一文讀懂 嵌入式系統(tǒng)外設(shè)器件的類型及其選擇

文章 概述

本文介紹了嵌入式系統(tǒng)外設(shè)器件的選擇，包括存儲器、時鐘源、定時器、通信接口和輸入/輸出接口等。文章介紹了 多種存儲器類型 及其 選擇考慮因素 ， 多種時鐘源的類型 及其選擇 考慮因素 。強(qiáng)調(diào)了定時器精度和計時范圍的重要性。文章還介紹了 通信接口類型 、 常見通信協(xié)議 及其 選擇因素 ，以及主要的輸入/輸出接口等，并總結(jié)了選擇這些外設(shè)器件時的關(guān)鍵考量。

嵌入式系統(tǒng)除了最重要的為處理器選擇之外，配合的相關(guān)外設(shè)器件也是嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分，包括內(nèi)存、時鐘（振蕩器）、定時器、通信接口、輸入／輸出、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換等器件，都可視系統(tǒng)的實際需求來進(jìn)行選擇。本文將為您介紹上述外設(shè)器件的類型與選擇的考慮要素。

存儲器的種類眾多且特性不同

存儲器

在嵌入式系統(tǒng)中， 存儲器 是一個關(guān)鍵的器件，它用于 存儲程序代碼、數(shù)據(jù)，以及系統(tǒng)執(zhí)行所需的其他信息。 除了微控制器在IC封裝中內(nèi)置的內(nèi)存和存儲空間之外，也可以增加外部存儲器，且存儲器的類型相當(dāng)多樣，每種類型的存儲器都有其獨特的用途。

首先，嵌入式系統(tǒng)中常見的閃存是一種 非易失性存儲器， 這意味著如果系統(tǒng)重置或斷電也不會被擦除，通常用于存儲程序代碼、固件和其他常駐應(yīng)用數(shù)據(jù)。它具有快速讀取速度，且相對較低的功耗。閃存有不同類型，包括 NOR 和 NAND ，具有不同的讀寫特性和應(yīng)用場景。

另一種常見的存儲器則是 隨機(jī)存取存儲器 （RAM）， RAM是一種易失性存儲器，用于臨時存儲程序執(zhí)行所需的數(shù)據(jù)。 它具有快速的讀寫速度，但系統(tǒng)重置或斷電后會失去存儲的數(shù)據(jù)。在嵌入式系統(tǒng)中，常見的RAM類型包括 SRAM （靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器）和 DRAM （動態(tài)隨機(jī)存取存儲器）。

EEPROM （電可擦除可編程只讀存儲器）則是一種可擦除并且不易失去數(shù)據(jù)的存儲器，這意味著如果系統(tǒng)重置或斷電也不會被擦除， 通常用于存儲配置信息、校正數(shù)據(jù)和其他需要保留的非易失性數(shù)據(jù)。

另外，有些系統(tǒng)還可外接存儲卡和嵌入式多媒體卡，包括 SD卡 、 MicroSD卡 等外部存儲設(shè)備，它們通常用于擴(kuò)展嵌入式系統(tǒng)的存儲容量。

由于不同類型的存儲器有不同的價格，因此成本是一個重要的考慮因素。此外 存儲器的讀取和寫入速度影響系統(tǒng)的性能 ，特別是對于需要高效率的應(yīng)用，便必須選擇速度較快的存儲器。系統(tǒng)所需的存儲器容量也應(yīng)符合應(yīng)用的需求，進(jìn)而確保足夠的空間來存放程序代碼、數(shù)據(jù)和其他必要的信息。此外，不同類型的存儲器有不同的功耗特性，特別是對于移動和電池供電的嵌入式系統(tǒng)，通常需要采用功耗較低的存儲器。嵌入式系統(tǒng)通常要求耐久性，有些應(yīng)用需要存儲器具有較長的生命周期，并能夠承受多次寫入和擦除。另一方面，部分嵌入式系統(tǒng)可能需要在單一芯片上集成多種類型的存儲器，這將有助于節(jié)省空間和簡化設(shè)計，一些應(yīng)用也可能需要支持外部存儲設(shè)備，例如存儲卡，以滿足擴(kuò)展性需求。

時鐘源可確保同步系統(tǒng)中的各種操作

時鐘源可確保同步系統(tǒng)中的各種操作在嵌入式系統(tǒng)中使用的 微控制器 可能包含內(nèi)部電阻、電容、電路振蕩器（RC振蕩器），或依賴某種類型的外部頻率源來保持時間和周期一致。在嵌入式系統(tǒng)中，時鐘源是一個關(guān)鍵的器件， 用于同步系統(tǒng)中的各種操作，包括處理器的計算、外部設(shè)備的通信等 ，以下為您介紹各種不同特性的時鐘源。RC振蕩器（RC oscillator）是一 種只用 電阻 和 電容 構(gòu)成的振蕩器，其 與溫度相關(guān)，頻率信號可能有1-5%的變化，它們確實 可以滿足一些較慢頻率定時需求 （例如低頻模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換）。晶體振蕩器 （Crystal Oscillator）常見于外部振蕩器電路，具有精確度高、穩(wěn)定性好的特性，晶體振蕩器通常以百萬分之一（PPM）為單位測量其變化，而不是百分比（如RC振蕩器），通常用于需要高精度定時的應(yīng)用， 常搭配微控制器、微處理器和其他需要穩(wěn)定定時的器件 。陶瓷振蕩器 （Ceramic Resonator）的成本較低，但精確度和穩(wěn)定性可能較晶體振蕩器差，陶瓷諧振器的公差在十分之一范圍內(nèi)，因此 適用于對定時要求不苛刻的應(yīng)用，以及對成本較為敏感的場合。MEMS振蕩器 （Micro-Electro-Mechanical Systems Oscillator）則具備體積小、耐震動、低功耗的特性，但精度一般較晶體振蕩器差， 適用于尺寸有限、低功耗、耐震動的應(yīng)用，如移動設(shè)備和嵌入式傳感器。振蕩器模塊 （Oscillator Module）則整合了振蕩器和相關(guān)的電路器件，提供方便的外部時鐘源，可簡化系統(tǒng)設(shè)計， 常見于一些集成度高的嵌入式系統(tǒng) 。另一種 GPS模塊 則是通過接收全球定位系統(tǒng)（GPS）信號，來提供高精度的時鐘同步， 常用于需要高度精確同步的應(yīng)用，例如通信系統(tǒng)、科學(xué)儀器等。實時時鐘RTC （Real-Time Clock）則是具有低功耗的特性，能在掉電狀態(tài)下保持時間計數(shù)， 主要用于需要在斷電時保持時間計數(shù)的應(yīng)用。在選擇嵌入式系統(tǒng)中的時鐘源時，應(yīng)先考慮時鐘源的精確度和穩(wěn)定性 ，此外，成本、功耗、集成度與應(yīng)用的外部環(huán)境條件（如溫度、震動），都會影響時鐘源的選擇。在嵌入式系統(tǒng)中，定時器則是一種常見的硬件模塊，用于產(chǎn)生準(zhǔn)確的時間基線，以執(zhí)行定時和計數(shù)操作。常見的 定時 器 （Timer）用于執(zhí)行定時操作，例如產(chǎn)生精確的時間延遲、計算時間間隔等， 常見于需要時間控制的應(yīng)用，如通信協(xié)議、傳感器讀取等 。計數(shù)器 （Counter）則用于計數(shù)外部事件的發(fā)生次數(shù)，例如脈沖計數(shù)、頻率計數(shù)等， 常用于需要計算事件發(fā)生頻率或計數(shù)的場景中使用，如計步器、計量儀表。在選擇嵌入式系統(tǒng)中的定時器時，應(yīng)先考慮定時器的精度 ，不同的計時器具有不同的精度，選擇時應(yīng)根據(jù)應(yīng)用需求確定精度水平。另外，定時器的計時范圍（定時器和計數(shù)器）也應(yīng)該滿足應(yīng)用的時間要求。

實現(xiàn)不同硬件之間數(shù)據(jù)交換的通信接口

在嵌入式系統(tǒng)中，通信接口是實現(xiàn)不同硬件模塊之間數(shù)據(jù)交換的重要元器件，通常可以分成 并行通信和串行通信 兩種類型。并行通信同時發(fā)送多位的數(shù)據(jù)，因此需要數(shù)據(jù)總線硬件，通常由多條線路組成，在允許更快的數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r，并行通信還使用所連接裝置的更多I/O端口，并且需要復(fù)雜的布線配置。串行通信則通過一條電線在配對設(shè)備上一次只發(fā)送一位數(shù)據(jù)，設(shè)備通信僅使用一個I/O端口，可降低設(shè)備總體復(fù)雜度和成本。
串行通信可以進(jìn)一步分為兩個子組，這取決于它們是否使用頻率信號來控制和同步鏈接設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信（稱為 同步和異步 ）。異步串行意味著數(shù)據(jù)可以在不需要頻率信號的情況下傳輸。同步串行則需要所有設(shè)備之間共享頻率信號來控制數(shù)據(jù)通信。雖然同步串行確實需要跨所有設(shè)備的另一個定時信號，但它確實使通信速度更快。在傳輸模式上，又可分成 單工、半雙工和全雙工 ，單工是從來源到目的的單向數(shù)據(jù)流，半雙工則允許從配對設(shè)備雙向傳輸數(shù)據(jù)，但在給定時間內(nèi)只能傳輸一個方向，全雙工則可允許兩個設(shè)備可以同時在兩個方向上傳輸和接收數(shù)據(jù)。

I 2 C總線協(xié)議常見的通信協(xié)議包括I 2 C總線協(xié)議，這是一種兩線串行連接，旨在允許多個端點與一個或多個控制器進(jìn)行通信。 I 2 C 是一種半雙工協(xié)議 ，允許控制器單元和許多端點發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。該協(xié)議的速度范圍為0.1至5 Mbit/s（取決于總線配置）， 常見于連接低速外設(shè)，例如溫度傳感器、EEPROM等 。

串行外設(shè)接口（SPI）協(xié)議串行外設(shè)接口（SPI）則是一種全雙工、同步串行連接 ，需要3線或4線連接。SPI連接需要在總線上所有參與者共享的同步頻率信號，這樣可以實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)率。當(dāng)兩個點彼此靠近時，可以達(dá)到高達(dá)60 Mbps的速度。SPI的缺點是需要更多I/O引腳和連接， 常用于連接具有SPI接口的器件，如內(nèi)存、傳感器、顯示器等 。

通用異步收發(fā)器（UART）協(xié)議通用異步收發(fā)器（UART）則是雙向異步串行連接 ，可設(shè)定為單工、半雙工或全雙工。數(shù)據(jù)速度較慢且僅充當(dāng)一對一通信，有些設(shè)備可能有多個UART電路，允許多個設(shè)備進(jìn)行通信， 常見于連接嵌入式系統(tǒng)和外部設(shè)備，例如傳感器、GPS模塊等 。其他常見的通信協(xié)議還包括CAN（Controller Area Network）、Ethernet（以太網(wǎng)）、USB（Universal Serial Bus）、無線通信接口等，在設(shè)計時選擇通信接口時，可依據(jù)應(yīng)用所需的數(shù)據(jù)速率、傳輸距離、功耗、成本、集成度、實時性等，根據(jù)具體應(yīng)用需求來選擇適合的通信接口，例如嵌入式控制系統(tǒng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、通信設(shè)備等。嵌入式系統(tǒng)中的 輸入／輸出（I/O）接口是用來連接和控制外部設(shè)備、傳感器、顯示器等的關(guān)鍵器件 。常見的I/O接口如GPIO（通用輸入／輸出）具有通用性，可設(shè)置為輸入或輸出模式，用于連接各種外部設(shè)備，是通用用途的I/O連接接口，如按鈕、LED、開關(guān)等。此外，還需要使用ADC（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器）來將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，用于傳感器數(shù)據(jù)的讀取，如溫度、光照等。反之，還有DAC（數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器），用于將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，用于產(chǎn)生模擬輸出，如音頻輸出。

 結(jié)語嵌入式系統(tǒng)所需的外設(shè)器件相當(dāng)廣泛，選擇也相當(dāng)多樣化，可依照具體應(yīng)用需求來挑選合適的器件。DigiKey提供了多種廣泛的產(chǎn)品線可供客戶選擇，并提供完整的技術(shù)支持，設(shè)計師可以到DigiKey的 應(yīng)用與技術(shù) 網(wǎng)頁參考更詳細(xì)的信息，若有更多需求，也可與DigiKey聯(lián)系以獲得更多詳細(xì)的信息。