嵌入式系统2014－3－硕士课程－嵌入式外设

嵌入式系统2014－3－硕士课程－嵌入式外设嵌入式系统中的总线嵌入式系统总线定制性非扩展性结构简单双向专用与通用并存专用:适用于器件固定,运行模式固定通用:通用,需要扩展CPU总线传统计算机：CPU－内存总线，I/O总线商用事务处理系统：I/O频繁科学计算系统：I/O速度要与处理机速度相匹配嵌入式系统：CPU，存储器加上设备无需通用性无需PNPCase:ARM的AMBA总线AMBA总线宽度有32位、64位和128位多种定义AMBA的AHB高级高性能总线AHB连接高性能和高时钟频率的系统模块具有多主机、脉冲传输和分段处理的功能AHB的作用允许在主从器件之间传输数据AHB主器件可以向从器件传输数据向其提供外部地址空间中的地址以接收从器件的数据AHB从器件在选中后，提供或接收主器件的数据。从器件可以延迟数据传输过程或返回错误代码。 AHB主器件的实例ARM处理器其它有DMA功能的外设，如以太网MAC或USB主机/器件控制器

AHB信号主要的AHB信号HCLK总线参考时钟

HADDR地址(由AHB主器件发出)

HWRITE传输方向：读/写(由AHB主器件发出)

HREADY传输完成响应(由AHB从器件发出)

HWDATA写入数据总线(从AHB主器件至AHB从器件)

HRDATA读取数据总线(从AHB从器件至AHB主器件)(AHB)控制信号和状态信号HRESP传输状态(由AHB从器件发出)

HBURST脉冲模式(由AHB主器件发出)

HTRANS传输状态(由AHB主器件发出)

HSIZE脉冲长度(由AHB主器件发出)

HPROT保护类型(由AHB主器件发出)AHB主器件判优信号HREQ总线要求(由AHB主器件发出)HGNT总线指派(由AHB判优器发出)HLOCK总线锁定(由AHB主器件发出)HMASTER指定目前工作的主器件(由AHB判优器发出)HMASTLOCK主器件执行锁定传输(由AHB判优器发出)运行机理AHB外设可能立即发送/接收数据，或通过发出HREADY信号插入等待状态。从器件也通过HRESP信号返回传输状态，状态如下OKAY(成功)：传输成功－成功完成信号传输的缺省响应。ERROR(错误)：不成功的传输－表示出现了异常中断，例如访问一个不存在的内存地址。RETRY(重试)：从器件无法立即实现操作，主器件应在稍后重试。SPLIT(等待)：从器件将要求列队等待－从器件将在可以提供或接收数据时发出通知，可用于中断多个传输(脉冲)。重试和等待的主要区别重试表明从器件仍未就绪；主器件可在任意时刻重发命令等待包含的协议较为复杂，它就绪后将通过这一协议通知判优器。等待处理对从器件逻辑的要求较为复杂，并非必备的从器件功能。

AHB-Lite定义了一种没有多主总线功能的纯AHB接口子集AHB和AHB-Lite之间的关键差别不论是主模块还是从模块，后者都可以通过各种互连策略链接，在芯片设计中获得最大带宽高级外设总线(APB)用于连接速度较慢的系统模式和带宽较低的外设，将功耗降至最低，并减小接口的复杂性所有的总线信号都与时钟有关，可以使用时钟频率较低的总线(低于AHB)AHB主器件不直接与APB外设相连，而是通过APB桥进行通信主要的APB信号PCLK外部时钟，可以是HCLK的乘积，由APB桥控制

PADDR外设地址

PWRITE外设传输方向(读/写)

PSELx外设选中，与HSEL相似

PWDATA写入数据总线(写入外设)

PRDATA读取数据总线(从外设中读取)

PENABLE外设数据起动AMBA例子ExcaliburAltera公司嵌入式处理器可编程逻辑解决方案单个Excalibur器件上包含了:单端口RAM双端口RAM30万门的标准单元区域嵌入式处理器IP内核一百万门的APEX20KEPLD片上的晶体管总数达到了8千多万IP包括基于ARM的嵌入式处理器基于MIPS的嵌入式处理器或其它任何商用嵌入式处理器总线可以分成三层。最上二层完全包含在带内，而其它两条总线用于在系统的可编程部分集成用户IP。在嵌入式ARM器件内的所有总线的宽度都为32位Case:SHARC总线两个接口外部存储接口外部数据总线宽度16bit－48bitDM总线与IO处理器可以访问整个外部地址空间PM总线24bit外存分为4个区接口信号（略）主机接口将SHARC连接到标准微处理器总线上主机将DSP功能移交给SHARC接口信号（略）DMA内存，外存，设备之间传输数据10个通道外部端口DMA通道，链接端口DMA通道：双向串口DMA：单向每个DMA通道一个中断CAN总线控制器局域网ControllerAreaNetwork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控制装置总结嵌入式系统中总线针对设备无通用性功耗低2高速输入与输出接口IrDA/FastIrDA红外线发光二极管发射硅晶PIN光检二极管接受控制电路距离小于一尺低速9.6~115Kbps高速1~4Mbps更高速16Mbps蓝牙模块（bluetooth)无线传输收发单元基频处理单元数据传输接口通信频率在1.2GHZ以内。USBIBM、Compaq、Nortel、NEC、 Intel及Microsoft12Mbps距离<5米树拓扑结构，127个点低速1.5MbpsUSB2.0速率高达480MbpsEthernet/FastEthernet802.3/802.3n10MEthernet100MEthernet采用什么协议?CSMA/CDIEEE139420~400Mbps起源于APPLE的FireWire支持63个器件长度几米使用1394的数字机顶盒架构图通讯现代嵌入式系统基本都有通讯有线无线使用什么协议?netbios嵌入式TCP/IP协议栈嵌入式TCP/IP协议栈嵌入式TCP/IP协议栈连接在互联网上意味着提高智能化管理水平TCP/IP是一项应用广泛的标准通过TCP/IP与基础设施连接十分简单最大优越性也许在于使得嵌入式装置支持WWW主要用途是进行远程监测,还可以远程配置嵌入式TCP/IP协议栈局限性首先嵌入式栈是建在专用的软插座API之上的提供可靠传输，占用了大量的资源体积太大，许多场合不适用实现方式1采用软件的方式2硬件方法采用iReady的芯片或芯核，虽然使用的是4位微处理器也能够和互联网实现直接连接3DSP方法也可以选用DSP为基础的TCP／IP协议栈采用方法选择根据设计的电子装置的实际情况来决定使用硬件功能如何？打算如何来实现和互联网的连接？需要发送和接收那些种类的信息？将软件或硬件芯片整合到所设计的电子装置中去，有没有困难？增加一个协议栈，是否需要对所设计的电子装置进行重大更改等等无线通讯介绍嵌入式系统中无线通讯更是随处可见。无线通讯都是基于无限传输媒介是电磁波，信号都以电磁波的方式被发送和接收无线传输的电磁波波谱一般从无线电波(radio)开始到可见光部分无线电波因为频率不是很高，较容易产生，可以远距离传输，并能够较容易地穿透和绕过障碍物线电波的传播是如水波似的扩散型的无线电波的特性跟它的频率有关无线局域网WirelessLocalAreaNetworks无线局域网可以有两种组织方式：一种是以一个基站（basestation）为中心，所有的移动设备都连接到这个基站上去，因此基站也称为接入点（accesspoint）；另一种是没有基站，移动设备之间相互连接组成局域网802.11由IEEE制定第一个高速无限局域网是802.11a,1999年1999年，数据传输速率达到54Mbps/72Mbps(Turbo)，传输距离控制在10～100米1999年9月IEEE802.11b数据传输速率达到11Mbps2003年6月，IEEE推出最新版本IEEE802.11g认证标准拥有IEEE802.11a的传输速率，安全性较IEEE802.11b好IEEE802.11e标准对无线局域网MAC层协议提出改进支持多媒体传输支持所有无线局域网无线广播接口的服务质量保证QoS机制IEEE802.11f定义访问节点之间的通信支持IEEE802.11的接入点互操作协议（IAPP）IEEE802.11h用于802.11a的频谱管理技术IEEE802.11i标准结合IEEE802.1x中的用户端口身份验证和设备验证对无线局域网MAC层进行修改与整合定义了严格的加密格式和鉴权机制改善无线局域网的安全性个人无线局域网wirelesspersonalareanetworks标准802.15，这就是蓝牙的技术标准zigbee无线移动通讯无线通讯分为两类无线局域网无线移动通讯无线设备可以是单向的，也可以是双向的单向通信包括只接收信号的BP机双向通信系统包括分组无线电通信（Packet－RadioCommunication）蜂窝数字分组通信（CellularDigitalPacketCommunication）三种无线移动通讯复用方式频分多址时分多址码分多址GSM&GPRS全球移动通信系统GlobalSystemforMobilecommunications蜂窝概念即所谓小区制实现频率再用，大大提高了系统容量GSM使用时分多址方法为了话音业务和低速数据业务设计的GSM移动台分为两部分一部分包含无线接口特有的软件和硬件另一部分是用户数据——用户识别卡（SIM）GeneralPacketRadioService以分组的形式传送数据基于包转发机制的171.2kbps访问速度支持了移动Internet的功能GPRS的缺点一个蜂窝小区内用于容量有限实际数据传输速度远低于理论值CDMA码分多址接入技术（CodeDivisionMultipleAccess）建立在正交编码、相关接收的理论基础上运用扩频通信技术解决无线通信的选址问题的多址接入方式先用一个扩频码（spreadingcode）对数据进行调制然后传输优点能充分利用多路衰减现象CDMA与GSM/GPRS比较GSM/GPRS系统有一个缺点先断后连的转台（handover），又称为硬转台（hardhandover）移动台在跨越两个蜂窝小区的时候先跟原来所在的小区的基站断开连接然后跟后来所在的小区的基站进行连接这种情况下，正在进行的通话就要被断开在CDMA技术中不存在硬转台所有的基站都使用相同的频道可以在断开之前先跟下一个基站连接好称为先连后断的转台，又称为软转台（softhandover）CDMA信号功率远小于GSM等系统的功率CDMA辐射也很小从1G到4G大容量、高速率、全方位的第三代移动通信系统（3G）1G网络NMT,C-Nets,AMPS,TACS最早的模拟蜂窝系统2G网络GSM,cdmaOne,DAMPS最早的数字蜂窝系统3G网络UMTSFDDandTDD，cdma20001xEVDO，cdma20003x，TD-SCDMA，AribWCDMA,EDGE，IMT-2000DECT目前已投入商用的带宽最高的无线通讯网络系统4G固定状态下数据传输速度达到1Gbps移动状态下数据传输速度达到100Mbps在以60公里时速行驶的汽车内进行100Mbps的数据传输和超高速移动通信服务的无缝切换多个用户同时以1Gbps的速度下载32个频道的HD广播同时使用超高速互联网上传下载、可视电话、论坛直播等服务3G的数据业务范围移动音频业务通过互联网协议传送声音静态图像移动图像虚拟本地环境电子代理未来的移动手持设备将不仅是现在的移动电话一样以通话作为主要功能，而将是一种移动通讯设备跟移动计算设备的结合，也就是智能手机（IntelligentCellPhone）3输入输出装置触控面板电阻式，最常用电容式音波式红外线式近场感应式XGT式防水、防火、防刮、抗菌语音输入输出技术可以软件实现前提：处理器功能足够强大可用专用芯片加硬件模块Keypad6个I/O口实现的5×5按键矩阵的示意图电阻式触控面板结构LCD显示器LiquidCrystalDisplay液晶介于固态和液态用于显示GUI环境下的文字和图象数据适用于低压、微功耗电路段式液晶常见段式液晶的每字为8段组成，即8字和一点，只能显示数字和部分字母。字符型液晶字符型液晶是用于显示字符和数字的，对于图形和汉字的显示方式与段式液晶无异图形点阵式液晶又将其分为TN、STN（DSTN）、TFT等几类彩色LCD分：主动式LCD(有源,active)高端产品使用,如TFT被动式LCD(无源,passive)中低端产品，如STN手机等4存储器RAMSRAM、DRAMROMROM、EPROM、EEPROM、FLASHROMCFCompactFlashSDSecureDigitalMemoryStickSonySpringboardPalm的Visor专用闪速存储器(FLASH)相对EEPROM，flash可以用电气的方法快速地擦写Flash快擦写存储器不需要存储电容器集成度更高制造成本低于DRAM特点使用方便与SRAM类似，读写的灵活性和较快的访问速度与ROM类似，在断电后可不丢失信息快擦写存储器技术发展迅速NORflashNOR技术，亦称为Linear技术源于传统的EPROM器件最早出现，多数厂家支持特点程序和数据可存放在同一芯片上，有独立的数据总线和地址总线，能快速随机读取XIP（eXecuteInPlace）：允许直接从Flash中读取代码执行，无需先将代码载至RAM中执行可以单字节或单字编程，但不能单字节擦除，必须以块为单位或对整片执行擦除操作对存储器进行重新编程之前需要对块或整片进行预编程和擦除操作缺点擦除和编程操作所花费的时间很长NOR的擦除和编程速度较慢块尺寸又较大适用范围擦除和编程操作较少直接执行代码尤其是纯代码存储的应用如PC的BIOS固件、移动电话、硬盘驱动器的控存不适用纯数据存储和文件存储的应用NANDflash三星1999年底第一颗1GbNANDNAND的存储器可以取代硬盘以页为单位进行读和编程操作，1页为256或512B（字节）以块为单位进行擦除操作，1块为4K、8K或16KB具有块编程和块擦除的功能nand块擦除时间是2msNOR技术块擦除时间达到几百ms数据、地址采用同一总线，串行读取随机读