被裁20240927 --- 嵌入式硬件開發前篇

在這里插入圖片描述

前篇主要介紹一些相關的概念，用于常識掃盲，后篇開始上干貨！

他捧著一只碗吃過百家的飯

1. 處理器芯片
- 1.1 處理器芯片制造商
- - 一、英特爾（Intel）
  - 二、三星（SAMSUNG）
  - 三、高通（Qualcomm）
  - 四、英偉達（NVIDIA）
  - 五、 AMD（超威半導體）
  - 六、聯發科技（Mediatek）
  - 七、海思（Hisilicon）
  - 八、其他
- 1.2 嵌入式處理器芯片制造商
- - 一、國內制造商
  - 二、國外制造商
- 1.3 與意法半導體對標的國產芯片制造商
- - 一、中芯國際
  - 二、華為海思
  - 三、紫光國微
  - 四、北方華創
  - 五、長電科技
2. MCU 和 MPC
3. 處理器架構
- - 一、x86架構
  - 二、ARM架構
  - 三、MIPS架構
  - 四、PowerPC架構
  - 五、Alpha架構
  - 六、SPARC架構
  - 七、其他架構
4. 處理器指令集
- - 一、主要分類
  - 二、常見指令集
5.內核、架構、指令集的關系
- - 一、內核與架構的關系
  - 二、架構與指令集的關系
  - 三、內核與指令集的關系
6. ARM架構的CPU
- - 一、Cortex系列
  - 二、其他ARM架構的CPU
  - 三、基于ARM架構的定制CPU
7. STM32
- - 一、主要特點
  - 二、應用領域
  - 三、性能指標
  - 四、命名規則
  - 五、型號性能梯度
  - 六、開發流程
參考文獻

1. 處理器芯片

注意：ARM 公司只提RISC技術的芯片設計開發服務和技術授權，不直接制造芯片！！

1.1 處理器芯片制造商

一、英特爾（Intel）

全球最大的半導體芯片制造商之一，其CPU品牌享譽全球，成為計算機行業的標桿。
產品廣泛應用于各個領域，從臺式電腦到筆記本電腦，再到智能手機和平板電腦。
推出的酷睿系列、奔騰系列及至強系列在全球范圍內贏得了廣泛贊譽。

二、三星（SAMSUNG）

源于韓國的全球知名企業，業務范圍廣泛，包括電子、金融、機械、化學等多個領域。
CPU品牌Exynos系列被廣泛應用在三星的各類電子產品中，如智能手機、平板電腦等。
Exynos 系列以高性能、低功耗以及優秀的圖形處理能力而備受好評。

三、高通（Qualcomm）

全球領先的無線通信技術公司，也是全球最大的無線半導體供應商之一。
CPU產品在移動領域具有極高的市場份額，驍龍（Snapdragon）系列處理器以出色的性能和功耗控制成為眾多智能手機和平板電腦的首選。

四、英偉達（NVIDIA）

全球知名的技術公司，在顯卡（圖形處理器GPU）領域實力強大，CPU產品同樣不容小覷。
Tegra 系列處理器在移動設備和車載系統中表現出色，Grace CPU系列則專為大規模人工智能和高性能計算應用而設計。

五、 AMD（超威半導體）

CPU市場的佼佼者，以高性價比和出色的多核處理能力而受到用戶的喜愛。
CPU產品憑借卓越的性能和不斷創新的技術，與英特爾并駕齊驅。
銳龍（Ryzen）系列處理器在桌面和筆記本市場上都有著不俗的表現。

六、聯發科技（Mediatek）

全球知名的IC設計廠商，CPU產品在移動設備和消費電子領域具有廣泛的應用。
處理器以高性能和低功耗而受到用戶的青睞，特別是在智能手機和平板電腦等移動設備中。
“天璣”系列處理器已成為行業內的佼佼者。

七、海思（Hisilicon）

華為旗下專注于芯片研發的高科技企業。
CPU產品在消費電子、通信和光器件等領域具有廣泛的應用。
麒麟系列和鯤鵬系列分別在移動端和服務器端展現出了卓越的性能。

八、其他

海力士（Hynix）：在全球半導體存儲器市場中占據重要地位的韓國企業，專注于DRAM和NAND閃存等存儲解決方案的生產，雖然不直接涉足CPU生產，但其產品在提升CPU性能方面發揮著不可或缺的作用。
美光（Micron）：全球知名的半導體記憶產品生產商，主要專注于DRAM和NAND閃存等存儲器的研發與生產，為CPU提供了快速、可靠的數據存取服務。
博通（Broadcom）：全球領先的半導體和基礎設施軟件解決方案提供商，專注于設計、開發和供應各種半導體器件和軟件解決方案，雖然不直接生產CPU，但其有線通信芯片被廣泛應用于智能手機、電視等設備中。

這些制造商在處理器芯片領域各有特色，為用戶提供了多樣化的選擇。同時，隨著技術的不斷進步和市場的拓展，新的制造商和新的產品也在不斷涌現。

1.2 嵌入式處理器芯片制造商

一、國內制造商

海思（Hisilicon）
- 公司背景：華為旗下的半導體公司。
- 產品應用：在嵌入式處理器、芯片設計等領域具有強大實力，麒麟系列處理器廣泛應用于華為智能手機和平板電腦中。
中興微電子
- 公司背景：中興通訊的子公司。
- 產品應用：專注于通信芯片的研發，包括嵌入式通信處理器等，為中興通訊的通信設備提供核心技術支持。
聯發科（MediaTek）
- 公司背景：全球知名的IC設計廠商。
- 產品應用：Helio系列移動處理器和Dimensity系列5G移動處理器在智能手機和平板電腦市場占據重要地位，同時提供無線連接解決方案和IoT平臺等嵌入式技術。
紫光國微
- 公司背景：紫光集團旗下的半導體企業。
- 產品應用：專注于智能安全芯片、特種集成電路等產品的研發，為嵌入式系統提供安全可靠的解決方案。
兆易創新
- 公司背景：專注于存儲器及相關芯片的半導體公司。
- 產品應用：NOR Flash、NAND Flash及MCU等產品廣泛應用于嵌入式系統中。
平頭哥半導體
- 公司背景：阿里巴巴旗下的半導體公司。
- 產品應用：玄鐵系列處理器基于RISC-V架構，為嵌入式設備提供高性能計算解決方案。
地平線機器人
- 公司背景：專注于邊緣AI芯片的研發。
- 產品應用：征程系列AI芯片廣泛應用于車載輔助駕駛系統、智能攝像頭等嵌入式設備中。
寒武紀
- 產品應用：在嵌入式AI芯片領域有突出表現。
龍芯中科
- 產品應用：專注于研發和生產嵌入式處理器芯片。
長江存儲

產品應用：在嵌入式存儲芯片領域有一定的市場份額。

二、國外制造商

恩智浦半導體（NXP Semiconductors）
- 產品應用：提供基于ARM Cortex-M系列的高性能微控制器，適用于工業和汽車應用等。
意法半導體（STMicroelectronics，簡稱ST）
- 產品應用：提供多種微控制器（MCUs），如STM32F1系列、STM32F4系列等，廣泛應用于嵌入式系統中。
德州儀器（Texas Instruments，簡稱TI）
- 產品應用：提供MSP430系列低功耗微控制器、CC系列集成無線連接功能的微控制器等，非常適合物聯網（IoT）應用。
英特爾（Intel）
- 產品應用：提供高性能處理器，如Intel Core i3/i5/i7/i9系列和Intel Xeon系列等，雖然這些處理器更多用于桌面、筆記本電腦和服務器等領域，但英特爾也涉足嵌入式領域，提供針對嵌入式系統的處理器解決方案。
AMD
- 產品應用：提供多種嵌入式處理器解決方案，適用于各種嵌入式應用場景。
英偉達（NVIDIA）
- 產品應用：雖然英偉達以圖形處理器（GPU）著稱，但也在嵌入式領域推出了相應的解決方案，如用于車載娛樂系統和自動駕駛系統的處理器等。
ARM
- 產品應用：雖然ARM本身不直接制造芯片，但它提供了廣泛的處理器架構和IP，供其他芯片制造商使用和開發嵌入式處理器芯片。

這些制造商在嵌入式處理器芯片領域擁有強大的研發實力和市場份額，為用戶提供了多樣化的選擇和優質的服務。

1.3 與意法半導體對標的國產芯片制造商

與意法半導體（STMicroelectronics）對標的優秀國產芯片制造商主要包括以下幾家：

一、中芯國際

公司簡介：中芯國際集成電路制造有限公司是世界領先的集成電路芯片代工企業之一，同時也是國內規模最大、技術最先進的集成電路芯片制造企業。
業務范疇：中芯國際主要根據客戶需求制造集成電路芯片，產品廣泛應用于高性能計算、人工智能、服務器、基站以及汽車電子等多個領域。
技術實力：中芯國際具備先進的制造工藝和技術實力，能夠制造從350納米到14納米的各種類型芯片，包括高端邏輯芯片、電源管理芯片、射頻芯片等。

二、華為海思

公司簡介：海思半導體有限公司（Hisilicon）是華為旗下的半導體設計公司，專注于集成電路的設計與解決方案。
產品應用：海思的產品覆蓋無線網絡、固定網絡、數字媒體等領域的芯片及解決方案，成功應用在全球100多個國家和地區。其麒麟系列處理器在智能手機領域具有廣泛影響力。
技術實力：海思在5G通信、AI計算、圖像處理等領域擁有深厚的技術積累，具備強大的自主研發能力和知識產權積累。

三、紫光國微

公司簡介：紫光國微是國內領先的芯片設計領軍企業，專注于集成電路芯片設計開發業務。
產品范疇：紫光國微在智能安全芯片、特種集成電路、安全自主FPGA等領域形成領先的競爭態勢和市場地位。其產品應用遍及國內外，為金融、電信、政務、汽車等領域提供芯片和終端產品。
技術實力：紫光國微擁有先進的芯片設計技術和強大的研發團隊，能夠為客戶提供定制化的芯片解決方案。

四、北方華創

公司簡介：北方華創是中國領先的半導體設備及元器件制造商，擁有豐富的研發經驗和強大的技術實力。
產品范疇：北方華創在半導體制造設備方面擁有廣泛的產品組合，包括刻蝕設備、薄膜沉積設備、熱處理設備等，這些設備是半導體制造過程中的關鍵部分。
技術實力：北方華創在半導體設備領域取得了核心技術突破，部分產品已達到國際先進水平，能夠與國際頂級設備制造商競爭。

五、長電科技

公司簡介：長電科技是中國領先的半導體封裝測試企業之一，在技術、規模、資金和人才方面具有顯著優勢。
業務范疇：長電科技提供全方位的芯片成品制造一站式服務，包括集成電路的系統集成、設計仿真、技術開發等。其產品廣泛應用于計算機、網絡通訊、電子消費等領域。
技術實力：長電科技在先進封裝技術方面擁有深厚的技術積累，能夠為客戶提供更小尺寸、更高性能、更低成本的封裝解決方案。

這些國產芯片制造商在各自領域具有顯著的技術實力和市場影響力，與意法半導體等國際巨頭形成了一定的競爭態勢。隨著國產替代的加速推進和技術的不斷創新升級，這些國產芯片制造商有望在全球舞臺上展現出更加強大的競爭力和影響力。

2. MCU 和 MPC

MCU：Micro Controller Unit
微控制器單元；
低功耗、低性能；
精簡指令集（RISC）；
用于嵌入式系統，用于消費電子、工業自動化、汽車電子等領域；
小內存和存儲；
嵌入式外設，ADC、UART、定時器等；
MPU：Micro Processor Unit
微處理器單元；
高功耗、高性能；
用于計算機處理器，用于智能手機、個人電腦、服務器等；
復雜指令集（CISC）；
大內存和存儲；
USB、以太網、高級圖形接口等；

3. 處理器架構

目前常見的CPU架構。
注意：CPU指令集和CPU架構可以看作是相同的說法。因為，ARM指令集必然運行在ARM架構的CPU上！其他同理。

一、x86架構

設計者（制造商）：Intel（英特爾）與 AMD（超威半導體）；
x86：x86 架構的32位版本，率先由 Intel 研發成功；
x64：x86 架構的64位版本，率先由 AMD 研發成功；
x64 也稱 x86_64、amd64；
應用于PC和服務器；
支持32位和64位操作模式；
提供豐富指令集；
功耗較高，不太適合嵌入式設備；

二、ARM架構

設計者（制造商）：ARM；
arm64 又稱 aarch64；
基于RISC（精簡指令集計算機）原則設計；
應用于移動設備、嵌入式系統，如智能手機、平板電腦和物聯網設備；
低功耗、高性能和靈活性，適合于對功耗和體積有嚴格要求的設備；
指令集被設計得非常簡潔，有助于提高處理器的效率和性能；
支持多種不同的指令集，包括ARMv7、ARMv8等，以滿足不同設備和應用的需求；
意法半導體公司基于ARM架構研發的一些CPU系列、型號：

三、MIPS架構

設計者：斯坦福大學的約翰·亨尼西（John L. Hennessy）和他的學生大衛·帕特森（David A. Patterson）
特點：
- 主要應用于路由器、數字電視等領域，亦可用于嵌入式系統。
- 高性能、功耗較低。
- 價格相對較高，軟件支持相對較少。
- 指令集設計簡潔高效，具有良好的性能和可擴展性。

四、PowerPC架構

設計者：IBM、蘋果電腦和摩托羅拉公司合作開發
特點：
- 被廣泛應用于游戲機和服務器等領域。
- 高性能、低功耗。
- 成本較高，也不能和x86兼容。

五、Alpha架構

設計者：DEC（數字設備公司）
特點：
- 最初被應用于UNIX服務器領域，但后來因為成本高昂而被逐漸淘汰。
- 高性能、強大的浮點計算能力。
- 軟件支持相對較少，不太適合廣泛應用。

六、SPARC架構

設計者：SUN公司
特點：
- 主要被應用于UNIX服務器領域。
- 高性能、穩定性強。
- 成本較高，不太適合廣泛應用。

七、其他架構

除了上述幾種常見的CPU架構外，還有一些其他架構如VLIW（Very Long Instruction Word，超長指令字）、EPIC（Explicitly Parallel Instruction Computing，顯式并行指令計算）等，但這些架構在市場上的應用相對較少。
總的來說，不同的CPU架構有著各自的優缺點，選擇適合自己實際需要的架構才是最明智的選擇。隨著技術的不斷發展，CPU架構也在不斷創新和優化，以適應不同應用場景的需求。

4. 處理器指令集

注意：CPU指令集和CPU架構可以看作是相同的說法。因為，ARM指令集必然運行在ARM架構的CPU上！其他同理。
CPU指令集是指CPU中用來計算和控制計算機系統的一套指令的集合，這些指令規定了CPU能夠執行的操作和功能，是CPU能夠“理解”的語言。

一、主要分類

從現階段的主流體系結構講，指令集可分為復雜指令集（CISC）和精簡指令集（RISC）兩大陣營。

復雜指令集（CISC）：指令格式可變、指令集復雜龐大，包含多種尋址方式和大量指令。CISC指令集支持多種數據類型和操作，如整數、浮點數、字符串等，并且具有強大的分支預測和流水線技術。然而，CISC指令集也存在一些缺點，如指令執行效率低、功耗較高、硬件實現復雜等。代表架構有x86架構，廣泛應用于個人電腦和服務器領域。
屬于CISC（復雜指令集計算機）的CPU架構主要包括以下幾種：
- x86架構： x86、x64（又稱 AMD64、x86-64）；
- IA-32架構：Intel Architecture 32bit的簡稱，英特爾x86架構的32位延伸版本；
- IA-64架構：是Intel的全新64位架構，與x86架構沒有相似性；
- 其他CISC架構；
精簡指令集（RISC）：指令格式固定、種類較少、尋址方式簡單。RISC指令集強調指令的簡潔性和高效性，通過減少指令的復雜性和提高指令的執行效率來實現高性能。RISC指令集通常具有較低的功耗和較高的能效比，適用于低功耗和嵌入式系統等領域。代表架構有ARM架構，廣泛應用于移動設備、嵌入式系統和服務器等領域。
屬于RISC（精簡指令集計算機）的CPU架構主要包括以下幾種：
- ARM架構指令集；
- PowerPC架構指令集；
- MIPS架構指令集；
- SPARC架構指令集；
- RISC-V架構指令集；

二、常見指令集

x86指令集：由Intel為其第一塊16位CPU（i8086）專門開發，后來IBM推出的世界第一臺PC機中的CPU——8088（i8086簡化版）也使用了x86指令集。x86指令集經歷了多次擴展和升級，如MMX、SSE、AVX等指令集，以支持更高級的數據處理和多媒體應用。x86指令集廣泛應用于個人電腦和服務器領域。
ARM指令集：一種基于精簡指令集（RISC）的處理器架構，具有高性能和低功耗的特點。ARM指令集支持多種擴展和可選模塊，如M、A、F、D等，以滿足不同應用場景的需求。ARM指令集廣泛應用于移動設備、嵌入式系統和服務器等領域。
MIPS指令集：一種經典的RISC架構，由MIPS Computer Systems開發。MIPS指令集具有固定長度指令（32位）、簡潔的指令格式和豐富的寄存器集等特點。MIPS指令集常用于嵌入式系統和網絡設備等領域。
PowerPC指令集：由IBM、Apple和Motorola（AIM聯盟）共同開發的RISC架構。PowerPC指令集支持大規模并行處理和強大的分支預測技術，適用于高性能計算和服務器等領域。
SPARC指令集：由Sun Microsystems開發的RISC架構，主要用于服務器和高性能計算。SPARC指令集具有寄存器窗口機制、高可擴展性等特點，適合大規模服務器應用。
其他指令集；

5.內核、架構、指令集的關系

內核、架構、指令集三者之間在微控制器（如STM32）的設計中密切相關，它們之間的關系可以概括如下：

一、內核與架構的關系

內核是架構的具體實現：
- 內核是微控制器的核心部分，負責執行程序指令、管理內存和外設等。
- 架構則是指微控制器的整體設計框架，包括內核、總線、外設等各個組成部分的排列和連接方式。
- 內核作為架構中的關鍵部分，其設計和實現必須遵循架構的要求。
架構決定內核的性能：
- 架構的設計直接影響到微控制器的整體性能，包括處理速度、功耗、外設接口數量等。
- 內核作為架構中的核心部分，其性能也直接受到架構的影響。例如，高性能的架構通常能夠支持更強大的內核，從而實現更高的處理速度和更低的功耗。

二、架構與指令集的關系

指令集是架構的一部分：
- 指令集是指微控制器能夠識別和執行的指令集合。
- 架構的設計中包括了指令集的選擇和定義，因為指令集是微控制器與外界進行交互的重要方式之一。
架構決定指令集的復雜性：
- 架構的設計決定了微控制器能夠支持的指令類型和數量。
- 簡單的架構通常支持較簡單的指令集，而復雜的架構則能夠支持更豐富的指令集。這直接影響到微控制器的編程靈活性和性能。

三、內核與指令集的關系

內核執行指令集：
- 內核是微控制器的執行單元，負責執行存儲在內存中的指令。
- 指令集是內核能夠識別和執行的指令集合，因此內核的性能和特性直接受到指令集的影響。
指令集影響內核的設計：
- 指令集的選擇和設計直接影響到內核的設計和實現。例如，某些指令集可能需要特定的硬件支持才能實現高效的執行。
- 內核的設計者必須根據指令集的特點和要求來設計內核的硬件和軟件部分，以確保內核能夠正確地執行指令集。

在STM32微控制器中，內核、架構和指令集三者之間的關系得到了充分的體現。STM32系列微控制器采用了基于ARM Cortex-M內核的架構，并支持Thumb-2指令集。這種設計使得STM32微控制器具有高性能、低功耗和豐富的外設接口等特點，在多個領域得到了廣泛的應用。

6. ARM架構的CPU

ARM架構的CPU種類繁多，涵蓋了從低功耗嵌入式應用到高性能計算領域的廣泛選擇。以下是一些常見的基于ARM架構的CPU系列及其代表型號：

一、Cortex系列

Cortex-A系列

Cortex-A系列針對高性能、高能效的應用場景設計，如智能手機、平板電腦、智能電視等。代表型號包括：
- Cortex-A57和Cortex-A53：作為Cortex-A50系列的成員，采用64位ARMv8架構，提供卓越的性能和能效。
- Cortex-A15、Cortex-A9和Cortex-A8：也是該系列中廣受歡迎的型號，支持復雜的操作系統和多媒體應用。
- Cortex-X925：Armv9 CPU架構的一部分，展現了ARM在高性能計算領域的持續創新。
Cortex-R系列

Cortex-R系列專為實時應用而設計，如汽車控制系統、工業自動化設備等。這些處理器強調實時響應能力和高可靠性。代表型號包括Cortex-R5、Cortex-R7和Cortex-R8等。
Cortex-M系列

Cortex-M系列面向成本敏感且對性能有一定要求的嵌入式市場，如智能家居設備、可穿戴設備等。該系列處理器以其低功耗和低成本特性著稱。代表型號包括：
- Cortex-M0和Cortex-M0+：適用于超低功耗應用。
- Cortex-M3：具有高性能和低功耗的平衡。
- Cortex-M4：在Cortex-M3的基礎上增加了DSP指令集，具有更強的計算能力和信號處理能力。
- Cortex-M7：Cortex-M4的升級版本，提供更高的性能和計算能力。

二、其他ARM架構的CPU

除了Cortex系列外，還有一些其他基于ARM架構的CPU：

ARM7系列

ARM7系列處理器以其低功耗和低成本特性在便攜式設備和嵌入式系統中得到了廣泛應用。例如，ARM7TDMI是目前使用最廣泛的32位嵌入式RISC處理器之一。
ARM9系列

ARM9系列在ARM7的基礎上進行了性能提升，增加了更高級的緩存和內存管理功能，適用于需要更高處理能力的應用場合。代表型號有ARM920T、ARM922T等。
ARM11系列

ARM11系列引入了ARMv6架構，進一步增強了多媒體處理能力和系統性能，為當時的高端智能手機和嵌入式設備提供了強大的計算支持。
Neoverse系列

Neoverse系列專為云計算和數據中心設計，支持高性能計算和大規模數據處理。代表型號有Neoverse N1、Neoverse V1等。這些處理器具有高擴展性、高帶寬以及安全和虛擬化等特性。

三、基于ARM架構的定制CPU

許多芯片制造商也基于ARM架構開發了自己的CPU產品。這些產品通常根據特定的應用場景和需求進行定制和優化。例如：

高通Snapdragon系列：高通公司基于ARM架構設計的一系列移動處理器，廣泛應用于智能手機、平板電腦和物聯網設備等領域。
華為麒麟系列：華為自主研發的基于ARM架構的處理器系列，為華為手機和平板電腦提供了強大的計算能力和能效表現。
蘋果A系列芯片：蘋果公司自主研發的基于ARM架構的處理器，為iPhone、iPad等設備提供了卓越的性能和能效表現。

總的來說，ARM架構的CPU種類繁多，覆蓋了從低端嵌入式設備到高端智能手機和計算機的各種應用場景。隨著技術的不斷發展，ARM架構將繼續在計算機架構領域發揮重要作用。

7. STM32

STM32是一款由STMicroelectronics（意法半導體）公司生產的32位閃存微控制器家族，基于ARM Cortex-M內核開發。以下是對STM32的詳細介紹：

一、主要特點

高性能：STM32系列微控制器采用ARM Cortex-M系列處理器核心，包括Cortex-M0、M3、M4、M7和M33等，這些核心提供了高性能的處理能力。
低功耗：STM32具有多種低功耗模式，如睡眠模式、停止模式和待機模式等，使得STM32在不需要全速運行時能夠顯著降低功耗。
豐富的外設接口：STM32提供了豐富的外設接口，如GPIO（通用輸入輸出端口）、UART（通用異步收發傳輸器）、SPI（串行外設接口）、I2C（兩線式串行總線）、ADC（模數轉換器）、DAC（數模轉換器）、PWM（脈沖寬度調制）等，這些接口使得STM32能夠輕松地與外部設備通信和控制外部設備。
易于開發：STMicroelectronics為STM32提供了豐富的開發工具和支持，包括STM32Cube庫、STM32CubeIDE集成開發環境、STM32CubeMX圖形化配置工具等，這些工具簡化了STM32的開發過程，使得開發人員能夠更快速地開發出穩定可靠的應用程序。