清华嵌入式计算机一.ppt
嵌入式计算机及机电系统接口应用,周斌2011年9月,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,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,第一章 课程介绍,第一节 什么是嵌入式计算机系统,第一节 什么是嵌入式计算机系统,一、嵌入式计算机系统发展史,1943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,第一节 什么是嵌入式计算机系统,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。,Intel 4004微处理器,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：,第一节 什么是嵌入式计算机系统,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 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 工业控制、医疗、交通管理、环境检测等 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,嵌入式计算机应用领域：,第一节 什么是嵌入式计算机系统,定义：嵌入到对象体系中的专用计算机系统,嵌入式计算机系统定义及特点：,特点：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。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。,第一节 什么是嵌入式计算机系统,嵌入式计算机按形态可分为：,嵌入式计算机的种类：,板级：单板、模块，以嵌入式微处理器为核心，例如PC/104。芯片级：单片机（也称为微控制器MCU），例如8051系列、DSP处理器（Digital Signal Processor）、片上系统SOC（System On Chip），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),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,第一节 什么是嵌入式计算机系统,机电系统接口,机电系统中的数据采集，测量加速度、速度、位置、角度方法控制接口技术，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,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,课程大实验（至少完成2个）28学时,第一节 什么是嵌入式计算机系统,二、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12个子实验，两个同学一组,精仪系9003大楼4101“机电控制实验室”清华盛博嵌入式联合实验室,第一节 什么是嵌入式计算机系统,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,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,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,第一节 什么是嵌入式计算机系统,2.微控制器综合实验,第一节 什么是嵌入式计算机系统,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Keil C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MAX Plus II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,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,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、可接多个设备目的：熟悉和掌握串行口通信,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,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,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。,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,第一节 什么是嵌入式计算机系统,单片机：“MCS51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 嵌入式系统体系结构、编程(印度)Raj Kamal 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,课程安排,绪论 课程介绍第一部分 嵌入式计算机及接口,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,第一部分 嵌入式计算机及接口,第一节 接口电路总结,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、PCI Express总线，且会继续发展。,第一节 接口电路总结,总线的基本结构,第一节 接口电路总结,2.PC机总线,1）PC/XT总线,第一节 接口电路总结,A,B,第一节 接口电路总结,2）ISA总线（Industry Standard Architecture）,第一节 接口电路总结,数据总线：D0D15；地址总线：A0A23；控制总线：IOR、IOW、AEN、IRQ0IRQ15、MEMR、MEMWDMA控制：DRQ07、DACK07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,第一节 接口电路总结,3）PCI总线（Peripheral component Interconnect）,第一节 接口电路总结,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：0100MHz,第一节 接口电路总结,与ISA总线的几大区别：地址总线和数据总线分时复用：AD0AD63 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 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/INTA、/INTB、/INTC、/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 支持缓冲方式传输数据，不受处理器不同速率限制：/SBO、SDONE 总线最大10外设，靠PCI-PCI桥接芯片扩展外设数量,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总线完全兼容，但在形态上，PC/104十分紧凑，其模板尺寸是90mm96mm，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。,第一节 接口电路总结,PC104产品市场情况20052010年增长9.51%,第一节 接口电路总结,版本1的8位PC104总线定义地址总线：SA0SA19数据总线：SD0SD7控制总线：AEN,/IOR,/IOW,IRQ3IRQ7,IRQ9,/SMEMR,/SMEMW,/IOCHRDY,/IOCHCK,BALEDMA控制：DRQ1DRQ3,/DACK1/DACK3,T/C 辅助信号：14.3MHz_CLK,SYSCLK（8MHz）,/REFRESH,RESET电源：12V，5V，地线注：”/”表示低电平有效,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,第一节 接口电路总结,第一节 接口电路总结,典型的PC104模块,PC104与ISA的区别：5个地线，1个禁销孔622，3631,第一节 接口电路总结,二、接口电路概述,1.外设端口（PC104总线）,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0255为主板设备所占用，2561023可为插槽上设备使用,存储器空间利用/SMEMR,/SMEMW进行读写操作，最多寻址1MB空间,1）I/O端口与内存独立编址,第一节 接口电路总结,2）指令与硬件的关系,外设寻址范围DX：16位，外设寻址范围高达64个地址，但只用了1K个地址空间,第一节 接口电路总结,3）与外设相关的三总线,地址总线：SA0SA9数据总线：SD0SD7(或SD0SD15)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）IRQ0IRQ15 中断请求信号（上升沿有效）IOCHRDY 外设准备就绪信号，高电平为准备就绪BALE 地址锁存信号,注意：掌握三总线的操作方法，输入要缓冲，输出要锁存!,第一节 接口电路总结,4）总线操作时序,外设读时序：,外设写时序：,注：16位总线时，地址总线为SA15:0,第一节 接口电路总结,内存读时序：,内存写时序：,第一节 接口电路总结,2.输入输出量,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,第一节 接口电路总结,如何读入0 x1F0中的内容？如何写？,AEN,第一节 接口电路总结,4.数据传送方式,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。中断传送 外设通过中断通知计算机是否进行数据传送DMA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,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,第一节 接口电路总结,并行口8255A内部结构框图,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,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,第一节 接口电路总结,（4）方式1（选通输入输出方式）8255A方式1输入的时序图及端口信号,IBF:输入缓冲满/STB:外设写入数据INTR:外设中断申请,第一节 接口电路总结,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,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,第一节 接口电路总结,2、D/A转换器,(1)DAC0832功能框图,第一节 接口电路总结,（2）DAC0832与计算机连接 双缓冲工作方式 单缓冲工作方式 直通工作方式,（3）D/A转换器输出电路,（4）D/A转换器双极性输出电路,第一节 接口电路总结,思考题,（1）12 D/A转换器的功能框图（2）双极性输出电路如何实现,作业题,写出PC104 16位总线方式的各总线含义，并绘制I/O及内存读写时序图下节课交（可通过网络学堂）,
