嵌入式学习笔记——概述

前言

断更很长时间了，写博客确实是一件考验能力的事情，也能让自己发现自身的不足，之所以这么长时间没有更新就是因为感觉自己能力还不太够，沉淀的还不够多。此系列是笔者对于二刷M4的学习笔记，之前STM32都是自己在本科期间刷视频，做比赛来学习的，学校并没有开设课程，到现在的感觉就是能用，但是差点意思，为了补齐这点意思，笔者觉得回头再来一遍。文中如有不足，希望大家狠狠的提出来。

“嵌入式系统”概念

在入坑嵌入式行业之前，咱们首先得搞清楚嵌入式系统是个啥，可以干啥，有哪些入坑方向，入坑后可以有多少薪资。

1.是个啥？

关于是个啥这个问题，似乎没有严格规范的表述，但大致意思都查不到，以下是来自“C知道的”答案。

同样，百度百科给出的定义也是大差不差的，都给出了定义：嵌入式是一种特殊的计算机系统，特殊之处在于：
1.由于要嵌入其他设备，其功耗、体积等与常规的计算机系统有差异，它的功耗小、体积小。
2.它的功能相对专一，都是为了实现某一个系统的控制、监控、执行任务；
3.它会根据任务需求的不同定制化的设计对应的硬件、软件。

2.可以干啥？

关于可以用它做什么东西，可以借用人们描述Matble的话来说，它也是除了不会生孩子，其他的事儿他都可以完成。我们最常使用的手机、家用电器、车载电子都是一个嵌入式系统，或者说其是由多个嵌入式系统集成起来的一个系统整体。

3.有哪些入坑方向？

正如关于嵌入式系统的概念描述，入坑嵌入式的方向，有硬件和软件两大类，其中软件方向有
单片机– Linux–DSP–FPGA–Android（安卓）
硬件主要就是PCB的绘制以及原理图的设计。

4.入坑后可以有多少薪资？

关于薪资，笔者没有仔细的去调查，仅仅是自己的一点看法，单片机的话不学Linux或者上位机的话15k封顶，学了Linux或者C++会更进一步。
单片机工程师：

嵌入式工程师：

硬件方面，只是layout的话，薪资一般也是15k左右封顶，经验积累多，有原理图设计能力的也能再上一个台阶。

单片机

前面的招聘职位要求已经明确提出了熟悉使用一种单片机的需求，嵌入式的学习一般都是从一款单片机开始的，单片机是什么呢？

1.什么是单片机？

以下是来自百度百科的解释：
单片机：（Single-Chip Microcomputer）是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。
单片机的前身是单板计算机，随着芯片工艺的提高和技术水平的精进，逐渐发展成为了集成于一体小而完善的微型计算机系统。

概括的讲：一块单片机就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。
有关单片机更多的介绍请参考百度百科有关单片机的介绍。
前面提到过单片机已经广泛应用于市面上，生活中处处都有单片机的应用，而这些单片机大是多采用ARM架构进行设计制作的，在工控、消费类电子大多使用的是ARM系芯片例如STM32、MM32、CW32、NXP K60等等；而在物联网这些邻域，一批RSIC-V架构的单片机占据了一定的市场，例如乐鑫的ESP32、海思的Hi3861等，而电脑这些复杂的CPU又是采用的X86的架构，例如Intel 的i5 13500H、AMD的R7 7735H 等CPU都是X86架构。
那么，什么是架构呢，ARM架构、X86架构以及RSIC-V架构三者之间又有什么样的区别联系呢。

2.架构简介

关于架构笔者自己的理解就跟房子的毛坯房一样，而不同的架构就是不同开发商的毛坯房，各有各的优势。
首先，对比一下X86架构与ARM架构，为什么先对比这两者呢，是因为他们是老对头，而RSIC-V是后起之秀。
说起来是X86架构和ARM架构的对比，其实落到底层是CSIC和RISC两者之间的恩怨情仇。
CSIC：
CSIC在这可不是下饺子那位。
误解：
http://www.csic.com.cn/
正解：CISC： Complex Instruction Set Computer复杂指令集计算机，它就是在发展过程中不断引进指令集。
举个不怎么恰当的例子，假设“printf(“%d\n”,1+1)”是一条指令，我们知道这条指令的最终输出是2,复杂指令集就会收录这条指令，以后再识别到这条指令就直接输出2，省去了中间的逻辑计算过程，这种做法会极大地提高执行效率对于处理特定的任务有优势，但是与此同时，随着时间的延长，指令会越来越多，会带来指令集越来越庞大，也越来越难维护的问题，而且芯片内部的电路也会因此而变得更加复杂，单位面积所需晶体管也就更多，功耗也就成了问题。
代表：
Intel i5 13500H, AMD R7 7735等等
RSIC：
RSIC: Reduced Instruction Set Computer 精简指令集计算机，而精简指令集计算机是在整过程中不断去优化指令，力求用逻辑电路实现功能，同样是上面的例子，对于“printf(“%d\n”,1+1)”，其采取的措施就是运用逻辑电路进行计算出结果并输出2。这种处理方式能够节省专开指令的逻辑电路，力求用最少得逻辑电路实现功能，单位面积的晶体管数量少，功耗低，但是会造成运算过程较长的问题。
此类ARM架构的芯片代表作就太多了例如消费终端类处理器麒麟9000，骁龙8gen2等等


图片来自于B站UP主 极客湾

还有我们常见的STM32、GD32、CW32

因此二者各自有各自的优点也有各自的缺点。
然后再来说一说RSIC-V的可以发现RSIC-V的命名和上面的精简指令集计算机相似，只是后面多了一个-V，V就是罗马字母代表的是第五代精简指令集，其与RSIC的差别在于，RSIC-V比较新，而且其实开源的，加上物联网的走热RSIC-V的未来市场或许更值得期待，加上ARM的收费确实逐年离谱，能白嫖谁愿意花钱搞定呢。
此类代表：K210，
ESP32:
图片截取自淘宝店铺——优信电子；
海思Hi3861:

图片截取自淘宝店铺——优信电子；

关于三者之间的关系和详细简介别的大佬已经详细介绍过了，这两给大家贴几个链接，感兴趣的可以去拜读一下。
1.CISC (复杂指令集）与 RISC（精简指令集）的区别
2.ARM与RISC-V架构的区别
3.ARM 和 x86 有什么区别
4.RSIC-V–第一印象
5.RISC-V架构对比x86、ARM
对比之后还是得回到主角身上，我们学习嵌入式，以及目前市场上最常用的还是ARM架构的芯片，经过前面的介绍，已经可以知道，ARM使用的是精简指令集计算机，发展了这么多年，ARM的架构也早已经分支出了很多类别。
下图是ARM官网给出的关于ARM架构的简介，想要阅读的可以去这个链接——传送门。

文档告诉我们ARM现在主流的有三类架构,分别是A，R，M，关于这三类的用途介绍如下图所示：

A系列：A系列主要用作中端处理器，也是就我们现在手机厂商的芯片，我们可以借用上面的一张图，可以看出麒麟9000的CPU部分就是使用的ARM的Cortex-A系架构，当然骁龙亦是如此。

然后是平时少见的Cortex-R系列，其主要关注实时效应，广泛应用于电动汽车和军工制导。

最后就是我们常见的Cortex-M系列的，此系列的代表作就是STM32、GD32、CW32、K60等等，除此之外我们的手机上还有很多也是用了Cortex-M的架构，如下图所示，除了CPU，还有屏幕驱动、摄像头驱动、电源管理、wifi、蓝牙、4G、5G等等呢个芯片都广泛使用了Cortex-M的架构，而4G、5G以及wifi由于实时性的需求还是用了ARM的Cortex-R架构。

3.基于ARM架构的单片机结构简介

上面提到了Cortex-M，他到底是什么，与单片机又有什么关系呢？
前面提到过，单片机(MCU)是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统。
对照这个定义，Cortex-M就相当于单片内部的中央处理器(CPU)以及其他调试和系统管理的整体，但是不包含片内外设，他仅仅是一个核心部件。下图用Cortex-M3举了一个例子：


芯片商再获得到ARM的授权后，就可以拿回Cortex-M的CPU作为控制核心，在其基础上进行外设的添加，增加内存、各类片内外设，例如SARM、增加I2C、SPI、UART、PWM、ADC、DAC、PWM等等片内外设，形成自家的单片机型号，而后仿真，打样、验证，最后制作成我们使用的单片机成品。
经过上述流程，一个ARM架构的单片机才会出现在我们这些开发者的手中。
搞清楚ARM架构与单片机的关系后，我们还需要了解一下Cortex-M的分类
ARM Cortex-M 处理器家族中现有8款处理器成员，他们的用途和分类如下图所示：

图片来自下面这个链接，内部详细介绍了ARM Cortex-M处理器，感兴趣的小伙伴可以去了解一下。
一文看懂ARM Cortex-M处理器
我们平时使用较多的是Cortex-M3和Cortex-M4这两个，在权威指南中，对他们的描述如下：

后面接触较多的就是Cortex-M3和Cortex-M4这两个内核，使用最多的单片机也就是各个厂商根据这个做出来的，所以ARM系芯片有着相似的使用规律，会有做一题而通一类的效果。

总结

本文主要是简述了嵌入式系统的宏观描述，以及一些关于单片机的知识，文中如有不足，欢迎大家批评指正。下一篇预告是Cortex-M的芯片介绍以及其开发环境的搭建。