對(duì)于設(shè)計(jì)人員而言，根據(jù)應(yīng)用的性能、電源、存儲(chǔ)器以及接口要求尋找特定的嵌入式處理器是一項(xiàng)令人生畏的艱巨任務(wù)，因?yàn)榧幢闶窍嗨频南到y(tǒng)也存在著顯著的差異。盡管ARM處理器提供十幾種選擇，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員卻很難找到“完美的搭配”。
本文將重點(diǎn)介紹各種標(biāo)準(zhǔn)接口，并揭示它們對(duì)不同嵌入式芯片廠商的區(qū)別所在。了解基本接口可幫助設(shè)計(jì)人員優(yōu)先考慮哪些接口應(yīng)為片上（on-chip）。不過，雖然標(biāo)準(zhǔn)接口具有很高的使用價(jià)值，但為了提供額外的片上資源，也需要可定制的片上接口。本文將介紹兩種這樣的外設(shè)模塊。
USB
通用串行總線（USB）接口最初的開發(fā)目的是用來連接個(gè)人計(jì)算機(jī)與外設(shè)。隨著時(shí)間的推移，它已經(jīng)成為工業(yè)與基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用的常用接口。諸如鍵盤、鼠標(biāo)以及示波器等人機(jī)接口設(shè)備（HID）通常都采用USB接口，這就意味著它必須得到系統(tǒng)嵌入式處理器的支持。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最有效方法是采用片上外設(shè)。
除了HID之外，工業(yè)與基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用還可以使用另外兩種設(shè)備。USB通信設(shè)備類（CDC）不但適用于調(diào)制解調(diào)器與傳真機(jī)，而且還可通過提供用于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包傳輸?shù)慕涌趤碇С趾?jiǎn)單的聯(lián)網(wǎng)。同樣，USB大容量存儲(chǔ)設(shè)備（MSD）主要針對(duì)硬盤驅(qū)動(dòng)器及其它存儲(chǔ)介質(zhì)。
USB 2.0規(guī)范要求主機(jī)初始化所有向內(nèi)及向外的傳輸。此外，該規(guī)范還定義了三種基本設(shè)備：主機(jī)控制器、集線器以及外設(shè)。
USB 2.0的物理互連是一種在每個(gè)星型中心使用一個(gè)集線器的分層星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。每條線段都是一個(gè)主機(jī)與集線器或功能之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，或者是一個(gè)連接至另一個(gè)集線器或功能的集線器。
USB 2.0系統(tǒng)中用于設(shè)備的尋址方案可實(shí)現(xiàn)單個(gè)主機(jī)連接多達(dá)127個(gè)設(shè)備。這127個(gè)設(shè)備可以是集線器或外設(shè)的任何組合。復(fù)合或組合設(shè)備可以是這127個(gè)設(shè)備中兩個(gè)或兩個(gè)以上的設(shè)備。
雖然USB 2.0很可能是工業(yè)和許多基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用的首選，但外設(shè)設(shè)備需要在沒有主機(jī)參與的情況下彼此通信時(shí)，還需要部署移動(dòng)USB（USB OTG）。為了實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，USB OTG引入了一種新的設(shè)備，這類設(shè)備包含可為兩個(gè)外設(shè)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的限制主機(jī)功能。
OTG補(bǔ)充方案定義了一套新的、稱之為主機(jī)協(xié)商協(xié)議（HNP）的握手方式。使用HNP，能夠作為默認(rèn)外設(shè)連接的設(shè)備可請(qǐng)求成為主機(jī)。這有助于現(xiàn)有USB 2.0主機(jī)設(shè)備范例提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。另外還定義了會(huì)話請(qǐng)求協(xié)議（SRP）。
USB具有可靠標(biāo)準(zhǔn)的普及性與極高地位，可向嵌入式處理器廠商提供專門針對(duì)USB功能的軟件庫，從而可大幅縮短開發(fā)時(shí)間。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員不必編寫自己的代碼，只需進(jìn)行功能調(diào)用，便可實(shí)施接口。
這些庫應(yīng)通過認(rèn)證，證明已通過了USB實(shí)施人員論壇實(shí)施的USB設(shè)備及嵌入式主機(jī)合規(guī)性測(cè)試。德州儀器（TI）等一些廠商可為其嵌入式處理器提供廣泛的USB庫。
2007年，旨在創(chuàng)建一種更快USB類型的USB 3.0推廣團(tuán)隊(duì)（the USB 3.0 Promoter Group）得以成立，這種USB類型不但向后兼容以前的USB標(biāo)準(zhǔn)，而且還可提供比USB 2.0快10倍的數(shù)據(jù)速率。USB 3.0采用新的信號(hào)發(fā)送方案，并通過保留USB 2.0雙線接口實(shí)現(xiàn)了向后兼容性。然而這種更快的版本還處于部署初期，USB 2.0今后數(shù)年仍將是最常用的USB類型，其具有高速（480Mbps）、低速（1.5Mbps）以及全速（12Mbps）三種速度選項(xiàng)。
EMAC
雖然符合IEEE 802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的接口一般會(huì)被誤稱為以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制器（EMAC），但完整的EMAC子系統(tǒng)接口實(shí)際上包括三個(gè)模塊，這三個(gè)模塊可能會(huì)集成在片上，也可能不會(huì)：物理層接口（PHY）；以太網(wǎng)MAC，其可實(shí)施協(xié)議的EMAC層；定制接口一般稱為MAC控制模塊。
EMAC模塊可控制系統(tǒng)到PHY的包數(shù)據(jù)流。MDIO模塊可執(zhí)行PHY的配置以及狀態(tài)監(jiān)控。兩個(gè)模塊都可通過MAC控制模塊訪問系統(tǒng)核心，從而還可優(yōu)化數(shù)據(jù)流。在TI嵌入式處理器等完全集成型解決方案中，定制接口被視為EMAC/MDIO外設(shè)不可或缺的組成部分。
完整的EMAC子系統(tǒng)如圖1所示。
EMAC控制模塊不但可控制設(shè)備中斷，而且還整合了一個(gè)用于保持EMAC緩存器描述符的8K字節(jié)內(nèi)部隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器（RAM）。該MDIO模塊采用802.3串行管理接口來詢問和控制多達(dá)32個(gè)采用共享雙線總線連接至設(shè)備的以太網(wǎng)PHY。
主機(jī)軟件使用MDIO模塊來配置連接至EMAC的每個(gè)PHY的自動(dòng)協(xié)商參數(shù)，恢復(fù)協(xié)商結(jié)果，并在EMAC模塊中配置所需的參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)正確的操作。該模塊可為MDIO接口實(shí)現(xiàn)近乎透明的操作，基本不需要核心處理器的維護(hù)。
EMAC模塊可在網(wǎng)絡(luò)與處理器之間提供一個(gè)高效率的接口。EMAC模塊通?？商峁?0Base-T（10Mbit／秒）與100Base TX（100Mbit／秒）、半雙工與全雙工模式，以及硬件流控制與服務(wù)質(zhì)量（QoS）支持。此外，部分處理器現(xiàn)在還支持可實(shí)現(xiàn)1000Mbit／秒數(shù)據(jù)速率的千兆位EMAC容量。
由于以太網(wǎng)的廣泛使用，嵌入式處理器一般都在芯片上集成了一個(gè)或多個(gè)EMAC接口。不同的廠商在實(shí)施上述完整的EMAC子系統(tǒng)時(shí)采用的方法也稍有不同。實(shí)施以太網(wǎng)接口所需的軟件支持與庫的質(zhì)量和范圍是選擇嵌入式處理器廠商時(shí)需要考慮的另一個(gè)問題。
路由器或交換機(jī)等應(yīng)用所需的EMAC有時(shí)不止一個(gè)。這些應(yīng)用通過使用多個(gè)EMAC，能夠在創(chuàng)建同步過程通信的同時(shí)，與眾多設(shè)備通信。
SATA
串行ATA（SATA）可將主機(jī)總線適配器與諸如硬盤驅(qū)動(dòng)器與光盤驅(qū)動(dòng)器等大容量存儲(chǔ)設(shè)備相連。它已基本取代了之前的并行ATA（PATA）。PATA要求40/80線并行線纜，長度不超過18英寸。PATA的最大數(shù)據(jù)傳輸速率為133Mbit／秒，而SATA串行數(shù)據(jù)格式則使用兩個(gè)差分對(duì)來支持連接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的接口，線路速率為1.5Gbit／秒（SATA版本1）、3.0Gbit／秒（SATA版本2）與6.0Gbit／秒（SATA版本3）。SATA 1和SATA 2現(xiàn)已面市，SATA 3將在近期推出。
此外，SATA控制器需要的線纜較細(xì)，而且可以長達(dá)3英尺。較細(xì)的線纜更加靈活，一方面可實(shí)現(xiàn)更便捷的布線，另一方面更有利于大容量存儲(chǔ)設(shè)備外殼內(nèi)的空氣流通。
串行鏈路可獲得高性能的部分原因是采用高級(jí)系統(tǒng)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)來容納高速串行數(shù)據(jù)。這種高級(jí)主機(jī)控制器接口（AHCI）存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)可為控制、狀態(tài)以及命令列表數(shù)據(jù)表提供一個(gè)通用域。命令列表的每條記錄都包含用于編程SATA設(shè)備的信息以及一個(gè)用于在系統(tǒng)存儲(chǔ)器與設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)、指向描述符表的指針。
大多數(shù)SATA控制器不但支持熱插拔，而且還采用端口多路器來增加可連接至單個(gè)HBA端口的設(shè)備數(shù)量。SATA標(biāo)準(zhǔn)有一個(gè)很長的特性列表，但幾乎沒有SATA控制器可支持所有這些特性。常見特性包括：支持AHCI控制器規(guī)范1.1版；集成SERDES PHY；集成Rx與Tx數(shù)據(jù)緩存器；支持SATA電源管理特性；每端口配備內(nèi)部DMA引擎；多達(dá)32條記錄的硬件輔助原生命令排序（NCQ）；32位尋址；支持端口乘法器；支持LED工作；機(jī)械控制開關(guān)（mechanical presence switch）。
由于SATA能夠存儲(chǔ)可延伸至太字節(jié)范圍的大量數(shù)據(jù)，因此應(yīng)用非常廣泛，其中包括上網(wǎng)本、膝上型電腦、臺(tái)式機(jī)、多媒體設(shè)備以及便攜式數(shù)據(jù)終端等。此外，SATA還可用于可能需要傳感器或系統(tǒng)監(jiān)控器存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)以待后續(xù)分析的工業(yè)應(yīng)用。
DDR2/移動(dòng)DDR
DDR2是雙倍數(shù)據(jù)速率（DDR）SDRAM規(guī)范的后繼標(biāo)準(zhǔn)，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)互不兼容。DDR2在總線時(shí)鐘信號(hào)的上升沿與下降沿傳輸數(shù)據(jù)，并能夠以更高的總線速度運(yùn)行，從而可實(shí)現(xiàn)每個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘周期四次的數(shù)據(jù)傳輸。
簡(jiǎn)化型DDR2控制器包括以下設(shè)計(jì)塊：存儲(chǔ)器控制、讀取接口、寫入接口以及I/O塊。
這些塊以及它們與DDR2存儲(chǔ)器芯片及核心邏輯的關(guān)系見圖2所示。
存儲(chǔ)器控制塊發(fā)出存儲(chǔ)器對(duì)專用核心邏輯的訪問，反之也是如此。讀取物理塊負(fù)責(zé)處理在各個(gè)讀取周期中采集數(shù)據(jù)的外部信號(hào)時(shí)序，而寫入物理塊則使用適當(dāng)?shù)耐獠啃盘?hào)時(shí)序管理時(shí)鐘與數(shù)據(jù)的發(fā)出。
字節(jié)寬度雙向數(shù)據(jù)選通（DQS）隨數(shù)據(jù)（DQ）通過外部方式傳輸，用于采集目的。DQS在讀取存儲(chǔ)器時(shí)由控制器通過邊緣對(duì)齊的方式傳輸，而在寫入存儲(chǔ)器時(shí)則采用中心對(duì)齊的方式。片上延遲鎖相環(huán)（DLL）用于鎖住DQS及相應(yīng)的DQ。這可在電壓及溫度發(fā)生變化時(shí)確保它們能夠彼此跟蹤。
DDR2 SRAM具有差分時(shí)鐘輸入，可降低時(shí)鐘輸入占空比變化時(shí)的影響。此外，DDR2 SRAM還支持?jǐn)?shù)據(jù)掩碼信號(hào)，可在各個(gè)寫入周期中為數(shù)據(jù)位添加掩碼。
移動(dòng)DDR（MDDR）也稱低功耗雙倍數(shù)據(jù)傳輸速率存儲(chǔ)器（LPDDR），因?yàn)槠涔ぷ麟妷簽?.8V，而傳統(tǒng)存儲(chǔ)器工作電壓為2.5V或3.3V，通常用于便攜式電子產(chǎn)品。此外，移動(dòng)DDR存儲(chǔ)器還支持傳統(tǒng)DDR2存儲(chǔ)器不具備的低功耗狀態(tài)。與所有DDR存儲(chǔ)器一樣，雙倍數(shù)據(jù)傳輸速率是通過器件時(shí)鐘上下沿同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)的。
uPP
由于片上外設(shè)的數(shù)量受成本或其它限制條件的約束，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員往往想找出數(shù)據(jù)片上與片外傳輸?shù)男路椒?。一種策略是利用未使用視頻端口的資源，實(shí)際上是利用它來高速發(fā)送和接收非視頻數(shù)據(jù)。這種方法的缺點(diǎn)之一就是數(shù)據(jù)必須被格式化成視頻幀，這在工作中需要部分處理器MIPS的支持，而在設(shè)計(jì)周期中則需要寶貴的編程時(shí)間。
其它的方法存在類似的困難，而且大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)片上數(shù)據(jù)接口是串行端口，不能執(zhí)行高速數(shù)據(jù)傳輸。
最終許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員認(rèn)識(shí)到將某種不符合特定接口標(biāo)準(zhǔn)，但能夠以多種方式配置的高靈活高速外設(shè)專門用于數(shù)據(jù)傳輸會(huì)帶來顯著的優(yōu)勢(shì)。如果系統(tǒng)處理器必須與高速DAC、ADC、DSP乃至FPGA連接，實(shí)現(xiàn)250MB／秒的高速數(shù)據(jù)傳輸，則這種思路就非常有價(jià)值了。
這種外設(shè)的基本架構(gòu)很容易描述。它要有多個(gè)具有單獨(dú)并行總線的通道，經(jīng)配置后可以容納超過一個(gè)字的長度。此外，它還要有內(nèi)部DMA塊，這樣其工作就無需占用內(nèi)核的MIPS預(yù)算。單、雙倍數(shù)據(jù)速率以及多種數(shù)據(jù)打包格式也是可以使用的。
TI各種嵌入式處理器都提供通用并行端口（uPP），包括Sitara ARM9 AM1808與AM1806微處理器（MPU）以及集成TMS320C674x內(nèi)核與ARM9內(nèi)核的OMAP-L138處理器。與SPI及UART等串行外設(shè)不同，uPP可為設(shè)計(jì)人員提供并行數(shù)據(jù)總線優(yōu)勢(shì)，每通道數(shù)據(jù)寬度為8位和16位。
uPP在以75MHz的最高時(shí)鐘速率運(yùn)行時(shí)，能夠以遠(yuǎn)超串行端口外設(shè)的速度傳輸數(shù)據(jù)。例如，單個(gè)運(yùn)行在75MHz速率下的16位uPP通道能夠比運(yùn)行在50MHz速率下的SPI外設(shè)快24倍。簡(jiǎn)化的方框圖見圖3。
uPP最重要的特性包括：
具有單獨(dú)數(shù)據(jù)總線的兩個(gè)獨(dú)立通道；兩個(gè)通道可同時(shí)以相同或相反方向運(yùn)行。
I/O速度高達(dá)75MHz，每通道數(shù)據(jù)位寬為8~16位。
內(nèi)部DMA—可釋放CPU EDMA。
具有極少控制引腳的簡(jiǎn)單協(xié)議（可配置：每通道2~4個(gè)）。
單倍及雙倍數(shù)據(jù)速率（使用時(shí)鐘信號(hào)的單沿或雙沿）；雙倍數(shù)據(jù)速率要求37.5MHz的最高時(shí)鐘速率。
支持9~15位數(shù)據(jù)位寬的多種數(shù)據(jù)打包格式。
數(shù)據(jù)交錯(cuò)模式（限單通道）。
uPP與另一種專用于可配置數(shù)據(jù)處理的TI外設(shè)—主機(jī)端口接口（HPI）有某種相似之處。HPI是一種可幫助外部主機(jī)直接訪問處理器內(nèi)部存儲(chǔ)器的并行接口。然而與HPI不同，uPP不允許外部設(shè)備直接訪問存儲(chǔ)器，它需要設(shè)備軟件對(duì)I/O傳輸進(jìn)行排隊(duì)。其最大差異可能在于uPP比HPI速度快得多，而且協(xié)議也簡(jiǎn)單得多。
uPP主要用于如FPGA或DSP等需要片外實(shí)時(shí)處理的應(yīng)用，可為醫(yī)療領(lǐng)域等需要即時(shí)數(shù)據(jù)的市場(chǎng)帶來極大的優(yōu)勢(shì)。通過使用uPP，決策處理器能夠憑借最新信息做出結(jié)論。
PRU
可編程實(shí)時(shí)單元（PRU）是一種小型32位處理引擎，可為片上實(shí)時(shí)處理提供更多的資源。PRU專門用于AM1x MPU與OMPAP-L138解決方案中的TI嵌入式處理器，可為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供具有高靈活性的額外措施，通常可降低組件成本。
PRU的四總線架構(gòu)有助于指令隨數(shù)據(jù)傳輸同步傳輸和執(zhí)行。此外，還可提供一個(gè)輸入寄存器，讓外部狀態(tài)信息反映在內(nèi)部處理器的狀態(tài)寄存器內(nèi)。
PRU設(shè)計(jì)的一個(gè)重要目的就是盡可能地創(chuàng)建靈活性，以便執(zhí)行各種功能。PRU的高靈活性可幫助開發(fā)人員在其終端產(chǎn)品（不管是觸摸屏、集成型顯示屏還是存儲(chǔ)功能）中整合更多的接口，以進(jìn)一步擴(kuò)展產(chǎn)品功能或者其自己的專有接口功能。該目標(biāo)主要是通過提供包括所有系統(tǒng)存儲(chǔ)器、I/O以及中斷在內(nèi)的PRU全面系統(tǒng)可視性實(shí)現(xiàn)的。
雖然PRU能夠全面訪問系統(tǒng)資源，但其內(nèi)部資源相對(duì)來說比較普通。它具有4K字節(jié)的指令存儲(chǔ)器和512字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。此外，PRU還具有自己的GPIO，時(shí)延僅為數(shù)納秒。
PRU可通過使用簡(jiǎn)單的匯編語言代碼編程來實(shí)施定制邏輯。該指令集可分為四大類：將數(shù)據(jù)移入或移出處理器內(nèi)部寄存器；執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算；執(zhí)行邏輯運(yùn)算；控制程序流。
在工業(yè)應(yīng)用中，通常將PRU配置為IO塊，用來頂替處理器未能提供的IO。例如，它可以用在需要UART塊組合的便攜式數(shù)據(jù)終端中，用來連接GSM、GPS與藍(lán)牙、小鍵盤、打印機(jī)、LED組以及RS232端口。然而，雖然該處理器系列中的最佳選擇只集成了三個(gè)UART，但PRU可提供更多的UART接口，可充分滿足不斷發(fā)展的終端設(shè)備對(duì)處理各種功能的需求。
除了用來頂替IO，PRU經(jīng)編程后還可執(zhí)行各種控制、監(jiān)控或其它片上沒有提供的功能。這種靈活性對(duì)于一些應(yīng)用而言特別有幫助，這些應(yīng)用包含的控制要求與任何標(biāo)準(zhǔn)處理器配置提供的控制要求不匹配。
ARM子系統(tǒng)與外設(shè)集成
在評(píng)估ARM處理器中的外設(shè)接口時(shí)，理解外設(shè)與ARM子系統(tǒng)的集成方式非常重要。
ARM處理器適合復(fù)雜、多任務(wù)的通用控制任務(wù)。它不但可為大型程序提供存儲(chǔ)器空間，而且還具有良好的環(huán)境切換功能，適合運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）和精細(xì)的高級(jí)操作系統(tǒng)。ARM負(fù)責(zé)系統(tǒng)配置與控制，其任務(wù)包括外設(shè)配置及控制、時(shí)鐘控制、存儲(chǔ)器初始化、中斷處理以及電源管理等。ARM子系統(tǒng)包含ARM處理器以及作為整體處理器系統(tǒng)主控制器工作所必須的其它組件。
典型ARM子系統(tǒng)包括下列組件組合：
ARM內(nèi)核（例如：ARM926EJ-S或ARM Cortex-A8）：
協(xié)處理器15（CP15）
MMU
寫入緩沖器
指令高速緩存
數(shù)據(jù)高速緩存
Java加速器
Neon單指令、多數(shù)據(jù)（SIMD）協(xié)處理器
矢量浮點(diǎn)協(xié)處理器（VFP）
ARM內(nèi)部存儲(chǔ)器：
RAM
ROM（ARM引導(dǎo)加載程序）
總線判優(yōu)器：
用于訪問內(nèi)部存儲(chǔ)器的總線判優(yōu)器
用于訪問系統(tǒng)及外設(shè)控制寄存器的總線判優(yōu)器
用于訪問外部存儲(chǔ)器的總線判優(yōu)器
調(diào)試、跟蹤以及仿真模塊：
JTAG
ICECrusher
嵌入式跟蹤宏單元（ETM）
系統(tǒng)控制外設(shè)：
ARM中斷控制模塊
鎖相環(huán)（PLL）及時(shí)鐘控制模塊
電源管理模塊
系統(tǒng)控制模塊
可參考圖5，了解典型ARM9 ARM子系統(tǒng)的方框圖。
對(duì)于USB、EMAC、SATA、uPP以及PRU等外設(shè)而言，ARM子系統(tǒng)可訪問外設(shè)的控制與配置寄存器、時(shí)鐘以及電源管理控制。
本文小結(jié)
雖然標(biāo)準(zhǔn)接口在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的過程中發(fā)揮著重要作用，可幫助實(shí)現(xiàn)互操作性與低成本，并減少設(shè)計(jì)時(shí)間，但對(duì)需要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)而言，其實(shí)用性仍然很有限。設(shè)計(jì)人員還應(yīng)依賴芯片廠商為其提供各種多組合標(biāo)準(zhǔn)接口。對(duì)芯片廠商而言，有助于高效實(shí)現(xiàn)接口的高質(zhì)量軟件庫是實(shí)現(xiàn)差異化的另外因素。提供更高級(jí)別的靈活性也非常有幫助，這可以通過TI PRU與uPP等可配置接口獲得。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員利用其工具套件中的這些選項(xiàng)，既可發(fā)揮創(chuàng)造性，同時(shí)又能保持組件的低成本。
作者：Clay Turner
James Doublesin
Lawrence Ronk
Steve Kipisz
德州儀器