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6 嵌入式系统外围设备朱敏玲计算机学院本节要解决的问题n嵌入式系统常用的存储器有哪些？n嵌入式系统一般都有哪些外围接口？n如何实现处理器和外设之间的协同工作？大纲n存储n外围接口q显示q总线qUSBq其他n数据传送方式q轮询q中断qDMA存储器系统寄存器高速缓存SRAM主存储器DRAM本地存储器 Flash、ROM、磁盘网络存储器 Flash、ROM、磁盘时钟周期01105010020000000分层结构存储器概述n按照存储器的工作原理主要分为ROM和RAM两类：nROM（Read Only Memory）存储器又称只读存储器，只能从中读取信息而不能任意写信息。ROM具有掉电后数据可保持不变的优点，多用于存放一次性写入的程序或数据，如BIOS。nRAM（Random Access Memory）存储器又称随机存取存储器，存储的内容可通过指令随机读写访问，RAM中的数据在掉电时会丢失，因而只能在开机运行时存储数据。nROMq1.ROMq2.PROM（Programmable Rom）即可编程ROM。q3.EPROM（Erasable Programmable Rom）即可擦写、可编程ROM，它可以通过特殊的装置（通常是紫外线）反复擦除，并重写其中的信息。q4.EEPROM（Electrically Erasable Programmable Rom）即电可擦写、可编程ROM，可以使用电信号来对其进行擦写。q5.Flash Memory ROMRAMnDRAM（Dynamic Random Access Memory，动态随机存储器）q qSDRAM（Synchronous DRAM，同步动态随机存取存储器）qDDR（Double Data Rage RAM，双数据率RAM）nDDR1、DDR2、DDR3qRDRAM（Rambus DRAM，存储器总线式动态随机存取存储器）nSRAM（Static Random Access Memory，静态随机存储器）q寄存器RegisterqCache RAM半导体存储器n作用q存放程序与数据n嵌入式系统存储器的特殊要求q集成度高、体积小、功耗低n发展趋势q片上集成qWhy？性能、可靠性、成本n片内存储器 VS 片外存储器q片内：速度快、容量小q片外：容量大、速度慢存储器的性能指标n性能指标q只读性q挥发性（断电以后丢不丢数据）q存储容量q速度q功耗q可靠性存储器的结构嵌入式系统存储器子系统n与通用计算机并无本质区别，但有自身特点q存储密度要求q功耗要求q片内集成存储器彻底抛弃片外存储器q一般焊接在板子上，较少采用内存条n存储空间分配q嵌入式系统一般具有多种类型存储器q支持多种存储器扩展q接口灵活、可配置常用的几种存储器nSRAM（静态随机存储器）q存储密度小n6管结构，占用较大芯片面积q价格较高q功耗较高q容量较小q存取速度快q接口时序简单常用的几种存储器（续）nDRAM（动态随机存储器）q存储密度大n单管结构q单位存储成本较低q功耗较低q容量较大q接口时序复杂n需要刷新电路常用的几种存储器（续）nEEPROMq非挥发q存储密度小q单位存储成本较高q容量小q写入有限制，页写要等待q接口时序简单，一般采用串行接口q小量参数存储Flashn主要目标是替代EEPROMq存储容量大q读取速度快q成本低q保护机制n不足之处q必须先擦除后写入q擦写速度较慢q必须以Block方式写入常用的几种存储器（续）nFlash（闪存存储器）q非挥发q存储密度大q单位存储成本较低q容量大q接口时序复杂需要擦除及Block写qNOR Flash&NAND FlashFlash概述（续）nNOR Flash英特尔所发展的架构q随机读取任意单元的内容，读取速度较快，写入和擦除速度较低，可在单位块上直接进行数据的读写q应用程序可以直接在Flash内运行q常用于BIOS存储器和微控制器的内部程序存储器等nNAND Flash东芝所发展的架构q读取速度较NOR Flash慢，写入和擦除速度要比NOR Flash快很多q在相同密度下，成本较NOR型低q适用于大容量存储装置（SSD、U盘）2 Flash的操作nFlash的操作有三种q读操作n简单，与SRAM接口一样q擦除操作n整片擦除、Block擦除（专用时序）q写操作n也叫编程，Block写（专用时序）qFlash的擦除、写等操作，多以命令的方式完成常见的存储器扩充装置nCF扩充装Compact Flashq所有Windows CE 支持常见的存储器扩充装置nSD扩充装置（Secure Digital）qTF卡qmicroSD大纲n存储n外围接口q显示q总线qUSBq其他n数据传送方式q轮询q中断qDMA接口n外设一般不能与CPU直接相连，必须经过中间电路再与CPU相连，这些中间电路被称为I/O接口电路，简称I/O接口（I/O控制器，I/O设备？）基本组成编址方式nI/O端口qCPU（程序员）能看到的是数据寄存器、状态寄存器和控制寄存器qI/O接口电路中能被CPU直接访问的寄存器或某些特定的器件称为I/O端口q每一个端口都有一个地址n#define UCON0 (*(volatile unsigned long*)0 x01D00004)q一个端口地址可能对应几个内部（物理）寄存器n与存储器不同n#define URXH0 (*(volatile unsigned long*)0 x01D00024)数据传送方式nI/O的数据传送方式q查询n最简单、最可靠的数据传送方式q中断n嵌入式系统最常用的数据传送方式q直接内存访问（DMA）n批量数据传送方式大纲n存储n外围接口q显示q总线q其他n数据传送方式q轮询q中断qDMA新型显示器的发展概况n目前在国际上，继CRT显示器之后已经开发成功的新型显示器一共有十多种，其中有：LCD、PDP、DLP、LCOS、OLED、SED、TDEL、FED、ELD、LD 等，这些显示器大多数属于平板数字显示器。现在已经商品化的大约只有5、6种，其中LCD和PDP仍是目前新型数字显示器的主流，LCD和PDP显示器分别约占新显示器市场中的70%和10%，其余20%为其它平板数字显示器。什么是平板数字显示器LCD显示器简介nLCD显示器全称Liquid Crystal Display液晶显示器qTN-LCD称为扭曲向列型(Twisted Nematic)液晶显示器qSTN-LCD称为超扭曲向列型(Super TN)液晶显示器qDSTN-LCD称为双扫描超扭曲向列型(Dual Scan Twisted Nematic)液晶显示器qTFT-LCD称为薄膜晶体管型(Thin Film Transistor)液晶显示器n前三种多用于电脑显示器，后一种主要用于大屏幕电视机图像显示器。PDP显示器简介n PDP是Plasma Display Panel简写，也称等离子体显示器nPDP显示器的出现要比LCD显示器晚很多，但作为大屏幕显示器PDP却比TFT-LCD大屏幕显示器早好几年，本来PDP显示器也是一种很有发展前途的大屏幕显示器，但由于生产技术大部分垄断在日本人手中，技术扩散比较慢，产业链建立很慢，跟随PDP发展的中国企业很少所以它一直都发展不起来。nPDP显示器的优点是对比度比LCD高，特别适用于做大屏幕电视。目前世界上生产PDP等离子显示屏的厂家主要在日本和南韩，国内只有长虹一家，因此，PDP显示屏的主要市场基本在国外，国内市场相对来说比较小，远远不如TFT-LCD显示屏。OLED显示器简介n OLED其实是英文Organic Light Emitting Display（有机发光显示器）的简称，它的发光原理是指有机半导体材料和发光材料在电场驱动下，通过载流子注入和复合导致发光的现象。通过搭配不同的有机材料，发出不同颜色的光，来达成全彩显示器的需求。n也有人把 OLED拼写为 Organic Light Emitting Diode（有机发光二极管），两个种写法意思基本一样。nOLED因为是自发光器件，每个像素自己都会发光，因此，与时下液晶电视都采用的LCD面板相比，其亮度与对比度都比LCD更胜一筹，图像更加鲜艳。n目前OLED显示屏现在还存在很多技术问题，最大的问题是有机薄膜管芯容易氧化使用寿命短，因为构成PN结的两块不同性质的导电膜是靠机械接触组合在一起的。OLED的优势nOLED的发光层比较轻，因此它的基层可使用富于柔韧性的材料，而不会使用刚性材料。OLED基层为塑料材质，而LED和LCD则使用玻璃基层。nOLED比LED更亮。因为，OLED有机层要比LED与之对应的无机晶体层薄很多，因而OLED的导电层和发射层可以采用多层结构。此外，LED和LCD需要用玻璃作为支撑物，而玻璃会吸收一部分光线。nOLED不需背光系统，所以它们的耗电量小于LCD。nOLED制造起来更加容易，还可制成较大的尺寸。OLED为塑胶材质，因此可以将其制作成大面积薄片状。nOLED的视野范围很广，可达170度左右。而LCD工作时要阻挡光线，因而在某些角度上存在天然的观测障碍。OLED自身能够发光，所以视域范围很宽。OLED的不足nOLED的缺点是寿命短尽管红色和绿色的OLED薄膜寿命较长（1000040000小时），但根据目前的技术水准，蓝色有机物的寿命要短很多（仅有约1000小时），因为蓝色有机物发光效率比较低，提高亮度必然会增加损耗。n造成OLED元件寿命衰退的原因，一个是OLED薄膜不容易散热，温度升高很容易使OLED 损坏；另一个是水气和氧气对OLED元件的渗透，会在OLED元件内部引起阴极氧化，脱膜，以及有机层结晶等等效应，致使元件老化，甚至损毁。n存在色彩纯度不够的问题，不容易显示出鲜艳、浓郁的色彩。大纲n存储n外围接口q显示q总线q其他n数据传送方式q轮询q中断qDMA总线概述n什么是总线？q在多于两个模块（设备、子系统）之间传送信息的公共通路n总线功能q信息共享和交换n总线组成q传输信息的物理介质和管理信息传输的协议n优缺点q结构简单、成本低廉，系统易于扩充或者更新q所有设备共享一组总线，总线只能独占使用总线概述（续）n总线设备类型q主设备（Master）n启动一个总线周期（总线事务）n每次只能有一个主设备控制总线n例：CPU、DMAC等等q从设备（Slave）n响应主设备的请求n同一时间里有一个或多个从设备响应主设备的请求n例：DMAC、UART控制器、USB控制器、I2C控制器、SPI控制器等等主设备和从设备是个相对概念，相对什么总线而言PCI概述nPCI（Peripheral Component Interconnect）q是一种同步的独立于处理器之外的32/64位系统总线q总线规范由PCI-SIG（Special Interest Group）发布版本版本宽度宽度频率频率MHz速率速率GB/s电压电压插槽插槽时间时间PCI 2.0 32 Bit33 0.1335V61993PCI 2.332 Bit33 0.1335V62002PCI 2.364 Bit33 0.2665V62002PCI 2.332 Bit66 0.2663.3V32002PCI 2.364 Bit66 0.5333.3V32002PCI 3.064 Bit66 0.5333.3V32002概述n特性q高带宽、高速度q与处理器无关，具有自动配置能力q同步时序协议q集中式仲裁策略q典型的多总线体系结构q采用主从结构的系统总线q支持无限的突发式（Burst）传送n可以传送单个数据，也可以是成组数据CPCInCPCI（Compact PCI）qPICMG协会于1994提出来的一种总线接口标准，面向嵌入式设备q解决了VME与PCI总线不兼容问题，与PCI完全兼容q高可靠性（99.999%）、低价位q热插拔（hot swap）ISAnIBM IBM 公司于公司于1981 1981 年推出的基于年推出的基于8 8 位机位机PC/XT PC/XT 的总的总线，称为线，称为PCPC 总线总线。nIBM IBM 公司于公司于1984 1984 年推出了年推出了16 16 位位PC PC 机机PC/ATPC/AT，其，其总线称为总线称为AT AT 总线总线。然而。然而IBM IBM 公司从未公布过他们公司从未公布过他们的的ATAT总线规格。总线规格。n由由Intel Intel 公司，公司，IEEE IEEE 和和EISA EISA 集团联合开发了与集团联合开发了与IBM/AT IBM/AT 原装机总线意义相近的原装机总线意义相近的ISA ISA 总线总线，即，即8/16 8/16 位的位的“工业标准结构工业标准结构”(ISA-Industry Standard(ISA-Industry Standard Architecture)Architecture)总线。总线。n6.66MHZ6.66MHZ至至26.66MHZ26.66MHZ，典型8MHznEISAEISA总线，总线3232位位PC104nPC104PC104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线，实质上就是一种紧凑型的控制总线，实质上就是一种紧凑型的IEEE-IEEE-P996P996（ISAISA）。）。nPC104 PC104 有两个版本，有两个版本，8 8 位和位和16 16 位，分别与位，分别与PC PC 和和PC/AT PC/AT 相对应。相对应。PC104PLUS PC104PLUS 则与则与PCIPCI总线相总线相对应。对应。I2CnPHILIPS 开发了一种用于内部IC控制的简单的双向两线串行总线I2C(Inter-Integrated Circuit)n最高速率100Kbps，25英尺，最多可支持40个设备数据线时钟线CAN（Controller Area Network）n80年代末，由德国Bosch公司最先提出n被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置ECU 之间交换信息，形成汽车电子控制网络。n发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入CAN 控制装置。n使用CSMA/CD协议n40米以内，1Mbps；10Km，5Kbps；理论上可以支持无限多个设备n可靠性高，误码率为10-11n抗电磁干扰性强大纲n存储n外围接口q显示q总线qUSBq其他n数据传送方式q轮询q中断qDMAUSB（Universal Serial Bus）nIBM、Compaq、Nortel、NEC、Intel以及Microsoft联合n距离5 米，Hub30米n树拓扑结构，127个点，4线（2根电源线，2根数据线）n低速 USB1.1，1.5 M bpsnUSB 2.0 速率高达480Mbpsn支持热插拔和即插即用USB规范nUSB（Universe Serial Bus）qUSB1.1规范n1998年n1.5Mbps、12MbpsqUSB2.0规范n2000年n1.5Mbps、12Mbps、480MbpsqUSB3.0规范n2008年11月17日n1.5Mbps、12Mbps、480Mbps、5.0GbpsUSB层次结构电缆和连接器USB接口Mini-USB接口Mini USBnMini USB：数码相机和摄像机、移动硬盘等设备经常使用nUSB接口分为三种：q接口类型A：通常在PC上出现 q接口类型B：通常在USB设备上出现 q母口nMini USB接口的ID脚只有在 OTG功能（就是在没有电脑的情况下，两个USB设备间的数据传送。例如数码相机直接连接到打印机上，通过OTG技术连接两台设备间的USB口，将拍出的相片立即打印出来）中才使用micro USBnMicro USB是USB 2.0标准的一个便携版本，比目前部分手机使用的Mini USB接口更小，nMicro-USB是Mini-USB的下一代规格，由USB标准化组织美国USB Implementers Forum（USB-IF）于2007年1月4日制定完成。n支持 OTG功能Micro USB接口大纲n存储n外围接口q显示q总线qUSBq其他n数据传送方式q轮询q中断qDMAGPIO概述n通用I/O接口（GPIO,General Purpose I/O）q可编程的输入、输出或者双向通信功能q嵌入式处理器基本上都包含有GPIO接口，只是GPIO端口的数量不同q为了减少引脚数量，降低芯片成本，大多数嵌入式处理器的GPIO端口与其它功能端口复用引脚qGPIO接口都包含有控制寄存器，用来配置GPIO端口的功能n输入、输出或者其它功能 GPIO接口键盘高速输入与输出接口nIrDA/FastIrDA（Infrared Data Association）q红外线发光二极管n发射q硅晶PIN光检二极管n接受q控制电路qIrDA 1.0和1.1装置的通讯距离可达1公尺，误码率为10-9，光源外围的最大亮度为10klux（勒克斯）红外传输特点n距离q几米以内n低速q9.6115K bpsn高速q14M bpsn工业高速q16M bpsBluetooth 接口n功耗低q100M，100mWq10M，2.5mWq1M，1mWn2.4-2.4835 GHz(使用ISM频段)q优势:世界范围内可用q劣势:与IEEE 802.11b产品相互干扰n声音和数据传输，总带宽为1Mbpsn成本低q低于US$5/蓝牙芯片蓝牙和红外线的比较：蓝牙接口红外接口传输距离10米几米传输特性可以以任何角度传输只能在一定角度(15度)内进行传输安全机制具有完整安全机制安全性底移动性可以在嵌入式系统移动时进行传输需要在静止状态下进行传输传输速率1Mbps4Mbps价格5美元12美元大纲n存储n外围接口q显示q总线qUSBq其他n数据传送方式q轮询q中断qDMA轮询原理轮询优化轮询通信与中断驱动请求服务请求服务?处理任务处理任务1提供服务提供服务Y 轮询通信流程图轮询通信流程图 主程序开始主程序开始处理任务处理任务4处理任务处理任务5N 请求服务请求服务轮询通信只能在查询轮询通信只能在查询到有请求的时候才能到有请求的时候才能提供服务提供服务在处理任务在处理任务4 4的时候的时候外围部件请求服务外围部件请求服务请求时间的不确定，导请求时间的不确定，导致响应的时间不稳定致响应的时间不稳定响应时间响应时间不稳定不稳定大纲n存储n外围接口q显示q总线qUSBq其他n数据传送方式q轮询q中断qDMA轮询通信与中断驱动请求服务请求服务?处理任务处理任务1提供服务提供服务Y 轮询通信流程图轮询通信流程图 主程序开始主程序开始处理任务处理任务4处理任务处理任务5N 处理任务处理任务3处理任务处理任务1中断驱动流程图中断驱动流程图 主程序开始主程序开始处理任务处理任务3处理任务处理任务4请求服务请求服务处理任务处理任务2提供服务提供服务响应时间响应时间不稳定不稳定响应时间在响应时间在几微秒内几微秒内暂停当暂停当前任务前任务恢复暂停恢复暂停前的环境前的环境保存返回地址保存返回地址和状态信息和状态信息继续运行主程序继续运行主程序继续会议继续会议暂停主程序中断处理暂停主程序中断处理中断请求中断请求暂停会议，接电话暂停会议，接电话电话响起电话响起什么是中断会议中会议中程序运行中程序运行中CPU暂停当前的工作，转去处理要求迅速处理暂停当前的工作，转去处理要求迅速处理的事件，处理完后，继续原来的工作的事件，处理完后，继续原来的工作中断中断现场保护现场恢复记录会议进度回忆会议进度中断服务中断服务紧急处理紧急处理紧急响应中断响应允许允许CPUCPU响应中断请求，做出中断处理响应中断请求，做出中断处理在进行中断处理时响应高优先级的中断在进行中断处理时响应高优先级的中断指示中断请求的紧迫程度指示中断请求的紧迫程度阻止阻止CPUCPU响应中断请求，禁止中断处理响应中断请求，禁止中断处理中断相关基础知识中断使能中断使能中断优先级中断优先级中断嵌套中断嵌套中断屏蔽中断屏蔽子函数子函数1调用程序与响应中断服务函数主函数主函数程序段程序段1子函数子函数1子函数子函数2主函数主函数程序段程序段3子函数子函数3中断服务中断服务函数函数中断服务中断服务函数函数中断请求中断请求中断请求中断请求假象：假象：CPU同时执同时执行多任务行多任务事实：事实：CPU不能同时执不能同时执行行1条以上的指令条以上的指令不同点不同点PC跳转方式跳转方式相同点相同点都是暂停当前都是暂停当前程序转去执行程序转去执行其他的程序其他的程序 对对CPUCPU而言，调用是安而言，调用是安排好的，计划当中的排好的，计划当中的调用子函数调用子函数对对CPUCPU而言，中断是突而言，中断是突发性的，不可与预知的发性的，不可与预知的响应中断响应中断服务函数服务函数执行执行PUSH指指令入栈令入栈执行执行POP指令出栈指令出栈中断响应与返回过程现场保护现场恢复 ISR()主程序PCLPCH ACCBDPLDPHR0R7PSW中断响应过程中断响应过程累加器累加器A、B中断返回地址中断返回地址发送发送中断中断中断中断返回返回堆栈空间堆栈空间指针寄存器指针寄存器DPTR工作和状态寄存器工作和状态寄存器CPU自动处理入栈自动处理入栈执行执行RETI出栈出栈中断程序C51编程中由编程中由编译器处理出编译器处理出入栈的操作入栈的操作大纲n存储n外围接口q显示q总线qUSBq其他n数据传送方式q轮询q中断qDMA概述nDMA（Direct Memory Access）q一种快速传送数据的机制q不需要CPU的参与（主设备）q数据传递n从I/O接口到内存n从内存到I/O接口n从一段内存到另一段内存n从I/O接口到I/O接口DMA控制器与从设备的关系DMA、CPU及总线之间的关系DMA数据传送方式nDMA方式的特点q内存可以被CPU访问，也可以被DMA控制器访问qDMA控制器为主设备n外设与内存之间传送数据不需要执行程序，也不用CPU资源，外设与内存之间的整个数据交换过程全部在DMA控制器控制下完成q前后处理n开始之前，CPU要对DMA控制器进行初始化n结束之后，DMA控制器要向CPU申请中断，对内存缓冲区进行后处理