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1.1.2 嵌入式硬件知識

1.嵌入式系統(tǒng)硬件組成

如圖1-2所示為基于ARM的嵌入式硬件平臺基本架構(gòu),包括32位的ARM微處理器S3C2440。類似于x86平臺計算機,運行操作系統(tǒng)的SDRAM系統(tǒng)內(nèi)存及存放BIOS信息的Flash存儲器,以及存放數(shù)據(jù)的Flash存儲器構(gòu)成了嵌入式硬件系統(tǒng)最基本的核心部分,還包括RS-232、USB等基本接口,鍵盤及LCD顯示等基本輸入/輸出設(shè)備。

圖1-2 基于ARM的嵌入式硬件平臺基本架構(gòu)

(1)嵌入式處理器特點

嵌入式處理器作為嵌入式系統(tǒng)的核心處理模塊具有如下特點。

1)實時多任務。能完成多任務并且有較短的中斷響應時間,可使內(nèi)部代碼和實時內(nèi)核的執(zhí)行時間減少到最低限度。

2)功能強大的存儲區(qū)保護功能。為避免軟件模塊之間出現(xiàn)錯誤的交叉作用,設(shè)計了強大的存儲區(qū)保護功能,同時有利于軟件的診斷。

3)功耗極低。用于便攜式的無線及移動嵌入式設(shè)備一般都靠電池供電,功耗可低至mW甚至μW級。

(2)嵌入式處理器分類

1)嵌入式微處理器(Microprocessor Unit,MPU)。一種可編程特殊集成電路,也是單純的處理器,需要搭配內(nèi)存及其他外設(shè)才能構(gòu)建一個系統(tǒng),用于處理通用數(shù)據(jù)的叫作中央處理器(Central Processing Unit,CPU),專用于處理圖像數(shù)據(jù)的叫作圖形處理器(Graphics Processing Unit,GPU),用于處理音頻數(shù)據(jù)的叫作音頻處理器(Audio Processing Unit,APU)。

2)嵌入式微控制器(Micro Controller Unit,MCU)。把中央處理器、存儲器、定時/計數(shù)器(timer/counter)、各種輸入/輸出接口等都集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機,形成芯片級系統(tǒng),即單片機。發(fā)展經(jīng)過了8位8051單片機、16位AVR單片機、32位STM單片機多個階段,由于其低成本、可靠性及適應性強,目前已有大量的產(chǎn)品種類和型號。

3)嵌入式DSP處理器。數(shù)字信號處理器,一種特別適合進行數(shù)字信號處理運算的微處理器,其主要應用是實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法,如TI公司的C6000系列等。

4)嵌入式片上系統(tǒng)(System on Chip,SoC)。一種將計算機或其他電子系統(tǒng)集成到單一芯片的集成電路。單片系統(tǒng)可以處理數(shù)字信號、模擬信號、混合信號甚至更高頻率的信號。單片系統(tǒng)常常應用在嵌入式系統(tǒng)中。單片系統(tǒng)的集成規(guī)模很大,一般達到幾百萬個到幾千萬個門電路。對于圖像處理,SoC可能具有MPU、數(shù)字信號處理器或圖形處理單元的組合功能,用于執(zhí)行快速算法計算,以及用于驅(qū)動顯示器和HDMI或其他音視頻輸入/輸出技術(shù)。SoC可在單個微型集成電路上實現(xiàn)整個芯片系統(tǒng)。

(3)嵌入式處理器選擇

1)具體的應用類型。不同的應用類型對處理器的選型有不同要求,如僅僅是簡單控制可以選用8位單片機,若運行較復雜算法或較強網(wǎng)絡功能就需要性能更強大、帶有更多網(wǎng)絡接口資源的ARM處理器。

2)處理器性能和技術(shù)指標。考慮到同一類型處理器運算能力和功耗也不盡相同,選用性能和技術(shù)指標適宜的處理器才能最大限度降低成本。

3)其他因素。不同品牌型號處理器廠家所提供的配套資源及工具并不相同,處理器是否有較好的軟件開發(fā)工具支持,是否有完整的嵌入式Linux系統(tǒng)支持,是否內(nèi)置調(diào)試工具,是否有相關(guān)軟件開發(fā)工具包(Software Development Kit,SDK)支持,供應商是否提供評估板以及開發(fā)人員對此系列處理器的熟悉程度等都是重要的因素。還有如DSP等帶有硬件的音視頻協(xié)處理器,更使得相關(guān)處理是否高效也成為選用的重要因素。

2.嵌入式處理器外圍設(shè)備

(1)實時時鐘

主要提供可靠的時鐘信息,包括時分秒和年月日,即使系統(tǒng)處于關(guān)機或停電狀態(tài),實時時鐘通過備用電池供電也能正常繼續(xù)工作。

(2)存儲設(shè)備

存儲設(shè)備提供執(zhí)行程序和存儲數(shù)據(jù)所需空間,常見的有隨機存儲器(Random Access Memory,RAM)、只讀存儲器(Read-Only Memory,ROM)和閃存(Flash Memory)。

(3)輸入設(shè)備

輸入設(shè)備向計算機輸入數(shù)據(jù)和信息,是計算機與用戶或其他設(shè)備通信的橋梁。主要有矩陣小型鍵盤、觸摸屏等。

(4)輸出設(shè)備

輸出設(shè)備用于數(shù)據(jù)的輸出,是計算機與用戶交互的一種部件,把各種數(shù)據(jù)或信息以數(shù)字、字符、圖像、聲音等形式表示出來。常見的有發(fā)光二極管(Light-Emitting Diode,LED)顯示和液晶顯示器(Liquid Crystal Display,LCD)。

(5)嵌入式系統(tǒng)接口

1)并行接口。是指數(shù)據(jù)的各位同時進行傳輸,其特點是傳輸速度快,但當傳輸距離較遠、位數(shù)又多時,則會導致通信線路復雜且成本提高,傳輸總線的長度受限(過長時,電子線路間將產(chǎn)生電容效應),且抗干擾能力差。常用的如打印機并口(Parallel Port)。

2)串行接口。簡稱串口,也稱串行通信端口(Serial Communication Interface,SCI),是采用串行通信方式的擴展接口。一條信息的各位數(shù)據(jù)被逐位按順序傳輸?shù)耐ㄐ欧绞椒Q為串行通信。

串行通信的特點是:數(shù)據(jù)傳輸按位順序進行,最少只需一根傳輸線即可完成;成本低但傳輸速度慢。串行通信的距離可以從幾米到幾千米;根據(jù)信息的傳輸方向,串行通信可以進一步分為單工、半雙工和全雙工三種。在嵌入式系統(tǒng)中常見的串行接口有集成電路總線(Inter-Integrated Circuit,I2C)、集成電路內(nèi)置音頻總線(Inter-IC Sound,I2S)、通用串行總線(Universal Serial Bus,USB)以及蘋果公司開發(fā)的IEEE1394等。

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