嵌入式原理5嵌入式系統(tǒng)的外圍設(shè)備和IO接口

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1、第5章 嵌入式系統(tǒng)的外圍設(shè)備和I/O接口5.1 外圍設(shè)備5.2 常見輸入輸出接口類型5.3 I/O接口原理基礎(chǔ)5.4 小結(jié) 主要內(nèi)容基本輸入/輸出設(shè)備的結(jié)構(gòu)輸入設(shè)備：鍵盤、觸摸屏；輸出設(shè)備：LED、LCDI/O接口和總線的工作原理常見的輸入輸出接口類型總線接口：I2C、I2S、CAN、以太網(wǎng)并行接口串行接口：RS-232、IEEE1394、USB無線接口：紅外線、藍(lán)牙、IEEE802.11、GPRS、CDMAI/O接口的數(shù)據(jù)交換方式DMA、查詢、中斷使用芯片內(nèi)部總線把接口集成在嵌入式處理器內(nèi)部，或者應(yīng)用各種擴展方法在處理器外部以接口芯片的形式出現(xiàn)。 5.1 外圍設(shè)備5.1.1 輸入設(shè)備：小型鍵

2、盤、觸摸屏5.1.2 輸出設(shè)備：LED、LCD5.1.3 擴充設(shè)備：PCMCIA、CF、SD、MS5.1.4 便攜式嵌入式系統(tǒng)的電源1.智能型電源管理設(shè)備2.智能型電池 輸入設(shè)備輸入設(shè)備用來將外部信息輸入主機，一般是將用戶（或廣義的應(yīng)用環(huán)境）所提供的原始信息，轉(zhuǎn)換為計算機所能識別的二進制代碼。符號信息，如字符、數(shù)字代碼等。非符號信息，如圖形、圖像、聲音、物理信號等。輸入設(shè)備往往需要具備信息轉(zhuǎn)換功能與數(shù)據(jù)傳送功能。常見的輸入設(shè)備鍵盤、穿孔輸入設(shè)備、數(shù)據(jù)錄入站、圖形數(shù)字化儀、字符輸入與識別裝置、語音輸入與識別裝置、光筆、鼠標(biāo)、跟 蹤球、操縱桿等。 輸入設(shè)備（常見的輸入設(shè)備）鍵盤能將擊鍵動作轉(zhuǎn)換成字

3、符代碼，然后輸入計算機。穿孔輸入設(shè)備用有孔、無孔表示1 、0。數(shù)字化儀能輸入像點的絕對坐標(biāo)值，從而將圖形轉(zhuǎn)換為二進制代碼。光筆、鼠標(biāo)、跟蹤球、操縱桿等輸入坐標(biāo)相對移動值來操縱顯示器光標(biāo)移動。掃描儀、攝像機等可將圖像信息轉(zhuǎn)換為像點代碼，從而輸入圖像。音頻信號采集裝置能將聲音信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再通過模擬量/數(shù)字量（A/D）轉(zhuǎn)換，輸入計算機。 鍵帽恢復(fù)彈簧鍵桿鍵塊觸點磁鐵密封玻管薄膜襯墊基底直接作用式機械鍵干簧管間接作用式薄膜式短行程觸摸鍵接觸式按鍵的基本結(jié)構(gòu)從結(jié)構(gòu)上可以分為兩類：接觸式、非接觸式。從按鍵操作方式上可以分為兩類：機械動作式、觸摸式。閱讀：鍵的結(jié)構(gòu) 閱讀：非接觸式鍵非接觸式鍵將擊鍵動

4、作引起的其他物理量變化間接轉(zhuǎn)換為電信號，以避開接觸式鍵存在的觸點導(dǎo)通可靠性問題。常用的非接觸式鍵電容式感應(yīng)式感應(yīng)式鍵是真正的無行程觸摸鍵。常見的有靜電感應(yīng)式、壓感式、光遮斷式等。 靜電感應(yīng)式鍵有一個裸露的金屬板，當(dāng)手指接觸它時，人體所帶的靜電或感應(yīng)所產(chǎn)生的交流電信號，通過它傳給放大器放大，產(chǎn)生按鍵信號。易受電磁場干擾。壓感式鍵一般由一塊壓電陶瓷構(gòu)成，當(dāng)它受到外界壓力時，會變形并產(chǎn)生感應(yīng)電勢。 小型鍵盤 鍵盤與鍵盤控制器電路工作原理示意 16個按鍵輸入分別接到鍵盤控制器的4條行輸出X0X3和4條列輸入Y0Y3上，構(gòu)成矩陣鍵盤，以節(jié)省占用的控制器I/O端口資源。 小型鍵盤的工作過程/原理當(dāng)鍵盤按鍵

5、按下時，某一行與某一列的輸入電路之間形成通路，因此可由輸入的引腳信號變化得知哪一個按鍵被按下，按鍵的值將存儲在鍵盤控制器的寄存器中。一般由鍵盤控制器內(nèi)部自動完成按鍵的輸入掃描、譯碼和去抖動處理功能。當(dāng)鍵盤控制器檢測到矩陣鍵盤中有按鍵被按下時，鍵盤控制器的Key引腳將由低電平變?yōu)楦唠娖?，并一直保持到按鍵值被讀取為止。嵌入式處理器從Key引腳得知目前有按鍵被按下時，將鍵盤控制器的CS引腳設(shè)為低電平，存儲在鍵盤控制器的寄存器中的按鍵值將從鍵盤控制器的DIO引腳依次輸出給嵌入式處理器。 當(dāng)所有按鍵數(shù)值傳送完畢后，Key重新變?yōu)榈碗娖健?鍵盤控制器的工作方式鍵盤控制器通知嵌入式處理器按鍵消息的工作方式輪

6、詢（Polling）方式由處理器每隔一段時間檢測鍵盤控制器的Key引腳是否為高電平，若是高電平則表示有按鍵被按下。中斷（Interrupt）方式由Key引腳直接發(fā)出中斷請求信號給處理器，處理器因為中斷信號觸發(fā)得知目前有按鍵被按下。 矩陣掃描式鍵盤構(gòu)成行驅(qū)動L0L1L 2L3 Vcc列輸入緩沖C0 C1 C2 C3 閱讀：掃描式鍵盤通過行驅(qū)動電路，使各行線L0Ln依次為0（每次一根行線為0）。每當(dāng)某行為0時，就讀回各列線狀態(tài)C0Cm， 判斷出各鍵的通斷狀態(tài)。 同時按下兩個以上的鍵時，也能通過一遍掃描識別出來。當(dāng)Li=0，Cj=0時，說明第i行、第j列的鍵被按下，此時可獲得該鍵的位置碼(i，j)。

7、 閱讀：非掃描式鍵盤當(dāng)無任何鍵按下時，所有輸入線均為1；當(dāng)按下某個鍵時，其對應(yīng)輸入線變?yōu)?，通過與非門產(chǎn)生中斷請求IRQ。CPU 響應(yīng)后，在中斷處理程序中將各個輸入寄存器的內(nèi)容取回，判斷是哪個鍵或哪幾個鍵被按下，其程序結(jié)構(gòu)非常簡單。非掃描式鍵盤的結(jié)構(gòu)比較簡單，速度快，但當(dāng)鍵數(shù)較多時， 硬件代價高，因此適用于鍵數(shù)較少的場合。地址譯碼控制邏輯IRQ驅(qū)動器輸入寄存器輸入寄存器系統(tǒng)總線非掃描式鍵盤及其中斷接口結(jié)構(gòu)邏輯框圖直接連接式非掃描式鍵盤直接將各鍵的輸出送往鍵盤接口的輸入寄存器。 觸摸屏傳統(tǒng)的用戶輸入設(shè)備（如鼠標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)鍵盤等）體積大，不符合可攜式嵌入設(shè)備所強調(diào)的輕薄短小特性要求。通過在液晶屏上疊加

8、一片觸摸屏，用戶可在液晶屏上用觸控筆或手指頭直接點選按鍵或輸入文字，因此觸摸屏在嵌入式系統(tǒng)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。 觸摸屏的種類1.電容式2.電阻式3.表面聲波式4. XGT（Extreme Glass Technology）式 電容式觸摸屏的工作原理電容式觸摸屏利用人體的電流感應(yīng)進行工作用戶觸摸屏幕時，由于人體電場，用戶和觸摸屏表面形成一個耦合電容。對于高頻電流而言，電容是直接導(dǎo)體，于是手指從接觸點吸走很小的電流。這個電流會從觸摸屏的四個角上的電極中流出，并且流經(jīng)電極的電流與手指到四個角的距離成正比，控制器通過對這四個電流比例的精確計算，得出觸摸點的位置。 電容式觸摸屏的特點1.對大多數(shù)環(huán)境污染

9、物有抵抗力。2.人體成為電流回路的一部分，因而漂移現(xiàn)象比較嚴(yán)重。3.人體戴手套后不起作用。4.需經(jīng)常校正。5.不適用于金屬機柜。6.外界存在電感或磁感的時候，觸摸屏失靈。 電阻式觸摸屏工作原理電阻式觸摸屏有兩層透明導(dǎo)電薄膜，薄膜間保持一定的間隔，且上層薄膜具可伸縮性。當(dāng)上層薄膜受到外力施壓時，上層薄 膜會觸碰到下層薄膜，這樣造成上下電極導(dǎo)通。 利用三維空間的電壓計測量面板上不同位置的電平差，由此決定面板哪個位置受到外力施壓。 電阻式觸摸屏的特點1.高解析度，高速傳輸反應(yīng)。2.做過表面硬度處理，減少擦傷、刮傷及防化學(xué)處理。3.具有光面及霧面處理。4.一次校正，穩(wěn)定性高，永不漂移。 表面聲波式觸摸

10、屏表面聲波式觸摸屏利用聲波在物體的表面進行傳輸。當(dāng)有物體觸摸到表面時，阻礙聲波的傳輸，換能器偵測到這個變化，反映給計算機，進而進行鼠標(biāo)的模擬。表面聲波式觸摸屏的特點清晰度高，透光性好。高度耐久，抗刮傷性良好。一次校正永不漂移。需要經(jīng)常維護，適合于環(huán)境比較清潔的場所。 因為灰塵、油污甚至飲料的液體玷污在屏的表面，都會阻塞觸摸屏表面的導(dǎo)波槽，使聲波不能正常反射，或使波形改變而控制器無法正常識別。 XGT式觸摸屏XGT式觸摸屏采用純玻璃面板，與透明導(dǎo)電薄膜相比，透光率提高了15%左右。使用XGT時，將電壓連到玻璃基板的四個角落，此時玻璃基板會產(chǎn)生一個電場。在輸入數(shù)據(jù)時，通過特殊的有線觸控筆去觸控輸入

11、，其他實體觸碰不會有反應(yīng)，觸控筆所觸碰的位置可以通過電場的變化得知。XGT式觸摸屏的特點XGT結(jié)合了電阻式和表面聲波式觸摸屏的優(yōu)點。平均使用壽命大概是前類產(chǎn)品的100倍。防水、防火、防塵、防刮、抗菌?？梢詰?yīng)用在高溫、低溫以及環(huán)境惡劣的狀況下。 觸摸屏與LCD的配合一般觸摸屏將觸摸時的X、Y方向的電壓值傳到A/D轉(zhuǎn)換口，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的X、Y值僅是對當(dāng)前觸摸點的電壓值的A/D轉(zhuǎn)換值。但它不具有實用價值，因為這個值的大小不但與觸摸屏的分辨率有關(guān)，而且與觸摸屏與LCD貼合的情況有關(guān)。LCD分辨率與觸摸屏的分辨率一般不同，坐標(biāo)系也不一樣，因此，如果想得到在LCD坐標(biāo)系中的觸摸屏位置值，還需要在程序中

12、進行轉(zhuǎn)換。 輸出設(shè)備發(fā)光二極管Light-Emitting-Diode，LED液晶顯示器Liquid Crystal Display，LCD 半導(dǎo)體發(fā)光器件半導(dǎo)體發(fā)光部件被廣泛應(yīng)用于各種電子儀器和電子設(shè)備中，可作為電源指示燈、電平指示、工作狀態(tài)顯示或微光源之用。紅外發(fā)光管常被用于電視機、錄像機等的遙控器中。紅綠雙色發(fā)光管用于指示PC或筆記本電腦中的硬盤工作狀態(tài)。數(shù)碼管、符號管、米字管及點陣顯示屏（矩陣管）中的每個發(fā)光單元均為發(fā)光二極管（Light-Emitting-Diode，LED）。 LED基本結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管是由 -族化合物（如砷化鎵、磷化嫁、磷砷化鎵）等半導(dǎo)體制成的，核心是一個PN結(jié)。工

13、作原理LED具有一般P-N結(jié)的正向?qū)?、反向截?擊穿的特性。具有發(fā)光特性，在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)，進入對方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光。LED的優(yōu)點耗電少、成本低、配置簡單靈活、安裝方便、耐振動、壽命長、。 LED的類型按發(fā)光管發(fā)光顏色，LED可分為紅色、橙色、綠色、藍(lán)色等，有的發(fā)光二極管中包含兩種或三種顏色的芯片。根據(jù)發(fā)光二極管出光處是否摻散射劑、有色、無色，上述各種顏色的發(fā)光二極管還可分成有色透明、無色透明、有色散射和無色散射。按發(fā)光管出光面特征，LED分為圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側(cè)向管、表面安裝用微型管等。按發(fā)光角度分，

14、LED分為高指向型、標(biāo)準(zhǔn)型和散射型。按發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)分，LED分為全環(huán)氧包封、金屬底座環(huán)氧封裝、陶瓷底座環(huán)氧封裝及玻璃封裝等。 發(fā)光二極管的性能：顏色、尺寸、形狀、發(fā)光強度及透明情況 七段數(shù)碼管結(jié)構(gòu)原理基本的數(shù)碼管由7段條狀發(fā)光二極管按“日”字型排列而成，可實現(xiàn)數(shù)字09、部分字母和小數(shù)點的顯示。發(fā)光段電極的連接方式 共陰極方式：各段發(fā)光管的陰極是公共的，而陽極是互相隔離的。共陽極方式：各段發(fā)光管的陽極是公共的，而陰極互相隔離。一般地，共陰極接法不需外接電阻，共陽極接法必須外接電阻。管腳配制外形圖 共陰極連接 共陽極連接 共陰極7段LED顯示字型編碼說明：共陰極LED，被選中的段為高電平有效，

15、熄滅的段碼為00H；共陽極LED，選中的段為低電平有效，熄滅的段碼為FFH。 數(shù)碼管的驅(qū)動控制數(shù)碼管驅(qū)動級的控制電路（也稱為驅(qū)動電路）靜態(tài)驅(qū)動每個數(shù)碼管各用一個并口驅(qū)動。動態(tài)驅(qū)動當(dāng)多個數(shù)碼管需要同時顯示時，為簡化電路和降低成本，采用動態(tài)驅(qū)動方式，即對所有數(shù)碼管使用一個專門的并口進行驅(qū)動。各數(shù)碼管分時輪流選通受控顯示，當(dāng)輪詢掃描速度足夠快時，利用人眼的視覺暫留現(xiàn)象，顯示的數(shù)字將不會產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象，顯示效果與靜態(tài)驅(qū)動基本相同。動態(tài)驅(qū)動方式的數(shù)碼管接口電路中不宜接太多的數(shù)碼管，一般在8個 以內(nèi)。個數(shù)較多時，應(yīng)采取措施增加驅(qū)動能力，以提高顯示亮度。 米字管、符號管米字管可以顯示包括英文字母在內(nèi)的多種符號

16、。符號管主要用來顯示+、-或號等。米字管、符號管的結(jié)構(gòu)原理與7段數(shù)碼管類似，因此驅(qū)動方式也基本相同，只是字符的編碼方式與7段數(shù)碼管不同。 點陣顯示屏原理若干獨立的發(fā)光二極管封為點陣形式構(gòu)成點陣顯示屏。每個發(fā)光二極管排列在陣列中行列線的各交點處，微處理器通過總線操作完成對點陣顯示屏中每個LED的亮、暗控制。 點陣顯示屏不僅可以顯示數(shù)字，也可以顯示所有西文字母和符號。如果將多塊組合，可以構(gòu)成大屏幕顯示屏，用于漢字、 圖形、圖表等的顯示。點陣顯示 發(fā)光二極管排列 液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD） LCD利用液晶的特性來處理顯示的效果。液晶是一種介于固態(tài)與液態(tài)之間的物

17、質(zhì)，它具備固態(tài)晶體的光學(xué)特性，同時也具有液態(tài)物質(zhì)的流動特性。當(dāng)液晶被通上電壓后，液晶的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生扭曲，穿過液晶物質(zhì)的光線也會因此被改變原本行進的角度。液晶屏幕顯示器上具有一大堆的液晶物質(zhì)陣列，每一個像素用一個液晶單元表示，當(dāng)一個像素需要改變顯示狀態(tài)時，就對這一個液晶單元施以電壓，它就會對于背光所發(fā)射穿透液晶單元的光線做顯示角度的改變，因而可以控制所顯示的光線明暗。 LCD結(jié)構(gòu)原理LCD屏幕的結(jié)構(gòu)背光板、偏光板、液晶陣列以及彩色濾光膜等。 LCD的工作原理/過程背光板作為光源產(chǎn)生器，產(chǎn)生光線。第一塊偏光板的方向性使得一部分光線被過濾掉。液晶陣列根據(jù)LCD控制器所給予的不同電壓將內(nèi)部的液晶結(jié)構(gòu)

18、改變，光線隨之改變行進方向。光線經(jīng)過彩色濾光膜后，顯示出所指定的三原色色彩RGB。最后一塊偏光板與第一塊偏光板呈90垂直。若是將這兩塊偏光板疊合起來，所有照射在這兩塊偏光板的光線都會被遮擋下來，但是在兩塊偏光板中間的光線經(jīng)過液晶陣列對光線角度改變后，原本該擋下來的光線會因為角度的改變而通過第二塊偏光板，這樣就可以將不需要顯示的光線巧妙地?fù)踝?，不會顯示在液晶屏幕上。 LCD的類型及異同點被動式LCD控制電壓組件設(shè)計在面板的四周，因此反應(yīng)時間較慢，而且光線輸出量較少，造成顯示動態(tài)影像與一般顯示器效果差距很大，而且可視角度較窄，容易出現(xiàn)殘影的現(xiàn)象。主動式LCD在每個液晶單元內(nèi)植入控制電壓的組件，如此

19、可以增加光輸出量，也可以提高反應(yīng)速度，提供鮮艷的色彩與較好的動態(tài)影像。制造成本較高，尺寸越大，液晶面板的優(yōu)良率低。 LCD的應(yīng)用比較高檔的嵌入式系統(tǒng)才會采用主動式LCD。彩色的個人數(shù)字助理、信息家電、。一般的嵌入式系統(tǒng)，從成本和實用性角度考慮，大多數(shù)采用被動式LCD。普通的移動電話、。 擴充設(shè)備內(nèi)置設(shè)備的缺點內(nèi)置大容量內(nèi)存、調(diào)制解調(diào)器、多媒體播放設(shè)備或者是數(shù)碼相機等的嵌入式系統(tǒng)，成本一定很高，所占體積也很大，而且沒有什么變動的可伸縮性因此現(xiàn)在高級的嵌入式系統(tǒng)都會預(yù)留擴充的接口，以便在特別需求時，可以直接購買符合擴充接口規(guī)格的設(shè)備，直接接上嵌入式系統(tǒng)使用。 PCMCIA CF SD MS 便攜式

20、嵌入式系統(tǒng)的電源【需求問題】嵌入式系統(tǒng)強調(diào)它的可移植性，力求外觀的小型化、重量的輕質(zhì)化以及電源使用的延長化。鎳氫電池、鋰電池的重量都很大，若想要有較多的蓄電量，就必須使用比較大型的電池，這樣會造成便攜式嵌入系統(tǒng)搭載上電池后，變得又大又笨重。 智能型電源管理設(shè)備便攜式嵌入系統(tǒng)采用智能型電源管理設(shè)備，檢測系統(tǒng)真正需要使用電源的時間，確保電源不會浪費在無謂的等待時間。需要用到電源時，智能型電源管理設(shè)備會將電源打開。不需要使用到電源時，會關(guān)閉電源開關(guān)?；旌想妷涸O(shè)計針對各個不同的組件所需要提供的最低操作電壓，給予不同的電壓驅(qū)動，使功率消耗分配更有效率。例如，微處理器部分大多數(shù)為2.5V就可以驅(qū)動；輸入輸

21、出控制組件則需要3.3V左右。因此，設(shè)計時必須考慮到電源整流器、電源控制 器以及電源監(jiān)控IC等的合適組件，用于驅(qū)動電路及監(jiān)控系統(tǒng)。 智能型電池系統(tǒng)（Smart Battery System）【問題】對于用戶來說，只提供電源供應(yīng)，而沒有提供電池本身的相關(guān)信息（剩余電量及電壓等的信息）很不方便。當(dāng)所使用的系統(tǒng)電池電量突然用完，而系統(tǒng)正在處理重要數(shù)據(jù)時遭受到突然的斷電，會造成數(shù)據(jù)的流失或系統(tǒng)的損毀?！窘鉀Q方案】智能型電池系統(tǒng)是Intel和Duracell公司開發(fā)的一種電池規(guī)格。符合智能型電池系統(tǒng)規(guī)格的電池除了具備供電的電源接頭外，還具備兩個信號接頭，可以通過電池系統(tǒng)管理總線（System Manag

22、ement Bus）和系統(tǒng)進行連通，讓系統(tǒng)“知道”目前電池所剩余的電量。系統(tǒng)通過電池系統(tǒng)管理總線得知目前電力不足時，可以提示用戶更換新電池或是對電池充電。當(dāng)充電器對電池充滿后，系統(tǒng)也可以“知道”己經(jīng)不需要再充電了，于是停止充電器對電池充電，以免電池被持續(xù)過量充電而損壞。 5.2 常見輸入輸出接口類型5.2.1 總線接口5.2.2 并行接口5.2.3 串行接口5.2.4 無線接入技術(shù)I 2C、 I2S、 USB、 IEEE1394等 串 行 外 設(shè) 接 口 線 路 簡 單 、 抗 干 擾 能力 強 ， 但 控 制 也 相 對 復(fù) 雜 。 總線接口常見的總線接口I2C（Inter-Integrat

23、ed Circuit） I2S（Inter-IC Sound）CAN（Controller Area Network）以太網(wǎng)（Ethernet） I2CI2C是一種雙向兩線制的串行數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)總線。I2C通過串行數(shù)據(jù)線（SDL）及串行時鐘線（SCL）兩根導(dǎo)線連接嵌入式處理器和外設(shè)。數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣纫话銥?00kbit/s，最高可達到400kbit/s。采用I2C總線的標(biāo)準(zhǔn)器件的內(nèi)部不僅具有I2C接口電路，而且將內(nèi)部各單元電路按功能劃分為若干相對獨立的模塊，通過軟件尋址實現(xiàn)片選（模塊選擇），減少了器件片選線的連接。CPU不僅能通過指令將某個功能單元接入和脫離總線，還可以對功能單元的工作狀態(tài)進行檢測

24、，從而實現(xiàn)對硬件系統(tǒng)簡單靈活的擴展與控制。 I2C（續(xù)）傳統(tǒng)的單片機串行接口的發(fā)送和接收一般都各用一條線。例如，MCS 51系列的TXD和RXD。I2C中的SDL和SCL均為雙向I/O線。I2C總線根據(jù)器件的功能通過軟件程序使其工作于發(fā)送和接收方式。發(fā)送器（主器件）：向總線發(fā)送消息的器件。接收器（從器件）：從總線上接收信息的器件。主器件用于啟動總線傳送數(shù)據(jù)并產(chǎn)生時鐘以開放傳送的器件，此時任何被尋址的器件均被認(rèn)為是從器件。I 2C總線的控制完全由掛接在總線上的主器件送出的地址和數(shù)據(jù)決定。在該總線上，既沒有中心機，也沒有優(yōu)先級。 I2C（續(xù)）總線競爭：總線上可能掛接有多個器件，有時會發(fā)生兩個或多個

25、主器件同時想占用總線的情況。例如，多個單片機組成的系統(tǒng)中，可能在某一時刻有兩個單片機要同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)。I2C總線具有多主控制能力，可以對發(fā)生在SDL線上的總線競爭進行仲裁。 I2C（續(xù)）仲裁原則當(dāng)多個主器件同時想占用總線時，如果某個主器件發(fā)送高電平，而另一個主器件發(fā)送低電平，則發(fā)送電平與此時SDL總線電平不符的那個器件將自動關(guān)閉其輸出線?？偩€競爭的仲裁地址位的比較如果主器件尋址同一個從器件，則進入數(shù)據(jù)位的比較，從而確保了競爭仲裁的可靠性。利用I 2C總線上的信息進行仲裁，因此不會造成信息的丟失。 I2C總線的一次典型工作流程（1）開始：信號表明傳輸開始。（2）地址：主設(shè)備發(fā)送地址信息，包含

26、7位從設(shè)備地址和1位指示位（表明讀、寫或數(shù)據(jù)流的方向）。（3）數(shù)據(jù)：根據(jù)指示位，數(shù)據(jù)在主設(shè)備和從設(shè)備之間傳輸：數(shù)據(jù)一般以8位傳輸，具體傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量沒有限制；接收器上用一位的ACK（回答信號）表明一個字節(jié)己收到；傳輸可以被終止或重新開始。（4）停止：信號結(jié)束傳輸。 I2SI2S是一種串行總線接口標(biāo)準(zhǔn)，主要應(yīng)用于數(shù)字音頻處理設(shè)備。例如，便攜CD機、數(shù)字音頻處理器等。I2S將音頻數(shù)據(jù)與時鐘信號分離，避免由時鐘帶來的抖動問題，因此系統(tǒng)中不再需要消除抖動的器件。I2S總線僅處理音頻數(shù)據(jù)，對其他信號（如控制信號等）單獨傳送。I2S總線只由3根串行線組成分時復(fù)用的數(shù)據(jù)通道線（Serial Data，SD）字

27、選擇線（Word Select，WS）時鐘線（Continuous Serial Clock，CSK） I2SWS信號線指示左通道或右通道的數(shù)據(jù)將被傳輸。SD信號線按高有效位MSB到低有效位LSB的順序傳送字長的音頻數(shù)據(jù)。MSB總在WS切換后的第一個時鐘發(fā)送。如果數(shù)據(jù)長度不匹配，那么接收器和發(fā)送器將對其自動截取或填充。 I2S總線接口的基本時序 CANCAN是一種實時數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用的串行通信協(xié)議。CAN通信協(xié)議的穩(wěn)定性不錯，因此常被嵌入式系統(tǒng)用到電子組件間數(shù)據(jù)傳遞的應(yīng)用上。CAN的數(shù)據(jù)傳輸速率最高可到達1Mbit/s位，并且具備錯誤檢測的功能。在硬件線路結(jié)構(gòu)上，一般采用雙絞線作為數(shù)據(jù)傳輸總線。每

28、一個連到CAN總線的電子組件稱為節(jié)點（Node），各自擁有自己的傳送與接收電路，作為數(shù)據(jù)輸入輸出之用。CAN總線在數(shù)據(jù)連接上采用點對點的方式（Peer to Peer），如果連接在總線中一個電子組件發(fā)生問題，無法進行數(shù)據(jù)溝通時，其他連接在總線的電子組件仍然可以繼續(xù)執(zhí)行數(shù) 據(jù)傳輸?shù)墓ぷ?，總線不會因此而全面癱瘓。 CAN工作原理在節(jié)點在數(shù)據(jù)傳送時，設(shè)置為顯性模式和隱性模式，在邏輯上分別代表0以及1。當(dāng)總線沒有任何數(shù)據(jù)傳輸時，是隱性狀態(tài)（Recessive Level），這個時候連接在總線的任何節(jié)點都可以發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)某一節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，總線會處在顯性狀態(tài)（Dominant Level），數(shù)據(jù)的發(fā)送是

29、以包的方式傳送。 CAN工作原理仲裁字段內(nèi)定義了數(shù)據(jù)發(fā)送的目的地?？刂谱侄蝺?nèi)定義數(shù)據(jù)的長度。ACK字段用來確定數(shù)據(jù)是否被正確地接收，發(fā)送端會在ACK字段中設(shè)置一個隱性位（Recessive Bit），邏輯上為1，當(dāng)接收端的節(jié)點發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸有錯誤時，會將ACK字段設(shè)置為顯性位，邏輯上為0，當(dāng)發(fā)送端得知ACK字段被改為0時，就知道數(shù)據(jù)發(fā)送錯誤，必須再重新傳送數(shù)據(jù)。 如果總線同時有兩筆數(shù)據(jù)要傳送，則總線會根據(jù)仲裁位中的識別ID比較優(yōu)先級，決定哪筆數(shù)據(jù)先發(fā)送。 CAN總線數(shù)據(jù)包 以太網(wǎng)以太網(wǎng)是目前局域網(wǎng)中最通用的一種通信總線標(biāo)準(zhǔn)。在以太網(wǎng)中，所有通信節(jié)點被連接在一條電纜上，采用CSMA/CD（載波監(jiān)聽

30、/沖突檢測）的訪問方法和競爭機制。在星型或總線型配置結(jié)構(gòu)中，集線器/交換機/網(wǎng)橋通過電纜使各通信節(jié)點彼此之間相互連接。以太網(wǎng)通信協(xié)議遵循IEEE802.3系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。IEEE802.3：10Base Ethernet，通信速率10Mbit/s通信標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.3u：Fast Ethernet，通信速率100Mbit/s通信標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.3z：Gigabit Ethernet，1000Mbit/s通信標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.3ae：10Gigabit Ethernet，10000Mbit/s通信標(biāo)準(zhǔn)。 IEEE802.3的4種通信介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)10Base5通常被稱為“粗以太網(wǎng)（Thi

31、ck Ethernet）電纜”，建議為黃色，每隔2.5m一個標(biāo)志，標(biāo)明分接頭插入處，連接處通常采用插入式分接頭，將其觸針小心地插入到同軸電纜的內(nèi)芯。名稱10Base5表示的意思是：工作速率為10Mbit/s，采用基帶信號，最大支持段長為500m，每段節(jié)點數(shù)為100。10Base2稱為“細(xì)以太網(wǎng)（Thin Ethernet）”電纜，很容易彎曲，其接頭處采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的BNC連接器組成T型插座，使用靈活，可靠性高?！凹?xì)以太網(wǎng)”電纜價格低廉，安裝方便，但是使用范圍只有200m，并且每個電纜段內(nèi)接點容量為30。 IEEE802.3的4種通信介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)10Base-T所有站點均連接到一個中心集線器（Hub）

32、上，通常這些連線是電話公司的雙絞線，其每段節(jié)點數(shù)為1024。增添或移去節(jié)點變得十分簡單，并且很容易檢測到電纜故障。電纜的最大有效長度為距集線器100m，即使是高質(zhì)量的雙絞線（5類線），最大長度可能也只有150m，大集線器的價格也較高。10Base-F采用光纖介質(zhì)連接器和終止器的價格十分昂貴，有極好的抗干擾性，常用于辦公大樓或相距較遠(yuǎn)的集線器間的連接，電纜的最大 有效長度為距集線器2000m，每段節(jié)點數(shù)為1024。 并行接口采用并行協(xié)議的傳送方式：兩個電子設(shè)備在數(shù)據(jù)傳輸時，通過由多條數(shù)據(jù)線組成的總線，一次可以同時傳送多位數(shù)據(jù)。典型的并行協(xié)議的應(yīng)用是微機系統(tǒng)的打印機接口，稱為打印機的并行端口（Pa

33、rallel Port，簡稱并口），并口將數(shù)據(jù)以一次多個位的方式通過并行傳輸線，傳送到打印機進行數(shù)據(jù)的譯碼，之后打印出來。并行接口的特點并行接口傳輸數(shù)據(jù)量大、速度快、控制簡單。傳輸長度過長時，電子線路間將產(chǎn)生電容效應(yīng)，因此數(shù)據(jù)傳輸總線的長度受到一定限制，抗干擾能力差，影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_率。 串行接口1. RS-2322. IEEE13943. USB4. RS-232RS-232是由EIA所制定的一個點對點的串行異步通信標(biāo)準(zhǔn)，包括機械特性規(guī)范和電氣特性規(guī)范。RS-232的物理接口形式：DB-9、DB-25。 RS-232端口DB-9引腳定義 RS-232RS-232通信信號電平為515V，采用

34、負(fù)邏輯，即-15V-5V表示“1”，+5V+15V表示“0”。負(fù)邏輯不同于數(shù)字電路的03V或05V，因此以RS-232的方式進行通信，需要進行電平轉(zhuǎn)換。比特率是用來決定位傳送與接收的速度，RS-232常用的比特率為240019200bit/s。數(shù)據(jù)傳輸時，RS-232的雙方電子設(shè)備必須事先設(shè)置好比特率，才可以順利完成數(shù)據(jù)的收發(fā)工作。RS-232的控制傳輸部分稱為UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）接口。 RS-232實現(xiàn)RS-232傳輸?shù)腢ART芯片包含有接收器與發(fā)送器。接收器會持續(xù)不斷監(jiān)控RX（Receive）引腳，檢查是否有數(shù)據(jù)

35、的起始位，通常信號由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖奖硎緸槠鹗嘉?。?dāng)檢測到起始位后，接收器對RX引腳以設(shè)置的比特率進行信號采樣，將接收到的信號存入寄存器中。數(shù)據(jù)接收完畢后，通知其他需要數(shù)據(jù)的電子組件將UART芯片中的數(shù)據(jù)由寄存器取出。常見的UART芯片，最高比特率可以達到1152kbit/s，擁有64字節(jié)的接收寄存器。許多嵌入式處理器己內(nèi)置了UART功能模塊，只要利用為處理器提供的指令集設(shè)置通信比特率、流量控制方式、奇偶校驗 位等到相應(yīng)寄存器中，即可方便地實現(xiàn)RS-232的通信功能。 UART的功能將計算機內(nèi)部傳送過來的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為輸出的串行數(shù)據(jù)流。將計算機外部傳來的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字節(jié)，供給計算機內(nèi)部使用

36、并行數(shù)據(jù)的器件。在輸出的串行數(shù)據(jù)流中加入奇偶校驗位，并對從外部接收的數(shù)據(jù)流進行奇偶校驗。在輸出數(shù)據(jù)流中加入啟/停標(biāo)記，并從接收數(shù)據(jù)流中刪除啟/停標(biāo)記。處理由鍵盤或鼠標(biāo)發(fā)出的中斷信號（鍵盤和鼠標(biāo)也是串行設(shè)備）。處理計算機與外部串行設(shè)備的同步管理問題。 通用串行總線（Universal Serial Bus，USB） USB為PC的外設(shè)擴充提供了一個很好的解決方案所有的外設(shè)都在機箱外連接，連接外設(shè)不必再打開機箱。允許外設(shè)熱插拔，而不必關(guān)閉主機電源。采用“級聯(lián)”方式。每個USB設(shè)備用一個USB插頭連接到一個外設(shè)的USB插座上，而其本身又提供一個USB插座供下一個USB外設(shè)連接使用，通過這種類似菊花鏈

37、式的連接，一個USB控制器可以連接多達127個外設(shè)。外設(shè)間的距離（線纜長度）可達5m。USB能夠智能識別USB鏈上外圍設(shè)備的插入和拆卸。 USB的主要特性（1）速度快USB2.0最高傳輸速率480Mbit/s。（2）使用方便可以帶電插拔各種硬件，不用擔(dān)心硬件是否會因此損壞。支持多個不同設(shè)備的級聯(lián)，一個USB接口最多可以連接127個USB設(shè)備沒有IRQ沖突的問題。單獨使用自己的保留中斷，因此不會額外占用電腦有限的資源。（3）自取電不需要用單獨的供電系統(tǒng)，接口內(nèi)置了取電裝置，可以向 低壓設(shè)備提供5V電源。 USB的主要結(jié)構(gòu)控制器接收和執(zhí)行由系統(tǒng)向USB發(fā)出的各種命令?？刂破黩?qū)動程序向控制器發(fā)送各種

38、命令和向系統(tǒng)回饋各種信息。USB芯片驅(qū)動程序使操作系統(tǒng)能夠?qū)SB進行支持。USB設(shè)備是各種與PC的USB接口相連的設(shè)備。USB設(shè)備驅(qū)動程序是使操作系統(tǒng)驅(qū)動USB誼箏的程序。 USB的傳輸方式（1）實時傳輸方式有固定的傳輸速率，雙方USB設(shè)備必須先協(xié)議好一個固定的數(shù)據(jù)傳輸速率。適用于多媒體影音設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。（2）中斷傳輸方式USB不支持硬件的中斷方式，因此USB所提供的中斷傳輸方式實質(zhì)是一種周期性檢查，檢查設(shè)備是否有數(shù)據(jù)傳輸。適合于USB接口的鍵盤、鼠標(biāo)或者是搖桿。 USB的傳輸方式（3）批量傳輸方式?jīng)]有固定的傳輸速率。適合于需傳輸大批量數(shù)據(jù)的場合。例如，打印機、掃描儀等設(shè)備。（4）控制傳輸

39、方式一種雙向的數(shù)據(jù)傳輸模式。包含了三種控制類型：讀取、寫入、無數(shù)據(jù)控制。數(shù)據(jù)在傳輸時，控制器會以CRC（循環(huán)冗余校驗碼）做數(shù)據(jù)正確性的檢查，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸錯誤且無法復(fù)原時，數(shù)據(jù)將被重傳。 USB連接器A類連接器主要應(yīng)用于USB設(shè)備將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街髟O(shè)備（Host）的場合。B類連接器主要應(yīng)用于主設(shè)備將數(shù)據(jù)傳輸?shù)経SB設(shè)備（Client）的場合。 IEEE1394IEEE1394是一種高速串行總線，亦稱為火線（Fire wire）。IEEE1394與USB的共同點都是一種通用外接設(shè)備接口都可以快速傳輸大量數(shù)據(jù)都能連接多個不同設(shè)備都支持熱插拔都可以不用外部電源 IEEE1394（與USB的區(qū)別）（1）傳輸速

40、率不同USB2.0一般用于連接低速設(shè)備；IEEE1394主要應(yīng)用于需要高速率的設(shè)備。（2）連接方式不同USB采用主從連接方式，必需Hub（集線器）實現(xiàn)互連，整個網(wǎng)絡(luò)中最多可連接127臺設(shè)備；IEEE1394采用多主方式，不需要Hub，可以用網(wǎng)橋連接多個IEEE1394網(wǎng)絡(luò)，在用IEEE1394實現(xiàn)了63臺IEEEl394設(shè)備之后還可以用網(wǎng)橋?qū)⑵渌腎EEE1394網(wǎng)絡(luò)連接起來，達到無限制連接。（3）智能化不同USB以Hub來判斷連接設(shè)備的增減；IEEE1394網(wǎng)絡(luò)可以在 其設(shè)備進行增減時自動重設(shè)網(wǎng)絡(luò)。 無線接入技術(shù)常見的無線協(xié)議紅外線藍(lán)牙GPRSIEEE802.11CDMA 紅外線紅外線收發(fā)模

41、塊紅外線發(fā)光二級管就是發(fā)射紅外線波的單元，所發(fā)射的紅外線波長在0.850.90m。硅晶PIN光敏二極管是接收紅外線信號的單元，所接收到的信號會傳送到控制電路中。IrDA1.0采用波長0.850.90m的紅外線傳輸，傳輸速度為115.2kbit/s，有效距離在1m之內(nèi)，發(fā)射接收角度在30之內(nèi)；FIR1.1的傳輸速度達到4Mbit/s；VFIR的傳輸速度可達16Mbit/s，有效距離達到8m。 藍(lán)牙藍(lán)牙模塊是一個無線通信的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。藍(lán)牙模塊的無線通信頻率在一個不需要額外向管理單位提出申請的無線電通信頻帶（Industrial Scientific Medical-ISM ）內(nèi)，其頻帶頻率范圍大約在

42、2.4022.480GHz。藍(lán)牙模塊所發(fā)射的信號，可以在很多無線噪聲的環(huán)境下仍然保持它的準(zhǔn)確性，并將數(shù)據(jù)正確地傳輸?shù)剿{(lán)牙接收模塊中進行數(shù)據(jù)處理工作。 藍(lán)牙（模塊）藍(lán)牙無線信號經(jīng)無線傳輸收發(fā)單元接收后，會將信號數(shù)據(jù)傳送到基頻處理單元，進行無線信號處理的工作，處理好的數(shù)字信號通過數(shù)據(jù)傳輸接口，傳送到微處理器中進行數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理工作。 藍(lán)牙模塊和紅外線收發(fā)模塊的比較藍(lán)牙模塊紅外線收發(fā)模塊傳輸距離10m 1m傳輸特性可以在任何角度進行傳輸操作只能在特定角度范圍內(nèi)進行直接的傳輸操作安全機制具有完整安全機制安全性低 移動性可以在嵌入式系統(tǒng)移動時進行傳輸操作需要在靜止?fàn)顟B(tài)下進行傳輸操作傳輸速度1Mbit/s

43、4Mbit/s價格 IEEE802.11無線局域網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11是為了讓各個廠商的無線局域網(wǎng)設(shè)備彼此兼容并且穩(wěn)定地進行無線傳輸而設(shè)計的。IEEE802.11無線網(wǎng)絡(luò)是一種短距離無線通信方式，一般只在家庭范圍內(nèi)使用，避免了接線的麻煩。最多是以大功率無線橋接器實現(xiàn)小區(qū)內(nèi)覆蓋，要在整個城市或者更大范圍實現(xiàn)覆蓋，成本太高。IEEE802.11系列無線網(wǎng)絡(luò)主要還是針對小范圍內(nèi)的無線接入。例如，在一些條件好的機場、酒店、餐廳和商鋪已開始提供該項無線接入服務(wù)。 IEEE802.11（續(xù)）無線傳輸協(xié)議IEEE802.11a及802.11bIEEE802.11a是設(shè)置在5.8GHz的頻帶進行無線傳

44、輸，帶寬（相當(dāng)于速率）為54Mbit/s。 IEEE802.11b是在2.4GHz的頻帶中進行傳輸，帶寬為11Mbit/s，具有基本的加密機制（Wired Equivalent Privacy Mechanism），可以用來確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕⑶疫€可確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?。?nèi)置了IEEE802.11b筆記本電腦，用戶可以將PCMCIA接口的IEEE802.11b無線網(wǎng)卡插在具有PCMCIA擴充槽上，如果在300m范圍有無線橋接器（Wireless Access Points），就可以連接上網(wǎng)。802.11g可以看作是802.11b的高速版。為了實現(xiàn)54Mbit/s的傳輸速度，采用了與802.

45、11b不同的OFDM（正交頻分復(fù)用）調(diào) 制方式。 GPRS、CDMA以及3G通信廣域網(wǎng)移動通信通?？煞譃槿旱谝淮悄M的無線網(wǎng)絡(luò)。第二代是數(shù)字通信，包括GSM、CDMA等。第三代是分組型的移動業(yè)務(wù)，稱為3G。 GPRSGPRS（General Packet Radio System，通用分組無線業(yè)務(wù)）是介于第二代和第三代之間的一種技術(shù)，通常稱為2.5G。GPRS是一個混合體，采用TDMA方式傳輸語音，采用分組的方式傳輸數(shù)據(jù)，遵循歐洲電信協(xié)會GSM系統(tǒng)中有關(guān)分組數(shù)據(jù)所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，提供115.2kbit/s的空中接口傳輸速度。 CDMACDMA（Code Division Multiple A

46、ccess，碼分多址）是一種擴展頻譜多址數(shù)據(jù)通信技術(shù)。 3G （3rd Generation）第三代數(shù)字通信3G 與前兩代的主要區(qū)別是傳輸聲音和數(shù)據(jù)的速度有所提升，它能夠處理圖像、音樂、視頻流等多種媒體形式，提供包括網(wǎng)頁瀏覽、電話會議、電子商務(wù)等多種信息服務(wù)。3G數(shù)據(jù)速率要求在低速或靜止?fàn)顟B(tài)下能夠達到2Mbit/s，在高速車載環(huán)境下達到384kbit/s，因此能夠更好地滿足用戶的各種通信需求。 幾種無線接入技術(shù)的比較 5.3 I/O接口原理基礎(chǔ)5.3.1 嵌入式最小系統(tǒng)的擴展5.3.2 總線原理5.3.3 I/O接口結(jié)構(gòu)、功能及尋址5.3.4 數(shù)據(jù)交換方式 嵌入式最小系統(tǒng)的擴展嵌入式最小系統(tǒng)嵌

47、入式系統(tǒng)的硬件擴展嵌入式處理器的外圍硬件的擴展方式內(nèi)部模塊擴展總線擴展GPIO擴展綜合擴展常用外圍芯片類型 內(nèi)存類芯片網(wǎng)絡(luò)芯片USB芯片 嵌入式最小系統(tǒng)嵌入式最小系統(tǒng)是指以某處理器為核心，可以運轉(zhuǎn)起來的最簡單的硬件設(shè)施。最簡單的嵌入式系統(tǒng)由幾個相關(guān)的部分組成（1）處理器（2）內(nèi)存（3）時鐘（4）電源和復(fù)位任何一個計算機系統(tǒng)的最基本的運行都是處理器執(zhí)行指令。處理器在每一個時鐘周期從內(nèi)存中取出指令，譯碼、執(zhí)行。處理器必需電源供電才能運行。 處理器的指令需要存入內(nèi)存中。 嵌入式最小系統(tǒng)（續(xù)）（1）處理器處理器是（計算機）系統(tǒng)的核心。整個系統(tǒng)是靠處理器的指令工作的。（2）內(nèi)存嵌入式系統(tǒng)的運行的指令必須

48、放入一定的存儲空間內(nèi)，運行的時候也需要存儲臨時數(shù)據(jù)的空間，因此，內(nèi)存是必不可少的。在嵌入式系統(tǒng)中，一般的內(nèi)存包括可以固化代碼的FLASH和可以隨機讀寫的RAM。（3）時鐘處理器的運行是需要時鐘周期的。一般來說，處理器在一個或幾個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令。時鐘單元的核心是晶振，它可以提供一定的頻率，處理器在使用該頻率的時候 可能還需要倍頻處理。 嵌入式最小系統(tǒng)（續(xù)）（4）電源和復(fù)位電源是為處理器提供能源的部件，在嵌入式系統(tǒng)中一般使用直流電源。復(fù)位電路連接處理器的復(fù)位引腳，實現(xiàn)通過外部電平讓處理器復(fù)位的目的。 嵌入式最小系統(tǒng)的一個示例 嵌入式系統(tǒng)的硬件擴展 作為嵌入式系統(tǒng)的核心，嵌入式的處理器一般集

49、成了很多的外圍器件，但是由于應(yīng)用要求的差別，往往不會把系統(tǒng)的所有功能都集成在處理器芯片的內(nèi)部，因此，還需要在最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上擴展必要的外圍芯片，以形成整個系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)。 嵌入式處理器的（外圍）硬件擴展方式內(nèi)部模塊擴展總線擴展GPIO擴展 （1）內(nèi)部模塊擴展通過增加外部電路，完成處理器內(nèi)部模塊提供的功能。由于處理器設(shè)計的限制，不可能把模塊中所有的硬件都集成到處理器的內(nèi)部。內(nèi)部模塊擴展就是完成這部分硬件的擴展。處理器時鐘模塊不可能集成晶振UART模塊不可能集成電平轉(zhuǎn)換的功能。 （1）內(nèi)部模塊擴展（續(xù)）內(nèi)部模塊的使用方法，一般不會受外圍電路設(shè)計的影響。內(nèi)部模塊擴展一般只是搭建外部的電路，提供硬件運

50、行的條件。在邏輯上，外部擴展的硬件和整個處理器的控制沒有直接的關(guān)系。內(nèi)部模塊的使用其實就是讀寫內(nèi)部模塊的功能寄存器。外圍擴展電路不會改變處理器的寄存器，因此不會影響處理器內(nèi)部模塊的使用。 （2）總線擴展利用外部總線控制器（又稱為內(nèi)存控制器）擴展內(nèi)存類芯片。擁有外部總線的處理器的外部總線地址總線數(shù)據(jù)總線控制信號和片選信號總線擴展不僅僅用于內(nèi)存芯片，也可以用于網(wǎng)絡(luò)芯片、USB、AD/DA、LCM等類似內(nèi)存的芯片。擴展后的芯片的使用方式與內(nèi)存芯片類似，都是通過地址來讀、寫操作。 （2）總線擴展（續(xù)）總線擴展可以為處理器擴展根據(jù)總線讀寫的外部內(nèi)存（外部）內(nèi)存ROM、NOR FLASH、SRAM、SDR

51、AM、NAND FLASH、（外部）內(nèi)存都必需地址總線和數(shù)據(jù)總線。不同的內(nèi)存需要不同的控制信號一般來說，某種處理器支持SDRAM的含義就是該處理器可以提供SDRAM所需要的控制信號。 （2）總線擴展（續(xù)）如果選用多個內(nèi)存芯片擴展內(nèi)存，那么這些內(nèi)存芯片必需片選信號（芯片選擇信號，也叫芯片使能信號）。使用處理器的片選信號連接芯片的片選信號，可以方便地為各個芯片分配不同的地址空間。在讀寫操作時，處理器自動選通對應(yīng)的片選信號，片選信號有效的那些芯片就會起作用，而其他芯片都無效。片選信號不是總線擴展所必需的如果沒有片選信號，則可以通過地址總線+譯碼器實現(xiàn)片選的功能，或者直接使用地址總線片選（當(dāng)然這樣會浪

52、費地址空間）。 （3）GPIO擴展 輸出功能輸入功能矩陣鍵盤功能總線信號模擬功能通信信號模擬功能 （3）GPIO擴展 輸出功能當(dāng)使用輸出功能的時候，需要將GPIO引腳設(shè)置為輸出模式。通過寫GPIO的相關(guān)寄存器，改變GPIO引腳的狀態(tài)，從而控制外部的信號。輸出功能的典型應(yīng)用點亮LED利用一個GPIO引腳連接一個LED。通過控制GPIO引腳的高低電平可以控制LED的亮滅。如圖5.11所示。 （3）GPIO擴展 輸入功能當(dāng)使用輸入功能的時候，需要將GPIO引腳設(shè)置為輸入模式。通過讀GPIO的相關(guān)寄存器，獲知GPIO引腳的狀態(tài)，從而得到外部輸入的信息。輸入功能的典型應(yīng)用按鍵通過程序查詢的方式，獲取按鍵

53、的狀態(tài)，從而獲取外部輸入的指示和命令。在獲取按鍵狀態(tài)的時候可能需要消除抖動（可通過延時程序?qū)崿F(xiàn)去抖動）。 （3）GPIO擴展 NN矩陣鍵盤功能利用GPIO的2N個引腳，使用N2個按鍵。NN矩陣鍵盤可使用多種掃描方式獲取類似的功能，也可以通過GPIO和中斷協(xié)同完成該功能。通信信號模擬功能通過GPIO可以模擬一些簡單的時序。如，SPI、IIC等。 （3）GPIO擴展 總線信號模擬功能當(dāng)處理器沒有外部總線信號（地址總線和數(shù)據(jù)總線）時，如果確實需要使用內(nèi)存，則可以利用GPIO模擬總線信號。也就是說，將一部分GPIO線作為地址線使用，一部分GPIO線作為數(shù)據(jù)線使用。GPIO模擬總線信號需要同時考慮地址總

54、線和數(shù)據(jù)總線地址總線是單向輸出的，數(shù)據(jù)總線包含輸出和輸入的功能。在內(nèi)存類的芯片中，一般GPIO可以用于NOR FLASH和SRAM信號的模擬，NAND FLASH本身可以不用總線信號擴展，而SDRAM的控制信號非常復(fù)雜，基本上不可能用GPIO模擬。 （4）綜合擴展總線擴展部件與GPIO某些連接總線的模塊還具有其他的控制引腳，這些引腳并不能通過地址總線和數(shù)據(jù)總線連接，因此要使模塊的功能完善，還需要使用可編程引腳（GPIO）。內(nèi)部模塊與GPIO內(nèi)部的模塊的電路引出后，有時功能還是不夠完善，同樣需要GPIO的協(xié)助?？偩€擴展部件與中斷源在一些總線擴展芯片中可以使用中斷。將芯片相關(guān)引腳與處理器的外部中斷

55、引腳相連，外部芯片可以觸發(fā)處理器的中斷，提供更高的性能。 （4）綜合擴展（續(xù)）模塊的擴展復(fù)用在系統(tǒng)的一些模塊中，可能使用共同的外部芯片。在ARM處理器的整體硬件設(shè)計中，一般還包括以下內(nèi)容：地址空間合理分配中斷源分配板級規(guī)劃 常用外圍芯片類型嵌入式系統(tǒng)中的常用芯片主要是通過處理器的外部總線進行擴展，某些芯片也可以通過可編程引腳（即GPIO）進行擴展。常用的擴展模塊（芯片）內(nèi)存類SRAM、NOR FLASH、SDRAM、NAND FLASH。通信類網(wǎng)絡(luò)芯片、USB芯片、CAN總線芯片、IIC接口芯片。其他類 AD/DA、傳感器、LCD/LCM。 （1）內(nèi)存類芯片高端的處理器必須通過外部擴展內(nèi)存滿足

56、系統(tǒng)內(nèi)存使用的要求。具有外部總線的控制器一般都需要使用內(nèi)存類擴展芯片。 常用內(nèi)存擴展芯片 （2）網(wǎng)絡(luò)芯片在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域，引入網(wǎng)絡(luò)芯片可以提供和通用計算機系統(tǒng)中類似的網(wǎng)絡(luò)功能讓眾多的主機實現(xiàn)互聯(lián) 。嵌入式系統(tǒng)使用網(wǎng)絡(luò)的條件嵌入式的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧（軟件）網(wǎng)絡(luò)接口芯片（硬件基礎(chǔ)）在嵌入式系統(tǒng)中，往往是將網(wǎng)絡(luò)芯片連接到處理器的外部總線上。 （3）通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）USB用來解決個人計算機與外部設(shè)備的連接問題。高達480Mbit/s的速度USB在嵌入式系統(tǒng)中的典型應(yīng)用使用嵌入式系統(tǒng)作為USB設(shè)備端。嵌入式系統(tǒng)可以像U盤、打印機一樣和PC系統(tǒng)通信。將嵌入式系統(tǒng)作

57、為USB主機。嵌入式系統(tǒng)可以像PC一樣使用USB設(shè)備。兩個嵌入式系統(tǒng)可以分別使用USB主機和設(shè)備接口實現(xiàn)互聯(lián)。 USB在嵌入式系統(tǒng)中的使用 （3）USB在嵌入式系統(tǒng)中需要使用特定的USB芯片才能實現(xiàn)USB通信的功能。不少嵌入式處理器芯片中都內(nèi)置了USB控制器，可以直接使用USB功能。對于沒有USB控制器的嵌入式芯片，外接USB控制器是一種通用的手段。 總線原理總線是微處理器核心對外聯(lián)絡(luò)溝通的通道。微處理器核心必須通過總線將電氣信號傳遞出去，控制內(nèi)存、外設(shè)的邏輯。內(nèi)存、外設(shè)通過總線接收電氣信號，了解微處理器核心的命令，提供適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)。 總線協(xié)議總線協(xié)議不同的總線協(xié)議之間需要橋接器（bridge）

58、或是特殊的控制器來進行串聯(lián)?？偩€協(xié)議包含有各種不同的信號線。信號的溝通方式也不盡相同。數(shù)據(jù)（data）、地址（address）、控制（control）。 Pentium系統(tǒng)的總線結(jié)構(gòu)系 統(tǒng) 總 線 ： Processor/memory總 線 I/O總 線 ： PCI和 ISA總 線 嵌入式微處理器的總線結(jié)構(gòu) IXP422系統(tǒng)的總線結(jié)構(gòu) 總線類型在傳輸協(xié)議中是否有參考時鐘（clock）不同的總線同步（synchronous）協(xié)議在協(xié)議中有參考時鐘，所有數(shù)據(jù)的傳送都必須根據(jù)時鐘進行。所有事件都會根據(jù)時鐘來排定。異步（asynchronous）協(xié)議在協(xié)議中并不包含時鐘，完全以握手（hand shak

59、e）的方式來溝通。在信號中通常會伴隨著req、ack、ready等信號 同步協(xié)議范例 異步協(xié)議范例 總線存取方式系統(tǒng)總線協(xié)議通常會把連接上的設(shè)備分成主組件與從組件。主組件可以主動使用總線，可以先拉起相關(guān)的控制信號。主組件需要主動去移動數(shù)據(jù)。從組件等主組件的通知，才能使用總線。哪個主組件可以先使用總線關(guān)系到使用總線的優(yōu)先級的問題。在某一總線的協(xié)議上通常會定義一個仲裁器的設(shè)備，用來管理總線使用權(quán)的問題。一個仲裁器通常會有g(shù)ranted與request信號。 granted用來通知哪一個主組件可以使用總線，request則是主組件用來向仲裁器提出使用要求的信號。 系 統(tǒng) 總 線 協(xié) 議 對 掛 接

60、在 總 線 上 的 組 件 的 管 理 機 制 菊鏈?zhǔn)街俨媒Y(jié)構(gòu)仲裁器依次詢問設(shè)備（從1到n）是否需要使用總線，直至找到需要使用總線的設(shè)備。菊鏈?zhǔn)街俨媒Y(jié)構(gòu)己經(jīng)考慮了設(shè)備使用總線的優(yōu)先級。從設(shè)備1到n，使用總線的優(yōu)先級依次降低。 并行式仲裁結(jié)構(gòu)每個設(shè)備有屬于自己的granted與request的控制信號，因此，仲裁器必須內(nèi)置仲裁的算法。仲裁算法與操作系統(tǒng)核心給各任務(wù)分享CPU時間的優(yōu)先調(diào)度算法基本上是相通的。例如，有些仲裁器就使用round robin優(yōu)先級調(diào)度的算法。 I/O接口結(jié)構(gòu)、功能及尋址I/O接口的基本結(jié)構(gòu) I/O接口的功能I/O接口芯片的尋址 I/O接口的基本結(jié)構(gòu) I/O接口與嵌入式處

61、理器之間通過內(nèi)部總線交換信息 I/O接口的設(shè)計微處理器如何尋址外設(shè)的問題I/O接口如何通過系統(tǒng)總線（DB、AB、CB）與微處理器連接，以便使微處理器能夠識別多個不同外設(shè)的問題。微處理器如何與外設(shè)連接的問題I/O接口如何與外設(shè)連接，以便使微處理器能夠與外設(shè)進行數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息交換的問題。 I/O外設(shè)與CPU之間交換的信息1數(shù)據(jù)信息2狀態(tài)信息3控制信息數(shù)據(jù)信息、控制信息和狀態(tài)信息的含義各不相同，應(yīng)分別傳送。但實際傳送中，都是用輸入、輸出指令在系統(tǒng)數(shù)據(jù)線上傳送的。狀態(tài)信息作為一種輸入數(shù)據(jù)，控制信息作為一種輸出數(shù)據(jù)。把狀態(tài)信息和控制信息當(dāng)成一種特殊的數(shù)據(jù)信息通過數(shù)據(jù)總線在 CPU與I/O接

62、口之間傳送。 1數(shù)據(jù)信息數(shù)字量以二進制代碼形式表示的數(shù)或以ASCII碼表示的數(shù)或字符。如，由鍵盤、CRT、打印機及磁盤等I/O外設(shè)與CPU交換的信息。模擬量模擬量是隨時間變化的連續(xù)量。如，溫度、壓力、電流、位移等。當(dāng)計算機用于控制系統(tǒng)時，大量的現(xiàn)場信息經(jīng)過傳感器把非電量轉(zhuǎn)換成電量，并經(jīng)過放大處理得到模擬電壓或電流，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后輸入計算機。計算機輸出的（數(shù)字）控制信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn) 換成模擬量才能去控制執(zhí)行機構(gòu)。開關(guān)量 1數(shù)據(jù)信息（續(xù)）數(shù)字量模擬量開關(guān)量由兩個狀態(tài)組成的量。如，開關(guān)的斷開和閉合、機器的運轉(zhuǎn)與停止、閥門的打開與關(guān)閉等。開關(guān)量用一位二進制即可表示，故對于字長為8位（或1

63、6位）的計算機，一次可輸入或輸出8個（或16個）開關(guān)量。 2狀態(tài)信息狀態(tài)信號是反映外設(shè)或接口電路當(dāng)前工作狀態(tài)的聯(lián)絡(luò)信號。狀態(tài)信號是CPU與I/O外設(shè)正確進行數(shù)據(jù)交換的重要條件。CPU通過對外設(shè)狀態(tài)信號的讀取，可得知其工作狀態(tài)。如，輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好，輸出是否空閑。 3控制信息控制信號是CPU用來控制I/O外設(shè)（包括I/O接口）工作的各種命令信息。如，CPU發(fā)出的讀/寫信號。 I/O接口的基本結(jié)構(gòu)I/O接口的基本部件：數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器、控制寄存器、內(nèi)部定時與控制邏輯。數(shù)據(jù)寄存器用于寄存CPU與外設(shè)之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，對數(shù)據(jù)信息的傳輸起緩沖的作用。狀態(tài)寄存器用于寄存外設(shè)向CPU發(fā)出的狀

64、態(tài)信息，以便于CPU查詢，使CPU能夠了解外設(shè)的當(dāng)前工作狀態(tài)?？刂萍拇嫫饔糜诩拇鍯PU向外設(shè)發(fā)出的控制信息，控制信息可以決定I/O接口的工作方式，可以啟動或停止外設(shè)的工作等。 I/O接口的功能（1/6）（1）數(shù)據(jù)緩沖和鎖存功能為了協(xié)調(diào)高速主機與低速外設(shè)間的速度不匹配問題，避免數(shù)據(jù)丟失，接口電路中一般都設(shè)有數(shù)據(jù)鎖存器或緩沖器。在輸出接口中，一般都要安排鎖存環(huán)節(jié)（如鎖存器），以便鎖存輸出數(shù)據(jù)，使較慢的外設(shè)有足夠的時間進行處理，而CPU和總線可以去忙自己的其他工作。在輸入接口中，一般要安排緩沖隔離環(huán)節(jié)（如三態(tài)門），只有當(dāng)CPU選通時，才允許某個選定的輸入設(shè)備將數(shù)據(jù)送到系統(tǒng)總線，其他的輸入設(shè)備此時與數(shù)

65、據(jù)總線隔離。 I/O接口的功能（2/6）（2）信號轉(zhuǎn)換功能外設(shè)所需要的控制信號和它所能提供的狀態(tài)信號往往和微機的總線信號不兼容，外設(shè)的電平和CPU規(guī)定的0、1電平不一致，因此，需要信號的轉(zhuǎn)換。信號轉(zhuǎn)換包括CPU的信號與外設(shè)的信號在邏輯上、時序配合上以及電平匹配上的轉(zhuǎn)換，這些是接口電路應(yīng)完成的重要任務(wù)之一。 I/O接口的功能（3/6）（3）數(shù)據(jù)格式變換功能CPU處理的數(shù)據(jù)均是8位、16位或32位的井行二進制數(shù)據(jù)，而外設(shè)的數(shù)據(jù)位寬度不一定與CPU總線保持一致，如串行通信設(shè)備只能處理串行數(shù)據(jù)。接口電路應(yīng)具有相應(yīng)的數(shù)據(jù)變換功能。 I/O接口的功能（4/6）（4）接收和執(zhí)行CPU命令的功能一般CPU對外

66、設(shè)的控制命令是以代碼形式發(fā)送到接口電路的控制寄存器中的，再由接口電路對命令代碼進行識別和分析，并產(chǎn)生若干與所連外設(shè)相適應(yīng)的控制信號，并傳送到I/O設(shè)備，使其產(chǎn)生相應(yīng)的具體操作。 I/O接口的功能（5/6）（5）設(shè)備選擇功能微機系統(tǒng)中一般接有多臺外設(shè)，一種外設(shè)又往往要與CPU交換幾種信息，因而一個外設(shè)接口中通常包含若干個端口，而CPU在同一時間內(nèi)只能與一個端口交換信息，這時就要借助于接口電路中的地址譯碼電路對外設(shè)進行選擇。只有被選中的設(shè)備或部件才能與CPU進行數(shù)據(jù)交換。 I/O接口的功能（6/6）（6）中斷管理功能當(dāng)外設(shè)需要及時得到CPU服務(wù)時，特別是在出現(xiàn)故障應(yīng)得到CPU立即處理時，就要求在接口中設(shè)有中斷控制器或優(yōu)先級管理電路，使CPU能處理有關(guān)的中斷事務(wù)，中斷管理功能不僅使微機系統(tǒng)對外具有實時響應(yīng)功能，又使CPU與外設(shè)并行工作，提高了CPU的工作效率。 I/O接口類型接口電路應(yīng)根據(jù)所連的外設(shè)的功能進行設(shè)計。I/O接口按功能分類與主機配套的接口中斷控制、DMA控制、總線裁決、存儲管理、。專用外設(shè)接口軟盤控制、硬盤控制、顯示器控制、鍵盤控制、。通用I/O控制 定時器、并行I/O接口、串行