一、嵌入式硬件核心组件

1. 处理器与可编程逻辑器件

• 处理器：
  • MCU（微控制器）：集成 CPU + 存储器 + 外设（如 STM32、51 单片机），是嵌入式系统的核心；
  • MPU（微处理器）：仅含 CPU，需外接存储器 / 外设（如 ARM Cortex-A 系列）；
  • SoC（片上系统）：集成 CPU+GPU + 通信接口 + 传感器等，是复杂嵌入式系统的核心（如手机芯片）。
• 可编程逻辑器件：
  • FPGA（现场可编程门阵列）：硬件可重构，适合高速并行处理；
  • CPLD（复杂可编程逻辑器件）：基于乘积项结构，适合组合逻辑 / 时序逻辑设计。

2. 存储器

嵌入式系统常用存储器类型及特点：

3. 电源与复位设备

• 电源设备：为嵌入式硬件提供稳定电压（如 24V→5V→3.3V 的 DC-DC 转换），需满足 “低功耗、抗干扰” 需求；
• 复位设备：
  • 硬件复位：通过复位电路（如按键、看门狗）强制系统重启；
  • 软件复位：通过代码触发 CPU 复位指令（如 ARM 的reset指令）。

二、通信接口

嵌入式系统常用的通信接口（含总线与无线）：

1. 基本串口：UART（异步串行通信），用于低速数据传输（如调试、传感器通信）；
2. 以太网：有线高速通信（如 EtherCAT、TCP/IP），用于工业控制、数据交互；
3. WLAN：无线局域网（如 WiFi），用于设备联网、远程控制；
4. ZigBee：低功耗无线通信，用于物联网（IoT）多设备组网。

三、半导体器件基础

1. 半导体器件类型

• MOS 管：
  • PMOS：P 型衬底的 MOS 管，导通条件为栅极电压低于源极；
  • NMOS：N 型衬底的 MOS 管，导通条件为栅极电压高于源极；
  • CMOS：PMOS+NMOS 组成的互补结构，低功耗、抗干扰，是嵌入式芯片的核心工艺。

2. CPU 架构：CISC vs RISC

3. 主流 32 位处理器系列

• ARM 系列：嵌入式领域最常用，分为：
  • Cortex-M 系列（MCU，如 STM32）；
  • Cortex-A 系列（MPU，如手机芯片）；
  • Cortex-R 系列（实时处理器，如汽车 ECU）；
• MIPS 系列：多用于网络设备（如路由器）；
• PowerPC 系列：多用于工业控制、通信设备。

四、CPU 核心机制

1. 异常与中断

• 中断：外部事件触发的 CPU 流程跳转（如按键、定时器溢出），用于实时响应外部事件；
• 陷阱（Trap）：软件主动触发的异常（如系统调用Syscall），用于用户态与内核态切换；
• 故障：硬件 / 软件错误触发的异常（如除零、内存访问越界）；
• 中止：严重错误导致的流程终止（如硬件故障）。

2. MMU（内存管理单元）

• 功能：实现内存保护与隔离，支持虚拟地址→物理地址映射；
• 作用：
  • 防止进程越界访问内存；
  • 支持多任务 / 多进程的内存隔离；
  • 嵌入式系统中，MCU（如 Cortex-M）通常无 MMU，MPU/SoC（如 Cortex-A）配备 MMU。

五、存储器分类与概念

1. SRAM vs DRAM

2. 数模 / 模数转换（ADC/DAC）

• ADC（模数转换器）：将模拟信号（如传感器电压）转换为数字信号，供 CPU 处理；
• DAC（数模转换器）：将数字信号转换为模拟信号（如控制电机的电压）；
• 常见编码：
  • PCM（脉冲编码调制）：将模拟信号量化为数字信号（如音频采样）；
  • MP3/AAC：音频压缩编码，基于 PCM 的有损压缩。