第12章 · 播客 第1集
嵌入式系统设计 · 嵌入式系统概论与处理器四分类
🎙️ 本集播客：第1集：从「三要素里居然有计算机系统」这个反直觉考点切入，把七大特点逐条过完，再啃下处理器四分类——EMPU 的单板计算机、EMCU 的 70%、EDSP 的哈佛结构、SoC 的 Smart XA 与 2048 位 RSA，代表系列一对一对清楚。 语音由微软 Edge 神经网络语音预生成（女声·晓伊，男声·云希）。点击下方任意对话可直接从该句开始播，当前句朗读时下一句已预先加载，无缝衔接。
明
阿明
师姐，第 12 章嵌入式系统设计，听说是个大杂烩，从硬件到操作系统到数据库全塞在一章里，我先从哪儿下手？
雅
小雅
先从定义下手，这是全章的地基。嵌入式系统是一种以应用为中心，以计算机技术为基础，可以适应不同应用对功能、可靠性、成本、体积、功耗等方面的要求，集可配置、可裁减的软硬件于一体的专用计算机系统。它主要由嵌入式硬件平台、相关支撑硬件、嵌入式操作系统、支撑软件以及应用软件组成。
明
阿明
定义后面跟着三个词被反复强调：嵌入性、专用性、计算机系统，这就是三要素？
雅
小雅
对，这是嵌入式系统的三个基本的核心要素，逐个说清。嵌入性，指计算机嵌入到对象系统中，且满足对象系统的环境要求，比如物理环境要小型、电气气氛环境要可靠、成本要价廉。专用性，指软硬件的裁剪性，满足对象要求的最小软硬件配置。计算机系统，指嵌入式系统必须是一个能满足对象系统控制要求的计算机系统。
明
阿明
等等，「计算机系统」也算要素？听起来像句废话。
雅
小雅
这就是考题的杀招。练习题问：嵌入式系统的三大核心要素包括嵌入性、专用性和什么？四个选项：实时性、可靠性、计算机系统、低功耗，答案是计算机系统。注意，干扰项实时性、可靠性、低功耗确实都是嵌入式系统的特点，但特点不等于要素——这道题专门坑把特点和要素背混的人。
明
阿明
也就是说要素是这三个，特点另有一张单子？
雅
小雅
对，典型的嵌入式系统有七个特点，我逐条过。第一，系统专用性强：针对具体应用的专门系统，软硬件结合紧密，升级换代以更换整个产品的方式进行，一旦进入市场一般具有较长的生命周期。第二，系统实时性强：相当一部分系统要求对外来事件在限定时间内及时做出响应。第三，软硬件依赖性强：专用性决定了两者必须协同设计，共同实现预定功能。
雅
小雅
第四，处理器专用：这是嵌入式处理器与通用计算机处理器最大的不同，一般是为某一特定目的和应用专门设计的，具有功耗低、体积小、集成度高等优点。第五，多种技术紧密结合：通常是计算机技术、半导体技术、电力电子技术及机械技术与各行业具体应用相结合的产物，结合的紧密程度超过通用计算机。第六，系统透明性：输入设备往往不是常见的鼠标键盘，甚至没有输出装置，用户可能根本感觉不到设备里有嵌入式计算机系统的存在。第七，系统资源受限：存储容量、输入输出设备的数量和处理器的处理能力都比较有限。
明
阿明
我复述一遍关键词：专用、实时、依赖、处理器专用、多技术结合、透明、资源受限。那系统组成呢？
雅
小雅
嵌入式系统一般由软件和硬件两部分组成。嵌入式处理器、存储器和外部设备构成整个系统的硬件基础；软件部分分三个层次：系统软件、应用支撑软件和应用软件。其中系统软件和支撑软件是基础，应用软件是最能体现整个嵌入式系统特点和功能的部分。
雅
小雅
硬件架构上，微处理器是整个嵌入式系统的核心，负责控制系统的执行；外部设备是系统同外界交互的通道，常见的有 Flash 存储器、键盘、输入笔、触摸屏、液晶显示器等。嵌入式系统中经常使用的存储器有三种类型：RAM、ROM 和混合存储器。这些先混个脸熟，处理器马上细讲。
明
阿明
我闻到了熟悉的「背数字」环节的味道。
雅
小雅
鼻子很灵。原文说，据不完全统计，目前世界上嵌入式处理器的种类已经超过了 1000 种，比较流行的也有 30 几个系列。根据使用情况，嵌入式处理器分为四类，这个四分类是本章选择题的重灾区，我一类一类讲。
雅
小雅
第一类，嵌入式微处理器 EMPU，全称 Embedded Micro Processing Unit，由通用计算机中的 CPU 演变而来，功能上跟普通微处理器基本一致，但具有体积小、功耗低、质量轻、成本低及可靠性高的优点。通常 EMPU 和 ROM、RAM、总线接口及外设接口等部件安装在一块电路板上，称为单板计算机。主要的嵌入式微处理器有 AM186/88、386EX、SC-400、POWER PC、MIPS 及 ARM 等系列。
明
阿明
单板计算机这个词是考点吧？装在一块电路板上的就是 EMPU。
雅
小雅
对，考点是「哪种嵌入式处理器通常与 ROM、RAM、总线接口等安装在一块电路板上，称为单板计算机」，答嵌入式微处理器 EMPU。它只是「像 CPU 的那块芯片搬到了板上」，别的器件还在板子上各就各位——记住这个画面，它和下一类正好相反。
雅
小雅
第二类，嵌入式微控制器 EMCU，全称 Embedded Micro Controlling Unit，又称为单片机，就是整个计算机系统都集成到一块芯片中。它一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成 ROM、EPROM、E2PROM、RAM、总线、总线逻辑、定时器计数器、WatchDog 监督定时器、并口串口、数模模数转换器、闪存等必要外设。与 EMPU 相比，EMCU 的最大特点是单片化，因而体积更小，功耗和成本更低，可靠性更高。
明
阿明
这回我抢答：板上的东西全塞进一颗芯片里，所以叫单片机。有个数字是多少来着？
雅
小雅
70%。原文说，目前嵌入式微控制器的品种和数量最多，约占嵌入式系统市场份额的 70%。练习题直接问：嵌入式微控制器又称为单片机，其市场份额约占整个嵌入式市场的多少？选项 50%、70%、80%、90%，答案是 70%。这个数字别和别章的百分比搞混，百分之七十就是 EMCU 的身份证。
明
阿明
代表系列呢，得认得出谁属于单片机吧？
雅
小雅
比较有代表性的通用系列有 8051 系列、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16 等。还有许多半通用系列，如支持 USB 接口的 MCU 8XC930/931、C540、C541，以及用于支持 I2C、现场总线等各种微控制器。记两个锚点就够：8051 是单片机的代名词，MC68HC 一串是摩托罗拉家族。
雅
小雅
第三类，嵌入式数字信号处理器 EDSP，全称 Embedded Digital Signal Processor，是一种专门用于信号处理的处理器。它有三个必背的硬件特征：第一，DSP 芯片内部采用程序和数据分开的哈佛结构；第二，具有专门的硬件乘法器；第三，广泛采用流水线操作，提供特殊的 DSP 指令，可以用来快速实现各种数字信号的处理算法。
明
阿明
哈佛结构这个词我记得，程序和数据分开存。它用在哪？
雅
小雅
目前数字信号处理器在嵌入式系统中使用非常广泛，如数字滤波、快速傅立叶变换及频谱分析等。同时，嵌入式系统的智能化也是推动嵌入式 DSP 发展的一个动力，如各种带有智能逻辑的消费类产品、生物信息识别终端、带有加密解密算法的设备、实时语音压缩和解压系统以及虚拟现实显示装置等，这类系统上的智能化算法一般运算量都比较大，恰好充分发挥数字信号处理器的长处。出题就问「程序和数据分开的哈佛结构、有专用硬件乘法器的是哪类处理器」，答 EDSP。
明
阿明
运算量大、信号处理，找 DSP。第四类呢？
雅
小雅
第四类，嵌入式片上系统 Embedded System On Chip，是一种在一块芯片上集成很多功能模块的复杂系统，如微处理器内核、RAM、USB、IEEE 1394、Bluetooth 等。以往这些单元按照各自功能做成一个个独立的芯片，通过电路板与其他单元组成一个系统；现在将这些本来在电路板上的单元都集成到一个芯片中，从而大幅度缩小了系统体积，降低了系统复杂度，增强了可靠性。大量生产时，生产成本也远远低于单元部件组成的电路板系统。
明
阿明
「把电路板上的东西全搬到芯片里」——这句话和单片机听着有点像，怎么区分？
雅
小雅
用原文的两个专有例子区分。嵌入式片上系统分为通用和专用两类。通用类的主要产品有 Siemens 的 Trocore、Motorola 的 M-Core、某些 ARM 系列的器件等。专用类的代表是 Philips 的 Smart XA，它将 XA 单片机的内核和支持超过 2048 位复杂 RSA 算法的 CCU 单元制作在一个芯片上，形成一个可加载 Java 或 C 的专用嵌入式片上系统，可用于网络安全等方面。看到 Smart XA、2048 位 RSA、CCU 单元，直接锁定专用片上系统。
明
阿明
四类我串一下：EMPU 是 CPU 上板子叫单板机，EMCU 是全塞进一颗芯片占市场 70%，EDSP 是哈佛结构加硬件乘法器搞信号，SoC 是把 USB、蓝牙这些功能模块也集成进来。
雅
小雅
总结得很准，四类的记忆钩子：EMPU 板上集成、EMCU 片内单片化 70%、EDSP 哈佛结构信号处理、SoC 多功能模块大集成。最后说软件那三层的名字：操作系统层，由操作系统内核、应用程序接口、设备驱动程序接口等组成，嵌入式操作系统一般采用微内核结构，只负责进程调度、进程间通信、内存分配及异常与中断管理等最基本的任务，其他大部分功能由支撑软件完成。
雅
小雅
应用支撑软件，由窗口系统、网络系统、数据库管理系统及 Java 虚拟机等几部分组成，一般用于一些浅度嵌入的系统中，如智能手机、个人数字助理等。应用软件，是系统整体功能的集中体现。原文有句很绝对的话：一个嵌入式系统可以没有支撑软件，甚至可以没有操作系统，但不可以没有应用软件，否则它就不可能成为一个系统。判断题爱拿这句出。
明
阿明
可以没有操作系统，不可以没有应用软件——这句我记住了。
雅
小雅
本集必背清单第一部分：嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可配置可裁减的专用计算机系统；三要素是嵌入性、专用性、计算机系统，第三项不是实时性也不是可靠性；七大特点：专用性强、实时性强、软硬件依赖性强、处理器专用、多种技术紧密结合、系统透明性、系统资源受限；软件三层：系统软件、应用支撑软件、应用软件，可以没有操作系统但不可以没有应用软件。
雅
小雅
第二部分，处理器四分类：EMPU 单板计算机，代表 AM186/88、386EX、SC-400、POWER PC、MIPS、ARM；EMCU 单片机占市场份额 70%，代表 8051 系列、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC 系列；EDSP 哈佛结构加硬件乘法器，做数字滤波和快速傅立叶变换；SoC 分通用和专用两类，专用的代表是 Philips Smart XA，集成 XA 内核和超过 2048 位复杂 RSA 算法的 CCU 单元。
明
阿明
处理器这一关总算过了，比想象中信息量还大。
雅
小雅
下一集讲总线，AMBA 那三条总线 AHB、ASB、APB 各管什么、PCI 和 CPCI 是怎么一回事、Avalon 又是谁家的协议，还有一个必考判断题：PCI 到底属不属于 AMBA 规范。