【STM32HAL-第1讲 基础篇-单片机简介】

STM32HAL-第1讲 基础篇-单片机简介

  • [1. 单片机是什么?](#1. 单片机是什么?)
  • [2. 单片机的应用](#2. 单片机的应用)
  • [3. 单片机发展历程](#3. 单片机发展历程)
  • [4. 单片机的发展趋势](#4. 单片机的发展趋势)
  • [5. CISC VS RISC](#5. CISC VS RISC)
  • [6. 课堂总结](#6. 课堂总结)

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1. 单片机是什么?

单片机(Single-Chip Microcomputer,简称SCM)是一种微型计算机,其所有主要功能(CPU、内存、输入输出接口等)都集成在一个芯片内。相比传统的计算机,单片机将计算机系统所需的各个部件压缩进一个小型芯片中,使得其具有极高的集成度和极低的功耗,能够在嵌入式系统中运行。


1. 处理器与主频

单片机:一般使用低主频的CPU,典型的如STM32系列主频为72MHz。单片机的处理器性能较为有限,主要用于执行简单、专用的控制任务。

电脑:传统电脑的CPU通常是基于x86架构,主频可达2~5GHz,远高于单片机。电脑的CPU适合执行复杂的计算任务,支持多任务并行处理。

  1. 主频(Clock Frequency)
    主频,通常也叫时钟频率,指的是处理器每秒钟能够完成的时钟周期数,单位是赫兹(Hz)。它表示处理器的工作速度,主频越高,处理器每秒能执行的指令就越多,理论上,处理速度也就越快。
    主频与性能:在大多数情况下,主频越高,处理器能够处理的任务越多。然而,主频并不是评估处理器性能的唯一标准,还需要考虑其他因素,比如指令集的效率、核心数等。
    单片机的主频:单片机的主频一般较低,典型的STM32系列的主频是72 MHz(兆赫兹)。这意味着它每秒可以执行72百万个时钟周期。单片机用于控制任务时,它并不需要非常高的处理速度,低功耗、稳定性和效率更为重要。
    电脑的主频:传统电脑的处理器(例如Intel或AMD的处理器)的主频通常在2 GHz到5 GHz之间。1 GHz(千兆赫兹)意味着每秒1十亿个时钟周期,因此,它的处理能力远超单片机。这使得传统计算机能够处理更复杂、更高效的计算任务。
  2. x86架构
    x86架构是一种计算机处理器的架构,也可以称为指令集架构(ISA)。它是由英特尔(Intel)最初开发的,后来成为了个人计算机(PC)的标准架构。大多数传统桌面和笔记本电脑都使用基于x86架构的处理器。
    x86架构的特点:x86架构是一种CISC(复杂指令集计算机)架构。它的特点是提供丰富的指令集,可以直接支持多种复杂的操作。比如,x86处理器可以通过单条指令来完成多个步骤的任务。相对于RISC(精简指令集计算机)架构,它的指令数量多且功能强大。
    x86架构的应用:几乎所有的桌面电脑、服务器、笔记本电脑等都使用x86架构的CPU。因为它能够处理复杂的任务,运行操作系统、多个程序、并支持丰富的输入输出设备。

2. 内存

单片机:单片机内存较小,通常为KB级别的内存。例如,STM32F1系列的SRAM为20KB左右,适用于存储少量数据和程序。

电脑:内存通常为GB级别,现代电脑可配备8GB、16GB甚至更多的内存,允许电脑同时运行多个程序,支持复杂的计算和多任务处理。

ROM分为SRAM,DRAM

  1. SRAM (静态随机存取存储器)
    无需刷新:数据稳定保存,直到断电。
    速度快:访问速度较高。
    体积小,成本高:通常用于CPU缓存和嵌入式系统。
  2. DRAM (动态随机存取存储器)
    需要刷新:数据会自然丢失,需定期刷新。
    速度较慢:刷新操作影响速度。
    容量大,成本低:常用于电脑内存。


这里的40GB/S:64位的电脑,8字节,8×5=40
这里的300MB/S:32位的STM,4字节,72×4 = 300

3. 存储器

  1. 内存(RAM)
    作用:用于临时存储正在运行的程序和数据,帮助CPU快速访问信息。
    特点:
    易失性:断电后数据丢失。
    速度非常快,支持程序的实时执行。
    容量较小,一般为几GB到十几GB(如8GB、16GB等)。
  2. 硬盘(包括闪存)
    作用:用于长期存储操作系统、程序和文件。
    特点:
    非易失性:断电后数据保持。
    存储介质:硬盘有两种主要类型:
    传统硬盘(HDD):通过机械部件(如旋转盘片和磁头)来存储数据,速度较慢,容量大,价格便宜。
    固态硬盘(SSD):使用**闪存(Flash)**技术,速度更快、没有机械部件,耐用性高,功耗低,但价格相对较高。
    容量:硬盘的容量一般为几百GB到TB级别。
    速度:SSD比传统HDD速度快,尤其是数据读取和写入速度。SSD通常能够提供几百MB/s到1GB/s甚至更高的速度。
    单片机:单片机通常配备较小的闪存(Flash),一般为KB到MB级别。存储器用于存储固件和少量数据,适合用于特定的控制任务。

电脑:电脑的硬盘容量通常为TB级别,支持存储大量的操作系统、应用程序和用户数据。硬盘速度也较快,现代SSD可以达到500MB/s以上。

这里的100MB/S,单片机的Flash闪存是24M,24×4=100

4. 功耗

单片机:单片机的功耗非常低,典型的功耗为0.5W以下,适合低功耗设备和嵌入式系统。其工作电流一般为几十到几百毫安。

电脑:电脑的功耗较高,一台普通的桌面电脑功耗通常为400W左右,这也需要额外的散热系统来维持其运行。

5. 尺寸与集成度

单片机:单片机的体积小且高度集成,许多功能(CPU、内存、I/O接口等)都集成在一个芯片中。单片机的设计目标是尽可能节省空间和成本,适合嵌入式系统。

电脑:传统电脑通常由多个独立的硬件组成,如CPU、内存、硬盘、显示卡、外设接口等,这些组件通过总线连接,体积较大,且不具备单片机那样的高度集成。

6. 外设与接口

单片机:单片机有多种内置接口(如GPIO、SPI、I2C等)用于与外部设备通信。它能够控制简单的外设,如传感器、执行器、显示屏等。

电脑:电脑拥有更多的外设接口,如USB、HDMI、Ethernet等,能够连接多种设备并提供更强大的数据处理能力。

7. 应用领域

单片机:主要用于嵌入式控制系统,在家电、仪器仪表、工业控制、汽车电子等领域有广泛应用。例如,家电、汽车电子系统、机器人、儿童玩具等都依赖单片机进行控制。

电脑:传统电脑用于更为复杂的计算任务,包括文档编辑、网络浏览、游戏、视频处理等。它支持操作系统、图形界面以及多种应用程序的运行。

8. 成本

单片机:单片机的成本较低,像STM32F1系列单片机的价格通常在几元到十几元之间,适合用于成本敏感的产品。

电脑:传统电脑的成本较高,尤其是高性能的台式机或笔记本电脑,价格从几千到上万不等。

2. 单片机的应用

单片机广泛应用于各种设备中。以下是几种典型的应用领域:

仪器仪表:单片机可以用于各种电子仪器的控制和数据处理。

家用电器:例如微波炉、洗衣机等家用电器,采用单片机进行智能控制。

工业控制:单片机广泛应用于自动化生产线、机器设备控制中。

汽车电子:车载设备如汽车引擎控制单元(ECU)等均采用单片机进行精确控制。

3. 单片机发展历程

1.探索阶段(1976~1978) - MCS-48

在这一阶段,单片机的核心理念开始出现,Intel推出了MCS-48系列,这是最早的单片机之一。这个阶段的单片机功能相对简单,主要用于一些基础的电子控制应用。

该阶段标志着单片机从计算机的基本组件(如CPU)发展为集成度更高的微型计算机系统。

2.完善阶段(1978~1982) - MCS-51(8051)

这一阶段的代表产品是Intel的MCS-51系列单片机(8051),它的出现大大完善了单片机的功能。8051单片机具有更多的功能模块和更强的处理能力,并且支持更多的外围设备。

这一时期单片机被广泛应用于电子控制领域,成为了嵌入式系统中常用的处理器之一。

3.向微控制器发展阶段(1982~1990) - MCS-96

1982年到1990年间,单片机逐步向微控制器(MCU)方向发展,代表产品为MCS-96。这个阶段的单片机具备了更强的功能和更高的性能,逐渐开始支持更多的计算任务。

微控制器不仅仅是控制任务,它开始支持更多的应用和复杂的控制需求,推动了智能家电、工业控制等领域的发展。

4.微控制器全面发展阶段(1990~现在) - ARM, RISC-V

从1990年到现在,单片机发展进入了一个全面发展的阶段。基于ARM和RISC-V架构的单片机开始占据市场,提供了更强大的计算能力和更高的能效,特别是在低功耗和高性能的平衡上。

随着ARM和RISC-V的广泛应用,单片机不仅仅局限于传统的控制任务,还逐渐向复杂系统、物联网等领域扩展。

1.SCM单片微型计算机阶段

这一阶段的单片机目的是探索单片机的形态,即将计算机系统的各个功能(CPU、内存、IO等)整合到单个芯片上,实现单片机的初步功能。

2.MCU微控制器阶段

在这一阶段,单片机进入了完善控制的阶段。它们不仅用于基础的计算任务,还开始应用于控制领域,如家电控制、自动化控制等。

3.SoC嵌入式系统阶段

目前,单片机进入了软硬件协同设计的阶段,采用了**系统级芯片(SoC)**设计。单片机不仅仅是一个独立的控制单元,它开始集成更多的功能,如传感器接口、通信模块等,适应更复杂的应用,如物联网、智能硬件等。

4. 单片机的发展趋势

5. CISC VS RISC

CISC架构的单片机 适用于需要较多功能和复杂计算的任务,但通常功耗较高,执行速度较慢。

RISC架构的单片机 以高效、低功耗为特点,适合用于现代嵌入式系统和物联网设备。

随着技术的发展,现代单片机(如基于ARM的单片机)大多采用 RISC架构,因为它们能够提供更高的效率和更低的功耗,特别适合在对资源要求严格的嵌入式环境中使用。

架构 冯诺依曼结构 哈佛结构
指令与数据存储 共享内存,指令和数据共用同一存储区域 分离存储,指令和数据有独立的存储区域
处理器性能 可能因为共享总线造成性能瓶颈 能同时读取指令和数据,性能较好
与CISC的关系 CISC通常采用冯诺依曼架构。由于CISC指令复杂,它需要一种简单的存储方式来简化设计 CISC较少采用哈佛架构,但可以在特定应用中使用
与RISC的关系 RISC架构较少使用冯诺依曼架构 RISC架构常常采用哈佛架构,因为它可以提供更高的指令执行效率

6. 课堂总结


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