嵌入式系统概述

西安邮电学院 计算机学院
page
20
6.3.2 状态查询数据访问方式
二、状态查询式 I/O接口电路 组成原理
三 态 缓 冲 器 状态端口 三 态 缓 冲 器 地 址 、 读 、写 信 号 运 算 器 数 据 锁 存 数据总线 器 数据输出 端 口 外设输出数据线 外设状态信息
外设输入数据线
A [ 3 1 :0 ]
2012-6-3
西安邮电学院 计算机学院
page
31
6.4.2 GPIO原理及端口寄存器说明
�
GPIO相关寄存器说明 ：
寄存器名称 说 明 访问 属性 复位 默认值
page
2012-6-3
西安邮电学院 计算机学院
16
6.3.1 无条件数据访问方式
三、接口电路的基本组成原理（输入三态隔离）
三 态 缓 冲 器 外 设 数据线
数据总线
物 理 外 设
A [ 3 1 :0]
RD
地 址 /读 信号运 算 器
2012-6-3
西安邮电学院 计算机学院
page
17
6.3.1 无条件数据访问方式
2012-6-3
西安邮电学院 计算机学院
page
19
6.3.2 状态查询数据访问方式
一、问题描述与解决方法 � 状态查询方式的原理：在执行数据端口访问 指令前，要先查询该设备的状态，当设备处于 准备好状态时，CPU才执行对设备数据端口的 输入/输出指令，与外设交换信息；否则，等 待。
2012-6-3
page
25
6.4 ARM中的GPIO 6.4.1 概述 GPIO（General Purpose Input/Output ports---通用输入/输出端口）是ARM系列芯片 中的基本资源，用于二值化数据（数字电路的 ‘0/1’）的输入和输出。 � 测取输入GPIO管脚的 ‘高/低’ 电平状态； � 在输出GPIO管脚上输出 ‘高/低 ’ 电平。
6.4.1
�
概述
ARM芯片的GPIO引脚可分别设置为输入属性或 输出属性。 � GPIO用于将外部装置连接到计算机系统。 � 设置为输入属性的 GPIO对输入的高低电平数据 起着选通、隔离的作用。 � 设置为输出属性的GPIO对输出数据起着锁存的 作用。
2012-6-3
西安邮电学院 计算机学院
page
2012-6-3 西安邮电学院 计算机学院
page
15
6.3.1 无条件数据访问方式
二、接口电路的主要功能 � 任何设备都不能长期占用系统总线； � 输入设备要经过三态缓冲器相连到系统总线； � 输出设备要经过数据锁存器相连到系统总线； 小思考：处理器的数据总线仅传送操作数，这个说法 对吗？
处理器运行的指令码也是通过数据总线从内存加载到 CPU！
一、问题描述与解决方法 � 如：状态开关（按键）、继电器、数码管、发光 二极管等设备，计算机可随时访问，而不需顾及 其当时的状态。 � 无条件外设--- 输入设备总是准备好向 CPU 提供数 据，输出设备总是准备好接收 CPU送来的数据。 � CPU对此类外设进行输入 /输出操作时无需考虑外 设的状态，直接读 /写数据端口即可 。 � 这一类I/O 设备的访问控制最简单 。
2012-6-3
西安邮电学院 计算机学院
page
10
6.2.2 I/O端口的编址
二、计算机系统中有两种 I/O 端口编址方式 二、计算机系统中有两种I/O I/O端口编址方式 � 统一编址方式---I/O端口与内存单元统一编址在 一个地址空间。只是分布在不同的地址空间区 域。特点，处理器无专用的I/O指令，无专用的 I/O访问控制管脚。 � 独立编址方式 --- I/O端口与内存单元分别编址 在I/O地址空间和内存地址空间。特点，处理器 有专用的I/O指令，有专用的I/O访问控制管脚。
2012-6-3
西安邮电学院 计算机学院
page
11
6.2.2 I/O端口的编址
三、接口 与 端口 � 接口 和 端口是两个不同的概念 。 � 接口 ---侧重于物理连接； � 端口 --- 侧重于接口的内部工作方式。 � 接口由若干个端口加上相应的控制电路构成。 � 每个端口都对应与接口电路中的各个工作寄存器。 外设通过接口连接入计算机系统，计算机通过端 口访问控制外设工作。
2012-6-3
西安邮电学院 计算机学院
page
12
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第6章 目录
6.1 计算机接口概述 6.2 输入输出接口电路 6.3 CPU与外设的数据传输控制方式 6.4 ARM中的GPIO 6.5 中断技术 6.6 ARM中断系统基础
2012-6-3 西安邮电学院 计算机学院
page
13
6.3 CPU与外设的数据传输控制方式
第6章 输入/输出与中断技术
2012-6-3
西安邮电学院 计算机学院
page
1
第6章 目录
6.1 计算机接口概述 6.2 输入输出接口电路 6.3 CPU与外设的数据传输控制方式 6.4 ARM中的GPIO 6.5 中断技术 6.6 ARM中断系统基础
2012-6-3
西安邮电学院 计算机学院
page
2012-6-3
西安邮电学院 计算机学院
page
26
6.4.1
概述
ARM芯片GPIO管脚的输入/输出应用
V cc 3R 10 K K1 K 2 K 3
LED1 LED2 LED3
G PIO 输 入
G PIO 输 出 片内总线 C PU C ore
2012-6-3
西安邮电学院 计算机学院
page
27
�
�
外设的多样性使外设的属性差异极大，需 要不同的数据传送控制方式。 处理器与外设之间的数据传送方式主要有： 无条件数据访问方式，状态查询方式数据 访问方式，中断方式数据访问方式和直接 存储器访问（DMA）方式等几种方式。
2012-6-3
西安邮电学院 计算机学院
page
14
6.3.1 无条件数据访问方式
2
第6章 目录
6.1 计算机接口概述 6.2 输入输出接口电路 6.3 CPU与外设的数据传输控制方式 6.4 ARM中的GPIO 6.5 中断技术 6.6 ARM中断系统基础
2012-6-3 西安邮电学院 计算机学院
page
3
6.1 计算机接口概述
�
�
�
�
计算机硬件由控制器、运算器、存储器、输入设 备和输出设备等5部分组成 。 处理器的强大功能必须通过外部设备（简称外设） 才能得以呈现 。 计算机外设在接入到计算机系统时需要接口电路 桥接---用于完成主机与物理外设的桥接与控制。 在本课程中所研讨的“外设”是指外设接口，注重 于工作原理研讨。
状 态 查 询 I/O
读 ‘ 状 态 端 口 ’
N o
状 态 分 析 可 以 IO 吗 ？ Y es IO 数 据 端 口 访 问
Y es
还 进 行 IO 吗 ？ N o 结 束 I/O
2012-6-3
西安邮电学院 计算机学院
page
22
6.3.3 中断方式数据访问
一、基本思路 当外设需要与CPU进行信息交换时，由外设主 动向CPU发出数据传送请求信号（ 中断申请）， CPU响应此请求信号后（ 中断响应），暂停正在执 行的程序，转去执行该外设的数据输入 /输出操作 程序（中断服务程序----ISR），外设数据端口访问 后，CPU再继续执行被暂停的程序（中断返回）。
28
6.4.1
�
概述
LPC2000系列ARM芯片的GPIO资源： � 在芯片复位后，所有GPIO口默认为输入状态。 � 以端口（32bit字）为单位，对GPIO端口进行 访问； � 可以独立控制每位GPIO口的方向属性（输入 或输出）； � 可以独立控制每输出位GPIO口的输出状态 （1/0）； � 不同系列的芯片具有不同数量的GPIO
备注：慢速的外设与高速的CPU并行工作，充分发挥CPU的 处理能力。
2012-6-3 西安邮电学院 计算机学院
page
23
6.3.3 中断方式数据访问
二、中断方式I/O接口原理
I/O 接 口
A _B us 状 态 R D _B us
C PU
C _B us
IN T
数 据 R 控 制 R
I /O 设 备
�
对应于上述的三种信息，外设接口电路中的端口寄 存器也分为了三类：状态端口(寄存器)、数据端口(寄 存器)和控制端口(寄存器)。
2012-6-3
西安邮电学院 计算机学院
page
8
6.2.1 输入输出接口电路的基本功能与端口分类
I/O 接 口
A_B u s 状 态 R D_B u s 数 据 R C_B u s 控 制 R
三、接口电路的基本组成原理（输出数据锁存）
数 据 锁 存 器 外 设 数 据 线
数据总线
物 理 外 设
A [ 3 1 :0]
W R
地 址 /写 信 号 运 算 器
2012-6-3
西安邮电学院 计算机学院
page
18
6.3.2 状态查询数据访问方式
一、问题描述与解决方法 � 有一些外设，处理器在对其进行访问时需要关心 其状态，只有状态许可时方可对外设进行访问。 如：AD 转换器、串行通信、打印机等，这类外设 称之为---条件访问外设。 � CPU对此类外设进行输入 /输出操作时需考虑外设 的状态，只有外设处于‘准备好’状态时，方可访问 数据端口。
CPU
I/O 设 备
I/O接口的典型结构示意图
2012-6-3 西安邮电学院 计算机学院
page
9
6.2.2 I/O端口的编址
一、基本概念 � 计算机硬件系统中可以含有多个I/O接口，每个 I/O接口中又可以含有多个I/O端口（寄存器）。 � 端口寄存器在计算机系统中象存储器单元一样 被编址，称之为 ‘ 端口地址 ’，处理器通过端口地 址可对各个端口寻址访问，实现对外设的访问控 制。
2012-6-3
西安邮电学院 计算机学院
page
29
6.4.2
�
GPIO原理及端口寄存器说明
ARM芯片GPIO资源概述：
�
�
对于编程者而言，计算机中的各种资源都可被 抽象成 “寄存器” 组； LPC2000系列芯片的每个 GPIO 组件可抽象为 5个32位的寄存器： PINSELx、IOxDIR、IOxSET、IOxCLR和 IOxPIN
2012-6-3 西安邮电学院 计算机学院
page
7
6.2.1 输入输出接口电路的基本功能与端口分类
二、主机与外设接口之间主要交互的三类信息 状态信息(输入)--- 用于标示设备的状态情况 。 � 数据信息(输入/输出)--- 要传送的二进制目标数据。 � 控制信息(输出)--- 控制外设的工作方式与具体操作。
W R R D
数据输入 端 口
物 理 外 设
2012-6-3
西安邮电学院 计算机学院
page
21
6.3.2 状态查询数据访问方式
三、状态程序查询方式 I/O控制流程
分析：外设速度比较 慢，高速的CPU被 迫查询、停等； CPU的运算能力被 浪费。 改进思路：将CPU查询、 停等改为由外设主 动上报状态。
计算机中的输入输出接口电路用于将物 理外设连接入计算机系统，在计算机系统中 起着物理外设与计算机主机之间 桥接、适配 作用。
2012-6-3
西安邮电学院 计算机学院
page
6
6.2.1 输入输出接口电路的基本功能与端口分类
一、基本概念 接口----具有物理连接的含义，物理外设通过接 口电路接入到计算机。 接口电路----是实现接口的主要组成部分，用于 将物理外设桥接到计算机系统总线。 从CPU角度看到的外设实质上是外设的接口电 路，它是物理外设的抽象，并不一定是具体的物理 外设装置，更具有原理代表性。
2012-6-3
西安邮电学院 计算机学院
page
30
6.4.2 GPIO原理及端口寄存器说明
�
GPIO寄存器模型原理 ：
MUX1 MUX2 G P IO
00
IO xSET ‘1’ ‘0’
芯 片 引 脚
01 10 11
其 它 功 能
MUX 3
IO xD IR
IO xC LR
PIN SELx
IO x PIN
2012-6-3
西安邮电学院 计算机学院
page
4
第6章 目录
6.1 计算机接口概述 6.2 输入输出接口电路 6.3 CPU与外设的数据传输控制方式 6.4 ARM中的GPIO 6.5 中断技术 6.6 ARM中断系统基础
2012-6-3 西安邮电学院 计算机学院
page
5
6.2 输入输出接口电路
“ 就 绪 ” irq （ 中 断 请 求 ）
中 断 控 制 器
西安邮电学院 计算机学院
2012-6-3
page
24
第6章 目录
6.1 计算机接口概述 6.2 输入输出接口电路 6.3 CPU与外设的数据传输控制方式 6.4 ARM中的GPIO 6.5 中断技术 6.6 ARM中断系统基础
2012-6-3 西安邮电学院 计算机学院