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

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

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

计算X86 64位体系结构的理论最大数据传输速率的公式是：

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

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）：
   $$\text{传输速率}=(64\text{位}/8)\times 2\text{GHz}=16\text{GB/s}$$

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

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：

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

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

二、单片机有什么用

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

四、单片机发展趋势

五、CISC VS RISC

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。

冯诺依曼结构 VS 哈佛结构

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