（通信与信息系统专业论文）基于mcs51的无线学习终端的设计与实现.pdf

中文摘要 在过去的十几年时间里，基于嵌入式单片机的教学产品成为各个学校电子教 学设备的核心部件，而大量教学设备的普及使得学生们的教学环境更加良好，提 高了学生学焉的兴趣秘效率，提高了学习的质量。 本文针对职业教育领域对打字录入学习系统的需求提出了一种基于双核的 m c s 。5 1 单片机的学习终端的设计方案和实现方法，髌决了学校购置学生打字训 练用p c 机高成本问题，又能切实提高学生的打字练习能力。文中论述了这种基 于双5 l 单片机的架构，分析了这种架构的必要性和优点，在这种架构基础上总 线上挂接了显示模块，键盘模块，r o m 存储模块，r a m 存储模块及无线模块。 本文对于基于p s 2 键盘的主从c p u 通信给予了详细描述，整个系统的程序是放 在主c p u 的片内f l a s h 空阔_ 程n a n df l a s h 空闻的，系统在开机上电之后按照总 线模式在存储区不同位置读取稷序代码，驱动各个模块显示信息，最后系统可以 通过无线模块实现点对点模式下的文件收发和短消息通信。对于这个复杂的软件 系统，本文着重论述了它是如何把 t c o s ，i i 操作系统移植到本5 l 单片桃系统上， 并且如何实现相应的驱动模块。 逶过本文的研究分析，系统可以搭建成基于双核5 l 单片枫的，总线上挂接 l c d 、r a m 、n a n df l a s h 、n o rf l a s h 、标准键盘及n r f 2 4 0 1 无线传输等模块的嵌 入式学习终端。在使用了实时操作系统i a c o s i i 后，系统的稳定性和效率得到 了明显提高，并为将来其他模块的开发搭建了良好的软件平台。 关键词：学习终端无线模块n r f 2 4 0 1i a c o s i i a b s t r a c t i nt h ep a s td e c a d e s ，l e a r n i n gm a c h i n e sb a s e do ns c mh a v eb e c o m et h ec o r e c o m p o n e n t so ft h es c h o o l s e l e c t r o n i ct e a c h i n ge q u i p m e n t s t h ep o p u l a r i z a t i o no f t e a c h i n ge q u i p m e n t sm a k e st h et e a c h i n ge n v i r o n m e n tm o r ef a v o r a b l ea n de f f i c i e n tt o e n h a n c et h es t u d e n t s i n t e r e s t sa n dt oi m p r o v et h eq u a l i t ) ro ft h e i rs t u d y 弧ep a p e rh a sp u tf o r w a r das c h e m e w h i c hi sb a s e do nd o u b l e - c o r em c s - 51 s c m ，t om e e tt h en e e d so ft r a i n i n gt y p i n gs k i l l sb yl e a r n i n gt e r m i n a l si nt h ef i e l do f v o c a t i o n a le d u c a t i o n i tr e d u c e st h ec o s to ft h ep cm a c h i n e ；m e a n t i m es t u d e n t sc o u l d e f f e c t i v e l yi m p r o v et h e i rt y p i n gs k i l l s 。t 魏ep a p e rd i s c u s s e st h en e c e s s i t ya n d a d v a n t a g e so ft h i sd u a l 一5lm c uf r a m e w o r k , w h e r et h el c dm o d u l e t h ek e y b o a r d m o d u l e ，r o mm o d u l e ，删m o d u l ea n dw i r e l e s sm o d u l ea r ea r t i c u l a t e do nt h eb u s a l s oi tg i v e sad e t a i l e dd e s c r i p t i o no fc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h em a s t e ra n ds l a v e c p ub a s e do np s 2k e y b o a r d 。f u r t h e r m o r e ，t h ep r o g r a mc o d e so ft h ew h o l es y s t e m a r ep u ti nt h em a s t e rc p uc h i ps p a c ea n dt h en a n df l a s hs p a c e 。a f t e ri t ss t a r t - u p ，t h e s y s t e mr e a d st h ep r o g r a mc o d e sf r o md i f f e r e n ts t o r a g ea r e a sa c c o r d i n gt ot h eb u s m o d e l ，a f t e rt h e nt h ec p ud r i v e se a c hm o d u l et od i s p l a yi n f o r m a t i o n 。i na d d i t i o n , t h e s y s t e mc a l la c h i e v et h et r a n s m i s s i o no fd o c u m e n t sa n dm e s s a g e si na l le n d - t o - - e n d c o m m u n i c a t i o nm o d e a sf o rt h ec o m p l e xs o f t w a r ep a r t s ，t h ep a p e rf o c u s e so nt h e t r a n s p l a n to f l c o s i it ot h e5 1s c ms y s t e m ，a sw e l la st h ei m p l e m e n t a t i o no fi t s c o r r e s p o n d i n gd r i v em o d u l e s t h r o u g ht h er e s e a r c ha n da n a l y s i si nt h i sp a p e r , as y s t e mc a nb eb u i l ti n t oa n e m b e d d e dl e a r n i n gt e r m i n a lb a s e do nd u a l c o r e51 s c m ，w h e r et h el c d ，r a m ， n a n df l a s h , n o rf l a s h , t h es t a n d a r dk e y b o a r da n dt h en r f 2 4 01w i r e l e s sm o d u l e sa r e a r t i c u l a t e do nt h es a m eb u s b yu s i n gp c o s 1 1 t h es t a b i l i t ya n de f f i c i e n c yo ft h e s y s t e mh a v eb e e nm a r k e d l yi m p r o v e d ，w h i c hp r o v i d ea l le x c e l l e n ts o f t w a r ep l a t f o r m f o rt h ef u t u r ed e v e l o p m e n to fo t h e rm o d u l e s 。 k e y w o r d s ：l e a r n i n gt e r m i n a l ，w i r e l e s sm o d u l e ，n r f 2 4 01 ，塾c o s * i i 独创性声明 本人声明所璺交的学位论文是本入在嚣师指导下进行的研究工佟帮取褥的 磷究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处矫，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获褥墨鎏盘茎或其他教育机构的学位或证 书两使震过熬专芎料。与我圈工作的同志对本磷究所徽的任何贡献均邑在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 一蚓蟹产嬲期年g 叩 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基盎盘堂有关傈鳃、使用学位论文的规定。 特授权基盎蠢堂可以将学位论文的全郝残部分虑容编入有关数据瘁进行检 索，荠采用影印、缩印或扫攒等复裁手段保存、汇编以供查阅幂籍借阐。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适潮本授权说明) 攀位做作者龆何绰萨 7 签字网期：财年二月刁昆 导烯繇旃丸参 签字跨期：纠彩年r 嚣力ff t 第一章绪言 课题来源 第一章绪言 本课题是本人在大连爱丁电子有限公司实习所参与的产品开发项目。 1 3 嵌入式系统对教育产业的影响 后p c 时代的到来把人类带入了信息大爆炸时代，随着电子信息技术的发展， 人们在2 0 世纪9 0 年代提出了教育信息化的概念。教育信息化过程巾的信息资源 组织和有效传播可谓是重点工程。尽管我国教育待患化的建设正呈现出蓬勃发展 的良好态势，但与发达国家相比仍有很大差距。教育信息化是实现我国教育跨越 式发展的重要手段。我国自“九五以来，教育信息化就步入了快速发展期，呈 现出蓬勃发展的态势。很多学校采用了电子教学仪器：电子辞典、电子书籍、电 子实验箱等辅助教学手段，对提高学生的学习兴趣，强化素质教育起到了很大的 作用1 1 4 国内电子学习产品的发展现状及趋势 中国掌上电子产品市场运进入飞速发展阶段，市场异常活跃。根据 c b i r e s e a r c h 的调查显示，2 0 0 0 年中国掌上电子产品市场销量接近3 8 0 万台，销 售收入达4 0 亿人民币。c b i r e s e a r c h 对p d a ( p e r s o n a ld i g i m la s s i s t a n t ) 产晶的 定义为：以记事类为主的商用电子记事簿( e n o t e b o o k ) 、以字典类为主的学习电 子辞典( e d i c t i o n a r y ) ，具有无线通信功能的个人通信机( e c o m m u n i c a t i o n s ) 以 及掌上毫脑( h a n d h e l dp c ) 。 ( 1 ) 掌上电脑 掌上电脑作为一种综合计算规、通信和消费电子产品的多重特征，集信息输 入、存贮、管理和传递于一体的信息“网络化”产品，为飞速发展的移动信息产 品提供了个基本的硬件平台。c b i r e s e a r c h 调查数据显示2 0 0 0 年中国掌上电脑 市场总体销量接近l l 万台。霞前雷内攀上电脑市场竞争豳趋激烈，各大厂商为 逐鹿中原，纷纷推出功能更完善，价位更合理的新产品，来笼络住消费者。国外 第一章终言 著名的掌上电脑品牌也逐步进军中国市场，掌上电脑市场必将引发更加激烈的竞 争。 ( 2 ) 电子记事簿 随羞政府信息佬建设的进一步实施，各耪各样的信息获得方式圈益为人们所 接受，人们正充分的利用各种工具来获得信息，给自己的生活带来方便。根据 c b i r e s e a r c h 的调查数据显示，2 0 0 0 年中国电子记事簿市场的总体销量超过1 3 7 万台。电子记事簿作势掌上电子产品中的一个分类产品来说在中国电子记事簿市 场上国内品牌占有巨大优势，主要是其能够更直接地了解市场，正确把握消费者 的需求来绘产品定位，满是消费者的需求。 ( 3 ) 电子辞典 电子词典以其使用方便、价格便宜等特点受到广大学生、外文学习者的普遍 喜爱。现在的电子词典有的收录英汉、汉英词汇高达几万、十几万，甚至二三十 万；英语、汉语的词汇和语句达到真人发音效果；可以用键盘输入或手写输入： 可以与计算机通讯，甚至上互联网发送电子邮件；可以采取插卡蘸方式查阅吾科 全书和各类专业词典；可以记名片，学英语，玩游戏总之是品种繁多，功能 各异，轻薄厚重，异彩纷呈。审匡市场主常见的瑟牌有抉译通、文翔星、名入、 好易通等。在c b i r e s e a r c h 的调查数据中发现：2 0 0 0 年中国电子辞典市场中近 7 5 的市场出快译通、文睦星、名人所占据。在选择电子辞典时主要要考虑到词 汇量大小、资料丰富、系统功能以及品牌等指标。 重5 课题研究任务及主要工 乍 曩前市蓬上魏很多学习机比如“文躲星“快译通“诺亚舟，毽们大多能 提供的是背单词，英汉汉英的功能。这些学习机大多能提供丰富的资源查找，英 汉互译的功能，这些功能是针对普通的中小学生学习之用的。但是在职业教育这 个领域，学生们需要的学习枧是针对专门的应用两定制的，比如职业中专学校的 学生需要进行五笔打字练习的训练，需要进行日文打字练翊的训练，需要一个进 行录入训练的学习机，按理来说配置p c 机是最好的选择，但是这样的配置成本 过高，一般的学校难以承受得起。本文就针对这类需求开发出一款功能和p c 机 类似，带有标准键盘，有液晶照示界亟，无线传输模块，可以进行录入练习并利 罱无线传输上传及傈存练习结果的廉价的学习杌，既能够熊决职业学校配置个人 电脑经费困难的问题，又能让学生得到与实际电脑练习打字一样的效果。 本文分绍e c o u r s e 系捌学习机的产品硬件架构接爨原理帮软 牟实现的设 计方法。分析了硬件结构中关于1 2 8 kr a m 的使用空间切换原理、1 2 8 m 第一章绪言 n a n d f l a s h 接口连接，函数实现及文件管理、基于n r f 2 4 0 1 的无线模块加载在学 习枫上的软硬件设计，着重介绍了软件设计中对于赫c o s i i 操作系统的移植和 驱动函数的设计与实现。 第二章系统功能分析及方案设计 第二章系统功能分析及方案设计 2 1 系统整体功能简介 针对职业教育领域迸笔、日语及文字录入训练的要求，系统计划实现的功能 如下： ( 1 ) 文字录入功能 这是学习终端最大的应用，主要包括中文录入和日文录入。中文录入使用五 笔输入法或者拼音输入法来输入中文汉字，输入的汉字是符合g b 2 3 1 2 汉字编玛 标准( 规定了6 7 6 3 个汉字和6 8 2 个非汉字图形) 所包含的汉字。采用的五笔输 入法是五笔8 6 版本的输入法。嚣文录入使用i m e 输入法中熬罗马和k a n a 输 入法输入s h i f t j i s 编码标准所纳入的日文平假名，片假名和西文当用汉字。 ( 2 ) 外接键盘输入功能 系统自带的学习机键盘是个精简的标准键盘，可以输入汉字，攒音，英文等 字符除此以外，系统带有一个p s 2 标准键盘接口，可以接入标准1 0 7 键盘来实 现对系统的操作。这个部分的设计主要涉及到外接键盘积自带键盘的控制权转换 问题，本文通过主从c p u 的通信模块来实现。 ( 3 ) 液晶界面显示 镁雳液晶图形点阵巽嚣，能够显示3 2 级灰度的图片，能够显示各个点阵级 别的汉字。还可以显示简单的灰度动画效果。 ( 4 ) 文佟管理功能 可以进行文件的存取、编辑、重命名等常用操作，这里主要涉及到基于n a n d f l a s h 的u 盘文件系统的设计 ( 5 ) 无线模块传输功能，嚣标是实现粥与学习终端之阀文本和短消息的无 线传输、接收、显示，保存等功能，并且学习终端的考试成绩可以上传给上位端 的蔸税。该模块还可以扩展设计以实现学习终端对学习终端的无线传输和会话。 ( 6 ) 模块更新功能 廉于各个功能函数模块是存贮在u 盘里，动态加载到内存来运行的，所以学 习机可以随着需求的增加，再载入新的模块。 第二章系统功能分析及方案设计 2 2 系统功能模块的分析与硬件设备的选择 对系统具体解决方案的设计，主要包括以下几个方面的工作： ( 1 ) 选择核心控制平台的硬件实现方式 这关系到整个系统的性能：是否能够提供足够的数据处理能力，提供足够的 外围扩展接口，是否能减小应用程序开发的工作量，是否便于进行系统的二次开 发、以及功能扩充等等。 ( 2 ) 选择软件实现平台 由于学习机的软件部分功能模块相对复杂，需要一个公共平台协调各个模块 的运行，所以有必要选择一个操作平台来协调模块中各个部分的运行，降低软件 编制的复杂度，方便软件的更新和裁减。 综上所述，本文采用双5 1 内核架构的硬件系统，使用一个1 2 8 k 的r a m 的高 低6 4 k 分别作为程序和数据存储空间。其他部分需要加入液晶显示模块、键盘输 入模块、u 盘读写模块、无线传输模块等部分。 2 2 1 系统核心嵌入式c p u 的选择1 - 3 】 考虑到系统的可扩展性和成本，系统采用了两个5 1 内核单片机来组成其核 心部件。虽然现在3 2 位单片机的发展如火如荼，但是8 位单片机仍然以其无与 伦比的性价比在嵌入式c p u 领域中占有一席之地。 首先具有8 位内核的微控制器能成功地支持各种需要控制功能、简单传感器 和开关的应用系统。这些微控制器也用于低端的消费类产品中，对大多数应用系 统来说，8 位体系结构是绰绰有余的。 再者，购买8 位处理器开发工具的费用要低得多。8 位器件及其开发工具的 低成本降低了新设计师成为内行的门槛。引用m a c r a i g o rs y s t m e s 公司总工程师 c r a i gh a i l e r 的话：“学校之所以都用8 位系统进行教学，是因为8 位系统的开发 工具很便宜，而且教授们都了解这些工具。”一个8 位处理器除了需要一个简单 的调度程序之外，很少需要操作系统，而3 2 位平台则常常包括一个操作系统， 这就会增加一个项目的开发成本。 从8 位产品技术发展来看，半导体厂商纷纷推出f l a s hm c u ( 微型控制器) 。 由于具有易升级、方便维护等特点，受到越来越多消费电子厂商的追捧，并不断 地将其应用在自己最新的消费电子产品中，这样，消费电子厂商可以在基本不增 加成本的条件下提供更高的性能。此外针对不同的细分市场，d s p + m c u 以及集 成解码芯片的多功能m c u 也不断涌现。 在新兴应用的驱动下，8 位m c u 需具备一些新的要求，包括： 第二章系统功能分柝及方案设计 ( 1 ) 高精度。提高内部时钟、a d c 等模拟部件的精度，使之能够满足更糟 确的控制需求。 ( 2 ) 超低功耗。很多应用，如监控系统，往往需要芯片耗电量极低，特别 是在低功耗( p o w e r d o w n ) 模式下，芯片功耗可以是几衅甚至低于l 衅。通过 对片肉模拟系统的设计进行优化，以及对电源管理和时钟分配进行调整，可以达 到超低功耗设计。 ( 3 ) 更快的运行速度。除了提高时钟频率之外，更多羹耋是采黑薪的芯片体 系结构，使芯片完成一条指令的时间需要的时钟周期更少，比如l 2 个时钟周期 ( 传统8 位单片极是单指令1 2 个时钟周期) ，以提高芯片的m i p s 值。 另外，大容量闪存、j t a g 瞬的可直接编程、更丰富的接口电路、超宽电源 电压等也是8 位m c u 的新特征。 基于以上考虑，本文采耀了两片a t m e l 公司产翡解8 9 c 5 2 单片枫作失主 控制核心，使用两片单片机作为主从c p u 主要考虑如下： ( 1 ) 主c p u 根据需要切换到片内，片外程序空闯。由于程穿空闻有限，主 c p u 中的程序存储空间共8 k ，不足以容纳庞大的代码，所以这些代码是被放到 u 盘中的。但是需要把代码读取出来放到低6 4 kr a m 中并作为程序来执行，读 入到低6 4 kr a m 的程序代码如栗要执行，只能使用主c p u 的读取片外程穿的 功能，这就需要主c p u 能够做“片内”和“片外”稷序的相互切换，但是主c p u 不能受主切换。需要外界的控制把e a 从赢电平变为低电平。解决这个闯题可以 采用触发器或其他逻辑器件，但是这样处理使得问题复杂化，不利于产品的稳定 性和成本要求。所以系统采用了另外一个从c p u 来实现，在这个从c p u 控制下， 主c p u 系统可以自由从读取片肉程序，或者到片外读取程序执行。 ( 2 ) 从c p u 还负责把从p s 2 键盘接口得到扫描数据转化，传送给主c p u ， 并控制l c d ，蜂鸣器，液晶井压电路的使能端，和检测电舔检测模块鲢输出， o f f 键的检测等等，即从c p u 还可以利用它的多余引脚来控制学习机其他功能的 实现。 2 2 2 系统显示模块的选择4 】 液晶显示器是电子词典应用系统中常用的输出设备，常用的有l e d 显示器 蠢l c d 液晶显示器，二者又都霹分为字段式秘点阵式蘸种。其基本显示原理是 一样的：具有偶极矩的液晶棒状分子在外加电场的作用下排列状态发生变化，使 得通过液晶显示器件的光被调制，从而呈现明与暗，或透过与小透过的显示效果。 液晶显示器件审的每个像素都单独地被加在其两侧的电极上的电位差控制：当电 位差绝对值大于液晶的闽值电压时，像素里显显示态；反之，像素小则产生电光 第二章系统功能分析及方案设计 效应；当电位差在阈值电压附一近时，液晶将呈现较弱的电光效应。液晶显示器 件中每一个显示像素都可以单独被电场控制，不同的显示像素按照控制信号的 “指挥”便可以在显示屏上组成不同的字符，数字及图形。l e d 显示器由于其 功耗较大，而电子词典功耗一般很低，所以此系统没有采用l e d 显示器。液晶 显示器l c d 具有功耗低、体积小、字形美观等优点，在电子类消费产品中，尤 其是在低功耗系统中得到日益广泛的应用。l c d 显示模块有三种不同的显示方 式，一是七段数码显示，这种结构只能显示数字；二是采用点阵式显示字符，每 个字符可采用5 * 7 或5 * 8 点阵显示，它可以显示所有的a s c i i 符号，显示的位数 一般也比较多；三是图文式点阵液晶显示器，整个显示屏由均匀的点阵组成，可 显示数字、字母、图形、图像等各种符号。点阵式液晶显示其通过液晶点阵的组 合，能显示大量的字符、曲线及图形，所以它提供的显示信息量非常大，但它的 接口及控制电路相当复杂。一般情况下，厂家都给点阵液晶模块本身配上智能型 接口控制电路及字符存储器，用户只需对点阵液晶模块进行控制，使用极其方便。 针对本产品需要实现的功能，本文选用了2 5 5 1 2 8 点阵的l c d 显示屏 s t 7 5 2 9 。 2 2 3 系统数据存储模块的选择5 。6 】 闪存是一种能够长期存储数据的设备，即使在不加电的情况下，数据也不会 丢失。与磁设备相比，在体积、抗震性、耗电这些方面都有很大的优势，因此成 为嵌入式系统的首选存储设备。常见的闪存芯片一般有以下两种：一种是传统的 n o r 闪存，其芯片内储存的数据可以直接读取，因而速度比较快，但是价格较高， 另外一种是n a n d 闪存，这种闪存也被称为固态硬盘，它内部数据以块为单位 进行存储，地址线和数据线共用，使用控制信号选择。 ( 一) f l a s h 存储器技术分类 n o r 技术 n o r 技术闪速存储器是最早出现的f l a s hm e m o r y ，源于传统的e p r o m 器件， 与其它f l a s hm e m o r y 技术相比，具有可靠性高、随机读取速度快的优势，在擦 除和编程操作较少而直接执行代码的场合，尤其是纯代码存储的应用中广泛使 用，如p c 的b i o s 固件、移动电话、硬盘驱动器的控制存储器等。 n o r 技术f l a s hm e m o r y 具有以下特点： 程序和数据可存放在同一芯片上，拥有独立的数据总线和地址总线，能快 速随机读取，允许系统直接从f l a s h 中读取代码执行，而无需先将代码下载至 r a m 中再执行； 可以单字节或单字编程，但不能单字节擦除，必须以块为单位或对整片执 第二章系统功戆分析及方案设计 行擦除操作，在对存储器进行重新编程之前需要对块或整片进行预编程和擦除操 作。 n a n d 技术 这种结构的f l a s h 存储器适合于纯数据存储和文件存储，主要作为 s m a r t 。m e d i a 卡、c o m p a c t f l a s h 卡、p c m c i a a t a 卡、固态盘的存储介质，并厩 成为闪速磁盘技术的核心。 n a n d 技术f l a s hm e m o r y 具有以下特点： 以页为单位进行读和编程操作，1 页一般为2 5 6 或5 1 2 b ( - 7 - 节) ：以块为 单位进行擦除操作，l 块一般为4 k ，8 k 或1 6 k b 。具有快编程翻快擦除的功能， 其块檫除时间是2 m s ；而n o r 技术的块擦除时间达到几百i l l s 数据、地址采用同一总线实现串行读取，随机读取速度慢且不能按字节随 祝编程 芯片尺寸小，引脚少，是位成本( b i tc o s t ) 最低的固态存储器： 芯片包含有失效块，失效块不会影嚷有效块的性能，但设计时需要将失效 块在地址映射表中屏蔽起来。 ( 二) f l a s h 芯片的选择 n o r 和n a n d 存储器比较 性能比较 f l a s h 闵存是非易失存储器，对其进行写入操作只麓在空或己擦除的单元态 进行，所以大多数情况下，在进行写入操作之前必须先执行擦除。n a n d 器件执 行擦除操作是十分简单的，而n o r 则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位 都霉为0 。由于擦除n o r 器件时是以6 4 k b - - - 1 2 8 k b 的块进行的，执行一个写入 擦除操作的时间为5 s ，与此相反，擦除n a n d 器件是以8 k b 一3 2 k b 的块进行的， 执行稳固麴操作最多只需要4 m s 。因此对于绘定的套写入操作( 茏其是更薪小 文件时) ，更多的擦除操作必须在基于n o r 的单元中进行。这样，当选择存储解 决方案时，需要考虑到以下的各项因素： n o r 的读速度比n a n d 稍快一些。 n a n d 的写入速度比n o r 快很多。 n a n d 的4 m s 擦除速度远比n o r 的5 s 快。 大多数写入操作需要先进行擦除操作。 n a n d 的擦除单元更小，相应的擦除电路更少。 接口差别 n o rf l a s h 带有s r a m 接口，有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地存取 其氏部翡每一个字节。n a n d 器彳牛使熏复杂的i o1 2 1 来串行地存取数攥，8 个弓| 脚 用来传送控制、地址和数据信息。n a n d 读和写操作采用5 1 2 字节的块，这一点 第二章系统功慧分辑及方案设计 有点像硬盘管理此类操作，很自然地，基于n a n d 的存储器就可以取代硬盘或其 拖块设备。 容量和成本 n a n df l a s h 的单元尺寸几乎是n o r 器件的一半，由于生产过程更为简单， n a n d 结构可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量，也就相应地降低了价格。 n o rf l a s h 占据了容量为1m b 一1 6 m b 闪存市场的大部分，而n a n df l a s h 只是用 在8 m b 1 2 8 m b 的产品当中，这也说隳n o r 主要应耀在代码存储介质孛，n a n d 适合于数据存储。 可靠性和耐用性 采用f l a s h 介质时一个需要重点考虑的问题是可靠性。n o r 和n a n d 的可靠 性比较可以从寿命( 耐用性) 、位交换和坏块处理三个方面来进行： 寿命( 耐用性) ：在n a n d 闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次，两n o r 的擦写次数是十万次。n a n d 存储器除了具有1 0 比1 的块擦除周期优势，典型的 n a n d 块尺寸要比n o r 器件小8 倍，每个n a n d 存储器块在给定的时闻内的删除 次数要少一些。 位交换： 所有f l a s h 器件都受位交换现象的困扰。在某些情况下，一个比特位会发生 反转或被报告反转了。一位的变化可能不很明显，但是如果发生在一个关键文件 上，这个小小的故障可能导致系统停机。如果只是报告有闽题，多读几次就可能 解决了。如果这个位真的改变了，就必须采用错误探n 错误更正( e d c i e c c ) 算法。位反转的问题更多见于n a n d 闪存，因此在使用n a n d 闪存的时候，一般 都会同时使掰e d c e c c 算法。 坏块处理：n a n d 器件中的坏块是随机分布的。n a n d 器件需要对介质进行初 始化扫描以发现螺块，并将坏块标记为不可用。在已刳成的器件中，如果通过可 靠的方法不能进行这项处理，将导致高故障率。 易用性 基于n o r 的闪存可以非常壹接地使用，且可以像其他存储器那样连接，并可 以在上面直接运行代码。由于需要i o 接口，n a n d 要复杂得多。在使用n a n d 器 件辩，必须先写入驱动程序，才能继续执行其他操作。由于坏块的存在，对n a n d 器件的操作囱始至终都必须进行虚拟映射。 本系统f l a s h 存储器选择 n a n df l a s h 的擦除操作比n o rf l a s h 的擦除操作简单丽且快，在容量和成本 上相较n o rf l a s h 要宥很多优势，而且因为本系统环境的特殊性，系统的可靠性 需簧达到很高，质以尽管n a n df l a s h 的易雳性楣泌n o rf l a s h 要稍微差一点，但 是n a n d f l a s h 耐用性比n o rf l a s h 要好，可靠性也更高。本文结合上述两种芯片 第二章系统功能分析及方案设计 的不同特点，分别选择了三星公司的n a n df l a s h m k 9 k 1 g 0 8 芯片和s p a n s i o n 公司的n o rf l a s h m s 2 9 g l 0 3 2 a 。前者作为系统的大容量可修改存储芯片，用来 存储本系统所需的程序和与程序相关的数据文件，而后者主要存储字模信息文 件，输入法编码信息文件，图片的二进制信息等。 2 2 4 系统键盘输入模块的选择7 。9 】 ( 1 ) p s 2 接口标准的发展过程 随着计算机工业的发展，作为计算机最常用输入设备的键盘也日新月异。 1 9 8 1 年i b m 推出了i b mp c x t 键盘及其接1 3 标准。该标准定义了8 3 键，采用 5 脚d i n 连接器和简单的串行协议。实际上，第一套键盘扫描码集并没有主机到 键盘的命令。为此，1 9 8 4 年i b m 推出了i b ma t 键盘接口标准。该标准定义了 8 4 1 0 1 键，采用5 脚d i n 连接器和双向串行通讯协议，此协议依照第二套键盘 扫描码集设有8 个主机到键盘的命令。到了1 9 8 7 年，i b m 又推出了p s 2 键盘接 口标准。该标准仍旧定义了8 4 1 0 1 键，但是采用6 脚m i n i d i n 连接器，该连接 器在封装上更小巧，仍然用双向串行通讯协议并且提供有可选择的第三套键盘扫 描码集，同时支持1 7 个主机到键盘的命令。现在，市面上的键盘都和p s 2 及 a t 键盘兼容，只是功能不同而已。 弋 1 一p + 毒率 嗵乡 2 一数铭 3 袁嘲像解 一t 也辨垲 p ju g ) 拓我( s f c k c t ) 露登5 一5 、 v , n i e 公辨 f c m a i c 蠢i 豹6 犁v in i - d l f p s i 一鼢i 键 2 一，辛- 毒 致够 3 - 弦地 一缝。撵一i v t p l 啦g j 播文( s u c k e t 扬座5 - 晰静 图2 1p s 2 接口的m i n i d i n 连接器 ( 2 ) p s 2 接口硬件 物理连接器 一般，具有五脚连接器的键盘称之为a t 键盘，而具有六脚m i n i d i n 连接 器的键盘则称之为p s 2 键盘。其实这两种连接器都只有四个脚有意义。它们分 别是c l o c k ( 时钟脚) 、d a t a ( 数据脚) 、+ 5 v ( 电源脚) 和g r o u n d ( 电源地) 。 在p s 2 键盘与p c 机的物理连接上只要保证这四根线一一对应就可以了。p s 2 键盘靠p c 的p s 2 端1 3 提供+ 5 v 电源，另外两个脚c l o c k ( 时钟脚) 和d a t a ( 数 第二章系统功能分析及方案设计 据脚) 都是集电极开路的，所以必须接大阻值的上拉电阻。它们平时保持高电平， 有输出时才被拉到低电平，之后自动上浮到高电平。 电气特性 p s 2 通讯协议是一种双向同步串行通讯协议。通讯的两端通过c l o c k ( 时钟 脚) 同步，并通过d a t a ( 数据脚) 交换数据。任何一方如果想抑制另外一方通 讯时，只需要把c l o c k ( 时钟脚) 拉到低电平。如果是p c 机和p s 2 键盘间的通 讯，则p c 机必须做主机，也就是说，p c 机可以抑制p s 2 键盘发送数据，而p s 2 键盘则不会抑制p c 机发送数据。一般两设备间传输数据的最大时钟频率是 3 3 k h z ，大多数p s 2 设备工作在1 0 2 0 k h z 。推荐值在1 5 k h z 左右，也就是说， c l o c k ( 时钟脚) 高、低电平的持续时间都为4 0 9 s 。每一数据帧包含1 l 1 2 个位， 具体含义如表2 1 所列。表中，如果数据位中1 的个数为偶数，校验位就为l ； 如果数据位中1 的个数为奇数，校验位就为0 ；总之，数据位中l 的个数加上校 验位中1 的个数总为奇数，因此总进行奇校验。 表2 1 数据帧格式说明 ，一r ； | 1 个起始位 总是逻辑0 i。，。一；。，。，一 l8 个数据位 ( l s b ) 低位在前 ；。一：，。一l r ”。h _ “m “。”。”“”。r ”o ”“”。”。“。”。”。”“。“。“”“。”。一l |1 个奇偶校验位奇校验 ；，。，。，。一!，。，。，。，。一| 1 个停止位总是逻辑l i。，。，。一i。，。一 1 个应答位|仅用在主机对设备的通讯中 ( 3 ) 协议说明 p s 2 设备履行一种双向同步串行协议。如上所述，每次数据线上发送一位 数据并且每在时钟线上发一个脉冲就被读入。设备可以发送数据到主机，而主机 也可以发送数据到设备，但主机总是在总线上有优先权，它可以在任何时候抑制 来自设备的通信，只需把时钟线电平拉低即可。 表2 - 2 时钟与数据总线状态 数据 j一i。，。，。，一l 时钟l 01 r_一-_一一 |0通信禁止 !一!，。，。，。一一 1 主机请求发送空闲 ； il一j二； 第二章系统功能分辑及方案设计 从设备到主设备的通信 当从设备向主设备发送数据黠，善先会检查时钟线，以确认时钟线是否是离 电平。如果是高电平，从设备就可以开始传输数据；否则，从设备要等待获得总 线的掇制权，才能开始传输数据。传输的每帧由1 1 位组成，发送时序及每一 位的含义如图2 2 所示。 图2 2 从设备到主设备的通信每一帧数据中开始位总是为0 ，数据校验采用 奇校验方式，停止位始终为l 。从设备到主设备透信时，从设备总是在时钟线为 高时改变数据线状态，生设备在时钟下降沿读入数据线状态。 云夏弼门几门门门门门门八门。广 蔬 】= 】= 定) 互) 0 z x r 羹薹墓薹萎薹薹囊+ 薹垂襄 图2 2 从设备到主设备的通信时序 主设备到从设备的通信 主设备与从设备进行透信时，主设冬蕾先会把时钟线和数据线设置为“请求 发送 状态。具体方式为：首先下拉时钟线至少1 0 0 p s 来抑制通信，然后下拉数 据线”请求发送”，最后释放时钟线。在此过程中，从设备在不超过1 0 9 s 的间隔 内就要检查这个状态。当设备检测到这个状态时，将开始产生时钟信号。 此时数据传输的每一帧由1 2 位构成，其时序和每一位含义如图2 4 所示。 匿2 3 主设备到从设备的通髂与扶设备到主设备通信槌比，其每帧数据多了 一个a c k 位。这是从设备应答接收到的字节的应答位，由从设备通过拉低数据 线产生，应答位a c k 总是为0 。主设备到从设备通信过程中，主设备总是在时 钟为低电平时改变数据线的状态，从设备在时钟的上升沿读入数据线状态。 五万己霸nn 门n 一门一门n 辨门r 葡商1c ) c 】3 匕) c x 】3 c ) 口广、厂 萋薹薹薹薹蚕薹耋薹垂萎鋈 警瓷窆瓷警警謇鎏墨2 罄 酝盎叠盎盆蠡鑫鑫蠡叠汪 图2 - 3 从主设备到从设备的通信时序 ( 4 ) p s 2 键盘的编码 键盘包含一个由按键组成的矩阵。所有的键都为个板上处理器监控，称作 键盘编码器( 般是8 0 4 2 ) 。键盘处理器大部分时间在扫描，监视着键矩阵一 旦发现有键被按下，释放，或被按住不放，处理器就会向主机发送一个数据包， 第二章系统功能分析及方案设计 称为扫描码。有两种不同的扫描码，通码( m a k ec o d e ) 和断码( b r e a kc o d e ) 。 通码是键被按下，按住不放是产生的，断码是键被释放时产生的。每个键都有自 己唯一的通码和断码。通码和断码的集合称为扫描码集。共有三种标准的扫描码 集。现代的键盘默认使用第二套扫描码集。根据键盘按键扫描码的不同，在此可 将按键分为如下几类： 第一类按键，通码为1 字节，断码为o x f o + 通码形式。如a 键，其通码为 0 x l c ，断码为0 x f 0o x l c 。 第二类按键，通码为2 字节0 x e 0 + 0 x x x 形式，断码为0 x e 0 + 0 x f 0 + 0 x * * 形 式。如r i g h tc t r l 键，其通码为0 x e 0o x l 4 ，断码为o x e oo x f o0 x 1 4 。 第三类特殊按键有两个，p r i ms c r e e n 键通码为0 x e 00 x 1 20 x e 00 x 7 c ，断码 为0 x e 00 x f 00 x 7 c0 x e 00 x f 00 x 1 2 ；p a u s e 键通码为o xe 10 x 1 4 0 x 7 70 x e l0 x f 0 o x l 40 x f 00 x 7 7 ，断码为空。 组合按键的扫描码发送按照按键发生的次序，如以下面顺序按左s h i f t + a 键：1 按下左s h i f t 键，2 按下a 键，3 释放a 键，4 释放左s h i f t 键，那么计 算机上接收到的一串数据为0 x 1 20 x l c0 x f 00 x l c 0 x f 00 x 1 2 。 在键盘驱动程序的设计中，就是根据不同的键盘码分类来对按键进行不同的 处理，本文就是根据p s 2 协议，选择了含有8 3 0 5 3 芯片的键盘板通过两个i o 口和从c p u 通讯，从c p u 再通过模拟p s 2 协议的方式和主c p u 进行通讯。 2 2 5 系统无线模块的选择 近1 0 多年来，越来越多的个人数字设备比如电脑、手机、p d a ( 个人数字 助理) 等进入了人们的生活。这些设备大多数是靠电缆相连的。而大量的电缆给 人们的生活带来了很多的不便，于是很多代替电缆的无线技术应运而生，由此组 成了无线网络。无线网络的种类有无线局域网、无线广域网等，目前的g p r s 和 c d m a 的无线上网，才真正地做到了无线，只要有手机信号的地方都可以上网， 不过由于价格昂贵，用户群并不广泛。无线局域网，英文名称是w i r e l e s sl o c a l a r e an e t w o r k s ，缩写就是w l a n ，它是利用射频( r a d i of r