嵌入式系统设计师软考个人笔记＜2＞
一、嵌入式硬件核心组件
1. 处理器与可编程逻辑器件
- 处理器：
- MCU（微控制器）：集成 CPU + 存储器 + 外设（如 STM32、51 单片机），是嵌入式系统的核心；
- MPU（微处理器）：仅含 CPU，需外接存储器 / 外设（如 ARM Cortex-A 系列）；
- SoC（片上系统）：集成 CPU+GPU + 通信接口 + 传感器等，是复杂嵌入式系统的核心（如手机芯片）。
- 可编程逻辑器件：
- FPGA（现场可编程门阵列）：硬件可重构，适合高速并行处理；
- CPLD（复杂可编程逻辑器件）：基于乘积项结构，适合组合逻辑 / 时序逻辑设计。
2. 存储器
嵌入式系统常用存储器类型及特点：
| 存储器类型 | 特点 | 应用场景 |
|---|---|---|
| RAM（随机存取存储器） | 可读可写、断电数据丢失 | 运行时数据缓存、栈 / 堆空间 |
| ROM（只读存储器） | 只读、断电数据保留 | 存储启动代码、固定配置 |
| Flash | 电可擦写、非易失 | 存储程序、系统镜像（如 Nor Flash、Nand Flash） |
| EEPROM | 字节级擦写、非易失 | 存储小容量配置数据（如传感器校准参数） |
| EPROM | 紫外线擦写、非易失 | 早期嵌入式系统，现已被 Flash 替代 |
3. 电源与复位设备
- 电源设备：为嵌入式硬件提供稳定电压（如 24V→5V→3.3V 的 DC-DC 转换），需满足 “低功耗、抗干扰” 需求；
- 复位设备：
- 硬件复位：通过复位电路（如按键、看门狗）强制系统重启；
- 软件复位：通过代码触发 CPU 复位指令（如 ARM 的
reset指令）。
二、通信接口
嵌入式系统常用的通信接口（含总线与无线）：
- 基本串口：UART（异步串行通信），用于低速数据传输（如调试、传感器通信）；
- 以太网：有线高速通信（如 EtherCAT、TCP/IP），用于工业控制、数据交互；
- WLAN：无线局域网（如 WiFi），用于设备联网、远程控制；
- ZigBee：低功耗无线通信，用于物联网（IoT）多设备组网。
三、半导体器件基础
1. 半导体器件类型
- MOS 管：
- PMOS：P 型衬底的 MOS 管，导通条件为栅极电压低于源极；
- NMOS：N 型衬底的 MOS 管，导通条件为栅极电压高于源极；
- CMOS：PMOS+NMOS 组成的互补结构，低功耗、抗干扰，是嵌入式芯片的核心工艺。
2. CPU 架构：CISC vs RISC
| 架构类型 | 特点 | 代表产品 | 嵌入式场景 |
|---|---|---|---|
| CISC（复杂指令集） | 指令复杂、功能强，单指令完成多操作 | x86 系列（如 Intel 处理器） | 需兼容复杂软件的嵌入式系统（如工业 PC） |
| RISC（精简指令集） | 指令简单、执行快，功耗低 | ARM、MIPS、PowerPC 系列 | 主流嵌入式系统（如 MCU、SoC） |
3. 主流 32 位处理器系列
- ARM 系列：嵌入式领域最常用，分为：
- Cortex-M 系列（MCU，如 STM32）；
- Cortex-A 系列（MPU，如手机芯片）；
- Cortex-R 系列（实时处理器，如汽车 ECU）；
- MIPS 系列：多用于网络设备（如路由器）；
- PowerPC 系列：多用于工业控制、通信设备。
四、CPU 核心机制
1. 异常与中断
- 中断：外部事件触发的 CPU 流程跳转（如按键、定时器溢出），用于实时响应外部事件；
- 陷阱（Trap）：软件主动触发的异常（如系统调用
Syscall），用于用户态与内核态切换； - 故障：硬件 / 软件错误触发的异常（如除零、内存访问越界）；
- 中止：严重错误导致的流程终止（如硬件故障）。
2. MMU（内存管理单元）
- 功能：实现内存保护与隔离，支持虚拟地址→物理地址映射；
- 作用：
- 防止进程越界访问内存；
- 支持多任务 / 多进程的内存隔离；
- 嵌入式系统中，MCU（如 Cortex-M）通常无 MMU，MPU/SoC（如 Cortex-A）配备 MMU。
五、存储器分类与概念
1. SRAM vs DRAM
| 类型 | 特点 | 应用 |
|---|---|---|
| SRAM（静态 RAM） | 速度快、功耗高、容量小，无需刷新 | CPU 缓存（Cache）、寄存器 |
| DRAM（动态 RAM） | 速度慢、功耗低、容量大，需周期性刷新 | 系统内存（如 DDR） |
2. 数模 / 模数转换（ADC/DAC）
- ADC（模数转换器）：将模拟信号（如传感器电压）转换为数字信号，供 CPU 处理；
- DAC（数模转换器）：将数字信号转换为模拟信号（如控制电机的电压）；
- 常见编码：
- PCM（脉冲编码调制）：将模拟信号量化为数字信号（如音频采样）；
- MP3/AAC：音频压缩编码，基于 PCM 的有损压缩。