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。

（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。