電話：
400-0780-677傳真：
025-86644313
做嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，經(jīng)常要接觸硬件。做嵌入式開發(fā)對數(shù)字電路和模擬電路要有一定的了解。這樣才能深入的研究下去。下面我們簡單的介紹嵌入式開發(fā)中的一些硬件相關(guān)的概念。
總線(Bus)
在嵌入式系統(tǒng)中一定會有一塊處理器芯片，此外，還有其它的芯片作為外部設(shè)備(后面簡稱外設(shè))，這些芯片與處理器協(xié)作實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能。復(fù)雜的產(chǎn)品往往是由大量的芯片組成的。那么不可避免的是我們需要將所有的外設(shè)與處理器進(jìn)行相連，為簡單的是將所有的外設(shè)都采用獨(dú)立(注意是獨(dú)立)的信號線連接至處理器，這樣的好處是容易理解，但問題是：不可行。
因?yàn)樘幚砥餍酒枰鎏嗟木€了，從芯片的生產(chǎn)和產(chǎn)品的生產(chǎn)角度來看都不實(shí)際。加之，處理器(在此我們假設(shè)處理器是單核的，而不是多核的)處理事務(wù)在微觀上是串行的，也就是說在某一時(shí)刻如果要對外設(shè)進(jìn)行讀寫操作，那只可能是對大量外設(shè)中的一個(gè)進(jìn)行，即多個(gè)外設(shè)不可能在微觀上被處理器同時(shí)訪問。
需要注意的是，這里提出了微觀這一概念，這是為了區(qū)別于宏觀。從宏觀上來講，一個(gè)處理器中可以有多個(gè)任務(wù)同時(shí)運(yùn)行，但這些任務(wù)在微觀上卻是一個(gè)一個(gè)運(yùn)行的(后面會用串行來描述這里所說的“一個(gè)一個(gè)”)，多任務(wù)的串行運(yùn)行實(shí)現(xiàn)是由操作系統(tǒng)扮演著重要的角色來實(shí)現(xiàn)的。
回到我們的話題，即然將每個(gè)外設(shè)采用獨(dú)立的信號線連到處理器不可行，且處理器在單一時(shí)間內(nèi)只會對一個(gè)外設(shè)進(jìn)行訪問，那我們能不能采用共享的信號線將所有的芯片連在一起呢？這就是總線概念的由來。通俗的說，如果我們周圍有十個(gè)家庭，為了讓這十個(gè)家庭每兩個(gè)之間都能往來，我們并不需要為每兩個(gè)家庭修一條單獨(dú)（注意是單獨(dú)）的路（如果這樣，要修45條路），而是可以修一條大路，然后，每個(gè)家都與大路相連。
對于總線，我們往往說總線是處理器的，而其它的外設(shè)是掛在總線上的。那有一個(gè)問題，我們每一時(shí)間只能訪問掛在總線上的一個(gè)外設(shè)，那如何區(qū)分這些外設(shè)呢？和我們的路一樣，我們需要用地址來區(qū)分每一個(gè)家庭，在總線上，也是采用地址來進(jìn)行區(qū)分的。
這樣，總線就根據(jù)其功能分為兩類了。一類是地址總線，這一總線上的數(shù)據(jù)只會是從處理器向外設(shè)“流”，是單向的。另一類則是數(shù)據(jù)總線，用來將數(shù)據(jù)從處理器傳送到外設(shè)(從處理器的角度來說是寫操作)或者是將數(shù)據(jù)從外設(shè)傳送到處理器(從處理器的角度來說是讀操作)，顯然，數(shù)據(jù)總線是雙向的。也就是說，在我們的嵌入式系統(tǒng)中同時(shí)存在地址總線和數(shù)據(jù)總線將所有需要與處理器進(jìn)行通訊的芯片連在一起的。
總線是有寬度的，正如我們的路分為“三車道”或是“四車道”，我們說32位處理器，是指其數(shù)據(jù)總線寬度是32位，也就是“有32輛車能同時(shí)跑”，顯然，寬度越是寬我們的處理器速度就越是快，因?yàn)槲覀儚耐庠O(shè)芯片存取數(shù)據(jù)的速度會更快，這就是為什么我們的計(jì)算機(jī)向64位發(fā)展的原因。同樣的，地址總線也是有寬度的，對于32位處理器其大寬度也就是32位。
總線的概念有了，那接下來的一個(gè)問題是，即使是每一個(gè)外設(shè)都有一個(gè)地址，那這一地址記在哪里呢？是放在外設(shè)芯片上嗎？如果這樣的話，那就有一個(gè)問題，每一類外設(shè)的地址必須是不能重疊的，而當(dāng)一個(gè)產(chǎn)品中需要兩塊一樣的芯片的話，兩塊芯片的地址就無法區(qū)分了，看來這樣操作存在問題。還有，如果這樣的話每一個(gè)外設(shè)也得與(比如，32根)數(shù)據(jù)總線*相連，并監(jiān)聽數(shù)據(jù)線以了解處理器是不是在“叫”自己，這樣很是復(fù)雜。
此外，地址也有可能因?yàn)橥庠O(shè)種類的增多而用光。總的來說地址不能存放在外設(shè)芯片，那如何讓外設(shè)知道，此時(shí)它是被處理器招換從而需要進(jìn)行讀寫訪問的呢？答案就是芯片的片選(CS，chip select)信號，或者又號使能(ENable)信號。
片選(CS或EN)
片選信號對于外設(shè)芯片來講，就是一個(gè)(也是一根)通知信號，告訴芯片“嘿，請開門，我要放些東西進(jìn)來，或是拿些東西走”，這里的東西只能是數(shù)據(jù)，不可能是玉米棒什么的。那有個(gè)問題，這個(gè)信號源從哪里來呢？顯然，只能從處理器來。那是不是也是像總線那樣，每一個(gè)芯片都共用一根線連在一起呢？
如果這樣，可能處理器“一叫開門”所有的芯片都將“門”打開了。如果是處理器寫數(shù)據(jù)，那可能所有的芯片都被寫入同樣的數(shù)據(jù)。而取數(shù)據(jù)時(shí)，每個(gè)外設(shè)芯片都向外“扔”數(shù)據(jù)，這一定會造成數(shù)據(jù)總線沖突，因?yàn)橛械男酒蚩偩€上“扔”1，有的則“扔”0，這種情況下處理器一定會“發(fā)瘋”的，因?yàn)樗恢缿?yīng)當(dāng)?shù)玫?還是0。
即然這樣，那顯然不能將所有的片選信號連在一起了，只能是各芯片的片選信號獨(dú)立。前面提到了地址總線，我們是采用一根地址線連一個(gè)外設(shè)芯片呢？還是采用其它的方法。如果采用一根地址線連一個(gè)外設(shè)芯片，那可能多只能掛接32個(gè)芯片了，這顯然不行。
其實(shí)，在現(xiàn)實(shí)中，是采用32位的數(shù)字來表示一個(gè)外設(shè)芯片的地址的，比如1可以表示芯片A，而6534可以表示另外一個(gè)芯片B，等等。由此看來，理論上我們可以表示2的32次方(4294967296)個(gè)設(shè)備，之所以說理論上，是因?yàn)橛械脑O(shè)備要占用大量的地址。即然這樣，那還有一個(gè)問題，如果將32位的地址總線轉(zhuǎn)換成芯片的一根片選信號呢？這需要引入譯碼(器)的概念。
譯碼(器)
譯碼器將一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一根信號線上的信號，比如3/8譯碼器，可以將一個(gè)位寬是3位的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成8根(2的3次方)*獨(dú)立的信號線，當(dāng)向數(shù)據(jù)側(cè)寫入二進(jìn)制的011時(shí)，對應(yīng)的是8根線的第3根，當(dāng)輸入二進(jìn)制的111時(shí)，對應(yīng)的是8根線中的后一根。有了譯碼器，處理器的地址線就簡化了，只要32根地址線加上外面的譯碼器，就可以訪問大量的外設(shè)芯片了。外部設(shè)備的選擇問題，我們已經(jīng)解決了，現(xiàn)在還得回頭看一看數(shù)據(jù)總線。
在嵌入式系統(tǒng)中，所有芯片的數(shù)據(jù)總線可以理解成是直接相連的。之所以用了“可以理解”一詞，是因?yàn)闉榱颂岣呖偩€的負(fù)載能力，其中會加入總線驅(qū)動器。為了理解，我們看一看我們生活中的自來水，比如，在北京理論上可能所有的水管是連在一起的，但中間可能為了提高水壓，存在很多小的水站用來增加供水壓力，而不可能全北京所有的自來水自接來自一個(gè)水廠。
即然所有的數(shù)據(jù)總線是連在一起的，那就可能會有問題。當(dāng)向外部設(shè)備寫數(shù)據(jù)時(shí)，處理器先向地址總線輸送目標(biāo)外設(shè)的地址，地址譯碼器將其轉(zhuǎn)換成一根信號的片選信號送到了目標(biāo)外設(shè)，目標(biāo)外設(shè)收到這一信號后，將“門”打開。接下來處理器將要傳送到外設(shè)的數(shù)據(jù)往數(shù)據(jù)總線上一放，由于只有目標(biāo)外設(shè)芯片打開了“門”，所以數(shù)據(jù)只會進(jìn)入到目標(biāo)外設(shè)，而其它的外設(shè)什么也不會收到。很好!處理器向外寫數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)沒有問題，我們接下來看一看讀。
讀的話，由于數(shù)據(jù)是從外設(shè)輸送到處理器的，盡管我們采用和寫一樣的方法打開目標(biāo)外設(shè)的“門”，但此時(shí)，其它的外設(shè)也在數(shù)據(jù)總線上，它們有可能處于1也可能處于0，是不是會影響處理器讀取目標(biāo)外設(shè)的數(shù)據(jù)呢？結(jié)果當(dāng)然不會，但我們得引入另一個(gè)概念：高阻態(tài)。
高阻態(tài)
很顯然，當(dāng)處理器從目標(biāo)外設(shè)讀數(shù)據(jù)時(shí)，我們希望其它沒有被選上的芯片的數(shù)據(jù)總線不會對目標(biāo)外設(shè)所要傳送的數(shù)據(jù)有影響，那怎么辦呢？實(shí)際上，當(dāng)芯片沒有被選中時(shí)，其數(shù)據(jù)總線都處于高阻態(tài)。
所謂的高阻態(tài)，我們可以理解成這一管腳在外設(shè)芯片內(nèi)部是斷開的，如此一來，顯然不會對處理器從目標(biāo)外設(shè)讀取數(shù)據(jù)造成任何的影響了。我們說當(dāng)一個(gè)芯片沒有被選中或是沒有被使能時(shí)，其數(shù)據(jù)總線一定是處于高阻態(tài)的。前面用了“門”的開和關(guān)來打比方，那“門”是指什么呢？是指外設(shè)的數(shù)據(jù)總線，片選信號的作用就是控制將外設(shè)的數(shù)據(jù)總線與處理器的數(shù)據(jù)總線相連或是斷開。
驅(qū)動
總線上的數(shù)據(jù)是誰放上去的我們就說誰是那一時(shí)刻的驅(qū)動者。也就是說，當(dāng)處理器向外設(shè)寫數(shù)據(jù)時(shí)，它是在驅(qū)動數(shù)據(jù)總線的，而當(dāng)處理器從目標(biāo)外設(shè)讀取數(shù)據(jù)時(shí)，目標(biāo)外設(shè)是在驅(qū)動數(shù)據(jù)總線的。對于地址總線，因?yàn)橹豢赡軓奶幚砥飨蚰繕?biāo)外設(shè)寫，所以地址總線永遠(yuǎn)是由處理器驅(qū)動的。當(dāng)一個(gè)芯片沒有被選中時(shí)，我們說它并不驅(qū)動數(shù)據(jù)總線。
三態(tài)門
前面我們說到外設(shè)芯片的數(shù)據(jù)總線在沒有被選中時(shí)其處于高阻態(tài)，當(dāng)被選中時(shí)，其電平可能是高(1)或是低(0)。如此一來，我們說外設(shè)的數(shù)據(jù)總線其芯片管腳是屬于三態(tài)門的，即存在高電平、低電平和高阻態(tài)，三個(gè)狀態(tài)。
電平的有效性
前面我們了解了什么是片選信號，也講到了三態(tài)門，需要指出的是片選信號通常不是三態(tài)門，其只存在兩個(gè)狀態(tài)，即高電平或是低電平。前面我們也說了，片選信號是用來“開門”的，而片選信號又有高和低電平，那到底是高電平表示“開門”呢？還是低電平？
對于這一問題，我們稱如果一個(gè)電平對于一個(gè)片選信號表示“開門”那么它就是這一信號的有效電平。比如，對于一個(gè)片選信號，如果低電平表示“開門”，那么我們說這個(gè)片選信號是低電平有效的。雖然，在這里我們用片選信號來解釋電平的有效性，但是很多信號都存在有效性的問題，比如，后面我們將要談的讀信號和寫信號都存在有效性問題。
時(shí)序
在前面我們說到當(dāng)處理器要向外設(shè)芯片寫數(shù)據(jù)時(shí)，需要先將所需訪問的外設(shè)的地址放在地址總線上，然后，由譯碼器將地址總線上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成片選信號，片選信號則使能目標(biāo)外設(shè)芯片，接下來處理器寫數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)總線上，從而完成一個(gè)寫操作。顯然，在處理器將數(shù)據(jù)寫到數(shù)據(jù)總線之前地址線上的數(shù)據(jù)必須一直保留一段時(shí)間，否則的話譯碼器不能長時(shí)間的使片選信號有效。
當(dāng)完成了數(shù)據(jù)的寫操作后，處理器就不需要保證地址總線上的地址有效了。我們可以看出，這一系列的操作都有一定嚴(yán)格的時(shí)間順序的，這稱之為時(shí)序。時(shí)序描述了處理器與外部設(shè)備的交互信號 “規(guī)程”，大家只有按照這一“規(guī)程”來操作，才能保證處理器與外部設(shè)備之間能正常的通訊。這好比，我們的道路上的紅綠燈，如果我們行人和車輛不按照其指示來通行的話，就會出現(xiàn)事故。通常，采用時(shí)序圖來描述芯片之間通訊的信號“規(guī)程”。
ADDRESS是表示地址總線的，DQ是表示數(shù)據(jù)總線的,CE是片選信號，且是低電平有效，其寬度要保證在進(jìn)行讀操作時(shí)總是有效的。學(xué)會看時(shí)序圖對于做嵌入式系統(tǒng)開發(fā)非常有幫助，因?yàn)槲覀儾豢杀苊獾囊c芯片打交道。
在時(shí)序圖中，通常會標(biāo)識很多的時(shí)間需求信息。在寫啟動代碼時(shí)需要初始化各地址空間的片選地址寄存器和讀寫時(shí)序，時(shí)序的配置依據(jù)就是來自于外設(shè)芯片的時(shí)間需求，這是芯片手冊很重要的一部分內(nèi)容。當(dāng)一個(gè)地址空間中存在多個(gè)外設(shè)芯片時(shí)，我們需要考慮到其中慢的外設(shè)芯片的時(shí)間需求，否則的話有的芯片就不能正常工作。
讀信號
當(dāng)處理器需要從外設(shè)芯片讀取信號時(shí)，除了需要產(chǎn)生片選信號外，還需要告訴外設(shè)芯片這是一個(gè)讀操作，而不是一個(gè)寫操作，這是通過讀信號來實(shí)現(xiàn)的。
寫信號
前面講了讀信號，我想對于寫信號也就不難理解了，這個(gè)信號用于告訴外設(shè)芯片，這是一個(gè)向外設(shè)芯片寫數(shù)據(jù)的操作。
I/O端口
前面提到了外設(shè)(芯片)，現(xiàn)在是對外設(shè)進(jìn)行分類的時(shí)候了。大體上外設(shè)分為兩類，一類是存儲器外設(shè)，而另一類是非存儲器外設(shè)，后者常被稱之為I/O設(shè)備，這里的I/O是Input/Output的簡寫，即輸入、輸出。可見，I/O外設(shè)是一個(gè)非常寬泛的概念。對于存儲器外設(shè)，其特點(diǎn)是，它所占用的空間是連續(xù)的一片。比如，SDRAM內(nèi)存就是屬于存儲器外設(shè)，如果其容量是8M字節(jié)，那么其占用的地址空間也會是8M的。
與存儲器外設(shè)所不同的是，I/O外設(shè)所點(diǎn)用的地址一般都很少。比如一個(gè)I/O外設(shè)可能存在多個(gè)控制寄存器，這些控制寄存器從處理器來看就是多個(gè)I/O端口(地址)，向這個(gè)地址寫數(shù)據(jù)就是向外設(shè)所對應(yīng)的寄存器寫數(shù)據(jù)，反之，也可以是讀。比如，一個(gè)串口芯片可能存在多個(gè)寄存器，一個(gè)用來查詢芯片的狀態(tài)，一個(gè)用來設(shè)置芯片的功能，另一個(gè)用來讀取芯片從串口線所收到的數(shù)據(jù)，后，還有一個(gè)用來向芯片寫數(shù)據(jù)以向串口線上發(fā)送數(shù)據(jù)。對于這一串口芯片的寄存器，從處理器的角度來看，都是獨(dú)立的I/O端口。
I/O端口存在讀、寫性問題，有的端口是只讀的，有的端口是只寫的，還有的端口是即可讀也可寫，其讀寫性是由外設(shè)芯片的寄存器所決定的，在芯片的數(shù)據(jù)手冊中能找到。需要指出的是，有些存儲器外設(shè)也存在I/O端口，以對其進(jìn)行一定的控制。從I/O端口這一名字來看，對于處理器來說，就是對從外面讀入數(shù)據(jù)或是向外面輸出數(shù)據(jù)的一個(gè)接口總稱。
中斷
中斷從硬件的角度來看就是一個(gè)能產(chǎn)生高、低電平的一根信號線，但理解它需要從處理器的角度出發(fā)。我們說過了，處理器從微觀上看，所做的工作是按順序進(jìn)行的，其對程序的處理只能是一條指令一條指令的執(zhí)行。如果存在需要對外設(shè)芯片進(jìn)行訪問，而有可能從處理器發(fā)出讀、寫命令后，由于外設(shè)通常比處理器慢很多，所以外設(shè)芯片需要一些時(shí)間來準(zhǔn)備好所需的數(shù)據(jù)。在這種情況下，如果處理器一直等外設(shè)芯片的返回?cái)?shù)據(jù)再執(zhí)行后續(xù)的指令的話，將耗費(fèi)寶貴的時(shí)間，這些時(shí)間*可以用來做其它的工作。
別忘了，從宏觀上看來處理器常常是多任務(wù)的，任務(wù)是指操作系統(tǒng)所提供的調(diào)度單位。當(dāng)一個(gè)任務(wù)因?yàn)榈却庠O(shè)芯片的數(shù)據(jù)而阻塞時(shí)，我們可以切換到另外的任務(wù)，從而提高處理效率。這就有一個(gè)問題，當(dāng)處理器去處理另一個(gè)任務(wù)時(shí)，如果外設(shè)芯片的數(shù)據(jù)好了的話，如果告訴處理器呢？就是通過中斷信號。中斷信號的高、低電平可以用來表示是否有中斷需要處理器注意以處理特定的事件(比如，外設(shè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了的事件)。
由此看來，中斷的引入能大大的提高處理器的運(yùn)用效率。為了使用處理器上的中斷，一開始我們需要初始化好處理器的中斷控制器，比如安裝好所需的中斷服務(wù)程序或稱之為ISR(Interrupt Service Routine)，然后，打開中斷屏蔽位。中斷服務(wù)程序中需要做如下的操作：
1. 從外設(shè)讀入或向外設(shè)寫數(shù)據(jù)。讀還是寫通常需要讀取外設(shè)的中斷狀態(tài)寄存器來決定。
2. 清除外設(shè)的中斷信號。我們知道，中斷信號是由外設(shè)芯片驅(qū)動的，為了告訴外設(shè)芯片，處理器已經(jīng)處理完了所需做的工作，那么處理器需要通過一定的方式通知外設(shè)芯片。這種方式就是向外設(shè)芯片的寄存器中的某一位寫入一個(gè)數(shù)據(jù)，比如，可能是寫入1表示清中斷，也可能是寫入0表示清中斷，這通常在外設(shè)的數(shù)據(jù)手冊中能查到。當(dāng)外設(shè)收到了處理器的清中斷請求后，其就會驅(qū)動中斷線使其無效。比如，一個(gè)外設(shè)的中斷線是當(dāng)其為低電平表示有中斷，將其從低電平變?yōu)楦唠娖骄褪球?qū)動為無效。
3. 清除處理器的中斷信號標(biāo)識。處理器中往往也會保存外部中斷信號是否發(fā)生過，當(dāng)我們處理完了外設(shè)芯片的中斷時(shí)，我們也需要清除處理器上的標(biāo)識，從而為下一次中斷做準(zhǔn)備。需要注意的是，清外設(shè)的中斷必須發(fā)生在請?zhí)幚砥髦袛鄻?biāo)識之前。
中斷還存在一個(gè)觸發(fā)方式問題。有兩種觸發(fā)方式 ，一種是電平觸發(fā)，另一種是沿觸發(fā)。電平觸發(fā)是指電平的高低表示外設(shè)是否有中斷，而沿觸發(fā)則是能過中斷線上的電平的升或降來表示的，顯然，存在兩種沿觸發(fā)方式。一種是中斷線從低電平變?yōu)楦唠娖?，我們稱之為上升沿觸發(fā)，另一處是中斷線從高電平轉(zhuǎn)換為低電平，我們稱之為下降沿觸發(fā)。總的來說中斷的觸發(fā)方式有電平觸發(fā)、上升沿觸發(fā)和下降沿觸發(fā)。電平觸發(fā)方式中處理中中斷設(shè)置很重要的一個(gè)步驟。
萬用表
萬用表通常是用來查看電平的高低、電阻的大小等的，是常用且*的工具之一。在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，我們常用的是數(shù)字萬用表。
電平(Level)
在數(shù)字電路中，分為高電平和低電平，分別用1和0表示。一個(gè)數(shù)字電路的管腳，總是存在一個(gè)電平的，要么高要么低，或者說要么1要到0(其實(shí)，還有另一種狀態(tài))。
示波器
在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，我們不可避免的要與外設(shè)芯片打交道。調(diào)試驅(qū)動程序時(shí)，除了需要*看明白芯片的數(shù)據(jù)手冊，且在軟件高度的過程中，還需要看我們所期望的信號電平是否發(fā)生在芯片上。比如，我們在寫驅(qū)動程序時(shí)，需要通過寫I/O端口來對外設(shè)芯片進(jìn)行操作，當(dāng)寫相應(yīng)的I/O端口時(shí)，我們知道所對應(yīng)芯片的片選信號應(yīng)當(dāng)有效，有時(shí)，我們需要驗(yàn)證是否按預(yù)期發(fā)生了，這就需要用到示波器。一般的示波器是能同時(shí)觀測兩個(gè)信號線的信號狀態(tài)的。
示波器都提供一定的功能，比如設(shè)置信號撲捉的方式等等。示波器很重要的一個(gè)參數(shù)據(jù)是其采集頻率，根據(jù)Nyquist采集定理，如果我們想用示波器查看頻率是100M赫茲的信號，那么其采樣頻率必須至少是其兩倍，即200M赫茲。有人可能會問：為什么不用萬用表來看呢?因?yàn)槿f用表的采集頻率很底，無法采集到很快的信號變化。
邏輯分析儀
簡單的說邏輯分析器就是具有很多信號通道的示波器。通過邏輯分析儀，我們可以看到地址總線和數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)。邏輯分析儀都提供一定的編程能力，用于編程什么時(shí)候開始對總線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。
