嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程第16講第8章常用嵌入式存儲(chǔ)器和嵌入式總線技術(shù)課件

《嵌入式系統(tǒng)原理與開發(fā)》

第16講2008年07頁(yè)13日1第8章嵌入式存儲(chǔ)器和接口技術(shù)本章主要介紹以下內(nèi)容：嵌入式系統(tǒng)常用存儲(chǔ)器嵌入式系統(tǒng)常用總線嵌入式系統(tǒng)常用接口嵌入式系統(tǒng)常用外部設(shè)備2008年07頁(yè)13日2南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系8.1嵌入式系統(tǒng)常用存儲(chǔ)器嵌入式系統(tǒng)常用的存儲(chǔ)器主要有這幾類：ROM小規(guī)模容量、Bootloader載體容量16KB到32KBSRAMEmbeddedSRAM，簡(jiǎn)稱為嵌入式SRAM容量達(dá)幾百K字節(jié)、用作片上Cache、片上SRAMSDRAMSynchronousDynamicRandomAccessMemory高密度同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器容量在8MB至512MB范圍內(nèi)Flash存儲(chǔ)器大容量中低密度、最大容量達(dá)到32GB2008年07頁(yè)13日3南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系與傳統(tǒng)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的比較類型基本技術(shù)特點(diǎn)FLASH非易失、低成本、高密度、高速度、低功耗、高可靠性。ROM成熟技術(shù)、高密度、可靠、低成本、不揮發(fā)、掩模耗時(shí)長(zhǎng)、適合穩(wěn)定編碼的大規(guī)模生產(chǎn)。SRAM最快訪問速度、高功耗、低密度、高成本。EPROM高密度、不揮發(fā)、擦除時(shí)必須用紫外線光照射。EEPROM電可擦除、可進(jìn)行單字節(jié)的讀/擦除/寫、低可靠性、不揮發(fā)、高成本、低密度。數(shù)據(jù)保持時(shí)間最少10年。DRAM高密度、低成本、高速度、高功耗。

2008年07頁(yè)13日5南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系兩種類型的FlashNorFlash，稱為或非型閃存，或者NOR閃存NandFlash，稱為與非型閃存，或者NAND閃存NorFlash是在EEPROM基礎(chǔ)上發(fā)明的。Intel公司于1983年首次提出，在1988年商品化。NandFlash是1989年?yáng)|芝公司和三星公司發(fā)明的。十幾年以來(lái)，世界主要閃存生產(chǎn)商分成Nor和Nand兩大技術(shù)陣營(yíng)，積極開展研發(fā)和生產(chǎn)。Nor陣營(yíng)主要有Intel和AMD公司Nand陣營(yíng)主要有Toshiba和Samsung公司2008年07頁(yè)13日6南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系閃存位元工作原理Intel公司提出的單管疊柵位元結(jié)構(gòu)是基于EPROM隧道氧化層（ETOX，EPROMTunnelOxide）的位元結(jié)構(gòu)，該位元結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單實(shí)用。下面以ETOX結(jié)構(gòu)為例介紹Flash存儲(chǔ)器記憶位元的結(jié)構(gòu)原理。2008年07頁(yè)13日7南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系Flash存儲(chǔ)位元結(jié)構(gòu)圖2008年07頁(yè)13日9南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系Flash位元編程操作1FG上有電子，成為“0”位元2008年07頁(yè)13日10南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系Flash位元編程操作2FG上無(wú)電子，成為“1”位元，此時(shí)電子匯集在源極2008年07頁(yè)13日11南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系NorFlash記憶單元塊讀操作圖解2008年07頁(yè)13日13南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系NorFlash的讀操作說(shuō)明讀數(shù)據(jù)時(shí)，未被選中字線上的晶體管柵極為接地電平，致使晶體管截止，成為邏輯值“1”。選中字線上的柵極為高電平，并且這個(gè)晶體管的漏極會(huì)和該位線連通。于是位線上的電平邏輯取決于選中晶體管的邏輯。如果為“1”則晶體管導(dǎo)通，相應(yīng)讀出放大器（RA，ReadAmplifier）輸出“1”。如果為“0”，RA輸出也為“0”。NorFlash的邏輯功能類似于NOR門（或非門），由此而命名為NorFlash。2008年07頁(yè)13日14南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系NandFlash記憶單元塊的結(jié)構(gòu)核心結(jié)構(gòu)是將8個(gè)晶體管的漏極和源極頭尾相連接成一組，最高端接位線，最低端與高電壓的源極Vs相連接。存儲(chǔ)陣列的行線是字線，平時(shí)保持適合的電平狀態(tài)，使得這些晶體管通常是處于導(dǎo)通狀態(tài)。讀出數(shù)據(jù)時(shí)，被選中的字線加高電平，未選中字線上的存儲(chǔ)單元不論存儲(chǔ)的值是邏輯0還是邏輯1都是導(dǎo)通的。這樣，被選中的存儲(chǔ)單元如果存“1”則導(dǎo)通，輸出“1”，位線為高電平；如果存“0”則截止，位線為低電平，輸出“0”。這個(gè)邏輯功能類似于NAND門（與非門）。2008年07頁(yè)13日15南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系NorFlash存儲(chǔ)陣列分析以8行x8列的NorFlash存儲(chǔ)單元陣列為例，說(shuō)明下面三種操作的工作機(jī)理。擦除編程（寫操作）讀出參看教材243頁(yè)的NorFlash存儲(chǔ)矩陣分析2008年07頁(yè)13日17南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系NorFlash存儲(chǔ)陣列的擦除操作2008年07頁(yè)13日18南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系NorFlash存儲(chǔ)陣列的編程操作2008年07頁(yè)13日19南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系NANDFlash存儲(chǔ)陣列分析以8行X8列的NandFlash存儲(chǔ)單元陣列為例，說(shuō)明下面三種操作的工作機(jī)理。擦除編程（寫操作）讀出參看教材244頁(yè)的NandFlash存儲(chǔ)矩陣分析2008年07頁(yè)13日21南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系NandFlash存儲(chǔ)陣列的擦除操作2008年07頁(yè)13日22南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系NandFlash存儲(chǔ)陣列的編程操作2008年07頁(yè)13日23南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系典型的NandFlash閃存芯片的存儲(chǔ)單元立體陣列結(jié)構(gòu)下面給出一個(gè)典型的NandFlash閃存芯片的存儲(chǔ)單元立體陣列結(jié)構(gòu)示意圖。每1個(gè)存儲(chǔ)頁(yè)呈平面形狀，含512個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)空間。此外在一個(gè)頁(yè)面上還有16個(gè)字節(jié)的備用字節(jié)區(qū)，用陰影線示出。備用字節(jié)區(qū)用于存放糾錯(cuò)碼（ECC：ErrorCorrectingCode）校驗(yàn)和其他信息，有時(shí)也被稱為OutOfBank區(qū)域，即OOB區(qū)。每32個(gè)頁(yè)構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)塊，數(shù)據(jù)塊的容量是16KB。該閃存器件一共集成有2048個(gè)塊，所以總?cè)萘窟_(dá)到32MB，或者256Mb。2008年07頁(yè)13日25南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系NandFlash記憶單元立體陣列2008年07頁(yè)13日26南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系典型NandFlash讀操作時(shí)序狀態(tài)讀操作是通過(guò)4個(gè)地址周期將命令字00H、列地址、行地址1和行地址2寫入到指令寄存器開始的2008年07頁(yè)13日27南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系閃存驅(qū)動(dòng)NorFlash存儲(chǔ)器可以進(jìn)行字節(jié)讀寫，所以在NorFlash存儲(chǔ)器上運(yùn)行代碼基本上不需要軟件支持。NandFlash存儲(chǔ)器由于其物理特性獨(dú)特，數(shù)據(jù)讀寫比較復(fù)雜，對(duì)其存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)管理方法與其他存儲(chǔ)設(shè)備的管理方法不同，需要軟件支持。NandFlash的存儲(chǔ)單位有字節(jié)、頁(yè)和塊。一頁(yè)大小為512字節(jié)，依次分成兩個(gè)256字節(jié)主數(shù)據(jù)區(qū)（512字節(jié)，正好等于磁盤一個(gè)扇區(qū)大小），最后是16字節(jié)空閑區(qū)（SpareData）。若干頁(yè)組成一塊，通常為32頁(yè)。一個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備又由若干塊組成。2008年07頁(yè)13日29南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系NOR閃存HY29LV160與S3C44B0X處理器的接線CPU對(duì)NorFlash的接口不需要其他任何軟件上的設(shè)置。這樣，系統(tǒng)加電復(fù)位時(shí)，從NorFlash的0x0地址開始執(zhí)行第1條指令，也就開始執(zhí)行了NorFlash里的啟動(dòng)代碼。2008年07頁(yè)13日30南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系NAND閃存K9F2808U0A

功能方框圖

2008年07頁(yè)13日31南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系NAND閃存K9F2808U0A的

地址信號(hào)線分析K9F2808U0A總?cè)萘渴?6MB=224Bytes，地址信號(hào)一共有24根。其中A0-A7為列地址，A9-A16為前一半寄存器行地址，A17-A23和外加的低電平“L”為后一半寄存器行地址。A8由00h或01h命令設(shè)置為"Low"或者"High"。00H命令定義了起始地址在寄存器的前一半，01H命令定義了起始地址在寄存器的后一半。2008年07頁(yè)13日32南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系NAND閃存K9F2808U0A與S3C44B0X處理器的連接方法NAND型閃存K9F2808U0A與與不帶NAND控制器的S3C44B0X的連接方法如下圖（教材圖8-12）所示。2008年07頁(yè)13日33南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系8.1.2SDRAMSDRAM（SynchronousDRAM）是同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器。從技術(shù)角度上講，同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器是在現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)DRAM中加入同步控制邏輯（一個(gè)狀態(tài)機(jī)），利用一個(gè)單一的系統(tǒng)時(shí)鐘同步所有的地址數(shù)據(jù)和控制信號(hào)，做到SDRAM的時(shí)鐘頻率與CPU前端總線時(shí)鐘頻率相同，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器讀寫速度與CPU的處理速度保持一致。嵌入式系統(tǒng)通常直接使用一顆SDRAM芯片作為主存儲(chǔ)器。2008年07頁(yè)13日34南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系S3C44B0X的SDRAM配置計(jì)算表總?cè)萘?芯片粒數(shù)/單元數(shù)/芯片位寬/Bank數(shù)之間的計(jì)算關(guān)系2008年07頁(yè)13日35南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系SDRAM芯片實(shí)例IS42S16400同步動(dòng)態(tài)RAM芯片是美國(guó)ISSI公司的產(chǎn)品?？?cè)萘繛?4Mbit，存儲(chǔ)組織為1Mx16bitsx4Bank。時(shí)鐘頻率為133MHz或者100MHz。全部信號(hào)同步于時(shí)鐘的上升沿。單一3.3V電源供電。下面給出了該SDRAM芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。2008年07頁(yè)13日36南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系SDRAM芯片

IS42S16400同步內(nèi)存芯片結(jié)構(gòu)圖2008年07頁(yè)13日37南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系32MB同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器與S3C44B0X處理器的接線HY57V561620(L)T芯片與S3C44B0X的接線圖2008年07頁(yè)13日38南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系8.2嵌入式系統(tǒng)常用總線從電信號(hào)角度看，嵌入式產(chǎn)品里面內(nèi)連在PCB上的設(shè)備以及外接的設(shè)備大都采用總線方式連接。這些總線的控制器以兩種方式存在。一種是集成在處理器內(nèi)部，另外一種是以專用芯片形式出現(xiàn)。下面我們介紹常用的嵌入式系統(tǒng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。包括：I2C總線、SPI總線、CAN總線、現(xiàn)場(chǎng)總線概論、基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線（FF）、現(xiàn)場(chǎng)總線104總線。2008年07頁(yè)13日39南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系8.2.1I2C總線（IIC總線）I2C總線（Inter－IntegratedCircuit，IIC也是常用寫法）是1980年代初由PHILIPS公司發(fā)明的一種雙向二進(jìn)制同步串行總線，它是目前SOC控制外圍設(shè)備的常用總線。I2C是一個(gè)廉價(jià)優(yōu)質(zhì)的總線適用于消費(fèi)電子、通訊電子、工業(yè)電子等領(lǐng)域的低速器件。2008年07頁(yè)13日40南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系I2C總線的技術(shù)特征I2C總線是一個(gè)簡(jiǎn)單的雙向兩總線物理上一共有兩條信號(hào)線和一條地線。兩條信號(hào)線分別為串行數(shù)據(jù)線(SDA，SerialData)和串行時(shí)鐘線(SCL，SerialClock)。使用集電極開路門以“線與”（Wired-AND）方式與IIC連接，而不是通常的三態(tài)門。IIC總線不設(shè)置仲裁器和時(shí)鐘發(fā)生器，而是通過(guò)定義一個(gè)仲裁過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)總線仲裁，并由仲裁勝利方提供總線時(shí)鐘。2008年07頁(yè)13日41南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系I2C總線的技術(shù)特征（續(xù)）I2C總線中的每一個(gè)設(shè)備都有唯一的7位地址，也就是說(shuō)一個(gè)I2C總線系統(tǒng)中理論上可掛接128個(gè)不同地址的設(shè)備。采用I2C總線連接的設(shè)備處于主從模式，主設(shè)備既可接受數(shù)據(jù)，也可發(fā)送數(shù)據(jù)。I2C總線是一個(gè)真正多主總線，可以有許多主機(jī)共設(shè)備于一條總線上。I2C總線含沖突檢測(cè)和競(jìng)爭(zhēng)功能，從而確保當(dāng)多個(gè)主設(shè)備同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)不會(huì)造成數(shù)據(jù)沖突。I2C總線是一個(gè)串行的8位雙向數(shù)據(jù)傳送總線。在標(biāo)準(zhǔn)模式下，數(shù)據(jù)傳輸速率為100Kbps；在快模式下，數(shù)據(jù)傳輸速率為400Kbps；在高速模式下，數(shù)據(jù)傳輸速率為3.4Mbps。2008年07頁(yè)13日42南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系IIC總線結(jié)構(gòu)示意圖2008年07頁(yè)13日43南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系I2C總線的傳輸規(guī)范由于I2C總線的連線少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可不用專門的母板和插座直接用導(dǎo)線互連各個(gè)設(shè)備，因而可大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。每一個(gè)設(shè)備都可以作為主設(shè)備或者是從設(shè)備，例如存儲(chǔ)器之類的設(shè)備就可以既是主設(shè)備又是從設(shè)備。I2C總線的數(shù)據(jù)傳輸包括位傳輸和字節(jié)傳輸兩方面。當(dāng)位傳輸時(shí)，必須有一個(gè)時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生。此外，由于I2C總線中接口連接器件的制作工藝不同（如CMOS，NMOS等），位的邏輯0和1的電平并不是固定的，它根據(jù)連接的電源VDD來(lái)確定。2008年07頁(yè)13日44南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系I2C總線的傳輸規(guī)范（續(xù)1）僅當(dāng)SCL信號(hào)線為穩(wěn)定高電平時(shí)，SDA信號(hào)線上的數(shù)據(jù)有效；當(dāng)SCL信號(hào)線為低電平時(shí)，允許SDA信號(hào)線上的數(shù)據(jù)改變。每一位數(shù)據(jù)傳輸需要一個(gè)時(shí)鐘脈沖。如下圖所示：I2C總線數(shù)據(jù)穩(wěn)定與變化的時(shí)序圖

2008年07頁(yè)13日45南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系I2C總線的傳輸規(guī)范（續(xù)2）在位傳輸時(shí)，有兩個(gè)重要的傳輸位：START（開始位）和STOP（結(jié)束位）。START位出現(xiàn)在SDA信號(hào)線電平由高向低轉(zhuǎn)換并且SCL信號(hào)線電平為高的場(chǎng)合。STOP位出現(xiàn)在當(dāng)SDA信號(hào)線電平由低向高轉(zhuǎn)換并且SCL信號(hào)線維持高電平場(chǎng)合。在位傳輸時(shí)，START與STOP的位置如圖所示：時(shí)序圖中開始位置與停止位置圖

2008年07頁(yè)13日46南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系I2C總線的傳輸規(guī)范（續(xù)3）在字節(jié)傳輸時(shí)，傳送到SDA線上的每一個(gè)字節(jié)必須為8位；每次傳送的字節(jié)數(shù)不限；每一個(gè)字節(jié)后面必須跟一個(gè)響應(yīng)位。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，首先傳輸最高有效位（MSB，MostSignificantBit）。如果在傳輸?shù)倪^(guò)程中，從設(shè)備不能一次接收完一個(gè)字節(jié)，此時(shí)它就使時(shí)鐘置為低電平，迫使主設(shè)備等待；當(dāng)從設(shè)備能接收下一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后，將釋放SCL線，繼續(xù)后面的數(shù)據(jù)傳輸。如下圖所示為數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序圖：I2C總線中數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序圖

2008年07頁(yè)13日47南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系S3C44B0X的I2C總線讀寫操作（1）讀寫操作在發(fā)送模式下（即寫操作），數(shù)據(jù)被發(fā)送之后，I2C總線接口會(huì)等待直到IICDS（I2C數(shù)據(jù)移位寄存器）被程序?qū)懭胄碌臄?shù)據(jù)。在新的數(shù)據(jù)被寫入之前，SCL線都被拉低。新的數(shù)據(jù)寫入之后，SCL線被釋放。S3C44B0X利用中斷來(lái)判別當(dāng)前數(shù)據(jù)字節(jié)是否已經(jīng)完全送出。CPU接收到中斷請(qǐng)求后，在中斷處理程序中將下一個(gè)新的數(shù)據(jù)寫入IICDS中，如此循環(huán)。2008年07頁(yè)13日48南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系在接收模式下（即讀操作），數(shù)據(jù)被接收到后，I2C總線接口將等待直到IICDS寄存器被程序讀出。在數(shù)據(jù)被讀出之前，SCL線保持低電平。新的數(shù)據(jù)被讀取之后，SCL線才被釋放。S3C44B0X也利用中斷來(lái)判別是否接收到了新的數(shù)據(jù)。CPU收到中斷請(qǐng)求之后，處理程序?qū)腎ICDS中讀取數(shù)據(jù)。S3C44B0X的I2C總線讀寫操作（續(xù)1）2008年07頁(yè)13日49南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系S3C44B0X的I2C總線讀寫操作（續(xù)2）（2）配置I2C總線要控制串行時(shí)鐘SCL的頻率，可以通過(guò)IICCON寄存器中的4位預(yù)分頻值來(lái)設(shè)置。另外，I2C總線接口地址通過(guò)I2C總線地址寄存器IICADD來(lái)配置（默認(rèn)狀態(tài)下，I2C總線接口地址是一個(gè)未知值）。2008年07頁(yè)13日50南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系S3C44B0X的I2C總線控制器S3C44B0X支持多主模式的IIC總線串行接口。S3C44B0X處理器提供專用串行數(shù)據(jù)線（SDA）和串行時(shí)鐘線（SCL）與IIC總線上的其他外設(shè)傳輸信息，提供4種傳輸模式：主發(fā)送，主接收，從發(fā)送，從接收。I2C總線接口專用寄存器有4個(gè)，包括：多主I2C總線控制寄存器IICCON、狀態(tài)寄存器IICSTATD、I2C總線地址寄存器IICADD、I2C總線發(fā)送／接收數(shù)據(jù)移位寄存器IICDS。它們都是可讀可寫寄存器。2008年07頁(yè)13日51南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系8.2.2SPI總線串行外圍設(shè)備接口（SPI：SerialPeripheralInterface）是Motorola公司推出的一種同步串行接口技術(shù)。由于它起到了串行總線的作用，有不少業(yè)內(nèi)人士將SPI稱為同步串行總線接口。SPI主要用于主從分布式的通信網(wǎng)絡(luò)。由4根接口線即可完成主從設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信。這4根接口線分別是：時(shí)鐘線（SCLK）、數(shù)據(jù)輸入線（SDI）、數(shù)據(jù)輸出線（SDO）、片選線（CS）。2008年07頁(yè)13日52南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系SPI串行總線的典型結(jié)構(gòu)SPI標(biāo)準(zhǔn)中沒有定義最大數(shù)據(jù)速率。取決于外部設(shè)備自己定義的最大數(shù)據(jù)速率，通常為5Mbps量級(jí)以上。微處理器可以適應(yīng)很寬范圍的SPI數(shù)據(jù)速率。下面給出了SPI總線的結(jié)構(gòu)示意圖2008年07頁(yè)13日53南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系8.2.3CAN總線CAN全稱為“ControllerAreaNetwork”，即控制器局域網(wǎng)，是一種串行數(shù)據(jù)通信總線，也是應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線。CAN最初由德國(guó)RobertBasch及幾個(gè)半導(dǎo)體集成電路制造商開發(fā)出來(lái)的，目的是為了節(jié)省接線的工作量，目前CAN芯片由Motorola，Intel等公司生產(chǎn)。巳由ISO/TC22技術(shù)委員會(huì)批準(zhǔn)為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IS011898（高速場(chǎng)合）和ISO11519（低速場(chǎng)合），是最早被批準(zhǔn)為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線。2008年07頁(yè)13日54南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系8.2.3.1什么是現(xiàn)場(chǎng)總線？現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）是1980年代后期開始出現(xiàn)的工控領(lǐng)域通信網(wǎng)絡(luò)，是安裝在生產(chǎn)過(guò)程區(qū)域的智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（儀表）與總控制站內(nèi)的自控裝置之間的一種串行、數(shù)字式、多點(diǎn)、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，被稱為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)?，F(xiàn)階段流行使用的現(xiàn)場(chǎng)總線有：FFH1、PROFIBUS、CAN、WORLDFIP、P-NET和LONWORKS等?，F(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)是：數(shù)字化、分布式、開放性、雙向串行傳輸互操作性、節(jié)省布線空間等。1999年底現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議已被國(guó)際電工委員會(huì)（IEC，InternationalElectro-technicalCommission）批準(zhǔn)正式成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，從而使現(xiàn)場(chǎng)總線成為一種開放的技術(shù)。2008年07頁(yè)13日55南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)目前，現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)是現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)（FF，F(xiàn)ieldbusFundation）。該機(jī)構(gòu)是一個(gè)國(guó)際性的非贏利性組織，于1994年6月成立，其總部位于美國(guó)的德州奧斯汀市。FF的目標(biāo)是建立單一的、開放的、可互操作的現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)組織給予國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)起草工作組以強(qiáng)大的支持，起著舉足輕重的作用。這個(gè)組織目前有l(wèi)00多成員單位，包括了全世界主要的過(guò)程控制產(chǎn)品及系統(tǒng)的生產(chǎn)公司。2008年07頁(yè)13日56南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系一個(gè)典型的開放式現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，是儀表及過(guò)程控制領(lǐng)域向數(shù)字化通訊領(lǐng)域的技術(shù)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。FF自1984年成立以來(lái)，經(jīng)過(guò)十年的發(fā)展，已經(jīng)形成了一個(gè)開放的、全數(shù)字化的工業(yè)通信系統(tǒng)，并在上世紀(jì)末開始進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，推動(dòng)了中國(guó)的工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)步。在大型全區(qū)域系統(tǒng)集成方面FF有廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)分別于1996年和2000年頒布了兩種FF標(biāo)準(zhǔn)。低速總線H1（31.25Kbps）和高速以太網(wǎng)HSE（HighSpeedEthernet，100Mbps）。H1的分層模型自頂向下分為用戶應(yīng)用層、現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文規(guī)范層、現(xiàn)場(chǎng)總線訪問子層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，采用雙絞線連接各個(gè)結(jié)點(diǎn)?；饡?huì)現(xiàn)場(chǎng)總線（FF）2008年07頁(yè)13日57南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS一個(gè)典型的重要的現(xiàn)場(chǎng)總線。1987年由西門子公司等13家企業(yè)和5家研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合開發(fā)。1996年批準(zhǔn)為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170V.2PROFIBUS-FMS/-DP。PROFIBUS有兩個(gè)主要的通信協(xié)議，F(xiàn)MS和DP。前者用于車間級(jí)通信，在車間級(jí)主要是可編程的控制器（如PLC和PC）彼此之間的通信。后者用于總線主站與其所屬?gòu)恼驹O(shè)備之間進(jìn)行簡(jiǎn)單、快速、循環(huán)和時(shí)間確定性的過(guò)程性數(shù)據(jù)交換。2008年07頁(yè)13日58南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系8.2.3.2CAN主要技術(shù)特點(diǎn)CAN是一種多主串行通信總線系統(tǒng)。通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖。通信速率可達(dá)到1Mbps/40m，直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)10Km/5Kbps。最多可掛接110個(gè)設(shè)備。報(bào)文標(biāo)識(shí)符可達(dá)2032種(CAN2.0)。CAN的媒體訪問采用多主隨機(jī)發(fā)送協(xié)議。由于使用了NRZ（非歸零碼）作為傳輸碼元（發(fā)送隱式碼元時(shí)，總線與發(fā)送器間為高阻），實(shí)現(xiàn)了無(wú)沖突的媒體訪問協(xié)議CSMA/CA（載波偵聽多路存取/沖突避免）。2008年07頁(yè)13日59南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系CAN主要技術(shù)特點(diǎn)（續(xù)）CAN總線優(yōu)點(diǎn)包括：速度快，網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率高，糾錯(cuò)能力強(qiáng)，幀未結(jié)束時(shí)就可以得到確認(rèn)。CAN總線也有缺點(diǎn)。1）CAN的時(shí)延不確定。它每一幀包括0-8個(gè)字節(jié)的有效數(shù)據(jù)，所以，只有具有最高優(yōu)先權(quán)的幀的延時(shí)是確定的，其它幀只能根據(jù)一定的模型估算。2）由于CAN的數(shù)據(jù)傳輸方式單一，限制了它的功能，例如通過(guò)網(wǎng)上下載程序就比較困難。另外，CAN的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模比較小，一般在50個(gè)節(jié)點(diǎn)以下。2008年07頁(yè)13日60南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系CAN的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖CAN的最主要應(yīng)用領(lǐng)域是汽車電子，用于汽車環(huán)境中的微控制器通訊，在車載各電子控制裝置ECU之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。如下圖所示：CAN總線在汽車電子中的應(yīng)用示意圖2008年07頁(yè)13日61南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系微處理器內(nèi)置的CAN控制器舉例LPC2294是PHILIPS公司新推出的一款功能強(qiáng)大的超低功耗的具有ARM7TDMI內(nèi)核的32位微控制器。144腳封裝、兩個(gè)32位定時(shí)器、八路10位ADC、四路CAN通道和PWM通道以及多達(dá)九個(gè)的外部中斷，內(nèi)部嵌入256K字節(jié)高速Flash存儲(chǔ)器和16K字節(jié)靜態(tài)RAM，包含76（使用了外部存儲(chǔ)器）~112（單片）個(gè)GPIO口。LPC2294內(nèi)部集成的4個(gè)CAN控制器符合CAN規(guī)范CAN2.0B，ISO11989-1標(biāo)準(zhǔn)?？偩€數(shù)據(jù)波特率都可達(dá)1Mbps；可訪問32位的寄存器和RAM；全局驗(yàn)收過(guò)濾器可識(shí)別幾乎所有總線的11位和29位Rx標(biāo)識(shí)符。2008年07頁(yè)13日62南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系8.2.4工業(yè)以太網(wǎng)將以太網(wǎng)技術(shù)引入到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制領(lǐng)域是當(dāng)前工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的潮流。下面我們介紹工業(yè)以太網(wǎng)基本知識(shí)。2008年07頁(yè)13日63南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系以太網(wǎng)歷史沿革以太網(wǎng)于1973年由Xerox（施樂）公司創(chuàng)建，1980年由DEC、Intel和Xerox三家公司聯(lián)合開發(fā)，1982年作為IEEE802.3局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)公布于世。最初的以太網(wǎng)只有10Mbps的傳輸速率，所使用的訪問控制方法是CSMA／CD（載波偵聽多路訪問/沖突檢測(cè)）?，F(xiàn)在，以太網(wǎng)成為應(yīng)用最為廣泛的局域網(wǎng)，包括標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)（10Mbps）、快速以太網(wǎng)（100Mbps）、千兆以太網(wǎng)（1000Mbps）和10G以太網(wǎng)（10Gbps），它們都符合IEEE802.3系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。2008年07頁(yè)13日64南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)環(huán)境下使用的以太網(wǎng)稱為工業(yè)以太網(wǎng)（IndustryEthernet）。工業(yè)以太網(wǎng)與普通以太網(wǎng)非常類似，只是在數(shù)據(jù)的冗余處理和可靠性處理方面進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)以便用于苛刻的工廠環(huán)境。工業(yè)以太網(wǎng)使用的局域網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與嵌入式系統(tǒng)使用的類似，主要采用網(wǎng)速為10Mbps的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，同時(shí)也少量地采用了100Mbps的快速以太網(wǎng)。2008年07頁(yè)13日65南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議棧結(jié)構(gòu)ISO/OSI七層參考模型與工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層的比較如圖所示：

2008年07頁(yè)13日66南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)的比較現(xiàn)場(chǎng)總線作為工控自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟，但是由于現(xiàn)場(chǎng)總線的功能單一和實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一，使得企業(yè)在不同的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下需要使用不同類型的現(xiàn)場(chǎng)總線，沿著開放的方向發(fā)展步履艱難。此外，現(xiàn)場(chǎng)總線類型的選擇非常棘手，多類型現(xiàn)場(chǎng)總線的使用又使得整個(gè)控制系統(tǒng)顯得相當(dāng)混亂。近年來(lái)，工業(yè)以太網(wǎng)作為一種新興、統(tǒng)一、快速發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)，已逐漸出現(xiàn)了取代現(xiàn)場(chǎng)總線的趨勢(shì)，成為工控與自動(dòng)化領(lǐng)域趨勢(shì)論題中的一個(gè)熱門話題，顯示了工業(yè)以太網(wǎng)良好的發(fā)展預(yù)期。2008年07頁(yè)13日67南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)的比較工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下方面：⑴高速數(shù)據(jù)傳輸率。可提供各種可能的帶寬，換言之帶寬不受限制。⑵資源共享能力強(qiáng)。容易做到系統(tǒng)與設(shè)備之間方便地傳送數(shù)據(jù)?？刂圃O(shè)備上的數(shù)據(jù)容易以實(shí)時(shí)方式與信息系統(tǒng)上的資源、應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)共享。⑶廣泛的技術(shù)支持。幾乎所有的編程語(yǔ)言都支持以太網(wǎng)的應(yīng)用開發(fā)。⑷與因特網(wǎng)連接方便。TCP/IP協(xié)議是工業(yè)以太網(wǎng)的上層協(xié)議，開放性能良好。目前已經(jīng)有工業(yè)以太網(wǎng)與TCP/IP協(xié)議的接口模塊，因此工業(yè)以太網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)廣域網(wǎng)絡(luò)連接。⑸大多數(shù)技術(shù)人員熟悉以太網(wǎng)，無(wú)需技術(shù)培訓(xùn)方面的投資。2008年07頁(yè)13日68南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)的比較（續(xù)）工業(yè)以太網(wǎng)也有缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下方面：⑹成本高，是工業(yè)以太網(wǎng)用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的最大障礙。例如，銅介質(zhì)的Ethernet傳輸距離還無(wú)法突破100m，這對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)儀表來(lái)說(shuō)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，而如果長(zhǎng)距離地采用多芯電纜卻費(fèi)用昂貴。再如，Ethernet無(wú)法供電，與現(xiàn)場(chǎng)總線相比，需要另配電纜，在成本上也處于劣勢(shì)。另外，如果將TCP/IP的模塊或芯片嵌入到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中，就意味著配置更好的CPU、更大的內(nèi)存，也仍然會(huì)增加設(shè)備成本。⑺由于現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)展了十多年，能夠支持的智能控制設(shè)備較多，客戶在研發(fā)新的控制系統(tǒng)時(shí)開發(fā)周期短，上馬快。然而工業(yè)以太網(wǎng)目前支持的控制設(shè)備和產(chǎn)品還不多，新系統(tǒng)開發(fā)周期長(zhǎng)，市場(chǎng)影響力不如現(xiàn)場(chǎng)總線。

2008年07頁(yè)13日69南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)指標(biāo)工業(yè)以太網(wǎng)的主要技術(shù)指標(biāo)有以下幾個(gè)：

最大響應(yīng)時(shí)間。對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)的報(bào)文，在網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的情況下，報(bào)文從發(fā)送到接收后產(chǎn)生響應(yīng)所經(jīng)歷的最大的延遲時(shí)間。

數(shù)據(jù)包丟失率。在正常工作的情況下，指定時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)包的丟失數(shù)目。

傳輸介質(zhì)。普通以太網(wǎng)傳輸介質(zhì)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試結(jié)果并不令人滿意。以太網(wǎng)的傳輸介質(zhì)是否能保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠地傳輸是重要的選擇標(biāo)準(zhǔn)。

傳輸速率。在網(wǎng)絡(luò)正常工作的情況下，單位時(shí)間所能傳送的比特位數(shù)。

突發(fā)事件的處理。在以太網(wǎng)出現(xiàn)一些意外情況時(shí)，應(yīng)有相應(yīng)的緊急處理措施以保證數(shù)據(jù)不至于丟失和損壞。2008年07頁(yè)13日70南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系8.2.5PC-104總線PC-104是一種專門為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線標(biāo)準(zhǔn)。它被IEEE協(xié)會(huì)定義為IEEE-P996.1標(biāo)準(zhǔn)。PC-104實(shí)質(zhì)上是一種優(yōu)化的，小型堆棧式結(jié)構(gòu)的嵌入式工業(yè)控制總線標(biāo)準(zhǔn)。它有以下三個(gè)特點(diǎn)：（1）微型化結(jié)構(gòu)（2）堆棧式連接（3）小功率總線驅(qū)動(dòng)2008年07頁(yè)13日71南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系PC-104總線特點(diǎn)（1）微型化結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)模塊的外形尺寸是3.6×3.8英寸（96×90mm）。微型化的結(jié)構(gòu)使其更容易嵌入到機(jī)器設(shè)備、控制系統(tǒng)、儀器儀表、智能產(chǎn)品和軍事裝備中，提供智能化控制。2008年07頁(yè)13日72南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系PC-104總線特點(diǎn)（續(xù)1）（2）堆棧式連接去掉總線背板和插板滑道，總線以“針”和“孔”形式層疊連接，即PC-104總線模塊之間總線的連接是通過(guò)上層的針和下層的孔相互咬和相連，這種層疊封裝有極好的抗震性和抗沖擊性，能使其在環(huán)境異常惡劣的控制系統(tǒng)中得以廣泛應(yīng)用和推廣。2008年07頁(yè)13日73南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系PC-104總線驅(qū)動(dòng)（續(xù)2）（3）小功率總線驅(qū)動(dòng)PC-104微型化的結(jié)構(gòu)減少元件數(shù)量和電源消耗，4mA總線驅(qū)動(dòng)即可使模塊正常工作，每個(gè)模塊1~2瓦功耗，大大提高了總線的驅(qū)動(dòng)能力。2008年07頁(yè)13日74南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系PC-104總線外觀結(jié)構(gòu)PC-104總線插板可以堆疊，請(qǐng)參看組裝圖。2008年07頁(yè)13日75南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系補(bǔ)充內(nèi)容*閃存文件系統(tǒng)NandFlash的主要操作有ReadChipID，read，Write和Erase等?；贜andFlash上的特殊的文件系統(tǒng)稱之為閃存文件系統(tǒng)（Flash，F(xiàn)FS）。參看教材圖8-9(a)。FFS從功能上分為兩個(gè)層次：一個(gè)是底層的閃存轉(zhuǎn)換層，封裝底層一些特殊復(fù)雜的管理控制功能。例如：磨損控制、壞塊管理等；另一個(gè)是高層的文件管理層，在閃存轉(zhuǎn)換層之上，類似于普通磁盤上的通用文件系統(tǒng)，向上提供一些標(biāo)準(zhǔn)的文件系統(tǒng)接口，例如：格式化、打開文件、關(guān)閉文件、查找文件、讀文件、刪除文件等。2008年07頁(yè)13日76南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系物理閃存操作層次結(jié)構(gòu)MTD/FTL層向上將閃存設(shè)備抽象成邏輯設(shè)備（邏輯頁(yè)面和塊），為文件系統(tǒng)提供對(duì)物理設(shè)備操作的接口；向下實(shí)現(xiàn)對(duì)物理閃存設(shè)備的讀寫、清零、ECC校驗(yàn)等工作。參看下圖。

2008年07頁(yè)13日77南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系Linux的MTD介紹之一一般認(rèn)為，Linux的MTD設(shè)備可分為四層（從設(shè)備節(jié)點(diǎn)直到底層硬件驅(qū)動(dòng)）這四層從上到下依次是：設(shè)備節(jié)點(diǎn)MTD設(shè)備層MTD原始設(shè)備層硬件驅(qū)動(dòng)層MTD的所有源代碼在/drivers/mtd子目錄下。2008年07頁(yè)13日78南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系Linux的MTD介紹之二MTD原始設(shè)備：原始設(shè)備層有兩部分組成，一部分是MTD原始設(shè)備的通用代