【嵌入式】嵌入式硬件相关基础知识

嵌入式处理器

嵌入式系统中的中央微处理器（CPU）是嵌入式系统中最重要的一个部分

CPU（中央处理器）由运算器 和控制器两大部分组成

主频：CPU内部时钟频率，也就是CPU运算时的工作频率，直接影响运算速度（例如3.0 GHz）
外频：系统总线频率，决定CPU与外部设备（如内存）的通信速率
倍频：指CPU外频与主频相差的倍数，主频 = 外频 × 倍频，用于平衡CPU内部高速与外部低速设备的协同
缓存（Cache） ：
- L1 Cache（一级缓存）：集成在CPU内核中，速度最快，容量最小（KB级）
- L2 Cache（二级缓存）：位于CPU与内存之间，容量较大（MB级）
- L3 Cache（三级缓存）：多核共享缓存，容量更大，降低内存访问延迟

原理：将指令处理拆分为多个阶段（取指、译码、执行等），各阶段并行工作来缩短程序执行时间，提高微处理器的运行效率和吞吐率

【eg.】

ARM处理器示例：

作用：CPU内部的高速存储单元，用于暂存指令、数据和地址（如ARM的R0-R15通用寄存器）

特点：访问速度极快（纳秒级），但容量极小（通常为32/64位）

RAM（随机存取存储器） ：
- DRAM ：动态随机存取存储器，需定期刷新，容量大、成本低
- SRAM：静态随机存取存储器，无需刷新，速度快但成本高（常用于缓存）
Flash存储器 ：
- NOR Flash：支持芯片内执行（XIP），读取速度快，适合存储代码
- NAND Flash：容量大、写入快，适合存储大量数据（不能直接在芯片内执行程序）

总线是接口电路与CPU或者接口电路与I/O外部设备之间连接的主要形式，是各功能部件之间传送信息的公共通路

采用一组公共的信号线作为嵌入式系统各部件之间的通信线，这组公共信号线就称为总线

通信协议是指通信双方的一种约定

约定包括对数据格式、同步方式、传送速度、传送步骤等问题做出统一规定，通信双方必须共同遵守

总线时序协议
- 同步时序：总线上所有事件共用同一时钟脉冲进行操作过程的控制，所有事件都在时钟周期的开始发生
- 异步时序：操作由源或目的模块发出的特定信号确定。双方相互提供联络信号

异步时序协议的握手协议

在嵌入式系统或计算机体系中，异步通信 是指没有统一的时钟信号来同步通信双方的行为，而是依赖握手信号来协调数据的发送与接收

握手通常通过两个控制信号线来完成：

它的过程可以分为四个周期（阶段）：

阶段	发起方（主设备）行为	响应方（从设备）行为	描述
请求阶段	主设备在数据准备好后，将请求信号置为高电平（或有效状态）	\	表示"我准备好了要传数据"
应答阶段	\	从设备检测到请求信号后，准备接收数据，并将响应信号置为高电平	表示"我准备好了可以接收"
请求释放阶段	主设备检测到响应信号后，清除请求信号（拉低）	\	表示"数据已发送完毕"
应答释放阶段	\	从设备检测到请求信号拉低后，也拉低响应信号	表示"数据接收完毕，通信完成"

I/O端口又称为I/O接口，它是微处理器对外控制和信息交换的必经之路，是CPU与外部设备连接的桥梁，它在CPU与外部设备之间起信息转换和匹配的作用。I/O端口有串行和并行之分

CPU对外设I/O端口物理地址的编址方式有两种：

具体采用哪一种则取决于CPU的体系结构

流程：外设请求→CPU保存现场→执行中断服务程序（ISR）→恢复现场继续执行

应用场景：实时响应事件（如按键触发、传感器数据到达）