第2部分 嵌入式硬件系統(tǒng)設(shè)計2

第2部分嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計2/5/20231哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)研究院(威海)通信工程系第三節(jié)

嵌入式系統(tǒng)總線概述AMBA總線PCI總線CPCI總線串行總線2/5/20232哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)研究院(威海)通信工程系串行總線串行總線是指按位傳送數(shù)據(jù)的通路其連接線少、接口簡單、成本低、傳送距離遠，被廣泛用于嵌入式系統(tǒng)與外設(shè)的連接和計算機網(wǎng)絡(luò)。2/5/20233哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)研究院(威海)通信工程系GeneralconceptforSerialCommunications

?ApointtopointcommunicationdoesnotrequireaSelectcontrolsignal?AnasynchronouscommunicationdoesnothaveaClocksignal?Data,SelectandR/Wsignalscansharethesameline,dependingontheprotocol?NoticethatSlave1cannotcommunicatewithSlave2or3(exceptviathe‘master’)Onlythe‘master’canstartcommunicating.Slavescan‘onlyspeakwhenspokento’2/5/20234哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)研究院(威海)通信工程系串行總線TerminologyOnanasynchronousbus,dataissentwithoutatimingclock.Asynchronousbussendsdatawithatimingclock.Full-duplexmeansdatacanbesentandreceivedsimultaneously.Half-duplexiswhendatacanbesentorreceived,butnotatthesametime.Master/slavedescribesabuswhereonedeviceisthemasterandothersareslaves.Master/slavebusesareusuallysynchronous,asthemasteroftensuppliesthetimingclockfordatabeingsentalonginbothdirections.2/5/20235哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)研究院(威海)通信工程系串行總線Amulti-masterbusisamaster/slavebusthatmayhavemorethanonemaster.Thesebusesmusthaveanarbitrationschemethatcansettleconflictswhenmorethanonemasterwantstocontrolthebusatthesametime.Point-to-pointorpeerinterfacesarewheretwodeviceshaveapeerrelationtoeachother;therearenomastersorslaves.Peerinterfacesaremostoftenasynchronous.Thetermmulti-dropdescribesaninterfaceinwhichthereareseveralreceiversandonetransmitter.Multi-pointdescribesabusinwhichtherearemorethantwopeertransceivers.Thisisdifferentfromamulti-dropinterfaceasitallowsbidirectionalcommunicationoverthesamesetofwires.2/5/20236哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)研究院(威海)通信工程系I2CI2C(Inter－IntegratedCircuit)總線產(chǎn)生于80年代，最初為音頻和視頻設(shè)備開發(fā)。I2C總線特點:簡單、有效

總線的長度可高達25英尺，并且能夠以10Kbps的最大傳輸速率支持40個組件。支持多主控(multimaster)，其中任何能夠進行發(fā)送和接收的設(shè)備都可以成為主控。一個主控能夠控制信號的傳輸和時鐘頻率。

2/5/20237哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)研究院(威海)通信工程系I2C總線的構(gòu)成及信號類型I2C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘SCL構(gòu)成的串行總線在CPU與被控IC之間、IC與IC之間進行雙向傳送，最高傳送速率100kbps。在信息的傳輸過程中，I2C總線上并接的每一模塊電路既是主控器（或被控器），又是發(fā)送器（或接收器），這取決于它所要完成的功能。CPU發(fā)出的控制信號分為地址碼和控制量兩部分，地址碼用來選址。2/5/20238哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)研究院(威海)通信工程系I2CI2C總線在傳送數(shù)據(jù)過程中共有三種類型信號，它們分別是：開始信號、結(jié)束信號和應(yīng)答信號。開始信號：SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送數(shù)據(jù)。結(jié)束信號：SCL為低電平時，SDA由低電平向高電平跳變，結(jié)束傳送數(shù)據(jù)。應(yīng)答信號：接收數(shù)據(jù)的IC在接收到8bit數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的IC發(fā)出特定的低電平脈沖，表示已收到數(shù)據(jù)。StartbitSlaveAddressbitsR/WbitAckbit8DatabitsAckbit8DatabitsAckbitStopbit2/5/20239哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)研究院(威海)通信工程系SPI-SerialPeripheralInterfaceSPI總線接口一般使用4條線：串行時鐘線（SCK）主機輸入/從機輸出數(shù)據(jù)線MISO主機輸出/從機輸入數(shù)據(jù)線MOST低電平有效的從機選擇線SS有的SPI接口芯片帶有中斷信號線INT、或有的SPI接口芯片沒有主機輸出/從機輸入數(shù)據(jù)線MOSI2/5/202310哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)研究院(威海)通信工程系USBOriginallyastandardforconnectingPCstoperipheralsIntendedtoreplacethelargenumberoflegacyportsinthePCSinglemaster(=Host)systemwithupto127peripheralsIssimpleplugandplay;noneedtoopenthePCStandardizedplugs,ports,cablesHasover99%penetrationonallnewPCsSerialportsNOTon2003PC’sNewOn-The-GoSupplementeliminatesPC!AllowsdynamicexchangingofHost/SlaverolesPCisnolongertheonlysystemHost.Canbeacamera,cellphone,printer,PDA,etc.2/5/202311哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)研究院(威海)通信工程系Host?OnePChostpersystem?ProvidespowertoperipheralsHub?Providesportsforconnectingmoreperipheraldevices.?Providespower,terminations?ExternalsupplyorBusPoweredUSBTopology(originalconcept,USB1.1,USB2.0)USBConnector2/5/202312哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)研究院(威海)通信工程系?ConvenientlinkbetweenPCandwiderangeofperipherals–printer,scanner,digitalcameras,speakers,monitor,keyboard,mouse,etc.?PushforUSBtobecomeTHEstandardonPCs–standardforIBMcompatible,(recently)Apple,nowon>99%ofPCs?Interfaces(bridges)toothercommschannelsexist–USBtoserialport(serialportvanishingfromlaptops)–USBtoIrDAortoEthernet–USBtoBluetooth?ExtremevolumesforcedownICandhardwarepricesAdvantageofUSB2/5/202313哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)研究院(威海)通信工程系VersionsofUSBspecification?USB1.1–Established,largePCperipheralmarkets–Wellcontrolledhardware,special4-pinplugs/sockets–12Mbits/sec(normal)or1.5Mbits/sec(lowspeed)?USB2.0–Supersedes1.1specification?Backwardscompatible?EncompassesLS,FS,HS–Introducessmaller“mini-B”connector–ChallengingIEEE1394/Firewireforvideopossibilities–480MHzclockforHi-Speedmeansit’sreal“UHF”–Hi-SpeedoptionneedsmorecomplexchipH/W&S/W–Hi-Sparedtofullspeed2/5/202314哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)研究院(威海)通信工程系VersionsofUSBspecification?USB“OTG”(OnTheGo)Supplement–Supplementtothe2.0specification–Allowsperipheralsto“talk”toeachother–Dynamichost/peripheralswitch–Introducesnew“mini-AB”receptacleand“mini-A”plug–Lowerpowerrequirements2/5/202315哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)研究院(威海)通信工程系第四節(jié)

嵌入式存儲系統(tǒng)概述電子盤——NandFlashDOCDOMCompactFlashSmartMediaMemoryStickMMCSD2/5/202316哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)研究院(威海)通信工程系概述嵌入式系統(tǒng)的存儲結(jié)構(gòu)嵌入式微處理器Cache片內(nèi)RAM和ROM主存：NorFlash、SRAM、DRAM等外存：NandFlash、DOC、CF、SD、MMC等2/5/202317哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)研究院(威海)通信工程系概述高速緩存Cache高速緩沖存儲器中存放的是當前使用得最多的程序代碼和數(shù)據(jù)，即主存中部分內(nèi)容的副本。在嵌入式系統(tǒng)中Cache全部都集成在嵌入式微處理器內(nèi)。可分為數(shù)據(jù)Cache、指令Cache或混合Cache。不同的處理器其Cache的大小不一樣。一般32位的嵌入式微處理器都內(nèi)置Cache。2/5/202318哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)研究院(威海)通信工程系概述Cache命中：CPU每次讀取主存時，Cache控制器都要檢查CPU送出的地址，判斷CPU要讀取的數(shù)據(jù)是否在Cache中，如果在就稱為命中。Cache未命中：讀取的數(shù)據(jù)不在Cache中，則對主存儲器進行操作，并將有關(guān)內(nèi)容置入Cache。寫入方法：通寫（WriteThrough）：寫Cache時，Cache與對應(yīng)內(nèi)存內(nèi)容同步更新?；貙懀╓riteBack）：寫Cache時，只有寫入Cache內(nèi)容移出時才更新對應(yīng)內(nèi)存內(nèi)容。2/5/202319哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)研究院(威海)通信工程系CPU地址索引機構(gòu)置換控制器高速緩沖存儲器主存段（頁）地址高位地址低位地址地址總線數(shù)據(jù)總線Cache結(jié)構(gòu)框圖2/5/202320哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)研究院(威海)通信工程系概述主存主存是處理器能直接訪問的存儲器，用來存放系統(tǒng)和用戶的程序和數(shù)據(jù)。嵌入式系統(tǒng)的主存可位于SoC內(nèi)和SoC外，片內(nèi)存儲器存儲容量小、速度快，片外存儲器容量大。可以做主存的存儲器有：ROM類：NorFlash、EPROM、E2PROM、PROM等RAM類：SRAM、DRAM、SDRAM等2/5/202321哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)研究院(威海)通信工程系靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）內(nèi)部結(jié)構(gòu)由正反器電路組成S=1、R=0時,輸出Q=1S=0、R=1時,輸出Q=0每一位存儲單元電路需要6個晶體管

圖4-3SRAM結(jié)構(gòu)概述2/5/202322哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)研究院(威海)通信工程系特點數(shù)據(jù)存取速度較快比較容易和處理器制造在同一個芯片中數(shù)據(jù)不需實時刷新但成本較高概述2/5/202323哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)研究院(威海)通信工程系概述靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）存儲信息：六管基本存儲電路典型芯片規(guī)格：2114（1KX4）6116（2KX8）6264（8KX8）62128（16KX8）62256（32KX8）A5A0A2A1CS-192114……1810VCCA9I/O1A6A4A3A7A8I/O2I/O3WE-符號引腳名A0~A9地址輸入I/01~I/04數(shù)據(jù)輸入/輸出CS-片選WE-寫允許VCC、GND電源、地2/5/202324哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)研究院(威海)通信工程系動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）內(nèi)部結(jié)構(gòu)存儲單元由一個電容和一個晶體管組成解碼線使晶體管導(dǎo)通后，通過rd/wr線讀取電容電壓，或者對電容充放電電容漏電，15.625微秒充電一次圖4-4DRAM結(jié)構(gòu)概述2/5/202325哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)研究院(威海)通信工程系特點容量較大，約是SRAM的4倍成本低但由于電容的充放電原因，數(shù)據(jù)需要進行實時刷新操作概述2/5/202326哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)研究院(威海)通信工程系CPU刷新定時器仲裁電路定時發(fā)生器刷新地址計數(shù)器地址多路開關(guān)DRAM讀/寫地址總線地址RASCASWRDRAMController的邏輯框圖2/5/202327哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)研究院(威海)通信工程系概述外存外存是處理器不能直接訪問的存儲器，用來存放用戶的各種信息，容量大。在嵌入式系統(tǒng)中常用的外存有：NandFlashDOC（DiskOnChip）CF（CompactFlash）SD（SecureDigital）MMC（MultiMediaCard）等2/5/202328哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)研究院(威海)通信工程系電子盤電子盤采用半導(dǎo)體芯片來存貯數(shù)據(jù)，具有體積小、功耗低和極強的抗震性等特點。在嵌入式系統(tǒng)中普遍采用各種電子盤作為外存。常用的電子盤有：NandFlash、MMC、SD、MemeoryStick、CF、SM、DOC等。2/5/202329哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)研究院(威海)通信工程系電子盤2/5/202330哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)研究院(威海)通信工程系電子盤FlashcardmarketforMobilephonehas70%CAGR,and50%marketsharein’08.2/5/202331哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)研究院(威海)通信工程系Flash2/5/202332哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)研究院(威海)通信工程系Flash2/5/202333哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)研究院(威海)通信工程系SamsungNandflash2/5/202334哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)研究院(威海)通信工程系

NORNAND寫入/擦除一個塊的操作時間1～5s2～4ms讀性能1200～1500KB600～800KB寫性能<80KB200～400KB接口/總線SRAM接口/獨立的地址數(shù)據(jù)總線8位地址/數(shù)據(jù)/控制總線，I/O接口復(fù)雜讀取模式隨機讀取串行地存取數(shù)據(jù)成本較高較低，單元尺寸約為NOR的一半，生產(chǎn)過程簡單，同樣大小的芯片可以做更大的容量容量及應(yīng)用場合1～64MB，主要用于存儲代碼8MB～4GB，主要用于存儲數(shù)據(jù)擦寫次數(shù)(耐用性)約10萬次約100萬次位交換(bit位反轉(zhuǎn))少較多，關(guān)鍵性數(shù)據(jù)需要錯誤探測/錯誤更正(EDC/ECC)算法壞塊處理無，因為壞塊故障率少隨機分布，無法修正2/5/202335哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)研究院(威海)通信工程系MMCMultiMediaCardAssociation210+membersrepresentingtheleadingManufacturersofhostsystems,cards,components,connectors,etc.Membership:Executive(votingrights)&GeneralCommittees:Technical,Marketing,ComplianceOpenstandard,collectsnoroyaltiesCompliance&certificationprogramFocusonmobilephonesanddigitalimagingmarketsworldwide2/5/202336哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)研究院(威海)通信工程系MMC:Roadmapofcapacity2/5/202337哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)研究院(威海)通信工程系MMC的特點Highclockfrequency:26MHzand52MHzFlexiblebuswidth:13pinstosupport1to8datalines(host-selectablex1,x4andx8-bitbus)Datatransferrate:upto52MBytes/secThisisthehighestbustransferrateofallflashmemorycardstandardsavailableTodayBackwardcompatibletolegacyhosts2/5/202338哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)研究院(威海)通信工程系MMC的特點FullycompatiblewithMMCplus?Thefirstsmallformfactormemorycardstandardstoofferdual-voltageoperationatboth3Vand1.8VCompatiblewithnextgenerationmobilephonesystemspecificationsandmeetsthetoughestspaceSavingandlowpowerconsumptionrequirementsofmobilephonesandsmallconsumerelectronicsdevices2/5/202339哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)研究院(威海)通信工程系SDSD（SecureDigital）卡由松下電器、東芝和SanDisk聯(lián)合推出，1999年8月首次發(fā)布。2000年2月1日成立了SD協(xié)會（SDA），成員公司超過90個，其中包括Hewlett-Packard，IBM，Microsoft，Motorola，NEC、SamsungElectronics，ToyotaMotor等巨頭。SDA是開放式的，繳納1500美元就可以成為一般會員，繳納4000美元可以成為執(zhí)行會員。SD存貯卡的詳細規(guī)范并沒有公開，只有SDA會員或簽定了保密協(xié)議才能獲得。SD卡需付版稅32×24mm15×11mm2/5/202340哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)研究院(威海)通信工程系MemoryStick1997年7月Sony宣布開發(fā)MemoryStickMemoryStick被很多人形象地稱為口香糖存貯卡，其尺寸為50mm×21.5mm×2.8mm，重4克MemoryStick也包括了控制器在內(nèi)，采用10針接口，數(shù)據(jù)總線為串行，最高頻率可達20MHz，電壓為2.7伏到3.6伏，電流平均為45mA2/5/202341哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)研究院(威海)通信工程系CompactFlashCompactFlash的誕生比較早，由最大的FlashMemory卡廠商之一美國SanDisk于1994年首次推出。大小僅為43mmx36mmx3.3mm，體積只有PCMCIA卡的1/4，看起來就像是PCMCIA卡的縮小版。Compact