第2部分 嵌入式硬件系统设计2

第2部分嵌入式系统硬件设计2/5/20231哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院(威海)通信工程系第三节

嵌入式系统总线概述AMBA总线PCI总线CPCI总线串行总线2/5/20232哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院(威海)通信工程系串行总线串行总线是指按位传送数据的通路其连接线少、接口简单、成本低、传送距离远，被广泛用于嵌入式系统与外设的连接和计算机网络。2/5/20233哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院(威海)通信工程系GeneralconceptforSerialCommunications

•ApointtopointcommunicationdoesnotrequireaSelectcontrolsignal•AnasynchronouscommunicationdoesnothaveaClocksignal•Data,SelectandR/Wsignalscansharethesameline,dependingontheprotocol•NoticethatSlave1cannotcommunicatewithSlave2or3(exceptviathe‘master’)Onlythe‘master’canstartcommunicating.Slavescan‘onlyspeakwhenspokento’2/5/20234哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院(威海)通信工程系串行总线TerminologyOnanasynchronousbus,dataissentwithoutatimingclock.Asynchronousbussendsdatawithatimingclock.Full-duplexmeansdatacanbesentandreceivedsimultaneously.Half-duplexiswhendatacanbesentorreceived,butnotatthesametime.Master/slavedescribesabuswhereonedeviceisthemasterandothersareslaves.Master/slavebusesareusuallysynchronous,asthemasteroftensuppliesthetimingclockfordatabeingsentalonginbothdirections.2/5/20235哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院(威海)通信工程系串行总线Amulti-masterbusisamaster/slavebusthatmayhavemorethanonemaster.Thesebusesmusthaveanarbitrationschemethatcansettleconflictswhenmorethanonemasterwantstocontrolthebusatthesametime.Point-to-pointorpeerinterfacesarewheretwodeviceshaveapeerrelationtoeachother;therearenomastersorslaves.Peerinterfacesaremostoftenasynchronous.Thetermmulti-dropdescribesaninterfaceinwhichthereareseveralreceiversandonetransmitter.Multi-pointdescribesabusinwhichtherearemorethantwopeertransceivers.Thisisdifferentfromamulti-dropinterfaceasitallowsbidirectionalcommunicationoverthesamesetofwires.2/5/20236哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院(威海)通信工程系I2CI2C(Inter－IntegratedCircuit)总线产生于80年代，最初为音频和视频设备开发。I2C总线特点:简单、有效

总线的长度可高达25英尺，并且能够以10Kbps的最大传输速率支持40个组件。支持多主控(multimaster)，其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主控。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。

2/5/20237哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院(威海)通信工程系I2C总线的构成及信号类型I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，最高传送速率100kbps。在信息的传输过程中，I2C总线上并接的每一模块电路既是主控器（或被控器），又是发送器（或接收器），这取决于它所要完成的功能。CPU发出的控制信号分为地址码和控制量两部分，地址码用来选址。2/5/20238哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院(威海)通信工程系I2CI2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号，它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号。开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。结束信号：SCL为低电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。应答信号：接收数据的IC在接收到8bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。StartbitSlaveAddressbitsR/WbitAckbit8DatabitsAckbit8DatabitsAckbitStopbit2/5/20239哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院(威海)通信工程系SPI-SerialPeripheralInterfaceSPI总线接口一般使用4条线：串行时钟线（SCK）主机输入/从机输出数据线MISO主机输出/从机输入数据线MOST低电平有效的从机选择线SS有的SPI接口芯片带有中断信号线INT、或有的SPI接口芯片没有主机输出/从机输入数据线MOSI2/5/202310哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院(威海)通信工程系USBOriginallyastandardforconnectingPCstoperipheralsIntendedtoreplacethelargenumberoflegacyportsinthePCSinglemaster(=Host)systemwithupto127peripheralsIssimpleplugandplay;noneedtoopenthePCStandardizedplugs,ports,cablesHasover99%penetrationonallnewPCsSerialportsNOTon2003PC’sNewOn-The-GoSupplementeliminatesPC!AllowsdynamicexchangingofHost/SlaverolesPCisnolongertheonlysystemHost.Canbeacamera,cellphone,printer,PDA,etc.2/5/202311哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院(威海)通信工程系Host−OnePChostpersystem−ProvidespowertoperipheralsHub−Providesportsforconnectingmoreperipheraldevices.−Providespower,terminations−ExternalsupplyorBusPoweredUSBTopology(originalconcept,USB1.1,USB2.0)USBConnector2/5/202312哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院(威海)通信工程系•ConvenientlinkbetweenPCandwiderangeofperipherals–printer,scanner,digitalcameras,speakers,monitor,keyboard,mouse,etc.•PushforUSBtobecomeTHEstandardonPCs–standardforIBMcompatible,(recently)Apple,nowon>99%ofPCs•Interfaces(bridges)toothercommschannelsexist–USBtoserialport(serialportvanishingfromlaptops)–USBtoIrDAortoEthernet–USBtoBluetooth•ExtremevolumesforcedownICandhardwarepricesAdvantageofUSB2/5/202313哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院(威海)通信工程系VersionsofUSBspecification•USB1.1–Established,largePCperipheralmarkets–Wellcontrolledhardware,special4-pinplugs/sockets–12Mbits/sec(normal)or1.5Mbits/sec(lowspeed)•USB2.0–Supersedes1.1specification•Backwardscompatible•EncompassesLS,FS,HS–Introducessmaller“mini-B”connector–ChallengingIEEE1394/Firewireforvideopossibilities–480MHzclockforHi-Speedmeansit’sreal“UHF”–Hi-SpeedoptionneedsmorecomplexchipH/W&S/W–Hi-Sparedtofullspeed2/5/202314哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院(威海)通信工程系VersionsofUSBspecification•USB“OTG”(OnTheGo)Supplement–Supplementtothe2.0specification–Allowsperipheralsto“talk”toeachother–Dynamichost/peripheralswitch–Introducesnew“mini-AB”receptacleand“mini-A”plug–Lowerpowerrequirements2/5/202315哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院(威海)通信工程系第四节

嵌入式存储系统概述电子盘——NandFlashDOCDOMCompactFlashSmartMediaMemoryStickMMCSD2/5/202316哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院(威海)通信工程系概述嵌入式系统的存储结构嵌入式微处理器Cache片内RAM和ROM主存：NorFlash、SRAM、DRAM等外存：NandFlash、DOC、CF、SD、MMC等2/5/202317哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院(威海)通信工程系概述高速缓存Cache高速缓冲存储器中存放的是当前使用得最多的程序代码和数据，即主存中部分内容的副本。在嵌入式系统中Cache全部都集成在嵌入式微处理器内。可分为数据Cache、指令Cache或混合Cache。不同的处理器其Cache的大小不一样。一般32位的嵌入式微处理器都内置Cache。2/5/202318哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院(威海)通信工程系概述Cache命中：CPU每次读取主存时，Cache控制器都要检查CPU送出的地址，判断CPU要读取的数据是否在Cache中，如果在就称为命中。Cache未命中：读取的数据不在Cache中，则对主存储器进行操作，并将有关内容置入Cache。写入方法：通写（WriteThrough）：写Cache时，Cache与对应内存内容同步更新。回写（WriteBack）：写Cache时，只有写入Cache内容移出时才更新对应内存内容。2/5/202319哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院(威海)通信工程系CPU地址索引机构置换控制器高速缓冲存储器主存段（页）地址高位地址低位地址地址总线数据总线Cache结构框图2/5/202320哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院(威海)通信工程系概述主存主存是处理器能直接访问的存储器，用来存放系统和用户的程序和数据。嵌入式系统的主存可位于SoC内和SoC外，片内存储器存储容量小、速度快，片外存储器容量大。可以做主存的存储器有：ROM类：NorFlash、EPROM、E2PROM、PROM等RAM类：SRAM、DRAM、SDRAM等2/5/202321哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院(威海)通信工程系静态随机存取存储器（SRAM）内部结构由正反器电路组成S=1、R=0时,输出Q=1S=0、R=1时,输出Q=0每一位存储单元电路需要6个晶体管

图4-3SRAM结构概述2/5/202322哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院(威海)通信工程系特点数据存取速度较快比较容易和处理器制造在同一个芯片中数据不需实时刷新但成本较高概述2/5/202323哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院(威海)通信工程系概述静态随机存取存储器（SRAM）存储信息：六管基本存储电路典型芯片规格：2114（1KX4）6116（2KX8）6264（8KX8）62128（16KX8）62256（32KX8）A5A0A2A1CS-192114……1810VCCA9I/O1A6A4A3A7A8I/O2I/O3WE-符号引脚名A0~A9地址输入I/01~I/04数据输入/输出CS-片选WE-写允许VCC、GND电源、地2/5/202324哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院(威海)通信工程系动态随机存取存储器（DRAM）内部结构存储单元由一个电容和一个晶体管组成解码线使晶体管导通后，通过rd/wr线读取电容电压，或者对电容充放电电容漏电，15.625微秒充电一次图4-4DRAM结构概述2/5/202325哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院(威海)通信工程系特点容量较大，约是SRAM的4倍成本低但由于电容的充放电原因，数据需要进行实时刷新操作概述2/5/202326哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院(威海)通信工程系CPU刷新定时器仲裁电路定时发生器刷新地址计数器地址多路开关DRAM读/写地址总线地址RASCASWRDRAMController的逻辑框图2/5/202327哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院(威海)通信工程系概述外存外存是处理器不能直接访问的存储器，用来存放用户的各种信息，容量大。在嵌入式系统中常用的外存有：NandFlashDOC（DiskOnChip）CF（CompactFlash）SD（SecureDigital）MMC（MultiMediaCard）等2/5/202328哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院(威海)通信工程系电子盘电子盘采用半导体芯片来存贮数据，具有体积小、功耗低和极强的抗震性等特点。在嵌入式系统中普遍采用各种电子盘作为外存。常用的电子盘有：NandFlash、MMC、SD、MemeoryStick、CF、SM、DOC等。2/5/202329哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院(威海)通信工程系电子盘2/5/202330哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院(威海)通信工程系电子盘FlashcardmarketforMobilephonehas70%CAGR,and50%marketsharein’08.2/5/202331哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院(威海)通信工程系Flash2/5/202332哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院(威海)通信工程系Flash2/5/202333哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院(威海)通信工程系SamsungNandflash2/5/202334哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院(威海)通信工程系

NORNAND写入/擦除一个块的操作时间1～5s2～4ms读性能1200～1500KB600～800KB写性能<80KB200～400KB接口/总线SRAM接口/独立的地址数据总线8位地址/数据/控制总线，I/O接口复杂读取模式随机读取串行地存取数据成本较高较低，单元尺寸约为NOR的一半，生产过程简单，同样大小的芯片可以做更大的容量容量及应用场合1～64MB，主要用于存储代码8MB～4GB，主要用于存储数据擦写次数(耐用性)约10万次约100万次位交换(bit位反转)少较多，关键性数据需要错误探测/错误更正(EDC/ECC)算法坏块处理无，因为坏块故障率少随机分布，无法修正2/5/202335哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院(威海)通信工程系MMCMultiMediaCardAssociation210+membersrepresentingtheleadingManufacturersofhostsystems,cards,components,connectors,etc.Membership:Executive(votingrights)&GeneralCommittees:Technical,Marketing,ComplianceOpenstandard,collectsnoroyaltiesCompliance&certificationprogramFocusonmobilephonesanddigitalimagingmarketsworldwide2/5/202336哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院(威海)通信工程系MMC:Roadmapofcapacity2/5/202337哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院(威海)通信工程系MMC的特点Highclockfrequency:26MHzand52MHzFlexiblebuswidth:13pinstosupport1to8datalines(host-selectablex1,x4andx8-bitbus)Datatransferrate:upto52MBytes/secThisisthehighestbustransferrateofallflashmemorycardstandardsavailableTodayBackwardcompatibletolegacyhosts2/5/202338哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院(威海)通信工程系MMC的特点FullycompatiblewithMMCplus™Thefirstsmallformfactormemorycardstandardstoofferdual-voltageoperationatboth3Vand1.8VCompatiblewithnextgenerationmobilephonesystemspecificationsandmeetsthetoughestspaceSavingandlowpowerconsumptionrequirementsofmobilephonesandsmallconsumerelectronicsdevices2/5/202339哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院(威海)通信工程系SDSD（SecureDigital）卡由松下电器、东芝和SanDisk联合推出，1999年8月首次发布。2000年2月1日成立了SD协会（SDA），成员公司超过90个，其中包括Hewlett-Packard，IBM，Microsoft，Motorola，NEC、SamsungElectronics，ToyotaMotor等巨头。SDA是开放式的，缴纳1500美元就可以成为一般会员，缴纳4000美元可以成为执行会员。SD存贮卡的详细规范并没有公开，只有SDA会员或签定了保密协议才能获得。SD卡需付版税32×24mm15×11mm2/5/202340哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院(威海)通信工程系MemoryStick1997年7月Sony宣布开发MemoryStickMemoryStick被很多人形象地称为口香糖存贮卡，其尺寸为50mm×21.5mm×2.8mm，重4克MemoryStick也包括了控制器在内，采用10针接口，数据总线为串行，最高频率可达20MHz，电压为2.7伏到3.6伏，电流平均为45mA2/5/202341哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院(威海)通信工程系CompactFlashCompactFlash的诞生比较早，由最大的FlashMemory卡厂商之一美国SanDisk于1994年首次推出。大小仅为43mmx36mmx3.3mm，体积只有PCMCIA卡的1/4，看起来就像是PCMCIA卡的缩小版。Compact