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文檔簡介

嵌入式技術(shù)及應用嵌入式系統(tǒng)的存儲體系

存儲器系統(tǒng)概述

存儲器的物理實質(zhì)是一組或多組具備數(shù)據(jù)輸入輸出和數(shù)據(jù)存儲功能的集成電路,用于充當設(shè)備緩存或保存固定的程序及數(shù)據(jù)。計算機系統(tǒng)的存儲器結(jié)構(gòu)

存儲器系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)的存儲器被組織成一個6個層次的金字塔形的層次結(jié)構(gòu),層次結(jié)構(gòu)的最頂部是S0層,最底部是S5:S0層為CPU內(nèi)部寄存器S1層為芯片內(nèi)部的高速緩存(cache)內(nèi)存S2層為芯片外的高速緩存(SRAM、DRAM、DDRAM)S3層為主存儲器(Flash、PROM、EPROM、EEPROM)S4層為外部存儲器(磁盤、光盤、CF、SD卡)S5層為遠程二級存儲(分布式文件系統(tǒng)、Web服務器)存儲器的分類ROM(ReadonlyMemory)只讀存儲器RAM(RandomaccessMemory)隨機存取存儲器PROM(programmableROM)可編程只讀存儲器EPROM(ErasableProgrammable)可改寫只讀存儲器EEPROM(ElectricallyErasableProgrammable)電可改寫只讀存儲器SRAM(StaticRAM)DRAM(DynamicRAM)SDRAM(SynchronizationDynamicRAM)存儲器的分類存儲器種類易失性可寫擦除大小擦除周期相對價格相對速度SRAM是是字節(jié)無限制昂貴快DRAM是是字節(jié)無限制適中適中掩膜ROM否否無無不貴快PROM否用編程器可寫一次無無適中快EPROM否是,利用編程器整個芯片有限制適中快EEPROM否是字節(jié)有限制昂貴快,讀取快寫入慢快閃存儲器否是扇區(qū)有限制適中讀取快寫入慢NVRAM否是字節(jié)無昂貴快4.3存儲器的分類存儲器的組織模型存儲體引線信號:地址線、數(shù)據(jù)線、控制線(讀、寫)、片選線、輔助線(時鐘、復位、編程等)存儲器地址線數(shù)據(jù)線讀寫片選復位時鐘readymn嵌入式存儲器子系統(tǒng)的設(shè)計考慮嵌入式系統(tǒng)的存儲器子系統(tǒng)通常設(shè)計成模塊結(jié)構(gòu),包括ROM子系統(tǒng)、RAM子系統(tǒng)等,每個子系統(tǒng)占用一定的存儲空間。一體化設(shè)計與分離式設(shè)計:嵌入式系統(tǒng)的存儲器通常與系統(tǒng)主板設(shè)計在一起,而不設(shè)計成所謂“內(nèi)存條”形式,原因是一方面嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)存通常是固定大小的;另一方面,一體結(jié)構(gòu)可以提高系統(tǒng)的可靠性,因為嵌入式系統(tǒng)通常工作在惡劣環(huán)境、移動環(huán)境中。關(guān)于嵌入式處理器的中斷向量表,有兩種設(shè)計方案:一種方案是中斷向量或中斷處理程序的入口地址設(shè)置在ROM空間,一旦設(shè)置,運行中不再更改,如大多數(shù)小規(guī)模的嵌入式處理器/控制器采取這種方式;另外,也可以把中斷向量設(shè)計在RAM空間,RAM存儲器

RAM從工藝原理上劃分,可分為單極型和雙極型:雙極型工作速率高,但是集成度不如單極型的高,目前,由于工藝水平的不斷提高,單極型RAM的速率已經(jīng)可以和雙極型RAM相比,而且單極型RAM具有功耗低的優(yōu)點。單極型RAM又可分為靜態(tài)RAM與動態(tài)RAM:靜態(tài)RAM是用MOS管觸發(fā)器來存儲代碼,所用MOS管較多、集成度低、功耗也較大。動態(tài)RAM是用柵極分布電容保存信息,它的存儲單元所需要的MOS管較少,因此集成度高、功耗也小。RAM存儲器的結(jié)構(gòu)1、靜態(tài)隨機存儲器(SRAM)RAM隨機存儲器靜態(tài)RAM的存儲元由雙穩(wěn)電路構(gòu)成,存儲信息穩(wěn)定。由于靜態(tài)RAM的基本存儲電路中管子數(shù)目較多,故集成度較低。

右圖是一個6管結(jié)構(gòu)的靜態(tài)存儲器的存儲單元電路。工作原理

動態(tài)隨機存儲器(DRAM)動態(tài)RAM有4管動態(tài)RAM,3管動態(tài)RAM和單管動態(tài)RAM。圖6.5是單管DRAM的存儲單元的線路。它由一個晶體管和一個電容組成。為了節(jié)省面積,單管存儲器電荷的電容不可能做得很大,一般比數(shù)據(jù)線上的分布電容Cd小,因此每次讀出后,存儲內(nèi)容就被破壞,必須采取刷新技術(shù)恢復原來的信息。DRAM芯片模型CE*:片選端R/W*讀寫控制端,R/W*=1,執(zhí)行讀操作,R/W*=0,執(zhí)行寫操作。RAS*行地址選通信號,通常接地址的高位部分。CAS*列地址選通信號,通常接地址的低位部分。Adrs:地址線的輸入。Data:數(shù)據(jù)線,雙向。DRAM需要不斷的刷新,才能保存數(shù)據(jù),SRAM則不需要刷新電路。DRAM使用簡單的單管單元作為存儲單元,因此,每片存儲容量大,約是SRAM的4倍。DRAM的行列地址通常是復用的,所以其引腳數(shù)比SRAM要少很多,封裝尺寸也比較小。DRAM的價格比較便宜,大約只有SRAM的1/4,由于使用動態(tài)元件,DRAM功耗也只有SRAM的1/6。因此,DRAM得到了廣泛的使用,它的存取速度和存儲容量正在不斷地改進提高。

SRAM與DRAM比較ROM存儲器的結(jié)構(gòu)PROM的內(nèi)部結(jié)構(gòu)EPROM存儲器和EEPROM存儲器Flash存儲器的原理與種類使用浮柵隧道氧化層MOS管Flotox(FloatinggateTunnelOxide)可以達到更高的要求。其特點是:浮柵與漏區(qū)間的氧化物層極?。?0納米以下),稱為隧道區(qū)。當隧道區(qū)場大于規(guī)定值時隧道區(qū)雙向?qū)?。當隧道區(qū)的等效電容極小時,加在控制柵和漏極間的電壓大部分降在隧道區(qū),有利于隧道區(qū)導通非易失閃存NorFlash和NandFlashIntel于1988年首先開發(fā)出NORflash技術(shù),徹底改變了原先由EPROM和EEPROM一統(tǒng)天下的局面。NOR的特點是芯片內(nèi)執(zhí)行(XIP,eXecuteInPlace),這樣應用程序可以直接在flash閃存內(nèi)運行,不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中。NOR的傳輸效率很高,在1~4MB的小容量時具有很高的成本效益,但是很低的寫入和擦除速度大大影響了它的性能。1989年,東芝公司發(fā)表了NANDflash結(jié)構(gòu),強調(diào)降低每比特的成本,更高的性能,并且象磁盤一樣可以通過接口輕松升級。NAND結(jié)構(gòu)能提供極高的單元密度,可以達到高存儲密度,并且寫入和擦除的速度也很快。應用NAND的困難在于flash的管理和需要特殊的系統(tǒng)接口。NOR與NAND內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較NANDFLASH和NORFLASH的比較

NorFlash和NandFlash比較flash閃存對稱為塊的存儲器單元塊進行擦寫和再編程。任何flash器件的寫入操作只能在空或已擦除的單元內(nèi)進行,所以大多數(shù)情況下,在進行寫入操作之前必須先執(zhí)行擦除。NAND器件執(zhí)行擦除操作是十分簡單的,NOR則要求在進行擦除前先要將目標塊內(nèi)所有的位都寫為0。擦除NOR器件時是以64~128KB的塊進行的,執(zhí)行一個寫入/擦除操作的時間為5s,擦除NAND器件是以8~32KB的塊進行的,執(zhí)行相同的操作最多只需要4ms。NorFlash和NandFlash比較-2對于給定的一套寫入操作(尤其是更新小文件時),更多的擦除操作必須在基于NOR的單元中進行。這樣,當選擇存儲解決方案時,設(shè)計師必須權(quán)衡以下的各項因素。NOR的讀速度比NAND稍快一些。NAND的寫入速度比NOR快很多。NAND的4ms擦除速度遠比NOR的5s快。大多數(shù)寫入操作需要先進行擦除操作。NAND的擦除單元更小,相應的擦除電路更少。NorFlash和NandFlash比較-3接口差別NORflash帶有SRAM接口,有足夠的地址引腳來尋址,可以很容易地存取其內(nèi)部的每一個字節(jié)。NAND器件使用復雜的I/O口來串行地存取數(shù)據(jù),各個產(chǎn)品或廠商的方法可能各不相同。8個引腳用來傳送控制、地址和數(shù)據(jù)信息。NAND讀和寫操作采用512字節(jié)的塊,這一點有點像硬盤管理此類操作,很自然地,基于NAND的存儲器就可以取代硬盤或其他塊設(shè)備。容量和成本NANDflash的單元尺寸幾乎是NOR器件的一半,由于生產(chǎn)過程更為簡單,NAND結(jié)構(gòu)可以在給定的模具尺寸內(nèi)提供更高的容量,也就相應地降低了價格。NORflash占據(jù)了容量為1~16MB閃存市場的大部分,而NANDflash只是用在8~128MB的產(chǎn)品當中,這也說明NOR主要應用在代碼存儲介質(zhì)中,NAND適合于數(shù)據(jù)存儲,NAND在CompactFlash、SecureDigital、PCCards和MMC存儲卡市場上所占份額最大。NorFlash和NandFlash比較-4可靠性和耐用性:壽命(耐用性)在NAND閃存中每個塊的最大擦寫次數(shù)是一百萬次,而NOR的擦寫次數(shù)是十萬次。NAND存儲器除了具有10比1的塊擦除周期優(yōu)勢,典型的NAND塊尺寸要比NOR器件小8倍,每個NAND存儲器塊在給定的時間內(nèi)的刪除次數(shù)要少一些。位交換所有flash器件都受位交換現(xiàn)象的困擾。在某些情況下(很少見,NAND發(fā)生的次數(shù)要比NOR多),一個比特位會發(fā)生反轉(zhuǎn)或被報告反轉(zhuǎn)了。如果這個位真的改變了,就必須采用錯誤探測/錯誤更正(EDC/ECC)算法。位反轉(zhuǎn)的問題更多見于NAND閃存,NAND的供應商建議使用NAND閃存的時候,同時使用EDC/ECC算法。這個問題對于用NAND存儲多媒體信息時倒不是致命的。當然,如果用本地存儲設(shè)備來存儲操作系統(tǒng)、配置文件或其他敏感信息時,必須使用EDC/ECC系統(tǒng)以確??煽啃?。壞塊處理NAND器件中的壞塊是隨機分布的。NAND器件需要對介質(zhì)進行初始化掃描以發(fā)現(xiàn)壞塊并將壞塊標記為不可用。NorFlash和NandFlash比較-5易于使用可以非常直接地使用基于NOR的閃存,可以像其他存儲器那樣連接,并可以在上面直接運行代碼。由于需要I/O接口,NAND要復雜得多。各種NAND器件的存取方法因廠家而異。在使用NAND器件時,必須先寫入驅(qū)動程序,才能繼續(xù)執(zhí)行其他操作。向NAND器件寫入信息需要相當?shù)募记桑驗樵O(shè)計師絕不能向壞塊寫入,這就意味著在NAND器件上自始至終都必須進行虛擬映射。NorFlash和NandFlash比較-6軟件支持 區(qū)別基本的讀/寫/擦操作和高一級的用于磁盤仿真和閃存管理算法的軟件,包括性能優(yōu)化。在NOR器件上運行代碼不需要任何的軟件支持,在NAND器件上進行同樣操作時,通常需要驅(qū)動程序,也就是內(nèi)存技術(shù)驅(qū)動程序(MTD),NAND和NOR器件在進行寫入和擦除操作時都需要MTD。使用NOR器件時所需要的MTD要相對少一些,許多廠商都提供用于NOR器件的更高級軟件,這其中包括M-System的TrueFFS驅(qū)動,該驅(qū)動被WindRiverSystem、Microsoft、QNXSoftwareSystem、Symbian和Intel等廠商所采用。驅(qū)動還用于對DiskOnChip產(chǎn)品進行仿真和NAND閃存的管理,包括糾錯、壞塊處理和損耗平衡。ARM9嵌入式系統(tǒng)的存儲系統(tǒng)NorFlash4.4ARM9的存儲系統(tǒng)4.3NORFlash接口電路4.3.1NORFlash存儲器Am29LV160DAm29LV160D是AMD公司的一款NORFlash存儲器,存儲容量為2M×8Bit/1M×16Bit,接口與CMOSI/O兼容,工作電壓為2.7~3.6V,讀操作電流為9mA,編程和擦除操作電流為20mA,待機電流為200nA。采用FBGA-48、TSOP-48、SO-44三種封裝形式。Am29LV160D僅需3.3V電壓即可完成在系統(tǒng)的編程與擦除操作,通過對其內(nèi)部的命令寄存器寫入標準的命令序列,可對Flash進行編程(燒寫)、整片擦除、按扇區(qū)擦除,以及其他操作。以16位(字模式)數(shù)據(jù)寬度的方式工作。更多的內(nèi)容請登錄www.AMD.com,查找資料“Am29LV160D16Megabit(2M×8-Bit/1M×16-Bit)CMOS3.0Volt-onlyBootSectorFlashMemory”。Am29LV160D的邏輯框圖如圖4.3.1所示,引腳端功能如表4.3.1所示。引腳類型功能A19~A0輸入地址輸入。提供存儲器地址DQ14~DQ0輸入/輸出數(shù)據(jù)輸入/輸出DQ15/A-1輸入/輸出在字模式,DQ15為數(shù)據(jù)輸入/輸出;在字節(jié)模式,A-1為LSB地址輸入BYTE#輸入選擇8bit或者16bit模式CE#輸入片選。當CE#為低電平時,芯片有效OE#輸入輸出使能。當OE#為低電平時,輸出有效WE#輸入寫使能,低電平有效,控制寫操作RESET#輸入硬件復位引腳端,低電平有效RY/BY#輸出就緒/忙標志信號輸出,SO-44封裝無此引腳端VCC電源3V電源電壓輸入VSS地器件地NC未連接??漳_Am29LV160D的邏輯框圖Am29LV160D引腳端功能S3C2410A與NORFlash存儲器的接口電路S3C2410A與Am29LV160D的接口電路如圖4.3.2所示。Flash存儲器在系統(tǒng)中通常用于存放程序代碼,系統(tǒng)上電或復位后從此獲取指令并開始執(zhí)行,因此,應將存有程序代碼的Flash存儲器配置到Bank0,即將S3C2410A的nGCS0接至Am29LV160D的CE#(nCE)端。Am29LV160D的OE#(nOE)端接S3C2410X的nOE;WE#(nXE)端S3C2410X的nWE相連;地址總線A19~A0與S3C2410X的地址總線ADDR20~ADDR1(A20~A1)相連;16位數(shù)據(jù)總線DQ15~DQ0與S3C2410X的低16位數(shù)據(jù)總線DATA15~DATA0(D15~D0)相連。注意:此時應將BWSCON中的DW0設(shè)置為01,即選擇16位總線方式。如果需要更大的NORFlash存儲容量,可以采用容量更大的NORFlash存儲器芯片,如28F128J3A、28F640J3A等。S3C2410A與Am29LV160D的接口電路S3C2410A與28F128J3A的接口電路。S3C2410X的nGCS0接至28F128J3A的CE0#(nCE)端。28F128J3A的OE#(nOE)端接S3C2410X的nOE;WE#(nWE)端S3C2410X的nWE相連;地址總線A24~A1與S3C2410X的地址總線ADDR24~ADDR1(A24~A1)相連,A0直接接地;16位數(shù)據(jù)總線DQ15~DQ0與S3C2410X的低16位數(shù)據(jù)總線DATA15~DATA0(D15~D0)相連。S3C2410A與28F128J3A的接口電路與兩片8位ROM連接與兩片8位ROM連接與一片16位ROM相連與1片16位ROM連接與兩片16位ROM相連NANDFlash接口電路S3C2410ANANDFlash控制器S3C2410ANANDFlash控制器特性S3C2410A可以在一個外部NANDFlash存儲器上執(zhí)行啟動代碼,用來實現(xiàn)這一想法。為了支持NANDFlash的啟動裝載(bootloader),S3C2410A配置了一個叫做“Steppingstone”的內(nèi)部SRAM緩沖器。當系統(tǒng)啟動時,NANDFlash存儲器的前4KB將被自動加載到Steppingstone中,然后系統(tǒng)自動執(zhí)行這些載入的啟動代碼。在一般情況下,啟動代碼將復制NANDFlash的內(nèi)容到SDRAM中。使用S3C2410A內(nèi)部硬件ECC功能可以對NANDFlash的數(shù)據(jù)的有效性進行檢查。在復制完成后,將在SDRAM中執(zhí)行主程序。NANDFlash控制器具有以下特性。NANDFlash模式:支持讀/擦除/編程NANDFlash存儲器?!褡詣訂幽J剑簭臀缓螅瑔哟a被傳送到Steppingstone中。傳送完畢后,啟動代碼在Steppingstone中執(zhí)行?!窬哂杏布﨓CC產(chǎn)生模塊(硬件生成校驗碼和通過軟件校驗)。●在NANDFlash啟動后,Steppingstone4KB內(nèi)部SRAM緩沖器可以作為其他用途使用?!馧ANDFlash控制器不能通過DMA訪問,可以使用LDM/STM指令來代替DMA操作。NANDFlash控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖NANDFlash的操作模式自動啟動模式的時序如下:(1)完成復位;(2)當自動啟動模式使能時,首先將NANDFlash存儲器的前4KB內(nèi)容自動復制到Steppingstone4KB內(nèi)部緩沖器中;(3)Steppingstone映射到nGCSO;(4)CPU開始執(zhí)行在Steppingstone4KB內(nèi)部緩沖器中的啟動代碼。注意:在自動啟動模式,不進行ECC檢測。因此,應確保NANDFlash的前4KB不能有位錯誤。NANDFlash模式配置:(1)利用NFCONF寄存器設(shè)置NANDFlash配置;(2)寫NANDFlash命令到NFCMD寄存器;(3)寫NANDFlash地址到NFADDR寄存器;(4)在檢查NANDFlash狀態(tài)時,利用NFSTAT寄存器讀/寫數(shù)據(jù)。在讀操作之前或者編程操作之后應該檢查R/nB信號。NANDFlash存儲器的時序如圖所示。NANDFlash存儲器的時序(TACLS=0,TWRPH0=1,TWRPH1=0)NANDFlash控制器的引腳配置如表所列。表NANDFlash控制器的引腳配置引腳配置D[7:0]數(shù)據(jù)/命令/地址輸入/輸出端口(用數(shù)據(jù)總線分派)CLE命令鎖存使能(輸出)ALE地址鎖存使能(輸出)nFCENANDFlash芯片使能(輸出)nFRENANDFlash讀使能(輸出)nFWENANDFlash寫使能(輸出)R/nBNANDFlash準備就緒/忙使能(輸出)BOOT(啟動)和NANDFlash配置如下:(1)OM[1:0]=00b:使能NANDFlash控制器為自動啟動模式;(2)NANDFlash存儲器的頁面大小應該為512字節(jié);(3)NCON:NANDFlash存儲器尋址步選擇。0為3步尋址;1為4步尋址。512字節(jié)ECC奇偶校驗碼分配表如表所示。512字節(jié)ECC奇偶校驗碼分配表在寫/讀操作期間,S3C2410A自動生成512字節(jié)的ECC奇偶校驗碼。每個512字節(jié)數(shù)據(jù)的ECC奇偶校驗碼由3字節(jié)組成。24位ECC奇偶校驗碼=18位行奇偶+6位列奇偶ECC生成模塊執(zhí)行以下操作:(1)當MCU寫數(shù)據(jù)到NAND時,ECC生成模塊產(chǎn)生ECC代碼。(2)當MCU從NAND讀數(shù)據(jù)時,ECC生成模塊產(chǎn)生ECC代碼,同時用戶程序?qū)⑺c先前寫入的ECC代碼進行比較。S3C2410A與NANDFlash存儲器的接口電路與NORFlash存儲器相比,NANDFlash的接口相對比較復雜。一些嵌入式處理器芯片內(nèi)部配置了專門的NANDFlash控制器,如S3C2410A。S3C2410A與NANDFlash存儲器K9F1208UDM-YCB0接口電路如圖所示。K9F1208UDM-YCB0的存儲容量為64M字節(jié),數(shù)據(jù)總線寬度為8位,工作電壓為2.7V~3.6V,采用TSOP-48封裝。僅需單3.3V電壓即可完成在系統(tǒng)的編程與擦除操作,引腳端功能如表4.4.3所示。更多的內(nèi)容請登錄,查找資料“K9F1208U0M-YCB0,K9F1208U0M-YIB064M×8BitNANDFlashMemory”。表K9F1208UDM的引腳功能引腳類型功能I/O7~I/O0輸入/輸出數(shù)據(jù)輸入輸出、控制命令和地址的輸入CLE輸入命令鎖存信號ALE輸入地址鎖存信號/CE輸入芯片使能信號/RE輸入讀有效信號/WE輸入寫有效信號/WP輸入寫保護信號R/nB輸出就緒/忙標志信號輸出Vcc電源電源電壓2.7V~3.3VVss接地器件地K9F1208UDM的I/O口既可接收和發(fā)送數(shù)據(jù),也可接收地址信息和控制命令。在CLE有效時,鎖存在I/O口上的是控制命令字;在ALE有效時,鎖存在I/O口上的是地址;/RE或/WE有效時,鎖存的是數(shù)據(jù)。這種一口多用的方式可以大大減少總線的數(shù)目,只是控制方式略微有些復雜。利用S3C2410X處理器的NANDFlash控制器可以解決這個問題。在圖中,K9F1208UDM的ALE和CLE端分別與S3C2410A的ALE和CLE端連接,8位的I/O7~I/O0與S3C2410A低8位數(shù)據(jù)總線DATA7~DATA0相連,/WE、/RE和/CE分別與S3C2410A的nFWE、nFRE和nFCE相連,R/B與RnB相連,為增加穩(wěn)定性R/nB端口連接了一個上拉電阻。同時,S3C2410A的NCON配置端口必須連接一個上拉電阻,ARM9嵌入式系統(tǒng)的存儲系統(tǒng)NandFlash4.4ARM9的存儲系統(tǒng)只讀存儲器的編程與設(shè)備擦除器編程器編程器的輸入文件intel16進制格式motorola格式二進制型JEDEC:PLD使用在線編程JTAG編程器monitor方式現(xiàn)場軟件編程-便于系統(tǒng)的維護CF(CompactFlash)卡存儲器CF卡的訪問模式

引腳I/O模式存儲器模式TrueIDE模式A10~A0地址線同I/O僅A0~A2選擇任務寄存器CE1,CE2用于選擇奇偶字節(jié)同I/O用于選擇任務寄存器,或者選擇控制、狀態(tài)寄存器D0~D15數(shù)據(jù)線同I/O同I/OIORD未用I/O讀信號同MEMORYIOWR未用I/O寫信號同MEMORYOE讀信號讀CIS寄存器接地WE寫信號寫結(jié)構(gòu)寄存器VCCREG0為特片寄存器

1為普通內(nèi)存在讀寫時應為低VCCReset高電平有效同I/O低電平有效VCC3.3V同I/O同I/OGND地同I/O同I/O圖4.6.1CF卡接口電路IO模式下CF卡的使用方法IO模式下的使用方法Memory模式下的使用方法SD卡的使用針腳名稱類型描述1CDDAT3I/O/PP卡監(jiān)測數(shù)據(jù)位32CMDPP命令/回復3VssS地4VccS供電電壓5CLKI時鐘6Css2S地7DAT0I/O/PP數(shù)據(jù)位08DAT1I/O/PP數(shù)據(jù)位19DAT2I/O/PP數(shù)據(jù)位2SD卡的引腳結(jié)構(gòu)圖4.7.1SD卡的外形和接口圖4.7.2SD卡原理圖圖4.7.2S3C2410A的SD卡接口電路S3C2410A內(nèi)部集成了SD模

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