第四章嵌入式系统硬件平台

第四章嵌入式系统硬件平台 嵌入式处理器及其分类典型的嵌入式处理器嵌入式系统常见外设

嵌入式系统硬件体系结构

嵌入式微处理器

嵌入式微控制器 • 典型代表：单片机这种８位的电子器件，目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。 • 单片机芯片内部集成ROM/EPROM 、RAM 、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O 、串行口、脉宽调制输出、A/D 、D/A 、Flash RAM 、EEPROM 等各种必要功能和外设 • 微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。

嵌入式微控制器（2） • 微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。

嵌入式微控制器（3） • 由于MCU 低廉的价格，优良的功能，所以拥有的品种和数量最多，比较有代表性的包括8051、MCS-251 、MCS-96/196/296 、P51XA 、C166/167 、68K 系列以及MCU 8XC930/931 、C540 、C541 ，并且有支持I 2 C 、CAN-Bus 、LCD及众多专用MCU 和兼容系列。 • 近来Atmel 推出的AVR 单片机由于其集成了FPGA 等器件，所以具有很高的性价比，势必将推动单片机获得更高的发展。

嵌入式DSP处理器(1) • DSP 处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，在数字滤波、FFT 、谱分析等各种仪器上DSP 获得了大规模的应用。 • DSP 的理论算法在70 年代就已经出现，但是由于专门的DSP 处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过MPU 等由分立元件实现。1982 年世界上诞生了首枚DSP 芯片。在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。DSP 的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。

嵌入式DSP处理器(2) • 目前最为广泛应用的嵌入式DSP 处理器是TI 的MS320C2000/C5000 系列，另外如Intel 的MCS-296 和Siemens 的TriCore 也有各自的应用范围。

嵌入式微处理器（Micro Processor Unit) • MPU 嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU 演变而来的。 • 与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。 • 和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式处理器类型有Am186/88 、386EX 、SC-400 、Power PC 、68000 、MIPS 、ARM/ StrongARM 系列等.

嵌入式片上系统(System On Chip)（1） • SoC 就是System on Chip ，SoC 嵌入式系统微处理器就是一种电路系统。 • 它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上，像是ARM RISC 、MIPS RISC 、DSP 或是其他的微处理器核心，加上通信的接口单元，像是万用串行端口（USB ）、TCP/IP 通信单元、GPRS通信接口、GSM 通信接口、IEEE1394 、蓝牙模块接口等等，这些单元以往都是依照各单元的功能做成一个个独立的处理芯片。 • SoC 是追求产品系统最大包容的集成器件，SOC 最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。

嵌入式片上系统(System On Chip)（2） • 运用VHDL 等硬件描述语言不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点点的连接焊制，只需要使用精确的语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。 • 由于SOC 往往是专用的，所以大部分都不为用户所知，如Philips 的Smart XA 。Siemens 的TriCore ，Motorola 的M-Core ，某些ARM 系列器件，Echelon 和Motorola 联合研制的Neuron 芯片等。

嵌入式片上系统(System On Chip)（3） • SoC 嵌入式系统微处理器所具有的其他的好处可以分为下列几点： • 利用改变内部工作电压，降低芯片功耗。 • 减少芯片对外管脚数，简化制造过程。 • 减少外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递，可以加快微处理器数据处理的速度。 • 内嵌的线路可以避免外部电路板在信号传递时所造成系统杂讯。

嵌入式片上系统(System On Chip)（4）

嵌入式硬件开发工具（1） 嵌入式开发需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。 1.硬件：速度、功能、成本。更强大的嵌入式处理器如32 位、64位RISC芯片或信号处理器、DSP 增强处理能力，同时增加功能接口，如USB，扩展总线类型，如CAN BUS，加强对多媒体、图形等的处理，逐步实施片上系统（SOC）的概念。

嵌入式硬件开发工具（2） 2.工具：三星在推广Arm7 ，Arm9 芯片的同时还提供开发板和板级支持包（BSP ），而WindowCE 在主推系统时也提供Embedded VC ＋＋作为开发工具，还有Vxworks 的Tonado 开发环境，DeltaOS 的Limda 编译环境等等。

嵌入式硬件开发工具（3） 3.无线。要求硬件上提供各种网络通信接口。新一代的嵌入式处理器已经开始内嵌网络接口，除了支持TCP ／IP 协议，还有的支持IEEE1394 、USB 、CAN 、Bluetooth 或IrDA 通信接口中的一种或者几种，软件方面系统系统内核支持网络模块，甚至可以在设备上嵌入Web 浏览器，

嵌入式硬件开发工具（4） 4 ．精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本。未来的嵌入式产品是软硬件紧密结合的设备，为了减低功耗和成本，需要设计者尽量精简系统内核，利用最低的资源实现最适当的功能，如Java 、Web 和WAP 等。 5 ．提供友好的多媒体人机界面嵌入式设备能与用户亲密接触，最重要的因素就是它能提供非常友好的用户界面。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像都会使使用者获得自由的感受。

典型的嵌入式微处理器（1） • 1 ．ARM/StrongARM • ARM （Advanced RISC Machines ）公司是全球领先的16/32 位RISC 微处理器知识产权设计供应商。ARM 公司通过转让它的高性能、低成本、功耗低的RISC 微处理器、外围和系统芯片设计技术给合作伙伴来生产各具特色的芯片。ARM 公司已成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌入式解决方案的RISC 标准。 • ARM 处理器有三大特点： • 小体积、低功耗、低成本而高性能； • 16/32 位双指令集； • 全球众多的合作伙伴。

典型的嵌入式微处理器-ARM • ARM7 、ARM9 、ARM9E 、ARM10 和SecurCore 。其中ARM7 是低功耗的32 位核，最适合应用于对价位和功耗敏感的产品，它又分为应用于实时环境的ARM7TDMI 、ARM7TDMI-S ，以及适用于开放平台的ARM720T 和适用于DSP 运算及支持Java 的ARM7EJ 等。 • ARM7RTDMI 处理器是目前应用广的32 位高性能嵌入式RISC 处理器。ARM7RTDMI 使用3 级流水线，取指、译码和执行。 • 嵌入式ICE— RT 逻辑为ARM7TDMI 核提供了集成的在片调试支持。可以使用嵌入式ICE— RT 逻辑来编程断点或观察断点出现的条件。在目标和宿主调试器通过JTAG （JOINT TEST ACTION GROUP ）传送信息。

典型的嵌入式微处理器-ARM • 基于ARM 处理器核的典型产品如下： • Intel 公司的StrongARM 的系列：SA-110 、SA-1100 、SA-1101、SA-1110 、SA-1111 ； • Cirrus Logic 公司的ARM 系列：EP7209 、EP7211 、EP7212、EP7312 、EP9312 、PS7500FE ； • SamSung 公司的ARM 系列：S3C44B0 、S3C2400 、3C4510 • Aplio 公司的ARM 系列：Aplio/TRIO • LinkUp Systems 公司的ARM 系列: L7200 、L7205 • NETsilicon 公司的ARM 系列：NET+ARM • Triscend Corporation ARM 的产品：A7

典型的嵌入式微处理器-ARM • 1 ．ARM/StrongARM • ARM （Advanced RISC Machines ）公司是全球领先的16/32 位RISC 微处理器知识产权设计供应商。ARM 公司通过转让它的高性能、低成本、功耗低的RISC 微处理器、外围和系统芯片设计技术给合作伙伴来生产各具特色的芯片。ARM 公司已成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌入式解决方案的RISC 标准。 • ARM 处理器有三大特点： • 小体积、低功耗、低成本而高性能； • 16/32 位双指令集； • 全球众多的合作伙伴。

典型的嵌入式微处理器-MIPS • MIPS 是Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages，MIPS 技术公司是一家设计制造高性能、高档次及嵌入式32位和64 位处理器的厂商。在RISC 处理器方面占有重要地位 • MIPS 公司设计RISC 处理器始于80 年代初，MIPS 公司的战略发生变化，把重点放在嵌入式系统。 • 1999 年，MIPS 公司发布MIPS 32 和MIPS 64 架构标准，为未来MIPS 处理器的开发奠定了基础。 • MIPS 公司陆续开发了高性能、低功耗的32 位处理器内核（core ）MIPS 32 4Kc 与高性能64 位处理器内核MIPS 64 5Kc • 为了使用户更加方便地应用MIPS 处理器，MIPS 公司推出了一套集成的开发工具，称为MIPS IDF （Integrated Development Framework ），特别适合嵌入式系统的开发。

典型的嵌入式微处理器-MIPS • MIPS 的定位很广 • 在高端它有64 位的20Kc 家族，在低端市场有SmartMIPS 。 • 如果您有一台机顶盒设备，那很可能就是基于MIPS TM 的；如果您有一台视频游戏机，或许他就是基于MIPS 的；你的电子邮件或许就是通过基于MIPS 芯片的Cisco 路由器来传递的；您的公司所使用的激光打印机也有可能使用着基于MIPS 的64 位处理器。

典型的嵌入式微处理器-PowerPC • PowerPC 架构的特点是可伸缩性好，方便灵活。 • 既有通用的处理器，又有嵌入式控制器和内核，应用范围非常广泛，从高端的工作站、服务器到桌面计算机系统，从消费类电子产品到大型通信设备，无所不包。 • 基于PowerPC 架构的处理器有： • IBM 公司开发的PowerPC 405 GP 是一个集成10/100 Mbps 以太网控制器、串行和并行端口、内存控制器以及其它外设的高性能嵌入式处理器。 • MPC823e 微处理器是一个高度综合的片上系统（SOC ）设备。

典型的嵌入式微处理器-x86 • x86 系列处理器是我们最熟悉的了，它起源于intel 架构的8080 。 • 486DX 是当时和AMR ，68K ，MIPS 和SuperH 齐名的五大嵌入式处理器之一 • lGeode SP1SC10 具有非妥协网络访问、硬件MPEG-2 音频和视频解码器、TV 解码器、modem 、10/100 以太网、各种固化通信和外设接口。

嵌入式系统的输入输出接口 • 嵌入式系统的输入与输出接口可以分为有线连接传输与无线传输两种。 • 有线连接传输的输入与输出接口在设计上，必须考虑到几个因素，如电位匹配，就是嵌入式系统微处理器的输入输出接口所提供与接收信号的电位，必须和相连接的外围装置相同，否则会发生一方电位较高，导致电路的毁损，或者是电位不同，无法准确判断所代表的正确信号。

无线传输接口 • 嵌入式系统的无线传输接口包括有红外线、GSM 、GPRS 与蓝牙模块等等，这些无线的输入与输出接口用途很广泛。 • 常常使用RS-232 接口做数据同步工作，在数据量比较多的时候，RS-232 接口所需要的数据传输时间会很久。 • IEEE1394 就是一个快速的数据传输接口，也称为Firewire 。IEEE1394 传输接口传输的带宽可以达400Mbps 。

USB 接口 • 用通用串行端口（USB ）接口来与个人电脑作为数据传输连接的接口。 • USB1.1 规格中数据传输速度可以高达12Mbps 。 • USB2.0 的数据传输速度可以高达480Mbps 。

红外线收发（1） • 红外线收发模块主要由三部分所组成： • 红外线发光二极管：发射红外线波，波长在0.85 到0.9 微米之间， • 硅晶PIN 光检二极管：接收红外线信号的单元，所接收到的信号会传送到控制电路中，再传送到嵌入式系统微处理器作数据处理或者数据储存。 • 控制电路

红外线收发（2） • IrDA1.0 ，这个版本是在1994 年时所发表，采用波长0.85到0.90 微米的红外线传输。 • 传输速度115.2Kbps ，距离大约在1 公尺之内，发射接收角度在30 度之内； • FIR1.1 标准，1995 年时发表，传输速度可达4Mbps • VFIR 标准，1999 年发表，传输速度可达16Mbps ，有效距离到达8 公尺。

蓝牙模块 • 蓝牙模块是一个无线通信的标准协议。 • 蓝牙模块的无线通信频率在2.4GHz 以内，也就是ISM 频带内，蓝牙模块所发射的信号可以在很多无线杂讯的环境下仍然保有它的准确性。

接触面板 • 接触面板可以取代鼠标、键盘或者是手写笔等等的数据输入装置。 • 按面板的种类可以分为几种，电阻式、电容式、音波式、红外线式以及近场感应式等等。 • 触控面板的市场上，主要的产品大多是电阻式，占了大约百分之七十二，其余的还有XGT 式触控式面板，大约占了百分之二十。

液晶显示器（Liquid Crystal Display-LCD ） • 液晶显示器做为数据输出的显示之用。 • LCD 屏幕比起CRT 屏幕具有许多的优点：体积小、重量轻以及低辐射。 • LCD 屏幕的显示原理是利用液晶的特性来处理显示的效果。 • 液晶是一种介于固态与液态之间的物质，它具备了固态晶体的光学特性，也具有液态物质的流动特性。

液晶显示器（Liquid Crystal Display-LCD ） • 当光线穿透液晶物质时，光线会因为液晶物质内部折结构而改变光线的路径。 • 当液晶被加上电压后，液晶的内部结构会产生扭曲，所通过液晶物质的光线也就会被改变原本行径的角度，形成明暗线。 • 液晶显示器上具有一大堆液晶物质陈列，每一个图案像素就用一个液晶单元表示，当一个像素需要改变显示状态时，就对这一个液晶单元施以电压，它就会对于背光所发射穿透晶单元的光线做显示角度的改变，也就可以控制所显示的明暗光线。

随机存储器（RAM ） • 有两大类RAM ：静态随机存储器（SRAM ）和动态随机存储器（DRAM ）。 • SRAM 比DRAM 快。 • SRAM 比DRAM 耗电多。 • 在一个芯片上可以置放更多的DRAM 。 • DRAM 需要周期性刷新。 • DRAM 必须被刷新是因为它用内部电路系统来存值。与SRAM 不同，因为芯片上的寄生电阻，存储在电容上的电荷会泄露。DRAM 上一般数值生命期为一毫秒。

只读存储器 • 只读存储器（ROM ）用固定数据预编程。它在嵌入式系统中非常有用，因为许多代码或数据不随时间改变。 • 只读存储器对辐谢感应的错误也相对不敏感。 • 工厂编程的只读存储器（有时被称为掩模编程只读存储器（mask-programmed ROM ）和现场可编程只读存储器。

模/数（A/D ）转换器和数/模（D/A ）转换器 • 经常用作非数字设备到嵌入式系统的接口。 • A/D 转换在将模拟入转换为数字形式前需要对模拟输入进行采样。 • D/A 转换相对简单，所以D/A 转换器接口仅包括数据值，输入值被连续转换成模拟信号。

键盘 • 基本上由一个开关阵列组成，但它还包括一些逻辑电路和来简化它到微处理器的接口。

触摸屏 • 是覆盖在输出设备上的输入设备，它记录触摸位置。把它覆盖在显示器上，使用者可对显示的信息做出反应。 • 两种最常见的触摸屏是电阻式触摸屏和电容式触摸屏。电阻式触摸屏用二维电压表来探测位置。

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