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到底什么是单片机?什么是嵌入式?

admin 2019-9-19 06:12 97人围观 嵌入式相关

今天小编转载一篇“鲜枣君”的文章,分享给大家

凡是从事计算机或电子信息相关领域工作的童鞋,一定都听说过嵌入式和单片机吧?

很多人应该知道,这两个名词和硬件系统有着非常密切的关系。一听到它们,就容易让人联想到插满芯片和针脚的电路板:


但是,如果要问具体什么是嵌入式,什么是单片机,它们之间究竟有什么区别,我相信大部分人并不能解释清楚。

今天,小枣君就给大家做一个入门科普,揭秘上述问题的答案。与此同时,我还会给大家介绍一下,我们经常听说的51、STM32,究竟是什么。

     什么是嵌入式    

首先,我们来看看什么是嵌入式。
嵌入式,一般是指嵌入式系统,英文叫作:embedded system。嵌入式开发,其实就是对嵌入式系统的开发。
IEEE(美国电气和电子工程师协会)对嵌入式系统的定义是:“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”。
国内学术界的定义更为具体一些,也更容易理解:
嵌入式系统,是以应用为中心,以计算机技术为基础,软件硬件可裁剪,适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。
以应用为中心,说明嵌入式系统是有明确实际用途的。以计算机技术为基础,说明它其实就是一种特殊的计算机。软硬件可裁剪,说明它有很强的灵活性和可定制能力。

专用计算机系统,“专用”所对应的,就是“通用”。我们常用的个人PC、笔记本电脑、数据中心服务器,可以用于多种用途,就是“通用计算机系统”。
嵌入式系统究竟具体应用于哪些“专用”方向呢?

举例如下:
  • 个人通信与娱乐系统:手机、数码相机、音乐播放器、可穿戴电子产品、PSP游戏机
  • 家电类产品: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
  • 医疗电子类产品:生化分析仪、血液分析仪、CT
  • 网络通信类产品:通信类交换设备、网络设备 (交换机、路由器、网络安全)
  • 汽车电子类产品:引擎控制、安全系统、汽车导航与娱乐系统
  • 工业控制类产品:工控机、交互式终端 (POS、ATM)、安全监控、数据采集与传输、仪器仪表
  • 军事及航天类产品:无人机、雷达、作战机器人




嵌入式系统的应用领域
上述这些领域,都使用了嵌入式系统。这还只是冰山一角。

可以说,嵌入式系统完完全全地包围了我们,时刻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,那么肯定离不开硬件和软件。

一个嵌入式系统的典型架构如下:


注意,最重要的就是嵌入式操作系统和嵌入式微处理器。
从硬件角度来看,嵌入式系统就是以处理器(CPU)为核心,依靠总线(Bus)进行连接的多模块系统:


和个人PC是一样的方式

下面这张图,就是一个嵌入式系统的实物样例:



中间偏左上角,S3C2440,是CPU,中间是RAM,然后还有ROM、网卡、串口、电源等等。可以看出,嵌入式系统麻雀虽小,五脏俱全。

     什么是单片机    

嵌入式系统的核心,就是嵌入式处理器。嵌入式处理器一般分为以下几种典型类型:


  • 嵌入式微控制器MCU(Micro Control Unit)


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

  • 嵌入式DSP处理器(Digital Signal Processor)
DSP处理器专门用于信号处理,在系统结构和指令算法进行了特殊设计。在数字滤波、FFT、频谱分析中广泛应用。典型代表是TI(德州仪器)公司的TMS320C2000/C5000系列。

  • 嵌入式微处理器MPU(Micro Processor Unit)
MPU由通用处理器演变而来,具有较高的性能,拥有丰富的外围部件接口。典型代表是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)。
我们的单片机,就属于上述的第一种——MCU(嵌入式微控制器)。


我们来详细介绍一下它。

单片机,又称为单片微控制器,英文叫Single-Chip Microcomputer。它其实就是一种集成电路芯片,是通过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,塞进一块硅片上,变成一个超小型的计算机。这么说来,单片机不就是一个嵌入式系统?别急,我们往下看。
“单片机”其实是一种古老的叫法。以前半导体工艺技术不成熟,不同的功能无法做进一个芯片(Chip),所以会有多片机。现在半导体技术早已非常发达,所以不存在多片机。但是,“单片机”的叫法却一直延用至今。
很多高校老师喜欢强调单片机姓“单”,除了指单片机只是一个硅片之外,更多是指单片机的功能单一,它是完成运算、逻辑控制、通信等功能的单一模块。即便它性能再强大,功能依然是单一的。
单片机技术从上世纪70年代末诞生,早期的时候是4位,后来发展为8位,16位,32位。它真正崛起,是在8位时代。8位单片机功能很强,被广泛应用于工业控制、仪器仪表、家电汽车等领域。
我们在研究单片机的时候,经常会听到两个词——51单片机、STM32。我来介绍一下它们究竟是什么。

51单片机,其实就是一系列单片机的统称。该系列单片机,兼容Intel 8031指令系统。它们的始祖,是Intel(英特尔)的8004单片机。

注意,51单片机并不全是英特尔公司的产品。包括ATMEL(艾德梅尔)、Philips(飞利浦)、华邦、Dallas(达拉斯)、Siemens(西门子)、STC(国产宏晶)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



这是一个51单片机的开发板,中间那个芯片才是51单片机
51单片机曾经在很长时间里都是市面上最主流、应用最广泛的单片机,占据大量的市场份额。
51单片机其实放在现在毫无技术优势,是一种很老的技术。之所以它的生命力顽强,除了它曾经很流行之外,还有一个原因,就是英特尔公司彻底开放了51内核的版权。所以,无论任何单位或个人,都可以毫无顾忌地使用51单片机,不用付费,也不用担心版权风险。

此外,51单片机拥有雄厚的存量基础和群众基础。很多老项目都是用的51单片机,出于成本的考虑,有时候只能继续沿用51单片机的技术进行升级。而且,很多老一辈的工程师,都精通51单片机开发技术。所以,51单片机的生命力得以不断延续。
再来看看STM32。
STM32,是意法半导体公司推出的基于ARM Cortex-M内核的通用型单片机。


STM32单片机
意法半导体(STMicroelectronics)是世界最大的半导体公司之一,于1987年6月成立,是由意大利的SGS微电子公司和法国Thomson半导体公司合并而成。1998年5月,SGS-THOMSON Microelectronics 将公司名称改为意法半导体有限公司。


意法半导体LOGO

ARM公司以前小枣君给大家介绍过。它是目前全球做芯片设计最厉害的公司之一,利用手机芯片的快速发展而崛起,占有物联网市场极大的份额。
在单片机领域,ARM的Cortex-M内核拥有压倒性的优势,已经成为绝对的主流。很多半导体公司都放弃了自己原先的架构,转做ARM架构的单片机。

STM32单片机开发板STM32的硬件配置可以满足大部分的物联网开发需求,开发工具和相关的文档资料齐全,已经成为目前单片机学习的首选对象。

    嵌入式和单片机的区别   

说到这里,我们来看看,嵌入式和单片机的区别到底是什么。

从前文的介绍来看,嵌入式系统是一个大类,单片机是其中一个重要的子类。嵌入式系统像是一个完整的计算机,而单片机更像是一个没有外设的计算机。以前单片机包括的东西并不算多,两者的硬件区别较为明显。但是,随着半导体技术的突飞猛进,现在各种硬件功能都能被做进单片机之中。所以,嵌入式系统和单片机之间的硬件区别越来越小,分界线也越来越模糊。于是,人们倾向于在软件上进行区分。

从软件上,行业里经常把芯片中不带MMU(memory management unit,内存管理单元)从而不支持虚拟地址,只能裸奔或运行RTOS(实时操作系统,例如ucos、华为LiteOS、RT-Thread、freertos等)的system,叫做单片机(如STM32、NXP LPC系列、NXP imxRT1052系列等)。而把芯片自带MMU可以支持虚拟地址,能够跑Linux、Vxworks、WinCE、Android这样的“高级”操作系统的system,叫做嵌入式。
在某些时候,单片机本身已经足够强大,可以作为嵌入式系统使用。它的成本更低,开发和维护的难度相对较小,尤其是针对一些针对性更强的应用。而嵌入式系统理论上性能更强,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   

最后我们来说一说嵌入式和单片机的学习价值,到底有没有必要学习嵌入式和单片机。
最近这些年,有一句话被广泛传播,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,而学习软件,从事软件方向,会更容易找到工作,找到更高收入、更有前途的工作。
而嵌入式和单片机,往往被归为“硬件”方向,遭人“嫌弃”。加上嵌入式和单片机的学习难度较大,学习周期很长,需要漫长的“煎熬”,所以越来越多的人放弃这条路。
小枣君认为这种想法是不正确的。
首先,嵌入式和单片机并不是纯“硬件”类方向。前面我也说了,它们是软件和硬件的紧密结合。



如果你想学好嵌入式和单片机,只懂数字电路和微机接口这样的硬件知识是不够的,你更需要学习的,是汇编、C/C++语言、数据结构和算法知识。

拥有软硬结合的能力,远远比单纯掌握某种程序开发语言更有价值。

其次,嵌入式和单片机拥有广泛的应用场景,在各个领域都有项目需求和人才需求。根据权威部门统计,目前我们国家每年的嵌入式人才缺口高达50万。尤其是嵌入式软件开发,是未来几年最热门和最受欢迎的职业之一。具有10年工作经验的高级嵌入式工程师,年薪可以达到30-50万元左右。而且我们国家现在正在大力发展芯片产业,也会带动嵌入式人才的就业,提升待遇。


随着5G的全面启动,整个社会正在向“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。嵌入式和单片机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。

因此,尽管学习过程会比较艰辛,小枣君仍然建议有志青年关注这一赛道。技术越难,过程越苦,越有利于构建竞争壁垒。到了后期,个人价值可以得到进一步的体现。
好了,关于嵌入式和单片机的内容,小枣君今天就介绍到这里。如果觉得对你有帮助,欢迎点击右下角的“好看”,并转发。
谢谢大家啦!
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