1.1 微处理器、微型计算机与嵌入式系统

当你按下微波炉按钮、解锁汽车或读取温度时，一个微小的计算系统可能正在产品内部工作。本课程先区分三个经常被混用的名称：

• 微处理器（microprocessor）是在一块集成电路芯片上实现的处理器；
• 微型计算机（microcomputer）是围绕微处理器或微控制器构成的完整计算机；
• 嵌入式系统（embedded system）是放在更大产品内部、执行特定任务的计算机。

学习本节不需要电子学或编程基础。现在可以先把处理器理解成一个按规则工作的执行者：它不断读取一条指令，判断指令的含义，然后完成指定操作。

一块芯片不一定是一台完整计算机

单独的微处理器可以执行指令，但实用的计算机还需要保存指令与数据的地方、接收信息的途径，以及影响外部世界的途径。

CPU（中央处理器）是执行指令的部件。在许多入门语境中，“处理器”“CPU”和“微处理器”表示几乎相同的功能角色；不过，“微处理器”特别强调处理器由集成电路芯片实现。

> 处理器可以是计算机的一个部件，但不等于整台计算机。

这是判断系统边界的好方法。8086 芯片是一颗微处理器。为它配上合适的存储器、键盘、显示器、电源与连接线路，这些协作部件才可能组成一台微型计算机。

实验 1——用证据分类

“智能”“数字”等产品名称不是可靠证据。机械弹簧定时器也可以控制烤面包机，却不需要执行存储程序。在实验中，请先观察设备拥有的部件，再选择证据真正支持的全部分类。

解决每个案例后，可以故意做一次错误分类，阅读诊断，并找出缺少的条件。测试概念边界比死记产品名称更可靠。

通用系统与嵌入式系统

笔记本电脑被设计为运行用户选择的许多程序；洗衣机控制器通常围绕更窄、更明确的任务设计。二者都可能是完整计算机，但用途不同。

“任务特定”不等于“简单”。一辆汽车可能包含几十个嵌入式系统；网络路由器的工作很复杂，但仍然服务于专门目的。

嵌入式系统经常反复完成一个循环：

1. 感知物理世界的输入； 2. 用存储的指令计算决策； 3. 通过输出进行执行； 4. 在时限、能耗和安全约束下持续重复。

以温室控制器为例，温度传感器是输入，处理器判断控制规则，风扇继电器是输出。存储器既保存控制程序，也保存目标温度等有用数据。

系统需求带来取舍

并不是把所有部件都做到最大就会得到更好的设计。更快的处理器可能更贵、更耗电；额外的存储器占用空间和能源；每个接口也会增加硬件与软件工作量。

因此，工程师通常从任务与约束出发：

• 系统必须观察哪些输入？
• 系统必须控制哪些输出？
• 响应必须多快？
• 需要多少存储空间和计算能力？
• 成本、能量、尺寸和可靠性上限是什么？

便携计算器需要按键与显示器，却通常不需要电机或高性能网络接口。温室控制器则需要传感器与执行器。脱离任务选择部件容易造成浪费；部件不足又会使任务无法完成。

实验 2——在约束下构建系统

请配置几种系统。实验会实时计算成本与功耗。合格方案必须包含所有必要接口，具有足够的 CPU 与存储器能力，并同时满足两个上限。

设计通过后不要立刻结束。尝试删除一个接口或降低一级能力；系统刚刚失效的位置会揭示该资源为什么必不可少。

一个紧凑的思维模型

请记住三句话：

1. 微处理器是位于芯片上、负责执行指令的处理部件。 2. 微型计算机把处理器、存储器、输入与输出组合成完整计算系统。 3. 嵌入式系统是集成在更大产品中、服务于特定任务的计算机。

这些类别可以重叠。智能恒温器既是完整的微型计算机，也是嵌入式系统；其中的处理芯片可以是微处理器，也可以是微控制器。单独的处理器芯片还不是完整的微型计算机。

下一节将打开系统边界，跟随信息在 CPU、存储器、输入和输出之间流动。