第四章嵌入式硬件系統(tǒng)(一)(2課時(shí))

1、單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)第四章 嵌入式硬件系統(tǒng)（一）王浩 副教授中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院存儲(chǔ)器及其擴(kuò)展總線結(jié)構(gòu)時(shí)鐘和晶振電源3嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)硬件部分嵌入式系統(tǒng)軟件部分如人的大腦，決定了硬件的操作模式。通過(guò)良好的操作系統(tǒng)以及應(yīng)用程序，把硬件功能發(fā)揮到極至。如人的手、腳、神經(jīng)等部位，決定了嵌入式系統(tǒng)的先天功能。如運(yùn)算能力和I/O接口等。5 硬件構(gòu)成硬件構(gòu)成 是整個(gè)系統(tǒng)的心臟及其擴(kuò)展是程序和數(shù)據(jù)的存放地點(diǎn)是連接各設(shè)備的橋梁部分是嵌入式系統(tǒng)與外界交互通道為嵌入式系統(tǒng)提供時(shí)間基準(zhǔn)和工作節(jié)拍為系統(tǒng)提供動(dòng)力6 硬件層硬件層* * MP3隨聲聽(tīng)的硬件組成 嵌入式硬件系統(tǒng)基本構(gòu)成總線結(jié)構(gòu)

2、時(shí)鐘和晶振電源2存儲(chǔ)器及其擴(kuò)展存儲(chǔ)器及其擴(kuò)展 n 功能功能 提供執(zhí)行程序和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)所需空間提供執(zhí)行程序和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)所需空間 n 種類種類 RAM、ROM兩兩種種 n 特點(diǎn)特點(diǎn) 半導(dǎo)體半導(dǎo)體器件而非磁質(zhì)材料器件而非磁質(zhì)材料 具有密度大、體積小、訪問(wèn)速度快、性能可靠、具有密度大、體積小、訪問(wèn)速度快、性能可靠、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，適合于嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，適合于嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域 分類分類半導(dǎo)體存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器隨機(jī)存取隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（存儲(chǔ)器（RAMRAM）只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器（ROMROM）靜態(tài)靜態(tài)RAMRAM（SRAMSRAM）動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)RAMRAM（DRAMDRAM）掩膜式掩膜式ROMROM

3、可編程可編程ROMROM（PROMPROM）可擦除可擦除PROMPROM（EPROMEPROM）電可擦除電可擦除PROMPROM（E E2 2PROMPROM）閃速存儲(chǔ)器閃速存儲(chǔ)器(Flash Memory) (Flash Memory) 1.RAM (Random Access Memory)n 內(nèi)部結(jié)構(gòu)：內(nèi)部結(jié)構(gòu)：44 RAM n每個(gè)每個(gè)內(nèi)存單元存儲(chǔ)一個(gè)內(nèi)存單元存儲(chǔ)一個(gè)位（位（Bit）的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)n使能線使能線+地址線地址線 rd/wr線線控制控制 圖圖4-2 RAM內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 2存儲(chǔ)器及其擴(kuò)展存儲(chǔ)器及其擴(kuò)展 n 特點(diǎn)特點(diǎn)n可讀可寫(xiě)，可讀可寫(xiě)，讀取和寫(xiě)入一樣快速讀取和寫(xiě)入一樣快速n上

4、電數(shù)據(jù)保存，掉電上電數(shù)據(jù)保存，掉電數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)丟失丟失 作為內(nèi)存使用。作為內(nèi)存使用。 n 種類種類nSRAMSRAMnDRAMDRAM2存儲(chǔ)器及其擴(kuò)展存儲(chǔ)器及其擴(kuò)展 (1) SRAM (靜態(tài)隨機(jī)存取靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器 )n 內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)n 由由正反器電路組成正反器電路組成S=1、R=0時(shí)時(shí),輸出輸出Q =1S=0、R=1時(shí)時(shí),輸出輸出Q =0 n 每一位存儲(chǔ)單元電路每一位存儲(chǔ)單元電路 需要需要6個(gè)晶體管個(gè)晶體管 圖圖4-3 SRAM結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 2存儲(chǔ)器及其擴(kuò)展存儲(chǔ)器及其擴(kuò)展 n 特點(diǎn)特點(diǎn)n數(shù)據(jù)存取速度較快數(shù)據(jù)存取速度較快 n比較容易比較容易和和處理器制造在同一個(gè)芯片中處理器制造在同一個(gè)芯片

5、中n數(shù)據(jù)不需實(shí)時(shí)刷新數(shù)據(jù)不需實(shí)時(shí)刷新n但成本較高但成本較高 2存儲(chǔ)器及其擴(kuò)展存儲(chǔ)器及其擴(kuò)展 (2) DRAM (動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器)n 內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)n 存儲(chǔ)單元由一個(gè)電存儲(chǔ)單元由一個(gè)電容容和一和一個(gè)晶體管個(gè)晶體管組成組成n 解碼線解碼線使使晶體管導(dǎo)通晶體管導(dǎo)通后，后，通過(guò)通過(guò) rd/wr 線讀取電容線讀取電容電壓電壓，或者對(duì)，或者對(duì)電容充放電電容充放電n 電容漏電電容漏電，15.625微秒充電一次微秒充電一次 圖圖4-4 DRAM結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 2存儲(chǔ)器及其擴(kuò)展存儲(chǔ)器及其擴(kuò)展 n 特點(diǎn)特點(diǎn)n容量較大容量較大，約是約是 SRAM 的的4倍倍 n成本低成本低 n但由于電容的充放電原

6、因，數(shù)據(jù)需要進(jìn)行實(shí)但由于電容的充放電原因，數(shù)據(jù)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)刷新操作時(shí)刷新操作 2存儲(chǔ)器及其擴(kuò)展存儲(chǔ)器及其擴(kuò)展 2.ROM (Read-Only Memory)n 內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)n存儲(chǔ)數(shù)據(jù)方式利用可規(guī)劃式接線的短路或存儲(chǔ)數(shù)據(jù)方式利用可規(guī)劃式接線的短路或斷路斷路來(lái)實(shí)現(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體接線的，具體接線的規(guī)劃規(guī)劃方式由方式由ROM的類型決的類型決定定 n使能線使能線 + 地址線地址線 圖圖4-5 ROM結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 2存儲(chǔ)器及其擴(kuò)展存儲(chǔ)器及其擴(kuò)展 n 特點(diǎn)特點(diǎn)n數(shù)據(jù)可以讀取數(shù)據(jù)可以讀取,但不能但不能任意更改任意更改 n掉電情況下數(shù)據(jù)不會(huì)丟失掉電情況下數(shù)據(jù)不會(huì)丟失 程序可存放在程序可存放在ROM中

7、中n 種類種類nEPROM，EEPROMnFlash2存儲(chǔ)器及其擴(kuò)展存儲(chǔ)器及其擴(kuò)展 (1) EPROM (Erasable ProgramEnable Read-Only Memory)2存儲(chǔ)器及其擴(kuò)展存儲(chǔ)器及其擴(kuò)展 n 內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)n圖圖(a) 使用金氧半導(dǎo)體使用金氧半導(dǎo)體(MOS) 具有浮動(dòng)具有浮動(dòng)?xùn)艠O柵極 n圖圖(b):電可編程電可編程n柵極正電壓柵極正電壓使使電子經(jīng)電子經(jīng) 絕緣體層到達(dá)柵極絕緣體層到達(dá)柵極n柵極被充電后柵極被充電后，源源-漏漏 極間極間為為截止?fàn)顟B(tài)截止?fàn)顟B(tài),形成形成 斷路，斷路，邏輯輸出為邏輯輸出為0； 相反相反，邏輯輸出為邏輯輸出為1圖圖4-9 EPROM結(jié)構(gòu)與工

8、作原理結(jié)構(gòu)與工作原理 2存儲(chǔ)器及其擴(kuò)展存儲(chǔ)器及其擴(kuò)展 n圖圖(c):紫外線擦除紫外線擦除n紫外線通過(guò)石英窗紫外線通過(guò)石英窗 直接照射直接照射 n柵極的電子又通過(guò)柵極的電子又通過(guò) 絕緣體絕緣體回到回到N通道通道，n為防為防自然光自然光照射，照射，石英石英 窗窗上粘貼上粘貼上反光上反光膠布膠布nEPROM又可被重新規(guī)劃又可被重新規(guī)劃圖圖4-9 EPROM結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)與工作原理 圖圖4-10 EPROM的外觀的外觀 2存儲(chǔ)器及其擴(kuò)展存儲(chǔ)器及其擴(kuò)展 n 特點(diǎn)特點(diǎn)n一種一種只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器 n電可編程電可編程n紫外線擦除紫外線擦除適合少量生產(chǎn)或是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)適合少量生產(chǎn)或是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)調(diào)試實(shí)驗(yàn)調(diào)試實(shí)驗(yàn)

9、 2存儲(chǔ)器及其擴(kuò)展存儲(chǔ)器及其擴(kuò)展 (2) EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory )n內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)n與與EPROMEPROM類似，類似，具有浮動(dòng)具有浮動(dòng)?xùn)艠O柵極n與與EPROMEPROM不同，不同，源極源極、漏極漏極、浮動(dòng)?xùn)艠O、浮動(dòng)?xùn)艠O、P P型基型基底接上底接上不同的電壓進(jìn)行寫(xiě)入、擦除和讀出不同的電壓進(jìn)行寫(xiě)入、擦除和讀出 見(jiàn)下圖見(jiàn)下圖4-114-112存儲(chǔ)器及其擴(kuò)展存儲(chǔ)器及其擴(kuò)展 4.2 存儲(chǔ)設(shè)備 圖圖4-11 EEPROM結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)與工作原理 n 特點(diǎn)特點(diǎn)n與與EPROM類似，電可編程類似，電可編程n

10、與與EPROM不同，電可擦除不同，電可擦除n省去了省去了EPROM擦除需照射紫外線的煩瑣程序擦除需照射紫外線的煩瑣程序n針對(duì)針對(duì)每個(gè)每個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元進(jìn)行擦除進(jìn)行擦除操作操作n擦除次數(shù)擦除次數(shù)達(dá)到一萬(wàn)次以上達(dá)到一萬(wàn)次以上 EEPROM的使用比的使用比EPROM更普遍更普遍 2存儲(chǔ)器及其擴(kuò)展存儲(chǔ)器及其擴(kuò)展 (3) Flash Memory (閃存閃存)n 內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)n 是是EEPROM 的延伸產(chǎn)品的延伸產(chǎn)品，也采用浮動(dòng)?xùn)艠O原理也采用浮動(dòng)?xùn)艠O原理n 但其但其浮動(dòng)?xùn)艠O與通道間的距離較短浮動(dòng)?xùn)艠O與通道間的距離較短 n特點(diǎn)特點(diǎn)n數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)寫(xiě)入速度速度快快（因?yàn)椋ㄒ驗(yàn)楦?dòng)?xùn)艠O與通道間的距離浮動(dòng)?xùn)?/p>

11、極與通道間的距離比較短比較短），故得名），故得名“閃存閃存” n可以一大塊數(shù)據(jù)直接進(jìn)行清除可以一大塊數(shù)據(jù)直接進(jìn)行清除，使用方便，使用方便例：例：PDA中作為程序存儲(chǔ)器，中作為程序存儲(chǔ)器，操作系統(tǒng)版本操作系統(tǒng)版本的的升級(jí)和改變只需重寫(xiě)升級(jí)和改變只需重寫(xiě)Flash2存儲(chǔ)器及其擴(kuò)展存儲(chǔ)器及其擴(kuò)展 NOR技術(shù)nNOR技術(shù)閃速存儲(chǔ)器是最早出現(xiàn)的Flash Memory，目前仍是多數(shù)供應(yīng)商支持的技術(shù)架構(gòu)，它。n與其它Flash Memory技術(shù)相比，具有的優(yōu)勢(shì)。n在擦除和編程操作較少而直接執(zhí)行代碼的場(chǎng)合，尤其是的應(yīng)用中廣泛使用。n由于NOR技術(shù)Flash Memory的擦除和編程速度較慢，而塊尺寸又較大，

12、因此擦除和編程操作所花費(fèi)的時(shí)間很長(zhǎng)，在純數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和文件存儲(chǔ)的應(yīng)用中，NOR技術(shù)顯得力不從心。NAND技術(shù)nNAND技術(shù) Flash Memory具有以下特點(diǎn)：n以頁(yè)為單位進(jìn)行讀和編程操作，1頁(yè)為256或512字節(jié)；以塊為單位進(jìn)行擦除操作，1塊為4K、8K或16K字節(jié)。具有快編程和快擦除的功能，其塊。n數(shù)據(jù)、地址采用同一總線，實(shí)現(xiàn)串行讀取。隨機(jī)且不能按字節(jié)隨機(jī)編程。，突破了每兆字節(jié)1元的價(jià)格限制。n芯片包含有失效塊，其數(shù)目最大可達(dá)到335塊（取決于存儲(chǔ)器密度）。失效塊不會(huì)影響有效塊的性能，但設(shè)計(jì)者需要將失效塊在地址映射表中屏蔽起來(lái)。28存儲(chǔ)器系統(tǒng)存儲(chǔ)器系統(tǒng)- -Flash*FLASH：閃存分類：

13、NOR Flash 和 NAND Flash讀速度： NOR Flash類似SDRM，數(shù)據(jù)/地址線獨(dú)立，讀更快， NAND Flash分頁(yè)存儲(chǔ)，存儲(chǔ)量大，讀一般寫(xiě)速度： NOR一次擦除64128K，5秒， NAND一次擦除832K，4ms NOR適合代碼存儲(chǔ)（讀快）NAND適合數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（寫(xiě)快）29存儲(chǔ)器系統(tǒng)存儲(chǔ)器系統(tǒng)- -FlashFLASH：閃存最典型特點(diǎn)：分塊操作，整塊擦除，整塊寫(xiě)入，按字節(jié)處理 FLASH內(nèi)存內(nèi)存FLASHFLASH常見(jiàn)的存儲(chǔ)器擴(kuò)充裝置nCF擴(kuò)充裝置Compact Flashn所有Windows CE 支持常見(jiàn)的存儲(chǔ)器擴(kuò)充裝置nSD擴(kuò)充裝置（Secure Digital）

14、nPanasonic Scandisk Toshiba常見(jiàn)的存儲(chǔ)器擴(kuò)充裝置nMemory SticknSony嵌入式硬件系統(tǒng)基本構(gòu)成存儲(chǔ)器及其擴(kuò)展時(shí)鐘和晶振電源總線空閑（其他器件都以高阻態(tài)形式連接在總線上）且一個(gè)器件要與目的器件通信時(shí)，發(fā)起通信的器件驅(qū)動(dòng)總線，發(fā)出地址和數(shù)據(jù)。其他以高阻態(tài)形式連接在總線上的器件如果收到（或能夠收到）與自己相符的地址信息后，即接收總線上的數(shù)據(jù)。發(fā)送器件完成通信，將總線讓出（輸出變?yōu)楦咦钁B(tài)）。工作原理工作原理設(shè)備1控制設(shè)備2控制設(shè)備3控制設(shè)備4控制設(shè)備5控制設(shè)備6控制高阻聯(lián)通控制控制3.3.4 PCI Express總線nPCI VS. PCI ExpressPCI

15、PCI Express3.3.5 CPCI總線nCPCI（Compact PCI）nPICMG協(xié)會(huì)于1994提出來(lái)的一種總線接口標(biāo)準(zhǔn)，面向嵌入式設(shè)備n解決了VME與PCI總線不兼容問(wèn)題，與PCI完全兼容n高可靠性（99.999%）、低價(jià)位n熱插拔（hot swap）3.3.6 PC104總線nPC104PC104是一種專門(mén)為嵌入式控制而定義的工是一種專門(mén)為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線，實(shí)質(zhì)上就是一種緊湊型的業(yè)控制總線，實(shí)質(zhì)上就是一種緊湊型的IEEE-P996IEEE-P996（ISAISA）。）。nPC104 PC104 有兩個(gè)版本，有兩個(gè)版本，8 8 位和位和16 16 位，分別與位，分別

16、與PC PC 和和PC/AT PC/AT 相對(duì)應(yīng)。相對(duì)應(yīng)。PC104PLUS PC104PLUS 則與則與PCIPCI總總線相對(duì)應(yīng)。線相對(duì)應(yīng)。指指 標(biāo)標(biāo)IDE接口接口PC BIOS限制值限制值最大磁頭數(shù)最大磁頭數(shù)1625616最大磁道數(shù)最大磁道數(shù)6553610241024磁道最大扇區(qū)磁道最大扇區(qū)2556363最大磁盤(pán)容量最大磁盤(pán)容量136.9GB8.4GB528MB指指 標(biāo)標(biāo) 項(xiàng)項(xiàng)USB1.1USB2.0連接設(shè)備數(shù)連接設(shè)備數(shù)127127傳輸數(shù)率（傳輸數(shù)率（MB/S）慢速：慢速：1.5慢速：慢速：1.5快速：快速：12快速：快速：12 全速：全速：480連接電纜長(zhǎng)度（連接電纜長(zhǎng)度（M）慢速：慢速

17、：3慢速：慢速：3快速：快速：5快速：快速：5電源電壓（電源電壓（V）電壓：電壓：4.755.25電 壓 ：電 壓 ： 4 . 7 5 5.253.5 CAN（Controller Area Network）總線n80年代末，由德國(guó)Bosch公司最先提出n被設(shè)計(jì)作為汽車(chē)環(huán)境中的微控制器通訊，在車(chē)載各電子控制裝置ECU 之間交換信息，形成汽車(chē)電子控制網(wǎng)絡(luò)。n發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)、變速箱控制器、儀表裝備、電子主干系統(tǒng)中，均嵌入CAN 控制裝置。n使用CSMA/CD協(xié)議n40米以內(nèi)，1Mbps；10Km，5Kbps；理論上可以支持無(wú)限多個(gè)設(shè)備n可靠性高，誤碼率為10-11n抗電磁干擾性強(qiáng)嵌入式硬件系統(tǒng)基本構(gòu)成存儲(chǔ)器及其擴(kuò)展總線結(jié)構(gòu)電源 系統(tǒng)時(shí)鐘