ch2-Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的硬件基礎(chǔ)

1、2 Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的硬件基礎(chǔ)資料共享：115網(wǎng)盤用戶名： 21339555()密碼：iihfuuLinux內(nèi)核編程與驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)12.1 處理器2.2.1 通用處理器概念通用處理器（GPP）嵌入式微控制器（MCU）微處理器（MPU）片上系統(tǒng)（SoC）主流嵌入式CPUARMMIPSPowePC2（1）、嵌入式微控制器嵌入式微控制器的典型代表是單片機(jī)，這種位的電子器件目前在嵌入式設(shè)備中仍然有著極其廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、看門狗、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各種必要功能和外設(shè)。3

2、微控制器的最大特點(diǎn)是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。 微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。微控制器的片上外設(shè)資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱為微控制器。4由于MCU低廉的價(jià)格，優(yōu)良的功能，所以擁有的品種和數(shù)量最多，比較有代表性的包括8051、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K系列以及 MCU 8XC930/931、C540、C541，并且有支持I2C、CAN-Bus、LCD及眾多專用MCU和兼容系列。近來(lái)Atmel推出的AVR單片機(jī)由于其集成了FPGA等器件，所以具有很高的性價(jià)比，勢(shì)必將推動(dòng)單片機(jī)獲得更高的發(fā)展。5（2

3、）、嵌入式DSP處理器DSP處理器是專門用于信號(hào)處理方面的處理器，其在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，在數(shù)字濾波、FFT、頻譜分析等各種儀器上DSP獲得了大規(guī)模的應(yīng)用。DSP的理論算法在70年代就已經(jīng)出現(xiàn)，但是由于專門的DSP處理器還未出現(xiàn)，所以這種理論算法只能通過(guò)MPU等由分立元件實(shí)現(xiàn)。 1982年世界上誕生了首枚DSP芯片。在語(yǔ)音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應(yīng)用。 DSP的運(yùn)算速度進(jìn)一步提高，應(yīng)用領(lǐng)域也從上述范圍擴(kuò)大到了通信和計(jì)算機(jī)方面。 目前最為廣泛應(yīng)用的嵌入式DSP處理器是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCor

4、e也有各自的應(yīng)用范圍。6MPU嵌入式微處理器是由通用計(jì)算機(jī)中的CPU演變而來(lái)的。與計(jì)算機(jī)處理器不同的是，在實(shí)際嵌入式應(yīng)用中，只保留和嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，這樣就以最低的功耗和資源實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的特殊要求。 （3）嵌入式微處理器（Micro Processor Unit)7和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。8SoC 就是System on Chip ，SoC嵌入式系統(tǒng)微處理器就是一種電路系統(tǒng)。它結(jié)合了許多功能區(qū)塊，將功能做在一個(gè)芯片上，像是ARM RISC、MIPS RISC、DSP或是其他的微處理器核心，加上通信的接

5、口單元，像是通用串行端口（USB）、TCP/IP通信單元、GPRS通信接口、GSM通信接口、IEEE1394、藍(lán)牙模塊接口等等，這些單元以往都是依照各單元的功能做成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的處理芯片。（4）、嵌入式片上系統(tǒng)(System On Chip) 9SoC是追求產(chǎn)品系統(tǒng)最大包容的集成器件， SOC最大的特點(diǎn)是成功實(shí)現(xiàn)了軟硬件無(wú)縫結(jié)合，直接在處理器片內(nèi)嵌入操作系統(tǒng)的代碼模塊。運(yùn)用VHDL等硬件描述語(yǔ)言不需要再像傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)一樣，繪制龐大復(fù)雜的電路板，一點(diǎn)點(diǎn)的連接焊制，只需要使用精確的語(yǔ)言，綜合時(shí)序設(shè)計(jì)直接在器件庫(kù)中調(diào)用各種通用處理器的標(biāo)準(zhǔn)，然后通過(guò)仿真之后就可以直接交付芯片廠商進(jìn)行生產(chǎn)。 10由于S

6、OC往往是專用的，所以大部分都不為用戶所知，如 Philips的Smart XA。Siemens的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola聯(lián)合研制的Neuron芯片等。SOC芯片也將在聲音、圖像、影視、網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)邏輯等應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。11典型MCU內(nèi)部結(jié)構(gòu)122.1兩種體系結(jié)構(gòu)馮.諾依曼 體系結(jié)構(gòu)指令寄存器控制器數(shù)據(jù)通道輸入輸出中央處理器存儲(chǔ)器程序指令0指令1指令2指令3指令4數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)213指令的執(zhí)行周期T1）取指令（Instruction Fetch)：TF2）指令譯碼（Instruction Decode）：T

7、D3）執(zhí)行指令（Instruction Execute）：TE4）存儲(chǔ)（Storage）：TS每條指令的執(zhí)行周期：T= TF+TD+TE+TS14馮諾依曼體系的特點(diǎn)1）數(shù)據(jù)與指令都存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中2）被大多數(shù)計(jì)算機(jī)所采用3）ARM7馮諾依曼體系在馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)器是共享數(shù)據(jù)總線的。數(shù)據(jù)總線共享有很多優(yōu)點(diǎn)，比如減小總線的開(kāi)銷。另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于能夠把RAM映射到程序空間，這樣設(shè)備也能訪問(wèn)EEPROM中的內(nèi)存。15兩種體系結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)指令寄存器控制器數(shù)據(jù)通道輸入輸出中央處理器程序存儲(chǔ)器指令0指令1指令2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2地址指令地址數(shù)據(jù)16哈佛體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)1）程序存儲(chǔ)器與

8、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開(kāi)2）提供了較大的數(shù)存儲(chǔ)器帶寬3）適合于數(shù)字信號(hào)處理4）大多數(shù)DSP都是哈佛結(jié)構(gòu)5）ARM9是哈佛結(jié)構(gòu)17 對(duì)于哈佛體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)，程序和數(shù)據(jù)總線是分開(kāi)的。這種方式的優(yōu)勢(shì)在于能夠在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)讀取程序和數(shù)據(jù)，這樣就相應(yīng)地減少了執(zhí)行每一條指令所需的時(shí)鐘周期。早期的哈佛架構(gòu)的計(jì)算機(jī)是不能把查找表儲(chǔ)存在程序存儲(chǔ)器中的，而這個(gè)問(wèn)題在現(xiàn)在的大多數(shù)設(shè)備中已經(jīng)解決了。哈佛體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)中存在的另外一個(gè)問(wèn)題就是，如果要和外部的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行交互，對(duì)于兩部分存儲(chǔ)器來(lái)說(shuō)，由于地址總線和數(shù)據(jù)總線的相互獨(dú)立性，就需要額外增加大量的芯片管腳。因此，只有當(dāng)至少有一種存儲(chǔ)器的類型是內(nèi)部的情況下，微

9、處理器才會(huì)采用哈佛體系結(jié)構(gòu)。哈佛體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)182.1.2 數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)2.2.1 數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)DSP針對(duì)通信圖像語(yǔ)音和視頻等領(lǐng)域的算法設(shè)計(jì).包含單獨(dú)硬件乘法器,DSP采用改進(jìn)的哈佛架構(gòu)19DSP的基本概念 一個(gè)典型的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng) 微處理器是數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的核心部件，通常采用DSP芯片，也可采用其它處理器芯片 A/D與D/A轉(zhuǎn)換器建立起了數(shù)字世界與現(xiàn)實(shí)模擬世界之間的橋梁。20數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中 微處理器的選擇通用微型計(jì)算機(jī)（PC機(jī)） 普通單片機(jī)（如MCS-51、96系列等）用專用集成電路（ASIC） DSP處理器 優(yōu)點(diǎn)：編程容易，便于實(shí)現(xiàn)缺點(diǎn)：速度慢、成本高、體

10、積大，難以進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)處理和嵌入式應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)：成本低廉缺點(diǎn)：性能差、速度慢優(yōu)點(diǎn)：速度高、大規(guī)模生產(chǎn)成本低；缺點(diǎn)：開(kāi)發(fā)成本高、通用性差。針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的要求而設(shè)計(jì)，是數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用的主流芯片。優(yōu)點(diǎn)：靈活、高速、便于嵌入式應(yīng)用21DSP芯片的應(yīng)用領(lǐng)域基本信號(hào)處理數(shù)字濾波器、FFT、相關(guān)運(yùn)算、卷積運(yùn)算等等通信調(diào)制解調(diào)、數(shù)據(jù)加密壓縮等等 語(yǔ)音語(yǔ)音編碼、合成，語(yǔ)音識(shí)別等等軍事 -雷達(dá)信號(hào)處理、導(dǎo)航、導(dǎo)彈制導(dǎo)圖形與圖像 -圖像處理、壓縮、傳輸?shù)鹊葍x器儀表 -頻譜分析、函數(shù)發(fā)生等自動(dòng)控制引擎控制、自動(dòng)駕駛、機(jī)器人控制醫(yī)療助聽(tīng)器、超聲設(shè)備、監(jiān)護(hù)設(shè)備等等 家用電器 -數(shù)字電視、數(shù)字電話、智能游戲汽車 22處理器小結(jié)處理器分類232.2存儲(chǔ)器242.2存儲(chǔ)器NAND FLASH 與 NOR FLASH 區(qū)別（與非） （或非）252.3 接口與總線2.3.1 串口RS-232 RS-422 RS-485262.3 接口與總線I2C (內(nèi)置集成電路)連接微控制器及其外圍設(shè)備I2C總線支持多主控（）模式，任何能夠進(jìn)行發(fā)送和接收的設(shè)備都可以成為主設(shè)備。272.3 接口與總線USBUSB1.1 USB2.0 USB 3.0USB 物理拓?fù)?82.3 接口與總線USB 4種傳輸方式：（1）控制傳輸 雙向傳輸 數(shù)據(jù)量小 （2）同步傳輸 提供確定的帶寬