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1、嵌入式系统硬件组成概述嵌入式处理芯片嵌入式最小硬件系统 ：嵌入式处理器运行必备条件的 硬件电路与嵌入式处理器共同构成了嵌入式最小硬件 系统。嵌入式最小硬件系统组成 ：嵌入式处理器、 时钟电路、 电源电路、复位电路、存储器、调试测试接口电源电路 ：嵌入式系统常用的电源模块式交流变直流（AGDC）模块、直流到直流（DC-DC）模块以及低压 差稳压器（LDO）。稳压器包括普通稳压器和低压差稳 压器 LDO。 78XX 系列属于普通稳压器， LM2576/2596 为开关稳压芯片， CCAT6219/AS2815/1117/2908 等属于 低压差稳压器。 稳压器最大的特点是低噪声、 低成本、 纹波小
2、、精度高、电路简单。时钟电路 ：几乎所有的嵌入式处理器本质上均为同步 时序电路，需要时钟信号才能按照节拍正常工作。复位电路 ：嵌入式处理器都有一个系统复位引脚为 nRESET或 RESET n表示低电平复位，不带 n的表示 高电平复位。JTAG测试接口 ：联合测试行为小组（JTAG是一种国 际标准测试协议，主要用于芯片内部测试以及对系统 进行仿真和调试。 测试访问口： TAP基于 ARM 内核的电性嵌入式应用系统硬件组成 嵌入式最小硬件系统、前向通道、后向通道、人机交 互通道、以及相互互联通信通道等组成。前向通道 ，即输入接口，包括传感器、信号调理电路（滤波器、放大器等） 、 A/D 转换器等
3、构成。后向通道 ，即输出接口，包括 D/A 转换器、功率放大器。执行器等组成。人机交互通道，包括键盘或触屏输入接口以及LED或LCD显示输出接口。相互互联通道，包括RS232/RS-485串行通信接口、CAN 通信接口、以太网通信接口、USB通信接口等。AMBA:先进微控制器总线体系结构系统总线（ASB AHB、AXI、ACE主要用于连接高带 宽快速组件： 电源管理与时钟控制器、 测试接口如 JTAG、 外部存储器控制接口、DMA控制器、USB主机、片上SRAM及Flash、中断控制器、LCD控制器。外围总线：（APB）主要连接低带宽组件以及与外部相连的硬件组件： GPIO UART SPk
4、L2C、USB设备、 CAN、 Ethernet 、 ADC、 DAC、 WDT、 Timer 、 RTC、 PWM 等。存储器及控制器：片内程序存储器通常用 Flash ROM, 一般配有几KB到几MB不等；片内数据存储器通常使 用的是SRAM, 一般配有几 KB到几百KB不等。目前 程序存储器大都采用 Flash 存储器，而数据存储器可采 用SRAM和DDR或DDR2或普通的DRAM。中断控制器：一般采用向量中断（VIC）或嵌套向量中 断（NVIC）方式管理中断。Cortex-M系列就支持嵌套 的向量中断。DMA 控制器 ：直接存储器访问控制器电源管理与时钟控制器 ： ARM 处理芯片内部
5、的电源管 理主要有正常工作模式、慢时钟模式、空闲模式、掉 电模式、休眠模式、深度休眠模式等。时钟信号是 ARM 芯片定时的关键。GPIO 端口 ：通用输入 /输出端口。输入时具有缓冲功 能,输出时具有锁存功能。定时计数组件 ：看门狗定时器（ WDT）、 Timer 通用定 时器、RTG脉冲宽带调制器（PWM）模拟通道组件：ADC、DAC比较器。ADC:模拟到数字的转换器。DAC:数字到模拟的转换器。 比较器 主要功能是当比较器正端电压高于负端 电压时,输出电压值接近正电源电压,反之输出电压 接近负电源电压。互联通信组件：UART L2C、SP、CAN、USB Ethernet等。UART:通用
6、异步收发器。IA2C :集成电路互连的一种总线标准，只有两根信号 线，一根是时钟线 SCL一根是数据线 SD（双向三态）L2S:面向多媒体应用的音频串行总线。SPt串行外设接口。包括 MISO、MOSI、SSL和SCK可完成全双工的同步串行通信，用于板级芯片之间的 短距离通信。CAN:控制器局域网，仅有CANH和CANL两根信号线，采用差分方式传输数据，可以进行远距离多机通信。 主要用于要求抗干扰能力强的工业控制领域，可组成 多主多从系统。USB:通用串行总线，主要应用于与外部设备的短距离 通信，也采用差分方式传输数据，是目前应用最广的 串行总线接口形式。Ethernet :以太网通信接口常用
7、 ARM 嵌入式处理芯片 : NXP 的、 TI 的、 Samsung的、Atmel 的、ST的、Freescale 的、Nuvoton 的、Intel嵌入式处理芯片选型遵循 :性价比原则和参数选择原 则3.3 嵌入式系统的存储器存储器层次结构对于 CPU 使用最频繁的少量的程序代码和数据用 SRAM作为高速缓冲存储器（Cache）存放；正在运行中的程序的大部分数据和代码存放在主存储器（内存）中；尚未启动运行的其余程序或数据则存放在容量大的外部存储器如磁盘（虚拟内存）中待命。目前嵌入式系统采用 SRAM作为Cache，Cache又分为嵌入式处理器内部一级Cache（ L1）和二级Cache（
8、L2）存储器分类按存取特性可分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）；按所处物理位置可分为片内春初期（芯片内置的存储器） 和片外存储器（外部扩展的存储器） 以及外部存储设备；按照存储信息的不同可分为程序 存储器和数据存储器。在嵌入式系统中把片内存储器 及片外扩展的存储器简称内存，把外部存储设备简称 外村。嵌入式系统的存储器以半导体存储器为主。FRAM:铁电随机存取存储器；MRAM :磁性随机存取存储器随机存取存储器包括静态和动态两种形式，即SRAM和DRAM，都是易失性存储器。目前嵌入式处理器内嵌的数据存储器 基本都采用SRAM,外部扩展的存储器大都采用DRAM及改进型（DDR SD
9、RAM DDR2 SDRAM DDR3、DDR4）只读存储器MROM、PROM、EPROM、EEPROM、Flash ROM、NOR Flash 和 NAND FlashNAND Flash ROM以页（行）为单位随机存取，速度慢， 变成复杂，大多作为数据存储器使用。 （数码相机、 MP3 随身听记忆卡、 U 盘）NOR Flash ROM 以字节为单位随机存取，写入和擦除 速度较慢。铁电存储器：非易失，可取代 SRAM和Flash存储器磁性存储器 :可取代 Flash 存储器存储器主要性能指标存储器的存取速度、存储容量、带宽 容量:对于内存容量而言， 单位之间换算以 2A10=1024 倍表
10、示，对于外存容量（磁盘、U盘、Flash存储卡）， 以 10A3=1000 倍表示。内存储器容量取决于存储单元的个数和存储器各单元 的位数：内存容量=单元总数*数据位数/单元3.4 I/O接口及常用I/O设备其他无线模块：射频无线收发模块，女口Si4432通用I/O接口 GPIO存储芯片的容量完全取决于存储器芯片的地址线条数和数据线的位数。V=2m * n （L：单元个数，n：数据 线位条数，m：地址条数，m=log2 L）存取时间：从CPU给出有效的存储器地址开始到存储 器读出数据所需要的时间。带宽：存储器每秒可传输的最大数据总量。并行总线的存储器带宽： 带宽=总线频率*数据宽度/8 *传输
11、次数/总线周期（B/s）串行总线带宽=总线频 率* 1/10 以10位为一个数据帧（含一字节数据）片内存储器片内Cache片内Flash ROM （嵌入式微控制器内部集 成的程序存储器）、片内SRAM （集成的数据存储器， SRAM属于易失性存储器）、片内E2PROM（作为长期 保存重要数据的存储器，属于非易失性）、片内FRAM俱有RAM和ROM的全部特点，是当前 嵌入式微控制器内部的主要存储器之一）片外存储器外部存储器的扩展是靠ARM内核提供的高带宽外部存储器控制器接口完成的。片外程序存储器：NOR Flash NAND Flash片外数据存储器：SDRAM、DDR/DDR2/DDR3/DD
12、R4外部存储设备SM卡、CF卡、MMC、SD卡、记忆棒、XD卡、U盘、微硬盘嵌入式系统外部通信接口基于 UART 的 RS232/RS-485 接口RS232接口：传输距离可以达到15m左右，无法消除 共模干涉。RS485接口：采用差分信号传输方式，具 有很强的抗共模干扰能力，传输距离可达1200m，不能构成多主系统CAN总线接口广泛应用于工控领域以及要求抗干扰和实时性强的场合；采用差分创术，控制器内置CRC教研，传输可靠性强，可构成多主多从系统；CAN总线的数据帧由 7不同的域组成：帧起始、仲裁域、控制域、数据域、CRC域、应答域。帧结尾，其中数据域的长度可选为0-8B以太网通信接口 ：分为
13、基于内置以太网控制器的以太 网接口（以太网控制器 MAC层，物理层PHY层的收发 器电路）和不带内置以太网控制器的以太网接口常用无线通信接口GPS GPRS WiFi、蓝牙以及通用射频通信模块等GPS模块：必须具备 GPS终端、传输网络和监控平台 三个要素。GPRS模块：以封包（Packet，也称为分组）方式进行 数据传输。WiFi模块：使用IEEE 802.11系列协议，内置无线网络 协议IEEE 802.11协议栈以及TCP/IP协议栈，能够实现 用户串口、TTL电平、USB接口或SPI接口数据到无线 网络之间的转换。蓝牙模块：支持设备短距离通信（10m内）的无线低 速（1Mb/s ）通信
14、技术，基于串口 UART或USB嵌入式系统的软件组成嵌入式系统与通用计算机系统的软件的 相同之处 指的 是：嵌入式系统具备引导加载程序、外部设备驱动程 序、操作系统、文件系统、网络协议栈、图形用户界 面、数据库、各种各样的应用程序等区别 ：嵌入式系统的软件配备没有通用计算机那样多； 通用计算机的软件系统无疑以操作系统为核心，不可 或缺；对于数据库、图形用户界面、因特网浏览器、 媒体播放器等基于操作系统的外围工具软件，如果运 行在通用计算机上则具有内部结构细致化、运行效率 高效化、代码重量化的特点。嵌入式操作系统RTOS实时操作系统IEEE美国电气电子工程师协会实时系统的属性时间约束性。分为硬实
15、时系统、软实时系统。常见的 系统大多是软实时系统。可预测性；可靠性按响应时间将实时系统分为三类：强实时系统：响应 时间在毫秒级或微秒及。普通实时系统：响应时间一 般在几秒；弱实时系统：响应时间一般在数十秒。实时操作系统IEEE的实时UNIX分委会认为实时操作系统应该具备 7 个特征： 1.具有异步 I/O 和中断处理能力 2.任务切换 时间和中断延迟时间确定 3.优先级中断和调度 4.抢 占式调度 5.内存锁定 6.连续文件 7.同步RTOS的三个主要实时指标：响应时间（中断延迟时间 和任务切换时间） 、吞吐量 （在给定时间内，实时系统 可以处理的事件总数） 、生存事件 （输入数据的有效等 待时间）嵌入式操作系统（EOS）是嵌入式系统中的软件。 与通 用计算机的操作系统相比较具有可移植、强调实时性 能、内核精简、 抢占式多任务处理、 使用可重入函数、 可配置、可裁剪、高可靠性等特点。嵌入式操作系统可粗略地分为内核、驱动程序、服务 模块与行命令解释程序几大部分。内核有广义和狭义两种解释 。广义：指装入在存储器 里的嵌入式软件中的操作系统部分。狭义：指嵌入式 操作系统中负责多任务管理及任务间通信的多任务处 理部分。它执行任务创建
