嵌入式系統(tǒng)知識(shí)和接口技術(shù)合集2

7、總線電路及信號(hào)驅(qū)動(dòng)

(1)總線是各種信號(hào)線的集合，是嵌入式系統(tǒng)中各部件之間傳送數(shù)據(jù)、地址和控制信息的公共通路。在同一時(shí)刻，每條通路線路上能夠傳輸一位二進(jìn)制信號(hào)。按照總線所傳送的信息類型，可以分為：數(shù)據(jù)總線(DB)、地址總線(AB)和控制總線(CB)。

(2)總線的主要參數(shù)：

總線帶寬：一定時(shí)間內(nèi)總線上可以傳送的數(shù)據(jù)量，一般用MByte/s表示。

總線寬度：總線能同時(shí)傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)(bit)，即人們常說的32位、64位等總線寬度的概念，也叫總線位寬?？偩€的位寬越寬，總線每秒數(shù)據(jù)傳輸率越大，也就是總線帶寬越寬。

總線頻率：工作時(shí)鐘頻率以MHz為單位，工作頻率越高，則總線工作速度越快，也即總線帶寬越寬。

總線帶寬 = 總線位寬×總線頻率/8， 單位是MBps。

常用總線：ISA總線、PCI總線、IIC總線、SPI總線、PC104總線和CAN總線等。

(3)只有具有三態(tài)輸出的設(shè)備才能夠連接到數(shù)據(jù)總線上，常用的三態(tài)門為輸出緩沖器。

(4)當(dāng)總線上所接的負(fù)載超過總線的負(fù)載能力時(shí)，必須在總線和負(fù)載之間加接緩沖器或驅(qū)動(dòng)器，最常用的是三態(tài)緩沖器，其作用是驅(qū)動(dòng)和隔離。

(5)采用總線復(fù)用技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)總線和地址總線的共用。但會(huì)帶來兩個(gè)問題：

A、需要增加外部電路對(duì)總線信號(hào)進(jìn)行復(fù)用解耦，例如：地址鎖存器。

B、總線速度相對(duì)非復(fù)用總線系統(tǒng)低。

(6)兩類總線通信協(xié)議：同步方式、異步方式。

(7)對(duì)總線仲裁問題的解決是以優(yōu)先級(jí)(優(yōu)先權(quán))的概念為基礎(chǔ)。

8、電平轉(zhuǎn)換電路

(1)數(shù)字集成電路可以分為兩大類：雙極型集成電路(TTL)、金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)。

(2)CMOS電路由于其靜態(tài)功耗極低，工作速度較高，抗干擾能力較強(qiáng)，被廣泛使用。

(3)解決TTL與CMOS電路接口困難的辦法是在TTL電路輸出端與電源之間接一上拉電阻R，上拉電阻R的取值由TTL的高電平輸出漏電流IOH來決定，不同系列的TTL應(yīng)選用不同的R值。

9、嵌入式系統(tǒng)中信息表示與運(yùn)算基礎(chǔ)

(1)進(jìn)位計(jì)數(shù)制與轉(zhuǎn)換：這樣比較簡單，也應(yīng)該掌握怎么樣進(jìn)行換算，有出題的可能。

(2)計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示：源碼、反碼與補(bǔ)碼。

正數(shù)的反碼與源碼相同，負(fù)數(shù)的反碼為該數(shù)的源碼除符號(hào)位外按位取反。

正數(shù)的補(bǔ)碼與源碼相同，負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼為該數(shù)的反碼加一。

例如-98的源碼：11100010B

反碼：10011101B

補(bǔ)碼：10011110B

(3)定點(diǎn)表示法：數(shù)的小數(shù)點(diǎn)的位置人為約定固定不變。

浮點(diǎn)表示法：數(shù)的小數(shù)點(diǎn)位置是浮動(dòng)的，它由尾數(shù)部分和階數(shù)部分組成。

任意一個(gè)二進(jìn)制N總可以寫成：N=2P×S。S為尾數(shù)，P為階數(shù)。

(4)漢字表示法，搞清楚GB2318-80中國標(biāo)碼和機(jī)內(nèi)碼的變換。

(5)語音編碼中波形量化參數(shù)(可能會(huì)出簡單的計(jì)算題目哦)

采樣頻率：一秒內(nèi)采樣的次數(shù)，反映了采樣點(diǎn)之間的間隔大小。

人耳的聽覺上限是20kHz，因此40kHz以上的采樣頻率足以使人滿意。

CD唱片采用的采樣頻率是44.1kHz。

測量精度：樣本的量化等級(jí)，目前標(biāo)準(zhǔn)采樣量級(jí)有8位和16位兩種。

聲道數(shù)：單聲道和立體聲雙道。立體聲需要兩倍的存儲(chǔ)空間。

10、差錯(cuò)控制編碼

(1)根據(jù)碼組的功能，可以分為檢錯(cuò)碼和糾錯(cuò)碼兩類。檢錯(cuò)碼是指能自動(dòng)發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)的碼，例如奇偶檢驗(yàn)碼;糾錯(cuò)碼是指不僅能發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)而且能自動(dòng)糾正差錯(cuò)的碼，例如循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。

(2)奇偶檢驗(yàn)碼、海明碼、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC)。

11、差錯(cuò)控制編碼嵌入式系統(tǒng)的度量項(xiàng)目

(1)性能指標(biāo)：分為部件性能指標(biāo)和綜合性能指標(biāo)，主要包括：吞吐率、實(shí)時(shí)性和各種利用率。

(2)可靠性與安全性

可靠性是嵌入式系統(tǒng)最重要、最突出的基本要求，是一個(gè)嵌入式系統(tǒng)能正常工作的保證，一般用平均故障間隔時(shí)間MTBF來度量。

(3)可維護(hù)性：一般用平均修復(fù)時(shí)間MTTR表示。

(4)可用性

(5)功耗

(6)環(huán)境適應(yīng)性

(7)通用性

(8)安全性

(9)保密性

(10)可擴(kuò)展性

性價(jià)比中的價(jià)格，除了直接購買嵌入式系統(tǒng)的價(jià)格外，還應(yīng)包含安裝費(fèi)用、若干年的運(yùn)行維修費(fèi)用和軟件租用費(fèi)。

嵌入式系統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法：測量法和模型法

(1)測量法是最直接最基本的方法，需要解決兩個(gè)問題：

A、根據(jù)研究的目的，確定要測量的系統(tǒng)參數(shù)。

B、選擇測量的工具和方式。

(2)測量的方式有兩種：采樣方式和事件跟蹤方式。

(3)模型法分為分析模型法和模擬模型法。分析模型法是用一些數(shù)學(xué)方程去刻畫系統(tǒng)的模型，而模擬模型法是用模擬程序的運(yùn)行去動(dòng)態(tài)表達(dá)嵌入式系統(tǒng)的狀態(tài)，而進(jìn)行系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析，得出性能指標(biāo)。

(4)分析模型法中使用最多的是排隊(duì)模型，它包括三個(gè)部分：輸入流、排隊(duì)規(guī)則和服務(wù)機(jī)構(gòu)。

(5)使用模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)需要解決3個(gè)問題：設(shè)計(jì)模型、解模型、校準(zhǔn)和證實(shí)模型。

12、接口技術(shù)

1、Flash存儲(chǔ)器

(1)Flash存儲(chǔ)器是一種非易失性存儲(chǔ)器，根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同可以將其分為NOR Flash和NAND Flash兩種。

(2)Flash存儲(chǔ)器的特點(diǎn)：

A、區(qū)塊結(jié)構(gòu)：在物理上分成若干個(gè)區(qū)塊，區(qū)塊之間相互獨(dú)立。

B、先擦后寫：Flash的寫操作只能將數(shù)據(jù)位從1寫成0，不能從0寫成1，所以在對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行寫入之前必須先執(zhí)行擦除操作，將預(yù)寫入的數(shù)據(jù)位初始化為1。擦除操作的最小單位是一個(gè)區(qū)塊，而不是單個(gè)字節(jié)。

C、操作指令：執(zhí)行寫操作，它必須輸入一串特殊指令(NOR Flash)或者完成一段時(shí)序(NAND Flash)才能將數(shù)據(jù)寫入。

D、位反轉(zhuǎn)：由于Flash的固有特性，在讀寫過程中偶爾會(huì)產(chǎn)生一位或幾位的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。位反轉(zhuǎn)無法避免，只能通過其他手段對(duì)結(jié)果進(jìn)行事后處理。

E、壞塊：區(qū)塊一旦損壞，將無法進(jìn)行修復(fù)。對(duì)已損壞的區(qū)塊操作其結(jié)果不可預(yù)測。

(3)NOR Flash的特點(diǎn)：

應(yīng)用程序可以直接在閃存內(nèi)運(yùn)行，不需要再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中運(yùn)行。NOR Flash的傳輸效率很高，在1MB~4MB的小容量時(shí)具有很高的成本效益，但是很低的寫入和擦除速度大大影響了它的性能。

(4)NAND Flash的特點(diǎn)

能夠提高極高的密度單元，可以達(dá)到高存儲(chǔ)密度，并且寫入和擦除的速度也很快，這也是為何所有的U盤都使用NAND Flash作為存儲(chǔ)介質(zhì)的原因。應(yīng)用NAND Flash的困難在于閃存需要特殊的系統(tǒng)接口。

(5)NOR Flash與NAND Flash的區(qū)別：

A、NOR Flash的讀速度比NAND Flash稍快一些。

B、NAND Flash的擦除和寫入速度比NOR Flash快很多

C、NAND Flash的隨機(jī)讀取能力差，適合大量數(shù)據(jù)的連續(xù)讀取。

D、NOR Flash帶有SRAM接口，有足夠的地址引進(jìn)來尋址，可以很容易地存取其內(nèi)部的每一個(gè)字節(jié)。NAND Flash的地址、數(shù)據(jù)和命令共用8位總線(有寫公司的產(chǎn)品使用16位)，每次讀寫都要使用復(fù)雜的I/O接口串行地存取數(shù)據(jù)。

E、NOR Flash的容量一般較小，通常在1MB~8MB之間;NAND Flash只用在8MB以上的產(chǎn)品中。因此，NOR Flash只要應(yīng)用在代碼存儲(chǔ)介質(zhì)中，NAND Flash適用于資料存儲(chǔ)。

F、NAND Flash中每個(gè)塊的最大擦寫次數(shù)是一百萬次，而NOR Flash是十萬次。

G、NOR Flash可以像其他內(nèi)存那樣連接，非常直接地使用，并可以在上面直接運(yùn)行代碼;NAND Flash需要特殊的I/O接口，在使用的時(shí)候，必須先寫入驅(qū)動(dòng)程序，才能繼續(xù)執(zhí)行其他操作。因?yàn)樵O(shè)計(jì)師絕不能向壞塊寫入，這就意味著在NAND Flash上自始至終必須進(jìn)行虛擬映像。

H、NOR Flash用于對(duì)數(shù)據(jù)可靠性要求較高的代碼存儲(chǔ)、通信產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò)處理等領(lǐng)域，被成為代碼閃存;NAND Flash則用于對(duì)存儲(chǔ)容量要求較高的MP3、存儲(chǔ)卡、U盤等領(lǐng)域，被成為數(shù)據(jù)閃存。

2、RAM存儲(chǔ)器

(1)SRAM的特點(diǎn)：

SRAM表示靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，只要供電它就會(huì)保持一個(gè)值，它沒有刷新周期，由觸發(fā)器構(gòu)成基本單元，集成度低，每個(gè)SRAM存儲(chǔ)單元由6個(gè)晶體管組成，因此其成本較高。它具有較高速率，常用于高速緩沖存儲(chǔ)器。

通常SRAM有4種引腳：

CE：片選信號(hào)，低電平有效。

R/W：讀寫控制信號(hào)。

ADDRESS：一組地址線。

DATA：用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊唤M雙向信號(hào)線。

(2)DRAM的特點(diǎn)：

DRAM表示動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。這是一種以電荷形式進(jìn)行存儲(chǔ)的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。它的每個(gè)存儲(chǔ)單元由一個(gè)晶體管和一個(gè)電容器組成，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在電容器中。電容器會(huì)由于漏電而導(dǎo)致電荷丟失，因而DRAM器件是不穩(wěn)定的。它必須有規(guī)律地進(jìn)行刷新，從而將數(shù)據(jù)保存在存儲(chǔ)器中。

DRAM的接口比較復(fù)雜，通常有一下引腳：

CE：片選信號(hào)，低電平有效。

R/W：讀寫控制信號(hào)。

RAS：行地址選通信號(hào)，通常接地址的高位部分。

CAS：列地址選通信號(hào)，通常接地址的低位部分。

ADDRESS：一組地址線。

DATA：用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊唤M雙向信號(hào)線。

(3)SDRAM的特點(diǎn)：

SDRAM表示同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。同步是指內(nèi)存工作需要同步時(shí)鐘，內(nèi)部的命令發(fā)送與數(shù)據(jù)的傳輸都以它為基準(zhǔn);動(dòng)態(tài)是指存儲(chǔ)器陣列需要不斷的刷新來保證數(shù)據(jù)不丟失。它通常只能工作在133MHz的主頻。

(4)DDRAM的特點(diǎn)

DDRAM表示雙倍速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，也稱DDR。DDRAM是基于SDRAM技術(shù)的，SDRAM在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)只傳輸一次數(shù)據(jù)，它是在時(shí)鐘的上升期進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;而DDR內(nèi)存則是一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)傳輸兩次次數(shù)據(jù)，它能夠在時(shí)鐘的上升期和下降期各傳輸一次數(shù)據(jù)。在133MHz的主頻下，DDR內(nèi)存帶寬可以達(dá)到133×64b/8×2=2.1GB/s。

3、硬盤、光盤、CF卡、SD卡

4、GPIO原理與結(jié)構(gòu)

GPIO是I/O的最基本形式，它是一組輸入引腳或輸出引腳。有些GPIO引腳能夠加以編程改變工作方向，通常有兩個(gè)控制寄存器：數(shù)據(jù)寄存器和數(shù)據(jù)方向寄存器。數(shù)據(jù)方向寄存器設(shè)置端口的方向。如果將引腳設(shè)置為輸出，那么數(shù)據(jù)寄存器將控制著該引腳狀態(tài)。若將引腳設(shè)置為輸入，則此輸入引腳的狀態(tài)由引腳上的邏輯電路層來實(shí)現(xiàn)對(duì)它的控制。

5、A/D接口

(1)A/D轉(zhuǎn)換器是把電模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的電路。實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的方法有很多，常用的方法有計(jì)數(shù)法、雙積分法和逐次逼進(jìn)法。

(2)計(jì)數(shù)式A/D轉(zhuǎn)換法

其電路主要部件包括：比較器、計(jì)數(shù)器、D/A轉(zhuǎn)換器和標(biāo)準(zhǔn)電壓源。

其工作原理簡單來說就是，有一個(gè)計(jì)數(shù)器，從0開始進(jìn)行加1計(jì)數(shù)，每進(jìn)行一次加1，該數(shù)值作為D/A轉(zhuǎn)換器的輸入，其產(chǎn)生一個(gè)比較電壓VO與輸入模擬電壓VIN進(jìn)行比較。如果VO小于VIN則繼續(xù)進(jìn)行加1計(jì)數(shù)，直到VO大于VIN，這時(shí)計(jì)數(shù)器的累加數(shù)值就是A/D轉(zhuǎn)換器的輸出值。

這種轉(zhuǎn)換方式的特點(diǎn)是簡單，但是速度比較慢，特別是模擬電壓較高時(shí)，轉(zhuǎn)換速度更慢。例如對(duì)于一個(gè)8位A/D轉(zhuǎn)換器，若輸入模擬量為最大值，計(jì)數(shù)器要從0開始計(jì)數(shù)到255，做255次D/A轉(zhuǎn)換和電壓比較的工作，才能完成轉(zhuǎn)換。

(3)雙積分式A/D轉(zhuǎn)換法

其電路主要部件包括：積分器、比較器、計(jì)數(shù)器和標(biāo)準(zhǔn)電壓源。

其工作原理是，首先電路對(duì)輸入待測電壓進(jìn)行固定時(shí)間的積分，然后換為標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行固定斜率的反向積分，反向積分進(jìn)行到一定時(shí)間，便返回起始值。由于使用固定斜率，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行反向積分的時(shí)間正比于輸入模擬電壓值，輸入模擬電壓越大，反向積分回到起始值的時(shí)間越長。只要用標(biāo)準(zhǔn)的高頻時(shí)鐘脈沖測定反向積分花費(fèi)的時(shí)間，就可以得到相應(yīng)于輸入模擬電壓的數(shù)字量，也就完成了A/D轉(zhuǎn)換。

其特點(diǎn)是，具有很強(qiáng)的抗工頻干擾能力，轉(zhuǎn)換精度高，但轉(zhuǎn)換速度慢，通常轉(zhuǎn)換頻率小于10Hz，主要用于數(shù)字式測試儀表、溫度測量等方面。

(4)逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換法

其電路主要部件包括：比較器、D/A轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器和基準(zhǔn)電壓源。

其工作原理是，實(shí)質(zhì)上就是對(duì)分搜索法，和平時(shí)天平的使用原理一樣。在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，由D/A轉(zhuǎn)換器從高位到低位逐位增加轉(zhuǎn)換位數(shù)，產(chǎn)生不同的輸出電壓，把輸入電壓與輸出電壓進(jìn)行比較而實(shí)現(xiàn)。首先使最高位為1，這相當(dāng)于取出基準(zhǔn)電壓的1/2與輸入電壓比較，如果在輸入電壓小于1/2的基準(zhǔn)電壓，則最高位置0，反之置1。之后，次高位置1，相當(dāng)于在1/2的范圍中再作對(duì)分搜索，以此類推，逐次逼近。

其特點(diǎn)是，速度快，轉(zhuǎn)換精度高，對(duì)N位A/D轉(zhuǎn)換器只需要M個(gè)時(shí)鐘脈沖即可完成，一般可用于測量幾十到幾百微秒的過渡過程的變化，是目前應(yīng)用最普遍的轉(zhuǎn)換方法。

(5)A/D轉(zhuǎn)換的重要指標(biāo)(有可能考一些簡單的計(jì)算)

A、分辨率：反映A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入微小變化響應(yīng)的能力，通常用數(shù)字輸出最低位(LSB)所對(duì)應(yīng)的模擬電壓的電平值表示。n位A/D轉(zhuǎn)換器能反映1/2n滿量程的模擬輸入電平。

B、量程：所能轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓范圍，分為單極性和雙極性兩種類型。

C、轉(zhuǎn)換時(shí)間：完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，其倒數(shù)為轉(zhuǎn)換速率。

D、精度：精度與分辨率是兩個(gè)不同的概念，即使分辨率很高，也可能由于溫漂、線性度等原因使其精度不夠高。精度有絕對(duì)精度和相對(duì)精度兩種表示方法。通常用數(shù)字量的最低有效位LSB的分?jǐn)?shù)值來表示絕對(duì)精度，用其模擬電壓滿量程的百分比來表示相對(duì)精度。

例如，滿量程10V，10位A/D芯片，若其絕對(duì)精度為±1/2LSB，則其最小有效位LSB的量化單位為：10/1024=9.77mv，其絕對(duì)精度為9.77mv/2=4.88mv，相對(duì)精度為：0.048%。

6、D/A接口基本

(1)D/A轉(zhuǎn)換器使將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量。

(2)在集成電路中，通常采用T型網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬電流，再由運(yùn)算放大器將模擬電路轉(zhuǎn)換為模擬電壓。進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換實(shí)際上需要上面的兩個(gè)環(huán)節(jié)。

(3)D/A轉(zhuǎn)換器的分類：

A、電壓輸出型：常作為高速D/A轉(zhuǎn)換器。

B、電流輸出型：一般外接運(yùn)算放大器使用。

C、乘算型：可用作調(diào)制器和使輸入信號(hào)數(shù)字化地衰減。

(4)D/A轉(zhuǎn)換器的主要指標(biāo)：分辨率、建立時(shí)間、線性度、轉(zhuǎn)換精度、溫度系數(shù)。