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單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)幾分鐘讓你了解透徹
時(shí)間：2018-07-18 來(lái)源：未知
現(xiàn)在是技術(shù)橫飛的時(shí)代，尤其是嵌入式發(fā)展很快，不止這個(gè)當(dāng)然也還有單片機(jī)，有很多剛開始接觸嵌入式和單片機(jī)的人，他們都會(huì)這樣問(wèn)我，這兩者有什么區(qū)別嗎，有些學(xué)者們?cè)趩?wèn)到這個(gè)問(wèn)題的時(shí)候，一般的回答都會(huì)是兩者沒(méi)什么區(qū)別吧，因?yàn)閷?duì)于單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，沒(méi)有什么標(biāo)準(zhǔn)的定義來(lái)區(qū)別他們，可以說(shuō)每個(gè)人的想法都不一樣，對(duì)這兩個(gè)的理解也不一樣，那我這個(gè)小牛就來(lái)談?wù)勎覍?duì)單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)的理解，讓你可以透徹的來(lái)了解。
對(duì)于單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，我們要想知道他們之間的區(qū)別，或者其他的，那剛開始就需要了解這兩個(gè)，首先單片機(jī)：首先明確概念，什么是單片機(jī)，單片機(jī)是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能(可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路)集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)域。
就像現(xiàn)在我們都在使用的51單片機(jī)外觀只是一塊一個(gè)拇指大小的長(zhǎng)方體芯片，共40個(gè)引腳，里面包含了邏輯運(yùn)算單元。實(shí)際上也就是一個(gè)CPU。
總結(jié)，單片機(jī)就是完成運(yùn)算、邏輯控制、通信等功能的單一模塊。也就是單片機(jī)真的姓“單”。DSP芯片也可以認(rèn)為是一個(gè)單片機(jī)。當(dāng)然它們性能很強(qiáng)大，但是功能依然很單一，總之就是處理數(shù)據(jù)、邏輯。
那接下來(lái)就是嵌入式系統(tǒng)了，一般說(shuō)嵌入式都是指嵌入式系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)是將應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)、和計(jì)算機(jī)硬件在一起的系統(tǒng)，是指以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，其針對(duì)的用戶應(yīng)用對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗和使用環(huán)境有特殊要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。IEEE(Instituteof Electrical and ElectronicsEngineers，美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì))對(duì)嵌入式系統(tǒng)的定義：“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置”。
也就是說(shuō)嵌入式系統(tǒng)是軟硬件結(jié)合體，國(guó)內(nèi)普遍認(rèn)同的嵌入式系統(tǒng)定義為：以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
對(duì)于嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，分為嵌入式硬件和軟件
硬件層：
硬件層中包含嵌入式微處理器、存儲(chǔ)器(SDRAM、ROM、Flash等)、通用設(shè)備接口和I/O接口(A/D、D/A、I/O等)。在一片嵌入式處理器基礎(chǔ)上添加電源電路、時(shí)鐘電路和存儲(chǔ)器電路，就構(gòu)成了一個(gè)嵌入式核心控制模塊。其中操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序都可以固化在ROM中。
其中核心就是微處理器，嵌入式處理器和一般的電腦cpu還有區(qū)別，嵌入式微處理器大多工作在特定設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，比如TI或者Atmel公司都有很多定位不同的處理器，atmel的SAM系列是專門為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的，AVR則由于性能十分突出，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。
嵌入式微處理器有各種不同的體系，即使在同一體系中也可能具有不同的時(shí)鐘頻率和數(shù)據(jù)總線寬度，或集成了不同的外設(shè)和接口。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界嵌入式微處理器已經(jīng)超過(guò)1000多種，體系結(jié)構(gòu)有30多個(gè)系列，其中主流的體系有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。但與全球PC市場(chǎng)不同的是，沒(méi)有一種嵌入式微處理器可以主導(dǎo)市場(chǎng)，僅以32位的產(chǎn)品而言，就有100種以上的嵌入式微處理器。嵌入式微處理器的選擇是根據(jù)具體的應(yīng)用而決定的。
比如arm公司有各種各樣的處理器架構(gòu)，最經(jīng)典的cortex系列，它屬于ARMv7架構(gòu)，這是到2010年為止ARM公司最新的指令集架構(gòu)。ARMv7架構(gòu)定義了三大分工明確的系列：“A”系列面向尖端的基于虛擬內(nèi)存的操作系統(tǒng)和用戶應(yīng)用;“R”系列針對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng);“M”系列對(duì)微控制器。下圖就是cortex系列的不同定位。
在嵌入式領(lǐng)域，可以說(shuō)arm架構(gòu)的處理器占據(jù)了半壁江山，而arm公司也成為著名的科技公司，而它卻沒(méi)有生產(chǎn)任何處理器，而只是提供了IP，可以看出一流公司做標(biāo)準(zhǔn)。而其他用的比較多的架構(gòu)就是sparc、powerpc等。
嵌入式系統(tǒng)和外界交互需要一定形式的通用設(shè)備接口，如A/D、D/A、I/O等，外設(shè)通過(guò)和片外其他設(shè)備的或傳感器的連接來(lái)實(shí)現(xiàn)微處理器的輸入/輸出功能。每個(gè)外設(shè)通常都只有單一的功能，它可以在芯片外也可以內(nèi)置芯片中。外設(shè)的種類很多，可從一個(gè)簡(jiǎn)單的串行通信設(shè)備到非常復(fù)雜的802.11無(wú)線設(shè)備。
嵌入式系統(tǒng)中常用的通用設(shè)備接口有A/D(模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口)、D/A(數(shù)/模轉(zhuǎn)換接口)，I/O接口有RS-232接口(串行通信接口)、Ethernet(以太網(wǎng)接口)、USB(通用串行總線接口)、音頻接口、VGA視頻輸出接口、I2C(現(xiàn)場(chǎng)總線)、SPI(串行外圍設(shè)備接口)和IrDA(紅外線接口)等。這一點(diǎn)其實(shí)和單片機(jī)類似。
軟件層：
也就是操作系統(tǒng)了，包括內(nèi)核和文件系統(tǒng)，還有就是更為頂層的應(yīng)用程序，嵌入式操作系統(tǒng)一般都是Linux或者其他類Unix，還有一些實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)比如VxWorks、RTEMS、ucOS等。
其中Linux還包括不同的distribution，比如Ubuntu、Redhat、Debian、centos等，他們都是采用Linux的內(nèi)核，不同的是上面的software和tools，當(dāng)然不用太過(guò)于擔(dān)心標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題，這些Linux發(fā)行版選擇的軟件幾乎都是比較通用的，比如網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器的Apache、電子郵件服務(wù)器的postfix、sendmail、文件服務(wù)器的Samba等。此外還有Linuxstandard base等標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)范開發(fā)者。
類Unix主要是FreeBSD以及Solaris等。
嵌入式領(lǐng)域最常用的還是一些實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的核心就是實(shí)時(shí)性，本質(zhì)就是任務(wù)處理所華為時(shí)間的可預(yù)測(cè)性，即任務(wù)需要在規(guī)定內(nèi)時(shí)限內(nèi)完成。IEEE對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的定義是“那些正確性不僅取決于計(jì)算的邏輯結(jié)果也取決于產(chǎn)生結(jié)果所花費(fèi)時(shí)間的系統(tǒng)”。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有硬實(shí)時(shí)和軟實(shí)時(shí)之分，硬實(shí)時(shí)要求在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)必須完成操作，這是在操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)保證的;軟實(shí)時(shí)則只要按照任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，盡可能快地完成操作即可。我們通常使用的操作系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)一定改變之后就可以變成實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。
單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)區(qū)別就在于：?jiǎn)纹瑱C(jī)的處理能力較低，主頻大多在幾十M上下，和嵌入式動(dòng)輒上百上千M的處理速度還是相差較多，此外單片機(jī)并不具有圖形界面的處理能力，也就是GPU的缺乏導(dǎo)致單片機(jī)幾乎不可能帶動(dòng)圖形界面;單片機(jī)的存儲(chǔ)空間和嵌入式處理器也不是一個(gè)等級(jí)的，單片機(jī)通常片內(nèi)存儲(chǔ)只有幾k大小，而由于外設(shè)的限制也不太可能大范圍增加外設(shè)emmc，而嵌入式處理器通常有幾百兆的RAM，如此巨大的差別導(dǎo)致單片機(jī)幾乎不可能像嵌入式處理器那樣運(yùn)行操作系統(tǒng)，甚至連TCP/IP協(xié)議棧和USB協(xié)議棧都跑不起來(lái)，一些高端的單片機(jī)比如ST公司的STM32系列，可能可以跑一些輕量級(jí)的系統(tǒng)os和嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，比如IwIP協(xié)議棧。嵌入式處理器豐富強(qiáng)大的性能決定它能完成更多單片機(jī)不能完成的應(yīng)用，比如網(wǎng)絡(luò)通信功能，視頻傳輸處理功能等，而當(dāng)外設(shè)存儲(chǔ)增加后，嵌入式處理器能夠輕松運(yùn)行各種Linux系統(tǒng)，以及圖形GUI界面。
在開發(fā)方式上單片機(jī)和嵌入式也有較大差別，也就是編譯過(guò)程的區(qū)別，單片機(jī)主要在Windows等圖形界面下開發(fā)，目前有很多成熟的IDE工具比如keil、IAR、以及ti的CCS等，這些工具集編譯、匯編、鏈接、仿真為一體，并且由于在Windows下開發(fā)，具有友好的用戶界面，開發(fā)者只需編寫c代碼，然后點(diǎn)擊編譯鏈接按鍵即可，出現(xiàn)錯(cuò)誤還可以debug或者仿真，上手還是非常快的。而嵌入式開發(fā)一般是在Linux下進(jìn)行的，要將c代碼在自己主機(jī)上編譯完成，然后通過(guò)系統(tǒng)鏡像或者uboot引導(dǎo)將編譯好的文件燒入開發(fā)板，由于主機(jī)的處理器的x86架構(gòu)，而編寫的代碼是為了運(yùn)行在arm架構(gòu)或sparc架構(gòu)的處理器上，因此存在一個(gè)交叉編譯鏈的安裝，此外，Linux下沒(méi)有Windows那樣的IDE，也就是編譯，鏈接源代碼都需要開發(fā)者自己完成，一般都是利用GNUmake腳本編寫Makefile以及configure文件來(lái)完成，Makefile文件中編寫如何對(duì)c或者h(yuǎn)文件編譯，也就是編譯規(guī)則以及依賴文件是什么。這些都需要開發(fā)者自己完成。并且以上過(guò)程都是在Linux下的終端也就是命令行中完成，這也給嵌入式開發(fā)增加了難度。
其實(shí)單片機(jī)也是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的一部分，嵌入式開發(fā)的起步是單片機(jī)，只要你在學(xué)習(xí)中，單片機(jī)學(xué)的好了，那么你就可以接下來(lái)的嵌入式arm的開發(fā)學(xué)習(xí)了，如果你能熟練掌握單片機(jī)，那么學(xué)嵌入式arm就不是事兒，因?yàn)樾酒僮鞑畈欢啵际菍?duì)數(shù)據(jù)、地址、控制總線的操作他們都應(yīng)用于工業(yè)，他們也是包含關(guān)系，單片機(jī)開發(fā)就是簡(jiǎn)單的嵌入式開發(fā)。
現(xiàn)在你對(duì)單片機(jī)及嵌入式是不是了解透徹了呢，如果你才剛開始接觸嵌入式及單片機(jī)的話，建議你可以先學(xué)單片機(jī)，然后再去學(xué)嵌入式arm開發(fā)哦。
