詳解嵌入式系統知識和接口技術(shù)總結

　　八、電平轉換電路

　　數字集成電路可以分為兩大類(lèi)：雙極型集成電路(TTL)、金屬氧化物半導體(MOS)。

　　CMOS電路由于其靜態(tài)功耗極低，工作速度較高，抗干擾能力較強，被廣泛使用。

　　解決TTL與CMOS電路接口困難的辦法是在TTL電路輸出端與電源之間接一上拉電阻R，上拉電阻R的取值由TTL的高電平輸出漏電流IOH來(lái)決定，不同系列的TTL應選用不同的R值。

　　九、嵌入式系統中信息表示與運算基礎

　　進(jìn)位計數制與轉換：這樣比較簡(jiǎn)單，也應該掌握怎么樣進(jìn)行換算，有出題的可能。

　　計算機中數的表示：源碼、反碼與補碼。

　　正數的反碼與源碼相同，負數的反碼為該數的源碼除符號位外按位取反。

　　正數的補碼與源碼相同，負數的補碼為該數的反碼加一。

　　例如-98的源碼：11100010B

　　反碼：10011101B

　　補碼：10011110B

　　定點(diǎn)表示法：數的小數點(diǎn)的位置人為約定固定不變。

　　浮點(diǎn)表示法：數的小數點(diǎn)位置是浮動(dòng)的，它由尾數部分和階數部分組成。

　　任意一個(gè)二進(jìn)制N總可以寫(xiě)成：N=2P×S。S為尾數，P為階數。

　　漢字表示法，搞清楚GB2318-80中國標碼和機內碼的變換。

　　語(yǔ)音編碼中波形量化參數(可能會(huì )出簡(jiǎn)單的計算題目哦)

　　采樣頻率：一秒內采樣的次數，反映了采樣點(diǎn)之間的間隔大小。

　　人耳的聽(tīng)覺(jué)上限是20kHz，因此40kHz以上的采樣頻率足以使人滿(mǎn)意。

　　CD唱片采用的采樣頻率是44.1kHz。

　　測量精度：樣本的量化等級，目前標準采樣量級有8位和16位兩種。

　　聲道數：?jiǎn)温暤篮土Ⅲw聲雙道。立體聲需要兩倍的存儲空間。

　　十、差錯控制編碼

　　根據碼組的功能，可以分為檢錯碼和糾錯碼兩類(lèi)。檢錯碼是指能自動(dòng)發(fā)現差錯的碼，例如奇偶檢驗碼;糾錯碼是指不僅能發(fā)現差錯而且能自動(dòng)糾正差錯的碼，例如循環(huán)冗余校驗碼。

　　奇偶檢驗碼、海明碼、循環(huán)冗余校驗碼(CRC)。

　　十一、嵌入式系統的度量項目

　　性能指標：分為部件性能指標和綜合性能指標，主要包括：吞吐率、實(shí)時(shí)性和各種利用率。

　　可靠性與安全性

　　可靠性是嵌入式系統最重要、最突出的基本要求，是一個(gè)嵌入式系統能正常工作的保證，一般用平均故障間隔時(shí)間MTBF來(lái)度量。

　　可維護性：一般用平均修復時(shí)間MTTR表示。

　　可用性

　　功耗

　　環(huán)境適應性

　　通用性

　　安全性

　　保密性

　　可擴展性

　　性?xún)r(jià)比中的價(jià)格，除了直接購買(mǎi)嵌入式系統的價(jià)格外，還應包含安裝費用、若干年的運行維修費用和軟件租用費。

　　嵌入式系統的評價(jià)方法：測量法和模型法

　　測量法是最直接最基本的方法，需要解決兩個(gè)問(wèn)題：

　　A、根據研究的目的，確定要測量的系統參數。

　　B、選擇測量的工具和方式。

　　測量的方式有兩種：采樣方式和事件跟蹤方式。

　　模型法分為分析模型法和模擬模型法。分析模型法是用一些數學(xué)方程去刻畫(huà)系統的模型，而模擬模型法是用模擬程序的運行去動(dòng)態(tài)表達嵌入式系統的狀態(tài)，而進(jìn)行系統統計分析，得出性能指標。

　　分析模型法中使用最多的是排隊模型，它包括三個(gè)部分：輸入流、排隊規則和服務(wù)機構。

　　使用模型對系統進(jìn)行評價(jià)需要解決3個(gè)問(wèn)題：設計模型、解模型、校準和證實(shí)模型。

　　十二、接口技術(shù)

　　Flash存儲器

　　(1)Flash存儲器是一種非易失性存儲器，根據結構的不同可以將其分為NOR Flash和NAND Flash兩種。

　　(2)Flash存儲器的特點(diǎn)：

　　A、區塊結構：在物理上分成若干個(gè)區塊，區塊之間相互獨立。

　　B、先擦后寫(xiě)：Flash的寫(xiě)操作只能將數據位從1寫(xiě)成0，不能從0寫(xiě)成1，所以在對存儲器進(jìn)行寫(xiě)入之前必須先執行擦除操作，將預寫(xiě)入的數據位初始化為1。擦除操作的最小單位是一個(gè)區塊，而不是單個(gè)字節。

　　C、操作指令：執行寫(xiě)操作，它必須輸入一串特殊指令(NOR Flash)或者完成一段時(shí)序(NAND Flash)才能將數據寫(xiě)入。

　　D、位反轉：由于Flash的固有特性，在讀寫(xiě)過(guò)程中偶爾會(huì )產(chǎn)生一位或幾位的數據錯E、壞塊：區塊一旦損壞，將無(wú)法進(jìn)行修復。對已損壞的區塊操作其結果不可預測。

　　(3)NOR Flash的特點(diǎn)：

　　應用程序可以直接在閃存內運行，不需要再把代碼讀到系統RAM中運行。NOR Flash的傳輸效率很高，在1MB~4MB的小容量時(shí)具有很高的成本效益，但是很低的寫(xiě)入和擦除速度大大影響了它的性能。

　　(4)NAND Flash的特點(diǎn)

　　能夠提高極高的密度單元，可以達到高存儲密度，并且寫(xiě)入和擦除的速度也很快，這也是為何所有的U盤(pán)都使用NAND Flash作為存儲介質(zhì)的原因。應用NAND Flash的困難在于閃存需要特殊的系統接口。

　　(5)NOR Flash與NAND Flash的區別：

　　A、NOR Flash的讀速度比NAND Flash稍快一些。

　　B、NAND Flash的擦除和寫(xiě)入速度比NOR Flash快很多

　　C、NAND Flash的隨機讀取能力差，適合大量數據的連續讀取。

　　D、NOR Flash帶有SRAM接口，有足夠的地址引進(jìn)來(lái)尋址，可以很容易地存取其內部的每一個(gè)字節。NAND Flash的地址、數據和命令共用8位總線(xiàn)(有寫(xiě)公司的產(chǎn)品使用16位)，每次讀寫(xiě)都要使用復雜的I/O接口串行地存取數據。

　　E、NOR Flash的容量一般較小，通常在1MB~8MB之間;NAND Flash只用在8MB以上的產(chǎn)品中。因此，NOR Flash只要應用在代碼存儲介質(zhì)中，NAND Flash適用于資料存儲。

　　F、NAND Flash中每個(gè)塊的最大擦寫(xiě)次數是一百萬(wàn)次，而NOR Flash是十萬(wàn)次。

　　G、NOR Flash可以像其他內存那樣連接，非常直接地使用，并可以在上面直接運行代碼;NAND Flash需要特殊的I/O接口，在使用的時(shí)候，必須先寫(xiě)入驅動(dòng)程序，才能繼續執行其他操作。因為設計師絕不能向壞塊寫(xiě)入，這就意味著(zhù)在NAND Flash上自始至終必須進(jìn)行虛擬映像。

　　H、NOR Flash用于對數據可靠性要求較高的代碼存儲、通信產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò )處理等領(lǐng)域，被成為代碼閃存;NAND Flash則用于對存儲容量要求較高的MP3、存儲卡、U盤(pán)等領(lǐng)域，被成為數據閃存。

　　2、RAM存儲器

　　(1)SRAM的特點(diǎn)：

　　SRAM表示靜態(tài)隨機存取存儲器，只要供電它就會(huì )保持一個(gè)值，它沒(méi)有刷新周期，由觸發(fā)器構成基本單元，集成度低，每個(gè)SRAM存儲單元由6個(gè)晶體管組成，因此其成本較高。它具有較高速率，常用于高速緩沖存儲器。

　　通常SRAM有4種引腳：

　　CE：片選信號，低電平有效。

　　R/W：讀寫(xiě)控制信號。

　　ADDRESS：一組地址線(xiàn)。

　　DATA：用于數據傳輸的一組雙向信號線(xiàn)。

　　(2)DRAM的特點(diǎn)：

　　DRAM表示動(dòng)態(tài)隨機存取存儲器。這是一種以電荷形式進(jìn)行存儲的半導體存儲器。它的每個(gè)存儲單元由一個(gè)晶體管和一個(gè)電容器組成，數據存儲在電容器中。電容器會(huì )由于漏電而導致電荷丟失，因而DRAM器件是不穩定的。它必須有規律地進(jìn)行刷新，從而將數據保存在存儲器中。

　　DRAM的接口比較復雜，通常有一下引腳：

　　CE：片選信號，低電平有效。

　　R/W：讀寫(xiě)控制信號。

　　RAS：行地址選通信號，通常接地址的高位部分。

　　CAS：列地址選通信號，通常接地址的低位部分。

　　ADDRESS：一組地址線(xiàn)。

　　DATA：用于數據傳輸的一組雙向信號線(xiàn)。

　　(3)SDRAM的特點(diǎn)：

　　SDRAM表示同步動(dòng)態(tài)隨機存取存儲器。同步是指內存工作需要同步時(shí)鐘，內部的命令發(fā)送與數據的傳輸都以它為基準;動(dòng)態(tài)是指存儲器陣列需要不斷的刷新來(lái)保證數據不丟失。它通常只能工作在133MHz的主頻。

　　(4)DDRAM的特點(diǎn)

　　DDRAM表示雙倍速率同步動(dòng)態(tài)隨機存取存儲器，也稱(chēng)DDR。DDRAM是基于SDRAM技術(shù)的，SDRAM在一個(gè)時(shí)鐘周期內只傳輸一次數據，它是在時(shí)鐘的上升期進(jìn)行數據傳輸;而DDR內存則是一個(gè)時(shí)鐘周期內傳輸兩次次數據，它能夠在時(shí)鐘的上升期和下降期各傳輸一次數據。在133MHz的主頻下，DDR內存帶寬可以達到133×64b/8×2=2.1GB/s。

　　3、硬盤(pán)、光盤(pán)、CF卡、SD卡

　　4、GPIO原理與結構

　　GPIO是I/O的最基本形式，它是一組輸入引腳或輸出引腳。有些GPIO引腳能夠加以編程改變工作方向，通常有兩個(gè)控制寄存器：數據寄存器和數據方向寄存器。數據方向寄存器設置端口的方向。

　　如果將引腳設置為輸出，那么數據寄存器將控制著(zhù)該引腳狀態(tài)。若將引腳設置為輸入，則此輸入引腳的狀態(tài)由引腳上的邏輯電路層來(lái)實(shí)現對它的控制。

　　5、A/D接口

　　(1)A/D轉換器是把電模擬量轉換為數字量的電路。實(shí)現A/D轉換的方法有很多，常用的方法有計數法、雙積分法和逐次逼進(jìn)法。

　　(2)計數式A/D轉換法

　　其電路主要部件包括：比較器、計數器、D/A轉換器和標準電壓源。

　　其工作原理簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是，有一個(gè)計數器，從0開(kāi)始進(jìn)行加1計數，每進(jìn)行一次加1，該數值作為D/A轉換器的輸入，其產(chǎn)生一個(gè)比較電壓VO與輸入模擬電壓VIN進(jìn)行比較。如果VO小于VIN則繼續進(jìn)行加1計數，直到VO大于VIN，這時(shí)計數器的累加數值就是A/D轉換器的輸出值。

　　這種轉換方式的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單，但是速度比較慢，特別是模擬電壓較高時(shí)，轉換速度更慢。例如對于一個(gè)8位A/D轉換器，若輸入模擬量為最大值，計數器要從0開(kāi)始計數到255，做255次D/A轉換和電壓比較的工作，才能完成轉換。

　　(3)雙積分式A/D轉換法

　　其電路主要部件包括：積分器、比較器、計數器和標準電壓源。

　　其工作原理是，首先電路對輸入待測電壓進(jìn)行固定時(shí)間的積分，然后換為標準電壓進(jìn)行固定斜率的反向積分，反向積分進(jìn)行到一定時(shí)間，便返回起始值。

　　由于使用固定斜率，對標準電壓進(jìn)行反向積分的時(shí)間正比于輸入模擬電壓值，輸入模擬電壓越大，反向積分回到起始值的時(shí)間越長(cháng)。只要用標準的高頻時(shí)鐘脈沖測定反向積分花費的時(shí)間，就可以得到相應于輸入模擬電壓的數字量，也就完成了A/D轉換。

　　其特點(diǎn)是，具有很強的抗工頻干擾能力，轉換精度高，但轉換速度慢，通常轉換頻率小于10Hz，主要用于數字式測試儀表、溫度測量等方面。

　　(4)逐次逼近式A/D轉換法

　　其電路主要部件包括：比較器、D/A轉換器、逐次逼近寄存器和基準電壓源。

　　其工作原理是，實(shí)質(zhì)上就是對分搜索法，和平時(shí)天平的使用原理一樣。在進(jìn)行A/D轉換時(shí)，由D/A轉換器從高位到低位逐位增加轉換位數，產(chǎn)生不同的輸出電壓，把輸入電壓與輸出電壓進(jìn)行比較而實(shí)現。

　　首先使最高位為1，這相當于取出基準電壓的1/2與輸入電壓比較，如果在輸入電壓小于1/2的基準電壓，則最高位置0，反之置1。之后，次高位置1，相當于在1/2的范圍中再作對分搜索，以此類(lèi)推，逐次逼近。

　　其特點(diǎn)是，速度快，轉換精度高，對N位A/D轉換器只需要M個(gè)時(shí)鐘脈沖即可完成，一般可用于測量幾十到幾百微秒的過(guò)渡過(guò)程的變化，是目前應用最普遍的轉換方法。

　　(5)A/D轉換的重要指標(有可能考一些簡(jiǎn)單的計算)

　　A、分辨率：反映A/D轉換器對輸入微小變化響應的能力，通常用數字輸出最低位(LSB)所對應的模擬電壓的電平值表示。n位A/D轉換器能反映1/2n滿(mǎn)量程的模擬輸入電平。

　　B、量程：所能轉換的模擬輸入電壓范圍，分為單極性和雙極性?xún)煞N類(lèi)型。

　　C、轉換時(shí)間：完成一次A/D轉換所需要的時(shí)間，其倒數為轉換速率。

　　D、精度：精度與分辨率是兩個(gè)不同的概念，即使分辨率很高，也可能由于溫漂、線(xiàn)性度等原因使其精度不夠高。精度有絕對精度和相對精度兩種表示方法。通常用數字量的最低有效位LSB的分數值來(lái)表示絕對精度，用其模擬電壓滿(mǎn)量程的百分比來(lái)表示相對精度。

　　例如，滿(mǎn)量程10V，10位A/D芯片，若其絕對精度為±1/2LSB，則其最小有效位LSB的量化單位為：10/1024=9.77mv，其絕對精度為9.77mv/2=4.88mv，相對精度為：0.048%。

　　6、D/A接口基本

　　(1)D/A轉換器使將數字量轉換為模擬量。

　　(2)在集成電路中，通常采用T型網(wǎng)絡(luò )實(shí)現將數字量轉換為模擬電流，再由運算放大器將模擬電路轉換為模擬電壓。進(jìn)行D/A轉換實(shí)際上需要上面的兩個(gè)環(huán)節。

　　(3)D/A轉換器的分類(lèi)：

　　A、電壓輸出型：常作為高速D/A轉換器。

　　B、電流輸出型：一般外接運算放大器使用。

　　C、乘算型：可用作調制器和使輸入信號數字化地衰減。

　　(4)D/A轉換器的主要指標：分辨率、建立時(shí)間、線(xiàn)性度、轉換精度、溫度系數。

　　7、鍵盤(pán)接口

　　(1)鍵盤(pán)的兩種形式：線(xiàn)性鍵盤(pán)和矩陣鍵盤(pán)。

　　(2)識別鍵盤(pán)上的閉合鍵通常有兩種方法：行掃描法和行反轉法。

　　(3)行掃描法是矩陣鍵盤(pán)按鍵常用的識別方法，此方法分為兩步進(jìn)行：

　　A、識別鍵盤(pán)哪一列的鍵被按下：讓所有行線(xiàn)均為低電平，查詢(xún)各列線(xiàn)電平是否為低，如果有列線(xiàn)為低，則說(shuō)明該列有按鍵被按下，否則說(shuō)明無(wú)按鍵按下。

　　B、如果某列有按鍵按下，識別鍵盤(pán)是哪一行按下：逐行置低電平，并置其余各行為高電平，查詢(xún)各列的變化，如果列電平變?yōu)榈碗娖?，則可確定此行此列交叉點(diǎn)處按鍵被按下。

　　8、顯示接口

　　LCD的基本原理是，通過(guò)給不同的液晶單元供電，控制其光線(xiàn)的通過(guò)與否，從而達到顯示的目的。

　　LCD的光源提供方式有兩種：投射式和反射式。筆記本電腦的LCD顯示器為投射式，屏的背后有一個(gè)光源，因此外界環(huán)境可以不需要光源。一般微控制器上使用的LCD為反射式，需要外界提供電源，靠反射光來(lái)工作。電致發(fā)光(EL)是液晶屏提供光源的一種方式。

　　按照液晶驅動(dòng)方式分類(lèi)，常見(jiàn)的LCD可以分為三類(lèi)：扭轉向列類(lèi)(TN)、超扭曲向列型(STN)和薄膜晶體管型(TFT)。

　　市面上出售的LCD有兩種類(lèi)型：帶有驅動(dòng)電路的LCD顯示模塊，只要總線(xiàn)方式驅動(dòng);沒(méi)有驅動(dòng)電路的LCD顯示器，使用控制器掃描方式。

　　通常，LCD控制器工作的時(shí)候，通過(guò)DMA請求總線(xiàn)，直接通過(guò)SDRAM控制器讀取SDRAM中指定地址(顯示緩沖區)的數據，此數據經(jīng)過(guò)LCD控制器轉換成液晶屏掃描數據格式，直接驅動(dòng)液晶顯示器。

　　VGA接口本質(zhì)上是一個(gè)模擬接口，一般都采用統一的15引腳接口，包括2個(gè)NC信號、3根顯示器數據總線(xiàn)、5個(gè)GND信號、3個(gè)RGB色彩分量、1個(gè)行同步信號和1個(gè)場(chǎng)同步信號。其色彩分量采用的電平標準為EIA定義的RS343標準。