# 1. 计算机的发展

## 1.1. 电子管计算机

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ENIAC长30.48米，宽6米，高2.4米，占地面积约170平方米，30个操作台，重达30英吨，耗电量150千瓦，造价48万美元。它包含了17,468根真空管（电子管）7,200根水晶二极管，1,500 个中转，70,000个电阻器，10,000个电容器，1500个继电器，6000多个开关，计算速度是每秒5000次加法或400次乘法，是使用继电器运转的机电式计算机的1000倍、手工计算的20万倍。

![image-20240830154010191](./img/image-20240830154010191.png)

ENIAC的编程通过改变电缆连接的方式进行，那时几乎所有的程序员都是女性。

## 1.2. 计算机核心技术的发展

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电子管又叫做阴极射线管，是ENIAC的核心。

![image-20240830154308967](./img/image-20240830154308967.png)

1947发面了晶体管（一般使用半导体材料硅/锗为材料，后来锗材料因为物理特性的原因几乎很少用了）代替电子管，使得计算机的功耗和体积大大降低，同时运算速度大大提升。

![image-20240830154543648](./img/image-20240830154543648.png)

集成电路，英文为Integrated Circuit，缩写为IC；顾名思义，就是把一定数量的常用电子元件，如电阻、电容、晶体管等，以及这些元件之间的连线，通过半导体工艺集成在一起的具有特定功能的电路。是20世纪50年代后期到60年代发展起来的一种新型半导体器件。它是经过氧化、光刻、扩散、外延、蒸铝等半导体制造工艺，把构成具有一定功能的电路所需的半导体、电阻、电容等元件及它们之间的连接导线全部集成在一小块硅片上，然后焊接封装在一个管壳内的电子器件。其封装外壳有圆壳式、扁平式或双列直插式等多种形式。集成电路技术包括芯片制造技术与设计技术，主要体现在加工设备，加工工艺，封装测试，批量生产及设计创新的能力上。

## 1.3. 现有主流计算机的计算能力

13th Gen Intel(R) Core(TM) i7-13700K

- 核心：6.38GFLOPS/Core 64亿浮点/核心/秒
- CPU：500亿～2000亿/秒
- 频率 3~6G
- 晶体管数量 估计 20亿～50亿
- 功耗 65W

# 2. 嵌入式系统的概念和特点

计算机系统分类（P2）

1. 通用计算机按照高速运算和海量存储的技术方向发展。
2. 嵌入式系统则向低功耗、高可靠性和便携性等方向发展

## 2.1. 什么是嵌入式

IEEE定义：用于控制、监视或者辅助操作机器或设备装置。

通用定义：嵌入到对象体系中，以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗等严格要求的专用计算机系统。

## 2.2. 嵌入式系统的特点（p2）

1. 嵌入性
2. 专用性
3. 计算机系统

## 2.3. 问题：

> 你身边的电子设备，那些是嵌入式的，哪些是非嵌入式的？
>
> - 笔记本
> - 服务器
> - 手机？
> - 手表？
> - 空调
> - 电视？
> - 洗衣机
> - 冰箱
> - 蓝牙耳机
> - 遥控器
>



# 3. 嵌入式系统的组成（p3）

![image-20240831090312951](./img/image-20240831090312951.png)

虚线上的是软件部分，下部是硬件部分。硬件部分分为核心部分和外围电路；软件部分的操作系统是可选的。

> 问题：为什么需要操作系统，没有操作系统行不行？

## 3.1. 嵌入式硬件(p3-p4)

- 嵌入式处理器（MPU/MCU）：一般来说，MPU的通用能力更好、性能更好；MCU 的性能较低、功耗更低，型号更多，满足专用的领域。例如以前学过的8051就是典型的MPU。

![image-20240831091648957](./img/image-20240831091648957.png)

> 问题：8051 的基本性能和外设？
>
> 8051 可以用来做什么？

- DSP 数字信号处理器



### 3.1.1. 片上系统（SOC）

片上系统（SOC）：集成度更高，除了MPC/MCU，集成了信号处理(DSP)，音频、视频、存储等附加功能，更便于小型化和专用化。

### 3.1.2. ARM处理

ARM公司负责设计处理计内核，其他公司购买内核设计，并在内核的基础上增加功能后完成自己的芯片。

系列：Cortex-A、Cortex-R、Cortex-M，性能从高到底。Cortex-A系列用于手机、平板、甚至服务器领域；Cortex-R通用的高性能嵌入式，用于汽车、网络产品片、仪器、家电等领域；Cortex-M是低功耗系列，用于手表、物联网传感器等小型化、低功耗的领域。

![image-20240831093122332](./img/image-20240831093122332.png)

### 3.1.3. 外围电路（p5）

- 环境感知
- 通信类
- 存储类
- 人机交互类

## 3.2. 嵌入式系统软件（p6）

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- 驱动程序
- 操作系统
- 应用程序



# 4. 嵌入式系统的开发流程

## 编程模式（p7）

### 前后台程序（裸机编程）

该方式适合简单的应用。

后台系统：一个死循环，在循环中调用不同的功能函数完成操作；

前台系统：多个中断服务，用于处理系统的异步事件和实时性要求高的任务。

![image-20240831103309376](./img/image-20240831103309376.png)

### 嵌入式操作系统

适合复杂的应用，更方便的管理任务间的切换，同时也需要较多的资源（RAM、ROM、CPU）。

## 程序开发方式（P8）

- 寄存器方式：以前的8051编程方式，需要了解每个寄存器的具体地址，通过寄存器的读写、位操作等完成功能的开发；
- 库函数方式：使用函数和预定义常量来简化寄存器的操作，其底层还是寄存器的操作。