嵌入式系统基础 第2章--总线、存储器和接口

《嵌入式系统基础 第2章--总线、存储器和接口》由会员分享，可在线阅读，更多相关《嵌入式系统基础 第2章--总线、存储器和接口（89页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、共 页1 第2章 总线、存储器和接口 4学时 本章的主要内容有 1、计算机的总线、数据总线、地址总线 、控制总线的基本概念 2、基本存储电路、存储单元、存储器和 地址的概念 3、存储器的种类 共 页2 4、外部设备及其特点 5、外部设备与主机之间接口电路的功能 6、接口电路的基本构成 7、外设与处理器之间信息传输的控制方式 ：查询、中断与DMA 共 页3 2.1 总线 2.1.1 总线的基本概念 总线是遵照标准制作的用于连接计算 机系统多个部件的信息传输线，在总线上 根据需要随时添加或撤减设备。 按二进制信息位的传送方式，总线有 并行总线和串行总线两种。 共 页4 1、并行总线 并行总线由多条

2、传输线组成，其数目 与被传输数据的位数相同，每条线负责传 输一位二进制代码。 它可以一次同时传输一个多位二进制 代码，因此被称为并行总线。 总线中传输线的数目叫做总线宽度， 如16位、32位、64位等。 共 页5 2、串行总线 多位二进制代码在一根线上一位接着 一位地逐一传输，这样的总线叫做串行总 线。 3、并行总线与串行总线的优缺点 （1）并行总线 速度快；传输线数目多，传输距离短 ； 共 页6 （2）串行总线 传输线数目少，远距离传输；速度慢 。 2.1.2 系统总线 系统总线通常指计算机系统芯片之间 的连接总线。 数据总线（DB）、地址总线（AB）、 控制总线（CB）。 共 页7 1、数

3、据总线 数据总线是在计算机的各个部件之间 传送数据的通路，一般为双向并行总线。 2、地址总线 地址总线用来传送由指令或程序计数 器经地址地址寄存器送出的地址信息。 计算机的地址总线一般为单向并行总 线，决定系统可配置内存的最大容量。 共 页8 3、控制总线 还需要一些传递读/写信号、复位信 号、同步信号之类的控制信息的信号线。 这些用来传递控制信息的信号线放在一起 叫做控制总线。 2.1.3 系统总线结构 无论是总线还是需要挂接的设备，它 们必须符合某一标准总线标准。 共 页9 总线标准就是系统与各模块、模块与 模块之间的一个互连的标准界面。 目前流行的总线标准有以下几种： 1、ISA标准 I

4、SA（Industry Standard Architecture）工业标准体系结构。 81年提出，这个标准在IBM PC/AT（ 80286）机上首先使用，故又称为AT总线。 共 页10 ISA总线的结构如下图所示： 共 页11 ISA是把慢速的I/O总线与高速的存储 器总线分开的一种双总线结构。 ISA总线速度为最高达32 Mbyte/s。 共 页12 2、PCI总线 PCI（Peripheral Component Interconnect）总线。它是目前个人计算 机使用最为广泛的接口，几乎所有的主板 产品上都带有这种插槽。 1991年下半年，Intel公司首先提出了 PCI的概念。 P

5、CI是一种先进的局部总线，它已成为 局部总线的新标准。 共 页13 Pentium系列微机普遍使用该总线， 其特点是通过PCI桥把存储器总线与PCI总 线桥接起来，再由ISA总线控制器与ISA总 线连接起来。而PCI总线则处在中间，用 于挂接磁盘控制器、图形控制器和网卡之 类的高速设备。 PCI总线结构如下： 共 页14 共 页15 PCI总线最高传输率可达1GB/s。 共 页16 3、USB总线 USB（Universal Serial Bus）通用串 行总线接口。主要用于低速外围设备，如 鼠标、操纵杆以及打印机、扫描仪、数码 相机等。 1997年提出，USB总线标准由1.1版升 级到2.0

6、版后，传输率由12Mbps增加到了 480Mbps，更换介质后连接距离由原来的5 米增加到近百米。 共 页17 2.1.4 片内总线 芯片内部在片内各个部件之间传输信 息的总线叫做片内总线。 下面是一个ARM嵌入式处理器芯片内 部总线的示意图。 共 页18 共 页19 2.2 存储器 为了将存储器内的存储装置与处理器 之外的存储装置在名称上区分开来，把处 理器之内的存储装置叫做寄存器，而处理 器之外的存储装置叫做存储器。 处理器之外的存储器又被分为内存 与外存。寄存器、内存与处理器之间的 关系如下所示。 共 页20 2.2.1 半导体存储器的一般结构 共 页21 1、8位片 2、1位片 3、由

7、8位片和1位片构成更大容量 2.2.2 随机读/写存储器 随机读/写存储器（Random Access Memery，RAM）是存储器可随时对其进行读 操作或写操作的存储器。 共 页22 RAM又分为静态RAM和动态RAM两种。 1、静态RAM（SRAM） 静态RAM的基本存储电路如下所示： 共 页23 由于这种存储器在不断电的情况下， 通过数据线写入的数据在下一次写入前不 会丢失，所以叫做静态存储器。 又由于这种存储电路随时可以写入， 又随时可以读出，所以由它构成的存储器 叫做静态随机读/写存储器。 缺点：使用半导体管的数目较多，占 用的芯片面积较大，而且由于总有一个管 子处于导通状态，因此

8、功耗较大。 共 页24 2、动态RAM（DRAM） 为了减少基本存储器电路所占用的芯 片面积，提高存储器芯片的集成度，人们 又设计了一些管子数目较少的基本存储电 路，如4管、3管、单管等存储电路。这种 存储器有一个共同的特点： 都是利用电容来存储信息。 一个单管动态RAM基本存储电路如下： 共 页25 共 页26 优点：价格低廉，功耗低。 缺点：必须配置刷新电路，定时对存 储电路刷新。因此这种存储器叫做动态存 储器。 3、两种RAM的简单比较 （1）速度上 静态RAM比动态RAM高得多。 （2）价格上 共 页27 动态RAM比静态RAM便宜的多，尤其是 在存储器的容量较大时。 4、备份电源 共

9、 页28 2.2.3 只读存储器 ROM（Read Only Memory）。 1、只读存储器ROM 这种芯片在制造过程中，用特殊的方 法把需要保存的数据烧录到了存储器的各 个单元，其内容只能读不能写，因此叫做 只读存储器。 只适合应用在大批量应用的场合。 共 页29 2、可编程的PROM PROM（Programmable ROM）。但只能 写一次，成本比ROM高，一般只适用于少 量需求的场合或产品研发阶段。 3、可擦除可编程的EPROM EPROM（Erasable Programmable ROM ）芯片可重复擦除和写入，解决了PROM芯 片只能写入一次的弊端。 共 页30 EPROM有

10、一个显著特征，芯片上有一个 窗口，透过窗口可以看到内部的集成电路 ，紫外线透过该窗口照射内部芯片就可以 擦除其内部数据。 编程电压一般为：Vpp=1224V。 4、电擦除可编程的E2PROM E2PROM（Electrically Erasable Programmable ROM）。 共 页31 修改以字节为最少修改单位。E2PROM 在写入数据时，只需用厂家提供的专用刷 新程序就可以改写内容，但仍然要使用与 正常供电电压不同的编程电压，所以它属 于双电压芯片。 5、闪存Flash 类似于E2PROM，但它的读写操作都是 在同一个电压下进行的，属于真正的单电 压芯片。 共 页32 擦除时不是

11、以字节为基本单位，而是 以Sector（又称Block）为最小单位，不同 厂家不同。写入时最小单位是字节。 Flash ROM的存储容量普遍大于EPROM ，为512KB8MB。由于价格适中，适合用 来存储程序代码，近年来已逐渐取代了 E2PROM。 共 页33 2.2.4 存储器的逻辑表示 如果存储器已经通过通过译码器与处 理器进行了连接，那么该存储器的各个单 元就有了确定的地址，于是存储器的逻辑 结构图就如下所示： 共 页34 2.3 外部设备及接口 由于信号制度、工作速度等原因，这 些外部设备不能象存储器那样通过总线与 处理器直接连接，所以必须采用一些特定 的电路作为它们之间的中间媒介，

12、把外设 封装成存储器的样子。 这样，处理器就可以把外设按照管 理存储器的方式来处理了。这些中介电 共 页35 路就叫做外设与处理器的接口电路，或I/O 接口。 接口电路的作用如下图所示： 共 页36 2.3.1 外部设备及其特点 由于外设多种多样，在结构、工作方 式、工作速度和信号制度等方面，外部设 备具有与计算机截然不同的特点。 1、信号种类繁多 外部设备主要有以下4种类型信号： （1）数字量 共 页37 （2）模拟量 （3）开关量 （4）脉冲量 2、没有地址 3、工作速度与处理器的工作速度不匹配 2.3.2 I/O接口电路的功能 添加在主机与外部设备之间的电路就 叫做I/O接口电路，简称I

13、/O接口。 共 页38 I/O接口应该具有信号转换、缓冲以及 为外设编址和通信联络等功能。 1、信号转换 作为I/O接口，首先要解决的是主机 与外设的信号不匹配的问题。 （1）电平转换 （2）串并转换 （3）脉冲信号转换 共 页39 （4）模拟信号转换 2、数据缓冲 尽管通过信号转换电路可以实现信号 制度的匹配，但由于外部设备与主机的工 作速度的不匹配，会使外部设备与主机直 接交换信息时产生信息丢失的现象。 在主机与信号转换电路之间添加一 个数据暂存装置，这种装置也叫做数据 缓冲器。 共 页40 共 页41 3、端口的概念 在计算机技术中，人们把接口中每一 个具有地址的寄存器叫做端口。 一个外

14、设可能有多个端口，当然也就 有多个地址。 目前，有两种I/O端口的编址方式： 存储器映像方式和独立I/O方式。 （1）存储器映像方式 共 页42 把I/O端口与存储器的存储单元同等 看待并一起编址的方式就叫做存储器映像 方式。 优点： 一是可以用任何存储器操作指令来操 作I/O端口，程序的编写方便、灵活。 二是可以使外设的数目几乎不受限 制，而只受总存储容量的限制。 共 页43 三是使系统的读/写逻辑比较简单。 缺点： 要占用存储器一部分存储空间，并且 为了识别一个I/O端口，必须对全部地址 线进行译码，增加了译码电路的复杂性， 而且执行外设寻址操作时间较长。 （2）独立I/O方式 共 页44

15、 也叫I/O独立编址方式，即存储器和 I/O端口两者的地址空间互相“独立”，各 自进行编址。 采用这种编址方式，需要在指令系 统中设置单独的访问I/O端口的指令。 2.3.3 I/O设备接口电路的基本结构 一个I/O接口可能的结构如下图所示 ： 共 页45 共 页46 2.3.4外部设备与处理器的联络和数据传输 计算机主机与外部设备主要有三种联 络和数据传输方式：查询方式、中断方式 、DMA方式。 1、查询方式 也叫程序查询方式，它是一种处理 器主动与外部设备进行沟通的联络方式 。 共 页47 查询方式的程序流程图为： 共 页48 缺点：处理器工作效率不高。 2、中断方式 是外部设备进行主动联络的方式。 中断方式工作示意图如下： 共 页49 中断方式避免了高速的处理器因等待 低速的外设而造成的时间浪费，从而大大 提高了处理器的工作效率。 但处理器