第4章 嵌入式系统的外围设备

4.1实时时钟4.2存储设备4.3输入设备4.4输出设备4.5外设接口4.6通讯接口4.7本章小结习题第4章嵌入式系统的外围设备4.1实时时钟功能提供可靠的时钟信息，包括时分秒和年月日即使系统处于关机或停电状态，实时时钟通过后备电池供电也能正常继续工作使用一些嵌入式处理器(如S3C2410处理器)芯片内部集成了实时时钟单元；未集成时，则需要外扩实时时钟芯片外围电路：典型的只需要一个高精度的晶振4.2存储设备功能提供执行程序和存储数据所需空间种类RAM和ROM两种特点半导体器件而非磁质材料具有密度大、体积小、访问速度快、性能可靠、使用寿命长的优点，适合于嵌入式应用领域4.2存储设备1.RAM(RandomAccessMemory)内部结构：4×4RAM每个内存单元存储一个位（Bit）的数据使能线+地址线＋rd/wr线控制图4-2RAM内部结构4.2存储设备特点可读可写，读取和写入一样快速上电数据保存，掉电数据丢失作为内存使用。种类SRAMDRAM4.2存储设备(1)SRAM(静态随机存取存储器)内部结构由正反器电路组成S=1、R=0时,输出Q=1S=0、R=1时,输出Q=0每一位存储单元电路需要6个晶体管图4-3SRAM结构4.2存储设备特点数据存取速度较快比较容易和处理器制造在同一个芯片中数据不需实时刷新但成本较高4.2存储设备(2)DRAM(动态随机存取存储器)内部结构存储单元由一个电容和一个晶体管组成解码线使晶体管导通后，通过rd/wr线读取电容电压，或者对电容充放电电容漏电，15.625微秒充电一次图4-4DRAM结构4.2存储设备特点容量较大，约是SRAM的4倍成本低但由于电容的充放电原因，数据需要进行实时刷新操作4.2存储设备2.ROM(Read-OnlyMemory)内部结构存储数据方式利用可规划式接线的短路或断路来实现，具体接线的规划方式由ROM的类型决定使能线+地址线图4-5ROM结构示意图4.2存储设备特点数据可以读取,但不能任意更改掉电情况下数据不会丢失程序可存放在ROM中种类EPROM，EEPROMFlash4.2存储设备(1)EPROM(ErasableProgramEnableRead-OnlyMemory)4.2存储设备内部结构图(a)使用金氧半导体(MOS)具有浮动栅极图(b):电可编程栅极正电压使电子经绝缘体层到达栅极栅极被充电后，源-漏极间为截止状态,形成断路，逻辑输出为0；相反，逻辑输出为1图4-9EPROM结构与工作原理4.2存储设备图(c):紫外线擦除紫外线通过石英窗直接照射栅极的电子又通过绝缘体回到N通道，为防自然光照射，石英窗上粘贴上反光胶布EPROM又可被重新规划图4-9EPROM结构与工作原理图4-10EPROM的外观4.2存储设备特点一种只读存储器电可编程紫外线擦除适合少量生产或是产品开发调试实验4.2存储设备(2)EEPROM(ElectricallyErasableProgrammableRead-OnlyMemory)内部结构与EPROM类似，具有浮动栅极与EPROM不同，源极、漏极、浮动栅极、P型基底接上不同的电压进行写入、擦除和读出见下图4-114.2存储设备图4-11EEPROM结构与工作原理4.2存储设备特点与EPROM类似，电可编程与EPROM不同，电可擦除省去了EPROM擦除需照射紫外线的烦琐程序针对每个存储单元进行擦除操作擦除次数达到一万次以上EEPROM的使用比EPROM更普遍4.2存储设备(3)FlashMemory(闪存)内部结构是EEPROM的延伸产品，也采用浮动栅极原理但其浮动栅极与通道间的距离较短特点数据写入速度快（因为浮动栅极与通道间的距离比较短），故得名“闪存”可以一大块数据直接进行清除，使用方便例：PDA中作为程序存储器，操作系统版本的升级和改变只需重写Flash4.2存储设备种类NOR型FlashNAND型Flash①NOR型闪存读取动作与RAM类似，可直接某个内存空间进行方便的读取操作成本较高每个内存单元(cell)的面积比较大，因此存储容量较小4.2存储设备②NAND型闪存必须通过I/O指令的方式进行读取，因此须通过驱动程序来读取成本较低每个内存单元面积较小，因此存储容量较大常用来制作扩充记忆卡，如CF(CompactFlashCard)存储卡、SD(SecureDigitalCard)卡、MS(MemoryStick)卡、SMC(Smart-MediaCard)卡等4.3输入设备小型键盘触摸屏4.3.1小型键盘功能嵌入式系统的一种常用输入设备例如：收款机系统由几个简单的数字键和功能键组成。4.3.1小型键盘结构：矩阵键盘16个按键接至4条行输出XO～X3和4条列输入YO～Y3上图4-12键盘与键盘控制器电路工作原理示意图节省I/O端口资源4.3.1小型键盘工作原理键盘控制器扫描按键输入(逐行输出，逐列检测)译码消抖按键值存放在寄存器中嵌入式处理器：Polling或Key管脚Interrupt方式检测CS管脚使能从DIO管脚依次读取4.3.2触摸屏功能在液晶屏上叠加一片触摸屏，用触控笔或手指头直接点选按键或输入文字轻薄短小，便于携带，使用方便注：触摸屏与LCD的分辨率和坐标系一般不同，因此触摸屏的位置需要在程序中进行转换变为LCD坐标系中的位置4.3.2触摸屏种类电容式：最早出现表面声波式电阻式：主要产品，市场份额72%XGT式：最新技术，市场份额20%4.3.2触摸屏1.电容式触摸屏工作原理触摸时，人体电场、用户和触摸屏表面形成一耦合电容电容是高频电流直接导体，因此手指从接触点吸走很小的电流流经四个角落电极的电流与手指到四角的距离成正比4.3.2触摸屏特点对大多数的环境污染物有抵抗力人体成为回路的一部分，因而漂移现象比较严重人体戴手套式不起作用需经常校正不适用于金属机柜外界存在电感和磁感的时候，触摸屏失灵4.3.2触摸屏2.表面声波式触摸屏工作原理：物体触摸到表面时，阻碍声波的传输换能器侦测到这个变化，反映给计算机，进而进行鼠标的模拟4.3.2触摸屏特点高清晰度，透光性好高度耐久，抗刮伤性良好一次校正不漂移灰尘、油污使声波不能正常反射，因此需要经常维护，只适合于办公室、机关单位及环境比较清洁的场所4.3.2触摸屏3.电阻式触摸屏工作原理两层导电薄膜，上层可伸缩触碰后上下电极导通，通过电位差计算(X,Y)值图4-13电阻式触摸屏工作原理示意图4.3.2触摸屏特点高解析度，高速传输反应表面硬度处理，减少擦伤、刮伤及防化学处理具有光面及雾面处理一次校正，稳定性高，永不漂移4.3.2触摸屏4.XGT式触摸屏工作原理采用纯玻璃面板将电压连到玻璃基板的4个角落，产生一个电场通过特殊的有线触控笔去触控输入，其它实体碰触不会有反应，电场的变化对应碰触位置4.3.2触摸屏特点结合了电阻式和表面声波式触摸屏的优点—防水、防火、防尘、防刮、抗菌寿命大约是前类产品的100倍左右透光率较透明导电薄膜的提高了15%左右可应用于高温低温以及恶劣环境下被视为当前最具潜力的触摸屏技术4.4输出设备LEDLCD4.4.1LED功能作为电源指示灯、电平指示、工作状态显示或微光源之用种类发光二极管（基本单元）数码管、符号管、米字管、点阵显示屏4.4.1LED1.发光二极管（LED，LightEmittingDiode）工作原理核心是一PN结—正向导通、反向截止还具有发光特性特点耗电少、成本低、配置简单灵活、安装方便、耐振动、寿命常4.4.1LED种类按发光颜色红色、橙色、绿色、蓝光、多色等按出光面特征（形状）圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等按透明性及是否掺散射剂有色透明、无色透明、有色散射和无色散射4.4.1LED2.数码管结构七段条状发光二极管组成“日”字型，实现数字0～9、部分字母和小数点的显示共阳极或共阴极电气连接方式见下图4-144.4.1LED图4-14七段数码管结构原理图4.4.1LED工作原理：以共阴极为例某各发光二极管阳极加上高电平时点亮驱动方式静态驱动：每个数码管用一个并口驱动动态驱动：共一个并口，轮询以节省资源4.4.1LED3.其它LED米字管:显示包括英文字母在内的多种符号符号管:显示+、-或±号等点阵显示屏:(a)(b)图4-15点阵显示屏原理图工作原理与七段数码管类似4.4.2LCD工作原理液晶特性介于固态与液态之间的物质，同时具备固态晶体的光学特性和液态物质的流动特性当液晶被送上电压后，液晶的内部结构会产生扭曲通过液晶的光线因为液晶内部的结构而改变光线的行径4.4.2LCD液晶屏背光板：光源液晶阵列：每一个图案像素用一个液晶单元表示对液晶单元施以不同电压以改变对应像素的光线行径彩色滤光膜：通过液晶阵列的光线经过～后显示指定的三原色RGB两块偏光板：将需要显示的光线，使其不会显示在液晶屏幕上4.4.2LCD特点体积小、重量轻对比CRT低辐射对比CRT4.4.2LCD种类被动式控制电压组件设计在面板的四周反应时间慢，光线输出量较少，动态影像有残影成本偏低（如用于普通的移动电话）主动式每个液晶单元内植入控制电压的组件光输出量大，反应时间快，提供鲜艳的色彩与较好的动态影像制造成本较高（如用于信息家电）4.5外设接口并行接口串行接口I2CI2SUSBIEEE13944.5.1并行接口结构通过由多条数据线组成总线一次可以同时传送多个位的数据例：打印机并口(ParallelPort)特点传输数据量大、速度快、控制简单传输总线的长度受限（过长时，电子线路间将产生电容效应），且抗干扰能力差4.5.1并行接口对比：I2C、I2S、USB、IEEE1394等串行接口线路简单、抗干扰能力强控制也相对复杂4.5.2I2CI2C（Inter－IntegratedCircuit)功能与特点用于连接微控制器和外设ADC、DAC、存储器、LED驱动器、实时时钟等芯片支持多主控通信速度：100Kbit/s、最高400Kbit/s简单，成本低4.5.2I2C组成：两根串行线（均为双向I/O线）串行时钟线（SCL，SerialClockLine）串行数据线（SDL，SerialDataLine）注：通过数据线的软件寻址实现片选减少器件片选线的连接4.5.2I2C工作原理：一次典型工作流程(1)开始：信号表明传输开始(2)地址：主设备发送地址信息（7位从设备地址和1位表明读、写或数据流方向的指示位）(3)数据：根据指示位，数据在主设备和从设备之间传输；数据一般以8位传输，具体传输的数据量无限制；接收器上用一位的ACK（回答信号）表明一个字节已收到；传输可被终止或重新开始(4)停止：信号结束传输4.5.3I2SI2S(Inter-ICSound)功能由SONY和PHILIPS公司等共同推出主要应用于连接数字音频处理设备例如：便携CD机、数字音频处理器等4.5.3I2S组成：3根串行线时钟线（CSK，ContinuousSerialClock）字选择线（WS，WordSelect）指示左通道或右通道的数据将被传输数据通道线（SD，SerialData）分时复用按高有效位MSB到低有效位LSB的顺序传送字长的音频数据MSB总在WS切换后的第一个时钟发送若数据长度不匹配,接收/发送器将截取或填充4.5.3I2S工作时序图4-17I2S总线接口的基本时序4.5.4USBUSB（UniversalSerialBus，通用串行总线）——由COMPAQ、Intel、Microsoft、NEC等厂商共同制定的一种外部设备总