第12章 · 播客 第3集
嵌入式系统设计 · 存储器三层与串并接口的数字坑
🎙️ 本集播客：第3集：Cache 在嵌入式系统里全部集成在微处理器内部这个反常识考点，主存外存怎么分工，Flash 凭什么是外存之王；接口部分是数字雷区——RS-232 的 20kbps、15 米、1000 米，USB 的四根电缆 480Mbps，1394 的 S100/S200/S400 精确速率、4.5 米、6 根电缆和「不需要主控制器」。 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
存储器这块，嵌入式和通用计算机有区别吗？我总觉得都一样是内存硬盘。
雅
小雅
有本质区别，先把三层结构立起来。嵌入式系统的存储器主要分为三种：高速缓存 Cache、片内主存和片外主存，以及外存。逐层说。高速缓存是存放当前使用最多的程序代码和数据的，即主存中部分内容的副本。然后是本集第一个杀招：在嵌入式系统中，Cache 全部集成在嵌入式微处理器内部，可以分为数据 Cache、指令 Cache 和混合 Cache 三种。
明
阿明
全部在内部？通用计算机不是有些 Cache 挂在外面吗？
雅
小雅
你的直觉没错，所以这道练习题才坑。题目问关于嵌入式系统中 Cache 的说法哪个正确，四个选项：全部集成在微处理器内部、全部位于微处理器外部、一部分在内部一部分在外部、与主存共用同一存储空间——按本教材答案是全部集成在微处理器内部。因为嵌入式系统的处理器很多本身就集成了片上存储，片外再挂 Cache 的方案不存在。这题就考原文这一句话，别用通用机的经验去改答案。
明
阿明
懂了，考嵌入式就按嵌入式的原话说。主存呢？
雅
小雅
主存是处理器能够直接访问的存储器，用来存放系统和用户的程序和数据，系统上电后，主存中的代码直接运行，主要特点是速度快，一般采用 ROM、EPROM、NOR flash、SRAM 和 DRAM 等存储器件。注意「处理器能够直接访问」这几个字，这是主存的定义性特征。
明
阿明
外存就是不直接访问的了？
雅
小雅
对，外部存储器是不与运算器直接联系的后备存储器，用来存放不常用的或暂不使用的信息，一般以非易失性存储器构成，数据能够持久保存，即使掉电也不消失。其中重点记 Flash 存储器：它是在 EPROM 和 EEPROM 的基础上发展起来的非易失性存储器，具有结构简单、可靠性高、体积小、质量轻、功耗低、成本低等优点，是最常用的一种外存类型。
明
阿明
把 Cache 的三种分法再确认下：数据 Cache、指令 Cache、混合 Cache——这和第 1 章学的 RISC 双 Cache 能对上。
雅
小雅
能对上，概念是相通的，但嵌入式的题问法不同：问「嵌入式系统中的 Cache 按内容分哪几种」，答数据 Cache、指令 Cache 和混合 Cache；问「位于哪」，答全部集成在嵌入式微处理器内部。两问合起来就是那道练习题的全部选项来源。
明
阿明
主存的器件清单里有 NOR flash，它和外存的 Flash 什么关系？别是一个东西吧？
雅
小雅
不是一个考点：NOR flash 列在主存的常用器件 ROM、EPROM、NOR flash、SRAM、DRAM 里，因为它支持芯片内执行、随机访问快，能当主存放代码；而外存说的 Flash 存储器是泛指在 EPROM 和 EEPROM 基础上发展起来的非易失性存储器，作为外存类型出现。题目问「主存一般采用哪些存储器件」，别漏了 NOR flash 这一项。
明
阿明
那判断「主存的数据掉电不丢」呢？主存清单里有 ROM 和 RAM 混着。
雅
小雅
别下这种绝对化结论。原文只说外存一般以非易失性存储器构成、掉电不消失；主存的定义性特征是处理器能够直接访问、速度快、上电后代码直接运行，没有承诺掉电保持。判断题考「外存数据掉电不消失」答对，考「主存掉电不消失」这种绝对说法要警惕。
明
阿明
明白了。存储三层我理清了：Cache 全在处理器内部，主存直接访问、上电即跑，外存非易失、掉电不丢。接下来接口，我预习过，全是数字，头大。
雅
小雅
数字多，但都是死记型的，讲一个钉一个。先看输入输出设备的分类：根据输入设备实现机理的不同，嵌入式系统的设备可以分为机械式、触控式以及声光式三类。输出设备除了显示器、打印机、绘图仪等，还包括 LED 指示灯、LCD 屏幕、扬声器等媒体。
雅
小雅
接口电路的设计首先考虑的是电平匹配问题，微处理器所提供与接收信号的电平必须与所连接设备的电平相匹配，否则将导致电路损坏或逻辑判定错误；其次还要考虑驱动能力和干扰问题。当前广泛应用的接口主要有 RS232 串行接口、并行接口、USB 接口、IEEE-1394 接口以及 RJ-45 接口，此外以蓝牙为代表的无线接口应用也日趋广泛。
明
阿明
第一个，RS-232，我记得它是老古董串口。
雅
小雅
RS-232 接口是美国电子工业协会推广的一种串行通信总线标准，是数据通信设备和数据终端设备间传输数据的接口总线。三个数字：RS-232-C 标准规定其最高速率为 20kbps；在低码元畸变的情况下，最大传输距离是 15 米；通过使用增强器，传输距离已经延长到 1000 米左右。
明
阿明
15 米和 1000 米别搞混就行——原始是 15 米，加了增强器 1000 米。
雅
小雅
对，出题就喜欢把「通过增强器」这个前提藏起来，直接问「RS-232 最大传输距离」，标准答案按原句答 15 米，选项里再放个 1000 米做干扰。看清楚题干有没有提增强器。下一个 USB：1995 年由康柏等几大厂商共同制定的一种支持即插即用的外设接口标准。在 USB 系统中，必须有一个 USB 主控制器——注意「必须」二字，和 1394 对比就靠它——USB 设备通过四根电缆与 USB 主控制器直接或间接相连，规范从 1.0 到 1.1 再到当前主流的高速 2.0 版本，最高速率可到 480Mbps。
明
阿明
四根电缆、480Mbps、必须有主控制器，USB 三个锚点。1394 呢？
雅
小雅
IEEE1394 即火线 FireWire，最初是由 Apple 公司研制的，1995 年 IEEE 协会以 FireWire 为蓝本制定了这个串行接口标准。硬件上其电缆接口为 6 根电缆组成，包括一堆电源线和两对双绞信号线。协议定义了三种传输速率：98.304Mbps、196.608Mbps 和 392.216Mbps，分别称之为 S100、S200 和 S400。为了保证数据传输率，线缆的长度一般不超过 4.5 米。
明
阿明
这三个速率数字也太刁钻了，98.304、196.608、392.216，一个都不能记成整数？
雅
小雅
一个都不能错，S100 对 98.304，S200 对 196.608，S400 对 392.216，MHz 的精确倍数就是 1394 的性格。记忆窍门：三个数大约是 100、200、400，但精确值分别乘了 0.98304——直接把三个完整数字抄下来背。4.5 米也别写成 5 米。
明
阿明
1394 和 USB 最大的区别是什么？我记得有道题专门考这个。
雅
小雅
就是刚才 USB 那句「必须有主控制器」埋的伏笔。IEEE1394 标准通过所有连接设备建立起一种对等网络，不需要主控节点来控制数据流，即跟 USB 技术相比，最大的区别是 IEEE1394 不需要主控制器，不同的外设之间可以直接传递信息。此外，采用该技术，两台计算机可以共享同一个外部设备。练习题问「IEEE1394 与 USB 相比，最大的区别在于」，选项有传输速度更快、支持设备数量更多、不需要主控制器设备间可直接通信、功耗更低，答案就是第三个。
明
阿明
所以 USB 是主从架构，1394 是对等架构，不用主控制器还能两台电脑共享一个设备。
雅
小雅
理解到位。1394 还有两个特性要背：它同时支持同步和异步传输两种模式——异步传输模式下信息的传递可以被中断，同步模式下数据将不受任何中断和干扰实现连续传输；采用异步传输模式时，会根据不同的设备实际需要分配相应的带宽。同时 IEEE1394 设备也支持热插拔和即插即用。
明
阿明
1394 的「两台计算机共享同一个外部设备」这个点，出题会怎么绕？
雅
小雅
判断题形式：「USB 技术下两台计算机可以共享同一个外部设备」，错，这是 1394 的特性；或者反过来「IEEE1394 必须通过主控制器中转」，也错，它是对等网络。你把因果链背全：因为不需要主控节点、设备间可直接传递信息，所以能两台计算机共享同一个外部设备。
明
阿明
USB 的版本线 1.0、1.1、2.0 也提一下？
雅
小雅
提了，USB 的规范由最初的 1.0 版本发展到了 1.1 版本，以至当前主流的高速 2.0 版本，最高速率可到 480Mbps。问「USB 2.0 最高速率」，答 480Mbps；注意题干写的是「USB2.0」才选 480，没有版本限定的就要掂量选项里有没有 12Mbps 之类的旧版本干扰——按本教材，480Mbps 就是绑定 2.0 版本的。
明
阿明
还有 RS-232 的全称，美国电子工业协会，这个机构名会考吗？
雅
小雅
会，考法是配对：「RS-232 是哪个组织推广的串行通信总线标准」，答美国电子工业协会。它的另一个定位句也别丢：是数据通信设备和数据终端设备间传输数据的接口总线——DCE 和 DTE 之间的接口，这句判断题改个词就能出题。
明
阿明
最后那个 RJ-45 呢？就是网口吧。
雅
小雅
对，RJ-45 接口就是常见的以太网接口，原文只点了名没展开，记住它在嵌入式常用接口清单里就行，清单是 RS232、并行接口、USB、IEEE-1394、RJ-45，外加以蓝牙为代表的无线接口。这道「清单题」的坑法是塞进一个不在清单里的串行标准，比如把 RS-485 混进来，按原文清单排除。
雅
小雅
本集必背第一部分：存储器三层 Cache、主存、外存；嵌入式系统 Cache 全部集成在微处理器内部，分数据、指令、混合三种；主存处理器直接访问、速度快，用 ROM、EPROM、NOR flash、SRAM、DRAM；外存非易失，Flash 在 EPROM 和 EEPROM 基础上发展而来，是最常用外存；输入设备按机理分机械式、触控式、声光式三类；接口设计先考虑电平匹配，其次驱动能力和干扰。
雅
小雅
第二部分，接口数字：RS-232 是美国电子工业协会标准，最高 20kbps，15 米，增强器到 1000 米左右。USB 是 1995 年康柏等制定，四根电缆，必须有主控制器，2.0 版本最高 480Mbps。1394 以 Apple 火线为蓝本，6 根电缆一堆电源线两对双绞线，S100 是 98.304Mbps、S200 是 196.608Mbps、S400 是 392.216Mbps，线缆不超 4.5 米，最大区别不需要主控制器、设备可直接通信，支持同步异步两种模式、热插拔即插即用。
明
阿明
98.304、196.608、392.216，我今晚做梦估计都在念这三个数。
雅
小雅
念顺了就丢不了。下一集进入开发环境：为什么嵌入式开发必须用交叉平台开发方法 CPD，交叉编译器、链接器怎么把宿主机上的源代码变成目标机的可执行映像，目标文件格式 COFF 和 ELF 又是怎么回事。