嵌入式開發(fā)者必備的基礎(chǔ)硬件知識

做嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，經(jīng)常要接觸硬件。做嵌入式開發(fā)對數(shù)字電路和模擬電路要有一定的了解。這樣才能深入的研究下去。下面我們簡單的介紹嵌入式開發(fā)中的一些硬件相關(guān)的概念。

在嵌入式系統(tǒng)中一定會有一塊處理器芯片，此外，還有其它的芯片作為外部設(shè)備(后面簡稱外設(shè))，這些芯片與處理器協(xié)作實現(xiàn)產(chǎn)品的功能。復(fù)雜的產(chǎn)品往往是由大量的芯片組成的。那么不可避免的是我們需要將所有的外設(shè)與處理器進(jìn)行相連，最為簡單的是將所有的外設(shè)都采用獨立(注意是獨立)的信號線連接至處理器，這樣的好處是容易理解，但問題是：不可行。

因為處理器芯片需要引出太多的線了，從芯片的生產(chǎn)和產(chǎn)品的生產(chǎn)角度來看都不實際。加之，處理器(在此我們假設(shè)處理器是單核的，而不是多核的)處理事務(wù)在微觀上是串行的，也就是說在某一時刻如果要對外設(shè)進(jìn)行讀寫操作，那只可能是對大量外設(shè)中的一個進(jìn)行，即多個外設(shè)不可能在微觀上被處理器同時訪問。

需要注意的是，這里提出了微觀這一概念，這是為了區(qū)別于宏觀。從宏觀上來講，一個處理器中可以有多個任務(wù)同時運行，但這些任務(wù)在微觀上卻是一個一個運行的(后面會用串行來描述這里所說的“一個一個”)，多任務(wù)的串行運行實現(xiàn)是由操作系統(tǒng)扮演著重要的角色來實現(xiàn)的。

回到我們的話題，即然將每個外設(shè)采用獨立的信號線連到處理器不可行，且處理器在單一時間內(nèi)只會對一個外設(shè)進(jìn)行訪問，那我們能不能采用共享的信號線將所有的芯片連在一起呢?這就是總線概念的由來。通俗的說，如果我們周圍有十個家庭，為了讓這十個家庭每兩個之間都能往來，我們并不需要為每兩個家庭修一條單獨(注意是單獨)的路(如果這樣，要修45條路)，而是可以修一條大路，然后，每個家都與大路相連。

對于總線，我們往往說總線是處理器的，而其它的外設(shè)是掛在總線上的。那有一個問題，我們每一時間只能訪問掛在總線上的一個外設(shè)，那如何區(qū)分這些外設(shè)呢?和我們的路一樣，我們需要用地址來區(qū)分每一個家庭，在總線上，也是采用地址來進(jìn)行區(qū)分的。

這樣，總線就根據(jù)其功能分為兩類了。一類是地址總線，這一總線上的數(shù)據(jù)只會是從處理器向外設(shè)“流”，是單向的。另一類則是數(shù)據(jù)總線，用來將數(shù)據(jù)從處理器傳送到外設(shè)(從處理器的角度來說是寫操作)或者是將數(shù)據(jù)從外設(shè)傳送到處理器(從處理器的角度來說是讀操作)，顯然，數(shù)據(jù)總線是雙向的。也就是說，在我們的嵌入式系統(tǒng)中同時存在地址總線和數(shù)據(jù)總線將所有需要與處理器進(jìn)行通訊的芯片連在一起的。

總線是有寬度的，正如我們的路分為“三車道”或是“四車道”，我們說32位處理器，是指其數(shù)據(jù)總線寬度是32位，也就是“有32輛車能同時跑”，顯然，寬度越是寬我們的處理器速度就越是快，因為我們從外設(shè)芯片存取數(shù)據(jù)的速度會更快，這就是為什么我們的計算機向64位發(fā)展的原因。同樣的，地址總線也是有寬度的，對于32位處理器其最大寬度也就是32位。

總線的概念有了，那接下來的一個問題是，即使是每一個外設(shè)都有一個地址，那這一地址記在哪里呢?是放在外設(shè)芯片上嗎?如果這樣的話，那就有一個問題，每一類外設(shè)的地址必須是不能重疊的，而當(dāng)一個產(chǎn)品中需要兩塊一樣的芯片的話，兩塊芯片的地址就無法區(qū)分了，看來這樣操作存在問題。還有，如果這樣的話每一個外設(shè)也得與(比如，32根)數(shù)據(jù)總線完全相連，并監(jiān)聽數(shù)據(jù)線以了解處理器是不是在“叫”自己，這樣很是復(fù)雜。

此外，地址也有可能因為外設(shè)種類的增多而用光?？偟膩碚f地址不能存放在外設(shè)芯片，那如何讓外設(shè)知道，此時它是被處理器招換從而需要進(jìn)行讀寫訪問的呢?答案就是芯片的片選(CS， chip select)信號，或者又號使能(ENable)信號。

片選信號對于外設(shè)芯片來講，就是一個(也是一根)通知信號，告訴芯片“嘿，請開門，我要放些東西進(jìn)來，或是拿些東西走”，這里的東西只能是數(shù)據(jù)，不可能是玉米棒什么的。那有個問題，這個信號源從哪里來呢?顯然，只能從處理器來。那是不是也是像總線那樣，每一個芯片都共用一根線連在一起呢?

如果這樣，可能處理器“一叫開門”所有的芯片都將“門”打開了。如果是處理器寫數(shù)據(jù)，那可能所有的芯片都被寫入同樣的數(shù)據(jù)。而取數(shù)據(jù)時，每個外設(shè)芯片都向外“扔”數(shù)據(jù)，這一定會造成數(shù)據(jù)總線沖突，因為有的芯片向總線上“扔”1，有的則“扔”0，這種情況下處理器一定會“發(fā)瘋”的，因為它不知道應(yīng)當(dāng)?shù)玫?還是0。

即然這樣，那顯然不能將所有的片選信號連在一起了，只能是各芯片的片選信號獨立。前面提到了地址總線，我們是采用一根地址線連一個外設(shè)芯片呢?還是采用其它的方法。如果采用一根地址線連一個外設(shè)芯片，那可能最多只能掛接32個芯片了，這顯然不行。

其實，在現(xiàn)實中，是采用32位的數(shù)字來表示一個外設(shè)芯片的地址的，比如1可以表示芯片A，而6534可以表示另外一個芯片B，等等。由此看來，理論上我們可以表示2的32次方(4294967296)個設(shè)備，之所以說理論上，是因為有的設(shè)備要占用大量的地址。即然這樣，那還有一個問題，如果將32位的地址總線轉(zhuǎn)換成芯片的一根片選信號呢?這需要引入譯碼(器)的概念。

譯碼器將一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一根信號線上的信號，比如3/8譯碼器，可以將一個位寬是3位的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成8根(2的3次方)完全獨立的信號線，當(dāng)向數(shù)據(jù)側(cè)寫入二進(jìn)制的011時，對應(yīng)的是8根線的第3根，當(dāng)輸入二進(jìn)制的111時，對應(yīng)的是8根線中的最后一根。有了譯碼器，處理器的地址線就簡化了，只要32根地址線加上外面的譯碼器，就可以訪問大量的外設(shè)芯片了。外部設(shè)備的選擇問題，我們已經(jīng)解決了，現(xiàn)在還得回頭看一看數(shù)據(jù)總線。

在嵌入式系統(tǒng)中，所有芯片的數(shù)據(jù)總線可以理解成是直接相連的。之所以用了“可以理解”一詞，是因為為了提高總線的負(fù)載能力，其中會加入總線驅(qū)動器。為了理解，我們看一看我們生活中的自來水，比如，在北京理論上可能所有的水管是連在一起的，但中間可能為了提高水壓，存在很多小的水站用來增加供水壓力，而不可能全北京所有的自來水自接來自一個水廠。