【正点原子STM32】单片机简介(FLASH、SRAM和DRAM、CISC和RISC、冯诺依曼和哈佛)

发布时间:2024年01月18日

一、单片机是什么
二、单片机有什么用
三、单片机发展历程
四、单片机发展趋势
五、CISC VS RISC
六、总结

一、单片机是什么

单片机:Single-Chip Microcomputer,单片微型计算机,是一种集成电路芯片
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RAM里的SRAM和DRAM

SRAM(Static Random Access Memory)和DRAM(Dynamic Random Access Memory)是两种常见的随机访问存储器类型,它们在内部工作原理和应用方面有一些显著的区别。

  1. SRAM(Static RAM):

    • 静态特性: SRAM是静态存储器,这意味着它在没有时钟信号的情况下可以保持存储的数据。
    • 刷新: 不需要定期刷新,因为数据是存储在触发器中,只要电源保持稳定,数据就会一直保持。
    • 速度: 通常比DRAM更快,因为读写操作可以直接在存储单元之间进行,而不需要刷新周期或者访问电容。
  2. DRAM(Dynamic RAM):

    • 动态特性: DRAM是动态存储器,需要定期刷新以保持存储的数据,因为数据存储在电容中,电容会逐渐失去电荷。
    • 刷新: 需要周期性地刷新,否则数据会丢失。
    • 速度: 相对于SRAM而言,DRAM的访问速度通常较慢,因为访问需要经过行和列的选择。
  3. 用途和成本:

    • SRAM: 通常用于需要快速访问速度和不需要大容量的应用,例如缓存内存。
    • DRAM: 通常用于需要大容量存储的应用,例如系统内存,因为DRAM可以提供相对较高的存储密度。
  4. 功耗:

    • SRAM: 通常功耗较高,因为它使用了更多的晶体管来实现每个存储单元。
    • DRAM: 通常功耗较低,因为每个存储单元只需要一个电容和一个访问晶体管。

在嵌入式系统中,常常会使用SRAM作为处理器的缓存,而DRAM则用于系统内存。选择哪种类型的内存取决于应用的需求,例如速度、功耗、成本和容量。

Flash存储器(闪存)

在嵌入式系统中,特别是在单片机(Microcontroller)中,Flash存储器类似于个人电脑上的硬盘

以下是关于Flash存储器在单片机中的一些重要方面:

  1. 非易失性存储: Flash存储器是一种非易失性存储器,这意味着它可以在断电后保持存储的数据。这使得它非常适合用于嵌入式系统,因为系统可以在断电或重启后从Flash中加载程序代码或配置信息。

  2. 程序存储: 在单片机中,Flash通常用于存储程序代码。当单片机启动时,它会从Flash中读取代码并执行。这使得Flash对于嵌入式系统的正常运行至关重要。

  3. 数据存储: 除了程序代码,Flash还可以用于存储非易失性数据,例如配置信息、参数设置等。这些数据可以在设备断电后仍然保持,确保系统具有持久性。

  4. 擦写和擦除: Flash存储器需要进行擦写和擦除操作,而这些操作通常是以块为单位进行的。在更新存储的数据或程序时,需要将整个块擦除,然后再进行写入操作。这与RAM不同,RAM允许单独的字节或字的写入。

  5. 寿命考虑: Flash存储器有限的擦写寿命,因此在设计中需要考虑擦写次数。为了延长Flash的寿命,通常采用良好的擦写算法和均衡擦写操作。

总体而言,Flash存储器在嵌入式系统中扮演着重要的角色,类似于个人电脑中硬盘的作用。不仅用于存储程序代码,还用于存储系统的配置和持久性数据。

电脑 VS 单片机

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计算X86 64位体系结构的理论最大数据传输速率的公式是:

传输速率 = ( 位数 / 8 ) × 时钟频率 \text{传输速率} = (\text{位数} / 8) \times \text{时钟频率} 传输速率=(位数/8)×时钟频率

其中:

  • 传输速率是以字节每秒(Bytes per second)为单位的。
  • 位数表示体系结构的位数,例如64位。
  • 时钟频率表示处理器的时钟速率,例如5GHz。

这个公式是基于每个时钟周期能够处理的位数,通过将其转换为字节,我们可以得到每秒的最大传输速率。

当主频为2~5 GHz,带入上述公式计算如下:

  1. 最低主频(2 GHz):
    传输速率 = ( 64 位 / 8 ) × 2 GHz = 16 GB/s \text{传输速率} = (64 \text{位} / 8) \times 2 \text{GHz} = 16 \text{GB/s} 传输速率=(64/8)×2GHz=16GB/s

  2. 最高主频(5 GHz):
    传输速率 = ( 64 位 / 8 ) × 5 GHz = 40 GB/s \text{传输速率} = (64 \text{位} / 8) \times 5 \text{GHz} = 40 \text{GB/s} 传输速率=(64/8)×5GHz=40GB/s

这个计算假设X86架构每个时钟周期可以处理64位的数据,并且通过将其转换为字节,我们可以得到每秒的最大传输速率。根据您提供的范围,最低到最高主频下,传输速率的范围在16 GB/s到40 GB/s之间。这是理论上的最大传输速率,实际的性能可能受到其他因素的影响,如内存访问模式、缓存性能等。

STM32F1系列的主频为72MHz,内存容量在KB级别,传输速率约为300MB/s。让我们再次使用正确的公式:

传输速率 = ( 32 位 / 8 ) × 72 MHz = 288 MB/s \text{传输速率} = (32 \text{位} / 8) \times 72 \text{MHz} = 288 \text{MB/s} 传输速率=(32/8)×72MHz=288MB/s

在这个计算中,我假设STM32F1系列每个时钟周期可以处理32位的数据,通过将其转换为字节,我们可以得到每秒的最大传输速率。因此,根据这个计算,理论上的最大传输速率为288MB/s,而不是300MB/s。这是一个近似值,实际性能可能会受到其他因素的影响。

单片机的特点

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二、单片机有什么用

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单片机在各个领域都有广泛的应用,因为它们提供了紧凑、低功耗、高度集成的解决方案。以下是一些单片机在不同领域的典型应用:

  1. 仪器仪表:

    • 电源控制:单片机可用于实现电源管理、稳压和开关电源控制。
    • 示波器:数字示波器中的信号采集和处理通常涉及到单片机。
  2. 家用电器:

    • 空调:温度控制、风扇速度调节等。
    • 冰箱:温度监控、自动化控制。
    • 洗衣机:程序控制、电机驱动。
  3. 工业控制:

    • 机器人:运动控制、传感器数据处理、反馈控制。
    • PLC(可编程逻辑控制器):工业自动化中的控制单元。
    • 电梯:楼层控制、安全系统。
  4. 汽车电子:

    • GPS(全球定位系统):导航、位置追踪。
    • ABS(防抱死制动系统):车辆刹车控制。
    • 胎压监测:检测和报告轮胎压力。

除了上述领域,单片机还广泛应用于消费电子、医疗设备、通信设备、安防系统、物联网(IoT)设备等。它们在这些应用中扮演着控制、处理和通信的关键角色,提高了设备的智能化和自动化水平。

三、单片机发展历程

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四、单片机发展趋势

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五、CISC VS RISC

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CISC(Complex Instruction Set Computing)和 RISC(Reduced Instruction Set Computing)是两种计算机体系结构的设计哲学,它们主要在指令集的复杂性和执行效率上有所不同。

CISC(Complex Instruction Set Computing):

  1. 指令集复杂: CISC体系结构有一个复杂的指令集,其中包含大量不同的指令,一些指令可以执行多个低级操作。

  2. 多寻址模式: CISC指令集通常支持多种寻址模式,使得一条指令能够操作多个内存位置。

  3. 硬件复杂: CISC架构中的处理器通常较为复杂,包含多个执行单元和管道。

  4. 高度优化: CISC指令集的目标是通过一个指令完成更多的工作,这通常需要更多的硬件支持和复杂的微体系结构。

  5. 用途: 传统的x86架构是CISC架构的代表。

RISC(Reduced Instruction Set Computing):

  1. 指令集简化: RISC体系结构采用简化的指令集,每条指令执行的操作相对较少,但执行时间相对较短。

  2. 单寻址模式: RISC指令集通常限制了寻址模式,简化了指令的解码和执行。

  3. 硬件精简: RISC处理器的硬件结构相对精简,专注于提高时钟周期内执行指令的效率。

  4. 流水线: RISC处理器通常采用流水线技术,使得多条指令可以同时在不同阶段执行。

  5. 用途: ARM和MIPS等体系结构是RISC架构的代表。

在实际应用中,CISC和RISC并非严格对立的两种设计,而是两者之间存在一些模糊的区域。一些架构尝试结合两者的优点,采用混合的设计方法,称为复杂指令集(CISC)和精简指令集(RISC)的混合体(例如,Intel的IA-64架构)。选择CISC或RISC架构通常取决于设计目标、应用需求以及制造技术的发展。
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冯诺依曼结构 VS 哈佛结构

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冯诺依曼结构

程序指令和数据被存储在同一个存储器中

  • 优点:总线资源占用少
  • 缺点:执行效率较低

哈佛结构

程序指令和数据存储到两个独立的存储器中

  • 优点:执行效率较高
  • 缺点:总线资源占用多

六、总结

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文章来源:https://blog.csdn.net/m0_62140641/article/details/135546323
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