第八章总线技术与嵌入式系统
单片机原理与嵌入式设计【ch08】IIC总线接口技术 培训教学课件
单总线接口技术原理
IIC总线通信时序
IIC总线的数据传输
在起始信号后，主机会向从机发送多个字节数据，该过程的数据传输格式如下。 ➢ 有效数据位。
引脚说明如下。脚，是一个漏极开路结构的引 脚，因此，SCL要求在该引脚与VCC 之间接入上拉电阻。
WP:硬件写保护控制引脚。当它为低电平时，正常读写操作;当它为高电 平时，对 EEPROM内部存储区域提供硬件写保护功能,即只能读不能写。
vcC:电源接正引脚。
IIC总线通过上拉电阻接电源正极。当总线空闲时，两条线均为高电平。连到总线上的 任一器件输出的低电平，都将使总线的信号变低，即各器件的SDA和SCL都是线与关
单总线接口技术原理
IIC总线介绍
每个接到IC总线上的器件都有唯一的地址，这样可以保证在总线上同时存 在多个器件时器件间不会相互干扰。主机与其他器件的数据传送可以由主 机发送数据到其他器件，此时主机为发送器，总线上接收数据的器件为接 收器;也可以由总线上的其他某一器件发送数据到主机,这时主机为接收器， 总线上发送数据的器件为发送器。
单总线接口技术原理
IIC总线通信时序
IIC总线的数据传输
在起始信号后，主机会向从机发送多个字节数据，该过程的数据传输格式如下。 ➢ 响应。
若主机作为接收器，从机作为发送器，则主机必须通过在接收数据的最后一 个字节后不产生响应，向从机发送器通知数据结束。从机发送器必须释放数 据线;允许主机产生一个终止信号(P)或重复起始信号(Sr)。
微处理器系统结构与嵌入式系统设计ppt课件
A/D 数字 基 带
A/D
数字滤波与控制 系统知识 (硬件与软件)
电路设计知识 (DAC、ADC 等)
制造工艺知识 (90nm, 65nm, 45nm)
22 .
晶圆工艺知识 (300mm 晶圆)
片上网络(NOC) 技术
P处理器 M存储器
C缓存 rni网络接口 S交换开关
Dsp核 re可重构逻辑
L专用逻辑
7-8课时
第五章：存储器系统
8-9课时
第六章：输入/输出接口
6-7课时
第七章：ARM微处理器编程模型
4课时
第八章: ARM汇编指令
4-5课时
第九章： ARM程序设计
4-5课时
第十章：基于ARM微处理器的硬件系统设计
3课时
第十一章：基于ARM微处理器的软件系统设计 3课时
第十二章：基于ARM微处理器核的SOC设计
并出现了早期的操作系统。 第三代（1965～1980年）集成电路计算机 以中小规模集成电路为主要部件，内存用磁芯、半导体，外存用磁盘。软件
广泛使用操作系统，产生了分时、实时等操作系统和计算机网络 第四代（1980年至今）个人计算机 以LSI、VLSI为主要部件，以半导体存储器和磁盘为内、外存储器。在软件
章
✓ 片上多核处理器(CMP)
✓ 流处理器(Stream Processor)
✓ PIM(Processor In Memory)
概
✓ 可重构计算处理器
述
1.4 嵌入式系统（了解）
✓ 嵌入式系统的概念
✓ 嵌入式系统的特点
✓ 嵌入式系统中的处理器
✓ 嵌入式系统的组成
✓ 嵌入式系统的发展现状与趋势
✓ 学习嵌4入1.式系统的意义
嵌入式系统的基本原理与应用
嵌入式系统的基本原理与应用嵌入式系统（Embedded System）是指内置在其他设备或系统中的计算机系统，它专门用于控制和管理设备的特定功能。
嵌入式系统的发展和应用涵盖了很多领域，包括家电、通信、汽车、医疗保健、工业控制等。
本文将介绍嵌入式系统的基本原理和其在各个领域的应用。
一、嵌入式系统的基本原理嵌入式系统的基本原理主要涉及硬件和软件两个方面。
1. 硬件方面嵌入式系统的硬件是由各种集成电路、处理器、存储器、输入输出设备等组成的。
它通常需要具备小型化、低功耗和高可靠性的特点。
常见的嵌入式处理器有ARM、Intel x86等，而存储器则包括EEPROM、SDRAM等。
此外，嵌入式系统还需要与外部设备进行通信，如串口、网口、USB等接口。
硬件的设计和选型要根据具体的应用需求进行选择。
2. 软件方面嵌入式系统的软件是用来控制和管理硬件的。
它通常由实时操作系统（RTOS）和应用软件构成。
RTOS具备快速响应和实时性的特点，能够有效地与硬件进行交互。
而应用软件则根据具体的功能需求进行编写，如传感器数据采集、数据处理、通信控制等。
此外，嵌入式系统的软件开发还需要考虑资源利用率和代码大小的优化，以保证系统的性能和效率。
二、嵌入式系统的应用领域嵌入式系统在各个领域都有广泛的应用，下面将介绍几个常见的领域。
1. 家电领域现代家庭中的许多电器产品都运用了嵌入式系统，如智能电视、空调、洗衣机等。
嵌入式系统能够实现设备的智能控制和互联互通，提高用户的使用体验。
2. 通信领域手机、路由器、交换机等通信设备都采用了嵌入式系统，它们能够实现数据的高效传输和网络的稳定运行。
嵌入式系统在通信领域的应用还包括无线通信、卫星通信等。
3. 汽车领域现代汽车中嵌入式系统的应用越来越广泛，包括车载导航、智能驾驶、车载娱乐等功能。
嵌入式系统能够提高汽车的安全性、舒适性和智能化程度。
4. 医疗领域医疗设备中常常运用嵌入式系统，如心脏起搏器、血糖仪、医疗监护仪等。
计算机三级考试《嵌入式系统开发技术》复习要点（2）
计算机三级考试《嵌入式系统开发技术》复习要点（2）计算机三级考试《嵌入式系统开发技术》复习要点7、总线电路及信号驱动(1)总线是各种信号线的集合，是嵌入式系统中各部件之间传送数据、地址和控制信息的公共通路。
在同一时刻，每条通路线路上能够传输一位二进制信号。
按照总线所传送的信息类型，可以分为：数据总线(DB)、地址总线(AB)和控制总线(CB)。
(2)总线的主要参数：总线带宽：一定时间内总线上可以传送的数据量，一般用MByte/s表示。
总线宽度：总线能同时传送的数据位数(bit)，即人们常说的32位、64位等总线宽度的概念，也叫总线位宽。
总线的位宽越宽，总线每秒数据传输率越大，也就是总线带宽越宽。
总线频率：工作时钟频率以MHz为单位，工作频率越高，则总线工作速度越快，也即总线带宽越宽。
总线带宽=总线位宽×总线频率/8，单位是MBps。
常用总线：ISA总线、PCI总线、IIC总线、SPI总线、PC104总线和CAN总线等。
(3)只有具有三态输出的设备才能够连接到数据总线上，常用的三态门为输出缓冲器。
(4)当总线上所接的负载超过总线的负载能力时，必须在总线和负载之间加接缓冲器或驱动器，最常用的是三态缓冲器，其作用是驱动和隔离。
(5)采用总线复用技术可以实现数据总线和地址总线的共用。
但会带来两个问题：A、需要增加外部电路对总线信号进行复用解耦，例如：地址锁存器。
B、总线速度相对非复用总线系统低。
(6)两类总线通信协议：同步方式、异步方式。
(7)对总线仲裁问题的解决是以优先级(优先权)的概念为基础。
8、电平转换电路(1)数字集成电路可以分为两大类：双极型集成电路(TTL)、金属氧化物半导体(MOS)。
(2)CMOS电路由于其静态功耗极低，工作速度较高，抗干扰能力较强，被广泛使用。
(3)解决TTL与CMOS电路接口困难的办法是在TTL电路输出端与电源之间接一上拉电阻R，上拉电阻R的取值由TTL的高电平输出漏电流IOH来决定，不同系列的TTL应选用不同的R值。
嵌入式系统学习课件2
else if (a == 5) eat();
else if (a == 6) foo();
switch (a) {
case 1: ant(); break; case 2: bar(); break; case 3: cee(); break; case 4: due(); break; case 5: eat(); break; case 6: foo(); break; }
和减法； 假如没有硬件支持，尽量防止使用乘法； 尽量防止使用除法； 假如没有硬件支持，尽量防止使用浮点数； 数学库函数使用得越少越好。
〔4〕位运算
C语言有很多位操作运算符：
& 与操作； | 或操作； ^ 异或操作； ~ 取反操作； >> 右移操作； << 左移操作。
a |= 0x4
// 把第2位设置为1
1〕SRAM比DRAM快 2〕SRAM比DRAM耗电多 3〕DRAM存储密度比SRAM高得多 4〕DRM需要周期性刷新 ROM：只读存储器 FLASH：闪存
存储器系统的层次构造
存放器
高速缓存 SRAM
主存储器 DRAM
0
时
钟 周
1—10
期
50—100
本地存储器 Flash、 ROM、磁盘
网络存储器 Flash、 ROM、磁盘
CISC的主要缺点
指令使用频度不平衡。
高频度使用的指令占据了绝大部分的执行时间，扩大的复杂 指令往往是低频度指令。
大量复杂指令的控制逻辑不规整，不适于VLSI工艺
VLSI的出现，使单芯片处理机希望采用规整的硬联逻辑实 现，而不希望用微程序，因为微程序的使用反而制约了速度 进步。(微码的存控速度比CPU慢5-10倍)。
嵌入式系统总线技术概述
嵌入式系统总线技术概述嵌入式系统是一种专用的计算机系统，它是软件和硬件的综合体。
一般，嵌入式系统的构架可以分成四个部分：处理器、存储器、输入输出（I/O）和软件。
嵌入式系统中的各个部件之间是通过一条公共信息通路连接起来的，这条信息通路称为总线。
为了简化硬件电路设计、简化系统结构，常用一组线路，配置以适当的接口电路，与各部件和外围设备连接，即总线。
采用总线结构便于部件和设备的扩充，尤其制定了统一的总线标准则容易使不同设备间实现互连。
微机中总线一般有内部总线、系统总线和外部总线。
内部总线是微机内部各外围芯片与处理器之间的总线；而系统总线是微机中各插件板与系统板之间的总线；外部总线则是微机和外部设备之间的总线，微机通过该总线和其他设备进行信息与数据交换。
另外，处理器的通信方式有并行通信和串行通信，相应的通信总线被称为并行总线和串行总线。
并行通信速度快、实时性好，但由于占用的口线多，不适于小型化产品；而串行通信速率虽低，但在数据通信吞吐量不大的微处理电路中则显得更加简易、方便、灵活。
下面仅对微机各类总线中目前比较流行的总线技术分别加以介绍。
一、内部总线1、I2C总线I2C总线10多年前由PHILIPS公司推出，是近年来在微电子通信控制领域广泛采用的一种新型总线标准。
它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简化，器件封装形式小，通信速率较高等优点。
在主从通信中，可以有多个I2C总线器件同时接到I2C总线上，通过地址来识别通信对象。
2、SPI总线串行外围设备接口SPI总线技术是MOTOROLA公司推出的一种同步串行接口。
MOTOROLA公司生产的绝大多数MCU（微控制器）都配有SPI硬件接口，如68系列MCU。
SPI总线是一种三线同步总线，因其硬件功能很强，所以，与SPI有关的软件就相当简单，使CPU有更多的时间处理其他事务。
3、SCI总线串行通信接口SCI也是由MOTOROLA公司推出的。
它是一种通用异步通信接口UART，与MCS-51的异步通信功能基本相同。
嵌入式系统相关知识点总结
嵌入式系统相关知识点总结嵌入式系统是指嵌入到特定设备或系统中的计算机系统。
它通常是由硬件和软件组成的，用于控制、监测和运行设备或系统的特定功能。
嵌入式系统广泛应用于各个领域，如汽车、家电、通讯设备等。
在本文中，我们将总结一些与嵌入式系统相关的知识点。
1. 嵌入式系统的分类：根据应用领域和系统规模的不同，嵌入式系统可以分为通用型嵌入式系统和专用型嵌入式系统。
通用型嵌入式系统适用于多个领域，具备较高的灵活性和通用性；专用型嵌入式系统则专注于某个特定领域或设备，具备较高的性能和稳定性。
2. 嵌入式系统的硬件组成：嵌入式系统的硬件组成包括中央处理器（CPU）、存储器（ROM、RAM）、输入输出接口（I/O）、电源管理等组件。
中央处理器负责执行指令和控制系统的运行；存储器用于存储程序和数据；输入输出接口用于与外部设备进行数据交互；电源管理模块用于管理系统的电源供给。
3. 嵌入式系统的软件开发：嵌入式系统的软件开发通常包括嵌入式操作系统的选择和驱动程序、应用程序的开发。
嵌入式操作系统有多种选择，如Linux、Windows Embedded、RTOS等。
开发人员需要根据系统需求和硬件平台选择合适的操作系统，并编写适配的驱动程序和应用程序。
4. 嵌入式系统的通信技术：嵌入式系统常常需要与其他设备或系统进行通信。
常用的通信技术包括串行通信（如UART、SPI、I2C）、以太网、无线通信（如Wi-Fi、蓝牙、Zigbee）等。
这些技术可以实现与外部设备的数据交换和远程控制。
5. 嵌入式系统的实时性要求：某些嵌入式系统对实时性有较高的要求，即在规定的时间内完成特定的任务。
实时性可以分为硬实时和软实时。
硬实时要求任务在规定的时间内必须完成，否则会导致系统故障；软实时要求任务完成的时间尽可能接近规定的时间，但可以容忍一定的延迟。
6. 嵌入式系统的功耗管理：嵌入式系统通常有限的资源，尤其是电源。
因此，功耗管理是嵌入式系统设计中的重要考虑因素。
嵌入式系统基础知识
嵌入式系统基础知识在当今科技飞速发展的时代，嵌入式系统已经成为了我们生活中无处不在的一部分。
从智能手机、智能家居设备到汽车电子、医疗设备等，嵌入式系统的应用几乎涵盖了各个领域。
那么，什么是嵌入式系统呢？它又有着怎样的特点和构成呢？接下来，让我们一起走进嵌入式系统的世界，来了解一下它的基础知识。
嵌入式系统，简单来说，就是一种嵌入到其他设备或系统中的专用计算机系统。
它的主要目的是为了控制、监测或执行特定的任务，而不是像我们常见的个人电脑那样进行通用的计算和数据处理。
嵌入式系统具有以下几个显著的特点。
首先是专用性。
它是为特定的应用而设计的，具有明确的功能和性能要求。
比如，汽车中的电子控制单元（ECU）就是专门用于控制发动机、变速器等部件的工作，其设计和功能都是围绕着汽车的运行和性能优化展开的。
其次是实时性。
在很多应用场景中，嵌入式系统需要在规定的时间内完成特定的任务。
例如，飞机的飞行控制系统必须能够实时响应飞行员的操作指令，确保飞行的安全和稳定。
再者是低功耗。
由于很多嵌入式设备是依靠电池供电的，如便携式医疗设备、智能手表等，因此降低功耗以延长电池寿命就显得至关重要。
然后是可靠性和稳定性。
嵌入式系统通常运行在较为恶劣的环境中，需要长时间稳定工作，不能出现故障或错误。
此外，嵌入式系统的体积通常较小，以适应设备的空间限制。
一个典型的嵌入式系统通常由硬件和软件两大部分组成。
硬件方面，包括处理器、存储器、输入输出设备等。
处理器是嵌入式系统的核心，负责执行指令和处理数据。
常见的嵌入式处理器有微控制器（MCU）和数字信号处理器（DSP）等。
存储器用于存储程序和数据，包括只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）和闪存（Flash）等。
输入输出设备则用于与外界进行交互，如传感器、按键、显示屏、通信接口等。
软件方面，主要包括操作系统、驱动程序和应用程序。
操作系统是管理嵌入式系统资源的核心软件，如实时操作系统（RTOS），它能够确保系统的实时性和可靠性。
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• 可控状态：提高了系统的可靠性、可控性和可维护性
• 互换性好：自由选择性价比高的不同厂家的同类仪表 互换连接
• 互操作性：不同品牌的仪表集成统一组态，实现即接 即用
• 综合功能：现场仪表既有检测、变换和补偿功能，又 有控制和运算功能
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• 系统结构的高度分散性
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2. 现场总线的优点
• 节省硬件数量与投资 • 节省安装费用 • 节省维护开销 • 用户拥有高度的系统集成主动权 • 提高了系统的准确性与可靠性 • 设计简单，易于重构
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现场总线在应用中还存在一些技术瓶颈问题， 主要表现在以下几个方面： (1) 当总线电缆断开时，整个系统有可能瘫痪 (2) 本安防爆理论的制约。现有的防爆规定限制总 线的长度和总线上负载的数量，这限制了现场总 线节省电缆优点的发挥 (3) 系统组态参数过分复杂
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以太网支持的传输介质可以是粗同轴电缆、 细同轴电缆、双绞线、光纤等，且简单，经济实 用，易被掌握。 以太网具有以下的优点： • 兼容性好，有广泛的技术支持。 • 易于与Internet连接 • 成本低廉 • 可持续发展潜力大 • 通信速率高
✓ 一种开放的七层网络协议标准。多数现场总线只使用
第一、二和七层协议(即物理层、数据链路层、应用
层，这三层也是最重要的)。即Fieldbus采用了三层网
络结构，流量控制和差错控制在数据链路层执行，报
文的可靠传输在数据链路层或应用层执行
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它共分为七层协议，即从下至上划分成物理层、 数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应 用层。
物理层：主要是为通信各方提供物理信道
数据链路层：分为介质访问控制层和逻辑链路控制层， 前者主要解决物理信道的使用，后者保证信息正确有 序地在有噪信道上传输
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2. 现场总线构成了全分布控制系统
可靠性高，可控状态，互换性好，互操作性，综 合功能和分散控制
3. 现场总线构成控制系统的底层控制网络
开放式系统 信息传输的实时性强，可靠性高，传输速率一般 为几Kb/s(bit per second)~10Mb/s之间。
现场总线使自控系统与设备具有通信能力，把
它们连结成网络系统，加入到信息网络的行列。
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现场总线的节点是现场仪表或现场设备，常用的现场 总线仪表有温度、压力、流量、成分等变送器，电动或气 动调节阀等执行器。现场总线仪表不仅具有传统的单一信 号变换，而且具有运算、控制和通信等综合功能。如：压 力变送器不仅具有压力信号变换、补偿和校验功能，而且 具有PID控制和运算等功能；调节阀具有信号驱动和执行 功能之外，还有PID控制、输出特性补偿和自诊断等功能。
第八章 总线技术与嵌入式 系统
第十九讲
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8.1 现场总线控制系统(FCS)
操作站LAN
管理 计算机
监控 计算机
网间 连接器
到其他LAN
工程师 操作站
服务器 H2现场总线
H2现场总线
现场 现场
现场
总线 总线
总线
网桥
设备 设备 … 设备
H1现场总线
TCP/IP堆栈 （Internet协议核心组件）
硬件抽像层
服务器SCSI接 FLASH闪 内存管理 缓存 串口 以太网络 外部设备
口驱动程序 存驱动 模块 管理 驱动 驱动
驱动
嵌入式系统基本接插件
硬件
(a) 硬件结构
(b)软件结构
图8.2 嵌入式系统的结构方式
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现场总线控制系统(Field bus Control System， FCS)使得现场仪表、执行机构、控制室设备之间构 成网络互连系统，实现全数字化、双向、多参数的 数字通信，为控制系统的全分布和全数字化运行奠 定了基础。
FCS既是一个开发的通信网络，又是一种全分 布控制系统，是一项以智能传感器、控制、计算机、 数字通信、网络为主要内容的综合技术。
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8.3 网络控制技术
目前控制技术发展与创新的方向与主要潮流： 控制系统结构的网络化、控制系统的开放性、控 制技术与控制方式的智能化。
网络技术不仅实现管理层的数据通信与共享， 且可应用于控制现场的设备层，并将控制与管理 综合化、一体化。
Internet不仅用于传统的信息浏览、查询、发 布，还可通过Internet跨国跨地区直接对现场设备 进行远程监测与控制。
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2. 网络控制系统的组成
一个典型的工业自动化系统网络包括：
• 信息层网络 • 控制层网络 信息层
可编程设备 辅助计算机
• 设备层网络
控制层
伺服器
PLC/连接设备
人际界面 操作站
设备层
PLC 驱动器 控制器 维护PC
计算机
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H1现场总线
H1现场总线
现场 现场
现场
总线 总线 … 总线
设备 设备
设备
现场 现场
现场
总线 总线 … 总线
设备 设备
Hale Waihona Puke 设备现场 现场现场
总线 总线 … 总线
设备 设备
设备
结构模式为“工作站－现场总线仪表”二层结构，完成了 DCS三层结构的功能，降低了成本，提高了可靠性。
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8.2.2 嵌入式控制系统的组成
从体系结构上：主要由嵌入式处理器、支撑硬 件和嵌入式软件组成。
电源模块
存储器
嵌入式系统
可编程 逻辑器件
嵌入式 处理器
嵌入式系统外围接口器件
与硬件无关的软件
输入输出系统 文件系统
应用软件 实时作操系统库文件 实时作操系统内核
8.1.2 现场总线控制系统的产生
现场总线产生的因素可归为以下4个方面：
1. 传统模拟仪表的缺点
• 一对一结构：一台仪表，一对传输线，单向传输一个 信号(接线庞杂，工程周期长，投资高，不便维护)
• 可靠性差：模拟信号传输精度低，且易受干扰
• 失控状态：操作员在控制室既不能了解现场模拟仪表 的工作情况，也不能对其进行参数调整或故障诊断
报文协议
会话层 传输层
UDP/TCP
4. Ethernet/IP 网络的优势
网络层 数据链路层
物理层
IP 以太网
图8.6 以太网规定的内容在OSI模型中的位置
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为了便于网络互联，国际标准化组织(ISO)提供了 一个标准的协议结构——开放式系统互联(OSI)参考模 式。
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8.3.1 网络控制系统组成/概述
网络技术传输信息的目的是导致能够反映被控 对象的某些特性或属性的物理量的变化。
1. 工业控制网络的产生
FCS最突出的问题是没有统一的标准。如何在 实际中根据应用对象，将不同层次的现场总线组合 使用，使系统的各部分都选择最合适的现场总线， 仍是棘手问题。
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8.2.1 嵌入式系统概述
嵌入式系统是以嵌入式计算机为技术核心，面 向用户、面向产品、面向应用，软、硬件可裁剪的， 适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合 性能有严格要求的专用计算机系统。
嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功 能的关键，系统软件的高实时性是基本要求；系统 的核心是单片机或微控制器。
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现场通信网络
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✓ 以串行通讯方式取代传统的4-20mA模拟信号
✓ 一条现场总线可为众多的可寻址现场设备实现多点连 接
✓ 支持底层现场智能设备与高层系统利用公用传输介质 交换信息
✓ 其核心是它的通讯协议，协议必须根据ISO的计算机 网络开放系统的OSI参考模型来制定
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8.1.1 现场总线的概述
现场总线(Field bus)是上世纪80年代末国际上 发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇 自动化等领域的一种标准的、开放的、双向的多站 现场智能设备互连通讯网络。
现场总线技术把单个分散的测量控制设备变成 网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以 相互沟通信息、共同完成控制任务的网络系统和控 制系统。