单片机理论基础
1.简介
单片机是单片微型计算机的简称，MCU是Microcontroller的简称，也就是嵌入式微控制器。采用集成电路技术将具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、定时器/计时器、多种I/O口和中断系统等功能集成到一块硅片上。可以说单片机就是一个小而完善的微型计算机系统。
2.开发板和最小系统板
2.1开发板：
开发板（demo board）是用来进行嵌入式系统开发的电路板，它包括了中央处理器、存储器、输入设备、输出设备、数据通路/总线和外部资源接口等一系列硬件组件。主要用于嵌入式系统的原型设计、产品验证以及学习研究等。
2.2最小系统板
最小系统板，又称为最小系统电路或微控制器最小系统板，是嵌入式系统开发中常用的一种基础硬件平台。它集成了微控制器（MCU）及其最基本的外围电路，旨在以最低的成本和最小的空间占用，提供微控制器运行所需的基本功能。包含了如MCU，电源电路，时钟电路，复位电路，基本IO口等。
3.单片机命名规范
| ST | 意法半导体 |
| M | 微控制器 |
| 32 | 32位处理器 |
| 类型 | F 通用/基础型 foundation G 多用途型 general-purpose L 低功耗 low power H 高性能 High performance S 简单/标准型 Standard U超低功耗 |
| 系列 | 0 精简系列 1/2/3 增强系列 4/7 高性能系列 |
| 子型号 | 00/01/02/03/05/07 |
| 引脚数量 | K/6-32脚 C/8-48脚 R-64脚 V-100脚 Z-144脚 A-168脚 I-176脚 B-208脚 N-216脚 |
| 存储量 | 6 :32KB 8 : 64KB B :128KB C :256KB D :384KB E : 512KB G :1MB I : 2MB |
| 封装 | U - UQFN封装 T - TQFP封装 |
| 工作温度 | 6 - -40 ~ 85度 |
4.ARM体系架构
ARM是一家公司，ARM公司是一家芯片知识产权（IP）供应商，它与一般的半导体公司最大的不同就是不制造芯片且不向终端用户出售芯片，而是通过转让设计方案，由合作伙伴生产出各具特色的芯片。
ARM7 ARM9 ARM11
4.2后续处理器
开始以cortex命名Cortex-X系列 超高性能系列 Cortex-A系列
4.3针对开放式操作系统的高性能处理器
应用于智能手机、数字电视、智能平板等高端运用 ，Cortex-R系列，提供非常高的性能和吞吐量，同时保持精准的时序属性和可预测的中断延时，通常用于时序关键的应用中。针对实时系统、满足实时性的控制需求
4.4应于汽车制动系统、动力系统等
Cortex-M系列，为单片机驱动的系统提供了低成本优化方案，应用于传统的微控制器市场、智能传感器、汽车周边、物联网设备等
5.哈佛架构和冯诺依曼架构
5.1哈佛架构
- 存储结构：
- 哈佛架构将程序指令存储和数据存储分开，使用两个独立的存储器分别存储指令和数据。
- 指令存储器和数据存储器各自拥有独立的地址空间，并通过独立的总线与CPU相连。
- 数据传输：
- CPU通过独立的总线同时访问指令存储器和数据存储器，实现了指令和数据的并行传输。
- 这种并行传输方式提高了数据传输效率，减少了等待时间。
- 性能：
- 哈佛架构在执行速度上通常比冯诺依曼架构更有优势，因为它能够同时访问指令和数据。
- 独立的指令和数据总线减少了总线冲突，提高了系统吞吐量和执行效率。
- 应用场景：
- 哈佛架构广泛应用于数字信号处理器（DSP）、微控制器和某些嵌入式系统中。
- 这些系统通常需要高效处理指令和数据，因此哈佛架构的并行处理能力成为其显著优势。
5.2 冯诺依曼架构
- 存储结构：
- 冯诺依曼架构采用统一的存储器空间存储程序指令和数据。
- 指令和数据共享同一个存储器，并通过同一条总线与CPU相连。
- 数据传输：
- CPU通过同一条总线依次访问存储器中的指令和数据，实现了顺序传输。
- 这种顺序传输方式可能导致数据传输速率的限制，尤其是在处理大量数据时。
- 性能：
- 冯诺依曼架构的设计相对简单，但在高速运算时可能面临“冯诺依曼瓶颈”，即处理器在执行程序时必须等待数据的加载。
- 由于指令和数据共用一条总线，无法实现并行访问，这导致了效率的低下。
- 应用场景：
- 冯诺依曼架构广泛应用于个人计算机、服务器和嵌入式系统等通用计算设备中。
- 这些系统通常不需要像DSP那样高效处理指令和数据，因此冯诺依曼架构的简洁性和灵活性成为其优势。
三、对比与总结
- 存储结构：
- 哈佛架构：指令和数据分开存储，各自拥有独立的存储器和总线。
- 冯诺依曼架构：指令和数据共享同一个存储器，通过同一条总线与CPU相连。
- 数据传输：
- 哈佛架构：指令和数据可以并行传输，提高了数据传输效率。
- 冯诺依曼架构：指令和数据顺序传输，可能导致数据传输速率的限制。
- 性能：
- 哈佛架构：执行速度更快，减少了等待时间，提高了系统吞吐量和执行效率。
- 冯诺依曼架构：设计简单，但在高速运算时可能面临性能瓶颈。
- 应用场景：
- 哈佛架构：适用于需要高效处理指令和数据的系统，如DSP、微控制器和某些嵌入式系统。
- 冯诺依曼架构：适用于通用计算设备，如个人计算机、服务器和嵌入式系统中的通用设备。