1.1 嵌入式系统组成
若一台计算机（及其软件）是大系统的集成部分，且通过特定硬件装置控制或监控该系统，则可称为嵌入式系统。
嵌入式系统的核心架构分为三层，各层组件协同实现系统功能：
- 硬件层：核心为嵌入式处理器，搭配外设 1、外设 2 等外围设备电路，构成嵌入式计算机系统的硬件基础（类似笔记本电脑主板的核心作用）。
- 中间层：包含 BSP（板级支持包）和 HAL（硬件抽象层），负责衔接硬件与软件，屏蔽底层硬件差异。
- 软件层：以嵌入式操作系统为核心，结合各类功能组件（组件 1、组件 2... 组件 n），支撑上层应用实现。
核心公式：嵌入式计算机系统 = 嵌入式处理器 + 外围设备电路
1.2 嵌入式处理器分类
嵌入式处理器按功能、集成度和应用场景，主要分为四大类：
1.2.1 微处理器（MPU）
采用增强型通用微处理器架构，专为嵌入式环境设计，性能对标通用计算机 CPU，但在工作温度、电磁兼容性和可靠性上要求更高。
- 核心特点 ：
- 仅含高性能 CPU 核心，需外部 RAM、存储设备和外设配合使用。
- 主频可达几百 MHz 至 GHz 级别，处理能力强，支持复杂计算。
- 可运行 Linux、Android、Windows 等完整操作系统，适配图形界面、多媒体流、AI 算法等复杂任务。
- 体积和功耗相对较大。
- 典型产品：NXP i.MX 系列、NVIDIA Jetson 系列（重点用于边缘计算、AI 应用场景）。
1.2.2 微控制器单元（MCU）
俗称 "单片机"，将 CPU、RAM（运行内存）、ROM（存储内存）、定时计数器和多种 I/O 接口集成在单一芯片上，是高度集成的嵌入式计算机系统，侧重低功耗和实时性能。
- 核心特点 ：
- 单芯片实现完整微型计算机功能，无需额外外部组件。
- 低功耗设计，工作电流从 uA 级到 mA 级，适合电池供电设备。
- 存储容量和处理能力弱于 MPU，不支持复杂操作系统。
- 成本低廉，最低仅需几元人民币。
- 应用领域：智能家居设备、家电控制、消费电子、玩具、智能传感器、工业自动化控制、电机控制、医疗设备、可穿戴设备等。
- 典型产品：80C51、STM32 系列（STM32F103、STM32F407）、Arduino 系列（ATmega328p）、瑞萨 RA 系列、德州仪器 MSP430 系列等。
1.2.3 数字信号处理器（DSP）
专为高速数字信号处理算法设计，采用哈佛架构（程序和数据分开存储），配备专用硬件乘法器，支持并行指令执行和流水线操作，大幅提升数学运算效率，处理速度可达每秒千万次操作。
- 应用领域：音频处理（编解码、音效、语音识别）、图像处理（增强、滤波、压缩）、通信系统（调制解调、信道编码、4G/5G 基站）等。
- 典型产品：德州仪器（TI）TMS320 系列，其中 C5000、C6000、C8000 三款处理器占据 5G 通信 DSP 市场的主导地位。
1.2.4 片上系统（SoC）
将多个处理器核心（CPU、GPU、DSP）、存储器、外围功能模块和嵌入式软件集成在单一芯片上，实现系统级功能，集成度极高。
- 应用领域：智能手机（华为麒麟 990、高通骁龙系列）、平板电脑、智能电视、智能摄像头、安防设备（如海思 Hi3516，用于人脸识别等场景）、大型工厂自动化设备等。
- 典型产品 ：
- 华为麒麟 990（8 核 ARM+16 核 GPU+NPU）。
- 高通骁龙系列、苹果 A 系列、三星 Exynos 系列。
- 全志、瑞芯微、海思等国产 SoC 产品（多采用台积电工艺制造）。
1.3 ARM 内核与各处理器的关联
ARM 公司于 1990 年在英国剑桥成立，由苹果公司、Acorn 计算机公司、VLSI 技术公司合资创办。其核心业务并非生产实体芯片，而是设计 "处理器内核架构（IP 核）"，通过授权模式提供给 ST、NXP、华为、高通等芯片厂商，厂商基于该 "架构蓝图" 搭配自有外设和存储器，生产专属芯片。
1.3.1 关联关系表
| 处理器类型 | 与 ARM 架构的关联 | 核心 ARM 内核系列 | 典型产品 / 场景 |
|---|---|---|---|
| MCU | 深度绑定（主流 MCU 均采用 ARM 内核） | Cortex-M（M0/M3/M4/M7） | STM32、瑞萨 RA、Arduino RP2040 |
| MPU | 高度关联（高性能场景主力） | Cortex-A（A53/A72/A76） | 树莓派 4、NXP i.MX8、工业网关 |
| DSP | 弱关联（辅助补充 / 异构配合） | Cortex-M4/M7（带 DSP 扩展）、Cortex-A（NEON） | 智能音箱（基础音频处理）、麒麟 SoC（ARM + 专用 DSP） |
1.3.2 ARM 架构的核心定义
ARM 架构作为 "硬件设计蓝图"，不仅定义指令集，还包含三大核心内容：
- 内核微架构：CPU 内部运算单元、寄存器、流水线的布局（如三级流水线设计）。
- 存储接口规范：支持哈佛架构或冯诺依曼架构的存储控制器设计（注：ARM 是 "指令集架构"，负责指令执行；哈佛 / 冯诺依曼是 "存储架构"，负责数据读取，二者为搭配使用关系）。
- 外设接口标准：明确与外部设备的连接方式和通信协议。
1.3.3 ARM 架构和内核演进及命名规则
| 架构版本 | 对应处理器（内核） |
|---|---|
| ARMv1 | ARM 1 |
| ARMv2 | ARM 2、ARM 3 |
| ARMv3 | ARM6、ARM7 |
| ARMv4 | StrongARM、ARM7TDMI、ARM9TDMI |
| ARMv5 | ARM7EJ、ARM9E、ARM10E、XScale |
| ARMv6 | ARM11、ARM Cortex-M |
| ARMv7 | ARM Cortex-A、ARM Cortex-M、ARM Cortex-R |
| ARMv8 | Cortex-A35、Cortex-A50 系列 |
命名规则：ARM11（基于 ARMv6 架构）之后，内核命名统一以 Cortex 开头，分为三大系列：
- Cortex-M：面向 MCU 微控制器，侧重低功耗和实时性。
- Cortex-A：面向高端应用处理器（Application），支持完整操作系统。
- Cortex-R：面向实时处理器（Real Time），适用于工业机器人等对实时性要求极高的场景。
1.3.4 ARM 内核与芯片厂商的协作模式（以 STM32F4 为例）
- ARM 公司：负责设计核心部分，包括 Cortex-M4 内核、调试系统、总线架构。
- 芯片厂商（如 ST 意法半导体）：基于 ARM 内核蓝图，自主定义存储器、外设（GPIO、ADC、串口）、I/O 接口、时钟和复位电路等，最终形成完整芯片（如 STM32F4 系列 MCU）。
1.4 STM32F4 系列详解
1.4.1 ST 公司简介
STMicroelectronics（简称 ST，意法半导体）是全球领先的半导体解决方案提供商，于 1987 年由意大利 SGS Microelettronica 和法国 Thomson Semiconducteurs 合并成立，总部位于瑞士日内瓦。公司在全球 35 个国家设有分公司和生产基地，位列半导体行业 "十大厂商"，在嵌入式 MCU、功率器件、传感器领域占据核心市场地位。
1.4.2 STM32 产品体系分类
STM32 系列按性能、功耗、功能可分为五大类，各系列对应不同 ARM 内核和应用场景：
| 大类 | 系列 | 内核 | 特性描述 |
|---|---|---|---|
| 入门级 MCU | G0 | Cortex-M0+ | 全新入门级 MCU |
| 模数混合型 MCU | G4 | Cortex-M4 | 兼具模拟与数字处理能力 |
| 基础型 MCU | F0 | Cortex-M0 | 入门级基础型 MCU |
| 经典入门 MCU | F1 | Cortex-M3 | 经典入门系列，应用广泛 |
| 混合信号 MCU | F3 | Cortex-M4 | 侧重混合信号处理场景 |
| 高性能 MCU | F2 | Cortex-M4 | 高性能基础款 |
| 高性能 MCU | F4 | Cortex-M4 | 带 DSP/FPU，应用广泛（如 STM32F407） |
| 高性能 MCU | F7 | Cortex-M7 | 更高主频，适配复杂算法 |
| 超高性能 MCU | H7 | Cortex-M7 | 超高性能，部分型号为双核（M7+M4） |
| 超低功耗 MCU | L0 | Cortex-M0+ | 超低功耗入门款 |
| 超低功耗 MCU | L1 | Cortex-M3 | 经典超低功耗系列 |
| 超低功耗 MCU | L4 | Cortex-M4 | 超低功耗均衡款 |
| 超低功耗安全 MCU | L5 | Cortex-M33 | 超低功耗 + 高性能 + 安全特性 |
| 超低功耗大容量 MCU | U5 | Cortex-M33 | 超低功耗 + 高性能 + 大容量 + 安全特性 |
| 无线 MCU | WB | Cortex-M4 + Cortex-M0+ | 双核设计，集成 BLE 等短距离无线功能 |
| 远程无线 MCU | WL | Cortex-M4 | 适配 LoRa 等广域网，支持远程通信 |
| 微处理器 MPU | MP1 | Cortex-A7 + Cortex-M4 | 双核超高性能，支持 Linux 系统 |
1.4.3 STM32 命名规则（以 STM32F407VET6 为例）
STM32 的命名由多个字段组成，各字段含义如下：
1.4.4 应用场景
STM32F4 系列在多个领域应用广泛，包括工业控制、智能家居与消费电子、汽车电子（如 ECU 控制器）、物联网与边缘计算、医疗设备等。
1.4.5 STM32F407 核心资源配置
1. 核心性能参数
- 内核：Cortex-M4（带 FPU 浮点运算单元 + DSP 指令集），支持复杂数学运算和信号处理（如滤波、FFT）。
- 主频：168MHz，保障高性能运算和多任务、高实时性场景需求。
- 存储：FLASH 512KB（程序存储）、SRAM 192KB（数据运行存储），满足中大型项目代码存储与数据缓存，无需额外扩展存储。
- 封装：LQFP100，提供 84 个 IO 引脚，资源丰富，便于外设扩展和焊接调试。
- 工作电压：3.3V，兼容主流嵌入式供电方案，稳定性高。
2. 关键外设资源
| 资源类别 | 具体配置 | 核心用途 |
|---|---|---|
| 定时器资源 | 基本定时器 ×2、通用定时器 ×10、高级定时器 ×2 | 基础时序控制、PWM 输出、电机调速、脉冲测量、高精度电机控制 |
| 模拟外设资源 | ADC：3 个 12 位精度（18 个通道，支持多通道同步采样）；DAC：2 个 12 位精度 | 高精度模拟信号采集（传感器、模拟量检测）；波形生成、电压调节、音频驱动 |
| 通信接口资源 | USART/UART×6、CAN 总线 ×2（支持 CAN 2.0A/B 协议）、SPI×3、IIC（I2C）×3、USB 接口 ×1（Device+OTG）、以太网接口（10/100M 自适应）、SDIO×1 | 串口通信、工业 / 汽车总线通信、高速外设扩展、低速外设连接、USB 数据传输、网络通信、SD 卡 /eMMC 扩展 |
| 其他功能资源 | DMA 控制器 ×2、RTC 实时时钟 ×1、FSMC 灵活静态存储控制器 ×1 | 外设与存储高速数据传输（降低 CPU 负载）、定时唤醒 / 时间戳记录、外部存储扩展（SRAM、NOR Flash） |
3. 总线架构
4.总线分类与核心作用
STM32 的总线体系可分为内核总线 和外设总线两大类，其中内核总线负责 CPU 与内部存储 / 外设的通信，外设总线则管理不同速率外设的访问。
1. 内核总线（S0、S1、S2）
这三类总线直接与 Cortex-M4 内核交互，是指令和数据传输的核心通道：
| 总线名称 | 作用 | 访问对象 |
|---|---|---|
| S0（指令总线 I） | 内核通过此总线从存储中获取指令 | Flash、SRAM1、FSMC（外部存储器） |
| S1（数据总线 D） | 内核通过此总线从存储中读取 / 写入数据 | Flash、SRAM1、FSMC |
| S2（系统总线 S） | 访问内部 SRAM、AHB 外设及外部存储器 | SRAM1、SRAM2、AHB1 外设、AHB2 外设、FSMC |
2. 外设总线（AHB、APB）
外设总线属于高级高性能总线（AHB） 架构的分支，用于管理不同速率的外设访问：
| 总线名称 | 类型 | 作用 | 典型外设 |
|---|---|---|---|
| APB1 | 低速外设总线 | 连接对速率要求较低的外设 | 定时器（TIM2-7）、UART、IIC、CAN 等 |
| APB2 | 高速外设总线 | 连接对速率要求较高的外设 | GPIO、ADC、SPI、USART（高速）、以太网等 |