ch2-Linux设备驱动设计的硬件基础

2Linux设备驱动设计的硬件基础李国斌[e-mail]资料共享：115网盘用户名：21339555([e-mail])密码：iihfuuLinux内核编程与驱动开发2.1处理器•2.2.1通用处理器概念•通用处理器（GPP）•嵌入式微控制器（MCU）•微处理器（MPU）•片上系统（SoC）•主流嵌入式CPU•ARM•MIPS•PowePC嵌入式处理器嵌入式微控制器（MCU）嵌入式DSP处理器(DSP)嵌入式微处理器(MPU)嵌入式片上系统(SystemOnChip)（1）、嵌入式微控制器嵌入式微控制器的典型代表是单片机，这种８位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各种必要功能和外设。微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从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统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。由于MCU低廉的价格，优良的功能，所以拥有的品种和数量最多，比较有代表性的包括8051、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K系列以及MCU8XC930/931、C540、C541，并且有支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列。近来Atmel推出的AVR单片机由于其集成了FPGA等器件，所以具有很高的性价比，势必将推动单片机获得更高的发展。（2）、嵌入式DSP处理器•DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，在数字滤波、FFT、频谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。•DSP的理论算法在70年代就已经出现，但是由于专门的DSP处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过MPU等由分立元件实现。1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。DSP的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。•目前最为广泛应用的嵌入式DSP处理器是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的应用范围。MPU嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。（3）嵌入式微处理器（MicroProcessorUnit)和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。SoC就是SystemonChip，SoC嵌入式系统微处理器就是一种电路系统。它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上，像是ARMRISC、MIPSRISC、DSP或是其他的微处理器核心，加上通信的接口单元，像是通用串行端口（USB）、TCP/IP通信单元、GPRS通信接口、GSM通信接口、IEEE1394、蓝牙模块接口等等，这些单元以往都是依照各单元的功能做成一个个独立的处理芯片。（4）、嵌入式片上系统(SystemOnChip)SoC是追求产品系统最大包容的集成器件，SOC最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。运用VHDL等硬件描述语言不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点点的连接焊制，只需要使用精确的语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。由于SOC往往是专用的，所以大部分都不为用户所知，如Philips的SmartXA。Siemens的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。SOC芯片也将在声音、图像、影视、网络及系统逻辑等应用领域中发挥重要作用。典型MCU内部结构2.1两种体系结构•冯.诺依曼体系结构指令寄存器控制器数据通道输入输出中央处理器存储器程序指令0指令1指令2指令3指令4数据数据0数据1数据2指令的执行周期T1）取指令（InstructionFetch)：TF2）指令译码（InstructionDecode）：TD3）执行指令（InstructionExecute）：TE4）存储（Storage）：TS每条指令的执行周期：T=TF+TD+TE+TS冯·诺依曼体系的特点1）数据与指令都存储在存储器中2）被大多数计算机所采用3）ARM7——冯诺依曼体系在冯·诺依曼体系结构中，数据和程序存储器是共享数据总线的。数据总线共享有很多优点，比如减小总线的开销。另外一个优点在于能够把RAM映射到程序空间，这样设备也能访问EEPROM中的内存。两种体系结构•哈佛结构指令寄存器控制器数据通道输入输出中央处理器程序存储器指令0指令1指令2数据存储器数据0数据1数据2地址指令地址数据哈佛体系结构的特点1）程序存储器与数据存储器分开2）提供了较大的数存储器带宽3）适合于数字信号处理4）大多数DSP都是哈佛结构5）ARM9是哈佛结构•对于哈佛体系结构的计算机，程序和数据总线是分开的。这种方式的优势在于能够在一个时钟周期内同时读取程序和数据，这样就相应地减少了执行每一条指令所需的时钟周期。早期的哈佛架构的计算机是不能把查找表储存在程序存储器中的，而这个问题在现在的大多数设备中已经解决了。•哈佛体系结构计算机中存在的另外一个问题就是，如果要和外部的程序和数据存储器进行交互，对于两部分存储器来说，由于地址总线和数据总线的相互独立性，就需要额外增加大量的芯片管脚。因此，只有当至少有一种存储器的类型是内部的情况下，微处理器才会采用哈佛体系结构。哈佛体系结构的特点2.1.2数字信号处理器(DSP)•2.2.1数字信号处理器(DSP)•DSP针对通信\图像\语音和视频等领域的算法设计.包含单独硬件乘法器,•DSP采用改进的哈佛架构DSP的基本概念一个典型的数字信号处理系统抗混叠滤波A/D微处理器平滑滤波D/Ax(t)x(n)y(n)y(t)微处理器是数字信号处理系统的核心部件，通常采用DSP芯片，也可采用其它处理器芯片A/D与D/A转换器建立起了数字世界与现实模拟世界之间的桥梁。数字信号处理系统中微处理器的选择通用微型计算机（PC机）普通单片机（如MCS-51、96系列等）用专用集成电路（ASIC）DSP处理器优点：编程容易，便于实现缺点：速度慢、成本高、体积大，难以进行实时信号处理和嵌入式应用优点：成本低廉缺点：性能差、速度慢优点：速度高、大规模生产成本低；缺点：开发成本高、通用性差。针对数字信号处理的要求而设计，是数字信号处理系统设计中采用的主流芯片。优点：灵活、高速、便于嵌入式应用DSP芯片的应用领域基本信号处理—数字滤波器、FFT、相关运算、卷积运算等等通信—调制解调、数据加密压缩等等语音—语音编码、合成，语音识别等等军事--雷达信号处理、导航、导弹制导图形与图像--图像处理、压缩、传输等等仪器仪表--频谱分析、函数发生等自动控制—引擎控制、自动驾驶、机器人控制医疗—助听器、超声设备、监护设备等等家用电器--数字电视、数字电话、智能游戏汽车处理器小结•处理器分类2.2存储器2.2存储器•NANDFLASH与NORFLASH区别•（与非）（或非）NANDFLASHNORFLASH不可片内执行可片内执行，程序可直接运行容量较大，价格较低。每块最大擦写次数达100万次最大擦写次数达10万次容易出现坏区，所以需要有校验的算法。电器特性需要错误探测、更正FLASH芯片拥有独立的数据总线和地址总线，能快速随机读取。NANDflash以页为单位读写数据，而以块为单位擦除数据。同CPU接口需要相应的控制电路进行转换包括数码相机、MP3随身听记忆卡、体积小巧的U盘等。2.3接口与总线•2.3.1串口•RS-232RS-422RS-4852.3接口与总线•I2C(内置集成电路)•连接微控制器及其外围设备•I2C总线支持多主控（）模式，任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主设备。2.3接口与总线•USB•USB1.1USB2.0USB3.0•USB物理拓扑2.3接口与总线•USB4种传输方式：•（1）控制传输•双向传输数据量小•（2）同步传输•提供确定的带宽和间隔时间语音、视频传输•（3）中断传输•单向传输键盘、游戏杆、鼠标••（4）批量传输•打印机、扫描仪2.3接口与总线•2.3.4以太网接口•2.3.5ISA(工业总线标准)•2.3.6PCI（外围设备互联）和cPCI2.5原理图分析•举例，如何利用原理图、芯片手册2.7芯片手册阅读方法•举例，如何利用原理图、芯片手册