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各位同学大家好

我是清华大学工程物理系的曾鸣老师

欢迎大家回到我们ARM微控制器

与嵌入式系统的课堂

我们继续进行第二章的学习

在上一个单元呢

我们站在历史的角度

或者说听了一段八卦计算机史

来了解计算机乃至嵌入式系统背后的很多故事

特别是几位先哲们的创新精神

和他们年轻的时候的青葱岁月

那么从嵌入式系统理解的角度来讲

这个单元用非常简短的语言来给大家看一看

从不同的应用和领域的角度

嵌入式系统在我们身边的方方面面

以及从产品线的角度

嵌入式系统到底是多么的丰富和多彩

这张图呢大约是15年以前

电子行业一个非常有名的对于未来世界的畅想

因为15年以前

大家并不会觉得他是原始人时代对吧

看上去很多东西跟我们今天仍然很一样

但是在这张图里 很多东西在当时并没有实现

今天我们已经耳熟能详

最最典型的是我们智能手机的高速发展

随身的计算和移动的这种计算平台的使用

还有呢就是随着物联网的发展

我们身边的智能家居

以及各种能够联网的家电的使用

所以我们会说未来的世界

是Connected and smart Society

也就是互联的并且聪明的社会

那么从一个人到他出门的交通工具

到他的家庭、建筑物

乃至天上的、地上的、随身的通讯和计算

无处不存在智能的设备和计算机系统

它的背后的支撑就是我们今天要说

在各种应用领域里头的嵌入式系统

我们之前有一个概念说嵌入式系统

方方面面从大到小

如果我们从身边划拉划拉

我们可以简单的给大家梳理一下

在身边的很多地方我们都能感觉到

嵌入式系统的存在

比如说我们出门都会坐车

一辆汽车根据它的档次的高和低

可以有从20、30个到200多个嵌入式系统

在一辆车里头

从我们坐上车的时候

一个车身的电子产品从接入到远程的控制

从车身的姿态的控制载荷的调整

乃至从安全的角度安全气囊的调控

ABS的控制系统汽车的主动悬挂

再到动力系统

从发动机的转速、传动的轴承情况

都是有专门的芯片测量

和嵌入式计算机系统加以处理

我们小小的一个电动车门

也会有一个八位或者十六位的微控制器

或者叫单片机

来完成你的控制和自动功能

那么在很多车辆上还有音响

语音这样多媒体系统

然后这些分布式的嵌入式系统之间

又会通过LIN总线、CAN总线

把它们进行分布式的互联

将数据加以汇总

如果我们看一下这张图你会发现从奔驰

宝马一直到像本田这样的摩托车里头

都有大大小小的微控制器

也就说我们这门课所要学习的对象

如果抛开车

如果我们看看我们生活的环境

工业仪表还有各种设备当中那更是无处不在

大家都能够想象到是工程中的设备

从机器手到机器人

会使用各种各样的微控制器

包括现场总讯加以通讯

而实际上我们的电网

我们的智能供电系统

电表、电力线载波这些都会使用嵌入式系统

那么今天发展非常旺盛呢

各种各样的终端、磁卡、二维码扫描取款机

乃至我们大家非常熟悉的医疗设备

心电图、PET、CT、核磁共振

以及安全方面的指纹识别

OCR语音识别这样的大量的系统

它都需要有微小的计算平台在背后加以支撑

那么放在消费电子的角度那就更多了

我们都会使用非常非常多的白色家电

在最早期的智能变频的空调里头

一般就会有一个4比特的微控制器

或者叫单片机来加以支撑

那么我们都会使用蓝牙耳机

包括我前面来讲八卦计算机

给大家讲到各种各样的游戏机、手机、PDA

乃至媒体播放器

还有我们今天所使用的计算机的各种外设

从显示屏到鼠标到键盘

越智能的设备

要需要里头有智能的嵌入式系统的支撑

那么如果更进一步说

当代社会的计算机的发展

最主要的应用呢是网络的应用

当我们享受着便利的网络的时候

我们所使用的路由、交换机、网关这些网络设备

乃至光纤设备大量的也是由强大的嵌入式

计算平台作为一个计算机单元

来实现各种网络数据的吞吐

所以说嵌入式系统从行业的角度来讲

是无处不在的

那么与之相关的另外一个话题呢

就是站在嵌入式系统的角度

有这么多种不同的运用他们都使用同样的平台吗

显然不是的

我们会发现嵌入式的器件

往往有很多半导体厂商提供

比如说我与现在的NXP

也就是以前的Freescale为例

如果你选择嵌入式系统你进入它的主页

你会发现他会有非常非常多的产品数

这个Family member (产品成员)

那么这些产品从8位、16位一直到32位

从微控制器一直到性能强大的微处理器

显然它是针对我们刚才所说的花样百出

生活当中无处不在的嵌入式系统来进行研发的

所以当我们要设计一个简单的车门控制

或者变频空调的时候

我们考虑成本可能会选择

价格低廉的八位微控制器

当我们要使用一个复杂的发动机控制

或者更加强大的机器人功能的时候

我们可能要使用32位的嵌入式系统

而如果我们要使用像华为、思科

这样的高吞吐量GHz的数据吞吐的

网络设备的时候

我们可能要的不是控制功能

我们会使用多核并行的32位微处理器

来设计我们的平台

所以就像这张图所示

在任何半导体厂商你会发现

即使是嵌入式的计算机设计

它也不仅仅限于微控制器

不仅仅限于8位、16位当中的某一个型号

而是有非常丰富的产品数的存在

那么我们如何去认知这些产品数呢

作为一个初学者

你可能只能学一个平台

一种系列比如我们下个单元会给大家讲

我们这门课讲授的是ARM微控制器

那么在每一个系列里我们会慢慢树立

我们会从系列到子系列

再到型号的这样一种概念

那么通一，通百

学会了计算机嵌入式开发的通用知识

和基本概念任何一种品种任何一种类型

大家日后都会具备能力

非常容易的上手进行开发

我们举一个例子

比如说非常著名的16比特的

NXP Freescale 的S12系列的MCU

他在2005年起一直到现在

都是全国大学生智能车比赛可以使用的平台之一

它的前身是68HC11摩托罗拉的一款经典芯片

这个芯片在全世界的销量超过了几十亿片

是人类有史以来销量第三大的芯片系列

那么这样一个系列的芯片

如果我们去选择的时候你会发现

他的型号是一个长长的字符串

像这样比如说MC开头

表示摩托罗拉的量产产品

9代表它片内的非易失存储器是flash工艺

S12代表他的母系列名

也就他的CPU

他的汇编指令是哪个指令集

而后面的两个字母D或者X或者别的字母

代表了它的子系列集

我们称为Family

最后的数字代表他片内的存储级大小

所以一个芯片型号的这个字符串

就跟我们买一台电脑一样

你买的是因特尔哪一款的CPU

配的是多大的硬盘还有多大的内存

有没有配显卡能不能打游戏

这就构成了一个麻雀虽小

五腑俱全的微控制系系统的基本定义

那么我们再来看看这里头几个词的含义

S12代表了它是某一种特定架构的

指令集构成了CPU内核

这在我们前面的课刚好已经讲过

而后面这个D开头这个字符串可能有很多组合

分在Family数里头也就说这个家族数里头

我们会看到这么一张表它的横轴是随着时间

不断的越来越新的芯片

纵轴呢是性能越来越高的芯片

一个个的块就是一个个子家族

一个个的系列型号比如说有XD

有时候有UF等等这样的字母

每一个系列它使用同样的CPU

就跟我们同样的计算机CPU

能够组装不同的电脑一样

在选择同系列的微控制器的时候

它有的片内固化了

能够支持液晶显示屏的模块

有的芯片固化了内部具有USB的接口

有的芯片带有很强的电机控制能力

有的芯片具有以太网的通讯

这样不同的组合会形成不同高度定制

但在编程模型上已知的子家族

而在每个子家族里我们刚才看到型号的

最后一个数字是片内存储器的大小略有差异

所以当我们选择一个芯片的时候

我们会发现虽然世界很大

我们暂时不知道怎么选但是我们有一个概念

就是有非常非常多不同档次性能的CPU

可以供我们选择

同一种的CPU有根据不同的外设

像组装电脑一样不同的系列可以组合

而在固定的型号上又根据存储器的大小

和运算能力的大小

又有具体的子型号可以供我们的选择

随着时间的演进

这些产品是一代一代推出的

我们的半导体工艺也在不断的改变

从300多纳米的半导体晶体管工艺

一直到现在的深亚微米、90纳米的工艺

一直演进到现在

那么在一个具体的型号选择完的时候

日后大家如果去选择器件

你还会遇到一件事情

就是同样内部结构的芯片

根据成本的控制可能会有不同的封装

那么这些封装意味着这个芯片有大有小

有的引脚引出来了

有的引脚没有引出来

影响他们的是成本的不一样

而同等封装的芯片

又有可能有不同的温度范围

我们把商业级的器件一般称为0到70度可以工作

军工级或者叫汽车级的器件

可能从负的40度到135度这样的范围

或者85度这样的范围可以工作

所以有如此多的芯片可以选择

那么当我们学完门课

最终有朝一日变成一个

真正的嵌入式系统的设计者的时候

你可能会考虑

我应该如何去在这么繁多的种类

和型号当中加以选择

那么我们会考虑若干个要素

可能大家随之学习的深入和经验的丰富

会越来越体会

比如说我们会考虑工艺尽可能的新

这样它的生命周期长

它的功耗会更低价格也会更低

我们可能会选择在够用的情况下

引脚尽可能小成本会更低

我们会在不同的温度档次里

根据我们所使用场合的需要

选择相对低级别够我们使用的器件

当然如果你希望可靠性

你可能赶着高的级别选择

而牺牲你的成本和经济性

此外我们会考虑它的资料的丰富程度

以及尽可能使用通用性器件

具有更多的批量更低的价格

以及更多的技术资源的分享

总而言之嵌入式的世界非常大

我们从这门课才刚刚入门

下个单元我会跟大家讲

我们究竟学的是其中哪一种

但是在这里站在已经学完的角度来讲的话

嵌入的世界的选择很多时候没有最好

只有最合适 大家一定要记住这样一个原则

好这个单元的学习呢就到这儿

那么下一个单元我给大家讲一讲

32位的嵌入式系统

特别是我们这门课程所逐步

我们要针对的ARM嵌入式系统的历史和它的构架