第4章：嵌入式系統(tǒng)硬件設計

嵌入式系統(tǒng)導論之第四章

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張惠娟mszhj@嵌入式系統(tǒng)硬件設計2課程內(nèi)容

系統(tǒng)概述（第1章）

硬件平臺（第2、3、4、5章）軟件技術(shù)（第、7、8、6、9章）應用技術(shù)（第10、11、12、13、14章）

調(diào)試技術(shù)（第15章）

3課程大綱嵌入式系統(tǒng)設計嵌入式體系結(jié)構(gòu)嵌入式存儲體系嵌入式系統(tǒng)IO體系需解決的主要問題

需要用什么樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)？如何滿足時限要求？如何保證系統(tǒng)可靠地工作？如何滿足系統(tǒng)接口要求，嵌入式應用直接和系統(tǒng)接口

輸入輸出信息？如何降低系統(tǒng)的功耗？如何使系統(tǒng)可升級？

硬件單片機,X86,PowerPC,ARM,MIPS,……板級支持程序嵌入式操作系統(tǒng)應用軟件監(jiān)控程序嵌入式系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)6系統(tǒng)組成問題：功能、性能要求價格、開發(fā)周期等約束設計：選擇折衷分析比較計算評價嵌入式系統(tǒng)設計思路方法工具設計流程(1/2)需求設計說明體系結(jié)構(gòu)構(gòu)件設計系統(tǒng)集成自頂向下設計自底向上設計10設計流程(2/2)例：GPS移動地圖的需求

12課程大綱嵌入式系統(tǒng)設計嵌入式體系結(jié)構(gòu)嵌入式存儲體系嵌入式系統(tǒng)IO體系設計內(nèi)容設計目標

系統(tǒng)如何實現(xiàn)設計說明書描述的功能設計內(nèi)容系統(tǒng)需求分析軟件硬件劃分軟硬件整體結(jié)構(gòu)的設計標準構(gòu)件和自行設計構(gòu)件的確定軟硬件劃分（1/2）通常由軟件實現(xiàn)的部分為：操作系統(tǒng)功能協(xié)議棧TCP／IP應用軟件框架除基本系統(tǒng)、物理接口、基本邏輯電路，許多由硬件實現(xiàn)的功能都可以由軟件實現(xiàn)。

軟硬件均可實現(xiàn)部分算法加密／解密編碼／解碼壓縮／解壓……數(shù)學運算浮點運算，F(xiàn)FT，…………軟硬件劃分（2/2）

軟硬件整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)構(gòu)件（1/5）

系統(tǒng)構(gòu)件包括硬件構(gòu)件和軟件構(gòu)件，構(gòu)件本身可是層次性的，可以由子構(gòu)件組成；標準構(gòu)件＋自行設計構(gòu)件＝用戶系統(tǒng)構(gòu)件的實現(xiàn)選擇標準自行設計標準構(gòu)件已經(jīng)產(chǎn)品化形成規(guī)模生產(chǎn)

標準硬構(gòu)件IC：集成電路IP：IntellectualPropertyPCB：印刷電路板系統(tǒng)構(gòu)件（2/5）標準IPCPU核，……

標準模塊GPRS模塊,GSM模塊,藍牙模塊,……顯示模塊，……標準計算平臺基于PC104的嵌入式計算機基于CompactPCI的嵌入式計算機SOC,……標準ICCPU,DSP,……RAM,ROM,接口控制器，……ASIC,……

標準軟構(gòu)件OS/RTOS協(xié)議棧圖形開發(fā)包驅(qū)動程序系統(tǒng)構(gòu)件（3/5）TCP/IP路由協(xié)議H.323……VxWorks自研硬件部分邏輯電路，專用加速器，……實現(xiàn)方式PCB：IC：PLD、FPGAASIC,……EDA設計工具系統(tǒng)構(gòu)件（4/5）IC硬件描述語言:VHDL,Verilog原理圖描述工具綜合仿真工具布線器,……板級：原理圖設計工具PCB設計工具自研軟構(gòu)件BSP驅(qū)動程序應用程序……系統(tǒng)構(gòu)件（5/5）

軟硬件技術(shù)對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響硬軟件設計的趨勢——融合、滲透硬件設計的軟件化VHDL,VerilogHANDL-C軟件實現(xiàn)的硬件化各種算法的ASIC對系統(tǒng)設計的影響——協(xié)同設計

23課程大綱

嵌入式系統(tǒng)設計嵌入式體系結(jié)構(gòu)嵌入式存儲體系嵌入式系統(tǒng)IO體系24性能指數(shù)（回顧）

容量速度訪問時間Ta：從存儲器接到讀請求到所讀的字傳送到數(shù)據(jù)總線上的時間間隔;存儲周期Tm：連續(xù)兩次訪問存儲器之間所必需的最小時間間隔。一般Tm>Ta;

存儲帶寬Bm：存儲器被連續(xù)訪問時所提供的數(shù)據(jù)傳輸速流，單位是位(字節(jié)）/秒

價格通常用單位字節(jié)價格來表示，若總?cè)萘繛镾的存儲器的總價格為C，

則單位字節(jié)價格c＝C/S.25設計目標高速度大容量低價格

實現(xiàn)依據(jù)高速、大容量、低價的存儲器件出現(xiàn)程序時間和空間上的局部性工作原理存儲器類型

ROM（ReadonlyMemory）只讀存儲器PROM（programmableROM）可編程只讀存儲器EPROM（ErasableProgrammable）電可擦可編程只讀存儲器

FLASHMemory：閃存是EEPROM的變種RAM（RandomaccessMemory）隨機存取存儲器SRAM（StaticRAM）:靜態(tài)隨機存儲器DRAM（Dynamic

RAM）動態(tài)隨機存儲器SDRAM（SynchronizationDynamic

RAM）同步動態(tài)隨機存儲器

DDRSDAM(DoubleDataRateSDRAM)，雙倍速率同步動態(tài)隨機存儲器存儲層次體系（1/2）(a)兩級存儲器層次結(jié)構(gòu)

(b)三級存儲器層次結(jié)構(gòu)存儲層次體系（2/2）Cache高速緩存位置CPU和主存之間目的是提高存儲器的平均訪問速度，使存儲器速度與CPU速度相匹配。實現(xiàn)一般通過SRAM芯片實現(xiàn)，SRAM特點：優(yōu)點：速度快，不必配合內(nèi)存刷新電路，可提高整體的工作效率。缺點：集成度低，功耗較大，相同容量體積較大，價格較高基于SRAM的CacheCPU與主存之間的高速緩存；CPU內(nèi)部的L1／L2或外部的L2高速緩存；CPU外部擴充用的COAST高速緩存；CMOS146818芯片（RT＆CMOSSRAM）；

30主存主存大都采用DRAM芯片實現(xiàn)，常常使用DDRRAM（嵌入式系統(tǒng)的主存一般比較小，在有些嵌入式系統(tǒng)中也有用Flash存儲器作為主存使用的情況。31閃存(FLASH)（1/6）

Flash的每一個記憶胞都具有一個“控制閘”與“浮動閘”，利用高電場改變浮動閘臨限電壓即可進行編程動作。閃存是EEPROM變種，EEPROM是在字節(jié)水平上進行刪除和重寫；閃存是整個芯片擦寫具有SRAM讀寫的靈活性和較快的訪問速度，又具有ROM在斷電后可不丟失信息的特點

產(chǎn)品類型SM卡、CF卡、MMC卡、SD卡、MemoryStick（記憶棒）、和SSD等。

32閃存(FLASH)（2/6）

全球閃速存儲器的技術(shù)主要掌握在AMD、ATMEL、Fujistu、Hitachi、Hyundai、Intel、Micron、Mitsubishi、Samsung、SHARP、TOSHIBA，由于各自技術(shù)架構(gòu)的不同，分為幾大陣營。

NOR技術(shù)NAND技術(shù)AND技術(shù)由EEPROM派生的閃速存儲器

33基于NOR技術(shù)閃速存儲器Intel于1988年首先開發(fā)出NORflash技術(shù)，徹底改變了原先由EPROM和EEPROM一統(tǒng)天下的局面。

特點：以字節(jié)為單位讀寫與編程，可靠性高、隨機讀取速度快；擦除和編程速度較慢，而塊尺寸又較大；應用：在擦除和編程操作較少而直接執(zhí)行代碼的場合，尤其是純代碼存儲的應用中廣泛使用，如PC的BIOS固件、移動電話、硬盤驅(qū)動器的控制存儲器等。在純數(shù)據(jù)存儲和文件存儲應用中，力不從心。閃速存儲器(FLASH)（3/6）

34基于NAND技術(shù)閃速存儲器1989年，東芝公司發(fā)表了NANDflash；

Samsung、Toshiba和Fujitsu支持NAND技術(shù)Flash

Memory。特點：以頁為單位進行讀和編程操作，具有快編程和快擦除的功能，其塊擦除時間是2ms；而NOR技術(shù)的塊擦除時間達到幾百ms。芯片尺寸小，引腳少，是位成本最低的固態(tài)存儲器。應用：

適合于純數(shù)據(jù)存儲和文件存儲，主要作為SmartMedia卡、CompactFlash卡、PCMCIA

ATA卡、固態(tài)盤的存儲介質(zhì)，并正成為閃速磁盤技術(shù)的核心。閃速存儲器(FLASH)（4/6）

35基于AND技術(shù)的閃速存儲器

是Hitachi公司的專利技術(shù)，Hitachi和Mitsubishi共同支持AND技術(shù)的Flash

Memory。芯片尺寸更小、存儲容量更大、功耗更低AND技術(shù)與NAND一樣，在數(shù)據(jù)和文檔存儲領域中是另一種占重要地位的閃速存儲技術(shù)。用于智能電話、個人數(shù)字助理、掌上電腦、數(shù)字相機、便攜式攝像機、便攜式音樂播放機等。

閃速存儲器(FLASH)（5/6）

36EEPROM派生的閃速存儲器部分制造商生產(chǎn)出另一類以EEPROM做閃速存儲陣列的FlashMemory，如ATMEL的海量存儲器（Data-FlashMemory）。具有EEPROM與NOR技術(shù)二者折衷的性能特點：讀寫靈活性遜于EEPROM，不能直接改寫數(shù)據(jù)；與EEPROM比較，具有明顯的成本優(yōu)勢；存儲密度比EEPROM大，但比NOR技術(shù)FlashMemory小閃速存儲器(FLASH)（6/6）

固態(tài)硬盤SSD（SolidStateDisk）由控制單元和存儲單元（DRAM或FLASH芯片）兩部分組成，存儲單元負責存儲數(shù)據(jù)，控制單元負責讀取、寫入數(shù)據(jù)。分類基于閃存的SSD，即SSD。外觀可以被制作成多種模樣，例如：筆記本硬盤、微硬盤、存儲卡、優(yōu)盤等樣式。

基于DRAM的SSD：采用DRAM作為存儲介質(zhì)，目前應用范圍較窄。優(yōu)點：速度快耐用防震無噪音重量輕37

38課程大綱嵌入式系統(tǒng)設計嵌入式體系結(jié)構(gòu)嵌入式存儲體系嵌入式系統(tǒng)IO體系

總線結(jié)構(gòu)（1/2）總線結(jié)構(gòu)(2/2)41總線(1/7)總線的帶寬指的是一定時間內(nèi)總線上可傳送的數(shù)據(jù)量，即常說的每秒鐘傳送多少MB的最大穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸率。

總線的帶寬＝總線的工作頻率*總線的位寬/8

總線的位寬指的是總線能同時傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)，即常說的32位、64位等總線寬度的概念?？偩€的工作時鐘頻率是指以MHz為單位，工作頻率越高則總線工作速度越快，即總線帶寬越寬。42ISA總線(2/7)

ISA總線:(IndustryStandardArchitecture:工業(yè)標準體系結(jié)構(gòu)）是IBM公司為PC/AT電腦制定的總線標準，IBM公司于1981年推出的基于8位機PC/XT的總線;1984年推出IBM-PC/AT系統(tǒng)，ISA從8位擴充到16位，地址線從20條擴充到24條。1988年，康柏、惠普等9個廠商協(xié)同把ISA擴展到32位，即EISA（ExtendedISA，擴展ISA）總線。43PCI總線(3/7)1991年下半年，Intel公司首先提出了PCI的概念并聯(lián)合IBM、Compaq、AST、HP、DEC等100多家公司

成立了PCI集團，其英文全稱為：PeripheralComponentInterconnectSpecialInterestGroup(外圍部件互連專業(yè)組)，簡稱PCISIG。PCI有32位和64位兩種，32位PCI有124引腳，64位有188引腳，目前常用的是32位PCI。32位PCI的數(shù)據(jù)傳輸率為133MB／s，大大高于ISA。

SPI總線(4/7)

串行外圍設備接口SPI（serialperipheralinterface），Motorola公司推出的同步串行接口；主要應用在EEPROM，F(xiàn)LASH，實時時鐘，AD轉(zhuǎn)換器，還有數(shù)字信號處理器和數(shù)字信號解碼器之間。是一種同步串行外設接口，可使MCU與各種外圍設備以串行方式進行通信以交換信息。如，外圍設置FLASHRAM、網(wǎng)絡控制器、LCD顯示驅(qū)動器、A/D轉(zhuǎn)換器和MCU等.44

PC104總線(5/7)

PC104是專門為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線；1992年IEEE為PC和PC/AT總線制定一個精簡的IEEEP996標準（草稿），PC104作為基本文件被采納，叫做IEEEP996.1兼容PC嵌入式模塊標準PC104有兩個版本：8位和16位，分別與PC和PC/AT相對應。PC104PLUS是專為PCI總線設計的，可連接高速外接設備。45CAN(ControllerAreaNetwork)即控制器局域網(wǎng)，是屬于工業(yè)現(xiàn)場總線范疇。具有突出的可靠性、實時性和靈活性。在汽車領域上應用最廣泛,著名汽車制造廠商,如BENZ(奔馳)、BMW(寶馬)、PORSCHE(保時捷)、ROLLS-ROYCE(勞斯萊斯)和JAGUAR(美洲豹)等都采用了CAN總線實現(xiàn)汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)與各檢測和執(zhí)行機構(gòu)間的數(shù)據(jù)通信。CAN總線應用范圍目前已不再局限于汽車行業(yè)，而向自動控制、航空航天、航海、過程工業(yè)、機械工業(yè)、紡織機械、農(nóng)用機械、機器人、數(shù)控機床、醫(yī)療器械及傳感器等領域發(fā)展。CAN已形成國際標準,并已被公認為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。46CAN總線(6/7)

ARM的AMBA總線(7/7)

AMBA（AdvancedMicrocontrollerBusArchitecture）總線規(guī)范是ARM公司設計的一種用于高性能嵌入式系統(tǒng)的總線標準。AMBA總線是一個多總線系統(tǒng)。32位、64位、128位AHB（AdvancedHigh-performanceBus）如CPU、DMA、DSP之間的連接ASB（AdvancedSystemBus）用來作處理器與外設之間的互連APB（AdvancedPeripheralBus）為低速外部設備提供低功耗的簡易互連47接口（1/6）并行接口簡稱“并口”，是一種增強了的雙向并行傳輸接口；所謂“并行”，是指8位數(shù)據(jù)同時通過并行線進行傳送，數(shù)據(jù)傳送速度大大提高，但并行傳送的線路長度受到限制，因為長度增加，干擾就會增加，容易出錯。主要作為打印機端口，接口使用25針D形接頭；48串口：串行接口，也稱串行通信接口，按電氣標準及協(xié)議來分包括RS-232-C、RS-422、RS485、USB等。RS-232-C：也稱標準串口，全名：“數(shù)據(jù)終端設備（DTE）和數(shù)據(jù)通訊設備（DCE）之間串行二進制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標準”。1970年由美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計算機終端生產(chǎn)廠家共同制

定的用于串行通訊的標準。一般嵌入式系統(tǒng)提供標準的RS232C接口，最

高傳輸速率為20kb/s,最大傳輸線長為30米。

49接口（2/6）USB（UniversalSerialBus通用串行總線）接口USB是在1994年底由英特爾、康柏、IBM、Microsoft等多家公司聯(lián)合提出的。外部總線標準，用于規(guī)范電腦與外部設備的連接和通訊。支持設備的即插即用和熱插拔功能，可用于連接多達127種外設。。50接口（3/6）紅色－USB電源綠色－USB數(shù)據(jù)線白色－USB數(shù)據(jù)線黑色－地線

USB1.0：1996年，1.5Mb/sUSB2.0：2004年，60MB/s

USB3.0：2010年上市，十

倍于USB2.0速度。PC卡（即PCMCIA卡），全名為PC機內(nèi)存卡國際聯(lián)合會（PersonalComputerMemoryCardInternationalAssociation），被筆記本電腦廣泛用作存儲媒體。PCMCIA卡共分成四種規(guī)格，分別是TYPEⅠ、TYPEⅡ、TYPEⅢ及CardBus51接口（4/6）52

CF卡（CompactFlash）最初是一種用于便攜式電子設備的數(shù)據(jù)存儲設備，于1994年首次由SanDisk公司生產(chǎn)并制定了相關(guān)規(guī)范。與出現(xiàn)更早且尺寸更大的PCMCIAI型內(nèi)存卡競爭的第一批閃存標準之一。最初是建立在英特爾的或非型閃存的基礎上，之后改為使用與

非型閃存，尤其適合專業(yè)相機市場。

CF接口已廣泛用于PDA、筆記本電腦、數(shù)碼相機和包括臺式機.接口（5/6）紅外線接口

是一種廉價、近距離、無連線、低功耗和保密性較強的通訊方案，在PC機中主要應用在無線數(shù)據(jù)傳輸方面，但目前已經(jīng)逐漸開始在無線網(wǎng)絡接入和近距離遙控家電方面得到應用。

鑒于紅外線通訊的諸多好處，現(xiàn)在的主板幾乎全部提供了紅外線接口，以便用戶利用它進行與帶紅外線接口的設備通訊，如筆記本電腦、打印機、Modem、掌上電腦、移動電話等等

53接口（6/6）輸入輸出設備（1/6）液晶顯示屏（liquidcrystaldisplay：LCD）用于顯示GUI（圖象用戶界面）環(huán)境下的文字和圖象數(shù)據(jù)，適用于低壓、微功耗電路;分類：從選型角度：段式（也稱8字）、字符型和圖形點陣;從色彩上：單色、灰度、彩色；按背光分：透射式、反射式、半反半透式。54

觸摸屏按原理分類：矢量壓力