嵌入式系统复习.ppt

1、嵌入式系统原理与技术复习,嵌入式系统基本概念,嵌入式系统基本概念,根据用途可以把计算机分成两大类：通用计算机和嵌入式计算机 嵌入式系统是以应用为中心、计算机技术为基础，软、硬件可剪裁，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统,嵌入式系统无处不在,嵌入式系统特点,嵌入式系统具有应用针对性 嵌入式系统硬件一般对扩展能力要求不高 嵌入式系统一般采用专门针对嵌入式应用设计的中央处理器 嵌入式系统中不一定都有操作系统 嵌入式系统一般有实时性要求 嵌入式系统一般有较高的成本控制要求 嵌入式系统软件一般有固化的要求 嵌入式系统软件一般采用交叉开发的模式 嵌入式系统在体积、功耗、可

2、靠性、环境适应性上一般有特殊要求 嵌入式系统技术标准化程度不高,嵌入式处理器,CPU的指令系统,指令是CPU能理解并执行的命令单元，规定了计算机能完成的某一操作 计算机硬件只识别“0”和“1”两个数字，所有的CPU指令都由这两个数字进行编码 有机组合在一起的一串指令就是程序 不同CPU支持的指令不同，CPU支持的所有指令的集合就是该CPU的指令系统,嵌入式处理器特点,嵌入式处理器种类繁多、功能多样、性能跨度大 不同的系统对处理器的功能、性能、功耗、工作环境、封装等要求不同，适应千奇百怪的应用需要，嵌入式处理器发展出极其丰富的产品类型 嵌入式处理器功耗低 嵌入式系统往往作为一个部件“嵌入”在一个

3、设备/系统中，因供电限制或散热的限制，功耗必须得到有效控制 提供灵活的地址空间寻址能力 嵌入式系统地址空间的分配有很大的自由度，为了适应嵌入式系统的这个特点，嵌入式处理器一般有灵活的地址空间寻址能力 支持灵活的功耗控制 嵌入式处理器一般有严格的功耗设计，除了降低正常工作的功耗外，还有很多降低功耗的措施，如可变工作频率、降低工作电压，还可以设置多种工作模式 功能集成度高，提供丰富的外部接口 嵌入式处理器中功能模块的集成度越来越高，除了处理器核心外，很多的传统的外部控制器被集成到微处理器中,嵌入式处理器种类,嵌入式微处理器（Micro Processor Unit，MPU） 嵌入式微控制器（Mic

4、rocontroller Unit，MCU） 嵌入式DSP（Embedded Digital Signal Processor， EDSP） 嵌入式片上系统（SOC）,AMBA总线系统,在基于IP复用的SoC设计中，片上总线设计是最关键问题 ARM公司推出的AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture)片上总线受到了广大IP开发商和SoC系统集成者的青睐，已成为一种流行的工业标准片上结构 AMBA总线三个版本：AMBA 1.0、AMBA 2.0和AMBA 3.0,嵌入式DSP,DSP处理器是专门用于数字信号处理的处理器 系统结构和指令算法方面进行

5、了特殊设计，能实现高性能的数字信号处理计算 DSP是一种嵌入式处理器，实际应用中有两种形式：作为主处理器的协处理器、作为系统的主处理器,DSP的协处理器应用,DSP的主处理器应用,嵌入式总线,计算机总线基本概念,计算机中多个功能部件共享的一组信息传输线称为总线 采用总线结构便于模块和设备的扩充，使用统一的总线标准，不同模块间互连将更容易实现 总线技术是系统模块化、组件化的基础,计算机总线的标准,机械结构规范：确定总线模块的尺寸，总线插头/插座、连接器的规格及位置 功能规范：确定总线信号的名称与功能，并对它们相互作用的协议(如时序关系)进行说明 电气规范：规定总线信号有效的高、低电平、状态转换时

6、间、负载能力、电气性能的额定值及最大值等,计算机总线分类,片内总线：AMBA系列总线、IBM CoreConect总线、OCP总线、Wishbone总线等 内部总线：计算机内部各外围芯片与处理器之间的总线 系统总线：计算机内各扩展板与系统板之间的总线，用于板级互连 外部总线：计算机和外部设备之间的总线，计算机通过该总线和其他设备进行信息与数据交换，它用于设备一级的互连,嵌入式系统总线的特点,机械结构 通用计算机总线扩展板的结构、插座外型、定位、安装方式都很标准 ；嵌入式系统总线扩展板一般没有标准化的结构，而且要有良好的温度适应性、抗振动、防水、防潮、防电磁干扰等。 嵌入式系统对总线标准功能的补

7、充 由于对电源管理、功耗控制、设备检测、热插拔管理、总线驱动能力等方面存在特殊的要求，所以嵌入式系统总线可能在标准总线的基础上做少量的补充，如增加电源管理方面的信号、增加对热插拔的支持、提高某些信号的驱动能力等。,PC/104系列总线,PC/104协会是一个标准化组织，为PC计算机总线制定工业化的版本 PC系统总线经历了ISA、PCI、PCI Express 几个主要的发展阶段 PC/104协会制定了对应的系列工业计算机总线：PC/104（ISA）、PC/104-Plus（ISA和PCI）、PCI-104（PCI）、PCI/104-Express（PCI及PCI Express）及PCIe/1

8、04（PCI Express）,为什么有PC/104系列总线？,PC是最普及的通用计算机系统，在PC发展过程中积累了丰富的硬件、软件资源 PC性能发展很快，在需要高性能计算的嵌入式系统应用中引入PC技术是条捷径 在嵌入式系统中引入PC技术，需要遵循PC的体系结构 系统总线是计算机结构的核心 将PC总线技术引入嵌入式系统PC/104,PC/104系列总线,工业计算机的要求,坚固：工业计算机往往要工作在热、冷、脏、差的环境，还要能承受一定的冲击或振动 可靠：MTBF要高。它涉及到电气部件、机械部件、连接器以及配套的外围设备的可靠性 模块化：除了基本功能，工业计算机往往还有多种不同用途的I/O，如模

9、拟/数字转换器、视频接口或其他各种各样的专用I/O。并且，不同的应用对象要求也各异，这就势必要用模块化解决 标准化：成功的计算机设计大都不是一家能做好的，只有基于标准平台和工业标准才能从多个售主获得好产品 前面板I/O：为了使用方便，工业计算机往往需要从前面连接I/O，前面板也兼有某些状态指示、插卡拔取和锁紧功能,CPCI的热插拔,热插拔功能允许用户在无需关掉主程序的同时在线更改、添加、升级CPC I 板卡而不需要重新启动操作系统 CPC I 热插拔技术包括热替换(hot replacement)、热添加(ho t expansion) 和热升级(ho t upgrade) CPCI与PCI最

10、主要的区别：机械结构；热插拔,CPCI连接器的不等长插针,CompactPCI背板的J1连接器插针分为长针、中长针和短针 长针都是电源和信号地，中长针是PCI信号，IDSEL、BD_SEL#所在插针最短 J2的插针都是中长针,CPCI模块的热插入,在CompactPCI模块两侧设计有静电条，模块插入时首先通过静电条向机箱放电，消除静电的影响 随后，模块电源和信号地首先与底板接通，这时对PCI信号进行预充电，使这些信号线在与底板总线连接之前维持在1.0V左右的电压 ，减少热插入设备造成的瞬态干扰 BD_SEL#和IDSEL信号的插针最短，所以模块插入插槽时，最后连接上是是这两个信号。模块的BD_

11、SEL#有效，板上逻辑才可以开始工作；而IDSEL信号连接到总线上后，主处理器可以访问模块的配置空间，实现后续的设备配置工作,CPCI模块的热拔出,功能模块的拔出顺序过程与插入过程相反 首先是短针的BD_SEL#、IDSEL信号断开 然后需要预充电的PCI信号电平被调整到1.0V左右的 最后断开电源和信号地 系统卸载该模块的设备驱动程序及相关资源配置,CompactPCI总线预充电原理,RS-232串行接口标准,嵌入式系统开发中RS-232应用,开发板,RS-232,以太网,嵌入式系统中RS-232功能：数据通信；程序下载；系统控制台,RS-232的信号电平定义,RS-232信号是负逻辑，正电

12、平为“0”，负电平为“1”,模糊区,+15V,-15V,-5V,+5V,模糊区,+15V,-15V,-3V,+3V,1,0,发送器电平要求,接收器电平要求,1,0,RS-232接口,电平转换,RS-232的流控制,“流”，指的是数据流 流控制可以控制数据传输的进程，防止数据的丢失(如缓冲区溢出) PC机中常用的两种流控制是硬件流控制（包括RTS/CTS、DTR/CTS等）和软件流控制XON/XOFF（继续/停止） 硬件流控制常用的有RTS/CTS流控制和DTR/DSR 软件流控制：当接收端的输入缓冲区内数据量超过设定的高位时，就向数据发送端发出XOFF字符（十进制的19或Control-S），

13、发送端收到XOFF字符后就立即停止发送数据；当接收端的输入缓冲区内数据量低于设定的低位时，就向数据发送端发出XON字符（十进制的17或Control-Q），发送端收到XON字符后就立即开始发送数据,RS-232的三线制连接,起止式异步串行通信协议,RS-232起止式异步串行数据传输过程,IIC数据传输过程,数据传送单位：每个数据的位数，5/6/7/8 起始位：1位。逻辑值“0” 停止位：1/1.5/2。逻辑值“1” 校验位：奇校验或偶校验，检查数据中“1”奇/偶数,RS-232通信端口的初始化,10011100,10011100,10011100 0,10011100 1,偶校验,奇校验,I2

14、C 总线规范,什么是I2C,I2C ，即Inter IC，是Philips一种简单的双向两线总线，用于IC之间的信息通信 I2C只有两根信号线，因此最大程度简化了芯片之间的连接，使电路板的设计、制造更简单 I2C常用于处理器与外部控制器、处理器与串行存储器、甚至处理器与处理器之间的信息(命令)交互,I2C特点,总线只有两个信号：SDA和SCL I2C是一个多主设备总线，具有总线仲裁机制 总线上每个从设备具有唯一的地址，主设备根据地址选择操作的目的设备 总线定义三种传输速率：标准模式下可达100kbit/s；快速模式下可达400kbit/s；高速模式下可达3.4Mbit/s 片上滤波器可以滤去数

15、据线上的毛刺，提高数据传输的可靠性 同一I2C总线上可以挂接的芯片数量只受到总线400pF最大负载电容限制,I2C信号,I2C总线由两个信号组成：SCL(串行时钟)和SDA(串行数据) SDA和SCL都是双向信号，电路中通过电阻上拉到正电源，总线空闲时都是高电平 SDA的数据位在SCL的同步下传输 同一I2C总线上各节点的SDA、SCL输出都是集电极开路(OC)或漏极开路(OD)的，信号具有“线与”功能,I2C的数据传输,一个字节8个二进制位，MSB在前，LSB在后，按位传输 每个字节后都要有一个应答位，应答由接收器发出 如果SLAVE因事(如处理中断)不能收/发下一个完整的字节，可将SCL拉

16、到低电平，从而使Master进入等待状态,复位管理,计算机复位的功能,复位操作将处理器和系统中其他功能部件置于一个可知的初始状态，并使系统从这个状态开始工作 处理器复位后执行的第一条指令的地址不同，如8051单片机复位后的第一条指令在0 x0h处，8086处理器在0 xFFFF0h处，而ARM处理器在0 x0h处,RC复位电路,RC复位电路简单、低成本，应用非常普遍 可靠性一般，如果上电稳定太慢、或电源不稳定时，不能保证输出有效的复位信号,MAX705原理,喂狗信号,1.6秒定时器,手动复位,+5V电源,1.25V门限检测,PFI低于门限,复位输出 200ms,看门狗超时输出,信号地,MAX7

17、05 watchdog时序,1.6秒定时,最小50ns,MAX705典型应用电路,小于10.87V时，PFI小于1.25V，PFO#有效,130/（1000+130）*12=1.38V 1.25*(1000+130)/130=10.87V,实时时钟,什么是RTC,在计算机中，RTC为系统提供不间断的时间信息：年、月、日、时、分、秒 实时时钟（RTC）通常由电池供电 ，系统主电源掉电后RTC在电池的支持下照常进行时间计数 RTC工作电流很小，甚至不到1uA，一颗纽扣电池可让RTC持续工作若干年 在很多嵌入式系统中，RTC是一个必须的功能,RTC的实现方式,RTC是一个电池供电的独立功能模块，可能

18、是一个独立的芯片，也可能是一个“大”芯片中的一个功能部分 RTC主要包括时钟发生器、计数器、寄存器及接口单元几个部分 对独立芯片形式的RTC，CPU一般通过串行总线与其进行通讯，实现时间设置、时间获取,存储器,SRAM(Static RAM、静态RAM),速度快 功耗大 价格贵 集成度低 不需要刷新 应用：CACHE 嵌入式系统,位宽为8的20 x20存储矩阵,SRAM原理结构(IDT7164),地址,数据,控制,IDT7164引脚信号分配及功能,DPRAM基本概念,DPRAM有两套相互独立的地址、数据、控制信号 通过两套信号，两个CPU可同时对DPRAM进行读写 但是，两个CPU不能同时“写”或同时“读/写”同一个存储单元 DPRAM内部有相应的功能设计，避免出现读写冲突,DPRAM应