【经验分享】STM32 嵌入式基础知识

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STMCU小助手发布时间：2022-4-27 10:22

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文章简介:	STM32 嵌入式基础知识

1.1 嵌入式产品实例分析
嵌入式产品都是围绕应用设计软/硬件，应用的需求直接决定嵌入式处理器的选择。比如简单的智能产品，通常选择8位的单片机(MCU)；复杂的智能产品，通常选择32位，甚至64位的MPU；更多的时候，常常MCU和MPU搭配，各自发挥各自的作用。

1.1.1 实例一：智能台灯
该台灯首发价格为399元，月销上万，可以说是一款月流水千万级的产品。相较于传统台灯，主要增加了亮度、色温调节和手机控制，身价也涨了几倍，该智能台灯如图 2.1.1 所示，功能如下：

1) 可以根据外部光照情况，自动调整台灯亮度、色温；

2) 可以手动调节台灯亮度、色温；

3) 一键切换到读写场景模式和阅屏场景模式；

4) 支持番茄时钟，每隔25分钟，灯光提醒用户休息；

5) 支持手机连接，通过手机或手机语音控制；

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图 2.1.1 智能台灯实物图
该智能台灯的底座为控制面板，拆解该底座即可看到内部电路结构，如图 2.1.2 所示。可以看到里面主要有两个芯片，根据芯片上面的丝印标识可知，一个是RTL8710B，一个是SN8F5828FC。

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图 2.1.2 智能台灯底座拆解
从互联网搜索“RTL8710B”可知，该模块是一个高集成度低功耗Wi-Fi连接解决方案，里面是一颗瑞昱(Realtek)生产的ARM-Cortex M3架构的32位MCU——RTL8710B。该模块封装好了Wi-Fi协议，用户只需要通过SPI/SDI、I2C或UART与模块连接，即可控制Wi-Fi收发数据。

从互联网搜索“SN8F5828”可知，该芯片是松翰(Sonix)生产的一款8051架构的8位MCU，通过下载该MCU的芯片手册可知，该MCU有多达14个PWM通道，可用于控制LED灯的亮度，另外还有UART和I2C，可用于与其它模块通信。

根据以上分析，大致猜测该智能台灯的整体设计框图如图 2.1.3 所示。

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图 2.1.3 智能台灯系统整体设计框图
光照传感器会随着外界光照情况变化自身阻值，主控MCU通过ADC获取电压变化，即可得知外部光照变化，控制PWM输出修改占空比，调整亮度和色温；触摸按键按下后，会让主控MCU的GPIO引脚电平产生变化，MCU程序读取GPIO电平获知按键操作，进而控制PWM输出修改占空比，调整亮度和色温；主控MCU先控制Wi-Fi模块连接到互联网，与云端连接，手机APP的按键操作或语音输入转换成对应控制指令发送给云端，云端将指令发送给Wi-Fi模块，再通过UART接口发送给主控MCU，主控MCU解析指令后，控制PWM输出修改占空比，调整亮度和色温；用户通过按键设置为番茄时钟模式，主控MCU则利用自身定时器计算时间，当为25分钟时，控制PWM输出修改占空比，调整亮度和色温。

1.1.2 实例二：智能手环
该手环首发价格为299元，作为近几年的热门智能产品，销量可观。如今智能手环主打健康检测，功能全面，因此需要的传感器也越来越多。加上功耗和尺寸的限制，手环的主板集成度越来越高，足以媲美手机内部。该智能手环和内部结构如图 2.1.4 所示，主要功能如下：

1) 彩色IPS触摸屏，显示时间、健康信息、设置闹钟；

2) 闹钟、消息震动提醒；

3) 记录跑步数据；

4) 测量当前心率；

5) NFC刷公交、地铁；

6) 蓝牙连接手机，进行系统升级或接收手机消息；

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图 2.1.4 智能手环外观和内部电路
可以看到该智能手环内部芯片非常多，根据上面的丝印可知芯片型号，再搜索对应型号可知每个芯片的作用，这里整理如下。

STM32L496VG：STMicroelectronics公司产品，ARM Cortex-M4架构的32位MCU，主频可达80 MHz，这里作为整个系统的主控；

PN80T：NXP和Garmin联合出品，一款面向可穿戴设备的安全便捷的NFC移动支付芯片，接口为SPI或I2C；

DA14580：Dialog公司产品，一款ARM Cortex-M0架构的32位低功耗的蓝牙芯片，接口为UART、SPI或I2C；

MAX14745K：Maxim公司产品，一款面向低功耗的可穿戴设备的电池充电管理解决方案芯片，接口为I2C；

AFE4410：TI公司产品，一款用于心率检测的芯片，接口为SPI或I2C；

l IQS620：Azoteq公司产品，一款用于接近感应芯片，可检测手环是否佩戴上，接口为I2C；

LIS3DH：STMicroelectronics公司产品，一款超低功耗的高性能三轴线性加速度计，可检测当前手环的运动状态，接口为SPI或I2C；

GD25LQ64CWIG：GigaDevice司产品，一款64M的SPI接口Flash，可用于存储手环的主题数据包、图片数据等；

根据以上分析，大致猜测该智能手环的整体设计框图如图 2.1.5 所示。

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图 2.1.5 智能手环系统整体设计框图
前面智能台灯，整体框架比较简单，一般MCU运行裸机即可完成任务。智能手环整体框架就比较复杂了，一般都运行有操作系统RTOS。主控STM32L496VG接收来自蓝牙、NFC、三轴加速度计、接近感应传感器、心率传感器和屏幕触摸的数据，通过特地算法整合后，在OLED图形化的展示给用户，与用户之间进行交互。

1.1.3 实例三：电视盒子
如今家庭电视也朝智能发展，传统电视加上电视盒子，摇身一变为智能电视。目前市面上的电视盒子种类繁多，但其基本功能还是一致的，基本功能如下：

1) 高性能的处理器、大存储空间，安装应用程序，播放高清视频；

2) 支持有线或无线连接网络，实现在线播放；

3) 支持HDMI或AV输出音视频；

4) 支持USB接口；

5) 支持红外遥控；

这里拆解某电视盒子，如图 2.1.6 所示内部结构，主要的芯片有四个，整理如下。

Hi3798：华为公司产品，ARM Cortex-A53架构的64位4核MPU，主频高达2.0GHz，高性能多核GPU Mali T720，拥有强大的视频、音频编解码，拥有一个HDMI 2.0接口、两个千兆网口接口、一个USB 2.0接口、两个USB 3.0接口，一个IR红外接收接口、两个SDIO 3.0接口、多个I2C接口等，图中被散热器挡住；

D2516ECMDXGJD：Kingston公司产品，为嵌入式设计的低功耗DRAM，单个256MB，这里有两颗，总计512MB；

SDINBDG4-8G：Sandisk公司产品，高可靠耐用的eMMC闪存芯片，容量为8GB；

RTL8822BS：Realtek产品，支持2.4G/5G的双频WiFi&Bluetooth模块，接口为SDIO，图中被屏蔽罩挡住；

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图 2.1.6 电视盒子内部结构
根据内部结构，猜测该电视盒子的整体设计框图如图 2.1.7 所示。

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图 2.1.7 电视盒子系统整体设计框图
电视盒子的整体框图比较简单，但其难度不低，一般运行Linux/Android系统，无论是软件复杂度还是硬件复杂度，都比一般的MCU项目复杂。MPU性能强大，接口繁多，像有线网口、HDMI接口、AV接口、USB接口都直接支持，这些接口MCU一般都没有。除此之外，MPU项目都外接RAM和Flash，根据项目需求选择合适大小，大小也远超MCU项目。

【总结】

以上三个嵌入式产品实例，代表了嵌入式的三个方向。第一个是无操作系统的MCU项目，第二个是运行RTOS的MCU项目，第三个是运行Linux/Android的MPU项目，本手册主要涉及MCU，也就是前两个项目。读者理解了它们的共性，也就理解了什么是嵌入式系统。

1) 以应用为中心，以计算机技术为基础，软件/硬件可裁剪，实现应用需要的功能；

2) 对功能、可靠性、成本、体积、功耗有一定的要求；

3) 实现对其它设备进行控制、监视或管理的功能；

4) 简单的说，除了通用计算机(读者使用的电脑)和部分服务器外的一切计算机系统，都是嵌入式系统；

1.2 ARM与STM32的关系
1.2.1 ARM介绍
1978年，奥地利籍物理学博士Hermann Hauser，和他朋友，一位英国工程师Chris Curry，共同创建了一家名为“Cambridge Processor Unit，CPU”的公司，中文字面意思就是“剑桥处理器单元”，主要从事研发当地电子仪器设备的业务，比如街头游戏机之类的。

1979年，在经营逐渐进入正规后，原来的公司名不怎么合适了，那个年代喜欢找个吉祥物作为公司名字，比如APPle公司。这俩就以橡子为吉祥物，取名为“Acorn Computer”，中文字面意思就是“橡果电脑”。

1981年，也许是改了公司名字，运气就来了，这一年，公司接到一个大单。英国广播公司BBC，计划在整个英国播放一套电脑普及的教育节目，希望Acron公司可以生产一套配套的电脑，之后英国政府还会海量采购电脑，在各个学校普及。

接下这个大单后，Acron公司就开始研发产品了。当时处理器正从8位向16位过渡，他们就去找了美国国家半导体和摩托罗拉公司生产的16位处理器。评估后发现，这些处理器执行上有点慢，中断的响应时间有点长，还有就是太贵，一台电脑才卖500英镑，处理器成本就要100英镑。于是又把目标转向当时如日中天的Intel，希望对方提供一些16位80286处理器的设计资料和样品，然而Intel根本就不理他们。

最后，Acorn公司没办法，临时采用了便宜的MOS科技生产的8位6502处理器，勉强研发出符合要求的个人电脑BBC Micro。绝处逢生的Acorn公司发现处理器受制于人，为了后面长久的发展，于是决定自己研发处理器。

Acorn公司的研发人员从美国加州大学伯克利分校，找到了一个关于新型处理器的研究——简化指令集。在此基础上，历时4年的艰苦奋斗，于1985年完成了微处理器的设计，以后的BBC Micro，都用这颗新处理器。对于这块芯片，Acorn公司给它命名为“Acorn RISC Machine，ARM”，中文字面意思就是“橡果精简指令集机器”，也就是ARM的第一次出现。

这里插讲一下简化指令集(Reduced Instruction Set Computer，RISC)，与之相对应的就是复杂指令集(Complex Instruction Set Computer，CISC)。早期的处理器都是CISC架构（比如前面Intel处理器），随著时间推移，有越来越多的指令集加入。但是后来人们发现，整个指令集中，只有约20％的指令常常会被使用到，大约占了整个程序内容的80％，而剩余80％的指令，只占了整个程序内容的20％（典型的二八原则）。于是，1979年美国加州大学伯克利分校的DAVid Patterson教授(前面提到的新型处理器研究的作者)，提出了RISC的想法，主张硬件专心加速常用的指令，不常用的指令则利用常用的指令去组合。

就在同一年，1985年10月，英特尔发布了80386，Acorn公司的ARM芯片被吊打。80386采用CISC技术，所有指令都支持，也就性能更好，但设计成本也高、功耗也大。Acorn公司的ARM芯片采用RISI技术，只支持常用指令，其它指令需要常用指令去组合，性能也就差一些，但成本低、功耗低、研发快。Acorn公司也不傻，性能比不过，就突出成本低，功耗低的优势，总有要求成本低、功耗低，性能要求不高的场景，于是就往我们现在所见的嵌入式方向发展。

1990年，Acorn公司和APPle公司合作，成立新公司“Advanced RISC Machines，ARM”，中文字面意思就是“高级精简指令集机器”，这就是现在大家常说的ARM公司。

成立新公司后的几年，ARM公司业绩平平，危机四起。于是ARM决定改变他们的产品策略，他们不再生产芯片，转而以授权的方式，将芯片设计方案转给其它公司。正是ARM的这种授权模式，极大地降低了自身的研发成本和研发风险。它以风险共担、利益共享的模式，形成了一个以ARM为核心的生态圈，使得低成本创新成为可能。

随后，德州仪器(Texas Instruments，TI)、意法半导体(STMicroelectronics，ST)、恩智浦半导体(NXP Semiconductors，NXP)等半导体芯片厂商，相继购买ARM授权，然后根据自身行业需求，设计不同的外设接口的芯片。

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图 2.2.1 ARM公司发展史

由上总结，ARM具有以下三种含义：

1) ARM是一家全球半导体行业技术领先的公司，主要业务是设计RISC嵌入式处理器；

2) ARM是一类微处理器芯片或产品的统称，即所有采用ARM公司提供方案开发的RISC处理器；

3) ARM是一项技术的名称，即采用RISC的处理器体系结构；

从1985年发布第一个ARM处理器开始，ARM公司不断升级迭代，加入新的指令系统、寄存器组、功能特性，发展出不同架构。早期的经典ARM处理器，架构命名规则比较混乱，现在这些处理器基本不常见了，这里就不展开介绍。从ARMv7开始，采用Cortex命名，将整个处理器分为三大类，如图 2.2.2 所示。

图 2.2.2 ARM处理器系列
1)  ARM Cortex-A：应用程序系列。A表示应用处理器(APPlication Processor)，该系列有内存管理单元(Memory Management Uint，MMU)，实现虚拟内存，让每个用户进程都拥有自己独立的地址空间，这是现代多用户多进程操作系统（比如Linux、VxWorks）所必须的。该系列适用于高端消费电子领域，比如智能手机、平板电脑、智能电视、路由器等；

2)  ARM Cortex-R：实时控制系列。R表示实时控制(Real Time Controller)，该系列适用于高性能、高实时性应用，比如硬盘/固态驱动控制器、企业网络设备、消费电子领域的蓝光播放器、汽车领域的安全气囊等；

3)  ARM Cortex-M：微控制器系列。M表示微控制处理器(Microcontroller Processors)，该系列适用于低功耗、高性能且对成本敏感的产品，比如家电产品、物联网、无人机等；

针对不同的应用场景和需求，每个系列还会再细分，比如ARM Cortex-M就再分为ARM Cortex-M0、ARM Cortex-M3、ARM Cortex-M4等，区别如表 2.2.1 所示。

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表 2.2.1 Cortex-M系列处理器区别

1.2.2 STM32介绍
在2004年，ARM公司推出新一代Cortex内核后，ST公司抓住机遇，在很短的时间内就向市场推出了一系列的32位微控制器，同时提供基于库的开发模式，加快用户研发周期。STM32就是ST公司基于ARM Cortex-M系列内核设计的微控制器，专为高性能、低功耗、低成本场景设计。

STM32如今产品系列非常丰富，主要为ARM Cortex-M内核系列MCU，也开始涉及ARM Cortex-A内核系列MPU，如图 2.2.3 所示。按应用特性分类，可分为无线WB/WL系列、超低功耗L0/L1/L3/L5系列、主流G0/G4/F0/F1/F3系列、高性能F2/F4/F7/H7系列、全新的MP1系列。

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图 2.2.3 STM32系列产品(2020.06)
STM32的处理器种类众多，通过了解STM32的命令规范，可以了解整个STM32家族产品，也方便以后芯片选型，STM32 MCU系列命名规则如图 2.2.4 所示。

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图 2.2.4 STM32芯片命名规则(仅适用于MCU)

以STM32F103C8T6为例，解析STM32芯片命名规范如表 2.2.2 所示。

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表 2.2.2 STM32F103C8T6各部分含义

【总结】

ARM公司售卖Cortex-M系列的授权，意法半导体(STMicroelectronics，ST)购买了该授权，生产了一些列STM32产品，这些使用ARM技术的处理器，都习惯称为ARM处理器，其中STM32F103C8T6就作为了本手册配套开发板的处理器。

1.3 常见处理器概念
前文中多次出现了MCU、MPU、DSP、FPGA等嵌入式处理器概念，很多初学者可能比较迷惑，下面将对这些概念进行简单介绍。

1.3.1 MCU
微控制器 (Micro-Controller Unit，MCU)，俗称单片机。之所以称之为单片机(Single Chip Microcomputer)，是因为不同于其它处理器，它将CPU、RAM(随机存储器)、ROM(只读存储器)、I/O、中断系统、定时器等各种功能外设资源集中到一个芯片上。这个芯片就是一个完整的微型计算机，只需要供电或加上极少的外围电路即可工作。

常见的MCU有80C51系列单片机、Atmel公司的AVR系列单片机、Microchip公司的PIC系列单片机、TI公司的MSP430系列单片机、ST公司的STM32系列单片机、NXP公司的LPC1700系列单片机。

早期的MCU主要是8位，后面发展出16位，再到现在主流的已经是32位。此外，主频不断提高、ROM不断增大、外设不断增多，单片机的应用领域和场合越来越大。

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1.3.2 MPU
微处理器(Micro-Processor Unit，MPU)。类似通用计算机的CPU，主要负责处理计算，需要外加RAM、Flash、电源等电路。

MCU和MPU的本质区别是因为应用场景的定位不同。MPU注重通过相对强大的运算/处理能力，执行复杂多样的大型程序，因此常需要外挂运行内存(RAM)、存储器(Flash)等。MCU注重功能较为单一、价格敏感的应用场景，不需要相对强大的运算/处理能力，更多的是对设备管理/控制，因此不需要大容量的RAM、Flash来运行大型程序，于是将RAM、Flash全集成在一起，大家也就俗称“单片机”，如图 2.3.1 所示。

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图 2.3.1 MPU和MCU的不同结构

如今，随着技术的发展，市场及需求的变化，MPU和MCU的界限日趋模糊。高端的32位MCU主频越来越高，已经反超低端MPU主频，MCU也有外挂RAM和Flash的场景，依靠硬件结构去区分逐渐困难。读者可以简单的认为，嵌入式微处理器MPU，通常运行Linux、Android等非实时操作系统，应用在高端应用市场，比如智能手机、路由器等消费电子市场领域，而嵌入式微控制器MCU，常用运行裸机或实时性操作系统，应用在中、低端应用市场，比如家电控制领域、工业控制领域等。

1.3.3 DSP
DSP通常有两个含义。
数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP），是一门学科技术，使用数值计算的方式对信号进行加工处理的理论和技术。
数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP），是一种专门用于数字信号处理领域的微处理器芯片。

如图 2.3.2 为TI公司的DSP芯片TMS320VC5509A。

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图 2.3.2 DSP芯片

DSP芯片为了达到快速处理数字信号处理的目的，采用了许多特殊软硬件结构。首先是采用哈佛结构，将程序和数据分开，同时为处理器提供指令和数据。然后采用多级流水线技术，在指令周期内可以执行更多指令。加上专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令，使得DSP芯片在计算处理上，远超同主频的MCU或MPU。

DSP芯片拥有强大的数据处理能力，在数字信号处理领域，如调制/解调、数据加密/解密、图形处理、数字滤波、音频处理等计算密集型的场景广泛应用。

4 b, Y- n+ T% `! A8 n9 ?! |- W3 H+ F1.3.4 FPGA
现场可编程门阵列（Field－Programmable Gate Array，FPGA），由可编程互连连接的可配置逻辑块 (CLB) 矩阵构成的半导体器件。通俗地说，FPGA就是一个可以通过编程改变内部硬件结构，实现所需功能的芯片。前面的MCU、DSP等都是硬件资源固定，只能通过修改软件实现所需功能。而FPGA是通过硬件描述语言或其它方式修改硬件，将FPGA变为CPU或专用芯片，来实现控制或算法。因此，MCU、DSP能够实现的功能，FPGA理论上都可以实现，反之则不一定。如图 2.3.3 为Xilinx公司的FPGA芯片XC3S400A。

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图 2.3.3 FPGA芯片
FPGA主要有两大优势：高速和灵活。FPGA使用硬件处理数据，采用并发和流水技术，多个模块之间可以同时并行执行。FPGA可以根据现场情况配置器件功能，能够在技术和需求变化时重新配置，实现系统优化升级。

在某些通信领域，需要处理高速的通信协议，同时通信协议随时都可能修改，不适合做成专门的芯片，FPGA的高速、灵活就便成了首选。

虽然FPGA功能强大，但实际工程项目中，还需考虑硬件成本、开发难度和市场需求等因素。一些简单的控制场合，尽管FPGA和MCU都能胜任，但MCU价格低廉和研发简单，更划算。
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【总结】

如今复杂的嵌入式系统往往是复合架构，比如“MPU+FPGA”、“MPU+DSP”、“MCU+FPGA”、“MCU+DSP”，甚至“MCU +MPU+FPGA+DSP”。控制、显示、通信一般选择MCU或MPU，通信和数据处理算法选择DSP，大量的数据处理和特定实现选择FPGA。

MCU开发需要C语言基础，然后学习各类资源、接口，再到RTOS；MPU通常运行Linux，需要Linux基础、操作系统、网络编程等知识；DSP开发需要具备数据信号处理算法的理论知识；FPGA开发需要了解高速接口或音/视处理算法等。

一般来说，MCU相对比较简单，适合作为入门学习，待MCU学习完后，再结合实际情况选择深入学习方向。

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1.4 ARM开发
1.4.1 MCU开发和MPU开发
MCU开发就是我们常说的单片机开发，MPU通常运行嵌入式Linux，因此也称为ARM-Linux开发。MCU开发和MPU开发，也就是单片机开发和ARM-Linux开发，两者均可称为嵌入式开发，两者之间既有联系，又有区别。

MCU开发人员需要具备C语言、数字电子技术、模拟电子技术、微机原理等相关理论基础，还可能需要电路板绘制等专业技能。涉及电子信息工程、自动化、测量控制等相关专业。

MCU开发主要涉及的内容包含：GPIO、UART、I2C、SPI、LCD等外设接口，时钟、中断、定时器、ADC/DAC、看门狗等内部资源，以及RTOS(FreeRTOS、RT-Thread、uCOS、LiteOS等)嵌入式实时操作系统。

MPU开发人员需要具备、数据结构、操作系统、计算机网络等相关理论基础。涉及计算机科学、软件工程、物联网等相关专业。

MPU开发主要涉及的内容包含：Bootload移植、Linux内核移植、Linux设备驱动开发（GPIO、UART、I2C、SPI等）、Linux应用开发（文件I/O、多任务编程、进程间通信、网络编程、Qt界面设计等），甚至包括Android驱动、Android应用编程。

下表 2.4.1 列举MCU开发和MPU开发的一些区别。MPU开发通常没有仿真器，也没有集成开发环境IDE工具，但MPU资源丰富，反而下载方式比MCU丰富。MCU可以使用仿真器在线调试，也可以使用串口打印调试，而MPU一般只能使用串口调试打印。MCU的启动过程比较简单，而MPU的复杂很多，就Bootloader部分就相当于一个大型MCU开发工程。两者相互补充，占据了嵌入式设备的大部分份额。

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表 2.4.1 MCU开发与MPU开发的区别

1.4.2 开源硬件Arduino和Raspberry Pi
在开源硬件领域，Arduino和Raspberry Pi(树莓派)都是电子创意设计常用的开发平台和工具。它们使用简单的开发方式，使初学者能快速搭建其创意原型，有效降低了学习难度，缩短了开发周期。如图 2.4.1 所示，为某Arduino开发板(左)和Raspberry Pi 3开发板(右)实物图。

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图 2.4.1 某Arduino开发板(左)和Raspberry Pi 3开发板(右)实物图
Arduino是一款基于微控制器（MCU）的开发板，它可以运行一些相对比较简单的应用程序，成本低廉，适合用于与传感器、外围电路进行控制和通信。

Raspberry Pi是一款基于微处理器（MPU）的开发板，可以看作是一台小型计算机，板载RAM、HDMI接口、USB接口、音频接口、网络接口等。通常运行发行版Linux操作系统，可以运行功能更丰富的应用程序，适合用于一些需要较多运算和功能的项目，比如游戏虚拟机、网页服务器、机器人、家庭智能控制系统等。

* h% B6 s! W2 x) v! I6 A k【总结】

MCU开发和MPU的开发模式，差异还是比较大，读者在以后的实际开发中，再慢慢感受理解，这里了解即可。

开源硬件面向的群体主要还是电子爱好者，帮助他们无需深入了解相关知识的情况下，快速验证自己的创意想法。对于嵌入式开发人员，Arduino过于简单，Raspberry Pi底层不开源，都不适合深入研究，开发人员应选一款采用常见主控芯片设计的开发板进行学习、研究。