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嵌入式系統(tǒng)的硬件架構(gòu) |
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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)行開發(fā)。 本文主要來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。 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： 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(yīng)的CPU。在應(yīng)用中，一般是將微處理器裝配在專門設(shè)計的電路板上，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，它將CPU、存儲器（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專門用來對離散時間信號進(jìn)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(jìn)入數(shù)字濾波、FFT、譜分析、圖像處理等領(lǐng)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。 不同點有以下幾項。 小知識： 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(nèi)核按體系結(jié)構(gòu)分類，可以分為以下幾個系列。 各內(nèi)核的特點及應(yīng)用如下表所示。 嵌入式處理器內(nèi)核特點及應(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、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）。 常見的存儲設(shè)備有RAM、SRAM、ROM、Flash等，這些存儲設(shè)備在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程中是非常重要的。 （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(nèi)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(dǎo)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(shè)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。 （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(nèi)執(zhí)行（Execute In Place），這樣應(yīng)用程序可以直接在Flash內(nèi)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(dá)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(guān)系如下圖所示。
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