嵌入式系统原理与应.ppt

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1、1,嵌入式系统原理与应用,石秀民，北京理工大学-Intel联合实验室2007-11-16,2,参考资料,1.嵌入式系统-Intel XScale结构与开发，编著 陈章龙、涂时亮，北京航空航天大学出版 社，2004年1月2.王田苗 主编.嵌入式系统设计及实例开发ARM与C/OS-.北京：清华大学出版社，2002.93.Linux与嵌入式系统，李善平，刘文峰，北京：清华大学出版社，2003.14（美）Jean J.Labrosse,邵贝贝译.C/OS-源码公开的实时嵌入式操作系统.北京：中国电力出版社，2001.8简介：是目前学习嵌入式操作系统最好的入门教材，书中对一个完整的嵌入式实时内核C/OS

2、-进行了剖析，详细讲述了实时内核的设计和创建方法，以及多任务实时系统的原理和编程思想。,3,5（美）Wayne Wolf，孙玉方等译.嵌入式计算机系统设计原理.北京：机械工业出版社，2002.2 简介：被称为“嵌入式计算系统设计的第一本教科书”，书中重点介绍了嵌入式技术和基本原理和技术，涉及到嵌入式系统的相关的指令系统、CPU、计算平台、程序设计与分析、进程和操作系统、硬件加速器、网络、系统设计技术等方面。6 毛德操，胡希明著。Linux内核源代码情景分析。浙江:浙江大学出版社。7 Andrew N.Sloss(美)ARM 嵌入式系统开发软件设计与优化,北京:北京航空航天大学出版社，2005.

3、5,4,实验平台,5,嵌入式系统的概述-基于ARM,1、什么是嵌入式系统2、硬件基础3、嵌入式操作系统4、嵌入式系统的应用领域5、嵌入式技术的发展趋势,6,一、什么是嵌入式系统,1 发展历史和典型应用嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。一个手持的MP3和一个PC104的微型工业控制计算机都可以认为是嵌入式系统。嵌入式系统早期主要应用于军事及航空航天等领域,以后逐步广泛地应用于工业控制、仪器仪表、汽车电子、通信和家用消费类等领域。随着Internet的发展,新型的嵌入式系统正朝着信息家电IA(Information Appliance)和3C(Computer、Communication&Con

4、sumer)产品方向发展。嵌入式系统已经有了近30年的发展历史，它是在硬件和软件交替双螺旋式发展的基础上发展起来的。,7,第一款微处理器是Intel的4004，它出现在1971年，然后是是Intel公司的8048，它出现在1976年。Motorola同时推出了68HC05，Zilog公司推出了Z80系列，这些早期的单片机均含有256字节的RAM、4K的ROM、4个8位并口、1个全双工串行口、两个16位定时器。之后在80年代初，Intel又进一步完善了8048，在它的基础上研制成功了8051。在单片机的历史上是值得纪念的一页，迄今为止，51系列的单片机仍然是最为成功的单片机芯片，在各种产品中有着

5、非常广泛的应用。,8,典型应用,手机,机顶盒STB,PDA,可视电话,SONY机器狗,“索杰纳”火星车,9,1981年Ready System发展了世界上第1个商业嵌入式实时内核（VTRX32）包含了许多传统操作系统的特征，包括任务管理、任务间通讯、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。随后，出现了Integrated System Incorporation(ISI)的PSOS、WindRiver的VxWorks、QNX公司的QNX等，Palm OS，WinCE，嵌入式Linux，Lynx，uCOS、Nucleus，以及国内凯思集团的Hopen、Delta OS等嵌入式操作系统。,10,

6、90年代以后，随着对实时性要求的提高，软件规模不断上升，实时内核逐渐发展为实时多任务操作系统（RTOS），并作为一种软件平台逐步成为目前国际嵌入式系统的主流。这时候更多的公司看到了嵌入式系统的广阔发展前景，开始大力发展自己的嵌入式操作系统。今天RTOS已经在全球形成了1个产业，根据美国EMF（电子市场分析）报告，1999年全球RTOS市场产值达3.6亿美元，而相关的整个嵌入式开发工具（包括仿真器、软件编译器和调试器）则高达9亿美元。,11,风河的Tornado/VxWorks,Palm公司的Palm OS,微软的Windows CE,12,2 定义,IEEE定义 根据IEEE（国际电气和电子工

7、程师协会）的定义：嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（原文为devices used to control,monitor,or assist the operation of equipment,machinery or plants）。可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。,13,一般定义“以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。”从以下几个方面来理解国内对嵌入式系统的定义：嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合才会具有生

8、命力、才更具有优势。可以这样理解上述三个方面的含义，即嵌入式系统是与应用紧密结合的，它具有很强的专用性，必须结合实际系统需求进行合理的裁减利用。,14,嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术以及各个行业的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。所以，介入嵌入式系统行业，必须有一个正确的定位。例如Palm OS之所以在PDA领域占有70以上的市场，就是因为其立足于个人电子消费品，着重发展图形界面和多任务管理；而风河的VxWorks之所以在火星车上得以应用，则是因为其高实时性和高可靠性。,15,嵌入式系统必须根据应用需求

9、能够对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求。所以，如果能建立相对通用的软硬件基础，然后在其上开发出适应各种需要的系统，是一个比较好的发展模式。目前的嵌入式系统的核心往往是一个只有几KB到几十KB的微内核，需要根据实际的使用进行功能扩展或者裁减。由于微内核的存在，使得这种扩展能够非常顺利地进行。,16,嵌入式系统本身是一个外延极广的名词，凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统，很难给它下一个准确的定义。因此，目前通常把嵌入式系统概念的重心放在“系统”（即操作系统）上，指能够运行操作系统的软硬件综合体。总体上嵌入式系统可以划分成硬件和软件两部分，硬

10、件一般由高性能的微处理器和外围的接口电路组成，软件一般由实时操作系统和其上运行的应用软件构成，软件和硬件之间由所谓的中间层（BSP层，板级支持包）连接。,17,3、嵌入式系统的几个重要特征,（1）系统内核小由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。比如ENEA公司的OSE分布式系统，内核只有5K，而Windows的内核则要大得多。我们用的sitsang平台，移植的内核不包括文件系统851.3k。包括之后是39M。,18,（）专用性强嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植。即使在同一品牌、同一

11、系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全不同的概念。,19,（）系统精简嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。（）高实时性OS这是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固化存储，以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性、实时性。,20,（5）嵌入式软件开发走向标准化，必须使用多任务操作系统嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行。为了合理地调度多任务、利用系统资源、

12、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配RTOS（RealTime Operating System）开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。,21,（6）嵌入式系统开发需要开发工具和环境由于其本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后，用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。,22,23,4、嵌入式系统与PC之间的区别,嵌入式系

13、统一般是专用系统，而PC是通用计算平台嵌入式系统的资源比PC少得多嵌入式系统软件故障带来的后果比PC机大得多嵌入式系统一般采用实时操作系统嵌入式系统大都有成本、功耗的要求嵌入式系统得到多种微处理体系的支持嵌入式系统需要专用的开发工具,24,5、典型嵌入式系统基本组成硬件,25,6、典型嵌入式系统基本组成软件,处理器,存储器,输入,输出,操作系统,应用程序,软件结构,硬件结构,26,嵌入式系统一般指非PC系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器微处理器、存储器及外设器件和IO端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件（OS）（要求实时和多任务操作）和应用程序编程。有时设计人员把这两种软件组

14、合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。,27,嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下4个特点1）对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。2）具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。3）可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。4）嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计

15、算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW甚至W级。,28,嵌入式处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。早期的位、位单片机，后来的16位CPU，现在 32位、64位嵌入式CPU。实时操作系统 实时操作系统是嵌入式系统目前最主要的组成部分。实时性需要调度一切可利用的资源完成实时控制任务，着眼于提高计算机系统的使用效率，满足对时间的限制和要求。,29,冯诺依曼体系结构和哈佛体系结构CISC与RICS嵌入式处理器 影响CPU性能的因素存储器系统I/O接口,二、硬件基础,30,冯诺依曼体系结构模型,指令寄存器,控制器,数据通道,输入,输出,中央处

16、理器,存储器,程序,指令0,指令1,指令2,指令3,指令4,数据,数据0,数据1,数据2,总线,31,指令的执行周期T,1）取指令（Instruction Fetch)：TF2）指令译码（Instruction Decode）：TD3）执行指令（Instruction Execute）：TE4）存储（Storage）：TS每条指令的执行周期：T=TF+TD+TE+TS,32,冯诺依曼体系的特点,1）数据与指令都存储在同一存储区中，取指令与取数据利用同一数据总线。2）被早期大多数计算机所采用3）ARM7冯诺依曼体系结构简单,但速度较慢。取指不能同时取数据,33,哈佛体系结构,指令寄存器,控制器,

17、数据通道,输入,输出,中央处理器,程序存储器,指令0,指令1,指令2,数据存储器,数据0,数据1,数据2,总线,总线,34,哈佛体系结构的特点,1）程序存储器与数据存储器分开.2）提供了较大的存储器带宽，各自有自己的总线。3）适合于数字信号处理.4）大多数DSP都是哈佛结构.5）ARM9是哈佛结构 取指和取数在同一周期进行，提高速度，改进哈佛体系结构分成三个存储区：程序、数据、程序和数据共用。,35,CISC和RISC,RIS C和 C IS C是目前设计制造微处理器的两种典型技术，虽然它们都是试图在体系结构、操作运行、软件硬件、编译时间和运行时间等诸多因素中做出某种平衡，以求达到高效的目的，

18、但采用的方法不同，因此，在很多方面差异很大，它们主要有：,36,CISC和RISC,CISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer）具有大量的指令和寻址方式8/2原则：80%的程序只使用20%的指令大多数程序只使用少量的指令就能够运行。CISC CPU 包含有丰富的单元电路，因而功能强、面积大、功耗大。RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer)在通道中只包含最有用的指令,只提供简单的操作。确保数据通道快速执行每一条指令Load-store结构 处理器只处理寄存器中的数据，load-store指令用来完成数据在

19、寄存器和外部存储器之间的传送。使CPU硬件结构设计变得更为简单，RISC CPU包含较少的单元电路，因而面积小、功耗低,37,CISC与RISC的数据通道,IF,ID,REG,ALU,MEM,开始,退出,IF,ID,ALU,MEM,REG,微操作通道,开始,退出,单通数据通道,38,嵌入式处理器,嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，据不完全统计，到2000年全世界嵌入式处理器的品种总量己经超过1000多种，流行体系结构有30几个系列。现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，越来越多的公司有自己的处理器设计部门。嵌入式处理器的寻址空间一般从64kB到256MB，处理速度从0.1MI

20、PS到2 0 00MIPS，常用封装从8个引脚到256个引脚。根据其现状,嵌入式处理器可以分成下面几类。,39,The Intel PXA255 Processor,The Intel PXA255 Processor(PXA255 processor is an application specific standard product(ASSP)that provides industry-leading MIPS/mW performance for handheld computing applications.The processor is a highly integrated

21、system on a chip and includes a high-performance low-power Intel XScale microarchitecture with a variety of different system peripherals.The PXA255 processor is a 17x17mm 256-pin PBGA package configuration for high performance.The 17x17mm package has a 32-bit memory data bus and the full assortment

22、of peripherals.,40,嵌入式微控制器（Microcontroller U nit，MCU）,嵌入式微控制器的典型代表是单片机。从20世纪70年代末单片机出现到今天，虽然已经经过了20多年的历史，但这种位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash、EEPROM等各种必要功能模块。嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有目前 MCU占嵌入式系统约7 0的市场份额。特别值得注意的是近年来提供X86微处理器的著名厂商AMD公司把Aml86

23、CC/CH/CU等嵌入式处理器称之为 Microcontroller。MOTOROLA公司把以 Power PC为基础的 PPC505和 PPC55 5亦列入单片机行列。TI公司亦将TMS3 20C2XXX系列DSP做为MC U进行推广。,41,嵌入式DSP处理器（Embedded Digital Signal Processor,EDSP）,DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、F FT、谱分析等方面 D S P算法正在大量进入嵌入式领域，DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP 功能，过渡到采用嵌入式D

24、S P处理器。嵌入式D S P处理器有两个发展来源:一是 D S P处理器经过单片化、E M C改造、，增加片上外设成为嵌入式DSP处理器，Ti的TMS320C5000等属于此范畴：另一是在通用单片机或片上系统（SOC）中增DSP协处理器，例如intel的MC S2 9 6。,42,嵌入式微处理器Embedded Microprocessor Unit，EMPU,嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。它的特征是具有32位以上的处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。目前主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000（68k）、

25、MIPS、ARM系列等。其中ARMXscale是专为手持设备开发的嵌入式微处理器，属于中档的价位。嵌入式微处理器又可分为CISC和RISC两类。大家熟悉的大多数台式PC都是使用CISC微处理器，如 intel的x 8 6。RISC结构体系有两大主流：S ilicon Graphics公司（硅谷图形公司）的MIPS技术，ARM公司的Advanced RISC Machines技术。此外H i tac h i（日立公司）也有自己的一套技术SuperH。,43,嵌入式片上系统（System On Chip）,片上系统SOC是追求产品系统最大包容的集成器件，是目前嵌入式应用领域的热门话题之一。SOC最

26、大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。而且SOC具有极高的综合性，在一个硅片内部运用VHDL等硬件描述语言，实现一个复杂的系统。用户不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点点地连接焊制，只需要使用精确的语言，综合时序设计，直接在器件库中调用各种通用处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。由于绝大部分系统构件都是在系统内部，整个系统就特别简洁，不仅减小了系统的体积和功耗，而且提高了系统的可靠性，提高了设计生产效率。由于SOC往往是专用的，所以大部分都不为用户所知，比较典型的SOC产品是Philips的Smart XA。少

27、数通用系列如Siemens的TriCore、Motorola的M-Core、某些ARM系列器件、Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。,44,嵌入式处理器的选择,针对每一类应用来说，开发者对处理器的选择就是多种多样的由于嵌入式系统设计的差异性极大，因此选择是多样化的。设计者在选择微处理器是要考虑的主要因素有：处理器的处理速度：一个处理器的性能取决于多个方面的因素：时钟频率，内部寄存器的大小，指令是否对等处理所有的寄存器等。对于许多需用处理器的嵌入式系统设计来说，目标不是在于挑选速度最快的处理器，而是在于选取能够完成作业的处理器和I/O子系统。如果你的设计是面向高性能的应

28、用，那么建议你考虑某些新的处理器，XScale,Power PC 等。技术指标。当前，许多嵌入式处理器都集成了外围设备的功能，从而减少了芯片的数量，进而降低了整个系统的开发费用。开发人员首先考虑的是，系统所要求的一些硬件能否无需过多的胶合逻辑（Glue Logic）就可以连接到处理器上。其次是考虑该处理器的一些支持芯片，如DMA控制器，内存管理器，中断控制器，串行设备、时钟等的配套。,45,处理器的低功耗。嵌入式微处理器最大并且增长最快的市场是手持设备、电子记事本、PDA、手机、GPS导航器、智能家电等消费类电子产品，这些产品中选购的微处理器典型的特点是要求高性能、低功耗。许多CPU生产厂家己

29、经进入了这个领域。处理器的软件支持工具。仅有一个处理器，没有较好的软件开发工具的支持，也是不行的，因此选择合适的软件开发工具对系统的实现会起到很好的作用。处理器是否内置调试工具。处理器如果内置调试工具可以大大的缩小调试周期，降低调试的难度。处理器供应商是否提供评估板。许多处理器供应商可以提供评估板来验证你的理论是否止确，验证你的决策是否得当。,46,47,影响CPU性能的因素：流水线、超标量和缓存,流水线技术：几个指令可以并行执行 提高了CPU的运行效率 内部信息流要求通畅流动,译码,取指,执行add,译码,取指,执行sub,译码,取指,执行cmp,时间,Add,Sub,Cmp,48,超标量执

30、行,超标量执行：超标量CPU采用多条流水线结构,执行1,预取,指令CACHE,译码2,译码1,执行2,执行1,预取,译码2,译码1,执行2,流水线1,流水线2,数据,49,高速缓存（CACHE）,1、为什么采用高速缓存 微处理器的时钟频率比内存速度提高快得多，高速缓存可以提高内存的平均性能。2、高速缓存的工作原理 高速缓存是一种小型、快速的存储器，它保存部分主存内容的拷贝。,CPU,高速缓存控制器,CACHE,主存,数据,数据,地址,50,存储器系统,存储器的物理实质是一组或多组具备数据输入输出和数据存储功能的集成电路，用于充当设备缓存或保存固定的程序及数据。存储器按存储信息的功能可分为只读存

31、储器 R O M（Read only Memory）和随机存储器RAM(Random Access Memory）。,51,SRAM和DRAM,1）SRAM 2）DRAM,CS,R/W,Addr,Data,CS,R/W,CAS,Data,RAS,Addr,1）SRAM比DRAM快2）SRAM比DRAM耗电多3）DRAM存储密度比SRAM高得4）DRAM需要周期性刷新,52,SDRAM(Synchronous DRAM，同步动态随机存储器),此RAM与系统时钟同步，以相同的速度同步工作，这样就可以取消等待周期，减少数据存储时间。SDRAM不仅可用作主存，在显示卡方面也有广泛应用。SDRAM 同步

32、动态随机储存器，也称DDR(Double Data Rate)，其核心以SDRAM为基础，但在速度和容量上有明显提高。与SDRAM相比：DDR运用了更先进的同步电路，使指定地址、数据的输送和输出主要步骤既独立执行，又保持与CPU完全同步；DDR使用了DLL(DelayLocked Loop，延时锁定回路提供一个数据滤波信号)技术，DDL本质上不需要提高时钟频率就能加倍提高SDRAM的速度，它允许在时钟脉冲的上升沿和下降沿读出数据，因而其速度是标准SDRA的两倍。,53,ROM：只读存储器FLASH：闪存NOR和NAND是现在市场上两种主要的非易失闪存技术 NOR的读速度比NAND稍快一些NAN

33、D的写入速度比NOR快很多NAND的擦除速度远比NOR的快（NAND的4ms擦除速度远比NOR的5s快）NOR的特点是芯片内执行(XIP,Execute In Place)，这样应用程序可以直接在flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。,54,接口差别,NOR flash带有SRAM接口，线性寻址，可以很容易地存取其内部的每一个字节NAND flash使用复用接口和控制IO多次寻址存取数据NAND读和写操作采用512字节的块，这一点有点像硬盘管理此类操作易于取代硬盘等类似的块设备,55,容量和成本,NAND flash生产过程更为简单，成本低常见的NOR flash为128KB16

34、MB，而NANDflash通常有8128MBNOR主要应用在代码存储介质中，NAND适合于数据存储NAND在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards和MMC存储卡市场上所占份额最大,56,可靠性和耐用性,在NAND中每块的最大擦写次数是100万次，而NOR的擦写次数是10万次。位交换的问题NAND flash中更突出，需要ECC纠错NAND flash中坏块随机分布，需要通过软件标定产品量产的问题，NAND器件需要对介质进行初始化扫描以发现坏块，并将坏块标记为不可用。,57,输入输出接口,CPU与外部设备及存储器的连接和数据交换都需要通过接口设备来实现，而前级被

35、称为I/O接口，而后者则被称为存储器接口。存储器通常在CPU的同步控制下，作为接口电路比较简单。而I/O设备品种繁多，其相应的接口电路也各不相同，因此，习惯上说到接口只是I/O接口。并行接口：串行接口：USB接口：PCMCIA和CF：红外线接口：ISA总线：PCI总线：SPI总线：PC104总线：CAN总线：,58,并行接口：所谓“并行”，是指8位数据同时通过并行线进行传送这样数据传送速度大大提高，但并行传送的线路长度受到限制，因为长度增加，干扰就会增加，容易出错。常用的25针工作模式，S P P标准工作模式。EPP增强型工作模式。ECP扩充型工作模式。,59,串行接口：在嵌入式系统的开发和应

36、用中，经常需要使用上位机实现系统的调试及现场数据的采集和控制。一般是通过上位机本身配置的串行口，通过串行通讯技术，和嵌入式系统进行连接通讯。串行口的典型代表是RS2 3 2C及其兼容插口，2 5针串行口可用 9、11、18、25针来实现。RS232C是美国电子工业协会 EM（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。R S2 32C总线标准设有2 5条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下上要使用主通道，对于一般双工通信仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一

37、条地线。,60,全功能UART（FFUART）、蓝牙UART（BEUART）和标准UART（STURAT）。FFUART支持Modem控制功能。它的最高波特率为230.4Kbs。蓝牙UART BTUART为一个高速UART，支持最高为921.6Kps，可连接至兰牙模块。除了RXD和TXD外，它仅有nCTS和nRTS Modem 控制脚。标准UART STUART不支持Modem控制功能。它的最高波特率为230.4Kps。,61,62,USB接口：USB全称Universal Serial Bus（通用串行总线）。USB接口是现在比较流行的接口，用于将使用的USB的外围设备连接到主机。在USB的

38、网络协议中，每个USB的系统有且只有一个host，它负责管理整个USB系统，包括USBDevice的连接与删除、host与USBdevice 的通信、总路线的控制等等。USB最大的好处在于能支持多达127个外设，并且可以独立供电。支持热拔插，真正做到即插即用。一个USB接口可同时支持高速和低速USB外设的访问，由一条 4芯电缆速接，其中 2条是正电源和地，传送的是5 V的电源，2条是差分数据传输线，数据线是单工的，在整个的一个系统中的数据速率是一定的，要么是高速，要么是低速。高速外设的传输速率为12Mbps，而低速外设的传输速率1.5Mbps。新出台的USB2.0标准的最高传输速率可达480M

39、bps,是目前USB1.1 的 40倍。,63,64,PCMCIA全名为 Personal Computer Memory Card Intenational Association，中文意思是“国际个人电脑存储卡协会”。凡符合此协会定义的界面规定技木所设计的界面卡，便可称为PCMCIA卡或简称为PC卡。以前这项技术标准只适用于存储器扩展卡，但后来还扩展到存储器以外的外部设备，如网络卡、视频会议卡及调制解调器等。PCMCIA卡共分成四种规格，分别是TYPE I、TYPE II、TYPE III以及CardBuS。由于CardBus属于需要高频宽外设的界面规格，而且不常见，这里集中介绍前三类规格

40、，即TYPE I、TYPE II、TYPE III，它们常被应用于一般的外设规格上。TYPE I 的规格：面积为 8.56X5.4cm,厚度则为0.33cm；适用于一般存储器扩充卡。TYPE II的规格：而积为8.56 x 5.4cm，厚度则为05cm；应用范围包括Modem卡、Network卡、视频会议卡等。TYPE III的规格：面积为856x54cm，厚度为1.05cm；应用范围为硬盘。,PCMCIA和CF,65,90年代初，当消费性数码电子产品尚在研制时，Sandisk和 Canon（佳能）等几家公司就洞悉到急需新的存储介质与之相适应，通过业界的沟通，Sandisk和KODAK（柯达）

41、、CASIO（卡西欧）、Canon（佳能）结成战略性伙伴，制定新一代的基于RAM和ROM技术的固态非易掉大的存储介质标准：Compact Flash标准。到1994年，Sandisk推出第一块可抹写的CF卡（属于EPROM）。随后，在1995年，由125家厂商联盟组成一个非盈利性质的，旨在共同推广CF标准的协会一一CompactFlansh Association（简称CFA）CF卡分2种，TYPE I为43mm x36mm x33mm（CFI），TYPE II为 43mmx36mm x5mmCF II），CF卡的连接装置与PCMCIA卡相似，只不过CF卡是50pin（PCMCIA卡68pin

42、）。CF卡可以很容易的插入无源68-pin TYPE II适配卡并完全符合PCMCIA电力和机械接口规格。CompactFlash卡同时支持3.3伏和 5伏的电压，我们知道大部份的数字集成电路的供电要么是5V要么是3.3 V。,Compact Flash标准,66,67,红外线接口 由于利用红外线接口进行文件传输不用连线，且速度较快，达4M/s，不失为短距离双机拐通讯的一种好万法。进行红外线通讯时需注意：将具有红外线通讯功能的两个系统靠近，且发送口大致在同一水平线上，注意两系统三间的距离不能相差太远，一般在一到两米，角度相差不超过 30度。红外线接口大多是5个针插座，其管脚定义如下：红外发射电

43、路由红外发射管L2和限流电阻R2组成。当主板红外接口的输出端IRTX输出调制后的电脉冲信号时，红外发射管将电脉冲信号转化为红外线光信号发射出去。电阻R2起限制电流作用，以免过大的电流将红外管损坏。红外接受电路由红外线接收管L1和取样电阻R1组成。当红外接收管接收到红外线光信号时，其反向电阻会随光信号的强弱变化而相应变化，根据欧姆定律可以得知道通过红外接收管L1和电阻R1的电流也会相应变化，而在取样电阻两端的电压也随之变化，此变化的电压经主板红外接口的输入端IRRX输入主机。,68,69,总 线 总线就是各种信号线的集合，是计算机各部件之间传送数据、地址和控制信息的公共通路。总线的主要参数有：总

44、线的带宽:总线的带宽指的是一定时间内总线上可传送的数据量，即我们常说的每秒钟传送多少MB的最大稳态数据传输率。与总线带宽密切相关的两个概念是总线的位宽和总线的工作时钟频率。,70,总线的位宽 总线的位宽指的是总线能同时传送的数据位数，即我们常说的3 2位、6 4位等总线宽度的概念。总线的位宽越宽则总线每秒数据传输率越大，也即总线带宽越宽。总线的工作时钟频率 总线的工作时钟频率以MHz为单位，工作频率越高则总线工作速度远快，也即总线带宽越宽。,71,ISA总线 IBM公司于1981年推出的基于8位机PC/XT的总线，称为PC总线。1984年IBM公推出了16位P C机P CAT，其总线称为AT总

45、线。然而IBM公司从未公布过他们 AT总线规格。为了能够合理地开发外插接口卡，由Intel公司，IE E E和EISA集团联合开发了与IBM/AT原装机总线意义相近的ISA总线，即816位的“工业标准结构”IS A Industry Standard Architecture)总线。ISA总线有98只引脚。其中62线的一段基于8位的PC总线，可以独立使用，连接8位的扩展卡，而6 2线与3 6线相加后就扩展成标准的16位IS A，连接16位的扩展卡。,72,ISA总线的主要性能指标如下：（1）I/O地址空间0100H-03FFH（2）2 4位地址线可直接寻址的内存容量为16MB（3）816位数据

46、线(4）6 23 6引脚（5）最大位宽 16位（b it）（6）最高时钟频率8MHz（7）最大稳态传输率16MBS（8）中断功能（9）D MA通道功能（10）开放式总线结构，允许多个CP U共享系统资源,73,PCI总线 19 91年下半年，Intel公司首先提出了PCI的概念，并联合IBM、Compaq、AST、HP、DEC等 100多家公司成立了 PCI集团，其英文全称为：Peripheral Component Interconnect Special Interest Group（外围部件互连专业组），简称PCISIG。PCI有32位和6 4位两种，32 位PCI有 124引脚，64位

47、有 188引脚，日前常用的是32位 PCI。3 2位PCI的数据传输率为133MB/s,大大高于ISA。,74,PCI总线的主要性能（l）支持 10台外设（2）总线时钟频率 3 33 MHz/6 6 MHZ（3）最大数据传输速率133 MBs（4）时钟同步方式（5）与 CPU及时钟频率无关（6）总线宽度3 2位（5 V）64位（3.3 V）（7）能自动识别外设,75,SPI总线 串行外围设备接口（serial peripheral interface）总线技术是Motorola公司推出的一种同步串行接口。Motorola公司生产的绝大多数MCU（微控制器）都配有SPI硬件接口，如68系列MCU

48、。SPI总线是一种三线同步总线，因其硬件功能很强，所以，与SPI有关的软件就相当简单，使CP U有更多的时间处理其他事务。由SPI连成的串行总线是一种三线同步总线，总线上可以连接多个可作为主机的 MCU，装有SPI接口的输出设备，输入设备如液晶驱动、A/D转换等外设，也可以简单连接到单个TTL移位寄存器的芯片。总线上允许连接多个能作主机的设备，但在任一瞬间只允许有一个设备作为主机。总线的时钟线SCK由主机控制，另外两根分别是：主机输入从机输出线MISO和主机输出从机输入线MO SI。典型的结构如下图 所示。,76,77,系统可以简单，也可以复杂，主要有以下几种形式：（1）一台主机 MCU和若干

49、台从机 MCU（2）多台MCU互相连接成一个多主机系统。（3）一台主机 MCU和若干台从机外围设备。主机和哪台从机通讯通过各从机的选通线进行选择。SPI是全双工的，即主机在发送的同时也在接收数据，传送的速率由主机编程决定：时钟的极性和相位也是可以选择的，具体的约定由设计人员根据总线上各设备接口的功能决定。,78,PC104总线 1992年IEEE开始着手为PC和PC/AT总线制定一个精简的IEEEP996标准（草稿），PC104作为基本文件被采纳，叫做IEEE P996.1兼容PC嵌入式模块标准。可见，PC104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线。我们知道IEEEP996是PC和PCA

50、T，工业总线规范，IEEE协会将它定义IEEEP996l，很明显 PC104实质上就是一种紧凑型的IEE EP 9 9 6，其信号定义和PC/AT基本一致，但电气和机械规范却完全不同，是一种优化的、小型、堆栈式结构的嵌入式控制系统总线。PCI 04有两个版本，8位和16位，分别与PC和PC/AT相对应。PC104PLUS则与PCI总线相对应，在PC104总线的两个版本中，8位P C104共有 6 4个总线管脚，单列双排插 针和插孔，P1：64针，P 2：40针，合计10 4个总线信号，P C10 4因此得名。,79,CAN总线CAN，全称为“Controller Area Network”，即