嵌入式系统最小硬件组成详解：类比手机配置解读

选择嵌入式核心板，就和我们通过看配置挑选手机一样，重点关注的内容非常相像。

嵌入式设备犹如自定义的计算机类设备，具有强烈的可配置以及定制的性质，但是这里面又有一部分都通用的，被称为最小系统或者核心板。

嵌入式最小系统组成，类比手机配置：处理器、时钟、电源、存储、通用接口和调试接口

处理器

角色：对应手机内核处理器，嵌入式设备上有如STM32和ARM等微处理器，作为系统的核心，负责执行指令和控制其他硬件部件。

主要参数：

（1）可以是单核或多核处理器；智能手机等常使用多核处理器，分别用于处理不同的任务。

（2）CPU核的框架可能是ARM或MIPS，当前智能硬件工业使用ARM为主。

（3）除了CPU核还可能包含GPU核、DSP核。

举例：

国产芯片RK3399为例，CPU处理器采用big.LITTLE大小核架构，大核选用的是双核Cortex-A72，四小核选用的是Cortex-A53

时钟

角色：类似人体的心脏提供脉搏，芯片内部时钟源使用的RC振荡器，嵌入式设备上的外部时钟源使用的时钟晶振，常见的有32.768KHz低速晶振和24MHz高速晶振，为整个系统基本的时间控制和同步机制，为包括处理器和外围电路运作提供所需的时钟信号。

嵌入式设备时钟系统会包括多个时钟源和时钟分频器/倍频器，用于满足不同外设和内部电路的需求。

CPU工作频率（主频）通过时钟源倍频、分频得到。通过修改系统寄存器来完成设置。

时钟子系统指提供给SOC各外设组件时钟的树状结构。提供时钟模块叫做provider，包括时钟源、倍频、分频、多路选择、门控制，使用时钟的模块则称为consumer。

举例：

#cat /sys/kernel/debug/clk/clk_summary //查看时钟树

每个i2c都有两个时钟，一个是控制时钟clk_i2c，控制时钟只能从PLL分频得到；另一个是配置时钟pclk_i2c，配置时钟是从pclk_perilp1而来，自身只是门控制开关，不能进行频率修改。

电源

角色：类似人体供能单元，嵌入式设备有电源电路，低压差稳压器LDO把标压转换为系统电压，为系统提供稳定的电力供应。

供电有两种方式：一种是GPIO供电，另一种就是使用电源管理芯片管理供电、电源转换、电压调节和电源监控等。

类比手机的强制重启，复位电路设计中，通过复位芯片（如MAX811等）实现上电自动复位和手动复位，使系统可以在异常情况下能够正确重启。

电源管理中最重要的机制是Regulator电源机制，通过软件实现，Regulator是指在为其他模块供电的电源型设备，而被供电的模块则称为是consumer。

举例：

比如RK平台的电源管理芯片RK808，通过I2C控制实现了的三种工作模式的管理，PMIC通过normal模式管理系统正常运行；通过sleep模式管理系统休眠时需要待机来减低自身功耗；通过Shutdown模式管理系统下电流程。通过DTS设备树进行相关配置。

存储

角色：对应手机存储，嵌入式设备有如RAM、ROM、Flash等类型，存储操作系统、应用程序和数据。

手机配置中的内存是DRAM，存储指的是NAND flash；

内部存储DRAM作为系统运行所需的存储，存储系统和堆栈信息；内部部存储flash存储操作系统和用户程序；外部存储扩展系统的存储容量，如SD卡、硬盘等用于用户自定义存储内容。

举例：

使用DRAM（动态随机存取存储器）技术的包括DDR和LPDDR，当前处理器芯片片内中一般集成了DDRx的控制器。

使用nand flash技术的包括手机的存储和电脑的固态硬盘。

存储子系统MTD,为硬件和系统上层软件之间提供了一个抽象的接口，便于驱动开发，MTD的实现代码在/kernel/drivers/mtd/目录下。

SD卡存储是由早期的MMC演变而来的，通过软件设置，当插入SD卡时，自动为其挂载文件系统。软件中mmc卡的驱动文件是kernel/include/linux/mmc/host.h。

通用接口

角色：通过通用接口，才可以连接外部设备比如传感器、执行器、显示器等，实现最小系统与外部环境的交互。

常见类型：并口如GPIO，自定义外部连接；串口如UART；通信接口如以太网接口、USB、I2C、SPI等。

举例：

RK3399包含有五组可复用的GPIO接口。每组通过编号划分IO接口名，可通过软件设置上拉、下拉或者中断模式。

控制GPIO有两种方法，传统的做法时写一个单独的驱动程序去控制GPIO，另一种是在嵌入式系统中借助虚拟文件系统去控制GPIO。

#echo out > /sys/class/gpio/gpio12/directon //设置GPIO的输入或者输出的方向

调试接口

角色：类似生病扎针，嵌入式设备调试接口比如JTAG或者ADB接口，通过调试接口对系统进行调试和编程操作。

区别在于嵌入式开发一般会留足开发接口，比如串口以及USB。串口已经逐渐被淘汰，但台式机基本还是会保留串口。通过USB使用ADB功能，用于命令行基础调试。

首先要配置USB功能，可以debugfs文件系统查看USB设备信息：

#cat /sys/kernel/debug/usb/devices

小结

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结尾森哥总结，手机作为一类嵌入式设备，理解手机配置，就理解了嵌入式设备最小系统的构成，有助于我们聚焦核心，为项目挑选到适合的平台：

（1）ARM作为CPU内核，CLOCK时钟模块作为RK3399外部时钟源；

（2）PMU模块控制系统的整个电源管理，保证系统的有序、合理供电；

（3）DDR3存储模块为系统运行提供动态存储空间；SD卡存储模块作为主要的外部存储空间；

（4）GPIO作为基本的输入输出接口提供基本的通用IO功能；

（5）通过USB ADB模块实现Android程序的下载和调试。

作者：硬件学长森哥