片机硬件架构

面试官：单片机芯片里面有什么?

工程师：这个简单，上学的时候学过，有CPU、有ROM、RAM。

面试官：对，ROM是什么?长什么样子的?RAM是什么?有什么用?既然都是拿来存储数据，为什么ROM和RAM都需要呢?

工程师：抓耳挠腮中，老师没教过啊。。。

很多常识的问题，大家都听说过，但一般都没有深入的了解，直接导致了大学生学过的知识全部还给了老师、工程师跳槽面试的时候仔细一问就懵了。

本文将用最通俗的例子，为大家揭开单片机和ARM嵌入式系统的硬件架构。

电脑主机里面有什么?这个大家都已经熟烂在心了：主板、电源、CPU、内存条、硬盘、显卡。

单片机，本质上就是个微型的电脑，内部架构和电脑主机一模一样。

手机本质上也是个电脑，内部架构更是和电脑主机完全一样。

现在知道了吧，早些年所谓的“微电脑洗衣机”、“微电脑电饭煲”、“微电脑治疗仪”、“电脑算命”，还有现在的“智能电冰箱”、“智能空调”、“智能花盆”等等，里面都只是一颗单片机，假装自己是个“电脑”、是“智能”的。

图：电脑、手机、单片机的架构类比

从上图可以看出来，只要是计算机，大型机、桌面电脑、手机、单片机，都是一样的系统架构，四大件必不可少，无一例外。

CPU来计算，PMU来供电，ROM来存系统，RAM来运行数据。

图：电脑、手机、单片机的配置类比

通常大家说的硬件配置，都是CPU+ROM+RAM，上图看起来，手机的配置已经接近于电脑了，单片机的配置就非常低了，不过依然是麻雀虽小五脏俱全。

嵌入式系统中，X86架构的就是低端电脑，ARM架构的就是低端手机，这里不单独来讲了。

其他的如时钟、中断、定时器、各种接口，都属于外围电路，跟系统核心部分没多大关系，后面慢慢再讲。

CPU，Central Processing Unit

中央处理器，芯片里面干活主要就靠它了。

各种CPU最大的差别在架构不同。不过这个架构对于硬件工程师来讲，无需深究。

电脑CPU是X86架构，手机是ARM架构。单片机CPU现在主流的是ARM架构，弱一些的还有MIPS。

图： intel i7 电脑CPU、高通骁龙845手机CPU 、MSP430单片机

使用起来的最大的区别是，性能和功耗。

性能越高，功耗越高。这个铁律至今无人打破(同时代的CPU对比)。

X86性能最强，但是功耗很高，随便就几十瓦。

ARM Cortex-A系列性能还不错，功耗适合手持使用，全开功耗5瓦上下。

ARM Cortex-M系列性能低，但是功耗超低，毫瓦级别。

MIPS架构跟Cortex性能差不多，专利费收的比ARM少，低端产品用的很多。

发展趋势上看，ARM大有一统江湖、上下通吃的势头。

低功耗领域X86一直进入不了，而高性能领域ARM已经逐渐涉入了，高通已经开始在做服务器CPU了。对于嵌入式领域，ARM几乎已经一统江湖。

ARM处理器+Linux/Android/RTOS，是目前智能硬件和物联网领域的主力，智能音箱、智能电视清一色用的是多核ARM+Android，工控和路由器大部分是单双核ARM+Linux，智能锁、智能灯、可穿戴等小产品几乎都是ARM的M系列+RTOS。

包括收银机、点菜机、广告机这样的X86传统应用领域，也已经被ARM全部取代了。

图：Windows版的收银机，已被Android版收银机广泛取代

PMU，Power Management Unit

电源管理。CPU不能直接用5V直流或者4.2V电池来供电，需要多组不同的电压，因此需要电源管理模块。

电脑主板尺寸大、耗电高，一般使用很多个分立的开关芯片。

手机主板尺寸小，一般采用一颗电源芯片，提供多路供电。

单片机供电简单，其电源部分一般内置到芯片中，直接供3.3V固定供电即可。

图：主板供电的芯片、电容和电感，个头都很大

图：骁龙660配套的2颗PMU芯片，以及周围密密麻麻的电容和电感

供电电压都比芯片需求的电压要高，所以不管是集成化的芯片还是分立的芯片，都是利用电感实现降压的BUCK电路。

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