本章节主要是通过对嵌入式生态及历史的了解构建起对嵌入式这个行业的宏观认识。•构建嵌入式行业发展的深层逻辑和动力来源的认识•构建嵌入式行业的发展生态的认知•了解ARM和意法半导体的发展历史•导入对 MCU的深刻认识引入对多样化的文档为什么要有的认识历史生态问题嵌入式系统本质是计算机的⼀个发展分支所以要理清楚嵌入式相关历史与生态就必须先理清楚计算机诞生和生态发展问题。1、计算机发展的底层驱动力故事开始1946年2月14号美国人发明第一台计算机埃尼阿克 ENIAC由美国宾夕法尼亚大学为军方研制旨在计算炮弹弹道轨迹解决二战中新型武器研发的需求由物理学家约翰·莫奇利与年轻电气工程师普雷斯珀·埃克特此时年仅25岁主导设计。 占地约170平方米一间半教室重30吨功耗约150千瓦传闻开机时费城西区灯光都会暗一下 内部使用了约18,800个电子管每秒能进行5,000次加法运算ENIAC作为计算机时代的开端不仅参与了氢弹研制的早期计算还成功运行了世界上第一个数值天气预报程序开启了天气预报的新纪元从二战结束之后世界格局进入美苏冷战阶段苏联1991年解体但是斗争一直在进行。斗争体现在各个方面政治、军事、文化、科技等。而科技发展的原始动力就是因为有斗争。所以你应该听过军备竞赛和科技竞赛这样的说法。计算机就是在这样的背景下诞生和发展的。核心结论计算机发展的底层驱动力是因为相关主导国家间的斗争AI提示词冷战期间诞生的新的科学技术或者产品设备 军事与航空航天洲际弹道导弹 (ICBM)源于二战德国的V-2火箭战后美苏竞相发展成为核威慑力量的核心也直接推动了太空竞赛。人造卫星1957年苏联发射了世界第一颗人造卫星斯普特尼克1号 (Sputnik 1)标志着太空时代的开始。美国则于1958年成功发射探索者1号 (Explorer 1)。载人航天与登月从苏联的东方号飞船加加林首次载人太空飞行到美国的阿波罗计划首次载人登月整个太空竞赛推动了火箭、生命支持系统等技术的飞跃。超音速飞机1947年贝尔X-1首次突破音障此后F-100超级佩刀等战斗机及X-15等实验机不断刷新速度和高度纪录。无人飞行器 (UAVs)早在1960年代AQM-34瑞安火蜂等遥控飞机就被广泛用于侦察是今天无人机的先驱。战略防御计划 (SDI)美国提出的“星球大战”计划旨在构建太空导弹防御系统。“蓝孔雀”核地雷 (Blue Peacock)英国一个脑洞大开的项目计划在德国埋设核地雷甚至考虑用活鸡来保温。“飞行摩托” (Aerocycle)美国军方研发的单人直升机因飞行员需站在旋翼上方的平台上操控安全记录不佳项目最终被放弃。 信息技术与计算机阿帕网 (ARPANET)互联网的先驱由美国国防部资助旨在建立一个去中心化的通信网络于1969年投入使用。晶体管与集成电路晶体管在1950年代开始取代笨重的电子管集成电路微芯片于1959年问世是计算机小型化的关键。计算机与编程晶体管计算机如IBM的TRADIC、商用大型机如CDC 1604、超级计算机如CDC 6600和微型计算机如Altair 8800相继诞生同时FORTRAN等高级编程语言和计算机鼠标也出现了。数据存储磁芯存储器和商用磁盘存储如IBM 350得到发展。其他重要发明发光二极管(LED)、电荷耦合器件(CCD)、条形码/射频识别(RFID)等技术均在冷战期间诞生或应用。 日常消费品通信与娱乐彩色电视、盒式录音带和家用录像机开始普及。厨房与家电微波炉、康宁锅 (CorningWare)由导弹头锥材料衍生而来以及电池供电工具进入家庭。其他信用卡、自动取款机(ATM)、尼龙搭扣 (Velcro)、静电复印机、电子手表等也相继出现。 医疗与健康水净化系统为满足太空任务需求而研发。脱水食品为宇航员提供轻便、易保存的食物而发明。惯性导航系统虽然主要用于导弹和飞机但其技术也影响到了医疗设备等领域。 材料科学太阳能电池1957年发明最初用于为航天器供电。复合材料为满足航空航天需求而得以发展。绝缘材料为应对太空极端温度NASA开发了如镀铝聚酯薄膜 radiant barrier等材料。2、军转民在这样斗争的背景下新的科技在初期诞生的时候基本都是以国家为主导主要应用于军工领域。1.电子计算机ENIAC为了算弹道、破密码而诞生。第一笔资金来自美国陆军军械部第一个任务是给氢弹研制做计算。2.互联网ARPANET为了在核战争下仍能分散指挥而建。主导者是美国国防部高级研究计划局 DARPA最初的节点连接到军方和大学实验室。3.全球定位系统GPS为了让海陆空三军拥有实时、全天候的定位导航能力。由美国国防部出资、运营早期严格保密只供军方使用。4.喷气式客机如波音707技术源头是B-47轰炸机和KC-135加油机。没有军方的订单和巨额研发投入跨洋民航时代的到来会推迟很多年。5.集成电路/微处理器早期大规模订单和严苛的可靠性要求几乎全来自导弹制导如“民兵”导弹和航天计算机如阿波罗导航计算机。军方报销式的采购让半导体公司敢于大规模投入生产。实力相近叫斗争实力差距巨大就...科技发展你稍有领先我会立马跟进所以最后技术会趋同比拼核心比的是谁能一直领先要一直领先就必须要持续性的投入人力物力财力。单单靠政府投入那么这个过程就是不可持续的。为了让科技创新可持续那么就必须给政府增加新的收入增长点解决方式就是军转民。上述公司不一定是直接由军转民而孵化出来的公司也有间接受影响的公司。比如互联网就是⼀个典型的军转民项目但是间接孵化出来的公司太多了。核心结论军转民是国家间技术保持领先的一种重要的发展模式。当然在发展过程中也有一些新技术诞生就反向的由民间产生反而影响军工比如无人机。在军转民背景下产生的产品互联网导航GPS北斗微波炉罐头食品、军刀计算机3、摩尔定律1965年英特尔公司的联合创始人戈登·摩尔在《电子学》杂志上发表了一篇文章。他观察到芯片上可容纳的晶体管数量大约每隔12个月就会翻一番。十年后的1975年他将这个周期修正为大约每两年翻一番后来业界广泛接受的是每18-24个月翻一番。这个观察就是摩尔定律的核心集成电路上可容纳的晶体管数目约每隔18-24个月便会增加一倍。核心结论摩尔定律为计算机的小型化提供了可能。4、通用与专用计算机在民用过程中计算机是什么样的完全取决于人们需要什么样子的即需求决定。我们有听歌/看电影/上网/打游戏/写文档/写代码等等需求而且要求用一台计算机全部解决于是就有了我们手里面的电脑也叫做个人PC这类电脑就是通用计算机的代表。国家需要进行科学研究如可控核聚变装置的控制与数据采集、天气预报的超级模拟、基因序列分析、密码破译等超大规模计算任务时单台个人电脑的性能远远不够。于是我们把成千上万个高性能计算单元CPU、GPU等通过高速网络连接起来组成一台巨型计算机——也就是超级计算机。电视要被单独控制冰箱/洗衣机/无人机/空调/微波炉/汽车/机械臂……我们并不需要它们像电脑一样能装各种软件、上网或打游戏只需要它们稳定、高效、低功耗地完成某⼀个或少数几个特定的任务。于是在这些设备内部都藏着一颗专门为它们设计的“小电脑”——也就是嵌入式计算机。它们看不见鼠标和桌面但能在按下按钮的瞬间做出响应。这类设备就是专用计算机的代表。计算机的三类划分通用计算机一台机器能干无数种不同的事——具体做什么由用户安装的软件决定。超级计算机 - 高性能计算机解决人类级别的计算难题专用计算机嵌入式系统冰箱、空调、无人机、汽车ECU……只为特定功能而生强调低功耗、实时性、稳定性。核心结论专用计算机(嵌入式系统)的诞生目的就是为了低成本解决一个一个特定领域的问题。5、嵌入式系统诞生脉络嵌入式系统刚开始诞生的时候主要用于军工领域然后经过军转民才是我们现在看到的样子。在1970年代嵌入式系统的含义就是把计算机嵌入到导弹、战斗机、潜艇、雷达里。制导系统导弹需要实时解算弹道、控制舵面这是嵌入式系统最核心的早期应用。火控系统战斗机的雷达和武器瞄准需要专用计算机。密码破译与通信军事通信设备需要专用、安全的控制芯片。民用领域如家电直到1980年代中后期才开始出现极少量使用MCU(就是单片机后面会介绍)的产品如高级洗衣机、电子琴。1. 萌芽期1960年代纯军工应用代表技术阿波罗导航计算机AGC、F-14战斗机MP944芯片。特点不计成本、技术极为昂贵完全没有民用属性。2. 技术溢出1970年代分工与小型化代表技术Intel 4004首个商用微处理器、TMS1000首个MCU/单片机。特点军用技术微型化CPU开始开放应用于简单工控体积和成本显著下降。3. 民用扩展1980年代进入工业与高端消费代表技术Intel 8051经典单片机、汽车电子及工业PLC开始普及。特点性能大幅提升成本进入可接受范围耐用性得到验证开始进入普通家庭。4. 全面普及1990年代后PC时代代表技术诺基亚手机、VCD/DVD、信息家电大爆发。特点 通信与家电领域应用激增出货量达到数亿级别价格持续下跌嵌入式技术真正“飞入寻常百姓家”。核心结论嵌入式系统是一种专用计算机从发展路径能看出来有军工和军转民的身影。6、嵌入式为什么叫做嵌入式一个计算机系统被“嵌入”到某个更大的设备或系统中成为其不可分割的一部分而不是作为一个独立的通用计算机存在。它不是独立产品 没有人会单独“购买一个嵌入式系统”。你买的是智能空调、无人机、心率监测手环。嵌入式系统是这些产品的“大脑”或“控制器”是产品实现智能化的内在组件。它藏身在内部 从你家的洗衣机、微波炉到汽车的刹车系统、航空发动机再到智能手表、医疗监护仪……这些设备的内部都有一块或多块小的芯片和电路板。这个计算核心就是被“嵌入”在设备外壳之内的用户通常看不见也摸不着它。更重要的是它的软件和硬件都是为一个或多个特定的、专有的任务而量身定做的。也就是说它的功能是被“嵌入”在应用场景里的。功能单一且固定 一台微波炉里的嵌入式系统它的全部使命就是控制面板、定时、设定火力、驱动磁控管。它永远不会在某个时刻变成⼀个MP3播放器。而你的电脑可以同时处理文档、看视频、上网。软硬件高度定制 为了完成这个特定任务工程师会精确地设计硬件需要用到哪些传感器需要几个按键要不要屏幕并编写恰好能完成这个任务的软件。多余的硬件和软件都不会有因为这关系到成本和可靠性。正是由于这种 “嵌入” 的特性带来了它独特的设计哲学实时性 当汽车刹车踏板被踩下时嵌入式系统必须在几毫秒内作出反应。这种对 “时限” 的严格要求也是嵌入式的关键特征。资源受限 为了成本和功耗嵌入式系统的运算能力、存储空间比如空调中内置的计算机, 可能只有几KB到几百KB的内存而你的电脑是几GB甚至几十GB都非常有限。低功耗与低成本 为了能电池供电用很久比如智能手表或者让产品在市场上更具竞争力功耗和成本必须压到最低。核心结论通用计算机是 “站出来让你用的”嵌入式是 “蹲在里面替你干的”。