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嵌入式系统的 硬件系统 是由嵌入式处理器、存储器、I/O接口电路、通信模块以及其他外部设备组成的。 嵌入式处理器 是核心，存储器是构成嵌入式系统硬件的重要组成部分。
嵌入式处理器工作时，必须有 附属电路 支持，如时钟电路、复位电路、调试电路、监视定时器、中断控制电路等，为嵌入式处理器正常工作提供必要的条件，在设计嵌入式系统的硬件电路时，常常将它们与嵌入式处理器设计成一个模块，形成处理器最小系统。嵌入式处理器与通用处理器的最大区别在于嵌入式处理器集成了大量的不同功能的I/O模块。用户在开发嵌入式系统时，可以根据系统需求选择合适的嵌入式处理器，而无需再另外配备I/O电路。
此外，嵌入式系统通常还包括人机交互界面，用于系统与用户的交互。人机界面常常使用键盘、液晶屏、触摸屏等部件，以方便与用户的交互操作。
嵌入式系统的核心是嵌入式处理器。嵌入式处理器一般具备 4 个特点 ：
● 对实时和多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时操作系统的执行时间减少到最低限度；
● 具有很强的存储区保护功能，这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断；
● 可扩展的处理器结构，以及能迅速地扩展出满足应用的高性能的嵌入式微处理器；
● 嵌入式处理器的功耗必须很低，尤其是便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，功耗只能为m W 甚至μ W 级。
嵌入式系统中的处理器通常分为 3 大类，即微处理器（Micro-Processor Unit，MPU）、微控制器（Micro-Controller Unit，MCU）和数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）。
微处理器 是指功能较强大的CPU，它不是为任何特定的计算目标而设计的。因此，这种芯片通常用于个人电脑与服务器。
微控制器 是针对嵌入式系统而设计的，它将CPU、存储器以及其他外设都集成在同一块电路板上。
数字信号处理器 中的CPU是针对快速离散时间信号处理计算的。因此，DSP非常适用于音频及视频通信。
现代的芯片生产工艺已经允许将重要处理器的内核和各种外围的芯片器件整合在一起，以进一步降低功耗，达到专用的需求，这时，便出现了 片上系统 SOC（System On Chip）。由于专业分工越来越明显，各种通用处理器的Core作为SOC设计公司的“库”，以知识产权核（Intellectual Property Core，IP核）的方式开放芯片电路的产权，出现了专业的IP供应商，如ARM、MIPS等。他们提供优质、高性能的嵌入式微处理器内核，由各个半导体厂商生产面向各个应用领域的芯片。
TI公司曾把处理器比作各种汽车，DSP是跑车，追求的是速度；MPU是轿车，追求的是经济性与速度的折中；MCU是满足特殊用途的车。
嵌入式微处理器 的基础是通用计算机中的CPU。在应用中，早期的嵌入式系统是将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在降低工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。和通用计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低和可靠性高的优点。
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、成本低和可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机，如STD-BUS、PC104 等。
嵌入式微处理器主要有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、Motorola 68000、MIPS、ARM系列等。图 2-1 所示为Motorola 68000 系列微处理器芯片的外观。
图 2-1 Motorola 68000 系列微处理器芯片
当大型的嵌入式软件位于芯片的外部存储器时，要使用微处理器。当系统需要执行比较复杂的计算时，要使用RISC核微处理器。
嵌入式微控制器 又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成存储器（少量ROM／EPROM、RAM或两者都有）、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口等各种必要功能模块。
为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，从而减少功耗和成本。
和嵌入式微处理器相比，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，因而拥有的品种和数量最多。比较有代表性的通用系列包括 8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300 等。另外还有许多半通用系列，如支持USB接口的MCU 8XC930/931、C540、C541。
图 2-2 所示为一款具有TCP/IP功能的 32 位MCU功能框图。
当小型的嵌入式软件或者嵌入式软件的一部分位于芯片的外部存储器时，以及当需要一些片上功能单元（如中断处理、端口、定时器、ADC和PWM）时，要使用微控制器。
图 2-2 具有TCP/IP功能的 32 位MCU功能框图
嵌入式数字信号处理器 对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等各种仪器上，DSP获得了大规模的应用。DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP。
嵌入式DSP有两个发展方向。
① DSP处理器经过单片化、EMC改造、增加片上外设成为嵌入式DSP处理器，TI的TMS320系列属于此范畴。TMS320 系列处理器包括用于控制的C2000 系列、移动通信的C5000 系列，以及性能更高的C6000 和C8000 系列。
② 在通用微处理器、微控制器或片上系统（SoC）中增加DSP协处理器，如Intel的MCS-296。
推动嵌入式DSP发展的一个重要因素是嵌入式系统的智能化。例如，各种带有智能逻辑的消费类产品、生物信息识别终端、带有加解密算法的键盘、ADSL接入和实时语音压解系统、虚拟现实显示等。这类应用的智能化算法一般都运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些正是DSP处理器的长处所在。
图 2-3 所示是TMS320 DSP处理器的功能框图。
当需要对连续的数据流进行处理或进行高精度复杂运算时，可使用DSP。
图 2-3 TMS320 DSP处理器的功能框图
SOC设计技术始于 20 世纪 90 年代中期，随着半导体工艺技术的发展，IC设计者能够将越来越复杂的功能集成到单硅片上，SOC正是在集成电路（IC）向集成系统（IS）转变的大方向下产生的。
一般来说，SOC称为系统级芯片，也称片上系统，意指它是一个产品，是一个有专用目标的集成电路，其中包含完整系统并有嵌入软件的全部内容。同时它又是一种技术，用以实现从确定系统功能开始，到软/硬件划分，并完成设计的整个过程。
SOC具有以下特点：
● SOC应由可设计重用的IP核组成，IP核是具有复杂系统功能的、能够独立出售的VLSI块；
● IP核应采用深亚微米以上工艺技术；
● SOC中可以有多个MPU、DSP、MCU或其复合的IP核。
SOC设计的关键技术主要包括总线架构技术、IP核可复用技术、软硬件协同设计技术、SOC验证技术、可测性设计技术、低功耗设计技术、超深亚微米电路实现技术等。SOC按指令集来划分，主要分x86 系列（如SiS550）、ARM系列（如OMAP）、MIPS系列（如Au1500）和类指令系列（如M 3Core）等。
为了缩短单片系统的设计周期和提高系统的可靠性，目前最有效的一个途径是通过授权，使用已成熟且经过优化的IP内核模块进行设计集成和二次开发，利用胶粘逻辑技术GLT，把这些IP内核模块嵌入SOC。
存储器 的物理实质是一组或多组具备数据输入/输出和数据存储功能的集成电路，用于存放计算机工作所必需的数据和程序。嵌入式处理器在运行时，大部分总线周期都用于对存储器的读/写操作，因此，存储器子系统性能的好坏将在很大程度上影响嵌入式系统的整体性能。
在嵌入式系统中最常用的存储器类型分为 3类： 随机存储器（RAM） 、 只读存储器（ROM）以及介于两者之间的混合存储器。
嵌入式系统中常用的存储器如图 2-4 所示。
图 2-4 嵌入式常用的存储器类型
RAM能够随时在任意地址读出或写入内容。RAM的优点是读/写方便、使用灵活，缺点是不能长期保存信息，一旦停电，所存信息就会丢失。因此，RAM用于二进制信息的临时存储或缓冲存储。RAM在嵌入式系统中主要用于：
● 存放当前正在执行的程序和数据，如用户的调试程序、程序运行时的变量以及掉电时无需保存的I/O数据和参数等；
● 作为中断服务程序中保存CPU现场信息的堆栈；
● 作为I/O数据缓冲存储器，如声音和图像输出缓存、键盘输入缓存等。
RAM主要有两大类存储设备，即 静态RAM（SRAM） 和 动态RAM（DRAM） 。两者都是易失性存储器，它们之间的最大差别是存储于其中的数据的寿命。
SRAM的存储单元电路是以双稳态电路为基础的，因此状态稳定，只要不掉电，信息就不会丢失。
DRAM的存储单元是以电容为基础的，电路简单，集成度高，功耗小。但DRAM即使不掉电也会因电容放电而丢失信息，需要定时刷新，因此，使用DRAM时，需要配合DRAM控制器。DRAM控制器的主要用途是在数据消失之前周期性地刷新所存储的数据，所以DRAM的内容可以根据需要保持长时间。
SRAM和DRAM的存储性能比较如下：
● SRAM比DRAM存取速度快；
● 工作时，SRAM比DRAM耗电多；
● DRAM比SRAM的存储密度大；
● 小容量时，SRAM比较便宜；大容量使用时，使用DRAM更经济，容量越大，DRAM的综合成本越低。
在实际使用中，有庞大存储要求的应用通常采用DRAM作为程序存储器。由于DRAM的最大缺点是速度慢，因此，在设计中使用高速SRAM作为高速缓冲存储器来弥补DRAM的速度缺陷。
存储器块可以附加到嵌入式系统中特定的硬件块中（例如，MAC操作中16×32 乘法器单元的存储器块），我们称之为参数化的块RAM。一个典型的系统可以有 4～168 个块，一个块可以保存 4KB～32KB的数据。
ROM 中存储的数据可以被任意读取，断电后，ROM中的数据仍保持不变，但不可以写入数据。ROM在嵌入式系统中非常有用，常常用来存放系统软件（如ROM BIOS）、应用程序等不随时间改变的代码或数据。
ROM存储器按发展顺序可分为掩膜ROM、可编程ROM（PROM）、可擦写可编程ROM（EPROM）。
掩膜ROM （mask ROM）包含一组事先编排的数据或指令。ROM中的数据或指令在芯片生产前就指定好了，由嵌入式软件设计者（在经过彻底地测试和调试后）提供给厂商一个包含输入地址各种组合的真值表，厂商按照用户要求准备好编程掩膜，并在生产线上对ROM编程，封装后不能改写。掩膜ROM一般适用于大批量生产的嵌入式产品，在产品研制和实验室小批量生产时，宜选用现场可编程ROM。
可编程ROM （Programmed ROM，PROM），即一次性可编程ROM。刚买来的PROM未被编程，通过编程器一次性把数据写入后，就永久地修改了芯片，则PROM中的内容就不能再改变了。这种类型的ROM最便宜，但无法修改，不够灵活。
可擦写可编程ROM （Erasable Programmed ROM，EPROM）编程原理与PROM一样，但通过紫外线照射，其中的数据可以被擦除，所有存储位复原到“1”。通过这种方法，用户可以多次改写芯片内容。缺点是有任意位发生错误都需要全片擦除改写。
混合存储器既可以随意读写，又可以在断电后保持设备中的数据不变。混合存储设备可分为3种：E 2 PROM、NVRAM和FLASH。
① E 2 PROM （Electrical Erasable Programmable ROM）是电可擦写可编程存储设备，与EPROM类似，不同的是EEPROM是用电来实现数据的清除，而不是通过紫外线照射实现的。另外，E 2 PROM允许用户以字节为单位多次用电擦除和改写内容，而且可以直接在机内进行，不需要专用设备，方便灵活，常用作对数据、参数等经常修改又有掉电保护要求的数据存储器。
E 2 PROM与RAM写操作的区别在于，在RAM中，读和写的时钟周期是相同的，而E 2 PROM每字节的写周期要几毫秒，比RAM长得多。
② Flash （闪速存储器，简称闪存）是不需要 V pp电压信号的E 2 PROM，一个扇区的字节可以在瞬间（与单时钟周期比较是一个非常短的时间）擦除。它比E 2 PROM优越的方面是，可以同时擦除许多字节，节省了每次写数据前擦除的时间，但一旦一个扇区被擦除，必须逐个字节地写进去，其写入时间很长。目前，大部分Flash允许某些扇区被保护，这一点对存储空间有限的嵌入式系统非常有用，即将引导代码放进保护块内而允许更新其他的扇区。
根据工艺的不同，Flash存储器主要有两类：NOR Flash（或非）和NAND Flash（与非）。
NOR Flash 是在E 2 PROM的基础上发展起来的，其特点是容量较小、写入速度较慢，但随机读取速度快，因此在嵌入式系统中，常应用在程序代码的存储中。
NAND Flash 其内部采用非线性宏单元模式，为固态大容量存储器的实现提供了廉价有效的解决方案。NAND Flash存储器容量较大，改写速度快，适用于大量资料的存储，因而在嵌入式系统中得到了越来越广泛的应用，如数码相机、MP3 随身听记忆卡、体积小巧的U盘等。
NOR Flash和CPU的接口属于典型的类SRAM接口，不需要增加额外的控制电路。NOR Flash的特点是可芯片内执行（XIP，eXecute In Place），程序可以直接在NOR内运行。而NAND Flash和CPU的接口必须由相应的控制电路进行转换，当然也可以通过地址线或GPIO产生NAND Flash接口的信号。NAND Flash以块方式进行访问，不支持芯片内执行。
存储器系统的层次结构如图 2-5 所示。
图 2-5 存储器系统层次结构图
嵌入式系统的存储器子系统与通用计算机的存储器子系统的功能并无明显的区别。存储器子系统设计的首要目标是使存储器在工作速度上很好地与处理器匹配，并能满足各种存取的需要。
随着微电子技术的发展，微处理器的工作速度有了很大的提高。而微处理器时钟频率提高比内存速度提高要快，以至于内存速度远远落后于处理器速度。如果大量使用高速存储器，使它们在速度上与处理器相吻合，系统成本将十分昂贵。因此，在实际的嵌入式系统中，常常采用分级的方法来设计整个存储器子系统。图 2-6 所示为这种分级存储系统的组织结构示意图，它把全部存储系统分为 4 级，即寄存器组、高速缓存、内存和外存。它们在存取速度上依次递减，而在存储容量上逐级递增。
图 2-6 分级存储器系统
最高级存储器是寄存器组。 在嵌入式系统中，寄存器组一般是微处理器内含的。有些待使用的数据或者运算的中间结果可以暂存在这些寄存器中。微处理器在对本芯片内的寄存器读/写时，速度很快，一般在一个时钟周期内完成。从总体上说，设置一系列寄存器是为了尽可能减少微处理器直接从外部取数的次数。但是，由于寄存器组集成在微处理器内部，受芯片面积和集成度的限制，寄存器的数量不可能做得很多。
第二级存储器是高速缓冲存储器（Cache） 。高速缓存是一种小型、快速的存储器，其存取速度足以与微处理器相匹配，用于在外部存储器之前存储指令和数据的备份，在快速处理时用来存储临时结果。
第三级存储器是内存 。运行的程序和数据都放在内存中。由于微处理器的寻址大部分在高速缓存上，因此内存可以采用速度稍慢的存储器芯片，不仅对系统性能的影响不会太大，同时又降低了成本。
最低一级存储器是大容量的外存 。这种外存容量大，但是在存取速度上比内存要慢得多。目前，嵌入式系统中常用Flash作为大容量外存来存储各种程序和数据。
并不是每个嵌入式系统都必须具备这 4 级存储器设备，应当根据系统的性能要求和所选定处理器的功能来确定。对于较小的系统，微控制器自带的存储器就有可能满足系统要求，而较大的系统可能要求增加外部存储器。对于 16 位、32 位或 32 位以上的微处理器组成的系统，随着系统性能的提高，存储子系统变得更加复杂，一般都包含了全部 4 级存储器。
当软件设计者编写好程序，并且ROM映像已经准备好以后，系统的硬件设计者就需要决定使用哪些类型的存储器设备，每一种设备的大小为多少。
应用需求将决定存储器的类型（易失性或非易失性）以及使用目的（存储代码、数据或者两者兼有）。另外，在选择过程中，存储器的尺寸和成本也是需要考虑的重要因素。对于较小的系统，微控制器自带的存储器就有可能满足系统要求，而较大的系统可能要求增加外部存储器。为嵌入式系统选择存储器类型时，需要考虑一些设计参数，包括微控制器的选择、电压范围、电池寿命、读写速度、存储器尺寸、存储器的特性、擦除／写入的耐久性以及系统总成本等。下面通过具体案例给出一种事先估计所需存储器类型和大小的方法。
① 使用微控制器内部E 2 PROM存储动态数据，第 1 个字节用来存储状态（洗涤 1、漂洗2、脱水 3），第 2 个字节用来存储当前状态已经运行的时间，第 3 个字节用来存储用户设置的按钮状态。
② 使用内部 4KB的ROM存放嵌入式软件。
③ 使用内部 128B的RAM存储中间变量和堆栈。
因此，对于自动洗衣机来说，选择适合的微控制器，就不需要配置外部存储器设备了。
① 假设每个通道每分钟存储 4B的数据，数据需要保存一天，则 16 个通道共需要 92KB，因此选用 128KB的Flash。
② 使用内部 8KB的ROM存放嵌入式软件。
③ 由于只需要一个堆栈存储子例程调用的返回地址，因此使用内部 512B的RAM存储中间变量和堆栈。
④ 为了将采集结果以适当的形式保存，需要进行中间计算，再考虑单元转换，大约需要4KB～8KB的RAM。
因此，对于 16 参数通道的数据采集系统来说，需要选择一个具有 8KB的PROM和 512B的RAM的微控制器，128KB的外部Flash（或者EEPROM）和 4KB～8KB的外部RAM。
① 由于处理音频的压缩和解压缩、加密与解密算法、DSP处理算法的需要，假设需要大小为 1MB的ROM映像。如果ROM映像是以压缩的形式存储的，引导程序还要首先运行一个解压程序。解压程序和数据首先保存在RAM中，应用程序会从这里开始运行。可按照压缩参数来缩减ROM的需求。
② 需要较大的RAM来存储解压的程序和数据，以及用作数据缓冲区，假设大小为 1MB。
③ 需要E 2 PROM（假设大小为 16KB）用于保存打入的电话号码，使用E 2 PROM的原因是当数据发生变化时，需要逐个字节进行变化。可以用一个 16KB的Flash来记录信息。
④ 在MAC子单元或其他子单元中使用参数化的块RAM提高系统的性能。
因此，移动电话系统将需要下列存储器设备：1MB的ROM、16KB的E 2 PROM、16KB的Flash、1MB的RAM和某些子单元中的块RAM。
简单的系统，如自动洗衣机或者自动售货机，不需要外部存储器设备，设计者可选择具有片上存储器的微控制器。数据采集系统需要E 2 PROM或者Flash。移动电话系统需要大于 1MB的RAM、大于 1MB的ROM和大于 32KB的E 2 PROM或者Flash。图像、声音或者视频录制系统则需要很大的Flash存储器。
除了处理器和存储器，嵌入式系统硬件中还包含一些相关的硬件设备，称为 外围设备 。外设可分为两种类型，即内部外设和外部外设。
内部外设 与处理器集成在同一块芯片上，而 外部外设 与处理器不在同一块芯片上。
嵌入式处理器与通用处理器的最大区别在于嵌入式处理器集成了大量的功能单元。用户在开发嵌入式系统时，可以根据系统需求选择合适的嵌入式处理器，而无需再另外配备功能单元电路。随着半导体技术的发展，嵌入式处理器的集成度不断提高，许多嵌入式处理器上集成的功能单元完全满足应用的需求，基本上无需扩展。在实际应用中，嵌入式系统硬件配置非常精简，除了微处理器和基本的外围电路以外，其余的电路可以根据需要和成本进行裁剪、定制。
根据外围设备的功能可分为：通信接口、输入/输出设备、设备扩展接口、电源及辅助设备等。
嵌入式系统的 通信接口 可以分为有线传输和无线传输两种。有线传输接口包括传统的RS-232接口（串行UART接口）、通用串行总线（USB）接口、快速数据传输接口IEEE 1394、CAN总线、以太网（Ethernet）接口等，无线传输接口包括红外线（IrDA）、GSM、GPRS与蓝牙（Bluetooth）接口等。
（1）UART
UART提供了RS-232C数据终端设备接口，这样计算机就可以和调制解调器或其他使用RS-232C接口的串行设备进行通信。
在嵌入式系统软件开发调试时，常常通过UART来进行各种输入/输出操作。
（2）USB接口
通用串行总线 （Universal Serial Bus，USB）是 1995 年Microsoft、Compaq、IBM等公司联合制订的一种新的计算机串行通信协议。USB是一种快速的、双向的、低价的并且可以进行热插拔的新型串行接口技术，支持各种PC与外设之间的连接。
USB的主要优点有以下几点。
● 支持热插拔（Hot Plug In）和即插即用（Plug & Play），可以在正运行的计算机上安全地连接或断开一个USB设备而不需要重启系统。
● 传输速度快。USB1.1 提供低速（1.5Mbit/s）、全速（12Mbit/s）的模式，USB2.0 提供高速（480Mbit/s）的传输速率。全速速率（12Mbit/s）比标准串口速率快大约 100 倍，比标准并口速率也快近 10 倍。
● 可以支持异步传输（如键盘、游戏杆、鼠标）和同步传输（如声音、图像）两种传输方式。
● 数据传输可靠。USB协议中包含了传输错误管理、错误恢复等功能，有较强的纠错能力。
● 扩展性好。USB接口可以通过菊花链的形式同时挂接多个USB设备，理论上可达 127 个，并且不会损失带宽。
● USB采用总线供电。USB总线可提供最大 5V和最多 500mA的电源，能满足大部分低功耗外设的电源要求。
嵌入式系统中普遍使用USB接口连接各种数字设备，如数码摄像机、数码照相机、移动U盘、移动硬盘等。
（3）以太网接口
以太网设备广泛用于通用计算机局域网，并以其高速、可靠、可扩展性以及低价格等特点应用于嵌入式设备中。
在嵌入式系统中实现 以太网接口 的方法通常有以下两种。
一是采用嵌入式处理器与网卡芯片的组合。这种方法对嵌入式处理器没有特殊要求，只需要把以太网芯片连接到嵌入式处理器的总线上即可。该方法通用性强，不受处理器的限制，但是，处理器和网络数据交换通过外部总线（通常是并行总线）实现，速度慢、可靠性不高，并且电路板布线复杂。
另一种方法是直接采用带有以太网接口的嵌入式处理器。这种方法要求嵌入式处理器有通用的网络接口，如MII（Media Independent Interface）。通常这种处理器是面向网络应用而设计的，处理器和网络数据交换通过内部总线实现，因此速度快、实现简单。
（4）红外线
红外线收发模块 主要由 3 部分组成，包括一个红外线发光二极管、一个硅晶PIN光检二极管和一个控制电路。其中的红外线发光二极管就是发射红外线波的单元，发射的红外线波长为 0.85～0.9μm；硅晶PIN光检二极管用于接收红外线信号，所接收到的信号会传送到控制电路中，再传送到嵌入式系统微处理器进行数据处理或数据存储。
红外线IrDA有若干标准，具体数据如表 2-1 所示。
表 2-1 红外线IrDA标准表
（5）蓝牙接口（Bluetooth）
蓝牙是一种低带宽、低功耗、近距离的传输协议。自 1999 年蓝牙规范 1.0 版本发布以来，在越来越多的领域得到了应用。例如，工业自动控制、家庭自动化、电信级的音频传输、PDA、手机和PC外设等，都可以使用蓝牙技术替代传统的连线。
蓝牙工作在 2.402GHz～2.480GHz频段，它采用了跳频扩频（FHSS），在 79 个信道上每秒钟1600 次跳频。查寻状态时，跳变速率为每秒 3200 跳，有效地降低了干扰，即使在多无线杂讯的环境下仍然可以将数据正确地传输到蓝牙接收模块中进行数据处理工作。
蓝牙模块主要由 3 部分组成：无线传输收发单元、基频处理单元以及数据传输接口。如图 2-7所示，当蓝牙无线信号由无线传输收发单元接收后，会将信号数据传送到基频处理单元进行无线信号处理的工作，处理好的数字信号通过数据传输接口传送到嵌入式系统微处理器中进行数字数据处理的工作。
图 2-7 蓝牙模块架构图
表 2-2 对蓝牙和红外线收发模块的一些特点进行了比较。
表 2-2 蓝牙模块与红外线收发模块的比较
嵌入式系统通常还包括输入/输出设备，用于系统与用户的交互。嵌入式系统中输入设备一般包括触摸屏、语音识别、按键、键盘和虚拟键盘等，输出设备主要有LCD显示和语音输出。
（1）触摸屏
触摸屏按其技术原理可分为 5 类：矢量压力传感器式、电阻式、电容式、红外线式和表面声波式。矢量压力传感器式触摸屏已被淘汰，而后3种触摸屏比电阻式触摸屏在实际应用上更复杂。因此，在实际应用中电阻式触摸屏使用最多。
电阻触摸屏 的工作部分一般由 3 部分组成，如图 2-8 所示，包括两层透明的阻性导体层、两层导体之间的隔离层和电极。阻性导体层选用阻性材料，如铟锡氧化物（ITO），涂在衬底上构成，上层衬底用塑料，下层衬底用玻璃。隔离层为粘性绝缘液体材料，如聚酯薄膜。电极选用导电性能极好的材料（如银粉墨）构成，其导电性能大约为ITO的 1000 倍。
图 2-8 电阻触摸屏的结构
触摸屏工作时，上下导体层相当于电阻网络，如图 2-9 所示。当手指接触屏幕，两层ITO导电层出现一个接触点，因其中一面导电层接通Y轴方向的 5V均匀电压场，使得侦测层的电压由零变为非零，控制器侦测到这个接通后，进行A/D转换，并将得到的电压值与 5V相比，即可得触摸点的Y轴坐标，同理得出X轴的坐标，这就是电阻式触摸屏共同的最基本原理。
电阻屏根据引出线数多少，分为四线、五线等多线电阻触摸屏。五线电阻触摸屏的A面是导电玻璃而不是导电涂覆层，导电玻璃的工艺使其寿命得到极大的提高，并且可以提高透光率。
图 2-9 工作时的导体层
电容式触摸屏 是一块 4 层复合玻璃屏，玻璃屏的内表面和夹层各涂一层ITO，最外层是只有0.0015mm厚的矽土玻璃保护层，夹层ITO涂层为工作面，4 个角引出 4 个电极，内层ITO为屏层以保证工作环境。当用户触摸电容屏时，由于人体电场，用户手指和工作面形成一个耦合电容，并且工作面上接有高频信号，于是手指会吸收一个很小的电流。这个电流分别从屏的 4 个角上的电极中流出，且理论上流经 4 个电极的电流与手指头到 4 角的距离成比例。控制器通过对 4 个电流比例的精密计算，得出位置。
电感式触摸屏 的工作原理是在触摸笔中安装LC谐振线圈，通过改变与安装有激励线圈及感应线圈的触摸屏之间的空间距离，使电磁场发生变化从而计算出触点的位置。因为这种触摸屏是安装在液晶显示屏的后面，而普通的电阻式和电容式触摸屏需要安装在液晶显示屏的前面，两者相比，使用电感式触摸屏输入笔不必接触屏幕，可以减少对屏幕的磨损，同时大大提高输入的灵敏度。由于触摸屏安装在显示屏的后面，也增加了显示的清晰度和亮度，减少背光的使用，进而可以减少系统功耗。
表 2-3 给出了上述 3 种触摸屏的技术比较。
表 2-3 3 种触摸屏技术的比较
（2）LCD接口
嵌入式系统中多数采用 液晶显示器 （Liquid Crystal Display，LCD）。LCD是一种低成本、低功率的器件，既可显示文字又可显示图像。LCD显示器根据其工作原理可分为反射式LCD和吸收式（又称透视式）LCD。
反射式 LCD 的基本原理是：首先入射光线通过一个偏极化板，接着偏极化的光遇到液晶材料，如果激活液晶材料的部分区域，则LCD材料的分子整齐排列，使偏极化光能穿过LCD材料，否则光线无法通过，最后通过液晶材料的光线碰到一面镜子而反射回来，因此，激活的部分区域亮起来。
吸收式 LCD 的工作原理同反射式LCD工作原理类似，但使用黑色表面而不使用镜子。该黑色表面在激活区域下面可以吸收光线，因而显得比其他区域暗。
液晶显示器是一种被动光源的显示器，它内部自身不能发光，只能借助周围环境的光源才能看出显示的信息。正因为如此，它显示图案或字符只需要很小的能量。液晶显示所用的液晶材料是一种兼有液体和固体双重性质的有机物，它的棒状结构在液晶盒内一般平行排列，但在电场作用下能改变其排列方向。
目前市面上出售的LCD图形点阵显示器有两种类型。一种是显示器本身自带有控制电路的LCD显示模块，这种LCD可以方便地与各种低档单片机采用总线方式进行接口，但其体积较大。另一种是自身不带有控制电路的LCD显示模块。目前的嵌入式微处理器内部集成有LCD控制器，它具有将显示缓存中的LCD图像数据传送到外部LCD驱动电路的逻辑功能。
例如，S3C44B0X微处理器可以支持彩色/灰度/单色 3 种模式，灰度模式下可支持 4 级灰度和16 级灰度，彩色模式下最多支持 256 色，LCD实际尺寸可支持 320 列×240 行像素点阵，如图 2-10所示。
图 2-10 LCD控制器
内置的 LCD控制器 的主要工作是将定位在系统存储器的显示缓冲区中的LCD图像数据传送到外部LCD驱动器。LCD控制器提供了下列外部接口信号。
● VCLK：LCD控制器和LCD驱动器之间的像素时钟信号，LCD控制器在其上升沿发送数据，LCD驱动器在其下降沿采集数据。
● VLINE：LCD控制器和LCD驱动器之间的行同步脉冲信号，该信号用于LCD驱动器将水平线（行）移位寄存器的内容传送给LCD屏显示。
● VFRAME：LCD控制器和LCD驱动器之间的帧同步信号，该信号告诉LCD屏新的一帧开始了。
● VM：LCD驱动器使用VM信号来改变行和列的电压极性，从而控制像素点的显示或熄灭。
● VD[3:0]：LCD像素点数据输出端口，与LCD模块的D[3:0]相对应。
● VD[7:4]：LCD像素点数据输出端口，与LCD模块的D[7:4]相对应。
值得一提的是，由于LCD采用的是无源光显示方式，因而在夜晚等无外界光源的情况下是看不见的。为了克服这方面的不足，通常LCD制造商根据用户需要配以背景光源，简称背光功能。
附加给LCD的 背景光源 一般采用两种方式构成：其一是EL（场致发光）方式，可连续工作2000～3000h，缺点是对外界会产生一定的电磁干扰；另一种方式是使用LED背景光源，可连续工作 50000h左右，但往往需要多个LED并联或串联，这对LED供电电源提出了比较高的电压或电流要求。
简单的嵌入式系统，如具有简单的记事本、备忘录以及日程计划等功能的PDA，所存储的数据量并不需要很大的内存。由于目前的嵌入式系统功能越来越复杂，因而需要的内存容量也越来越大。大的内存使得系统成本提高和体积增大，因此，目前一些高端的嵌入式系统都会预留 可扩展存储设备接口 ，为日后用户有特别需求时，可购买符合扩展接口规格的装置直接接入系统使用。扩展设备很多，但所采用的扩展接口却大同小异，如PDA所使用的存储卡也可与某些规格的数码相机扩展接口通用。
随着嵌入式系统的广泛应用，对便携式扩展存储设备的要求也越来越迫切。
PCMCIA （Personal Computer Memory Card International Association，PC内存卡国际联合会）是一个为了开发出低功耗、小体积、高扩展性的卡片型工业存储标准扩展装置所设立的协会，它负责建立一个省电、小体积的整合性电子卡片的标准，提高移动计算机的互换性。根据该标准生产的外形如信用卡大小的产品叫作 PCMCIA卡 （也称PC卡）。按照卡的介质可分为Flash、SRAM、I/O卡和硬盘卡；按照卡的厚度可分为Type I、Type II、Type III和Type IV 4 种标准。
广泛使用的PCMCIA卡常被嵌入式系统用作对外的扩展装置，应用于笔记本电脑、PDA、数据相机、数字电视以及机顶盒等。PCMCIA卡的外形如图 2-11 所示。
图2-11 PCMCIA卡
其他常用的扩展卡还有各种CF卡、SD卡、Memory Stick等。目前，高端的嵌入式系统都留有一定的扩展卡接口。
电源 是电子产品中一个组成部分，为了使电路性能稳定，往往还需要稳定电源。设计者要根据产品的要求来选择合适的电源。嵌入式系统力求外观小型化、质量轻以及电源使用寿命长，因此，目前电源及辅助设备发展的目标是体积小、易携带和外观设计新颖等，尤其是在便携式嵌入式系统的应用中。