第2部分 嵌入式硬件系統(tǒng)設計2

第2部分嵌入式系統(tǒng)硬件設計10/11/20221哈爾濱工業(yè)大學電子與信息技術研究院(威海)通信工程系第三節(jié)

嵌入式系統(tǒng)總線概述AMBA總線PCI總線CPCI總線串行總線10/11/20222哈爾濱工業(yè)大學電子與信息技術研究院(威海)通信工程系串行總線串行總線是指按位傳送數(shù)據(jù)的通路其連接線少、接口簡單、成本低、傳送距離遠，被廣泛用于嵌入式系統(tǒng)與外設的連接和計算機網絡。10/11/20223哈爾濱工業(yè)大學電子與信息技術研究院(威海)通信工程系GeneralconceptforSerialCommunications

?ApointtopointcommunicationdoesnotrequireaSelectcontrolsignal?AnasynchronouscommunicationdoesnothaveaClocksignal?Data,SelectandR/Wsignalscansharethesameline,dependingontheprotocol?NoticethatSlave1cannotcommunicatewithSlave2or3(exceptviathe‘master’)Onlythe‘master’canstartcommunicating.Slavescan‘onlyspeakwhenspokento’10/11/20224哈爾濱工業(yè)大學電子與信息技術研究院(威海)通信工程系串行總線TerminologyOnanasynchronousbus,dataissentwithoutatimingclock.Asynchronousbussendsdatawithatimingclock.Full-duplexmeansdatacanbesentandreceivedsimultaneously.Half-duplexiswhendatacanbesentorreceived,butnotatthesametime.Master/slavedescribesabuswhereonedeviceisthemasterandothersareslaves.Master/slavebusesareusuallysynchronous,asthemasteroftensuppliesthetimingclockfordatabeingsentalonginbothdirections.10/11/20225哈爾濱工業(yè)大學電子與信息技術研究院(威海)通信工程系串行總線Amulti-masterbusisamaster/slavebusthatmayhavemorethanonemaster.Thesebusesmusthaveanarbitrationschemethatcansettleconflictswhenmorethanonemasterwantstocontrolthebusatthesametime.Point-to-pointorpeerinterfacesarewheretwodeviceshaveapeerrelationtoeachother;therearenomastersorslaves.Peerinterfacesaremostoftenasynchronous.Thetermmulti-dropdescribesaninterfaceinwhichthereareseveralreceiversandonetransmitter.Multi-pointdescribesabusinwhichtherearemorethantwopeertransceivers.Thisisdifferentfromamulti-dropinterfaceasitallowsbidirectionalcommunicationoverthesamesetofwires.10/11/20226哈爾濱工業(yè)大學電子與信息技術研究院(威海)通信工程系I2CI2C(Inter－IntegratedCircuit)總線產生于80年代，最初為音頻和視頻設備開發(fā)。I2C總線特點:簡單、有效

總線的長度可高達25英尺，并且能夠以10Kbps的最大傳輸速率支持40個組件。支持多主控

(multimaster)，其中任何能夠進行發(fā)送和接收的設備都可以成為主控。一個主控能夠控制信號的傳輸和時鐘頻率。

10/11/20227哈爾濱工業(yè)大學電子與信息技術研究院(威海)通信工程系I2C：2條線總線的構成及信號類型I2C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘SCL構成的串行總線在CPU與被控IC之間、IC與IC之間進行雙向傳送，最高傳送速率100kbps。在信息的傳輸過程中，I2C總線上并接的每一模塊電路既是主控器（或被控器），又是發(fā)送器（或接收器），這取決于它所要完成的功能。CPU發(fā)出的控制信號分為地址碼和控制量兩部分，地址碼用來選址。10/11/20228哈爾濱工業(yè)大學電子與信息技術研究院(威海)通信工程系I2C：2條線I2C總線在傳送數(shù)據(jù)過程中共有三種類型信號，它們分別是：開始信號、結束信號和應答信號。開始信號：SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送數(shù)據(jù)。結束信號：SCL為高電平時，SDA由低電平向高電平跳變，結束傳送數(shù)據(jù)。應答信號：接收數(shù)據(jù)的IC在接收到8bit數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的IC發(fā)出特定的低電平脈沖，表示已收到數(shù)據(jù)。StartbitSlaveAddressbitsR/WbitAckbit8DatabitsAckbit8DatabitsAckbitStopbit10/11/20229哈爾濱工業(yè)大學電子與信息技術研究院(威海)通信工程系SPI-SerialPeripheralInterfaceSPI總線接口一般使用4條線：串行時鐘線（SCK）主機輸入/從機輸出數(shù)據(jù)線MISO主機輸出/從機輸入數(shù)據(jù)線MOST低電平有效的從機選擇線SS有的SPI接口芯片帶有中斷信號線INT、或有的SPI接口芯片沒有主機輸出/從機輸入數(shù)據(jù)線MOSI10/11/202210哈爾濱工業(yè)大學電子與信息技術研究院(威海)通信工程系USB：4條線OriginallyastandardforconnectingPCstoperipheralsIntendedtoreplacethelargenumberoflegacyportsinthePCSinglemaster(=Host)systemwithupto127peripheralsIssimpleplugandplay;noneedtoopenthePCStandardizedplugs,ports,cablesHasover99%penetrationonallnewPCsSerialportsNOTon2003PC’sNewOn-The-GoSupplementeliminatesPC!AllowsdynamicexchangingofHost/SlaverolesPCisnolongertheonlysystemHost.Canbeacamera,cellphone,printer,PDA,etc.10/11/202211哈爾濱工業(yè)大學電子與信息技術研究院(威海)通信工程系Host?OnePChostpersystem?ProvidespowertoperipheralsHub?Providesportsforconnectingmoreperipheraldevices.?Providespower,terminations?ExternalsupplyorBusPoweredUSBTopology(originalconcept,USB1.1,USB2.0)USBConnector10/11/202212哈爾濱工業(yè)大學電子與信息技術研究院(威海)通信工程系?ConvenientlinkbetweenPCandwiderangeofperipherals–printer,scanner,digitalcameras,speakers,monitor,keyboard,mouse,etc.?PushforUSBtobecomeTHEstandardonPCs–standardforIBMcompatible,(recently)Apple,nowon>99%ofPCs?Interfaces(bridges)toothercommschannelsexist–USBtoserialport(serialportvanishingfromlaptops)–USBtoIrDAortoEthernet–USBtoBluetooth?ExtremevolumesforcedownICandhardwarepricesAdvantageofUSB10/11/202213哈爾濱工業(yè)大學電子與信息技術研究院(威海)通信工程系VersionsofUSBspecification?USB1.1–Established,largePCperipheralmarkets–Wellcontrolledhardware,special4-pinplugs/sockets–12Mbits/sec(normal)or1.5Mbits/sec(lowspeed)?USB2.0–Supersedes1.1specification?Backwardscompatible?EncompassesLS,FS,HS–Introducessmaller“mini-B”connector–ChallengingIEEE1394/Firewireforvideopossibilities–480MHzclockforHi-Speedmeansit’sreal“UHF”–Hi-SpeedoptionneedsmorecomplexchipH/W&S/W–Hi-Sparedtofullspeed10/11/202214哈爾濱工業(yè)大學電子與信息技術研究院(威海)通信工程系VersionsofUSBspecification?USB“OTG”(OnTheGo)Supplement–Supplementtothe2.0specification–Allowsperipheralsto“talk”toeachother–Dynamichost/peripheralswitch–Introducesnew“mini-AB”receptacleand“mini-A”plug–Lowerpowerrequirements10/11/202215哈爾濱工業(yè)大學電子與信息技術研究院(威海)通信工程系第四節(jié)

嵌入式存儲系統(tǒng)概述電子盤——NandFlashDOCDOMCompactFlashSmartMediaMemoryStickMMCSD10/11/202216哈爾濱工業(yè)大學電子與信息技術研究院(威海)通信工程系概述嵌入式系統(tǒng)的存儲結構嵌入式微處理器Cache片內RAM和ROM主存：NorFlash、SRAM、DRAM等外存：NandFlash、DOC、CF、SD、MMC等10/11/202217哈爾濱工業(yè)大學電子與信息技術研究院(威海)通信工程系概述高速緩存Cache高速緩沖存儲器中存放的是當前使用得最多的程序代碼和數(shù)據(jù)，即主存中部分內容的副本。在嵌入式系統(tǒng)中Cache全部都集成在嵌入式微處理器內。可分為數(shù)據(jù)Cache、指令Cache或混合Cache。不同的處理器其Cache的大小不一樣。一般32位的嵌入式微處理器都內置Cache。10/11/202218哈爾濱工業(yè)大學電子與信息技術研究院(威海)通信工程系概述Cache命中：CPU每次讀取主存時，Cache控制器都要檢查CPU送出的地址，判斷CPU要讀取的數(shù)據(jù)是否在Cache中，如果在就稱為命中。Cache未命中：讀取的數(shù)據(jù)不在Cache中，則對主存儲器進行操作，并將有關內容置入Cache。寫入方法：通寫（WriteThrough）：寫Cache時，Cache與對應內存內容同步更新?；貙懀╓riteBack）：寫Cache時，只有寫入Cache內容移出時才更新對應內存內容。10/11/202219哈爾濱工業(yè)大學電子與信息技術研究院(威海)通信工程系CPU地址索引機構置換控制器高速緩沖存儲器主存段（頁）地址高位地址低位地址地址總線數(shù)據(jù)總線

Cache結構框圖10/11/202220哈爾濱工業(yè)大學電子與信息技術研究院(威海)通信工程系概述主存主存是處理器能直接訪問的存儲器，用來存放系統(tǒng)和用戶的程序和數(shù)據(jù)。嵌入式系統(tǒng)的主存可位于SoC內和SoC外，片內存儲器存儲容量小、速度快，片外存儲器容量大?？梢宰鲋鞔娴拇鎯ζ饔校篟OM類：NorFlash、EPROM、E2PROM、PROM等RAM類：SRAM、DRAM、SDRAM等10/11/202221哈爾濱工業(yè)大學電子與信息技術研究院(威海)通信工程系靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）

內部結構由正反器電路組成S=1、R=0時,輸出Q=1S=0、R=1時,輸出Q=0

每一位存儲單元電路需要6個晶體管

圖SRAM結構

概述10/11/202222哈爾濱工業(yè)大學電子與信息技術研究院(威海)通信工程系

特點數(shù)據(jù)存取速度較快

比較容易和處理器制造在同一個芯片中數(shù)據(jù)不需實時刷新但成本較高概述10/11/202223哈爾濱工業(yè)大學電子與信息技術研究院(威海)通信工程系概述靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）存儲信息：六管基本存儲電路典型芯片規(guī)格：2114（1KX4）6116（2KX8）6264（8KX8）62128（16KX8）62256（32KX8）A5A0A2A1CS-192114……1810VCCA9I/O1A6A4A3A7A8I/O2I/O3WE-

符號引腳名A0~A9地址輸入I/01~I/04數(shù)據(jù)輸入/輸出CS-片選WE-寫允許VCC、GND電源、地10/11/202224哈爾濱工業(yè)大學電子與信息技術研究院(威海)通信工程系動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）

內部結構存儲單元由一個電容和一個晶體管組成解碼線使晶體管導通后，通過

rd/wr

線讀取電容電壓，或者對電容充放電電容漏電，15.625微秒充電一次

圖DRAM結構

概述10/11/202225哈爾濱工業(yè)大學電子與信息技術研究院(威海)通信工程系

特點容量較大，約是

SRAM的4倍

成本低

但由于電容的充放電原因，數(shù)據(jù)需要進行實時刷新操作

概述10/11/202226哈爾濱工業(yè)大學電子與信息技術研究院(威海)通信工程系CPU刷新定時器仲裁電路定時發(fā)生器刷新地址計數(shù)器地址多路開關DRAM讀/寫地址總線地址RASCASWRDRAMController的邏輯框圖10/11/202227哈爾濱工業(yè)大學電子與信息技術研究院(威海)通信工程系概述外存外存是處理器不能直接訪問的存儲器，用來存放用戶的各種信息，容量大。在嵌入式系統(tǒng)中常用的外存有：NandFlashDOC（DiskOnChip）CF（CompactFlash）SD（SecureDigital）MMC（MultiMediaCard）等10/11/202228哈爾濱工業(yè)大學電子與信息技術研究院(威海)通信工程系電子盤電子盤采用半導體芯片來存貯數(shù)據(jù)，具有體積小、功耗低和極強的抗震性等特點。在嵌入式系統(tǒng)中普遍采用各種電子盤作為外存。常用的電子盤有：NandFlash、MMC、SD、MemeoryStick、CF、SM、DOC等。10/11/202229哈爾濱工業(yè)大學電子與信息技術研究院(威海)通信工程系電子盤10/11/202230哈爾濱工業(yè)大學電子與信息技術研究院(威海)通信工程系電子盤FlashcardmarketforMobilephonehas70%CAGR,and50%marketsharein’08.10/11/202231哈爾濱工業(yè)大學電子與信息技術研究院(威海)通信工程系Flash10/11/202232哈爾濱工業(yè)大學電子與信息技術研究院(威海)通信工程系Flash10/11/202233哈爾濱工業(yè)大學電子與信息技術研究院(威海)通信工程系SamsungNandflash10/11/202234哈爾濱工業(yè)大學電子與信息技術研究院(威海)通信工程系

NORNAND寫入/擦除一個塊的操作時間1～5s2～4ms讀性能1200～1500KB600～800KB寫性能<80KB200～400KB接口/總線SRAM接口/獨立的地址數(shù)據(jù)總線8位地址/數(shù)據(jù)/控制總線，I/O接口復雜讀取模式隨機讀取串行地存取數(shù)據(jù)成本較高較低，單元尺寸約為NOR的一半，生產過程簡單，同樣大小的芯片可以做更大的容量容量及應用場合1～64MB，主要用于存儲代碼8MB～4GB，主要用于存儲數(shù)據(jù)擦寫次數(shù)(耐用性)約10萬次約100萬次位交換(bit位反轉)少較多，關鍵性數(shù)據(jù)需要錯誤探測/錯誤更正(EDC/ECC)算法壞塊處理無，因為壞塊故障率少隨機分布，無法修正10/11/202235哈爾濱工業(yè)大學電子與信息技術研究院(威海)通信工程系MMCMultiMediaCardAssociation210+membersrepresentingtheleadingManufacturersofhostsystems,cards,components,connectors,etc.Membership:Executive(votingrights)&GeneralCommittees:Technical,Marketing,ComplianceOpenstandard,collectsnoroyaltiesCompliance&certificationprogramFocusonmobilephonesanddigitalimagingmarketsworldwide10/11/202236哈爾濱工業(yè)大學電子與信息技術研究院(威海)通信工程系MMC:Roadmapofcapacity10/11/202237哈爾濱工業(yè)大學電子與信息技術研究院(威海)通信工程系MMC的特點Highclockfrequency:26MHzand52MHzFlexiblebuswidth:13pinstosupport1to8datalines(host-selectablex1,x4andx8-bitbus)Datatransferrate:upto52MBytes/secThisisthehighestbustransferrateofallflashmemorycardstandardsavailableTodayBackwardcompatibletolegacyhosts10/11/202238哈爾濱工業(yè)大學電子與信息技術研究院(威海)通信工程系MMC的特點FullycompatiblewithMMCplus?Thefirstsmallformfactormemorycardstandardstoofferdual-voltageoperationatboth3Vand1.8VCompatiblewithnextgenerationmobilephonesystemspecificationsandmeetsthetoughestspaceSavingandlowpowerconsumptionrequirementsofmobilephonesandsmallconsumerelectronicsdevices10/11/202239哈爾濱工業(yè)大學電子與信息技術研究院(威海)通信工程系SDSD（SecureDigital）卡由松下電器、東芝和SanDisk聯(lián)合推出，1999年8月首次發(fā)布。2000年2月1日成立了SD協(xié)會（SDA），成員公司超過90個，其中包括Hewlett-Packard，IBM，Microsoft，Motorola，NEC、SamsungElectronics，ToyotaMotor等巨頭。SDA是開放式的，繳納1500美元就可以成為一般會員，繳納4000美元可以成為執(zhí)行會員。SD存貯卡的詳細規(guī)范并沒有公開，只有SDA會員或簽定了保密協(xié)議才能獲得。SD卡需付版稅32×24mm15×11mm10/11/202240哈爾濱工業(yè)大學電子與信息技術研究院(威海)通信工程系MemoryStick1997年7月Sony宣布開發(fā)MemoryStickMemoryStick被很多人形象地稱為口香糖存貯卡，其尺寸為50mm×21.5mm×2.8mm，重4克MemoryStick也包括了控制器在內，采用10針接口，數(shù)據(jù)總線為串行，最高頻率可達20MHz，電壓為2.7伏到3.6伏，電流平均為45mA10/11/202241哈爾濱工業(yè)大學電子與信息技術研究院(威海)通信工程系CompactFlashCompactFlash的誕生比較早，由最大的FlashMemory卡廠商之一美國SanDisk于1994年首次推出。大小僅為43mmx36mmx3.3mm，體積只有PCMCIA卡的1/4，看起來就像是PCMCIA卡的縮小版。CompactFlash提供了完整的PCMCIA-ATA功能而且通過ATA/ATAPI-4兼