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基于ARM的嵌入式系统外围硬件设计

时间：2018-06-26 17:56:03

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基于ARM的嵌入式系统外围硬件设计

一、嵌入式接口分类

（1）基本嵌入式接口

（2）嵌入式网络接口

（3）标准协议接口

（4）无线通信接口

二、基本嵌入式接口

1、实时时钟

（1）功能：专用的电路单元

提供可靠的时钟信息，包括时分秒和眠=年月日实时时钟通过后备电池供电也可正常继续工作

（2）使用

外围电路只需要一个高精度的晶振

2、预分频器

（1）定义

预分频器是将系统时钟源按需求分频提供给内部的外围电路

（2）举例

内部可编程定时器、A/D转换等使用

3、可编程定时/计数器

功能：具有定时和计数功能，可用于多任务时间片调度、分频和定时中断等

4、看门狗WatchDogTimer

（1）外围设备，实际是一个简单的定时器

（2）不正常情况下在固定时间内不清0，溢出则自动复位处理器

5、AD/DA转换器

（1）AD：用于模拟信号转换成数字信号

（2）DA：将数字信号转换成模拟信号

6、键盘与LED显示

（1）键盘：注意键盘按键有颤动

（2）发光二极LED接口：指示电路，微弱电流即可点亮

7、显示器

（1）采用LED、LCD或者CRT（Cathcode Ray Tube阴极射线管）

（2）控制方式：直接驱动、缓冲驱动

8、触摸屏

（1）电阻式触摸屏：用二维电压来检测位置

（2）电容式触摸屏：利用人体的电流感应进行工作

三、嵌入式网络接口

1、TCP/IP

5层：物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层

2、OSI

（1）Open System Interconnect开放式系统互联网参考模型

（2）7层：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层

3、CAN总线

（1）CAN（Controller Area Network)控制器局域网

（2）CAN协议主要描述设备之间的信息传递方式，定义了模型最下面两层数据链路层和物理层的规范

（3）数据传输速度快，硬件的错误检定特性也增强了CAN的抗电磁干扰能力

四、标准协议接口

1、Inter Integrated Circuit

（1）具有多端控制能力的双线双向串行数据总线系统，用于I/O串行扩展

（2）规定了如何在两个设备之间传递数据，采用的方法是总线仲裁、时钟同步和总线的电器特征

2、USB

（1）USB全称Universal Serial Bus通用串行总线

（2）USB能支持多达127个外设，并且可以独立供电、支持热插拔

（3）使计算机周边设备连接标准化、单一化的接口

（4）

USB1.0----低速模式USB1.1---增加全速模式USB2.0---增加高速模式USB3.0---增加超高速模式USB3.1---速度进一步增加

3、IEEE1394

（1）高速串行总线，接纳为工业标准

（2）高速、实时串行标准

（3）应用

便携式摄像机、数字卫星接收装置数字电视、数字顶置盒、DVD播放机

4、IEEE1394和USB相同点

（1）两者都是一种通用外接设备接口，不固定哪一种设备，可以广泛应用

（2）两者都可以快速传输大量数据

（3）两者都能连接多个不同设备，都支持热插拔

（4）两者都可以不用外部电源

5、IEEE1394和USB区别

（1）传输速度不同

（2）结构不同

（3）智能化程度不同

（4）应用范围不同

6、并行接口

（1）并行：8位数据同时通过并行线进行传送，这样数据传送速度大大提高

（2）并行传送的线路长度受到限制，因为长度增加，干扰就会增加，容易出错

（3）工作模式

SPP(Standard Parallel Port)标准工作模式，单工传输EPP(Enhanced Parallel Port）增强型工作模式（半双工数据传输）ECP（Enhanced Capability Port）扩充型工作模式（全双工数据传输）

7、串行接口

（1）串行口：只能用一条线传输一位数据，每次传输一个字节的一位

（2）串行口可以用于比并行口更远距离的数据传输

（3）典型代表位RS-232-C及其兼容插口，有9针和25针两类

8、以太网

（1）局域网的一种有线通信总线标准

（2）采用CSMA/CD载波监听/冲突检测

（3）星型或总线型结构通过集线器/交换机/网桥互连

（4）通信协议规范：十兆以太网、快速以太网、千兆以太网、万兆以太网

9、PCMCIA

（1）Personal Computer Memory Card International Association

（2）界面卡，支持16位或32位的数据宽度的外设

（3）卡轻巧、方便携带，热插拔Hot Pluggin功能

10、CF卡：储存卡

五、无线通讯接口

1、红外线接口

（1）红外线接口Infrared Data Association是新一代手机的配置标准，支持手机与电脑以及其他数字设备进行数据交流

（2）特点

用来取代点对点的线缆连接新的通讯标准兼容早期的通讯标准小角度（30度锥角以内），短距离，点对点直线数据传输，保密性强传输速率较高，目前4M速率的FIR技术已被广泛使用

（3）红外线是电磁波

2、蓝牙

（1）蓝牙Bluetooth是一个点对点的无线通信协议标准

（2）频带：2.402~2.480GHz，属于ISM（Industrial Scientific Medical）频带

3、IEEE802.11

（1）无线局域网的通信标准

4、WIFI

（1）WirelessFidelity无线保真技术基于IEEE802.11系列标准

5、ZigBee

（1）新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术

（2）介于无限标记技术和蓝牙之间的技术提案

（3）依据802.15.4标准，在数千个微笑传感器之间相互协调实现通信，在工业、科学和医用射频频带中工作

六、相关知识

1、STM32、Cortex-M3、Cortex-M4之间的关系

STM32是一款ARM内核的处理器芯片，基于Cortex-M3/Cortex-M4等内核的微处理器/微控制器芯片。STM32F1采用Cortex-M3内核，STM32F4采用Cortex-M4内核。Cortex-M3采用了ARMv7架构的，使用哈佛结构的内核，针对低功耗微控制器设计的处理器，面积小但是性能强劲，支持可以处理器快速处理复杂任务的丰富指令集。具有硬件除法器和乘加指令(MAC),并且M3支持全面的调试和跟踪功能。Cortex-M4采用了ARMv7架构的，使用哈佛结构的内核，不但具备Cortex-M3的所有功能，并且扩展了面向数字信号处理DSP的指令集，具有可选的支持IEEE754浮点标准的单精度浮点运算单元。

2、STM32的系统结构

STM32 系统结构主要为Cortex-MX、系统总线、DMA1、DMA2，Flash、SRAM、FSMC、AHB、外设、系统时钟。STM32采用ARM架构的Cortex-Mx的核心，STM32 主系统主要由四个驱动单元（内核 DCode 总线、系统总线、通用 DMA1、通用 DMA2 ）和四个被动单元（AHB 到 APB 的桥、内部 FlASH 闪存、内部 SRAM、FSMC ）构成。

(1) ICode 总线：用于预取指令，该总线将 M3 内核指令总线和闪存指令接口相连，指令的预取在该总线上面完成。

(2) DCode 总线：用于数据管理，该总线将 M3 内核的 DCode 总线与闪存存储器flash的数据接口相连接，常量加载和调试访问在该总线上面完成。

(3)系统总线：该总线连接 M3 内核的系统总线（外设总线）到总线矩阵，总线矩阵协调内核和 DMA 间访问。

(4) DMA 总线： STM32里面有两个DMA控制器，该总线将 DMA 的 AHB 主控接口与总线矩阵相连，总线矩阵协调 CPU 的DCode 和 DMA 到 SRAM,闪存和外设的访问。 DMA1有7个通道，DMA2有5个通道，它的功能就是在内存和I/O设备之间直接进行数据交换，无需cpu干预。

(5)总线矩阵：总线矩阵协调内核系统总线和 DMA 主控总线之间的访问仲裁，仲裁利用轮换算法。

(6) AHB/APB 桥:这两个桥在 AHB 和 2 个 APB 总线间提供同步连接， APB1 操作速度限于36MHz，APB2 操作速度全速。

3、电阻式触摸屏的工作原理

电阻式触摸屏是一种传感器，用二维电压来检测位置，当触摸屏表面受到的压力（如通过笔尖或手指进行按压）足够大时，顶层与底层之间会产生接触。所有的电阻式触摸屏都采用分压器原理来产生代表X坐标和Y坐标的电压，它将矩形区域中触摸点(X,Y)的物理位置转换为代表X坐标和Y坐标的电压。

4、IEEE1394与USB两种串行外设接口的不同

IEEE1394和USB的区别主要在于结构、传输速率、智能化程度与应用范围方面。具体不同如下：

(1)传输速率方面：主流的USB2.0的传输速度比IEEE1394快，USB2.0的第二版的速度超越IEEE1394的最高传输标准。

(2)结构不同：USB在连接时必须至少有一台电脑，同时也必须需要HUB来实现多台设备互连，整个网络中最多可以连接127台设备

(3)智能化程度不同:USB是以HUB来判断连接设备的增减

(4)应用范围不同：每台PC主板都设置了USB接口，USB3.0应用范围更会扩大；IEEE1394目前主要在中、高档电脑、服务器计算机中得到普遍应用，在其它设备中通常只应用于音频、视频等多媒体方面

5、蓝牙和红外线两种无线通信方式的不同特性

蓝牙和红外两种无线通信方式主要的不同特性主要是传输速度、传输距离、传输特性、移动性、安全机制和模块价格等。