第四章嵌入式硬件系统(一)(2课时)

1、单片机与嵌入式系统第四章 嵌入式硬件系统（一）王浩 副教授中南大学信息科学与工程学院存储器及其扩展总线结构时钟和晶振电源3嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成嵌入式系统硬件部分嵌入式系统软件部分如人的大脑，决定了硬件的操作模式。通过良好的操作系统以及应用程序，把硬件功能发挥到极至。如人的手、脚、神经等部位，决定了嵌入式系统的先天功能。如运算能力和I/O接口等。5 硬件构成硬件构成 是整个系统的心脏及其扩展是程序和数据的存放地点是连接各设备的桥梁部分是嵌入式系统与外界交互通道为嵌入式系统提供时间基准和工作节拍为系统提供动力6 硬件层硬件层* * MP3随声听的硬件组成 嵌入式硬件系统基本构成总线结构

2、时钟和晶振电源2存储器及其扩展存储器及其扩展 n 功能功能 提供执行程序和存储数据所需空间提供执行程序和存储数据所需空间 n 种类种类 RAM、ROM两两种种 n 特点特点 半导体半导体器件而非磁质材料器件而非磁质材料 具有密度大、体积小、访问速度快、性能可靠、具有密度大、体积小、访问速度快、性能可靠、使用寿命长的优点，适合于嵌入式应用领域使用寿命长的优点，适合于嵌入式应用领域 分类分类半导体存储器半导体存储器随机存取随机存取存储器（存储器（RAMRAM）只读存储器只读存储器（ROMROM）静态静态RAMRAM（SRAMSRAM）动态动态RAMRAM（DRAMDRAM）掩膜式掩膜式ROMROM

3、可编程可编程ROMROM（PROMPROM）可擦除可擦除PROMPROM（EPROMEPROM）电可擦除电可擦除PROMPROM（E E2 2PROMPROM）闪速存储器闪速存储器(Flash Memory) (Flash Memory) 1.RAM (Random Access Memory)n 内部结构：内部结构：44 RAM n每个每个内存单元存储一个内存单元存储一个位（位（Bit）的数据的数据n使能线使能线+地址线地址线 rd/wr线线控制控制 图图4-2 RAM内部结构内部结构 2存储器及其扩展存储器及其扩展 n 特点特点n可读可写，可读可写，读取和写入一样快速读取和写入一样快速n上

4、电数据保存，掉电上电数据保存，掉电数据数据丢失丢失 作为内存使用。作为内存使用。 n 种类种类nSRAMSRAMnDRAMDRAM2存储器及其扩展存储器及其扩展 (1) SRAM (静态随机存取静态随机存取存储器存储器 )n 内部结构内部结构n 由由正反器电路组成正反器电路组成S=1、R=0时时,输出输出Q =1S=0、R=1时时,输出输出Q =0 n 每一位存储单元电路每一位存储单元电路 需要需要6个晶体管个晶体管 图图4-3 SRAM结构结构 2存储器及其扩展存储器及其扩展 n 特点特点n数据存取速度较快数据存取速度较快 n比较容易比较容易和和处理器制造在同一个芯片中处理器制造在同一个芯片

5、中n数据不需实时刷新数据不需实时刷新n但成本较高但成本较高 2存储器及其扩展存储器及其扩展 (2) DRAM (动态随机存取动态随机存取存储器存储器)n 内部结构内部结构n 存储单元由一个电存储单元由一个电容容和一和一个晶体管个晶体管组成组成n 解码线解码线使使晶体管导通晶体管导通后，后，通过通过 rd/wr 线读取电容线读取电容电压电压，或者对，或者对电容充放电电容充放电n 电容漏电电容漏电，15.625微秒充电一次微秒充电一次 图图4-4 DRAM结构结构 2存储器及其扩展存储器及其扩展 n 特点特点n容量较大容量较大，约是约是 SRAM 的的4倍倍 n成本低成本低 n但由于电容的充放电原

6、因，数据需要进行实但由于电容的充放电原因，数据需要进行实时刷新操作时刷新操作 2存储器及其扩展存储器及其扩展 2.ROM (Read-Only Memory)n 内部结构内部结构n存储数据方式利用可规划式接线的短路或存储数据方式利用可规划式接线的短路或断路断路来实现来实现，具体接线的，具体接线的规划规划方式由方式由ROM的类型决的类型决定定 n使能线使能线 + 地址线地址线 图图4-5 ROM结构示意图结构示意图 2存储器及其扩展存储器及其扩展 n 特点特点n数据可以读取数据可以读取,但不能但不能任意更改任意更改 n掉电情况下数据不会丢失掉电情况下数据不会丢失 程序可存放在程序可存放在ROM中

7、中n 种类种类nEPROM，EEPROMnFlash2存储器及其扩展存储器及其扩展 (1) EPROM (Erasable ProgramEnable Read-Only Memory)2存储器及其扩展存储器及其扩展 n 内部结构内部结构n图图(a) 使用金氧半导体使用金氧半导体(MOS) 具有浮动具有浮动栅极栅极 n图图(b):电可编程电可编程n栅极正电压栅极正电压使使电子经电子经 绝缘体层到达栅极绝缘体层到达栅极n栅极被充电后栅极被充电后，源源-漏漏 极间极间为为截止状态截止状态,形成形成 断路，断路，逻辑输出为逻辑输出为0； 相反相反，逻辑输出为逻辑输出为1图图4-9 EPROM结构与工

8、作原理结构与工作原理 2存储器及其扩展存储器及其扩展 n图图(c):紫外线擦除紫外线擦除n紫外线通过石英窗紫外线通过石英窗 直接照射直接照射 n栅极的电子又通过栅极的电子又通过 绝缘体绝缘体回到回到N通道通道，n为防为防自然光自然光照射，照射，石英石英 窗窗上粘贴上粘贴上反光上反光胶布胶布nEPROM又可被重新规划又可被重新规划图图4-9 EPROM结构与工作原理结构与工作原理 图图4-10 EPROM的外观的外观 2存储器及其扩展存储器及其扩展 n 特点特点n一种一种只读存储器只读存储器 n电可编程电可编程n紫外线擦除紫外线擦除适合少量生产或是产品开发适合少量生产或是产品开发调试实验调试实验

9、 2存储器及其扩展存储器及其扩展 (2) EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory )n内部结构内部结构n与与EPROMEPROM类似，类似，具有浮动具有浮动栅极栅极n与与EPROMEPROM不同，不同，源极源极、漏极漏极、浮动栅极、浮动栅极、P P型基型基底接上底接上不同的电压进行写入、擦除和读出不同的电压进行写入、擦除和读出 见下图见下图4-114-112存储器及其扩展存储器及其扩展 4.2 存储设备 图图4-11 EEPROM结构与工作原理结构与工作原理 n 特点特点n与与EPROM类似，电可编程类似，电可编程n

10、与与EPROM不同，电可擦除不同，电可擦除n省去了省去了EPROM擦除需照射紫外线的烦琐程序擦除需照射紫外线的烦琐程序n针对针对每个每个存储单元存储单元进行擦除进行擦除操作操作n擦除次数擦除次数达到一万次以上达到一万次以上 EEPROM的使用比的使用比EPROM更普遍更普遍 2存储器及其扩展存储器及其扩展 (3) Flash Memory (闪存闪存)n 内部结构内部结构n 是是EEPROM 的延伸产品的延伸产品，也采用浮动栅极原理也采用浮动栅极原理n 但其但其浮动栅极与通道间的距离较短浮动栅极与通道间的距离较短 n特点特点n数据写入数据写入速度速度快快（因为（因为浮动栅极与通道间的距离浮动栅

11、极与通道间的距离比较短比较短），故得名），故得名“闪存闪存” n可以一大块数据直接进行清除可以一大块数据直接进行清除，使用方便，使用方便例：例：PDA中作为程序存储器，中作为程序存储器，操作系统版本操作系统版本的的升级和改变只需重写升级和改变只需重写Flash2存储器及其扩展存储器及其扩展 NOR技术nNOR技术闪速存储器是最早出现的Flash Memory，目前仍是多数供应商支持的技术架构，它。n与其它Flash Memory技术相比，具有的优势。n在擦除和编程操作较少而直接执行代码的场合，尤其是的应用中广泛使用。n由于NOR技术Flash Memory的擦除和编程速度较慢，而块尺寸又较大，

12、因此擦除和编程操作所花费的时间很长，在纯数据存储和文件存储的应用中，NOR技术显得力不从心。NAND技术nNAND技术 Flash Memory具有以下特点：n以页为单位进行读和编程操作，1页为256或512字节；以块为单位进行擦除操作，1块为4K、8K或16K字节。具有快编程和快擦除的功能，其块。n数据、地址采用同一总线，实现串行读取。随机且不能按字节随机编程。，突破了每兆字节1元的价格限制。n芯片包含有失效块，其数目最大可达到335块（取决于存储器密度）。失效块不会影响有效块的性能，但设计者需要将失效块在地址映射表中屏蔽起来。28存储器系统存储器系统- -Flash*FLASH：闪存分类：

13、NOR Flash 和 NAND Flash读速度： NOR Flash类似SDRM，数据/地址线独立，读更快， NAND Flash分页存储，存储量大，读一般写速度： NOR一次擦除64128K，5秒， NAND一次擦除832K，4ms NOR适合代码存储（读快）NAND适合数据存储（写快）29存储器系统存储器系统- -FlashFLASH：闪存最典型特点：分块操作，整块擦除，整块写入，按字节处理 FLASH内存内存FLASHFLASH常见的存储器扩充装置nCF扩充装置Compact Flashn所有Windows CE 支持常见的存储器扩充装置nSD扩充装置（Secure Digital）

14、nPanasonic Scandisk Toshiba常见的存储器扩充装置nMemory SticknSony嵌入式硬件系统基本构成存储器及其扩展时钟和晶振电源总线空闲（其他器件都以高阻态形式连接在总线上）且一个器件要与目的器件通信时，发起通信的器件驱动总线，发出地址和数据。其他以高阻态形式连接在总线上的器件如果收到（或能够收到）与自己相符的地址信息后，即接收总线上的数据。发送器件完成通信，将总线让出（输出变为高阻态）。工作原理工作原理设备1控制设备2控制设备3控制设备4控制设备5控制设备6控制高阻联通控制控制3.3.4 PCI Express总线nPCI VS. PCI ExpressPCI

15、PCI Express3.3.5 CPCI总线nCPCI（Compact PCI）nPICMG协会于1994提出来的一种总线接口标准，面向嵌入式设备n解决了VME与PCI总线不兼容问题，与PCI完全兼容n高可靠性（99.999%）、低价位n热插拔（hot swap）3.3.6 PC104总线nPC104PC104是一种专门为嵌入式控制而定义的工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业控制总线，实质上就是一种紧凑型的IEEE-P996IEEE-P996（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

16、与PC PC 和和PC/AT PC/AT 相对应。相对应。PC104PLUS PC104PLUS 则与则与PCIPCI总总线相对应。线相对应。指指 标标IDE接口接口PC BIOS限制值限制值最大磁头数最大磁头数1625616最大磁道数最大磁道数6553610241024磁道最大扇区磁道最大扇区2556363最大磁盘容量最大磁盘容量136.9GB8.4GB528MB指指 标标 项项USB1.1USB2.0连接设备数连接设备数127127传输数率（传输数率（MB/S）慢速：慢速：1.5慢速：慢速：1.5快速：快速：12快速：快速：12 全速：全速：480连接电缆长度（连接电缆长度（M）慢速：慢速

17、：3慢速：慢速：3快速：快速：5快速：快速：5电源电压（电源电压（V）电压：电压：4.755.25电 压 ：电 压 ： 4 . 7 5 5.253.5 CAN（Controller Area Network）总线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抗电磁干扰性强嵌入式硬件系统基本构成存储器及其扩展总线结构电源 系统时钟