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嵌入式系統(tǒng)是最近非�；鸨�的，幾乎所有電子設(shè)備都有嵌入式系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶應(yīng)用軟件等部分組成，其體系結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)上下層之間的關(guān)系。其中，硬件平臺(tái)包括嵌入式處理器和外圍設(shè)備，它們位于嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(xì)節(jié)，提供了一個(gè)透明的操作空間;而應(yīng)用軟件則是位于嵌入式操作系統(tǒng)之上的，當(dāng)然，用戶也可以直接在嵌入式操作系統(tǒng)之上進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

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

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(yīng)用要求的制約，嵌入式處理器包含以下部分：

處理器內(nèi)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(shí)鐘、復(fù)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(jì)算機(jī)的微處理器對(duì)應(yīng)的CPU。在應(yīng)用中，一般是將微處理器裝配在專門設(shè)計(jì)的電路板上，母板上只保留與嵌入式相關(guān)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(jī)，它將CPU、存儲(chǔ)器(少量的RAM、ROM，或兩者都有)和其他外設(shè)封裝在同一片集成電路里。

嵌入式DSP專門用來(lái)對(duì)離散時(shí)間信號(hào)進(jìn)行極快的處理計(jì)算，提高編譯效率和執(zhí)行速度。DSP正在大量進(jìn)入數(shù)字濾波、FFT、譜分析、圖像處理等領(lǐng)域。

本書(shū)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(diǎn)有以下兩項(xiàng)。

對(duì)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(diǎn)有以下幾項(xiàng)。

指令系統(tǒng)中指令的個(gè)數(shù)：嵌入式微處理器的指令個(gè)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(jiǎn)，比如有些嵌入式處理器無(wú)浮點(diǎn)功能等。

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

處理器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：嵌入式微處理器與通用處理器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有較大的區(qū)別，如流水線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

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

小知識(shí)：

常見(jiàn)的CPU指令集分為CISC和RISC兩種。

CISC(Complex Instruction SetComputer)是“復(fù)雜指令集”。自PC機(jī)誕生以來(lái)，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(zhǎng)，指令的數(shù)目非常多，編程和設(shè)計(jì)處理器時(shí)都較為麻煩。但是基于CISC指令架構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件已經(jīng)非常普遍了，所以包括Intel、AMD在內(nèi)的眾多廠商至今使用的仍為CISC。

RISC(Reduced InstrucTIon SetCompuTIng)是“精簡(jiǎn)指令集”。研究人員在對(duì)CISC指令集進(jìn)行測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，各種指令的使用頻度相當(dāng)懸殊，其中常使用的是一些比較簡(jiǎn)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(qiáng)，并且采用超標(biāo)量和超流水線結(jié)構(gòu)，大大增強(qiáng)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(jì)算機(jī)處理芯片用于通用計(jì)算機(jī)中，而更多的則是用于嵌入式系統(tǒng)中。

 

嵌入式微處理器內(nèi)核按體系結(jié)構(gòu)分類，可以分為以下幾個(gè)系列。

ARM系列：只設(shè)計(jì)內(nèi)核的英國(guó)公司(在1.3節(jié)會(huì)有詳細(xì)介紹)。

MIPS系列：只設(shè)計(jì)內(nèi)核的美國(guó)公司。

PowerPC：為IBM公司和Motorola公司共有的內(nèi)核。

68K/COLDFIRE：Motorola公司獨(dú)有內(nèi)核，有Motorola 68K等。

各內(nèi)核的特點(diǎn)及應(yīng)用如下表所示。

嵌入式處理器內(nèi)核特點(diǎn)及應(yīng)用

 

2.外圍設(shè)備

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

常見(jiàn)的存儲(chǔ)設(shè)備有RAM、SRAM、ROM、Flash等，這些存儲(chǔ)設(shè)備在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中是非常重要的。

(1)RAM、SRAM、DRAM。

根據(jù)掉電數(shù)據(jù)是否丟失，存儲(chǔ)器可以分為RAM(隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)和ROM(只讀存儲(chǔ)器)，其中RAM的訪問(wèn)速度比較快，但掉電后數(shù)據(jù)會(huì)丟失，而ROM掉電后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。人們通常所說(shuō)的內(nèi)存即指系統(tǒng)中的RAM。

RAM又可分為SRAM(靜態(tài)存儲(chǔ)器)和DRAM(動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器)。

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

DRAM是利用MOS(金屬氧化物半導(dǎo)體)電容存儲(chǔ)電荷來(lái)儲(chǔ)存信息的，因此必須通過(guò)不停地給電容充電來(lái)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(shuō)的SDRAM是DRAM的一種，它是同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器，利用單一的系統(tǒng)時(shí)鐘同步所有的地址數(shù)據(jù)和控制信號(hào)。使用SDRAM不但能提高系統(tǒng)表現(xiàn)，還能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、提供高速的數(shù)據(jù)傳輸，在嵌入式系統(tǒng)中經(jīng)常使用。

(2)ROM、Flash。

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

NOR Flash的特點(diǎn)是在芯片內(nèi)執(zhí)行(Execute In Place)，這樣應(yīng)用程序可以直接在Flash內(nèi)運(yùn)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(dá)到高存儲(chǔ)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(shí)由于生產(chǎn)過(guò)程很簡(jiǎn)單，大大降低了生產(chǎn)的成本。NAND Flash中每個(gè)塊的大擦寫次數(shù)是100萬(wàn)次，是NOR Flash的10倍，這些都使得NAND Flash越來(lái)越受到人們的喜愛(ài)。

它們之間的關(guān)系如下圖所示。