【嵌入式硬件】芯片基础框架总览_嵌入式芯片资料

前言

我们一般说的嵌入式分为嵌入式硬件和嵌入式软件。一般针对嵌入式软件的定义：易裁切，可以面向定制化应用。系统软件的这些特性离不开嵌入式硬件的的庞大家族图谱。作为电子专业的大学生，学生时候就是从单片机到stm32再到ARM，今天重新全面的认识这些嵌入式硬件，芯片千千万太多庞大，今天我只梳理最核心的嵌入式处理器芯片和通信芯片，毕竟嵌入式软件的大部分工作也是在这些芯片上运行。

一、处理器架构

从大类来区分处理器芯片的话，首选是从芯片框架来展开，不同框架的芯片会因为其特性具有专门的用途。

二、芯片内部基础单元

了解了处理器框架之后，我们选择ARM框架的平台举例，比如RK3399主控芯片平台内CPU选择了具有使用ARM框架的Cortex-A72和Cortex-A53处理器核心。芯片内继续扩展构成，其基本的逻辑单元有以下部分。

1. 内存管理单元（Memory Management Unit, MMU）：MMU负责处理虚拟内存和物理内存之间的映射，它对于支持现代操作系统（如Linux）非常重要。
2. 缓存（Cache）：大多数现代处理器都包括一级（L1）和二级（L2）缓存来加速内存访问。某些处理器甚至包括三级（L3）缓存。
3. 浮点单元（Floating Point Unit, FPU）：如果处理器需要执行浮点运算，FPU是必需的。有些处理器可能不包括FPU，特别是低成本或低功耗的设计。
4. 直接内存访问单元（Direct Memory Access, DMA）：DMA控制器可以让硬件设备直接读写内存，无需通过CPU，从而降低CPU的负载。
5. 中断控制器（Interrupt Controller）：中断控制器负责管理来自外部设备的中断请求。
6. 定时器（Timers）：定时器用于生成定时信号或测量时间间隔。
7. 输入/输出（I/O）：嵌入式处理器通常包括一系列的I/O接口，例如GPIO（General Purpose Input/Output），I2C，SPI，UART，Ethernet，USB，PCIe等。
8. 电源管理（Power Management）：电源管理模块用于控制处理器的电源状态，包括睡眠模式，低功耗模式等。
9. 安全模块（Security Module）：许多现代的嵌入式处理器包括一个或多个安全模块，用于提供加密，解密，安全启动等功能。

三、芯片内专业模块

随着芯片领域的发展，芯片内部除了继承基本单元外，也会添加一些专用的IP以增强某些特定性能。

1. 图形处理单元（GPU, Graphics Processing Unit）：GPU用于处理图形和影像，尤其在需要进行大量并行计算时，它能提供高效的性能。例如，Raspberry Pi和NVIDIA Jetson等平台都包含一个GPU。
2. 神经网络处理器（NPU, Neural Processing Unit） 或AI加速器：这些专门的硬件加速器被设计用来加速深度学习和其他AI算法。比如，NVIDIA Jetson系列包含了一个深度学习加速器（DLA）。
3. 音频编解码器（AAC, Audio Codec）：处理音频信号，包括模拟和数字音频。AAC可能包括一个或多个数字音频接口（例如I2S），以及模拟音频输入和输出。
4. 视频编解码器（VPU, Video Processing Unit）：用于高效的视频压缩和解压缩，它们通常支持多种视频编码标准，如H.264，H.265等。
5. 图像信号处理器（ISP, Image Signal Processor）：用于处理从图像传感器（如摄像头）收集的原始图像数据。
6. 模拟-数字/数字-模拟转换器（ADC/DAC）：ADC用于将模拟信号转换为数字信号，DAC执行相反的操作。它们通常用于处理声音，电压，温度等物理量。
7. 射频接收/发射（RF Transceiver）：用于无线通信，如Wi-Fi，Bluetooth，LTE，5G等。
8. 场可编程门阵列（FPGA）：一些处理器可能包含一个集成的FPGA，这可以提供更大的硬件灵活性，例如Xilinx的Zynq系列。

如果是用于图像处理的芯片，在设计时会叠加除了ISP等专业IP模块，增强其性能，从而更好的应用于带摄像头的嵌入式设备中。

四、通信芯片

电子与通信不分家，如果你刚好从事通信行业，那就一定了解下面这些芯片。

1.现代无线通信网络

举个简单的栗子：比如在深圳部署LTE或5G网络。传统的方式，就是有一个BBU Hotel（或集中的BBU池）部署在城市中心。这个BBU Hotel包含多个BBU（基带单元Baseband Unit），每个BBU管理多个RRU（远程无线单元Remote Radio Unit）。然后在城市的各个区域，会安装RRU和天线。这些RRU常被安装在建筑物的屋顶等高点上。每个RRU都通过光纤与BBU Hotel中的一个BBU相连。

基带单元（BBU）：基带单元是处理信号的数字部分，包括编码、解码、调制、解调等过程。BBU通常被部署在一个集中的地方，可以管理多个RRU。BBU与RRU之间通过高速数字接口（一般是光纤）相连，这个接口通常被称为CPRI或者eCPRI。

远程无线单元（RRU）：RRU是基站的射频部分，它接收和发射无线信号。RRU通常被安装在靠近天线的地方，以减少射频信号在馈线上的损失。

2、通信领域芯片

基带处理器（Baseband Processor）：基带处理器是移动通信设备中的一个关键组件，主要负责处理无线通信协议栈的底层部分。它执行如解调、解码、编码、调制等操作，同时也处理信号质量、功率控制以及移动性管理等任务。基带处理器需要在高性能和低功耗之间找到平衡。在现代的智能手机和其他移动设备中，基带处理器通常会与应用处理器（AP）集成在一起，形成所谓的SoC（System on Chip）。如高通的Snapdragon系列和华为的海思麒麟系列。

射频芯片（RF Chip）：射频芯片是无线通信设备的另一个关键组件，它负责在设备与无线网络之间转换信号。射频芯片包括射频放大器、射频接收器、射频转换器等元件。这些元件需要在效率、功率、尺寸和成本之间找到平衡。射频芯片对于5G、WiFi、Bluetooth等无线技术来说是至关重要的。

网络处理器（Network Processor）：网络处理器是网络设备如路由器、交换机、防火墙等的关键组件，主要用于快速处理网络数据包。网络处理器需要在高吞吐量、低延迟和可编程性之间找到平衡。例如思科的Silicon One系列和NXP的QorIQ系列。

3、PowerPC

根据我之前的相关经验，通信芯片一般都是使用PowerPC，如果有志于从事相关领域可以关注以下厂商的代表平台：

编者说：作为通信领域的嵌入式开发，一般常涉及三类平台：BP基带处理器、AP应用处理器和CP协处理器。所以在该领域除了接触使用通用微处理和微控制器外，还会遇到网络处理器：例如Broadcom的Trident系列，和NXP的QorIQ系列，以及通信专用芯片：例如射频芯片，基带芯片，同时也会有专门的Xilinx **FPGA（现场可编程门阵列）**的需求。从软件系统开发的角度，相比其他的嵌入式方向，会更加注重通信协议栈实现。

VX公众号：森哥谈成像技术

结尾森哥想说：如果你从事嵌入式相关领域，初时选择一个代表性的平台，熟练的研究其资料，后期跟随项目更换自然就容易触类旁通。不管是从事硬件还是软件，芯片datasheet永远是第一手的资源。硬件设计的第一步是选择芯片平台，软件设计的第一步也是了解其芯片平台，然后才能选择适合的软件系统平台，所以这里结合编者的部分经验进行了总结，希望帮助到你有个系统的了解。