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1.1.2 嵌入式硬件知識(shí)

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(tái)基本架構(gòu),包括32位的ARM微處理器S3C2440。類似于x86平臺(tái)計(jì)算機(jī),運(yùn)行操作系統(tǒng)的SDRAM系統(tǒng)內(nèi)存及存放BIOS信息的Flash存儲(chǔ)器,以及存放數(shù)據(jù)的Flash存儲(chǔ)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(tái)基本架構(gòu)

(1)嵌入式處理器特點(diǎn)

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(diǎn)。

1)實(shí)時(shí)多任務(wù)。能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時(shí)間,可使內(nèi)部代碼和實(shí)時(shí)內(nèi)核的執(zhí)行時(shí)間減少到最低限度。

2)功能強(qiáng)大的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能。為避免軟件模塊之間出現(xiàn)錯(cuò)誤的交叉作用,設(shè)計(jì)了強(qiáng)大的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能,同時(shí)有利于軟件的診斷。

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

(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(gè)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(chǔ)器、定時(shí)/計(jì)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(jì)算機(jī),形成芯片級(jí)系統(tǒng),即單片機(jī)。發(fā)展經(jīng)過了8位8051單片機(jī)、16位AVR單片機(jī)、32位STM單片機(jī)多個(gè)階段,由于其低成本、可靠性及適應(yīng)性強(qiáng),目前已有大量的產(chǎn)品種類和型號(hào)。

3)嵌入式DSP處理器。數(shù)字信號(hào)處理器,一種特別適合進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器,其主要應(yīng)用是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)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(jì)算機(jī)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(hào)、模擬信號(hào)、混合信號(hào)甚至更高頻率的信號(hào)。單片系統(tǒng)常常應(yīng)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(dá)到幾百萬(wàn)個(gè)到幾千萬(wàn)個(gè)門電路。對(duì)于圖像處理,SoC可能具有MPU、數(shù)字信號(hào)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(jì)算,以及用于驅(qū)動(dòng)顯示器和HDMI或其他音視頻輸入/輸出技術(shù)。SoC可在單個(gè)微型集成電路上實(shí)現(xiàn)整個(gè)芯片系統(tǒng)。

(3)嵌入式處理器選擇

1)具體的應(yīng)用類型。不同的應(yīng)用類型對(duì)處理器的選型有不同要求,如僅僅是簡(jiǎn)單控制可以選用8位單片機(jī),若運(yùn)行較復(fù)雜算法或較強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)功能就需要性能更強(qiáng)大、帶有更多網(wǎng)絡(luò)接口資源的ARM處理器。

2)處理器性能和技術(shù)指標(biāo)。考慮到同一類型處理器運(yùn)算能力和功耗也不盡相同,選用性能和技術(shù)指標(biāo)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(hào)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(yīng)商是否提供評(píng)估板以及開發(fā)人員對(duì)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(shí)時(shí)時(shí)鐘

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

(2)存儲(chǔ)設(shè)備

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

(3)輸入設(shè)備

輸入設(shè)備向計(jì)算機(jī)輸入數(shù)據(jù)和信息,是計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(lái)。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(shí)進(jìn)行傳輸,其特點(diǎn)是傳輸速度快,但當(dāng)傳輸距離較遠(yuǎn)、位數(shù)又多時(shí),則會(huì)導(dǎo)致通信線路復(fù)雜且成本提高,傳輸總線的長(zhǎng)度受限(過長(zhǎng)時(shí),電子線路間將產(chǎn)生電容效應(yīng)),且抗干擾能力差。常用的如打印機(jī)并口(Parallel Port)。

2)串行接口。簡(jiǎn)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(kuò)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(diǎn)是:數(shù)據(jù)傳輸按位順序進(jìn)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(jìn)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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