嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與實例開發(fā).ppt

1、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與實例開發(fā) ARM與C/OS- 基本概念及設(shè)計方法,馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)和哈佛體系結(jié)構(gòu) CISC與RISC 影響CPU性能的因素 存儲器系統(tǒng) I/O接口,一、嵌入式系統(tǒng)硬件基礎(chǔ),典型嵌入式系統(tǒng)基本組成硬件,1.1 馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)模型,指令寄存器,控制器,數(shù)據(jù)通道,輸入,輸出,中央處理器,存儲器,程序,指令0,指令1,指令2,指令3,指令4,數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)0,數(shù)據(jù)1,數(shù)據(jù)2,1.2 哈佛體系結(jié)構(gòu),指令寄存器,控制器,數(shù)據(jù)通道,輸入,輸出,中央處理器,程序存儲器,指令0,指令1,指令2,數(shù)據(jù)存儲器,數(shù)據(jù)0,數(shù)據(jù)1,數(shù)據(jù)2,地址,指令,地址,數(shù)據(jù),1.3 CISC和RISC,CISC：復雜指

2、令集（Complex Instruction Set Computer） 具有大量的指令和尋址方式 8/2原則：80%的程序只使用20%的指令 大多數(shù)程序只使用少量的指令就能夠運行。,RISC：精簡指令集（Reduced Instruction Set Computer) 在通道中只包含最有用的指令 確保數(shù)據(jù)通道快速執(zhí)行每一條指令 使CPU硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計變得更為簡單,1.4 影響CPU性能的因素：流水線、超標量和緩存,流水線技術(shù)：幾個指令可以并行執(zhí)行 提高了CPU的運行效率 內(nèi)部信息流要求通暢流動,譯碼,取指,執(zhí)行add,譯碼,取指,執(zhí)行sub,譯碼,取指,執(zhí)行cmp,時間,Add,Sub,Cm

3、p,超標量執(zhí)行,超標量執(zhí)行：超標量CPU采用多條流水線結(jié)構(gòu),執(zhí)行1,預(yù)取,指令CACHE,譯碼2,譯碼1,執(zhí)行2,執(zhí)行1,預(yù)取,譯碼2,譯碼1,執(zhí)行2,流水線1,流水線2,數(shù)據(jù),高速緩存（CACHE）,1、為什么采用高速緩存 微處理器的時鐘頻率比內(nèi)存速度提高快得多，高速緩存可以提高內(nèi)存的平均性能。 2、高速緩存的工作原理 高速緩存是一種小型、快速的存儲器，它保存部分主存內(nèi)容的拷貝。,CPU,高速緩存控制器,CACHE,主存,數(shù)據(jù),數(shù)據(jù),地址,總線和總線橋,1.5 存儲器系統(tǒng),RAM：隨機存取存儲器， SRAM：靜態(tài)隨機存儲器， DRAM：動態(tài)隨機存儲器 1）SRAM比DRAM快 2）SRAM比

4、DRAM耗電多 3）DRAM存儲密度比SRAM高得多 4）DRM需要周期性刷新 ROM：只讀存儲器 FLASH：閃存,SRAM和DRAM,1）SRAM 2）DRAM,CS,R/W,Addr,Data,CS,R/W,CAS,Data,RAS,Addr,輸入輸出接口,I/O A/D、D/A 鍵盤 LCD 存儲器接口 設(shè)備接口,例如USB,USB：Universal Serial Bus，通用串行總線 大家生活中常見的與USB有關(guān)的東西有： U盤、移動硬盤、無驅(qū)型的MP3（U盤） USB接口的鍵盤、Mouse、打印機、數(shù)碼相機 即插即用，熱插撥，系統(tǒng)不需重啟便可工作，且易于擴展（127個） USB2

5、.0以低成本實現(xiàn)高達480Mb/s的傳輸率（USB1.1的全速設(shè)備可達12Mb/s） 接口標準統(tǒng)一、端口供電,一個典型的USB通訊系統(tǒng),HOST系統(tǒng),HUB,DEVICE,D,DEVICE,應(yīng)用軟件+驅(qū)動程序Ms.Win+接口芯片,HUB,U盤,其他,數(shù)據(jù)采集器,驅(qū)動代碼+嵌入式處理器+HOST芯片,HUB,U盤,其他,數(shù)據(jù)采集器,通用系統(tǒng)模型,PC機中的情況,嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,二、嵌入式系統(tǒng)軟件基礎(chǔ),操作系統(tǒng)的分類 嵌入式實時操作系統(tǒng) 前臺與后臺 多任務(wù)，任務(wù)優(yōu)先級，調(diào)度 非占先式與占先式、可重入型函數(shù),3.1 操作系統(tǒng)的分類,（1）順序執(zhí)行系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)只含有一個程序，獨占CPU的運行時間，按

6、語句順序執(zhí)行該程序，直至執(zhí)行完畢，另一程序才能啟動運行。如DOS操作系統(tǒng)。 （2）分時操作系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)同時可以有多個程序運行，把CPU的時間分按順序分成若干片，每個時間片內(nèi)執(zhí)行不同的程序。如UNIX （3）實時操作系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)有多個程序運行，每個程序有不同的優(yōu)先級，只有最高優(yōu)先級的任務(wù)才能占有CPU的控制權(quán)。,按實時性分類,強實時系統(tǒng)，其系統(tǒng)響應(yīng)時間在毫秒或微秒級（數(shù)控機床）； 一般實時系統(tǒng)，其系統(tǒng)響應(yīng)時間在毫秒幾秒的數(shù)量級上，其實時性的要求比強實時系統(tǒng)要差一些（電子菜譜的查詢）。 弱實時系統(tǒng)，其系統(tǒng)響應(yīng)時間約為數(shù)十秒或更長（工程機械）。,1）循環(huán)輪詢系統(tǒng)：（Polling Loop） 最簡單

7、的軟件結(jié)構(gòu)是循環(huán)輪詢，程序依次檢查系統(tǒng)的每一個輸入條件，一旦條件成立就進行相應(yīng)的處理。 Initialize() While(true) if(condition_1) action_1(); if(condition_2) action_2(); if(condition_n) acition_n(); ,按軟件結(jié)構(gòu)分類,2）事件驅(qū)動系統(tǒng)：（Event-Driven system） 事件驅(qū)動系統(tǒng)是能對外部事件直接響應(yīng)的系統(tǒng)。它包括前后臺、實時多任務(wù)、多處理器等，是嵌入式實時系統(tǒng)的主要形式。 應(yīng)用程序是一個無限的循環(huán)，循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)的操作，這部分可以看成后臺行為（backgrou

8、nd）。中斷服務(wù)程序處理異步事件，這部分可以看成前臺行為（foreground)。 后臺也可以叫做任務(wù)級，前臺也叫中斷級。 例如，很多基于微處理器的產(chǎn)品采用前后臺系統(tǒng)設(shè)計，如微波爐、電話機、玩具等。從省電的角度出發(fā)，平時微處理器處在停機狀態(tài)，所有的事都靠中斷服務(wù)來完成。,前后臺系統(tǒng)（后臺循環(huán)、前臺中斷）,ISR,ISR,后臺 前臺,ISR,時間,代碼的臨界區(qū)也稱為臨界區(qū)，指處理時不可分割的代碼。一旦這部分代碼開始執(zhí)行，則不允許任何中斷打入。 在進入臨界區(qū)之前要關(guān)中斷，而臨界區(qū)代碼執(zhí)行完以后要立即開中斷（在任務(wù)切換時，地址、指令、數(shù)據(jù)等寄存器堆棧保護）。,代碼的臨界區(qū),多任務(wù)（任務(wù)、進程和線程）

9、,一個任務(wù)，也稱作一個線程，是一個簡單的運行程序。每個任務(wù)都是整個應(yīng)用的某一部分，每個任務(wù)被賦予一定的優(yōu)先級， 有它自己的一套CPU寄存器和自己的?？臻g。 多任務(wù)運行的實現(xiàn)實際上是靠CPU（中央處理單元）在許多任務(wù)之間轉(zhuǎn)換、調(diào)度。 CPU只有一個，輪番服務(wù)于一系列任務(wù)中的某一個。多任務(wù)運行使CPU的利用率得到最大的發(fā)揮，并使應(yīng)用程序模塊化。 在實際應(yīng)用中，多任務(wù)的最大特點是，開發(fā)人員可以將很復雜的應(yīng)用程序?qū)哟位C合實驗（時鐘、位圖、USB、KEY）。,任務(wù)的狀態(tài),系統(tǒng)內(nèi)核（Kernel)與調(diào)度（Scheduler),多任務(wù)系統(tǒng)中，內(nèi)核負責管理各個任務(wù)，或者說為每個任務(wù)分配CPU時間，并且負責任

10、務(wù)之間的通信。 內(nèi)核提供的基本服務(wù)是任務(wù)切換。內(nèi)核本身也增加了應(yīng)用程序的額外負荷，代碼空間增加ROM用量，內(nèi)核本身的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)增加了RAM的用量。內(nèi)核本身對CPU的占用時間一般在2到5個百分點之間。 調(diào)度（Scheduler）是內(nèi)核的主要職責之一，就是要決定該輪到哪個任務(wù)運行了。多數(shù)實時內(nèi)核是基于優(yōu)先級調(diào)度法的。每個任務(wù)根據(jù)其重要程度的不同被賦予一定的優(yōu)先級?；趦?yōu)先級的調(diào)度法指，CPU總是讓處在就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)先運行。,任務(wù)優(yōu)先級,靜態(tài)優(yōu)先級 應(yīng)用程序執(zhí)行過程中諸任務(wù)優(yōu)先級不變，則稱之為靜態(tài)優(yōu)先級。在靜態(tài)優(yōu)先級系統(tǒng)中，諸任務(wù)以及它們的時間約束在程序編譯時是已知的 動態(tài)優(yōu)先級 應(yīng)用程序執(zhí)

11、行過程中，任務(wù)的優(yōu)先級是可變的，則稱之為動態(tài)優(yōu)先級。實時內(nèi)核應(yīng)當避免出現(xiàn)優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題。,優(yōu)先級反轉(zhuǎn),信號量(Semaphore),信號量是60年代中期Edgser Dijkstra 發(fā)明的。信號量實際上是一種約定機制，在多任務(wù)內(nèi)核中普遍使用.信號量用于： 控制共享資源的使用權(quán)(滿足互斥條件) 標志某事件的發(fā)生 使兩個任務(wù)的行為同步 信號與信號量在英文中都叫做Semaphore，并不加以區(qū)分，而說它有兩種類型，二進制型(binary)和計數(shù)器型(counting),死鎖(或抱死) Deadlock,死鎖也稱作抱死，指兩個任務(wù)無限期地互相等待對方控制著的資源。設(shè)任務(wù)T1正獨享資源R1，任務(wù)T2在

12、獨享資源T2，而此時T1又要獨享R2，T2也要獨享R1，于是哪個任務(wù)都沒法繼續(xù)執(zhí)行了，發(fā)生了死鎖。最簡單的防止發(fā)生死鎖的方法是讓每個任務(wù)都： 先得到全部需要的資源再做下一步的工作 用同樣的順序去申請多個資源 釋放資源時使用相反的順序,本節(jié)提要,1,3,2,4,嵌入式系統(tǒng)硬件基礎(chǔ),嵌入式BSP的基本概念,嵌入式系統(tǒng)軟件基礎(chǔ),嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法,5,一個嵌入式設(shè)計方法實例,嵌入式系統(tǒng)的軟/硬件框架,基于知識平臺的開發(fā)方法,嵌入式系統(tǒng)設(shè)計步驟,系統(tǒng)需求分析：確定設(shè)計任務(wù)和設(shè)計目標，并提煉出設(shè)計規(guī)格說明書，作為正式設(shè)計指導和驗收的標準。系統(tǒng)的需求一般分功能性需求和非功能性需求兩方面。功能性需求是系統(tǒng)的

13、基本功能，如輸入輸出信號、操作方式等；非功能需求包括系統(tǒng)性能、成本、功耗、體積、重量等因素。 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計：描述系統(tǒng)如何實現(xiàn)所述的功能和非功能需求，包括對硬件、軟件和執(zhí)行裝置的功能劃分以及系統(tǒng)的軟件、硬件選型等。一個好的體系結(jié)構(gòu)是設(shè)計成功與否的關(guān)鍵。 硬件/軟件協(xié)同設(shè)計：基于體系結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)的軟件、硬件進行詳細設(shè)計。為了縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，設(shè)計往往是并行的。應(yīng)該說，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的工作大部分都集中在軟件設(shè)計上，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)、軟件組件技術(shù)、模塊化設(shè)計是現(xiàn)代軟件工程經(jīng)常采用的方法。 系統(tǒng)集成：把系統(tǒng)的軟件、硬件和執(zhí)行裝置集成在一起，進行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)并改進單元設(shè)計過程中的錯誤。 系統(tǒng)測試：對設(shè)計好的

14、系統(tǒng)進行測試，看其是否滿足規(guī)格說明書中給定的功能要求。,嵌入式開發(fā)工具與開發(fā)環(huán)境,嵌入式軟件開發(fā)流程,開發(fā)平臺簡介,幾種常用的開發(fā)方法,指令集模擬器 一種利用PC機端的仿真開發(fā)軟件模擬調(diào)試的方法。 駐留監(jiān)控軟件 駐留監(jiān)控程序運行在目標板上，PC機端調(diào)試軟件可通過并口、串口、網(wǎng)口與之交互，以完成程序執(zhí)行、存儲器及寄存器讀寫、斷點設(shè)置等任務(wù) JTAG仿真器 通過ARM芯片的JTAG邊界掃描口與ARM核進行通信，不占用目標板的資源，是目前使用最廣泛的調(diào)試手段 在線仿真器 使用仿真頭代替目標板上的CPU，可以完全仿真ARM芯片的行為。但結(jié)構(gòu)較復雜，價格昂貴，通常用于ARM硬件開發(fā)中,需求分析與評估 功

15、能定義與軟硬件選型 概要設(shè)計與軟硬件劃分 軟硬件協(xié)同詳細設(shè)計 集成調(diào)試 維護與升級,設(shè)計步驟,謝 謝 各 位,嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與實例開發(fā) ARM與C/OS- 基于ARM的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計,本節(jié)提要,1,3,2,5,4,6,基于ARM的硬件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),存儲器接口設(shè)計,網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計,I/O接口設(shè)計,人機交互接口設(shè)計,其它通訊接口設(shè)計,基于ARM的硬件設(shè)計,主要介紹基于ARM7的嵌入式硬件開發(fā)平臺的設(shè)計方法，包括結(jié)構(gòu)、主要接口、存儲器選用方案以及外設(shè)、顯示等方面的內(nèi)容。 嵌入式硬件開發(fā)平臺的體系結(jié)構(gòu) 外圍存儲器接口設(shè)計方法 鍵盤、LCD等人機交互接口的設(shè)計 觸摸屏的設(shè)計 以太網(wǎng)設(shè)計 CAN總線設(shè)計,

16、Samsung S3C44B0X,Samsung S3C44B0X微處理器是三星公司專為手持設(shè)備和一般應(yīng)用提供的高性價比和高性能的微控制器解決方案，它使用ARM7TDMI核，工作在66MHZ。為了降低系統(tǒng)總成本和減少外圍器件，這款芯片中還集成了下列部件： 8KB Cache、外部存儲器控制器、LCD控制器、4個DMA通道、2通道UART、1個多主I2C總線控制器、1個IIS總線控制器，5通道PWM定時器及一個內(nèi)部定時器、71個通用I/O口、8個外部中斷源、實時時鐘、8通道10位ADC等。,基于ARM的嵌入式硬件平臺體系結(jié)構(gòu),芯片體系結(jié)構(gòu),S3C44B0X存儲系統(tǒng)的特征,支持數(shù)據(jù)存儲的大/小端選

17、擇(通過外部引腳進行選擇) 地址空間：具有8個存儲體，每個存儲體可達32Mb，總共可達256Mb。 對所有存儲體的訪問大小均可進行改變（8位16位32位） 8個存儲體中，Bank0Bank5可支持ROM、SRAM；Bank6、Bank7可支持ROM、SRAM和FPEDOSDRAM等。 7個存儲體的起始地址固定，1個存儲體的起始地址可變。,復位后的S3C44B0X的存儲器映射表,系統(tǒng)的存儲空間分配,Bank0:兩片512KFlash，放置系統(tǒng)引導程序，系統(tǒng)上電復位后，PC指針自動指向Bank0的第一個單元，進行系統(tǒng)自舉。 Bank1：K9F2808（三星 16Mbyte Flash），非線性尋址

18、。具體的時序可以參考K9F2808的datasheet Bank2：USBN9603。USB設(shè)備端接口芯片，占用系統(tǒng)外部中斷0。8位數(shù)據(jù)總線。 Bank3、Bank4未接設(shè)備?？梢怨U展使用 Bank5：RTL8019AS，ISA總線兼容的10M以太網(wǎng)（PHYMAC層）控制芯片。占用系統(tǒng)外部中斷1，16位數(shù)據(jù)總線,Bank6：SDRAM，起始地址為0 xC000000。在SDRAM中，前512Kbyte的空間劃分出來，作為系統(tǒng)的LCD顯示緩沖區(qū)使用（更新其中的數(shù)據(jù)，就可以更新LCD的顯示）。系統(tǒng)的程序存儲空間從0 xC080000開始。也就是，引導系統(tǒng)的時候，需要把system.bin文件復制

19、到0 xC080000開始的地址空間，把PC指針指向0 xC080000。 Bank7：未使用?？梢詳U展另一片SDRAM，或者其他的外設(shè)。 系統(tǒng)的同步串行口（SIO），連接著觸摸屏控制芯片F(xiàn)M7843（與ADS7843完全兼容）。在同步串行口上，還可以擴展其他的芯片。靠IO口控制設(shè)備的片選信號（CS）來防止設(shè)備的沖突。 注：系統(tǒng)的擴展接口上，A0的標號，連接在S3C44B0X的ADDR1上，后面的地址依次向后錯位。,本節(jié)提要,1,3,2,5,4,6,基于ARM的硬件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),存儲器接口設(shè)計,網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計,I/O接口設(shè)計,人機交互接口設(shè)計,其它通訊接口設(shè)計,S3C44B0X與FLASH的連接

20、（Half Word方式）,使用Bank0上的兩片512Kb2來放置系統(tǒng)BIOS，系統(tǒng)上電以后，PC指針自動指向Bank0的第一個單元，開始進行系統(tǒng)自舉。系統(tǒng)自舉完成以后，便從硬盤中將系統(tǒng)文件和用戶應(yīng)用程序復制到SDRAM內(nèi)存中執(zhí)行。 Bank1上接16M非線性Flash，當做系統(tǒng)硬盤使用，可以構(gòu)造文件系統(tǒng)，存放海量數(shù)據(jù)。 用SDRAM當作系統(tǒng)內(nèi)存，只有Bank6/Bank7能支持SDRAM，所以將SDRAM接在Bank6上。如果同時使用Bank6/Bank7，則要求連接相同容量的存儲器，而且其地址空間在物理上是連續(xù)的。,存儲器接口設(shè)計,關(guān)于BOOT ROM,Bank0：系統(tǒng)的啟動ROM（Fl

21、ash Rom）。在系統(tǒng)復位的時候，處理器的PC（程序計數(shù)器）指針指向0 x0地址。在Bank0的起始地址的程序，就是系統(tǒng)的初始化程序。此程序的主要任務(wù)是： 1、管理處理器的中斷服務(wù)程序 處理器的中斷是從0 x0地址開始，引導ROM負責把這一部分的中斷映射到另一個區(qū)域，以便系統(tǒng)處理。具體的做法，可以參考44binit.s里面的代碼。（這部分代碼是三星主頁可以提供，它把系統(tǒng)的中斷，映射到了不同的指針所指向的地址空間（主要就是系統(tǒng)RAM的空間）。,2、初始化硬件平臺，配置其他的Bank S3C44B0X的Bank0是通過外部的一個管腳提供的上拉、下拉電阻來配置的。主要包括：數(shù)據(jù)位數(shù)（8位、16位、

22、32位），數(shù)據(jù)格式（大端、小端）。而其他的Bank的配置，以及讀寫周期等信息是靠Bank0內(nèi)部的代碼配置相應(yīng)的寄存器來實現(xiàn)的。同時，系統(tǒng)的引導Rom也負責配置系統(tǒng)的其他的一些寄存器，比如，系統(tǒng)的PLL（鎖頻環(huán)）配置，系統(tǒng)的IO口等一些端口功能的配置等等。,3、系統(tǒng)自動檢測 引導Rom負責檢測系統(tǒng)的啟動所必須的外設(shè)是否正常。主要是系統(tǒng)的SDRAM的檢測。 4、系統(tǒng)的軟件設(shè)置，更新系統(tǒng)（system.bin） 用戶可以在系統(tǒng)啟動的時候，按任意鍵，進入系統(tǒng)的軟件設(shè)置狀態(tài)。通過引導Rom設(shè)置或者查看系統(tǒng)的一些軟件信息。包括：通過開啟USB端口；更新系統(tǒng)文件system.bin；LCD顯示測試；演示程序

23、的裝載測試；鍵盤測試；觸摸屏的坐標校準；觸摸屏測試；以太網(wǎng)地址的設(shè)置等,本節(jié)提要,1,3,2,5,4,6,基于ARM的硬件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),存儲器接口設(shè)計,網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計,I/O接口設(shè)計,人機交互接口設(shè)計,其它通訊接口設(shè)計,嵌入式開發(fā)板與PC機的串行通訊,嵌入式開發(fā)板和PC機的通訊電纜可以按照如圖所示的方式連接。,I/O接口設(shè)計,I/O接口電路也簡稱接口電路。它是主機和外圍設(shè)備之間交換信息的連接部件（電路）。它在主機和外圍設(shè)備之間的信息交換中起著橋梁和紐帶作用。設(shè)置接口電路的必要性： a)解決CPU和外圍設(shè)備之間的時序配合和通信聯(lián)絡(luò)問題。 b)解決CPU和外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和匹配問題。 c)

24、解決CPU的負載能力和外圍設(shè)備端口選擇問題。,I/O接口的編址方式,1）I/O接口獨立編址： 這種編址方式是將存儲器地址空間和I/O接口地址空間分開設(shè)置，互不影響。設(shè)有專門的輸入指令（IN）和輸出指令（OUT）來完成I/O操作。 2）I/O接口與存儲器統(tǒng)一編址方式： 這種編址方式不區(qū)分存儲器地址空間和I/O接口地址空間，把所有的I/O接口的端口都當作是存儲器的一個單元對待，每個接口芯片都安排一個或幾個與存儲器統(tǒng)一編號的地址號。也不設(shè)專門的輸入/輸出指令，所有傳送和訪問存儲器的指令都可用來對I/O接口操作。,兩種編址方式有各自的優(yōu)缺點,1）獨立編址方式： 主要優(yōu)點：內(nèi)存地址空間與I/O接口地址空

25、間分開，互不影響，譯碼電路較簡單，并設(shè)有專門的I/O指令，所以編程序易于區(qū)分，且執(zhí)行時間短，快速性好。 缺點：只用I/O指令訪問I/O端口，功能有限且要采用專用I/O周期和專用I/O控制線，使微處理器復雜化。 2）統(tǒng)一編址方式 主要優(yōu)點：訪問內(nèi)存的指令都可用于I/O操作，數(shù)據(jù)處理功能強；同時I/O接口可與存儲器部分共用譯碼和控制電路。 缺點：一是I/O接口要占用存儲器地址空間的一部分；二是因不用專門的I/O指令，程序中較難區(qū)分I/O操作。,S3C44B0X的I/O接口,ARM系統(tǒng)完成I/O功能的標準方法是使用存儲器映射I/O。這種方法使用特定的存儲器地址。當從這些地址加載或向這些地址存儲時，它

26、們提供I/O功能。典型情況下，從存儲器映射I/O地址加載用于輸入，而向存儲器映射I/O地址存儲用于輸出。 S3C44B0X有71 個多功能輸入輸出管腳，構(gòu)成了7個I/O接口： 兩個9位的輸入/輸出接口（E和F） 兩個8位的輸入/輸出接口（D和G） 一個16位的輸入/輸出接口（C） 一個10位的輸出接口（A） 一個11位的輸出接口（B）,本節(jié)提要,1,3,2,5,4,6,基于ARM的硬件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),存儲器接口設(shè)計,網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計,I/O接口設(shè)計,人機交互接口設(shè)計,其它通訊接口設(shè)計,鍵盤接口設(shè)計,鍵盤模塊鍵盤可能用來輸入數(shù)字型數(shù)據(jù)或者選擇控制設(shè)備的操作模式。 鍵盤有兩種方案：一是采用現(xiàn)有的一些芯片

27、實現(xiàn)鍵盤掃描；再就是用軟件實現(xiàn)鍵盤掃描。嵌入式控制器的功能很強，可能允分利用這一資源。,一個瞬時接觸開關(guān)（按鈕）放置在每一行與線一列的交叉點。矩陣所需的鍵的數(shù)目顯然根據(jù)應(yīng)用程序而不同。每一行由一個輸出端口的一位驅(qū)動，而每一列由一個電阻器上拉且供給輸入端口一位。,鍵盤掃描陣列,鍵盤掃描過程就是讓微處理器按有規(guī)律的時間間隔查看鍵盤矩陣，以確定是否有鍵被按下。每個鍵被分配一個稱為掃描碼的唯一標識符。應(yīng)用程序利用該掃描碼，根據(jù)按下的鍵來判定應(yīng)該采取什么行動。 消抖算法： 組合鍵處理,鍵盤掃描方法,/得到按鍵的掃描碼，格式為0 xXYZW U16 GetScanKey() U16 key; U8 i,t

28、emp; for(i=1;i4); return key;,鍵盤掃描程序,LCD接口設(shè)計,LCD顯示模塊 液晶顯示是一種被動的顯示，它不能發(fā)光，只能使用周圍環(huán)境的光。它顯示圖案或字符只需很小能量。液晶顯示所用的液晶材料是一種兼有液態(tài)和固體雙重性質(zhì)的有機物，它的棒狀結(jié)構(gòu)在液晶盒內(nèi)一般平行排列，但在電場作用下能改變其排列方向。 LCD的背光： EL（場致發(fā)光）：2000-3000小時 和LED光源：字符模式，50000小時,LCD的顯示方式,反射型LCD：底偏光片后面加了一塊反射板，它一般在戶外和光線良好的辦公室使用。 透射型LCD：底偏光片是透射偏光片，它需要連續(xù)使用背光源，一般在光線差的環(huán)境使

29、用。 透反射型LCD：是處于以上兩者之間，底偏光片能部分反光，一般也帶背光源，光線好的時候，可關(guān)掉背光源；光線差時，可點亮背光源使用LCD。,反射型LCD的結(jié)構(gòu),LCD通常由兩種方式，一種是帶有驅(qū)動芯片的LCD模塊，基本上屬于半成品 如果有需要，也可以直接使用芯片上的內(nèi)置LCD控制器來構(gòu)造顯示模塊，它可以支持彩色/灰度/單色三種模式，灰度模式下可支持4級灰度和16級灰度，彩色模式下最多支持256色，LCD的實際尺寸可支持到320X240。,LCD的驅(qū)動方式,嵌入式處理器與LCD的連接,嵌入式處理器,LCD模塊,數(shù)據(jù)總線,寄存器選擇,使能信號,從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上來講，由于顯示器模塊中已經(jīng)有顯示存儲器。

30、顯存中的每一個單元對應(yīng)LCD上的一個點，只要顯存中的內(nèi)容改變，顯示結(jié)果便進行刷新。于是便存在兩種刷新： 1直接根據(jù)系統(tǒng)要求對顯存進行修改，一種是只需修改相應(yīng)的局部就可以，不需要判斷覆蓋等；另一種就是有覆蓋問題，計算起來比較復雜，而且每做一點小的屏幕改變就進行刷新，將增加系統(tǒng)負擔。 2 專門開辟顯示內(nèi)存，在需要刷新時候由程序進行顯示更新。這樣，不但可以減輕總線負荷，而且也比較合理，在有需要的時候進行統(tǒng)一的顯示更新，界面也可以比較美觀，不致由于無法預(yù)料的刷新動作導致顯示界面閃爍。,LCD的顯示控制,前后臺雙重顯示緩存的顯示模塊結(jié)構(gòu),觸摸屏接口設(shè)計,觸摸屏的分類 電阻式觸摸屏 表面聲波觸摸屏 紅外式

31、觸摸屏 電容式觸摸屏,電阻式觸摸屏,分為四線電阻和五線電阻觸摸屏 電阻技術(shù)觸摸屏是一種對外界完全隔離的工作環(huán)境，故不怕灰塵、水汽和油污，可以用任何物體來觸摸，比較適合工業(yè)控制領(lǐng)域及辦公室內(nèi)有限人的使用。,四線電阻觸摸屏原理,測量原理,在觸摸點X、Y坐標的測量過程中，測量電壓與測量點的等效電路圖所示，圖中P為測量點,X,V,Y,Y,觸摸屏芯片,FM(ADS)7843的特點,實現(xiàn)觸摸屏的驅(qū)動選擇控制（X、Y通道） 對于輸入電壓或附加電壓進行AD轉(zhuǎn)換 同步串行接口 最大轉(zhuǎn)換速率125KHz 可編程控制8位或者12位轉(zhuǎn)換模式 工作電壓2.7V-5.0V 兩個附加的輸入端口,FM7843與ARM的連接,

32、AD7843的工作時序,Arm同步串口（SIO）向ADS7843發(fā)送控制字 轉(zhuǎn)換完成后從ADS7843串口讀出電壓轉(zhuǎn)換值,A/D轉(zhuǎn)換時序（每次轉(zhuǎn)換需要24個時鐘周期）,觸摸屏的驅(qū)動,#define ADS7843_CTRL_START0 x80 #define ADS7843_GET_X0 x50 #define ADS7843_GET_Y0 x10 #define ADS7843_CTRL_12MODE0 x0 #define ADS7843_CTRL_8MODE0 x8 #define ADS7843_CTRL_SER0 x4 #define ADS7843_CTRL_DFR0 x0 #d

33、efine ADS7843_CTRL_DISPWD0 x3/ Disable power down #define ADS7843_CTRL_ENPWD0 x0/ enable power down #define ADS7843_PIN_CS(16)/GPF6 #define ADS7843_PIN_PEN(15)/GPG5 /#define ADS7843_PIN_BUSY(16) /觸摸屏動作/ #define TCHSCR_ACTION_NULL0 #define TCHSCR_ACTION_CLICK1/觸摸屏單擊 #define TCHSCR_ACTION_DBCLICK2/觸摸屏

34、雙擊 #define TCHSCR_ACTION_DOWN3/觸摸屏按下 #define TCHSCR_ACTION_UP4/觸摸屏抬起 #define TCHSCR_ACTION_MOVE5/觸摸屏移動 #define TCHSCR_IsPenNotDown()(rPDATG,函數(shù)TchScrGetScrXY(int *x, int *y)的結(jié)構(gòu),本節(jié)提要,1,3,2,5,4,6,基于ARM的硬件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),存儲器接口設(shè)計,網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計,I/O接口設(shè)計,人機交互接口設(shè)計,其它通訊接口設(shè)計,以太網(wǎng)接口的基本知識,1、傳輸編碼 曼徹斯特編碼 差分曼徹斯特編碼,以太網(wǎng)協(xié)議,以太網(wǎng)MAC層物理傳輸

35、幀 （IEEE802.3 ）,PR：同步位，收發(fā)雙方的時鐘同步，也指明傳輸?shù)乃俾剩?0M、100M） SD：分隔位,表示下面跟著的是真正的數(shù)據(jù),而不是同步時鐘 DA：目的地址,以太網(wǎng)的地址為48位地址。如果為都為F,則是廣播地址 SA：源地址,48位,表明該幀的數(shù)據(jù)是哪個網(wǎng)卡發(fā)的,即發(fā)送端網(wǎng)卡地址TYPE：類型字段，表明該幀的數(shù)據(jù)是什么類型。如：0800H 表示數(shù)據(jù)為IP 包，0806H表示數(shù)據(jù)為ARP包，814CH是SNMP包，8137H為IPX/SPX包 DATA：數(shù)據(jù)段，該段數(shù)據(jù)不能超過1500字節(jié)。 PAD： 填充位。以太網(wǎng)幀傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包最小不能小于60字節(jié), 當數(shù)據(jù)段不 足46字節(jié)時

36、，后面補000000.(當然也可以補其它值)FCS: 32位CRC數(shù)據(jù)校驗位。該校驗由網(wǎng)卡自動完成,以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸特點,PR,SD,PAD,FCS這幾個數(shù)據(jù)段是由網(wǎng)卡自動產(chǎn)生的；只需要理解DA、SA、TYPE、DATA四個段的內(nèi)容 所有數(shù)據(jù)位的傳輸由低位開始(傳輸?shù)奈涣魇褂寐鼜厮固鼐幋a) 以太網(wǎng)的沖突退避算法是由硬件自動執(zhí)行的 DA+SA+TYPE+DATA+PAD最小為60字節(jié),最大為1514字節(jié) 以太網(wǎng)卡可以接收三種地址的數(shù)據(jù)，一個是廣播地位，一個是多播地址(在嵌入式的環(huán)境中一般不用)，一個是它自已的地址 任何兩個網(wǎng)卡的物理地址都是不一樣的，是世界上唯一的，網(wǎng)卡地址由專門機構(gòu)分配。,嵌入

37、式的以太網(wǎng)方案,嵌入式處理器網(wǎng)卡芯片（RTL8019） 對嵌入式處理器沒有特殊要求，通用性強 處理器和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換通過外部總線，速度慢，不適合于100M網(wǎng)絡(luò) 帶有以太網(wǎng)絡(luò)接口的嵌入式處理器 處理器面向網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 處理器和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換通過內(nèi)部總線，速度快,RTL8019的原理框圖,嵌入式網(wǎng)絡(luò)接口的特點,與常規(guī)的網(wǎng)卡設(shè)計思路不同的是，在嵌入式系統(tǒng)中，系統(tǒng)的精簡一直是個主要的原則。RTL8019AS作為網(wǎng)卡，時需要一片EEPROM作為配置存儲器，來確定通訊的端口地址，中斷地址，網(wǎng)卡的物理地址，工作模式，制造廠商等信息； 而在嵌入式系統(tǒng)中，可以使用RTL8019AS的默認配置和一些管腳作為網(wǎng)卡的初始化方

38、法。這樣可以節(jié)省配置存儲器，減小嵌入式硬件平臺的體積。,基于RTL8019在嵌入式以太網(wǎng)設(shè)計,1 RTL8019AS的初始化 RTL8019支持即插即用模式和非即插即用模式。在嵌入式系統(tǒng)中，網(wǎng)卡的外設(shè)通常是不經(jīng)常插拔的，所以，為了系統(tǒng)的精簡，配置RTL8019為非即插即用模式。有著固定的中斷，有著固定的端口地址，假設(shè)是端口是0 x300（這里的端口是相對于ISA總線來說的端口，對于ARM的總線，需要重新計算地址）。這些配置可以通過RTL8019的外部管腳，在系統(tǒng)上電復位的時候，自動配置起來。,關(guān)于RTL8019的RAM,RTL8019含有16K字節(jié)的RAM，地址為0 x4000-0 x7fff

39、(指的是RTL8019內(nèi)部的存儲地址，是RTL8019工作用的存儲器，可以通過遠程DMA訪問），每256個字節(jié)稱為一頁，共有64頁。頁的地址就是地址的高8位，頁地址為0 x40-0 x7f。這16k的ram的一部分用來存放接收的數(shù)據(jù)包，一部分用來存儲待發(fā)送的數(shù)據(jù)包,2 通過RTL8019AS發(fā)送數(shù)據(jù),作為一個集成的以太網(wǎng)芯片，數(shù)據(jù)的發(fā)送校驗，總線數(shù)據(jù)包的碰撞檢測與避免是由芯片自己完成的。我們只需要配置發(fā)送數(shù)據(jù)的物理層地址的源地址、目的地址、數(shù)據(jù)包類型以及發(fā)送的數(shù)據(jù)就可以了。,3、通過RTL8019AS接收數(shù)據(jù),在RTL8019的初始化程序中已經(jīng)設(shè)置好了接收緩沖區(qū)的位置，并且配置好了中斷的模式。

40、當有一個正確的數(shù)據(jù)包到達的時候，RTL8019會產(chǎn)生一個中斷信號，在ARM中斷處理程序中，接收數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)的接收比較簡單，即通過遠端DMA把數(shù)據(jù)從RTL8019的RAM空間讀回ARM中處理。,TCP/IP 協(xié)議的層次,嵌入式以太網(wǎng)中主要處理的協(xié)議,ARP(Address Resolation Protocol)地址解析協(xié)議 ICMP (Internet Control Messages Protocol)網(wǎng)絡(luò)控制報文協(xié)議 IP(Internet Protocol) 網(wǎng)際協(xié)議 TCP(Transfer Control Protocol) 傳輸控制協(xié)議 UDP(User Datagram Prot

41、ocol)用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議,ARP地址解析協(xié)議,網(wǎng)絡(luò)層用32 bit的IP地址來標識不同的主機，而鏈路層使用48 bit的物理（MAC）地址來標識不同的以太網(wǎng)接口。只知道目的主機的IP地址并不能發(fā)送數(shù)據(jù)幀給它，必須知道目的主機網(wǎng)絡(luò)接口的MAC地址才能發(fā)送數(shù)據(jù)幀。 ARP的功能是實現(xiàn)從IP地址到對應(yīng)物理地址的轉(zhuǎn)換。 源主機發(fā)送一份包含目的主機IP地址的ARP請求數(shù)據(jù)幀給網(wǎng)上的每個主機,稱作ARP廣播，目的主機的ARP收到這份廣播報文后，識別出這是發(fā)送端在尋問它的IP地址，于是發(fā)送一個包含目的主機IP地址及對應(yīng)的MAC地址的ARP回答給源主機。 每臺主機上都有一個ARP高速緩存，存放最近的IP地址到

42、硬件地址之間的映射記錄。通常每一項的生存時間為20分鐘,ICMP網(wǎng)絡(luò)控制報文協(xié)議,IP層的附屬協(xié)議，IP層用它來與其他主機或路由器交換錯誤報文和其他重要控制信息。 ICMP報文是在IP數(shù)據(jù)包內(nèi)部被傳輸?shù)摹?兩個實用的網(wǎng)絡(luò)診斷工具，Ping和Traceroute(Tracert)，都是利用該協(xié)議工作的。,IP網(wǎng)際協(xié)議,IP工作在網(wǎng)絡(luò)層，是TCP/IP協(xié)議族中最為核心的協(xié)議。所有的TCP，UDP，ICMP以及IGMP數(shù)據(jù)都以IP數(shù)據(jù)包格式傳輸。 IP數(shù)據(jù)包最長可達65535字節(jié),其中報頭占32 bit的數(shù)目。包含各32 bit的源IP地址和目的IP地址。在嵌入式應(yīng)用中，簡化設(shè)計，IP數(shù)據(jù)包長度等于

43、數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)長度。,TCP傳輸控制協(xié)議,TCP是一個面向連接的可靠的傳輸層協(xié)議。TCP為兩臺主機提供高可靠性的端到端數(shù)據(jù)通信。主要包括: 發(fā)送方把應(yīng)用程序交給它的數(shù)據(jù)分成合適的小塊，并添加附加信息（TCP頭），包括順序號，源、目的端口，控制、糾錯信息等字段，稱為TCP數(shù)據(jù)包。并將TCP數(shù)據(jù)包交給下面的網(wǎng)絡(luò)層處理。 接受方確認接收到的TCP數(shù)據(jù)包，重組并將數(shù)據(jù)送往高層。,UDP協(xié)議,UDP是一種無連接不可靠的傳輸層協(xié)議。 把應(yīng)用程序傳來的數(shù)據(jù)加上UDP頭（包括端口號，段長等字段），作為UDP數(shù)據(jù)包發(fā)送出去，但是并不保證它們能到達目的地。可靠性由應(yīng)用層來提供。就象發(fā)送一封寫有地址的一般信件，卻

44、不保證它能到達。,關(guān)于端口,TCP和UDP采用16位的端口號來識別上層的TCP用戶，即上層應(yīng)用協(xié)議如等。 常見的TCP/IP服務(wù)都用1255之間的端口號。例如FTP服務(wù)的TCP端口號都是21，Telnet服務(wù)的TCP端口號都是23 2561023之間的端口號通常都是提供一些特定的Unix服務(wù) TCP/IP臨時端口分配10245000之間的端口號,基于ARM和uCOS-II的TCP/IP協(xié)議,向ARM和uC/OS移植一個TCP/IP協(xié)議棧 采用uC/OS自帶的TCP/IP協(xié)議棧,BSD套接字(BSD Sockets),BSD Sockets使用的最廣泛的網(wǎng)絡(luò)程序編程方法，主要用于應(yīng)用程序的編寫，用于網(wǎng)絡(luò)上主機與主機之間的相互通信 UNIX,Linux,VxWorks均支持BSD Sockets，Windows的Winsock基本上是來自BS