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嵌入式系統的硬件架構 |
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嵌(qian)入(ru)式系統主要由(you)嵌(qian)入(ru)式微(wei)處理(li)器、外圍硬件(jian)設備、嵌(qian)入(ru)式操作系統以及用戶(hu)應用軟件(jian)等部分(fen)組(zu)成，其體系結構如(ru)下圖(tu)所示。
從該圖中(zhong)可以清楚地(di)看到(dao)嵌(qian)(qian)入式(shi)系(xi)統體(ti)系(xi)結構(gou)上(shang)下層之間的(de)(de)關系(xi)。其中(zhong)，硬件(jian)平臺包括嵌(qian)(qian)入式(shi)處(chu)理器(qi)和外(wai)圍設(she)備，它們(men)位于(yu)嵌(qian)(qian)入式(shi)系(xi)統結構(gou)中(zhong)的(de)(de)底層；嵌(qian)(qian)入式(shi)操作(zuo)(zuo)系(xi)統與通用(yong)操作(zuo)(zuo)系(xi)統的(de)(de)功能類似，為(wei)用(yong)戶(hu)屏蔽硬件(jian)底層的(de)(de)具體(ti)細節，提供(gong)了一個(ge)透(tou)明的(de)(de)操作(zuo)(zuo)空間；而應用(yong)軟件(jian)則是位于(yu)嵌(qian)(qian)入式(shi)操作(zuo)(zuo)系(xi)統之上(shang)的(de)(de)，當然，用(yong)戶(hu)也可以直接在嵌(qian)(qian)入式(shi)操作(zuo)(zuo)系(xi)統之上(shang)進行開發。 本文(wen)主要(yao)來(lai)介紹一(yi)下嵌入(ru)式系統的(de)硬件架(jia)構，也就是嵌入(ru)式處理器(qi)以及(ji)外圍設備的(de)相關知識。 1．嵌入式處理器 嵌入式處理器是各嵌入式系統的核心部件，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： 嵌入(ru)式處理器可以分為3類：嵌入(ru)式微處理器、嵌入(ru)式微控制器和(he)嵌入(ru)式DSP（Digital Signal Processor）。 嵌(qian)入式(shi)微處(chu)理器(qi)就是和(he)通用計(ji)(ji)算機(ji)的(de)微處(chu)理器(qi)對應的(de)CPU。在(zai)應用中，一般是將微處(chu)理器(qi)裝配在(zai)專(zhuan)門(men)設計(ji)(ji)的(de)電路板上，母板上只保(bao)留與嵌(qian)入式(shi)相關的(de)功能即(ji)可，這(zhe)樣可以滿(man)足嵌(qian)入式(shi)系統體積小、功耗低的(de)要求。 嵌入式(shi)微控(kong)制器又稱單(dan)片機，它將(jiang)CPU、存儲器（少(shao)量的RAM、ROM，或(huo)兩者都有）和其他外(wai)設封裝在同一片集成電路里。 嵌入式DSP專(zhuan)門(men)用來對離散時間(jian)信號進(jin)行極快(kuai)的處理計算，提(ti)高編譯(yi)效(xiao)率和執行速度。DSP正在大(da)量(liang)進(jin)入數字濾波、FFT、譜分析、圖像(xiang)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(wei)處(chu)理器與通用微(wei)處(chu)理器既(ji)有相似之處(chu)，也有不少的區別(bie)，其比較如下(xia)。 相似點有以下兩項。 對外的接口：各類總線及輔助電路接口。 不同點有以下幾項。 小知識： 嵌(qian)(qian)入(ru)式微處理(li)(li)器的種類極為豐富，32位的嵌(qian)(qian)入(ru)式微處理(li)(li)器就(jiu)有(you)10多種。從下(xia)圖可以看出，全球(qiu)僅有(you)4%的計(ji)算機處理(li)(li)芯(xin)片用于通用計(ji)算機中，而更多的則(ze)是用于嵌(qian)(qian)入(ru)式系統中。
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。 各內核的特點(dian)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(she)(she)備(bei)(bei)(bei)是指嵌(qian)入(ru)式系統中用于完成存儲、通信(xin)、調試、顯示等(deng)輔助功能(neng)的(de)其他部件。目前常用的(de)嵌(qian)入(ru)式外圍設(she)(she)備(bei)(bei)(bei)按功能(neng)可以分(fen)為(wei)：存儲設(she)(she)備(bei)(bei)(bei)（如RAM、SRAM、Flash等(deng)）、通信(xin)設(she)(she)備(bei)(bei)(bei)（如RS-232接口(kou)、SPI接口(kou)、以太(tai)網接口(kou)等(deng)）和顯示設(she)(she)備(bei)(bei)(bei)（如顯示屏等(deng)）。 常見的(de)存儲設備有RAM、SRAM、ROM、Flash等，這些存儲設備在嵌(qian)入式系統開發過程(cheng)中是(shi)非常重要的(de)。 （1）RAM、SRAM、DRAM。 根(gen)據掉電(dian)數(shu)據是否丟(diu)失(shi)，存(cun)(cun)儲(chu)器可以分為(wei)RAM（隨機存(cun)(cun)取(qu)存(cun)(cun)儲(chu)器）和(he)ROM（只(zhi)讀(du)存(cun)(cun)儲(chu)器），其中(zhong)RAM的(de)(de)訪(fang)問速度比較快，但掉電(dian)后數(shu)據會丟(diu)失(shi)，而ROM掉電(dian)后數(shu)據不(bu)會丟(diu)失(shi)。人們通常(chang)所說的(de)(de)內(nei)存(cun)(cun)即指系(xi)統中(zhong)的(de)(de)RAM。 RAM又(you)可分為SRAM（靜態存儲(chu)(chu)器）和DRAM（動態存儲(chu)(chu)器）。 SRAM是利用雙穩態觸發器(qi)來保存信息的，只(zhi)要(yao)不掉電，信息是不會丟失的。 DRAM是利用(yong)MOS（金屬氧(yang)化物半導體）電容存儲電荷(he)來儲存信(xin)息(xi)的(de)，因此必須通(tong)過不停(ting)地給電容充(chong)電來維持信(xin)息(xi)。DRAM的(de)成本、集成度、功(gong)耗等明顯優于SRAM。 通常(chang)人(ren)們所說(shuo)的(de)SDRAM是(shi)DRAM的(de)一(yi)種，它是(shi)同步(bu)動態存儲器(qi)，利用單一(yi)的(de)系統時鐘同步(bu)所有的(de)地址數(shu)(shu)據(ju)(ju)和控制信號。使用SDRAM不(bu)但能提高系統表現，還能簡(jian)化設計、提供高速的(de)數(shu)(shu)據(ju)(ju)傳輸，在嵌(qian)入式(shi)系統中經(jing)常(chang)使用。 （2）ROM、Flash。 Flash是(shi)一種(zhong)非易(yi)失閃存技術，由于它具(ju)有和ROM一樣掉電數據不會丟失的特(te)性。Flash主(zhu)要分為(wei)NOR Flash和NAND Flash兩種(zhong)。 NOR Flash的(de)特點是在芯片內(nei)執行（Execute In Place），這樣應用程(cheng)序可以直接在Flash內(nei)運行，不必再把(ba)代碼讀到系統RAM中。 NAND Flash能提供(gong)極高(gao)(gao)的(de)單(dan)元(yuan)密度(du)，可(ke)以(yi)達到高(gao)(gao)存(cun)儲密度(du)，NAND讀和寫操(cao)作采(cai)用512字節(jie)的(de)塊，單(dan)元(yuan)尺寸幾乎是(shi)NOR器件的(de)一半(ban)，同(tong)時由于生產過程(cheng)很簡單(dan)，大(da)大(da)降低了生產的(de)成本。NAND Flash中每個塊的(de)大(da)擦寫次(ci)數是(shi)100萬次(ci)，是(shi)NOR Flash的(de)10倍(bei)，這些都使得NAND Flash越來越受到人們的(de)喜(xi)愛。 它(ta)們之間(jian)的關系如下圖所示。
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