安全基础--18--嵌入式基础之系统硬件

1、嵌入式系统硬件组成

嵌入式最小硬件系统：

概念： 由嵌入式处理芯片、电源电路、时钟电路、复位电路、存储器、调试测试接口组成
电源电路： 需要考虑电压、电流、电磁兼容、体积、功耗、成本等因素
时钟电路： 由晶体振荡器（晶振）和电容组成
复位电路： 复位引脚为nRESET或RESET，n表示低电平复位，不带n的表示高电平复位
JTAG（联合测试行动小组缩写）测试接口： 是一种国际标准测试协议，JTAG接口是开发调试嵌入式系统的一种有效手段

典型嵌入式硬件系统：

概念： 由嵌入式最小硬件系统、前向通道、后向通道、人机交互通道、相互互联通信通道组成
前向通道： 即输入接口，由模拟量输入接口和数字量输入接口组成
后向通道： 即输出接口，由模拟输出接口和数字输出接口组成
人机交互通道： 包括键盘或触摸屏输入接口以及LED或LCD显示输出接口
相互互联通道： 包括RS-232/RS-485串行通信接口、CAN通信接口、以太网通信接口、USB通信接口

2、ARM的AMBA总线

ARM公司定义的总线规范，全称是高级微控制器总线体系结构（AMBA）。用于连接和管理片上系统（SoC）中功能模块的开放标准和片上互联规范。截至写稿，最新版本是第5版

3、基于ARM内核的嵌入式芯片一般硬件组成：

并不是所有芯片都具有该图中的各种组件，图中列出的这些硬件组件是许多典型芯片常用的硬件组件

存储器及控制器：
用于管理和控制片内的SRAM（片内数据存储器）、ROM、Flash ROM（片内程序存储器）等。

中断控制器：
负责对其他硬件组件的中断请求进行管理和控制，一般采用向量中断（VIC，可以区分中断的优先级）或嵌套向量中断（NVIC，可以抢占优先级）方式管理中断。

DMA控制器：
可以将数据块从外设传输至内存、从内存传输至外设或从内存传输至内存。数据传输过程不需要CPU参与。

电源管理与时钟控制器：
电源管理主要有正常工作模式、慢时钟模式、空闲模式、掉电模式、休眠模式、深度休眠模式等，以控制不同组件的功耗。时钟控制器负责对时钟的分配，产生不同频率的定时时钟供片内各组件作为同步时钟使用。

GPIO端口：
即输入/输出端口，作为通用的输入或输出端口使用。输入时有缓冲功能，输出时有锁存功能。也可以作为双向I/O使用。

定时计数组件：
包括看门狗定时器（WDT，能使系统进入错误状态后的一定时间内复位）、Timer通用定时器（用于一般定时）、RTC（使系统拥有自己独立的日期和时间）、脉冲宽度调制器（PWM）

模拟通道组件：
包括ADC（模拟到数字的转换器）和DAC（数字到模拟的转换器），有的还带有比较器（当正端电压高于负端电压时，输出电压值接近正电源电压，反之输出电压接近负电源电压）。

互联通信组件：
主要包括UART（标准的串行通信接口）、I2C（集成电路互联的一种总线标准）、SPI（串行外设接口）、CAN（控制器局域网）、USB（通用串行总线）、Ethernet（以太网通信接口）。

4、嵌入式系统的存储器

存储器层次结构：
对于CPU使用最频繁的少量的程序代码和数据用SRAM作为高速缓冲存储器（cache，又分为一级cache和二级cache）存放，正在运行中的程序的大部分数据和代码存放在主存储器（内存）中，尚未启动运行的其余程序或数据则存放在容量大的外部存储器如磁盘中待命。

存储器分类：

存储器指标：
容量：内存容量中，各容量单位之间的关系是1024倍表示。外存容量中，各容量单位之间的关系是1000倍表示。

5、I/O接口

通用输入输出接口：GPIO

所有的嵌入式处理器内部均集成了通用输入输出接口，GPIO接口提供的输入具备缓冲功能，而输出均具有锁存功能。GPIO一般具有三种形态，即0态，1态，高阻状态。
输入时通过I/O引脚将数据0或1经S1施密特触发器进入输入数据寄存器。输出时处理器将数据送到输出数据寄存器，且只要输出控制不变，输出状态结果也保持不变（锁存功能）。

集成电路互连总线接口：I2C

用于连接嵌入式处理器及其外围器件，它是广泛采用的一种串行半双工传输的总线标准。I2C总线只有两条信号线，一条是数据线SDA，另一条是时钟线SCI，所有操作都通过这两条信号线完成。
SCL高/SDA高转低 SCL产生时钟信号，SDA开始传输数据
SCL高/SDA低转高总线停止工作，恢复空闲状态

串行外设接口：SPI

是一种同步串行外设接口，允许嵌入式处理器与各种外围设备以串行的方式进行通信、数据交换。基于SPI接口的外围设备主要包括Flash ROM、RAM、A/D转换器、网络控制器、MCU等。
SPI系统与外围器件相连一般使用4条线：串行时钟线SCK、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI、低电平有效的从机输入数据线MOSL。

串行异步通信接口：UART

常用于全双工串行异步通信，所有的嵌入式处理芯片内部均集成了兼容标准UART功能的组件。UART由发送器、接收器、控制单元、波特率发生器构成。

通用串行总线：USB

是一种外部总线接口标准，用于规范系统与外部设备的连接和通信，USB总线接口支持设备的即插即用和热插拔功能。
USB系统由USB硬件和USB软件组成。USB硬件中的USB主控制器包括一根集线器，它使得一个USB端口最多可以连接127个外部设备。USB软件主要是相关的驱动程序。

USB Type-A 是我们最常见的USB接口，主要用在电脑，充电器，鼠标，键盘，U盘等设备上。
USB Type-B 主要用在打印机等设备上，没有type-A接口常见。
USB Type-C 是一种USB的硬件接口规范，最高传输速度20Gpbs，支持USB接口的双面插入。

高清多媒体接口：HDMI

是一种数字化音频/视频接口，适合影像传输。支持即插即用。
HDMI有几种连接器接口形式：一种是19针（HDMI Type-A）；另一种是29针（HDMI Type-B），29针支持双通道连接；还有一种是19针（HDMI Type-C），俗称mini-HDMI，相当于缩小版的HDMI Type-A；最后一种是19针（HDMI Type-D），俗称Micro HDMI接口，比19针mini-HDMI接口小50%左右.

6、嵌入式系统外部通信接口

基于UART的接口：

RS-232接口
采用标准的RS-232电平转换接口电路，使UART的电平转换成RS-232电平，通信距离就可以达到15米左右。无法消除共模干扰。
RS-232采用负逻辑传输。逻辑0：+3V - +15V，逻辑1：-15V - -3V

RS-485接口
采用差分信号传输方式（差分信号一定要走两根等长、等宽、紧密靠近、且在同一层面的线），具有很强的抗共模干扰能力，传输距离可达到1200米。
但同一时刻不能有两个或两个以上的系统/设备处于发送状态。

CAN总线接口
采用差分传输，控制器内置CRC校验，传输可靠性强，可构成多主多从系统，即同一时刻允许多个主机同时进行数据传输。
CAN总线的数据帧由7个不同的域组成：帧起始、仲裁域、控制域、数据域、CRC域、应答域、帧结尾。其中数据域的长度可选为0-8B。

以太网通信接口

基于内置以太网控制器的以太网接口、不带内置以太网控制器的以太网接口

常用无线通信接口

主要包括GPS模块、北斗模块、GPRS模块、Wi-Fi模块、蓝牙模块