自學嵌入式看誰的視頻教程_嵌入式c語言要學二叉樹么_了解硬件體系 開發(fā)嵌入式Linux

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與單純的硬件開發(fā)或軟件開發(fā)有所不同，嵌入式Linux系統(tǒng)在研發(fā)過程中通常都要涉及到硬件和軟件兩個環(huán)節(jié)。許多計算機軟件開發(fā)人員在轉向嵌入式系統(tǒng)Linux開發(fā)的過程中顯得力不從心，一個原因就在于缺乏對嵌入式系統(tǒng)的硬件體系結構的了解，而偏偏嵌入式系統(tǒng)開發(fā)又對硬件的要求非常高。

從本質上說，嵌入式Linux系統(tǒng)也屬于計算機系統(tǒng)的范疇，因此不可避免地要由三大基本部分組成：中央處理器（CPU）、存儲設備和I/O設備。此外，它還需要負責在三大部分之間進行通信的設備。本文從這幾個方面入手介紹嵌入式Linux系統(tǒng)的硬件體系結構。

中央處理器

嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類型的嵌入式中央處理器。根據所用指令集的不同，嵌入式中央處理器可以分成兩種主要的體系結構，一種是復雜指令集（Complex Instruction Set Computer，CISC）系統(tǒng)，另一種則是精簡指令集（Reduced Instruction Set Computer，RISC）系統(tǒng)。

在20世紀60年代，CISC結構曾是嵌入式中央處理器的設計主流。但是隨著時間的推移，這種設計思想已經越來越難以滿足實際應用的需要。于是有人開始提出了一種全新的處理器體系結構——RISC。目前使用的嵌入式中央處理器大多采用RISC結構。

現在幾乎所有的半導體制造商都有能力生產嵌入式中央處理器，根據所用技術的不同，可以將嵌入式中央處理器分成如下四種類型：

嵌入式微處理器（Embedded Micro Processor Unit，EMPU）

嵌入式微控制器（Embedded Micro-controller Unit，EMU）

嵌入式DSP處理器（Embedded Digital Signal Processor，EDSP）

嵌入式片上系統(tǒng)（Embedded System on Chip，ESoC）

微處理器

現在的通用計算機都是以微處理器為中心。從嚴格意義上說，“微處器”指的是芯片內部只包括CPU本身，而不包括存儲器和I/O接口等其它功能模塊，采用的是馮·諾依曼體系結構。在一些高端的嵌入式應用中，通過將微處理器裝配在專門設計的電路板上，并配以必要的外圍接口電路和擴展電路，可以快速構造出一個實用的嵌入式系統(tǒng)。

為了滿足嵌入式應用的特殊要求，嵌入式微處理器雖然在功能上與通用微處理器基本相同，但在工作電壓、工作溫度、抗干擾性和可靠性等方面都做了增強。一般說來，采用微處理器來構建嵌入式系統(tǒng)具有良好的實時性能、支持多任務處理、便于存儲區(qū)保護、提供處理器擴展、豐富的調試功能和完善的電源管理等優(yōu)勢。

微控制器

微處理器芯片中不包括I/O接口電路，也沒有其它外圍功能模塊，功能相對單一。因此，嵌入式系統(tǒng)的設計人員和硬件廠商開始傾向于開發(fā)另一種類型的嵌入式處理器。這種處理器不用像通用處理器那樣具有強大而齊全的功能，但要力求做到小巧，而且省電。這就是嵌入式微控制器，通常也稱之為單片機。

微控制器通常以某個微處理器內核為基礎，芯片內部集成ROM、RAM、FLASH、總線邏輯和I/O端口等各種必要的功能模塊，以適應特定場合的需要。與微處理器相比，微控制器最大的優(yōu)點就是集成化，使體積、功耗和成本得到了有效的控制，并且可靠性大大提高。微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)的主流產品，在構建嵌入式系統(tǒng)時，能節(jié)省系統(tǒng)開支、降低出錯概率和減少高頻干擾。

在開發(fā)嵌入式系統(tǒng)時，經常會遇到結構簡單且數量眾多的外圍設備。這些設備有的需要CPU為之提供控制手段，有的則需要被CPU當作輸入信號，雖然功能各不相同，但通常都只需要表示開和關兩個基本狀態(tài)就足夠了。因為無論是傳統(tǒng)的串口還是并口，對這些設備的處理都顯得力不從心，所以在微控制器芯片上大多會提供一個通用可編程I/O接口（GPIO），這是微控制器有別于微處理器的一個顯著特征。

DSP處理器

數字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）是專門為數字信號處理而設計的處理器。它現在已經被廣泛地應用在各種消費電子類產品當中，比如手機就運用了DSP技術對數字語音信號進行編碼和譯碼。DSP處理器通常是針對特定應用而開發(fā)的，其優(yōu)點是能夠在短時間內對特定的數字信號進行大量的處理，具有很強的實時運行功能。PC機上使用的通用處理器（如Intel的80x86）在工作時，大約有百分之九十的時間都是在進行加法運算，乘法運算所占的比重相對較少。因此，通用處理器一般不會在提高乘法運算能力上下很大功夫，而DSP處理器的出現正好彌補了這一缺陷。

為了加快數字信號的處理速度，DSP處理器在設計時加入了許多特殊結構，以增強它的并行處理能力。通用處理器在設計時遵循的是便宜和簡單的原則，一般面向普通用戶。因而它采用的是馮·諾依曼體系結構，指令和數據處于同一地址空間。當處理器要執(zhí)行某條指令時，必須先將指令從內存中讀出來進行譯碼，然后再將運算數據從內存中取出來，之后才能執(zhí)行真正的運算，耗費在運算之外的時間非常多。DSP處理器則擁有一種稱為哈佛的總線結構。這種結構使用不同的指令和運算數據總線，可以同時從內存中讀出指令和數據進行運算，從而減少了運算所耗費的時間。

嵌入式DSP處理器對系統(tǒng)結構和指令都進行了特殊設計，使其能夠在資源受限的情況下執(zhí)行某種DSP算法。由于編譯效率和指令執(zhí)行速度都很高，因此，像數字濾波、快速傅立葉變換和離散余弦變換等DSP算法正在被大量引入到嵌入式領域中來。目前，DSP處理器主要應用在嵌入式系統(tǒng)的智能化領域，如生物信息識別終端、實時語音處理和虛擬現實等。這類智能化算法一般運算量較大，特別是乘法運算和向量運算非常多，而這恰好是DSP處理器的優(yōu)勢所在。

SoC

隨著EDI的推廣和VLSI設計的普及，出現了片上系統(tǒng)（System on Chip，SoC）。SoC顧名思義指的是集成在CPU芯片上的部件比較多，足以獨立構成一個系統(tǒng)。實際上它與微控制器的區(qū)別并不十分嚴格，因此有時會將同一塊芯片既稱為微控制器，又稱為SoC。

在嵌入式系統(tǒng)中使用SoC處理器具有如下一些顯著的優(yōu)點：

降低內部工作電壓，減少芯片功耗;

減少芯片引腳數目，簡化制造過程;

簡化外圍驅動單元，優(yōu)化處理速度;

優(yōu)化內部電路結構，降低系統(tǒng)噪聲。

存儲設備

存儲設備的主要作用是保存操作系統(tǒng)和應用程序的映像，以及系統(tǒng)在運行時所需的數據。在嵌入式系統(tǒng)中使用的存儲設備可以分為內部存儲器和外部存儲器兩類。內部存儲器和處理器處于同一塊芯片上，CPU不必通過I/O電路就可以直接訪問它們，處理速度非�？�，但造價也異常昂貴。外部存儲器是用來存儲程序或數據的獨立設備，訪問時需要花費比內部存儲器更多的時間，并且需要在處理器周圍搭建額外的尋址電路。

無論存儲器位于處理器的內部還是外部，都可以進一步劃分成如下幾種類型：

隨機存取存儲器（Random Access Memory，RAM）;

只讀存儲器（Read Only Memory，ROM）;

混合存儲器（Hybrid Memory）。

RAM

RAM是一種可以被隨機訪問的存儲設備。RAM有時也被稱為讀寫存儲器，這是因為對這種存儲設備可以同時執(zhí)行讀操作和寫操作。根據工作原理的不同，RAM可以分為兩種類型，動態(tài)RAM（DRAM，Dynamic RAM）和靜態(tài)RAM（SRAM，Static RAM）。

RAM既可以位于處理器內部，也可以位于處理器外部。它與處理器的連線一般包括地址總線、數據總線、片選信號和讀/寫控制信號等。通用計算機一般采用DRAM，而嵌入式系統(tǒng)則多少會采用一些SRAM，或者完全采用SRAM。

ROM

嵌入式系統(tǒng)一般都不采用磁盤，其操作系統(tǒng)和應用程序的映像，以及系統(tǒng)運行時所需的數據，都必須保存在某種斷電以后數據不會丟失的存儲設備中，即通常所說的不揮發(fā)存儲器。與通用計算機相比，嵌入式系統(tǒng)往往配備更多的不揮發(fā)存儲器。現在基于半導體技術的不揮發(fā)存儲器大多是只讀的或接近只讀的，一般泛稱為ROM，常見的有掩膜式ROM、可編程ROM和可擦除ROM。

ROM的特點是即使關閉電源，其中的內容仍然能夠保存不變。因此，它通常被嵌入式系統(tǒng)用來保存系統(tǒng)所需的程序代碼和所有永久性數據。

混合存儲器

在嵌入式系統(tǒng)中使用的混合存儲器主要有以下幾類：

EEPROM　與EPROM類似，不同點在于它是通過電信號進行擦除的。

Flash　也稱為閃存，其本質上是一種EEPROM，但能夠在正常的工作電壓和電流下進行擦除和寫入操作。因此，它可以在目標系統(tǒng)中在線地改變其內容

NVRAM　也稱為非易失性RAM，可以看成是帶有后備電池的SRAM，即使電源關閉后它的內容也可以保持不變。

在現有的技術條件下，閃存對嵌入式系統(tǒng)來講是理想的、不揮發(fā)存儲器。

I/O設備

一般來說，嵌入式系統(tǒng)配備的顯示設備大多是尺寸較小的LCD，按工作原理不同可以分為TFT和DSTN兩種。

TFT　由薄膜晶體管（Thin Film Transistor）陳列構成，優(yōu)點是亮度大、色彩鮮艷、可視角度大;缺點是價格高、耗電大，并且容易發(fā)生因個別晶體管損壞而在圖像上形成斑點的現象。

DSTN　利用液晶在不同電場下能夠呈現不同的光學特性，在顯示屏上用水平和垂直放置的導線做成網格，并加以電信號進行掃描，就可以依次在每個交點上形成并保持一定的電場，從而使該點上的液晶在反射或透射光線時能夠顯示出不同的顏色。

目前，在嵌入式系統(tǒng)中廣泛使用的LCD有主動式和被動式的區(qū)別。被動式LCD顯示器的電壓控制部件設計在顯示面板的四周，反應時間長且光線輸出量少，因而可視角度比較小，顯示動態(tài)圖像時的效果比較差，并且容易產生殘影現象。主動式LCD顯示器則通過在每個液晶單元內放置電壓控制單元，在縮短反應時間的同時增加了光線的輸出量，從而可以提供較好的動態(tài)顯示效果。由于主動式LCD顯示器的成本較高，因此目前只在一些高端的嵌入式設備中采用，如PDA和信息家電等。一般的嵌入式系統(tǒng)基于成本和實用性方面的考慮，大多采用被動式LCD顯示器，如普通的移動電話等。

配備了LCD顯示器的嵌入式設備往往還同時配有透明的觸摸屏，通常觸摸屏與液晶顯示器是疊放在一起的。這樣用戶可以用觸筆或手指在屏幕上定位，從而取代鼠標的作用，或者直接進行手寫輸入，以取代鍵盤的作用。

通信設備

Firewire

IEEE 1394也稱為Firewire，其傳輸帶寬可以達到400Mb/s，最適合進行多媒體數據的傳輸，可以運用在多媒體實時播放、剪輯或者傳輸的場合。在需要進行快速且大量數據傳輸的嵌入式設備中，IEEE 1394是一個經常被用到的數據傳輸接口。

IEEE 1394在進行多媒體數據傳輸時的體系結構最上層為應用層（Application），以下依次為傳輸層（Transaction）、鏈路層（Link）和物理層（Physical）。多媒體數據在由應用層傳送到鏈路層后，將遵循IEEE 1394標準進行封包，然后再經由鏈路層和物理層把數據傳送出去。數據接收的另一端會接收打包數據，再經過拆包將數據還原成原來的多媒體數據。

USB

USB接口原本是用于PC機的一種輸入/輸出接口，具有熱插拔特性。當擁有USB接口的外圍設備在與PC機連接時，操作系統(tǒng)會自動偵測到這一設備，并且能夠在不重新啟動計算機的前提下完成軟硬件的配置。

因為USB 1.1規(guī)范中定義的數據傳輸速度可以高達12Mbps，所以使用USB接口的PDA在與PC進行數據同步時的速度要比使用RS-232高出許多。而最新的USB 2.0規(guī)范中，數據傳輸的最高速度可以達到480Mbps，用于進行大量且高速的數據傳輸。

藍牙

藍牙（Bluetooth）是一個用于無線通信的標準協(xié)議。它可以給嵌入式系統(tǒng)提供無線數據傳輸功能，其通信頻率處于2.4GHz以內，即使在無線噪聲很強的環(huán)境下仍然能夠保持很高的準確性。用于無線通信的藍牙模塊主要由三個部分組成，無線傳輸收發(fā)單元、基帶處理單元和數據傳輸接口。

當無線信號由藍牙的無線傳輸收發(fā)單元接收到之后，會被送到基帶處理單元進行信號處理。處理后的數字信號再通過數據傳輸接口，傳送到嵌入式系統(tǒng)的處理器之中作進一步的處理。

紅外線

嵌入式系統(tǒng)中的紅外收發(fā)模塊主要由三個部分組成：紅外線發(fā)光二極管、硅管光檢測器和控制電路。紅外線發(fā)光二級管是用于發(fā)射紅外線的裝置。它能夠發(fā)射波長在0.85微米到0.90微米之間的紅外光波。硅管光檢測器是用于接收紅外線的裝置。由它接收到的信號將被傳到控制電路當中，然后再送給嵌入式系統(tǒng)的處理器作進一步的處理。

紅外線收發(fā)模塊也有相應的標準。最早出現的是1994年的IrDA1.0，采用波長在0.85微米到0.90微米的紅外線進行傳輸，傳輸速度為115.2Kbps，距離大約在1米左右，接收角度在30度之內。而在1999年提出的VFIR標準中，傳輸速度已經可以高達16Mbps，有效距離為8米。

802.11

802.11是IEEE在1997年提出的一個無線網絡通信標準，其目的是使各個廠商的無線網絡設備可以互相兼容，從而提供一個穩(wěn)定的無線傳輸環(huán)境。到了1999年，IEEE又先后提出了IEEE 802.11a和IEEE 802.11b兩個無線傳輸協(xié)議，其中802.11a使用5.8GHz的頻帶進行無線傳輸，而802.11b則使用2.4GHz的頻帶進行無線傳輸�；�于802.11b協(xié)議的無線網絡的最高速度是11Mbps，比常用的以太網稍微快一點，現在已經有許多嵌入式系統(tǒng)開始使用基于802.11b協(xié)議的設備，開發(fā)基于無線網絡的各種應用。最新的協(xié)議是802.11g。

本文討論了嵌入式Linux系統(tǒng)的硬件體系結構，從中央處理器、存儲設備、I/O設備和通信設備幾個方面分別介紹了目前在嵌入式開發(fā)中經常遇到的硬件設備。了解這些基本的硬件知識對今后深入進行嵌入式Linux系統(tǒng)的開發(fā)將會很有幫助。（T111）