第2章 嵌入式硬件基础.ppt

第2章嵌入式系统硬件基础 2 1嵌入式处理器2 2嵌入式系统的常用接口与总线2 3嵌入式系统的常用外设2 4本章小结习题 体积小 集成度高 价格较低可扩展的处理器结构功耗很低对实时多任务有很强的支持能力具有功能很强的存储区保护功能 2 1 1嵌入式处理器的基本特征 2 1 2嵌入式处理器的种类 不完全统计 品种数量超过1000多种 流行的体系结构达30余种 总体而言 嵌入式处理器分为四大类型 图2 1嵌入式处理器种类 MPU与通用计算机中的CPU不同之处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紧密相关的功能硬件 去除其它的冗余功能部分嵌入式微处理器在工作温度 抗电磁干扰 可靠性等方面相对通用计算机中的CPU都做了各种增强MPU常见系列X86 Am186 88 ARM MIPS PowerPC 68K等 1 嵌入式微处理器 Micro ProcessorUnit MPU 又称为单片机MCU特点 单片化一般以某种微处理器内核为核心 芯片内部集成了各种必要的功能和外设由于单片机的片上外设资源一般比较丰富 适合于控制 因此称为微控制器目前嵌入式系统的主流 占据了嵌入式系统大约70 的市场份额 2 嵌入式微控制器 MicrocontrollerUnit MCU 每种具有多种衍生产品每种衍生产品的处理器内核一样 不同的是存储器和外设的配置及封装使嵌入式微控制器最大限度地与不同的应用需求相匹配 功能齐全又不浪费 减少了功耗及成本 MCU种类通用系列代表性的包括8051 P51XA MCS 96 196 296 C166 167 MC68HC05 11 12 16 MC68300等半通用系列例如 支持USB接口 I2C CAN等众多专用MCU和兼容系列 其它提供X86微处理器的著名厂商AMD公司 将Am186CC CW等嵌入式处理器称之为MicrocontrollerMotorola公司把以PowerPC为基础的PPC505和PPC555亦列入单片机行列TI公司亦将其TMS320C2XXX系列DSP作为MCU进行推广 DSP特点系统结构采用Harvard 哈佛 结构和专用的硬件乘法器指令系统快速DSP指令 属RISC精简指令集 适合于对处理器运算速度要求较高 向量运算较多的应用领域 3 嵌入式DSP处理器 DigitalSignalProcssor DSP DSP典型应用数字信号处理领域数字滤波 快速傅立叶变换 频谱分析等方面多媒体信号处理移动电话 语音识别MPEG 1 MPEG 2 MPEG 4等多媒体播放系统智能化嵌入式系统生物特征识别的终端带有加密解密算法的键盘等 DSP种类一种是DSP处理器经过单片化 适当改造 增加片上外设而成例如 TI的TMS320 它包括用于控制的C2000系列 移动通信的C5000系列 以及性能更高的C6000和C8000系列另一种是在通用单片机或SOC SystemOnChip 中增加DSP协处理器例如 Intel的MCS 296和Siemens的TriCore SOC设计制造各种通用处理器内核 包括IP核 将作为SOC设计公司的标准库 和许多其它嵌入式系统外设一样 成为VLSI设计中一种标准器件 用标准的VHDL等语言描述 存储在器件库中 用户只需定义出其整个应用系统 仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品 4 嵌入式片上系统 SystemOnChip SOC SOC优点系统级集成 体积减小一个或多个微处理器核 如RISC DSP 输入 输出 USB IEEE1394 以太网 GSM GPRS等通信接口功耗降低通过改变内部工作电压可靠性提高利用内嵌电路 避免外部电路板在信号传递时产生的系统噪声 SOC种类通用和专用通用系列 包括Siemens的TriCore Motorola的M Core 某些ARM系列器件 Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等专用系列 代表性的产品是Philips的SmartXA单核和多核 2 1 3典型嵌入式处理器 8051单片机ARM68K ColdfirePowerPCMIPSX86国产嵌入式处理器 1 8051单片机经典的8位嵌入式微控制器成本低 可靠性高 但功能 性能和片上资源相对16位 32位 64位嵌入式微控制器也较简单以8051为内核的MCU系列单片机在世界上产量最大 应用也最广泛 20个生产厂家 350个衍生产品 常见型号包括 Intel的MCS 51系列 Atmel的89C51 52 89C1051 2051 2 ARMASIC与IPASIC 专用集成电路 ApplicationSpecificIntegratedCircuit IP 知识产权 IntellectualProperty 或称为SIP 硅 半导体知识产权 指芯片电路的制作方式或电路图等方面的知识产权 厂商向拥有技术的IPProvider直接购买IP以缩短Time to Market ARM AdvancedRISCMachines 公司英国公司90年代初 ARM率先推出32位RISC微处理器芯片系统SoC知识产权公开授权概念IPProvider 出售ARMRISC构架的微处理器核心 外围和系统芯片设计技术 ARM内核及ARM处理器的特点小体积 低功耗 高性能而低成本RISC ReducedInstructionSetComputer 体系结构16 32位双指令集16位Thumb指令集 密度高 所占存储空间较小32位的ARM指令集 处理32位数据时性能较高全球众多的合作伙伴 见下图 图2 3ARM全球合作伙伴 ARM产品系列ARM7 低功耗的32位核 适用于对价位和功耗敏感的产品ARM9 集成度较高 集成了TFTLCD控制器 USBHost以及各种存储卡接口 其功能已相当于嵌入式微控制器SecurCore 是专为安全需要而设计XScale Intel目前主要推广的一款ARM微处理器系统 提供较强的多媒体功能和网络通讯功能 ARM应用领域已成为移动通信 手持设备 多媒体数字消费嵌入式解决方案的RISC标准例 PDA Compaq的iPAQH3630 HP的Jornada720 联想的天玑5100均采用Intel的StrongARMSA 1110 206MHz 移动通信 HPiPAQhw6515GPS全智能手机采用Intel的PXA270处理器 312MHz 3 68K ColdfireMotorola68000 68K 比Intel的8088还要早 Coldfire是68K的低成本替代产品68K Coldfire主要应用于对实时性和可靠性要求较高的工业控制领域 4 PowerPCPowerPC架构的特点是可伸缩性好 方便灵活品种多 通用处理器 嵌入式控制器和内核例如IBM公司的PowerPC405GPMotorolaMPC823e微处理器是一个高度综合的片上系统 SOC 设备PowerPC应用范围非常广泛 从高端的工作站 服务器到桌面计算机系统 从消费类电子产品到大型通信设备 5 MIPSMIPS公司设计制造高性能 高档次及嵌入式32位和64位处理器的厂商在RISC处理器方面占有重要地位1999年MIPS公司发布MIPS32和MIPS64架构标准 为未来MIPS处理器的开发奠定了基础MIPS特点属于高性能 高处理能力的高端嵌入式处理器目前其成本价格和开发工具价格也很昂贵 6 X86起源于Intel架构的8080常见的X86系列有386EX和486DX 板级形式如PC104特点CPU处理能力很强 适用于高端应用领域 7 国产嵌入式处理器方舟 ARCA 2001年7月 中芯微系统公司研制出 方舟一号 主要应用于网络计算机 宽带智能终端 交换机等 如神州数码 联想 美国慧智公司等的网络计算机与国外其它指令集不兼容 不支持高级的OS龙芯 GODSON 2002年9月28号 中科院计算所研制与MIPS有些渊源 2 1 4嵌入式处理器的选型方法 主要包括以下4项选型原则 1 根据具体应用领域选择MPU MCU DSP SoC中的一种 例如 在高端数据处理应用领域 常选用嵌入式微处理器在实时控制领域 多选用嵌入式微控制器在数字图像处理 多媒体信息设备等领域 往往选用嵌入式DSP处理器或带有DSP内核的嵌入式片上系统 2 选择芯片的具体型号和配置参数根据具体应用功能需求 性能指标 运行环境和成本预算等 3 关注生产厂商是否提供相应内置硬件调试工具和评估板ICE等调试工具有助于很大程度缩短调试周期 降低调试难度评估板用于验证自己的选型决策是否正确 4 对于32位及以上嵌入式处理器 关注是否有合适的嵌入式操作系统支持 2 1 5嵌入式处理器的发展趋势 1 集成化与微型化体现在片上资源及功能的集成化 体积的微型化例如 嵌入式微处理器嵌入式微控制器嵌入式微控制器嵌入式片上系统 2 高性能与低成本高性能嵌入式处理器主频将越来越高加强对多媒体方面的支持多核体系结构的发展成本将越来越低 3 低功耗低功耗的发展趋势将与移动通信设备 手持设备 多媒体数字消费产品等嵌入式系统日益增长的市场需求相适应例如 低工作电压 5V3 3V 动态调整电压与频率 4 硬件功能实现的可编程化例如 采用FPGA实现嵌入式处理器的某些功能 其优点包括应用领域广泛调试修改方便实现成本低 2 2嵌入式系统的常用接口及总线 2 2 1外设接口2 2 2通信接口 2 2 1外设接口 并行接口串行接口I2CI2SUSBIEEE1394 1 并行接口 结构通过由多条数据线组成总线一次可以同时传送多个位的数据例 打印机并口 ParallelPort 特点传输数据量大 速度快 控制简单传输总线的长度受限 过长时 电子线路间将产生电容效应 且抗干扰能力差 2 I2C Inter IntegratedCircuit 功能与特点用于连接微控制器和外设ADC DAC 存储器 LED驱动器 实时时钟等芯片支持多主控通信速度 100Kbit s 最高400Kbit s简单 成本低 组成 两根串行线 均为双向I O线 串行时钟线 SCL SerialClockLine 串行数据线 SDL SerialDataLine 注 通过数据线的软件寻址实现片选减少器件片选线的连接 工作原理 一次典型工作流程 1 开始 信号表明传输开始 2 地址 主设备发送地址信息 3 数据 根据指示位 数据在主设备和从设备之间传输 4 停止 信号结束传输 3 I2S Inter ICSound 功能由SONY和PHILIPS公司等共同推出主要应用于连接数字音频处理设备例如 便携CD机 数字音频处理器等组成 3根串行线时钟线 CSK ContinuousSerialClock 字选择线 WS WordSelect 指示左通道或右通道的数据将被传输数据通道线 SD SerialData 工作时序 图4 17I2S总线接口的基本时序 功能与特点为外设扩充提供一种即插即用的简单方法连接外设不必打开机箱允许外设热插拔 而不必关闭主机电源采用 级联 方式 最多连接127个外设 而每个外设间距离可达5米 且不会有IRQ冲突自取电 提供5V电源速度较快USB1 1 最高达12MbpsUSB2 0 最高达到480Mbps 4 USB UniversalSerialBus 通用串行总线 种类A类连接器主设备端B类连接器从设备端 图4 18USB连接器常见种类 5 IEEE1394 IEEE1394 亦称为火线 Firewire 由苹果公司研制IEEE1394与USB的共同点都是一种通用外接设备接口支持热插拨可连接多个不同设备不用外部电源快速传输大量数据 IEEE1394与USB的不同传输速率不同USB1 1为12Mbps USB2 0最高为480Mbps 一般用于连接键盘 鼠标与麦克风等低速设备IEEE1394目前为400Mbps 将要达1Gbps 可连数码相机 扫描仪和信息家电等高速设备 连接方式不同USB 主从方式 需要HUB 最多127台设备IEEE1394 多主方式 不需要HUB 用网桥连多个IEEE1394网络 网内63 达到无限制连接 智能化不同USB 以HUB来判断连接设备的增减IEEE1394 可以在其设备进行增减时自动重设网络 2 2 2通信接口 有线通信接口RS 232以太网无线通信接口红外线 蓝牙GPRSIEEE802 11 1 RS 232 功能与特点电子工业协会 EIA 制订的点对点的有线串行异步通信标准传输速率2400 19200bps控制传输 UART接口 检测起始位 高电平变为低电平采样 以设置比特率进行采样 并存入寄存器通知 通知其它需要数据的组件将UART芯片中的数据由寄存器取出 a DB 9 b DB 25 信号电平采用负逻辑 表RS 232接口DB 9管脚定义 2 以太网 功能与特点局域网的一种有线通信总线标准采用CSMA CD 载波监听 冲突检测 星型或总线型 通过集线器 交换机 网桥互连通信协议规范IEEE802 3十兆以太网IEEE802 3u快速以太网IEEE802 3z千兆以太网IEEE802 3ae万兆以太网 通讯介质标准 以IEEE802 3为例10Base5粗以太网电缆 采用插入式分接头段长为500m 每段节点数为10010Base2细以太网电缆 采用BNC连接器组成T型插座价格低廉 可靠性高 安装方便段长为200m 每段节点数为30 10Base T双绞线 集线器 Hub 增添或移去节点简单 且容易检测到电缆故障段长为100m 每段节点数为102410Base F光纤连接器和终止器的费用而十分昂贵 但却有极好的抗干扰性段长为2000m 每段节点数为1024 3 红外线 功能红外线 Infrared 是一个点对点的无线通信标准发射的红外波长 0 85 0 9 m收发模块组成 3部分红外线发光二极管硅晶PIN光检二极管控制电路 特点优点 价格便宜缺点 通讯距离短 1m内 速度较慢 4Mbps 方向性强 不能穿过障碍物 易受热源干扰等 表4 3红外线IrDA标准 4 蓝牙 功能蓝牙 Bluetooth 也是一个点对点的无线通信协议标准频带 2 402 2 480GHz属ISM频带收发模块组成 3部分无线传输收发单元基频处理单元数据传输接口 特点 对比红外线缺点 价格高 采用低温陶瓷基版 优点 表4 4蓝牙与红外线无线通信方式特性比较表 5 GPRS 移动通信 分为三代第一代 模拟的无线网络第二代 数字通信 包括GSM CDMA等第三代 分组型的移动业务 称为3GGPRS GeneralPacketRadioSystem 属于2 5G 第二代和第三代之间的混合体采用TDMA方式传输语音采用分组的方式传输数据 特点多个用户可共享一个无线信道 一个用户也可以使用多个无线信道 支持点到点和点到多点服务 支持短消息业务 SMS 支持基于标准数据通信协议的应用 可以和IP网 X 25网互联互通永远在线 且按量计费 数据传输效率GPRS采用分组交换技术 高效传输数据 优化了对网络资源和无线资源的利用安全性GPRS的安全功能同现有的GSM安全功能一样 不过GPRS使用的密码算法是专为分组数据传输所优化过的 6 IEEE802 11 功能及特点无线局域网的通信标准短距离传输版本1997年IEEE802 111999年IEEE802 11aIEEE802 11b2003年IEEE802 11g 2 3嵌入式系统的常用外设 2 3 1输入设备2 3 2输出设备2 3 3存储设备等 略 2 3 1输入设备 小型键盘触摸屏 1 小型键盘 功能嵌入式系统的一种常用输入设备例如 收款机系统由几个简单的数字键和功能键组成 结构 矩阵键盘16个按键接至4条行输出XO X3和4条列输入YO Y3上 图4 12键盘与键盘控制器电路工作原理示意图 节省I O端口资源 工作原理键盘控制器扫描按键输入 逐行输出 逐列检测 译码去抖按键值存放在寄存器中嵌入式处理器 Key管脚 Polling或Interrupt方式检测CS管脚使能从DIO管脚依次读取 2 触摸屏 功能在液晶屏上叠加一片触摸屏 用触控笔或手指直接点选按键或输入文字轻薄短小 便于携带 使用方便注 触摸屏与LCD的分辨率和坐标系一般不同 因此触摸屏的位置需要在程序中进行转换变为LCD坐标系中的位置 种类电容式 最早出现表面声波式电阻式 主要产品 市场份额72 XGT式 最新技术 市场份额20 1 电容式触摸屏工作原理触摸时 人体电场 用户和触摸屏表面形成一耦合电容电容是高频电流直接导体 因此手指从接触点吸走很小的电流流经四个角落电极的电流与手指到四角的距离成正比 特点对大多数的环境污染物有抵抗力人体成为回路的一部分 因而漂移现象比较严重人体戴手套时不起作用需经常校正不适用于金属机柜外界存在电感和磁感的时候 触摸屏失灵 2 表面声波式触摸屏工作原理 物体触摸到表面时 阻碍声波的传输换能器侦测到这个变化 反映给计算机 进而进行鼠标的模拟特点高清晰度 透光性好高度耐久 抗刮伤性良好一次校正不漂移需经常维护 适合于环境比较清洁的场所 3 电阻式触摸屏工作原理两层导电薄膜 上层可伸缩触碰后上下电极导通通过电位差计算 X Y 值 图4 13电阻式触摸屏工作原理示意图 特点高解析度 高速传输反应表面硬度处理 减少擦伤 刮伤及防化学处理具有光面及雾面处理一次校正 稳定性高 永不漂移 4 XGT式触摸屏工作原理采用纯玻璃面板将电压连到玻璃基板的4个角落 产生一个电场通过特殊的有线触控笔去触控输入 其它实体碰触不会有反应 电场的变化对应碰触位置 特点结合了电阻式和表面声波式触摸屏的优点 防水 防火 防尘 防刮 抗菌寿命大约是前类产品的100倍左右透光率较透明导电薄膜的提高了15 左右可应用于高温低温以及恶劣环境下被视为当前最具潜力的触摸屏技术 2 3 2输出设备 LEDLCD 1 LED 功能作为电源指示灯 电平指示 工作状态显示或微光源之用种类发光二极管 基本单元 数码管 符号管 米字管 点阵显示屏 1 发光二极管 LED LightEmittingDiode 工作原理核心是一PN结 正向导通 反向截止还具有发光特性特点耗电少 成本低 配置简单灵活 安装方便 耐振动 寿命常 种类按发光颜色红色 橙色 绿色 蓝光 多色等按出光面特征 形状 圆灯 方灯 矩形 面发光管 侧向管 表面安装用微型管等按透明性及是否掺散射剂有色透