《嵌入式系統(tǒng)原理與開發(fā)》課件-第3章

第3章嵌入式硬件平臺3.1引言

3.2嵌入式硬件平臺概述

3.3總線

3.4存儲設備

3.5I/O設備

3.6通信設備3.7其他

思考與練習題

3.1引言

嵌入式系統(tǒng)的硬件除了核心部件——嵌入式處理器外，還包括存儲器系統(tǒng)、外圍接口部件以及連接各種設備的總線系統(tǒng)。其中，存儲器是嵌入式系統(tǒng)存放數據和程序的功能部件，而外圍設備則決定了應用于不同領域的嵌入式系統(tǒng)的獨特功能。

本章在3.2節(jié)簡要介紹嵌入式硬件平臺。3.3節(jié)分析總線系統(tǒng)，內容包括總線協(xié)議、DMA、總線配置、總線實例。3.4節(jié)介紹嵌入式系統(tǒng)的存儲設備，包括嵌入式系統(tǒng)存儲器子系統(tǒng)的結構、RAM、ROM和Flash。在3.5節(jié)中介紹嵌入式系統(tǒng)的I/O設備，其中具體分析了定時器/計數器、ADC和DAC、人機接口設備(含鍵盤、LCD、觸摸屏)。在3.6節(jié)的通信設備中，主要介紹通用異步收發(fā)器(UART)、USB設備和Ethernet設備。3.7節(jié)講述其他附屬電路的有關問題，內容包括電源、時鐘、復位和中斷。 3.2嵌入式硬件平臺概述

嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)中硬件的核心組成部分，但是若沒有存儲器和I/O設備，它就無法具有各種實用的功能。嵌入式處理器通常集成了大量的I/O模塊單元(如中斷控制器和通信控制器等)和存儲器(Flash和RAM等)。當嵌入式處理器上集成的存儲器單元和I/O單元不夠時，可以通過擴充來組成強大的嵌入式硬件系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)的硬件是以嵌入式處理器為中心，由存儲器、I/O單元電路、通信模塊、外部設備等必要的輔助接口組成的，如圖3-1所示。圖3-1嵌入式系統(tǒng)的硬件組成

3.3總線

3.3.1總線協(xié)議

1．握手協(xié)議

總線協(xié)議中的基本構件是四周期握手協(xié)議?？偩€握手信號的作用是控制每個總線周期中數據傳送的開始和結束，從而實現兩個設備間的協(xié)調和配合，保證數據傳送的可靠性。握手線用兩根連線enq(查詢)和ack(應答)來表示。在握手期間，使用專用的握手線來傳輸數據。因此，數據握手線必須以某種方式由信號的電壓變化來表明整個總線傳輸周期的開始和結束，以及在整個周期內每個子周期的開始和結束。一般地，四周期握手過程如圖3-2所示。圖3-2四周期握手協(xié)議對握手過程的描述如下：

(1)設備1升高它的輸出電平來發(fā)出查詢信號，它告訴設備2應準備好接收數據。

(2)當設備2準備好接收數據時，它通過升高它的輸出電平來發(fā)出應答信號。這時，設備1已準備好發(fā)送數據，設備2已準備好接收數據。

(3)一旦數據傳送完畢，設備2降低它的輸出電平表示它已經接收完數據。

(4)看到設備2的應答信號變低，設備1降低它的輸出電平。

2．總線讀/寫

微處理器總線在握手基礎上為CPU和系統(tǒng)其他部分建立通信?；镜目偩€操作包括讀和寫。圖3-3說明了一個支持讀和寫的典型總線結構。圖3-3典型的微處理器總線總線行為經常用時序圖來說明，時序圖表示了總線上的信號如何隨時間變化。圖3-4所示為某總線的時序圖，包括讀和寫兩部分。由于讀不改變設備和存儲器的任何狀態(tài)，因此總線通常處于讀狀態(tài)。CPU可以忽略數據線直到它要使用讀操作的結果為止。此外，還要注意在雙向線路上數據的傳輸方向并未在時序圖中指定。在讀過程中，外設或存儲器在數據線上發(fā)送數據；而在寫過程中，CPU控制數據線。圖3-4總線時序圖通?？梢杂每偩€握手信號來執(zhí)行突發(fā)傳輸，如圖3-5所示。在這個突發(fā)讀事務中，CPU發(fā)送一個地址信號，但接收的是一個數據值序列。我們給總線額外增加一根稱為Burst'?的線路。當事務是突發(fā)事務時，用它來向設備發(fā)信號；用釋放Burst'?信號來通知設備已傳輸了足夠的數據。圖3-5總線的突發(fā)讀事務總線事務的狀態(tài)圖是對時序圖的有效補充，圖3-6展示了讀操作的CPU和設備的狀態(tài)圖。當CPU決定執(zhí)行一個讀事務時，它轉換到新狀態(tài)，并發(fā)出讓設備正確工作的總線信號；而設備狀態(tài)轉換圖捕獲了它這一端的總線協(xié)議狀態(tài)。圖3-6總線讀事務的狀態(tài)圖3.3.2DMA

在每個讀/寫事務中間，標準總線事務要求CPU解決它與其他設備的信息交換問題。但是，某些數據傳輸不需要CPU介入，如I/O設備和存儲器之間的數據交換。要實現這類操作，就要求CPU以外的設備單元能夠控制總線上的操作。

直接存儲器訪問(DirectMemory-Access，DMA)是允許讀/寫不由CPU控制的總線操作。DMA使用一種稱為DMA控制器的專用硬件來完成外設與存儲器之間的高速數據傳送。DMA控制器從CPU請求總線控制，得到控制權后，控制器能像CPU那樣提供內存的地址和必要的讀/寫控制信號，實現直接在設備和存儲器之間的讀/寫操作。圖3-7展示了一個帶有DMA控制器的總線配置。圖3-7帶DMA控制器的總線3.3.3總線配置

一個微處理器系統(tǒng)可能使用多條總線來連接設備。如圖3-8所示，高速設備連到高速總線上，而低速設備連到低速總線上，通過一個被稱為橋的邏輯電路使得總線可以互連。圖3-8多總線系統(tǒng)3.3.4總線實例

這里以ARM的一個總線系統(tǒng)為例，簡單分析該系統(tǒng)的組成和特征。

由于ARM微處理器由不同的制造商制造，因此芯片外提供的總線隨芯片的變化而變化。ARM已經為單芯片系統(tǒng)創(chuàng)建了一個獨立的總線規(guī)格說明——AMBA規(guī)范。AMBA總線(ARM99A)支持將多個CPU、存儲器和外圍設備集成在片上系統(tǒng)中。如圖3-9所示，AMBA規(guī)格說明包括兩條總線：AHB和APB。其中，AMBA高性能總線(AHB)是為高速傳輸而經過優(yōu)化的，它直接連到CPU上并支持多種高性能總線的特性，如流水線技術、突發(fā)傳輸、分離事務和多總線主控器等。橋用來將AHB連到AMBA外圍設備總線(APB)上。圖3-9ARMAMBA總線系統(tǒng) 3.4存儲設備

3.4.1嵌入式系統(tǒng)存儲器子系統(tǒng)的結構

存儲器子系統(tǒng)設計的首要目標是使存儲器在工作速度上很好地與處理器匹配，并滿足各種存取需要。因此，體系結構的特性能夠提高存儲系統(tǒng)的速度和容量。隨著微電子技術的發(fā)展，微處理器的工作速度有了很大的提高。而微處理器時鐘頻率的提高比內存速度的提高要快，以至于內存速度遠遠落后于CPU速度。如果大量使用高速存儲器，使它們在速度上與處理器相吻合，就能夠簡便地解決問題。但是，這種方法受到經濟上的限制。因為隨著存儲器芯片速度的提高，其價格急劇上升，系統(tǒng)成本十分昂貴。在實際的計算機系統(tǒng)中，總是采用分級的方法來設計整個存儲器系統(tǒng)。圖3-10所示為這種分級存儲系統(tǒng)的組織結構示意圖，它把全部存儲系統(tǒng)分為四級，即寄存器組、高速緩存、內存和外存。它們在存取速度上依次遞減，而在存儲容量上逐級遞增。圖3-10分級存儲器系統(tǒng)3.4.2RAM

RAM(RandomAccessMemory，隨機存儲器)能夠隨時在任一地址讀出或寫入內容。RAM的突出優(yōu)點是讀/寫方便、使用靈活；缺點是不能長期保存信息，一旦停電，所存信息就會丟失。RAM在嵌入式系統(tǒng)中主要用于：

(1)存放當前正在執(zhí)行的程序和數據，如用戶的調試程序、程序的中間運算結構以及掉電時無需保存的I/O數據和參數等。

(2)作為I/O數據緩沖存儲器，如顯示輸出緩沖存儲器、鍵盤輸入緩沖存儲器等。以顯示輸出緩沖存儲器為例，它實質上就是在主存中開辟的一個存放字符、漢字、圖形、圖像等顯示信息的數據緩沖區(qū)。

(3)作為中斷服務程序中保護CPU現場信息的堆棧。隨機存儲器由兩大類組成：靜態(tài)隨機存儲器(StaticRAM)和動態(tài)隨機存儲器(DynamicRAM)。下面具體分析這兩種隨機存儲器的結構特征。

1．靜態(tài)RAM

靜態(tài)RAM(SRAM)的存儲單元電路是以雙穩(wěn)態(tài)電路為基礎的，因此狀態(tài)穩(wěn)定，只要不掉電，信息就不會丟失。靜態(tài)RAM的接口和操作時序如圖3-11所示。

圖3-11靜態(tài)RAM的接口和操作時序

2．動態(tài)RAM

動態(tài)RAM(DRAM)的存儲單元電路是以電容為基礎的，電路簡單，集成度高，功耗小。但是DRAM即使不掉電也會因電容放電而丟失信息，需要定時刷新，因此在工作時必須配合DRAM控制器。DRAM控制器是位于處理器和存儲器芯片之間的一個額外的硬件，如圖3-12所示。它的主要用途是執(zhí)行DRAM的刷新操作，使得DRAM中的數據有效。圖3-12DRAM通過DRAM控制器組成存儲器系統(tǒng)動態(tài)RAM的接口和讀/寫時序有其自身的特點?；緞討B(tài)RAM接口和讀時序如圖3-13所示。圖3-13基本動態(tài)RAM接口和讀時序

3．RAM的選擇

在設計嵌入式系統(tǒng)時，隨機存儲器的選擇一般有兩種：SRAM和DRAM。選擇時，通?？紤]以下因素：

(1)如果系統(tǒng)的隨機存儲器的容量不是很大，則一般采用SRAM；反之，選擇DRAM。

(2)對于特別高速度的應用，應使用SRAM。

(3)如果嵌入式系統(tǒng)對功耗敏感，可使用SRAM。因為DRAM需要定時刷新，消耗能力相對大，而SRAM在系統(tǒng)進入待機工作方式時，只需要微小的待機電流就可以維持數據不丟失。需要注意的是，SRAM的平均功耗低，但是工作時功耗不一定低。

(4)對于嵌入式處理器而言，有的嵌入式處理器芯片集成了DRAM控制器，這時選擇DRAM比較好。一般地，小規(guī)模的嵌入式系統(tǒng)不建議使用分離的DRAM控制器+DRAM的方案，因為這種方案既會增加系統(tǒng)的復雜性(如電路板的面積、故障率等)，又會增加系統(tǒng)的成本。因此如果選用了DRAM，那么應盡量使用帶有DRAM控制器的嵌入式處理器，然后配合使用DRAM。

(5)目前，基于32位嵌入式處理器的嵌入式系統(tǒng)一般使用DRAM。

(6)復雜的嵌入式系統(tǒng)可以采用SRAM和DRAM混合設計的方案。不同要求的數據使用不同的隨機存儲器，以滿足系統(tǒng)整體的優(yōu)化設計。

(7)嵌入式系統(tǒng)的設計，在使用SRAM和DRAM的成本上，需要仔細地與整個系統(tǒng)的硬件一起進行核算，最終做出選擇。在選擇存儲器類型時，一般要考慮存取時間和成本。3.4.3ROM

ROM(Read-OnlyMemory，只讀存儲器)中的內容一經寫入，在工作過程中就只能讀出而不能重寫，即使掉電，寫入的內容也不會丟失。ROM在嵌入式系統(tǒng)中非常有用，常常用來存放系統(tǒng)軟件(如ROMBIOS)、應用程序等不隨時間改變的代碼或數據。

ROM可以分為工場可編程ROM和現場可編程ROM兩大類。有以下幾種不同類型的現場可編程ROM：

(1)可編程ROM(ProgrammedROM)。該類ROM只可編程一次，即用戶一次性編程寫入后就永久性地修改了芯片。

(2)紫外線可擦可編程ROM(UVErasableProgrammedROM，UV_EPROM)。該類ROM可以通過紫外線擦除后重復編程。

(3)電可擦可編程ROM(ElectricalProgrammedROM，EEPROM)。該類ROM允許用戶以字節(jié)為單位多次用電擦除和改寫存儲內容，而且可以直接在機內進行，不需要專用設備，方便靈活。3.4.4FlashMemory

FlashMemory(按塊擦除存儲器)是存儲器技術的最新發(fā)展。FlashMemory綜合了目前為止的所有存儲器件的優(yōu)點，主要特點是在不加電情況下能長期保存信息，同時又能在線進行快速擦除與重寫。從軟件的觀點來看，FlashMemory和EEPROM的技術十分類似。但是，EEPROM在擦寫和編程時要加高電壓，這意味著重新編程時必須將芯片從系統(tǒng)中拿出來。而FlashMemory使用標準電壓擦寫和編程，允許芯片在標準系統(tǒng)內部編程。這就允許FlashMemory在重新編程的同時存儲新的內容。此外，EEPROM必須被整體擦寫，而FlashMemory可以一塊一塊地擦寫。理想的存儲器應具有密度高、讀/寫速度快、價格低和非易失性的特點。但是，傳統(tǒng)的存儲器卻只能滿足這些要求中的一部分。FlashMemory的推出，恰好同時實現了所有這些優(yōu)良的存儲器特性。FlashMemory是一種高密度、低價格的高性能讀/寫存儲器，兼有功耗低、可靠性高等特點。表3-1所示為FlashMemory與傳統(tǒng)存儲器技術的比較。表3-1FlashMemory與傳統(tǒng)存儲器技術的比較

FlashMemory的編程操作比較麻煩，主要表現在以下3個方面：

(1)每一個存儲位置都必須在重寫操作之前被擦除。如果舊的數據沒有被擦除，那么寫操作的結果會是新、舊數值的某種邏輯組合，存儲的數據通常是錯誤的。

(2)一次只能有一個扇區(qū)或者塊被擦除，而且不可能只是擦除一個單個的字節(jié)。

(3)擦除舊數據的過程和寫入新數據的過程是隨著制造商的不同而變化的。因此在進行FlashMemory寫入操作時，提供一個軟件層來完成寫入和擦除操作比較方便，這個軟件層叫做FlashMemory的驅動程序。

FlashMemory不僅可以用作嵌入式系統(tǒng)的程序存儲器，還可以作許多其他的應用。

(1)?FlashMemory文件系統(tǒng)。因為FlashMemory提供了可被重寫的非易失性存儲，所以它可以被看做類似于任何其他的二級存儲系統(tǒng)，如硬盤。在作為文件系統(tǒng)的情況下，由驅動程序提供的函數要更加面向文件，可提供諸如open()、close()、read()、write()等標準文件系統(tǒng)函數。FlashMemory文件系統(tǒng)的組織與普通的外存基本相同。

(2)便攜設備的存儲裝置。隨著數碼產品的飛速發(fā)展，FlashMemory作為一種最常用的存儲裝置應用于數碼相機(如CF卡、XD卡、記憶棒等)、MP3等數碼產品中。 3.5I/O設備

3.5.1定時器/計數器

所有的嵌入式處理器都集成了定時器/計數器單元，系統(tǒng)中至少有一個定時器設備用作系統(tǒng)時鐘。定時器和計數器都是由帶有保存當前值的寄存器和可令當前寄存器值加1的增量輸入的加法器邏輯電路組成的。但是，定時器和計數器的用處不同，主要體現在：定時器的計數裝置是連到周期性時鐘信號上的，用來測量時間間隔；而計數器的計數裝置是連到非周期性信號上的，用來計算外部事件的發(fā)生次數。因為同樣的邏輯電路可以有這兩種使用方式，所以該設備經常被稱為“定時器/計數器”。嵌入式處理器上的定時器/計數器通常具有以下功能：

(1)嵌入式操作系統(tǒng)的任務調度，特別是具有時間片輪轉調度功能的嵌入式操作系統(tǒng)的任務調度，必須使用定時器產生時間片。

(2)嵌入式操作系統(tǒng)的軟件時鐘需要基于硬件定時器產生定時信號。

(3)通信電路的波特率發(fā)生器。

(4)實時時鐘電路。

(5)集成的片上A/D轉換和D/A轉換電路。

(6)具有液晶控制器的嵌入式處理器，用于液晶屏的刷新。

(7)處理器監(jiān)控電路，如看門狗等。

(8)集成的動態(tài)存儲器控制器，用于動態(tài)存儲器的刷新。

圖3-14展示了定時器/計數器的內部結構。圖3-14 定時器/計數器的內部結構3.5.2模/數轉換器和數/模轉換器

模/數(A/D)轉換器和數/模(D/A)轉換器是非數字設備(即模擬信號源)和嵌入式系統(tǒng)之間聯(lián)系的接口。

D/A轉換相對簡單，轉換器接口僅包括輸入值，輸入值被連續(xù)轉換成模擬信號。

A/D轉換器是將連續(xù)變化的模擬信號轉換為數字信號，以便計算機和數字系統(tǒng)進行處理、存儲、控制和顯示。A/D轉換需要更復雜的電路，所以也需要更復雜的接口。A/D轉換在將模擬輸入轉換為數字形式前需要對模擬輸入進行采樣?？刂菩盘柺沟肁/D轉換器進行采樣并將其數字化。典型的A/D轉換器接口除了模擬輸入外還有兩個主要的數字輸入，一個數據端口允許A/D寄存器被讀/寫；另一個時鐘輸入信號通知什么時候開始下一次轉換。A/D轉換器有若干種不同的類型，主要包括逐位比較型、積分型、計數型、并行比較型和電壓－頻率型。選用A/D轉換器時，主要應根據使用場合的具體需求，分析轉換速度、精度、價格、功能以及接口條件等因素，最終決定選擇的類型。3.5.3人機接口設備

1．鍵盤

鍵盤是標準的輸入設備，廣泛用于嵌入式產品，如微波爐、傳真機、復印機、激光打印機等。依賴鍵盤接口，嵌入式設備能夠處理用戶的輸入信息，將嵌入式控制器的功能發(fā)揮得更大。鍵盤可以用來輸入數字型數據或者選擇控制設備的操作模式。

鍵盤主要由一個開關陣列組成，此外還包括一些邏輯電路來簡化它到微處理器的接口。我們首先了解一個簡單開關的原理，然后再分析由微處理器控制的鍵盤。

開關使用機械接觸實現斷開或接觸電路，如圖3-15所示。圖3-15簡單的開關電路機械開關的主要問題是圖3-16所示的顫動。圖3-16開關顫動原始的鍵盤是開關的簡單集合，每個開關都有自己的一對引出線，直接連到處理器的輸入端口上。當開關的數目增加時，這種開關的組合方法將很快用完所有的輸入端口，原始鍵盤會變得不實用。更加實用的鍵盤通過排列開關形成如圖3-17所示的開關陣列。圖3-17掃描鍵盤陣列

2．LCD顯示器

液晶顯示(LiquidCrystalDisplay，LCD)是一種被動的顯示，它不能發(fā)光，只能使用周圍環(huán)境的光。液晶顯示器顯示圖案或字符時只需要很小的能量，因此功耗低。小型化的LCD顯示器成為較佳的顯示設備。一般情況下，顯示設備可以直接驅動，也可以通過幀緩沖區(qū)驅動。顯示元素較少的顯示器直接由邏輯電路驅動，而顯示元素較多的顯示器用RAM幀緩沖區(qū)驅動。

1)直接驅動

3-18所示為多個數字陣列直接驅動顯示的簡單例子。圖3-18多個數字顯示器

2)幀緩沖區(qū)

如圖3-19所示，幀緩沖區(qū)是一個連到系統(tǒng)總線上的隨機存取存儲區(qū)。微處理器可以以任意所需次序將值寫入幀緩沖區(qū)。這種顯示方式主要適用于陰極射線管(Cathode-Ray

Tube，CRT)顯示。當CRT被連到幀緩沖區(qū)時，它通常以光柵的順序讀像素，一次顯示一行。圖3-19幀緩沖顯示系統(tǒng)

3)液晶控制板

大平面顯示器通常由LCD構成。其中每個像素都由一個液晶體構成。LCD顯示器到系統(tǒng)的接口獨具特點，這主要是因為LCD像素陣列能夠被隨機訪問。早期的液晶顯示控制板被稱為被動矩陣，它依靠一個二維的電線網絡來編址像素?，F代液晶顯示控制板使用一種主動矩陣系統(tǒng)，它給每個像素配置轉發(fā)器，以此來控制、訪問LCD顯示器。主動矩陣顯示器提供了更高的對比度和顯示質量。

3．觸摸屏

觸摸屏是覆蓋在輸出設備上的輸入設備，用來記錄觸摸位置。把觸摸屏覆蓋在顯示器上，使用者可以對顯示的信息作出反應。

觸摸屏按其工作原理分為表面聲波屏、電容屏、電阻屏和紅外屏等。其中常見的觸摸屏是電阻式觸摸屏。電阻式觸摸屏用二維電壓表來探測位置。如圖3-20所示，觸摸屏由兩層被許多細小的透明隔離球隔開的導電薄層組成。圖3-20電阻式觸摸屏的結構

3.6通信設備

3.6.1通用異步收發(fā)器

通用異步收發(fā)器(UniversalAsynchronousReceiverandTransmitter，UART)是用于控制計算機與串行設備的接口。

1．數據通信模式

數據通信是兩臺數字設備之間的數據傳輸。從不同的角度劃分，數據通信方式大致可以分為雙工通信、串行和并行通信、同步和異步通信。

1)雙工通信

雙工通信是對相互通信的兩臺通信設備之間數據流向的描述。雙工通信包括單工、半雙工和全雙工三種方式。雙工通信方式的結構如圖3-21所示。圖3-21雙工通信方式的結構

2)串行和并行通信

并行通信是指構成字符的二進制代碼在并行信道上同時傳輸的方式。并行傳輸時，一次傳輸一個字符，收發(fā)雙方不存在同步問題，傳輸速度較快。但是，并行傳輸需要并行信道，所以線路投資大，不適合小型化產品。

串行通信是指構成字符的二進制代碼在一條信道上以位(碼元)為單位，按時間順序逐位傳輸的方式。串行傳輸時，發(fā)送端按位發(fā)送，接收端按位接收，同時還要對所傳輸的字符加以確認，所以收、發(fā)雙方要采取同步措施，否則接收端將不能正確區(qū)分出所傳輸的字符。雖然串行通信的速度較慢，但是只需要一條傳輸信道，線路投資少，易于實現，因此在數據通信吞吐量不是很大的嵌入式系統(tǒng)中顯得更加簡易、方便、靈活。

3)異步和同步通信

串行通信有兩種基本工作方式：異步通信和同步通信。在異步通信方式下，傳輸數據以字符為單位。當發(fā)送一個字符代碼時，字符前面要加一個“起”信號，其長度為1個碼元，極性為“0”；字符后面要加一個“止”信號，其長度為1、1.5或2個碼元，極性為“1”。加上起、止信號后，即可區(qū)分出所傳輸的字符。傳送時，字符可以連續(xù)發(fā)送，也可以單獨發(fā)送，不發(fā)送字符時線路要保持為“1”狀態(tài)。異步傳輸方式適用于1200b/s以下的低速傳輸，實現起來比較簡單。

同步通信傳輸不需要加起、止信號，因此傳輸效率高，適用于2400b/s以上的數據傳輸，但是實現起來比較復雜。

2．標準異步串行通信接口

標準異步串行通信接口主要有以下幾類：RS-232C、RS-422和RS-485。RS-232C是美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)正式公布的、在異步串行通信中應用最廣的標準總線，適合短距離或帶調制解調器的通信場合。為了提高數據傳輸速率和通信距離，EIA又公布了RS-422和RS-485串行總線接口標準。

1)?RS-232C

RS-232C是美國電子工業(yè)協(xié)會(ElectronicIndustryAssociation，EIA)制定的在數據終端設備(DataTerminalEquipment，DTE)和數據通信設備(DataCommunicationEquipment，DCE)之間進行串行二進制數據交換的接口。RS是英文“推薦標準”的縮寫，232為標識號，C表示修改次數。RS-232C標準是一種硬件協(xié)議，規(guī)定了21個信號和25個引腳，用于連接DTE和DCE這兩種設備。

2)?RS-422

RS-422是EIA公布的“平衡電壓數字接口電路的電氣特性”標準，是為改善RS-232C標準的電氣特性、又考慮與RS-232C兼容而制定的。RS-422與RS-232C的關鍵差別在于把單端輸入改為雙端差分輸入，雙方的信號地不再共用。

3)?RS-485

RS-485是RS-422的變型。RS-422是全雙工的，可以同時發(fā)送與接收；而RS-485是半雙工的，在某一時刻，只能一個發(fā)送、另一個接收。

RS-485是一種多發(fā)送器的電路標準，它擴展了RS-422的性能，允許雙線總線上驅動32個負載設備。負載設備可以是被動發(fā)送器、接收器或二者組合而成的收發(fā)器。當RS-485接口用于多點互連時，可節(jié)省信號線，便于高速遠距離傳送。許多智能儀器設備配有RS-485總線接口，以便于將它們進行聯(lián)網。

表3-2對上述三種串行通信標準的性能進行了比較。表3-2RS-232C、RS-422A與RS-485性能比較

3．UART

UART提供了RS-232C數據終端設備接口，用于計算機和調制解調器或其他使用RS-232C接口的串行設備進行通信。作為接口的一部分，UART還提供了以下功能：將計算機外部傳來的串行數據轉換為字節(jié)，供計算機內部使用并行數據的器件使用；將由計算機內部傳送過來的并行數據轉換為輸出的串行數據；在輸出的串行數據流中加入奇偶校驗位，并對從外部接收的數據流進行奇偶校驗；在輸出的數據流中加入“起”、“止”標記，并從接收數據流中刪除“起”、“止”標記；處理計算機與外部串行設備的同步管理問題；處理由鍵盤或鼠標發(fā)出的中斷信號(鍵盤和鼠標也是串行設備)。相對于微處理器，一臺UART可作為一個甚至多個存儲點或I/O端口。UART一般包括一個或多個狀態(tài)寄存器，用于驗證數據傳輸和接收時的狀態(tài)、進程。微處理器通過UART能夠判斷何時已收到一個字節(jié)、何時已發(fā)送一個字節(jié)、是否產生通信錯誤等。UART還可以通過一個或多個控制寄存器進行配置，配置內容包括波特率的設置、終止位數量的設置以及在發(fā)送字節(jié)時產生中斷等。異步通信在UART上幾乎是透明地運行，收、發(fā)數據時，只需運行程序，簡單地在UART上執(zhí)行讀/寫操作即可。

比較流行的UART有NS16550、AMDZ8530、ACIA、Motorola6850、ZilogZ-80STO等。當UART用于嵌入式設計時，嵌入式系統(tǒng)就能夠利用通信終端、計算機，甚至是其他嵌入式微處理器上的數據資源。3.6.2USB設備

1．USB總線概述

通用串行總線(UniversalSerialBus，USB)是1995年由Microsoft、Compaq、IBM等公司聯(lián)合制定的一種新的計算機串行通信協(xié)議。USB協(xié)議得到各PC廠商、芯片制造商和PC外設廠商的廣泛支持。

通用串行總線是一種將USB外圍設備連接到主機的外部總線結構，它通過PCI總線和PC的內部系統(tǒng)數據線連接，實現數據傳送。USB同時又是一種通信協(xié)議，它支持主系統(tǒng)和USB外圍設備之間的數據傳送，通過一個4針的標準插頭，采用菊花鏈形式把所有的外設連接起來。

USB主要具有以下優(yōu)點：

(1)支持熱插拔(hotplug)和即插即用(plug-and-play)，即在不關機的情況下可以安全地插上或斷開USB設備，動態(tài)加載驅動程序。

(2)為所有的USB外設提供單一的、易于操作的標準連接類型，排除了外設對系統(tǒng)資源的占用，因此減少了硬件的復雜性，整個USB系統(tǒng)只有一個端口和一個中斷，節(jié)省了系統(tǒng)資源。

(3)?USB1.1提供全速12Mb/s和低速1.5Mb/s的模式，USB2.0提供高達480Mb/s的傳輸速率。

(4)為了適應各種不同類型外設的要求，USB提供了四種不同的數據傳輸類型。

(5)易于擴展，理論上最多可支持127個設備。

2．USB總線的硬件結構

USB通過四線電纜傳送信號和電能，如圖3-22所示。其中兩根是用來傳送數據的串行通道，另兩根為下游(downstream)設備提供電能。圖3-22USB連接線

USB系統(tǒng)采用級聯(lián)星形拓撲，該拓撲由三個基本部分組成：主機(Host)、集線器(Hub)和功能設備，如圖3-23所示。主機也稱為根或RootHub，它做在主板上或作為適配卡安裝在計算機上。主機通過主機控制器與USB設備進行交互，控制著USB總線上的數據和信息的流動。每個USB系統(tǒng)只能有一個根集線器，它連在主控制器上。集線器是USB結構中的特定成分，它提供用于將設備連接到USB總線上的端口，同時檢測連接在總線上的設備，并為這些設備提供電源管理、負載總線的故障檢測和恢復。集線器可為總線提供能源，也可為自身提供能源(從外部得到電能)。圖3-23USB系統(tǒng)級聯(lián)結構

3．USB總線的軟件結構

(1)?USB總線接口。USB總線接口處理電氣層與協(xié)議層的互連，由主控制器實現。

(2)?USB系統(tǒng)。USB系統(tǒng)用主控制器管理主機與USB設備間的數據傳輸。它與主控制器間的接口依賴于主控制器的硬件定義。同時，USB系統(tǒng)也負責管理USB資源，例如帶寬和總線能量，這使得客戶訪問USB成為可能。USB系統(tǒng)包括三個基本組件：主控制器驅動程序(HCD)、USB驅動程序(USBD)和主機軟件。

(3)?USB客戶軟件。

4．USB總線的數據傳輸方式

數據和控制信號在主機和USB設備之間的交換存在兩種通道：單向通道和雙向通道。USB的數據傳送是在主機和某個USB設備的指定端口之間進行的。這種主機和USB設備的端口間的聯(lián)系稱做通道。一般情況下，各個通道之間的數據流動是相互獨立的，且一個指定的USB設備可有許多通道。對任何給定的設備進行設置時，一個通道上的數據傳輸只能支持下列四種USB數據傳輸方式中的一種：同步(isochronous)、控制(control)、中斷(interrupt)和批量(bulk)。

(1)同步數據傳輸。同步數據傳輸提供了確定的帶寬和間隔時間(latency)。它主要用于時間要求嚴格并且具有較強容錯性的流數據傳輸，或者用于要求恒定數據傳輸速率的即時應用中。對于同步傳輸來說，即時的數據傳遞比數據的完整性更重要。

(2)控制數據傳輸。控制傳輸是雙向傳輸，數據量通常較小。USB系統(tǒng)軟件主要用來進行查詢、配置和給USB設備發(fā)送通用的命令?？刂苽鬏敺绞娇梢詡鬏?、16、32和64字節(jié)的數據，這依賴于設備和傳輸速度。控制傳輸的典型應用是在主機和USB外設之間的傳輸。

(3)中斷數據傳輸。中斷方式傳輸主要用于定時查詢設備是否有中斷數據傳輸。設備的端點模式器的結構決定了它的查詢頻率范圍是1～255?ms，這種傳輸方式主要用于少量的、分散的、不可預測數據的傳輸，如鍵盤、操縱桿和鼠標等就使用這一類型。中斷方式傳輸數據是單向的，且對于主機來說只有輸入的方式。

(4)批量數據傳輸。批量方式傳輸主要應用在大量傳輸和接收數據，同時又沒有帶寬和間隔時間要求的情況下。批量數據由大量的數據組成，且是連續(xù)的。這種傳輸方式可以等到所有其他類型的數據傳輸完成之后再使用。

5．USB總線的數據傳輸原理

在USB結構中，占主導地位的是主控制器。主控制器要保證所有與其連接的數量不同、傳輸方式不同的設備能夠同時正常工作。為此，USB主控制器使用間隔為1ms的幀來實現數據傳輸。由于有許多設備連接到USB總線上，因此每1ms產生的傳輸幀是混合的。在幾種數據傳輸方式都存在的情況下，中斷傳輸和同步傳輸對時間要求較高，因此占用了約90%的總帶寬；控制傳輸占用了約10%的帶寬；批量傳輸對時間要求不高，但數據量大，它使用剩下的可用帶寬。?各種USB設備就是通過這種基本的幀結構實現共享USB帶寬來傳輸數據的。在主機端，不同設備的數據傳輸請求被劃分成若干個塊(Transaction)。為了保證連接到主機上的設備可以同時工作，主機每次從不同設備取一個塊構成一個1ms幀，然后將整個幀發(fā)送到USB總線上。每一個塊由三個包(Packet)組成：標志包(TokenPacket)、數據包(DataPacket)和握手信號包(HandshakePacket)。根據令牌包里定義的設備地址和端點號，設備能夠確定屬于自己的相應數據。一根USB總線每次最多傳輸三個數據包。在每次傳輸開始時，主機控制器發(fā)送一個描述傳輸種類、傳輸方向、USB設備地址和終端號的USB數據包，該數據包就是標志包。在數據開始傳輸時，由標志包來標志數據的傳輸方向，即是從主機到設備或是從設備到主機；然后，發(fā)送端開始發(fā)送包含信息的數據包或表明沒有數據傳輸。接收端要相應發(fā)送一個握手的數據包，以表明數據是否傳輸成功。USB設備從解碼后的數據包的適當位置取出屬于自己的數據。

6．USB設備即插即用的實現

USB設備可以實現熱插拔。當USB設備插入到主機中時，主機通過查詢設備的描述符(Descriptor)來了解設備，進而建立通信，這個過程叫做對設備的枚舉。

圖3-24是某個設備的描述符結構。圖3-24一個USB設備的描述符結構

7．USB器件的選擇

在開發(fā)一個USB設備之前，首先要根據具體使用要求選擇合適的USB控制器。目前，市場上供應的USB控制器主要有兩種：帶USB接口的單片機(MCU)和純粹的USB接口芯片。

帶USB接口的單片機從應用上可以分成兩類，一類是從底層設計，專用于USB控制的單片機；另一類是增加了USB接口的普通單片機，如Cypress公司的EZ-USB(基于8051)，選擇這類USB控制器的最大好處在于開發(fā)者對系統(tǒng)結構和指令集非常熟悉，開發(fā)工具簡單，但對于簡單或低成本系統(tǒng)，價格也是在實際選擇過程中需要考慮的因素。純粹的USB接口芯片僅處理USB通信，?必須有一個外部微處理器來進行協(xié)議處理和數據交換。典型產品有Philips公司的PDIUSBD11(IIC接口)、PDIUSBD12(并行接口)，NS公司的USBN9603/9604(并行接口)，NetChip公司的NET2888等。USB接口芯片的主要特點是價格便宜、接口方便、可靠性高，尤其適合于產品的改型設計(硬件上僅需對并行總線和中斷進行改動，軟件則需要增加微處理器的USB中斷處理和數據交換程序、PC機的USB接口通信程序，無需對原有產品的系統(tǒng)結構作很大的改動)。

8．USB系統(tǒng)的開發(fā)流程

一個典型的USB系統(tǒng)的開發(fā)主要由以下流程組成：

(1)系統(tǒng)結構、功能的定義。

(2)?USB接口方法的選擇。

(3)選擇與微處理器的接口電路。

(4)固件編程。

(5)開發(fā)PC端驅動程序與應用程序。

(6)?USB系統(tǒng)調試。3.6.3Ethernet設備

1．以太網的特點

以太網是最廣泛應用的局域網絡技術，實現了在小區(qū)域(如一個辦公室)范圍內連接計算機的功能。以太網的數據速率為10Mb/s，而快速以太網(FastEthernet)的數據速率為

100Mb/s。最常用的以太網協(xié)議是IEEE802.3標準，媒體的存取規(guī)則采用CSMA/CD(載波檢測多路存取/沖突檢測)?，F代的操作系統(tǒng)均能同時支持這些協(xié)議標準，因此對嵌入式系統(tǒng)的應用來說，考慮系統(tǒng)精簡因素，只需要支持這一種就夠了，除非有特殊需要，否則沒有必要支持太多協(xié)議。

2．以太網的數據傳輸

以太網傳輸報文的基本格式如圖3-25所示。它提供了目的地址和源地址，同時還提供了要傳送的有效數據。圖3-25以太網傳輸報文的基本格式以太網的數據傳輸有以下特點：

(1)所有數據位的傳輸由低位開始，傳輸的位流采用曼徹斯特編碼。

(2)以太網傳輸的數據段長度最小為60字節(jié)，最大為1514字節(jié)。

(3)通常以太網卡可以接收來自三種地址的數據，即廣播地址、多播地址(在嵌入式系統(tǒng)中很少使用)和它自己的地址。但當用于網絡分析和監(jiān)控時，網卡也可以設置為接收任何數據包。

(4)任何兩個網卡的物理地址都是不一樣的。網卡地址由專門結構分配，不同廠家使用不同地址段，同一廠家的任意兩個網卡的地址也是唯一的。

3．嵌入式以太網接口的實現方法

在嵌入式系統(tǒng)中實現以太網接口的方法通常有兩種。

方法一是采用嵌入式處理器與網卡芯片的組合。

方法二是直接采用帶有以太網接口的嵌入式處理器。

3.7其他

3.7.1電源

大多數嵌入式系統(tǒng)本身都有電源，且電源的供電方式具有一種特定的電壓范圍。嵌入式系統(tǒng)中各個單元的電壓范圍有四種：5.0?±?0.25V、3.3?±?0.3V、2.0?±?0.2V和1.5?±?0.2?V。此外，嵌入式系統(tǒng)微控制器中的電可擦可編程只讀存儲器(EEPROM)、RS-232串行接口，均需要提供12?±?0.2V的電壓。3.7.2時鐘

在嵌入式系統(tǒng)中，處理器需要有一個時鐘振蕩(clockoscillator)電路。時鐘控制著CPU、系統(tǒng)定時器和CPU機器周期的各種時序需求。機器周期用于兩個方面：一方面，從存儲器中取回代碼和數據，然后在處理器中對它們進行譯碼并運行；另一方面，將結果傳回存儲器中。時鐘控制著執(zhí)行一條指令的時間。

通用計算機可以使用分離的時鐘電路，如IBMPC/XT使用專用時鐘芯片8284產生時鐘信號。而嵌入式系統(tǒng)通常為了節(jié)省電路，把時鐘電路集成在嵌入式處理器上，外面只需要接晶體即可。嵌入式系統(tǒng)的時鐘電路一般有以下幾種形式：RC時鐘、石英晶體、石英振蕩器、鎖相倍頻時鐘和多時鐘源。

(1)?RC時鐘。RC時鐘一般用于嵌入式微控制器。這種時鐘源的振蕩頻率的穩(wěn)定性低于時鐘振蕩器，但是功耗比較低。當嵌入式系統(tǒng)對時鐘的穩(wěn)定性要求不高時，例如家用電器的控制，可以采用這種電路，且其時鐘頻率可以動態(tài)修改。嵌入式處理器的功耗與時鐘頻率基本呈線性關系，因此根據處理器的負荷動態(tài)改變時鐘頻率以降低功耗是比較好的方法。

(2)石英晶體?；谑⒕w的時鐘電路，其振蕩電路集成在處理器上，處理器引出兩個引腳，分別是放大器的輸入和輸出，石英晶體接在這兩個引腳上，如圖3-26所示。圖3-26由石英晶體構成的振蕩器電路結構

(3)石英振蕩器。與石英晶體不同，石英振蕩器把石英晶體和振蕩電路集成一體，形成石英振蕩器電路，直接輸出時鐘信號給處理器。石英振蕩器輸出的時鐘信號接在處理器的輸入引腳上，如圖3-27所示。圖3-27石英振蕩器的振蕩器電路

(4)鎖相倍頻時鐘。通常在高性能的嵌入式處理器上采用鎖相倍頻電路。該時鐘電路的鎖相環(huán)是一個倍頻鎖相環(huán)，時鐘電路外接的石英晶體通常采用32768Hz，鎖相環(huán)的倍頻系數可以通過編程設置，倍頻得到的高頻時鐘經過分頻器進行分頻，分別送給處理器的CPU內核和各個I/O接口電路。

(5)多時鐘源。高性能的嵌入式處理器如32位的處理器，功能強大，芯片上集成了眾多的智能電路，很多的智能電路都需要不同頻率的時鐘源。此外，出于節(jié)電設計的考慮，不同I/O電路的工作狀態(tài)可以由處理器的編程控制。為此，這樣的處理器設計了許多時鐘源，分別為CPU內核、實時時鐘電路、不同的I/O電路提供時鐘信號。3.7.3復位

1．復位電路概述

嵌入式處理器的復位電路就是使處理器從起始地址開始執(zhí)行指令。這個起始地址是處理器程序計數器(x86系列處理器中是指令指針和代碼段寄存器)加電時的默認設置。處理器復位之后，從存儲器的這個地址開始取程序指令。在一些存儲器(如6HC11和HC12)中有兩個起始地址，一個作為加電復位向量，另一個作為執(zhí)行Reset指令后或者發(fā)生超時(如來自看門狗定時器的超時)之后的復位向量。復位電路激活固定的周期數后處于無效狀態(tài)。處理器電路保持復位管腳處于有效狀態(tài)，然后使之處于無效狀態(tài)，使程序從默認的起始地址開始執(zhí)行。如果復位管腳或內部復位信號與系統(tǒng)中其他的單元(例如I/O接口、串行接口)相連接，那么它會被處理器再一次激活，成為一個輸出管腳，用于驅動系統(tǒng)中其他單元處于復位狀態(tài)。在處理器動作之后使復位信號無效，程序又會從起始地址開始執(zhí)行。

通常使用的復位電路有以下幾種形式：阻容復位電路、專用復位電路、手動復位電路、看門狗定時器的時鐘輸出復位電路以及軟件復位電路。

2．阻容復位電路

阻容復位電路是最簡單的復位電路，其電路如圖3-28所示