了解硬件體系 開(kāi)發(fā)嵌入式Linux

與單純的硬件開(kāi)發(fā)或軟件開(kāi)發(fā)有所不同，嵌入式Linux系統(tǒng)在研發(fā)過(guò)程中通常都要涉及到硬件和軟件兩個(gè)環(huán)節(jié)。許多計(jì)算機(jī)軟件開(kāi)發(fā)人員在轉(zhuǎn)向嵌入式系統(tǒng)Linux開(kāi)發(fā)的過(guò)程中顯得力不從心，一個(gè)原因就在于缺乏對(duì)嵌入式系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)的了解，而偏偏嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)又對(duì)硬件的要求非常高。

從本質(zhì)上說(shuō)，嵌入式Linux系統(tǒng)也屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的范疇，因此不可避免地要由三大基本部分組成：中央處理器(CPU)、存儲(chǔ)設(shè)備和I/O設(shè)備。此外，它還需要負(fù)責(zé)在三大部分之間進(jìn)行通信的設(shè)備。本文從這幾個(gè)方面入手介紹嵌入式Linux系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)。

中央處理器

嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類型的嵌入式中央處理器。根據(jù)所用指令集的不同，嵌入式中央處理器可以分成兩種主要的體系結(jié)構(gòu)，一種是復(fù)雜指令集(Complex Instruction Set Computer，CISC)系統(tǒng)，另一種則是精簡(jiǎn)指令集(Reduced Instruction Set Computer，RISC)系統(tǒng)。

在20世紀(jì)60年代，CISC結(jié)構(gòu)曾是嵌入式中央處理器的設(shè)計(jì)主流。但是隨著時(shí)間的推移，這種設(shè)計(jì)思想已經(jīng)越來(lái)越難以滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。于是有人開(kāi)始提出了一種全新的處理器體系結(jié)構(gòu)——RISC。目前使用的嵌入式中央處理器大多采用RISC結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)在幾乎所有的半導(dǎo)體制造商都有能力生產(chǎn)嵌入式中央處理器，根據(jù)所用技術(shù)的不同，可以將嵌入式中央處理器分成如下四種類型：

嵌入式微處理器(Embedded Micro Processor Unit，EMPU)

嵌入式微控制器(Embedded Micro-controller Unit，EMU)

嵌入式DSP處理器(Embedded Digital Signal Processor，EDSP)

嵌入式片上系統(tǒng)(Embedded System on Chip，ESoC)

微處理器

現(xiàn)在的通用計(jì)算機(jī)都是以微處理器為中心。從嚴(yán)格意義上說(shuō)，“微處器”指的是芯片內(nèi)部只包括CPU本身，而不包括存儲(chǔ)器和I/O接口等其它功能模塊，采用的是馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)。在一些高端的嵌入式應(yīng)用中，通過(guò)將微處理器裝配在專門設(shè)計(jì)的電路板上，并配以必要的外圍接口電路和擴(kuò)展電路，可以快速構(gòu)造出一個(gè)實(shí)用的嵌入式系統(tǒng)。

為了滿足嵌入式應(yīng)用的特殊要求，嵌入式微處理器雖然在功能上與通用微處理器基本相同，但在工作電壓、工作溫度、抗干擾性和可靠性等方面都做了增強(qiáng)。一般說(shuō)來(lái)，采用微處理器來(lái)構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性能、支持多任務(wù)處理、便于存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)、提供處理器擴(kuò)展、豐富的調(diào)試功能和完善的電源管理等優(yōu)勢(shì)。

微控制器

微處理器芯片中不包括I/O接口電路，也沒(méi)有其它外圍功能模塊，功能相對(duì)單一。因此，嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員和硬件廠商開(kāi)始傾向于開(kāi)發(fā)另一種類型的嵌入式處理器。這種處理器不用像通用處理器那樣具有強(qiáng)大而齊全的功能，但要力求做到小巧，而且省電。這就是嵌入式微控制器，通常也稱之為單片機(jī)。

微控制器通常以某個(gè)微處理器內(nèi)核為基礎(chǔ)，芯片內(nèi)部集成ROM、RAM、FLASH、總線邏輯和I/O端口等各種必要的功能模塊，以適應(yīng)特定場(chǎng)合的需要。與微處理器相比，微控制器最大的優(yōu)點(diǎn)就是集成化，使體積、功耗和成本得到了有效的控制，并且可靠性大大提高。微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)的主流產(chǎn)品，在構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)時(shí)，能節(jié)省系統(tǒng)開(kāi)支、降低出錯(cuò)概率和減少高頻干擾。

在開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且數(shù)量眾多的外圍設(shè)備。這些設(shè)備有的需要CPU為之提供控制手段，有的則需要被CPU當(dāng)作輸入信號(hào)，雖然功能各不相同，但通常都只需要表示開(kāi)和關(guān)兩個(gè)基本狀態(tài)就足夠了。因?yàn)闊o(wú)論是傳統(tǒng)的串口還是并口，對(duì)這些設(shè)備的處理都顯得力不從心，所以在微控制器芯片上大多會(huì)提供一個(gè)通用可編程I/O接口(GPIO)，這是微控制器有別于微處理器的一個(gè)顯著特征。

DSP處理器

數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor，DSP)是專門為數(shù)字信號(hào)處理而設(shè)計(jì)的處理器。它現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在各種消費(fèi)電子類產(chǎn)品當(dāng)中，比如手機(jī)就運(yùn)用了DSP技術(shù)對(duì)數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行編碼和譯碼。DSP處理器通常是針對(duì)特定應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的，其優(yōu)點(diǎn)是能夠在短時(shí)間內(nèi)對(duì)特定的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行大量的處理，具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行功能。PC機(jī)上使用的通用處理器(如Intel的80x86)在工作時(shí)，大約有百分之九十的時(shí)間都是在進(jìn)行加法運(yùn)算，乘法運(yùn)算所占的比重相對(duì)較少。因此，通用處理器一般不會(huì)在提高乘法運(yùn)算能力上下很大功夫，而DSP處理器的出現(xiàn)正好彌補(bǔ)了這一缺陷。

為了加快數(shù)字信號(hào)的處理速度，DSP處理器在設(shè)計(jì)時(shí)加入了許多特殊結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)它的并行處理能力。通用處理器在設(shè)計(jì)時(shí)遵循的是便宜和簡(jiǎn)單的原則，一般面向普通用戶。因而它采用的是馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)，指令和數(shù)據(jù)處于同一地址空間。當(dāng)處理器要執(zhí)行某條指令時(shí)，必須先將指令從內(nèi)存中讀出來(lái)進(jìn)行譯碼，然后再將運(yùn)算數(shù)據(jù)從內(nèi)存中取出來(lái)，之后才能執(zhí)行真正的運(yùn)算，耗費(fèi)在運(yùn)算之外的時(shí)間非常多。DSP處理器則擁有一種稱為哈佛的總線結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使用不同的指令和運(yùn)算數(shù)據(jù)總線，可以同時(shí)從內(nèi)存中讀出指令和數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，從而減少了運(yùn)算所耗費(fèi)的時(shí)間。

嵌入式DSP處理器對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令都進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，使其能夠在資源受限的情況下執(zhí)行某種DSP算法。由于編譯效率和指令執(zhí)行速度都很高，因此，像數(shù)字濾波、快速傅立葉變換和離散余弦變換等DSP算法正在被大量引入到嵌入式領(lǐng)域中來(lái)。目前，DSP處理器主要應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)的智能化領(lǐng)域，如生物信息識(shí)別終端、實(shí)時(shí)語(yǔ)音處理和虛擬現(xiàn)實(shí)等。這類智能化算法一般運(yùn)算量較大，特別是乘法運(yùn)算和向量運(yùn)算非常多，而這恰好是DSP處理器的優(yōu)勢(shì)所在。

SoC

隨著EDI的推廣和VLSI設(shè)計(jì)的普及，出現(xiàn)了片上系統(tǒng)(System on Chip，SoC)。SoC顧名思義指的是集成在CPU芯片上的部件比較多，足以獨(dú)立構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)。實(shí)際上它與微控制器的區(qū)別并不十分嚴(yán)格，因此有時(shí)會(huì)將同一塊芯片既稱為微控制器，又稱為SoC。

在嵌入式系統(tǒng)中使用SoC處理器具有如下一些顯著的優(yōu)點(diǎn)：

降低內(nèi)部工作電壓，減少芯片功耗;

減少芯片引腳數(shù)目，簡(jiǎn)化制造過(guò)程;

簡(jiǎn)化外圍驅(qū)動(dòng)單元，優(yōu)化處理速度;

優(yōu)化內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)噪聲。

存儲(chǔ)設(shè)備

存儲(chǔ)設(shè)備的主要作用是保存操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的映像，以及系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)所需的數(shù)據(jù)。在嵌入式系統(tǒng)中使用的存儲(chǔ)設(shè)備可以分為內(nèi)部存儲(chǔ)器和外部存儲(chǔ)器兩類。內(nèi)部存儲(chǔ)器和處理器處于同一塊芯片上，CPU不必通過(guò)I/O電路就可以直接訪問(wèn)它們，處理速度非?？?，但造價(jià)也異常昂貴。外部存儲(chǔ)器是用來(lái)存儲(chǔ)程序或數(shù)據(jù)的獨(dú)立設(shè)備，訪問(wèn)時(shí)需要花費(fèi)比內(nèi)部存儲(chǔ)器更多的時(shí)間，并且需要在處理器周圍搭建額外的尋址電路。

無(wú)論存儲(chǔ)器位于處理器的內(nèi)部還是外部，都可以進(jìn)一步劃分成如下幾種類型：

隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(Random Access Memory，RAM);

只讀存儲(chǔ)器(Read Only Memory，ROM);

混合存儲(chǔ)器(Hybrid Memory)。

RAM

RAM是一種可以被隨機(jī)訪問(wèn)的存儲(chǔ)設(shè)備。RAM有時(shí)也被稱為讀寫(xiě)存儲(chǔ)器，這是因?yàn)閷?duì)這種存儲(chǔ)設(shè)備可以同時(shí)執(zhí)行讀操作和寫(xiě)操作。根據(jù)工作原理的不同，RAM可以分為兩種類型，動(dòng)態(tài)RAM(DRAM，Dynamic RAM)和靜態(tài)RAM(SRAM，Static RAM)。

RAM既可以位于處理器內(nèi)部，也可以位于處理器外部。它與處理器的連線一般包括地址總線、數(shù)據(jù)總線、片選信號(hào)和讀/寫(xiě)控制信號(hào)等。通用計(jì)算機(jī)一般采用DRAM，而嵌入式系統(tǒng)則多少會(huì)采用一些SRAM，或者完全采用SRAM。

ROM

嵌入式系統(tǒng)一般都不采用磁盤(pán)，其操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的映像，以及系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)所需的數(shù)據(jù)，都必須保存在某種斷電以后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失的存儲(chǔ)設(shè)備中，即通常所說(shuō)的不揮發(fā)存儲(chǔ)器。與通用計(jì)算機(jī)相比，嵌入式系統(tǒng)往往配備更多的不揮發(fā)存儲(chǔ)器?，F(xiàn)在基于半導(dǎo)體技術(shù)的不揮發(fā)存儲(chǔ)器大多是只讀的或接近只讀的，一般泛稱為ROM，常見(jiàn)的有掩膜式ROM、可編程ROM和可擦除ROM。

ROM的特點(diǎn)是即使關(guān)閉電源，其中的內(nèi)容仍然能夠保存不變。因此，它通常被嵌入式系統(tǒng)用來(lái)保存系統(tǒng)所需的程序代碼和所有永久性數(shù)據(jù)。

混合存儲(chǔ)器

在嵌入式系統(tǒng)中使用的混合存儲(chǔ)器主要有以下幾類：

EEPROM與EPROM類似，不同點(diǎn)在于它是通過(guò)電信號(hào)進(jìn)行擦除的。

Flash也稱為閃存，其本質(zhì)上是一種EEPROM，但能夠在正常的工作電壓和電流下進(jìn)行擦除和寫(xiě)入操作。因此，它可以在目標(biāo)系統(tǒng)中在線地改變其內(nèi)容

NVRAM也稱為非易失性RAM，可以看成是帶有后備電池的SRAM，即使電源關(guān)閉后它的內(nèi)容也可以保持不變。

在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，閃存對(duì)嵌入式系統(tǒng)來(lái)講是理想的、不揮發(fā)存儲(chǔ)器。

I/O設(shè)備

一般來(lái)說(shuō)，嵌入式系統(tǒng)配備的顯示設(shè)備大多是尺寸較小的LCD，按工作原理不同可以分為TFT和DSTN兩種。

TFT　由薄膜晶體管(Thin Film Transistor)陳列構(gòu)成，優(yōu)點(diǎn)是亮度大、色彩鮮艷、可視角度大;缺點(diǎn)是價(jià)格高、耗電大，并且容易發(fā)生因個(gè)別晶體管損壞而在圖像上形成斑點(diǎn)的現(xiàn)象。

DSTN　利用液晶在不同電場(chǎng)下能夠呈現(xiàn)不同的光學(xué)特性，在顯示屏上用水平和垂直放置的導(dǎo)線做成網(wǎng)格，并加以電信號(hào)進(jìn)行掃描，就可以依次在每個(gè)交點(diǎn)上形成并保持一定的電場(chǎng)，從而使該點(diǎn)上的液晶在反射或透射光線時(shí)能夠顯示出不同的顏色。

目前，在嵌入式系統(tǒng)中廣泛使用的LCD有主動(dòng)式和被動(dòng)式的區(qū)別。被動(dòng)式LCD顯示器的電壓控制部件設(shè)計(jì)在顯示面板的四周，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)且光線輸出量少，因而可視角度比較小，顯示動(dòng)態(tài)圖像時(shí)的效果比較差，并且容易產(chǎn)生殘影現(xiàn)象。主動(dòng)式LCD顯示器則通過(guò)在每個(gè)液晶單元內(nèi)放置電壓控制單元，在縮短反應(yīng)時(shí)間的同時(shí)增加了光線的輸出量，從而可以提供較好的動(dòng)態(tài)顯示效果。由于主動(dòng)式LCD顯示器的成本較高，因此目前只在一些高端的嵌入式設(shè)備中采用，如PDA和信息家電等。一般的嵌入式系統(tǒng)基于成本和實(shí)用性方面的考慮，大多采用被動(dòng)式LCD顯示器，如普通的移動(dòng)電話等。

配備了LCD顯示器的嵌入式設(shè)備往往還同時(shí)配有透明的觸摸屏，通常觸摸屏與液晶顯示器是疊放在一起的。這樣用戶可以用觸筆或手指在屏幕上定位，從而取代鼠標(biāo)的作用，或者直接進(jìn)行手寫(xiě)輸入，以取代鍵盤(pán)的作用。

通信設(shè)備

Firewire

IEEE 1394也稱為Firewire，其傳輸帶寬可以達(dá)到400Mb/s，最適合進(jìn)行多媒體數(shù)據(jù)的傳輸，可以運(yùn)用在多媒體實(shí)時(shí)播放、剪輯或者傳輸?shù)膱?chǎng)合。在需要進(jìn)行快速且大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)那度胧皆O(shè)備中，IEEE 1394是一個(gè)經(jīng)常被用到的數(shù)據(jù)傳輸接口。

IEEE 1394在進(jìn)行多媒體數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的體系結(jié)構(gòu)最上層為應(yīng)用層(Application)，以下依次為傳輸層(Transaction)、鏈路層(Link)和物理層(Physical)。多媒體數(shù)據(jù)在由應(yīng)用層傳送到鏈路層后，將遵循IEEE 1394標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行封包，然后再經(jīng)由鏈路層和物理層把數(shù)據(jù)傳送出去。數(shù)據(jù)接收的另一端會(huì)接收打包數(shù)據(jù)，再經(jīng)過(guò)拆包將數(shù)據(jù)還原成原來(lái)的多媒體數(shù)據(jù)。

USB

USB接口原本是用于PC機(jī)的一種輸入/輸出接口，具有熱插拔特性。當(dāng)擁有USB接口的外圍設(shè)備在與PC機(jī)連接時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)偵測(cè)到這一設(shè)備，并且能夠在不重新啟動(dòng)計(jì)算機(jī)的前提下完成軟硬件的配置。

因?yàn)閁SB 1.1規(guī)范中定義的數(shù)據(jù)傳輸速度可以高達(dá)12Mbps，所以使用USB接口的PDA在與PC進(jìn)行數(shù)據(jù)同步時(shí)的速度要比使用RS-232高出許多。而最新的USB 2.0規(guī)范中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罡咚俣瓤梢赃_(dá)到480Mbps，用于進(jìn)行大量且高速的數(shù)據(jù)傳輸。

藍(lán)牙

藍(lán)牙(Bluetooth)是一個(gè)用于無(wú)線通信的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。它可以給嵌入式系統(tǒng)提供無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能，其通信頻率處于2.4GHz以內(nèi)，即使在無(wú)線噪聲很強(qiáng)的環(huán)境下仍然能夠保持很高的準(zhǔn)確性。用于無(wú)線通信的藍(lán)牙模塊主要由三個(gè)部分組成，無(wú)線傳輸收發(fā)單元、基帶處理單元和數(shù)據(jù)傳輸接口。

當(dāng)無(wú)線信號(hào)由藍(lán)牙的無(wú)線傳輸收發(fā)單元接收到之后，會(huì)被送到基帶處理單元進(jìn)行信號(hào)處理。處理后的數(shù)字信號(hào)再通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸接口，傳送到嵌入式系統(tǒng)的處理器之中作進(jìn)一步的處理。

紅外線

嵌入式系統(tǒng)中的紅外收發(fā)模塊主要由三個(gè)部分組成：紅外線發(fā)光二極管、硅管光檢測(cè)器和控制電路。紅外線發(fā)光二級(jí)管是用于發(fā)射紅外線的裝置。它能夠發(fā)射波長(zhǎng)在0.85微米到0.90微米之間的紅外光波。硅管光檢測(cè)器是用于接收紅外線的裝置。由它接收到的信號(hào)將被傳到控制電路當(dāng)中，然后再送給嵌入式系統(tǒng)的處理器作進(jìn)一步的處理。

紅外線收發(fā)模塊也有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。最早出現(xiàn)的是1994年的IrDA1.0，采用波長(zhǎng)在0.85微米到0.90微米的紅外線進(jìn)行傳輸，傳輸速度為115.2Kbps，距離大約在1米左右，接收角度在30度之內(nèi)。而在1999年提出的VFIR標(biāo)準(zhǔn)中，傳輸速度已經(jīng)可以高達(dá)16Mbps，有效距離為8米。

802.11

802.11是IEEE在1997年提出的一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)，其目的是使各個(gè)廠商的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以互相兼容，從而提供一個(gè)穩(wěn)定的無(wú)線傳輸環(huán)境。到了1999年，IEEE又先后提出了IEEE 802.11a和IEEE 802.11b兩個(gè)無(wú)線傳輸協(xié)議，其中802.11a使用5.8GHz的頻帶進(jìn)行無(wú)線傳輸，而802.11b則使用2.4GHz的頻帶進(jìn)行無(wú)線傳輸。基于802.11b協(xié)議的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的最高速度是11Mbps，比常用的以太網(wǎng)稍微快一點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)有許多嵌入式系統(tǒng)開(kāi)始使用基于802.11b協(xié)議的設(shè)備，開(kāi)發(fā)基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的各種應(yīng)用。最新的協(xié)議是802.11g。

本文討論了嵌入式Linux系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)，從中央處理器、存儲(chǔ)設(shè)備、I/O設(shè)備和通信設(shè)備幾個(gè)方面分別介紹了目前在嵌入式開(kāi)發(fā)中經(jīng)常遇到的硬件設(shè)備。了解這些基本的硬件知識(shí)對(duì)今后深入進(jìn)行嵌入式Linux系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)將會(huì)很有幫助。