第五章 嵌入式系统的IO模块

1、1第五章第五章 I/OI/O子系统子系统2I/O子系统的功能 通过通过I/O子系统，嵌入式系统装置与外部子系统，嵌入式系统装置与外部世界交互世界交互 外部世界的信号形式无限多种，基本信外部世界的信号形式无限多种，基本信号形式两种号形式两种 模拟信号模拟信号 数字信号数字信号 信号的维数信号的维数 一维：语音信号一维：语音信号 多维：图像多维：图像-二维二维 嵌入式系统与（人、物）进行交互嵌入式系统与（人、物）进行交互3主要内容主要内容5.1 概述概述5.2 复位电路复位电路5.3 系统时钟系统时钟5.4 输入输出模块输入输出模块5.5 译码器系统译码器系统5.6 定时器定时器/计数器计数器5.

2、7 SPI5.8 UART5.9 通用并行口通用并行口5.10 其它其它5.11 新型新型I/O设备简介设备简介5.12 小结小结45.1 概述 嵌入式处理器在功能上有别于通用处理器，其区别在于嵌入式处理器上集成了大量的I0电路，用户在开发嵌入式系统时，根据系统需求选择嵌入式处理器，而不是选择处理器另外配合IO电路。随着半导体技术的发展，嵌入式处理器的集成度不断提高，许多嵌入式处理器上集成的I/O功能完全满足应用的需求，基本上无需扩展。 虽然嵌入式处理器的种类很多，但是集成的IO基本上是标准化的，例如UART，大多数的嵌入式处理器集成的UART都遵循相应的国际标准，不同的厂家提供的产品的编程方

3、法可能有所差异。55.2 复位电路复位电路复位电路的形式复位电路的形式阻容复位电路阻容复位电路手动复位手动复位watchdog复位复位专用复位电路专用复位电路内部复位内部复位软件复位软件复位返回首页65.2.1 阻容复位电路75.2.2 手动复位85.2.3 watchdog的使用的使用main()while(1) /* to do: 软件代码软件代码 */ reset_watchdog(); /* to do: 其它代码其它代码 */ 95.2.4 专用复位电路105.2.5 内部复位内部复位 工作原理工作原理 利用利用watchdog复位方式复位方式 上电时，程序没有复位上电时，程序没有复

4、位watchdog，watchdog timer溢出，完成复位溢出，完成复位 微控制器不需要微控制器不需要reset引脚引脚 例子：例子：philips 的的P87LPC76x系列系列 配置成内部复位的时候，配置成内部复位的时候，reset引脚可以作为普引脚可以作为普通的通的IO使用，节省了引脚使用，节省了引脚115.2.6 软件复位软件复位 方法方法 软件复位的方法是通过软件设置一个特殊功能软件复位的方法是通过软件设置一个特殊功能寄存器的位完成控制器的复位，它的复位结果寄存器的位完成控制器的复位，它的复位结果如同硬件复位一样。如同硬件复位一样。 注意：软件复位与程序从复位向量处开始运行注意：

5、软件复位与程序从复位向量处开始运行不同不同 从复位向量处开始运行程序，处理器从复位向量处开始运行程序，处理器/控制器的状态控制器的状态不会回到复位状态，只是从不会回到复位状态，只是从start处开始运行程序。处开始运行程序。12软件复位vs程序重新运行 软件复位 处理器回到初始状态 程序从复位向量处开始运行 程序重新运行 处理器不回到初始状态 程序从复位向量处开始运行 MCS51: 0000H LJMP 0000H X86: FFFF0H JMP FFFFH:0H135.3 时钟系统时钟系统时钟的种类时钟的种类1. RC时钟时钟2. 石英晶体石英晶体3. 石英振荡器石英振荡器4. 锁相环路倍频

6、时钟锁相环路倍频时钟5. 多时钟多时钟返回首页145.3.1 RC时钟 特点特点 低成本低成本 时钟频率可控时钟频率可控 时钟精度不高时钟精度不高155.3.2 石英晶体165.3.3 石英振荡器 可为多个部件提供时钟175.3.4 锁相环倍频时钟 电磁兼容性好 为处理器内部提供多路时钟 提供灵活的系统功率控制185.3.5 多路时钟 多路时钟的特点多路时钟的特点 用于高性能的嵌入式处理器，通常用于高性能的嵌入式处理器，通常32位及以上位及以上 处理器上不同的电路使用不同频率的时钟处理器上不同的电路使用不同频率的时钟 时钟具有相关性，主时钟分频时钟具有相关性，主时钟分频/倍频倍频 日历时钟系统

7、与处理器集成日历时钟系统与处理器集成 日历时钟日历时钟32768Hz，倍频得到系统的主时钟。，倍频得到系统的主时钟。 处理器的日历时钟一直工作，即使系统进入省电状态处理器的日历时钟一直工作，即使系统进入省电状态的时候。的时候。 系统不需要外接日历时钟芯片和相关的电路系统不需要外接日历时钟芯片和相关的电路195.4 输入输出模块 内容 基本结构 信号及作用 寄存器的映射方式 例子：80186的I/O系统返回首页205.4.1 输入输出模块的基本结构215.4.2 输入输出模块的信号及作用 数据信息 双向 控制信息/模式设定信息 通常写 状态信息 通常读225.4.3 I/O寄存器的映射方式1.

8、与存储器统一编址与存储器统一编址例如：例如：存储器空间；存储器空间；0 xxxxxH;IO空间：空间：xxxxxH+1FFFFFH。2. 单独编址单独编址例如例如80X86系列系列存储器空间：存储器空间：0FFFFFHIO空间：空间：0FFFFHmov 操作存储器操作存储器IN, OUT操作操作IO存储器空间I/O空间存储器空间I/O空间00000HFFFFFH00000H00000HFFFFH0000H235.4.4 例：80186的I/O空间映射-PCB24例：80186的PCB重新定位寄存器 存储器空间 1M bytes IO空间 64k bytes存储器/IO空间实际IO空间255.

9、5 嵌入式系统的集成译码器 内容 译码器的作用 普通译码器 可编程器件译码器 嵌入式处理器上的集成译码器 例子：80186返回首页265.4.1 译码器的功能 对存储器和I/O接口电路分配地址空间 实现方案 普通译码器74xx138 etc. 可编程器件译码器 GAL, PAL, CPLD etc. 嵌入式处理器上的集成译码器275.5.2 普通译码器285.5.3 可编程器件译码器 普通译码器的局限性 不够灵活 无法灵活修改电路 改进：使用可编程器件 PAL, GAL, CPLD, FPGA等295.5.4 嵌入式处理器上的集成译码器 译码器的基本功能？ 高集成度的嵌入式处理器通常把译码器集

10、成在处理器上，为了设计地址空间的灵活性，这些译码器通常是可编程的。 编程方式 起始地址-终止地址方式 起始地址-长度方式 305.5.5 例：80186的片上译码系统 特点 10个片选输出； 可编程起始和终止地址 可用于存储器和I/O周期的译码 可编程的等待状态发生器 可编程的等待周期 可禁止译码3180186的译码输出32例：80186的译码寄存器和译码输出335.6 定时器/计数器 内容 定时器/计数器的功能 基本结构 工作模式 例：80186的定时器/计数器返回首页345.6.1 定时器/计数器的功能1. 嵌入式操作系统的任务调度；特别是具有时间片轮转调度功能的嵌入式操作系统，必须使用定

11、时器产生时间片；2. 嵌入式操作系统的软件时钟需要基于硬件定时器产生定时信号；3. 通信电路的波特率发生器；4. 实时时钟电路；5. 一些智能芯片如DMA控制器等；6. 具有液晶控制器的嵌入式处理器用于液晶的刷新；7. 处理器监控电路如看门狗等；8. 集成的片上A/D转换和D/A转换电路等；9. 集成的动态存储器控制器用于动态存储器的刷新；355.6.2 定时器/计数器的基本结构365.6.3 定时器/计数器的工作模式1. 门脉冲控制时钟输入。当门脉冲到来时，时钟有效，门脉冲控制时钟输入。当门脉冲到来时，时钟有效，开始计数；门脉冲结束时，停止计数。开始计数；门脉冲结束时，停止计数。2. 利用门

12、脉冲重新启动计数。利用门脉冲重新启动计数。3. 利用门脉冲停止计数。即原来在不停地计数，当门利用门脉冲停止计数。即原来在不停地计数，当门脉冲到来时，停止计数，并使输出端脉冲到来时，停止计数，并使输出端out进入高电进入高电平。平。4. 单一计数。只要门脉冲有效，计数器就进行计数，单一计数。只要门脉冲有效，计数器就进行计数，计数器计数过程中输出计数信号，计数到计数器计数过程中输出计数信号，计数到“0”时，时，输出停止。输出停止。5. 循环计数。每当计数到循环计数。每当计数到0时，给出输出信号，然后时，给出输出信号，然后从初始值寄存器得到计数的初值，继续开始计数。从初始值寄存器得到计数的初值，继续

13、开始计数。375.6.4 例：80186的定时器/计数器385.7 SPI 特点： 三条线完成两个部件之间的高速通信 数据线收、数据线发、时钟 主从方式返回首页395.8 UART 工业标准 SCI返回首页40UART的工作模式8bit方式9bit方式：用于多处理器通信，其它MCS517bit方式其它方式41UART的编程和使用 UART的初始化 设置工作方式 设置波特率 启动发送和接收 寄存器 发送寄存器-发送缓冲区 接收寄存器-接收缓冲区 模式寄存器 控制寄存器 状态寄存器425.9 通用并行I/O 并行端口的种类 双向端口 输入端口 输出端口 开漏输出端口 工作原理-next返回首页43

14、80186的IO端口结构445.9.1 端口的寄存器及功能 寄存器 端口控制寄存器：设置引脚的功能 控制通用I/O操作还是其它专用操作（A/D, D/A、中断等） 方向寄存器 设定数据输入/输出（方向）-引脚工作于I/O方式时 数据寄存器 输出端口，存放输出的数据；读操作，读端口的数据寄存器而不是引脚 端口状态寄存器 I/O端口的状态455.9.2 I/O端口的编程-80186 设定工作方式：输入/输出 输出数据时 先把数据写到数据寄存器，然后设置端口的方向-输出方式 如果先设置端口的方向，后写数据会出现问题？ 数据不定 输出方式，读端口读的是数据寄存器，不是引脚 输入时 端口配置成输入方式的时候，读操作-读引脚465.10 其它IO1. 以太网2. CAN总线3. LCD控制器接口4. I2C总线接口5. 中断控制器6. DMA控制器7. A/D和D/A8. PWM9. 语音输入和输出10.视频输入和输出11.USB12.PCMCIA13.DRAM控制器14.红外线串行通信接口15.其它返回首页475.11 新型I/O技术与装置1/2 手写输入装置 掌上电脑