文章集合嵌入式系列https://blog.csdn.net/2401_88433210/category_13196870.html?fromshareblogcolumnsharetypeblogcolumnsharerId13196870sharereferPCsharesource2401_88433210sharefromfrom_link一、历史生态问题嵌入式系统本质是计算机的一个发展分支想要理清嵌入式相关历史与生态需要先梳理计算机诞生与生态发展历程。1. 计算机发展的底层驱动力故事开端1946 年 2 月 14 日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受军方委托研制初衷是计算炮弹弹道轨迹满足二战新式武器研发需求由物理学家约翰・莫奇利、年轻工程师普雷斯珀・埃克特时年 25 岁主导设计。硬件参数占地约 170㎡、重达 30 吨、功耗 150 千瓦传闻开机时费城城区灯光会短暂变暗内部搭载 18800 个电子管每秒可完成 5000 次加法运算历史意义计算机时代开端参与氢弹早期计算运行世界首个数值天气预报程序开创气象预报新纪元二战结束后世界进入美苏冷战阶段苏联 1991 年解体双方在政治、军事、文化、科技全方位博弈军备竞赛、科技竞赛成为科技发展原始动力计算机正是诞生于这一冷战对峙背景下。核心结论计算机发展的底层驱动力是主导国家之间的竞争博弈。2. 军转民冷战背景下早期高新技术均由国家主导研发最先落地应用于军工领域典型案例电子计算机ENIAC为弹道测算、密码破译诞生研发资金来自美国陆军军械部首个任务是氢弹研制计算互联网ARPANET核战争环境下保障指挥链路不中断而搭建由美国国防部高级研究计划局DARPA主导初期节点仅连接军方、高校实验室全球定位系统GPS实现陆海空三军全天候实时定位导航美国国防部出资运营早期严格保密仅供军队使用喷气式客机波音 707技术源头为 B-47 轰炸机、KC-135 加油机依靠军方大额订单与研发投入才得以诞生集成电路 / 微处理器早期大规模订单、严苛可靠性需求均来自导弹制导民兵导弹、航天导航计算机阿波罗计划军方全包采购模式让半导体企业敢于投入大规模量产竞争规律实力相近则持续比拼技术实力差距过大落后方会快速跟进追赶最终技术走向趋同持续领先需要源源不断的人力、物力、财力投入单纯依靠政府财政投入无法长久维系。为实现科技创新可持续发展需要给政府开辟新收入增长点这套方案就是军转民军工技术向民用领域下放、转化。互联网就是军转民典型项目大量科技公司都由这套体系间接孵化而来。补充也存在民间技术反向赋能军工的案例如无人机军转民催生的大众产品互联网、GPS 北斗导航、微波炉、罐头食品、计算机等。核心结论军转民是国家长久保持技术领先的核心发展模式之一。3. 摩尔定律1965 年英特尔联合创始人戈登・摩尔在《电子学》杂志发表文章提出观测结论 芯片内部可容纳的晶体管数量约每 12 个月翻一番1975 年他修正周期为每 18~24 个月晶体管数量翻倍该规律被业界广泛认可即为摩尔定律核心内容。核心结论摩尔定律为计算机小型化提供了可能。4. 通用计算机与专用计算机计算机形态完全由实际使用需求决定整体分为三大类别通用计算机PC 个人电脑可同时满足影音娱乐、上网、编程、文档编辑、游戏等所有场景需求硬件软件适配全部日常任务台式机、笔记本都属于通用计算机。超级计算机面向国家级超大算力任务气象预报、基因测序、密码破译、航空航天仿真等将海量 CPU/GPU 节点通过高速网络互联提供极致并行计算能力。专用计算机嵌入式系统冰箱、空调、无人机、汽车电控、工业机械臂内部的微型控制单元不需要兼容全部场景只为单一固定功能设计追求低功耗、高实时性、运行稳定没有键盘、显示器等人机交互外设按下指令即可快速响应。核心结论嵌入式系统专用计算机诞生初衷是以低成本方案解决某一特定领域的专属问题。5. 嵌入式系统诞生脉络嵌入式系统诞生初期完全服务于军工领域后续依托军转民政策逐步走入民用场景整体四个发展阶段阶段时间代表事件 技术核心特点萌芽期纯军工应用1960 年代阿波罗导航计算机、战机机载计算机无民用属性只为导弹、战机、潜艇制导控制服务技术溢出分工与小型化1970 年代Intel 4004首款商用微处理器、首款单片机芯片体积缩小、成本下降具备简单可编程能力民用扩展工业 消费电子1980 年代8051 经典单片机、汽车电子普及单片机走入家电、工业设备民用嵌入式起步全面普及后 PC 时代1990 年代诺基亚手机、DVD、各类智能家居家电嵌入式设备全面普及渗透日常生活方方面面早期军工嵌入式核心应用场景制导系统导弹实时弹道解算、姿态控制嵌入式最早核心场景火控系统战机雷达探测、武器瞄准计算加密通信军用通信设备的安全芯片、信号处理单元 1980 年代中后期单片机才少量进入洗衣机、电子琴等民用家电。核心结论嵌入式系统属于专用计算机完整发展历程处处体现军工研发 军转民转化的印记。6. 嵌入式为何被称作 “嵌入式”核心定义将微型计算机内核嵌入到大型整机设备内部成为设备不可分割的组成部分而非独立可拆分的电脑产品。无独立整机形态无法单独买到一台 “嵌入式系统”它内嵌在空调、汽车、手环、医疗监护仪等设备内部软硬件高度定制软硬件全部围绕单一任务量身设计冗余硬件、多余软件全部剔除最大限度压缩成本、功耗三大核心特性✅ 实时性必须在极短时间内响应外部指令如汽车刹车系统毫秒级反馈✅ 资源受限算力、内存、存储空间远小于电脑硬件资源十分精简✅ 功耗 成本极低依靠低功耗设计实现长久续航平价适配各类终端产品。通俗对比总结通用计算机电脑是摆在台面上任由你自由使用、安装各类软件的设备嵌入式系统藏在设备内部默默后台运行、专一完成固定工作的微型计算单元。二、 认识计算机有了上面的认知我们再来重新认识一下 计算机就会有不一样的感受。 计算机其实是一个非常广义的概念不仅仅指我们平时所说的 电脑它会存在各种不同的形态但其实本质无非就是为了满足不同的应用场景诞生的设备表现形式无非就是解决通用问题高算问题还是专用问题。1. 个人电脑PC最熟悉的计算机也就是 台式机 和 笔记本。 PC 对同学们来说不止是游戏机更是生产力工具未来参加工作后 吃饭的家伙。⚠️ 注意台式机的本体是 机箱而不是 显示器2. 智能手机 / 平板电脑这个部分想必也是非常熟悉智能手机已经和我们的日常生活密不可分。 现在人们早上睁眼第一件事通常就是摸自己的手机。之所以把 平板电脑 和智能手机归为一类主要是因为他们共用相同的系统和软件生态。 平板电脑虽然叫做 电脑实际上更像是屏幕大一些的手机功能和应用场景大多是重叠的。⚠️ 注意随着技术发展目前手机和平板电脑的算力大幅度提升相当于 PC 端几年前的算力水平。受限于软件生态手机和平板电脑还无法承担 生产力工具 这样的重任尤其是对于程序员行业来说。3. 服务器大家也许没见过真实的服务器但是我们日常使用的各种软件 / 网站几乎都和服务器密切相关。点一个外卖需要外卖的客户端软件和外卖服务器进行交互打开一个百度搜索需要浏览器和百度服务器进行交互C/S 结构客户端 / 服务器结构外卖软件客户端发送请求我要获取商家列表→ 外卖服务器外卖服务器返回响应商家列表数据→ 外卖软件客户端B/S 结构浏览器 / 服务器结构浏览器发送请求我要百度首页→ 百度服务器 百度服务器返回响应百度首页内容→ 浏览器⚠️ 标注Client / Server即客户端 / 服务器架构Browser / Server即浏览器 / 服务器架构无论是 C/S 还是 B/S服务器都是其中非常重要的环节核心的数据管理和业务逻辑都是在服务器端完成的由于同一时刻会有很多的客户端 / 浏览器访问服务器意味着服务器需要有非常强大的算力支撑用户请求。 因此服务器的硬件配置会比较高提供的运算能力和存储能力都远远超过个人电脑。 同时服务器对于周围的温度湿度等环境指标要求苛刻通常企业级服务器都是托管在专业的机房中的我们普通人很难直接接触到。翻阅上古时期的典籍20 年前的计算机教材流传着一个说法 计算机分成超算大型机中型机小型机微机PC随着时代的发展大型机 中型机 小型机 这样的说法已经逐渐消失了演化成了现在的高性能服务器。 所以服务器可以认为是 一人之下万人之上超算之下算力第一的存在。 但是尽管如此服务器这个东西大部分情况下依旧被归类为通用计算机范畴。4. 单片机服务器通常意味着 高性能昂贵相比之下单片机则是另一个极端通常意味着 性能低成本低。我们生活中的很多设备内部都嵌入了一个小型的计算机称为 单片机也叫 Microcontrollers Unit (微型控制单元 MCU) 或者 Single Chip Microcomputer (单片微型计算机)。应用场景空调、洗衣机、冰箱、电饭煲、路由器、扫地机器人等家电设备 除此之外工业、汽车、航空航天、通信、医疗等领域也在大范围使用单片机。PC、服务器这类设备属于通用计算机可以自由安装各类程序适配海量场景单片机属于专用计算机仅针对单一固定场景设计只需要完成特定任务不需要富余算力。 举例空调单片机只负责调控温度、风速、风向无需额外娱乐功能冰箱单片机只负责控温、照明、除湿等基础功能补充备注市面上也有搭载大屏、可刷短视频的智能冰箱属于衍生设计单片机特点体积小巧、硬件成本低廉。单片机 vs 嵌入式系统关系 区别从属关系单片机是搭建嵌入式系统的核心硬件载体绝大多数嵌入式系统都以单片机作为主控 大脑。概念区别单片机具体、可编程的硬件芯片实体元器件嵌入式系统完整的整套系统概念包含单片机、外围电路、传感器、驱动软件、应用程序等软硬件整体专门面向特定功能开发。通俗类比 单片机≈老板嵌入式系统≈完整公司 、单片机≈手机处理器嵌入式系统≈整部智能手机三、嵌入式系统的技术方向嵌入式系统按核心处理器 / 计算架构可划分为以下 4 个方向1. MCU 方向什么是 MCUMCU 全称是 Microcontroller Unit是将处理器内核、存储器Flash/RAM、外设接口UART / SPI / I2C / ADC / Timer 等集成在单一芯片上的微型处理器。它强调实时性、低功耗、低成本通常运行裸机程序或轻量级 RTOS实时操作系统。典型芯片举例厂商典型芯片ST意法半导体STM32F103/F407/H743NXPLPC1768、i.MX RT1062MicrochipATmega328P、SAM D21TIMSP430G2553、MSP432E401YEspressif乐鑫ESP32、ESP32-C3/S3兆易创新GD32F103、GD32E230应用领域消费电子遥控器、小家电、智能手表等。工业控制电机驱动、传感器采集等。汽车电子车窗控制、雨刷控制、BMS 系统等。物联网终端智能灯泡、传感器节点、网关等。通信设备蓝牙模块、Zigbee 节点、4G 模块等。2. 应用处理器方向什么是应用处理器应用处理器是以高性能 CPU 核心为主集成 GPU、NPU、ISP、视频编解码器等多媒体 / 计算加速模块的微型处理器。它通常会运行 Linux、Android 等复杂操作系统需要外部 DDR 和 eMMC/SD 存储强调高算力、丰富多媒体性能、复杂的软件生态。典型芯片举例厂商典型芯片NXPi.MX6ULL、i.MX8M Plus瑞芯微RK3568、RK3588全志H616高通骁龙 8 Gen 3联发科天玑 9300华为海思Hi3516DV300博通BCM2711树莓派 4、BCM2712树莓派 5应用领域智能终端手机、平板、智能手表等。车载信息娱乐车机、仪表盘、行车记录仪等。工业互联网边缘计算网关、工业 HMI 智能屏等。机器人 / 无人机视觉导航、SLAM 计算等。智慧大屏广告机、教育一体机等。3. FPGA 方向什么是 FPGAFPGA 全称是 Field-Programmable Gate Array现场可编程门阵列是一种内部包含大量可编程逻辑块CLB、可编程互连和 I/O 模块的半导体器件。用户通过编写 HDL 代码Verilog/VHDL来定义硬件逻辑实现任意数字电路的功能。其核心特点是硬件可重构、并行执行、纳秒级延迟兼具 ASIC 的性能和软件的灵活性。典型芯片举例厂商典型芯片Xilinx (AMD)Spartan-7、Artix-7、Kintex-7、Zynq-7000、VersalIntel (Altera)Cyclone IV/V、Stratix 10LatticeiCE40、ECP5高云半导体GW1N、GW2A、GW5A国产安路科技EF2、EG4、PH1国产应用领域通信 / 5G基带信号处理、协处理加速等。视频图像处理高速视频缩放、色彩空间转换等。工业控制多轴伺服控制、高速数据采集等。航空航天星载计算、机载雷达等。AI 推理加速CNN 加速器搭配 CPU 使用。芯片原型验证ASIC 流片前的功能验证。4. DSP 方向什么是 DSPDSP 全称 Digital Signal Processor数字信号处理器是专门为数字信号处理算法优化的处理器其硬件架构针对乘累加运算、循环寻址、零开销循环等做了特殊设计可在单时钟周期内完成乘加运算。强调实时性、高精度数值计算适合处理音频、视频、通信等连续信号流。典型芯片举例厂商典型芯片TITMS320C6000C6748/C6657、TMS320C2000F28335/F28379DADIADSP-21489、ADSP-SC589SHARCARMCEVACEVA-XM4/BX1授权 IP 核CadenceTensilica HiFi 5、Vision P6授权 IP 核应用领域音频处理主动降噪、语音编解码、回声消除等。电机控制FOC 矢量控制TI C2000 系列是经典等。⚠️ 重要趋势独立 DSP 芯片市场已严重萎缩越来越多 DSP 功能以 IP 核形式集成到 SoC 中如手机 SoC 内置 HiFi DSP 处理音频或由 MCU DSP 指令集例如Cortex-M4/F7 的 DSP 扩展指令替代。 另外DSP 的易用性不如 MCU 和应用处理器处理速度实时性指标又不如 FPGA 实现的数字电路这也是独立 DSP 芯片市场份额越来越少的原因。5. 多技术融合实际上稍微复杂的嵌入式系统都不是由单一嵌入式技术方向实现的通常会将 MCU、应用处理器、FPGA、DSP 组合着使用一块电路板上集成多块芯片互相互联。为了适应这种应用场景其实在单芯片内部就实现了多种技术融合而且这种技术不是最近才产生的以下是一些典型的融合方式示例融合形态示例MCUDSP 指令ST 的 STM32F4Cortex-M4F 带 DSP/SIMD 指令FPGAMCUIntelAltera的 FPGAFPGA 中可以添加 NIOS 软核FPGACPUXilinx 的 Zynq 系列FPGA 内置 Cortex-A53 硬核CPUMCUTI 的 AM6254Cortex-A53 Cortex-M4CPUDSPTI 的 66AK2G02Cortex-A15 C66x (DSP)MCUDSPTI 的 F28388DCortex-M4 C28x (DSP)CPUMCUDSP全志的 T527Cortex-A55 HiFi4 DSP RISC-V MCU核心结论嵌入式开发有很多方向偏软的偏硬的MCU 开发其实是一个偏向软件开发范畴的方向
