清華嵌入式計(jì)算機(jī)一.ppt

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(kāi)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(cè)量?jī)x器、數(shù)控裝置、汽車(chē)、機(jī)器人等 信息家電及消費(fèi)類(lèi)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(huà)等 工業(yè)控制、醫(yī)療、交通管理、環(huán)境檢測(cè)等 軍事國(guó)防領(lǐng)域：武器控制、導(dǎo)彈彈上計(jì)算機(jī)、雷達(dá)、電子對(duì)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(duì)象體系中的專(zhuān)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(duì)象系統(tǒng)中，必須滿(mǎn)足對(duì)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(zhuān)用性”的相關(guān)特點(diǎn)：軟、硬件的裁剪性；滿(mǎn)足對(duì)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(mǎn)足對(duì)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(duì)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(lèi)：,板級(jí)：?jiǎn)伟?、模塊，以嵌入式微處理器為核心，例如PC/104。 芯片級(jí)：?jiǎn)纹瑱C(jī)（也稱(chēng)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(zhuān)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(cè)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(cè)量直流電機(jī)的調(diào)節(jié)特性曲線(xiàn)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(xiàn)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(xiě)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(xiě)和調(diào)試C語(yǔ)言程序； 得到電機(jī)的調(diào)節(jié)特性曲線(xiàn),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(kāi)發(fā)AD采集卡的驅(qū)動(dòng)程序，并重新編寫(xiě)電機(jī)調(diào)節(jié)特性測(cè)量的用戶(hù)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(kāi)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(xiě)單片機(jī)程序 要求： 在Keil C開(kāi)發(fā)環(huán)境下，編寫(xiě)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(xiě)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(kāi)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(kāi)發(fā)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)部分電路，編寫(xiě)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(xiě)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(xiàn)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(xiě)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(xiě)、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(jī) 完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告：每個(gè)實(shí)驗(yàn)每組寫(xiě)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(jī) 根據(jù)以上兩項(xiàng)成績(jī)，給定本課程的成績(jī)。,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(zhǎng)德 機(jī)械工業(yè)出版社 各種單片機(jī)參考書(shū)，ADuC841數(shù)據(jù)手冊(cè) 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(shū)籍 計(jì)算機(jī)測(cè)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(kāi)發(fā) 王田苗 清華大學(xué)出版社 嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)圣經(jīng)（第二版）探矽工作室 中國(guó)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(xiàn)資料 軟件編程： LINUX設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 Rubini. A. (美國(guó)) 聊鴻斌 譯 中國(guó)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(cè)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(xiàn),1. 總線(xiàn)概念,總線(xiàn)：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(xiàn)：經(jīng)周密設(shè)計(jì)和嚴(yán)格規(guī)定的總線(xiàn)，有詳細(xì)的規(guī)范說(shuō)明，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、功能、電氣規(guī)范等。 PC機(jī)總線(xiàn)：主要包括數(shù)據(jù)總線(xiàn)、地址總線(xiàn)和控制總線(xiàn)三大總線(xiàn)，是設(shè)計(jì)接口電路的基礎(chǔ)。 PC機(jī)總線(xiàn)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(xiàn)性能也在不斷改進(jìn)和提高，PC機(jī)總線(xiàn)已從PC/XT總線(xiàn)、ISA總線(xiàn)（PC/AT總線(xiàn)）發(fā)展到今天的PCI總線(xiàn)、AGP總線(xiàn)、PCI Express總線(xiàn)，且會(huì)繼續(xù)發(fā)展。,第一節(jié) 接口電路總結(jié),總線(xiàn)的基本結(jié)構(gòu),第一節(jié) 接口電路總結(jié),2. PC機(jī)總線(xiàn),1）PC/XT總線(xiàn),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(xiàn)（Industry Standard Architecture）,第一節(jié) 接口電路總結(jié),數(shù)據(jù)總線(xiàn)：D0D15； 地址總線(xiàn)：A0A23； 控制總線(xiàn)： IOR 、IOW 、AEN 、 IRQ0IRQ15、MEMR、MEMW DMA控制：DRQ07、DACK07 輔助：RST、IOCHCK、IORDY 電源：12V， 5V，地線(xiàn) 工作時(shí)鐘：8MHz 兩種地址訪(fǎng)問(wèn)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(xiàn)（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(xiàn)復(fù)用的總線(xiàn) 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(xiàn)的幾大區(qū)別： 地址總線(xiàn)和數(shù)據(jù)總線(xiàn)分時(shí)復(fù)用：AD0AD63 三種地址訪(fǎng)問(wèn)方式：配置空間（訪(fǎng)問(wèn)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(xiàn)仲裁：置低/REQ申請(qǐng)占用總線(xiàn)，判斷/GNT為低表示獲得總線(xiàn)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(duì)板卡上可編程器件進(jìn)行在線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn),PC/104總線(xiàn)在體系結(jié)構(gòu)上與ISA總線(xiàn)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(chǎng)合。 本課程的接口電路以PC/104總線(xiàn)（也就是ISA總線(xiàn)）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(chǎng)情況 20052010年增長(zhǎng)9.51%,第一節(jié) 接口電路總結(jié),版本1的8位PC104總線(xiàn)定義 地址總線(xiàn)：SA0SA19 數(shù)據(jù)總線(xiàn)：SD0SD7 控制總線(xiàn)：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(xiàn) 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(xiàn)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(xiàn)，1個(gè)禁銷(xiāo)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(xiàn)）,外設(shè)I/O地址空間利用/IOR, /IOW進(jìn)行讀寫(xiě)操作，最多可訪(fǎng)問(wèn)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(xiě)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(xiàn),地址總線(xiàn)：SA0SA9 數(shù)據(jù)總線(xiàn)：SD0SD7(或SD0SD15) 控制總線(xiàn)： /IOR 外設(shè)讀信號(hào) /IOW 外設(shè)寫(xiě)信號(hào) AEN DMA地址有效信號(hào)（低電平外設(shè)有效） IRQ0IRQ15 中斷請(qǐng)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(xiàn)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(xiàn)操作時(shí)序,外設(shè)讀時(shí)序：,外設(shè)寫(xiě)時(shí)序：,注：16位總線(xiàn)時(shí)，地址總線(xiàn)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(xiě)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(xiàn)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(xiě)？,AEN,第一節(jié) 接口電路總結(jié),4. 數(shù)據(jù)傳送方式,無(wú)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(xún)傳送 不斷查詢(xún)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(guò)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(xiě)、復(fù)位等 與計(jì)算機(jī)的連接,第