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嵌入式系統 - 基礎概念
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[TOC]

## 嵌入式 - 定義

嵌入式系統的定義較為模糊，依照 `嵌入式系統 - 實戰指南 面向 IoT 應用` 定義： 嵌入式系統面向各類具有，**++獨立功能++**、可完成特定任務的 **++低功號++**、**++低成本++** 微型設備

### 嵌入式 - 系統比較
:::success
* 用系統的角度來看：嵌入式系統往往不需要多餘的外部設備 (或很少)，就可以跟外部通訊

> e.g：串口、藍芽
:::

* 下表示大部分 `嵌入式系統` & `AP/PC 系統` 的比較

| 比較項目 | 嵌入式系統 | AP/PC 系統 |
| -------- | -------- | -------- |
| CPU | 8/16/32 bit | 32/64 bit |
| 指令集 | RISC (精簡指令集) 為主，幾乎不使用 CISC (複雜指令集) | RISC/CISC |
| 主頻 (全速) | <= 200MHz | > 1GHz |
| 功耗 (全速) | < 100mA | >= 100mA |
| RAM | `SRAM` 為主，為單位 KB，大部分內嵌 | `SDRAM`/`DDR` 為主，單位為 MB/G，大部分外插 |
| Flash | `NOR - Flash` 為主，為單位 KB，大部分內嵌 | `NAND - Flash` 為主，單位為 MB/G，大部分外插 |
| 操作系統 | 無 / RTOS | Linux、Android、iOS、Window、Mac |
| 人機接口 | 簡單一般不設計 GUI | 支持 GUI |

:::info
手機的架構與 PC 越來越相似，所以不列入 嵌入式系統 範疇 (功耗大、更專注在用戶使用)
:::

* 嵌入式系統架構主要分為：硬體、軟體

* 硬體：決定了系統的複雜性、成本、軟體的實現邏輯

* 嵌入式系統 & 非嵌入式系統的差異，以最大的差異來說就是外置設備的要求不同，**AP 需要更多的外部設備** (綠色代表必要)

> MCU (`Micro Computor`) 代表了 Soc (`System on chip`)
>
> AP 是應用處理器 Application Processor
>
> 

### RAM & Flash

* RAM 是隨機訪問存储器的簡稱，**^1.^ ++隨機訪外++ 代表可以在 RAM 的任意存储單元讀寫**，**^2.^ 斷電後數據會遺失**

> RAM 還有細分為 SRAM、SDRAM、DDR ... 等等，如果沒有特別說明的話 RAM 一般是指 SRAM (`static Random-Access Memory`)

* Flash 程式存储器，**不能隨機訪問單個存储單元，只能 ^1.^ ++批量訪問++；最常見的是按照 Page、Block 來讀寫 Flash**，**^2.^ 斷電後數據不遺失**
> E.g. `NOR-Flash`、`NAND-Flash`

* 兩者還有一大差異為 **速度、價錢**，Flash 速度較慢但便宜，而 RAM 相反

> 

## 硬體架構

### MCU 架構 - [AT32F407](https://www.arterytek.com/cn/product/AT32F407.jsp)

* 單晶片機：把許多物件都集成到一個 Chip 上 (電源、時鐘、MCU) 這種簡單的最基礎集成就稱為單晶片機

:::success
* **與 SoC 的差異？**

SoC 可以集成更多的外部物件
:::

單晶片機： 8051 (51 系列 8 bit 機)、MSP430 (16 bit 機)、ARM (32 bit 機)

* 在這裡我們看 [**AT32F407**](https://www.arterytek.com/cn/product/AT32F407.jsp) MCU 系統框圖 (可下載 MCU Datasheet 查看)，並說明幾個重點

> 

1. **核心 MCU**：這裡是使用 **ARM Cortex M4F** 內核，它是 MCU 的大腦，決定了 MUC 的性能

2. **總線**：ARM 系列的 CPU 最常見的總線有三種；^1.^ **AHB** (`Advanced High-performance Bus`)、^2.^ **APB** (`Advanced Peripheral Bus`)、^3.^ **AXI** (`Advanced eXtensible Interface`) AXI 這種高階總線通常出現在 AP 系統晶片中

* **AHB 總線**：AHB 是高性能、高速總線，在該總線上的元素都比較重要，AHB 總線上大部分有以下元素 (並非一定)

| 元素 | 補充 |
| - | - |
| RAM | 隨機訪問記憶體 |
| Flash | 區塊訪問記憶體，不流失數據 |
| DMA | Direct Memory Access，可以在不干涉內核的狀況下訪問 RAM，在吞吐量較高的情況下性能高 |
| 以太網 MAC | 有線網路的硬體接口 |
| GPIO | 一般像是螢幕顯示就需要這樣的高速 |

最後可以看到 AHB 下有接上兩個 APB 橋接器
> 

:::warning
* 為何不把所有設備掛在 AHB 總線上 ?

1. AHB 總線上的裝置，可直接與內核通訊，尋址方式複雜
2. AHB 自帶的 **硬體 ==仲裁== 機制**，如果過多的設備，其複雜度又會以指數型成長
:::

* **APB 總線**：APB (240MHz) 總線上的時鐘速度 **只有 AHB (120MHz) 總線速度的一半**
| 元素 | 補充 |
| - | - |
| SPI | `Serial Peripheral Interface`，串行外設接口，用於短距離的設備通信，例如感測器和閃存 |
| UART | `Universal Asynchronous Receiver/Transmitter`，通用異步收發器，常用於串行通信 |
| I^2^C | `Inter-Integrated Circuit`，集成電路之間的串行通信總線，用於連接低速設備如 EEPROM 和 ADC |
| USB | `Universal Serial Bus`，通用串行總線，用於連接外部設備，例如鼠標、鍵盤或存儲設備 |

* **RCC (Reset Clock Contorller) 復位與時鐘控制模塊**：該模塊的主要功能是，把時鐘源的時鐘分配到不同模塊 !

:::info
不同區塊的時鐘可以用軟體進行配置
:::

### 內核架構 - Cortex M4

* 使用 ARM Cortex M4 系列處理器架構圖

> 

1. **內核的主要工作**：

^1.^ `取地址 Fetch`、^2.^ `解碼 Decode`、^3.^ `執行 Execute`，具體來說程式的核心則是 **使用 ==馮．諾伊曼架構==**；取址就是從 Flash 中取得程式，經過翻譯後，最後執行

2. **內核 RAM**：

內核 RAM 的速度更快，內核可以直接訪問這裡的記憶體 (**但容量較小**)，又將這個區塊稱為 **暫存器 (Register)**

:::success
ARM 最基礎的暫存器有 16 個，在這之後為了需求還有在擴展，不過這 16 個暫存器一值都在
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3. **NVIC (`Nested Vevtored Interrupt Controller`)**：

嵌套向量中斷控制器，由於中斷有很多種，所以單晶片使用類似於 Key/Value 的模式，一個號碼對應一個中斷

:::info
晶片設計者把特定的號碼稱為 **中斷向量**、**中斷矢量** (因為從來源到目標有方向性)
:::

### 晶片架構 - 馮．諾伊曼架構

* 馮．諾伊曼架構用運在 CPU 中

1. `CPU`：中央處理器，進行讀取、解碼、執行

2. `Register`：儲存器

3. `I/O 總線`：輸入輸出系統

* CPU 運作順序如下

1. **PC 讀取**：

將程式 (`RAM`、`Flash`) 從記憶體中讀取到 Register；**PC (`Program Counter`, 程式計數器) 是 16 的原祖 Register 其中一個，每次上電都會從一個特定數值開始累加**

> 

* 指令是通過 PC 內的值作為地址來訪問 RAM、Flash，再由儲存器返回該地址中保存的 **指令**。地址則是程式中的指令在 RAM、Flash 中保存的位置。
:::warning
* 指令 != 地址，指令組合語言，接下來會說明
:::

:::info
* 這些被讀取指令，會保存在特殊 Register 中 (不屬於 16 原祖 Register)

特殊 Register 則是，**為了提高 CPU 的執行效率 (可看作 Cache)**，一般會 **預先將 PC 所指向的地址 & 後面的一段程式** 同時緩存到一個特別的储存器中，**避免每次都要使用到總線讀取**

> 
:::

2. **解碼器**：

**CPU 將指令 Register 中的指令進行解碼**，所有指令都被定義為一串二進位程式；有的指令進行運算、讀寫、CPU 休眠 ... 等等

> 

3. **執行**：

CPU 的執行指令

4. **回寫**：

最終結果寫回 Register、Flash、RAM 中

> 

### 指令 - 組合語言

* 我們寫的 **程式最終會翻譯成一組一組的指令**，並存在 RAM、Flash 中，而 **CPU 要讀取的就是這些指令**；指令由 Binary 表達，不意了解，所以就誕生出了組合語言，**組合語言是指令的代號，只要看到這個代號就執行固定的事情**

:::info
* 指令集 ?

組合語言通常是短小精悍的一串英文單字，這些單字組合起來成為一個集合，**指令集合就稱為指令集，++每個 CPU 都會有不同的指令集++**
:::

* 這些組合語言可以透過 **==匯編器==** 幫我們轉換成二進位，**是編譯器的雛型**

* 假設要計算 `1 + 2 = ?` 彙編器會幫我們翻譯成以下指令

    ## 偽指令

    ## 儲存器地址 ------ | 內容 ------------ | Register ----- |
    0x00                0x1111
    0x01                0x2222                C1
    0x02                0x2222                C2
    0x03                0x8888                C3

解釋如下

| 儲存器單元編號 (地址) | 內容 | 說明 |
| -------- | -------- | -------- |
| 0x00 | 0x1111 (`假設為加法指令`) | 準備對後面兩個位置的數值進行加法 |
| 0x01 | 0x2222 (`假設為操作數移動指令`) | 將 0x01 數值移動到 C1 |
| 0x02 | 0x2222 (`假設為加法指令`) | 將 0x02 數值移動到 C2 |
| 0x03 | 0x8888 (`假設為移動指令`) | 將結果保存到 C3 |

* CPU 的 **PC 暫存器就是控制用來訪問 `儲存器單元編號 (地址)`**，有關 PC 要注意如下

1. **PC 的大小**：為 32 bit，最多就是 2^32^ 也就是 4GB 的尋址空間，但真正的 **尋址寬度是由 `內核決定` (內核有手段可以拓展寬度)，比較準的應該是看 ++總線數量++**

:::info
一般來說運算器的寬度會跟尋址寬度一樣，**為了最佳效能**
:::

2. **PC 滿**：從 0 開始，但基本上不會滿，因為程式往往會進入一個 while 迴圈中，再次回到指定位置

        // 偽程式

        int main(int argc, char** argv) {    // 地址 0x11223344

            while(1) {                        // 地址 0x11550000
                
                // Do something，最終還是會回到 0x11550000
                
            }                                // 地址 0x22002200
        }

### I/O 設備

* MCU 要如何控制硬體 IO 設備呢 ? 主要有分為兩種方式 ^1.^ 存储器映射、^2.^ 端口映射；而嵌入式系統多為第一種

* 前面有說到外圍設備都會掛載在 APB 總線上，只要掛載到該總線上，就會 **映射** 到記憶體中某個區塊，MCU 只要操控該區塊的記憶體，就可以操控那個 IO 設備

:::info
* 映射 ?

想成一個鍵值對即可，每個設備都對映射到記憶體中，概念如同 `Map<設備, 記憶體>`
:::

> 

### 傳輸線 - 總線

* CPU 和存储器、IO... 等等設備交換數據的通道，總線會將信號連接到多個設備上，**總線是共享的，如果出現衝突狀況，則透過仲裁器負責處理**

> 

* 一般總線有分為三種

1. **控制總線**：負責訪問控制，也就是控制 `讀`、`寫`

2. **數據總線**：負責數據交換

3. **地址總線**：用來指定要訪問的設備地址、設備內存储器、暫存器地址

:::info
* 總線協議：由於各個設備共享總線，所以會有信號的時序、數據交換的規則，這個規則就稱為 `總線協議`
:::

* 總線的傳輸分為 5 個大步驟：^1.^ 申請總線、^2.^ 許可總線、^3.^ 請求訪問、^4.^ 設備應答、^5.^ 釋放總線控制，如下圖

> 

:::warning
* **AHB 有總線仲裁機制**，APH 沒有仲裁機制
:::

### 數字電路 - 鎖存鎖

* 數字電路主要有分為兩大類：^1.^ **組合邏輯電路**、^2.^ **時序邏輯電路**；

* **時序邏輯電路**：與時間有關，電路存在於 CPU、DSP、FPGA ...等等，而 **體現時間則是透過共振電晶體 Clock**

:::danger
* **時間電路產生的問題**：

由於 **每個模塊、或是外部裝置使用的 Clock 共振時間不同，導致數據傳輸不同的的問題** (就像是不同的解碼器，對相同的數據會解析出不同結果)

:::info
解決方法是數字電路，有兩種：**存鎖器**、**D 觸發器** (配套使用)
:::
:::

* **==鎖存鎖==**：是一個 **存储單元**，簡單理解起來就是，**鎖住一個狀態 (狀態可能是 `0` or `1`)**

1. **AND 鎖存器**：以下是一個循環迴路 AND 鎖存器，如果 A 輸入 0 (低訊號)，則輸出 Y 就會一值是 0

> 

2. **D 鎖存器**：使用 4 個 NAND (Not AND) 鎖存器，就可以達到鎖住任何訊號的功能；
* 兩個輸入引腳 ^1.^ `D` 輸入數據 、^2.^ `E` 控制運作；E 腳特別的是，E on 時會保持前一個數據持續輸出 (無論 D 如何改變)

* 兩個輸出引腳 ^1.^ `Q` 輸出數據 、^2.^ `^Q` 輸出 **反向** 數據 (NOT 數據)；如果 E on，則 Q 會與 D 相同輸出

| E (Input) | D (Input) | Q (Output) | ^Q (Output) |
| - | - | - | - |
| 0 | 0 | 保持前一個數據的輸出 | 保持前一個數據的輸出 |
| 0 | 1 | 保持前一個數據的輸出 | 保持前一個數據的輸出 |
| 1 | 0 | 0 (與 D 相同) | 1 (D 反向) |
| 1 | 1 | 1 (與 D 相同) | 0 (D 反向) |

> 

* **D 觸發器**：用來觸發 D 鎖存數據的更新！它的改變是，將 E (Input) 腳換為 C 代替 E 控制電路，並串起兩個 D 存鎖器；

> 

C 引腳就是來接時鐘 Clock 用的，**用 C 引腳來 ++檢查 D 引腳的資料++，並 ++透過 C 引腳來控制數據輸出++**，其時序圖如下

* 請先回憶兩件事：^1.^ D、Q 是相同輸出、^2.^ C 代替 E 控制，只有當 C 上升時才能控制 D 輸出
* 下圖第一個 C 上升：檢查到 D 是下降的，準備將 Q 調降

* 在調整 Q 的輸出，這期間 D 必須保持一段時間的輸出數據 (`延遲`)，也就是說數據建立是需要時間的 (下圖藍色區塊)

> 

## Appendix & FAQ

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###### tags: `嵌入式`