第2章 嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計基礎(chǔ)

嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用南京郵電大學(xué)自動化學(xué)院2

本章簡介2.1嵌入式最小系統(tǒng)2.2嵌入式微處理器的基本特征及分類2.3典型的嵌入式微處理器2.4嵌入式微處理器的選型2.5嵌入式系統(tǒng)的存儲系統(tǒng)2.6嵌入式系統(tǒng)的常用外設(shè)接口2.7習(xí)題與思考32.1嵌入式最小系統(tǒng)對于同一款嵌入式處理器可以構(gòu)造成規(guī)模不等、復(fù)雜程序不同的系統(tǒng)對于同一款處理器而言，存在著一個最基本的系統(tǒng)最基本系統(tǒng)的條件： 以某個處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)中，處理器可以運行程序4嵌入式最小系統(tǒng)的作用嵌入式最小系統(tǒng)的作用：構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)的第一步，保證嵌入式處理器可以運行實際嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)逐步增加系統(tǒng)的功能，如：外圍硬件擴展、軟件及程序設(shè)計、操作系統(tǒng)移植、增加各種接口等，最終形成符合需求的完整系統(tǒng)5嵌入式最小系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)最小系統(tǒng)組成部分：處理器內(nèi)存時鐘調(diào)試接口電源和復(fù)位6嵌入式最小系統(tǒng)的組成圖2-1嵌入式最小系統(tǒng)7實際的嵌入式最小系統(tǒng)圖2-2最小系統(tǒng)中的各部件嵌入式最小系統(tǒng)各部分的功能8（1）電源電路通常采用交流電源經(jīng)變壓器變壓、穩(wěn)壓后，以某一固定的直流電壓值（例如3V、5V等）給嵌入式系統(tǒng)統(tǒng)一供電，在嵌入式系統(tǒng)的電路板上進行變壓、穩(wěn)壓后，根據(jù)各部分的不同需要供給不同的電壓。一般情況下嵌入式芯片的微處理器核與芯片內(nèi)其他外圍接口電路所使用的電壓不一定相同，且整個嵌入式系統(tǒng)其他部分芯片的電壓也不盡相同。嵌入式最小系統(tǒng)各部分的功能9（2）時鐘電路時鐘電路可分為片外時鐘和片內(nèi)時鐘兩個部分。

片外時鐘是供給嵌入式芯片的時鐘電路，嵌入式芯片一般采用外接晶體振蕩器的方式引入時鐘源，芯片有兩個或多個引腳用于外接晶振，而且一般在需要外接晶振和嵌入式芯片之間加上相應(yīng)的電容和電阻，起到濾波穩(wěn)定作用。

片內(nèi)時鐘是芯片上的時鐘電路，將外接晶振引入的時鐘經(jīng)過處理后供給芯片上的處理器核和其他片上擴展控制器。不同芯片的時鐘電路也不盡相同。嵌入式最小系統(tǒng)各部分的功能10（3）調(diào)試接口從處理器芯片引出的物理上的在線調(diào)試JTAG（JointTestActionGroup，聯(lián)合測試工作組）接口。通過JTAG接口可以實現(xiàn)對程序代碼的下載和調(diào)試。（4）復(fù)位電路

復(fù)位電路實現(xiàn)對系統(tǒng)的復(fù)位功能。嵌入式系統(tǒng)中一般是以按鍵形式輸入相應(yīng)的信號實現(xiàn)對芯片的復(fù)位，如在RESET引腳輸入連續(xù)的脈沖，使芯片復(fù)位重新啟動。不同芯片需要復(fù)位脈沖的個數(shù)和復(fù)位時間不同。嵌入式最小系統(tǒng)各部分的功能11（5）存儲系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的存儲系統(tǒng)是由RAM和ROM組成的，它是整個嵌入式系統(tǒng)中很重要的部分。嵌入式系統(tǒng)的存儲器可分為片內(nèi)存儲器和片外存儲器。一般片內(nèi)存儲器較小，而片外存儲器可以根據(jù)芯片和實際嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的需要擴展。如果嵌入式系統(tǒng)運行程序所占有的存儲空間相對較小，且芯片內(nèi)部帶有相應(yīng)的RAM或ROM能夠滿足使用的要求，則可不外擴存儲裝置，而直接使用芯片內(nèi)部存儲器，但一般這樣做不利于以后的擴展。嵌入式最小系統(tǒng)各部分的功能12（6）接口電路接口電路可能是一種接口電路，也可能是多種。構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)時，在芯片上如已有外圍接口控制器，相應(yīng)接口電路主要提供物理上的連接接口（如USB、Ethernet接口等），并根據(jù)需要實現(xiàn)電平信號轉(zhuǎn)換。如果芯片上沒有外圍接口控制器，則相應(yīng)接口電路的構(gòu)成較為復(fù)雜，需要增加接口控制器，如USB接口的USBN9603/9604、Ethernet接口的CS9800A。此外，還要考慮的一個問題是如何同其他芯片通信，是通過輸入/輸出接口還是通過芯片上的其他接口控制器進行。132.2嵌入式微處理器的基本特征及分類2.2.1嵌入式微處理器的基本特征

2.2.2嵌入式微處理器的分類14

體積小、集成度高、價格較低可擴展的處理器結(jié)構(gòu)功耗很低對實時多任務(wù)有很強的支持能力具有功能很強的存儲區(qū)保護功能2.2.1嵌入式微處理器的基本特征15對全球嵌入式處理器的不完全統(tǒng)計：－－品種數(shù)量超過1000多種－－流行的體系結(jié)構(gòu)達30余種2.2.2

嵌入式處理器的分類16嵌入式處理器分為四大類型：圖2-3嵌入式處理器種類17MPU與通用計算機中的CPU不同之處將微處理器裝配在專門設(shè)計的電路板上，只保留和嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件，去除其它的冗余功能部分嵌入式微處理器在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面相對通用計算機中的CPU都做了各種增強

MPU常見系列

X86、Am186/88、ARM、MIPS、PowerPC、68K等1.

嵌入式微處理器(Micro-ProcessorUnit,MPU)18MCU特點

單片化

每種具有多種衍生產(chǎn)品

MCU種類

通用系列

代表性的包括

8051、P51XA、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、MC68300等

半通用系列例如，支持USB接口、I2C、CAN等眾多專用MCU和兼容系列2.嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit，MCU)

又稱為單片機19DSP特點系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采用Harvard（哈佛）結(jié)構(gòu)和專用的硬件乘法器指令系統(tǒng)快速DSP指令（屬RISC精簡指令集）適合于對處理器運算速度要求較高、向量運算較多的應(yīng)用領(lǐng)域3.嵌入式DSP處理器(DigitalSignalProcssor,DSP)20SOC設(shè)計制造各種通用處理器內(nèi)核（包括IP核）將作為SOC設(shè)計公司的標準庫，和許多其它嵌入式系統(tǒng)外設(shè)一樣，成為VLSI設(shè)計中一種標準器件，用標準的VHDL等語言描述，存儲在器件庫中

用戶只需定義出其整個應(yīng)用系統(tǒng)，仿真通過后就可以將設(shè)計圖交給半導(dǎo)體工廠制作樣品4.嵌入式片上系統(tǒng)(SystemOnChip(SOC))212.3典型的嵌入式微處理器2.3.1單片機

2.3.2ARM

2.3.3MIPS

2.3.4PowerPC

2.3.5ColdFire221．單片機

單片機，全稱為單片微型計算機（Single-ChipMicrocomputer），又稱嵌入式微控制器，是把中央處理器、存儲器、定時器/計數(shù)器、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。與應(yīng)用在個人計算機中的通用微處理器相比，它不用外接硬件，能夠節(jié)約成本。它最大優(yōu)點是體積小，可放在儀表內(nèi)部；但是存儲量小，輸入/輸出接口簡單，功能較低。由于其發(fā)展非常迅速，舊的單片機的定義已不能滿足，因此在很多應(yīng)用場合被稱為范圍更廣的微控制器。23成本低、可靠性高，但功能、性能和片上資源相對16位/32位/64位嵌入式微控制器也較簡單主流單片機包括CPU、4KB容量的RAM、128KB容量的ROM、兩個16位定時器/計數(shù)器、4個8位并行口、全雙工串行口、ADC、DAC、SPI、I2C、ISP、IAP。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，能夠?qū)崿F(xiàn)模塊化。單片機可靠性高，可工作到106

至107

小時無故障。處理功能強，速度快。低電壓，低功耗，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品?？刂乒δ軓姟－h(huán)境適應(yīng)能力強。單片機特點

242．ARM

ASIC與IPASIC:專用集成電路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit）

IP:知識產(chǎn)權(quán)(IntellectualProperty）或稱為SIP（硅/半導(dǎo)體知識產(chǎn)權(quán))—指芯片電路的制作方式或電路圖等方面的知識產(chǎn)權(quán)。廠商向擁有技術(shù)的IPProvider直接購買IP

以縮短Time-to-Market。25ARM（AdvancedRISCMachines）公司英國公司

90年代初，ARM率先推出32位RISC微處理器芯片系統(tǒng)SoC知識產(chǎn)權(quán)公開授權(quán)概念

IPProvider：出售ARMRISC構(gòu)架的微處理器核心、外圍和系統(tǒng)芯片設(shè)計技術(shù)26小體積、低功耗、高性能而低成本。16/32位雙指令集支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好地兼容8位/16位器件。大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快。大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成。尋址方式靈活、簡單，執(zhí)行效率高。指令長度固定?？芍С侄喾N操作系統(tǒng)，如WindowsCE、Linux、VxWorks、Android等。ARM內(nèi)核及ARM處理器的特點

27圖2-4ARM全球合作伙伴28ARM微處理器系列ARM7ARM9ARM9EARM10EARM11SecurCoreIntel的StrongARM、Xscale

目前仍在不斷發(fā)展293．MIPS

MIPS公司設(shè)計制造高性能、高檔次及嵌入式32位和64位處理器的廠商在RISC處理器方面占有重要地位

1999年MIPS公司發(fā)布MIPS32和MIPS64架構(gòu)標準，為未來MIPS處理器的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)

MIPS特點屬于高性能、高處理能力的高端嵌入式處理器目前其成本價格和開發(fā)工具價格也很昂貴304．PowerPC

PowerPC架構(gòu)的特點是可伸縮性好，方便靈活品種多，通用處理器&嵌入式控制器和內(nèi)核例如

IBM公司的PowerPC405GPMotorolaMPC823e微處理器是一個高度綜合的片上系統(tǒng)（SOC）設(shè)備

PowerPC應(yīng)用范圍非常廣泛，從高端的工作站、服務(wù)器到桌面計算機系統(tǒng)，從消費類電子產(chǎn)品到大型通信設(shè)備315．68K/Coldfire

Motorola68000(68K)比Intel的8088還要早Coldfire是68K的低成本替代產(chǎn)品

68K/Coldfire主要應(yīng)用于對實時性和可靠性要求較高的工業(yè)控制領(lǐng)域326．國產(chǎn)嵌入式處理器

方舟：(ARCA)2001年7月，中芯微系統(tǒng)公司研制出“方舟一號”

主要應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)計算機、寬帶智能終端、交換機等，如神州數(shù)碼、聯(lián)想、美國慧智公司等的網(wǎng)絡(luò)計算機

與國外其它指令集不兼容，不支持高級的OS

龍芯：(GODSON,小名狗剩)2002年9月28號，中科院計算所研制與MIPS有些淵源

332.4嵌入式微處理器的選型2.4.1嵌入式微處理器的技術(shù)指標

2.4.2嵌入式微處理器的選項原則342.4.1嵌入式微處理器的技術(shù)指標

主要包括以下10項技術(shù)指標：(1)功能嵌入式微處理器的功能主要取決于處理器所集成的存儲器數(shù)量和外部設(shè)備接口的種類。集成的外部設(shè)備越多，功能越強大，設(shè)計硬件系統(tǒng)時需要擴展的器件就越少。所以選擇嵌入式微處理器時盡量選擇集成所需要的外部設(shè)備多的處理器，并且綜合考慮成本因素。35(2)字長字長是指參與運算的基本數(shù)位，決定了寄存器、運算器和數(shù)據(jù)總線的位數(shù)，因而直接影響硬件的復(fù)雜程度。處理器的字長越長，它包含的信息量越多，能表示的數(shù)值有效數(shù)位也越多，計算精度就越高。(3)處理速度處理器執(zhí)行不同的操作所需要的時間是不同的，因而業(yè)界對運算速度存在不同的計算方法認知。36(4)工作溫度從工作溫度方面考慮，嵌入式微處理器通常分為民用、工業(yè)用、軍用、航天等幾個溫度級別。一般的民用溫度范圍是0℃～70℃，工業(yè)用的溫度范圍是-40℃～85℃，軍用的溫度范圍是-55℃～125℃，航天的溫度范圍更寬。

(5)功耗嵌入式微處理器通常給出幾個功耗指標，如工作功耗、待機功耗等。許多嵌入式微處理器還給出功耗與工作頻率之間的關(guān)系，表示為mW/Hz或W/Hz。37(6)尋址能力嵌入式微處理器的尋址能力取決于處理器地址線的數(shù)量，且處理器的處理能力與尋址能力又有一定的關(guān)系。因此，處理能力強的處理器，其地址線的數(shù)量多；處理能力低的處理器，其地址線的數(shù)量少。

(7)平均故障間隔時間平均故障間隔時間（MeanTimeBetweenFailures，MTBF）是指在相當(dāng)長的時間內(nèi)，機器工作時間除以運行期間內(nèi)的故障次數(shù)。它是一個統(tǒng)計值，用來表示嵌入式系統(tǒng)的可靠性等。MTBF值越大，表示可靠性越高。38(8)性能價格比性能價格比是一種用來衡量處理器產(chǎn)品的綜合性指標。這里所講的性能主要是指處理器的處理速度、主存儲器的容量和存取周期、I/O設(shè)備配置情況、計算機的可靠性等；價格則指計算機系統(tǒng)的售價。性能價格比要用專門的公式計算。

(9)工藝工藝指標指是半導(dǎo)體和設(shè)計工藝兩個方面。目前大多數(shù)的嵌入式微處理器采用MOS的工藝。另外，大多數(shù)的嵌入式微處理器是采用靜態(tài)設(shè)計。39(10)電磁兼容性指標實際上，通常所說的電磁兼容性指標指的是系統(tǒng)級的電磁兼容性指標，取決于器件的選擇、電路的設(shè)計、工藝、設(shè)備的外殼等。雖然如此，嵌入式微處理器本身也具有電磁兼容性特性。嵌入式微處理器本身的電磁兼容性指標主要由半導(dǎo)體制造商的工藝水平?jīng)Q定。402.4.2嵌入式微處理器的選型原則

主要包括以下4項選型原則：(1)根據(jù)具體應(yīng)用領(lǐng)域選擇MPU/MCU/DSP/SoC中的一種。例如：在高端數(shù)據(jù)處理應(yīng)用領(lǐng)域，常選用嵌入式微處理器在實時控制領(lǐng)域，多選用嵌入式微控制器在數(shù)字圖像處理、多媒體信息設(shè)備等領(lǐng)域，往往選用嵌入式DSP處理器或帶有DSP內(nèi)核的嵌入式片上系統(tǒng)

41(2)根據(jù)具體應(yīng)用功能需求、性能指標、運行環(huán)境和成本預(yù)算等選擇芯片的具體型號和配置參數(shù)(3)關(guān)注生產(chǎn)廠商是否提供相應(yīng)內(nèi)置硬件調(diào)試工具和評估板

ICE等調(diào)試工具有助于很大程度縮短調(diào)試周期、降低調(diào)試難度評估板用于驗證自己的選型決策是否正確(4)對于32位及以上嵌入式處理器，關(guān)注是否有合適的嵌入式操作系統(tǒng)支持422.5嵌入式系統(tǒng)的存儲系統(tǒng)2.5.1存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

2.5.2存儲管理單元2.5.3常見的嵌入式系統(tǒng)存儲設(shè)備432.5.1

存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)的存儲器分為6個層次結(jié)構(gòu)圖2-5存儲器系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)44在這種存儲器分層結(jié)構(gòu)中，上面一層的存儲器作為下一層存儲器的高速緩存。CPU內(nèi)部寄存器就cache的高速緩存，寄存器保存來自cache的字；cache又是內(nèi)存層的高速緩存，從內(nèi)存中提取數(shù)據(jù)送給CPU進行處理，并將CPU的處理結(jié)果返回到內(nèi)存中；內(nèi)存又是主存儲器的高速緩存，它將經(jīng)常用到的數(shù)據(jù)從Flash等主存儲器中提取出來，放到內(nèi)存中，從而加快了CPU的運行效率。嵌入式系統(tǒng)的主存儲器容量是有限的，這時就需要用磁盤、光盤或CF卡、SD卡等外部存儲器來保存大信息量的數(shù)據(jù)。452.5.2

存儲管理單元存儲管理單元(MemoryManageUnit，MMU)是一種具有存儲器功能的計算機硬件單元，能在CPU中執(zhí)行虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換，將地址從邏輯空間映射到物理空間，這個轉(zhuǎn)換過程一般稱為內(nèi)存映射。MMU主要完成以下工作。（1）虛擬存儲空間到物理存儲空間的映射。（2）存儲器訪問權(quán)限的控制。（3）設(shè)置虛擬存儲空間的緩沖特性。462.5.3

常見的嵌入式系統(tǒng)存儲設(shè)備1．RAM無論數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的物理位置如何，RAM都能在幾乎相同的時間內(nèi)讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)。2．ROMROM是一種非易失性存儲器，即斷電后數(shù)據(jù)不會丟失，但是存儲數(shù)據(jù)的速度較慢，因此它主要用來存儲無須經(jīng)常更新的固件。3．FlashMemoryFlashMemory是一種非易失性存儲器，可以進行電擦除和重新編程。其既可以讀，也可以寫，但是寫的速度較慢，不適合存放動態(tài)數(shù)據(jù)。它主要用于存放設(shè)備固件和斷電后仍需長期保存的數(shù)據(jù)。472.5.3

常見的嵌入式系統(tǒng)存儲設(shè)備4．CompactFlash標準存儲卡（CompactFlash，CF卡）是一種主要用于便攜式電子設(shè)備的大容量閃存存儲設(shè)備。5．SecureDigitalCard安全數(shù)據(jù)卡（SecureDigitalCard，SD卡）是由SD卡協(xié)會（SDA）開發(fā)的用于便攜式設(shè)備的非易失性存儲卡格式。6．硬盤存儲器硬盤存儲器具有存儲容量大、使用壽命長、存取速度較快特點，它也是在嵌入式系統(tǒng)中常用的外部存儲器。482.6嵌入式系統(tǒng)的常用外設(shè)接口2.6.1GPIO接口

2.6.2UART接口2.6.3SPI接口2.6.4I2C總線接口2.6.5USB接口2.6.6IEEE1394接口492.6.1GPIO接口通用型輸入/輸出（General-PurposeInput/Output，GPIO）接口，作為輸入端口時，通過讀入引腳的狀態(tài)（高電平或低電平）；GPIO接口作為輸出端口時，通過輸出高電平或低電平來控制連接的外圍設(shè)備。GPIO接口是嵌入式系統(tǒng)、單片機開發(fā)過程中最常用的接口，用戶可以通過編程靈活地對接口進行控制，實現(xiàn)對電路板上LED燈、數(shù)碼管、按鍵等常用設(shè)備控制驅(qū)動，也可以將其作為串口的數(shù)據(jù)收/發(fā)管腳或A/D的接口等復(fù)用功能使用。502.6.2UART接口通用異步收發(fā)器（UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter，UART）是一種通用串行數(shù)據(jù)總線，用于異步通信。該總線可以雙向通信，實現(xiàn)全雙工傳輸和接收。其優(yōu)點是通信硬件電路簡單；其缺點是通信速度慢、有效傳輸距離短。UART作為一種通用的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它包括了RS232、RS499、RS423等接口標準規(guī)范和總線標準規(guī)范，即UART是異步串行通信口的總稱。而RS232、RS499、RS423等是對應(yīng)各種異步串行通信口的接口標準和總線標準，它們規(guī)定了通信口的電氣特性、傳輸速率、連接特性和接口的機械特性等內(nèi)容。512.6.3SPI接口串行外設(shè)接口（SerialPeripheralInterface，SPI）是Motorola公司推出的一種同步串行接口技術(shù)。SPI總線在物理上是通過外圍