提升就业竞争力学习曲线平缓完善的工具链和丰富的学习资源降低了入门门槛知识可迁移掌握了 STM32 后学习其他 ARM Cortex-M 芯片会变得非常容易STM32 与其他 MCU 的对比各个厂商都会生产 MCU比如恩智浦(NXP)的 LPC 系列德州仪器(TI)的 MSP430 系列国内兆易创新(GD)的 GD32 系列乐鑫(Espressif) 的 ESP32 系列而意法半导体生产的 MCU 系列叫做 STM32。为什么选择 STM32 作为嵌入式学习入门生态完善从芯片到开发板从工具链到教程STM32 拥有最完整的生态系统社区活跃遇到问题容易找到解决方案有大量的中文资料和社区支持性价比高开发板价格亲民从几十元到几百元不等适合学生和初学者应用广泛工业控制、智能家居、消费电子、汽车电子等领域都有广泛应用技术延续性STM32 的技术栈可以平滑过渡到其他 ARM 平台甚至 Linux 嵌入式开发STM32 开发流程简介硬件选型根据项目需求选择合适的 STM32 型号环境搭建安装 STM32CubeIDE 或 Keil MDK 等开发工具工程配置使用 STM32CubeMX 进行引脚配置、时钟配置、外设初始化代码编写使用 HAL 库或 LL 库进行应用程序开发调试下载通过 ST-Link 或 J-Link 进行程序下载和调试测试验证功能测试、性能测试、稳定性测试总结STM32 不仅仅是一个芯片系列更是一个完整的嵌入式开发生态系统。对于嵌入式初学者而言选择 STM32 意味着站在了巨人的肩膀上——完善的工具链、丰富的学习资源、活跃的社区支持这些都能大大降低学习门槛加快从理论到实践的转化速度。在后续的学习中我们将从最基础的 GPIO 控制开始逐步深入到定时器、中断、通信接口、RTOS 等核心内容最终能够独立完成一个完整的嵌入式项目。
