1.1.2 嵌入式硬件知识

1.嵌入式系统硬件组成

如图1-2所示为基于ARM的嵌入式硬件平台基本架构，包括32位的ARM微处理器S3C2440。类似于x86平台计算机，运行操作系统的SDRAM系统内存及存放BIOS信息的Flash存储器，以及存放数据的Flash存储器构成了嵌入式硬件系统最基本的核心部分，还包括RS-232、USB等基本接口，键盘及LCD显示等基本输入/输出设备。

（1）嵌入式处理器特点

嵌入式处理器作为嵌入式系统的核心处理模块具有如下特点。

1）实时多任务。能完成多任务并且有较短的中断响应时间，可使内部代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。

2）功能强大的存储区保护功能。为避免软件模块之间出现错误的交叉作用，设计了强大的存储区保护功能，同时有利于软件的诊断。

3）功耗极低。用于便携式的无线及移动嵌入式设备一般都靠电池供电，功耗可低至mW甚至μW级。

（2）嵌入式处理器分类

1）嵌入式微处理器（Microprocessor Unit，MPU）。一种可编程特殊集成电路，也是单纯的处理器，需要搭配内存及其他外设才能构建一个系统，用于处理通用数据的叫作中央处理器（Central Processing Unit，CPU），专用于处理图像数据的叫作图形处理器（Graphics Processing Unit，GPU），用于处理音频数据的叫作音频处理器（Audio Processing Unit，APU）。

2）嵌入式微控制器（Micro Controller Unit，MCU）。把中央处理器、存储器、定时/计数器（timer/counter）、各种输入/输出接口等都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机，形成芯片级系统，即单片机。发展经过了8位8051单片机、16位AVR单片机、32位STM单片机多个阶段，由于其低成本、可靠性及适应性强，目前已有大量的产品种类和型号。

3）嵌入式DSP处理器。数字信号处理器，一种特别适合进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法，如TI公司的C6000系列等。

4）嵌入式片上系统（System on Chip，SoC）。一种将计算机或其他电子系统集成到单一芯片的集成电路。单片系统可以处理数字信号、模拟信号、混合信号甚至更高频率的信号。单片系统常常应用在嵌入式系统中。单片系统的集成规模很大，一般达到几百万个到几千万个门电路。对于图像处理，SoC可能具有MPU、数字信号处理器或图形处理单元的组合功能，用于执行快速算法计算，以及用于驱动显示器和HDMI或其他音视频输入/输出技术。SoC可在单个微型集成电路上实现整个芯片系统。

（3）嵌入式处理器选择

1）具体的应用类型。不同的应用类型对处理器的选型有不同要求，如仅仅是简单控制可以选用8位单片机，若运行较复杂算法或较强网络功能就需要性能更强大、带有更多网络接口资源的ARM处理器。

2）处理器性能和技术指标。考虑到同一类型处理器运算能力和功耗也不尽相同，选用性能和技术指标适宜的处理器才能最大限度降低成本。

3）其他因素。不同品牌型号处理器厂家所提供的配套资源及工具并不相同，处理器是否有较好的软件开发工具支持，是否有完整的嵌入式Linux系统支持，是否内置调试工具，是否有相关软件开发工具包（Software Development Kit，SDK）支持，供应商是否提供评估板以及开发人员对此系列处理器的熟悉程度等都是重要的因素。还有如DSP等带有硬件的音视频协处理器，更使得相关处理是否高效也成为选用的重要因素。

2.嵌入式处理器外围设备

（1）实时时钟

主要提供可靠的时钟信息，包括时分秒和年月日，即使系统处于关机或停电状态，实时时钟通过备用电池供电也能正常继续工作。

（2）存储设备

存储设备提供执行程序和存储数据所需空间，常见的有随机存储器（Random Access Memory，RAM）、只读存储器（Read-Only Memory，ROM）和闪存（Flash Memory）。

（3）输入设备

输入设备向计算机输入数据和信息，是计算机与用户或其他设备通信的桥梁。主要有矩阵小型键盘、触摸屏等。

（4）输出设备

输出设备用于数据的输出，是计算机与用户交互的一种部件，把各种数据或信息以数字、字符、图像、声音等形式表示出来。常见的有发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）显示和液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）。

（5）嵌入式系统接口

1）并行接口。是指数据的各位同时进行传输，其特点是传输速度快，但当传输距离较远、位数又多时，则会导致通信线路复杂且成本提高，传输总线的长度受限（过长时，电子线路间将产生电容效应），且抗干扰能力差。常用的如打印机并口（Parallel Port）。

2）串行接口。简称串口，也称串行通信端口（Serial Communication Interface，SCI），是采用串行通信方式的扩展接口。一条信息的各位数据被逐位按顺序传输的通信方式称为串行通信。

串行通信的特点是：数据传输按位顺序进行，最少只需一根传输线即可完成；成本低但传输速度慢。串行通信的距离可以从几米到几千米；根据信息的传输方向，串行通信可以进一步分为单工、半双工和全双工三种。在嵌入式系统中常见的串行接口有集成电路总线（Inter-Integrated Circuit，I2C）、集成电路内置音频总线（Inter-IC Sound，I2S）、通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）以及苹果公司开发的IEEE1394等。