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。
9、嵌入式系统中信息表示与运算基础
(1)进位计数制与转换:这样比较简单,也应该掌握怎么样进行换算,有出题的可能。
(2)计算机中数的表示:源码、反码与补码。
正数的反码与源码相同,负数的反码为该数的源码除符号位外按位取反。
正数的补码与源码相同,负数的补码为该数的反码加一。
例如-98的源码:11100010b
反码:10011101b
补码:10011110b
(3)定点表示法:数的小数点的位置人为约定固定不变。
浮点表示法:数的小数点位置是浮动的,它由尾数部分和阶数部分组成。
任意一个二进制n总可以写成:n=2p×s。s为尾数,p为阶数。
(4)汉字表示法,搞清楚gb2318-80中国标码和机内码的变换。
(5)语音编码中波形量化参数(可能会出简单的计算题目哦)
采样频率:一秒内采样的次数,反映了采样点之间的间隔大小。
人耳的听觉上限是20khz,因此40khz以上的采样频率足以使人满意。
cd唱片采用的采样频率是44.1khz。
测量精度:样本的量化等级,目前标准采样量级有8位和16位两种。
声道数:单声道和立体声双道。立体声需要两倍的存储空间。
10、差错控制编码
(1)根据码组的功能,可以分为检错码和纠错码两类。检错码是指能自动发现差错的码,例如奇偶检验码;纠错码是指不仅能发现差错而且能自动纠正差错的码,例如循环冗余校验码。
(2)奇偶检验码、海明码、循环冗余校验码(crc)。
11、差错控制编码嵌入式系统的度量项目
(1)性能指标:分为部件性能指标和综合性能指标,主要包括:吞吐率、实时性和各种利用率。
(2)可靠性与安全性
可靠性是嵌入式系统最重要、最突出的基本要求,是一个嵌入式系统能正常工作的保证,一般用平均故障间隔时间mtbf来度量。
(3)可维护性:一般用平均修复时间mttr表示。
(4)可用性
(5)功耗
(6)环境适应性
(7)通用性
(8)安全性
(9)保密性
(10)可扩展性
性价比中的价格,除了直接购买嵌入式系统的价格外,还应包含安装费用、若干年的运行维修费用和软件租用费。
嵌入式系统的评价方法:测量法和模型法
(1)测量法是最直接最基本的方法,需要解决两个问题:
a、根据研究的目的,确定要测量的系统参数。
b、选择测量的工具和方式。
(2)测量的方式有两种:采样方式和事件跟踪方式。
(3)模型法分为分析模型法和模拟模型法。分析模型法是用一些数学方程去刻画系统的模型,而模拟模型法是用模拟程序的运行去动态表达嵌入式系统的状态,而进行系统统计分析,得出性能指标。
(4)分析模型法中使用最多的是排队模型,它包括三个部分:输入流、排队规则和服务机构。
(5)使用模型对系统进行评价需要解决3个问题:设计模型、解模型、校准和证实模型。
12、接口技术
1、flash存储器
(1)flash存储器是一种非易失性存储器,根据结构的不同可以将其分为nor flash和nand flash两种。
(2)flash存储器的特点:
a、区块结构:在物理上分成若干个区块,区块之间相互独立。
b、先擦后写:flash的写操作只能将数据位从1写成0,不能从0写成1,所以在对存储器进行写入之前必须先执行擦除操作,将预写入的数据位初始化为1。擦除操作的最小单位是一个区块,而不是单个字节。
c、操作指令:执行写操作,它必须输入一串特殊指令(nor flash)或者完成一段时序(nand flash)才能将数据写入。
d、位反转:由于flash的固有特性,在读写过程中偶尔会产生一位或几位的数据错误。位反转无法避免,只能通过其他手段对结果进行事后处理。
e、坏块:区块一旦损坏,将无法进行修复。对已损坏的区块操作其结果不可预测。
(3)nor flash的特点:
应用程序可以直接在闪存内运行,不需要再把代码读到系统ram中运行。nor flash的传输效率很高,在1mb~4mb的小容量时具有很高的成本效益,但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。
(4)nand flash的特点
能够提高极高的密度单元,可以达到高存储密度,并且写入和擦除的速度也很快,这也是为何所有的u盘都使用nand flash作为存储介质的原因。应用nand flash的困难在于闪存需要特殊的系统接口。
(5)nor flash与nand flash的区别:
a、nor flash的读速度比nand flash稍快一些。
b、nand flash的擦除和写入速度比nor flash快很多
c、nand flash的随机读取能力差,适合大量数据的连续读取。
d、nor flash带有sram接口,有足够的地址引进来寻址,可以很容易地存取其内部的每一个字节。nand flash的地址、数据和命令共用8位总线(有写公司的产品使用16位),每次读写都要使用复杂的i/o接口串行地存取数据。
e、nor flash的容量一般较小,通常在1mb~8mb之间;nand flash只用在8mb以上的产品中。因此,nor flash只要应用在代码存储介质中,nand flash适用于资料存储。
f、nand flash中每个块的最大擦写次数是一百万次,而nor flash是十万次。
g、nor flash可以像其他内存那样连接,非常直接地使用,并可以在上面直接运行代码;nand flash需要特殊的i/o接口,在使用的时候,必须先写入驱动程序,才能继续执行其他操作。因为设计师绝不能向坏块写入,这就意味着在nand flash上自始至终必须进行虚拟映像。
h、nor flash用于对数据可靠性要求较高的代码存储、通信产品、网络处理等领域,被成为代码闪存;nand flash则用于对存储容量要求较高的mp3、存储卡、u盘等领域,被成为数据闪存。
2、ram存储器
(1)sram的特点:
sram表示静态随机存取存储器,只要供电它就会保持一个值,它没有刷新周期,由触发器构成基本单元,集成度低,每个sram存储单元由6个晶体管组成,因此其成本较高。它具有较高速率,常用于高速缓冲存储器。
通常sram有4种引脚:
ce:片选信号,低电平有效。
r/w:读写控制信号。
address:一组地址线。
data:用于数据传输的一组双向信号线。
(2)dram的特点:
dram表示动态随机存取存储器。这是一种以电荷形式进行存储的半导体存储器。它的每个存储单元由一个晶体管和一个电容器组成,数据存储在电容器中。电容器会由于漏电而导致电荷丢失,因而dram器件是不稳定的。它必须有规律地进行刷新,从而将数据保存在存储器中。
dram的接口比较复杂,通常有一下引脚:
ce:片选信号,低电平有效。
r/w:读写控制信号。
ras:行地址选通信号,通常接地址的高位部分。
cas:列地址选通信号,通常接地址的低位部分。
address:一组地址线。
data:用于数据传输的一组双向信号线。
(3)sdram的特点:
sdram表示同步动态随机存取存储器。同步是指内存工作需要同步时钟,内部的命令发送与数据的传输都以它为基准;动态是指存储器阵列需要不断的刷新来保证数据不丢失。它通常只能工作在133mhz的主频。
(4)ddram的特点
ddram表示双倍速率同步动态随机存取存储器,也称ddr。ddram是基于sdram技术的,sdram在一个时钟周期内只传输一次数据,它是在时钟的上升期进行数据传输;而ddr内存则是一个时钟周期内传输两次次数据,它能够在时钟的上升期和下降期各传输一次数据。在133mhz的主频下,ddr内存带宽可以达到133×64b/8×2=2.1gb/s。
3、硬盘、光盘、cf卡、sd卡
4、gpio原理与结构
gpio是i/o的最基本形式,它是一组输入引脚或输出引脚。有些gpio引脚能够加以编程改变工作方向,通常有两个控制寄存器:数据寄存器和数据方向寄存器。数据方向寄存器设置端口的方向。如果将引脚设置为输出,那么数据寄存器将控制着该引脚状态。若将引脚设置为输入,则此输入引脚的状态由引脚上的逻辑电路层来实现对它的控制。
5、a/d接口
(1)a/d转换器是把电模拟量转换为数字量的电路。实现a/d转换的方法有很多,常用的方法有计数法、双积分法和逐次逼进法。
(2)计数式a/d转换法
其电路主要部件包括:比较器、计数器、d/a转换器和标准电压源。
其工作原理简单来说就是,有一个计数器,从0开始进行加1计数,每进行一次加1,该数值作为d/a转换器的输入,其产生一个比较电压vo与输入模拟电压vin进行比较。如果vo小于vin则继续进行加1计数,直到vo大于vin,这时计数器的累加数值就是a/d转换器的输出值。
这种转换方式的特点是简单,但是速度比较慢,特别是模拟电压较高时,转换速度更慢。例如对于一个8位a/d转换器,若输入模拟量为最大值,计数器要从0开始计数到255,做255次d/a转换和电压比较的工作,才能完成转换。
(3)双积分式a/d转换法
其电路主要部件包括:积分器、比较器、计数器和标准电压源。
其工作原理是,首先电路对输入待测电压进行固定时间的积分,然后换为标准电压进行固定斜率的反向积分,反向积分进行到一定时间,便返回起始值。由于使用固定斜率,对标准电压进行反向积分的时间正比于输入模拟电压值,输入模拟电压越大,反向积分回到起始值的时间越长。只要用标准的高频时钟脉冲测定反向积分花费的时间,就可以得到相应于输入模拟电压的数字量,也就完成了a/d转换。
其特点是,具有很强的抗工频干扰能力,转换精度高,但转换速度慢,通常转换频率小于10hz,主要用于数字式测试仪表、温度测量等方面。
(4)逐次逼近式a/d转换法
其电路主要部件包括:比较器、d/a转换器、逐次逼近寄存器和基准电压源。
其工作原理是,实质上就是对分搜索法,和平时天平的使用原理一样。在进行a/d转换时,由d/a转换器从高位到低位逐位增加转换位数,产生不同的输出电压,把输入电压与输出电压进行比较而实现。首先使最高位为1,这相当于取出基准电压的1/2与输入电压比较,如果在输入电压小于1/2的基准电压,则最高位置0,反之置1。之后,次高位置1,相当于在1/2的范围中再作对分搜索,以此类推,逐次逼近。
其特点是,速度快,转换精度高,对n位a/d转换器只需要m个时钟脉冲即可完成,一般可用于测量几十到几百微秒的过渡过程的变化,是目前应用最普遍的转换方法。
(5)a/d转换的重要指标(有可能考一些简单的计算)
a、分辨率:反映a/d转换器对输入微小变化响应的能力,通常用数字输出最低位(lsb)所对应的模拟电压的电平值表示。n位a/d转换器能反映1/2n满量程的模拟输入电平。
b、量程:所能转换的模拟输入电压范围,分为单极性和双极性两种类型。
c、转换时间:完成一次a/d转换所需要的时间,其倒数为转换速率。
d、精度:精度与分辨率是两个不同的概念,即使分辨率很高,也可能由于温漂、线性度等原因使其精度不够高。精度有绝对精度和相对精度两种表示方法。通常用数字量的最低有效位lsb的分数值来表示绝对精度,用其模拟电压满量程的百分比来表示相对精度。
例如,满量程10v,10位a/d芯片,若其绝对精度为±1/2lsb,则其最小有效位lsb的量化单位为:10/1024=9.77mv,其绝对精度为9.77mv/2=4.88mv,相对精度为:0.048%。
6、d/a接口基本
(1)d/a转换器使将数字量转换为模拟量。
(2)在集成电路中,通常采用t型网络实现将数字量转换为模拟电流,再由运算放大器将模拟电路转换为模拟电压。进行d/a转换实际上需要上面的两个环节。
(3)d/a转换器的分类:
a、电压输出型:常作为高速d/a转换器。
b、电流输出型:一般外接运算放大器使用。
c、乘算型:可用作调制器和使输入信号数字化地衰减。
(4)d/a转换器的主要指标:分辨率、建立时间、线性度、转换精度、温度系数。
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