第4章 嵌入式硬件系统(一)(2课时)课件

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本节内容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。硬件构成本节内容2存储器及其扩展功能提供执行程序和存储数据所需空间

种类RAM、ROM两种

特点半导体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、使用寿命长的优点，适合于嵌入式应用领域分类1.RAM(RandomAccessMemory)内部结构：4×4RAM每个内存单元存储一个位（Bit）的数据使能线+地址线＋rd/wr线控制图4-2RAM内部结构

2存储器及其扩展特点可读可写，读取和写入一样快速上电数据保存，掉电数据丢失作为内存使用。种类SRAMDRAM2存储器及其扩展(1)SRAM(静态随机存取存储器)内部结构由正反器电路组成S=1、R=0时,输出Q=1S=0、R=1时,输出Q=0每一位存储单元电路需要6个晶体管

图4-3SRAM结构

2存储器及其扩展特点数据存取速度较快

比较容易和处理器制造在同一个芯片中数据不需实时刷新但成本较高2存储器及其扩展(2)DRAM(动态随机存取存储器)内部结构存储单元由一个电容和一个晶体管组成解码线使晶体管导通后，通过rd/wr线读取电容电压，或者对电容充放电电容漏电，15.625微秒充电一次

图4-4DRAM结构

2存储器及其扩展特点容量较大，约是SRAM的4倍

成本低

但由于电容的充放电原因，数据需要进行实时刷新操作2存储器及其扩展2.ROM(Read-OnlyMemory)内部结构存储数据方式利用可规划式接线的短路或断路来实现，具体接线的规划方式由ROM的类型决定

使能线+地址线图4-5ROM结构示意图2存储器及其扩展特点数据可以读取,但不能任意更改

掉电情况下数据不会丢失程序可存放在ROM中种类EPROM，EEPROMFlash2存储器及其扩展(1)EPROM(ErasableProgramEnableRead-OnlyMemory)2存储器及其扩展

内部结构图(a)

使用金氧半导体(MOS)具有浮动栅极

图(b):电可编程栅极正电压使电子经绝缘体层到达栅极栅极被充电后，源-漏极间为截止状态,形成断路，逻辑输出为0；相反，逻辑输出为1图4-9EPROM结构与工作原理2存储器及其扩展图(c):紫外线擦除紫外线通过石英窗直接照射

栅极的电子又通过绝缘体回到N通道，为防自然光照射，石英窗上粘贴上反光胶布EPROM又可被重新规划图4-9EPROM结构与工作原理图4-10EPROM的外观

2存储器及其扩展特点一种只读存储器

电可编程紫外线擦除适合少量生产或是产品开发调试实验2存储器及其扩展(2)EEPROM(ElectricallyErasableProgrammableRead-OnlyMemory)内部结构与EPROM类似，具有浮动栅极与EPROM不同，源极、漏极、浮动栅极、P型基底接上不同的电压进行写入、擦除和读出

见下图4-112存储器及其扩展4.2存储设备图4-11EEPROM结构与工作原理

特点与EPROM类似，电可编程与EPROM不同，电可擦除省去了EPROM擦除需照射紫外线的烦琐程序针对每个存储单元进行擦除操作擦除次数达到一万次以上

EEPROM的使用比EPROM更普遍

2存储器及其扩展(3)FlashMemory(闪存)内部结构是EEPROM的延伸产品，也采用浮动栅极原理

但其浮动栅极与通道间的距离较短

特点数据写入速度快（因为浮动栅极与通道间的距离比较短），故得名“闪存”可以一大块数据直接进行清除，使用方便 例：PDA中作为程序存储器，操作系统版本的升级和改变只需重写Flash2存储器及其扩展NOR技术NAND技术存储器系统-Flash*FLASH：闪存分类：NORFlash和NANDFlash读速度：NORFlash类似SDRM，数据/地址线独立，读更快，

NANDFlash分页存储，存储量大，读一般写速度：NOR一次擦除64~128K，5秒，NAND一次擦除8~32K，4ms

NOR适合代码存储（读快）NAND适合数据存储（写快）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FLASHFLASH常见的存储器扩充装置CF扩充装置CompactFlash所有WindowsCE支持常见的存储器扩充装置SD扩充装置（SecureDigital）PanasonicScandiskToshiba常见的存储器扩充装置MemoryStickSony本节内容3.1概述●总线所谓总线(Bus)，一般指通过分时复用的方式，将信息以一

个或多个源部件传送到一个或多个目的部件的一组传输线。

是电脑中传输数据的公共通道。3.1.1基本概念●总线特性（1）物理特性——总线物理连接的方式。（2）功能特性——总线中每一根线的功能是什么。（3）电气特性——每一根线上信号的传送方向、有效电平范围，即是脉冲有效还是高低电平有效。（4）时间特性——每根线的时序。●总线的性能指标（1）带宽——单位时间内总线上可以传送的数据量（多少个字节）。（2）位宽——总线能同时传送的数据位数，即16、32、64位等总线宽度。（3）工作频率（总线时钟频率）——用于协调总线上的各种操作的时钟信号频率，以MHz为单位。教学进程3.1总线分类

3.1.2●

按所处位置●按传送数据类型地址总线（AddressBus，AB）

片外总线——BUS外总线●按信息传送方向●按层次结构

片内总线——CPU内部的内总线控制总线（ContolBus，CB）数据总线（DataBus，DB）单向总线——地址总线混合总线——控制总线双向总线——数据总线CPU总线——连接外部控制芯片系统总线——I/O通道总线，如ISA、EISA、MCA、

vEsA、PCI、AGP等多种标准存储总线——连接到存储控制器和DRAM的总线概述教学进程3.2总线的工作原理●CPU总线与外界的公共通道3.2.1总线的应用

CPU总线：地址总线（CAB）、数据总线（CDB）、控制总线（CCB）与主存储器接口与I/O接口与多个CPU之间接口与系统总线的接口●

系统总线主机系统与外围设备之间的通信通道●在计算机主板上，系统总线表现为与扩展插槽线连接的一组逻辑电路和导线，与I/O扩充插槽相连。I/O插槽中可插入各式各样的扩充板卡，作为各种外设的适配器与外设连接——这种总线也叫1/O通道总线。教学进程总线的应用ISA总线：ISA（IndustryStandardArchitecture，工业标准体系结构）

由美国IBM公司推出的8/l6位标准总线。EISA总线：EISA（ExtendedIndustryStandardArchitecture，扩

展工业标准体系结构）由Compaq、HP、AST等多家公司联合

推出的32位标准总线。MCA总线：(MicroChannelArchitecture，微通道体系结构）由美国

IBM公司推出的32位标MCA标准总线。VESA总线：视频电子标准协会(VideoElectronicStandard

Association）联合多家公司共同推出的全开放通用局部总线。PCI总线：PCI（PeripheralComponentInterconnect外部设备互连)

由美国Intel公司推出的32/64位标准总线。3.2.1●

系统总线●总线标准，如ISA总线、EISA总线、VESA总线、AGP总线、VME总线、

MCA总线、PCI总线等。

教学进程提供输入/输出设备同系统中其他部件间的公共通信通路，标准化程度最高，可用于各种型号的处理器，如IDE总线、USB总线。3.2.1总线的应用

用于主机内部特定子系统之间的紧密连接，典型局部总线包括VESA总线、AGP总线、I2C总线等。

●外部总线●局部总线3.2.2总线的功能●

数据传送的整个过程：总线请求→总线仲裁→寻址→传送数据→检错

→发出数据出错信号。教学进程总线空闲（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）。总线工作原理总线工作原理设备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常用系统总线●PC总线：IBMPC及XT使用的总线。3.3.1PC总线

●PC总线共有62条引线，全部引到系统板8个双列扩充槽插座上，

62条线分为五类：地址线、数据线、控制线、辅助线与电源线3.3.2ISA总线

●ISA：工业标准体系结构总线，又称AT总线。●

主要性能指标I/O地址空间为0100H～03FFH；24位地址线可直接寻址的内存容量为16MB；8/16位数据线；62＋36引脚；最大位宽16位（bit）；最高时钟频率8MHz；最大稳态传输率16MB/S；中断功能；DMA通道功能；开放式总线结构，允许多个CPU共享系统资源。教学进程PCI总线

32位总线宽度，可升级到64位；支持64位地址；具有与处理器、内存完全并行操作的能力；最高时钟频率可达到33MHz或升级到66MHz；最大数据传输速率在时钟频率为33MHz时为133MB/S或266MB/S；采用最优化的芯片，标准的ASIC技术和其他处理技术相结合；采用多路复用体系结构减少了管脚个数和PCI部件，降低了成本；

能够自动配置参数，支持PCI总线扩展板和部件

;处理器独立，支持多种处理器以及待开发的更高性能处理器，并且

不依赖任何CPU；5V和3V信号环境已经规范化，5V到3V已经完成平滑过渡；32位、64位扩展板和部件正、反向兼容；地址及数据奇偶校验提高系统的可靠性。3.3.3●即插即用(PnP)特性

PCI接口包括一系列的寄存器，根据寄存器中的信息，

可把PCI接口自动配置到系统中。●主要性能特点教学进程3.3.4PCIExpress总线PCIVS.PCIExpressPCIPCIExpress3.3.5CPCI总线CPCI（CompactPCI）PICMG协会于1994提出来的一种总线接口标准，面向嵌入式设备解决了VME与PCI总线不兼容问题，与PCI完全兼容高可靠性（99.999%）、低价位热插拔（hotswap）3.3.6PC104总线PC104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IEEE-P996（ISA）。PC104有两个版本，8位和16位，分别与PC和PC/AT相对应。PC104PLUS则与PCI总线相对应。3.4主要外设总线

3.4.1IDE总线●IDE接口定义了16位数据线和3位地址线，还定义了一组中断和DMA。●

IDE端口中每个端口可以支持2个设备，分为主设备和从设备，并通过

设备上的跳线开关设定主/从设备。智能磁盘设备（Inteligentdiskequipment,IDE)总线;小型计算机系统接口(SmallComputerSystemInterface,SCSI)总线通用串行(UniversalSerialBus,USB)总线。●常见的外部设备总线

●外部设备总线用于实现计算机主机和外部设备之间的连接。●把硬盘控制卡的大部分与磁盘有关的功能部件都移到硬盘上，用硬盘上带有的控制器（或CPU）来直接管理物理部件，同时将硬盘与总线的接口定位于更简单的总线信号上。教学进程IDE总线●IDE性能指标3.4.1指标IDE接口PCBIOS限制值最大磁头数1625616最大磁道数6553610241024磁道最大扇区2556363最大磁盘容量136.9GB8.4GB528MBSCSI总线3.4.2●小型计算机系统接口（SmallComputerSystemInterface,SCSI）●设计成一种有效的外设总线，用来支持多个设备，允许包括多个主机;●

设备连接不局限于箱内的连接，允许SCSI设备处于机箱外，可有

较长的连线;●SCSI是一种很规范的总线逻辑接口，总线访问时的主设备称为启动

设备，从设备称为目标设备。访问过程中的总线裁决、信息传输等

通过总线上相关的信号线按协议完成。教学进程通用的接口，适合多种外部设备；自动配置即插即用（PnP）；不需要用户进行初始设定;节省硬件资源：只需要若干个端口地址和一根IRQ，而挂接到USB上

的外设不需要其他任何资源；易于连接：不需要再为每个外设增加扩展卡；不需另备电源，USB接口自带电源线和地线，提供＋5v的电源。USB总线●USB:串行总线(UniversalSerialBus)3.4.3●USB的优点易于使用、速度较快、可靠性高、低成本、低功耗教学进程

全速USB接口可以以12MB/s的速度进行通信；

USB2.0规范将允许以480MB/s的速度传输数据；

USB也支持1.5MB/S的低速传输。USB总线●USB:串行总线(UniversalSerialBus)3.4.