《嵌入式 Linux C 语言应用程序设计(修订版)》——1.4 嵌入式系统硬件平台选型

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《嵌入式 Linux C 语言应用程序设计(修订版)》——1.4 嵌入式系统硬件平台选型

异步社区 2017-05-02 14:30:00 浏览1304
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本节书摘来异步社区《嵌入式 Linux C 语言应用程序设计(修订版)》一书中的第1章,第1.4节,作者:华清远见嵌入式培训中心,孙琼,更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看

1.4 嵌入式系统硬件平台选型

嵌入式 Linux C 语言应用程序设计(修订版)
正如前文中所述,嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成。嵌入式系统的硬件核心部件是各种类型的嵌入式微处理器;嵌入式系统的软件一般由嵌入式操作系统和应用软件组成,而嵌入式系统的功能软件则集成于硬件系统之中,系统的应用软件与硬件一体化。

因此,在嵌入式系统中,处理器的选择是最为重要的,通常它将限制操作系统的选择。本节将着重介绍嵌入式硬件平台以及ARM处理器系列的选型原则及方法。

1.4.1 硬件平台的选择

本书在1.2.1节介绍了嵌入式处理器的不同种类以及它们各自的特点,在一个系统中使用什么样的嵌入式处理器内核主要取决于应用的领域、用户的需求、成本、开发的难易程度等因素。读者可以从以下各个角度来考虑选择处理器。

1.处理器的性能
一个处理器的性能取决于多个方面的因素,如时钟频率、内部寄存器的大小、指令系统等。如果设计者设计的是面向高性能的应用,那么建议考虑某些新的处理器,其价格极为低廉,如IBM和Motorola的PowerPC。

2.处理器的功耗
在嵌入式系统的设计中,低功耗设计是许多设计人员所追求的,其原因在于嵌入式系统已被广泛应用于便携式和移动性较强的产品中,如手持设备、电子记事本、PDA、手机、GPS导航器、智能家电等消费类电子产品。而这些产品并不是一直都有充足的电源供应,往往是靠电池来供电,所以这些产品中的微处理器要求高性能、低功耗。

3.处理器的算法
处理器的算法是嵌入式系统确保系统实现性能目标的一个关键因素,某些处理器能够非常高效地处理某类算法,因此最好选择能够与应用最佳匹配的处理器。如具有许多控制代码的有限状态机应该映射为类似ARM处理器的RISC器件;编码、解码和回波抵消等信号处理应该映射为数字信号处理器或具有信号处理加速器的某种器件。

4.外围设备的选择
在外围设备的选择时主要考虑总线有怎样的需求、是否有通用串行接口、是否需要USB总线、是否有以太网接口、系统内部是否需要I2C总线、系统内部是否需要SPI总线、是否需要音频D/A连接的IIS总线、是否有外设接口、系统是否需要A/D或者D/A转换器等。

5.成本
成本也是一个需要考虑的关键问题。作为一个系统的设计者,在对系统进行必要的功能分析,选用适当的硬件来完成所需要的实时处理任务的同时,一定要考虑产品的整体成本,应该制定一个合理的预算。另外,还要综合考虑处理器的寻址空间,以及仿真调试工具的成本和易用性等。

1.4.2 ARM处理器选型

1.ARM处理器内核选型
从前面所介绍的内容可知,ARM微处理器包含一系列的内核结构,以适应不同的应用领域,用户如果希望使用Windows CE或标准Linux等操作系统以减少软件开发时间,就需要选择ARM720T以上带有MMU(Memory Management Unit)功能的ARM芯片,ARM720T、ARM920T、ARM922T、ARM946T、Strong-ARM都带有MMU功能。而 ARM7TDMI则没有MMU,不支持Windows CE和标准Linux,但目前有Clinux等不需要MMU支持的操作系统可运行于ARM7TDMI硬件平台之上。

2.系统的工作频率
系统时钟决定了ARM芯片的处理速度。ARM7的处理速度为0.9MIPS/MHz,常见的ARM7芯片系统主时钟为20MHz~133MHz,ARM9的处理速度为1.1MIPS/MHz,常见的ARM9的系统主时钟为100MHz~233MHz,ARM10最高可以达到700MHz。

不同芯片对时钟的处理不同,有的芯片只有一个主时钟频率,这样的芯片可能不能同时顾及UART和音频时钟准确性,如Cirrus Logic的EP7312等;有的芯片内部时钟控制器可以分别为CPU核、USB、UART、DSP、音频等功能部件提供同频率的时钟,如Philips公司SAA7750等芯片。

3.芯片内存储器的容量
大多数的ARM微处理器片内存储器的容量都不太大,需要用户在设计系统时外扩存储器,但也有部分芯片具有相对较大的片内存储空间,如ATMEL的AT91F40162就具有高达2MB的片内程序存储空间,各芯片的片内存储容量如图1.13所示。

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4.中断控制器
ARM内核只提供快速中断(FIQ)和标准中断(IRQ)两个中断向量。但各个半导体厂家在设计芯片时加入了自己的中断控制器,以便支持诸如串行口、外部中断、时钟断等硬件中断。

外部中断控制是选择芯片必须考虑的重要因素,合理的外部中断设计可以很大程度地减少任务调度工作量。

以Philips公司的SAA7750为例,所有GPIO都可以设置成FIQ或IRQ,并且可以选择升沿、下降沿、高电平、低电平4种中断方式。这使得红外线遥控接收、指轮盘和键盘等任务都可以作为背景程序运行。

而Cirrus Logic公司的EP7312芯片,只有4个外部中断源,并且每个中断源都只能是低电平或者高电平中断,这样在用于接收红外线信号的场合时,就必须用查询方式,而且会浪费大量CPU时间。

5.IIS(Integrate Interface of Sound)接口
IIS接口是集成音频接口。如果设计者频应用产品,IIS总线接口是必需的。

6.nWAIT信号
nWAIT信号是外部总线速度控制信号。不是每个ARM芯片都提供这个信号引脚,利用这个信号与廉价的GAL芯片配合就可以实现与符合PCMCIA标准的WLAN卡和 Bluetooth卡的接口,而不需要外加高成本的PCMCIA专用控制芯片。另外,当需要扩展外部DSP协处理器时,此信号也是必需的。

7.RTC(Real Time Clock)
很多ARM芯片都提供实时时钟功能,但方式不同。如Cirrus Logic公司的EP7312的RTC只是一个32位计数器,需要通过软件计算出年月日时分秒;而SAA7750和S3C2410等芯片的RTC直接提供年月日时分秒格式。

8.LCD控制器
有些ARM芯片内置LCD控制器,有的甚至内置64K彩色TFT LCD控制器。在设计PDA和手持式显示记录设备时,选用内置LCD控制器的ARM芯片如S3C2410较为适宜。

9.UART和IrDA
几乎所有的ARM芯片都具有1~2个UART接口,可以用于和PC机通信或用Angel进行调试。一般的ARM芯片通讯数据传输率为115 200bit/s,少数专为蓝牙技术应用设计的ARM芯片的UART通讯数据传输率可以达到920Kbit/s,如Linkup公司的L7205。

10.DSP协处理器及FPGA
有些ARM芯片内置DSP协处理器及FPGA,这些芯片比较适合通信等领域,图1.14所示为ARM处理器常见的应用领域。

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