嵌入式系统导论课件 Lecture6 嵌入式系统的外围设备和IO接口分解
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)
点阵显示屏原理图
19
外围设备
LCD 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
键盘控制器内部扫描按键输入(逐行输出，逐列检测)
译码 去抖 按键值存放在寄存器中
4
外围设备
工作原理
键盘控制器检测到有键按下时，键盘控制器的Key引 脚有低电平转为高电平，并一直保持直到按键值被读 取 嵌入式处理器从Key引脚得知有键被按下时，将键盘 的CS引脚设为低电平 储存在键盘控制器寄存器中的按键值将从键盘控制 器的DIO引脚一次输出给嵌入式处理器 所有按键数值传送完毕，Key引脚重新置为低电平
LED特点
耗电少、成本低、配置简单灵活、安装方便、耐 振动、寿命常
15
外围设备
发光二极管LED分类
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
16
外围设备
8
外围设备
电容式触摸屏特点
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
9
外围设备
电阻式触摸屏工作原理
触摸屏拥有两层透明导电 薄膜，膜间保持一定距离， 上层可伸缩 上层膜受外力是压时，上 层膜会触碰下层膜，形成上 下电极导通 利用二维空间的电压计测 量不同位置的电位差，进而 计算(X,Y)值
7
外围设备
电容式触摸屏工作原理——利用人体的电 力感应进行工作
触摸时，由于人体电场原因，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，手指从接触点吸 走很小的电流 电流从触摸屏的4个角上的电极流出 流经4个角落电极的电流与手指到四角的距离 成正比 控制器对4个电流比例及逆行能够精确计算， 得出触摸点的位置
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
12
外围设备
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
嵌入式系统的外围设备 和I/O接口
1 外围设备 2 常见I/O接口类型 3 I/O接口原理基础
1
外围设备
外围设备
输入设备、输出设备、扩充设备以及电源系统
输入设备
小型键盘和触摸屏
输出设备
发光二极管(Light –Emitting-Diode, LED) 液晶屏幕显示器（Liquid Crystal Display, LCD）
扩充设备——储存卡扩展 电源系统
电源管理设备和电池系统
2
外围设备
小型键盘是一种常见的嵌入式系统输入设备 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 节省I/O端口资源
3
外围设备
工作原理
按键按下时某一行与某一列的输入电路之间形成回路 由输入的引脚得知哪一个按键被按下，其值将储存在 键盘控制器的存储器中
10
外围设备
电阻式触摸屏特点
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
分类
4线电阻Turbo 4
价格低、吞吐量大，常用于PDA
6线电阻Turbo 6
可靠性高，是Turbo 4 的4倍
11
外围设备
表面声波式触摸屏工作原理
利用声波在物体表面进行传输，当有物体触摸到 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
20
外围设备
LCD液晶屏组成
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
态
分类
发光二极管LED 数码管、符号管、米字管及点阵显示器
每一个单元都是一个ED 由半导体材料制成，其核心是一个PN结
PN结具有正向导通、反向截止/击穿特性
LED还具有发光特性
正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区 注入N区
进入对方的区域的少量载流子（少子）与多数 载流子（多子）复合而发光
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
13
外围设备
半导体部件
作为电源指示灯、电平指示、工作状态显 示或微光源之用
红外发光管：用于电视机、录像机等遥控器中 红绿双色发光管：指示PC或笔记本电脑中的硬盘工作状
数码管工作原理：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
17
外围设备
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
18
外围设备
其它LED：工作原理与七段数码管类似
5
外围设备
键盘控制器可以通过两种方式通知嵌入式处理器 按键消息
轮询方式——Polling
嵌入式处理器每隔一段时间检测键盘控制器的Key引脚是否 为高电平
若为高电平则标，能够有键被按下
中断方式——Interrupt
由Key引脚直接发出中断请求给处理器 处理器因为中断信号触发得知目前有键被按下
6
外围设备
触摸屏
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
触摸屏与LCD的分辨率和坐标系一般不同，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
触摸屏按其工作原理分为
电容式(最早)、电阻式（应用最广）、表面声波式 XGT (Extreme Glass technology)——最新
(a)
(b)
点阵显示屏原理图
19
外围设备
LCD 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
键盘控制器内部扫描按键输入(逐行输出，逐列检测)
译码 去抖 按键值存放在寄存器中
4
外围设备
工作原理
键盘控制器检测到有键按下时，键盘控制器的Key引 脚有低电平转为高电平，并一直保持直到按键值被读 取 嵌入式处理器从Key引脚得知有键被按下时，将键盘 的CS引脚设为低电平 储存在键盘控制器寄存器中的按键值将从键盘控制 器的DIO引脚一次输出给嵌入式处理器 所有按键数值传送完毕，Key引脚重新置为低电平
LED特点
耗电少、成本低、配置简单灵活、安装方便、耐 振动、寿命常
15
外围设备
发光二极管LED分类
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
16
外围设备
8
外围设备
电容式触摸屏特点
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
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外围设备
电阻式触摸屏工作原理
触摸屏拥有两层透明导电 薄膜，膜间保持一定距离， 上层可伸缩 上层膜受外力是压时，上 层膜会触碰下层膜，形成上 下电极导通 利用二维空间的电压计测 量不同位置的电位差，进而 计算(X,Y)值
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外围设备
电容式触摸屏工作原理——利用人体的电 力感应进行工作
触摸时，由于人体电场原因，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，手指从接触点吸 走很小的电流 电流从触摸屏的4个角上的电极流出 流经4个角落电极的电流与手指到四角的距离 成正比 控制器对4个电流比例及逆行能够精确计算， 得出触摸点的位置
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
12
外围设备
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
嵌入式系统的外围设备 和I/O接口
1 外围设备 2 常见I/O接口类型 3 I/O接口原理基础
1
外围设备
外围设备
输入设备、输出设备、扩充设备以及电源系统
输入设备
小型键盘和触摸屏
输出设备
发光二极管(Light –Emitting-Diode, LED) 液晶屏幕显示器（Liquid Crystal Display, LCD）
扩充设备——储存卡扩展 电源系统
电源管理设备和电池系统
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外围设备
小型键盘是一种常见的嵌入式系统输入设备 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 节省I/O端口资源
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外围设备
工作原理
按键按下时某一行与某一列的输入电路之间形成回路 由输入的引脚得知哪一个按键被按下，其值将储存在 键盘控制器的存储器中
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外围设备
电阻式触摸屏特点
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
分类
4线电阻Turbo 4
价格低、吞吐量大，常用于PDA
6线电阻Turbo 6
可靠性高，是Turbo 4 的4倍
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外围设备
表面声波式触摸屏工作原理
利用声波在物体表面进行传输，当有物体触摸到 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
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外围设备
LCD液晶屏组成
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
态
分类
发光二极管LED 数码管、符号管、米字管及点阵显示器
每一个单元都是一个ED 由半导体材料制成，其核心是一个PN结
PN结具有正向导通、反向截止/击穿特性
LED还具有发光特性
正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区 注入N区
进入对方的区域的少量载流子（少子）与多数 载流子（多子）复合而发光
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
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外围设备
半导体部件
作为电源指示灯、电平指示、工作状态显 示或微光源之用
红外发光管：用于电视机、录像机等遥控器中 红绿双色发光管：指示PC或笔记本电脑中的硬盘工作状
数码管工作原理：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
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外围设备
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
18
外围设备
其它LED：工作原理与七段数码管类似
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外围设备
键盘控制器可以通过两种方式通知嵌入式处理器 按键消息
轮询方式——Polling
嵌入式处理器每隔一段时间检测键盘控制器的Key引脚是否 为高电平
若为高电平则标，能够有键被按下
中断方式——Interrupt
由Key引脚直接发出中断请求给处理器 处理器因为中断信号触发得知目前有键被按下
6
外围设备
触摸屏
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
触摸屏与LCD的分辨率和坐标系一般不同，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
触摸屏按其工作原理分为
电容式(最早)、电阻式（应用最广）、表面声波式 XGT (Extreme Glass technology)——最新
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《嵌入式系统介绍》PPT课件
Microsoft Windows CE是针对有限资源的平台而设计的多 线程、完整优先权、多任务的操作系统，但它不是一个硬 实时操作系统。
高度模块化是WinCE的一个鲜为人知的特性，这一特性有 利与它对从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设备 进行定制。
WinCE操作系统的基本内核需要至少200K的ROM，它支 持 Win32 API子集、多种用户界面硬件、多种的串行和网 络通讯技术、COM/OLE和其他的进程间通讯的先进方法。 Microsoft 公 司 为 Windows CE 提 供 了 Platform Builder 和 Embedded Visual Studio开发工具。
进程调度
网络模块 图形驱动 调度 数据库
模块
驱动程序、硬件抽象层、板级支持包
硬件 （Hardware）
ppt课件
34
图1- 4 RTOS体系结构图
典型嵌入式操作系统介绍
嵌入式操作系统的种类繁多，但大体上可 分为两种——商用型和免费型。
目 前 商 用 型 的 操 作 系 统 主 要 有 VxWorks 、 Windows CE 、 Psos 、 Palm OS 、 OS-9 、 LynxOS、QNX、LYNX等;
电话 无晶体管
BT DECT
1千万个晶体管
3个处理器
诺基亚手机 超过7亿个晶体管
(多数用于存储器) 5-6个处理器
1940
2pp0t课01件
2002
13
计算机的发展
Apple Macintosh
黑白显示器 1 MIP 处理器
Acorn Archimedes 彩色显示器
10 MIP 处理器 … RISC集
ppt课件
8
高度模块化是WinCE的一个鲜为人知的特性，这一特性有 利与它对从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设备 进行定制。
WinCE操作系统的基本内核需要至少200K的ROM，它支 持 Win32 API子集、多种用户界面硬件、多种的串行和网 络通讯技术、COM/OLE和其他的进程间通讯的先进方法。 Microsoft 公 司 为 Windows CE 提 供 了 Platform Builder 和 Embedded Visual Studio开发工具。
进程调度
网络模块 图形驱动 调度 数据库
模块
驱动程序、硬件抽象层、板级支持包
硬件 （Hardware）
ppt课件
34
图1- 4 RTOS体系结构图
典型嵌入式操作系统介绍
嵌入式操作系统的种类繁多，但大体上可 分为两种——商用型和免费型。
目 前 商 用 型 的 操 作 系 统 主 要 有 VxWorks 、 Windows CE 、 Psos 、 Palm OS 、 OS-9 、 LynxOS、QNX、LYNX等;
电话 无晶体管
BT DECT
1千万个晶体管
3个处理器
诺基亚手机 超过7亿个晶体管
(多数用于存储器) 5-6个处理器
1940
2pp0t课01件
2002
13
计算机的发展
Apple Macintosh
黑白显示器 1 MIP 处理器
Acorn Archimedes 彩色显示器
10 MIP 处理器 … RISC集
ppt课件
8
嵌入式系统的PPT课件
地址
指令寄存器
控制器
指令
数据通道
输入
输出
中央处理器
地址 数据
程序存储器
指令0 指令1 指令2
数据存储器
数据0 数据1 数据2
9
CISC和RISC
CISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer）
具有大量的指令和寻址方式 8/2原则：80%的程序只使用20%的指令 大多数程序只使用少量的指令就能够运行。 RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer) 在通道中只包含最有用的指令 确保数据通道快速执行每一条指令 使CPU硬件结构设计变得更为简单
10
CISC与RISC的数据通道
开始
IF
ID
ALU MEM REG
退出
微操作通道
开始
IF
ID
REG ALU MEM
退出
单通数据通道
11
CISC的背景和特点
背景:存储资源紧缺, 强调编译优化 增强指令功能，设置一些功能复杂的指令，把一些原来由
软件实现的、常用的功能改用硬件的（微程序）指令系统 来实现 为节省存储空间，强调高代码密度，指令格式不固定，指 令可长可短，操作数可多可少 寻址方式复杂多样，操作数可来自寄存器，也可来自存储 器 采用微程序控制，执行每条指令均需完成一个微指令序列 （微程序） CPI > ５，指令越复杂，CPI越大。
15
CISC与RISC的对比
类别
CISC
指令系统 指令数量很多
RISC 较少，通常少于100
执行时间 编码长度
有些指令执行时间很长，如 整块的存储器内容拷贝；或 将多个寄存器的内容拷贝到 存贮器
第8章嵌入式系统的外围设备ppt课件
8.3.2 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
8.3.2 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
8.3.2 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
8.3.2 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%
8.3.2 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，经过 图8-13 电阻式触摸屏工作原理示意图
8.3.2 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
8.3.2 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
8.3.2 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
8.3.2 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
嵌入式原理5嵌入式系统的外围设备和IO接口ppt课件
LED
基本结构
发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物（如砷化镓、磷化嫁、磷砷 化镓）等半导体制成的，核心是一个PN结。
工作原理
LED具有一般P-N结的正向导通、反向截止/击穿的特性。 具有发光特性，在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴 由P区注入N区，进入对方区域的少数载流子（少子）一部 分与多数载流子（多子）复合而发光。
输出设备
发光二极管 Light-Emitting-Diode，LED
液晶显示器
Liquid Crystal Display，LCD
…
半导体发光器件
半导体发光部件被广泛应用于各种电子仪器和电子设备中，可 作为电源指示灯、电平指示、工作状态显示或微光源之用。 红外发光管常被用于电视机、录像机等的遥控器中。 红绿双色发光管用于指示PC或笔记本电脑中的硬盘工作状 态。 数码管、符号管、米字管及点阵显示屏（矩阵管）中的每个发 光单元均为发光二极管（Light-Emitting-Diode，LED）。
L0 L1 行 驱 动 C0 C1 C2 列输入缓冲
当Li=0，Cj=0时，说明第i行、 第j列的键被按下，此时可获 得该键的位置码(i，j)。
L2 L3 C3
同时按下两个以上的键时，也 能通过一遍扫描识别出来。
阅读：非扫描式键盘
系统总线 IRQ 地址译码 控制逻辑 非扫描式键盘及其中断接口结构逻辑框图
第5章 嵌入式系统的外围设备和 I/O接口
5.1 外围设备 5.2 常见输入输出接口类型
5.3 I/O接口原理基础设备的结构
输入设备：键盘、触摸屏；输出设备：LED、LCD
I/O接口和总线的工作原理
使用芯片内部总线把接口集成在嵌入式 处理器内部，或者应用各种扩展方法在 常见的输入输出接口类型 处理器外部以接口芯片的形式出现。 总线接口：I2C、I2S、CAN、以太网 并行接口 串行接口：RS-232、IEEE1394、USB 无线接口：红外线、蓝牙、IEEE802.11、GPRS、CDMA
第五章 嵌入式系统的外围设备和IO接口
根据指示位，数据在主设备和从设备之间传输 一般以8为传输，具体传输的数据量无限制 接收器用一位的ACK应答表明已收到一字节 传输可以被终止或重新开始
停止：信号传输结束
40
1、总线上数据的有效性规定
I2C总线是以串行方式传输数据，传送数据时，从数据字节的最
高位开始传送，每一个数据位在SCL上都有一个时钟脉冲相对应 。时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有 在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状 态才允许变化。
3
小型键盘 触摸屏
4
一个小型键盘和键盘控制器的工作原理示意图
5
工作原理：
按下某一个键时，对应行和列的输入电路形成 通路，引脚信号变化，按键的值被存储在键盘 控制器的寄存器中
键盘控制器以行扫或列扫方式感知按键输入，完成 译码、去抖、存值
嵌入式处理器以轮询(Polling)方式检测键盘输 入，或键盘以中断方式(Interrupt)提交请求到 EPU EPU从寄存器中读键值
过对这四个电流比例的精确计算，得出触摸点的位置。
8
电容式触摸屏的特点
对大多数环境污染物有抵抗力
人体成为电流回路的一部分，因而漂移现象比
较严重
人体戴手套后不起作用
需经常校正
不适用于金属机柜
外界存在电感或磁感的时候，有可能失灵
9
电阻式触摸屏工作原理
10
工作原理：
拥有两层透明导电薄膜，薄膜间保持一定间隔，上层薄膜 有伸缩性
22
若干独立的发光二极管封为点阵形式构成 点阵显示屏
嵌入式系统教案ppt课件
不能为PC； CRn是协处置器的目的存放器，可以是C0-15； CRm是附加的目的存放器或源操作数存放器，用于区分
同一编号的不同物理存放器，当指令中不需求附加信息时 要将C0指定为CRm； OP2也提供附加信息，用于区分同一编号的不同物理存放 器，当指令中不需求附加信息时，可以省略或者将其置0。
嵌入式系统教案
武汉创维特信息技术
2021/6/24
提纲
第五章 ARM存储系统 1 ARM存储系统概述 2 ARM存储器管理单元
3 高速缓冲区和写缓冲区
4 快速上下文切换技术
ARM存储系统概述
ARM存储系统概述
与其他中低档单片机不同，ARM处置器中普通都包含一个 存储器管理部件，用于对存储器的管理。
快表的运用
更新：当CPU需求访问内存时，首先在TLB中查找需求的 地址变换条目。假设不存在那么在内存页表中查询，并把 查询的结果添加到TLB中。
去除：当内存中页表的内容改动或者运用新的页表时， TLB中的内容需求清空。CP15的存放器8用于完成该功能。
锁定：可以将一个地址变换条目锁定在TLB中，以加快访 问速度，CP15的存放器10用于完成该功能。
ARM存储器管理单元
CP15存放器列表－1
存放器编号 根本作用
0
ID编码〔只读〕
1
控制位
2
存储维护和控制
3
存储维护和控制
4
存储维护和控制
5
存储维护和控制
6
存储维护和控制
在MMU中的作用 ID码和Cache类型 各种控制位 地址转换表基地址 域访问控制位 保管 内存失效形状 内存失效地址
ARM存储器管理单元
为了顺应不同的嵌入式运用， ARM存储系统的体系构造 存在很多差别。简单的可以运用向单片机系统中运用的平 板式地址映射机制即可；而一些复杂的系统中那么能够包 含多种技术来提供功能强大的存储系统。
同一编号的不同物理存放器，当指令中不需求附加信息时 要将C0指定为CRm； OP2也提供附加信息，用于区分同一编号的不同物理存放 器，当指令中不需求附加信息时，可以省略或者将其置0。
嵌入式系统教案
武汉创维特信息技术
2021/6/24
提纲
第五章 ARM存储系统 1 ARM存储系统概述 2 ARM存储器管理单元
3 高速缓冲区和写缓冲区
4 快速上下文切换技术
ARM存储系统概述
ARM存储系统概述
与其他中低档单片机不同，ARM处置器中普通都包含一个 存储器管理部件，用于对存储器的管理。
快表的运用
更新：当CPU需求访问内存时，首先在TLB中查找需求的 地址变换条目。假设不存在那么在内存页表中查询，并把 查询的结果添加到TLB中。
去除：当内存中页表的内容改动或者运用新的页表时， TLB中的内容需求清空。CP15的存放器8用于完成该功能。
锁定：可以将一个地址变换条目锁定在TLB中，以加快访 问速度，CP15的存放器10用于完成该功能。
ARM存储器管理单元
CP15存放器列表－1
存放器编号 根本作用
0
ID编码〔只读〕
1
控制位
2
存储维护和控制
3
存储维护和控制
4
存储维护和控制
5
存储维护和控制
6
存储维护和控制
在MMU中的作用 ID码和Cache类型 各种控制位 地址转换表基地址 域访问控制位 保管 内存失效形状 内存失效地址
ARM存储器管理单元
为了顺应不同的嵌入式运用， ARM存储系统的体系构造 存在很多差别。简单的可以运用向单片机系统中运用的平 板式地址映射机制即可；而一些复杂的系统中那么能够包 含多种技术来提供功能强大的存储系统。
嵌入式系统(第章 嵌入式系统硬件平台与接口设计)ppt课件
28
Bank5：RTL8019AS，ISA总线兼容的10M以太网（ PHY＋MAC层）控制芯片。占用系统外部中断1，16位 数据总线；扩展IO口
Bank6：SDRAM，起始地址为0xC000000。在 SDRAM中，前512Kbyte的空间划分出来，作为系统 的LCD显示缓冲区使用（更新其中的数据，就可以更新 LCD的显示）。系统的程序存储空间从0xC080000开 始。也就是，引导系统的时候，需要把system.bin文件 复制到0xC080000开始的地址空间，把PC指针指向 0xC080000。
9
详细设计阶段-硬件设计
1. 设计硬件子系统：top-down方法 1. 分成模块 2. 设计框图 3. 例：CPU子系统、存储器子系统等
2. 定义硬件接口 1. I/O端口 2. 硬件寄存器 3. 共享内存 4. 硬件中断 5. 存储器空间分配 6. 处理器的运行速度
10
详细设计阶段-软件设计
29
3) Boot Loader的任务
Boot Loader是系统加电后首先运行的一段代码，完成 整个系统的加载启动任务。它首先完成系统硬件的初始 化，包括时钟的设置、存储器的映射等。并设置堆栈指 针，然后跳转到操作系统内核入口，如系统在加电或复 位时通常从地址0x00000000处开始执行，而在这个地 址处安排的通常就是系统的Boot Loader程序。
7
2）体系结构设计
决定因素
1. 系统是硬实时系统还是软实时系统 2. 操作系统是否需要嵌入 3. 物理系统的成本、尺寸和耗电量是否是产
品成功的关键因素 4. 选择处理器和相关硬件 5. 其他
8
3）详细设计阶段-硬件与软件划分 决定哪些用硬件实现，哪些用软件实现？ 例如：
Bank5：RTL8019AS，ISA总线兼容的10M以太网（ PHY＋MAC层）控制芯片。占用系统外部中断1，16位 数据总线；扩展IO口
Bank6：SDRAM，起始地址为0xC000000。在 SDRAM中，前512Kbyte的空间划分出来，作为系统 的LCD显示缓冲区使用（更新其中的数据，就可以更新 LCD的显示）。系统的程序存储空间从0xC080000开 始。也就是，引导系统的时候，需要把system.bin文件 复制到0xC080000开始的地址空间，把PC指针指向 0xC080000。
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详细设计阶段-硬件设计
1. 设计硬件子系统：top-down方法 1. 分成模块 2. 设计框图 3. 例：CPU子系统、存储器子系统等
2. 定义硬件接口 1. I/O端口 2. 硬件寄存器 3. 共享内存 4. 硬件中断 5. 存储器空间分配 6. 处理器的运行速度
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详细设计阶段-软件设计
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3) Boot Loader的任务
Boot Loader是系统加电后首先运行的一段代码，完成 整个系统的加载启动任务。它首先完成系统硬件的初始 化，包括时钟的设置、存储器的映射等。并设置堆栈指 针，然后跳转到操作系统内核入口，如系统在加电或复 位时通常从地址0x00000000处开始执行，而在这个地 址处安排的通常就是系统的Boot Loader程序。
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2）体系结构设计
决定因素
1. 系统是硬实时系统还是软实时系统 2. 操作系统是否需要嵌入 3. 物理系统的成本、尺寸和耗电量是否是产
品成功的关键因素 4. 选择处理器和相关硬件 5. 其他
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3）详细设计阶段-硬件与软件划分 决定哪些用硬件实现，哪些用软件实现？ 例如：
嵌入式系统PPT课件
节能策略65面向pc笔记本电脑服务器通信设备的刀片服务器根据嵌入式系统模型定制节能技术非常缺乏甚至在某些方面是空白66cpu功能管理策略67固化为通用电源管理ic68预测什么时候设备的未来使用状况或者使用率通用性强但是嵌入式系统定制性强效果不佳69测试出每条指令的能耗估计测试程序运行完的总能耗测试出每个函数的能耗然后利用这些函数作为标准去估计其他函数运行的能cpu电压和频率调节会给实时性能带来了严峻挑战重新锁定锁相环路和其它动态时钟机制需要时间造成了很长的等待时间有时是毫秒级别锁定期间cpu既不能执行计算操作又不能响应外部事件中断通过动态的调节cpu的内核频率与内核电压以及动态的关闭系统的某些设备和调整某些设备的状态71通过软件来动态的预测和控制某些部件的开关72低功耗压缩算法73基于ice进行函数执行代码统计个人观点供参考欢迎讨论
– 设计过程应该是逐步细化和逐步完善的过程
• 面向对象的方法 以类及交互模式为中心
27
系统软件结构的设计
• 结构化方法(SA/SD) • 面向对象的方法(OOA/OOD)
– UML建模
28
结构设计的验证
• 结构设计的正确性非常关键 – 详细设计和实现的基础，对开发周期、成本有很大影响
• 验证所关心的问题 – 结构设计是否满足功能、性能要求 – 能否实现
• 软硬件协同设计 • 功耗的优化设计 • 嵌入式操作系统 • 开发环境 • 成本和开发周期 • 代码优化 • 高效的输入和输出 • 测试环境
7
嵌入式系统软件技术面临的几大问题
• 嵌入式软件全生命周期开发工具链 • 硬件与软件的Co-Design: Verilog + C = ? • 驱动程序的设计和生成技术（嵌入式软件开发中
– EDA设计工具
– 设计过程应该是逐步细化和逐步完善的过程
• 面向对象的方法 以类及交互模式为中心
27
系统软件结构的设计
• 结构化方法(SA/SD) • 面向对象的方法(OOA/OOD)
– UML建模
28
结构设计的验证
• 结构设计的正确性非常关键 – 详细设计和实现的基础，对开发周期、成本有很大影响
• 验证所关心的问题 – 结构设计是否满足功能、性能要求 – 能否实现
• 软硬件协同设计 • 功耗的优化设计 • 嵌入式操作系统 • 开发环境 • 成本和开发周期 • 代码优化 • 高效的输入和输出 • 测试环境
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嵌入式系统软件技术面临的几大问题
• 嵌入式软件全生命周期开发工具链 • 硬件与软件的Co-Design: Verilog + C = ? • 驱动程序的设计和生成技术（嵌入式软件开发中
– EDA设计工具
嵌入式系统导论课件 Lecture6 嵌入式系统的外围设备和IO接口
8
外围设备
电容式触摸屏特点
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
9
外围设备
电阻式触摸屏工作原理
触摸屏拥有两层透明导电 薄膜，膜间保持一定距离， 上层可伸缩 上层膜受外力是压时，上 层膜会触碰下层膜，形成上 下电极导通 利用二维空间的电压计测 量不同位置的电位差，进而 计算(X,Y)值
输入设备
输出设备
扩充设备——储存卡扩展 电源系统
电源管理设备和电池系统
2
外围设备
小型键盘是一种常见的嵌入式系统输入设备 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 节省I/O端口资源
3
外围设备
工作原理
按键按下时某一行与某一列的输入电路之间形成回路
PCMCIA—会员超过300 CF--SanDisk SD--Panasonic MS--Sony
23
外围设备
便携式嵌入式系统的电源
智能型电源管理设备
低电压——5V\3.3V 检测系统需要用电的时间，自动根据需求开关电 源
通过电池系统管理总线（System Management Bus） 和系统进行连通 自动监测电池的剩余电量 根据电量提醒用户需要进行的处理
32
常见I/O接口类型
Can传输数据时有两种模式
显示模式：总线上没有任何数据传输，连接在 总线上的任何一个节点都可以发送数据 隐性模式：当有益节点传输数据时，总线就处 于隐性模式 数据发送以包的形式发送
嵌入式系统软硬件接口 ppt课件
SD/MMC/CF卡
RAM、SDRAM
怎么放？
JTAG仿真器/BDM等
外部烧写器
Hale Waihona Puke 固化的loader，与主机通过串口/USB/网口等通信获取bootloader
怎么被执行？
固定的复位向量地址
调试时仿真器指定地址
执行完后怎么办？
不走回头路
发生异常跳回bootloader
13
Bootloader常设计成支持2种模式
ARM 的C 库ABI —— CLIBABI（The C Library ABI for the ARM Architecture ）
10
系统初始化过程
指令执行前硬件初始化
系统上电，执行内部初始固码微程序（ 如果有），设置处理器上电默认工作状 态，最后从复位向量处开始执行
硬件初始化
片级初始化（设置微处理器执行状态）
硬件 开发板实物
提炼 地址
软件 C语言头文件
3
TQ2440硬件开发板
4
2440addr.h
5
从软件开发角度看存储器
存储器地址空间分布图 存储芯片信息
类型、基址、大小、片选、配置参数 存储器控制寄存器 MMU
6
从软件开发角度看外设
指令能访问到什么
IO管脚配置寄存器
设备寄存器组
数据、控制、状态
EABI： Embedded Application Binary Interface，嵌入式应用程序二进制接口
APP
LIBs
API
OS
Source code
compile
Compiler
toolchain Linker Loader Debugger