嵌入式计算机及机电系统接口应用

嵌入式计算机及

机电系统接口应用

周斌

2010年9月

O嵌入式计算机及机电系统接口应用2010年9月19日

课程安排

•绪论课程介绍

•第一部分嵌入式计算机及接口

•第二部分基于嵌入式操作系统的软件接

口技术

•第三部分高性能微控制器原理与应用

III嵌入式计算机及机电系统接口应用2010年9月19日

绪论课程介绍

•第一节什么是嵌入式计算机系统

•第二节机电系统接口

•第三节讲课与实验安排

・第四节考核方法

•第五节参考教材

嵌入式计算机及机电系统接口应用2010年9月19日

第一章课程介绍

•第一节什么是嵌入式计算机系统

勘嵌入式计算机及机电系统接口应用2010年9月19日

第一节什么是嵌入式计算机系统

、嵌入式计算机系统发展史

A1943年至1946年，由宾夕法尼亚大学建造的首

台电子计算器诞生，历时3年，占地面积1800平

方英寸，使用了18000个真空管,重50吨

ENIAC

嵌入式计算机及机电系统接口应用2010年9月19日

1

第一节什么是嵌入式计算机系统

A随后的20多年，计算机始终是供养在特殊的机

房中，实现数值计算的大型昂贵设备，直到

1970年，Intel推出了首个微处理器4004,计算

机才开始走出机房，计算机系统进入分支发展

阶段。

Intel4004微处理器

®嵌入式计算机及机电系统接口应用2010年9月19日

第一节什么是嵌入式计算机系统

嵌入式计算机系统的分支发展:

电子计算机

大型计算机

PC计算机

（科学计算）

通称为嵌入式计算机

（或嵌入式系统）

嵌入式计算机及机电系统接口应用2010年9月19日

第一节什么是嵌入式计算机系统

嵌入式计算机应用领域：

A机电一体化设备：办公自动化设备、计算机外部设备、

各种测量仪器、数控装置、汽车、机器人等

A信息家电及消费类电子产品：掌上型电脑、手机、电视

机、VCD、DVD、数码相机、数码摄像机、可视电话等

A工业控制、医疗、交通管理、环境检测等

A军事国防领域：武器控制、导弹弹上计算机、雷达、电

子对抗等军事电子设备等

»嵌入式计算机及机电系统接口应用201。年9月19日

1

第一节什么是嵌入式计算机系统

嵌入式计算机系统定义及特点：

定义：嵌入到对象体系中的专用计算机系统

特点：

A与“嵌入性”的相关特点：由于是嵌入到对象系统中，必

须满足对象系统的环境要求，如物理环境（小型）、电气/

气氛环境（可靠）、成本（价廉）等要求。

A与“专用性”的相关特点：软、硬件的裁剪性；满足对象

要求的最小软、硬件配置等。

＞与“计算机系统”的相关特点：嵌入式系统必须是能满足

对象系统控制要求的计算机系统。与上两个特点相呼应，

这样的计算机必须配置有与对象系统相适应的接口电路。

獭嵌入式计算机及机电系统接口应用2010年9月19日

第一节什么是嵌入式计算机系统

嵌入式计算机的种类：

嵌入式计算机按形态可分为：

A板级：单板、模块，以嵌入式微处理器为核心，例如

PC/104o

A芯片级：单片机(也称为微控制器MCU),例如8051

系列、DSP处理器(DigitalSignalProcessor)、片上系统

SOC(SystemOnChip),往往是专用的。

嵌入式系统软件(例如嵌入式实时操作系统RTOS)

1嵌入式计算机及机电系统接口应用2010年9月19日

绪论课程介绍

•第一节什么是嵌入式计算机系统

•第二节机电系统接口

O嵌入式计算机及机电系统接口应用2010年9月19日

第一节什么是嵌入式计算机系统

机电系统接口

A机电系统中的数据采集，测量加速度、速度、

位置、角度方法

A控制接口技术，电机的控制方法

»计算机的通信接口，包括：并行口、串行口、

双口RAM、USB等

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绪论课程介绍

•第一节什么是嵌入式计算机系统

•第二节机电系统接口

•第三节讲课与实验安排

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第一节什么是嵌入式计算机系统

一、学时安排

＞嵌入式计算机及接口15学时

＞基于嵌入式操作系统的软件接口技术6学时

＞微控制器原理与应用6学时

共27学时讲课

A课程大实验（至少完成2个）28学时

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第一节什么是嵌入式计算机系统

八实验安排

本课程共有两个大型综合实验，实验1必做，实验

2选作其中的1~2个子实验，两个同学一组

精仪系9003大楼4101

“机电控制实验室”

清华一盛博嵌入式

联合实验室

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1

第一节什么是嵌入式计算机系统

1.自动测量直流电机的调节特性曲线实验

第一节什么是嵌入式计算机系统

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第一节什么是嵌入式计算机系统

＞提供的硬件：

PC104总线嵌入式计算机，ADT650数据采集卡

电机、光电编码器、功放电路、面包板、器件

＞软件：利用TC编写程序

＞要求：

自己设计必要的电路、并进行连接和调试；

在DOS/Win98操作系统下，编写和调试C语言程序;

得到电机的调节特性曲线

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第一节什么是嵌入式计算机系统

＞进阶要求：（选做）

在Linux下，使用GCC编译器，开发AD采集卡的驱动

程序，并重新编写电机调节特性测量的用户程序

＞实验目的：

掌握板级嵌入式计算机系统的软硬件设计开发

＞时间：约4个单位时间

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第一节什么是嵌入式计算机系统

2.微控制器

综合实验

aft嵌入式计算机及机电系统接口应用2010年9月19日

第一节什么是嵌入式计算机系统

fit嵌入式计算机及机电系统接口应用2010年9月19日

第一节什么是嵌入式计算机系统

＞提供的硬件：

ADuc841微控制器综合实验板

＞软件：利用C编写单片机程序

＞要求：

在KeilC开发环境下，编写和调试ADuC841程序；

（设计CPLD内部的数字逻辑电路，并利用MAXPlus

n编写CPLD程序；）

＞要求：

掌握芯片级嵌入式计算机系统的软硬件设计开发

励嵌入式计算机及机电系统接口应用2010年9月19日

第一节什么是嵌入式计算机系统

＞选做以下几个子实验：

1）电子钟实验

特点：计时、修改时间、秒表功能、储存数据。

目的：熟悉单片机开发系统，设计部分电路，编写程序;

掌握基于RTX51的实时操作系统使用方法

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第一节什么是嵌入式计算机系统

2)RS485串行通讯实验

特点：传输距离远、速度快、可接多个设备

第一节什么是嵌入式计算机系统

3）双口RAM通讯实验

特点：设计双口RAM的接口电路

目的：掌握双口RAM的使用

内容：编写程序，实现大批量数据在PC104和微控制器

综合实验板之间进行快速传输

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第一节什么是嵌入式计算机系统

4）通用串行总线USB数据传输实验

特点：设计USB设备的电路

目的：初步了解USB

内容：掌握UART转USB接口的使用方法，编写通讯程序

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绪论课程介绍

•第一节什么是嵌入式计算机系统

•第二节机电系统接口

•第三节讲课与实验安排

•第四节考核方法

|11嵌入式计算机及机电系统接口应用2010年9月19日

第一节什么是嵌入式计算机系统

考核办法

完成实验：根据完成两个实验的电路设计、程序

编写、调试情况、参加实验时间、完成实验的质量

情况，给出实验技能成绩

完成实验报告：每个实验每组写出实验报告，根

据完成的实验报告质量，给出实验总结能力成绩

根据以上两项成绩，给定本课程的成绩。

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绪论课程介绍

•第一节什么是嵌入式计算机系统

•第二节机电系统接口

•第三节讲课与实验安排

・第四节考核方法

•第五节参考教材

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第一节什么是嵌入式计算机系统

单片机：

“MCS—51单片机原理及应用”赵长德机械工业出版社

各种单片机参考书，ADuC841数据手册

接口技术：

“计算机硬件技术基础”（清华）或相关书籍

计算机测控系统设计与应用李正军机械工业出版社

嵌入式微计算机系统实时接口技术李曦译机械工业出版社

嵌入式计算机：

嵌入式系统设计与实例开发王田苗清华大学出版社

嵌入式系统开发圣经（第二版）探矽工作室中国铁道出版社

嵌入式系统一体系结构、编程（印度）RajKamal清华大学出版社

PC104总线资料

软件编程：

LINUX设备驱动程序Rubini.A.（美国）聊鸿斌译中国电力出版社

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课程安排

•绪论课程介绍

•第一部分嵌入式计算机及接口

®嵌入式计算机及机电系统接口应用2010年9月19日

第一部分嵌入式计算机及接口

・第一节接口电路总结

•第二节机电系统状态量的计算机测量和

控制

•第三节串行通信接口

・第四节双口RAM通信接口

•第五节基于PC104计算机的课程实验

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第一部分嵌入式计算机及接口

・第一节接口电路总结

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第一节接口电路总结

一、PC机总线

1.总线概念

总线：计算机各模块间进行传送信息的公共通道。

♦标准总线：经周密设计和严格规定的总线，有详细的

规范说明，包括机械结构、功能、电气规范等。

♦PC机总线：主要包括数据总线、地址总线和控制总

线三大总线，是设计接口电路的基础。

♦PC机总线的发展：随着CPU的性能改进和工作频率

的提高，PC机总线性能也在不断改进和提高，PC机总线

已从PC/XT总线、ISA总线（PC/AT总线）发展到今天的

PCI总线、AGP总线、PCIExpress总线，且会继续发展。

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1

第一节接口电路总结

总线的基本结构

嵌入式计算机及机电系统接口应用2010年9月19日

1

第一节接口电路总结

2.PC机总线

1)PC/XT总线

嵌入式计算机及机电系统接口应用2010年9月19巳

第一节接口电路总结

CND一BlAl—I/OCHCK

RESETDRV—D?

+5V-—

IRQ-—*

数据总线：2

D0-D7；-5V一—

一

DRQ2一

地址总线：A0-A19；-12V——

RESERVE—一

+I2V--Do

控制总线：IOR、IOW、AEN、GND一BIOA10-I/OCHRDY

MEMW一—AEN

MEMR-一Al9

IRQO—IRQ7、MEMR、MEMWiow一—

IOR一

—

DACK3-

DMA控制：DRQ1~3、DACK1~3DRQ3,—一

DACKi-—

辅助：、DRQ>-一

RSTIOCHCK>IORDYREFRESH—

CLK一B20A20

电源：地线IRQ7一—,

±12V,±5V,IRQ5一一

iRQs—

工作时钟：4.77MHzDiRQ«-

IRQs--_A

一

DACK2一

T/C-一

ALE一一

+5V一一

osc-—

GND—B31A31-Ao

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f)

第一节接口电路总结

2)ISA总线(IndustryStandardArchitecture)

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第一节接口电路总结

数据总线：D0-D15；

地址总线：A0-A23；

控制总线：IOR、IOW、AEN、

IRQO—IRQ15、MEMR、MEMW

DMA控制：DRQ0~7、DACK0-7

辅助：RST、IOCHCK>IORDY

电源：±12V,±5V,地线

工作时钟：8MHz

•两种地址访问方式：

•I/O空间：IOR>IOW

・内存空间：MEMR、MEMW

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第一节接口电路总结

3)PCI总线(PeripheralcomponentInterconnect)

扩展PCI总线（32/64位）ISA总线（8/16位）

B嵌入式计算机及机电系统接口应用2010年9月19日

1

第一节接口电路总结

必备的可选的

AD[31：：[AD]63：：

地址/数据线《

4/BE[3：：0j#)6d位息线

PCI0£[72国

PAR64扩展信号

总线设备

REQ64戈

FRAME仕ACK64R

_TRDY力

卡

1IRDYLOCK才■）接口控制

接口控制信号《STOP#

INTA#_J

DEVSELtt

1DSEL:褛步二中断信号

PERR#1NTD

错误报告信号｛二2国就#SBO共

►'支持Cache

勺DONE

REQ-.J的信号

仲裁信号（二^NT拄FD1

CLK一T市边界扫描

系流信号｛R5「t：丁赭一信号

TRST*

32位或64位地址/数据线复用的总线

三个独立的物理地址空间：存储器、I/O和配置空间

工作时钟：0〜100MHz

”［嵌入式计算机及机电系统接口应用2010年9月19H

XK-mt^

1

第一节接口电路总结

与ISA总线的几大区别：

A地址总线和数据总线分时复用：AD0-AD63

A三种地址访问方式：配置空间（访问板卡配置寄存器）、

I/O空间和内存空间

A突发方式传输数据，需要总线仲裁：置低/REQ申请占

用总线，判断/GNT为低表示获得总线占用权

＞4个低电平有效的中断/1NTA、/1NTB、/1NTC、

/INTD,在计算机内部实际仅分配1个中断，由软件判断

实际产生的中断（建立中断链）

＞具有边界扫描链（JTAG）,可对板卡上可编程器件进

行在线编程

»支A缓冲方式传输数据，不受处理器不同速率限制：

/SBO、SDONE

＞总线最大10外设，靠PC-PCI桥接芯片扩展外设数量

霸嵌入式计算机及机电系统接口应用2010年9月19日

第一节接口电路总结

3.嵌入式计算机PC/104总线

PC/104总线在体系结构上与ISA总线芫全素容但

在形态上，PC/104十分紧凑，其模板尺寸是

90mmX96mm,并且具有自栈式、模块化的结构，因此

其体积小、耐振动、可靠性高，特别适合各种工控场合。

本课程的接口电路以PC/104总线（也就是ISA总线）

为基础进行设计。

嵌入式计算机及机电系统接

第一节接口电路总结

MerchantMarketbyBusArchitecture

□PCI・cPCIOATCA[JVMEbus・PMCCIAMC・PC/104;EPIC;EBX;ATXDCOM-Other

PC104产品市场情况

2005~2010年增长9.51%

嵌入式计算机及机电系统接口应用2010年9月19日

1

第一节接口电路总结

32

64

版本1的8位PC104总线定义GNDGND31

6330

62SAOGND

地址总线：SA0-SA1961SAI143MHzCLK29

60SA2+5V28

59SA3BALE27

数据总线：SD0-SD758T/C26

57SA4

SA5/DACK225

564

控制总线:AEN,/IOR,/IOW,55SA6IRQ32

54SA7IRQ423

IRQ3~IRQ7,IRQ9,/SMEMR,53SA8IRQ522

52SA9IRQ621

51

SA10IRQ720

509

/SMEMW,IOCHRDY,SA11SYSCLK1

498

48SA12/REFRESH1

7

/IOCHCK,BALE47SA13DRQ11

6

46SA14/DACK11

455

SA15DRQ31

DMA控制:DRQ1~DRQ3,4414

SA16/DACK3

4313

42SA17/IOR

12

/DACK1~/DACK3,T/C41SA18/IOW

11

40SA19SMEMR

10

辅助信号：14.3MHz_CLK,39AEN/SMEMW

389

IOCHRDYNC

378

SDO+12V

SYSCLK(8MHz),/REFRESH,367

35SD1ENDXFR

6

34SD2-12V

5

RESET33SD3DRQ2

4

SD4-5V

3

电源：±12V,±5V,地线IRQ9

SD52

SD6+5V1

SD7RESET

/IOCHCKGND

注："/”表示低电平有效

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1

第一节接口电路总结

嵌入式计算机PC/104总线模板及板际连接方式

X版本1,8位

n[in

0.6”(15mm)Spacers(4places)

版本2,16位

0.6"(15mm)Spacers(4places)0

版本2,16位

nirCPU模块

嵌入式计算机及机电系统接口应用2010年9月19日

第一节接口电路总结

8-bit(ISA)

PC/104

module

0.6Spacers(4places)

16-bit(ISA)

\、W\\\\\\PC/104

module

0.6MSpacers(4places)

32-bit(PCI)

PC/104-P/us

module

月19日

第一节接口电路总结

典型的PC104模块

PC104与ISA的区另1

5个地线，1个禁销孔

62+2,36+3+1

总线对应关系

PC104总线ISA总线

PC104Phis总线PCI总线

嵌入式计算机及机电系统接口应用2010年9月19日

第一节接口电路总结

二、接口电路概述

1.外设端口（PC104总线）

1）I/O端口与内存独立编址

外设I/O地址空间利用/IOR,

/IOW进行读写操作，最多可访

问1024个设备，其中0~255为存储器空间利用/SMEMR,

主板设备所占用，256-1023/SMEMW进行读写操

可为插槽上设备使用作，最多寻址1MB空间

嵌入式计算机及机电系统接口应用2010年9月19日

第一节接口电路总结

2）指令与硬件的关系

指令硬件

MOVAL,ADDRI；/SMEMR

MOVADDR2,AL；/SMEMW

INAL,(XXH)；“OR

OUTDX,AL；/IOW

外设寻址范围

DX：16位，外设寻址范围高达64K个地址，但只用

了1K个地址空间

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第一节接口电路总结

3）与外设相关的三总线

地址总线：SAO-SA9

数据总线：SD0~SD7（或SD0~SD15）

控制总线：

/IOR外设读信号

/IOW外设写信号

AENDMA地址有效信号（低电平外设有效）

IRQ0-IRQ15中断请求信号（上升沿有效）

（/I0CS16）外设16位片选信号（设为低电平,

则为16位数据存取方式）

注意:掌握三总线的操作方法,输入要缓

冲,输出要锁存!

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第一节接口电路总结

2.输入输出量

模拟量

数字量

脉冲量

串行量

串行量

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第一节接口电路总结

3.基本输入输出接口

输入接口：三态缓冲器加选通电路

输出接口：锁存器加选通电路

掌握与接口有关的三总线及相应电路

AENAEN4〜4

a）基本输入接口电路b）基本输出接口电路

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第一节接口电路总结

@)$口何读入OxlFO中的内容？如何写?

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第一节接口电路总结

4.数据传送方式

A无条件传送

直接将数据发送给外设或从外设读取数据，如

采用延时方式进行AD转换控制和数据读取

A查询传送

不断查询外设是否准备就绪，是否需要服务，

然后进行数据传送。

A中断传送

外设通过中断通知计算机是否进行数据传送

ADMA传送（直接存储器存取）

计算机将IO操作的控制权交给外设，由外设直

接进行数据传送

嵌入式计算机及机电系统接口应用2010年9月19H

1

第一节接口电路总结

三、已学接口电路分析

1.可编程并行口8255A

(1)内部结构框图

内部结构按两部分分析：接口部分和功能部分

♦功能部分：A口，B口，C口，编程

♦与计算机的接口部分：区分端口、读写、复位等

♦与计算机的连接

lit嵌入式计算机及机电系统接口应用2010年9月19日

1

第一节接口电路总结

♦并行口8255A内部结构框图

»嵌入式计算机及机电系统接口应用2010年9月19日

1

第一节接口电路总结

（2）8255A的三种工作方式

♦方式0：基本的输入/输出方式（无条件传输）

♦方式1:选通的输入/输出方式（查询、中断）

♦方式2：双向传输方式（只A口）（查询、中断）

通过方式选择控制字来选择工作方式

D7D6D5D4D3D2D1D0

A组方式选择：PC7〜PC4B组方式PC3〜PCO

置方式00=方式0A口：选择：B口：

标志：01=方式10=输出0=输出1=方式10=输出0=输出

1=有效1乂=方式21=输入1=输入0=方式01=输入1=输入

勘嵌入式计算机及机电系统接口应用2010年9月19日

1

第一节接口电路总结

（3）方式0（基本输入输出方式）

♦8255A方式0输出的时序图

WR

tWW

tWD

IDW—I--------->

»~Do数据有效

tAWtWA

百,Ai,Ao$

输出数据数据有效

(WB-

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1

第一节接口电路总结

材i(Am

嵌入式计算机及机电系统接口应用2010年9月19日

1

第一节接口电路总结旗1（A口）

♦8255A方式1输出的时序图及

端口信号

/OBF:

输出缓冲满

/ACK:

外设应答

INTR:

外设中断申请

嵌入式计算机及机电系统接口应用2010年9月19日

1

第一节接口电路总结

♦8255A译码电路示例

3总线使用，地址译码/74LS138进行IO扩展

叭匚□PA4

PAj匚239□PAS

VCCPAi匚33B□PA«

16