嵌入式系统架构浅谈:硬件的选型(一) ——-主控芯片

这篇文章主要对嵌入式系统,单片机这块谈一下嵌入式系统的架构。因网上的资料较少,本人在学习的过程中不时会有无具体方向的困惑,偶然得到高人指点,现记录下来,作为系统架构师之路的第一步路。

不少人认为架构是需要有一定工作经验才能学习的高级课程,其实如果能够熟悉架构,对自己的发展会有莫大的提升,会使得自己对程序系统的理解深入。学习架构能够更好的帮助对程序设计

该篇着重于列出硬件的区别,对嵌入式硬件的一个选型。嵌入式程序员与其他程序员最大的区别,在于前者需要与硬件打交道,只有对硬件的熟悉,才能掌控自己的系统。


1. 嵌入式的主控MCU选型

微控制单元(Microcontroller Unit;MCU) ,又称单片微型计算机(Single Chip Microcomputer )或者单片机。就是我们常说的主控芯片

1.1 操作处理数据位8位、16位、32位区别

按其基本操作处理的数据位数分类:分为1位、4位、8位、16位、32位甚至64位单片机。平时较多使用8位,16位和32位的单片机。这哥位数是指CPU处理的数据的宽度,参与运算的寄存器的数据长度。直观的说明,例如:C语言中定义一个int型变量,在8位的系统中,一次只能处理8位数据,int型变量占用两个字节,就需要两个寄存器来操作。对比32位的系统,一次能处理32位数据,int型变量占用4个字节,只需要一个寄存器操作。简单说32位的系统会比8位系统处理能力有显著的优势。

  1.  8位MCU工作频率在16~50MHz之间,强调简单效能、低成本应用,在目前MCU市场总值仍有一定地位,而不少MCU业者也持续为8bit MCU开发频率调节的节能设计,以因应绿色时代的产品开发需求。
  2.  16位MCU,则以16位运算、16/24位寻址能力及频率在24~100MHz为主流规格,部分16bit MCU额外提供32位加/减/乘/除的特殊指令。由于32bit MCU出现并持续降价及8bit MCU简单耐用又便宜的低价优势下,夹在中间的16bit MCU市场不断被挤压,成为出货比例中最低的产品。
  3.  32位MCU可说是MCU市场主流,单颗报价在1.5~4美元之间,工作频率大多在100~350MHz之间,执行效能更佳,应用类型也相当多元。但32位MCU会因为操作数与内存长度的增加,相同功能的程序代码长度较8/16bit MCU增加30~40%,这导致内嵌OTP/FlashROM内存容量不能太小,而芯片对外脚位数量暴增,进一步局限32bit MCU的成本缩减能力。

1.2 存储器类型

按其存储器类型可分为无片内ROM型和带片内ROM型两种。对于无片内ROM型的芯片,必须外接EPROM才能应用(典型芯片为8031)。带片内ROM型的芯片又分为片内EPROM型(典型芯片为87C51)、MASK片内掩模ROM型(典型芯片为8051)、片内FLASH型(典型芯片为89C51)等类型。

而存储器的结构可分为哈佛(Harvard)结构和冯.诺依曼(Von Neumann)结构。现在的单片机绝大多数都是基于冯·诺伊曼结构的,这种结构清楚地定义了嵌入式系统所必需的四个基本部分:一个中央处理器核心,程序存储器(只读存储器或者闪存)、数据存储器(随机存储器)、一个或者更多的定时/计时器,还有用来与外围设备以及扩展资源进行通信的输入/输出端口,所有这些都被集成在单个集成电路芯片上。

片内的存储器多用于可执行程序的存储。对存储器的要求,需要先对可执行程序的大小做个评估,如果使用BootLoader,则需要考虑两个程序的大小。Bootloader的程序设计一般使用一下两种:

  1.  在Bootloader程序里对应用程序的升级。
  2.  在应用程序先将待升级的程序放在备份区,然后系统重启后,把备份区的程序升级。相比第一种优势可以防止升级过程出现错误导致程序崩溃,但是需要多一个程序存储的空间。

(题外话:升级需要考虑升级过程的数据错误或使用不适应程序升级。)

另需要考虑产品是否需要对数据存储,存储的大小,然后考虑是否选择片内空间更大的芯片,或者使用空间小的芯片加外部存储器。


1.3  ARM7,ARM9和ARM11概念

我们常用的STM32F1系列其实是基于ARM的Cortex-M3内核,而Cortex-M3处理器采用的是ARMv7-M(增强型ARM7)架构。

这里有一文章,详细的写出了ARM内核的区别和各种内核的解析。

https://blog.csdn.net/sagane/article/details/9388333?utm_medium=distribute.pc_relevant_t0.none-task-blog-BlogCommendFromMachineLearnPai2-1.channel_param&depth_1-utm_source=distribute.pc_relevant_t0.none-task-blog-BlogCommendFromMachineLearnPai2-1.channel_param

下面这个文章写的是Cortex-M家族的差异。

https://www.sohu.com/a/136496694_132567

本文这里着重写的选型,我们在对MCU选型需要考虑到(不全):

  1. 是否需要linux系统,linux系统需要MMU(它主要包括两个功能:一是支持虚拟/物理地址映射,二是提供不同存储器地址空间的保护机制)的支持,所以不具备MMU的芯片是不支持linux系统。
  2. 是否支持浮点运算。
  3. 是否需要低功耗模式。
  4. 支持的中断。
  5. 芯片的面积大小。
  6. ………(等等)

1.4  其他

其他需要考虑特定的情况,根据不同的外设,选择不同的接口。

  1. 串口的数量。
  2. 是否需要DMA。
  3. 是否需要CAN接口。
  4. 否是需要SDRAM。
  5. ……..(这里根据不同情况考虑,因素太多无法全部列举)

 

本文只是个人的一些经验总结,若能够给您带来帮助,我也能感到一丝丝的欣慰。若您能发现文中的错误或不足之处,还请您指出。谢谢!

 

 

本文由 @崔任远[Vip] 发布于 职涯宝 ,未经作者许可,禁止转载,欢迎您分享文章

发表评论

登录后才能评论
小程序
小程序
微信客服
微信客服
QQ客服 建站服务
分享本页
返回顶部