浅谈嵌入式系统的硬件架构

嵌入式系统是最近非常火爆的，几乎所有电子设备都有嵌入式系统，嵌入式系统主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用软件等部分组成，其体系结构如下图所示。

从该图中可以清楚地看到嵌入式系统体系结构上下层之间的关系。其中，硬件平台包括嵌入式处理器和外围设备，它们位于嵌入式系统结构中的底层;嵌入式操作系统与通用操作系统的功能类似，为用户屏蔽硬件底层的具体细节，提供了一个透明的操作空间;而应用软件则是位于嵌入式操作系统之上的，当然，用户也可以直接在嵌入式操作系统之上进行开发。

本文主要来介绍一下嵌入式系统的硬件架构，也就是嵌入式处理器以及外围设备的相关知识。

1.嵌入式处理器

嵌入式处理器是各嵌入式系统的核心部件，其功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约，嵌入式处理器包含以下部分：

处理器内核;

地址总线;

数据总线;

控制总线;

处理器本身的辅助支持电路，如时钟、复位电路等;

片上I/O接口电路。

嵌入式处理器可以分为3类：嵌入式微处理器、嵌入式微控制器和嵌入式DSP(Digital Signal Processor)。

嵌入式微处理器就是和通用计算机的微处理器对应的CPU。在应用中，一般是将微处理器装配在专门设计的电路板上，母板上只保留与嵌入式相关的功能即可，这样可以满足嵌入式系统体积小、功耗低的要求。

嵌入式微控制器又称单片机，它将CPU、存储器(少量的RAM、ROM，或两者都有)和其他外设封装在同一片集成电路里。

嵌入式DSP专门用来对离散时间信号进行极快的处理计算，提高编译效率和执行速度。DSP正在大量进入数字滤波、FFT、谱分析、图像处理等领域。

本书所讲的嵌入式处理器主要指嵌入式微处理器。(推荐阅读：如何选择嵌入式微处理器)

嵌入式微处理器与通用微处理器既有相似之处，也有不少的区别，其比较如下。

相似点有以下两项。

对外的接口：各类总线及辅助电路接口。

处理功能：相似的指令功能分类。

不同点有以下几项。

指令系统中指令的个数：嵌入式微处理器的指令个数与通用处理器有很大的区别，嵌入式微处理器的指令系统往往由于成本等原因而有所精简，比如有些嵌入式处理器无浮点功能等。

指令的形式：嵌入式微处理器一般都使用精简指令集(RISC)，而通用处理器则使用复杂指令集(CISC)。

处理器的结构设计：嵌入式微处理器与通用处理器在结构设计上有较大的区别，如流水线结构的设计。

处理器的工艺和应用指标：由于嵌入式系统通常应用在特殊的场合，因此，对处理器的工艺及应用指标(如工作的温度条件等)也有不同的要求。

小知识：

常见的CPU指令集分为CISC和RISC两种。

CISC(Complex Instruction SetComputer)是“复杂指令集”。自PC机诞生以来，32位以前的处理器都采用CISC指令集方式。这种指令系统的指令不等长，指令的数目非常多，编程和设计处理器时都较为麻烦。但是基于CISC指令架构系统设计的软件已经非常普遍了，所以包括Intel、AMD在内的众多厂商至今使用的仍为CISC。

RISC(Reduced InstrucTIon SetCompuTIng)是“精简指令集”。研究人员在对CISC指令集进行测试时发现，各种指令的使用频度相当悬殊，其中常使用的是一些比较简单的指令，它们仅占指令总数的20%，但在程序中出现的频度却占80%。RISC正是基于这种思想提出的。采用RISC指令集的微处理器处理能力强，并且采用超标量和超流水线结构，大大增强了并行处理能力。

嵌入式微处理器的种类极为丰富，32位的嵌入式微处理器就有10多种。从下图可以看出，全球仅有4%的计算机处理芯片用于通用计算机中，而更多的则是用于嵌入式系统中。

嵌入式微处理器内核按体系结构分类，可以分为以下几个系列。

ARM系列：只设计内核的英国公司(在1.3节会有详细介绍)。

MIPS系列：只设计内核的美国公司。

PowerPC：为IBM公司和Motorola公司共有的内核。

68K/COLDFIRE：Motorola公司独有内核，有Motorola 68K等。

各内核的特点及应用如下表所示。

嵌入式处理器内核特点及应用

2.外围设备

外围设备是指嵌入式系统中用于完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的其他部件。目前常用的嵌入式外围设备按功能可以分为：存储设备(如RAM、SRAM、Flash等)、通信设备(如RS-232接口、SPI接口、以太网接口等)和显示设备(如显示屏等)。

常见的存储设备有RAM、SRAM、ROM、Flash等，这些存储设备在嵌入式系统开发过程中是非常重要的。

(1)RAM、SRAM、DRAM。

根据掉电数据是否丢失，存储器可以分为RAM(随机存取存储器)和ROM(只读存储器)，其中RAM的访问速度比较快，但掉电后数据会丢失，而ROM掉电后数据不会丢失。人们通常所说的内存即指系统中的RAM。

RAM又可分为SRAM(静态存储器)和DRAM(动态存储器)。

SRAM是利用双稳态触发器来保存信息的，只要不掉电，信息是不会丢失的。

DRAM是利用MOS(金属氧化物半导体)电容存储电荷来储存信息的，因此必须通过不停地给电容充电来维持信息。DRAM的成本、集成度、功耗等明显优于SRAM。

通常人们所说的SDRAM是DRAM的一种，它是同步动态存储器，利用单一的系统时钟同步所有的地址数据和控制信号。使用SDRAM不但能提高系统表现，还能简化设计、提供高速的数据传输，在嵌入式系统中经常使用。

(2)ROM、Flash。

Flash是一种非易失闪存技术，由于它具有和ROM一样掉电数据不会丢失的特性。Flash主要分为NOR Flash和NAND Flash两种。

NOR Flash的特点是在芯片内执行(Execute In Place)，这样应用程序可以直接在Flash内运行，不必再把代码读到系统RAM中。

NAND Flash能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，NAND读和写操作采用512字节的块，单元尺寸几乎是NOR器件的一半，同时由于生产过程很简单，大大降低了生产的成本。NAND Flash中每个块的大擦写次数是100万次，是NOR Flash的10倍，这些都使得NAND Flash越来越受到人们的喜爱。

它们之间的关系如下图所示。