【计算机三级嵌入式】考试自学笔记（三）——嵌入式系统硬件组成、嵌入式处理芯片以及存储器介绍

常考知识点：

• 嵌入式最小硬件组成
• 嵌入式处理芯片
• 嵌入式系统的存储器
• I/O接口及常用I/O设备
• ARM内核典型嵌入式处理芯片
• 嵌入式系统外部通信接口

嵌入式最小硬件组成

嵌入式最小硬件系统

嵌入式硬件系统

典型嵌入式硬件系统

嵌入式最小硬件系统的组成如下：

嵌入式硬件系统≠嵌入式最小硬件系统

电源电路：为整个嵌入式系统提供能量
时钟电路：产生处理器运行所必须的时钟信号，具有内部时钟源与外部时钟源的区分，以及有源与无源的区分
复位电路：nREST或者REST，n表示低电平复位，不带n表示高电平复位。目前嵌入式系统常使用外接典型复位芯片保证系统可能可靠复位。
（JTAG）测试接口：主要用于芯片内部测试与进行仿真调试

典型嵌入式应用系统硬件组成

典型的嵌入式系统硬件有嵌入式最小硬件系统、前向通道、后向通道、人机交互通道以及相互互联通信通道等组成

嵌入式最小硬件系统

典型嵌入式系统

前向通道

后向通道

人机交互通道

相互互联通信通道

嵌入式处理芯片

ARM的AMBA总线体系结构及标准

AMBA是ARM公司公布的总线协议，是用于连接和管理片上系统的总线协议。标准规定了ARM处理器内核与处理器内部高带宽RAM、DMA以及高带宽外部存储器等快速组件的接口标准，通常称为系统总线，也规定了内核与ARM处理器外围端口以及慢速设备接口组件的接口标准，通常称为外围总线
考点：AMBA1 ~ AMBA4的主要区别
AMBA1 ： ASB用于连接高性能系统模块，先进外围总线（APB）用于支持低性能的外围。ASB与APB之间通过琼姐Bridge连接。所有通用外设均连接在APB总线上
AMBA2：定义了两种高性能的总线规范AHB和APB2以及测试方法。系统总线改进为先进高性能总线AHB，用于连接高性能系统组件或高带宽组件
AMBA3：包括了先进的可扩展接口（AXI），先进的跟踪总线（ATB）。AHB-Lite及APB3四个总线标准
AMBA4：在ATB基础上增加了5个接口协议

不同版本的外围总线从APB到APB4的发展仅仅是所支持的外围硬件组件有所增加，其他没有什么变化

基于ARM内核的嵌入式芯片的硬件组成

存储器及控制器

• 片内程序存储器通常用的是Flash ROM，片内数据存储器通常使用的是SRAM
• 目前程序存储器大多采用Flash存储器，数据存储器可以采用SRAM和DDR或者DDR2或普通的DRAM
• 高带宽外部存储器控制接口为外部存储器扩展提供了接口，可扩展程序存储器及数据存储器
• 高带宽外部存储器控制接口与AMBA的系统总线部分相连
  中断控制器
• 向量中断（VIC）或嵌套向量中断（NVIC）
• VIC区分中断的优先级，但没有抢占机制，只有当一个新的中断其优先级高于当前正在执行的中断处理优先级时，VIC才会向内核提出中断请求
• NVIC比VIC更先进一步，可以进行中断的嵌套，也就是常说的抢占式优先级中断（Cortex-M系列支持NVIC）

DMA控制器

• 将数据块从外设传输至内存，从内存传输至外设或者从内存传递到内存，不需要CPU参与

电源管理与时钟控制器

• ARM处理芯片内部的电源管理主要有正常工作模式、慢时钟模式、空闲模式、掉电模式、休眠模式、深度休眠模式等以控制不同组件的功耗。

GPIO

• GPIO (General Purpose Input Output)即通用输入/输出端口。作为输入时具有缓冲功能，而作为输出时则具有锁序功能， GPIO也可以作为双向I/O使用。在ARM处理芯片中，GPIO引脚通常是多功能使用的，目的是为了减少芯片引脚数，缩小PCB面积，以减少功耗。有的引脚是双功能的，也有三功能甚至四功能的引脚，不同厂家的ARM处理芯片其具体引脚的定义不同。

定时器计数组件

• 看门狗定时器（WDT）
• 通用定时器（Timer）
• RTC（实时Clock）
• 脉冲宽度调制器（PWM）

模拟通道组件

• ADC：模拟到数字的转换器，可以完成从模拟信号到数字信号的变换
• DAC：数字到模拟的变换，可以完成从数字信号到模拟信号的变换
• 比较器：可以方便地对模拟电压信号等于基准信号相比较

互联通信组件

• 主要包括UART、SPI、CAN、USB、Ethernet、I[^2]C

嵌入式处理芯片的选型

• 性价比原则
• 参数选择原则

嵌入式系统的存储器

存储器层次结构

代码存放在主存储器（内存)中; 尚未启动运行的其余程序或数据则存放在容量大的外部存储器如磁盘（虚拟内存) 中待命。

• 最上层的是处理器内部的通用寄存器，是速度最快的一层
• 其次就是处理器内部的Cache，其下就是主存储器
• 最后一层是容量最大、速度最慢的外部存储器

存储器的分类

• 按照存储特性：随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）
• 按照所处物理位置：片内存储器，片外存储器以及外部存储设备
• 按照存储信息：程序存储器、数据存储器
• 具体的分类如下图所示：
• 
• 以及一些新型的存储器：
  随机存取存储器
  均为易失性存储器，掉电后存储内容即丢失。现在多数嵌入式处理器内嵌的数据存储器都采用SRAM，而外部扩展的存储器多采用DRAM及其改进型
• DRAM主要的品种：
  • DDR SRAM 双边沿触发传送数据，把数据传输速率提高了一倍
  • DDR2 将原来的DDR可预读取2位变成了4位数据，传输速率提高了两倍
  • DDR3 将原来DDR的可预读取变为了8位数据，传输速率相对于DDR提高了四倍
  • DDR4 传输速率是DDR3的2倍，最高可达6.4GB/s

只读存储器
只读存储器经历了 MROM、 PROM、ERPOM、E2PROM以及Flash ROM等发展过程。

• MROM (Mask ROM)是基于掩膜工艺技术的只读存储器，主要用于不可升级的成熟产品存储程序或不变的参数等信息。
• PROM (Programmable ROM)是一次可编程的只读存储器，只能一次编程，一旦编程完毕则无法修改。
• EPROM(ErasableProgrammable ROM)是紫外线可擦除可编程的只读存储器，擦除编程次数十万次以内，编程速度慢擦除时间长。
• EEPROM（Electrically Erasable Programmable ROM )是一种可以电擦除可编程的只读存储器，可以在线改写和擦除信息，无需紫外线照射。EEPROM通常写成E2PROM。
• Flash ROM是近年应用最广、速度最快的只读存储器，因此得名为闪速（或闪烁) 存储器，简称闪存。
• NOR Flash和NAND Flash是现在市场上两种主要的闪存技术。NOR Flash颠覆了原先由EPROM和E2PROM—统天下的局面。NAND Flash结构，单元电路尺寸几乎只是NOR器件的一半。

NAND与NOR Flash ROM的区别：
NAND以页为单位随机存取，相比于NOR在容量方面有较大优势，但是读出速度较慢，编程复杂。嵌入式产品中包括数码相机、MP3随身听记忆卡、体积小巧的U盘等均采用NAND Flash ROM.
NOR Flash ROM以字节为单位随机存取

铁电存储器：
铁电随机储器（FRAM) 的铁电晶体的稳定性极高，它就既具有只读非非易失性的特点，又具有随机存储装可快速随机读/写的特点. 而日速度快、功耗低 目前不仅被广面入元DANP 代 SRAM和FIash存字储器，而且在其他嵌入式应用领域的应用越来越广泛。
磁性存储器：
磁性随机存取存储器（MRAM）是一种非易失性（或非挥发性）的磁性随机存储器，具有静态随机存储器（SRAM）的高速存取能力以及动态随机存储器（DRAM)的高集成度. 而且基木上可以无限次地重复写入

存储器主要性能指标

• 容量
  • 存储器容量以存储1位二进制为最小单位b，常用的容量单位有字节（Byte/B），千字节（KB）、兆字节（MB）……
  • 对于内存容量而言，这些容量单位之间的相互关系均以2的十次方=1024倍表示；对于外存容量而言，这些容量单位之间的相互关系是以10的三次方=1000倍表示
  • 内存容量 = 单元总数×数据位数/单元
• 存取时间
  • 衡量存储器的存取速度，一般以ms、us、ns计量
• 宽度
  • 存储器的带宽指美妙可传输的最大数据总量。与总线频率有关，也与数据位数（宽度）和每个数据位数（宽度）和每个总线周期的传输次数有关。
  • 并行总线的存储器带宽=总线频率×数据宽度/8 × 传输次数 /总线周期（B/s）
  • 串行总线的存储器带宽= 总线频率 × 总线频率 / 10 （B/s）

  • 串行总线通常以10位为一个数据帧（其中包含了一个字节（B）的数据）

片内存储器

片内存储器是指嵌入式处理器内部已经嵌入了的存储器，包括Cache、Flash ROM、E2PROM和SRAM

• 片内Cache
  • 嵌入式微处理器内部集成了几KB到几百KB，有的达到几MB的Cache，有的嵌入式微处理器内部有片内一级Cache,还有_级Cache于内部scache. 系统减少了访问外部存储器的次数量 提高了系统行 在性能高的嵌入式处理器中都会集成内部Cache。
• 片内Flash ROM
  • 大部分嵌入式微控制器内部集成有一定容量的Flash ROM作为程序存储器，从几kb到几MB不等。有了内置Flash，嵌入式系统就可以以最小系统形式应用到各个领域，充分体现了嵌入式系统的专用型和嵌入性
• 片内Flash SRAM
• 片内E2PrOM
• 片内FRAM：目前已有部分嵌入式微控制器内部集成了FRAM，是当前嵌入式微控制器内部的主要存储器之一

片外存储器

片外程序存储器目前主要使用NAND Flash和NOR Flash
片外数据存储器主要使用SDRAM、DDR等。早期的ARM芯片仅支持SDRAM，新型的ARM芯片如Cortex-A还支持DDR系列处理器。目前，使用比较广泛的是韩国现代生产的DDR存储器，命名规则为：HYXZmnjk：

外部存储设备

• 常见类型的闪存卡：CF卡、SM卡、XD卡、记忆棒、SD卡、MMC
• U盘：即插即用
• 微硬盘：超大容量，寿命长，无须外置电源、高速