第2章 嵌入式系统硬件设计基础

嵌入式系统及应用南京邮电大学自动化学院2

本章简介2.1嵌入式最小系统2.2嵌入式微处理器的基本特征及分类2.3典型的嵌入式微处理器2.4嵌入式微处理器的选型2.5嵌入式系统的存储系统2.6嵌入式系统的常用外设接口2.7习题与思考32.1嵌入式最小系统对于同一款嵌入式处理器可以构造成规模不等、复杂程序不同的系统对于同一款处理器而言，存在着一个最基本的系统最基本系统的条件： 以某个处理器为核心的嵌入式系统中，处理器可以运行程序4嵌入式最小系统的作用嵌入式最小系统的作用：构建嵌入式系统的第一步，保证嵌入式处理器可以运行实际嵌入式系统的基础逐步增加系统的功能，如：外围硬件扩展、软件及程序设计、操作系统移植、增加各种接口等，最终形成符合需求的完整系统5嵌入式最小系统的组成嵌入式系统最小系统组成部分：处理器内存时钟调试接口电源和复位6嵌入式最小系统的组成图2-1嵌入式最小系统7实际的嵌入式最小系统图2-2最小系统中的各部件嵌入式最小系统各部分的功能8（1）电源电路通常采用交流电源经变压器变压、稳压后，以某一固定的直流电压值（例如3V、5V等）给嵌入式系统统一供电，在嵌入式系统的电路板上进行变压、稳压后，根据各部分的不同需要供给不同的电压。一般情况下嵌入式芯片的微处理器核与芯片内其他外围接口电路所使用的电压不一定相同，且整个嵌入式系统其他部分芯片的电压也不尽相同。嵌入式最小系统各部分的功能9（2）时钟电路时钟电路可分为片外时钟和片内时钟两个部分。

片外时钟是供给嵌入式芯片的时钟电路，嵌入式芯片一般采用外接晶体振荡器的方式引入时钟源，芯片有两个或多个引脚用于外接晶振，而且一般在需要外接晶振和嵌入式芯片之间加上相应的电容和电阻，起到滤波稳定作用。

片内时钟是芯片上的时钟电路，将外接晶振引入的时钟经过处理后供给芯片上的处理器核和其他片上扩展控制器。不同芯片的时钟电路也不尽相同。嵌入式最小系统各部分的功能10（3）调试接口从处理器芯片引出的物理上的在线调试JTAG（JointTestActionGroup，联合测试工作组）接口。通过JTAG接口可以实现对程序代码的下载和调试。（4）复位电路

复位电路实现对系统的复位功能。嵌入式系统中一般是以按键形式输入相应的信号实现对芯片的复位，如在RESET引脚输入连续的脉冲，使芯片复位重新启动。不同芯片需要复位脉冲的个数和复位时间不同。嵌入式最小系统各部分的功能11（5）存储系统嵌入式系统的存储系统是由RAM和ROM组成的，它是整个嵌入式系统中很重要的部分。嵌入式系统的存储器可分为片内存储器和片外存储器。一般片内存储器较小，而片外存储器可以根据芯片和实际嵌入式系统设计的需要扩展。如果嵌入式系统运行程序所占有的存储空间相对较小，且芯片内部带有相应的RAM或ROM能够满足使用的要求，则可不外扩存储装置，而直接使用芯片内部存储器，但一般这样做不利于以后的扩展。嵌入式最小系统各部分的功能12（6）接口电路接口电路可能是一种接口电路，也可能是多种。构成嵌入式系统时，在芯片上如已有外围接口控制器，相应接口电路主要提供物理上的连接接口（如USB、Ethernet接口等），并根据需要实现电平信号转换。如果芯片上没有外围接口控制器，则相应接口电路的构成较为复杂，需要增加接口控制器，如USB接口的USBN9603/9604、Ethernet接口的CS9800A。此外，还要考虑的一个问题是如何同其他芯片通信，是通过输入/输出接口还是通过芯片上的其他接口控制器进行。132.2嵌入式微处理器的基本特征及分类2.2.1嵌入式微处理器的基本特征

2.2.2嵌入式微处理器的分类14

体积小、集成度高、价格较低可扩展的处理器结构功耗很低对实时多任务有很强的支持能力具有功能很强的存储区保护功能2.2.1嵌入式微处理器的基本特征15对全球嵌入式处理器的不完全统计：－－品种数量超过1000多种－－流行的体系结构达30余种2.2.2

嵌入式处理器的分类16嵌入式处理器分为四大类型：图2-3嵌入式处理器种类17MPU与通用计算机中的CPU不同之处将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其它的冗余功能部分嵌入式微处理器在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面相对通用计算机中的CPU都做了各种增强

MPU常见系列

X86、Am186/88、ARM、MIPS、PowerPC、68K等1.

嵌入式微处理器(Micro-ProcessorUnit,MPU)18MCU特点

单片化

每种具有多种衍生产品

MCU种类

通用系列

代表性的包括

8051、P51XA、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、MC68300等

半通用系列例如，支持USB接口、I2C、CAN等众多专用MCU和兼容系列2.嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit，MCU)

又称为单片机19DSP特点系统结构

采用Harvard（哈佛）结构和专用的硬件乘法器指令系统快速DSP指令（属RISC精简指令集）适合于对处理器运算速度要求较高、向量运算较多的应用领域3.嵌入式DSP处理器(DigitalSignalProcssor,DSP)20SOC设计制造各种通用处理器内核（包括IP核）将作为SOC设计公司的标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样，成为VLSI设计中一种标准器件，用标准的VHDL等语言描述，存储在器件库中

用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品4.嵌入式片上系统(SystemOnChip(SOC))212.3典型的嵌入式微处理器2.3.1单片机

2.3.2ARM

2.3.3MIPS

2.3.4PowerPC

2.3.5ColdFire221．单片机

单片机，全称为单片微型计算机（Single-ChipMicrocomputer），又称嵌入式微控制器，是把中央处理器、存储器、定时器/计数器、各种输入/输出接口等都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。与应用在个人计算机中的通用微处理器相比，它不用外接硬件，能够节约成本。它最大优点是体积小，可放在仪表内部；但是存储量小，输入/输出接口简单，功能较低。由于其发展非常迅速，旧的单片机的定义已不能满足，因此在很多应用场合被称为范围更广的微控制器。23成本低、可靠性高，但功能、性能和片上资源相对16位/32位/64位嵌入式微控制器也较简单主流单片机包括CPU、4KB容量的RAM、128KB容量的ROM、两个16位定时器/计数器、4个8位并行口、全双工串行口、ADC、DAC、SPI、I2C、ISP、IAP。系统结构简单，使用方便，能够实现模块化。单片机可靠性高，可工作到106

至107

小时无故障。处理功能强，速度快。低电压，低功耗，便于生产便携式产品。控制功能强。环境适应能力强。单片机特点

242．ARM

ASIC与IPASIC:专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit）

IP:知识产权(IntellectualProperty）或称为SIP（硅/半导体知识产权)—指芯片电路的制作方式或电路图等方面的知识产权。厂商向拥有技术的IPProvider直接购买IP

以缩短Time-to-Market。25ARM（AdvancedRISCMachines）公司英国公司

90年代初，ARM率先推出32位RISC微处理器芯片系统SoC知识产权公开授权概念

IPProvider：出售ARMRISC构架的微处理器核心、外围和系统芯片设计技术26小体积、低功耗、高性能而低成本。16/32位双指令集支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好地兼容8位/16位器件。大量使用寄存器，指令执行速度更快。大多数数据操作都在寄存器中完成。寻址方式灵活、简单，执行效率高。指令长度固定。可支持多种操作系统，如WindowsCE、Linux、VxWorks、Android等。ARM内核及ARM处理器的特点

27图2-4ARM全球合作伙伴28ARM微处理器系列ARM7ARM9ARM9EARM10EARM11SecurCoreIntel的StrongARM、Xscale

目前仍在不断发展293．MIPS

MIPS公司设计制造高性能、高档次及嵌入式32位和64位处理器的厂商在RISC处理器方面占有重要地位

1999年MIPS公司发布MIPS32和MIPS64架构标准，为未来MIPS处理器的开发奠定了基础

MIPS特点属于高性能、高处理能力的高端嵌入式处理器目前其成本价格和开发工具价格也很昂贵304．PowerPC

PowerPC架构的特点是可伸缩性好，方便灵活品种多，通用处理器&嵌入式控制器和内核例如

IBM公司的PowerPC405GPMotorolaMPC823e微处理器是一个高度综合的片上系统（SOC）设备

PowerPC应用范围非常广泛，从高端的工作站、服务器到桌面计算机系统，从消费类电子产品到大型通信设备315．68K/Coldfire

Motorola68000(68K)比Intel的8088还要早Coldfire是68K的低成本替代产品

68K/Coldfire主要应用于对实时性和可靠性要求较高的工业控制领域326．国产嵌入式处理器

方舟：(ARCA)2001年7月，中芯微系统公司研制出“方舟一号”

主要应用于网络计算机、宽带智能终端、交换机等，如神州数码、联想、美国慧智公司等的网络计算机

与国外其它指令集不兼容，不支持高级的OS

龙芯：(GODSON,小名狗剩)2002年9月28号，中科院计算所研制与MIPS有些渊源

332.4嵌入式微处理器的选型2.4.1嵌入式微处理器的技术指标

2.4.2嵌入式微处理器的选项原则342.4.1嵌入式微处理器的技术指标

主要包括以下10项技术指标：(1)功能嵌入式微处理器的功能主要取决于处理器所集成的存储器数量和外部设备接口的种类。集成的外部设备越多，功能越强大，设计硬件系统时需要扩展的器件就越少。所以选择嵌入式微处理器时尽量选择集成所需要的外部设备多的处理器，并且综合考虑成本因素。35(2)字长字长是指参与运算的基本数位，决定了寄存器、运算器和数据总线的位数，因而直接影响硬件的复杂程度。处理器的字长越长，它包含的信息量越多，能表示的数值有效数位也越多，计算精度就越高。(3)处理速度处理器执行不同的操作所需要的时间是不同的，因而业界对运算速度存在不同的计算方法认知。36(4)工作温度从工作温度方面考虑，嵌入式微处理器通常分为民用、工业用、军用、航天等几个温度级别。一般的民用温度范围是0℃～70℃，工业用的温度范围是-40℃～85℃，军用的温度范围是-55℃～125℃，航天的温度范围更宽。

(5)功耗嵌入式微处理器通常给出几个功耗指标，如工作功耗、待机功耗等。许多嵌入式微处理器还给出功耗与工作频率之间的关系，表示为mW/Hz或W/Hz。37(6)寻址能力嵌入式微处理器的寻址能力取决于处理器地址线的数量，且处理器的处理能力与寻址能力又有一定的关系。因此，处理能力强的处理器，其地址线的数量多；处理能力低的处理器，其地址线的数量少。

(7)平均故障间隔时间平均故障间隔时间（MeanTimeBetweenFailures，MTBF）是指在相当长的时间内，机器工作时间除以运行期间内的故障次数。它是一个统计值，用来表示嵌入式系统的可靠性等。MTBF值越大，表示可靠性越高。38(8)性能价格比性能价格比是一种用来衡量处理器产品的综合性指标。这里所讲的性能主要是指处理器的处理速度、主存储器的容量和存取周期、I/O设备配置情况、计算机的可靠性等；价格则指计算机系统的售价。性能价格比要用专门的公式计算。

(9)工艺工艺指标指是半导体和设计工艺两个方面。目前大多数的嵌入式微处理器采用MOS的工艺。另外，大多数的嵌入式微处理器是采用静态设计。39(10)电磁兼容性指标实际上，通常所说的电磁兼容性指标指的是系统级的电磁兼容性指标，取决于器件的选择、电路的设计、工艺、设备的外壳等。虽然如此，嵌入式微处理器本身也具有电磁兼容性特性。嵌入式微处理器本身的电磁兼容性指标主要由半导体制造商的工艺水平决定。402.4.2嵌入式微处理器的选型原则

主要包括以下4项选型原则：(1)根据具体应用领域选择MPU/MCU/DSP/SoC中的一种。例如：在高端数据处理应用领域，常选用嵌入式微处理器在实时控制领域，多选用嵌入式微控制器在数字图像处理、多媒体信息设备等领域，往往选用嵌入式DSP处理器或带有DSP内核的嵌入式片上系统

41(2)根据具体应用功能需求、性能指标、运行环境和成本预算等选择芯片的具体型号和配置参数(3)关注生产厂商是否提供相应内置硬件调试工具和评估板

ICE等调试工具有助于很大程度缩短调试周期、降低调试难度评估板用于验证自己的选型决策是否正确(4)对于32位及以上嵌入式处理器，关注是否有合适的嵌入式操作系统支持422.5嵌入式系统的存储系统2.5.1存储系统的层次结构

2.5.2存储管理单元2.5.3常见的嵌入式系统存储设备432.5.1

存储系统的层次结构计算机系统的存储器分为6个层次结构图2-5存储器系统层次结构44在这种存储器分层结构中，上面一层的存储器作为下一层存储器的高速缓存。CPU内部寄存器就cache的高速缓存，寄存器保存来自cache的字；cache又是内存层的高速缓存，从内存中提取数据送给CPU进行处理，并将CPU的处理结果返回到内存中；内存又是主存储器的高速缓存，它将经常用到的数据从Flash等主存储器中提取出来，放到内存中，从而加快了CPU的运行效率。嵌入式系统的主存储器容量是有限的，这时就需要用磁盘、光盘或CF卡、SD卡等外部存储器来保存大信息量的数据。452.5.2

存储管理单元存储管理单元(MemoryManageUnit，MMU)是一种具有存储器功能的计算机硬件单元，能在CPU中执行虚拟地址到物理地址的转换，将地址从逻辑空间映射到物理空间，这个转换过程一般称为内存映射。MMU主要完成以下工作。（1）虚拟存储空间到物理存储空间的映射。（2）存储器访问权限的控制。（3）设置虚拟存储空间的缓冲特性。462.5.3

常见的嵌入式系统存储设备1．RAM无论数据在内存中的物理位置如何，RAM都能在几乎相同的时间内读取或写入数据。2．ROMROM是一种非易失性存储器，即断电后数据不会丢失，但是存储数据的速度较慢，因此它主要用来存储无须经常更新的固件。3．FlashMemoryFlashMemory是一种非易失性存储器，可以进行电擦除和重新编程。其既可以读，也可以写，但是写的速度较慢，不适合存放动态数据。它主要用于存放设备固件和断电后仍需长期保存的数据。472.5.3

常见的嵌入式系统存储设备4．CompactFlash标准存储卡（CompactFlash，CF卡）是一种主要用于便携式电子设备的大容量闪存存储设备。5．SecureDigitalCard安全数据卡（SecureDigitalCard，SD卡）是由SD卡协会（SDA）开发的用于便携式设备的非易失性存储卡格式。6．硬盘存储器硬盘存储器具有存储容量大、使用寿命长、存取速度较快特点，它也是在嵌入式系统中常用的外部存储器。482.6嵌入式系统的常用外设接口2.6.1GPIO接口

2.6.2UART接口2.6.3SPI接口2.6.4I2C总线接口2.6.5USB接口2.6.6IEEE1394接口492.6.1GPIO接口通用型输入/输出（General-PurposeInput/Output，GPIO）接口，作为输入端口时，通过读入引脚的状态（高电平或低电平）；GPIO接口作为输出端口时，通过输出高电平或低电平来控制连接的外围设备。GPIO接口是嵌入式系统、单片机开发过程中最常用的接口，用户可以通过编程灵活地对接口进行控制，实现对电路板上LED灯、数码管、按键等常用设备控制驱动，也可以将其作为串口的数据收/发管脚或A/D的接口等复用功能使用。502.6.2UART接口通用异步收发器（UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter，UART）是一种通用串行数据总线，用于异步通信。该总线可以双向通信，实现全双工传输和接收。其优点是通信硬件电路简单；其缺点是通信速度慢、有效传输距离短。UART作为一种通用的数据通信协议，它包括了RS232、RS499、RS423等接口标准规范和总线标准规范，即UART是异步串行通信口的总称。而RS232、RS499、RS423等是对应各种异步串行通信口的接口标准和总线标准，它们规定了通信口的电气特性、传输速率、连接特性和接口的机械特性等内容。512.6.3SPI接口串行外设接口（SerialPeripheralInterface，SPI）是Motorola公司推出的一种同步串行接口技术。SPI总线在物理上是通过外围