詳解嵌入式系統(tǒng)知識和接口技術(shù)總結(jié)

　　八、電平轉(zhuǎn)換電路

　　數(shù)字集成電路可以分為兩大類：雙極型集成電路(TTL)、金屬氧化物半導(dǎo)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(qiáng)，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來決定，不同系列的TTL應(yīng)選用不同的R值。

　　九、嵌入式系統(tǒng)中信息表示與運(yùn)算基礎(chǔ)

　　進(jìn)位計數(shù)制與轉(zhuǎn)換：這樣比較簡單，也應(yīng)該掌握怎么樣進(jìn)行換算，有出題的可能。

　　計算機(jī)中數(shù)的表示：源碼、反碼與補(bǔ)碼。

　　正數(shù)的反碼與源碼相同，負(fù)數(shù)的反碼為該數(shù)的源碼除符號位外按位取反。

　　正數(shù)的補(bǔ)碼與源碼相同，負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼為該數(shù)的反碼加一。

　　例如-98的源碼：11100010B

　　反碼：10011101B

　　補(bǔ)碼：10011110B

　　定點(diǎn)表示法：數(shù)的小數(shù)點(diǎn)的位置人為約定固定不變。

　　浮點(diǎn)表示法：數(shù)的小數(shù)點(diǎn)位置是浮動的，它由尾數(shù)部分和階數(shù)部分組成。

　　任意一個二進(jìn)制N總可以寫成：N=2P×S。S為尾數(shù)，P為階數(shù)。

　　漢字表示法，搞清楚GB2318-80中國標(biāo)碼和機(jī)內(nèi)碼的變換。

　　語音編碼中波形量化參數(shù)(可能會出簡單的計算題目哦)

　　采樣頻率：一秒內(nèi)采樣的次數(shù)，反映了采樣點(diǎn)之間的間隔大小。

　　人耳的聽覺上限是20kHz，因此40kHz以上的采樣頻率足以使人滿意。

　　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(biāo)準(zhǔn)采樣量級有8位和16位兩種。

　　聲道數(shù)：單聲道和立體聲雙道。立體聲需要兩倍的存儲空間。

　　十、差錯控制編碼

　　根據(jù)碼組的功能，可以分為檢錯碼和糾錯碼兩類。檢錯碼是指能自動發(fā)現(xiàn)差錯的碼，例如奇偶檢驗碼;糾錯碼是指不僅能發(fā)現(xiàn)差錯而且能自動糾正差錯的碼，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(tǒng)的度量項目

　　性能指標(biāo)：分為部件性能指標(biāo)和綜合性能指標(biāo)，主要包括：吞吐率、實時性和各種利用率。

　　可靠性與安全性

　　可靠性是嵌入式系統(tǒng)最重要、最突出的基本要求，是一個嵌入式系統(tǒng)能正常工作的保證，一般用平均故障間隔時間MTBF來度量。

　　可維護(hù)性：一般用平均修復(fù)時間MTTR表示。

　　可用性

　　功耗

　　環(huán)境適應(yīng)性

　　通用性

　　安全性

　　保密性

　　可擴(kuò)展性

　　性價比中的價格，除了直接購買嵌入式系統(tǒng)的價格外，還應(yīng)包含安裝費(fèi)用、若干年的運(yùn)行維修費(fèi)用和軟件租用費(fèi)。

　　嵌入式系統(tǒng)的評價方法：測量法和模型法

　　測量法是最直接最基本的方法，需要解決兩個問題：

　　A、根據(jù)研究的目的，確定要測量的系統(tǒng)參數(shù)。

　　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(shù)學(xué)方程去刻畫系統(tǒng)的模型，而模擬模型法是用模擬程序的運(yùn)行去動態(tài)表達(dá)嵌入式系統(tǒng)的狀態(tài)，而進(jìn)行系統(tǒng)統(tǒng)計分析，得出性能指標(biāo)。

　　分析模型法中使用最多的是排隊模型，它包括三個部分：輸入流、排隊規(guī)則和服務(wù)機(jī)構(gòu)。

　　使用模型對系統(tǒng)進(jìn)行評價需要解決3個問題：設(shè)計模型、解模型、校準(zhǔn)和證實模型。

　　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(jù)結(jié)構(gòu)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(qū)塊結(jié)構(gòu)：在物理上分成若干個區(qū)塊，區(qū)塊之間相互獨(dú)立。

　　B、先擦后寫：Flash的寫操作只能將數(shù)據(jù)位從1寫成0，不能從0寫成1，所以在對存儲器進(jìn)行寫入之前必須先執(zhí)行擦除操作，將預(yù)寫入的數(shù)據(jù)位初始化為1。擦除操作的最小單位是一個區(qū)塊，而不是單個字節(jié)。

　　C、操作指令：執(zhí)行寫操作，它必須輸入一串特殊指令(NOR Flash)或者完成一段時序(NAND Flash)才能將數(shù)據(jù)寫入。

　　D、位反轉(zhuǎn)：由于Flash的固有特性，在讀寫過程中偶爾會產(chǎn)生一位或幾位的數(shù)據(jù)錯E、壞塊：區(qū)塊一旦損壞，將無法進(jìn)行修復(fù)。對已損壞的區(qū)塊操作其結(jié)果不可預(yù)測。

　　(3)NOR Flash的特點(diǎn)：

　　應(yīng)用程序可以直接在閃存內(nèi)運(yùn)行，不需要再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中運(yùn)行。NOR Flash的傳輸效率很高，在1MB~4MB的小容量時具有很高的成本效益，但是很低的寫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(dá)到高存儲密度，并且寫入和擦除的速度也很快，這也是為何所有的U盤都使用NAND Flash作為存儲介質(zhì)的原因。應(yīng)用NAND Flash的困難在于閃存需要特殊的系統(tǒng)接口。

　　(5)NOR Flash與NAND Flash的區(qū)別：

　　A、NOR Flash的讀速度比NAND Flash稍快一些。

　　B、NAND Flash的擦除和寫入速度比NOR Flash快很多

　　C、NAND Flash的隨機(jī)讀取能力差，適合大量數(shù)據(jù)的連續(xù)讀取。

　　D、NOR Flash帶有SRAM接口，有足夠的地址引進(jìn)來尋址，可以很容易地存取其內(nèi)部的每一個字節(jié)。NAND Flash的地址、數(shù)據(jù)和命令共用8位總線(有寫公司的產(chǎn)品使用16位)，每次讀寫都要使用復(fù)雜的I/O接口串行地存取數(shù)據(jù)。

　　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(yīng)用在代碼存儲介質(zhì)中，NAND Flash適用于資料存儲。

　　F、NAND Flash中每個塊的最大擦寫次數(shù)是一百萬次，而NOR Flash是十萬次。

　　G、NOR Flash可以像其他內(nèi)存那樣連接，非常直接地使用，并可以在上面直接運(yùn)行代碼;NAND Flash需要特殊的I/O接口，在使用的時候，必須先寫入驅(qū)動程序，才能繼續(xù)執(zhí)行其他操作。因為設(shè)計師絕不能向壞塊寫入，這就意味著在NAND Flash上自始至終必須進(jìn)行虛擬映像。

　　H、NOR Flash用于對數(shù)據(jù)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盤等領(lǐng)域，被成為數(shù)據(jù)閃存。

　　2、RAM存儲器

　　(1)SRAM的特點(diǎn)：

　　SRAM表示靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器，只要供電它就會保持一個值，它沒有刷新周期，由觸發(fā)器構(gòu)成基本單元，集成度低，每個SRAM存儲單元由6個晶體管組成，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：讀寫控制信號。

　　ADDRESS：一組地址線。

　　DATA：用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊唤M雙向信號線。

　　(2)DRAM的特點(diǎn)：

　　DRAM表示動態(tài)隨機(jī)存取存儲器。這是一種以電荷形式進(jìn)行存儲的半導(dǎo)體存儲器。它的每個存儲單元由一個晶體管和一個電容器組成，數(shù)據(jù)存儲在電容器中。電容器會由于漏電而導(dǎo)致電荷丟失，因而DRAM器件是不穩(wěn)定的。它必須有規(guī)律地進(jìn)行刷新，從而將數(shù)據(jù)保存在存儲器中。

　　DRAM的接口比較復(fù)雜，通常有一下引腳：

　　CE：片選信號，低電平有效。

　　R/W：讀寫控制信號。

　　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。

　　DATA：用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊唤M雙向信號線。

　　(3)SDRAM的特點(diǎn)：

　　SDRAM表示同步動態(tài)隨機(jī)存取存儲器。同步是指內(nèi)存工作需要同步時鐘，內(nèi)部的命令發(fā)送與數(shù)據(jù)的傳輸都以它為基準(zhǔn);動態(tài)是指存儲器陣列需要不斷的刷新來保證數(shù)據(jù)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態(tài)隨機(jī)存取存儲器，也稱DDR。DDRAM是基于SDRAM技術(shù)的，SDRAM在一個時鐘周期內(nèi)只傳輸一次數(shù)據(jù)，它是在時鐘的上升期進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;而DDR內(nèi)存則是一個時鐘周期內(nèi)傳輸兩次次數(shù)據(jù)，它能夠在時鐘的上升期和下降期各傳輸一次數(shù)據(jù)。在133MHz的主頻下，DDR內(nèi)存帶寬可以達(dá)到133×64b/8×2=2.1GB/s。

　　3、硬盤、光盤、CF卡、SD卡

　　4、GPIO原理與結(jié)構(gòu)

　　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，通常有兩個控制寄存器：數(shù)據(jù)寄存器和數(shù)據(jù)方向寄存器。數(shù)據(jù)方向寄存器設(shè)置端口的方向。

　　如果將引腳設(shè)置為輸出，那么數(shù)據(jù)寄存器將控制著該引腳狀態(tài)。若將引腳設(shè)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實現(xiàn)對它的控制。

　　5、A/D接口

　　(1)A/D轉(zhuǎn)換器是把電模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的電路。實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的方法有很多，常用的方法有計數(shù)法、雙積分法和逐次逼進(jìn)法。

　　(2)計數(shù)式A/D轉(zhuǎn)換法

　　其電路主要部件包括：比較器、計數(shù)器、D/A轉(zhuǎn)換器和標(biāo)準(zhǔn)電壓源。

　　其工作原理簡單來說就是，有一個計數(shù)器，從0開始進(jìn)行加1計數(shù)，每進(jìn)行一次加1，該數(shù)值作為D/A轉(zhuǎn)換器的輸入，其產(chǎn)生一個比較電壓VO與輸入模擬電壓VIN進(jìn)行比較。如果VO小于VIN則繼續(xù)進(jìn)行加1計數(shù)，直到VO大于VIN，這時計數(shù)器的累加數(shù)值就是A/D轉(zhuǎn)換器的輸出值。

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

　　(3)雙積分式A/D轉(zhuǎn)換法

　　其電路主要部件包括：積分器、比較器、計數(shù)器和標(biāo)準(zhǔn)電壓源。

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

　　由于使用固定斜率，對標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行反向積分的時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間越長。只要用標(biāo)準(zhǔn)的高頻時鐘脈沖測定反向積分花費(fèi)的時間，就可以得到相應(yīng)于輸入模擬電壓的數(shù)字量，也就完成了A/D轉(zhuǎn)換。

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

　　(4)逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換法

　　其電路主要部件包括：比較器、D/A轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器和基準(zhǔn)電壓源。

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

　　首先使最高位為1，這相當(dāng)于取出基準(zhǔn)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(zhǔn)電壓，則最高位置0，反之置1。之后，次高位置1，相當(dāng)于在1/2的范圍中再作對分搜索，以此類推，逐次逼近。

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

　　(5)A/D轉(zhuǎn)換的重要指標(biāo)(有可能考一些簡單的計算)

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

　　B、量程：所能轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓范圍，分為單極性和雙極性兩種類型。

　　C、轉(zhuǎn)換時間：完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時間，其倒數(shù)為轉(zhuǎn)換速率。

　　D、精度：精度與分辨率是兩個不同的概念，即使分辨率很高，也可能由于溫漂、線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(shù)字量的最低有效位LSB的分?jǐn)?shù)值來表示絕對精度，用其模擬電壓滿量程的百分比來表示相對精度。

　　例如，滿量程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(zhuǎn)換器使將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量。

　　(2)在集成電路中，通常采用T型網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬電流，再由運(yùn)算放大器將模擬電路轉(zhuǎn)換為模擬電壓。進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換實際上需要上面的兩個環(huán)節(jié)。

　　(3)D/A轉(zhuǎn)換器的分類：

　　A、電壓輸出型：常作為高速D/A轉(zhuǎn)換器。

　　B、電流輸出型：一般外接運(yùn)算放大器使用。

　　C、乘算型：可用作調(diào)制器和使輸入信號數(shù)字化地衰減。

　　(4)D/A轉(zhuǎn)換器的主要指標(biāo)：分辨率、建立時間、線性度、轉(zhuǎn)換精度、溫度系數(shù)。

　　7、鍵盤接口

　　(1)鍵盤的兩種形式：線性鍵盤和矩陣鍵盤。

　　(2)識別鍵盤上的閉合鍵通常有兩種方法：行掃描法和行反轉(zhuǎn)法。

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

　　A、識別鍵盤哪一列的鍵被按下：讓所有行線均為低電平，查詢各列線電平是否為低，如果有列線為低，則說明該列有按鍵被按下，否則說明無按鍵按下。

　　B、如果某列有按鍵按下，識別鍵盤是哪一行按下：逐行置低電平，并置其余各行為高電平，查詢各列的變化，如果列電平變?yōu)榈碗娖剑瑒t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，通過給不同的液晶單元供電，控制其光線的通過與否，從而達(dá)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(qū)動方式分類，常見的LCD可以分為三類：扭轉(zhuǎn)向列類(TN)、超扭曲向列型(STN)和薄膜晶體管型(TFT)。

　　市面上出售的LCD有兩種類型：帶有驅(qū)動電路的LCD顯示模塊，只要總線方式驅(qū)動;沒有驅(qū)動電路的LCD顯示器，使用控制器掃描方式。

　　通常，LCD控制器工作的時候，通過DMA請求總線，直接通過SDRAM控制器讀取SDRAM中指定地址(顯示緩沖區(qū))的數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)經(jīng)過LCD控制器轉(zhuǎn)換成液晶屏掃描數(shù)據(jù)格式，直接驅(qū)動液晶顯示器。

　　VGA接口本質(zhì)上是一個模擬接口，一般都采用統(tǒng)一的15引腳接口，包括2個NC信號、3根顯示器數(shù)據(jù)總線、5個GND信號、3個RGB色彩分量、1個行同步信號和1個場同步信號。其色彩分量采用的電平標(biāo)準(zhǔn)為EIA定義的RS343標(biāo)準(zhǔn)。