嵌入式历史与生态

1. 嵌入式历史与生态核心逻辑
- 1.1 计算机发展的底层驱动力
- 1.2 军转民
- 1.3 摩尔定律
- 1.4 通用与专用计算机
- 1.5 嵌入式系统为什么叫"嵌入式"
1. 认识计算机
- 2.1 常见计算机形态
- 2.2 单片机 vs 嵌入式系统
- 2.3 嵌入式系统技术方向
1. 发展生态
- 3.1 需求拉动产量
- 3.2 ARM发展史与商业模式
- 3.3 SoC 片上系统
- 3.4 ARM版图扩张
- 3.5 意法半导体（ST）
- 3.6 MCU
- 3.7 STM32
- 3.8 MCU选型：STM32F103ZET6
- 3.9 MCU产品化
1. STM32 文档与社区生态
- 4.1 文档化逻辑
- 4.2 核心文档
- 4.3 常见文档分类
1. STM32 开发工具链
- 5.1 裸机开发
- 5.2 STM32工具链选择
- 5.3 推荐工具链各工具作用
- 5.4 HAL库入门说明
1. 扩展：其他常见单片机（了解）

1. 嵌入式历史与生态核心逻辑

1.1 计算机发展的底层驱动力

从二战结束之后，世界格局进入美苏冷战阶段，苏联1991 年解体，但是斗争一直在进行。

斗争体现在各个方面，政治、军事、文化、科技等。而科技发展的原始动力，就是因为有斗争。所以你应该听过军备竞赛和科技竞赛这样的说法。

计算机就是在这样的背景下诞生和发展的。

核心结论：计算机发展的底层驱动力是国家间斗争。

1.2 军转民

早期新科技多由国家主导，优先用于军工。

为保持技术领先，必须让科技发展可持续，因此需要"军转民 "，增加政府收入增长点。

典型军转民产品：互联网、GPS/北斗、微波炉、计算机等。

1.3 摩尔定律

集成电路上可容纳的晶体管数量 ，约每18-24个月翻一番 。

意义：为计算机小型化提供了可能。

1.4 通用与专用计算机

计算机按应用场景可分为三类：

类型	特点	典型代表
通用计算机	一台机器能干多种事，功能由软件决定	PC、笔记本
超级计算机	解决人类级大规模计算难题	超算中心
专用计算机（嵌入式系统）	为特定功能而生，强调低功耗、实时性、稳定性	空调、冰箱、无人机、汽车ECU等

核心结论：嵌入式系统诞生的目的是低成本解决特定领域问题。

1.5 嵌入式系统为什么叫"嵌入式"

嵌入式系统是被"嵌入"到更大设备或系统中的专用计算机，不是独立通用计算机。

特点：

不是独立产品，而是产品的"大脑"或"控制器"

藏在设备内部，用户通常看不到

功能单一且固定，软硬件高度定制

实时性强：必须在规定时间内响应

资源受限：内存可能只有几KB到几百KB

低功耗、低成本

核心结论：通用计算机是"站出来让你用的"，嵌入式是"蹲在里面替你干的"。

2. 认识计算机

2.1 常见计算机形态

个⼈电脑PC（台式机/笔记本）：通用计算机，生产力工具。

手机/平板：算力大幅提升，但受软件生态限制，还不能完全替代PC生产力。

服务器：高性能通用计算机，C/S或B/S架构的核心，提供高算力与存储。

单片机（MCU）：微型控制单元，性能低、成本低，针对特定场景解决特定问题。

2.2 单片机 vs 嵌入式系统

单片机（MCU）：是构建嵌入式系统的核心硬件芯片。

嵌入式系统：是完整概念系统，包含MCU、电路、传感器、软件等。

类比：单片机（MUC）是"老板"，嵌入式系统是"公司"；处理器与手机的关系类似。

2.3 嵌入式系统技术方向

嵌入式系统按核心处理器/计算架构可分为4个方向：

方向	核心特点	典型应用
MCU	实时、低功耗、低成本，裸机或RTOS	家电、工业控制、汽车电子、物联网终端
应用处理器	高性能，运行Linux/Android，强调高算力	手机、平板、车机、边缘计算网关
FPGA	硬件可重构，并行执行，纳秒级延迟	通信、视频处理、工业控制、AI加速
DSP	数字信号处理优化，单周期乘加运算	音频处理、电机控制、通信信号处理

多技术融合趋势：实际复杂系统常将MCU、应用处理器、FPGA、DSP组合使用，如 FPGA+CPU、MCU+DSP 等。

核心结论：MCU开发偏软件方向，后续学习聚焦MCU。

3. 发展生态

3.1 需求拉动产量

Intel 芯⽚+ PC个人电脑：芯片依附于终端产品，PC起量带动Intel发展，形成"Wintel"联盟。

ARM芯片 + 手机：ARM以低功耗优势切入，智能手机时代出货量超越Intel。

核心结论：新需求产生新设备，新设备拉动芯片需求。

3.2 ARM发展史与商业模式

ARM不制造芯片，只设计CPU IP核 ，通过IP授权和收取版税盈利。

这种模式让ARM成为所有芯片公司的"朋友"，最终成为基础平台。

什么是IP核？

IP = Intellectual Property，知识产权核。ARM卖的不是实体芯片，而是受法律保护的芯片设计使用权。

3.3 SoC 片上系统

SoC（System on a Chip）：将CPU、GPU、内存控制器、NPU、ISP、DSP、接口控制器等集成到单颗芯片上。

⼿机体积⼩，电池容量受限，对性能和功耗极度敏感，那么必须把所有核⼼芯⽚（ CPU、GPU 、内存控制器等）从"主板上分散"变成"⼀个硅⽚上集成"，这就是 SoC 的本质。

集成SoC本质就是在追求：⽤⼾⽤得爽，⼚商造得省

CPU是SoC的一部分，SoC = CPU + 其他功能模块。

集成好处：功耗低、体积小、带宽高、成本低、可靠性高。

手机/嵌入式主流是ARM架构SoC，PC主流是x86 CPU。

注意：芯⽚不仅仅指的是 CPU 这类逻辑类芯⽚，还有存储类芯⽚，接⼝类芯⽚，模拟类芯⽚，包括各种传感器等都属于芯⽚范畴。

3.4 ARM版图扩张

ARM 将业务版图扩张到了以下四个关键领域：

移动计算（基本盘），汽⻋电⼦（新增⻓极），服务器与数据中⼼（⾼端突破），AIoT / 物联⽹（⼴阔蓝海）。

为了满⾜不同领域，不同需求的场景， ARM 便有了不同种类的 CPU IP 核的设计⽅案。

ARM为不同应用场景提供不同CPU IP核：

系列	定位	应用场景
Cortex-X	极致性能	高性能旗舰设备
Cortex-A	应用处理器	运行复杂OS（Linux/Android）
Cortex-R	实时处理器	对响应时间严格要求的系统
Cortex-M	微控制器	小、低功耗、资源受限设备

核心结论：未来主学Cortex-M系列。

访问armchina.com （安谋科技（Arm China）的官网页面）

3.5 意法半导体（ST）

ST从ARM购买Cortex核心IP，集成设计并封装为标准化MCU（最著名的是STM32系列），卖给终端公司。

ST做得早、市场占有率高、生态完整，后来者多选择与STM32兼容。

核心结论：学习MCU从STM32开始是主流选择。

3.6 MCU

MCU = Microcontroller Unit，微控制单元，又称单片机 。

内部集成：CPU内核、Flash/RAM、定时器、ADC、串口等。

MCU与SoC的关系：MCU可以看作一种功能特定、高度集成的SoC。SoC 是⼀个更宽泛的概念，⽽ MCU 是这个概念下⾮常经典的⼀个分⽀。

为什么MCU会存在？

物理世界中有海量控制任务（家电、电机、传感器等），要求极低的成本、功耗和硬实时响应。通用处理器无法低成本兼顾这些，只有专用MCU 才能成为最优解。

核心结论：MCU是为低成本实时控制而生的专用计算机。

3.7 STM32

STM32 = ST + M（微控制器）+ 32（32位），意法半导体生产的32位MCU系列总称 。 MCU 就相当于 "⼿机"，那么 STM32 就相当于 "华为⼿机"

STM32 不是⼀个单⼀的芯⽚，⽽是⼀个庞⼤的家族。它的子系列定位：

子系列	定位
F	Foundation，基础/通用
G	General-purpose，主流高性价比
L	Low-power，低功耗
U	Ultra-low-power，超低功耗
H	High-performance，高性能

其他还有无线系列WB/WL、边缘AI系列N6、MPU混合系列MP1/MP2。

学习一款STM32后，其他型号开发大同小异。

3.8 MCU选型：STM32F103ZET6

STM32F1系列2007年发布，终结了8位/16位MCU的统治地位。

STM32F103ZET6 的 CPU 内核是：ARM Cortex-M3 。

它属于 STM32F1 系列 ，最高主频 72 MHz。

选择STM32F103ZET6的原因?

最主流，学习资料最多

引脚多，一块板子能解决几乎所有的入门问题

访问www.stmcu.com.cn （意法半导体（ST）中文官网）可查看全部STM32/STM8产品以及其子系列。

3.9 MCU产品化

终端产品公司基于MCU设计产品主板：原理设计 → PCB设计 → 打样焊接调试 → 量产。

培训机构/开发板公司也基于MCU制作教学板 。

CPU、MCU、板子三者的关系？

ARM公司提供CPU IP核 → ST等厂商制成MCU → 终端/机构设计成板子/产品。（CPU在MCU内部，MCU焊接在板子上）

访问嘉⽴创官⽹：**https://www.jlc.com/\*\*或者

⽴创商城官⽹：https://www.szlcsc.com/

4. STM32 文档与社区生态

4.1 文档化逻辑

产业分工产生知识壁垒，文档打破知识壁垒。

阅读文档是嵌入式工程师的必然学习过程。

4.2 核心文档

提供方	文档	用途
ARM	技术参考手册	偏硬件设计，普通开发者通常不直接看
MCU厂商	数据手册	芯片体检表，引脚/电压/地址，硬件工程师画板
MCU厂商	参考手册	操作说明书，寄存器位含义，软件工程师写驱动
板级设计公司	原理图	MCU引脚与外设连接关系，开发参考

我们最关心文档：STM32《参考手册》 + 《嵌入式板原理图》。

4.3 常见文档分类

文档类型	核心内容	主要使用者
数据手册 Datasheet	物理规格、引脚、电气特性、封装	硬件工程师选型/画原理图
参考手册 Reference Manual	外设功能、寄存器地址与位含义	软件工程师写驱动
勘误手册 Errata Sheet	芯片已知问题与规避方案	调试时查阅
编程手册 Programming Manual	内部Flash操作指南	底层工程师/IAP（在应用内更新程序）/存参数
应用笔记 Application Note	特定主题实战教程	实现特定功能时查阅
用户手册 User Manual	开发板操作指南或库函数API	使用开发板/库时查阅
内核文档（ARM）	Cortex-M内核编程模型（NVIC/SysTick等）	操作CPU内核寄存器时查阅

5. STM32 开发工具链

5.1 裸机开发

裸机开发：在没有操作系统支持下，直接在MCU上编写程序。

STM32开发过程

5.2 STM32工具链选择

常见组合：

Keil MDK + 标准外设库（SPL）------ 官方已弃用，不建议。

Keil MDK + STM32CubeMX + HAL库 ------ Keil编写代码体验差。

C语言 + Keil MDK + VSCode + STM32CubeMX + HAL库 ------ 企业常用Keil，VSCode补足编辑体验，推荐采用。

STM32CubeIDE + HAL库 ------ 集成化太高，不利于学习，暂不建议。

IAR + STM32CubeMX + HAL库 ------ 无社区版、授权贵，不适合新手。

5.3 推荐工具链各工具作用

工具	公司	主要作用
Keil MDK	ARM	编译、链接、调试，生成机器码
VSCode	微软	现代化代码编辑器，通过插件扩展开发环境
STM32CubeMX	ST	图形化配置引脚、时钟，自动生成初始化代码
HAL库	ST	硬件抽象层API，屏蔽寄存器操作，提升可移植性

5.4 HAL库入门说明

标准库已淘汰，手写配置仅出现在维护老项目中。

STM32CubeMX + HAL库自动生成配置代码 （非业务代码），提高开发效率。

学习方式：通过阅读HAL库生成的源码理解配置，避免图形化界面导致理解成本提高。

6. 扩展：其他常见单片机（了解）

51单片机（Intel 8051架构）：经典8位MCU，如STC89C52；曾统治市场20年，现多用于低端遥控器、温度计等。
MSP430：TI 16位MCU，主打低功耗，已基本退出主流。
GD32：兆易创新，兼容STM32，成本低20%-30%，学会STM32自然就会。
ESP32：乐鑫科技，内置Wi-Fi/蓝牙，适合物联网，支持ESP-IDF/Arduino/MicroPython等，市场份额增长快。
树莓派：卡片计算机，运行Linux/Android，DIY常用，企业级开发受成本功耗限制。

写在最后：嵌入式系统本质上是一种专用计算机，其核心特征在于实时性、资源受限以及低功耗和低成本设计。ARM公司通过IP授权模式提供Cortex-M等处理器内核，而意法半导体（ST）基于这些内核设计并制造出STM32系列MCU，成为嵌入式开发的主流选择。因此，学习嵌入式的一条清晰主线是：先建立历史与生态的宏观认知，理解计算机的分类与定位，再聚焦于MCU及STM32的具体知识，进而学会查阅参考手册和原理图，最后掌握完整的开发工具链使用。

在后续的学习中，我们将以STM32F103ZET6为核心硬件，结合《参考手册》和《原理图》进行开发，工具链采用Keil MDK + VSCode + STM32CubeMX + HAL库的组合。如果小伙伴们有不懂的地方，欢迎单独私信或在评论区留言，我们一起交流进步💪