嵌入式系统5-嵌入式系统硬件平台.ppt
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1、嵌入式系统硬件平台,2,Outline,1、总线2、通讯3、平台搭建4、SOC5、节能计算,3,1、嵌入式系统中的总线,特点定制性非扩展性结构简单,4,1)、CPU总线,传统计算机:CPU内存总线,I/O总线嵌入式系统:CPU,存储器加上设备,5,总线,是连接I/O设备、CPU、存储器各子系统间的共享通信线路最大优点:价格低、通用性、灵活性好最大缺点:通信瓶颈(带宽)商用系统:I/O 频繁 科学系统:I/O速度要与处理机速度相匹配,6,总线类型,传输方向 单向 双向(半双工、全双工)用法 专用:流量高、无争用现象、控制简单;总线数目多,时间利用率低,难小型化。非专用:共享性。造价低、模块性强,
2、易扩充 会出现争用现象、对失效敏感。,7,非专用总线的多种连接方式:,单总线-可靠性差 简化和统一的接口,多重总线 总线流量与总线长度有矛盾 多组非专用总线 CPU-Memory总线:短、快 I/O总线:长,各设备有不同的数据宽度、延 时、和带宽。使用总线标准。远距离通讯总线(集线器)纵横开关矩阵(每行每列最多只有一个开关接通),8,通讯方式 同步通讯:两部件由定宽、定距的时标同步。传输速率高,受总线长度影响小。但有同步误差。提高可靠性的方法:目的部件作回答。异步通讯:单向控制-(源/目的)双向控制-互锁/非互锁,9,总线标准,ESIA总线:IBM-PC的ISA发展而来,32,33MSCSI总
3、线:来源于数组多路通道PCI总线:IPI总线:,10,异步总线协议,四周期基本协议1、设备1上升Req2、当设备2就绪,上升ACK3、数据传输完毕时,设备2下降Req4、设备1下降ACK,11,总线,地址线数据线控制线ReqACKDataRdyRead/WriteEtc.,12,提高CPU总线利用率,突发传输一次Addr多个数据非连接传输请求与响应分开,13,DMA,DMA控制器在CPU启动I/O 操作后,直接在设备与存储器间传递数据。传送完毕再向CPU发中断请求。通过周期挪用方式占用总线。,14,DMA控制器,寄存器起始地址寄存器长度寄存器状态寄存器控制电路控制器基本工作原理,15,多总线方
4、式,CPU,高速设备:高速总线低速设备:低速总线总线之间:总线桥桥:传输指令协议翻译,16,2)ARM的AMBA总线,AMBA总线宽度有32位、64位和128位多种定义AMBA的AHB连接高性能和高时钟频率的系统模块,同时具有多主机、脉冲传输和分段处理的功能,17,高级高性能总线AHB,AHB的作用允许在主从器件之间传输数据AHB主器件可以向从器件传输数据向其提供外部地址空间中的地址以接收从器件的数据AHB从器件在选中后,提供或接收主器件的数据。从器件可以延迟数据传输过程或返回错误代码。AHB主器件的实例为ARM处理器,或其它有DMA(直接存储访问)功能的外设,如以太网MAC或USB主机/器件
5、控制器。,18,信号,主要的AHB信号HCLK 总线参考时钟HADDR 地址(由AHB主器件发出)HWRITE 传输方向:读/写(由AHB主器件发出)HREADY 传输完成响应(由AHB从器件发出)HWDATA 写入数据总线(从AHB主器件至AHB从器件)HRDATA 读取数据总线(从AHB从器件至AHB主器件)(AHB)控制信号和状态信号HRESP 传输状态(由AHB从器件发出)HBURST 脉冲模式(由AHB主器件发出)HTRANS 传输状态(由AHB主器件发出)HSIZE 脉冲长度(由AHB主器件发出)HPROT 保护类型(由AHB主器件发出),19,AHB外设可能立即发送/接收数据,或
6、通过发出HREADY信号插入等待状态。从器件也通过HRESP信号返回传输状态,状态如下OKAY(成功):传输成功成功完成信号传输的缺省响应。ERROR(错误):不成功的传输表示出现了异常中断,例如访问一个不存在的内存地址。RETRY(重试):从器件无法立即实现操作,主器件应在稍后重试。SPLIT(等待):从器件将要求列队等待从器件将在可以提供或接收数据时发出通知,可用于中断多个传输(脉冲)。重试和等待的主要区别重试表明从器件仍未就绪;主器件可在任意时刻重发命令等待包含的协议较为复杂,它就绪后将通过这一协议通知判优器。等待处理对从器件逻辑的要求较为复杂,并非必备的从器件功能。,20,AHB主器件
7、判优信号,HREQ 总线要求(由AHB主器件发出)HGNT 总线指派(由AHB判优器发出)HLOCK 总线锁定(由AHB主器件发出)HMASTER 指定目前工作的主器件(由AHB判优器发出)HMASTLOCK 主器件执行锁定传输(由AHB判优器发出),21,22,AHB和AHB-Lite之间的关键差别,不论是主模块还是从模块,后者都可以通过各种互连策略链接,在芯片设计中获得最大带宽,23,24,25,26,高级外设总线(APB),用于连接速度较慢的系统模式和带宽较低的外设,将功耗降至最低,并减小接口的复杂性所有的总线信号都与时钟有关,可以使用时钟频率较低的总线(低于AHB)AHB主器件不直接与
8、APB外设相连,而是通过APB桥进行通信,27,28,主要的APB信号,PCLK 外部时钟,可以是HCLK的乘积,由APB桥控制PADDR 外设地址PWRITE 外设传输方向(读/写)PSELx 外设选中,与HSEL相似PWDATA 写入数据总线(写入外设)PRDATA 读取数据总线(从外设中读取)PENABLE 外设数据起动,29,AMBA例子,Excalibur是Altera公司的系列嵌入式处理器可编程逻辑解决方案单个Excalibur器件上包含了单端口RAM和双端口RAM、30万门的标准单元区域、嵌入式处理器IP内核和一百万门的APEX 20KE PLD,片上的晶体管总数达到了8千多万I
9、P包括基于ARM的嵌入式处理器、基于MIPS的嵌入式处理器或其它任何商用嵌入式处理器,30,总线可以分成三层。最上二层完全包含在带内,而其它两条总线用于在系统的可编程部分集成用户IP。在嵌入式ARM器件内的所有总线的宽度都为32位如图,31,32,4)SHARC总线,两个接口外部存储接口主机接口DMA内存,外存,设备之间传输数据,33,外存接口,外部数据总线宽度16bit48bitDM总线与IO处理器可以访问整个外部地址空间PM总线24bit外存分为4个区接口信号(略),34,主机接口,将SHARC连接到标准微处理器总线上主机将DSP功能移交给SHARC接口信号(略),35,SHARC DMA
10、,10个通道外部端口DMA通道,链接端口DMA通道:双向串口DMA:单向每个DMA通道一个中断,36,总结,嵌入式系统中总线针对设备无通用性功耗低,37,2、通讯,现代嵌入式系统基本都有通讯有线无线,38,1)嵌入式TCP/IP协议栈应用前提,连接在互联网上的电子装置不一定比单独使用的电子装置具有更高的智能功能,但连通意味着提高智能化管理水平 TCP/IP是一项应用广泛的标准,利用它可以接通并控制电子装置,通过绝大多数传输媒体几乎可以和运行在所有操作系统上的软件进行通信 通过TCP/IP与基础设施连接十分简单,39,嵌入式TCP/IP协议栈适用的范围,在商业系统中,可以利用它来进行远程监视服务
11、嵌入式TCP/IP的最大优越性也许在于它可以使得嵌入式电子装置支持嵌入式的万维网服务器 嵌入式TCP/IP的主要用途是进行远程监测 万维网服务器还可以对一个电子装置进行远程配置,40,存在的局限,首先嵌入式栈是建在专用的软socket(插座)API之上的 提供可靠传输,占用了大量的资源体积太大,许多场合不适用,41,实施的方法,采用软件的方式 lwIP硬件方法 采用iReady的芯片或芯核,虽然使用的是4位微处理器也能够和互联网实现直接连接 DSP方法 也可以选用DSP为基础的TCPIP协议栈,42,采用方法选择,根据所设计的电子装置的实际情况来决定使用硬件功能如何?打算如何来实现和互联网的连
12、接?需要发送和接收那些种类的信息?将软件或硬件芯片整合到所设计的电子装置中去,有没有困难?增加一个协议栈,是否需要对所设计的电子装置进行重大更改等等,43,2)无线通讯介绍,现在无线电技术已经非常成熟,已经在各种场合得到非常广泛的应用,而嵌入式系统中无线通讯更是随处可见。首先我们将概要介绍无线传输。所有的无线通讯都是基于无线传输的。然后是无线局域网(Wireless Local Area Networks)和移动通讯。因为移动手持设备市场前景广阔,我们将重点介绍移动通讯的现状及发展趋势。,44,无线传输,无线传输的媒介是电磁波,所有的信号都以电磁波的方式被发送和接收 用来进行无线传输的电磁波波
13、谱一般从无线电波(radio)开始到可见光部分 无线电波因为频率不是很高,较容易产生,可以远距离传输,并能够较容易地穿透和绕过障碍物线电波的传播是如水波似的扩散型的 无线电波的特性跟它的频率有关,45,无线局域网,无线局域网可以有两种组织方式:一种是以一个基站(base station)为中心,所有的移动设备都连接到这个基站上去,因此基站也称为接入点(access point);另一种是没有基站,移动设备之间相互连接组成局域网,46,无线局域网的标准,无线局域网的标准802.11由IEEE制定 第一个高速无限局域网是802.11a。1999年,IEEE 802.11a标准制定完成,该标准规定无
14、线局域网工作频段在5.155.825GHz,数据传输速率达到54Mbps/72Mbps(Turbo),传输距离控制在10100米 1999年9月IEEE 802.11b被正式批准该标准规定无线局域网工作频段在2.42.4835GHz,数据传输速率达到11Mbps。2003年6月,IEEE推出最新版本IEEE 802.11g认证标准该标准提出拥有IEEE 802.11a的传输速率,安全性较IEEE 802.11b好 IEEE 802.11e标准对无线局域网MAC层协议提出改进,以支持多媒体传输,以支持所有无线局域网无线广播接口的服务质量保证QoS机制。IEEE 802.11f,定义访问节点之间的
15、通信,支持IEEE 802.11的接入点互操作协议(IAPP)。IEEE 802.11h用于802.11a的频谱管理技术。IEEE 802.11i标准是结合IEEE 802.1x中的用户端口身份验证和设备验证,对无线局域网 MAC层进行修改与整合,定义了严格的加密格式和鉴权机制,以改善无线局域网的安全性。个人无线局域网(wireless personal area networks)标准802.15,这就是蓝牙的技术标准,47,无线移动通讯概述,无线通讯分为两类,一类是无线局域网,另一类是无线移动通讯 无线设备可以是单向的,也可以是双向的。单向通信包括只接收信号的BP机。双向通信系统包括分组无
16、线电网络和蜂窝系统分组无线电通信(PacketRadio Communication)。分组无线电通信将一次传输分解成许多小的包含源地址和目的地址,以及错误检测信息的数字分组。这些分组被上联到一个卫星,然后再进行广播。接收设备只接收编址到它的数字分组。由于这种传输是双向的,因而要使用查错和纠错技术。蜂窝数字分组通信(Cellular Digital Packet Communication)。蜂窝通信设备是一种提供用户和他们的家庭、办公室或网络之间进行双向通信的移动计算设备。这些设备具有电子函件处理能力,并且可以传输文件和其它信息。,48,GSM,GSM:“全球移动通信系统”(Global S
17、ystem for Mobile communications)蜂窝概念 GSM使用时分多址方法GSM移动台分为两部分一部分包含无线接口特有的软件和硬件另一部分是用户数据用户识别卡(SIM)GSM支持这么多数据业务,但是它基本上还是为了话音业务和低速数据业务设计的,49,GRPS,GRPS是General Packet Radio Service GPRS是一项高速数据处理的科技,即以分组的“形式”把数据传送到用户手上 GPRS拥有171.2kbps的访问速度 GPRS是基于包转发机制的 GPRS是根据数据流量收费的 GPRS完全支持了移动Internet的功能 GPRS的缺点是:一个蜂窝小区
18、内容量有限,并且实际数据传输速度远低于理论值,50,CDMA,CDMA全称码分多址接入技术(Code Division Multiple Access)建立在正交编码、相关接收的理论基础上运用扩频通信技术解决无线通信的选址问题的多址接入方式在CDMA技术中,先用一个扩频码(spreading code)对数据进行调制,然后传输 CDMA还有一个非常显著的优点是它能充分利用多路衰减现象,51,CDMA与GSM/GPRS比较,GSM/GPRS系统有一个缺点,就是移动台在跨越两个蜂窝小区的时候,要先跟原来所在的小区的基站断开连接,然后跟后来所在的小区的基站进行连接,这个称为先断后连的转台(hando
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