第2讲嵌入式系统外围硬件
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统中至少有一个定时器设备用作系统时钟。定时器和计数器 都是由带有保存当前值的寄存器和可令当前寄存器值加1的 增量输入的加法器逻辑电路组成的。但是，定时器和计数器 的用处不同，主要体现在：定时器的计数装置是连到周期性 时钟信号上的，用来测量时间间隔；而计数器的计数装置是 连到非周期性信号上的，用来计算外部事件的发生次数。因 为同样的逻辑电路可以有这两种使用方式，所以该设备经常 被称为“定时器/计数器”。
时钟 在嵌入式系统中，处理器需要有一个时钟振荡
(clock oscillator)电路。时钟控制着CPU、系统定时 器和CPU机器周期的各种时序需求。
嵌入式系统通常为了节省电路，把时钟电路集 成在嵌入式处理器上，外面只需要接晶体即可。嵌 入式系统的时钟电路一般有以下几种形式：RC时 钟、石英晶体、石英振荡器、锁相倍频时钟和多时 钟源。
嵌入式系统的硬件组成
电源
大多数嵌入式系统本身都有电源，且电源的供 电方式具有一种特定的电压范围。嵌入式系统中各 个单元的电压范围有四种：5.0 ± 0.25 V、 3.3 ± 0.3 V、2.0 ± 0.2 V和1.5 ± 0.2 V。此外，嵌 入式系统微控制器中的电可擦可编程只读存储器 (EEPROM)、RS-232串行接口，均需要提供 12 ± 0.2 V的电压。
模/数转换器和数/模转换器 模/数(A/D)转换器和数/模(D/A)转换器是非数字设备(即
模拟信号源)和嵌入式系统之间联系的接口。 D/A转换相对简单，转换器接口仅包括输入值，输入值
被连续转换成模拟信号。 A/D转换器是将连续变化的模拟信号转换为数字信号，
以便计算机和数字系统进行处理、存储、控制和显示。A/D 转换需要更复杂的电路，所以也需要更复杂的接口。A/D转 换在将模拟输入转换为数字形式前需要对模拟输入进行采样。 控制信号使得A/D转换器进行采样并将其数字化。
6．软件复位电路 软件复位的方法是通过软件设置一个特殊功能寄存器 的相应位来完成控制器复位的，复位结构和硬件复位一样。 软件复位后, 程序从复位向量处开始运行。例如， L87LPC76X系列在软件复位后，程序从0000H处开始运行。 需要指出的是，嵌入式微控制器在软件复位后转入0000H处 的指令与程序直接跳转到0000H处执行指令的结果是不同的。 软件复位后，控制器的其他寄存器也被初始化成复位状态； 而直接跳转到0000H处执行指令却不会初始化微控制器的硬 件寄存器。
(7) 处理器监控电路，如看门狗等。 (8) 集成的动态存储器控制器，用于动态存储器的刷新。 图3-14展示了定时器/计数器的内部结构。
定时器/计数器的内部结构
嵌入式处理器上的定时器/计数器通常具有以下功能： (1) 嵌入式操作系统的任务调度，特别是具有时间片轮 转调度功能的嵌入式操作系统的任务调度，必须使用定时器 产生时间片。 (2) 嵌入式操作系统的软件时钟需要基于硬件定时器产 生定时信号。 (3) 通信电路的波特率发生器。 (4) 实时时钟电路。 (5) 集成的片上A/D转换和D/A转换电路。 (6) 具有液晶控制器的嵌入式处理器，用于液晶屏的刷 新。
2．ADC0809的引脚
IN 3 IN 4 IN 5
IN 6 IN 7 START
EOC D3 OE CLOCK
VCC V R EF()
GND
D1
பைடு நூலகம்
1
28
2
27
3
26
4
25
5
24
6
ADC 23
7 8
22
0809 21
9
20
10
19
11
18
12
17
13
16
14
15
IN 2 IN 1 IN 0 ADDA ADDB ADDC ALE D 7( M SB ) D6 D5 D4 D 0( LSB )
扫描键盘阵列
+5V X3 12 13 14 15 X2 8 9 10 11 X1 4 5 6 7 X0 0 1 2 3
Y0 Y1 Y2 Y3
2．显示器 多个数字显示器
通信设备
通用异步收发器 通用异步收发器(Universal Asynchronous Receiver and
Transmitter，UART)是用于控制计算机与串行设备的接口。 1．数据通信模式 数据通信是两台数字设备之间的数据传输。从不同的角
4．专用复位电路 阻容复位电路的优点是成本低、电路简单，但是功能 比较弱，而专用复位电路是一种专用的集成电路。由于嵌 入式处理器和智能芯片有的是高电平复位，有的是低电平 复位，因此有的专用复位电路设计了两种复位信号的输出 端。 专用复位电路(如maxim公司的产品)把诸如电压监视、 电池监视等电路功能集成在一起，成为处理器监视电路。 图3-29所示为专用复位电路的功能图。图中输出复位脉冲信 号Reset和Reset*，分别支持高电平复位和低电平复位，输 入可外接复位开关。
5．看门狗复位电路 如果嵌入式系统的工作环境比较恶劣，则处理器运行 过程中可能出现死机和跑飞的情况，这时需要使处理器强 制复位。强制复位可以使用看门狗复位电路。 看门狗复位电路是一个定时设备，会在事先定义超时 之后将系统复位。这个时间通常是配置好的，看门狗定时 器在加电后的前几个时钟周期内被激活。在许多嵌入式系 统中，通过看门狗定时器进行复位是最基本的要求。当系 统产生错误或者程序中断之后，它会帮助恢复系统。重新 启动后，系统可以正常运行。大多数的微控制器都有片上 看门狗定时器。
复位 1．复位电路概述 嵌入式处理器的复位电路就是使处理器从起始
地址开始执行指令。这个起始地址是处理器程序计 数器(x86系列处理器中是指令指针和代码段寄存器) 加电时的默认设置。处理器复位之后，从存储器的 这个地址开始取程序指令。
2．阻容复位电路
3．手动复位电路 手动复位电路一般配合自动复位电路工作。通常的处 理器复位比较方便的设计是阻容复位，有时为配合设计， 增加了手动复位的功能。通常的设计是手动复位开关产生 的复位信号接在复位电路上，而不是直接接在处理器的复 位信号输入端上。复位开关通过复位电路产生信号的优点 是信号的波形比较好，并且复位电路可以去掉开关的抖动。
V R E F ( ) D2
人机接口设备 1．键盘 键盘是标准的输入设备，键盘可以用来输入数字型数据
或者选择控制设备的操作模式。 键盘主要由一个开关阵列组成，此外还包括一些逻辑电
路来简化它到微处理器的接口。 开关使用机械接触实现断开或接触电路，如图所示。
图3-15 简单的开关电路
机械开关的主要问题是图3-16所示的颤动。 图3-16 开关颤动
第3章 嵌入式硬件平台
引言 嵌入式系统的硬件除了核心部件——嵌 入式处理器外，还包括存储器系统、外围接 口部件以及连接各种设备的总线系统。其中， 存储器是嵌入式系统存放数据和程序的功能 部件，而外围设备则决定了应用于不同领域 的嵌入式系统的独特功能。
3.2 嵌入式硬件平台概述
嵌入式系统的硬件是以嵌入式处理器为 中心，由存储器、I/O单元电路、通信模块、 外部设备等必要的辅助接口组成的。
度划分，数据通信方式大致可以分为双工通信、串行和并行 通信、同步和异步通信。
1) 双工通信 双工通信是对相互通信的两台通信设备之间数据流向的 描述。双工通信包括单工、半双工和全双工三种方式。双工 通信方式的结构如图所示。
存储设备
分级存储器系统
I/O 设 备
定时器/计数器 所有的嵌入式处理器都集成了定时器/计数器单元，系
时钟 在嵌入式系统中，处理器需要有一个时钟振荡
(clock oscillator)电路。时钟控制着CPU、系统定时 器和CPU机器周期的各种时序需求。
嵌入式系统通常为了节省电路，把时钟电路集 成在嵌入式处理器上，外面只需要接晶体即可。嵌 入式系统的时钟电路一般有以下几种形式：RC时 钟、石英晶体、石英振荡器、锁相倍频时钟和多时 钟源。
嵌入式系统的硬件组成
电源
大多数嵌入式系统本身都有电源，且电源的供 电方式具有一种特定的电压范围。嵌入式系统中各 个单元的电压范围有四种：5.0 ± 0.25 V、 3.3 ± 0.3 V、2.0 ± 0.2 V和1.5 ± 0.2 V。此外，嵌 入式系统微控制器中的电可擦可编程只读存储器 (EEPROM)、RS-232串行接口，均需要提供 12 ± 0.2 V的电压。
模/数转换器和数/模转换器 模/数(A/D)转换器和数/模(D/A)转换器是非数字设备(即
模拟信号源)和嵌入式系统之间联系的接口。 D/A转换相对简单，转换器接口仅包括输入值，输入值
被连续转换成模拟信号。 A/D转换器是将连续变化的模拟信号转换为数字信号，
以便计算机和数字系统进行处理、存储、控制和显示。A/D 转换需要更复杂的电路，所以也需要更复杂的接口。A/D转 换在将模拟输入转换为数字形式前需要对模拟输入进行采样。 控制信号使得A/D转换器进行采样并将其数字化。
6．软件复位电路 软件复位的方法是通过软件设置一个特殊功能寄存器 的相应位来完成控制器复位的，复位结构和硬件复位一样。 软件复位后, 程序从复位向量处开始运行。例如， L87LPC76X系列在软件复位后，程序从0000H处开始运行。 需要指出的是，嵌入式微控制器在软件复位后转入0000H处 的指令与程序直接跳转到0000H处执行指令的结果是不同的。 软件复位后，控制器的其他寄存器也被初始化成复位状态； 而直接跳转到0000H处执行指令却不会初始化微控制器的硬 件寄存器。
(7) 处理器监控电路，如看门狗等。 (8) 集成的动态存储器控制器，用于动态存储器的刷新。 图3-14展示了定时器/计数器的内部结构。
定时器/计数器的内部结构
嵌入式处理器上的定时器/计数器通常具有以下功能： (1) 嵌入式操作系统的任务调度，特别是具有时间片轮 转调度功能的嵌入式操作系统的任务调度，必须使用定时器 产生时间片。 (2) 嵌入式操作系统的软件时钟需要基于硬件定时器产 生定时信号。 (3) 通信电路的波特率发生器。 (4) 实时时钟电路。 (5) 集成的片上A/D转换和D/A转换电路。 (6) 具有液晶控制器的嵌入式处理器，用于液晶屏的刷 新。
2．ADC0809的引脚
IN 3 IN 4 IN 5
IN 6 IN 7 START
EOC D3 OE CLOCK
VCC V R EF()
GND
D1
பைடு நூலகம்
1
28
2
27
3
26
4
25
5
24
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ADC 23
7 8
22
0809 21
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10
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12
17
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IN 2 IN 1 IN 0 ADDA ADDB ADDC ALE D 7( M SB ) D6 D5 D4 D 0( LSB )
扫描键盘阵列
+5V X3 12 13 14 15 X2 8 9 10 11 X1 4 5 6 7 X0 0 1 2 3
Y0 Y1 Y2 Y3
2．显示器 多个数字显示器
通信设备
通用异步收发器 通用异步收发器(Universal Asynchronous Receiver and
Transmitter，UART)是用于控制计算机与串行设备的接口。 1．数据通信模式 数据通信是两台数字设备之间的数据传输。从不同的角
4．专用复位电路 阻容复位电路的优点是成本低、电路简单，但是功能 比较弱，而专用复位电路是一种专用的集成电路。由于嵌 入式处理器和智能芯片有的是高电平复位，有的是低电平 复位，因此有的专用复位电路设计了两种复位信号的输出 端。 专用复位电路(如maxim公司的产品)把诸如电压监视、 电池监视等电路功能集成在一起，成为处理器监视电路。 图3-29所示为专用复位电路的功能图。图中输出复位脉冲信 号Reset和Reset*，分别支持高电平复位和低电平复位，输 入可外接复位开关。
5．看门狗复位电路 如果嵌入式系统的工作环境比较恶劣，则处理器运行 过程中可能出现死机和跑飞的情况，这时需要使处理器强 制复位。强制复位可以使用看门狗复位电路。 看门狗复位电路是一个定时设备，会在事先定义超时 之后将系统复位。这个时间通常是配置好的，看门狗定时 器在加电后的前几个时钟周期内被激活。在许多嵌入式系 统中，通过看门狗定时器进行复位是最基本的要求。当系 统产生错误或者程序中断之后，它会帮助恢复系统。重新 启动后，系统可以正常运行。大多数的微控制器都有片上 看门狗定时器。
复位 1．复位电路概述 嵌入式处理器的复位电路就是使处理器从起始
地址开始执行指令。这个起始地址是处理器程序计 数器(x86系列处理器中是指令指针和代码段寄存器) 加电时的默认设置。处理器复位之后，从存储器的 这个地址开始取程序指令。
2．阻容复位电路
3．手动复位电路 手动复位电路一般配合自动复位电路工作。通常的处 理器复位比较方便的设计是阻容复位，有时为配合设计， 增加了手动复位的功能。通常的设计是手动复位开关产生 的复位信号接在复位电路上，而不是直接接在处理器的复 位信号输入端上。复位开关通过复位电路产生信号的优点 是信号的波形比较好，并且复位电路可以去掉开关的抖动。
V R E F ( ) D2
人机接口设备 1．键盘 键盘是标准的输入设备，键盘可以用来输入数字型数据
或者选择控制设备的操作模式。 键盘主要由一个开关阵列组成，此外还包括一些逻辑电
路来简化它到微处理器的接口。 开关使用机械接触实现断开或接触电路，如图所示。
图3-15 简单的开关电路
机械开关的主要问题是图3-16所示的颤动。 图3-16 开关颤动
第3章 嵌入式硬件平台
引言 嵌入式系统的硬件除了核心部件——嵌 入式处理器外，还包括存储器系统、外围接 口部件以及连接各种设备的总线系统。其中， 存储器是嵌入式系统存放数据和程序的功能 部件，而外围设备则决定了应用于不同领域 的嵌入式系统的独特功能。
3.2 嵌入式硬件平台概述
嵌入式系统的硬件是以嵌入式处理器为 中心，由存储器、I/O单元电路、通信模块、 外部设备等必要的辅助接口组成的。
度划分，数据通信方式大致可以分为双工通信、串行和并行 通信、同步和异步通信。
1) 双工通信 双工通信是对相互通信的两台通信设备之间数据流向的 描述。双工通信包括单工、半双工和全双工三种方式。双工 通信方式的结构如图所示。
存储设备
分级存储器系统
I/O 设 备
定时器/计数器 所有的嵌入式处理器都集成了定时器/计数器单元，系