嵌入式系统基础第2章--总线存储器和接口

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24、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32.1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41、并行总线并行总线由多条传输线组成，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52、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71、数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83、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ISA（IndustryStandardArchitecture）——工业标准体系结构。81年提出，这个标准在IBMPC/AT（80286）机上首先使用，故又称为AT总线。共页10ISA总线的结构如下图所示：共页11ISA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32Mbyte/s。共页122、PCI总线PCI（PeripheralComponentInterconnect）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。PCI是一种先进的局部总线，它已成为局部总线的新标准。共页13Pentium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15PCI总线最高传输率可达1GB/s。共页163、USB总线USB（UniversalSerialBus）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172.1.4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192.2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202.2.1半导体存储器的一般结构共页211、8位片2、1位片3、由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（RandomAccessMemery，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22RAM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，因此功耗较大。共页242、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、备份电源共页282.2.3只读存储器ROM（ReadOnlyMemory）。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292、可编程的PROMPROM（ProgrammableROM）。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EPROMEPROM（ErasableProgrammableROM）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30EPROM有一个显著特征，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=12~24V。4、电擦除可编程的E2PROME2PROM（ElectricallyErasableProgrammableROM）。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。FlashROM的存储容量普遍大于EPROM，为512KB~8MB。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332.2.4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342.3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，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362.3.1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2.3.2I/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/O接口。共页38I/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413、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。2.3.3I/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462.3.4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。但处理器在响应了中断请求后，必须停止现行程序而跳转去执行中断服务程序，并且为了完成I/O设备与主存的信息交换，还不得不占用处理器运行时间和内部寄存器。共页50尤其是I/O设备需要与主存进行大量的信息交换时，这个问题就显得更加突出。设计一个只负责数据传送的装置代替处理器来实现I/O设备与主存之间的数据传输工作，从而使处理器可以去做其它更为重要的工作。按照这种设计思想设计的接口电路就叫做直接存储器数据传输控制器（DMA）。共页51DMA工作示意图如下所示：共页522.4常用接口电路2.4.1并行接口电路Intel8212是一个八位的输入输出接口芯片。共页538212的逻辑结构如下图所示：共页54共页55引脚说明DI0~DI7数据输入DO0~DO7数据输出DS1、DS2片选MD模式STB选通INT中断请求CLR清零共页561、直通式输入接口共页572、有选通的输入接口共页583、输出接口共页594、8212控制信号对输出的控制作用STBMDDS1、DS2数据输出0或100三态0或110数据锁存器001数据锁存器101数据输入0或111数据输出共页608212工作模式的改变是通过改变连线来实现的。当芯片的功能比较多时，这种利用硬件接线来改变芯片的工作模式的方法就变得极为不方便。可编程的芯片。2.4.2串行接口电路1、数据通信方式共页61根据数据传输方向的不同，串行通信方有以下三种方式：（1）单工方式数据始终是从A设备发向B设备。共页62（2）半双工方式数据能双向传输，但在任何时候都不能同时在两个方向上传输。共页63（3）全双工传输允许通信双方同时进行发送和接收。共页642、异步和同步串行通信（1）同步串行通信如果发送和接收双方使用同一个时钟来控制通信，这种通信方式叫做同步串行通信，同步通信要求双方的时钟必须严格一致。（2）异步串行通信共页65如果发送设备和接收设备各自使用自己的时钟来控制通信，这种通信方式叫做异步串行通信，这种通信方式允许双方的时