2.1 嵌入式系統硬件模塊分析

嵌入式系統的開發涉及兩個方面：硬件部分與軟件部分。硬件部分提供整個系統開發可見的或可觸摸的“實體”，而軟件部分相當于這個“實體”內部的功能邏輯。這兩個部分是缺一不可的。嵌入式系統的開發對硬件要求非常高，這與其他類型系統的開發有所不同。許多嵌入式的開發都是針對具體的應用，針對項目中特定的硬件資源，如微處理器、FLASH存儲器、外圍接口等。這樣，開發人員就需要熟悉系統中的硬件資源，比如涉及一些底層編程，就需要知道系統處理器提供的指令集；要對外設驅動，就需了解外設的控制邏輯；要對FLASH存儲器編程，就需要知道FLASH存儲器編程的指令序列和編程流程等。

1．部件功能模塊

在本節中主要以典型的智能手機為例，講述手機設備中各個硬件模塊及模塊功能，所需的軟件及軟件所起的功能。手機功能部件如圖2.1所示。

（1）無線功能：GPRS無線數據傳輸、通話、短消息、彩信；

（2）多媒體功能：彩色觸摸屏、MP3、MP4、攝像頭、立體聲喇叭、支持藍牙、支持TF卡、U盤、NAND FLASH、NOR FLASH；

（3）主處理器：ARM v5(ARM9內核集成)；

（4）外部接口：串口、USB接口、標準耳機；

（5）外部擴展：128pin的全功能接口（音頻接口、SD卡、SIM卡、接口電壓、USB、串口、按鍵、Camera、ADC、GPIO、并口等）；

（6）電池容量：一般為700mA·h（或更高）；

（7）內置天線；

智能手機平臺采用“基帶處理器+應用處理器”的雙處理器結構，主要由無線通信模塊、多媒體處理模塊、視音頻輸出模塊、CMMB（中國移動多媒體廣播電視標準）接入模塊等部分組成，其總體結構如圖2.2所示。其中無線通信模塊實現呼叫/接聽、數據傳輸等基本通信功能和其他WiFi、藍牙等無線功能，多媒體處理模塊則用于處理高負荷的多媒體應用。

ARM v5基本都是ARM9架構，但也有部分采用Xscale架構。目前ARM架構里采用64位指令集，支持電腦CPU的MMX指令集的CPU架構。ARM v6指令集基本都是ARM11架構。中興u880的采用ARM v5指令集的Xscale架構的pxa920,806MHz, CPU性能1130MIPS。而三星s5830的采用ARM v6指令集的ARM11架構的msm7227t,800MHz, CPU性能960MIPS。pxa920還要的略超過msm7227t。可見指令集不一定是高的強。

2．電路功能模塊

在智能手機的硬件架構中，無線Modem部分只要再加一定的外圍電路，如音頻芯片、LCD、攝像機控制器、傳聲器、揚聲器、功率放大器、天線等，就是一個完整的手機硬件電路，如圖2.3所示。模擬基帶(ABB)、語音信號引腳和音頻編解碼器芯片間進行通信，構成通話過程中的語音通道。從硬件電路的系統架構可以看出，功耗最大的部分包括主處理器、無線Modem、LCD和鍵盤的背光燈、音頻編解碼器和功率放大器。

（1）手機射頻技術

手機射頻部分由射頻接收和射頻發送兩部分組成，其主要電路包括天線、無線開關、接收濾波、頻率合成器、高頻放大、接收本振、混頻、中頻、發射本振、功放控制、功放等。收發器是手機射頻的核心處理單元，主要包括收信單元和發信單元，前者完成對接收信號的放大，濾波和下變頻最終輸出基帶信號，通常采用零中頻和數字低中頻的方式實現射頻到基帶的變換；后者完成對基帶信號的上變頻、濾波、放大，主要采用二次變頻的方式實現基帶信號到射頻信號的變換。當RF/IFIC接收信號時，收信單元接受自天線的信號(約800MHz～3GHz)經放大、濾波與合成處理后，將射頻信號降頻為基帶，接著是基帶信號處理；而RF/IFIC發射信號時，則是將20kHz以下的基帶信號，進行升頻處理，轉換為射頻頻帶內的信號再發射出去。

（2）基帶處理器

基帶處理器是移動電話的一個重要部件，相當于一個協議處理器，負責數據處理與儲存，主要組件為數字信號處理器（DSP）、微控制器（MCU）、內存（SRAM、FLASH）等單元，主要功能為基帶編碼/譯碼、聲音編碼及語音編碼等。

基帶芯片可分為五個子塊：CPU處理器、信道編碼器、數字信號處理器、調制解調器和接口模塊。基帶芯片是用來合成即將發射的基帶信號，或對接收到的基帶信號進行解碼。具體地說，就是發射時，把音頻信號編譯成用來發射的基帶碼；接收時，把收到的基帶碼解譯為音頻信號。同時，也負責地址信息（手機號、網站地址）、文字信息（短訊文字、網站文字）、圖片信息的編譯。

（3）電源管理系統

由于手機是能源有限的設備，所以電源管理十分重要。智能手機集成了許多新的功能，例如拍照、MPEG視頻、集成PDA功能、藍牙/WLAN和高速數據傳輸。新增的功能向手機設計師提出了更大的挑戰，將直接面臨更小尺寸和延長電池壽命的要求。這些趨勢要求高集成度、低高度的電源管理功能器件和高轉換頻率的工作，在延長電池壽命的同時又不能犧牲效率。另外，開關穩壓器靠近敏感的無線RF電路，會帶來潛在的噪聲和干擾問題。設計廠家設計出用于手機應用的電源管理系列器件，提供了高性能的仿真解決方案，幫助手機設計師解決這些現實問題。

（4）處理器

處理器是影響手機性能的最關鍵的因素，像德州儀器、高通、英偉達以及三星等主流的處理器廠商大部分采用ARM架構。ARM的設計是Acorn電腦公司（Acorn Computers Ltd.）于1983年開始的開發計劃。1985年時開發出首款內核ARM1，經過三十年的發展，如今已經發展到運行速度可達2.5GHz的Crotex-A15核心。ARM9之前的ARM核心基本上都是應用在音樂播放器、游戲機、相機以及計算器等電子產品中。智能手機當中，諾基亞的大部分Symbian S60系統的智能手機，索尼愛立信K系列以及Walkman系列音樂手機，以及明基西門子和LG部分手機都采用了ARM926EJ-S內核。

Cortex-A9是性能很高的ARM處理器，可實現受到廣泛支持的ARMv7體系結構的豐富功能。Cortex-A9處理器的設計旨在打造最先進的、高效率的、長度動態可變的、多指令執行超標量體系結構，憑借范圍廣泛的消費類、網絡、企業和移動應用中的前沿產品所需的功能，它可以提供史無前例的高性能和高能效。

ARM Cortex-A15架構，ARM推出一款四核芯片，最快處理速度能夠達到2.5GHz，這款芯片除了將手機CPU運行速度提升至2.5GHz以外，還可以支持超過4GB的內存。Cortex-A15 MPCore處理器具有無序超標量管道，帶有緊密耦合的低延遲2級高速緩存，該高速緩存的大小最高可達4MB。浮點和NEON?媒體性能方面的其他改進使設備能夠為消費者提供下一代用戶體驗，并為Web基礎結構應用提供高性能計算。