嵌入式系統(tǒng)硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)

第2章

嵌入式系統(tǒng)硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)

第2章嵌入式系統(tǒng)硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)

2.1相關(guān)根底知識(shí)2.2嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)2.3ARM微處理器體系2.4微處理器結(jié)構(gòu)2.1相關(guān)根底知識(shí)嵌入式系統(tǒng)的組成處理器存儲(chǔ)器輸入輸出操作系統(tǒng)應(yīng)用程序軟件結(jié)構(gòu)硬件結(jié)構(gòu)1、微處理器中央微處理器，簡(jiǎn)稱CPU，它是計(jì)算機(jī)中最重要的一個(gè)局部，它決定嵌入式系統(tǒng)的主要功能特性。CPU又由運(yùn)算器和控制器兩大局部組成。2、存放器所謂存放器〔register〕，是CPU內(nèi)部用來(lái)存放數(shù)據(jù)的一些小型存儲(chǔ)區(qū)域，用于暫時(shí)存放參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)和運(yùn)算結(jié)果。存放器是一種時(shí)序邏輯電路，但這種時(shí)序邏輯電路只包含存儲(chǔ)電路。存放器的存儲(chǔ)電路是由鎖存器或觸發(fā)器構(gòu)成的，因?yàn)橐粋€(gè)鎖存器或觸發(fā)器能存儲(chǔ)1位二進(jìn)制數(shù)，所以由N個(gè)鎖存器或觸發(fā)器可以構(gòu)成N位存放器。存放器是CPU內(nèi)部的元件，存放器擁有非常高的讀寫(xiě)速度，所以在存放器之間的數(shù)據(jù)傳送非常快。外部設(shè)備也有存放器，是一種存儲(chǔ)單元，其物理結(jié)構(gòu)跟內(nèi)存單元不一樣，但作用跟內(nèi)存單元一樣，都能保存信息。在設(shè)計(jì)時(shí)，給外部設(shè)備的每個(gè)存放器都分配一個(gè)地址，CPU可以根據(jù)地址訪問(wèn)某個(gè)存放器，那么該存放器發(fā)生相應(yīng)的動(dòng)作：或接收數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)〔對(duì)應(yīng)于寫(xiě)操作〕，或把自己的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線上〔對(duì)應(yīng)于讀操作〕。當(dāng)CPU訪問(wèn)某個(gè)存放器時(shí)，同一個(gè)外設(shè)的其他存放器和其他外設(shè)的存放器由于沒(méi)有CPU的指令不會(huì)發(fā)生動(dòng)作。3、總線總線〔BUS〕是接口電路與CPU或者接口電路與I/O外部設(shè)備之間連接的主要形式，是各功能部件之間傳送信息的公共通路。采用一組公共的信號(hào)線作為嵌入式系統(tǒng)各部件之間的通信線，這組公共信號(hào)線就稱為總線。通信協(xié)議

通信協(xié)議是指通信雙方的一種約定。約定包括對(duì)數(shù)據(jù)格式、同步方式、傳送速度、傳送步驟等問(wèn)題做出統(tǒng)一規(guī)定，通信雙方必須共同遵守?！?〕總線時(shí)序協(xié)議〔2〕異步時(shí)序協(xié)議的握手協(xié)議〔3〕總線仲裁方式〔4〕總線標(biāo)準(zhǔn)〔1〕總線時(shí)序協(xié)議同步時(shí)序：總線上所有事件共用同一時(shí)鐘脈沖進(jìn)行操作過(guò)程的控制，所有事件都在時(shí)鐘周期的開(kāi)始發(fā)生。異步時(shí)序：操作由源或目的模塊發(fā)出的特定信號(hào)確定。雙方相互提供聯(lián)絡(luò)信號(hào)。

〔2〕異步時(shí)序協(xié)議的握手協(xié)議握手協(xié)議是總線異步時(shí)序的根本構(gòu)件。握手協(xié)議數(shù)據(jù)傳送過(guò)程的4個(gè)周期：4、I/O端口I/O端口又稱為I/O接口，它是微處理器對(duì)外控制和信息交換的必經(jīng)之路，是CPU與外部設(shè)備連接的橋梁，它在CPU與外部設(shè)備之間起信息轉(zhuǎn)換和匹配的作用。I/O端口有串行和并行之分，串行I/O端口一次只能傳送一位二進(jìn)制數(shù)信息，而并行I/O端口一次能傳送一組二進(jìn)制數(shù)信息。圖2.3

I/O接口電路的位置CPU對(duì)外設(shè)I/O端口物理地址的編址方式有兩種：一種是I/O映射方式〔I/O－mapped〕；另一種是內(nèi)存映射方式〔Memory－mapped〕。具體采用哪一種那么取決于CPU的體系結(jié)構(gòu)。5、中斷中斷方式是指，當(dāng)外部設(shè)備準(zhǔn)備與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，外部設(shè)備首先向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求，CPU接收到中斷請(qǐng)求并在一定條件下，暫時(shí)停止原來(lái)的程序并執(zhí)行中斷效勞處理程序，執(zhí)行完畢以后再返回原來(lái)的程序繼續(xù)執(zhí)行。圖2.4中斷處理的各個(gè)階段6、數(shù)據(jù)編碼設(shè)用微處理器控制一串彩燈〔發(fā)光二極管〕的亮滅。如圖2.4所示。我們?cè)O(shè)不發(fā)光的口線〔高電平〕為1，發(fā)光的口線〔低電平〕為0。當(dāng)彩燈L1發(fā)光時(shí)，PD0口線為低電平，而其余口線均為高電平。那么可以表示為以下對(duì)應(yīng)值：PD7PD6PD5PD4PD3PD2PD1PD011111110用二進(jìn)制數(shù)表示為：11111110。用十六進(jìn)制編碼

，其值為：FEH

。再如，要彩燈L8發(fā)光，其余均不發(fā)光，那么有：用二進(jìn)制數(shù)表示為：01111111。十六進(jìn)制編碼為：7FH。那么可以表示為以下對(duì)應(yīng)值：PD7PD6PD5PD4PD3PD2PD1PD001111111假設(shè)希望兩邊亮，中間暗，那么：十六進(jìn)制編碼為：7EH。

PD7

PD6

PD5

PD4

PD3

PD2

PD1

PD00

1

1

1

11

1

02.2嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)2.2嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)嵌入式微處理器芯片自己是不可能獨(dú)立工作的，需要必要的外圍設(shè)備給它提供根本的工作條件。所謂嵌入式硬件平臺(tái)由嵌入式處理器和嵌入式系統(tǒng)外圍設(shè)備組成，其結(jié)構(gòu)如圖2.5所示。圖2.5嵌入式系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)1、嵌入式處理器嵌入式處理器通常包括幾個(gè)局部：處理器內(nèi)核、地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線、片上I/O接口電路及輔助電路〔如時(shí)鐘、復(fù)位電路等〕。嵌入式處理器可以分為3類：嵌入式微處理器、嵌入式微控制器、嵌入式DSP〔DigitalSignalProcessor，數(shù)字信號(hào)處理器〕，嵌入式微處理器分類〔1〕嵌入式微控制器嵌入式微控制器的典型代表是單片機(jī)，這種８位的電子器件目前在嵌入式設(shè)備中仍然有著極其廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)芯片內(nèi)部集成ROM、RAM、總線、總線邏輯、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、看門狗、I/O、串行口、脈寬調(diào)制(PWM)輸出、A/D、D/A、FlashR0M、EEPROM等各種必要功能和外設(shè)?！?〕嵌入式微控制器微控制器的最大特點(diǎn)是單片化，體積大大減小，從而使功耗和本錢下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。微控制器的片上外設(shè)資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱為微控制器。〔2〕嵌入式DSP處理器DSP處理器是專門用于信號(hào)處理方面的處理器，其在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，在數(shù)字濾波、FFT、頻譜分析等各種儀器上DSP獲得了大規(guī)模的應(yīng)用。DSP的理論算法在70年代就已經(jīng)出現(xiàn)，但是由于專門的DSP處理器還未出現(xiàn)，所以這種理論算法只能通過(guò)MPU等由分立元件實(shí)現(xiàn)。1982年世界上誕生了首枚DSP芯片。在語(yǔ)音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應(yīng)用。DSP的運(yùn)算速度進(jìn)一步提高，應(yīng)用領(lǐng)域也從上述范圍擴(kuò)大到了通信和計(jì)算機(jī)方面。目前最為廣泛應(yīng)用的嵌入式DSP處理器是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的應(yīng)用范圍。2、嵌入式系統(tǒng)中的存儲(chǔ)設(shè)備〔1〕RAM、SRAM、DRAMRAM即是我們通常所說(shuō)的內(nèi)存。RAM又可分為SRAM〔靜態(tài)存儲(chǔ)器〕和DRAM〔動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器〕。〔2〕FlashFlash是一種非易失閃存，它具有和ROM一樣掉電后數(shù)據(jù)不會(huì)喪失的特性。Flash是目前嵌入式系統(tǒng)中廣泛采用的主流存儲(chǔ)器，它的主要特點(diǎn)是按整體/扇區(qū)擦除和按字節(jié)編程，具有低功耗、高密度、小體積等優(yōu)點(diǎn)。Flash分為

NORFlash、NANDFlash兩種。

NORFlash的特點(diǎn)是在芯片內(nèi)執(zhí)行，可以直接讀取芯片內(nèi)儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)，因而速度比較快。應(yīng)用程序直接在Flash內(nèi)運(yùn)行，不必把代碼讀到系統(tǒng)RAM中運(yùn)行。NANDFlash不能直接在Flash內(nèi)運(yùn)行應(yīng)用程序，需要將數(shù)據(jù)復(fù)制到RAM中運(yùn)行。NANDFlash的特點(diǎn)是容量大。3、JTAG接口JTAG〔JointTestActionGroup，聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)小組〕是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議〔IEEE1149.1兼容〕，主要用于芯片內(nèi)部測(cè)試。我們經(jīng)常用簡(jiǎn)易JTAG接口直接燒寫(xiě)嵌入式系統(tǒng)Flash存儲(chǔ)器。這種燒寫(xiě)方式是通過(guò)一根并口電纜和一塊信號(hào)轉(zhuǎn)換集成電路板以建立PC機(jī)與開(kāi)發(fā)板之間的通信。2.3ARM微處理器體系2.3.1ARM公司及ARM體系結(jié)構(gòu)1、ARM公司簡(jiǎn)介ARM〔AdvancedRISCMachines〕，既可以認(rèn)為是一個(gè)公司的名字，也可以認(rèn)為是對(duì)一類微處理器的通稱，還可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字。ARM公司是專門從事基于RISC技術(shù)芯片設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的公司，作為知識(shí)產(chǎn)權(quán)供給商，本身不直接從事芯片生產(chǎn)，靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計(jì)許可，由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯。2、ARM微處理器體系－ARM7系列－ARM9系列－ARM9E系列－ARM10E系列－SecurCore系列－Inter的Xscale－Inter的StrongARM3、哈佛總線體系結(jié)構(gòu)

圖2.8馮·諾依曼結(jié)構(gòu)

圖2.9哈佛結(jié)構(gòu)4、ARM微處理器的特點(diǎn)〔1〕體積小、低功耗、低本錢、高性能；〔2〕支持Thumb(16位)/ARM(32位)雙指令集，能很好的兼容8/16位器件；〔3〕大量使用存放器，指令執(zhí)行速度更快；〔4〕大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在存放器中完成；〔5〕尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高；〔6〕指令長(zhǎng)度固定。2.4微處理器的結(jié)構(gòu)2.4.1

RISC體系結(jié)構(gòu)

和ARM設(shè)計(jì)思想1、RISC體系結(jié)構(gòu)在CISC指令集的各種指令中，其使用頻率卻相差懸殊，大約有20％的指令被反復(fù)使用，占整個(gè)程序代碼的80％。而余下的80％的指令卻不經(jīng)常使用，在程序設(shè)計(jì)中只占20％。RISC結(jié)構(gòu)優(yōu)先選取使用頻率最高的簡(jiǎn)單指令，防止復(fù)雜指令；將指令長(zhǎng)度固定，指令格式和尋址方式種類減少；以控制邏輯為主。2、ARM設(shè)計(jì)思想1、ARM微處理器被設(shè)計(jì)成較小的核，降低功耗，延長(zhǎng)電源的使用時(shí)間。2、存儲(chǔ)量有限，這就要求嵌入式系統(tǒng)需要使用高密度代碼。3、嵌入式系統(tǒng)對(duì)本錢敏感，一般選用速度不高，本錢較低的存儲(chǔ)器，以降低系統(tǒng)本錢。4、ARM內(nèi)核不是一個(gè)純粹的RISC體系結(jié)構(gòu)，這是為使它能夠更好地適應(yīng)其嵌入式的應(yīng)用領(lǐng)域。對(duì)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用工程來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的關(guān)鍵并不單純?cè)谟谖⑻幚砥鞯乃俣?，而在于系統(tǒng)性能、功耗和本錢。2.4.2ARM9微處理器結(jié)構(gòu)的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、什么是最小系統(tǒng)嵌入式微處理器芯片自己是不能獨(dú)立工作的，需要一些必要的外圍元器件給它提供根本的工作條件。一個(gè)ARM最小系統(tǒng)一般包括：〔1〕ARM微處理器芯片，〔2〕電源電路、復(fù)位電路，晶振電路，