嵌入式历史与生态
目录
[3.1.MCU 方向](#3.1.MCU 方向)
[3.3.FPGA 方向](#3.3.FPGA 方向)
[3.4.DSP 方向](#3.4.DSP 方向)
[4.2.ARM 发展史](#4.2.ARM 发展史)
[4.7.STM32 系列](#4.7.STM32 系列)
[五、MCU 的产品化](#五、MCU 的产品化)
[六、STM32 的生态与环境](#六、STM32 的生态与环境)
一、历史生态问题
1.1.计算机发展的底层驱动
1946 年 2 月 14 号，美国人发明第一台计算机埃尼阿克，用来计算炮弹弹道轨迹
二战结束，世界格局进入美苏冷战阶段，1991 年苏联解体，双方斗争一直在进行
比如军备竞赛、科技竞赛，计算机就是在冷战期间诞生的新的科学技术与产品设备
嵌入式系统作为计算机的一个发展分支，也随之发展起来
1.2.军转民
在这种斗争背景下，新的科技在诞生初阶，基本是以国家为主导，主要应用于军工领域
- 电子计算机：为了计算弹道、破译密码而创建
- 互联网：为了在核战争下仍能分散指挥而创建
- 全球定位系统：为了让军队由实时、全天候定位导航而创建
- 集成电路与微处理器：为了自导导弹制导，航天计算机而创建
为了让科技持续创新，就必须给政府增加新的收入增长点，让军用转为民用
产生的结果不仅为政府提供税收，解决就业问题，同时也为民转军提供土壤
1.3.摩尔定律
1965 年，英特尔公司的联合创始人戈登摩尔在《电子学》杂志上发表了一篇文章
他观察到每隔 12 个月，芯片上可容纳的晶体管数量就会翻一倍，提出了摩尔定律
集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔 18~24 个月便会增加一倍
摩尔定律为计算机小型化提供可能，推动了嵌入式系统的诞生与普及
1.4.通用与专用
计算机在民用的转化中，具体的方案由人们的需求而定，产生了通用与专用的计算机
通用计算机
网民有听歌、看电影、打游戏、写文档的需求，就有个人计算机
国家有科学研究、密码破译、天气预报的需求，就有超级计算机
专用计算机
电视、冰箱、洗衣机、无人机、空调、微波炉、汽车、机械臂...
并不需要像电脑那样能装各种软件，只需要稳定、高效、低功耗地完成一个或多个特定任务
就有了专用计算机，即嵌入式系统，专用计算机是为了解决低成本解决一个特定领域的问题
1.5.嵌入式系统的诞生
嵌入式系统当开始诞生的时候，主要用于军工领域
在 1970 年代，嵌入式系统是把计算机嵌入到导弹、战斗机、潜艇、雷达里
直到 1980 年代中后期，民用领域才开始极少量使用 MCU
| 阶段 | 时间 | 代表事件与技术 |
|---|---|---|
| 1. 萌芽期：纯军工应用 | 1960s | 阿波罗导航计算机 (AGC)、F-14 战斗机 MP944 芯片 |
| 2. 技术溢出：分工与小型化 | 1970s | Intel 4004(1971)：首个商用微处理器 TMS1000(1974)：首个 MCU（单片机） |
| 3. 民用扩展：进入工业与高端消费 | 1980s | Intel 8051 (1980)：经典单片机；汽车电子、工业 PLC 普及 |
| 4. 全面普及：后 PC 时代 | 1990s | 诺基亚手机、VCD/DVD、信息家电爆发 |
1.6.嵌入式命名的由来
芯片与电路板都被包装，嵌入在设备外壳内部
软硬件都是为一个或多个特定的功能定做，嵌入到应用场景
嵌入式的设计特点
- 实时性：汽车刹车
- 资源受限：为了节省成本，系统的存储空间与运算能力有限
- 低功耗与低成本：电池供电持久
二、认识计算机
2.1.个人电脑（PC）
2.2.智能手机、平板电脑
2.3.服务器
特点：高性能、高成本
2.4.单片机
特点：低性能、低成本
单片机与嵌入式系统
单片机是一个具体的、可编程的 Soc 芯片
嵌入式系统是一个单片机作为大脑，由外围硬件电路、外部设备、嵌入式软件所组成的一个系统
三、嵌入式系统的技术方向
3.1.MCU 方向
MCU（Micro Controller Unit）：将处理器、存储器、外设接口集成在单一芯片上的微处理器
强调实时性、低功耗、低成本，运行裸机程序或轻量级 RTOS（实时操作系统）
相关芯片
- ST：STM32F103，STM32F407，STM32H743
- Espressif：ESP32，ESP32-C3/S3
- 易兆创新：GD32F103，GF32E230
应用领域
- 消费电子：遥控器、小家电、智能手环、智能手表
- 工业控制：电机驱动、传感器采集
- 汽车电子：车窗控制、雨刷控制、BMS 系统
- 物联网终端：智能灯泡、传感器节点、网关
- 通信设备：蓝牙模块、4G 模块、Zigbee 节点
3.2.应用处理器方向
以高性能 CPU 核心为主，集成 GPU，NPU，ISP，多媒体
强调高算力、丰富多媒体性能，复杂的软件生态，运行 Linux、Android 等复杂操作系统
相关芯片
- NXP：i.MX6ULL、i.MX8M Plus
- 瑞芯微：RK3568、RK3588
- 博通：BCM2711（树莓派4），BCM2712（树莓派5）
应用领域
- 智能终端：手机、平板、智能手表
- 车载娱乐：车机、仪表盘、行车记录仪
- 工业互联网：边缘计算网关（自动驾驶）、工业HMI智能屏
- 机器人、无人机：视觉导航、SLAM 计算
- 智慧大屏：广告机、教育一体机
3.3.FPGA 方向
FPGA（Field-Programmable Gate Array）：现场可编程门阵列
内部包含大量可编程逻辑块、可编程互连线、I/O 模块的半导体器件
用户通过编写 HDL 代码来定义硬件逻辑，实现任意数字电路功能
相关芯片
- Xillinx：Spartan-7、Artix-7
- 安路科技：EF2、EG4
应用领域
- 通信、5G：基带信号处理、协处理仪加速
- 视频图像处理：高速视频缩放、色彩空间转换
- 工业控制：高速数据采集、多轴伺服控制
- 航空航天：星载计算、机载雷达
- AI推理加速：CNN 加速器
3.4.DSP 方向
DSP（Digital Signal Processor）：数字信号处理器
专门为数字信号处理算法优化的处理器
相关芯片
- TI：TMS320C60000
- ADI：ADSP-21489
应用领域
- 音频处理：主动降噪、语音编解码、回声消除
- 电机控制：FOC 矢量控制
四、发展生态问题
4.1.芯片与架构
架构：CPU 的指令集、硬件体系、技术实现方案
通用计算机的 CPU，芯片大多采用 x86
嵌入式系统的 CPU，芯片常见架构 C51、ARM、PPC、MIPS、Xtensa、RISC-V
ARM 架构的 CPU 应用范围最广，大量嵌入式产品都是基于 ARM 架构
4.2.ARM 发展史
PC 时代，英特尔和微软联合对抗苹果，苹果扶持了 ARM 芯片厂商来对标英特尔
1983 年：Acorn 被英特尔拒绝授权 x86 ，被迫自研低功耗 RISC
1990 年：ARM 公司业资金缺乏，被迫不造芯片、只设计芯片，卖 CPU IP 授权（芯片设计方案）
1997 年：诺基亚功能机采用 ARM 芯片
2004 年：Cortex-M 系列发布，ARM 公司开始统治嵌入式 MCU 领域
2007 年：iPhone搭载 ARM 架构处理器，开启了智能手机时代
4.3.Soc
Soc（System On a Chip）：片上系统
把一个完整的电子系统集成到单个芯片
传统电脑主板的各个功能部件是独立的：处理器、内存、显卡、声卡、网卡
各个部件通过电路板上的总线连接，距离远、速度慢、功耗大
Soc 将各个功能部件集成一块芯片，距离近、速度快、功耗低
ARM 把 CPU IP 授权卖给芯片公司，芯片公司形成各自的 Soc 方案
芯片公司将 Soc 方案交给三星或台积电代工，测试后生成 Soc 芯片
终端产品公司将 Soc 芯片和其他组件进行组装，生成终端产品
PC 使用的是 x86 架构的 CPU ，手机使用的是 ARM 架构的 CPU（被 Soc 芯片集成）
4.4.ARM-Cortex
在不同的场景下，CPU 对性能、功耗、安全性、实时性的要求都不同
ARM 提供不同等级的 CPU IP 授权，满足各领域的芯片厂商需求
CPU,-Arm IP-安谋科技
https://www.armchina.com/armip?dataId=13&istitle=CPU,
X ：Extreme A ：Application R ：Real-time M ：Microcontroller
| CPU 系列 | 核心特点 | 典型应用场景 | 采购 / 使用公司示例 |
|---|---|---|---|
| Cortex‑X | 极致性能 | 旗舰智能手机、高性能 PC | 苹果、高通、联发科、三星 |
| Cortex‑A | 高性能 | 智能手机、平板、服务器、智能汽车、智能电视 | 苹果、高通、华为、联发科、瑞芯微 |
| Cortex‑R | 高实时性 | 汽车刹车、气囊、硬盘控制器、基带芯片 | 意法半导体、恩智浦、德州仪器、博世 |
| Cortex‑M | 超低功耗 | 微控制器 MCU、物联网传感器、可穿戴、工业控制 | 意法半导体（STM32）、恩智浦、兆易创新 |
4.5.意法半导体
从 ARM 获得 Cortex-M 系列的 CPU IP 授权，利用自身在混合信号、存储器等方面的专有技术
将其设计、封装成一颗功能完整的 MCU 芯片，其中最著名的就是STM32系列
4.6.MCU
MCU（Mincrocontroller Unit）：微控制单元
在功能上
把处理器（CPU）、存储器（Flash、RAM）、各种输入输出接口集成在一起的一个芯片
在制造上
在极纯的硅片上，经过光刻、刻蚀、沉淀、离子注入等上百道工序，把 CPU、Flash、RAM、
ADC、定时器、串口等模块的晶体管一层层堆叠，再把它们的内部连通，形成完整芯片
MCU 可以看作一种功能特定、高度集成的 Soc
使用Soc常见是两种场景
以手机应用处理器为例的 Soc，主要解决的是算力问题
以 MCU 为例的 Soc，主要解决的是控制问题
MCU 是一种专用的计算机，专门低成本解决实时控制问题
4.7.STM32 系列
各个厂商都会生产 MCU，比如恩智浦的 LPC 系列、德州仪器的 MSP430 系列
国内易兆创新的 GD 系列，乐鑫的 ESP32 系列，意法半导体的 STM32 系列
STM32 的命名构成
ST：意法半导体 M ：微控制器 32：32位
S：SGS（Società Generale Semiconduttori 意⼤利半导体通⽤公司）
T：Thomson（Thomson Semiconducteurs 法国汤姆逊半导体公司）
MCU 相当于"手机"，STM32 相当于"华为手机"'，STM32 系列相当于"华为手机"的手机族
F = Foundation（基础）G = General-purpose（通用）L= Low-power（低功耗）
U = Ultra-low-power（超低功耗）H = High-performance（高性能）
| 产品系列 | 内核架构 | 典型型号 | 核心特性 | 应用领域 |
|---|---|---|---|---|
| 超低功耗系列 | Cortex‑M0+/M3/M4/M33 | STM32L0/L1/L4/L5/U0/U3/U5 | 休眠电流低至 280nA，支持动态电压调节 | 智能手表、手环、血糖仪、水表、气表、温湿度传感器 |
| 主流型系列 | Cortex‑M0/M3/M4 | STM32F0/F1/F3/G0/G4 | 性价比突出，外设丰富 | 家电控制、工业传感器、HMI 人机界面、空调控制板、洗衣机面板、电子烟、数字电源、电动工具、HMI 触摸屏 |
| 高性能系列 | Cortex‑M7/M4/M33 | STM32F2/F4/F7/H5/H7 | 主频最高可达 600MHz，支持 DSP/FPU | 协作机器人关节控制器、PLC 模块、无人机飞控、音频效果器 |
| 无线系列 | Cortex‑M0+/M33 | STM32WB/WL/WBA | 集成 BLE/Zigbee/LoRa 射频 | 智能门锁、温控器、资产追踪标签、无线传感器节点、智能灯泡 |
| 边缘 AI 系列 | Cortex‑M7+NPU | STM32N6 | 算力 600 GOPS，支持神经网络推理 | 智能摄像头（人员检测）、语音唤醒家电、瑕疵检测设备 |
| MPU 混合系列 | Cortex‑A7/A35 + M4/M33 | STM32MP1/MP2 | 双核异构，支持 Linux/RTOS | 工业边缘网关、车联网 T‑Box、自助售货机、HMI 一体机工业网关、边缘计算终端 |
4.8.MCU选型
STM32F1 系列
STM32F103 | 产品 | STM32 | MCU单片机 | 意法半导体STM | STMCU中文官网https://www.stmcu.com.cn/Product/pro_detail/STM32F103/productSTM32F103ZET6 型号
五、MCU 的产品化
5.1.终端产品公司
有了 MCU 后，各种厂商（比亚迪、大疆、九号、特斯拉）就会基于 MCU 设计自己的开发板
终端公司除了会采购合适的 MCU，还会从不同供应商采购传感器、电源管理、通信、驱动芯片
在此基础上进行电路原理设计，将 MCU 与外设合理连接，进入 PCB 设计环节
把所有的元器件（MCU、传感器、接口、电源等）布局走线在同一印刷电路板
5.2.培训机构
采购 MCU，通过 PCB 设计，制作自己的开发板，用于教学目的
比如：正点原子、野火、华清远见、普中科技
最小系统板：让一块芯片能够正常工作所需的最少电路集成在一张板子上
5.3.供应链示意图
六、STM32 的生态与环境
6.1.文档化逻辑
产业建立在分工之上，技术领域知识浩如烟海，不同人需要承担不同工作
张三设计 CPU，李四制造 MCU，王五设计 PCB，赵六编写嵌入式软件
文档化可以打破各个领域之间的知识壁垒，实现各种领域的协作
文档化是嵌入式行业的常态，阅读文档是工程师必然学习的过程
6.2.嵌入式开发的文档
ARM 授权 CPU IP，还必须提供《技术参考手册》告诉 MCU 厂商如何集成 ARM 核心
MCU 厂商集成 CPU 和自研外设，输出两份文档
《数据手册》：MCU芯片体检表（引脚、电压、地址）让硬件工程师画板子
《参考手册》：MCU操作说明书（寄存器每位含义）让软件工程师写驱动
RM0008_STM32F101xx,STM32F102xx,STM32F103xx,STM32F105xx和STM32F107xx单片机参考手册 | STMCU中文官网https://www.stmcu.com.cn/Designresource/detail/document/699481 其他产品公司也会基于 MCU 设计自己的主板，提供开发板的原理图
6.3.嵌入式开发岗位
6.4.开发工具
| 工具 | 公司 | 主要解决问题 |
|---|---|---|
| Keil MDK | Arm 公司 | 编译、链接、调试，生成机器码 |
| VS Code | 微软 | 现代化代码编辑器，通过插件扩展开发环境 |
| STM32CubeMX | 意法半导体 (ST) | 图形化配置引脚、时钟，自动生成初始化代码 |
| HAL 库 | 意法半导体 (ST) | 提供硬件抽象层 API，屏蔽寄存器操作，提升代码可移植性 |
Arm Keil | MDK-Community editionhttps://www.keil.arm.com/mdk-community/st.com/en/development-tools/stm32cubemx.htmlhttps://www.st.com/en/development-tools/stm32cubemx.html