嵌入式系统架构浅谈:硬件的选型(一) -------主控芯

这篇文章主要对嵌入式系统，单片机这块谈一下嵌入式系统的架构。因网上的资料较少，本人在学习的过程中，收集到的一些资料和见解，现记录下来。

该篇着重于列出同类的区别，对嵌入式硬件的一个选型。

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1. 嵌入式的主控MCU选型

微控制单元(Microcontroller Unit；MCU) ，又称单片微型计算机(Single Chip Microputer )或者单片机。就是我们常说的主控芯片。

1.1 操作处理数据位8位、16位、32位区别

按其基本操作处理的数据位数分类分为1位、4位、8位、16位、32位甚至64位单片机。平时较多使用8位，16位和32位的单片机。这位数是指CPU处理的数据的宽度，参与运算的寄存器的数据长度。直观的说明，例如C语言中定义一个int型变量，在8位的系统中，一次只能处理8位数据，int型变量占用两个字节，就需要两个寄存器来操作。对比32位的系统，一次能处理32位数据，int型变量占用4个字节，只需要一个寄存器操作。简单说32位的系统会比8位系统处理能力有显著的优势。

1.  8位MCU工作频率在16~50MHz之间，强调简单效能、低成本应用，在目前MCU市场总值仍有一定地位，而不少MCU业者也持续为8bit MCU开发频率调节的节能设计，以因应绿色时代的产品开发需求。
2.  16位MCU，则以16位运算、16/24位寻址能力及频率在24~100MHz为主流规格，部分16bit MCU额外提供32位加/减/乘/除的特殊指令。由于32bit MCU出现并持续降价及8bit MCU简单耐用又便宜的低价优势下，夹在中间的16bit MCU市场不断被挤压，成为出货比例中最低的产品。
3.  32位MCU可说是MCU市场主流，单颗报价在1.5~4美元之间，工作频率大多在100~350MHz之间，执行效能更佳，应用类型也相当多元。但32位MCU会因为操作数与内存长度的增加，相同功能的程序代码长度较8/16bit MCU增加30~40%，这导致内嵌OTP/FlashROM内存容量不能太小，而芯片对外脚位数量暴增，进一步局限32bit MCU的成本缩减能力。

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1.2 存储器类型

按其存储器类型可分为无片内ROM型和带片内ROM型两种。对于无片内ROM型的芯片，必须外接EPROM才能应用（典型芯片为8031）。带片内ROM型的芯片又分为片内EPROM型（典型芯片为87C51）、MASK片内掩模ROM型（典型芯片为8051）、片内FLASH型（典型芯片为89C51）等类型。

而存储器的结构可分为哈佛（Harvard）结构和冯.诺依曼（Von Neumann）结构。现在的单片机绝大多数都是基于冯·诺伊曼结构的，这种结构清楚地定义了嵌入式系统所必需的四个基本部分一个中央处理器核心，程序存储器（只读存储器或者闪存）、数据存储器（随机存储器）、一个或者更多的定时/计时器，还有用来与外围设备以及扩展资源进行通信的输入/输出端口，所有这些都被集成在单个集成电路芯片上。

片内的存储器多用于可执行程序的存储。对存储器的要求，需要先对可执行程序的大小做个评估，如果使用BootLoader，则需要考虑两个程序的大小。Bootloader的程序设计一般使用一下两种

1.  在Bootloader程序里对应用程序的升级。
2.  在应用程序先将待升级的程序放在备份区，然后系统重启后，把备份区的程序升级。相比第一种优势可以防止升级过程出现错误导致程序崩溃，需要多一个程序存储的空间。

（题外话升级需要考虑升级过程的数据错误或使用不适应程序升级。）

另需要考虑产品是否需要对数据存储，存储的大小，然后考虑是否选择片内空间更大的芯片，或者使用空间小的芯片加外部存储器。

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1.3  ARM7，ARM9和ARM11概念

我们常用的STM32F1系列其实是基于ARM的Cortex-M3内核，而Cortex-M3处理器采用的是ARMv7-M(增强型ARM7)架构。

这里有一文章，详细的写出了ARM内核的区别和各种内核的解析。

ARM内核全解析，从ARM7,ARM9到Cortex-A7,A8,A9,A12,A15到Cortex-A53,A57_sagane的专栏-CSDN博客

下面这个文章写的是Cortex-M家族的差异。

一文看懂ARM Cortex-M处理器

本文这里着重写的选型，我们在对MCU选型需要考虑到（不全）

1. 是否需要linux系统，linux系统需要MMU（它主要包括两个功能一是支持虚拟/物理地址映射，二是提供不同存储器地址空间的保护机制）的支持，所以不具备MMU的芯片是不支持linux系统。
2. 是否支持浮点运算。
3. 是否需要低功耗模式。
4. 支持的中断。
5. 芯片的面积大小。封装类型。
6. .........(等等)

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1.4  其他

其他需要考虑特定的情况，根据不同的外设，选择不同的接口。

1. 串口的数量。
2. 是否需要DMA。
3. 是否需要CAN接口。
4. 是否需要SDRAM。
5. ........(这里根据不同情况考虑，因素太多无法全部列举)

本文只是个人的一些经验，若能够给您带来帮助，我也能感到欣慰。若您能发现文中的错误或不足之处，还请您指出。谢谢！