嵌入式系统知识和接口技术合集2

7、总线电路及信号驱动

(1)总线是各种信号线的集合，是嵌入式系统中各部件之间传送数据、地址和控制信息的公共通路。在同一时刻，每条通路线路上能够传输一位二进制信号。按照总线所传送的信息类型，可以分为：数据总线(DB)、地址总线(AB)和控制总线(CB)。

(2)总线的主要参数：

　　总线带宽：一定时间内总线上可以传送的数据量，一般用MByte/s表示。

　　总线宽度：总线能同时传送的数据位数(bit)，即人们常说的32位、64位等总线宽度的概念，也叫总线位宽。总线的位宽越宽，总线每秒数据传输率越大，也就是总线带宽越宽。

　　总线频率：工作时钟频率以MHz为单位，工作频率越高，则总线工作速度越快，也即总线带宽越宽。

　　总线带宽 = 总线位宽×总线频率/8， 单位是MBps。

　　常用总线：ISA总线、PCI总线、IIC总线、SPI总线、PC104总线和CAN总线等。

　　

(3)只有具有三态输出的设备才能够连接到数据总线上，常用的三态门为输出缓冲器。

　　

(4)当总线上所接的负载超过总线的负载能力时，必须在总线和负载之间加接缓冲器或驱动器，最常用的是三态缓冲器，其作用是驱动和隔离。

　　

(5)采用总线复用技术可以实现数据总线和地址总线的共用。但会带来两个问题：

　　A、需要增加外部电路对总线信号进行复用解耦，例如：地址锁存器。

　　B、总线速度相对非复用总线系统低。

　　

(6)两类总线通信协议：同步方式、异步方式。

　　

(7)对总线仲裁问题的解决是以优先级(优先权)的概念为基础。

8、电平转换电路

(1)数字集成电路可以分为两大类：双极型集成电路(TTL)、金属氧化物半导体(MOS)。

(2)CMOS电路由于其静态功耗极低，工作速度较高，抗干扰能力较强，被广泛使用。

　　

(3)解决TTL与CMOS电路接口困难的办法是在TTL电路输出端与电源之间接一上拉电阻R，上拉电阻R的取值由TTL的高电平输出漏电流IOH来决定，不同系列的TTL应选用不同的R值。

9、嵌入式系统中信息表示与运算基础

(1)进位计数制与转换：这样比较简单，也应该掌握怎么样进行换算，有出题的可能。

(2)计算机中数的表示：源码、反码与补码。

　　正数的反码与源码相同，负数的反码为该数的源码除符号位外按位取反。

　　正数的补码与源码相同，负数的补码为该数的反码加一。

　　例如-98的源码：11100010B

　　反码：10011101B

　　补码：10011110B

　　

(3)定点表示法：数的小数点的位置人为约定固定不变。

　　浮点表示法：数的小数点位置是浮动的，它由尾数部分和阶数部分组成。

　　任意一个二进制N总可以写成：N=2P×S。S为尾数，P为阶数。

　　

(4)汉字表示法，搞清楚GB2318-80中国标码和机内码的变换。

　　

(5)语音编码中波形量化参数(可能会出简单的计算题目哦)

　　采样频率：一秒内采样的次数，反映了采样点之间的间隔大小。

　　人耳的听觉上限是20kHz，因此40kHz以上的采样频率足以使人满意。

　　CD唱片采用的采样频率是44.1kHz。

　　测量精度：样本的量化等级，目前标准采样量级有8位和16位两种。

　　声道数：单声道和立体声双道。立体声需要两倍的存储空间。

10、差错控制编码

(1)根据码组的功能，可以分为检错码和纠错码两类。检错码是指能自动发现差错的码，例如奇偶检验码;纠错码是指不仅能发现差错而且能自动纠正差错的码，例如循环冗余校验码。

　　

(2)奇偶检验码、海明码、循环冗余校验码(CRC)。

11、差错控制编码嵌入式系统的度量项目

(1)性能指标：分为部件性能指标和综合性能指标，主要包括：吞吐率、实时性和各种利用率。

(2)可靠性与安全性

　　

可靠性是嵌入式系统最重要、最突出的基本要求，是一个嵌入式系统能正常工作的保证，一般用平均故障间隔时间MTBF来度量。

　　

(3)可维护性：一般用平均修复时间MTTR表示。

　　

(4)可用性

　　

(5)功耗

　　

(6)环境适应性

　　

(7)通用性

　　

(8)安全性

　　

(9)保密性

　　

(10)可扩展性

　　

性价比中的价格，除了直接购买嵌入式系统的价格外，还应包含安装费用、若干年的运行维修费用和软件租用费。

嵌入式系统的评价方法：测量法和模型法

(1)测量法是最直接最基本的方法，需要解决两个问题：

　　A、根据研究的目的，确定要测量的系统参数。

　　B、选择测量的工具和方式。

　　

(2)测量的方式有两种：采样方式和事件跟踪方式。

　　

(3)模型法分为分析模型法和模拟模型法。分析模型法是用一些数学方程去刻画系统的模型，而模拟模型法是用模拟程序的运行去动态表达嵌入式系统的状态，而进行系统统计分析，得出性能指标。

　　

(4)分析模型法中使用最多的是排队模型，它包括三个部分：输入流、排队规则和服务机构。

　　

(5)使用模型对系统进行评价需要解决3个问题：设计模型、解模型、校准和证实模型。

12、接口技术

1、Flash存储器

(1)Flash存储器是一种非易失性存储器，根据结构的不同可以将其分为NOR Flash和NAND Flash两种。

　　

(2)Flash存储器的特点：

　　A、区块结构：在物理上分成若干个区块，区块之间相互独立。

　　B、先擦后写：Flash的写操作只能将数据位从1写成0，不能从0写成1，所以在对存储器进行写入之前必须先执行擦除操作，将预写入的数据位初始化为1。擦除操作的最小单位是一个区块，而不是单个字节。

　　C、操作指令：执行写操作，它必须输入一串特殊指令(NOR Flash)或者完成一段时序(NAND Flash)才能将数据写入。

　　D、位反转：由于Flash的固有特性，在读写过程中偶尔会产生一位或几位的数据错误。位反转无法避免，只能通过其他手段对结果进行事后处理。

　　E、坏块：区块一旦损坏，将无法进行修复。对已损坏的区块操作其结果不可预测。

　　

(3)NOR Flash的特点：

　　应用程序可以直接在闪存内运行，不需要再把代码读到系统RAM中运行。NOR Flash的传输效率很高，在1MB~4MB的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。

　　

(4)NAND Flash的特点

　　能够提高极高的密度单元，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快，这也是为何所有的U盘都使用NAND Flash作为存储介质的原因。应用NAND Flash的困难在于闪存需要特殊的系统接口。

　　

(5)NOR Flash与NAND Flash的区别：

　　A、NOR Flash的读速度比NAND Flash稍快一些。

　　B、NAND Flash的擦除和写入速度比NOR Flash快很多

　　C、NAND Flash的随机读取能力差，适合大量数据的连续读取。

　　D、NOR Flash带有SRAM接口，有足够的地址引进来寻址，可以很容易地存取其内部的每一个字节。NAND Flash的地址、数据和命令共用8位总线(有写公司的产品使用16位)，每次读写都要使用复杂的I/O接口串行地存取数据。

　　E、NOR Flash的容量一般较小，通常在1MB~8MB之间;NAND Flash只用在8MB以上的产品中。因此，NOR Flash只要应用在代码存储介质中，NAND Flash适用于资料存储。

　　F、NAND Flash中每个块的最大擦写次数是一百万次，而NOR Flash是十万次。

　　G、NOR Flash可以像其他内存那样连接，非常直接地使用，并可以在上面直接运行代码;NAND Flash需要特殊的I/O接口，在使用的时候，必须先写入驱动程序，才能继续执行其他操作。因为设计师绝不能向坏块写入，这就意味着在NAND Flash上自始至终必须进行虚拟映像。

　　H、NOR Flash用于对数据可靠性要求较高的代码存储、通信产品、网络处理等领域，被成为代码闪存;NAND Flash则用于对存储容量要求较高的MP3、存储卡、U盘等领域，被成为数据闪存。

　　

2、RAM存储器

　　

(1)SRAM的特点：

　　SRAM表示静态随机存取存储器，只要供电它就会保持一个值，它没有刷新周期，由触发器构成基本单元，集成度低，每个SRAM存储单元由6个晶体管组成，因此其成本较高。它具有较高速率，常用于高速缓冲存储器。

　　通常SRAM有4种引脚：

　　CE：片选信号，低电平有效。

　　R/W：读写控制信号。

　　ADDRESS：一组地址线。

　　DATA：用于数据传输的一组双向信号线。

　　

(2)DRAM的特点：

　　DRAM表示动态随机存取存储器。这是一种以电荷形式进行存储的半导体存储器。它的每个存储单元由一个晶体管和一个电容器组成，数据存储在电容器中。电容器会由于漏电而导致电荷丢失，因而DRAM器件是不稳定的。它必须有规律地进行刷新，从而将数据保存在存储器中。

　　DRAM的接口比较复杂，通常有一下引脚：

　　CE：片选信号，低电平有效。

　　R/W：读写控制信号。

　　RAS：行地址选通信号，通常接地址的高位部分。

　　CAS：列地址选通信号，通常接地址的低位部分。

　　ADDRESS：一组地址线。

　　DATA：用于数据传输的一组双向信号线。

　　

(3)SDRAM的特点：

　　SDRAM表示同步动态随机存取存储器。同步是指内存工作需要同步时钟，内部的命令发送与数据的传输都以它为基准;动态是指存储器阵列需要不断的刷新来保证数据不丢失。它通常只能工作在133MHz的主频。

　　

(4)DDRAM的特点

　　DDRAM表示双倍速率同步动态随机存取存储器，也称DDR。DDRAM是基于SDRAM技术的，SDRAM在一个时钟周期内只传输一次数据，它是在时钟的上升期进行数据传输;而DDR内存则是一个时钟周期内传输两次次数据，它能够在时钟的上升期和下降期各传输一次数据。在133MHz的主频下，DDR内存带宽可以达到133×64b/8×2=2.1GB/s。

　　

3、硬盘、光盘、CF卡、SD卡

　　

4、GPIO原理与结构

　　GPIO是I/O的最基本形式，它是一组输入引脚或输出引脚。有些GPIO引脚能够加以编程改变工作方向，通常有两个控制寄存器：数据寄存器和数据方向寄存器。数据方向寄存器设置端口的方向。如果将引脚设置为输出，那么数据寄存器将控制着该引脚状态。若将引脚设置为输入，则此输入引脚的状态由引脚上的逻辑电路层来实现对它的控制。

　　

5、A/D接口

　　

(1)A/D转换器是把电模拟量转换为数字量的电路。实现A/D转换的方法有很多，常用的方法有计数法、双积分法和逐次逼进法。

　　

(2)计数式A/D转换法

　　其电路主要部件包括：比较器、计数器、D/A转换器和标准电压源。

　　其工作原理简单来说就是，有一个计数器，从0开始进行加1计数，每进行一次加1，该数值作为D/A转换器的输入，其产生一个比较电压VO与输入模拟电压VIN进行比较。如果VO小于VIN则继续进行加1计数，直到VO大于VIN，这时计数器的累加数值就是A/D转换器的输出值。

　　这种转换方式的特点是简单，但是速度比较慢，特别是模拟电压较高时，转换速度更慢。例如对于一个8位A/D转换器，若输入模拟量为最大值，计数器要从0开始计数到255，做255次D/A转换和电压比较的工作，才能完成转换。

　　

(3)双积分式A/D转换法

　　其电路主要部件包括：积分器、比较器、计数器和标准电压源。

　　其工作原理是，首先电路对输入待测电压进行固定时间的积分，然后换为标准电压进行固定斜率的反向积分，反向积分进行到一定时间，便返回起始值。由于使用固定斜率，对标准电压进行反向积分的时间正比于输入模拟电压值，输入模拟电压越大，反向积分回到起始值的时间越长。只要用标准的高频时钟脉冲测定反向积分花费的时间，就可以得到相应于输入模拟电压的数字量，也就完成了A/D转换。

　　其特点是，具有很强的抗工频干扰能力，转换精度高，但转换速度慢，通常转换频率小于10Hz，主要用于数字式测试仪表、温度测量等方面。

　　

(4)逐次逼近式A/D转换法

　　其电路主要部件包括：比较器、D/A转换器、逐次逼近寄存器和基准电压源。

　　其工作原理是，实质上就是对分搜索法，和平时天平的使用原理一样。在进行A/D转换时，由D/A转换器从高位到低位逐位增加转换位数，产生不同的输出电压，把输入电压与输出电压进行比较而实现。首先使最高位为1，这相当于取出基准电压的1/2与输入电压比较，如果在输入电压小于1/2的基准电压，则最高位置0，反之置1。之后，次高位置1，相当于在1/2的范围中再作对分搜索，以此类推，逐次逼近。

　　其特点是，速度快，转换精度高，对N位A/D转换器只需要M个时钟脉冲即可完成，一般可用于测量几十到几百微秒的过渡过程的变化，是目前应用最普遍的转换方法。

　　

(5)A/D转换的重要指标(有可能考一些简单的计算)

　　A、分辨率：反映A/D转换器对输入微小变化响应的能力，通常用数字输出最低位(LSB)所对应的模拟电压的电平值表示。n位A/D转换器能反映1/2n满量程的模拟输入电平。

　　B、量程：所能转换的模拟输入电压范围，分为单极性和双极性两种类型。

　　C、转换时间：完成一次A/D转换所需要的时间，其倒数为转换速率。

　　D、精度：精度与分辨率是两个不同的概念，即使分辨率很高，也可能由于温漂、线性度等原因使其精度不够高。精度有绝对精度和相对精度两种表示方法。通常用数字量的最低有效位LSB的分数值来表示绝对精度，用其模拟电压满量程的百分比来表示相对精度。

　　例如，满量程10V，10位A/D芯片，若其绝对精度为±1/2LSB，则其最小有效位LSB的量化单位为：10/1024=9.77mv，其绝对精度为9.77mv/2=4.88mv，相对精度为：0.048%。

　　

6、D/A接口基本

　　

(1)D/A转换器使将数字量转换为模拟量。

　　

(2)在集成电路中，通常采用T型网络实现将数字量转换为模拟电流，再由运算放大器将模拟电路转换为模拟电压。进行D/A转换实际上需要上面的两个环节。

　　

(3)D/A转换器的分类：

　　A、电压输出型：常作为高速D/A转换器。

　　B、电流输出型：一般外接运算放大器使用。

　　C、乘算型：可用作调制器和使输入信号数字化地衰减。

　　

(4)D/A转换器的主要指标：分辨率、建立时间、线性度、转换精度、温度系数。