第二章嵌入式系统硬件平台.ppt
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1、第第2 2章章 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台主要内容主要内容2.1 嵌入式系统软硬件框架结构嵌入式系统软硬件框架结构2.2 嵌入式处理器嵌入式处理器2.3 嵌入式系统存储器嵌入式系统存储器2.4 嵌入式系统常见外设接口嵌入式系统常见外设接口2.12.1 嵌入式系统的软硬件框架嵌入式系统的软硬件框架串口、并口、USB、以太网等LED、LCD、触摸屏、键盘等Linux、uCLinux、uC/OS-II等2.1.1典型嵌入式系统实例典型嵌入式系统实例-博创经典教学平台博创经典教学平台2.1.2 经典平台经典平台s3c2440核心板主要组成核心板主要组成S3C2440A ARM 处理器处理器6
2、4M SDRAM内存内存256M NAND FLASH 存储器存储器4M Nor Flash 存储器存储器2.1.3 经典平台外设硬件接口经典平台外设硬件接口l输出设备输出设备:LDC显示屏,发光二极管,数码管,VGA视频接口,直流电机l输入设备输入设备:键盘触摸屏l其他常见功能接口其他常见功能接口:USB接口,CF接口,SD接口,网口,串口网口,串口,蓝牙,红外l扩展接口:扩展接口:GPRS,GPS,FPAG,RFID,指纹识别模块等,指纹识别模块等2.1.4 嵌入式最小硬件系统嵌入式最小硬件系统nARMARM微处理器微处理器;n电源模块电源模块,包括,包括CPUCPU内核和内核和I/OI/
3、O接口接口电源电源;电源电源;n时钟模块时钟模块,包括系统主时钟和实时时,包括系统主时钟和实时时钟;钟;n复位模块复位模块,包括系统上电复位、手动,包括系统上电复位、手动复位和内部复位;复位和内部复位;n存储器模块存储器模块,包括程序保存存储器,包括程序保存存储器(FLASHFLASH)和程序运行存储器)和程序运行存储器(SDRAMSDRAM););nJTAGJTAG调试接口模块调试接口模块。2.2 嵌入式处理器及其分类嵌入式处理器及其分类2.2.1 2.2.1 嵌入式微处理器嵌入式微处理器(MPUMPU)特点)特点 嵌入式微处理器是由通用计算机中的嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU 演变
4、演变而来的。与计算机处理器不同的是,在实际嵌入式而来的。与计算机处理器不同的是,在实际嵌入式应用中,只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件,应用中,只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件,去除其他的冗余功能部分,这样就以最低的功耗和去除其他的冗余功能部分,这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。和通用计算机资源实现嵌入式应用的特殊要求。和通用计算机CPUCPU相比,嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本相比,嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。低、可靠性高的优点。2.2.2 嵌入式微处理器嵌入式微处理器目前主要的嵌入式处理器类型目前主要的嵌入式处理器类型uARMAR
5、MuMIPSMIPSuPower PCuX-86X-86uAm186/88 386EX uSC-400ARMARMARMARM微处理器简介微处理器简介微处理器简介微处理器简介 ARM(Advanced RISC Machine)的缩写)被的缩写)被称作进阶精简指令集机器,是一个称作进阶精简指令集机器,是一个32位精简指令位精简指令集(集(RISC处理器架构,其广泛地使用在许多嵌处理器架构,其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。由于低成本、高效能、低耗电的入式系统设计。由于低成本、高效能、低耗电的特新,特新,ARM处理器非常适用于移动通讯领域。处理器非常适用于移动通讯领域。ARM可以认为是一个公司的
6、名字,也可以认为是对可以认为是一个公司的名字,也可以认为是对一类微处理器的通称,还可以认为是一种技术的名字,一类微处理器的通称,还可以认为是一种技术的名字,全名是全名是Advanced RISC Machine。该公司。该公司1990年年11月成月成立于英国剑桥,主要出售芯片设计技术的授权,是苹果立于英国剑桥,主要出售芯片设计技术的授权,是苹果电脑,电脑,Acorn电脑集团和电脑集团和VLSI Technology的合资企业。的合资企业。Acorn曾推出世界上首个商用单芯片曾推出世界上首个商用单芯片RISC处理器,而苹处理器,而苹果电脑当时希望将果电脑当时希望将RISC技术应用于自身系统,技术
7、应用于自身系统,ARM微微处理器新标准因此应运而生。处理器新标准因此应运而生。80年代末年代末90年代初半导体行业产业链刚刚出现分年代初半导体行业产业链刚刚出现分工,台积电,联电等半导体代工厂正悄悄崛起,美工,台积电,联电等半导体代工厂正悄悄崛起,美国硅谷中的一些国硅谷中的一些Fabless公司也如雨后春笋一样涌现公司也如雨后春笋一样涌现出来,所谓的出来,所谓的Fabless公司自己设计芯片,但是生产公司自己设计芯片,但是生产过程则包给台积电等代工厂生产。而过程则包给台积电等代工厂生产。而ARM更是为天更是为天下先,下先,12年前首创了年前首创了Chipless的生产模式,即该公司的生产模式,
8、即该公司既不生产芯片,也不设计芯片,而是设计出高效的既不生产芯片,也不设计芯片,而是设计出高效的IP内核,授权给半导体公司使用,半导体公司在内核,授权给半导体公司使用,半导体公司在ARM技术的基础上添加自己的设计并推出芯片产品,技术的基础上添加自己的设计并推出芯片产品,最后由最后由OEM客户采用这些芯片来构建基于客户采用这些芯片来构建基于ARM技术技术的系统产品。的系统产品。ARM生产模式生产模式-Chipless:ARM公司的成功经验公司的成功经验 ARM的核心业务是销售芯片核心技术IP,目前全球有103家巨型IT公司在采用ARM技术。20家最大的半导体厂商中有19家是ARM的用户,包括德州
9、仪器,意法半导体,Philips,Intel等。唯一没有购买ARM授权的是Intel的老对头AMD,因为Intel便携式处理器采用的是StrongARM,而AMD则收购了Alchemy公司与之抗衡,采用的是MIPS结构。ARM授权生产商 典型的ARM核ARM7 系列系列ARM9 系列系列ARM9E系列系列ARM10 系列系列SecurCore 其中其中ARM7 是低功耗的是低功耗的32 位核,最适合应用于对价位核,最适合应用于对价位和功耗敏感的产品,它又分为应用于实时环境的位和功耗敏感的产品,它又分为应用于实时环境的ARM7TDMI、ARM7TDMI-S,以及适用于开放平台的,以及适用于开放平
10、台的ARM720T 和适用于和适用于DSP 运算及支持运算及支持Java 的的ARM7EJ 等。等。典型的ARM嵌入式微处理器芯片 基于基于ARM 处理器核的典型产品如下:处理器核的典型产品如下:Intel 公司的公司的StrongARM 的系列:的系列:SA-110、SA-1100、SA-1101、SA-1110、SA-1111;Cirrus Logic 公司的公司的ARM 系列:系列:EP7209、EP7211、EP7212、EP7312、EP9312、PS7500FE;SamSung 公司的公司的ARM 系列:系列:S3C44B0、S3C2400、3C4510Aplio 公司的公司的AR
11、M 系列系列:Aplio/TRIOLinkUp Systems 公司的公司的ARM 系列系列:L7200、L7205NETsilicon 公司的公司的ARM 系列:系列:NET+ARMTriscend Corporation ARM 的产品:的产品:A7典型的嵌入式微处理器-MIPSMIPS MIPS 是是Microprocessor without Interlocked Pipeline Microprocessor without Interlocked Pipeline StagesStages,MIPS MIPS 技术公司是一家设计制造高性能、高档次及嵌入技术公司是一家设计制造高性能
12、、高档次及嵌入式式3232位和位和64 64 位处理器的厂商。在位处理器的厂商。在RISC RISC 处理器方面占有重要地位处理器方面占有重要地位MIPS MIPS 公司设计公司设计RISC RISC 处理器始于处理器始于80 80 年代初,年代初,MIPS MIPS 公司的战略发公司的战略发生变化,把重点放在嵌入式系统。生变化,把重点放在嵌入式系统。1999 1999 年,年,MIPS MIPS 公司发布公司发布MIPS MIPS 32 32 和和MIPS 64 MIPS 64 架构标准,为未来架构标准,为未来MIPS MIPS 处理器的开发奠定了基础。处理器的开发奠定了基础。MIPS 公司
13、陆续开发了高性能、低功耗的公司陆续开发了高性能、低功耗的32 位处理器内核(位处理器内核(core)MIPS 32 4Kc 与高性能与高性能64 位处理器内核位处理器内核MIPS 64 5Kc 为了使用为了使用户更加方便地应用户更加方便地应用MIPS 处理器,处理器,MIPS 公司推出了一套集成的公司推出了一套集成的开发工具,称为开发工具,称为MIPS IDF(Integrated Development Framework),特别适合嵌入式系统的开发。),特别适合嵌入式系统的开发。典型的嵌入式微处理器-MIPS MIPS 的定位很广,在高端它有的定位很广,在高端它有64 位的位的20Kc 家
14、族,在低端市场家族,在低端市场有有SmartMIPS。如果您有一台机顶盒设备,那很可能就是基于。如果您有一台机顶盒设备,那很可能就是基于MIPS TM 的;如果您有一台视频游戏机,或许他就是基于的;如果您有一台视频游戏机,或许他就是基于MIPS 的;你的电子邮件或许就是通过基于的;你的电子邮件或许就是通过基于MIPS 芯片的芯片的Cisco 路由器来路由器来传递的;您的公司所使用的激光打印机也有可能使用着基于传递的;您的公司所使用的激光打印机也有可能使用着基于MIPS 的的64 位处理器。位处理器。典型的嵌入式微处理器-PowerPC PowerPC 架构的特点是可伸缩性好,方便灵活。架构的特
15、点是可伸缩性好,方便灵活。既有通用的处理器,又有嵌入式控制器和内核,应用既有通用的处理器,又有嵌入式控制器和内核,应用范围非常广泛,从高端的工作站、服务器到桌面计算范围非常广泛,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,无所不机系统,从消费类电子产品到大型通信设备,无所不包。包。典型的嵌入式微处理器-x86x86 系列处理器是我们最熟悉的了,它起源于系列处理器是我们最熟悉的了,它起源于intel 架构的架构的8080。486DX 是当时和是当时和AMR,68K,MIPS 和和SuperH 齐名的五大嵌入式处理齐名的五大嵌入式处理器之一,器之一,lGeode SP1
16、SC10 具有非妥协网络访问、具有非妥协网络访问、硬件硬件MPEG-2 音频和视频解码器、音频和视频解码器、TV 解码器、解码器、modem、10/100 以太网、各种固化通信和外设以太网、各种固化通信和外设接口。接口。芯片和处理器内核结构图实例芯片和处理器内核结构图实例S3C2440芯片结构图ARM920t内核结构图2.3 嵌入式系统存储系统嵌入式系统存储系统计算机系统的存储器被组织成一个6个层次的金字塔形的层次结构。如图2-2所示2.3.1 嵌入式系统存储系统结构图嵌入式系统存储系统结构图 存储器类型和功能S0层为CPU内部寄存器S1层为芯片内部的高速缓存(cache)S2层为芯片外的高速
17、缓存(SRAM、DRAM、DDRAM)S3层为主存储器(Flash、PROM、EPROM、EEPROM)S4层为外部存储器(磁盘、光盘、CF、SD卡)S5层为远程二级存储(分布式文件系统、Web服务器)2.3.2 嵌入式系统存储设备分类嵌入式系统存储设备分类1按在系统中的地位分类n 主存:在系统中,存储器可分为主存储器(Main Memory简称内存,内存是计算机主机的一个组成部分,一般都用快速存储器件来构成,内存的存取速度很快,但内存空间的大小受到地址总线位数的限制。内存通常用来容纳当前正在使用的或要经常使用的程序和数据,CPU可以直接对内存进行访问。n外存:又称辅助存储器(Auxiliar
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