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1、第3章 嵌入式硬件平台 第3章 嵌入式硬件平台 第3章 嵌入式硬件平台 引引 言言嵌入式系统的硬件除了核心部件嵌入式系统的硬件除了核心部件嵌嵌入式处理器外，还包括存储器系统、外围接入式处理器外，还包括存储器系统、外围接口部件以及连接各种设备的总线系统。其中，口部件以及连接各种设备的总线系统。其中，存储器是嵌入式系统存放数据和程序的功能存储器是嵌入式系统存放数据和程序的功能部件，而外围设备则决定了应用于不同领域部件，而外围设备则决定了应用于不同领域的嵌入式系统的独特功能。的嵌入式系统的独特功能。第3章 嵌入式硬件平台 3.2 嵌入式硬件平台概述嵌入式硬件平台概述嵌入式系统的硬件是以嵌入式处理器为
2、嵌入式系统的硬件是以嵌入式处理器为中心，由存储器、中心，由存储器、I/O单元电路、通信模块、单元电路、通信模块、外部设备等必要的辅助接口组成的。外部设备等必要的辅助接口组成的。第3章 嵌入式硬件平台 嵌入式系统的硬件组成第3章 嵌入式硬件平台 电源电源大多数嵌入式系统本身都有电源，且电源的供大多数嵌入式系统本身都有电源，且电源的供电方式具有一种特定的电压范围。嵌入式系统中各电方式具有一种特定的电压范围。嵌入式系统中各个单元的电压范围有四种：个单元的电压范围有四种：5.00.25 V、3.30.3 V、2.00.2 V和和1.50.2V。此外，嵌入式系统微。此外，嵌入式系统微控制器中的电可擦可编
3、程只读存储器控制器中的电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、RS-232串行接口，均需要提供串行接口，均需要提供120.2 V的电压。的电压。第3章 嵌入式硬件平台 时钟时钟在嵌入式系统中，处理器需要有一个时钟振荡在嵌入式系统中，处理器需要有一个时钟振荡(clock oscillator)电路。时钟控制着电路。时钟控制着CPU、系统定、系统定时器和时器和CPU机器周期的各种时序需求。机器周期的各种时序需求。嵌入式系统通常为了节省电路，把时钟电路集嵌入式系统通常为了节省电路，把时钟电路集成在嵌入式处理器上，外面只需要接晶体即可。嵌成在嵌入式处理器上，外面只需要接晶体即可。嵌入式系统的时钟电路一
4、般有以下几种形式：入式系统的时钟电路一般有以下几种形式：RC时时钟、石英晶体、石英振荡器、锁相倍频时钟和多时钟、石英晶体、石英振荡器、锁相倍频时钟和多时钟源。钟源。第3章 嵌入式硬件平台 复位复位1复位电路概述复位电路概述嵌入式处理器的复位电路就是使处理器从起始嵌入式处理器的复位电路就是使处理器从起始地址开始执行指令。这个起始地址是处理器程序计地址开始执行指令。这个起始地址是处理器程序计数器数器(x86系列处理器中是指令指针和代码段寄存器系列处理器中是指令指针和代码段寄存器)加电时的默认设置。处理器复位之后，从存储器加电时的默认设置。处理器复位之后，从存储器的这个地址开始取程序指令。的这个地址
5、开始取程序指令。第3章 嵌入式硬件平台 2阻容复位电路阻容复位电路第3章 嵌入式硬件平台 3手动复位电路手动复位电路手动复位电路一般配合自动复位电路工作。通常的处理手动复位电路一般配合自动复位电路工作。通常的处理器复位比较方便的设计是阻容复位，有时为配合设计，增加器复位比较方便的设计是阻容复位，有时为配合设计，增加了手动复位的功能。通常的设计是手动复位开关产生的复位了手动复位的功能。通常的设计是手动复位开关产生的复位信号接在复位电路上，而不是直接接在处理器的复位信号输信号接在复位电路上，而不是直接接在处理器的复位信号输入端上。复位开关通过复位电路产生信号的优点是信号的波入端上。复位开关通过复位
6、电路产生信号的优点是信号的波形比较好，并且复位电路可以去掉开关的抖动。形比较好，并且复位电路可以去掉开关的抖动。第3章 嵌入式硬件平台 4专用复位电路专用复位电路阻容复位电路的优点是成本低、电路简单，但是功能比阻容复位电路的优点是成本低、电路简单，但是功能比较弱，而专用复位电路是一种专用的集成电路。由于嵌入式较弱，而专用复位电路是一种专用的集成电路。由于嵌入式处理器和智能芯片有的是高电平复位，有的是低电平复位，处理器和智能芯片有的是高电平复位，有的是低电平复位，因此有的专用复位电路设计了两种复位信号的输出端。因此有的专用复位电路设计了两种复位信号的输出端。专用复位电路专用复位电路(如如maxi
7、m公司的产品公司的产品)把诸如电压监视、把诸如电压监视、电池监视等电路功能集成在一起，成为处理器监视电路。图电池监视等电路功能集成在一起，成为处理器监视电路。图3-29所示为专用复位电路的功能图。图中输出复位脉冲信号所示为专用复位电路的功能图。图中输出复位脉冲信号Reset和和Reset*，分别支持高电平复位和低电平复位，输入，分别支持高电平复位和低电平复位，输入可外接复位开关。可外接复位开关。第3章 嵌入式硬件平台 5看门狗复位电路看门狗复位电路如果嵌入式系统的工作环境比较恶劣，则处理器运行过如果嵌入式系统的工作环境比较恶劣，则处理器运行过程中可能出现死机和跑飞的情况，这时需要使处理器强制复
8、程中可能出现死机和跑飞的情况，这时需要使处理器强制复位。强制复位可以使用看门狗复位电路。位。强制复位可以使用看门狗复位电路。看门狗复位电路是一个定时设备，会在事先定义超时之看门狗复位电路是一个定时设备，会在事先定义超时之后将系统复位。这个时间通常是配置好的，看门狗定时器在后将系统复位。这个时间通常是配置好的，看门狗定时器在加电后的前几个时钟周期内被激活。在许多嵌入式系统中，加电后的前几个时钟周期内被激活。在许多嵌入式系统中，通过看门狗定时器进行复位是最基本的要求。当系统产生错通过看门狗定时器进行复位是最基本的要求。当系统产生错误或者程序中断之后，它会帮助恢复系统。重新启动后，系误或者程序中断之
9、后，它会帮助恢复系统。重新启动后，系统可以正常运行。大多数的微控制器都有片上看门狗定时器。统可以正常运行。大多数的微控制器都有片上看门狗定时器。第3章 嵌入式硬件平台 6软件复位电路软件复位电路软件复位的方法是通过软件设置一个特殊功能寄存器的软件复位的方法是通过软件设置一个特殊功能寄存器的相应位来完成控制器复位的，复位结构和硬件复位一样。软相应位来完成控制器复位的，复位结构和硬件复位一样。软件复位后件复位后,程序从复位向量处开始运行。例如，程序从复位向量处开始运行。例如，L87LPC76X系列在软件复位后，程序从系列在软件复位后，程序从0000H处开始运行。处开始运行。需要指出的是，嵌入式微控
10、制器在软件复位后转入需要指出的是，嵌入式微控制器在软件复位后转入0000H处处的指令与程序直接跳转到的指令与程序直接跳转到0000H处执行指令的结果是不同的。处执行指令的结果是不同的。软件复位后，控制器的其他寄存器也被初始化成复位状态；软件复位后，控制器的其他寄存器也被初始化成复位状态；而直接跳转到而直接跳转到0000H处执行指令却不会初始化微控制器的硬处执行指令却不会初始化微控制器的硬件寄存器。件寄存器。第3章 嵌入式硬件平台 模模/数转换器和数数转换器和数/模转换器模转换器模/数(A/D)转换器和数/模(D/A)转换器是非数字设备(即模拟信号源)和嵌入式系统之间联系的接口。D/A转换相对简
11、单，转换器接口仅包括输入值，输入值被连续转换成模拟信号。A/D转换器是将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便计算机和数字系统进行处理、存储、控制和显示。A/D转换需要更复杂的电路，所以也需要更复杂的接口。A/D转换在将模拟输入转换为数字形式前需要对模拟输入进行采样。控制信号使得A/D转换器进行采样并将其数字化。第3章 嵌入式硬件平台 2ADC0809的引脚 第3章 嵌入式硬件平台 第3章 嵌入式硬件平台 人机接口设备人机接口设备1键盘键盘键盘是标准的输入设备，键盘可以用来输入数字型数据或者选择控制设备的操作模式。键盘主要由一个开关阵列组成，此外还包括一些逻辑电路来简化它到微处理器的接口。开关
12、使用机械接触实现断开或接触电路，如图所示。第3章 嵌入式硬件平台 图3-15 简单的开关电路 第3章 嵌入式硬件平台 机械开关的主要问题是图3-16所示的颤动。图3-16 开关颤动 第3章 嵌入式硬件平台 扫描键盘阵列第3章 嵌入式硬件平台 第3章 嵌入式硬件平台 2显示器显示器多个数字显示器第3章 嵌入式硬件平台 通通 信信 设设 备备 通用异步收发器通用异步收发器通用异步收发器通用异步收发器(Universal Asynchronous Receiver and Transmitter，UART)是用于控制计算机与串行设备的接口。是用于控制计算机与串行设备的接口。1数据通信模式数据通信模式
13、数据通信是两台数字设备之间的数据传输。从不同的角数据通信是两台数字设备之间的数据传输。从不同的角度划分，数据通信方式大致可以分为双工通信、串行和并行度划分，数据通信方式大致可以分为双工通信、串行和并行通信、同步和异步通信。通信、同步和异步通信。1)双工通信双工通信双工通信是对相互通信的两台通信设备之间数据流向的双工通信是对相互通信的两台通信设备之间数据流向的描述。双工通信包括单工、半双工和全双工三种方式。双工描述。双工通信包括单工、半双工和全双工三种方式。双工通信方式的结构如图所示。通信方式的结构如图所示。第3章 嵌入式硬件平台 第3章 嵌入式硬件平台 存存 储储 设设 备备 分级存储器系统第
14、3章 嵌入式硬件平台 I/O 设设 备备 定时器定时器/计数器计数器所有的嵌入式处理器都集成了定时器/计数器单元，系统中至少有一个定时器设备用作系统时钟。定时器和计数器都是由带有保存当前值的寄存器和可令当前寄存器值加1的增量输入的加法器逻辑电路组成的。但是，定时器和计数器的用处不同，主要体现在：定时器的计数装置是连到周期性时钟信号上的，用来测量时间间隔；而计数器的计数装置是连到非周期性信号上的，用来计算外部事件的发生次数。因为同样的逻辑电路可以有这两种使用方式，所以该设备经常被称为“定时器/计数器”。第3章 嵌入式硬件平台 嵌入式处理器上的定时器/计数器通常具有以下功能：(1)嵌入式操作系统的任务调度，特别是具有时间片轮转调度功能的嵌入式操作系统的任务调度，必须使用定时器产生时间片。(2)嵌入式操作系统的软件时钟需要基于硬件定时器产生定时信号。(3)通信电路的波特率发生器。(4)实时时钟电路。(5)集成的片上A/D转换和D/A转换电路。(6)具有液晶控制器的嵌入式处理器，用于液晶屏的刷新。第3章 嵌入式硬件平台(7)处理器监控电路，如看门狗等。(8)集成的动态存储器控制器，用于动态存储器的刷新。图3-14展示了定时器/计数器的内部结构。第3章 嵌入式硬件平台 定时器/计数器的内部结构