常用嵌入式存儲器和嵌入式總線技術(shù)

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1、 嵌入式系統(tǒng)原理與開發(fā),第16講 南京大學(xué)計算機(jī)系 俞建新主講,2008年春季,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,2,第8章 嵌入式存儲器和接口技術(shù),本章主要介紹以下內(nèi)容： 嵌入式系統(tǒng)常用存儲器 嵌入式系統(tǒng)常用總線 嵌入式系統(tǒng)常用接口 嵌入式系統(tǒng)常用外部設(shè)備,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,3,8.1 嵌入式系統(tǒng)常用存儲器,嵌入式系統(tǒng)常用的存儲器主要有這幾類： ROM 小規(guī)模容量、Bootloader載體 容量16KB到32KB SRAM Embedded SRAM，簡稱為嵌入式SRAM 容量達(dá)幾百K字節(jié)、用作片上Cache、片上SRAM SDRAM Synchronous

2、Dynamic Random Access Memory 高密度同步動態(tài)隨機(jī)訪問存儲器 容量在8MB至512MB范圍內(nèi) Flash存儲器 大容量中低密度、最大容量達(dá)到32GB,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,4,8.1.1 閃速存儲器,閃速存儲器是一種半導(dǎo)體集成電路存儲器 在EEPROM的基礎(chǔ)上進(jìn)化而來 英文原文是Flash Memory，簡稱閃存 主要物理特點是非易失 Non-Volatile，也叫做不揮發(fā),2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,5,與傳統(tǒng)半導(dǎo)體存儲器的比較,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,6,兩種類型的Flash,Nor Flash，稱為或非型閃存，

3、或者NOR閃存 Nand Flash，稱為與非型閃存，或者NAND閃存 Nor Flash是在EEPROM基礎(chǔ)上發(fā)明的。 Intel公司于1983年首次提出，在1988年商品化。 Nand Flash是1989年東芝公司和三星公司發(fā)明的。 十幾年以來，世界主要閃存生產(chǎn)商分成Nor和Nand兩大技術(shù)陣營，積極開展研發(fā)和生產(chǎn)。 Nor陣營主要有Intel和AMD公司 Nand陣營主要有Toshiba和Samsung公司,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,7,閃存位元工作原理,Intel公司提出的單管疊柵位元結(jié)構(gòu)是基于EPROM隧道氧化層（ETOX，EPROM Tunnel Oxide）的位

4、元結(jié)構(gòu)，該位元結(jié)構(gòu)最為簡單實用。 下面以ETOX結(jié)構(gòu)為例介紹Flash存儲器記憶位元的結(jié)構(gòu)原理。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,8,ETOX位元結(jié)構(gòu),ETOX單元結(jié)構(gòu)是由兩個相互重疊的多晶硅柵組成，浮柵（FG，F(xiàn)loating Gate）用來存儲電荷，以電荷記錄所存儲的數(shù)據(jù)；控制柵（CG，Control Gate）作為字選擇柵極起控制與選擇的作用。 通過控制柵字線的電平狀態(tài)能夠檢測所存儲的是“0”還是“1”。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,9,Flash存儲位元結(jié)構(gòu)圖,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,10,Flash位元編程操作1,,FG上有電子，成為“0”位

5、元,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,11,Flash位元編程操作2,,FG上無電子，成為“1”位元，此時電子匯集在源極,,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,12,Nor Flash記憶單元塊的結(jié)構(gòu),Nor Flash存儲器的一個存儲單元（記憶單元）使用一個晶體管。每個晶體管有一個字線和一個位線與之相連。在這種存儲陣列布局下，對某一根位線而言，有一組字線（例如8根）與之相交，在交叉點上有一個晶體管與兩線相連。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,13,Nor Flash記憶單元塊讀操作圖解,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,14,Nor Flash的讀操作說明,讀

6、數(shù)據(jù)時，未被選中字線上的晶體管柵極為接地電平，致使晶體管截止，成為邏輯值“1”。 選中字線上的柵極為高電平，并且這個晶體管的漏極會和該位線連通。于是位線上的電平邏輯取決于選中晶體管的邏輯。如果為“1”則晶體管導(dǎo)通，相應(yīng)讀出放大器（RA，Read Amplifier）輸出“1”。如果為“0”，RA輸出也為“0”。Nor Flash的邏輯功能類似于NOR門（或非門），由此而命名為Nor Flash。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,15,Nand Flash記憶單元塊的結(jié)構(gòu),核心結(jié)構(gòu)是將8個晶體管的漏極和源極頭尾相連接成一組，最高端接位線，最低端與高電壓的源極Vs相連接。存儲陣列的行線是

7、字線，平時保持適合的電平狀態(tài)，使得這些晶體管通常是處于導(dǎo)通狀態(tài)。讀出數(shù)據(jù)時，被選中的字線加高電平，未選中字線上的存儲單元不論存儲的值是邏輯0還是邏輯1都是導(dǎo)通的。這樣，被選中的存儲單元如果存“1”則導(dǎo)通，輸出“1”，位線為高電平；如果存“0”則截止，位線為低電平，輸出“0”。這個邏輯功能類似于NAND門（與非門）。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,16,Nand Flash記憶單元塊讀操作,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,17,Nor Flash存儲陣列分析,以8行 x 8列的Nor Flash存儲單元陣列為例，說明下面三種操作的工作機(jī)理。 擦除 編程（寫操作） 讀出 參看

8、教材243頁的Nor Flash存儲矩陣分析,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,18,Nor Flash存儲陣列的擦除操作,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,19,Nor Flash存儲陣列的編程操作,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,20,Nor Flash存儲陣列的讀出操作,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,21,NAND Flash存儲陣列分析,以8行 X 8列的Nand Flash存儲單元陣列為例，說明下面三種操作的工作機(jī)理。 擦除 編程（寫操作） 讀出 參看教材244頁的Nand Flash存儲矩陣分析,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,22,

9、Nand Flash存儲陣列的擦除操作,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,23,Nand Flash存儲陣列的編程操作,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,24,Nand Flash存儲陣列的讀出操作,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,25,典型的Nand Flash閃存芯片的存儲單元立體陣列結(jié)構(gòu),下面給出一個典型的Nand Flash閃存芯片的存儲單元立體陣列結(jié)構(gòu)示意圖。 每1個存儲頁呈平面形狀，含512個字節(jié)存儲空間。此外在一個頁面上還有16個字節(jié)的備用字節(jié)區(qū)，用陰影線示出。備用字節(jié)區(qū)用于存放糾錯碼（ECC：Error Correcting Code）校驗和其他信息，

10、有時也被稱為Out Of Bank區(qū)域，即OOB區(qū)。 每32個頁構(gòu)成一個數(shù)據(jù)塊，數(shù)據(jù)塊的容量是16KB。該閃存器件一共集成有2048個塊，所以總?cè)萘窟_(dá)到32MB，或者256Mb。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,26,Nand Flash記憶單元立體陣列,,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,27,典型Nand Flash讀操作時序狀態(tài),讀操作是通過4個地址周期將命令字00H、列地址、行地址1和行地址2寫入到指令寄存器開始的,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,28,Nor Flash和Nand Flash的共同特點,向芯片中寫數(shù)據(jù)必須先將芯片中對應(yīng)的內(nèi)容清空，然后再寫入

11、。 閃存擦寫的次數(shù)都是有限的，當(dāng)閃存的使用壽命快到時，經(jīng)常會出現(xiàn)寫操作失敗。 為了延長使用壽命，不要對某個特定區(qū)域反復(fù)地進(jìn)行寫操作。 閃存的讀寫操作不僅是一個物理操作，還需要算法支持。一般在驅(qū)動程序的內(nèi)存技術(shù)設(shè)備（MTD，Memory Technology Drivers）模塊中或者在閃存轉(zhuǎn)換層（FTL，F(xiàn)lash Translation Layer）內(nèi)實現(xiàn)，具體算法同芯片生產(chǎn)商以及芯片信號有關(guān)。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,29,閃存驅(qū)動,Nor Flash存儲器可以進(jìn)行字節(jié)讀寫，所以在Nor Flash存儲器上運行代碼基本上不需要軟件支持。 Nand Flash存儲器由于其物

12、理特性獨特，數(shù)據(jù)讀寫比較復(fù)雜，對其存儲的數(shù)據(jù)管理方法與其他存儲設(shè)備的管理方法不同，需要軟件支持。 Nand Flash的存儲單位有字節(jié)、頁和塊。一頁大小為512字節(jié)，依次分成兩個256字節(jié)主數(shù)據(jù)區(qū)（512字節(jié)，正好等于磁盤一個扇區(qū)大?。?，最后是16字節(jié)空閑區(qū)（Spare Data）。若干頁組成一塊，通常為32頁。一個存儲設(shè)備又由若干塊組成。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,30,NOR閃存HY29LV160與S3C44B0X處理器的接線,CPU對Nor Flash的接口不需要其他任何軟件上的設(shè)置。這樣，系統(tǒng)加電復(fù)位時，從Nor Flash的0 x0地址開始執(zhí)行第1條指令，也就開始執(zhí)行

13、了Nor Flash里的啟動代碼。,,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,31,NAND閃存K9F2808U0A功能方框圖,,,,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,32,NAND閃存K9F2808U0A的地址信號線分析,K9F2808U0A總?cè)萘渴?6MB=224Bytes，地址信號一共有24根。 其中A0-A7為列地址，A9-A16為前一半寄存器行地址，A17-A23和外加的低電平“L”為后一半寄存器行地址。A8由00h或01h命令設(shè)置為Low或者High。00H命令定義了起始地址在寄存器的前一半，01H命令定義了起始地址在寄存器的后一半。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算

14、機(jī)系,33,NAND閃存K9F2808U0A與S3C44B0X處理器的連接方法,NAND型閃存K9F2808U0A與與不帶NAND控制器的S3C44B0X的連接方法如下圖（教材圖8-12）所示。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,34,8.1.2 SDRAM,SDRAM（Synchronous DRAM）是同步動態(tài)存儲器。從技術(shù)角度上講，同步動態(tài)存儲器是在現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)DRAM中加入同步控制邏輯（一個狀態(tài)機(jī)），利用一個單一的系統(tǒng)時鐘同步所有的地址數(shù)據(jù)和控制信號，做到SDRAM的時鐘頻率與CPU前端總線時鐘頻率相同，實現(xiàn)存儲器讀寫速度與CPU的處理速度保持一致。 嵌入式系統(tǒng)通常直接使用一顆S

15、DRAM芯片作為主存儲器。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,35,S3C44B0X的SDRAM配置計算表,總?cè)萘?芯片粒數(shù)/單元數(shù)/芯片位寬/Bank數(shù)之間的計算關(guān)系,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,36,SDRAM芯片實例,IS42S16400同步動態(tài)RAM芯片是美國ISSI公司的產(chǎn)品。總?cè)萘繛?4Mbit，存儲組織為1M x 16bits x 4Bank。時鐘頻率為133MHz或者100MHz。全部信號同步于時鐘的上升沿。 單一3.3V電源供電。下面給出了該SDRAM芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,37,SDRAM芯片IS42S16400同

16、步內(nèi)存芯片結(jié)構(gòu)圖,,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,38,32MB同步動態(tài)存儲器與S3C44B0X處理器的接線,HY57V561620(L)T 芯片與S3C44B0X的接線圖,,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,39,8.2 嵌入式系統(tǒng)常用總線,從電信號角度看，嵌入式產(chǎn)品里面內(nèi)連在PCB上的設(shè)備以及外接的設(shè)備大都采用總線方式連接。這些總線的控制器以兩種方式存在。一種是集成在處理器內(nèi)部，另外一種是以專用芯片形式出現(xiàn)。 下面我們介紹常用的嵌入式系統(tǒng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。包括：I2C總線、SPI總線、CAN總線、現(xiàn)場總線概論、基金會現(xiàn)場總線（FF）、現(xiàn)場總線104總線。,2008年07頁1

17、3日,南京大學(xué)計算機(jī)系,40,8.2.1 I2C總線（IIC總線）,I2C總線（InterIntegrated Circuit，IIC也是常用寫法）是1980年代初由PHILIPS公司發(fā)明的一種雙向二進(jìn)制同步串行總線，它是目前SOC控制外圍設(shè)備的常用總線。 I2C是一個廉價優(yōu)質(zhì)的總線適用于消費電子、通訊電子、工業(yè)電子等領(lǐng)域的低速器件。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,41,I2C總線的技術(shù)特征,I2C總線是一個簡單的雙向兩總線 物理上一共有兩條信號線和一條地線。兩條信號線分別為串行數(shù)據(jù)線 (SDA，Serial Data)和串行時鐘線 (SCL，Serial Clock)。 使用集電

18、極開路門以“線與” （Wired-AND）方式與IIC連接，而不是通常的三態(tài)門。 IIC總線不設(shè)置仲裁器和時鐘發(fā)生器，而是通過定義一個仲裁過程來實現(xiàn)總線仲裁，并由仲裁勝利方提供總線時鐘。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,42,I2C總線的技術(shù)特征（續(xù)）,I2C總線中的每一個設(shè)備都有唯一的7位地址，也就是說一個I2C總線系統(tǒng)中理論上可掛接128個不同地址的設(shè)備。采用I2C總線連接的設(shè)備處于主從模式，主設(shè)備既可接受數(shù)據(jù)，也可發(fā)送數(shù)據(jù)。 I2C總線是一個真正多主總線，可以有許多主機(jī)共設(shè)備于一條總線上。 I2C總線含沖突檢測和競爭功能，從而確保當(dāng)多個主設(shè)備同時發(fā)送數(shù)據(jù)時不會造成數(shù)據(jù)沖突。 I

19、2C總線是一個串行的8位雙向數(shù)據(jù)傳送總線。在標(biāo)準(zhǔn)模式下，數(shù)據(jù)傳輸速率為100Kbps；在快模式下，數(shù)據(jù)傳輸速率為400Kbps；在高速模式下，數(shù)據(jù)傳輸速率為3.4Mbps。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,43,IIC總線結(jié)構(gòu)示意圖,,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,44,I2C總線的傳輸規(guī)范,由于I2C總線的連線少，結(jié)構(gòu)簡單，可不用專門的母板和插座直接用導(dǎo)線互連各個設(shè)備，因而可大大簡化系統(tǒng)的硬件設(shè)計。每一個設(shè)備都可以作為主設(shè)備或者是從設(shè)備，例如存儲器之類的設(shè)備就可以既是主設(shè)備又是從設(shè)備。 I2C總線的數(shù)據(jù)傳輸包括位傳輸和字節(jié)傳輸兩方面。當(dāng)位傳輸時，必須有一個時鐘脈沖產(chǎn)生。

20、此外，由于I2C總線中接口連接器件的制作工藝不同（如CMOS，NMOS等），位的邏輯0和1的電平并不是固定的，它根據(jù)連接的電源VDD來確定。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,45,I2C總線的傳輸規(guī)范（續(xù)1）,僅當(dāng)SCL信號線為穩(wěn)定高電平時，SDA信號線上的數(shù)據(jù)有效；當(dāng)SCL信號線為低電平時，允許SDA信號線上的數(shù)據(jù)改變。每一位數(shù)據(jù)傳輸需要一個時鐘脈沖。如下圖所示：,,I2C總線數(shù)據(jù)穩(wěn)定與變化的時序圖,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,46,I2C總線的傳輸規(guī)范（續(xù)2）,在位傳輸時，有兩個重要的傳輸位：START（開始位）和STOP（結(jié)束位）。START位出現(xiàn)在SDA信號線電

21、平由高向低轉(zhuǎn)換并且SCL信號線電平為高的場合。STOP位出現(xiàn)在當(dāng)SDA信號線電平由低向高轉(zhuǎn)換并且SCL信號線維持高電平場合。在位傳輸時，START與STOP的位置如圖所示 ：,,,時序圖中開始位置與停止位置圖,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,47,I2C總線的傳輸規(guī)范（續(xù)3）,在字節(jié)傳輸時，傳送到SDA線上的每一個字節(jié)必須為8位；每次傳送的字節(jié)數(shù)不限；每一個字節(jié)后面必須跟一個響應(yīng)位。數(shù)據(jù)傳輸時，首先傳輸最高有效位（MSB，Most Significant Bit）。如果在傳輸?shù)倪^程中，從設(shè)備不能一次接收完一個字節(jié)，此時它就使時鐘置為低電平，迫使主設(shè)備等待；當(dāng)從設(shè)備能接收下一個數(shù)據(jù)字節(jié)

22、后，將釋放SCL線，繼續(xù)后面的數(shù)據(jù)傳輸。如下圖所示為數(shù)據(jù)傳輸時序圖 ：,I2C總線中數(shù)據(jù)傳輸時序圖,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,48,S3C44B0X的I2C總線讀寫操作,（1）讀寫操作 在發(fā)送模式下（即寫操作），數(shù)據(jù)被發(fā)送之后，I2C總線接口會等待直到IICDS（I2C數(shù)據(jù)移位寄存器）被程序?qū)懭胄碌臄?shù)據(jù)。在新的數(shù)據(jù)被寫入之前，SCL線都被拉低。新的數(shù)據(jù)寫入之后，SCL線被釋放。S3C44B0X利用中斷來判別當(dāng)前數(shù)據(jù)字節(jié)是否已經(jīng)完全送出。CPU接收到中斷請求后，在中斷處理程序中將下一個新的數(shù)據(jù)寫入IICDS中，如此循環(huán)。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,49,在接收模式

23、下（即讀操作），數(shù)據(jù)被接收到后， I2C總線接口將等待直到IICDS寄存器被程序讀出。在數(shù)據(jù)被讀出之前，SCL線保持低電平。新的數(shù)據(jù)被讀取之后，SCL線才被釋放。 S3C44B0X也利用中斷來判別是否接收到了新的數(shù)據(jù)。CPU收到中斷請求之后，處理程序?qū)腎ICDS中讀取數(shù)據(jù)。,S3C44B0X的I2C總線讀寫操作（續(xù)1）,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,50,S3C44B0X的I2C總線讀寫操作（續(xù)2）,（2）配置I2C總線 要控制串行時鐘SCL的頻率，可以通過IICCON寄存器中的4位預(yù)分頻值來設(shè)置。另外， I2C總線接口地址通過I2C總線地址寄存器IICADD來配置（默認(rèn)狀態(tài)下，

24、 I2C總線接口地址是一個未知值）。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,51,S3C44B0X的I2C總線控制器,S3C44B0X支持多主模式的IIC總線串行接口。S3C44B0X處理器提供專用串行數(shù)據(jù)線（SDA）和串行時鐘線（SCL）與IIC總線上的其他外設(shè)傳輸信息，提供4種傳輸模式：主發(fā)送，主接收，從發(fā)送，從接收。 I2C總線接口專用寄存器有4個，包括：多主I2C總線控制寄存器IICCON、狀態(tài)寄存器IICSTATD、 I2C總線地址寄存器IICADD、 I2C總線發(fā)送接收數(shù)據(jù)移位寄存器IICDS。它們都是可讀可寫寄存器。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,52,8.2.2

25、 SPI總線,串行外圍設(shè)備接口（SPI：Serial Peripheral Interface）是Motorola公司推出的一種同步串行接口技術(shù)。由于它起到了串行總線的作用，有不少業(yè)內(nèi)人士將SPI稱為同步串行總線接口。 SPI主要用于主從分布式的通信網(wǎng)絡(luò)。由4根接口線即可完成主從設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信。這4根接口線分別是：時鐘線（SCLK）、數(shù)據(jù)輸入線（SDI）、數(shù)據(jù)輸出線（SDO）、片選線（CS）。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,53,SPI串行總線的典型結(jié)構(gòu),SPI標(biāo)準(zhǔn)中沒有定義最大數(shù)據(jù)速率。取決于外部設(shè)備自己定義的最大數(shù)據(jù)速率，通常為5Mbps量級以上。微處理器可以適應(yīng)很寬范圍的

26、SPI數(shù)據(jù)速率。 下面給出了SPI總線的結(jié)構(gòu)示意圖,,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,54,8.2.3 CAN總線,CAN全稱為“Controller Area Network”，即控制器局域網(wǎng)，是一種串行數(shù)據(jù)通信總線，也是應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線。 CAN最初由德國Robert Basch及幾個半導(dǎo)體集成電路制造商開發(fā)出來的，目的是為了節(jié)省接線的工作量，目前CAN芯片由Motorola，Intel等公司生產(chǎn)。巳由ISO/TC22技術(shù)委員會批準(zhǔn)為國際標(biāo)準(zhǔn)IS011898（高速場合）和ISO11519（低速場合），是最早被批準(zhǔn)為國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系

27、,55,8.2.3.1 什么是現(xiàn)場總線？,現(xiàn)場總線（Fieldbus）是1980年代后期開始出現(xiàn)的工控領(lǐng)域通信網(wǎng)絡(luò)，是安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的智能現(xiàn)場設(shè)備（儀表）與總控制站內(nèi)的自控裝置之間的一種串行、數(shù)字式、多點、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，被稱為自動化領(lǐng)域的計算機(jī)局域網(wǎng)。現(xiàn)階段流行使用的現(xiàn)場總線有：FF H1、PROFIBUS、CAN、WORLDFIP、P-NET和LONWORKS等。 現(xiàn)場總線的特點是：數(shù)字化、分布式、開放性、雙向串行傳輸互操作性、節(jié)省布線空間等。1999年底現(xiàn)場總線協(xié)議已被國際電工委員會（IEC，International Electro- technical Commi

28、ssion）批準(zhǔn)正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)，從而使現(xiàn)場總線成為一種開放的技術(shù)。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,56,現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu),目前，現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)是現(xiàn)場總線基金會（FF，F(xiàn)ieldbus Fundation）。該機(jī)構(gòu)是一個國際性的非贏利性組織，于1994年6月成立，其總部位于美國的德州奧斯汀市。FF的目標(biāo)是建立單一的、開放的、可互操作的現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)。這個組織給予國際電工委員會（IEC）現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)起草工作組以強(qiáng)大的支持，起著舉足輕重的作用。這個組織目前有l(wèi)00多成員單位，包括了全世界主要的過程控制產(chǎn)品及系統(tǒng)的生產(chǎn)公司。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,57,一個

29、典型的開放式現(xiàn)場總線協(xié)議，是儀表及過程控制領(lǐng)域向數(shù)字化通訊領(lǐng)域的技術(shù)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。FF自1984年成立以來，經(jīng)過十年的發(fā)展，已經(jīng)形成了一個開放的、全數(shù)字化的工業(yè)通信系統(tǒng)，并在上世紀(jì)末開始進(jìn)入中國市場，推動了中國的工業(yè)自動化技術(shù)進(jìn)步。在大型全區(qū)域系統(tǒng)集成方面FF有廣泛的應(yīng)用。 現(xiàn)場總線基金會分別于1996年和2000年頒布了兩種FF標(biāo)準(zhǔn)。低速總線H1（31.25Kbps）和高速以太網(wǎng)HSE（High Speed Ethernet，100Mbps）。H1的分層模型自頂向下分為用戶應(yīng)用層、現(xiàn)場總線報文規(guī)范層、現(xiàn)場總線訪問子層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，采用雙絞線連接各個結(jié)點。,基金會現(xiàn)場總線（FF）,2008

30、年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,58,現(xiàn)場總線PROFIBUS,一個典型的重要的現(xiàn)場總線。1987年由西門子公司等13家企業(yè)和5家研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合開發(fā)。1996年批準(zhǔn)為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50170 V.2 PROFIBUS-FMS/-DP。 PROFIBUS有兩個主要的通信協(xié)議，F(xiàn)MS和DP。前者用于車間級通信，在車間級主要是可編程的控制器（如PLC和PC）彼此之間的通信。后者用于總線主站與其所屬從站設(shè)備之間進(jìn)行簡單、快速、循環(huán)和時間確定性的過程性數(shù)據(jù)交換。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,59,8.2.3.2 CAN主要技術(shù)特點,CAN是一種多主串行通信總線系統(tǒng)。通信介質(zhì)可以是雙絞線、同

31、軸電纜或光纖。通信速率可達(dá)到1Mbps/40m，直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)10Km/5Kbps。最多可掛接110個設(shè)備。報文標(biāo)識符可達(dá)2032種(CAN2.0)。 CAN的媒體訪問采用多主隨機(jī)發(fā)送協(xié)議。由于使用了NRZ（非歸零碼）作為傳輸碼元（發(fā)送隱式碼元時，總線與發(fā)送器間為高阻），實現(xiàn)了無沖突的媒體訪問協(xié)議CSMA/CA （載波偵聽多路存取/沖突避免）。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,60,CAN主要技術(shù)特點（續(xù)）,CAN總線優(yōu)點包括：速度快，網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率高，糾錯能力強(qiáng)，幀未結(jié)束時就可以得到確認(rèn)。CAN總線也有缺點。1）CAN的時延不確定。它每一幀包括0-8個字節(jié)的有效數(shù)據(jù)，所以，只

32、有具有最高優(yōu)先權(quán)的幀的延時是確定的，其它幀只能根據(jù)一定的模型估算。2）由于CAN的數(shù)據(jù)傳輸方式單一，限制了它的功能，例如通過網(wǎng)上下載程序就比較困難。另外，CAN的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模比較小，一般在50個節(jié)點以下。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,61,CAN的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖,CAN的最主要應(yīng)用領(lǐng)域是汽車電子，用于汽車環(huán)境中的微控制器通訊，在車載各電子控制裝置ECU之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。如下圖所示：,,CAN總線在汽車電子中的應(yīng)用示意圖,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,62,微處理器內(nèi)置的CAN控制器舉例,LPC2294是PHILIPS公司新推出的一款功能強(qiáng)大的超低功耗的具

33、有ARM7TDMI內(nèi)核的32位微控制器。144腳封裝、兩個32位定時器、八路10位ADC、四路CAN通道和PWM通道以及多達(dá)九個的外部中斷，內(nèi)部嵌入256K字節(jié)高速Flash存儲器和16K字節(jié)靜態(tài)RAM，包含76（使用了外部存儲器）112（單片）個GPIO口。 LPC2294內(nèi)部集成的4個CAN控制器符合CAN規(guī)范CAN2.0B，ISO 11989-1標(biāo)準(zhǔn)?？偩€數(shù)據(jù)波特率都可達(dá)1Mbps；可訪問32位的寄存器和RAM；全局驗收過濾器可識別幾乎所有總線的11位和29位Rx標(biāo)識符。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,63,8.2.4 工業(yè)以太網(wǎng),將以太網(wǎng)技術(shù)引入到工業(yè)現(xiàn)場過程控制領(lǐng)域是當(dāng)前

34、工業(yè)自動化技術(shù)發(fā)展的潮流。下面我們介紹工業(yè)以太網(wǎng)基本知識。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,64,以太網(wǎng)歷史沿革,以太網(wǎng)于1973年由Xerox（施樂）公司創(chuàng)建， 1980年由DEC、Intel和Xerox三家公司聯(lián)合開發(fā)，1982年作為IEEE802.3局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)公布于世。最初的以太網(wǎng)只有10Mbps的傳輸速率，所使用的訪問控制方法是CSMACD（載波偵聽多路訪問/沖突檢測）?，F(xiàn)在，以太網(wǎng)成為應(yīng)用最為廣泛的局域網(wǎng)，包括標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)（10Mbps）、快速以太網(wǎng)（100Mbps）、千兆以太網(wǎng)（1000 Mbps）和10G以太網(wǎng)（10Gbps），它們都符合IEEE802.3系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。,

35、2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,65,工業(yè)以太網(wǎng),工業(yè)環(huán)境下使用的以太網(wǎng)稱為工業(yè)以太網(wǎng)（Industry Ethernet）。工業(yè)以太網(wǎng)與普通以太網(wǎng)非常類似，只是在數(shù)據(jù)的冗余處理和可靠性處理方面進(jìn)行了重新設(shè)計以便用于苛刻的工廠環(huán)境。 工業(yè)以太網(wǎng)使用的局域網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與嵌入式系統(tǒng)使用的類似，主要采用網(wǎng)速為10Mbps的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，同時也少量地采用了100Mbps的快速以太網(wǎng)。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,66,工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議棧結(jié)構(gòu),ISO/OSI七層參考模型與工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線PROFIBUS的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層的比較如圖所示：,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,67,現(xiàn)

36、場總線與工業(yè)以太網(wǎng)的比較,現(xiàn)場總線作為工控自動化技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟，但是由于現(xiàn)場總線的功能單一和實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一，使得企業(yè)在不同的現(xiàn)場環(huán)境下需要使用不同類型的現(xiàn)場總線，沿著開放的方向發(fā)展步履艱難。此外，現(xiàn)場總線類型的選擇非常棘手，多類型現(xiàn)場總線的使用又使得整個控制系統(tǒng)顯得相當(dāng)混亂。 近年來，工業(yè)以太網(wǎng)作為一種新興、統(tǒng)一、快速發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)，已逐漸出現(xiàn)了取代現(xiàn)場總線的趨勢，成為工控與自動化領(lǐng)域趨勢論題中的一個熱門話題，顯示了工業(yè)以太網(wǎng)良好的發(fā)展預(yù)期。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,68,現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)的比較,工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下方面： 高速數(shù)據(jù)傳輸率?？?/p>

37、提供各種可能的帶寬，換言之帶寬不受限制。 資源共享能力強(qiáng)。容易做到系統(tǒng)與設(shè)備之間方便地傳送數(shù)據(jù)。控制設(shè)備上的數(shù)據(jù)容易以實時方式與信息系統(tǒng)上的資源、應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)庫共享。 廣泛的技術(shù)支持。幾乎所有的編程語言都支持以太網(wǎng)的應(yīng)用開發(fā)。 與因特網(wǎng)連接方便。TCP/IP協(xié)議是工業(yè)以太網(wǎng)的上層協(xié)議，開放性能良好。目前已經(jīng)有工業(yè)以太網(wǎng)與TCP/IP協(xié)議的接口模塊，因此工業(yè)以太網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備可以實現(xiàn)廣域網(wǎng)絡(luò)連接。 大多數(shù)技術(shù)人員熟悉以太網(wǎng)，無需技術(shù)培訓(xùn)方面的投資。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,69,現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)的比較（續(xù)）,工業(yè)以太網(wǎng)也有缺點，主要表現(xiàn)在以下方面： 成本高，是工業(yè)以太網(wǎng)用于現(xiàn)

38、場設(shè)備層的最大障礙。例如，銅介質(zhì)的Ethernet傳輸距離還無法突破100m，這對于現(xiàn)場儀表來說還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，而如果長距離地采用多芯電纜卻費用昂貴。再如，Ethernet無法供電，與現(xiàn)場總線相比，需要另配電纜，在成本上也處于劣勢。另外，如果將TCP/IP的模塊或芯片嵌入到現(xiàn)場設(shè)備中，就意味著配置更好的CPU、更大的內(nèi)存，也仍然會增加設(shè)備成本。 由于現(xiàn)場總線發(fā)展了十多年，能夠支持的智能控制設(shè)備較多，客戶在研發(fā)新的控制系統(tǒng)時開發(fā)周期短，上馬快。然而工業(yè)以太網(wǎng)目前支持的控制設(shè)備和產(chǎn)品還不多，新系統(tǒng)開發(fā)周期長，市場影響力不如現(xiàn)場總線。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,70,工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)指標(biāo),

39、工業(yè)以太網(wǎng)的主要技術(shù)指標(biāo)有以下幾個： 最大響應(yīng)時間。對于每個節(jié)點的報文，在網(wǎng)絡(luò)正常運行的情況下，報文從發(fā)送到接收后產(chǎn)生響應(yīng)所經(jīng)歷的最大的延遲時間。 數(shù)據(jù)包丟失率。在正常工作的情況下，指定時間內(nèi)數(shù)據(jù)包的丟失數(shù)目。 傳輸介質(zhì)。普通以太網(wǎng)傳輸介質(zhì)在工業(yè)現(xiàn)場的測試結(jié)果并不令人滿意。以太網(wǎng)的傳輸介質(zhì)是否能保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠地傳輸是重要的選擇標(biāo)準(zhǔn)。 傳輸速率。在網(wǎng)絡(luò)正常工作的情況下，單位時間所能傳送的比特位數(shù)。 突發(fā)事件的處理。在以太網(wǎng)出現(xiàn)一些意外情況時，應(yīng)有相應(yīng)的緊急處理措施以保證數(shù)據(jù)不至于丟失和損壞。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,71,8.2.5 PC-104總線,PC-104是一種專門

40、為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線標(biāo)準(zhǔn)。 它被IEEE協(xié)會定義為IEEE-P996.1標(biāo)準(zhǔn)。 PC-104實質(zhì)上是一種優(yōu)化的，小型堆棧式結(jié)構(gòu)的嵌入式工業(yè)控制總線標(biāo)準(zhǔn)。它有以下三個特點： （1）微型化結(jié)構(gòu) （2）堆棧式連接 （3）小功率總線驅(qū)動,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,72,PC-104總線特點,（1）微型化結(jié)構(gòu) 標(biāo)準(zhǔn)模塊的外形尺寸是3.63.8英寸（9690mm）。微型化的結(jié)構(gòu)使其更容易嵌入到機(jī)器設(shè)備、控制系統(tǒng)、儀器儀表、智能產(chǎn)品和軍事裝備中，提供智能化控制。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,73,PC-104總線特點（續(xù)1）,（2）堆棧式連接 去掉總線背板和插板滑道

41、，總線以“針”和“孔”形式層疊連接，即PC-104總線模塊之間總線的連接是通過上層的針和下層的孔相互咬和相連，這種層疊封裝有極好的抗震性和抗沖擊性，能使其在環(huán)境異常惡劣的控制系統(tǒng)中得以廣泛應(yīng)用和推廣。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,74,PC-104總線驅(qū)動（續(xù)2）,（3）小功率總線驅(qū)動 PC-104微型化的結(jié)構(gòu)減少元件數(shù)量和電源消耗，4mA總線驅(qū)動即可使模塊正常工作，每個模塊12瓦功耗，大大提高了總線的驅(qū)動能力。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,75,PC-104總線外觀結(jié)構(gòu),PC-104總線插板可以堆疊，請參看組裝圖。,,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,76

42、,補充內(nèi)容* 閃存文件系統(tǒng),Nand Flash的主要操作有ReadChipID，read，Write和Erase等。基于Nand Flash上的特殊的文件系統(tǒng)稱之為閃存文件系統(tǒng)（ Flash File System ，F(xiàn)FS ）。參看教材圖8-9(a)。 FFS從功能上分為兩個層次： 一個是底層的閃存轉(zhuǎn)換層，封裝底層一些特殊復(fù)雜的管理控制功能。例如：磨損控制、壞塊管理等；另一個是高層的文件管理層，在閃存轉(zhuǎn)換層之上，類似于普通磁盤上的通用文件系統(tǒng)，向上提供一些標(biāo)準(zhǔn)的文件系統(tǒng)接口，例如：格式化、打開文件、關(guān)閉文件、查找文件、讀文件、刪除文件等。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,77,物

43、理閃存操作層次結(jié)構(gòu),MTD/FTL層向上將閃存設(shè)備抽象成邏輯設(shè)備（邏輯頁面和塊），為文件系統(tǒng)提供對物理設(shè)備操作的接口；向下實現(xiàn)對物理閃存設(shè)備的讀寫、清零、ECC校驗等工作。參看下圖。,,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,78,Linux的MTD介紹之一,一般認(rèn)為，Linux的MTD設(shè)備可分為四層（從設(shè)備節(jié)點直到底層硬件驅(qū)動） 這四層從上到下依次是： 設(shè)備節(jié)點 MTD設(shè)備層 MTD原始設(shè)備層 硬件驅(qū)動層 MTD的所有源代碼在/drivers/mtd子目錄下。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,79,Linux的MTD介紹之二,MTD原始設(shè)備：原始設(shè)備層有兩部分組成，一部分是MTD

44、原始設(shè)備的通用代碼，另一部分是各個特定的Flash的數(shù)據(jù)，例如分區(qū)。 用于描述MTD原始設(shè)備的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是mtd_info，這其中定義了大量的關(guān)于MTD的數(shù)據(jù)和操作函數(shù)。 在drivers/mtd/maps/子目錄下存放的是特定的flash的數(shù)據(jù)，每一個文件都描述了一塊板子上的flash。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,80,MTD在Linux模塊結(jié)構(gòu)圖中的位置,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,81,Linux的MTD介紹之三,MTD設(shè)備層：基于MTD原始設(shè)備， linux系統(tǒng)可以定義出MTD的塊設(shè)備（主設(shè)備號31）和字符設(shè)備（主設(shè)備號90）。MTD字符設(shè)備的定義在mtdc

45、har.c中實現(xiàn)，通過該函數(shù)注冊一系列 file operation函數(shù)（lseek、open、close、read、write）。MTD塊設(shè)備則定義了一個描述MTD塊設(shè)備的結(jié)構(gòu) mtdblk_dev，并聲明了一個名為mtdblks的指針數(shù)組。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,82,Linux的MTD介紹之四,設(shè)備節(jié)點：通過mknod在/dev子目錄下建立MTD字符設(shè)備節(jié)點（主設(shè)備號為90）和MTD塊設(shè)備節(jié)點（主設(shè)備號為31），通過訪問此設(shè)備節(jié)點即可訪問MTD字符設(shè)備和塊設(shè)備。 根文件系統(tǒng)：在Bootloader中將JFFS（或JFFS2）的文件系統(tǒng)映像jffs.image（或jff

46、s2.img）燒到flash的某一個分區(qū)中，在/arch/arm/mach-your/arch.c文件的your_fixup函數(shù)中將該分區(qū)作為根文件系統(tǒng)掛載。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,83,第16講重點,閃存的基本特點 閃存位元工作原理 Nor Flash存儲矩陣工作原理 Nand Flash存儲矩陣工作原理 閃存驅(qū)動以及閃存芯片與ARM處理器的接線 SDRAM內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及與ARM處理器的接線 IIC總線、SPI總線、CAN總線和PC104總線 現(xiàn)場總線、基金會現(xiàn)場總線和PROFIBUS,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,84,第16講復(fù)習(xí)題思考題,嵌入式系統(tǒng)常用的存

47、儲器有哪些？ 與其它存儲器相比較，閃存有什么特點？ 試描述閃存記憶位元工作原理 試描述Nor Flash存儲矩陣的工作原理 試描述Nand Flash存儲矩陣的工作原理 試描述驅(qū)動閃存操作的軟件層次。 閃存芯片和SDRAM芯片是如何同CPU連線的？ I2C總線的基本特點是什么？ I2C總線系統(tǒng)的尋址能力如何？ 試描述I2C總線的傳輸規(guī)范 S3C44B0X處理器如何控制I2C總線的讀寫操作？,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,85,第16講復(fù)習(xí)題思考題（續(xù)）,何謂SPI？它的主要用途是什么？ CAN總線的主要用途是什么？ 試闡述CAN的主要技術(shù)特點 何謂現(xiàn)場總線？ 基金會現(xiàn)場總線（FF）是怎么一回事？ 主要的現(xiàn)場總線有哪些？ 工業(yè)以太網(wǎng)同普通以太網(wǎng)有什么不同？ PC-104總線有什么特點？ 請例舉CAN總線、SPI總線、I2C總線和PC-104總線的若干應(yīng)用實例，并說明各自的適用范圍。,2008年07頁13日,南京大學(xué)計算機(jī)系,86,第16講結(jié)束,謝謝大家的使用！ 歡迎大家提出寶貴意見和建議！,