计算机三级3.嵌入式系统硬件组成

计算机三级3.嵌入式系统硬件组成的思维导图，本图介绍了硬件组成概述、嵌入式处理芯片、嵌入式系统的存储器、I/O、ARM内核典型嵌入式处理、外部通信接口知识。

嵌入式系统的硬件组成

• 1. 硬件组成概述
  • 最小硬件系统
    • 电源电路
      • 常用模块
        • 交流变直流模块(AC-DC)
        • 直流到直流模块(DC-DC)
        • 低压差稳压器(LDO)
          • 低噪声,低成本,纹波小,精度高,电路简单
    • 时钟电路
      • 大多嵌入式处理器本质上为同步时序电路
      • 大多嵌入式处理器内置时钟信号发生器
        • 外接一个石英晶体震荡器(Xtal)和2只电容即可工作
      • 晶振
        • 无极性
          • 无源晶振
            • 两只引脚:X1,X2(X1输入，X2输出，通过X2可提供时钟源给外部的其他电路使用)
          • 有源晶振
            • 四肢引脚:X1,X2,电源,地
    • 复位电路
      • 系统复位引脚
        • nRESET
          • 低电平复位
        • RESET
          • 高电平复位
      • ARM复位后PC指针指向唯一地址0x00000000
      • 常见微控制器用复位专用芯片
        • 811/812系列
        • SP708系列
    • 存储器
    • 嵌入式处理器
    • 调试测试接口
      • JTAG(联合测试行动小组)测试接口
        • 国际标准测试协议
        • 是一种嵌入式测试技术，用于芯片内部测试及对系统进行仿真和调试
        • 允许多个器件通过该接口串联形成JTAG链
        • 实现在线编程
      • SWD
        • Cortex-M内核提供的一种少引脚调试接口
  • 典型嵌入式应用系统
    • 最小硬件系统
    • 前向通道
      • 即输入接口
        • 模拟输入接口
          • 传感器，信号调理电路、A/D转换器等
        • 数字输入接口
    • 后向通道
      • 即输出接口
        • 模拟输出接口
          • D/A转换器、功率放大器、执行器等
        • 数字输出接口
    • 人机交互通道
      • 键盘或触摸屏输入接口
      • LED或LCD显示输出接口
    • 相互互联通道
      • RS-232/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
• 2. 嵌入式处理芯片
  • 基于ARM
    • AMBA总线体系结构
      • 先进微控制器总线体系结构【AMBA】
        • ARM公司公布的总线协议
        • 用于连接和管理SoC(片上系统)中功能板块的开放标准和片上互连规范
      • 类型
        • 系统总线
        • 外围总线
      • 典型ARM片上系统
        • ......
    • 硬件组成(常用)
      • 存储器及控制器
        • 管理和控制片内的SRAM、ROM、Flash ROM
          • 片内程序存储器Flash ROM
          • 片内数据存储器SRAM
      • 中断控制器
        • 向量中断【VIC】
        • 嵌套向量中断【NVIC】
      • DMA控制器
        • 可将数据块从外设传输至内存、从内存传输至外设或从内存传输至内存
          • 传输不需CPU
      • 电源管理与时钟控制器
        • 电源管理
          • 正常工作模式，慢时钟，空闲，掉电，休眠，深度休眠模式等
        • 时钟信号
          • 不同频率的定时时钟供片内个组件作为同步时钟使用
      • GPIO端口
        • 即通用输入/输出端口(也可双向使用)
          • 输入：缓冲功能
          • 输出：锁存功能
      • 定时计数组件
        • 主要包括
          • 看门狗定时器【WDT】
            • 使系统定时复位的硬件或软件
            • 当处理器在进入错误状态后的一定时间内复位，保证系统稳定运行
          • Timer通用定时器
            • 一般定时
          • RTC
            • 直接提供年月日时分秒，使系统有独立的日期时间
          • 脉冲宽度调制器【PWM】
            • 调制脉冲宽度
        • 特点
          • 对特定输入的时钟通过分频后接入计数器进行+1/-1计数，达预定数值后引发一个中断并置一定的标志位
      • 模拟通道组件
        • 模拟到数字的转换器【ADC】
          • 从模拟信号到数字信号的变换
        • 数字到模拟的变换器【DAC】
          • 从数字信号到模拟信号的变换
      • 互联通信组件
        • 通用异步收发器【UART】
          • 标准的串行通信接口
          • 最为广泛的串行通信接口
        • I²C
          • 集成电路互联的一种总线标准
            • 只有两根信号线
              • 时钟线SCL
              • 数据线SDA
          • 常用于板级芯片之间的短距离低速通信
        • I²S
          • 面向多媒体应用的音频串行外设接口
          • 主要针对数字音频设备如便携CD机之间
        • SPI
          • 串行外设接口
            • 可以使用MCU与各种外围设备以串行方式进行通信
            • 通常用四线制
              • MISO(主输入从输出)、MOSI(主输出从输入)、SSL(芯片选择)、SCK(时钟)
          • 用于板级芯片之间的短距离通信
        • CAN
          • 控制器局域网
            • 仅有2根信号线(差分传输)
              • CANH
              • CANL
          • 主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
            • 差分方式，速度快，效率高
          • 主用于与外部设备的短距离通信
            • 应用最广泛
        • Ethernet
          • 以太网通信接口
          • 许多新型ARM芯片中集成了该接口
  • 选型原则
    • 性价比原则
      • 性能
      • 价格
    • 参数选择原则
      • ARM内核
      • 系统时钟频率
      • 芯片内部存储器的容量
      • 片内外围电路
        • GPIO外部引脚条数
        • 定时计数器
        • LCD液晶显示器控制器
        • 多核处理器
        • ADC
        • 通信接口
      • 其他
• 3. 嵌入式系统的存储器
  • 层次结构
    • 嵌入式处理器，内部L1(一级)/L2(二级)Cache(高速缓冲存储器)
      • 速度最快
      • CPU使用最频繁的少量的程序代码和数据用SRAM作Cache存放
    • 主存储器(内存)，内部SRAM和Flash，片外扩展DRAM和Flash
      • 正在运行的程序的大部分数据和代码存放在主存储器
    • 外部存储器(外存)（磁盘、CF卡、SD卡、U盘）
      • 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
      • 容量最大、速度最慢
  • 分类
    • 存取特性（半导体存储器）
      • 随机存取存储器【RAM】
        • 静态随机存取存储器【SRAM】
        • 动态随机存取存储器【DRAM】
      • 只读存储器【ROM】
        • 掩膜型只读存储器【MROM】
        • 一次可编程只读存储器【PROM】
        • 紫外线可擦除可编程只读存储器【EPROM】
        • 电可擦除可编程只读存储器【E²PROM】
        • 闪速存储器【Flash】
          • NOR
          • NAND
    • 物理位置
      • 片内存储器（芯片内置的存储器）主存储器（主存）
        • Cache(高速缓冲存储器)
          • 减小访问外部存储器的次数
          • 提高处理速度
        • Flash ROM
          • 以最小系统形式应用(无需外接程序存储器)
          • 体现了专用性和嵌入性
        • SRAM
          • 易失性存储器
          • 系统复位后要对SRAM进行初始化
        • E²PROM
          • 非易失性
          • 掉电不丢失，长期保存
        • FRAM
          • 微控制器内部主要存储器之一
          • 可当做RAM和ROM
      • 片外存储器（外部扩展的存储器）主存储器（主存）
        • 片外程序存储器
          • NOR Flash ROM
          • NAND Flash ROM
        • 片外数据存储器
          • SDRAM、DDR(韩)/DDR2/DDR3/DDR4等
      • 外部存储设备辅助存储器
        • 闪存卡（基于Flash）
          • SM卡
            • Flash存储卡
            • 曾用于数码相机和MP3，现被SD卡、MMC卡取代
          • CF卡
            • 兼容Flash卡
              • NOR/NAND Flash
            • 目前为NAND Flash ROM
          • MMC
            • 存储单元和控制器同卡
            • 智能控制器是MMC保证了兼容性和灵活性
            • 数码影像、音乐、手机等
          • SD卡
            • 高记忆容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性、安全性
            • 目前最小的存储卡：15mm×11mm×1mm
            • 数码相机、个人数码助理(PDA)、多媒体播放器等
          • 记忆棒
            • 游戏机、数码相机、笔记本
          • XD卡
            • 专为数码相机使用的小型存储卡
          • U盘
            • USB闪存盘（USB flash disk）
            • 使用USB接口的无需物理驱动器的移动存储产品
          • 微硬盘
            • 超大容量、使用寿命长、带有缓存、无需外置电源
            • 高速传输、接口多样兼容性好、高效防震性
    • 存储的信息
      • 程序存储器
      • 数据存储器
    • 新型存储器
      • 铁电随机存取存储器【FRAM】
        • 稳定性高，可读/写100亿次，有的无数次，速度快，功耗低
      • 磁性随机存取存储器【MRAM】
        • 高速存取，高度集成
  • 主要性能指标
    • 容量e
      • 二进制
        • 关系2^10=1024
      • 内存容量=单元总数×数据位数/单元
      • 存储容量V=2^地址线条数m×数据线位(条)数n（V=2^m×n）
        • 单元个数L与地址线条数关系:m=log2L
    • 存取时间
      • 以ns为单位
        • 1s=1000ms,1ms=1000μs,1μs=1000ns
    • 带宽
      • 每秒可传输的最大数据总量
        • 并行总线
          • 带宽=总线频率×数据宽度/8×传输次数/总线周期（B/s）
        • 串行总线
          • 带宽=总线频率×1/10
            • 通常以10位一个数据帧(含一个字节数据)
• 4. I/O
  • （1） 通用I/O【GPIO】接口
    • 方向
      • 输入
        • 缓冲功能
      • 输出
        • 锁存功能
    • 三态
      • 0态、1态、高阻状态
  • （2） 集成电路互联【I²C】总线接口
    • 作用：将微控制器和外围器件连接起来
    • 特点：接口线少、控制方式简单、器件封装紧凑、通信速率较高等
    • 两条信号线：数据线SDA、时钟线SCL
    • 操作时序
      • ……
    • 连接
      • ……
  • （3） 串行外设【SPI】接口
    • 4条线
      • 串行时钟线【SCK】
      • 主机输入/从机输出数据线【MISO】
      • 主机输出/从机输入数据线【MOSI】
      • 低电平有效的从机选择线【SSEL】
      • 有的没有MOSI或有中断信号线【INT】
    • 过程与连接
      • ……
  • （4） 串行异步通信【UART】接口
    • ……
  • （5） 通用串行总线【USB】
    • 特点
      • 使用方便、速度快、连接灵活、独立供电
    • 硬软件构成
      • 硬件
        • 集线器
      • 软件
        • 驱动程序
          • USB设备驱动程序/驱动程序/主控制器驱动程序
    • 编码方式
      • 翻转不归零制【NRZI】
        • 电平保持时传送逻辑1
        • 电平翻转时传送逻辑0
    • 接口信号
      • 双绞线、电源线和地线4根信号线(USB1.1and2.0)
  • （6） 高清多媒体接口【HDMI】
    • 数字化音频/视频接口，适合影像传输
  • （7） 常用简单输入设备
    • 键盘、触摸屏
  • （8） 常用简单输出设备
    • LED发光二极管及数码管、LCD显示设备
• 5. ARM内核典型嵌入式处理
  • S3C2410
    • ……
  • S3C2440
    • ……
• 6. 外部通信接口
  • （1） 基于UART(串行异步通信收发传输器)的接口
    • RS-232接口
      • 通信距离15m作用
    • RS-485接口
      • 抗干扰、距离长
      • 常用于主从多机通信系统，不能构成多主系统
  • （2） CAN总线接口
    • 抗干扰能力强、传输距离远、适应多主系统
    • 广泛应用到工控领域及要求抗干扰和实时性强的场合
    • 扩展接口
  • （3） 以太网通信接口
    • ……
  • （4） 常用无线通信接口
    • 全球定位系统【GPS】模块、北斗模块、通用分组无线服务【GPRS】模块
      • 子主题
    • 无线保真【WiFi】模块、蓝牙模块(10m左右，1Mb/s)、其他