Embedded Systems Overview
- 嵌入在更大的系统或设备中。
- 执行专用的、特定应用的功能。
- 软硬件紧密耦合。
- 资源通常有限。
- 针对尺寸、成本、功耗、可靠性、性能等进行优化。
| Item | General-purpose computer systems |
|---|---|
| Hardware | High-performance hardware, large storage media |
| Software | Large and sophisticated OS |
| Development | High-speed, specialized development team |
通用计算机系统：高性能；大存储；庞大复杂的操作系统；高速专业的开发团队 嵌入式系统：硬件多样化；单处理器；实时性；可靠性；精简性；广泛的开发场景
微处理器 (Microprocessor) vs. 微控制器 (Microcontroller)
| 微处理器 (MPU) | 微控制器 (MCU) |
|---|---|
| 只有 CPU 没有 RAM, ROM, I/O, Timer | 单芯片集成 CPU, RAM, ROM, I/O, Timer |
| 灵活配置，容量大 Flexibility | 固定片上资源，容量较小 Fixed Resources |
| 与人交互为主，通用性强 | |
| interact with humans | 与机器交互为主，专用性强 |
| interact with machines | |
| 通常 32/64 位 | 通常 8/16 位 (如 PIC18) |
| 体积大、成本高、功耗高、速度快 | 体积小、成本低、功耗低、可靠性高 |
Dedicated Hardware（专用硬件）
1. Discrete Logic（分立逻辑电路）
- 实现：用门电路、触发器等搭建固定功能电路。
- 设计成本 low：简单电路设计便宜。
- 单位成本 mid：元件多，批量生产时成本不低。
- 升级/修bug hard：改功能要重新布线或换芯片。
- Size large, Weight high：元件分散，体积大。
- Power ?：取决于具体电路，可能高也可能低。
- Speed very fast：纯硬件并行处理，无软件开销。
- 💡 适用场景：极简单的控制逻辑（如红绿灯控制器），但现代已很少单独使用。
2. ASIC（Application-Specific Integrated Circuit，专用集成电路）
- 实现：为特定应用定制的芯片（如手机基带芯片、比特币矿机芯片）。
- 设计成本 high：流片费用极高（百万美元级）。
- 单位成本 very low：量产摊薄后单价极低。
- 升级/修bug hard：一旦投产无法修改。
- Size tiny - 1 die：集成度最高，只有一个硅片。
- Weight very low
- Power low：优化到极致，功耗最低。
- Speed extremely fast：专为任务优化，性能最强。
- 💡 适用场景：超大规模量产产品（如iPhone A系列芯片、GPU核心），不适合小批量或原型开发。
3. Programmable Logic – FPGA, PLD（可编程逻辑器件）
- 实现：FPGA（现场可编程门阵列）、PLD（可编程逻辑器件），可通过配置实现任意数字逻辑。
- 设计成本 low to mid：工具链成熟，无需流片。
- 单位成本 mid：比MCU贵，比ASIC便宜。
- 升级/修bug easy：重新烧录配置文件即可。
- Size small
- Weight low
- Power medium to high：静态功耗较高，动态功耗随复杂度上升。
- Speed very fast：接近ASIC，适合高速信号处理（如视频编解码、通信协议加速）。
- 适用场景：需要高性能+灵活性的场合（如雷达信号处理、工业视觉、原型验证）。
Software Running on Generic Hardware（通用硬件+软件）
4. Microprocessor (ext. memory & peripherals)（微处理器 + 外部存储/外设）
- 实现：CPU + 外挂RAM/ROM/I/O芯片（如早期PC、树莓派前身）。
- 设计成本 low to mid：模块化设计，易扩展。
- 单位成本 mid：外围芯片增加成本。
- 升级/修bug easy：改软件即可。
- Size small to medium
- Weight low to moderate
- Power medium
- Speed moderate：受限于总线速度和外部访问延迟。
- 💡 适用场景：需要强大计算能力且对成本不太敏感的系统（如嵌入式Linux设备、网关）。
5. Microcontroller (int. memory & peripherals)（微控制器）← 本课程重点！
- 实现：CPU + RAM + ROM + I/O + Timer 全部集成在一颗芯片内（如 PIC18F45K22）。
- 设计成本 low：开发简单，工具链成熟。
- 单位成本 mid to low：量产成本低，尤其8位/16位MCU。
- 升级/修bug easy：刷固件即可。
- Size small
- Weight low
- Power medium：低功耗型号可达μA级别。
- Speed slow to moderate：8位MCU主频通常<64MHz，适合控制而非计算。
- 💡 适用场景：绝大多数嵌入式设备（家电、汽车电子、传感器节点、智能手表等）—— 正是本课程实验所用的平台！
6. Embedded PC（嵌入式PC）
- 实现：完整PC架构缩小版（如x86/x64嵌入式主板、ARM SBC如树莓派）。
- 设计成本 low：直接选用现成模块。
- 单位成本 high：包含操作系统、内存、硬盘等，成本高。
- 升级/修bug easy：支持标准OS和软件生态。
- Size medium
- Weight moderate to high
- Power medium to high：需散热，功耗高于MCU。
- Speed fast：运行Linux/Windows，支持复杂应用。
- 💡 适用场景：需要图形界面、网络服务、数据库、AI推理等的边缘计算设备（如自助终端、工业HMI、无人机飞控主机）。