1.1.2 嵌入式硬件知識

1.嵌入式系統硬件組成

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

（1）嵌入式處理器特點

嵌入式處理器作為嵌入式系統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，可使內部代碼和實時內核的執行時間減少到最低限度。

2）功能強大的存儲區保護功能。為避免軟件模塊之間出現錯誤的交叉作用，設計了強大的存儲區保護功能，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，需要搭配內存及其他外設才能構建一個系統，用于處理通用數據的叫作中央處理器（Central Processing Unit，CPU），專用于處理圖像數據的叫作圖形處理器（Graphics Processing Unit，GPU），用于處理音頻數據的叫作音頻處理器（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，即單片機。發展經過了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，目前已有大量的產品種類和型號。

3）嵌入式DSP處理器。數字信號處理器，一種特別適合進行數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各種數字信號處理算法，如TI公司的C6000系列等。

4）嵌入式片上系統（System on Chip，SoC）。一種將計算機或其他電子系統集成到單一芯片的集成電路。單片系統可以處理數字信號、模擬信號、混合信號甚至更高頻率的信號。單片系統常常應用在嵌入式系統中。單片系統的集成規模很大，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、數字信號處理器或圖形處理單元的組合功能，用于執行快速算法計算，以及用于驅動顯示器和HDMI或其他音視頻輸入/輸出技術。SoC可在單個微型集成電路上實現整個芯片系統。

（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絡功能就需要性能更強大、帶有更多網絡接口資源的ARM處理器。

2）處理器性能和技術指標。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工具支持，是否有完整的嵌入式Linux系統支持，是否內置調試工具，是否有相關軟件開發工具包（Software Development Kit，SDK）支持，供應商是否提供評估板以及開發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處理器，更使得相關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，即使系統處于關機或停電狀態，實時時鐘通過備用電池供電也能正常繼續工作。

（2）存儲設備

存儲設備提供執行程序和存儲數據所需空間，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）輸入設備

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

（4）輸出設備

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

（5）嵌入式系統接口

1）并行接口。是指數據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。一條信息的各位數據被逐位按順序傳輸的通信方式稱為串行通信。

串行通信的特點是：數據傳輸按位順序進行，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。在嵌入式系統中常見的串行接口有集成電路總線（Inter-Integrated Circuit，I2C）、集成電路內置音頻總線（Inter-IC Sound，I2S）、通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）以及蘋果公司開發的IEEE1394等。