嵌入式系统psoc2介绍及应用

1、嵌入式系统徐迎mbedded SystemPg 2 第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台1. 1. 概述概述2. 2. 总线总线3. 3. 存储设备存储设备4. I/O4. I/O设备设备5. 5. 通信设备通信设备6. 6. 其它其它第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 3 嵌入式系统的硬件除了核心部件嵌入式系统的硬件除了核心部件嵌入式处理器嵌入式处理器，还包括还包括存储器系统存储器系统、外围接口部件外围接口部件以及连接各种设备的以及连接各种设备的总总线系统线系统。 其中，存储器是嵌入式系统存放数据和程序的功能部其中，存储器是嵌入式系

2、统存放数据和程序的功能部件；件； 而外围设备决定了应用于不同领域的嵌入式系统的独而外围设备决定了应用于不同领域的嵌入式系统的独特功能。特功能。 一一 概述概述第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 4 嵌入式系统的硬件组成嵌入式系统的硬件组成 第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 5 嵌入式系统的硬件是以嵌入式处理器为中心，由存嵌入式系统的硬件是以嵌入式处理器为中心，由存储器、储器、I/O单元电路、通信模块、其它外部设备等必要的单元电路、通信模块、其它外部设备等必要的辅助接口组成。辅助接口组成。 在实际应用中，嵌入式系统硬件配置非常精简，除在实际应用中，嵌入式

3、系统硬件配置非常精简，除了微处理器和基本的外围电路以外，其余的电路可以根了微处理器和基本的外围电路以外，其余的电路可以根据需要和成本进行裁剪、定制。据需要和成本进行裁剪、定制。 通常，嵌入式系统还包括人机交互界面，用于系统通常，嵌入式系统还包括人机交互界面，用于系统与人的交互。人机界面常常使用键盘、液晶屏、触摸屏与人的交互。人机界面常常使用键盘、液晶屏、触摸屏等部件，以方便与人的交互操作。等部件，以方便与人的交互操作。第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 6 存储器是构成嵌入式系统硬件的重要组成部分。在存储器是构成嵌入式系统硬件的重要组成部分。在嵌入式系统中使用的存储器可以只

4、是内部存储器，也可嵌入式系统中使用的存储器可以只是内部存储器，也可以包含外部存储器。以包含外部存储器。 嵌入式处理器工作时必须有附属电路支持。在设计嵌入式处理器工作时必须有附属电路支持。在设计其硬件电路时，常常将它们与嵌入式处理器设计成一个其硬件电路时，常常将它们与嵌入式处理器设计成一个模块，形成处理器子系统。模块，形成处理器子系统。 嵌入式处理器在功能上与通用处理器的区别之一在嵌入式处理器在功能上与通用处理器的区别之一在于嵌入式处理器上集成了大量的于嵌入式处理器上集成了大量的I/O电路。用户在开发电路。用户在开发时，根据系统需求选择嵌入式处理器，而不是让嵌入式时，根据系统需求选择嵌入式处理器

5、，而不是让嵌入式处理器另外选择配合处理器另外选择配合I/O电路。电路。 第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 7 总线概念总线概念 总线协议总线协议 DMA 总线配置总线配置 总线实例总线实例 二二 总线总线第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 8 所有微机系统的总线结构，不外乎有所有微机系统的总线结构，不外乎有“冯冯诺伊曼诺伊曼”和和“哈佛哈佛”两种。两种。冯诺伊曼总线结构哈佛总线结构注：图中所有的总线都可以有自己不同的宽度总线总线（Bus）是计算机各种功能部件之间传送信息的公共）是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，它是由导线组成的传输线束。按

6、照计算机所通信干线，它是由导线组成的传输线束。按照计算机所传输的信息种类，计算机的总线可以划分为传输的信息种类，计算机的总线可以划分为数据总线数据总线、地址总线地址总线和和控制总线控制总线，分别用来传输数据、数据地址和，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。控制信号。第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 9 冯冯诺伊曼总线结构诺伊曼总线结构将程序存储器和数据存储器合在一起管将程序存储器和数据存储器合在一起管理，采用同一套地址和数据总线对它们进行寻址。因此总线理，采用同一套地址和数据总线对它们进行寻址。因此总线就特别繁忙，成为提高运行速度的就特别繁忙，成为提高运行速度的“瓶颈瓶

7、颈”。 但在使用上非常灵活。但在使用上非常灵活。 哈佛总线结构哈佛总线结构采用两套总线分别控制程序存储器和数据存储采用两套总线分别控制程序存储器和数据存储器，分别读取程序代码和数据。器，分别读取程序代码和数据。 降低了总线繁忙程度和指令执行的时间。降低了总线繁忙程度和指令执行的时间。 哈佛结构使得指令的执行时间相等，提高了控制性能。哈佛结构使得指令的执行时间相等，提高了控制性能。第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 10 第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台数据总线数据总线 数据总线的宽度又称为计算机的数据总线的宽度又称为计算机的“位数位数”，是计算机系，是计算

8、机系统一个最重要的参数。原因是数据总线的宽度表明了计统一个最重要的参数。原因是数据总线的宽度表明了计算机系统能够一次处理的数据的范围，代表了计算机系算机系统能够一次处理的数据的范围，代表了计算机系统处理数据的能力。统处理数据的能力。 如：如：MCS-51单片机的数据总线宽度为单片机的数据总线宽度为8位，位，ARM Cortex-M3的数据总线宽度为的数据总线宽度为32位。位。程序总线程序总线 决定了决定了CPU每次能够从程序存储器取出多少位的指令，每次能够从程序存储器取出多少位的指令，或者说一条指令中能够含有多少信息。因此程序总线的或者说一条指令中能够含有多少信息。因此程序总线的宽度在很大程度

9、上决定了计算机系统指令集的效率。宽度在很大程度上决定了计算机系统指令集的效率。Pg 11 第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台数据地址总线数据地址总线 数据地址总线帮助数据总线，对数据存储器进行寻址。数据地址总线帮助数据总线，对数据存储器进行寻址。其宽度决定了单片机能够寻址的数据存储器的多少。其宽度决定了单片机能够寻址的数据存储器的多少。程序地址总线程序地址总线 程序地址总线帮助程序总线对程序存储器进行寻址。程程序地址总线帮助程序总线对程序存储器进行寻址。程序地址总线的宽度决定了单片机理论上能够含有的程序序地址总线的宽度决定了单片机理论上能够含有的程序存储器的多少。存储器的多少。

10、 以上概念主要描述的是并行通信总线，对于串行通信总线，以上概念主要描述的是并行通信总线，对于串行通信总线，则情况会有较多区别。则情况会有较多区别。不管怎样，总线是各种功能部件之间传送信息的公共通道，不管怎样，总线是各种功能部件之间传送信息的公共通道，总线上所接的功能部件一定是可以多于总线上所接的功能部件一定是可以多于2个的。个的。Pg 12 1握手协议握手协议 总线握手协议的总线握手协议的作用作用是控制每个总线周期中数据传送的开是控制每个总线周期中数据传送的开始和结束，从而实现两个设备间协调和配合，保证数据传送始和结束，从而实现两个设备间协调和配合，保证数据传送的正确和可靠。的正确和可靠。这是

11、因为总线上连接有多个通信设备，它们之间若随意在总这是因为总线上连接有多个通信设备，它们之间若随意在总线上传送数据必然会导致冲突。线上传送数据必然会导致冲突。 最简单的握手使用两根用来进行握手的电线最简单的握手使用两根用来进行握手的电线enq（表示查询）（表示查询）和和ack（表示应答），并使用专用的电线来传输数据。（表示应答），并使用专用的电线来传输数据。 握手信号线必须以某种方式的信号变化来表明整个总线传握手信号线必须以某种方式的信号变化来表明整个总线传输周期的开始和结束，以及在整个周期内每个子周期的开始输周期的开始和结束，以及在整个周期内每个子周期的开始和结束。和结束。 第二讲第二讲 嵌入

12、式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 13 四四周周期期握握手手协协议议第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台总线握手协议中的基本构件是总线握手协议中的基本构件是四周期握手协议四周期握手协议。Pg 14 2总线读写总线读写 微处理器总线在握手基础上为微处理器总线在握手基础上为CPU和系统其他部分建立通信。和系统其他部分建立通信。基本的总线操作包括读和写。基本的总线操作包括读和写。 第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 15 总线行为经常用总线行为经常用时序图时序图来说明，时序图表示了总线上的信号来说明，时序图表示了总线上的信号如何随时间变化。如何随时间变化。 第二

13、讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台这里所说的这里所说的“读读”、“写写”，是从，是从控制信号提供控制信号提供方角度而言的方角度而言的Pg 16 第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台 HD44780液晶显示控制器液晶显示控制器（CPU）读操作总线时序图）读操作总线时序图控制信号控制信号若若CPU与设备以总线方式连与设备以总线方式连接（而不是以单独接（而不是以单独I/O口的方口的方式连接分别控制各信号线），式连接分别控制各信号线），则通过则通过CPU指令非常容易总指令非常容易总线读或总线写操作，形如：线读或总线写操作，形如：unsigned int data;unsign

14、ed int *addr= 0 x123456;data = *addr;该语句执行时将产生一次该语句执行时将产生一次读总线周期，执行花费时读总线周期，执行花费时间取决于总线周期长度。间取决于总线周期长度。Pg 17 HD44780液晶显示控制器液晶显示控制器（CPU）写操作总线时序图）写操作总线时序图第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 18 在许多系统中，总线上也可执行突发数据传输。在许多系统中，总线上也可执行突发数据传输。 第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 19 总线事务的状态机是对时序图的有效补充。总线事务的状态机是对时序图的有效补充。 当当CP

15、U决定执行一个读事务，它转换到新状态，并发决定执行一个读事务，它转换到新状态，并发给让设备正确工作的总线信号；而设备状态转换图捕获给让设备正确工作的总线信号；而设备状态转换图捕获它这一端的总线协议状态。它这一端的总线协议状态。 第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 20 标准总线事务要求标准总线事务要求CPU在每个读写事务中间，解决在每个读写事务中间，解决CPU与其他设备的信息交换问题。与其他设备的信息交换问题。 某些数据传输可能并不需要某些数据传输可能并不需要CPU介入，如介入，如I/O设备设备和存储器之间的数据交换。要实现这类操作，就要求和存储器之间的数据交换。要实现这类

16、操作，就要求有有CPU以外的设备单元能够控制总线上的操作。以外的设备单元能够控制总线上的操作。 存在的问题？存在的问题？第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 21 直接存储器访问直接存储器访问（Direct Memory Access，DMA）是）是允许读写不由允许读写不由CPU控制的总线操作。控制的总线操作。虽然名字上有虽然名字上有“存储器存储器”，但，但DMA也可以适用于映射到地址也可以适用于映射到地址空间上的别的空间上的别的I/O设备。设备。 DMA使用一种称为使用一种称为DMA控制器控制器的专用硬件来完成外的专用硬件来完成外设与存储器之间的高速数据传送。设与存储器之间

17、的高速数据传送。 DMA控制器从控制器从CPU请求总线控制，当请求总线控制，当CPU不需使用总不需使用总线传输数据时，则线传输数据时，则DMA控制器得到总线控制权，它能控制器得到总线控制权，它能像像CPU那样提供存储地址和必要的读写控制信号，实现那样提供存储地址和必要的读写控制信号，实现直接在设备和存储器之间执行读写操作。直接在设备和存储器之间执行读写操作。 第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 22 图图3-73-7 带带DMADMA控制器的总线控制器的总线 第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台DMA控制器、控制器、CPU都可以发起总线数据传输，它们被称为都可

18、以发起总线数据传输，它们被称为总线主设备总线主设备，其它，其它总线上的设备则称为总线上的设备则称为总线从设备总线从设备。总线在一段时间内只能由一个主设备控制使用，若多个总线主设备同时需要总线在一段时间内只能由一个主设备控制使用，若多个总线主设备同时需要使用总线，此时需要使用总线，此时需要“仲裁仲裁”，由仲裁器决定哪一个使用。，由仲裁器决定哪一个使用。Pg 23 一个微处理器系统可能使用多条总线来连接设备。一个微处理器系统可能使用多条总线来连接设备。 多总线系统多总线系统 第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 24 使用这样的总线配置主要考虑到以下几个原因使用这样的总线配置主要

19、考虑到以下几个原因:u 高速总线通常提供较宽的数据连接。高速总线通常提供较宽的数据连接。u 高速总线通常要更昂贵的电路和连接器，可以通过高速总线通常要更昂贵的电路和连接器，可以通过使用较慢的、比较便宜的总线来降低低速设备成本。使用较慢的、比较便宜的总线来降低低速设备成本。u 桥允许总线独立操作，因此可以在桥允许总线独立操作，因此可以在I/O操作中提供并操作中提供并行性。行性。 第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 25 ARM AMBA总线系统总线系统第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 26 存储器存储器用来存放计算机工作所必须的数据和程序，在嵌入式用来存

20、放计算机工作所必须的数据和程序，在嵌入式系统中普遍使用。系统中普遍使用。 嵌入式微处理器在运行时，大部分总线周期都是用于对存储嵌入式微处理器在运行时，大部分总线周期都是用于对存储器的读器的读/ /写访问。存储器系统性能的好坏将在很大程度上影响嵌写访问。存储器系统性能的好坏将在很大程度上影响嵌入式系统的性能。入式系统的性能。 为了追求存储器的高性能，一方面要从存储单元的设计、制为了追求存储器的高性能，一方面要从存储单元的设计、制造上研究改进；另一方面从存储器系统的结构上探索、优化。造上研究改进；另一方面从存储器系统的结构上探索、优化。三三 存储设备存储设备嵌入式系统存储器子系统的结构嵌入式系统存

21、储器子系统的结构 RAM ROMFlash第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 27 嵌入式系统的存储器子系统与通用计算机的存储器子嵌入式系统的存储器子系统与通用计算机的存储器子系统的功能并无明显的区别。系统的功能并无明显的区别。 这决定了嵌入式系统的存储器子系统的设计指标和方这决定了嵌入式系统的存储器子系统的设计指标和方法也可以采用通用计算机的方法，尤其是嵌入通用计算法也可以采用通用计算机的方法，尤其是嵌入通用计算机的大型嵌入式系统更是如此。机的大型嵌入式系统更是如此。 存储器子系统设计的存储器子系统设计的首要目标首要目标是使存储器在工作速度是使存储器在工作速度上很好的与处

22、理器匹配，并满足各种存取需要。上很好的与处理器匹配，并满足各种存取需要。第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 28 大量使用高速存储器，使它们在速度上与处理器相吻大量使用高速存储器，使它们在速度上与处理器相吻合，能够简便地解决问题，但受到经济上的限制。合，能够简便地解决问题，但受到经济上的限制。 在实际的计算机系统中，总是采用在实际的计算机系统中，总是采用分级的方法分级的方法来设计来设计整个存储器系统。整个存储器系统。 全部存储系统分为全部存储系统分为四级四级，即，即寄存器组寄存器组、高速缓存高速缓存、内存内存和和外存外存。它们在存取速度上依次递减，而在存储容。它们在存取速度

23、上依次递减，而在存储容量上逐级递增。量上逐级递增。第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台 存储器子系统设计的存储器子系统设计的首要目标首要目标是使存储器在工作是使存储器在工作速度上很好的与处理器匹配，并满足各种存取需要。速度上很好的与处理器匹配，并满足各种存取需要。Pg 29 分级的存储器子系统分级的存储器子系统 第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 30 寄存器组寄存器组寄存器组是最高一级的存储器。寄存器组是最高一级的存储器。 在计算机设备中，寄存器组一般是微处理器内含的，在计算机设备中，寄存器组一般是微处理器内含的，ARM处理器中有处理器中有37个寄存器。个寄

24、存器。 有些待使用的数据或者运算的中间结果可以暂存在这有些待使用的数据或者运算的中间结果可以暂存在这些寄存器中。些寄存器中。 微处理器在对本芯片内的寄存器读写时，速度很快，微处理器在对本芯片内的寄存器读写时，速度很快，一般在一个时钟周期内完成。一般在一个时钟周期内完成。第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 31 从总体上说，设置一系列寄存器是为了尽可能减少微处从总体上说，设置一系列寄存器是为了尽可能减少微处理器直接从外部取数的次数。理器直接从外部取数的次数。 但由于寄存器组是制作在微处理器内部的，受芯片面积但由于寄存器组是制作在微处理器内部的，受芯片面积和集成度的限制，寄存器

25、的数量不可能做得很多。和集成度的限制，寄存器的数量不可能做得很多。 第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 32 高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache）第二级存储器是高速缓冲存储器（第二级存储器是高速缓冲存储器（Cache）。）。 高速缓存是一种小型、快速的存储器，其存取速度足以高速缓存是一种小型、快速的存储器，其存取速度足以与微处理器相匹配。与微处理器相匹配。 高速缓存保存部分内存的内容的拷贝，这部分内容应是高速缓存保存部分内存的内容的拷贝，这部分内容应是被高频率使用的。如果正确使用，它能够减少内存平均访被高频率使用的。如果正确使用，它能够减少内存平均访问时间。问时间。

26、 第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 33 内存内存第三级是内存。第三级是内存。 运行的程序和数据都放在内存中。运行的程序和数据都放在内存中。 如果微处理器的访问大部分在高速缓存上，内存就可如果微处理器的访问大部分在高速缓存上，内存就可以采用速度稍慢的存储器，对系统性能的影响不会太大，以采用速度稍慢的存储器，对系统性能的影响不会太大，同时又降低了成本。同时又降低了成本。 内存除主要使用内存除主要使用RAM外，还要使用一定量的外，还要使用一定量的ROM。第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 34 外存外存最低一级存储器是大容量的外存。最低一级存储器是大容量的

27、外存。 这种外存容量大，但是在存取速度上比内存要慢得多。这种外存容量大，但是在存取速度上比内存要慢得多。 目前嵌入式系统中常用目前嵌入式系统中常用闪存闪存作为大容量作为大容量“硬盘硬盘”存储存储各种程序和数据。各种程序和数据。 第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 35 随机存储器随机存储器（Random Access Memory，RAM）能）能够随时在任一地址读出或写入内容。够随时在任一地址读出或写入内容。 RAM的突出优点是读写方便、使用灵活。缺点是不能的突出优点是读写方便、使用灵活。缺点是不能长期保存信息，一旦停电，所存信息就会丢失。但维持长期保存信息，一旦停电，所存

28、信息就会丢失。但维持静态数据所需的功耗通常较低。静态数据所需的功耗通常较低。 第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 36 RAM用于数据的临时存储或缓冲存储，在嵌入式系统中用于数据的临时存储或缓冲存储，在嵌入式系统中主要用于：主要用于：u 存放当前正在执行的程序和数据，如用户的调试程序、程存放当前正在执行的程序和数据，如用户的调试程序、程序的中间运算结果以及掉电时无需保存的序的中间运算结果以及掉电时无需保存的I/O数据和参数等。数据和参数等。u 作为作为I/O数据缓冲存储器，如显示输出缓冲存储器、键盘数据缓冲存储器，如显示输出缓冲存储器、键盘输入缓冲存储器等。输入缓冲存储器等

29、。u 作为中断服务程序中保护作为中断服务程序中保护CPU现场信息的栈。现场信息的栈。 第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 37 静态静态RAM 动态动态RAM 如何选择如何选择RAM 第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 38 (1) 静态静态RAM 静态随机存储器静态随机存储器（Static RAM，SRAM）的存储单）的存储单元电路是以双稳态元电路是以双稳态电路为基础，因此电路为基础，因此状态稳定，只要不状态稳定，只要不掉电，信息不会丢掉电，信息不会丢失。失。 异步异步SRAM读写时序读写时序 第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 3

30、9 SRAM的操作方法有两种，即的操作方法有两种，即读操作读操作和和写操作写操作。异步。异步SRAM的操作是最简单的，如下：的操作是最简单的，如下： 异步异步SRAM上的读操作方法：上的读操作方法：u 将地址送到地址线上将地址送到地址线上u 然后让然后让CE=0，启用，启用SRAM u 让让R/W=1u 一定延迟时间后，数据通过数据信号线输出。一定延迟时间后，数据通过数据信号线输出。异步异步SRAM上的写操作方法：上的写操作方法： u 将地址送到地址线上将地址送到地址线上u 让让CE=0，启用，启用SRAMu 让让R/W=0u 数据送到数据线上数据送到数据线上u 让让R/W=1，在，在R/W上

31、升沿数据被写入存储器。上升沿数据被写入存储器。第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 40 在使用在使用SRAM时，需要考虑时，需要考虑SRAM与处理器的匹配，与处理器的匹配，一般包括：一般包括：u工作电压工作电压u工作速度工作速度u时序时序第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 41 (2) 动态动态RAM 动态随机存储器动态随机存储器（Dynamic RAM，DRAM）的存储）的存储单元电路是以电容为基础，电路简单、集成度高。单元电路是以电容为基础，电路简单、集成度高。DRAM有很多类型，主要是接口方面的不同，内部存有很多类型，主要是接口方面的不同，内部存储

32、单元基础则差别不大。储单元基础则差别不大。 但但DRAM即使不掉电也会因电容放电而丢失信息，需即使不掉电也会因电容放电而丢失信息，需要定时刷新，因此在工作时必须配合要定时刷新，因此在工作时必须配合DRAM控制器控制器。第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 42 DRAM通过通过DRAM控制器组成存储器系统控制器组成存储器系统 执行执行DRAM的刷新操作，的刷新操作，使得使得DRAM中数据有效中数据有效第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 43 基基本本动动态态RAM RAM 第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台EDO DRAM读时序读时序 Pg

33、 44 (3) 如何选择如何选择RAM u 如果系统的随机存储器的容量不是很大（如如果系统的随机存储器的容量不是很大（如1M字节以下），字节以下），一般采用一般采用SRAM；反之，选择；反之，选择DRAM。u 对于特别高速度的应用，使用对于特别高速度的应用，使用SRAM。u 如果嵌入式系统对功耗敏感，可使用如果嵌入式系统对功耗敏感，可使用SRAM。因为。因为DRAM需要需要定时刷新，消耗能量相对大；而定时刷新，消耗能量相对大；而SRAM在系统进入待机工作方式在系统进入待机工作方式时，只需要微小的待机电流就可以维持数据不丢失。但需要注意时，只需要微小的待机电流就可以维持数据不丢失。但需要注意的是

34、，的是，SRAM的静态功耗低，但是工作时动态功耗不低。的静态功耗低，但是工作时动态功耗不低。在设计嵌入式系统选择在设计嵌入式系统选择SRAM和和DRAM时，通常考虑以时，通常考虑以下因素：下因素： 第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 45 u 对于嵌入式处理器而言，有的嵌入式处理器芯片集成了对于嵌入式处理器而言，有的嵌入式处理器芯片集成了DRAM控制器，这时选择控制器，这时选择DRAM比较好。一般的，小规模的嵌入式系统比较好。一般的，小规模的嵌入式系统不建议使用分离的不建议使用分离的DRAM控制器控制器DRAM的方案。的方案。u 基于基于32位嵌入式处理器的嵌入式系统通常会

35、使用位嵌入式处理器的嵌入式系统通常会使用DRAM。u 复杂的嵌入式系统可以采用复杂的嵌入式系统可以采用SRAM和和DRAM混合设计的方案。混合设计的方案。u 嵌入式系统的设计在使用嵌入式系统的设计在使用SRAM和和DRAM的成本上，需要仔细的成本上，需要仔细核算并与整个系统的硬件一起进行核算，最终作出选择。核算并与整个系统的硬件一起进行核算，最终作出选择。 第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 46 只读存储器只读存储器（Read-Only Memory，ROM）中的内）中的内容一经写入，在工作过程中就只能读出不能重写，即使容一经写入，在工作过程中就只能读出不能重写，即使掉电

36、，写入的内容也不会丢失。掉电，写入的内容也不会丢失。 ROM在嵌入式系统中非常有用，常常用来存放系统在嵌入式系统中非常有用，常常用来存放系统软件（如软件（如ROM BIOS）、应用程序等不随时间改变的代）、应用程序等不随时间改变的代码或数据。码或数据。 第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 47 ROM可以分为可以分为工厂可编程工厂可编程ROM和和现场可编程现场可编程ROM两两大类。大类。u 工厂可编程工厂可编程ROM（即（即掩模可编程掩模可编程ROM，mask-programmed ROM）是由厂商按照用户要求掩模制成，封）是由厂商按照用户要求掩模制成，封装后不能改写，用户

37、只能读出、不能改写。掩模装后不能改写，用户只能读出、不能改写。掩模ROM一般一般只用于大批量生产的计算机产品中，在产品研制和实验室只用于大批量生产的计算机产品中，在产品研制和实验室小批量生产时，应选用现场可编程小批量生产时，应选用现场可编程ROM。 第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 48 有几种不同类型的现场可编程有几种不同类型的现场可编程ROM，一些只可编程一，一些只可编程一次（次（OTP），而另一些可以被重复编程。），而另一些可以被重复编程。 u 可编程可编程ROM（Programmed ROM），为一般的术语。），为一般的术语。u 紫外线可擦可编程紫外线可擦可编程R

38、OM（UV Erasable Programmed ROM, UV_EPROM）u 电可擦可编程电可擦可编程ROM（Electrical Erasable Programmed ROM, EEPROM）第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 49 闪速存储器闪速存储器（Flash Memory）是一种电可擦可编程）是一种电可擦可编程ROM存储器，现今被广泛使用。存储器，现今被广泛使用。 Flash的特点：的特点：u 在不加电情况下能长期保存信息，同时又能在线进行快速在不加电情况下能长期保存信息，同时又能在线进行快速擦除与重写。擦除与重写。u 从软件的观点来看，从软件的观点来看，

39、Flash和和EEPROM的的技术十分类似。的的技术十分类似。第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 50 闪存闪存与与 EEPROM的区别：的区别：u 有些有些EEPROM擦写和编程时要加高电压，这意味着重新擦写和编程时要加高电压，这意味着重新编程时必须将芯片从系统中拿出来；而编程时必须将芯片从系统中拿出来；而Flash使用标准电压使用标准电压擦写和编程，允许芯片在标准系统内部编程（在系统可编擦写和编程，允许芯片在标准系统内部编程（在系统可编程程ISP、在应用可编程、在应用可编程IAP） 。u EEPROM可以单独擦写某个单元，操作起来很方便；可以单独擦写某个单元，操作起来很

40、方便；Flash则必须擦除一个存储块，然后再写入新数据到这个块则必须擦除一个存储块，然后再写入新数据到这个块中，因此需要保存和重写被迫被擦除的内容。中，因此需要保存和重写被迫被擦除的内容。u 大部分大部分Flash允许某些块被保护，这一点对存储空间有限允许某些块被保护，这一点对存储空间有限的嵌入式系统非常有用，即将引导代码放进保护块内而允的嵌入式系统非常有用，即将引导代码放进保护块内而允许更新设备上其他的存储器块。许更新设备上其他的存储器块。 第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 51 Flash与传统存储器技术的比较与传统存储器技术的比较存储器存储器固有不挥发性固有不挥发性

41、高密度高密度低功耗低功耗单晶体管单元单晶体管单元在线可重写在线可重写FlashSRAMDRAMUV EPROMEEPROM，有些不行，有些不行掩模掩模ROM第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 52 Flash的分类：的分类：u NOR Flash是在是在EEPROM的基础上发展起来的，它的存的基础上发展起来的，它的存储单元由储单元由N-MOS构成，而连接构成，而连接N-MOS单元的线是独立的。单元的线是独立的。NOR Flash可以随机读取任意单元的内容，有可以随机读取任意单元的内容，有SRAM形式的形式的接口，适合于程序代码的并行读写存储，常用于制作计算接口，适合于程序代

42、码的并行读写存储，常用于制作计算机的机的BIOS存储器和微控制器的内部存储器等。存储器和微控制器的内部存储器等。u NAND Flash是将几个是将几个N-MOS单元用同一根线连接起来，单元用同一根线连接起来，适合按顺序读取存储单元的内容，适合于数据或文件的存适合按顺序读取存储单元的内容，适合于数据或文件的存储。储。 第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 53 Flash的操作包括读出和写入。的操作包括读出和写入。 读操作读操作：处理器只要提供地址、读操作信号和片选信号，：处理器只要提供地址、读操作信号和片选信号，存储器就返回在该位置保存的数据。大部分的存储器就返回在该位置保

43、存的数据。大部分的Flash在系统在系统重启时自动进入读状态，启动读状态不需要特别的初始化重启时自动进入读状态，启动读状态不需要特别的初始化序列。序列。 写操作写操作：把程序或数据写入：把程序或数据写入Flash的过程也叫作的过程也叫作编程编程。Flash的编程有两种方式，一种是在线编程，一种是离线编程。的编程有两种方式，一种是在线编程，一种是离线编程。 第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 54 Flash的的编程编程 u 每一个存储位置必须在重写操作之前被擦除。如果旧的每一个存储位置必须在重写操作之前被擦除。如果旧的数据没有被擦除，写操作的结果会是新旧数值的某种逻辑数据没

44、有被擦除，写操作的结果会是新旧数值的某种逻辑组合，存储的数据通常是错误的。组合，存储的数据通常是错误的。u 一次至少有一个扇区或者块被擦除，而不可能只是擦除一次至少有一个扇区或者块被擦除，而不可能只是擦除一个单个的字节。一个单个的字节。u 擦除旧数据的过程和写入新数据的操作过程是随着制造擦除旧数据的过程和写入新数据的操作过程是随着制造商的不同而变化的。因此针对商的不同而变化的。因此针对Flash编程，提供一个软件编程，提供一个软件层来完成擦除和写入操作比较方便，这个软件层叫作层来完成擦除和写入操作比较方便，这个软件层叫作Flash的驱动程序。的驱动程序。 第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式

45、系统硬件平台Pg 55 Flash的嵌入式应用的嵌入式应用 u Flash文件系统：因为文件系统：因为Flash提供了可被重写的非易失性存提供了可被重写的非易失性存储，因此它可以被看作类似于硬盘的存储系统。在作为文件储，因此它可以被看作类似于硬盘的存储系统。在作为文件系统的情况下，由驱动程序提供的函数要更加面向文件，提系统的情况下，由驱动程序提供的函数要更加面向文件，提供诸如供诸如open()、close()、read()、write()等标准文件系统函数。等标准文件系统函数。Flash文件系统的组织与普通的外存基本相同。文件系统的组织与普通的外存基本相同。u 便携设备的存储装置：随着数码产品

46、的飞速发展，利用其便携设备的存储装置：随着数码产品的飞速发展，利用其大容量非易失的特点，大容量非易失的特点，Flash作为一种最常用的存储装置应作为一种最常用的存储装置应用于数码相机（如用于数码相机（如CF卡、卡、SD卡、记忆棒等）、卡、记忆棒等）、MP3等数码等数码产品中。但有的设备并不一定需要将产品中。但有的设备并不一定需要将Flash组织成文件系统。组织成文件系统。第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 56 一个实用的嵌入式系统常常配有一定的外部设备，构成一个实用的嵌入式系统常常配有一定的外部设备，构成一个以微处理器为核心的计算机系统。一个以微处理器为核心的计算机系统。

47、 这些外部设备包括这些外部设备包括输入设备输入设备，如键盘、触摸屏等；，如键盘、触摸屏等；输出输出设备设备，如显示器等；完成，如显示器等；完成数据控制和转换的设备数据控制和转换的设备，如定时器，如定时器/计数器、模计数器、模/数转换器、数数转换器、数/模转换器等。模转换器等。 这些外部设备中，有的是以微控制器形式集成为片上设这些外部设备中，有的是以微控制器形式集成为片上设备（称为片上外围），有点是单独实现。备（称为片上外围），有点是单独实现。 四四 I/O设备设备第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台定时器定时器/计数器计数器ADC和和DAC人机接口设备人机接口设备Pg 57 所有

48、的嵌入式处理器都集成了定时器所有的嵌入式处理器都集成了定时器/计数器模块。计数器模块。 系统中至少有一个定时器，用作系统时钟。系统中至少有一个定时器，用作系统时钟。 定时器和计数器都是由带有保存当前值的寄存器和向定时器和计数器都是由带有保存当前值的寄存器和向当前寄存器值加当前寄存器值加1的一个增量输入的加法器逻辑电路组的一个增量输入的加法器逻辑电路组成。或者说成。或者说是一种能够累计输入脉冲的个数的数字电路。是一种能够累计输入脉冲的个数的数字电路。它由触发器构成，具有记忆功能，除了能够完成计数外，它由触发器构成，具有记忆功能，除了能够完成计数外，还能够用作分频和定时。还能够用作分频和定时。第二

49、讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 58 定时器、计数器的区别：定时器、计数器的区别： 因为同样的逻辑电路可以有这两种使用方式，所以该设备因为同样的逻辑电路可以有这两种使用方式，所以该设备经常被称为经常被称为“定时器定时器/计数器计数器”。 第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台下降沿动作的异步二进制加法计数器下降沿动作的异步二进制加法计数器三位加法计数器时序图三位加法计数器时序图Pg 59 第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 60 通过在定时器电路中增加比较器等额外电路，容易构通过在定时器电路中增加比较器等额外电路，容易构成成脉宽调制（脉宽调制

50、（PWM）器，用于输出一个频率和占空比可）器，用于输出一个频率和占空比可调的矩形波。典型地用于电机调速、调的矩形波。典型地用于电机调速、LED亮度调节、简易亮度调节、简易数数/模转换等等模转换等等 。PWM波形波形第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 61 模模/数数（A/D）转换器和）转换器和数数/模模（D/A）转换器是非数字）转换器是非数字设备（即模拟信号源）和嵌入式系统之间联系的接口。设备（即模拟信号源）和嵌入式系统之间联系的接口。 两者均需要一个参考电压，它决定了两者均需要一个参考电压，它决定了可数字化的可数字化的最大最大模拟输入电压值（对于模拟输入电压值（对于ADC

51、）或者可转换输出的最大模）或者可转换输出的最大模拟电压值（对于拟电压值（对于DAC）。）。 D/A转换器的控制相对简转换器的控制相对简单，输入数据值被连续转换单，输入数据值被连续转换成模拟输出信号。成模拟输出信号。 有的有的DAC允许参考电压在允许参考电压在较大带宽内变化，这类较大带宽内变化，这类DAC称为称为乘法乘法DAC。乘法。乘法DAC可可用于实现乘法器、可变增益放大器（用于实现乘法器、可变增益放大器（PGA）。）。第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台R-2R电阻网络构造的电阻网络构造的4位位DACPg 62 A/D转换在将模拟输入转换为数字形式前需要对模转换在将模拟输入转

52、换为数字形式前需要对模拟输入进行拟输入进行采样采样，获取某一，获取某一“点时刻点时刻”的模拟输入信号的模拟输入信号值，并在完成一次完整的转换期间值，并在完成一次完整的转换期间保持保持该获取值稳定不该获取值稳定不变。这部分电路称为变。这部分电路称为采样采样/保持电路保持电路。控制信号使得。控制信号使得A/D转换器进行采样转换器进行采样/保持并将其数字化。保持并将其数字化。第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台 A/D转换器将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以转换器将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便计算机和数字系统进行存储、处理。便计算机和数字系统进行存储、处理。 DAC关键技

53、术指标：关键技术指标：分辨率、建立时间分辨率、建立时间/更新率、积分非更新率、积分非线性线性INL、微分非线性、微分非线性DNL、无杂散动态范围、无杂散动态范围SFDR。（必须注意的是，并非分辨率、更新率越高，必须注意的是，并非分辨率、更新率越高，DAC性能就性能就一定越好。其它技术指标在一些应用场合也许更关键一定越好。其它技术指标在一些应用场合也许更关键）Pg 63 第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台 典型的典型的A/D转换器接口除了模拟输入外还有两个主要的转换器接口除了模拟输入外还有两个主要的数字接口。数字接口。 N位逐次逼近型（位逐次逼近型（SAR）ADC结构图结构图AD

54、C主要类型：并行比较型主要类型：并行比较型Flash、逐次比较型逐次比较型SAR、- -型型、积分型积分型、电压、电压频率型。频率型。选用何种类型选用何种类型ADC应根据使用应根据使用场合具体需求，分析转换速度、场合具体需求，分析转换速度、精度、价格、功能及接口条件精度、价格、功能及接口条件等因素综合考虑。等因素综合考虑。Pg 64 ADC关键技术指标：关键技术指标：分辨率、转换速率、积分非线性分辨率、转换速率、积分非线性INL、微分非线性微分非线性DNL、信噪失真比、信噪失真比SINAD/有效位数有效位数ENOB。（必须注意的是，并非分辨率、转换速率越高，必须注意的是，并非分辨率、转换速率越

55、高，ADC性能性能就一定越好。其它技术指标在一些应用场合也许更关键就一定越好。其它技术指标在一些应用场合也许更关键）第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Cypress PSoC 5LP器件中器件中ADC部分指标部分指标Altera MAX 10器件中器件中ADC部分指标部分指标同样为同样为12位、位、1M sps ADC，其它关键指标，其它关键指标差异却很大。差异却很大。02. 676. 1SINADENOBPg 65 虽然人机接口在许多应用中不是必须的，但它们确实虽然人机接口在许多应用中不是必须的，但它们确实很常见。很常见。 为了使嵌入式系统具有友好的人机接口以方便使用，为了使

56、嵌入式系统具有友好的人机接口以方便使用，需要给嵌入式系统配置需要给嵌入式系统配置显示装置显示装置，如，如LED显示、显示、LCD显示显示器或必要的音响提示等。器或必要的音响提示等。 要进行人机交互，还需要有要进行人机交互，还需要有输入装置输入装置，如键盘、触摸，如键盘、触摸屏等，使得用户能够对嵌入式控制器发出命令或输入必要屏等，使得用户能够对嵌入式控制器发出命令或输入必要的控制参数。的控制参数。 键盘键盘 LCD显示器显示器 触摸屏触摸屏 第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 66 键盘键盘 键盘是标准的输入设备，广泛用于嵌入式产品，如键盘是标准的输入设备，广泛用于嵌入式产品

57、，如微波炉、传真机、复印机等。微波炉、传真机、复印机等。 键盘可以用来输入数字型数据或者选择控制设备的操键盘可以用来输入数字型数据或者选择控制设备的操作模式。作模式。 第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台 键盘的组成键盘的组成Pg 67 单独按键的电路单独按键的电路 按键抖动按键抖动第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台由于按键的触点是用机械方式通断的，故按键接通或者断开的由于按键的触点是用机械方式通断的，故按键接通或者断开的操作并不能理想地一次性地完成，而是在经历操作并不能理想地一次性地完成，而是在经历一段较短时间一段较短时间（由接触不良所引起）的反复通断现象（由接

58、触不良所引起）的反复通断现象后，才变得稳定。后，才变得稳定。Pg 68 矩阵式键盘矩阵式键盘（按行扫描该行按键状态）（按行扫描该行按键状态）第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 69 LCD显示器显示器 液晶显示液晶显示（Liquid Crystal Display，LCD）是一种）是一种被动的显示，它不能发光，需在周围环境光下使用。被动的显示，它不能发光，需在周围环境光下使用。 液晶显示器显示图案或字符时只需要很小的能量（但液晶显示器显示图案或字符时只需要很小的能量（但有背光源时背光耗电则很大）。因此，低功耗、小型化有背光源时背光耗电则很大）。因此，低功耗、小型化的的LCD

59、成为较佳的显示设备。成为较佳的显示设备。 一般情况下，显示设备可以直接驱动，也可以通过帧一般情况下，显示设备可以直接驱动，也可以通过帧缓冲区驱动。缓冲区驱动。第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 70 直接驱动多个数字显示模块直接驱动多个数字显示模块第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 71 帧缓冲显示系统帧缓冲显示系统 第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 72 触摸屏触摸屏 触摸屏是覆盖在输出设备上的输入设备，用来记录触摸屏是覆盖在输出设备上的输入设备，用来记录触摸位置。把触摸屏覆盖在显示器上，使用者可以对显触摸位置。把触摸屏覆盖在显示

60、器上，使用者可以对显示的信息做出反应。示的信息做出反应。 触摸屏按其工作原理不同分为电阻屏、电容屏、红外触摸屏按其工作原理不同分为电阻屏、电容屏、红外屏和表面声波屏等。屏和表面声波屏等。 其中常用的触摸屏是其中常用的触摸屏是电阻式触摸屏电阻式触摸屏。电阻式触摸屏用。电阻式触摸屏用二维电压表来探测位置。二维电压表来探测位置。 第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台Pg 73 电阻式触摸屏的结构电阻式触摸屏的结构第二讲第二讲 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台VCCPg 74 通用异步收发器（通用异步收发器（UART） USB设备设备 Ethernet设备设备 I2C、SPI、LIN