嵌入式原理5嵌入式系统的外围设备和IO接口

第5章 嵌入式系统的外围设备和I/O接口5.1 外围设备5.2 常见输入输出接口类型5.3 I/O接口原理基础5.4 小结 主要内容基本输入/输出设备的结构输入设备：键盘、触摸屏；输出设备：LED、LCDI/O接口和总线的工作原理常见的输入输出接口类型总线接口：I2C、I2S、CAN、以太网并行接口串行接口：RS-232、IEEE1394、USB无线接口：红外线、蓝牙、IEEE802.11、GPRS、CDMAI/O接口的数据交换方式DMA、查询、中断使用芯片内部总线把接口集成在嵌入式处理器内部，或者应用各种扩展方法在处理器外部以接口芯片的形式出现。 5.1 外围设备5.1.1 输入设备：小型键盘、触摸屏5.1.2 输出设备：LED、LCD5.1.3 扩充设备：PCMCIA、CF、SD、MS5.1.4 便携式嵌入式系统的电源1.智能型电源管理设备2.智能型电池 输入设备输入设备用来将外部信息输入主机，一般是将用户（或广义的应用环境）所提供的原始信息，转换为计算机所能识别的二进制代码。符号信息，如字符、数字代码等。非符号信息，如图形、图像、声音、物理信号等。输入设备往往需要具备信息转换功能与数据传送功能。常见的输入设备键盘、穿孔输入设备、数据录入站、图形数字化仪、字符输入与识别装置、语音输入与识别装置、光笔、鼠标、跟 踪球、操纵杆等。 输入设备（常见的输入设备）键盘能将击键动作转换成字符代码，然后输入计算机。穿孔输入设备用有孔、无孔表示1 、0。数字化仪能输入像点的绝对坐标值，从而将图形转换为二进制代码。光笔、鼠标、跟踪球、操纵杆等输入坐标相对移动值来操纵显示器光标移动。扫描仪、摄像机等可将图像信息转换为像点代码，从而输入图像。音频信号采集装置能将声音信号转换为数字信号，再通过模拟量/数字量（A/D）转换，输入计算机。 键帽恢复弹簧键杆键块触点磁铁密封玻管薄膜衬垫基底直接作用式机械键干簧管间接作用式薄膜式短行程触摸键接触式按键的基本结构从结构上可以分为两类：接触式、非接触式。从按键操作方式上可以分为两类：机械动作式、触摸式。阅读：键的结构 阅读：非接触式键非接触式键将击键动作引起的其他物理量变化间接转换为电信号，以避开接触式键存在的触点导通可靠性问题。常用的非接触式键电容式感应式感应式键是真正的无行程触摸键。常见的有静电感应式、压感式、光遮断式等。 静电感应式键有一个裸露的金属板，当手指接触它时，人体所带的静电或感应所产生的交流电信号，通过它传给放大器放大，产生按键信号。易受电磁场干扰。压感式键一般由一块压电陶瓷构成，当它受到外界压力时，会变形并产生感应电势。 小型键盘 键盘与键盘控制器电路工作原理示意 16个按键输入分别接到键盘控制器的4条行输出X0X3和4条列输入Y0Y3上，构成矩阵键盘，以节省占用的控制器I/O端口资源。 小型键盘的工作过程/原理当键盘按键按下时，某一行与某一列的输入电路之间形成通路，因此可由输入的引脚信号变化得知哪一个按键被按下，按键的值将存储在键盘控制器的寄存器中。一般由键盘控制器内部自动完成按键的输入扫描、译码和去抖动处理功能。当键盘控制器检测到矩阵键盘中有按键被按下时，键盘控制器的Key引脚将由低电平变为高电平，并一直保持到按键值被读取为止。嵌入式处理器从Key引脚得知目前有按键被按下时，将键盘控制器的CS引脚设为低电平，存储在键盘控制器的寄存器中的按键值将从键盘控制器的DIO引脚依次输出给嵌入式处理器。 当所有按键数值传送完毕后，Key重新变为低电平。 键盘控制器的工作方式键盘控制器通知嵌入式处理器按键消息的工作方式轮询（Polling）方式由处理器每隔一段时间检测键盘控制器的Key引脚是否为高电平，若是高电平则表示有按键被按下。中断（Interrupt）方式由Key引脚直接发出中断请求信号给处理器，处理器因为中断信号触发得知目前有按键被按下。 矩阵扫描式键盘构成行驱动L0L1L 2L3 Vcc列输入缓冲C0 C1 C2 C3 阅读：扫描式键盘通过行驱动电路，使各行线L0Ln依次为0（每次一根行线为0）。每当某行为0时，就读回各列线状态C0Cm， 判断出各键的通断状态。 同时按下两个以上的键时，也能通过一遍扫描识别出来。当Li=0，Cj=0时，说明第i行、第j列的键被按下，此时可获得该键的位置码(i，j)。 阅读：非扫描式键盘当无任何键按下时，所有输入线均为1；当按下某个键时，其对应输入线变为0，通过与非门产生中断请求IRQ。CPU 响应后，在中断处理程序中将各个输入寄存器的内容取回，判断是哪个键或哪几个键被按下，其程序结构非常简单。非扫描式键盘的结构比较简单，速度快，但当键数较多时， 硬件代价高，因此适用于键数较少的场合。地址译码控制逻辑IRQ驱动器输入寄存器输入寄存器系统总线非扫描式键盘及其中断接口结构逻辑框图直接连接式非扫描式键盘直接将各键的输出送往键盘接口的输入寄存器。 触摸屏传统的用户输入设备（如鼠标、标准键盘等）体积大，不符合可携式嵌入设备所强调的轻薄短小特性要求。通过在液晶屏上叠加一片触摸屏，用户可在液晶屏上用触控笔或手指头直接点选按键或输入文字，因此触摸屏在嵌入式系统中已经得到广泛应用。 触摸屏的种类1.电容式2.电阻式3.表面声波式4. XGT（Extreme Glass Technology）式 电容式触摸屏的工作原理电容式触摸屏利用人体的电流感应进行工作用户触摸屏幕时，由于人体电场，用户和触摸屏表面形成一个耦合电容。对于高频电流而言，电容是直接导体，于是手指从接触点吸走很小的电流。这个电流会从触摸屏的四个角上的电极中流出，并且流经电极的电流与手指到四个角的距离成正比，控制器通过对这四个电流比例的精确计算，得出触摸点的位置。 电容式触摸屏的特点1.对大多数环境污染物有抵抗力。2.人体成为电流回路的一部分，因而漂移现象比较严重。3.人体戴手套后不起作用。4.需经常校正。5.不适用于金属机柜。6.外界存在电感或磁感的时候，触摸屏失灵。 电阻式触摸屏工作原理电阻式触摸屏有两层透明导电薄膜，薄膜间保持一定的间隔，且上层薄膜具可伸缩性。当上层薄膜受到外力施压时，上层薄 膜会触碰到下层薄膜，这样造成上下电极导通。 利用三维空间的电压计测量面板上不同位置的电平差，由此决定面板哪个位置受到外力施压。 电阻式触摸屏的特点1.高解析度，高速传输反应。2.做过表面硬度处理，减少擦伤、刮伤及防化学处理。3.具有光面及雾面处理。4.一次校正，稳定性高，永不漂移。 表面声波式触摸屏表面声波式触摸屏利用声波在物体的表面进行传输。当有物体触摸到表面时，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。表面声波式触摸屏的特点清晰度高，透光性好。高度耐久，抗刮伤性良好。一次校正永不漂移。需要经常维护，适合于环境比较清洁的场所。 因为灰尘、油污甚至饮料的液体玷污在屏的表面，都会阻塞触摸屏表面的导波槽，使声波不能正常反射，或使波形改变而控制器无法正常识别。 XGT式触摸屏XGT式触摸屏采用纯玻璃面板，与透明导电薄膜相比，透光率提高了15%左右。使用XGT时，将电压连到玻璃基板的四个角落，此时玻璃基板会产生一个电场。在输入数据时，通过特殊的有线触控笔去触控输入，其他实体触碰不会有反应，触控笔所触碰的位置可以通过电场的变化得知。XGT式触摸屏的特点XGT结合了电阻式和表面声波式触摸屏的优点。平均使用寿命大概是前类产品的100倍。防水、防火、防尘、防刮、抗菌。可以应用在高温、低温以及环境恶劣的状况下。 触摸屏与LCD的配合一般触摸屏将触摸时的X、Y方向的电压值传到A/D转换口，经过A/D转换后的X、Y值仅是对当前触摸点的电压值的A/D转换值。但它不具有实用价值，因为这个值的大小不但与触摸屏的分辨率有关，而且与触摸屏与LCD贴合的情况有关。LCD分辨率与触摸屏的分辨率一般不同，坐标系也不一样，因此，如果想得到在LCD坐标系中的触摸屏位置值，还需要在程序中进行转换。 输出设备发光二极管Light-Emitting-Diode，LED液晶显示器Liquid Crystal Display，LCD 半导体发光器件半导体发光部件被广泛应用于各种电子仪器和电子设备中，可作为电源指示灯、电平指示、工作状态显示或微光源之用。红外发光管常被用于电视机、录像机等的遥控器中。红绿双色发光管用于指示PC或笔记本电脑中的硬盘工作状态。数码管、符号管、米字管及点阵显示屏（矩阵管）中的每个发光单元均为发光二极管（Light-Emitting-Diode，LED）。 LED基本结构发光二极管是由 -族化合物（如砷化镓、磷化嫁、磷砷化镓）等半导体制成的，核心是一个PN结。工作原理LED具有一般P-N结的正向导通、反向截止/击穿的特性。具有发光特性，在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区，进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。LED的优点耗电少、成本低、配置简单灵活、安装方便、耐振动、寿命长、。 LED的类型按发光管发光颜色，LED可分为红色、橙色、绿色、蓝色等，有的发光二极管中包含两种或三种颜色的芯片。根据发光二极管出光处是否掺散射剂、有色、无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射。按发光管出光面特征，LED分为圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。按发光角度分，LED分为高指向型、标准型和散射型。按发光二极管的结构分，LED分为全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等。 发光二极管的性能：颜色、尺寸、形状、发光强度及透明情况 七段数码管结构原理基本的数码管由7段条状发光二极管按“日”字型排列而成，可实现数字09、部分字母和小数点的显示。发光段电极的连接方式 共阴极方式：各段发光管的阴极是公共的，而阳极是互相隔离的。共阳极方式：各段发光管的阳极是公共的，而阴极互相隔离。一般地，共阴极接法不需外接电阻，共阳极接法必须外接电阻。管脚配制外形图 共阴极连接 共阳极连接 共阴极7段LED显示字型编码说明：共阴极LED，被选中的段为高电平有效，熄灭的段码为00H；共阳极LED，选中的段为低电平有效，熄灭的段码为FFH。 数码管的驱动控制数码管驱动级的控制电路（也称为驱动电路）静态驱动每个数码管各用一个并口驱动。动态驱动当多个数码管需要同时显示时，为简化电路和降低成本，采用动态驱动方式，即对所有数码管使用一个专门的并口进行驱动。各数码管分时轮流选通受控显示，当轮询扫描速度足够快时，利用人眼的视觉暂留现象，显示的数字将不会产生闪烁现象，显示效果与静态驱动基本相同。动态驱动方式的数码管接口电路中不宜接太多的数码管，一般在8个 以内。个数较多时，应采取措施增加驱动能力，以提高显示亮度。 米字管、符号管米字管可以显示包括英文字母在内的多种符号。符号管主要用来显示+、-或号等。米字管、符号管的结构原理与7段数码管类似，因此驱动方式也基本相同，只是字符的编码方式与7段数码管不同。 点阵显示屏原理若干独立的发光二极管封为点阵形式构成点阵显示屏。每个发光二极管排列在阵列中行列线的各交点处，微处理器通过总线操作完成对点阵显示屏中每个LED的亮、暗控制。 点阵显示屏不仅可以显示数字，也可以显示所有西文字母和符号。如果将多块组合，可以构成大屏幕显示屏，用于汉字、 图形、图表等的显示。点阵显示 发光二极管排列 液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD） LCD利用液晶的特性来处理显示的效果。液晶是一种介于固态与液态之间的物质，它具备固态晶体的光学特性，同时也具有液态物质的流动特性。当液晶被通上电压后，液晶的内部结构会产生扭曲，穿过液晶物质的光线也会因此被改变原本行进的角度。液晶屏幕显示器上具有一大堆的液晶物质阵列，每一个像素用一个液晶单元表示，当一个像素需要改变显示状态时，就对这一个液晶单元施以电压，它就会对于背光所发射穿透液晶单元的光线做显示角度的改变，因而可以控制所显示的光线明暗。 LCD结构原理LCD屏幕的结构背光板、偏光板、液晶阵列以及彩色滤光膜等。 LCD的工作原理/过程背光板作为光源产生器，产生光线。第一块偏光板的方向性使得一部分光线被过滤掉。液晶阵列根据LCD控制器所给予的不同电压将内部的液晶结构改变，光线随之改变行进方向。光线经过彩色滤光膜后，显示出所指定的三原色色彩RGB。最后一块偏光板与第一块偏光板呈90垂直。若是将这两块偏光板叠合起来，所有照射在这两块偏光板的光线都会被遮挡下来，但是在两块偏光板中间的光线经过液晶阵列对光线角度改变后，原本该挡下来的光线会因为角度的改变而通过第二块偏光板，这样就可以将不需要显示的光线巧妙地挡住，不会显示在液晶屏幕上。 LCD的类型及异同点被动式LCD控制电压组件设计在面板的四周，因此反应时间较慢，而且光线输出量较少，造成显示动态影像与一般显示器效果差距很大，而且可视角度较窄，容易出现残影的现象。主动式LCD在每个液晶单元内植入控制电压的组件，如此可以增加光输出量，也可以提高反应速度，提供鲜艳的色彩与较好的动态影像。制造成本较高，尺寸越大，液晶面板的优良率低。 LCD的应用比较高档的嵌入式系统才会采用主动式LCD。彩色的个人数字助理、信息家电、。一般的嵌入式系统，从成本和实用性角度考虑，大多数采用被动式LCD。普通的移动电话、。 扩充设备内置设备的缺点内置大容量内存、调制解调器、多媒体播放设备或者是数码相机等的嵌入式系统，成本一定很高，所占体积也很大，而且没有什么变动的可伸缩性因此现在高级的嵌入式系统都会预留扩充的接口，以便在特别需求时，可以直接购买符合扩充接口规格的设备，直接接上嵌入式系统使用。 PCMCIA CF SD MS 便携式嵌入式系统的电源【需求问题】嵌入式系统强调它的可移植性，力求外观的小型化、重量的轻质化以及电源使用的延长化。镍氢电池、锂电池的重量都很大，若想要有较多的蓄电量，就必须使用比较大型的电池，这样会造成便携式嵌入系统搭载上电池后，变得又大又笨重。 智能型电源管理设备便携式嵌入系统采用智能型电源管理设备，检测系统真正需要使用电源的时间，确保电源不会浪费在无谓的等待时间。需要用到电源时，智能型电源管理设备会将电源打开。不需要使用到电源时，会关闭电源开关。混合电压设计针对各个不同的组件所需要提供的最低操作电压，给予不同的电压驱动，使功率消耗分配更有效率。例如，微处理器部分大多数为2.5V就可以驱动；输入输出控制组件则需要3.3V左右。因此，设计时必须考虑到电源整流器、电源控制 器以及电源监控IC等的合适组件，用于驱动电路及监控系统。 智能型电池系统（Smart Battery System）【问题】对于用户来说，只提供电源供应，而没有提供电池本身的相关信息（剩余电量及电压等的信息）很不方便。当所使用的系统电池电量突然用完，而系统正在处理重要数据时遭受到突然的断电，会造成数据的流失或系统的损毁。【解决方案】智能型电池系统是Intel和Duracell公司开发的一种电池规格。符合智能型电池系统规格的电池除了具备供电的电源接头外，还具备两个信号接头，可以通过电池系统管理总线（System Management Bus）和系统进行连通，让系统“知道”目前电池所剩余的电量。系统通过电池系统管理总线得知目前电力不足时，可以提示用户更换新电池或是对电池充电。当充电器对电池充满后，系统也可以“知道”己经不需要再充电了，于是停止充电器对电池充电，以免电池被持续过量充电而损坏。 5.2 常见输入输出接口类型5.2.1 总线接口5.2.2 并行接口5.2.3 串行接口5.2.4 无线接入技术I 2C、 I2S、 USB、 IEEE1394等 串 行 外 设 接 口 线 路 简 单 、 抗 干 扰 能力 强 ， 但 控 制 也 相 对 复 杂 。 总线接口常见的总线接口I2C（Inter-Integrated Circuit） I2S（Inter-IC Sound）CAN（Controller Area Network）以太网（Ethernet） I2CI2C是一种双向两线制的串行数据传输标准总线。I2C通过串行数据线（SDL）及串行时钟线（SCL）两根导线连接嵌入式处理器和外设。数据传输的速度一般为100kbit/s，最高可达到400kbit/s。采用I2C总线的标准器件的内部不仅具有I2C接口电路，而且将内部各单元电路按功能划分为若干相对独立的模块，通过软件寻址实现片选（模块选择），减少了器件片选线的连接。CPU不仅能通过指令将某个功能单元接入和脱离总线，还可以对功能单元的工作状态进行检测，从而实现对硬件系统简单灵活的扩展与控制。 I2C（续）传统的单片机串行接口的发送和接收一般都各用一条线。例如，MCS 51系列的TXD和RXD。I2C中的SDL和SCL均为双向I/O线。I2C总线根据器件的功能通过软件程序使其工作于发送和接收方式。发送器（主器件）：向总线发送消息的器件。接收器（从器件）：从总线上接收信息的器件。主器件用于启动总线传送数据并产生时钟以开放传送的器件，此时任何被寻址的器件均被认为是从器件。I 2C总线的控制完全由挂接在总线上的主器件送出的地址和数据决定。在该总线上，既没有中心机，也没有优先级。 I2C（续）总线竞争：总线上可能挂接有多个器件，有时会发生两个或多个主器件同时想占用总线的情况。例如，多个单片机组成的系统中，可能在某一时刻有两个单片机要同时向总线发送数据。I2C总线具有多主控制能力，可以对发生在SDL线上的总线竞争进行仲裁。 I2C（续）仲裁原则当多个主器件同时想占用总线时，如果某个主器件发送高电平，而另一个主器件发送低电平，则发送电平与此时SDL总线电平不符的那个器件将自动关闭其输出线。总线竞争的仲裁地址位的比较如果主器件寻址同一个从器件，则进入数据位的比较，从而确保了竞争仲裁的可靠性。利用I 2C总线上的信息进行仲裁，因此不会造成信息的丢失。 I2C总线的一次典型工作流程（1）开始：信号表明传输开始。（2）地址：主设备发送地址信息，包含7位从设备地址和1位指示位（表明读、写或数据流的方向）。（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，具体传输的数据量没有限制；接收器上用一位的ACK（回答信号）表明一个字节己收到；传输可以被终止或重新开始。（4）停止：信号结束传输。 I2SI2S是一种串行总线接口标准，主要应用于数字音频处理设备。例如，便携CD机、数字音频处理器等。I2S将音频数据与时钟信号分离，避免由时钟带来的抖动问题，因此系统中不再需要消除抖动的器件。I2S总线仅处理音频数据，对其他信号（如控制信号等）单独传送。I2S总线只由3根串行线组成分时复用的数据通道线（Serial Data，SD）字选择线（Word Select，WS）时钟线（Continuous Serial Clock，CSK） I2SWS信号线指示左通道或右通道的数据将被传输。SD信号线按高有效位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。如果数据长度不匹配，那么接收器和发送器将对其自动截取或填充。 I2S总线接口的基本时序 CANCAN是一种实时数据传输应用的串行通信协议。CAN通信协议的稳定性不错，因此常被嵌入式系统用到电子组件间数据传递的应用上。CAN的数据传输速率最高可到达1Mbit/s位，并且具备错误检测的功能。在硬件线路结构上，一般采用双绞线作为数据传输总线。每一个连到CAN总线的电子组件称为节点（Node），各自拥有自己的传送与接收电路，作为数据输入输出之用。CAN总线在数据连接上采用点对点的方式（Peer to Peer），如果连接在总线中一个电子组件发生问题，无法进行数据沟通时，其他连接在总线的电子组件仍然可以继续执行数 据传输的工作，总线不会因此而全面瘫痪。 CAN工作原理在节点在数据传送时，设置为显性模式和隐性模式，在逻辑上分别代表0以及1。当总线没有任何数据传输时，是隐性状态（Recessive Level），这个时候连接在总线的任何节点都可以发送数据。当某一节点发送数据时，总线会处在显性状态（Dominant Level），数据的发送是以包的方式传送。 CAN工作原理仲裁字段内定义了数据发送的目的地。控制字段内定义数据的长度。ACK字段用来确定数据是否被正确地接收，发送端会在ACK字段中设置一个隐性位（Recessive Bit），逻辑上为1，当接收端的节点发现数据传输有错误时，会将ACK字段设置为显性位，逻辑上为0，当发送端得知ACK字段被改为0时，就知道数据发送错误，必须再重新传送数据。 如果总线同时有两笔数据要传送，则总线会根据仲裁位中的识别ID比较优先级，决定哪笔数据先发送。 CAN总线数据包 以太网以太网是目前局域网中最通用的一种通信总线标准。在以太网中，所有通信节点被连接在一条电缆上，采用CSMA/CD（载波监听/冲突检测）的访问方法和竞争机制。在星型或总线型配置结构中，集线器/交换机/网桥通过电缆使各通信节点彼此之间相互连接。以太网通信协议遵循IEEE802.3系列标准规范。IEEE802.3：10Base Ethernet，通信速率10Mbit/s通信标准。IEEE802.3u：Fast Ethernet，通信速率100Mbit/s通信标准。IEEE802.3z：Gigabit Ethernet，1000Mbit/s通信标准。IEEE802.3ae：10Gigabit Ethernet，10000Mbit/s通信标准。 IEEE802.3的4种通信介质标准10Base5通常被称为“粗以太网（Thick Ethernet）电缆”，建议为黄色，每隔2.5m一个标志，标明分接头插入处，连接处通常采用插入式分接头，将其触针小心地插入到同轴电缆的内芯。名称10Base5表示的意思是：工作速率为10Mbit/s，采用基带信号，最大支持段长为500m，每段节点数为100。10Base2称为“细以太网（Thin Ethernet）”电缆，很容易弯曲，其接头处采用工业标准的BNC连接器组成T型插座，使用灵活，可靠性高。“细以太网”电缆价格低廉，安装方便，但是使用范围只有200m，并且每个电缆段内接点容量为30。 IEEE802.3的4种通信介质标准10Base-T所有站点均连接到一个中心集线器（Hub）上，通常这些连线是电话公司的双绞线，其每段节点数为1024。增添或移去节点变得十分简单，并且很容易检测到电缆故障。电缆的最大有效长度为距集线器100m，即使是高质量的双绞线（5类线），最大长度可能也只有150m，大集线器的价格也较高。10Base-F采用光纤介质连接器和终止器的价格十分昂贵，有极好的抗干扰性，常用于办公大楼或相距较远的集线器间的连接，电缆的最大 有效长度为距集线器2000m，每段节点数为1024。 并行接口采用并行协议的传送方式：两个电子设备在数据传输时，通过由多条数据线组成的总线，一次可以同时传送多位数据。典型的并行协议的应用是微机系统的打印机接口，称为打印机的并行端口（Parallel Port，简称并口），并口将数据以一次多个位的方式通过并行传输线，传送到打印机进行数据的译码，之后打印出来。并行接口的特点并行接口传输数据量大、速度快、控制简单。传输长度过长时，电子线路间将产生电容效应，因此数据传输总线的长度受到一定限制，抗干扰能力差，影响数据传输的正确率。 串行接口1. RS-2322. IEEE13943. USB4. RS-232RS-232是由EIA所制定的一个点对点的串行异步通信标准，包括机械特性规范和电气特性规范。RS-232的物理接口形式：DB-9、DB-25。 RS-232端口DB-9引脚定义 RS-232RS-232通信信号电平为515V，采用负逻辑，即-15V-5V表示“1”，+5V+15V表示“0”。负逻辑不同于数字电路的03V或05V，因此以RS-232的方式进行通信，需要进行电平转换。比特率是用来决定位传送与接收的速度，RS-232常用的比特率为240019200bit/s。数据传输时，RS-232的双方电子设备必须事先设置好比特率，才可以顺利完成数据的收发工作。RS-232的控制传输部分称为UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）接口。 RS-232实现RS-232传输的UART芯片包含有接收器与发送器。接收器会持续不断监控RX（Receive）引脚，检查是否有数据的起始位，通常信号由高电平转变为低电平表示为起始位。当检测到起始位后，接收器对RX引脚以设置的比特率进行信号采样，将接收到的信号存入寄存器中。数据接收完毕后，通知其他需要数据的电子组件将UART芯片中的数据由寄存器取出。常见的UART芯片，最高比特率可以达到1152kbit/s，拥有64字节的接收寄存器。许多嵌入式处理器己内置了UART功能模块，只要利用为处理器提供的指令集设置通信比特率、流量控制方式、奇偶校验 位等到相应寄存器中，即可方便地实现RS-232的通信功能。 UART的功能将计算机内部传送过来的并行数据转换为输出的串行数据流。将计算机外部传来的串行数据转换为字节，供给计算机内部使用并行数据的器件。在输出的串行数据流中加入奇偶校验位，并对从外部接收的数据流进行奇偶校验。在输出数据流中加入启/停标记，并从接收数据流中删除启/停标记。处理由键盘或鼠标发出的中断信号（键盘和鼠标也是串行设备）。处理计算机与外部串行设备的同步管理问题。 通用串行总线（Universal Serial Bus，USB） USB为PC的外设扩充提供了一个很好的解决方案所有的外设都在机箱外连接，连接外设不必再打开机箱。允许外设热插拔，而不必关闭主机电源。采用“级联”方式。每个USB设备用一个USB插头连接到一个外设的USB插座上，而其本身又提供一个USB插座供下一个USB外设连接使用，通过这种类似菊花链式的连接，一个USB控制器可以连接多达127个外设。外设间的距离（线缆长度）可达5m。USB能够智能识别USB链上外围设备的插入和拆卸。 USB的主要特性（1）速度快USB2.0最高传输速率480Mbit/s。（2）使用方便可以带电插拔各种硬件，不用担心硬件是否会因此损坏。支持多个不同设备的级联，一个USB接口最多可以连接127个USB设备没有IRQ冲突的问题。单独使用自己的保留中断，因此不会额外占用电脑有限的资源。（3）自取电不需要用单独的供电系统，接口内置了取电装置，可以向 低压设备提供5V电源。 USB的主要结构控制器接收和执行由系统向USB发出的各种命令。控制器驱动程序向控制器发送各种命令和向系统回馈各种信息。USB芯片驱动程序使操作系统能够对USB进行支持。USB设备是各种与PC的USB接口相连的设备。USB设备驱动程序是使操作系统驱动USB谊筝的程序。 USB的传输方式（1）实时传输方式有固定的传输速率，双方USB设备必须先协议好一个固定的数据传输速率。适用于多媒体影音设备的数据传输。（2）中断传输方式USB不支持硬件的中断方式，因此USB所提供的中断传输方式实质是一种周期性检查，检查设备是否有数据传输。适合于USB接口的键盘、鼠标或者是摇杆。 USB的传输方式（3）批量传输方式没有固定的传输速率。适合于需传输大批量数据的场合。例如，打印机、扫描仪等设备。（4）控制传输方式一种双向的数据传输模式。包含了三种控制类型：读取、写入、无数据控制。数据在传输时，控制器会以CRC（循环冗余校验码）做数据正确性的检查，当数据传输错误且无法复原时，数据将被重传。 USB连接器A类连接器主要应用于USB设备将数据传输到主设备（Host）的场合。B类连接器主要应用于主设备将数据传输到USB设备（Client）的场合。 IEEE1394IEEE1394是一种高速串行总线，亦称为火线（Fire wire）。IEEE1394与USB的共同点都是一种通用外接设备接口都可以快速传输大量数据都能连接多个不同设备都支持热插拔都可以不用外部电源 IEEE1394（与USB的区别）（1）传输速率不同USB2.0一般用于连接低速设备；IEEE1394主要应用于需要高速率的设备。（2）连接方式不同USB采用主从连接方式，必需Hub（集线器）实现互连，整个网络中最多可连接127台设备；IEEE1394采用多主方式，不需要Hub，可以用网桥连接多个IEEE1394网络，在用IEEE1394实现了63台IEEEl394设备之后还可以用网桥将其他的IEEE1394网络连接起来，达到无限制连接。（3）智能化不同USB以Hub来判断连接设备的增减；IEEE1394网络可以在 其设备进行增减时自动重设网络。 无线接入技术常见的无线协议红外线蓝牙GPRSIEEE802.11CDMA 红外线红外线收发模块红外线发光二级管就是发射红外线波的单元，所发射的红外线波长在0.850.90m。硅晶PIN光敏二极管是接收红外线信号的单元，所接收到的信号会传送到控制电路中。IrDA1.0采用波长0.850.90m的红外线传输，传输速度为115.2kbit/s，有效距离在1m之内，发射接收角度在30之内；FIR1.1的传输速度达到4Mbit/s；VFIR的传输速度可达16Mbit/s，有效距离达到8m。 蓝牙蓝牙模块是一个无线通信的标准协议。蓝牙模块的无线通信频率在一个不需要额外向管理单位提出申请的无线电通信频带（Industrial Scientific Medical-ISM ）内，其频带频率范围大约在2.4022.480GHz。蓝牙模块所发射的信号，可以在很多无线噪声的环境下仍然保持它的准确性，并将数据正确地传输到蓝牙接收模块中进行数据处理工作。 蓝牙（模块）蓝牙无线信号经无线传输收发单元接收后，会将信号数据传送到基频处理单元，进行无线信号处理的工作，处理好的数字信号通过数据传输接口，传送到微处理器中进行数字数据处理工作。 蓝牙模块和红外线收发模块的比较蓝牙模块红外线收发模块传输距离10m 1m传输特性可以在任何角度进行传输操作只能在特定角度范围内进行直接的传输操作安全机制具有完整安全机制安全性低 移动性可以在嵌入式系统移动时进行传输操作需要在静止状态下进行传输操作传输速度1Mbit/s 4Mbit/s价格 IEEE802.11无线局域网通信标准IEEE802.11是为了让各个厂商的无线局域网设备彼此兼容并且稳定地进行无线传输而设计的。IEEE802.11无线网络是一种短距离无线通信方式，一般只在家庭范围内使用，避免了接线的麻烦。最多是以大功率无线桥接器实现小区内覆盖，要在整个城市或者更大范围实现覆盖，成本太高。IEEE802.11系列无线网络主要还是针对小范围内的无线接入。例如，在一些条件好的机场、酒店、餐厅和商铺已开始提供该项无线接入服务。 IEEE802.11（续）无线传输协议IEEE802.11a及802.11bIEEE802.11a是设置在5.8GHz的频带进行无线传输，带宽（相当于速率）为54Mbit/s。 IEEE802.11b是在2.4GHz的频带中进行传输，带宽为11Mbit/s，具有基本的加密机制（Wired Equivalent Privacy Mechanism），可以用来确保数据传输的安全性，并且还可确保数据传输的完整性。内置了IEEE802.11b笔记本电脑，用户可以将PCMCIA接口的IEEE802.11b无线网卡插在具有PCMCIA扩充槽上，如果在300m范围有无线桥接器（Wireless Access Points），就可以连接上网。802.11g可以看作是802.11b的高速版。为了实现54Mbit/s的传输速度，采用了与802.11b不同的OFDM（正交频分复用）调 制方式。 GPRS、CDMA以及3G通信广域网移动通信通常可分为三代：第一代是模拟的无线网络。第二代是数字通信，包括GSM、CDMA等。第三代是分组型的移动业务，称为3G。 GPRSGPRS（General Packet Radio System，通用分组无线业务）是介于第二代和第三代之间的一种技术，通常称为2.5G。GPRS是一个混合体，采用TDMA方式传输语音，采用分组的方式传输数据，遵循欧洲电信协会GSM系统中有关分组数据所规定的标准，提供115.2kbit/s的空中接口传输速度。 CDMACDMA（Code Division Multiple Access，码分多址）是一种扩展频谱多址数据通信技术。 3G （3rd Generation）第三代数字通信3G 与前两代的主要区别是传输声音和数据的速度有所提升，它能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。3G数据速率要求在低速或静止状态下能够达到2Mbit/s，在高速车载环境下达到384kbit/s，因此能够更好地满足用户的各种通信需求。 几种无线接入技术的比较 5.3 I/O接口原理基础5.3.1 嵌入式最小系统的扩展5.3.2 总线原理5.3.3 I/O接口结构、功能及寻址5.3.4 数据交换方式 嵌入式最小系统的扩展嵌入式最小系统嵌入式系统的硬件扩展嵌入式处理器的外围硬件的扩展方式内部模块扩展总线扩展GPIO扩展综合扩展常用外围芯片类型 内存类芯片网络芯片USB芯片 嵌入式最小系统嵌入式最小系统是指以某处理器为核心，可以运转起来的最简单的硬件设施。最简单的嵌入式系统由几个相关的部分组成（1）处理器（2）内存（3）时钟（4）电源和复位任何一个计算机系统的最基本的运行都是处理器执行指令。处理器在每一个时钟周期从内存中取出指令，译码、执行。处理器必需电源供电才能运行。 处理器的指令需要存入内存中。 嵌入式最小系统（续）（1）处理器处理器是（计算机）系统的核心。整个系统是靠处理器的指令工作的。（2）内存嵌入式系统的运行的指令必须放入一定的存储空间内，运行的时候也需要存储临时数据的空间，因此，内存是必不可少的。在嵌入式系统中，一般的内存包括可以固化代码的FLASH和可以随机读写的RAM。（3）时钟处理器的运行是需要时钟周期的。一般来说，处理器在一个或几个时钟周期内执行一条指令。时钟单元的核心是晶振，它可以提供一定的频率，处理器在使用该频率的时候 可能还需要倍频处理。 嵌入式最小系统（续）（4）电源和复位电源是为处理器提供能源的部件，在嵌入式系统中一般使用直流电源。复位电路连接处理器的复位引脚，实现通过外部电平让处理器复位的目的。 嵌入式最小系统的一个示例 嵌入式系统的硬件扩展 作为嵌入式系统的核心，嵌入式的处理器一般集成了很多的外围器件，但是由于应用要求的差别，往往不会把系统的所有功能都集成在处理器芯片的内部，因此，还需要在最小系统的基础上扩展必要的外围芯片，以形成整个系统的硬件基础。 嵌入式处理器的（外围）硬件扩展方式内部模块扩展总线扩展GPIO扩展 （1）内部模块扩展通过增加外部电路，完成处理器内部模块提供的功能。由于处理器设计的限制，不可能把模块中所有的硬件都集成到处理器的内部。内部模块扩展就是完成这部分硬件的扩展。处理器时钟模块不可能集成晶振UART模块不可能集成电平转换的功能。 （1）内部模块扩展（续）内部模块的使用方法，一般不会受外围电路设计的影响。内部模块扩展一般只是搭建外部的电路，提供硬件运行的条件。在逻辑上，外部扩展的硬件和整个处理器的控制没有直接的关系。内部模块的使用其实就是读写内部模块的功能寄存器。外围扩展电路不会改变处理器的寄存器，因此不会影响处理器内部模块的使用。 （2）总线扩展利用外部总线控制器（又称为内存控制器）扩展内存类芯片。拥有外部总线的处理器的外部总线地址总线数据总线控制信号和片选信号总线扩展不仅仅用于内存芯片，也可以用于网络芯片、USB、AD/DA、LCM等类似内存的芯片。扩展后的芯片的使用方式与内存芯片类似，都是通过地址来读、写操作。 （2）总线扩展（续）总线扩展可以为处理器扩展根据总线读写的外部内存（外部）内存ROM、NOR FLASH、SRAM、SDRAM、NAND FLASH、（外部）内存都必需地址总线和数据总线。不同的内存需要不同的控制信号一般来说，某种处理器支持SDRAM的含义就是该处理器可以提供SDRAM所需要的控制信号。 （2）总线扩展（续）如果选用多个内存芯片扩展内存，那么这些内存芯片必需片选信号（芯片选择信号，也叫芯片使能信号）。使用处理器的片选信号连接芯片的片选信号，可以方便地为各个芯片分配不同的地址空间。在读写操作时，处理器自动选通对应的片选信号，片选信号有效的那些芯片就会起作用，而其他芯片都无效。片选信号不是总线扩展所必需的如果没有片选信号，则可以通过地址总线+译码器实现片选的功能，或者直接使用地址总线片选（当然这样会浪费地址空间）。 （3）GPIO扩展 输出功能输入功能矩阵键盘功能总线信号模拟功能通信信号模拟功能 （3）GPIO扩展 输出功能当使用输出功能的时候，需要将GPIO引脚设置为输出模式。通过写GPIO的相关寄存器，改变GPIO引脚的状态，从而控制外部的信号。输出功能的典型应用点亮LED利用一个GPIO引脚连接一个LED。通过控制GPIO引脚的高低电平可以控制LED的亮灭。如图5.11所示。 （3）GPIO扩展 输入功能当使用输入功能的时候，需要将GPIO引脚设置为输入模式。通过读GPIO的相关寄存器，获知GPIO引脚的状态，从而得到外部输入的信息。输入功能的典型应用按键通过程序查询的方式，获取按键的状态，从而获取外部输入的指示和命令。在获取按键状态的时候可能需要消除抖动（可通过延时程序实现去抖动）。 （3）GPIO扩展 NN矩阵键盘功能利用GPIO的2N个引脚，使用N2个按键。NN矩阵键盘可使用多种扫描方式获取类似的功能，也可以通过GPIO和中断协同完成该功能。通信信号模拟功能通过GPIO可以模拟一些简单的时序。如，SPI、IIC等。 （3）GPIO扩展 总线信号模拟功能当处理器没有外部总线信号（地址总线和数据总线）时，如果确实需要使用内存，则可以利用GPIO模拟总线信号。也就是说，将一部分GPIO线作为地址线使用，一部分GPIO线作为数据线使用。GPIO模拟总线信号需要同时考虑地址总线和数据总线地址总线是单向输出的，数据总线包含输出和输入的功能。在内存类的芯片中，一般GPIO可以用于NOR FLASH和SRAM信号的模拟，NAND FLASH本身可以不用总线信号扩展，而SDRAM的控制信号非常复杂，基本上不可能用GPIO模拟。 （4）综合扩展总线扩展部件与GPIO某些连接总线的模块还具有其他的控制引脚，这些引脚并不能通过地址总线和数据总线连接，因此要使模块的功能完善，还需要使用可编程引脚（GPIO）。内部模块与GPIO内部的模块的电路引出后，有时功能还是不够完善，同样需要GPIO的协助。总线扩展部件与中断源在一些总线扩展芯片中可以使用中断。将芯片相关引脚与处理器的外部中断引脚相连，外部芯片可以触发处理器的中断，提供更高的性能。 （4）综合扩展（续）模块的扩展复用在系统的一些模块中，可能使用共同的外部芯片。在ARM处理器的整体硬件设计中，一般还包括以下内容：地址空间合理分配中断源分配板级规划 常用外围芯片类型嵌入式系统中的常用芯片主要是通过处理器的外部总线进行扩展，某些芯片也可以通过可编程引脚（即GPIO）进行扩展。常用的扩展模块（芯片）内存类SRAM、NOR FLASH、SDRAM、NAND FLASH。通信类网络芯片、USB芯片、CAN总线芯片、IIC接口芯片。其他类 AD/DA、传感器、LCD/LCM。 （1）内存类芯片高端的处理器必须通过外部扩展内存满足系统内存使用的要求。具有外部总线的控制器一般都需要使用内存类扩展芯片。 常用内存扩展芯片 （2）网络芯片在嵌入式系统领域，引入网络芯片可以提供和通用计算机系统中类似的网络功能让众多的主机实现互联 。嵌入式系统使用网络的条件嵌入式的网络协议栈（软件）网络接口芯片（硬件基础）在嵌入式系统中，往往是将网络芯片连接到处理器的外部总线上。 （3）通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）USB用来解决个人计算机与外部设备的连接问题。高达480Mbit/s的速度USB在嵌入式系统中的典型应用使用嵌入式系统作为USB设备端。嵌入式系统可以像U盘、打印机一样和PC系统通信。将嵌入式系统作为USB主机。嵌入式系统可以像PC一样使用USB设备。两个嵌入式系统可以分别使用USB主机和设备接口实现互联。 USB在嵌入式系统中的使用 （3）USB在嵌入式系统中需要使用特定的USB芯片才能实现USB通信的功能。不少嵌入式处理器芯片中都内置了USB控制器，可以直接使用USB功能。对于没有USB控制器的嵌入式芯片，外接USB控制器是一种通用的手段。 总线原理总线是微处理器核心对外联络沟通的通道。微处理器核心必须通过总线将电气信号传递出去，控制内存、外设的逻辑。内存、外设通过总线接收电气信号，了解微处理器核心的命令，提供适当的响应。 总线协议总线协议不同的总线协议之间需要桥接器（bridge）或是特殊的控制器来进行串联。总线协议包含有各种不同的信号线。信号的沟通方式也不尽相同。数据（data）、地址（address）、控制（control）。 Pentium系统的总线结构系 统 总 线 ： Processor/memory总 线 I/O总 线 ： PCI和 ISA总 线 嵌入式微处理器的总线结构 IXP422系统的总线结构 总线类型在传输协议中是否有参考时钟（clock）不同的总线同步（synchronous）协议在协议中有参考时钟，所有数据的传送都必须根据时钟进行。所有事件都会根据时钟来排定。异步（asynchronous）协议在协议中并不包含时钟，完全以握手（hand shake）的方式来沟通。在信号中通常会伴随着req、ack、ready等信号 同步协议范例 异步协议范例 总线存取方式系统总线协议通常会把连接上的设备分成主组件与从组件。主组件可以主动使用总线，可以先拉起相关的控制信号。主组件需要主动去移动数据。从组件等主组件的通知，才能使用总线。哪个主组件可以先使用总线关系到使用总线的优先级的问题。在某一总线的协议上通常会定义一个仲裁器的设备，用来管理总线使用权的问题。一个仲裁器通常会有granted与request信号。 granted用来通知哪一个主组件可以使用总线，request则是主组件用来向仲裁器提出使用要求的信号。 系 统 总 线 协 议 对 挂 接 在 总 线 上 的 组 件 的 管 理 机 制 菊链式仲裁结构仲裁器依次询问设备（从1到n）是否需要使用总线，直至找到需要使用总线的设备。菊链式仲裁结构己经考虑了设备使用总线的优先级。从设备1到n，使用总线的优先级依次降低。 并行式仲裁结构每个设备有属于自己的granted与request的控制信号，因此，仲裁器必须内置仲裁的算法。仲裁算法与操作系统核心给各任务分享CPU时间的优先调度算法基本上是相通的。例如，有些仲裁器就使用round robin优先级调度的算法。 I/O接口结构、功能及寻址I/O接口的基本结构 I/O接口的功能I/O接口芯片的寻址 I/O接口的基本结构 I/O接口与嵌入式处理器之间通过内部总线交换信息 I/O接口的设计微处理器如何寻址外设的问题I/O接口如何通过系统总线（DB、AB、CB）与微处理器连接，以便使微处理器能够识别多个不同外设的问题。微处理器如何与外设连接的问题I/O接口如何与外设连接，以便使微处理器能够与外设进行数据信息、状态信息和控制信息交换的问题。 I/O外设与CPU之间交换的信息1数据信息2状态信息3控制信息数据信息、控制信息和状态信息的含义各不相同，应分别传送。但实际传送中，都是用输入、输出指令在系统数据线上传送的。状态信息作为一种输入数据，控制信息作为一种输出数据。把状态信息和控制信息当成一种特殊的数据信息通过数据总线在 CPU与I/O接口之间传送。 1数据信息数字量以二进制代码形式表示的数或以ASCII码表示的数或字符。如，由键盘、CRT、打印机及磁盘等I/O外设与CPU交换的信息。模拟量模拟量是随时间变化的连续量。如，温度、压力、电流、位移等。当计算机用于控制系统时，大量的现场信息经过传感器把非电量转换成电量，并经过放大处理得到模拟电压或电流，经过A/D转换器转换后输入计算机。计算机输出的（数字）控制信号经过D/A转换器转 换成模拟量才能去控制执行机构。开关量 1数据信息（续）数字量模拟量开关量由两个状态组成的量。如，开关的断开和闭合、机器的运转与停止、阀门的打开与关闭等。开关量用一位二进制即可表示，故对于字长为8位（或16位）的计算机，一次可输入或输出8个（或16个）开关量。 2状态信息状态信号是反映外设或接口电路当前工作状态的联络信号。状态信号是CPU与I/O外设正确进行数据交换的重要条件。CPU通过对外设状态信号的读取，可得知其工作状态。如，输入设备的数据是否准备好，输出是否空闲。 3控制信息控制信号是CPU用来控制I/O外设（包括I/O接口）工作的各种命令信息。如，CPU发出的读/写信号。 I/O接口的基本结构I/O接口的基本部件：数据寄存器、状态寄存器、控制寄存器、内部定时与控制逻辑。数据寄存器用于寄存CPU与外设之间传输的数据信息，对数据信息的传输起缓冲的作用。状态寄存器用于寄存外设向CPU发出的状态信息，以便于CPU查询，使CPU能够了解外设的当前工作状态。控制寄存器用于寄存CPU向外设发出的控制信息，控制信息可以决定I/O接口的工作方式，可以启动或停止外设的工作等。 I/O接口的功能（1/6）（1）数据缓冲和锁存功能为了协调高速主机与低速外设间的速度不匹配问题，避免数据丢失，接口电路中一般都设有数据锁存器或缓冲器。在输出接口中，一般都要安排锁存环节（如锁存器），以便锁存输出数据，使较慢的外设有足够的时间进行处理，而CPU和总线可以去忙自己的其他工作。在输入接口中，一般要安排缓冲隔离环节（如三态门），只有当CPU选通时，才允许某个选定的输入设备将数据送到系统总线，其他的输入设备此时与数据总线隔离。 I/O接口的功能（2/6）（2）信号转换功能外设所需要的控制信号和它所能提供的状态信号往往和微机的总线信号不兼容，外设的电平和CPU规定的0、1电平不一致，因此，需要信号的转换。信号转换包括CPU的信号与外设的信号在逻辑上、时序配合上以及电平匹配上的转换，这些是接口电路应完成的重要任务之一。 I/O接口的功能（3/6）（3）数据格式变换功能CPU处理的数据均是8位、16位或32位的井行二进制数据，而外设的数据位宽度不一定与CPU总线保持一致，如串行通信设备只能处理串行数据。接口电路应具有相应的数据变换功能。 I/O接口的功能（4/6）（4）接收和执行CPU命令的功能一般CPU对外设的控制命令是以代码形式发送到接口电路的控制寄存器中的，再由接口电路对命令代码进行识别和分析，并产生若干与所连外设相适应的控制信号，并传送到I/O设备，使其产生相应的具体操作。 I/O接口的功能（5/6）（5）设备选择功能微机系统中一般接有多台外设，一种外设又往往要与CPU交换几种信息，因而一个外设接口中通常包含若干个端口，而CPU在同一时间内只能与一个端口交换信息，这时就要借助于接口电路中的地址译码电路对外设进行选择。只有被选中的设备或部件才能与CPU进行数据交换。 I/O接口的功能（6/6）（6）中断管理功能当外设需要及时得到CPU服务时，特别是在出现故障应得到CPU立即处理时，就要求在接口中设有中断控制器或优先级管理电路，使CPU能处理有关的中断事务，中断管理功能不仅使微机系统对外具有实时响应功能，又使CPU与外设并行工作，提高了CPU的工作效率。 I/O接口类型接口电路应根据所连的外设的功能进行设计。I/O接口按功能分类与主机配套的接口中断控制、DMA控制、总线裁决、存储管理、。专用外设接口软盘控制、硬盘控制、显示器控制、键盘控制、。通用I/O控制 定时器、并行I/O接口、串行