2.1 嵌入式系统硬件模块分析

嵌入式系统的开发涉及两个方面：硬件部分与软件部分。硬件部分提供整个系统开发可见的或可触摸的“实体”，而软件部分相当于这个“实体”内部的功能逻辑。这两个部分是缺一不可的。嵌入式系统的开发对硬件要求非常高，这与其他类型系统的开发有所不同。许多嵌入式的开发都是针对具体的应用，针对项目中特定的硬件资源，如微处理器、FLASH存储器、外围接口等。这样，开发人员就需要熟悉系统中的硬件资源，比如涉及一些底层编程，就需要知道系统处理器提供的指令集；要对外设驱动，就需了解外设的控制逻辑；要对FLASH存储器编程，就需要知道FLASH存储器编程的指令序列和编程流程等。

1．部件功能模块

在本节中主要以典型的智能手机为例，讲述手机设备中各个硬件模块及模块功能，所需的软件及软件所起的功能。手机功能部件如图2.1所示。

（1）无线功能：GPRS无线数据传输、通话、短消息、彩信；

（2）多媒体功能：彩色触摸屏、MP3、MP4、摄像头、立体声喇叭、支持蓝牙、支持TF卡、U盘、NAND FLASH、NOR FLASH；

（3）主处理器：ARM v5(ARM9内核集成)；

（4）外部接口：串口、USB接口、标准耳机；

（5）外部扩展：128pin的全功能接口（音频接口、SD卡、SIM卡、接口电压、USB、串口、按键、Camera、ADC、GPIO、并口等）；

（6）电池容量：一般为700mA·h（或更高）；

（7）内置天线；

智能手机平台采用“基带处理器+应用处理器”的双处理器结构，主要由无线通信模块、多媒体处理模块、视音频输出模块、CMMB（中国移动多媒体广播电视标准）接入模块等部分组成，其总体结构如图2.2所示。其中无线通信模块实现呼叫/接听、数据传输等基本通信功能和其他WiFi、蓝牙等无线功能，多媒体处理模块则用于处理高负荷的多媒体应用。

ARM v5基本都是ARM9架构，但也有部分采用Xscale架构。目前ARM架构里采用64位指令集，支持电脑CPU的MMX指令集的CPU架构。ARM v6指令集基本都是ARM11架构。中兴u880的采用ARM v5指令集的Xscale架构的pxa920,806MHz, CPU性能1130MIPS。而三星s5830的采用ARM v6指令集的ARM11架构的msm7227t,800MHz, CPU性能960MIPS。pxa920还要的略超过msm7227t。可见指令集不一定是高的强。

2．电路功能模块

在智能手机的硬件架构中，无线Modem部分只要再加一定的外围电路，如音频芯片、LCD、摄像机控制器、传声器、扬声器、功率放大器、天线等，就是一个完整的手机硬件电路，如图2.3所示。模拟基带(ABB)、语音信号引脚和音频编解码器芯片间进行通信，构成通话过程中的语音通道。从硬件电路的系统架构可以看出，功耗最大的部分包括主处理器、无线Modem、LCD和键盘的背光灯、音频编解码器和功率放大器。

（1）手机射频技术

手机射频部分由射频接收和射频发送两部分组成，其主要电路包括天线、无线开关、接收滤波、频率合成器、高频放大、接收本振、混频、中频、发射本振、功放控制、功放等。收发器是手机射频的核心处理单元，主要包括收信单元和发信单元，前者完成对接收信号的放大，滤波和下变频最终输出基带信号，通常采用零中频和数字低中频的方式实现射频到基带的变换；后者完成对基带信号的上变频、滤波、放大，主要采用二次变频的方式实现基带信号到射频信号的变换。当RF/IFIC接收信号时，收信单元接受自天线的信号(约800MHz～3GHz)经放大、滤波与合成处理后，将射频信号降频为基带，接着是基带信号处理；而RF/IFIC发射信号时，则是将20kHz以下的基带信号，进行升频处理，转换为射频频带内的信号再发射出去。

（2）基带处理器

基带处理器是移动电话的一个重要部件，相当于一个协议处理器，负责数据处理与储存，主要组件为数字信号处理器（DSP）、微控制器（MCU）、内存（SRAM、FLASH）等单元，主要功能为基带编码/译码、声音编码及语音编码等。

基带芯片可分为五个子块：CPU处理器、信道编码器、数字信号处理器、调制解调器和接口模块。基带芯片是用来合成即将发射的基带信号，或对接收到的基带信号进行解码。具体地说，就是发射时，把音频信号编译成用来发射的基带码；接收时，把收到的基带码解译为音频信号。同时，也负责地址信息（手机号、网站地址）、文字信息（短讯文字、网站文字）、图片信息的编译。

（3）电源管理系统

由于手机是能源有限的设备，所以电源管理十分重要。智能手机集成了许多新的功能，例如拍照、MPEG视频、集成PDA功能、蓝牙/WLAN和高速数据传输。新增的功能向手机设计师提出了更大的挑战，将直接面临更小尺寸和延长电池寿命的要求。这些趋势要求高集成度、低高度的电源管理功能器件和高转换频率的工作，在延长电池寿命的同时又不能牺牲效率。另外，开关稳压器靠近敏感的无线RF电路，会带来潜在的噪声和干扰问题。设计厂家设计出用于手机应用的电源管理系列器件，提供了高性能的仿真解决方案，帮助手机设计师解决这些现实问题。

（4）处理器

处理器是影响手机性能的最关键的因素，像德州仪器、高通、英伟达以及三星等主流的处理器厂商大部分采用ARM架构。ARM的设计是Acorn电脑公司（Acorn Computers Ltd.）于1983年开始的开发计划。1985年时开发出首款内核ARM1，经过三十年的发展，如今已经发展到运行速度可达2.5GHz的Crotex-A15核心。ARM9之前的ARM核心基本上都是应用在音乐播放器、游戏机、相机以及计算器等电子产品中。智能手机当中，诺基亚的大部分Symbian S60系统的智能手机，索尼爱立信K系列以及Walkman系列音乐手机，以及明基西门子和LG部分手机都采用了ARM926EJ-S内核。

Cortex-A9是性能很高的ARM处理器，可实现受到广泛支持的ARMv7体系结构的丰富功能。Cortex-A9处理器的设计旨在打造最先进的、高效率的、长度动态可变的、多指令执行超标量体系结构，凭借范围广泛的消费类、网络、企业和移动应用中的前沿产品所需的功能，它可以提供史无前例的高性能和高能效。

ARM Cortex-A15架构，ARM推出一款四核芯片，最快处理速度能够达到2.5GHz，这款芯片除了将手机CPU运行速度提升至2.5GHz以外，还可以支持超过4GB的内存。Cortex-A15 MPCore处理器具有无序超标量管道，带有紧密耦合的低延迟2级高速缓存，该高速缓存的大小最高可达4MB。浮点和NEON™媒体性能方面的其他改进使设备能够为消费者提供下一代用户体验，并为Web基础结构应用提供高性能计算。