嵌入式系统 （2.嵌入式硬件系统基础）

2.嵌入式硬件系统基础

2.1嵌入式硬件系统的组成

嵌入式硬件系统以嵌入式微处理器为核心，主要由嵌入式微处理器、总线、存储器、输入/输出接口和设备组成。

嵌入式微处理器

嵌入式微处理器采用冯·诺依曼结构或哈佛结构：前者指令和数据共享同一存储空间并通过同一总线访问，而后者将程序和数据分开存储，并使用独立的总线以提升数据吞吐率。指令系统包括RISC（精简指令集）和CISC（复杂指令集）。主流微处理器体系有ARM、MIPS、PowerPC、SH、X86等，时钟速度和总线数据宽度因体系不同而异。

嵌入式系统的总线

嵌入式系统的总线一般集成在微处理器中，可分为片外总线（如PCI、ISA）和片内总线（如AMBA、AVALON）。总线种类与微处理器的结构密切相关。

嵌入式系统的存储器

存储器分为主存和外存。主存用于存储可直接访问的代码和数据，常见类型有ROM、EPROM、Nor Flash、SRAM、DRAM等；外存（如NandFlash、SD卡）用于存储其他信息，容量大、价格低，但处理器无法直接访问，通常采用电子盘而非硬盘。

输入/输出接口和设备

嵌入式微处理器集成了大多数输入/输出接口和设备。接口包括中断控制器、DMA、串行/并行接口等，设备包括定时器、计数器、看门狗、RTC、UART、PWM、AD/DA、显示器、键盘和网络等。

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2.2嵌入式处理器的特点

基础特点

嵌入式微处理器以通用微处理器为基础，与之相比具备体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高等优势，并增强了工作温度范围和抗电磁干扰能力。

集成度

嵌入式处理器不仅集成了CPU核心、缓存、MMU和总线，还集成了多种外设和接口（如中断控制器、DMA、定时器、串口等），通过高集成度实现低成本和低功耗的设计，可采用单芯片或芯片组形式。

性能分类

性能分为低端（价格低、性能≤50MIPS）、中端（150MIPS以上，低功耗）和高端（用于高强度计算，如VLIW架构和多处理器并行执行）；通过提升时钟频率、增加缓存及并行度来满足不同需求。

功耗管理

嵌入式系统严格限制功耗，采用降低工作电压、动态调整时钟频率及关闭未使用功能块等策略，同时提供运行、待命、时钟关闭等功耗管理模式，优化总线和存储器规模以降低能耗。

成本控制

处理器成本受功能块数量、存储器大小、封装形式（如PQFP或BGA）、芯片尺寸等影响，通过权衡性能和集成度控制价格；此外，不同架构（如RISC、CISC、VLIW）的代码密度也对成本有重要影响。

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2.3嵌入式处理器的类型

嵌入式处理器可以按照位数和用途进行分类。按位数分为4位、8位、16位、32位和64位；按用途分为嵌入式DSP（用于数字信号处理，采用哈佛结构，优化FFT性能）和通用嵌入式微处理器（如SoC芯片，集成通用处理器、总线、接口及设备）。

主流嵌入式处理器系列

当前主流嵌入式微处理器包括ARM系列、MIPS系列、PowerPC系列、SuperH系列和X86系列，这些系列中产品种类繁多，总计超过上千种。

ARM处理器

ARM处理器作为主流32位RISC处理器，具有低功耗、高性价比和高代码密度的特点，广泛应用于手机、游戏机、手持PC和机顶盒等。其分类包括应用处理器（高性能）、实时控制器（实时响应）和微控制器（低功耗、低成本），并支持多种架构版本如ARMv4、v5、v6及最新的ARM Cortex（v7）。

X86系列

X86嵌入式处理器由AMD、Intel等提供，广泛应用于工业控制和通信领域，特别是国内嵌入式PC应用中表现突出。

PowerPC（PPC）系列

MPC系列（Motorola）和PPC系列（IBM）主要用于通信、消费电子、工业控制和军用设备等，具有高度集成性，如支持以太网控制器、显示控制器和低功耗便携式设备。

嵌入式处理器的技术发展

当前技术趋势包括多处理器技术（如ARM MPcore支持1-4个ARM11处理器的集成）、64位处理器及优化SoC片内总线以扩展带宽。华为Mate60所使用的麒麟9000S芯片是中国在芯片领域自主研发的重要突破。

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2.3嵌入式处理器的类型

按位数分类

嵌入式处理器按位数划分为4位、8位、16位、32位和64位。其中32位处理器已成为市场主流，占嵌入式市场总量的重要份额。

按用途分类

嵌入式处理器可分为嵌入式DSP和通用嵌入式微处理器。嵌入式DSP专注于数字信号处理，采用哈佛架构，程序与数据分开存储，优化了如FFT的处理速度；通用嵌入式处理器通常为集成处理器核心、总线和外围接口的SoC芯片，并可内嵌DSP协处理器。

主流嵌入式处理器系列

当前市场主流的嵌入式处理器系列包括ARM、MIPS、PowerPC、SuperH和X86系列。其中，ARM和MIPS广泛应用于消费电子，PowerPC多用于工业控制和军用设备，而X86系列因兼容性广泛用于嵌入式PC。

ARM处理器的特点与分类

ARM处理器因功耗低、性价比高和代码密度高成为业界公认的标准。其产品包括ARM7、ARM9、ARM10、ARM11和ARM Cortex系列，并根据应用场景分为应用处理器（性能优先）、实时控制处理器（低功耗实时响应）和微控制器（成本最低）。

ARM架构发展

ARM架构从ARMv4到ARMv7逐步演进：

• ARMv4引入Thumb指令集，提升代码密度和功耗效率；
• ARMv5TE优化Thumb与ARM指令交互，扩展DSP指令集；
• ARMv6新增SIMD扩展、多处理器支持，并优化内存和异常处理；
• ARMv7定义应用（A）、实时（R）和微控制器（M）三种处理器配置，提升多媒体处理能力和浮点性能。

华为自研嵌入式处理器

华为Mate60搭载的麒麟9000S芯片采用自主设计的“泰山”内核，标志中国芯片技术突破。该芯片采用国产制程工艺，实现对美国技术的部分脱离，同时通过12核心设计（包含定制A78AE核心）达到3.1GHz的高主频。

未来发展趋势

嵌入式处理器正在向多核架构和64位技术演进。多核技术通过任务并行分解提升性能，而64位技术在嵌入式SoC中实现片内总线的高效扩展，解决系统性能与带宽瓶颈。ARM的AMBA架构已支持8到1024位总线宽度，推动嵌入式性能持续提升。

系统性能瓶颈及64位需求

系统性能瓶颈可能体现在处理器的计算能力、内存访问带宽以及片上总线的数据吞吐能力上。对于嵌入式系统，是否需要64位技术，主要取决于应用场景中对64位地址（如更大内存寻址能力）还是64位数据（如更高数据精度或处理能力）的需求。例如，高性能计算或多媒体处理可能更需要64位数据，而复杂操作系统和大内存应用更依赖64位地址支持。

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2.4嵌入式处理器的体系结构

嵌入式处理器的体系结构包含多层次的设计内容，包括其编程模型、处理器的运行模式、工作状态、寄存器体系、异常处理机制以及内存与 I/O 操作的设计和实现方式。以下为详细解析：

编程模型

嵌入式处理器支持多种数据类型，包括字节型（Byte，8位宽）、半字型（HalfWord，16位宽，要求2字节对齐）和字型（Word，32位宽，要求4字节对齐）。处理器提供灵活的操作模式，包括用户模式（User Mode）和特权模式（Privilege Mode），分别适用于普通任务和系统任务。在用户模式下，程序无法直接访问某些受保护的资源，而必须通过异常机制改变处理器运行模式。在特权模式下，处理器可以完全访问所有系统资源。此外，模式的切换可以通过三种方式实现：软件控制、异常触发或外部中断。

处理器模式

处理器支持 7种模式，分别适用于不同场景：

• 用户模式（User Mode）：用于运行普通用户程序，不允许直接访问受保护的资源。
• 系统模式（System Mode）：与用户模式类似，但具有访问所有资源的权限，用于运行系统特权任务。
• 快速中断模式（FIQ Mode）：用于处理快速数据传输的中断请求。
• 中断请求模式（IRQ Mode）：用于处理通用的外部中断。
• 管理模式（Supervisor Mode）：系统复位或异常处理时进入的模式，主要用于操作系统管理。
• 终止模式（Abort Mode）：处理内存访问异常或非法操作。
• 未定义模式（Undefined Mode）：处理未定义指令执行的情况，通常用于扩展指令集（例如通过软件仿真扩展ARM或Thumb指令）。

模式切换时，处理器会自动保存当前状态到影子寄存器中，以便在异常或中断处理完成后能快速恢复。

处理器工作状态

处理器有两种主要工作状态：

1. ARM状态：执行32位ARM指令，要求字对齐，提供高性能。
2. Thumb状态：执行16位Thumb指令，要求半字对齐，指令长度短，代码密度高。

此外，ARM还支持 Thumb-2扩展，引入了新的32位指令集，可以在Thumb状态下执行，这种混合模式能够更好地平衡性能与代码密度。ARM与Thumb状态之间的切换通过执行 BX指令 实现，同时设置操作数寄存器的状态位[0]（0为ARM，1为Thumb）。状态切换不会影响处理器的模式或寄存器内容。

寄存器

ARM处理器的寄存器体系结构由 37个寄存器 组成：

1. 31个通用寄存器：

   • R0-R7：所有模式下共享的通用寄存器，功能相同，主要用于数据存储和运算。
   • R8-R12：根据模式不同有两组物理寄存器，一组用于FIQ模式，另一组用于其他模式。
   • R13（SP）：栈指针，负责存储不同模式下的堆栈地址，切换模式时自动切换到对应栈指针值。
   • R14（LR）：链接寄存器，用于保存函数调用的返回地址或异常返回地址。
   • R15（PC）：程序计数器，保存当前指令地址，ARM状态下低2位为0，Thumb状态下低1位为0。

2. 6个状态寄存器：

   • CPSR（当前程序状态寄存器）：记录当前模式、条件标志、控制标志（如中断使能标志）和处理器状态。
   • SPSR（保存的程序状态寄存器）：在异常模式下保存CPSR的值，用于异常返回时恢复处理器状态。

影子寄存器是寄存器的物理映射，R8-R14在不同模式下具有不同的影子寄存器，用于快速切换。

异常处理机制

异常是由内部或外部事件触发的特殊情况，处理器在异常发生时会暂停当前指令，并跳转到预定义的向量地址执行异常处理程序。异常的类型和优先级如下：

1. Reset（复位异常）：系统复位时触发，进入Supervisor模式，禁用FIQ和IRQ中断。
2. Undefined Instructions（未定义指令异常）：执行未定义指令时触发，可用于扩展指令集。
3. SWI（软件中断）：执行SWI指令时触发，通常用于操作系统的系统调用。
4. Prefetch Abort（预取中止）：在指令预取阶段发生内存错误时触发。
5. Data Abort（数据中止）：在数据读写阶段发生错误时触发。
6. IRQ（中断请求异常）：外部IRQ信号触发，用于常规外设中断。
7. FIQ（快速中断异常）：外部FIQ信号触发，用于高优先级数据传输中断。

异常发生时，处理器会保存当前状态到影子寄存器（R14和SPSR），处理完成后通过恢复寄存器值返回正常执行流。

内存与I/O

ARM处理器使用线性地址空间，地址范围为4GB（2^32）。支持 大端（Big-endian） 和 小端（Little-endian） 数据存储模式，通过硬件设置实现。

1. I/O接口

   • I/O端口地址采用 内存映射编址，即I/O设备与内存单元共享统一的地址空间。
   • ARM处理器访问I/O端口的方式与访问内存相同，但I/O地址空间通常标记为不可缓存（Uncachable）和非缓冲（Unbufferable）。

2. I/O数据与控制

   • 数据信息：如键盘输入和显示器输出。
   • 状态信息：外设当前工作状态信号（如READY信号和BUSY信号）。
   • 控制信息：CPU发送的控制信号（如读写控制信号、中断信号、片选信号等）。

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2.5嵌入式系统的总线

嵌入式系统的总线是一种关键的通信机制，用于连接CPU、存储器和外围设备，实现数据、地址和控制信号的传输。根据位置划分，总线分为 片内总线 和 片外总线。片内总线连接CPU内部的功能单元，如ALU（算术逻辑单元）、寄存器和缓存；片外总线则连接CPU与存储器（RAM、ROM）以及I/O接口。按照功能和信号类型划分，总线分为 数据总线（Dbus）、地址总线（Abus） 和 控制总线（Cbus），分别负责数据传输、地址定位和控制信号的传递。

总线的主要参数

嵌入式总线的性能受以下三个关键参数影响：

1. 总线宽度：又称总线位宽，表示总线在一次操作中能传送的数据位数，例如16位总线可以传输16位数据。总线宽度越大，数据传输能力越强。
2. 总线频率：表示总线的工作速度，单位为MHz。频率越高，总线传输速度越快。
3. 总线带宽：即总线的最大数据传输率，用每秒传输的数据量（MB/s）衡量。公式为：总线带宽 =（总线宽度 / 8）× 总线频率。例如，32位总线在66MHz下的带宽为264MB/s。

总线的性能不仅取决于上述参数，还受电路设计和硬件成本影响。例如，高速总线通常使用更宽的数据连接和更昂贵的电路，但通过桥电路（Bus Bridge），可以在高速总线与低速总线之间提供并行性和独立操作。

多总线系统

现代嵌入式系统常采用多总线结构，将高速设备（如存储器、处理器）连接在高速总线中，而将低速设备（如外设）连接在低速总线中，通过桥（Bridge）将高速总线与低速总线进行互联。桥在多总线系统中发挥重要作用，允许不同速率的设备高效协同。例如，在一个典型的多总线系统中，CPU、缓存和存储器控制器通过高速总线（如AMBA AHB）连接，外围设备（如UART、SPI）则通过低速总线（如APB）与系统通信。桥的存在提高了总线之间的并行性，并简化了总线操作。

AMBA总线架构

AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture） 是ARM公司设计的一种嵌入式总线规范，目前已发展到3.0版本。AMBA总线包括三种主要总线类型：

1. AHB（Advanced High-performance Bus）：用于高性能模块的连接，支持突发模式数据传输、事务分割以及流水线操作。AHB可以高效连接处理器、片上和片外存储器，支持一个或多个主单元（如RISC处理器、协处理器和DMA控制器）发起总线操作。从单元（如外存接口和总线桥接口）响应主单元的读写操作，并提供成功、失败或等待的反馈信号。
   AHB操作分为两个阶段：

   • 地址阶段：持续一个时钟周期，在HCLK上升沿有效，所有从单元在此时采样地址信息。
   • 数据阶段：持续一个或多个时钟周期，通过HREADY信号控制数据传输的延续或完成。
     

2. ASB（Advanced System Bus）：类似AHB，适用于高性能模块，但目前逐渐被AHB取代。

3. APB（Advanced Peripheral Bus）：用于低性能外设的连接，通常作为AHB或ASB的子系统。APB通过APB桥连接到AHB/ASB，并实现以下功能：

   • 锁存地址直到数据传输完成。
   • 地址译码和外部片选信号生成。
   • 写操作时将数据驱动到APB总线，读操作时将数据驱动回AHB/ASB。
   • 通过PENABLE信号控制传输的时序。

APB从单元具有简单的接口，依赖特定设计实现外设的控制和数据传输。其操作信号（如PSELx和PADDR）决定目标寄存器的访问。

PCI与CPCI总线

PCI（Peripheral Component Interconnect）总线 是一种高性能32位或64位总线，具有多路复用地址和数据总线，并支持即插即用和中断共享。PCI总线主要参数如下：

• 数据宽度：32位或64位。
• 总线速度：33MHz或66MHz。
• 数据传输方式：由一个主控设备（Master）发起操作，目标设备（Slave）响应请求。同一时刻总线只支持一对设备进行传输，通过仲裁机制分配主控权。

为了适应工业需求，CPCI（Compact PCI）总线将PCI总线规范扩展为工业标准。CPCI结合了PCI总线的高性能和欧洲卡结构的高可靠性，广泛应用于高端嵌入式系统和工业控制领域。CPCI定义了两种板卡尺寸（3U: 100mm×160mm 和 6U: 233mm×160mm），适合在高可靠性要求的环境下使用。

串行总线

嵌入式系统中常用的串行总线包括：

1. I2C（Inter-Integrated Circuit）：用于短距离、低速的设备通信，具有简单的双线结构（SDA数据线和SCL时钟线）。
2. SPI（Serial Peripheral Interface）：支持全双工、高速数据传输，通过主从架构实现多设备通信。
3. USB（Universal Serial Bus）：支持高速通信和多设备连接，是现代嵌入式设备的常用接口。

这些串行总线通过减少引脚数量和简化硬件设计，提升了系统的模块化和扩展能力。

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2.6嵌入式系统的存储器

嵌入式系统的存储器是系统核心组成部分，负责存储程序、数据及配置信息。根据存储器的访问方式和功能，可分为 高速缓存（Cache）、主存（片内或片外存储器） 和 外存（如Flash存储和各种存储卡）。不同存储器在速度、容量、可靠性和成本上各有特点，在嵌入式系统中常组合使用，以实现高效运行和数据存储需求。

高速缓存（Cache）

Cache 是嵌入式处理器内部的高速存储器，用于加速主存访问，存放最频繁使用的数据和指令，是主存中部分内容的副本。Cache 以其速度高于主存的特点显著提升了处理器性能，常见于32位嵌入式微处理器中。

Cache 的类型包括数据 Cache、指令 Cache 或两者结合的混合 Cache。处理器访问时，Cache 控制器检查目标地址的数据是否在 Cache 中，若存在则称为 “命中”，否则为“未命中”。未命中时需从主存读取数据并存入 Cache 后供处理器使用。写入数据时的策略有两种：

1. 通写（Write Through）：写入数据时，Cache 和主存同时更新，保证主存与 Cache 同步。
2. 回写（Write Back）：仅在 Cache 数据被替换或移出时才更新主存，这种方式能减少主存访问次数，提高性能。
   

主存（Primary Storage）

主存是处理器直接访问的存储器，主要用于存放操作系统、应用程序以及运行时数据。嵌入式系统中主存可位于 片内存储器（SoC内部） 或 片外存储器（SoC外部）。片内存储器具有存取速度快的特点，但容量较小；片外存储器容量大，但访问速度较慢。

主存类型：

1. SRAM（静态随机存取存储器）：

   • 特性：SRAM 不需要刷新数据，存储单元由六管电路组成，具有低延迟、高速度的特点。
   • 缺点：容量小、成本高，通常用于高速缓存（Cache）或小型片内存储。
   • 典型芯片规格：2114（1Kx4）、6116（2Kx8）、62256（32Kx8）等。
     

2. DRAM（动态随机存取存储器）：

   • 特性：采用动态存储单元设计（单管或多管电路），需要定期刷新以保持数据完整性。
   • 优点：相比 SRAM，DRAM 单位容量成本更低，可用于较大规模存储。
   • 工作方式：采用行列地址选通机制，地址被内部分为两路以减少引脚数，需配备 DRAM 控制器处理刷新和多路切换。
     

3. SDRAM（同步动态随机存取存储器）：

   • 特性：与处理器共享时钟信号，能够同步工作。其内置双存储阵列，支持交替存储和数据读取，显著提升数据读取效率。
   • 优点：是 DRAM 家族中速度最快的一种，广泛应用于高性能嵌入式系统中。

主存中也包括一些 ROM 类存储器（如 Nor Flash、EPROM、E2PROM 等），用于存储不常更改的系统固件或代码。

外存（Secondary Storage）

外存是处理器无法直接访问的存储器，通常通过控制器接口进行操作，用于存放用户数据、配置文件和其他持久性信息。外存容量大，但访问速度较慢。在嵌入式系统中，外存多以 电子盘（使用半导体芯片存储数据） 的形式实现，具有体积小、功耗低和抗震能力强等特点。

外存类型：

1. Nand Flash：

   • 特性：作为 Flash Memory 的一种，Nand Flash 具有大容量、低成本、高回写速度等优点，是外存的主流选择。
   • 用途：可独立作为外存使用，也可组成各种存储卡（如 USB 盘、SD 卡、CF 卡）。
   • 与 Nor Flash 的区别：Nand Flash 注重大容量存储和成本优化；而 Nor Flash 随机访问速度快，功耗低，多用于主存。

2. NOR Flash：

   • 特性：具有快速随机访问、电压低、功耗低的优点，稳定性较高，适合固件和操作系统存储。
     

3. MMC（多媒体卡）：

   • 特性：支持高频率（26MHz和52MHz），数据总线宽度灵活（1到8位），传输速率可达52MB/s。
   • 应用场景：适用于移动设备和便携式电子设备，提供低功耗和小尺寸解决方案。

4. SD卡：

   • 特性：由松下、东芝和 SanDisk 联合推出，是一种标准化的存储卡，提供不同尺寸（标准、mini、micro）和容量。
   • 应用场景：被广泛用于移动存储、智能手机和数码相机中。

5. Compact Flash（CF 卡）：

   • 特性：最早由 SanDisk 提出，体积小，仅为 PCMCIA 卡的四分之一，但提供完整的 PCMCIA-ATA 功能。
   • 接口：CF 卡接口为 50 针，遵循 ATA 协议。
   • 应用场景：适用于高可靠性要求的嵌入式设备。

6. Disk On Chip（DOC）：

   • 特性：采用 Nand Flash 芯片作为存储单元，并结合控制芯片和 TrueFFS 技术仿真硬盘。TrueFFS 技术提高了写入次数和数据可靠性，使 DOC 的寿命远高于普通 Flash 存储。
   • 应用场景：适用于高写入寿命和高可靠性的嵌入式系统。

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