嵌入式系统基础第2章--总线、存储器和接口.ppt

共页,1,第2章总线、存储器和接口4学时,本章的主要内容有,1、计算机的总线、数据总线、地址总线、控制总线的基本概念,2、基本存储电路、存储单元、存储器和地址的概念,3、存储器的种类,共页,2,4、外部设备及其特点,5、外部设备与主机之间接口电路的功能,6、接口电路的基本构成,7、外设与处理器之间信息传输的控制方式：查询、中断与DMA,共页,3,2.1总线,2.1.1总线的基本概念,总线是遵照标准制作的用于连接计算机系统多个部件的信息传输线，在总线上根据需要随时添加或撤减设备。,按二进制信息位的传送方式，总线有并行总线和串行总线两种。,共页,4,1、并行总线,并行总线由多条传输线组成，其数目与被传输数据的位数相同，每条线负责传输一位二进制代码。,它可以一次同时传输一个多位二进制代码，因此被称为并行总线。,总线中传输线的数目叫做总线宽度，如16位、32位、64位等。,共页,5,2、串行总线,多位二进制代码在一根线上一位接着一位地逐一传输，这样的总线叫做串行总线。,3、并行总线与串行总线的优缺点,（1）并行总线,速度快；传输线数目多，传输距离短；,共页,6,（2）串行总线,传输线数目少，远距离传输；速度慢。,2.1.2系统总线,系统总线通常指计算机系统芯片之间的连接总线。,数据总线（DB）、地址总线（AB）、控制总线（CB）。,共页,7,1、数据总线,数据总线是在计算机的各个部件之间传送数据的通路，一般为双向并行总线。,2、地址总线,地址总线用来传送由指令或程序计数器经地址地址寄存器送出的地址信息。,计算机的地址总线一般为单向并行总线，决定系统可配置内存的最大容量。,共页,8,3、控制总线,还需要一些传递读/写信号、复位信号、同步信号之类的控制信息的信号线。这些用来传递控制信息的信号线放在一起叫做控制总线。,2.1.3系统总线结构,无论是总线还是需要挂接的设备，它们必须符合某一标准总线标准。,共页,9,总线标准就是系统与各模块、模块与模块之间的一个互连的标准界面。,目前流行的总线标准有以下几种：,1、ISA标准,ISA（IndustryStandardArchitecture）工业标准体系结构。,81年提出，这个标准在IBMPC/AT（80286）机上首先使用，故又称为AT总线。,共页,10,ISA总线的结构如下图所示：,共页,11,ISA是把慢速的I/O总线与高速的存储器总线分开的一种双总线结构。,ISA总线速度为最高达32Mbyte/s。,共页,12,2、PCI总线,PCI（PeripheralComponentInterconnect）总线。它是目前个人计算机使用最为广泛的接口，几乎所有的主板产品上都带有这种插槽。,1991年下半年，Intel公司首先提出了PCI的概念。,PCI是一种先进的局部总线，它已成为局部总线的新标准。,共页,13,Pentium系列微机普遍使用该总线，其特点是通过PCI桥把存储器总线与PCI总线桥接起来，再由ISA总线控制器与ISA总线连接起来。而PCI总线则处在中间，用于挂接磁盘控制器、图形控制器和网卡之类的高速设备。,PCI总线结构如下：,共页,14,共页,15,PCI总线最高传输率可达1GB/s。,共页,16,3、USB总线,USB（UniversalSerialBus）通用串行总线接口。主要用于低速外围设备，如鼠标、操纵杆以及打印机、扫描仪、数码相机等。,1997年提出，USB总线标准由1.1版升级到2.0版后，传输率由12Mbps增加到了480Mbps，更换介质后连接距离由原来的5米增加到近百米。,共页,17,2.1.4片内总线,芯片内部在片内各个部件之间传输信息的总线叫做片内总线。,下面是一个ARM嵌入式处理器芯片内部总线的示意图。,共页,18,共页,19,2.2存储器,为了将存储器内的存储装置与处理器之外的存储装置在名称上区分开来，把处理器之内的存储装置叫做寄存器，而处理器之外的存储装置叫做存储器。,处理器之外的存储器又被分为内存与外存。寄存器、内存与处理器之间的关系如下所示。,共页,20,2.2.1半导体存储器的一般结构,共页,21,1、8位片,2、1位片,3、由8位片和1位片构成更大容量,2.2.2随机读/写存储器,随机读/写存储器（RandomAccessMemery，RAM）是存储器可随时对其进行读操作或写操作的存储器。,共页,22,RAM又分为静态RAM和动态RAM两种。,1、静态RAM（SRAM）,静态RAM的基本存储电路如下所示：,共页,23,由于这种存储器在不断电的情况下，通过数据线写入的数据在下一次写入前不会丢失，所以叫做静态存储器。,又由于这种存储电路随时可以写入，又随时可以读出，所以由它构成的存储器叫做静态随机读/写存储器。,缺点：使用半导体管的数目较多，占用的芯片面积较大，而且由于总有一个管子处于导通状态，因此功耗较大。,共页,24,2、动态RAM（DRAM）,为了减少基本存储器电路所占用的芯片面积，提高存储器芯片的集成度，人们又设计了一些管子数目较少的基本存储电路，如4管、3管、单管等存储电路。这种存储器有一个共同的特点：,都是利用电容来存储信息。,一个单管动态RAM基本存储电路如下：,共页,25,共页,26,优点：价格低廉，功耗低。,缺点：必须配置刷新电路，定时对存储电路刷新。因此这种存储器叫做动态存储器。,3、两种RAM的简单比较,（1）速度上,静态RAM比动态RAM高得多。,（2）价格上,共页,27,动态RAM比静态RAM便宜的多，尤其是在存储器的容量较大时。,4、备份电源,共页,28,2.2.3只读存储器,ROM（ReadOnlyMemory）。,1、只读存储器ROM,这种芯片在制造过程中，用特殊的方法把需要保存的数据烧录到了存储器的各个单元，其内容只能读不能写，因此叫做只读存储器。,只适合应用在大批量应用的场合。,共页,29,2、可编程的PROM,PROM（ProgrammableROM）。但只能写一次，成本比ROM高，一般只适用于少量需求的场合或产品研发阶段。,3、可擦除可编程的EPROM,EPROM（ErasableProgrammableROM）芯片可重复擦除和写入，解决了PROM芯片只能写入一次的弊端。,共页,30,EPROM有一个显著特征，芯片上有一个窗口，透过窗口可以看到内部的集成电路，紫外线透过该窗口照射内部芯片就可以擦除其内部数据。,编程电压一般为：Vpp=1224V。,4、电擦除可编程的E2PROM,E2PROM（ElectricallyErasableProgrammableROM）。,共页,31,修改以字节为最少修改单位。E2PROM在写入数据时，只需用厂家提供的专用刷新程序就可以改写内容，但仍然要使用与正常供电电压不同的编程电压，所以它属于双电压芯片。,5、闪存Flash,类似于E2PROM，但它的读写操作都是在同一个电压下进行的，属于真正的单电压芯片。,共页,32,擦除时不是以字节为基本单位，而是以Sector（又称Block）为最小单位，不同厂家不同。写入时最小单位是字节。,FlashROM的存储容量普遍大于EPROM，为512KB8MB。由于价格适中，适合用来存储程序代码，近年来已逐渐取代了E2PROM。,共页,33,2.2.4存储器的逻辑表示,如果存储器已经通过通过译码器与处理器进行了连接，那么该存储器的各个单元就有了确定的地址，于是存储器的逻辑结构图就如下所示：,共页,34,2.3外部设备及接口,由于信号制度、工作速度等原因，这些外部设备不能象存储器那样通过总线与处理器直接连接，所以必须采用一些特定的电路作为它们之间的中间媒介，把外设封装成存储器的样子。,这样，处理器就可以把外设按照管理存储器的方式来处理了。这些中介电,共页,35,路就叫做外设与处理器的接口电路，或I/O接口。,接口电路的作用如下图所示：,共页,36,2.3.1外部设备及其特点,由于外设多种多样，在结构、工作方式、工作速度和信号制度等方面，外部设备具有与计算机截然不同的特点。,1、信号种类繁多,外部设备主要有以下4种类型信号：,（1）数字量,共页,37,（2）模拟量,（3）开关量,（4）脉冲量,2、没有地址,3、工作速度与处理器的工作速度不匹配,2.3.2I/O接口电路的功能,添加在主机与外部设备之间的电路就叫做I/O接口电路，简称I/O接口。,共页,38,I/O接口应该具有信号转换、缓冲以及为外设编址和通信联络等功能。,1、信号转换,作为I/O接口，首先要解决的是主机与外设的信号不匹配的问题。,（1）电平转换,（2）串并转换,（3）脉冲信号转换,共页,39,（4）模拟信号转换,2、数据缓冲,尽管通过信号转换电路可以实现信号制度的匹配，但由于外部设备与主机的工作速度的不匹配，会使外部设备与主机直接交换信息时产生信息丢失的现象。,在主机与信号转换电路之间添加一个数据暂存装置，这种装置也叫做数据缓冲器。,共页,40,共页,41,3、端口的概念,在计算机技术中，人们把接口中每一个具有地址的寄存器叫做端口。,一个外设可能有多个端口，当然也就有多个地址。,目前，有两种I/O端口的编址方式：存储器映像方式和独立I/O方式。,（1）存储器映像方式,共页,42,把I/O端口与存储器的存储单元同等看待并一起编址的方式就叫做存储器映像方式。,优点：,一是可以用任何存储器操作指令来操作I/O端口，程序的编写方便、灵活。,二是可以使外设的数目几乎不受限制，而只受总存储容量的限制。,共页,43,三是使系统的读/写逻辑比较简单。,缺点：,要占用存储器一部分存储空间，并且为了识别一个I/O端口，必须对全部地址线进行译码，增加了译码电路的复杂性，而且执行外设寻址操作时间较长。,（2）独立I/O方式,共页,44,也叫I/O独立编址方式，即存储器和I/O端口两者的地址空间互相“独立”，各自进行编址。,采用这种编址方式，需要在指令系统中设置单独的访问I/O端口的指令。,2.3.3I/O设备接口电路的基本结构,一个I/O接口可能的结构如下图所示：,共页,45,共页,46,2.3.4外部设备与处理器的联络和数据传输,计算机主机与外部设备主要有三种联络和数据传输方式：查询方式、中断方式、DMA方式。,1、查询方式,也叫程序查询方式，它是一种处理器主动与外部设备进行沟通的联络方式。,共页,47,查询方式的程序流程图为：,共页,48,缺点：处理器工作效率不高。,2、中断方式,是外部设备进行主动联络的方式。,中断方式工作示意图如下：,共页,49,中断方式避免了高速的处理器因等待低速的外设而造成的时间浪费，从而大大提高了处理器的工作效率。,但处理器在响应了中断请求后，必须停止现行程序而跳转去执行中断服务程序，并且为了完成I/O设备与主存的信息交换，还不得不占用处理器运行时间和内部寄存器。,共页,50,尤其是I/O设备需要与主存进行大量的信息交换时，这个问题就显得更加突出。,设计一个只负责数据传送的装置代替处理器来实现I/O设备与主存之间的数据传输工作，从而使处理器可以去做其它更为重要的工作。按照这种设计思想设计的接口电路就叫做直接存储器数据传输控制器（DMA）。,共页,51,DMA工作示意图如下所示：,共页,52,2.4常用接口电路,2.4.1并行接口电路,Intel8212是一个八位的输入输出接口芯片。,共页,53,8212的逻辑结构如下图所示：,共页,54,共页,55,共页,56,1、直通式输入接口,共页,57,2、有选通的输入接口,共页,58,3、输出接口,共页,59,4、8212控制信号对输出的控制作用,共页,60,8212工作模式的改变是通过改变连线来实现的。当芯片的功能比较多时，这种利用硬件接线来改变芯片的工作模式的方法就变得极为不方便。,可编程的芯片。,2.4.2串行接口电路,1、数据通信方式,共页,61,根据数据传输方向的不同，串行通信方有以下三种方式：,（1）单工方式,数据始终是从A设备发向B设备。,共页,62,（2）半双工方式,数据能双向传输，但在任何时候都不能同时在两个方向上传输。,共页,63,（3）全双工传输,允许通信双方同时进行发送和接收。,共页,64,2、异步和同步串行通信,（1）同步串行通信,如果发送和接收双方使用同一个时钟来控制通信，这种通信方式叫做同步串行通信，同步通信要求双方的时钟必须严格一致。,（2）异步串行通信,共页,65,如果发送设备和接收设备各自使用自己的时钟来控制通信，这种通信方式叫做异步串行通信，这种通信方式允许双方的时钟在准确度和稳定度上有一定的差异。,3、异步串行通信协议,在使用异步串行口传输一个字符的信息时，要求数据的格式及通信时序如下：,共页,66,共页,67,（1）起始位：逻辑“0”信号，表示传输数据的开始。,（2）数据位：可以是4、5、6、7、8等，通常为一个ASCII码的字符。,（3）奇偶校验位,（4）停止位：逻辑“1”，它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5位、2位。,共页,68,（5）空闲位：逻辑“1”状态，表示当前线路上没有数据。,4、同步串行通信协议,同步串行通信协议的典型代表是IBM公司的二进制同步通信协议（BSC）。特点是：一次传输一个由若干字符组成的字符块，并且规定了10个用于表示数据块开头语结束的特殊控制字。,共页,69,SYN：同步字符，可以单同步，双同步。,SOH：序始字符，表示标题的开始。,标题：包含源地址、目标地址、路由等信息。,STX：文始字符，标志着正文的开始。,共页,70,ETB：叫做组终字符。,EXT：叫做文终字符。,另一种同步串行通信协议叫做同步数据链路控制规定（SDLC）。其格式如下：,8位8位8位0位16位8位,开始标志地址场控制场信息场效验场结束标志,共页,71,它是依靠约定位组合模式，而不是靠特定字符来控制帧格式的，所以它被叫做面向同步位的同步通信协议。,5、波特率,波特率是衡量数据传输速率的指标。表示每秒种传输的二进制位数。,波特率的标准：110、300、1000、1200、2400、4800、9600和19200。,共页,72,低速传输：低于300波特率。,中速传输：3002400波特率。,高速传输：大于2400波特率。,发送/接收时钟频率=NX波特率（N=1，16，64）,6、串行通信接口的结构,共页,73,共页,74,7、串行信息的调制传输方式,（1）基带传输,如果在传输线路上直接传输不做任何处理的二进制信号，那么这种传输方式叫做数字信号的基带传输。,由于传输的数字信号是矩形波，所以它要求传送线的频带较宽。,共页,75,基带传输方式仅适于近距离和速度较低的通信。,（2）调制解调,在长距离通信中，发送方要用调制器把数字信号转换成模拟信号，接收方则用解调器将接收到的模拟信号再转换成数字信号。这就叫做信号的调制解调。,（3）调制解调器,共页,76,实现调制和解调任务的装置称为调制解调器（Modem）。,（4）载波传输,采用调制解调这种方式传输时，通信双方各接一个调制解调器，将数字信号寄载在模拟信号（载波）上加以传输。这种传输方式也称为载波传输方式。,共页,77,（5）常用的调制方式,使载波振幅按照调制信号改变的调制方式叫调幅。经过调幅的电波叫调幅波。它保持着高频载波的频率特性，但包络线的形状则和信号波形相似。调幅波的振幅大小，由调制信号的强度决定。调幅波用英文字母AM表示。,调幅波,共页,78,调相波,载波的相位对其参考相位的偏离值随调制信号的瞬时值成比例变化的调制方式，称为相位调制，或称调相。调相和调频有密切的关系。调相时，同时有调频伴随发生；调频时，也同时有调相伴随发生，不过两者的变化规律不同。实际使用时很少采用调相制，它主要是用来作为得到调频的一种方法。,共页,79,调相即载波的初始相位随着基带数字信号而变化，例如数字信号1对应相位180，数字信号0对应相位0。这种调相的方法又叫相移键控PSK，其特点是抗干扰能力强，但信号实现的技术比较复杂。,共页,80,调频波,使载波频率按照调制信号改变的调制方式叫调频。已调波频率变化的大小由调制信号的大小决定，变化的周期由调制信号的频率决定。已调波的振幅保持