嵌入式系統(tǒng)的硬件架構說明

　　嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶應用軟件等部分組成，其體系結構如下圖所示。

　　從該圖中可以清楚地看到嵌入式系統(tǒng)體系結構上下層之間的關系。其中，硬件平臺包括嵌入式處理器和外圍設備，它們位于嵌入式系統(tǒng)結構中的底層；嵌入式操作系統(tǒng)與通用操作系統(tǒng)的功能類似，為用戶屏蔽硬件底層的具體細節(jié)，提供了一個透明的操作空間；而應用軟件則是位于嵌入式操作系統(tǒng)之上的，當然，用戶也可以直接在嵌入式操作系統(tǒng)之上進行開發(fā)。

　　本文主要來介紹一下嵌入式系統(tǒng)的硬件架構，也就是嵌入式處理器以及外圍設備的相關知識。

　　1．嵌入式處理器

　　嵌入式處理器是各嵌入式系統(tǒng)的核心部件，其功耗、體積、成本、可靠性、速度、處理能力、電磁兼容性等方面均受到應用要求的制約，嵌入式處理器包含以下部分：

　　處理器內核；

　　地址總線；

　　數(shù)據(jù)總線；

　　控制總線；

　　處理器本身的輔助支持電路，如時鐘、復位電路等；

　　片上I/O接口電路。

　　嵌入式處理器可以分為3類：嵌入式微處理器、嵌入式微控制器和嵌入式DSP（Digital Signal Processor）。

　　嵌入式微處理器就是和通用計算機的微處理器對應的CPU。在應用中，一般是將微處理器裝配在專門設計的電路板上，母板上只保留與嵌入式相關的功能即可，這樣可以滿足嵌入式系統(tǒng)體積小、功耗低的要求。

　　嵌入式微控制器又稱單片機，它將CPU、存儲器（少量的RAM、ROM，或兩者都有）和其他外設封裝在同一片集成電路里。

　　嵌入式DSP專門用來對離散時間信號進行極快的處理計算，提高編譯效率和執(zhí)行速度。DSP正在大量進入數(shù)字濾波、FFT、譜分析、圖像處理等領域。

　　本書所講的嵌入式處理器主要指嵌入式微處理器。（推薦閱讀：如何選擇嵌入式微處理器）

　　嵌入式微處理器與通用微處理器既有相似之處，也有不少的區(qū)別，其比較如下。

　　相似點有以下兩項。

　　對外的接口：各類總線及輔助電路接口。

　　處理功能：相似的指令功能分類。

　　不同點有以下幾項。

　　指令系統(tǒng)中指令的個數(shù)：嵌入式微處理器的指令個數(shù)與通用處理器有很大的區(qū)別，嵌入式微處理器的指令系統(tǒng)往往由于成本等原因而有所精簡，比如有些嵌入式處理器無浮點功能等。

　　指令的形式：嵌入式微處理器一般都使用精簡指令集（RISC），而通用處理器則使用復雜指令集（CISC）。

　　處理器的結構設計：嵌入式微處理器與通用處理器在結構設計上有較大的區(qū)別，如流水線結構的設計。

　　處理器的工藝和應用指標：由于嵌入式系統(tǒng)通常應用在特殊的場合，因此，對處理器的工藝及應用指標（如工作的溫度條件等）也有不同的要求。

　　小知識：

　　常見的CPU指令集分為CISC和RISC兩種。

　　CISC（Complex Instruction SetComputer）是“復雜指令集”。自PC機誕生以來，32位以前的處理器都采用CISC指令集方式。這種指令系統(tǒng)的指令不等長，指令的數(shù)目非常多，編程和設計處理器時都較為麻煩。但是基于CISC指令架構系統(tǒng)設計的軟件已經(jīng)非常普遍了，所以包括Intel、AMD在內的眾多廠商至今使用的仍為CISC。

　　RISC（Reduced Instruction SetComputing）是“精簡指令集”。研究人員在對CISC指令集進行測試時發(fā)現(xiàn)，各種指令的使用頻度相當懸殊，其中常使用的是一些比較簡單的指令，它們僅占指令總數(shù)的20%，但在程序中出現(xiàn)的頻度卻占80%。RISC正是基于這種思想提出的。采用RISC指令集的微處理器處理能力強，并且采用超標量和超流水線結構，大大增強了并行處理能力。

　　嵌入式微處理器的種類極為豐富，32位的嵌入式微處理器就有10多種。從下圖可以看出，全球僅有4%的計算機處理芯片用于通用計算機中，而更多的則是用于嵌入式系統(tǒng)中。

　　嵌入式微處理器內核按體系結構分類，可以分為以下幾個系列。

　　ARM系列：只設計內核的英國公司（在1.3節(jié)會有詳細介紹）。

　　MIPS系列：只設計內核的美國公司。

　　PowerPC：為IBM公司和Motorola公司共有的內核。

　　68K/COLDFIRE：Motorola公司獨有內核，有Motorola 68K等。

　　各內核的特點及應用如下表所示。

　　嵌入式處理器內核特點及應用

　　2．外圍設備

　　外圍設備是指嵌入式系統(tǒng)中用于完成存儲、通信、調試、顯示等輔助功能的其他部件。目前常用的嵌入式外圍設備按功能可以分為：存儲設備（如RAM、SRAM、Flash等）、通信設備（如RS-232接口、SPI接口、以太網(wǎng)接口等）和顯示設備（如顯示屏等）。

　　常見的存儲設備有RAM、SRAM、ROM、Flash等，這些存儲設備在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程中是非常重要的。

　?。?）RAM、SRAM、DRAM。

　　根據(jù)掉電數(shù)據(jù)是否丟失，存儲器可以分為RAM（隨機存取存儲器）和ROM（只讀存儲器），其中RAM的訪問速度比較快，但掉電后數(shù)據(jù)會丟失，而ROM掉電后數(shù)據(jù)不會丟失。人們通常所說的內存即指系統(tǒng)中的RAM。

　　RAM又可分為SRAM（靜態(tài)存儲器）和DRAM（動態(tài)存儲器）。

　　SRAM是利用雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來保存信息的，只要不掉電，信息是不會丟失的。

　　DRAM是利用MOS（金屬氧化物半導體）電容存儲電荷來儲存信息的，因此必須通過不停地給電容充電來維持信息。DRAM的成本、集成度、功耗等明顯優(yōu)于SRAM。

　　通常人們所說的SDRAM是DRAM的一種，它是同步動態(tài)存儲器，利用單一的系統(tǒng)時鐘同步所有的地址數(shù)據(jù)和控制信號。使用SDRAM不但能提高系統(tǒng)表現(xiàn)，還能簡化設計、提供高速的數(shù)據(jù)傳輸，在嵌入式系統(tǒng)中經(jīng)常使用。

　?。?）ROM、Flash。

　　Flash是一種非易失閃存技術，由于它具有和ROM一樣掉電數(shù)據(jù)不會丟失的特性。Flash主要分為NOR Flash和NAND Flash兩種。

　　NOR Flash的特點是在芯片內執(zhí)行（Execute In Place），這樣應用程序可以直接在Flash內運行，不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中。

　　NAND Flash能提供極高的單元密度，可以達到高存儲密度，NAND讀和寫操作采用512字節(jié)的塊，單元尺寸幾乎是NOR器件的一半，同時由于生產(chǎn)過程很簡單，大大降低了生產(chǎn)的成本。NAND Flash中每個塊的大擦寫次數(shù)是100萬次，是NOR Flash的10倍，這些都使得NAND Flash越來越受到人們的喜愛。

　　它們之間的關系如下圖所示。