第2章_嵌入式系统硬件基础知识

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第2章 嵌入式系统硬件基础知识

2.1 嵌入式系统硬件概述

数字电路基础

• 信号特征

  • 现代计算机的电子元器件是数字式的，数字式的电子元器件工作状态是二值电平：高电平和低电平。
    • 用"逻辑真"、"1"或"确定"来表示高电平。
    • 用"逻辑假"、"0"或"不确定"来表示低电平。
    • 1和0是互补信号。
  • 根据电路是否有存储功能，将逻辑电路分为：组合逻辑电路和时序逻辑电路。
    • 组合逻辑电路：没有存储功能，输出值仅取决于当前的输入值。
    • 时序逻辑电路：有存储功能，输出值不仅取决于当前的输入值，还取决于电路的当前状态。

• 组合逻辑电路和时序逻辑电路

  • 组合逻辑电路
    • 真值表
    • 布尔代数
      • 布尔代数有三种经典操作符
        • OR("或")操作符
        • AND("与")操作符
        • NOT("非")操作符
    • 门电路
      • 与或非门
    • 译码器
    • 数据选择器和数据分配器
  • 时序逻辑电路
    • 时钟信号
    • 触发器
      • 按时钟控制方式分: 电位触发、边沿触发、主-从触发
      • 按功能分类: 有R-S型、D型、J-K型
    • 寄存器和移位器

• 信号转换

  • 数字集成电路的分类

    • 按开关元件的不同分为
      • 双极性集成电路，采用晶体管作为开关元件。
      • 金属氧化物半导体(Metal-oxide Semicronductor, MOS)集成电路(又称单极性集成电路)，采用绝缘栅型场效应管作为开关元件。
    • 双极性集成电路分类
      • 应用最多的是晶体管-晶体管逻辑电路(Transistor-Transistor Logic, TTL)
        • 开关速度快，抗干扰强，输出能力强。
      • 其他
        • 二极管-三极管逻辑( Diode-Transistor Logic, DTL)
        • 高阈值逻辑( High Threshold Logic, HLT)
        • 发射极耦合(Emitter Coupled Logic, ECL)
          • 主要用于高速、超高速数字系统中。
        • 集成注入逻辑(Integrated Injection Logic, IIL)等。
    • 单极性集成电路分类
      • 按所用MOS管类型的不同分为
        • PMOS
          • 很少使用
        • NMOS
          • 开启电压较低，仍在使用。
        • CMOS
          • 互补型金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS)集成电路，又称互补型MOS集成电路。
          • CMOS电路具有功耗低、抗干扰能力强、可靠性高等优点。
          • CMOS电路广泛应用于数字集成电路中。

  • 常用电平接口技术

    • 目前主流运用这三种集成电路: TTL、CMOS和ECL。
    • TTL和ECL电平转换接口
      • TTL->ECL转换
      • ECL->TTL转换
    • TTL和CMOS电平转换接口
      • TTL->CMOS转换
      • CMOS->TTL转换

• 可编程逻辑器件

  • 为了方便设计集成电路，发明了现场可编程逻辑器件(FPLD)
    • 目前广泛使用的是现场可编程门阵列(FPGA)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)
  • 发展历史
    • 早期可编程逻辑器件只有可编程只读存储器(PROM)、紫外线可擦除可编程只读存储器(EPROM)和电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)三种。
    • 其后出现了结构上稍复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件(PLD)。
      • 典型的PLD由一个与门和或门阵列组成，然后组成任意逻辑门。
      • 这一阶段的产品主要是可编程阵列逻辑器件(PAL)和通用可编程逻辑器件(GAL)
      • 过于简单的结构使得他们只能实现规模较小的电路。
    • 现在可编程逻辑器件已经发展到了可编程门阵列(FPGA)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)。
      • 可实现大规模电路。

嵌入式微处理器基础

• 介绍
  • 处理器的架构分为
    • 冯诺依曼架构
    • 哈佛架构
  • 处理器的指令集分为
    • 复杂指令集(CISC)
    • 精简指令集(CISC)
  • CPU核心部件组成
    • 通用寄存器组
    • 运算器
      • ALU 逻辑运算单元
    • 控制器
      • 程序计数器
      • 程序状态字
      • 指令寄存器
      • 时序部件
    • 现代计算机还融合了 高速缓存cache、流水线等部件。
• 嵌入式微处理器的结构和类型
  • 8位、16位、32位处理器的体系结构特点
    • 常用8位处理器的体系结构特点
      • 低成本、可扩充内存及接口设备等。
    • 常用16位处理器的体系结构特点
    • 常用32位处理器的体系结构特点
      • 32位的地址和数据总线，地址空间达到了4GB。目前主流的微处理器有ARM、MIPS、PowerPC等。
  • DSP处理器的的体系结构特点
    • 内部采用指令和数据分开的哈佛结构
    • 有专门的硬件乘法器
    • 广泛使用流水线
    • 提供特殊的指令，实现数字信号处理算法。
  • 多核处理器的体系结构特点
    • 可分为同构多核和异构多核
      • 同构多核
        • Intel酷睿架构处理器
        • TI keystone架构处理器
      • 异构多核
        • AMD 核显
        • TI OMAP/Davinci处理器
        • Xilinx Zynq处理器
• 嵌入式微处理器的异常和中断
  • 异常: 可分为四类 中断、陷阱、故障、终止
    • 陷阱: 可编程的异常，如系统调用。
    • 故障: 可恢复的错误，如地址越界。
    • 中止: 不可恢复的致命错误，如硬件故障。
  • 中断: 是来自IO设备的信号
    • 硬中断和软中断
      • 硬中断是硬件产生的，如磁盘、网卡、键盘、时钟等。
    • 可屏蔽中断和不可屏蔽中断
    • 中断优先级
    • 中断嵌套

嵌入式系统的存储体系

• 存储系统的层次结构
  • 第一层: CPU寄存器
  • 第二层: 高速缓存cache
  • 第三层: 主存
  • 第四层: 磁盘
  • 第五层: 磁带、光盘
• 内存管理单元
  • MMU提供了保护内存的硬件机制。
  • 内存保护包括两个方面内容
    • 1、防止地址越界
    • 2、防止操作越权
• RAM和ROM的种类和选型
  • RAM 随机存储器: 由地址译码器、存储矩阵和读写控制电路组成。
    • 特点
      • 随机读写
      • 读写速度快
      • 断电后数据丢失
    • 分类 按存储单元的工作原理
      • SRAM 静态存储器
        • 存储单元组成: 静态触发器+门控管
        • 读写速度快，但是容量较小，主要是成本高
        • 多用于高速缓存
      • DRAM 动态存储器
        • 存储单元组成: 电容+访问晶体管
        • 异步工作
        • 多用于主存, 现已被DDR SDRAM取代
      • DDR SDRAM 双倍速率同步动态随机存储器
        • 同步工作即读写和时钟同步
        • 多用于主存
  • ROM 只读存储器
    • 特点
      • 存储信息非易失性
    • 分类
      • PROM 可编程只读存储器
      • EPROM 可擦除可编程只读存储器
      • EEPROM 电可擦可编程只读存储器
      • Flash 闪存
        • 特点
          • 非易失性
          • 可擦除可编程
          • 高密度
          • 低功耗
        • 分类
          • NOR Flash
          • NAND Flash
        • 常用型号
          • SPI Flash
          • eMMC
          • SD卡
• 高速缓存
  • 原理: 程序对内存的访问符合局部性原理
  • 根据工作机制，可分为
    • 回写式Cache
      • 不及时把数据写入到主存中，而是等cache内容要被换下来的时候才写入到主存中。
      • 不保证cache和内存的数据一致性
    • 写通式Cache
      • 当CPU执行写操作时，写入到cache，同时也写入到主存。
• 其他存储设备
  • 快闪存储器 Flash
    • 是EEPROM的变种，区别是EEPROM可以字节读写，而Flash只能按块读写
    • 特点
      • 非易失性
      • 可擦除可编程
      • 高密度
      • 低功耗
    • 分类
      • NOR Flash
        • NOR Flash有SRAM接口，能并入到存储总线。
        • NOR Flash在擦除之前要先将设备都写0，也就是NOR Flash没有写1的功能。
      • NAND Flash
        • 使用复杂的IO口来进行读写，不能直接构成内存。
      • 两者对比
        • NOR的读速度比NAND稍快一些。
        • NAND的写入速度比NOR快很多。
        • NAND的擦除速度远比NOR的快。
        • 大多数写入操作需要先进行擦除操作。
        • NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路更少。
        • NOR FLASH上面可直接运行程序，NAND FLASH上仅可以存储信息。
  • 磁盘、光盘等存储介质
    • 磁盘
    • 光盘
    • CF
    • SD

嵌入式系统I/O

• 通用输入/输出接口
  • 数据寄存器和数据方向寄存器
• 模数/数模转换接口
  • 模数转换接口 ADC
    • 常用方法
      • 计数法
      • 双积分法
      • 逐次逼近法(普遍方法)
        • 速度快，转换精度高
  • 数模转换接口 DAC
    • 两个环节
      • 由DA转换器把数字量转换为模拟电流
      • 由运算放大器把模拟电流转换为模拟电压
• 键盘、显示、触摸屏等接口基本原理与结构
  • 键盘
    • 两种形式
      • 线性键盘
        • 占用IO口多，只适用于按键少的场景
      • 矩阵键盘
        • 又分为 编码键盘 和 非编码键盘
        • 编码键盘
          • 扫描方法：行扫描法、列扫描法、反转法
        • 非编码键盘
          • 用接口芯片来实现
  • 显示
    • LCD
  • 触摸屏
    • 分为表面声波屏、电阻屏、电容屏，红外屏
• 嵌入式系统音频、视频接口
  • 音频接口
    • 音频数据类型
      • PCM
      • MP3
      • AC3
    • IIS音频接口总线
      • 三根线: 数据线、字段选择线、时钟线
  • 视频接口
    • VGA接口
    • CVBS接口
    • S-Video接口
    • 分量视频接口
    • DVI接口
    • HDMI接口
      • 基于DVI，在此基础上加了音频信号接口
• 输入/输出控制

定时器和计数器

• 硬件定时器
  • 操作系统内部的定时器
• 软件定时器
  • 用户使用的软件定时
• 可编程间隔定时器

嵌入式系统总线及通信接口

• PCI、PCI-E等接口基本原理与结构
  • PCI
    • 高速性
    • 即插即用性
    • 可靠性
    • 复杂性
    • 自动配置
    • 共享中断
    • 扩展性好
    • 多路复用
    • 严格规范
  • PCI-E
  • EISA
  • VME
  • CPCI
  • PCMCIA
• USB、串口等基本原理与结构
  • USB
  • 串口
    • RS-232C串口
    • RS-485串口
  • 红外
  • 并口
    • IEEE 488
    • SCSI
    • MXI
  • SPI
    • SPI概述
    • SPI接口特点
      • MOSI
      • MISO
      • SCK
      • CS
  • IIC
    • IIC特点
      • 两根信号线 SDA和SCL
      • 需要地址
      • 主从双向通信
  • IEEE 1394
  • CAN
• 以太网、WLAN等基本原理与结构
  • 以太网
  • WLAN
  • 蓝牙
  • ZigBee
  • WIFI
  • GPRS
  • 3G
  • AFDX
  • FC
• Rapid IO等基本原理与结构

嵌入式SoC

• Virtex系列
• Spartan系列