嵌入式驱动开发必备硬件知识

 在嵌入式领域，可分为硬件开发和软件开发。对于软件开发又可分为底层开发(模块驱动编写，uboot,内核)，上层开发(应用，QT)。 作为一名软件驱动开发的工程师，我们不需要去设计硬件的原理图，PCB。我们只需看懂硬件开发人员提供的硬件模块时序就行了，但是我们应该也需了解如下硬件知识。

一)处理器

1，可分为通用处理器(单片机，ARM)，数字处理器(DSP)，其他专用处理器(FPGA)

在通用处理器领域中，采用的内核有51，AVR，PIC，ARM。在当今通用处理器芯片大多数采用ARM架构并且多采用SOC的芯片设计方法，集成了各种功能模块(图形处理器，视频解码器，浮点协处理器，GPS，WIFI等)，每一种功能都是由硬件描述语言设计程序，然后在Soc内由电路连接实现。

主流的ARM移动处理芯片供应商有：高通，三星，英伟达，美满，联发科，海思(哪个国家的?尴尬了)。

中央处理器的体系结构：冯.诺依曼结构(程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储结构)，哈佛结构(程序指令存储器和数据存储器分开的存储结构)。

指令集：RISC(精简指令集计算机)和CISC(复杂指令集计算机)。CISC强调增强指令的能力，减少目标代码数量，但指令复杂，指令周期长。RISC强调尽量减少指令集，指令单周期执行，但是目标代码会更大。ARM，MIPS等内核CPU都采用了RISC指令集。

2，数字信号处理器：针对通信，图像，语音，视频处理等领域的算法设计。它包含的硬件乘法器，DSP的乘法指令一般在单周期内完成，且优化了卷积，数字滤波，FFT，相关矩阵运算等算法中的大量重复乘法。

德州仪器(TI)，美国模拟器件公司(ADI)是全球DSP的两大主厂商。

3，其他专用处理器：为某种应用的特定设计。采用ASIC，CPLD/FPGA等实现。 在实际项目的硬件方案中，往往会根据应用的需求方案选择通用处理器，数字处理器，特定领域处理器，CPLD/FPGA或ASIC之一的解决方案，在复杂系统中，这些芯片可同时存在，协同合作，各自发挥自己的长处。(ARM+DSP+FPGA)。

二 存储器

存储器主要可分为只读存储器(ROM)，闪存(Flash),随机存取存储器(RAM)。

1，ROM在可细分为：不可编程ROM ，可编程ROM，电可擦除可编程ROM(E2PROM)，它可完全用软件来擦写。

2，FLASH可分为NOR(或非)，NAND(与非)两种，Intel于1988年首先开发出Nor flash 技术，紧接着1989年，东芝发表了NAND flash结构，彻底改变了原先的EPROM，EEPROM垄断的地位。

Nor Flash：程序可直接在nor中执行，支持位擦写，支持SPI接口，存储量小。

Nand Flash:储存量大，页擦除，占用的I/O多。

3，RAM可分为静态RAM和动态RAM。动态RAM储存在电容中，擦写速度快，由于电容器有漏电现象，因此需要定期刷新。静态RAM不需要定期刷新电路，储存速度慢。(好坏，快慢都是相比较而言的)

4，其他 嵌入式系统中往往还有些特定类型的RAM

双端口RAM：具有两套完全独立的地址，数据总线，用于两个处理器之间的数据交互，具有同时读写的的功能。

内容寻址RAM(CAM)：以内容进行寻址的存储器，是一种特殊的存储阵列RAM，它的主要工作机制就是同时将一个输入的数据与存储在CAM中的所有数据自动进行比较，判断该输入数据项与CAM中存储单元的数据项是否相匹配，并输出该数据项对应的匹配信息。

FIFO：先进先出队列：特点是先进先出，进出有序,FIFO多用于数据缓冲。

三 接口与总线

1，串口：RS-232是一种单机发送，多机接收的单向，平衡传输规范，后来发展的RS-422改进了RS232通信距离短，通信速度慢的特点，在RS-485中，又增加了多点，双向通信能力，即允许多个发送器连接在一条总线上。串口电路组成部分：CPU---UART--RS-232芯片---连接器(接口芯片)。

2，I2C

I2C总线是由Philips公司开发的两线式串行总线，产生于20世纪80年代，用于连接微控制器及外围设备。I2C总线支持多主控，但需要注意的是在任意时刻只能有一个主控。

相应时序：当SCL稳定在高电平时，SDA由高向低的变化将产生一个开始位，而且由低到高变化，则产生一个停止位。(都有注主设备产生)

在选择设别时：主设备需要首先发送一个字节的地址信息，前7位代表地址信息，最后一位代表读写信息。

数据通信：在第9个上升沿来到之前，从设备应该发出一个ACK位。结束时，SCL稳定保持在高电平期间，SDA从低向高，产生停止信号。

3 SPI

SPI总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使CPU与各种外围设别以串行的方式进行通信。SPI接口一般使用4条线，串行时钟线，主机输入/从机输出数据线(MOSI)，主机输出/丛机输入线(MOSI)，和低电平有效的数据选择线(SS)。

4 USB

USB:具有数据传输高，易扩展，支持热插拔等特点。在USB1.1中传输速度有12Mbit/s,在USB2.0中，传输速率达到480Mbit/s。在USB3.0中，传输速率甚至高达5.0Gbit/s。在USB2.0总线的机械连接非常简单，采用4芯的屏蔽线，一对差分线(D+,D-)传输信号，另一对(VBUS，电源地)传送+5v的直流电。

5 以太网接口

以太网接口由MAC(以太网媒体接入控制器)和PHY(物理接口收发器)组成。以太网MAC由IEEE802.3以太网标准定义，实现数据链路层。常用的MAC支持10Mbit/s和100Mbit/s两种速率。吉比特网是快速以太网的下一代，速度将高达1000Mbit/s.

6 PCI和PCI-E

PCI是一种局部总线，作为一种通用的总线接口标准，它目前在计算机系统中得到了非常广泛的应用。

7 SD和SDIO

SD是一种关于FLASH的储存卡的标准，也就是一般常见的SD记忆卡，在设计上与MMC保持兼容。

SDIO在SD标准的基础上，定义了储存卡以外的外设接口。

四 CPLD和FPGA

CPLD由完全可编程的与或门阵列以及宏单元构成。 与CPLD不同，FPGA(现场可编程门阵列)基于LUT(查找表)工艺。CPLD和FPGA的主要厂商有Altera,Xilinx和Lattice等，它们专门的开发流程，在设计阶段使用HDL编程。它们可实现许多复杂功能，如实现USART，I2C等I/O控制芯片，通信算法，音视频解码算法等。甚至还可以直接集成ARM等CPU内核和外围电路。对于驱动工程师而言，我们就直接把它看成由很多逻辑门(与 或 非)组成的可完成一系列功能的芯片。如果完成的功能是CPU，我们就直接把它看成是CPU。驱动工程师眼里的硬件要比IC设计师要宏观。