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嵌入式系統 - 基礎概念

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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

  • 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

    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

  • 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

    • 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 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

        • 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
        I2C 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 !

    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)

      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

    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

      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。

        • 指令 != 地址，指令組合語言，接下來會說明

        • 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

    • 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 232 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

      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

    • 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

        • 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

    • 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

    • 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)

      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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正在不斷深入研究 Android / Linux 中 最近自己架設了網站 https://devtechascendancy.com/
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Kyle 履歷 Resume Overview of Content 個人經歷 您好，我是潘奐廷；My english name is Kyle. ( Nickname is alien.) 我畢業於 勤益科技大學，專業類別是 電子系 (高中電機系) 工作經歷 個人開發專案開始時間結束時間公司職位2024年9月till now-自身承接所有業務，包括前端、後端、手機應用、資料設計… 等等在個人撰寫專案的期間有受到「JetBrains 技術佈道師，範聖佑」的邀請到 2024 Kotlin 中文開發者大會 作分享，分享的主題為「Kotlin Multiplatform：打造跨平台SDK 的最佳選擇」

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