嵌入式系统的外围设备

8.1 实时时钟 8.2 存储设备 8.3 输入设备 8.4 输出设备 8.5 外设接口 8.6 通讯接口 8.7 本章小结 习题,第8章 嵌入式系统的外围设备,8.1 实时时钟,功能 提供可靠的时钟信息，包括时分秒和年月日 即使系统处于关机或停电状态，实时时钟通过后备电池供电也能正常继续工作,8.1 实时时钟,使用 一些嵌入式处理器(如S3C2410处理器 )芯片内部集成了实时时钟单元； 未集成时，则需要外扩实时时钟芯片 外围电路：典型的只需要一个高精度的晶振,8.2 存储设备,功能 提供执行程序和存储数据所需空间 种类 RAM和ROM两种 特点 半导体器件而非磁质材料 具有密度大、体积小、访问速度快、性能可靠、使用寿命长的优点，适合于嵌入式应用领域,8.2 存储设备,1.RAM (Random Access Memory) 内部结构：44 RAM 每个内存单元存储一个位（Bit）的数据 使能线+地址线 rd/wr线控制,图4-2 RAM内部结构,8.2 存储设备,特点 可读可写，读取和写入一样快速 上电数据保存，掉电数据丢失 作为内存 种类 SRAM DRAM,8.2 存储设备,(1) SRAM (静态随机存取存储器 ) 内部结构 由正反器电路组成 S=1、R=0时,输出Q =1 S=0、R=1时,输出Q =0 每一位存储单元电路 需要6个晶体管,图8-3 SRAM结构,8.2 存储设备,特点 数据存取速度较快 比较容易和处理器制造在同一个芯片中 数据不需实时刷新 但成本较高,8.2 存储设备,(2) DRAM (动态随机存取存储器) 内部结构 存储单元由一个电 容和一个晶体管组成 解码线使晶体管导通后， 通过 rd/wr 线读取电容 电压，或者对电容充放电 电容漏电， 15.625微秒充电一次,图8-4 DRAM结构,8.2 存储设备,特点 容量较大，约是 SRAM 的4倍 成本低 但由于电容的充放电原因，数据需要进行实时刷新操作,8.2 存储设备,2.ROM (Read-Only Memory) 内部结构 存储数据方式利用可规划式接线的短路或断路来实现，具体接线的规划方式由ROM的类型决定 使能线 + 地址线,图8-5 ROM结构示意图,8.2 存储设备,特点 数据可以读取,但不能任意更改 掉电情况下数据不会丢失 程序可存放在ROM中 种类 EPROM，EEPROM Flash,8.2 存储设备,(1) EPROM (Erasable ProgramEnable Read-Only Memory),8.2 存储设备,内部结构 图(a) 使用金氧半导体(MOS) 具有浮动栅极 图(b):电可编程 栅极正电压使电子经 绝缘体层到达栅极 栅极被充电后，源-漏 极间为截止状态,形成 断路，逻辑输出为0； 相反，逻辑输出为1,图8-9 EPROM结构与工作原理,8.2 存储设备,图(c):紫外线擦除 紫外线通过石英窗 直接照射 栅极的电子又通过 绝缘体回到N通道， 为防自然光照射，石英 窗上粘贴上反光胶布 EPROM又可被重新规划,图8-9 EPROM结构与工作原理,图8-10 EPROM的外观,8.2 存储设备,特点 一种只读存储器 电可编程 紫外线擦除 适合少量生产或是产品开发调试实验,8.2 存储设备,(2) EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory ),8.2 存储设备,内部结构 与EPROM类似，具有浮动栅极 与EPROM不同，源极、漏极、浮动栅极、P型基底 接上不同的电压进行写入、擦除和读出 见下图8-11,8.2 存储设备,图8-11 EEPROM结构与工作原理,8.2 存储设备,特点 与EPROM类似，电可编程 与EPROM不同，电可擦除 省去了EPROM擦除需照射紫外线的烦琐程序 针对每个存储单元进行擦除操作 擦除次数达到一万次以上 EEPROM的使用比EPROM更普遍,8.2 存储设备,(3) Flash Memory (闪存) 内部结构 是EEPROM 的延伸产品，也采用浮动栅极原理 但其浮动栅极与通道间的距离较短,8.2 存储设备,特点 数据写入速度快（因为浮动栅极与通道间的距离比较短），故得名“闪存” 可以一大块数据直接进行清除，使用方便 例：PDA中作为程序存储器，操作系统版本的升级和改变只需重写Flash,8.2 存储设备,种类 NOR 型 Flash NAND 型 Flash,8.2 存储设备, NOR型闪存 读取动作与RAM 类似，可直接某个内存空间进行方便的读取操作 成本较高 每个内存单元 (cell) 的面积比较大，因此存储容量较小,8.2 存储设备, NAND型闪存 必须通过 I/O 指令的方式进行读取，因此须通过驱动程序来读取 成本较低 每个内存单元面积较小，因此存储容量较大 常用来制作扩充记忆卡，如 CF(Compact Flash Card)存储卡、SD (Secure Digital Card)卡、MS (Memory Stick)卡、SMC(Smart-Media Card)卡等,8.3 输入设备,小型键盘 触摸屏,8.3.1 小型键盘,功能 嵌入式系统的一种常用输入设备 例如：收款机系统 由几个简单的数字键和功能键组成,8.3.1 小型键盘,结构：矩阵键盘 16个按键接至4条行输出XOX3和4条列输入YOY3上,图8-12 键盘与键盘控制器电路工作原理示意图,节省I/O端口资源,8.3.1 小型键盘,工作原理 键盘控制器 扫描按键输入(逐行输出，逐列检测) 译码 去抖 按键值存放在寄存器中 嵌入式处理器： Polling或Key管脚Interrupt方式检测 CS 管脚使能 从DIO管脚依次读取,8.3.2 触摸屏,功能 在液晶屏上叠加一片触摸屏，用触控笔或手指头直接点选按键或输入文字 轻薄短小，便于携带，使用方便 注：触摸屏与LCD的分辨率和坐标系一般不同，因此触摸屏的位置需要在程序中进行转换变为LCD 坐标系中的位置,8.3.2 触摸屏,种类 电容式：最早出现 表面声波式 电阻式：主要产品，市场份额72% XGT式 ：最新技术，市场份额20%,8.3.2 触摸屏,1.电容式触摸屏 工作原理 触摸时，人体电场、用户和触摸屏表面形成一耦合电容 电容是高频电流直接导体，因此手指从接触点吸走很小的电流 流经四个角落电极的电流与手指到四角的距离成正比,8.3.2 触摸屏,特点 对大多数的环境污染物有抵抗力 人体成为回路的一部分，因而漂移现象比较严重 人体戴手套式不起作用 需经常校正 不适用于金属机柜 外界存在电感和磁感的时候，触摸屏失灵,8.3.2 触摸屏,2.表面声波式触摸屏 工作原理： 物体触摸到表面时，阻碍声波的传输 换能器侦测到这个变化，反映给计算机，进而进行鼠标的模拟,8.3.2 触摸屏,特点 高清晰度，透光性好 高度耐久，抗刮伤性良好 一次校正不漂移 灰尘、油污使声波不能正常反射，因此需要经常维护，只适合于办公室、机关单位及环境比较清洁的场所,8.3.2 触摸屏,3.电阻式触摸屏 工作原理 两层导电薄膜， 上层可伸缩 触碰后上下电 极导通，通过 电位差计算(X,Y)值,图8-13 电阻式触摸屏工作原理示意图,8.3.2 触摸屏,特点 高解析度，高速传输反应 表面硬度处理，减少擦伤、刮伤及防化学处理 具有光面及雾面处理 一次校正，稳定性高，永不漂移,8.3.2 触摸屏,4.XGT式触摸屏 工作原理 采用纯玻璃面板 将电压连到玻璃基板的4个角落，产生一个电场 通过特殊的有线触控笔去触控输入，其它实体碰触不会有反应，电场的变化对应碰触位置,8.3.2 触摸屏,特点 结合了电阻式和表面声波式触摸屏的优点防水、防火、防尘、防刮、抗菌 寿命大约是前类产品的 100 倍左右 透光率较透明导电薄膜的提高了 15% 左右 可应用于高温低温以及恶劣环境下 被视为当前最具潜力的触摸屏技术,8.4 输出设备,LED LCD,8.4.1 LED,功能 作为电源指示灯、电平指示、工作状态显示或微光源之用 例： 红外发光管：用于电视机、录像机等遥控器中 红绿双色发光管：指示PC或笔记本电脑中的硬盘工作状态,8.4.1 LED,种类 发光二极管（基本单元） 数码管、符号管、米字管、点阵显示 屏,8.4.1 LED,1.发光二极管（LED，Light Emitting Diode） 工作原理 核心是一PN结正向导通、反向截止 还具有发光特性 特点 耗电少、成本低、配置简单灵活、安装方便、耐振动、寿命常,8.4.1 LED,种类 按发光颜色 红色、橙色、绿色、蓝光、多色等 按出光面特征（形状） 圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等 按透明性及是否掺散射剂 有色透明、无色透明、有色散射和无色散射,8.4.1 LED,2.数码管 结构 七段条状发光二极管组成“日”字型，实现数字09、部分字母和小数点的显示 共阳极或共阴极电气连接方式 见下图8-14,8.4.1 LED,图8-14 七段数码管结构原理图,8.4.1 LED,工作原理：以共阴极为例 某各发光二极管阳极加上高电平时点亮 驱动方式 静态驱动：每个数码管用一个并口驱动 动态驱动：共一个并口，轮询以节省资源,8.4.1 LED,3.其它LED 米字管:显示包括英文字母在内的多种符号 符号管:显示+、-或号等 点阵显示屏: 工作原理与 七段数码管 类似,图8-15 点阵显示屏原理图,8.4.2 LCD,工作原理 液晶特性 介于固态与液态之间的物质，同时具备固态晶体的光学特性和液态物质的流动特性 当液晶被送上电压后，液晶的内部结构会产生扭曲 通过液晶的光线因为液晶内部的结构而改变光线的行径,8.4.2 LCD,液晶屏 背光板：光源 液晶阵列： 每一个图案像素用一个液晶单元表示 对液晶单元施以不同电压以改变对应像素的光线行径 彩色滤光膜 ： 通过液晶阵列的光线经过后显示指定的三原色RGB 两块偏光板 ： 将需要显示的光线， 使其不会显示在液晶屏幕上,8.4.2 LCD,特点 体积小、重量轻 CRT(阴极射线管)的电子枪与被撞击的磷光物质需很长间距，才能够将所发射的电子正确地偏移到显示区域 低辐射 CRT有辐射,8.4.2 LCD,种类 被动式 控制电压组件设计在面板的四周 反应时间慢，光线输出量较少，动态影像有残影 成本偏低（如用于普通的移动电话 ） 主动式 每个液晶单元内植入控制电压的组件 光输出量大，反应时间快，提供鲜艳的色彩与较好 的动态影像 制造成本较高（如用于信息家电 ）,8.5 外设接口,并行接口 串行接口 I2C I2S USB IEEE1394,8.5.1 并行接口,结构 通过由多条数据线组成总线 一次可以同时传送多个位的数据 例：打印机并口(Parallel Port) 特点 传输数据量大、速度快、控制简单 传输总线的长度受限（过长时，电子线路间将产生电容效应），且抗干扰能力差,8.5.1 并行接口,对比： I2C、I2S、USB、IEEE1394等串行接口 线路简单、抗干扰能力强 控制也相对复杂,8.5.2 I2C,I2C（InterIntegrated Circuit) 功能与特点 用于连接微控制器和外设ADC、DAC、存储器、LED驱动器、实时时钟等芯片 支持多主控 通信速度：100Kbit/s 、最高400Kbit/s 简单，成本低,8.5.2 I2C,组成： 两根串行线（均为双向I/O线） 串行时钟线（SCL，Serial Clock Line） 串行数据线（SDL，Serial Data Line） 注：通过数据线的软件寻址实现片选 减少器件片选线的连接,8.5.2 I2C,工作原理：一次典型工作流程 (1)开始：信号表明传输开始 (2) 地址：主设备发送地址信息（ 7 位从设备地址和 1 位表明读、写或数据流方向的指示位） (3) 数据：根据指示位，数据在主设备和从设备之间传输；数据一般以 8 位传输，具体传输的数据量无限制；接收器上用一位的 ACK（回答信号）表明一个字节已收到；传输可被终止或重新开始 (4)停止：信号结束传输,8.5.3 I2S,I2S(Inter-IC Sound) 功能 由SONY和PHILIPS公司等共同推出 主要应用于连接数字音频处理设备 例如：便携CD机、数字音频处理器等,8.5.3 I2S,组成：3根串行线 时钟线（CSK，Continuous Serial Clock） 字选择线（WS，Word Select） 指示左通道或右通道的数据将被传输 数据通道线（SD，Serial Data） 分时复用 按高有效位MSB到低有效位LSB的顺序传送字长的音频数据 MSB总在WS切换后的第一个时钟发送 若数据长度不匹配,接收/发送器将截取或填充,8.5.3 I2S,工作时序,图8-17 I2S总线接口的基本时序,8.5.4 USB,USB（Universal Serial Bus，通用串行总线） 由COMPAQ、Intel、Microsoft、NEC等厂商共同制定的一种外部设备总线规范,8.5.4 USB,功能与特点 为外设扩充提供一种即插即用的简单方法 连接外设不必打开机箱 允许外设热插拔，而不必关闭主机电源 采用“级联”方式（最多连接127个外设，而每个外设间距离可达5米），且不会有IRQ冲突 自取电：提供5V电源 速度较快 USB1.1：最高达12Mbps USB2.0：最高达到480Mbps,8.5.4 USB,种类 A类连接器 主设备端 B类连接器 从设备端,图8-18 USB连接器常见种类,8.5.5 IEEE1394,IEEE1394，亦称为火线（Firewire） 由苹果公司研制 IEEE1394与USB的共同点 都是一种通用外接设备接口 支持热插拨 可连接多个不同设备 不用外部电源 快速传输大量数据,8.5.5 IEEE1394,IEEE1394与USB的不同 传输速率不同 USB1.1为12Mbps，USB2.0最高为480Mbps， 一般用于连接键盘、鼠标与麦克风等低速设备 IEEE1394目前为400Mbps，将要达1Gbps， 可连接数码相机、扫描仪和信息家电等高速设备,8.5.5 IEEE1394,连接方式不同 USB：主从方式，需要HUB，最多127台设备 IEEE1394：多主方式,不需要HUB，用网桥连接多个IEEE1394网络(网内63)(达到无限制连接） 智能化不同 USB：以HUB来判断连接设备的增减 IEEE1394：可以在其设备进行增减时自动重设网络,8.6 通讯接口,有线通信接口 RS-232 以太网 无线通信接口 红外线/蓝牙 GPRS IEEE802.11,8.6.1 RS-232,功能与特点 电子工业协会 （EIA）制订的点对点的有线串行异步通信标准 传输速率240019200bps,8.6.1 RS-232,机械特性规范：DB-9和DB-25,图8-19 RS-232物理接口形式,表4-2 RS-232端口DB-9管脚定义,8.6.1 RS-232,电气特性规范 信号电平为515V 采用负逻辑 -5-15V表示“1”，+5+15V表示“0” 不同于数字电路的03V或05V，因此通讯前源信号需要进行电平转换,8.6.1 RS-232,RS-232的控制传输： UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)芯片或模块 检测起始位：高电平变为低电平 采样：以设置的比特率进行信号采样，并存入寄存器中 通知：通知其它需要数据的组件将 UART 芯片中的数据由寄存器取出,8.6.2 以太网,功能与特点 局域网的一种有线通信总线标准 采用CSMA/CD（载波监听/冲突检测） 星型或总线型结构，通过集线器/交换机/网桥互连,8.6.2 以太网,通信协议规范 IEEE802.3 十兆以太网（10Base Ethernet，10 Mbps ） IEEE802.3u 快速以太网（Fast Ethernet，100 Mbps） IEEE802.3z 千兆以太网（Gigabit Ethernet，1000 Mbps） IEEE802.3ae 万兆以太网（10 Gigabit Ethernet，10000 Mbps）,8.6.2 以太网,通讯介质标准：以IEEE802.3为例 10Base5 粗以太网电缆 ，采用插入式分接头 段长为500m，每段节点数为100 10Base2 细以太网电缆 ，采用BNC连接器组成T型插座 价格低廉，可靠性高，安装方便 段长为200m，每段节点数为30,8.6.2 以太网,10Base-T 双绞线集线器（Hub） 增添或移去节点简单,且容易检测到电缆故障 段长为100m，每段节点数为1024 10Base-F 光纤 连接器和终止器的费用而十分昂贵，但却有极好的抗干扰性 段长为2000m，每段节点数为1024,8.6.3 红外线,功能 红外线（Infrared）是一个点对点的无线通信标准 发射的红外波长：0.850.9m 例: 用于手机、PDA与笔记本电脑的通讯,8.6.3 红外线,收发模块组成：3部分 红外线发光二极管 硅晶PIN光检二极管 控制电路 接收到的信号传送到控制电路中，由嵌入式处理器进行处理或存储,8.6.3 红外线,特点 优点：价格便宜 缺点：通讯距离短(1m内)、速度较慢(4Mbps)、方向性强、不能穿过障碍物、易受热源干扰等,表8-3 红外线IrDA标准,8.6.4 蓝牙,功能 蓝牙(Bluetooth)也是一个点对点的无线通信协议标准 频带：2.4022.480 GHz 属ISM (Industrial Scientific Medical) 频带,8.6.4 蓝牙,收发模块组成：3部分 无线传输收发单元 基频处理单元 数据传输接口 接收到的信号传送到控制电路中，由嵌入式处理器进行处理或存储,8.6.4 蓝牙,特点: 对比红外线 缺点：价格高(采用低温陶瓷基版) 优点：,表8-4 蓝牙与红外线无线通信方式特性比较表,8.6.5 GPRS,移动通信:分为三代 第一代:模拟的无线网络 第二代:数字通信，包括GSM、CDMA等 第三代:分组型的移动业务，称为 3G GPRS（General Packet Radio System） 属于2.5G：第二代和第三代之间的混合体 采用 TDMA 方式传输语音 采用分组的方式传输数据,8.6.5 GPRS,特点 多个用户可共享一个无线信道，一个用户也可以使用多个无线信道；支持点到点和点到多点服务； 支持短消息业务（SMS）；支持基于标准数据通信协议的应用，可以和 IP 网、X.25 网互联互通 永远在线 ，且按量计费,8.6.5 GPRS,数据传输效率 相对GSM 以拨号接入的电路交换数据传送方式，GPRS 采用分组交换技术，高效传输数据，优化了对网络资源和无线资源的利用 安全性 GPRS 的安全功能同现有的 GSM 安全功能一样，不过 GPRS 使用的密码算法是专为分组数据传输所优化过的,8.6.6 IEEE802.11,功能及特点 无线局域网的通信标准 短距离传输 限于家庭范围使用，最多是以大功率无线桥接器实现小区（如机场、酒店、餐厅和商铺 ）内覆盖，要在整个城市或更大范围则成本太高 版本 1997年 制定IEEE802.11,8.6.6 IEEE802.11,1999年 IEEE802.11a 5.8GHz频带，带宽54Mbps IEEE802.11b 2.4 GHz频带，带宽11Mbps 具有基本加密机制,保护数据传输的完整性 例：PCMCIA接口的IEEE802.11b无线网卡产品或笔记本内置，在300m范围有无线桥接器 (Wireless Access Points)，就可以连接上网,8.6.6 IEEE802.11,2003年 IEEE80211g IEEE80211b的高速版 采用了与IEEE802.l1b不同的OFDM（正交频分复用）调制方式，传输速率54Mbps Wi-Fi联盟认证了第一批采用80211g标准的产品,8.7 本章小结,典型的嵌入式外围设备及其接口的组成、工作原理和特点 实时时钟 RAM&ROM类存储设备 输入输出设备 外设接口和通讯接口,自测题,1.比较NOR Gate型闪存与NAND Gate型闪存的不同 。 2.简述矩阵键盘按键接收的工作原理。 3.简述电阻式触摸屏的工作原理. 4.比较IEEE1394与USB两种串行外设接口的不同。 5.比较蓝牙与红外线两种无线通信方式的不同特性。,