【壹】嵌入式系统硬件基础

随手拍拍💁‍♂️📷

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日期: 2023.2.28
地点: 杭州
介绍: 日子像旋转毒马🐎，在脑海里转不停🤯

🌲🌲🌲🌲🌲 往期回顾 🌲🌲🌲🌲🌲

【前言】嵌入式系统简介 🔗 https://blog.csdn.net/ws15168689087/article/details/128970435
【壹】嵌入式系统体系结构 🔗 https://blog.csdn.net/ws15168689087/article/details/128985587
【贰】嵌入式系统的分类 🔗 https://blog.csdn.net/ws15168689087/article/details/129083859

👨‍🏫内容1：嵌入式硬件系统的基本结构

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🎃与通用计算机相比：
👉嵌入式硬件系统的基本结构与其相同。
👉此外，嵌入式硬件系统的基本结构具有品种多，体积小，成本低，集成度高的特点

🎯控制单元的作用：

• 1️⃣取指、译码和取操作数等

• 2️⃣发送主要的控制指令
  
  

🎯控制单元的构成：

• 1️⃣程序计数器（Program Counter， PC）
  –👉记录下一条指令在内存中的位置，以便控制单元能到正确的内存位置取指
• 2️⃣指令寄存器（Instruction Register，IR）
  –👉存放被控单元所取的指令，译码—控制信号—算数逻辑单元处理

🚀算数逻辑单元的作用：

• 1️⃣算数运算+逻辑运算

• 2️⃣存储暂时性数据，从存储器中取数据（给算数逻辑单元）和处理后数据（算数逻辑单元）
  
  

🚁冯·诺依曼体系结构&哈佛体系结构：
🔎区别：
👉冯： 8086系列的CPU， ARM系列， MIPS系列
👉哈：MC68 系列，ARM9，ARM10，ARM11

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👨‍💻内容2：CISC和RISC

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🎃前言
👉指令系统朝两个截然不同的方向的发展：

• 1️⃣增强原有指令的功能，设置更为复杂的新指令实现软件功能的硬化，这类机器称为复杂指令系统计算机（CISC)

• 2️⃣减少指令种类和简化指令功能，提高指令的执行速度，这类机器称为精简指令系统计算机（RISC)

🎯CISC(复杂指令系统计算机)
👉随着VLSI 技术的发展，硬件成本不断下降，软件成本不断上升，促使人们在指令系统中增加更多、更复杂的指令，以适应不同的应用领域，这样就构成了复杂指令系统计算机(CISC).
💁‍♀️CISC的主要特点：

• 1️⃣指令系统复杂庞大，指令数目一般为200条以上。

• 2️⃣指令的长度不固定，指令格式多，寻址方式多。

• 3️⃣可以访存的指令不受限制。

• 4️⃣各种指令使用频度相差很大。

• 5️⃣各种指令执行时间相差很大，大多数指令需多个时钟周期才能完成。

• 6️⃣控制器大多数采用微程序控制。有些指令非常复杂，以至于无法采用硬连线控制。

• 7️⃣难以用优化编译生成高效的目标代码程序。

👉如此庞大的指令系统，对指令的设计提出了极高的要求，研制周期变得很长。后来人们发现，一味地追求指令系统的复杂和完备程度不是提高计算机性能的唯一途径。
🤚对传统CISC指令系统的测试表明，各种指令的使用频率相差悬殊，大概只有20%的比较简单的指令被反复使用，约占整个程序的80%;而80%左右的指令则很少使用，约占整个程序的20%。
👇从这一事实出发，人们开始了对指令系统合理性的研究，于是RISC随之诞生。

🎯RISC(精简指令系统计算机)
👉精简指令系统计算机（RISC)的中心思想是要求指令系统简化，尽量使用寄存器-寄存器操作指令，指令格式力求一致。
👇RISC的主要特点如下:

• 1️⃣选取使用频率最高的一些简单指令，复杂指令的功能由简单指令的组合来实现。

• 2️⃣指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少。

• 3️⃣只有Load/Store（取数/存数）指令访存，其余指令的操作都在寄存器之间进行。

• 4️⃣CPU中通用寄存器的数量相当多。

• 5️⃣RISC一定采用指令流水线技术，大部分指令在一个时钟周期内完成。

• 6️⃣以硬布线控制为主，不用或少用微程序控制。

• 7️⃣特别重视编译优化工作，以减少程序执行时间。

👉值得注意的是，从指令系统兼容性看，CISC大多能实现软件兼容，即高档机包含了低档机的全部指令，并可加以扩充。但RISC简化了指令系统，指令条数少，格式也不同于老机器，因此大多数RISC机不能与老机器兼容。
🤚由于 RISC具有更强的实用性，因此应该是未来处理器的发展方向。但事实上，当今时代Intel 几乎一统江湖，且早期很多软件都是根据CISC 设计的，单纯的RISC将无法兼容。
👉此外，现代 CISC结构的CPU已经融合了很多RISC的成分，其性能差距已经越来越小。CISC可以提供更多的功能，这是程序设计所需要的。

🎯CISC和RISC的比较
👇和CISC相比，RISC的优点主要体现在以下几点：

• 1️⃣1) RISC更能充分利用VLSI 芯片的面积。CISC 的控制器大多采用微程序控制，其控制存储器在CPU芯片内所占的面积达50%以上，而RISC控制器采用组合逻辑控制，其硬布线逻辑只占CPU芯片面积的10%左右。

• 2️⃣2) RISC 更能提高运算速度。RISC 的指令数、寻址方式和指令格式种类少，又设有多个通用寄存器，采用流水线技术，所以运算速度更快，大多数指令在一个时钟周期内完成。

• 3️⃣RISC便于设计，可降低成本，提高可靠性。RISC指令系统简单，因此机器设计周期短；其逻辑简单，因此可靠性高。

• 4️⃣RISC有利于编译程序代码优化。RISC 指令类型少，寻址方式少，使编译程序容易选择更有效的指令和寻址方式，并适当地调整指令顺序，使得代码执行更高效化。

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👨‍🎓内容3：信息存储的字节顺序

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🎯字节
👉最小的可寻址的存储单元
👉每个字节用唯一的数字标识，即地址（address)
👉通常8位构成1个字节

🧭字长
👉表明整数和指令数据的大小
👉字长表明处理器寻址能力（如32位处理器一次处理4个字节）
👉n位字长，寻址：0-2n-1

🏭多字节的数据存储问题
👉Little-Endian低位字节排放在内存的低地址端，高位字节排放在内存的高地址端。
👉Big-Endian高位字节排放在内存的低地址端，低位字节排放在内存的高地址端。
👉例：32位字长微处理器定义int 常量a ,地址：0x8000 十六进制：0x01234567

👻小端存储法

地址	数据（十六进制）	数据（二进制）
0x8000	0x67	01100111
0x8001	0x45	01000101
0x8002	0x23	00100011
0x8003	0x01	000000001

👻大端存储法

地址	数据（十六进制）	数据（二进制）
0x8000	0x01	00000001
0x8001	0x23	00100011
0x8002	0x45	01000101
0x8003	0x67	01100111

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👨‍🎨内容4：硬件层存储器

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🏟️高速缓存（CACHE）
👉优势：微处理器的时钟频率比内存速度提高快得多，高速缓存可以提高内存的平均性能。
👉工作原理：高速缓存是一种小型、快速的存储器，它保存部分主存内容的拷贝。
👇特点：

• 1️⃣容量小，速度快的存储器陈列

• 2️⃣主存和嵌入式处理器内核之间

• 3️⃣存放最近处理器使用最多的代码和数据 – 数据Cache 、指令Cache、混合Cache

• 4️⃣大小由处理器而定

🏛️随机存储器(Random Access Memory，RAM) ：
👉RAM能够随时在任一地址读出或写入内容
👉RAM的优点是读/写方便，使用灵活
👉RAM的缺点是不能长期保存信息，一旦停电，所存信息就会丢失
👉RAM用于二进制信息的临时存储或缓存存储

🏰只读存储器(Read-Only Memory，ROM)：
👉ROM中存储的数据可以被任意读取，断电后，ROM中的数据仍保持不变，但不可以写入数据
👉ROM在嵌入式系统中非常有用，常常用来存放 （如ROM BIOS）、 等不随时间改变的代码或数据。
👉ROM存储器按发展顺序可分为：掩膜ROM、可编程ROM（PROM）和可擦写可编程ROM（EPROM）。

🏆混合存储器
👉合存储器既可以随意读写，又可以在断电后保持设备中的数据不变。混合存储设备可分为三种：
👉EEPROM、NVRAM、FLASH

🏀EEPROM：
👉EEPROM是电可擦写可编程存储芯片
👉EPROM是紫外线擦除存储芯片
👉EEPROM允许用户以字节为单位多次用电擦除和改写内容，而且可以直接在机内进行，不需要专用设备，方便灵活，常用作对数据、参数等经常修改又有掉电保护要求的数据存储器

🏓NVRAM：
👉NVRAM通常就是带有后备电池的SRAM
👉当电源接通的时候，NVRAM就像任何其他SRAM一样，但是当电源切断的时候
👉NVRAM从电池中获取足够的电力以保持其中现存的内容
👉NVRAM在嵌入式系统中使用十分普遍，它最大的缺点是价格昂贵，因此，它的应用被限制于存储仅仅几百字节的系统关键信息

⛳Flash：
👉Flash（闪速存储器，简称闪存）是不需要Vpp电压信号的EEPROM，一个扇区的字节可以在瞬间（与单时钟周期比较是一个非常短的时间）擦除
👉Flash比EEPROM优越的方面是，可以同时擦除许多字节，节省了每次写数据前擦除的时间，但一旦一个扇区被擦除，必须逐个字节地写进去，其写入时间很长

🤿NOR技术：
👉NOR技术闪速存储器是最早出现的Flash Memory，目前仍是多数供应商支持的技术架构，它源于传统的EPROM器件
👉与其它Flash Memory技术相比，具有可靠性高、随机读取速度快的优势，但擦除和写的速度较NAND慢
👉在擦除和编程操作较少而直接执行代码的场合，尤其是代码（指令）存储的应用中广泛使用
👉由于NOR技术Flash Memory的擦除和编程速度较慢，而块尺寸又较大，因此擦除和编程操作所花费的时间很长，在纯数据存储和文件存储的应用中，NOR 技术显得力不从心

🥊NAND技术：
👇NAND技术 Flash Memory具有以下特点：

• 1️⃣以页为单位进行读和编程操作，1页为256或512字节；以块为单位进行擦除操作，1块为4K、8K或16K字节

• 2️⃣具有快编程和快擦除的功能，其块擦除时间是2ms；而NOR技术的块擦除时间达到几百ms

• 3️⃣数据、地址采用同一总线，实现串行读取。随机读取速度慢且不能按字节随机编程

• 4️⃣芯片尺寸小，引脚少，是位成本(bit cost)最低的固态存储器，突破了每兆字节0.1元的价格限制

🎯各种存储器特性的比较：