第三章-嵌入式系统硬件组件

分析大纲和考点

由嵌入式系统硬件组成

1. 嵌入式硬件组成与嵌入式处理芯片(组成、特性、类型、ARM的AMBA总线，嵌入式处理芯片的选择)
2. 嵌入式系统的存储器(层次结构、分类、性能指标、片内存储器、片外存储器、外部存储器等)
3. I/O接口、I/O设备及外部通信接口（GPIO、I²C、SPI、UART、USB、HDMI等；键盘、LED、LCD、触摸屏、传感器等；RS-232/RS-485、CAN、以太网和常用的无线通信接口)
4. 基于ARM典型的嵌入式芯片处理芯片（S3C2410/S3C片上总线等2440芯片的内部结构DMA、时钟控制，中断控制，GPIO、UART、I²C、SPI、Timer、RTC、WDT等硬件组件)

考点分析

• 一般来说，它会出现在考试中选择题和操作题(结合记忆型和理解型，记忆型多)
• 常考知识点有：
  • 嵌入式最小硬件组成
  • 嵌入式处理芯片
  • 嵌入式系统的存储器
  • I/O接口及常用I/O设备
  • ARM典型的内核嵌入式处理芯片
  • 嵌入式系统外部通信接口

1 嵌入式最小硬件系统

嵌入式最小硬件系统的组成

• 提供嵌入式处理器运行必要条件的硬件电路与嵌入式处理器共同构成嵌入式最小硬件系统，大部分基于ARM处理器芯片有调试接口
  

1、电源电路

• 整个嵌入式硬件系统的电源电路提供能量，它是整个系统的基础，具有极其重要的地位

选择和设计电源电路时主要考虑的七个因素

1. 输出电压和电流
   • 电源输出功率根据嵌入式硬件系统所需的最大功率确定
2. 输入电压和电流
   • 输入电压和电流是直流还是交流？
3. 安全因素
   • 是否需要不会因火花或热效应而点燃爆炸性环境的本安型电源
4. 电磁兼容
5. 体积限制
6. 功耗限制
7. 成本限制

嵌入式系统常用的电源模块

• 交流变直流（AC-DC）模块
• 直流变交流（DC-AC）模块
• 低压差稳压器（LDO）模块

2、时钟电路

• 几乎所有的嵌入式处理器本质上都是同步时序电路，需要时钟信号才能按照节拍正常工作。大多数嵌入式处理器都有时钟信号发生器，所以时钟电路只需要一个石英晶体振荡器和两个电容器。
  
• 上图中的Xtal简称晶体振荡器晶振。根据系统需要选择合适的晶体振动，不仅要考虑嵌入式处理器的最高工作频率，还要确保系统在一定的功耗范围内
• 晶振是无极性一般分为无源和有源两种无源晶振有两个引脚X1和X2.有源晶振有四个引脚，除了X1、X还有电源和地面，X1为输入，X二是输出，通过X2可为外部其他电路提供时钟源

3、复位电路

• 嵌入式处理器有系统复位引脚nRESET或RESET，其中n表示低电平复位，不带n的表示高电平复位。一般来说nRESET必须至少保持几个处理器时钟周期的低电平，系统可以可靠地复位。嵌入式系统通常使用外部典型的复位芯片，以确保系统可靠地复位
• ARM复位后PC指针指向唯一地址0x无条件转移指令通常放在这个地址B RESET,转向RESET在系统初始化程序中，可以初始化系统，以确保系统的有序运行

4、JTAG测试接口

• “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模拟和调试系统
• JTAG该技术是一种嵌入式测试技术，它包装了芯片内的特殊测试电路，并提供了测试访问口（Test Access Port），TAP通过专用的JTAG测试工具可以测试内部节点
• JTAG允许多个器件通过测试JTAG接口串联在一起，形成一个JTAG链实现各器件的单独测试

考点2 基于ARM典型的内核嵌入式应用系统硬件

典型的嵌入式应用系统硬件组成

• 典型的嵌入式系统硬件是由嵌入式最小硬件组成、前向通道、后向通道、人机交互通道联网通道组成
  • 前向通道。即由模拟量输入接口和数字量输入接口组成的输入接口，包括传感器陈、信号调节电路(滤波器、放大器等)。A/D转换器等
  • 后向通道。即由模拟量输出接口和数字量输出接口组成的输出接口D/A转换器、功率放大器、执行器等
  • 人机交互通道。包括键盘或触摸屏输入接口LED或LCD显示输出接口等
  • 互联通道。包括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

考点3 ARM的AMBA总线系统结构及标准

AMBA总线的概念

• AMBA，先进的微控制器总线系统结构。是ARM公司发布的总线协议，用于连接和管理SoC电影中功能模块的开放标准和互连规范
• 标准规定了ARM处理器内核和处理器内部高带宽RAM、DMA以及高带宽外部存储器等快速组件接口标准(通常称为)系统总线），
• 还规定了内核和ARM处理器内外端口和慢速设备接口组件接口标准(通常称为)外围总线）。

1、AMBA总线的开发和版本

• AMBA总线标准规定了系统总线和外围总线两种类型。ASB、APB
  • 先进的系统总线(ASB)用于连接高性能系统模块
  • 先进外围总线(APB)支持低性能的外围接口。所有通用外设组件均连接到APB总线上
  • ASP和APB之间通过桥接器(Bridge)相连，期望能减少系统总线的负载
• AMBA2总线标准增强了AMBA的性能，定义了两种高性能的中线规范AHB和APB2以及测试方法。AHB、APB2
  • ASB改成先进高性能总线(AHB)，用于连接高性能系统组件或高带宽组件
• AMBA3总线标准包括先进的可扩展接口(AXI)，先进的跟踪总线(ATB)，AHB-Lite以及APB3四个总线标准。AXI、ATB、AHB-Lite、APB3
• AMBA4总线标准在ATB的基础上增加了5个接口协议：AXI一致性扩展(ACE)、ACE-Lite、AXI4、AXI4-Lite以及AXI4-Stream。ACE、ACE-Lite、AXI4、AXI4-Lite、AXI4-Stream、ATB、AHB-Lite、APB4
• 不同版本的外围总线从APB到APB4的发展仅仅是所支持的外围硬件组件有所增加，其他没有什么变化

2、基于AMBA总线的典型ARM片上系统

• AMBA1由ASB+APB组合构成总线系统
• AMBA2由AHB+APB组合构成总线系统
• AMBA3由AHB+ATB+AXI+APB组合构成总线系统
• AMBA4由ACE+ATB+AXI（包括-Lite，-Stream）+APB组合构成总线系统，系统总线信号经过桥接器变换成外围总线APB的信号

考点4 基于ARM内核的嵌入式芯片的硬件组成

基于ARM内核的嵌入式芯片的硬件组成

1、存储器及控制器

• ARM处理芯片内部硬件中除ARM内核外，最重要的组件就是存储器及其管理组件，用于管理和控制片内的SRAM、ROM和Flash ROM，通过外部存储器对外部扩展存储器如Flash存储器及DRAM等进行管理与控制
• 片内程序存储器通常使用的是Flash ROM，片内数据存储器通常使用的是SRAM
• 目前程序存储器的大多采用Flash存储器，数据存储器采用SRAM和DDR或DDR2或普通的DRAM
• 高带宽外部存储器控制接口为外部存储器扩展提供了接口，可扩展程序存储器及数据存储器
• 高带宽外部存储器控制接口与AMBA的系统总线部分相连

2、中断控制器

• 中断控制器负责对其他硬件组件的中断请求进行管理和控制，一般采用向量中断（VIC）或嵌套向量中断（NVIC）方式管理中断。
• 处理中断有两种形式，分别为标准的中断控制器和向量中断控制器（VIC）
  • 标准中断控制器在一个外设设备需要服务时，发送一个中断请求信号给处理器核。
  • 中断处理程序通过读取中断控制器中与各设备对应表示中断请求的寄存器内容，从而判断哪个设备需要服务。
• VIC比标准中断控制器的功能更为强大些，它区分中断的优先级，简化了判断中断源的过程，只有当一个新的中断其优先级高于当前正在执行的中断处理优先级时，VIC才向内核提出中断请求
• NVIC比VIC更进一步，可以进行中断的嵌套，即高优先级的中断可以进入低优先级中断的处理过程中。待高优先级中断处理完成才去继续执行低优先级中断。也有人称之为抢占式优先级中断。Cortex-M系列就支持嵌套的向量中断

3、DMA控制器

• ARM处理芯片内部的DMA控制器（即直接存储器访问控制器）是一种硬件组件，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
• 数据传输过程中不需要CPU参与，因此可降低处理器的负荷。通过将CPU设为低功率状态并DMA使用控制器传输数据，降低了系统的功耗
• 当ARM与串行通信端口、USB接口、CAN接口、以太网接口等通道进行交流时， 它们既可以由ARM内核控制其数据传输， 也可以通过DMA控制器控制数据传输

4、电源管理与时钟控制器

• ARM处理芯片内部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、深度休眠模式等以控制不同组件的功耗。
• 时钟信号是ARM芯片定时的关键，时钟控制器负责对时钟的分配，产生不同频率的定时时钟供片内各组件作为同步时钟使用。
  • 例如，有供快速通道的存储器时钟、供DMA控制器及中断控制器的时钟，也有经过桥接器之后经若 干分频得到的慢速时钟供APB总线上的各个不同接口作为同步信号。

5、GPIO

• GPIO（General Purpose Input Output）即通用输入/输出端口。作为输入时具有缓冲功能，而作为输出时则具有锁存功能，GPIO也可以作为双向I/O使用。
• 在ARM处理芯片中，GPIO引脚通常是多功能使用的，目的是为了减少芯片引脚数，缩小PCB面积，以减少功耗。有的引脚是双功能的，也有三功能甚至四功能的引脚，不同厂家的ARM处理芯片其具体引脚的定义不同。

6、定时计数组件

ARM处理芯片内部的计数组件

• WDT（看门狗定时器）
  • WDT是能使系统定时复位的硬件或软件
  • 看门狗的主要功能是当处理器在进入错误状态后的一定时间内复位，保证系统的稳定运行
• Timer通用定时器
  • Timer是通用定时器，可用于一般的定时
• RTC
  • RTC可提供年月日时分秒，使应用系统具有自己独立的日期和时间
• PWM（脉冲宽度调制器）
  • PWM用于脉冲宽度的调制，比如电机控制、用于变频调整等多种场合
• 以上所有与定时有关的组件的一个共同特点就是，对特定输入的时钟通过分频后接入计数器进行加1或减 1计数，计数达到预定的数值后将引发一个中断并置一定的标志位。

7、模拟通道组件

ARM处理芯片内部的模拟组件

• ADC
  • ADC是模拟到数字的转换器，可完成从模拟信号到数字信号的变换。对于嵌入式系统而言它是一个模拟输入的组件。ARM芯片内部只有一个变换单元，分辨率一般为10位和12位居多。
• DAC
  • DAC是数字到模拟的变换器，可完成从数字信号到模拟信号的变换。对于嵌入式系统而言它是一个模拟输出组件。一般内置DAC有10位