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文檔簡介

嵌入式計(jì)算機(jī)及 機(jī)電系統(tǒng)接口應(yīng)用,周斌 2011年9月,課程安排,緒論 課程介紹 第一部分 嵌入式計(jì)算機(jī)及接口 第二部分 基于嵌入式操作系統(tǒng)的軟件接 口技術(shù) 第三部分 高性能微控制器原理與應(yīng)用,緒論 課程介紹,第一節(jié) 什么是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 第二節(jié) 機(jī)電系統(tǒng)接口 第三節(jié) 講課與實(shí)驗(yàn)安排 第四節(jié) 考核方法 第五節(jié) 參考教材,第一章 課程介紹,第一節(jié) 什么是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng),第一節(jié) 什么是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng),一、嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展史,1943年至1946年,由賓夕法尼亞大學(xué)建造的首臺(tái)電子計(jì)算器誕生,歷時(shí)3年,占地面積1800平方英寸,使用了18000個(gè)真空管,重50噸,ENIAC,第一節(jié) 什么是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng),隨后的20多年,計(jì)算機(jī)始終是供養(yǎng)在特殊的機(jī)房中,實(shí)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算的大型昂貴設(shè)備,直到1970年,Intel推出了首個(gè)微處理器4004,計(jì)算機(jī)才開始走出機(jī)房,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)入分支發(fā)展階段。,Intel 4004微處理器,第一節(jié) 什么是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng),嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分支發(fā)展:,第一節(jié) 什么是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng),機(jī)電一體化設(shè)備:辦公自動(dòng)化設(shè)備、計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、各種測量儀器、數(shù)控裝置、汽車、機(jī)器人等 信息家電及消費(fèi)類電子產(chǎn)品:掌上型電腦、手機(jī)、電視機(jī)、VCD、DVD、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、可視電話等 工業(yè)控制、醫(yī)療、交通管理、環(huán)境檢測等 軍事國防領(lǐng)域:武器控制、導(dǎo)彈彈上計(jì)算機(jī)、雷達(dá)、電子對抗等軍事電子設(shè)備等,嵌入式計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域:,第一節(jié) 什么是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng),定義:嵌入到對象體系中的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng),嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)定義及特點(diǎn):,特點(diǎn): 與“嵌入性”的相關(guān)特點(diǎn):由于是嵌入到對象系統(tǒng)中,必須滿足對象系統(tǒng)的環(huán)境要求,如物理環(huán)境(小型)、電氣/氣氛環(huán)境(可靠)、成本(價(jià)廉)等要求。 與“專用性”的相關(guān)特點(diǎn):軟、硬件的裁剪性;滿足對象要求的最小軟、硬件配置等。 與“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”的相關(guān)特點(diǎn):嵌入式系統(tǒng)必須是能滿足對象系統(tǒng)控制要求的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。與上兩個(gè)特點(diǎn)相呼應(yīng),這樣的計(jì)算機(jī)必須配置有與對象系統(tǒng)相適應(yīng)的接口電路。,第一節(jié) 什么是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng),嵌入式計(jì)算機(jī)按形態(tài)可分為:,嵌入式計(jì)算機(jī)的種類:,板級(jí):單板、模塊,以嵌入式微處理器為核心,例如PC/104。 芯片級(jí):單片機(jī)(也稱為微控制器MCU), 例如8051系列、DSP處理器(Digital Signal Processor )、片上系統(tǒng)SOC(System On Chip),往往是專用的。,嵌入式系統(tǒng)軟件(例如嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS),緒論 課程介紹,第一節(jié) 什么是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 第二節(jié) 機(jī)電系統(tǒng)接口,第一節(jié) 什么是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng),機(jī)電系統(tǒng)接口,機(jī)電系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集,測量加速度、速度、位置、角度方法 控制接口技術(shù),電機(jī)的控制方法 計(jì)算機(jī)的通信接口,包括:并行口、串行口、雙口RAM、USB等,緒論 課程介紹,第一節(jié) 什么是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 第二節(jié) 機(jī)電系統(tǒng)接口 第三節(jié) 講課與實(shí)驗(yàn)安排,第一節(jié) 什么是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng),一、學(xué)時(shí)安排,嵌入式計(jì)算機(jī)及接口 15學(xué)時(shí) 基于嵌入式操作系統(tǒng)的軟件接口技術(shù) 6學(xué)時(shí) 微控制器原理與應(yīng)用 6學(xué)時(shí) 共27學(xué)時(shí)講課,課程大實(shí)驗(yàn)(至少完成2個(gè)) 28學(xué)時(shí),第一節(jié) 什么是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng),二、實(shí)驗(yàn)安排,本課程共有兩個(gè)大型綜合實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)1必做,實(shí)驗(yàn)2選作其中的12個(gè)子實(shí)驗(yàn),兩個(gè)同學(xué)一組,精儀系9003大樓4101 “機(jī)電控制實(shí)驗(yàn)室” 清華盛博嵌入式 聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,第一節(jié) 什么是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng),自動(dòng)測量直流電機(jī)的調(diào)節(jié)特性曲線實(shí)驗(yàn),第一節(jié) 什么是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng),第一節(jié) 什么是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng),提供的硬件: PC104總線嵌入式計(jì)算機(jī),ADT650數(shù)據(jù)采集卡 電機(jī)、光電編碼器、功放電路、面包板、器件 軟件:利用TC編寫程序 要求: 自己設(shè)計(jì)必要的電路、并進(jìn)行連接和調(diào)試; 在DOS/Win98操作系統(tǒng)下,編寫和調(diào)試C語言程序; 得到電機(jī)的調(diào)節(jié)特性曲線,第一節(jié) 什么是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng),進(jìn)階要求:(選做) 在Linux下,使用GCC編譯器,開發(fā)AD采集卡的驅(qū)動(dòng)程序,并重新編寫電機(jī)調(diào)節(jié)特性測量的用戶程序 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?掌握板級(jí)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)開發(fā) 時(shí)間:約4個(gè)單位時(shí)間,第一節(jié) 什么是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng),2. 微控制器綜合實(shí)驗(yàn),第一節(jié) 什么是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng),第一節(jié) 什么是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng),提供的硬件: ADuc841微控制器綜合實(shí)驗(yàn)板 軟件:利用C編寫單片機(jī)程序 要求: 在Keil C開發(fā)環(huán)境下,編寫和調(diào)試ADuC841程序; ( 設(shè)計(jì)CPLD內(nèi)部的數(shù)字邏輯電路,并利用MAX Plus II編寫CPLD程序;) 要求: 掌握芯片級(jí)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)開發(fā),第一節(jié) 什么是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng),選做以下幾個(gè)子實(shí)驗(yàn): 1)電子鐘實(shí)驗(yàn) 特點(diǎn):計(jì)時(shí)、修改時(shí)間、秒表功能、儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。 目的:熟悉單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng),設(shè)計(jì)部分電路,編寫程序; 掌握基于RTX51的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)使用方法,第一節(jié) 什么是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng),2)RS485串行通訊實(shí)驗(yàn) 特點(diǎn):傳輸距離遠(yuǎn)、速度快、可接多個(gè)設(shè)備 目的:熟悉和掌握串行口通信,第一節(jié) 什么是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng),3)雙口RAM通訊實(shí)驗(yàn) 特點(diǎn):設(shè)計(jì)雙口RAM的接口電路 目的:掌握雙口RAM的使用 內(nèi)容:編寫程序,實(shí)現(xiàn)大批量數(shù)據(jù)在PC104和微控制器 綜合實(shí)驗(yàn)板之間進(jìn)行快速傳輸,第一節(jié) 什么是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng),4)通用串行總線USB數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn) 特點(diǎn):設(shè)計(jì)USB設(shè)備的電路 目的:初步了解USB 內(nèi)容:掌握UART轉(zhuǎn)USB接口的使用方法,編寫通訊程序,緒論 課程介紹,第一節(jié) 什么是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 第二節(jié) 機(jī)電系統(tǒng)接口 第三節(jié) 講課與實(shí)驗(yàn)安排 第四節(jié) 考核方法,第一節(jié) 什么是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng),考核辦法,完成實(shí)驗(yàn):根據(jù)完成兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的電路設(shè)計(jì)、程序編寫、調(diào)試情況、參加實(shí)驗(yàn)時(shí)間、完成實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量情況,給出實(shí)驗(yàn)技能成績 完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告:每個(gè)實(shí)驗(yàn)每組寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告,根據(jù)完成的實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量,給出實(shí)驗(yàn)總結(jié)能力成績 根據(jù)以上兩項(xiàng)成績,給定本課程的成績。,緒論 課程介紹,第一節(jié) 什么是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 第二節(jié) 機(jī)電系統(tǒng)接口 第三節(jié) 講課與實(shí)驗(yàn)安排 第四節(jié) 考核方法 第五節(jié) 參考教材,第一節(jié) 什么是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng),單片機(jī): “MCS51單片機(jī)原理及應(yīng)用” 趙長德 機(jī)械工業(yè)出版社 各種單片機(jī)參考書,ADuC841數(shù)據(jù)手冊 接口技術(shù): “計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)” (清華)或相關(guān)書籍 計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 李正軍 機(jī)械工業(yè)出版社 嵌入式微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)接口技術(shù) 李曦 譯 機(jī)械工業(yè)出版社 嵌入式計(jì)算機(jī): 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例開發(fā) 王田苗 清華大學(xué)出版社 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)圣經(jīng)(第二版)探矽工作室 中國鐵道出版社 嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、編程 (印度)Raj Kamal 清華大學(xué)出版社 PC104總線資料 軟件編程: LINUX設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 Rubini. A. (美國) 聊鴻斌 譯 中國電力出版社,課程安排,緒論 課程介紹 第一部分 嵌入式計(jì)算機(jī)及接口,第一部分 嵌入式計(jì)算機(jī)及接口,第一節(jié) 接口電路總結(jié) 第二節(jié) 機(jī)電系統(tǒng)狀態(tài)量的計(jì)算機(jī)測量和 控制 第三節(jié) 串行通信接口 第四節(jié) 雙口RAM通信接口 第五節(jié) 基于PC104計(jì)算機(jī)的課程實(shí)驗(yàn),第一部分 嵌入式計(jì)算機(jī)及接口,第一節(jié) 接口電路總結(jié),第一節(jié) 接口電路總結(jié),一、PC機(jī)總線,1. 總線概念,總線:計(jì)算機(jī)各模塊間進(jìn)行傳送信息的公共通道。 標(biāo)準(zhǔn)總線:經(jīng)周密設(shè)計(jì)和嚴(yán)格規(guī)定的總線,有詳細(xì)的規(guī)范說明,包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、功能、電氣規(guī)范等。 PC機(jī)總線:主要包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線三大總線,是設(shè)計(jì)接口電路的基礎(chǔ)。 PC機(jī)總線的發(fā)展:隨著CPU的性能改進(jìn)和工作頻率的提高,PC機(jī)總線性能也在不斷改進(jìn)和提高,PC機(jī)總線已從PC/XT總線、ISA總線(PC/AT總線)發(fā)展到今天的PCI總線、AGP總線、PCI Express總線,且會(huì)繼續(xù)發(fā)展。,第一節(jié) 接口電路總結(jié),總線的基本結(jié)構(gòu),第一節(jié) 接口電路總結(jié),2. PC機(jī)總線,1)PC/XT總線,第一節(jié) 接口電路總結(jié),A,B,第一節(jié) 接口電路總結(jié),2)ISA總線(Industry Standard Architecture),第一節(jié) 接口電路總結(jié),數(shù)據(jù)總線:D0D15; 地址總線:A0A23; 控制總線: IOR 、IOW 、AEN 、 IRQ0IRQ15、MEMR、MEMW DMA控制:DRQ07、DACK07 輔助:RST、IOCHCK、IORDY 電源:12V, 5V,地線 工作時(shí)鐘:8MHz 兩種地址訪問方式: I/O空間: IOR 、IOW 內(nèi)存空間: MEMR、MEMW,第一節(jié) 接口電路總結(jié),3)PCI總線(Peripheral component Interconnect),第一節(jié) 接口電路總結(jié),32位或64位地址/數(shù)據(jù)線復(fù)用的總線 三個(gè)獨(dú)立的物理地址空間:存儲(chǔ)器、I/O和配置空間 工作時(shí)鐘:0100MHz,第一節(jié) 接口電路總結(jié),與ISA總線的幾大區(qū)別: 地址總線和數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用:AD0AD63 三種地址訪問方式:配置空間(訪問板卡配置寄存器)、I/O空間和內(nèi)存空間 突發(fā)方式傳輸數(shù)據(jù),需要總線仲裁:置低/REQ申請占用總線,判斷/GNT為低表示獲得總線占用權(quán) 4個(gè)低電平有效的中斷/INTA、/INTB、 /INTC 、/INTD,在計(jì)算機(jī)內(nèi)部實(shí)際僅分配1個(gè)中斷,由軟件判斷實(shí)際產(chǎn)生的中斷(建立中斷鏈) 具有邊界掃描鏈(JTAG),可對板卡上可編程器件進(jìn)行在線編程 支持緩沖方式傳輸數(shù)據(jù),不受處理器不同速率限制:/SBO、SDONE 總線最大10外設(shè),靠PCI-PCI橋接芯片擴(kuò)展外設(shè)數(shù)量,第一節(jié) 接口電路總結(jié),3. 嵌入式計(jì)算機(jī)PC/ 104總線,PC/104總線在體系結(jié)構(gòu)上與ISA總線完全兼容,但在形態(tài)上,PC/104十分緊湊,其模板尺寸是90mm96mm,并且具有自棧式、模塊化的結(jié)構(gòu),因此其體積小、耐振動(dòng)、可靠性高,特別適合各種工控場合。 本課程的接口電路以PC/104總線(也就是ISA總線)為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)。,第一節(jié) 接口電路總結(jié),PC104產(chǎn)品市場情況 20052010年增長9.51%,第一節(jié) 接口電路總結(jié),版本1的8位PC104總線定義 地址總線:SA0SA19 數(shù)據(jù)總線:SD0SD7 控制總線:AEN, /IOR, /IOW, IRQ3IRQ7, IRQ9, /SMEMR, /SMEMW, /IOCHRDY, /IOCHCK , BALE DMA控制:DRQ1DRQ3, /DACK1/DACK3, T/C 輔助信號(hào):14.3MHz_CLK, SYSCLK(8MHz), /REFRESH, RESET 電源:12V, 5V,地線 注:”/”表示低電平有效,第一節(jié) 接口電路總結(jié),嵌入式計(jì)算機(jī)PC/ 104總線模板及板際連接方式,第一節(jié) 接口電路總結(jié),第一節(jié) 接口電路總結(jié),典型的PC104模塊,PC104與ISA的區(qū)別: 5個(gè)地線,1個(gè)禁銷孔 622,3631,第一節(jié) 接口電路總結(jié),二、接口電路概述,1. 外設(shè)端口(PC104總線),外設(shè)I/O地址空間利用/IOR, /IOW進(jìn)行讀寫操作,最多可訪問1024個(gè)設(shè)備,其中0255為主板設(shè)備所占用,2561023可為插槽上設(shè)備使用,存儲(chǔ)器空間利用/SMEMR, /SMEMW進(jìn)行讀寫操作,最多尋址1MB空間,1)I/O端口與內(nèi)存獨(dú)立編址,第一節(jié) 接口電路總結(jié),2)指令與硬件的關(guān)系,外設(shè)尋址范圍 DX:16位,外設(shè)尋址范圍高達(dá)64個(gè)地址,但只用了1K個(gè)地址空間,第一節(jié) 接口電路總結(jié),3)與外設(shè)相關(guān)的三總線,地址總線:SA0SA9 數(shù)據(jù)總線:SD0SD7(或SD0SD15) 控制總線: /IOR 外設(shè)讀信號(hào) /IOW 外設(shè)寫信號(hào) AEN DMA地址有效信號(hào)(低電平外設(shè)有效) IRQ0IRQ15 中斷請求信號(hào)(上升沿有效) IOCHRDY 外設(shè)準(zhǔn)備就緒信號(hào),高電平為準(zhǔn)備就緒 BALE 地址鎖存信號(hào),注意:掌握三總線的操作方法,輸入要緩沖,輸出要鎖存!,第一節(jié) 接口電路總結(jié),4)總線操作時(shí)序,外設(shè)讀時(shí)序:,外設(shè)寫時(shí)序:,注:16位總線時(shí),地址總線為SA15:0,第一節(jié) 接口電路總結(jié),內(nèi)存讀時(shí)序:,內(nèi)存寫時(shí)序:,第一節(jié) 接口電路總結(jié),2. 輸入輸出量,第一節(jié) 接口電路總結(jié),3. 基本輸入輸出接口,輸入接口:三態(tài)緩沖器加選通電路 輸出接口:鎖存器加選通電路,掌握與接口有關(guān)的三總線及相應(yīng)電路,第一節(jié) 接口電路總結(jié),如何讀入0x1F0中的內(nèi)容?如何寫?,AEN,第一節(jié) 接口電路總結(jié),4. 數(shù)據(jù)傳送方式,無條件傳送 直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給外設(shè)或從外設(shè)讀取數(shù)據(jù),如采用延時(shí)方式進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換控制和數(shù)據(jù)讀取 查詢傳送 不斷查詢外設(shè)是否準(zhǔn)備就緒,是否需要服務(wù),然后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。 中斷傳送 外設(shè)通過中斷通知計(jì)算機(jī)是否進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送 DMA傳送(直接存儲(chǔ)器存?。?計(jì)算機(jī)將IO操作的控制權(quán)交給外設(shè),由外設(shè)直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送,第一節(jié) 接口電路總結(jié),三、已學(xué)接口電路分析,1. 可編程并行口8255A,(1)內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 內(nèi)部結(jié)構(gòu)按兩部分分析:接口部分和功能部分 功能部分:A口,B口,C口,編程 與計(jì)算機(jī)的接口部分:區(qū)分端口、讀寫、復(fù)位等 與計(jì)算機(jī)的連接,第

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