【STM32HAL-第1讲 基础篇-单片机简介】

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1. 单片机是什么？

单片机（Single-Chip Microcomputer，简称SCM）是一种微型计算机，其所有主要功能（CPU、内存、输入输出接口等）都集成在一个芯片内。相比传统的计算机，单片机将计算机系统所需的各个部件压缩进一个小型芯片中，使得其具有极高的集成度和极低的功耗，能够在嵌入式系统中运行。


1. 处理器与主频
单片机：一般使用低主频的CPU，典型的如STM32系列主频为72MHz。单片机的处理器性能较为有限，主要用于执行简单、专用的控制任务。

电脑：传统电脑的CPU通常是基于x86架构，主频可达2~5GHz，远高于单片机。电脑的CPU适合执行复杂的计算任务，支持多任务并行处理。

1. 主频（Clock Frequency）
   主频，通常也叫时钟频率，指的是处理器每秒钟能够完成的时钟周期数，单位是赫兹（Hz）。它表示处理器的工作速度，主频越高，处理器每秒能执行的指令就越多，理论上，处理速度也就越快。
   主频与性能：在大多数情况下，主频越高，处理器能够处理的任务越多。然而，主频并不是评估处理器性能的唯一标准，还需要考虑其他因素，比如指令集的效率、核心数等。
   单片机的主频：单片机的主频一般较低，典型的STM32系列的主频是72 MHz（兆赫兹）。这意味着它每秒可以执行72百万个时钟周期。单片机用于控制任务时，它并不需要非常高的处理速度，低功耗、稳定性和效率更为重要。
   电脑的主频：传统电脑的处理器（例如Intel或AMD的处理器）的主频通常在2 GHz到5 GHz之间。1 GHz（千兆赫兹）意味着每秒1十亿个时钟周期，因此，它的处理能力远超单片机。这使得传统计算机能够处理更复杂、更高效的计算任务。

2. x86架构
   x86架构是一种计算机处理器的架构，也可以称为指令集架构（ISA）。它是由英特尔（Intel）最初开发的，后来成为了个人计算机（PC）的标准架构。大多数传统桌面和笔记本电脑都使用基于x86架构的处理器。
   x86架构的特点：x86架构是一种CISC（复杂指令集计算机）架构。它的特点是提供丰富的指令集，可以直接支持多种复杂的操作。比如，x86处理器可以通过单条指令来完成多个步骤的任务。相对于RISC（精简指令集计算机）架构，它的指令数量多且功能强大。
   x86架构的应用：几乎所有的桌面电脑、服务器、笔记本电脑等都使用x86架构的CPU。因为它能够处理复杂的任务，运行操作系统、多个程序、并支持丰富的输入输出设备。

2. 内存
单片机：单片机内存较小，通常为KB级别的内存。例如，STM32F1系列的SRAM为20KB左右，适用于存储少量数据和程序。

电脑：内存通常为GB级别，现代电脑可配备8GB、16GB甚至更多的内存，允许电脑同时运行多个程序，支持复杂的计算和多任务处理。

ROM分为SRAM,DRAM

1. SRAM (静态随机存取存储器)
   无需刷新：数据稳定保存，直到断电。
   速度快：访问速度较高。
   体积小，成本高：通常用于CPU缓存和嵌入式系统。
2. DRAM (动态随机存取存储器)
   需要刷新：数据会自然丢失，需定期刷新。
   速度较慢：刷新操作影响速度。
   容量大，成本低：常用于电脑内存。

这里的40GB/S：64位的电脑，8字节，8×5=40
这里的300MB/S：32位的STM,4字节，72×4 = 300

3. 存储器

1. 内存（RAM）
   作用：用于临时存储正在运行的程序和数据，帮助CPU快速访问信息。
   特点：
   易失性：断电后数据丢失。
   速度非常快，支持程序的实时执行。
   容量较小，一般为几GB到十几GB（如8GB、16GB等）。
2. 硬盘（包括闪存）
   作用：用于长期存储操作系统、程序和文件。
   特点：
   非易失性：断电后数据保持。
   存储介质：硬盘有两种主要类型：
   传统硬盘（HDD）：通过机械部件（如旋转盘片和磁头）来存储数据，速度较慢，容量大，价格便宜。
   固态硬盘（SSD）：使用**闪存（Flash）**技术，速度更快、没有机械部件，耐用性高，功耗低，但价格相对较高。
   容量：硬盘的容量一般为几百GB到TB级别。
   速度：SSD比传统HDD速度快，尤其是数据读取和写入速度。SSD通常能够提供几百MB/s到1GB/s甚至更高的速度。
   单片机：单片机通常配备较小的闪存（Flash），一般为KB到MB级别。存储器用于存储固件和少量数据，适合用于特定的控制任务。

电脑：电脑的硬盘容量通常为TB级别，支持存储大量的操作系统、应用程序和用户数据。硬盘速度也较快，现代SSD可以达到500MB/s以上。

这里的100MB/S，单片机的Flash闪存是24M，24×4=100

4. 功耗
单片机：单片机的功耗非常低，典型的功耗为0.5W以下，适合低功耗设备和嵌入式系统。其工作电流一般为几十到几百毫安。

电脑：电脑的功耗较高，一台普通的桌面电脑功耗通常为400W左右，这也需要额外的散热系统来维持其运行。

5. 尺寸与集成度
单片机：单片机的体积小且高度集成，许多功能（CPU、内存、I/O接口等）都集成在一个芯片中。单片机的设计目标是尽可能节省空间和成本，适合嵌入式系统。

电脑：传统电脑通常由多个独立的硬件组成，如CPU、内存、硬盘、显示卡、外设接口等，这些组件通过总线连接，体积较大，且不具备单片机那样的高度集成。

6. 外设与接口
单片机：单片机有多种内置接口（如GPIO、SPI、I2C等）用于与外部设备通信。它能够控制简单的外设，如传感器、执行器、显示屏等。

电脑：电脑拥有更多的外设接口，如USB、HDMI、Ethernet等，能够连接多种设备并提供更强大的数据处理能力。

7. 应用领域
单片机：主要用于嵌入式控制系统，在家电、仪器仪表、工业控制、汽车电子等领域有广泛应用。例如，家电、汽车电子系统、机器人、儿童玩具等都依赖单片机进行控制。

电脑：传统电脑用于更为复杂的计算任务，包括文档编辑、网络浏览、游戏、视频处理等。它支持操作系统、图形界面以及多种应用程序的运行。

8. 成本
单片机：单片机的成本较低，像STM32F1系列单片机的价格通常在几元到十几元之间，适合用于成本敏感的产品。

电脑：传统电脑的成本较高，尤其是高性能的台式机或笔记本电脑，价格从几千到上万不等。

2. 单片机的应用

单片机广泛应用于各种设备中。以下是几种典型的应用领域：

仪器仪表：单片机可以用于各种电子仪器的控制和数据处理。

家用电器：例如微波炉、洗衣机等家用电器，采用单片机进行智能控制。

工业控制：单片机广泛应用于自动化生产线、机器设备控制中。

汽车电子：车载设备如汽车引擎控制单元（ECU）等均采用单片机进行精确控制。

3. 单片机发展历程

1.探索阶段（1976~1978） - MCS-48

在这一阶段，单片机的核心理念开始出现，Intel推出了MCS-48系列，这是最早的单片机之一。这个阶段的单片机功能相对简单，主要用于一些基础的电子控制应用。

该阶段标志着单片机从计算机的基本组件（如CPU）发展为集成度更高的微型计算机系统。

2.完善阶段（1978~1982） - MCS-51（8051）

这一阶段的代表产品是Intel的MCS-51系列单片机（8051），它的出现大大完善了单片机的功能。8051单片机具有更多的功能模块和更强的处理能力，并且支持更多的外围设备。

这一时期单片机被广泛应用于电子控制领域，成为了嵌入式系统中常用的处理器之一。

3.向微控制器发展阶段（1982~1990） - MCS-96

1982年到1990年间，单片机逐步向微控制器（MCU）方向发展，代表产品为MCS-96。这个阶段的单片机具备了更强的功能和更高的性能，逐渐开始支持更多的计算任务。

微控制器不仅仅是控制任务，它开始支持更多的应用和复杂的控制需求，推动了智能家电、工业控制等领域的发展。

4.微控制器全面发展阶段（1990~现在） - ARM, RISC-V

从1990年到现在，单片机发展进入了一个全面发展的阶段。基于ARM和RISC-V架构的单片机开始占据市场，提供了更强大的计算能力和更高的能效，特别是在低功耗和高性能的平衡上。

随着ARM和RISC-V的广泛应用，单片机不仅仅局限于传统的控制任务，还逐渐向复杂系统、物联网等领域扩展。

1.SCM单片微型计算机阶段

这一阶段的单片机目的是探索单片机的形态，即将计算机系统的各个功能（CPU、内存、IO等）整合到单个芯片上，实现单片机的初步功能。

2.MCU微控制器阶段

在这一阶段，单片机进入了完善控制的阶段。它们不仅用于基础的计算任务，还开始应用于控制领域，如家电控制、自动化控制等。

3.SoC嵌入式系统阶段

目前，单片机进入了软硬件协同设计的阶段，采用了**系统级芯片（SoC）**设计。单片机不仅仅是一个独立的控制单元，它开始集成更多的功能，如传感器接口、通信模块等，适应更复杂的应用，如物联网、智能硬件等。

4. 单片机的发展趋势

5. CISC VS RISC

CISC架构的单片机 适用于需要较多功能和复杂计算的任务，但通常功耗较高，执行速度较慢。

RISC架构的单片机 以高效、低功耗为特点，适合用于现代嵌入式系统和物联网设备。

随着技术的发展，现代单片机（如基于ARM的单片机）大多采用 RISC架构，因为它们能够提供更高的效率和更低的功耗，特别适合在对资源要求严格的嵌入式环境中使用。

架构	冯诺依曼结构	哈佛结构
指令与数据存储	共享内存，指令和数据共用同一存储区域	分离存储，指令和数据有独立的存储区域
处理器性能	可能因为共享总线造成性能瓶颈	能同时读取指令和数据，性能较好
与CISC的关系	CISC通常采用冯诺依曼架构。由于CISC指令复杂，它需要一种简单的存储方式来简化设计	CISC较少采用哈佛架构，但可以在特定应用中使用
与RISC的关系	RISC架构较少使用冯诺依曼架构	RISC架构常常采用哈佛架构，因为它可以提供更高的指令执行效率

6. 课堂总结