第五章 嵌入式系統(tǒng)的IO模塊

1、1第五章第五章 I/OI/O子系統(tǒng)子系統(tǒng)2I/O子系統(tǒng)的功能 通過通過I/O子系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)裝置與外部子系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)裝置與外部世界交互世界交互 外部世界的信號(hào)形式無限多種，基本信外部世界的信號(hào)形式無限多種，基本信號(hào)形式兩種號(hào)形式兩種 模擬信號(hào)模擬信號(hào) 數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào) 信號(hào)的維數(shù)信號(hào)的維數(shù) 一維：語音信號(hào)一維：語音信號(hào) 多維：圖像多維：圖像-二維二維 嵌入式系統(tǒng)與（人、物）進(jìn)行交互嵌入式系統(tǒng)與（人、物）進(jìn)行交互3主要內(nèi)容主要內(nèi)容5.1 概述概述5.2 復(fù)位電路復(fù)位電路5.3 系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)時(shí)鐘5.4 輸入輸出模塊輸入輸出模塊5.5 譯碼器系統(tǒng)譯碼器系統(tǒng)5.6 定時(shí)器定時(shí)器/計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)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設(shè)備簡(jiǎn)介設(shè)備簡(jiǎn)介5.12 小結(jié)小結(jié)45.1 概述 嵌入式處理器在功能上有別于通用處理器，其區(qū)別在于嵌入式處理器上集成了大量的I0電路，用戶在開發(fā)嵌入式系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)需求選擇嵌入式處理器，而不是選擇處理器另外配合IO電路。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，嵌入式處理器的集成度不斷提高，許多嵌入式處理器上集成的I/O功能完全滿足應(yīng)用的需求，基本上無需擴(kuò)展。 雖然嵌入式處理器的種類很多，但是集成的IO基本上是標(biāo)準(zhǔn)化的，例如UART，大多數(shù)的嵌入式處理器集成的UART都遵循相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)，不同的廠家提供的產(chǎn)品的編程方

3、法可能有所差異。55.2 復(fù)位電路復(fù)位電路復(fù)位電路的形式復(fù)位電路的形式阻容復(fù)位電路阻容復(fù)位電路手動(dòng)復(fù)位手動(dòng)復(fù)位watchdog復(fù)位復(fù)位專用復(fù)位電路專用復(fù)位電路內(nèi)部復(fù)位內(nèi)部復(fù)位軟件復(fù)位軟件復(fù)位返回首頁65.2.1 阻容復(fù)位電路75.2.2 手動(dòng)復(fù)位85.2.3 watchdog的使用的使用main()while(1) /* to do: 軟件代碼軟件代碼 */ reset_watchdog(); /* to do: 其它代碼其它代碼 */ 95.2.4 專用復(fù)位電路105.2.5 內(nèi)部復(fù)位內(nèi)部復(fù)位 工作原理工作原理 利用利用watchdog復(fù)位方式復(fù)位方式 上電時(shí)，程序沒有復(fù)位上電時(shí)，程序沒有復(fù)

4、位watchdog，watchdog timer溢出，完成復(fù)位溢出，完成復(fù)位 微控制器不需要微控制器不需要reset引腳引腳 例子：例子：philips 的的P87LPC76x系列系列 配置成內(nèi)部復(fù)位的時(shí)候，配置成內(nèi)部復(fù)位的時(shí)候，reset引腳可以作為普引腳可以作為普通的通的IO使用，節(jié)省了引腳使用，節(jié)省了引腳115.2.6 軟件復(fù)位軟件復(fù)位 方法方法 軟件復(fù)位的方法是通過軟件設(shè)置一個(gè)特殊功能軟件復(fù)位的方法是通過軟件設(shè)置一個(gè)特殊功能寄存器的位完成控制器的復(fù)位，它的復(fù)位結(jié)果寄存器的位完成控制器的復(fù)位，它的復(fù)位結(jié)果如同硬件復(fù)位一樣。如同硬件復(fù)位一樣。 注意：軟件復(fù)位與程序從復(fù)位向量處開始運(yùn)行注意：

5、軟件復(fù)位與程序從復(fù)位向量處開始運(yùn)行不同不同 從復(fù)位向量處開始運(yùn)行程序，處理器從復(fù)位向量處開始運(yùn)行程序，處理器/控制器的狀態(tài)控制器的狀態(tài)不會(huì)回到復(fù)位狀態(tài)，只是從不會(huì)回到復(fù)位狀態(tài)，只是從start處開始運(yùn)行程序。處開始運(yùn)行程序。12軟件復(fù)位vs程序重新運(yùn)行 軟件復(fù)位 處理器回到初始狀態(tài) 程序從復(fù)位向量處開始運(yùn)行 程序重新運(yùn)行 處理器不回到初始狀態(tài) 程序從復(fù)位向量處開始運(yùn)行 MCS51: 0000H LJMP 0000H X86: FFFF0H JMP FFFFH:0H135.3 時(shí)鐘系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)時(shí)鐘的種類時(shí)鐘的種類1. RC時(shí)鐘時(shí)鐘2. 石英晶體石英晶體3. 石英振蕩器石英振蕩器4. 鎖相環(huán)路倍頻

6、時(shí)鐘鎖相環(huán)路倍頻時(shí)鐘5. 多時(shí)鐘多時(shí)鐘返回首頁145.3.1 RC時(shí)鐘 特點(diǎn)特點(diǎn) 低成本低成本 時(shí)鐘頻率可控時(shí)鐘頻率可控 時(shí)鐘精度不高時(shí)鐘精度不高155.3.2 石英晶體165.3.3 石英振蕩器 可為多個(gè)部件提供時(shí)鐘175.3.4 鎖相環(huán)倍頻時(shí)鐘 電磁兼容性好 為處理器內(nèi)部提供多路時(shí)鐘 提供靈活的系統(tǒng)功率控制185.3.5 多路時(shí)鐘 多路時(shí)鐘的特點(diǎn)多路時(shí)鐘的特點(diǎn) 用于高性能的嵌入式處理器，通常用于高性能的嵌入式處理器，通常32位及以上位及以上 處理器上不同的電路使用不同頻率的時(shí)鐘處理器上不同的電路使用不同頻率的時(shí)鐘 時(shí)鐘具有相關(guān)性，主時(shí)鐘分頻時(shí)鐘具有相關(guān)性，主時(shí)鐘分頻/倍頻倍頻 日歷時(shí)鐘系統(tǒng)

7、與處理器集成日歷時(shí)鐘系統(tǒng)與處理器集成 日歷時(shí)鐘日歷時(shí)鐘32768Hz，倍頻得到系統(tǒng)的主時(shí)鐘。，倍頻得到系統(tǒng)的主時(shí)鐘。 處理器的日歷時(shí)鐘一直工作，即使系統(tǒng)進(jìn)入省電狀態(tài)處理器的日歷時(shí)鐘一直工作，即使系統(tǒng)進(jìn)入省電狀態(tài)的時(shí)候。的時(shí)候。 系統(tǒng)不需要外接日歷時(shí)鐘芯片和相關(guān)的電路系統(tǒng)不需要外接日歷時(shí)鐘芯片和相關(guān)的電路195.4 輸入輸出模塊 內(nèi)容 基本結(jié)構(gòu) 信號(hào)及作用 寄存器的映射方式 例子：80186的I/O系統(tǒng)返回首頁205.4.1 輸入輸出模塊的基本結(jié)構(gòu)215.4.2 輸入輸出模塊的信號(hào)及作用 數(shù)據(jù)信息 雙向 控制信息/模式設(shè)定信息 通常寫 狀態(tài)信息 通常讀225.4.3 I/O寄存器的映射方式1.

8、與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址例如：例如：存儲(chǔ)器空間；存儲(chǔ)器空間；0 xxxxxH;IO空間：空間：xxxxxH+1FFFFFH。2. 單獨(dú)編址單獨(dú)編址例如例如80X86系列系列存儲(chǔ)器空間：存儲(chǔ)器空間：0FFFFFHIO空間：空間：0FFFFHmov 操作存儲(chǔ)器操作存儲(chǔ)器IN, OUT操作操作IO存儲(chǔ)器空間I/O空間存儲(chǔ)器空間I/O空間00000HFFFFFH00000H00000HFFFFH0000H235.4.4 例：80186的I/O空間映射-PCB24例：80186的PCB重新定位寄存器 存儲(chǔ)器空間 1M bytes IO空間 64k bytes存儲(chǔ)器/IO空間實(shí)際IO空間255.

9、5 嵌入式系統(tǒng)的集成譯碼器 內(nèi)容 譯碼器的作用 普通譯碼器 可編程器件譯碼器 嵌入式處理器上的集成譯碼器 例子：80186返回首頁265.4.1 譯碼器的功能 對(duì)存儲(chǔ)器和I/O接口電路分配地址空間 實(shí)現(xiàn)方案 普通譯碼器74xx138 etc. 可編程器件譯碼器 GAL, PAL, CPLD etc. 嵌入式處理器上的集成譯碼器275.5.2 普通譯碼器285.5.3 可編程器件譯碼器 普通譯碼器的局限性 不夠靈活 無法靈活修改電路 改進(jìn)：使用可編程器件 PAL, GAL, CPLD, FPGA等295.5.4 嵌入式處理器上的集成譯碼器 譯碼器的基本功能？ 高集成度的嵌入式處理器通常把譯碼器集

10、成在處理器上，為了設(shè)計(jì)地址空間的靈活性，這些譯碼器通常是可編程的。 編程方式 起始地址-終止地址方式 起始地址-長度方式 305.5.5 例：80186的片上譯碼系統(tǒng) 特點(diǎn) 10個(gè)片選輸出； 可編程起始和終止地址 可用于存儲(chǔ)器和I/O周期的譯碼 可編程的等待狀態(tài)發(fā)生器 可編程的等待周期 可禁止譯碼3180186的譯碼輸出32例：80186的譯碼寄存器和譯碼輸出335.6 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 內(nèi)容 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的功能 基本結(jié)構(gòu) 工作模式 例：80186的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器返回首頁345.6.1 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的功能1. 嵌入式操作系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度；特別是具有時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度功能的嵌入式操作系統(tǒng)，必須使用定

11、時(shí)器產(chǎn)生時(shí)間片；2. 嵌入式操作系統(tǒng)的軟件時(shí)鐘需要基于硬件定時(shí)器產(chǎn)生定時(shí)信號(hào)；3. 通信電路的波特率發(fā)生器；4. 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路；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處理器用于液晶的刷新；7. 處理器監(jiān)控電路如看門狗等；8. 集成的片上A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換電路等；9. 集成的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器控制器用于動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的刷新；355.6.2 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的基本結(jié)構(gòu)365.6.3 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的工作模式1. 門脈沖控制時(shí)鐘輸入。當(dāng)門脈沖到來時(shí)，時(shí)鐘有效，門脈沖控制時(shí)鐘輸入。當(dāng)門脈沖到來時(shí)，時(shí)鐘有效，開始計(jì)數(shù)；門脈沖結(jié)束時(shí)，停止計(jì)數(shù)。開始計(jì)數(shù)；門脈沖結(jié)束時(shí)，停止計(jì)數(shù)。2. 利用門

12、脈沖重新啟動(dòng)計(jì)數(shù)。利用門脈沖重新啟動(dòng)計(jì)數(shù)。3. 利用門脈沖停止計(jì)數(shù)。即原來在不停地計(jì)數(shù)，當(dāng)門利用門脈沖停止計(jì)數(shù)。即原來在不停地計(jì)數(shù)，當(dāng)門脈沖到來時(shí)，停止計(jì)數(shù)，并使輸出端脈沖到來時(shí)，停止計(jì)數(shù)，并使輸出端out進(jìn)入高電進(jìn)入高電平。平。4. 單一計(jì)數(shù)。只要門脈沖有效，計(jì)數(shù)器就進(jìn)行計(jì)數(shù)，單一計(jì)數(shù)。只要門脈沖有效，計(jì)數(shù)器就進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)過程中輸出計(jì)數(shù)信號(hào)，計(jì)數(shù)到計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)過程中輸出計(jì)數(shù)信號(hào)，計(jì)數(shù)到“0”時(shí)，時(shí)，輸出停止。輸出停止。5. 循環(huán)計(jì)數(shù)。每當(dāng)計(jì)數(shù)到循環(huán)計(jì)數(shù)。每當(dāng)計(jì)數(shù)到0時(shí)，給出輸出信號(hào)，然后時(shí)，給出輸出信號(hào)，然后從初始值寄存器得到計(jì)數(shù)的初值，繼續(xù)開始計(jì)數(shù)。從初始值寄存器得到計(jì)數(shù)的初值，繼續(xù)

13、開始計(jì)數(shù)。375.6.4 例：80186的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器385.7 SPI 特點(diǎn)： 三條線完成兩個(gè)部件之間的高速通信 數(shù)據(jù)線收、數(shù)據(jù)線發(fā)、時(shí)鐘 主從方式返回首頁395.8 UART 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) SCI返回首頁40UART的工作模式8bit方式9bit方式：用于多處理器通信，其它MCS517bit方式其它方式41UART的編程和使用 UART的初始化 設(shè)置工作方式 設(shè)置波特率 啟動(dòng)發(fā)送和接收 寄存器 發(fā)送寄存器-發(fā)送緩沖區(qū) 接收寄存器-接收緩沖區(qū) 模式寄存器 控制寄存器 狀態(tài)寄存器425.9 通用并行I/O 并行端口的種類 雙向端口 輸入端口 輸出端口 開漏輸出端口 工作原理-next返回首頁43

14、80186的IO端口結(jié)構(gòu)445.9.1 端口的寄存器及功能 寄存器 端口控制寄存器：設(shè)置引腳的功能 控制通用I/O操作還是其它專用操作（A/D, D/A、中斷等） 方向寄存器 設(shè)定數(shù)據(jù)輸入/輸出（方向）-引腳工作于I/O方式時(shí) 數(shù)據(jù)寄存器 輸出端口，存放輸出的數(shù)據(jù)；讀操作，讀端口的數(shù)據(jù)寄存器而不是引腳 端口狀態(tài)寄存器 I/O端口的狀態(tài)455.9.2 I/O端口的編程-80186 設(shè)定工作方式：輸入/輸出 輸出數(shù)據(jù)時(shí) 先把數(shù)據(jù)寫到數(shù)據(jù)寄存器，然后設(shè)置端口的方向-輸出方式 如果先設(shè)置端口的方向，后寫數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)問題？ 數(shù)據(jù)不定 輸出方式，讀端口讀的是數(shù)據(jù)寄存器，不是引腳 輸入時(shí) 端口配置成輸入方式的時(shí)候，讀操作-讀引腳465.10 其它IO1. 以太網(wǎng)2. CAN總線3. LCD控制器接口4. I2C總線接口5. 中斷控制器6. DMA控制器7. A/D和D/A8. PWM9. 語音輸入和輸出10.視頻輸入和輸出11.USB12.PCMCIA13.DRAM控制器14.紅外線串行通信接口15.其它返回首頁475.11 新型I/O技術(shù)與裝置1/2 手寫輸入裝置 掌上電腦