嵌入式驅(qū)動(dòng)開發(fā)必備硬件知識(shí)
在嵌入式領(lǐng)域，可分為硬件開發(fā)和軟件開發(fā)。對(duì)于軟件開發(fā)又可分為底層開發(fā)(模塊驅(qū)動(dòng)編寫，uboot,內(nèi)核)，上層開發(fā)(應(yīng)用，QT)。 作為一名軟件驅(qū)動(dòng)開發(fā)的工程師，我們不需要去設(shè)計(jì)硬件的原理圖，PCB。我們只需看懂硬件開發(fā)人員提供的硬件模塊時(shí)序就行了，但是我們應(yīng)該也需了解如下硬件知識(shí)。
一)處理器
1，可分為通用處理器(單片機(jī)，ARM)，數(shù)字處理器(DSP)，其他專用處理器(FPGA)
在通用處理器領(lǐng)域中，采用的內(nèi)核有51，AVR，PIC，ARM。在當(dāng)今通用處理器芯片大多數(shù)采用ARM架構(gòu)并且多采用SOC的芯片設(shè)計(jì)方法，集成了各種功能模塊(圖形處理器，視頻解碼器，浮點(diǎn)協(xié)處理器，GPS，WIFI等)，每一種功能都是由硬件描述語言設(shè)計(jì)程序，然后在Soc內(nèi)由電路連接實(shí)現(xiàn)。
主流的ARM移動(dòng)處理芯片供應(yīng)商有：高通，三星，英偉達(dá)，美滿，聯(lián)發(fā)科，海思(哪個(gè)國家的?尷尬了)。
中央處理器的體系結(jié)構(gòu)：馮.諾依曼結(jié)構(gòu)(程序指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器合并在一起的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu))，哈佛結(jié)構(gòu)(程序指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu))。
指令集：RISC(精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī))和CISC(復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī))。CISC強(qiáng)調(diào)增強(qiáng)指令的能力，減少目標(biāo)代碼數(shù)量，但指令復(fù)雜，指令周期長。RISC強(qiáng)調(diào)盡量減少指令集，指令單周期執(zhí)行，但是目標(biāo)代碼會(huì)更大。ARM，MIPS等內(nèi)核CPU都采用了RISC指令集。
2，數(shù)字信號(hào)處理器：針對(duì)通信，圖像，語音，視頻處理等領(lǐng)域的算法設(shè)計(jì)。它包含的硬件乘法器，DSP的乘法指令一般在單周期內(nèi)完成，且優(yōu)化了卷積，數(shù)字濾波，F(xiàn)FT，相關(guān)矩陣運(yùn)算等算法中的大量重復(fù)乘法。
德州儀器(TI)，美國模擬器件公司(ADI)是全球DSP的兩大主廠商。
3，其他專用處理器：為某種應(yīng)用的特定設(shè)計(jì)。采用ASIC，CPLD/FPGA等實(shí)現(xiàn)。 在實(shí)際項(xiàng)目的硬件方案中，往往會(huì)根據(jù)應(yīng)用的需求方案選擇通用處理器，數(shù)字處理器，特定領(lǐng)域處理器，CPLD/FPGA或ASIC之一的解決方案，在復(fù)雜系統(tǒng)中，這些芯片可同時(shí)存在，協(xié)同合作，各自發(fā)揮自己的長處。(ARM+DSP+FPGA)。
二 存儲(chǔ)器
存儲(chǔ)器主要可分為只讀存儲(chǔ)器(ROM)，閃存(Flash),隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)。
1，ROM在可細(xì)分為：不可編程ROM ，可編程ROM，電可擦除可編程ROM(E2PROM)，它可完全用軟件來擦寫。
2，F(xiàn)LASH可分為NOR(或非)，NAND(與非)兩種，Intel于1988年首先開發(fā)出Nor flash 技術(shù)，緊接著1989年，東芝發(fā)表了NAND flash結(jié)構(gòu)，徹底改變了原先的EPROM，EEPROM壟斷的地位。
Nor Flash：程序可直接在nor中執(zhí)行，支持位擦寫，支持SPI接口，存儲(chǔ)量小。
Nand Flash:儲(chǔ)存量大，頁擦除，占用的I/O多。
3，RAM可分為靜態(tài)RAM和動(dòng)態(tài)RAM。動(dòng)態(tài)RAM儲(chǔ)存在電容中，擦寫速度快，由于電容器有漏電現(xiàn)象，因此需要定期刷新。靜態(tài)RAM不需要定期刷新電路，儲(chǔ)存速度慢。(好壞，快慢都是相比較而言的)
4，其他 嵌入式系統(tǒng)中往往還有些特定類型的RAM
雙端口RAM：具有兩套完全獨(dú)立的地址，數(shù)據(jù)總線，用于兩個(gè)處理器之間的數(shù)據(jù)交互，具有同時(shí)讀寫的的功能。
內(nèi)容尋址RAM(CAM)：以內(nèi)容進(jìn)行尋址的存儲(chǔ)器，是一種特殊的存儲(chǔ)陣列RAM，它的主要工作機(jī)制就是同時(shí)將一個(gè)輸入的數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)在CAM中的所有數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行比較，判斷該輸入數(shù)據(jù)項(xiàng)與CAM中存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)項(xiàng)是否相匹配，并輸出該數(shù)據(jù)項(xiàng)對(duì)應(yīng)的匹配信息。
FIFO：先進(jìn)先出隊(duì)列：特點(diǎn)是先進(jìn)先出，進(jìn)出有序,FIFO多用于數(shù)據(jù)緩沖。
三 接口與總線
1，串口：RS-232是一種單機(jī)發(fā)送，多機(jī)接收的單向，平衡傳輸規(guī)范，后來發(fā)展的RS-422改進(jìn)了RS232通信距離短，通信速度慢的特點(diǎn)，在RS-485中，又增加了多點(diǎn)，雙向通信能力，即允許多個(gè)發(fā)送器連接在一條總線上。串口電路組成部分：CPU---UART--RS-232芯片---連接器(接口芯片)。
2，I2C
I2C總線是由Philips公司開發(fā)的兩線式串行總線，產(chǎn)生于20世紀(jì)80年代，用于連接微控制器及外圍設(shè)備。I2C總線支持多主控，但需要注意的是在任意時(shí)刻只能有一個(gè)主控。
相應(yīng)時(shí)序：當(dāng)SCL穩(wěn)定在高電平時(shí)，SDA由高向低的變化將產(chǎn)生一個(gè)開始位，而且由低到高變化，則產(chǎn)生一個(gè)停止位。(都有注主設(shè)備產(chǎn)生)
在選擇設(shè)別時(shí)：主設(shè)備需要首先發(fā)送一個(gè)字節(jié)的地址信息，前7位代表地址信息，最后一位代表讀寫信息。
數(shù)據(jù)通信：在第9個(gè)上升沿來到之前，從設(shè)備應(yīng)該發(fā)出一個(gè)ACK位。結(jié)束時(shí)，SCL穩(wěn)定保持在高電平期間，SDA從低向高，產(chǎn)生停止信號(hào)。
3 SPI
SPI總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，它可以使CPU與各種外圍設(shè)別以串行的方式進(jìn)行通信。SPI接口一般使用4條線，串行時(shí)鐘線，主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線(MOSI)，主機(jī)輸出/叢機(jī)輸入線(MOSI)，和低電平有效的數(shù)據(jù)選擇線(SS)。
4 USB
USB:具有數(shù)據(jù)傳輸高，易擴(kuò)展，支持熱插拔等特點(diǎn)。在USB1.1中傳輸速度有12Mbit/s,在USB2.0中，傳輸速率達(dá)到480Mbit/s。在USB3.0中，傳輸速率甚至高達(dá)5.0Gbit/s。在USB2.0總線的機(jī)械連接非常簡(jiǎn)單，采用4芯的屏蔽線，一對(duì)差分線(D+,D-)傳輸信號(hào)，另一對(duì)(VBUS，電源地)傳送+5v的直流電。
5 以太網(wǎng)接口
以太網(wǎng)接口由MAC(以太網(wǎng)媒體接入控制器)和PHY(物理接口收發(fā)器)組成。以太網(wǎng)MAC由IEEE802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)定義，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層。常用的MAC支持10Mbit/s和100Mbit/s兩種速率。吉比特網(wǎng)是快速以太網(wǎng)的下一代，速度將高達(dá)1000Mbit/s.
6 PCI和PCI-E
PCI是一種局部總線，作為一種通用的總線接口標(biāo)準(zhǔn)，它目前在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中得到了非常廣泛的應(yīng)用。
7 SD和SDIO
SD是一種關(guān)于FLASH的儲(chǔ)存卡的標(biāo)準(zhǔn)，也就是一般常見的SD記憶卡，在設(shè)計(jì)上與MMC保持兼容。
SDIO在SD標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，定義了儲(chǔ)存卡以外的外設(shè)接口。
四 CPLD和FPGA
CPLD由完全可編程的與或門陣列以及宏單元構(gòu)成。 與CPLD不同，F(xiàn)PGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)基于LUT(查找表)工藝。CPLD和FPGA的主要廠商有Altera,Xilinx和Lattice等，它們專門的開發(fā)流程，在設(shè)計(jì)階段使用HDL編程。它們可實(shí)現(xiàn)許多復(fù)雜功能，如實(shí)現(xiàn)USART，I2C等I/O控制芯片，通信算法，音視頻解碼算法等。甚至還可以直接集成ARM等CPU內(nèi)核和外圍電路。對(duì)于驅(qū)動(dòng)工程師而言，我們就直接把它看成由很多邏輯門(與 或 非)組成的可完成一系列功能的芯片。如果完成的功能是CPU，我們就直接把它看成是CPU。驅(qū)動(dòng)工程師眼里的硬件要比IC設(shè)計(jì)師要宏觀。
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2018-05-18
