嵌入式系統(tǒng)的外圍設備

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1、8.1 實時時鐘 8.2 存儲設備 8.3 輸入設備 8.4 輸出設備 8.5 外設接口 8.6 通訊接口 8.7 本章小結 習題,第8章 嵌入式系統(tǒng)的外圍設備,8.1 實時時鐘,功能 提供可靠的時鐘信息，包括時分秒和年月日 即使系統(tǒng)處于關機或停電狀態(tài)，實時時鐘通過后備電池供電也能正常繼續(xù)工作,8.1 實時時鐘,使用 一些嵌入式處理器(如S3C2410處理器 )芯片內部集成了實時時鐘單元； 未集成時，則需要外擴實時時鐘芯片 外圍電路：典型的只需要一個高精度的晶振,8.2 存儲設備,功能 提供執(zhí)行程序和存儲數(shù)據(jù)所需空間 種類 RAM和ROM兩種 特點 半導體器件而非磁質材料 具有密度大、體積小、

2、訪問速度快、性能可靠、使用壽命長的優(yōu)點，適合于嵌入式應用領域,8.2 存儲設備,1.RAM (Random Access Memory) 內部結構：44 RAM 每個內存單元存儲一個位（Bit）的數(shù)據(jù) 使能線+地址線 rd/wr線控制,圖4-2 RAM內部結構,8.2 存儲設備,特點 可讀可寫，讀取和寫入一樣快速 上電數(shù)據(jù)保存，掉電數(shù)據(jù)丟失 作為內存 種類 SRAM DRAM,8.2 存儲設備,(1) SRAM (靜態(tài)隨機存取存儲器 ) 內部結構 由正反器電路組成 S=1、R=0時,輸出Q =1 S=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8-3 SRAM結構,8.2

3、 存儲設備,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,8.2 存儲設備,(2) DRAM (動態(tài)隨機存取存儲器) 內部結構 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8-4 DRAM結構,8.2 存儲設備,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,8.2 存儲設備,2.ROM (Read-Only Memory) 內部結構 存儲數(shù)據(jù)方式利用可規(guī)劃式接線的短路或斷路來實現(xiàn)，具體接線

4、的規(guī)劃方式由ROM的類型決定 使能線 + 地址線,圖8-5 ROM結構示意圖,8.2 存儲設備,特點 數(shù)據(jù)可以讀取,但不能任意更改 掉電情況下數(shù)據(jù)不會丟失 程序可存放在ROM中 種類 EPROM，EEPROM Flash,8.2 存儲設備,(1) EPROM (Erasable ProgramEnable Read-Only Memory),8.2 存儲設備,內部結構 圖(a) 使用金氧半導體(MOS) 具有浮動柵極 圖(b):電可編程 柵極正電壓使電子經(jīng) 絕緣體層到達柵極 柵極被充電后，源-漏 極間為截止狀態(tài),形成 斷路，邏輯輸出為0； 相反，邏輯輸出為1,圖8-9 EPROM結構與工作原理

5、,8.2 存儲設備,圖(c):紫外線擦除 紫外線通過石英窗 直接照射 柵極的電子又通過 絕緣體回到N通道， 為防自然光照射，石英 窗上粘貼上反光膠布 EPROM又可被重新規(guī)劃,圖8-9 EPROM結構與工作原理,圖8-10 EPROM的外觀,8.2 存儲設備,特點 一種只讀存儲器 電可編程 紫外線擦除 適合少量生產(chǎn)或是產(chǎn)品開發(fā)調試實驗,8.2 存儲設備,(2) EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory ),8.2 存儲設備,內部結構 與EPROM類似，具有浮動柵極 與EPROM不同，源極、漏極、浮動柵極、P型基底 接

6、上不同的電壓進行寫入、擦除和讀出 見下圖8-11,8.2 存儲設備,圖8-11 EEPROM結構與工作原理,8.2 存儲設備,特點 與EPROM類似，電可編程 與EPROM不同，電可擦除 省去了EPROM擦除需照射紫外線的煩瑣程序 針對每個存儲單元進行擦除操作 擦除次數(shù)達到一萬次以上 EEPROM的使用比EPROM更普遍,8.2 存儲設備,(3) Flash Memory (閃存) 內部結構 是EEPROM 的延伸產(chǎn)品，也采用浮動柵極原理 但其浮動柵極與通道間的距離較短,8.2 存儲設備,特點 數(shù)據(jù)寫入速度快（因為浮動柵極與通道間的距離比較短），故得名“閃存” 可以一大塊數(shù)據(jù)直接進行清除，使用

7、方便 例：PDA中作為程序存儲器，操作系統(tǒng)版本的升級和改變只需重寫Flash,8.2 存儲設備,種類 NOR 型 Flash NAND 型 Flash,8.2 存儲設備, NOR型閃存 讀取動作與RAM 類似，可直接某個內存空間進行方便的讀取操作 成本較高 每個內存單元 (cell) 的面積比較大，因此存儲容量較小,8.2 存儲設備, NAND型閃存 必須通過 I/O 指令的方式進行讀取，因此須通過驅動程序來讀取 成本較低 每個內存單元面積較小，因此存儲容量較大 常用來制作擴充記憶卡，如 CF(Compact Flash Card)存儲卡、SD (Secure Digital Card)卡、M

8、S (Memory Stick)卡、SMC(Smart-Media Card)卡等,8.3 輸入設備,小型鍵盤 觸摸屏,8.3.1 小型鍵盤,功能 嵌入式系統(tǒng)的一種常用輸入設備 例如：收款機系統(tǒng) 由幾個簡單的數(shù)字鍵和功能鍵組成,8.3.1 小型鍵盤,結構：矩陣鍵盤 16個按鍵接至4條行輸出XOX3和4條列輸入YOY3上,圖8-12 鍵盤與鍵盤控制器電路工作原理示意圖,節(jié)省I/O端口資源,8.3.1 小型鍵盤,工作原理 鍵盤控制器 掃描按鍵輸入(逐行輸出，逐列檢測) 譯碼 去抖 按鍵值存放在寄存器中 嵌入式處理器： Polling或Key管腳Interrupt方式檢測 CS 管腳使能 從DIO管

9、腳依次讀取,8.3.2 觸摸屏,功能 在液晶屏上疊加一片觸摸屏，用觸控筆或手指頭直接點選按鍵或輸入文字 輕薄短小，便于攜帶，使用方便 注：觸摸屏與LCD的分辨率和坐標系一般不同，因此觸摸屏的位置需要在程序中進行轉換變?yōu)長CD 坐標系中的位置,8.3.2 觸摸屏,種類 電容式：最早出現(xiàn) 表面聲波式 電阻式：主要產(chǎn)品，市場份額72% XGT式 ：最新技術，市場份額20%,8.3.2 觸摸屏,1.電容式觸摸屏 工作原理 觸摸時，人體電場、用戶和觸摸屏表面形成一耦合電容 電容是高頻電流直接導體，因此手指從接觸點吸走很小的電流 流經(jīng)四個角落電極的電流與手指到四角的距離成正比,8.3.2 觸摸屏,特點 對

10、大多數(shù)的環(huán)境污染物有抵抗力 人體成為回路的一部分，因而漂移現(xiàn)象比較嚴重 人體戴手套式不起作用 需經(jīng)常校正 不適用于金屬機柜 外界存在電感和磁感的時候，觸摸屏失靈,8.3.2 觸摸屏,2.表面聲波式觸摸屏 工作原理： 物體觸摸到表面時，阻礙聲波的傳輸 換能器偵測到這個變化，反映給計算機，進而進行鼠標的模擬,8.3.2 觸摸屏,特點 高清晰度，透光性好 高度耐久，抗刮傷性良好 一次校正不漂移 灰塵、油污使聲波不能正常反射，因此需要經(jīng)常維護，只適合于辦公室、機關單位及環(huán)境比較清潔的場所,8.3.2 觸摸屏,3.電阻式觸摸屏 工作原理 兩層導電薄膜， 上層可伸縮 觸碰后上下電 極導通，通過 電位差計算

11、(X,Y)值,圖8-13 電阻式觸摸屏工作原理示意圖,8.3.2 觸摸屏,特點 高解析度，高速傳輸反應 表面硬度處理，減少擦傷、刮傷及防化學處理 具有光面及霧面處理 一次校正，穩(wěn)定性高，永不漂移,8.3.2 觸摸屏,4.XGT式觸摸屏 工作原理 采用純玻璃面板 將電壓連到玻璃基板的4個角落，產(chǎn)生一個電場 通過特殊的有線觸控筆去觸控輸入，其它實體碰觸不會有反應，電場的變化對應碰觸位置,8.3.2 觸摸屏,特點 結合了電阻式和表面聲波式觸摸屏的優(yōu)點防水、防火、防塵、防刮、抗菌 壽命大約是前類產(chǎn)品的 100 倍左右 透光率較透明導電薄膜的提高了 15% 左右 可應用于高溫低溫以及惡劣環(huán)境下 被視為當

12、前最具潛力的觸摸屏技術,8.4 輸出設備,LED LCD,8.4.1 LED,功能 作為電源指示燈、電平指示、工作狀態(tài)顯示或微光源之用 例： 紅外發(fā)光管：用于電視機、錄像機等遙控器中 紅綠雙色發(fā)光管：指示PC或筆記本電腦中的硬盤工作狀態(tài),8.4.1 LED,種類 發(fā)光二極管（基本單元） 數(shù)碼管、符號管、米字管、點陣顯示 屏,8.4.1 LED,1.發(fā)光二極管（LED，Light Emitting Diode） 工作原理 核心是一PN結正向導通、反向截止 還具有發(fā)光特性 特點 耗電少、成本低、配置簡單靈活、安裝方便、耐振動、壽命常,8.4.1 LED,種類 按發(fā)光顏色 紅色、橙色、綠色、藍光、多

13、色等 按出光面特征（形狀） 圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側向管、表面安裝用微型管等 按透明性及是否摻散射劑 有色透明、無色透明、有色散射和無色散射,8.4.1 LED,2.數(shù)碼管 結構 七段條狀發(fā)光二極管組成“日”字型，實現(xiàn)數(shù)字09、部分字母和小數(shù)點的顯示 共陽極或共陰極電氣連接方式 見下圖8-14,8.4.1 LED,圖8-14 七段數(shù)碼管結構原理圖,8.4.1 LED,工作原理：以共陰極為例 某各發(fā)光二極管陽極加上高電平時點亮 驅動方式 靜態(tài)驅動：每個數(shù)碼管用一個并口驅動 動態(tài)驅動：共一個并口，輪詢以節(jié)省資源,8.4.1 LED,3.其它LED 米字管:顯示包括英文字母在內的多種符號 符號

14、管:顯示+、-或號等 點陣顯示屏: 工作原理與 七段數(shù)碼管 類似,圖8-15 點陣顯示屏原理圖,8.4.2 LCD,工作原理 液晶特性 介于固態(tài)與液態(tài)之間的物質，同時具備固態(tài)晶體的光學特性和液態(tài)物質的流動特性 當液晶被送上電壓后，液晶的內部結構會產(chǎn)生扭曲 通過液晶的光線因為液晶內部的結構而改變光線的行徑,8.4.2 LCD,液晶屏 背光板：光源 液晶陣列： 每一個圖案像素用一個液晶單元表示 對液晶單元施以不同電壓以改變對應像素的光線行徑 彩色濾光膜 ： 通過液晶陣列的光線經(jīng)過后顯示指定的三原色RGB 兩塊偏光板 ： 將需要顯示的光線， 使其不會顯示在液晶屏幕上,8.4.2 LCD,特點 體積小

15、、重量輕 CRT(陰極射線管)的電子槍與被撞擊的磷光物質需很長間距，才能夠將所發(fā)射的電子正確地偏移到顯示區(qū)域 低輻射 CRT有輻射,8.4.2 LCD,種類 被動式 控制電壓組件設計在面板的四周 反應時間慢，光線輸出量較少，動態(tài)影像有殘影 成本偏低（如用于普通的移動電話 ） 主動式 每個液晶單元內植入控制電壓的組件 光輸出量大，反應時間快，提供鮮艷的色彩與較好 的動態(tài)影像 制造成本較高（如用于信息家電 ）,8.5 外設接口,并行接口 串行接口 I2C I2S USB IEEE1394,8.5.1 并行接口,結構 通過由多條數(shù)據(jù)線組成總線 一次可以同時傳送多個位的數(shù)據(jù) 例：打印機并口(Paral

16、lel Port) 特點 傳輸數(shù)據(jù)量大、速度快、控制簡單 傳輸總線的長度受限（過長時，電子線路間將產(chǎn)生電容效應），且抗干擾能力差,8.5.1 并行接口,對比： I2C、I2S、USB、IEEE1394等串行接口 線路簡單、抗干擾能力強 控制也相對復雜,8.5.2 I2C,I2C（InterIntegrated Circuit) 功能與特點 用于連接微控制器和外設ADC、DAC、存儲器、LED驅動器、實時時鐘等芯片 支持多主控 通信速度：100Kbit/s 、最高400Kbit/s 簡單，成本低,8.5.2 I2C,組成： 兩根串行線（均為雙向I/O線） 串行時鐘線（SCL，Serial Clo

17、ck Line） 串行數(shù)據(jù)線（SDL，Serial Data Line） 注：通過數(shù)據(jù)線的軟件尋址實現(xiàn)片選 減少器件片選線的連接,8.5.2 I2C,工作原理：一次典型工作流程 (1)開始：信號表明傳輸開始 (2) 地址：主設備發(fā)送地址信息（ 7 位從設備地址和 1 位表明讀、寫或數(shù)據(jù)流方向的指示位） (3) 數(shù)據(jù)：根據(jù)指示位，數(shù)據(jù)在主設備和從設備之間傳輸；數(shù)據(jù)一般以 8 位傳輸，具體傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量無限制；接收器上用一位的 ACK（回答信號）表明一個字節(jié)已收到；傳輸可被終止或重新開始 (4)停止：信號結束傳輸,8.5.3 I2S,I2S(Inter-IC Sound) 功能 由SONY和PHIL

18、IPS公司等共同推出 主要應用于連接數(shù)字音頻處理設備 例如：便攜CD機、數(shù)字音頻處理器等,8.5.3 I2S,組成：3根串行線 時鐘線（CSK，Continuous Serial Clock） 字選擇線（WS，Word Select） 指示左通道或右通道的數(shù)據(jù)將被傳輸 數(shù)據(jù)通道線（SD，Serial Data） 分時復用 按高有效位MSB到低有效位LSB的順序傳送字長的音頻數(shù)據(jù) MSB總在WS切換后的第一個時鐘發(fā)送 若數(shù)據(jù)長度不匹配,接收/發(fā)送器將截取或填充,8.5.3 I2S,工作時序,圖8-17 I2S總線接口的基本時序,8.5.4 USB,USB（Universal Serial Bus

19、，通用串行總線） 由COMPAQ、Intel、Microsoft、NEC等廠商共同制定的一種外部設備總線規(guī)范,8.5.4 USB,功能與特點 為外設擴充提供一種即插即用的簡單方法 連接外設不必打開機箱 允許外設熱插拔，而不必關閉主機電源 采用“級聯(lián)”方式（最多連接127個外設，而每個外設間距離可達5米），且不會有IRQ沖突 自取電：提供5V電源 速度較快 USB1.1：最高達12Mbps USB2.0：最高達到480Mbps,8.5.4 USB,種類 A類連接器 主設備端 B類連接器 從設備端,圖8-18 USB連接器常見種類,8.5.5 IEEE1394,IEEE1394，亦稱為火線（Fir

20、ewire） 由蘋果公司研制 IEEE1394與USB的共同點 都是一種通用外接設備接口 支持熱插撥 可連接多個不同設備 不用外部電源 快速傳輸大量數(shù)據(jù),8.5.5 IEEE1394,IEEE1394與USB的不同 傳輸速率不同 USB1.1為12Mbps，USB2.0最高為480Mbps， 一般用于連接鍵盤、鼠標與麥克風等低速設備 IEEE1394目前為400Mbps，將要達1Gbps， 可連接數(shù)碼相機、掃描儀和信息家電等高速設備,8.5.5 IEEE1394,連接方式不同 USB：主從方式，需要HUB，最多127臺設備 IEEE1394：多主方式,不需要HUB，用網(wǎng)橋連接多個IEEE139

21、4網(wǎng)絡(網(wǎng)內63)(達到無限制連接） 智能化不同 USB：以HUB來判斷連接設備的增減 IEEE1394：可以在其設備進行增減時自動重設網(wǎng)絡,8.6 通訊接口,有線通信接口 RS-232 以太網(wǎng) 無線通信接口 紅外線/藍牙 GPRS IEEE802.11,8.6.1 RS-232,功能與特點 電子工業(yè)協(xié)會 （EIA）制訂的點對點的有線串行異步通信標準 傳輸速率240019200bps,8.6.1 RS-232,機械特性規(guī)范：DB-9和DB-25,圖8-19 RS-232物理接口形式,表4-2 RS-232端口DB-9管腳定義,8.6.1 RS-232,電氣特性規(guī)范 信號電平為515V 采用負邏

22、輯 -5-15V表示“1”，+5+15V表示“0” 不同于數(shù)字電路的03V或05V，因此通訊前源信號需要進行電平轉換,8.6.1 RS-232,RS-232的控制傳輸： UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)芯片或模塊 檢測起始位：高電平變?yōu)榈碗娖?采樣：以設置的比特率進行信號采樣，并存入寄存器中 通知：通知其它需要數(shù)據(jù)的組件將 UART 芯片中的數(shù)據(jù)由寄存器取出,8.6.2 以太網(wǎng),功能與特點 局域網(wǎng)的一種有線通信總線標準 采用CSMA/CD（載波監(jiān)聽/沖突檢測） 星型或總線型結構，通過集線器/交換機/網(wǎng)橋互連,8.6.2 以太網(wǎng),

23、通信協(xié)議規(guī)范 IEEE802.3 十兆以太網(wǎng)（10Base Ethernet，10 Mbps ） IEEE802.3u 快速以太網(wǎng)（Fast Ethernet，100 Mbps） IEEE802.3z 千兆以太網(wǎng)（Gigabit Ethernet，1000 Mbps） IEEE802.3ae 萬兆以太網(wǎng)（10 Gigabit Ethernet，10000 Mbps）,8.6.2 以太網(wǎng),通訊介質標準：以IEEE802.3為例 10Base5 粗以太網(wǎng)電纜 ，采用插入式分接頭 段長為500m，每段節(jié)點數(shù)為100 10Base2 細以太網(wǎng)電纜 ，采用BNC連接器組成T型插座 價格低廉，可靠性高，安

24、裝方便 段長為200m，每段節(jié)點數(shù)為30,8.6.2 以太網(wǎng),10Base-T 雙絞線集線器（Hub） 增添或移去節(jié)點簡單,且容易檢測到電纜故障 段長為100m，每段節(jié)點數(shù)為1024 10Base-F 光纖 連接器和終止器的費用而十分昂貴，但卻有極好的抗干擾性 段長為2000m，每段節(jié)點數(shù)為1024,8.6.3 紅外線,功能 紅外線（Infrared）是一個點對點的無線通信標準 發(fā)射的紅外波長：0.850.9m 例: 用于手機、PDA與筆記本電腦的通訊,8.6.3 紅外線,收發(fā)模塊組成：3部分 紅外線發(fā)光二極管 硅晶PIN光檢二極管 控制電路 接收到的信號傳送到控制電路中，由嵌入式處理器進行處

25、理或存儲,8.6.3 紅外線,特點 優(yōu)點：價格便宜 缺點：通訊距離短(1m內)、速度較慢(4Mbps)、方向性強、不能穿過障礙物、易受熱源干擾等,表8-3 紅外線IrDA標準,8.6.4 藍牙,功能 藍牙(Bluetooth)也是一個點對點的無線通信協(xié)議標準 頻帶：2.4022.480 GHz 屬ISM (Industrial Scientific Medical) 頻帶,8.6.4 藍牙,收發(fā)模塊組成：3部分 無線傳輸收發(fā)單元 基頻處理單元 數(shù)據(jù)傳輸接口 接收到的信號傳送到控制電路中，由嵌入式處理器進行處理或存儲,8.6.4 藍牙,特點: 對比紅外線 缺點：價格高(采用低溫陶瓷基版) 優(yōu)點：

26、,表8-4 藍牙與紅外線無線通信方式特性比較表,8.6.5 GPRS,移動通信:分為三代 第一代:模擬的無線網(wǎng)絡 第二代:數(shù)字通信，包括GSM、CDMA等 第三代:分組型的移動業(yè)務，稱為 3G GPRS（General Packet Radio System） 屬于2.5G：第二代和第三代之間的混合體 采用 TDMA 方式傳輸語音 采用分組的方式傳輸數(shù)據(jù),8.6.5 GPRS,特點 多個用戶可共享一個無線信道，一個用戶也可以使用多個無線信道；支持點到點和點到多點服務； 支持短消息業(yè)務（SMS）；支持基于標準數(shù)據(jù)通信協(xié)議的應用，可以和 IP 網(wǎng)、X.25 網(wǎng)互聯(lián)互通 永遠在線 ，且按量計費,8.

27、6.5 GPRS,數(shù)據(jù)傳輸效率 相對GSM 以撥號接入的電路交換數(shù)據(jù)傳送方式，GPRS 采用分組交換技術，高效傳輸數(shù)據(jù)，優(yōu)化了對網(wǎng)絡資源和無線資源的利用 安全性 GPRS 的安全功能同現(xiàn)有的 GSM 安全功能一樣，不過 GPRS 使用的密碼算法是專為分組數(shù)據(jù)傳輸所優(yōu)化過的,8.6.6 IEEE802.11,功能及特點 無線局域網(wǎng)的通信標準 短距離傳輸 限于家庭范圍使用，最多是以大功率無線橋接器實現(xiàn)小區(qū)（如機場、酒店、餐廳和商鋪 ）內覆蓋，要在整個城市或更大范圍則成本太高 版本 1997年 制定IEEE802.11,8.6.6 IEEE802.11,1999年 IEEE802.11a 5.8GH

28、z頻帶，帶寬54Mbps IEEE802.11b 2.4 GHz頻帶，帶寬11Mbps 具有基本加密機制,保護數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?例：PCMCIA接口的IEEE802.11b無線網(wǎng)卡產(chǎn)品或筆記本內置，在300m范圍有無線橋接器 (Wireless Access Points)，就可以連接上網(wǎng),8.6.6 IEEE802.11,2003年 IEEE80211g IEEE80211b的高速版 采用了與IEEE802.l1b不同的OFDM（正交頻分復用）調制方式，傳輸速率54Mbps Wi-Fi聯(lián)盟認證了第一批采用80211g標準的產(chǎn)品,8.7 本章小結,典型的嵌入式外圍設備及其接口的組成、工作原理和特點 實時時鐘 RAM&ROM類存儲設備 輸入輸出設備 外設接口和通訊接口,自測題,1.比較NOR Gate型閃存與NAND Gate型閃存的不同 。 2.簡述矩陣鍵盤按鍵接收的工作原理。 3.簡述電阻式觸摸屏的工作原理. 4.比較IEEE1394與USB兩種串行外設接口的不同。 5.比較藍牙與紅外線兩種無線通信方式的不同特性。,