第四章嵌入式硬件系統(tǒng)(一)(2課時)

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)院存儲器及其擴(kuò)展總線結(jié)構(gòu)時鐘和晶振電源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。如運算能力和I/O接口等。5 硬件構(gòu)成硬件構(gòu)成 是整個系統(tǒng)的心臟及其擴(kuò)展是程序和數(shù)據(jù)的存放地點是連接各設(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)提供時間基準(zhǔn)和工作節(jié)拍為系統(tǒng)提供動力6 硬件層硬件層* * MP3隨聲聽的硬件組成 嵌入式硬件系統(tǒng)基本構(gòu)成總線結(jié)構(gòu)

2、時鐘和晶振電源2存儲器及其擴(kuò)展存儲器及其擴(kuò)展 n 功能功能 提供執(zhí)行程序和存儲數(shù)據(jù)所需空間提供執(zhí)行程序和存儲數(shù)據(jù)所需空間 n 種類種類 RAM、ROM兩兩種種 n 特點特點 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、訪問速度快、性能可靠、具有密度大、體積小、訪問速度快、性能可靠、使用壽命長的優(yōu)點，適合于嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域使用壽命長的優(yōu)點，適合于嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域 分類分類半導(dǎo)體存儲器半導(dǎo)體存儲器隨機(jī)存取隨機(jī)存取存儲器（存儲器（RAMRAM）只讀存儲器只讀存儲器（ROMROM）靜態(tài)靜態(tài)RAMRAM（SRAMSRAM）動態(tài)動態(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）閃速存儲器閃速存儲器(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每個每個內(nèi)存單元存儲一個內(nèi)存單元存儲一個位（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存儲器及其擴(kuò)展存儲器及其擴(kuò)展 n 特點特點n可讀可寫，可讀可寫，讀取和寫入一樣快速讀取和寫入一樣快速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存儲器及其擴(kuò)展存儲器及其擴(kuò)展 (1) SRAM (靜態(tài)隨機(jī)存取靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器存儲器 )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時時,輸出輸出Q =1S=0、R=1時時,輸出輸出Q =0 n 每一位存儲單元電路每一位存儲單元電路 需要需要6個晶體管個晶體管 圖圖4-3 SRAM結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 2存儲器及其擴(kuò)展存儲器及其擴(kuò)展 n 特點特點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芯片中處理器制造在同一個芯片

5、中n數(shù)據(jù)不需實時刷新數(shù)據(jù)不需實時刷新n但成本較高但成本較高 2存儲器及其擴(kuò)展存儲器及其擴(kuò)展 (2) DRAM (動態(tài)隨機(jī)存取動態(tài)隨機(jī)存取存儲器存儲器)n 內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)n 存儲單元由一個電存儲單元由一個電容容和一和一個晶體管個晶體管組成組成n 解碼線解碼線使使晶體管導(dǎo)通晶體管導(dǎo)通后，后，通過通過 rd/wr 線讀取電容線讀取電容電壓電壓，或者對，或者對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存儲器及其擴(kuò)展存儲器及其擴(kuò)展 n 特點特點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)行實但由于電容的充放電原因，數(shù)據(jù)需要進(jìn)行實時刷新操作時刷新操作 2存儲器及其擴(kuò)展存儲器及其擴(kuò)展 2.ROM (Read-Only Memory)n 內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)n存儲數(shù)據(jù)方式利用可規(guī)劃式接線的短路或存儲數(shù)據(jù)方式利用可規(guī)劃式接線的短路或斷路斷路來實現(xiàn)來實現(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存儲器及其擴(kuò)展存儲器及其擴(kuò)展 n 特點特點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)不會丟失掉電情況下數(shù)據(jù)不會丟失 程序可存放在程序可存放在ROM中

7、中n 種類種類nEPROM，EEPROMnFlash2存儲器及其擴(kuò)展存儲器及其擴(kuò)展 (1) EPROM (Erasable ProgramEnable Read-Only Memory)2存儲器及其擴(kuò)展存儲器及其擴(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) 具有浮動具有浮動?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存儲器及其擴(kuò)展存儲器及其擴(kuò)展 n圖圖(c):紫外線擦除紫外線擦除n紫外線通過石英窗紫外線通過石英窗 直接照射直接照射 n柵極的電子又通過柵極的電子又通過 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存儲器及其擴(kuò)展存儲器及其擴(kuò)展 n 特點特點n一種一種只讀存儲器只讀存儲器 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)品開發(fā)適合少量生產(chǎn)或是產(chǎn)品開發(fā)調(diào)試實驗調(diào)試實驗

9、 2存儲器及其擴(kuò)展存儲器及其擴(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，具有浮動具有浮動?xùn)艠O柵極n與與EPROMEPROM不同，不同，源極源極、漏極漏極、浮動?xùn)艠O、浮動?xùn)艠O、P P型基型基底接上底接上不同的電壓進(jìn)行寫入、擦除和讀出不同的電壓進(jìn)行寫入、擦除和讀出 見下圖見下圖4-114-112存儲器及其擴(kuò)展存儲器及其擴(kuò)展 4.2 存儲設(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 特點特點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針對針對每個每個存儲單元存儲單元進(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)到一萬次以上達(dá)到一萬次以上 EEPROM的使用比的使用比EPROM更普遍更普遍 2存儲器及其擴(kuò)展存儲器及其擴(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?xùn)艠O原理也采用浮動?xùn)艠O原理n 但其但其浮動?xùn)艠O與通道間的距離較短浮動?xùn)艠O與通道間的距離較短 n特點特點n數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)寫入速度速度快快（因為（因為浮動?xùn)艠O與通道間的距離浮動?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中作為程序存儲器，中作為程序存儲器，操作系統(tǒng)版本操作系統(tǒng)版本的的升級和改變只需重寫升級和改變只需重寫Flash2存儲器及其擴(kuò)展存儲器及其擴(kuò)展 NOR技術(shù)nNOR技術(shù)閃速存儲器是最早出現(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。n在擦除和編程操作較少而直接執(zhí)行代碼的場合，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的時間很長，在純數(shù)據(jù)存儲和文件存儲的應(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：n以頁為單位進(jìn)行讀和編程操作，1頁為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（取決于存儲器密度）。失效塊不會影響有效塊的性能，但設(shè)計者需要將失效塊在地址映射表中屏蔽起來。28存儲器系統(tǒng)存儲器系統(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)/地址線獨立，讀更快， NAND Flash分頁存儲，存儲量大，讀一般寫速度： NOR一次擦除64128K，5秒， NAND一次擦除832K，4ms NOR適合代碼存儲（讀快）NAND適合數(shù)據(jù)存儲（寫快）29存儲器系統(tǒng)存儲器系統(tǒng)- -FlashFLASH：閃存最典型特點：分塊操作，整塊擦除，整塊寫入，按字節(jié)處理 FLASH內(nèi)存內(nèi)存FLASHFLASH常見的存儲器擴(kuò)充裝置nCF擴(kuò)充裝置Compact Flashn所有Windows CE 支持常見的存儲器擴(kuò)充裝置nSD擴(kuò)充裝置（Secure Digital）

14、nPanasonic Scandisk Toshiba常見的存儲器擴(kuò)充裝置nMemory SticknSony嵌入式硬件系統(tǒng)基本構(gòu)成存儲器及其擴(kuò)展時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）且一個器件要與目的器件通信時，發(fā)起通信的器件驅(qū)動總線，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)會于1994提出來的一種總線接口標(biāo)準(zhǔn)，面向嵌入式設(shè)備n解決了VME與PCI總線不兼容問題，與PCI完全兼容n高可靠性（99.999%）、低價位n熱插拔（hot swap）3.3.6 PC104總線nPC104PC104是一種專門為嵌入式控制而定義的工是一種專門為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線，實質(zhì)上就是一種緊湊型的業(yè)控制總線，實質(zhì)上就是一種緊湊型的IEEE-P996IEEE-P996（ISAISA）。）。nPC104 PC104 有兩個版本，有兩個版本，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 相對應(yīng)。相對應(yīng)。PC104PLUS PC104PLUS 則與則與PCIPCI總總線相對應(yīng)。線相對應(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最大磁盤容量最大磁盤容量136.9GB8.4GB528MB指指 標(biāo)標(biāo) 項項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連接電纜長度（連接電纜長度（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Bosch公司最先提出n被設(shè)計作為汽車環(huán)境中的微控制器通訊，在車載各電子控制裝置ECU 之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。n發(fā)動機(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；理論上可以支持無限多個設(shè)備n可靠性高，誤碼率為10-11n抗電磁干擾性強嵌入式硬件系統(tǒng)基本構(gòu)成存儲器及其擴(kuò)展總線結(jié)構(gòu)電源 系統(tǒng)時鐘