2019備考[嵌入式系統設計師]之“接口技術(上)”

一、引言

嵌入式系統的硬體除了核心的微處理器之外就是外圍器件和接口。接口技術在嵌入式系統設計處于如此重要的位置，是嵌入式系統設計師硬體部分的重要考試範圍。目前嵌入式系統中的接口五花八門，每個接口都可以寫成一本厚厚的書。面對内容如此之多，範圍如此之廣的考試部分，應該怎麼樣去複習呢？我的指導思想是，把握好每種接口技術的最基本概念，了解透每個接口的最基本工作原理，從曆年考題中提煉出常考知識點，重點進行複習，這樣足以應付考試了。是不是這樣就要通過真題考試來驗證了，讓我們期待吧。

二、複習筆記

1. Flash 存儲器

• （1）Flash 存儲器是一種非易失性存儲器，根據結構的不同可以将其分為NOR Flash和NAND Flash兩種。

• （2）Flash 存儲器的特點：

  A、區塊結構：在實體上分成若幹個區塊，區塊之間互相獨立。

  B、先擦後寫：Flash 的寫操作隻能将資料位從 1 寫成 0，不能從 0 寫成 1，是以在對存儲器進行寫入之前必須先執行擦除操作，将預寫入的資料位初始化為 1。擦除操作的最小機關是一個區塊，而不是單個位元組。

  C、操作指令：執行寫操作，它必須輸入一串特殊指令（NOR Flash）或者完成一段時序（NAND Flash）才能将資料寫入。

  D、位反轉：由于 Flash 的固有特性，在讀寫過程中偶爾會産生一位或幾位的資料錯誤。位反轉無法避免，隻能通過其他手段對結果進行事後處理。

  E、壞塊：區塊一旦損壞，将無法進行修複。對已損壞的區塊操作其結果不可預測。

• （3）NOR Flash 的特點：

  應用程式可以直接在NOR Flash内運作，不需要再把代碼讀到系統 RAM 中運作。NOR Flash 的傳輸效率很高，在 1MB~4MB的小容量時具有很高的成本效益，但是很低的寫入和擦除速度大大影響了它的性能。

• （4）NAND Flash 的特點

  能夠提供極高的密度單元，可以達到高存儲密度，并且寫入和擦除的速度也很快，這也是為何所有的 U 盤都使用 NAND Flash 作為存儲媒體的原因。應用 NAND Flash 的困難在于閃存需要特殊的系統接口。

• （5）NOR Flash 與 NAND Flash 的差別：

  A、NOR Flash 的讀速度比 NAND Flash 稍快一些。

  B、NAND Flash 的擦除和寫入速度比NOR Flash快很多 。

  C、NAND Flash 的随機讀取能力差，适合大量資料的連續讀取。

  D、NOR Flash 帶有 SRAM 接口，有足夠的位址引進來尋址，可以很容易地存取其内部的每一個位元組。NAND Flash的位址、資料和指令共用 8 位總線（有些公司的産品使用 16 位），每次讀寫都要使用複雜的 I/O 接口串行地存取資料。

  E、NOR Flash 的容量一般較小，通常在1MB~8MB之間；NAND Flash 隻用在 8MB 以上的産品中。是以，NOR Flash主要應用在代碼存儲媒體中，NAND Flash 适用于資料存儲。

  F、NAND Flash 中每個塊的最大擦寫次數是一百萬次，而 NOR Flash 是十萬次。

  G、NOR Flash 可以像其他記憶體那樣連接配接，非常直接地使用，并可以在上面直接運作代碼；NAND Flash 需要特殊的 I/O 接口，在使用的時候，必須先寫入驅動程式，才能繼續執行其他操作。因為設計師絕不能向壞塊寫入，這就意味着在 NAND Flash 上自始至終必須進行虛拟映像。

  H、NOR Flash 用于對資料可靠性要求較高的代碼存儲、通信産品、網絡處理等領域，被成為代碼閃存；NAND Flash則用于對存儲容量要求較高的 MP3、存儲卡、U 盤等領域，被成為資料閃存。

2、RAM 存儲器

• （1）SRAM 的特點：

  SRAM 表示靜态随機存取存儲器，隻要供電它就會保持一個值，它沒有重新整理周期，由觸發器構成基本單元，內建度低，每個 SRAM 存儲單元由6個半導體組成，是以其成本較高。它具有較高速率，常用于高速緩沖存儲器。

通常 SRAM 有 4 種引腳：

CE：片選信号，低電平有效。

R/W：讀寫控制信号。

ADDRESS：一組位址線。

DATA：用于資料傳輸的一組雙向信号線。

• （2）DRAM 的特點：

  DRAM 表示動态随機存取存儲器。這是一種以電荷形式進行存儲的半導體存儲器。它的每個存儲單元由一個半導體和一個電容器組成，資料存儲在電容器中。電容器會由于漏電而導緻電荷丢失，因而 DRAM 器件是不穩定的。它必須有規律地進行重新整理，進而将資料儲存在存儲器中。

DRAM 的接口比較複雜，通常有一下引腳：

CE：片選信号，低電平有效。

R/W：讀寫控制信号。

RAS：行位址選通信号，通常接位址的高位部分。

CAS：列位址選通信号，通常接位址的低位部分。

ADDRESS：一組位址線。

DATA：用于資料傳輸的一組雙向信号線。

• （3）SDRAM 的特點：

  SDRAM 表示同步動态随機存取存儲器。同步是指記憶體工作需要同步時鐘，内部的指令發送與資料的傳輸都以它為基準；動态是指存儲器陣列需要不斷的重新整理來保證資料不丢失。它通常隻能工作在 133MHz 的主頻。

• （4）DDRAM 的特點

  DDRAM 表示雙倍速率同步動态随機存取存儲器，也稱 DDR。DDRAM 是基于 SDRAM 技術的，SDRAM 在一個時鐘周期内隻傳輸一次資料，它是在時鐘的上升期進行資料傳輸；而 DDR 記憶體則是一個時鐘周期内傳輸兩次次資料，它能夠在時鐘的上升期和下降期各傳輸一次資料。在133MHz的主頻下，DDR 記憶體帶寬可以達到133×64b/8×2＝2.1GB/s。

3、硬碟、CD光牒、CF 卡、SD 卡

4、GPIO 原理與結構

5、A/D 接口

• （1）A/D 轉換器是把電模拟量轉換為數字量的電路。實作 A/D 轉換的方法有很多，常用的方法有計數法、雙積分法和逐次逼進法。

• （2）計數式 A/D 轉換法

  電路主要部件：比較器、計數器、D/A 轉換器和标準電壓源。

  原理:有一個計數器，從0開始進行加1計數，每進行一次加1，該數值作為D/A轉換器的輸入，其産生一個比較電壓 Vo與輸入模拟電壓 Vin進行比較。如果 Vo小于 Vin則繼續進行加 1 計數，直到 Vo大于 Vin，這時計數器的累加數值就是 A/D 轉換器的輸出值（詳細參考《教程》155 頁）。

  特點:但是速度比較慢，特别是模拟電壓較高時，轉換速度更慢。例如對于一個8位A/D轉換器，若輸入模拟量為最大值，計數器要從 0 開始計數到 255，做255次D/A 轉換和電壓比較的工作，才能完成轉換。

• （3）雙積分式 A/D 轉換法

  電路主要部件：積分器、比較器、計數器和标準電壓源。

  原理:首先電路對輸入待測電壓進行固定時間的積分，然後換為标準電壓進行固定斜率的反向積分，反向積分進行到一定時間，便傳回起始值。由于使用固定斜率，對标準電壓進行反向積分的時間正比于輸入模拟電壓值，輸入模拟電壓越大，反向積分回到起始值的時間越長。隻要用标準的高頻時鐘脈沖測定反向積分花費的時間，就可以得到相應于輸入模拟電壓的數字量，也就完成了 A/D 轉換。（詳細參考《教程》156 頁）

  特點:具有很強的抗工頻幹擾能力，轉換精度高，但轉換速度慢，通常轉換頻率小于 10Hz，主要用于數字式測試儀表、溫度測量等方面。

• （4）逐次逼近式 A/D 轉換法

  電路主要部件：比較器、D/A 轉換器、逐次逼近寄存器和基準電壓源。

  原理:實質上就是對分搜尋法，和平時天平的使用原理一樣。在進行 A/D 轉換時，由 D/A 轉換器從高位到低位逐位增加轉換位數，産生不同的輸出電壓，把輸入電壓與輸出電壓進行比較而實作。首先使最高位為 1，這相當于取出基準電壓的 1/2 與輸入電壓比較，如果在輸入電壓小于1/2的基準電壓，則最高位置 0，反之置 1。之後，次高位置 1，相當于在 1/2 的範圍中再作對分搜尋，以此類推，逐次逼近（詳細參考《教程》157頁 。

  特點:速度快，轉換精度高，對 N 位 A/D 轉換器隻需要 M 個時鐘脈沖即可完成，一般可用于測量幾十到幾百微秒的過渡過程的變化，是目前應用最普遍的轉換方法。

• （5）A/D 轉換的重要名額

  A、分辨率：反映 A/D 轉換器對輸入微小變化響應的能力，通常用數字輸出最低位（LSB）所對應的模拟電壓的電平值表示。n 位 A/D 轉換器能反映 1/2n滿量程的模拟輸入電平。

  B、量程：所能轉換的模拟輸入電壓範圍，分為單極性和雙極性兩種類型。

  C、轉換時間：完成一次 A/D 轉換所需要的時間，其倒數為轉換速率。

  D、精度：精度與分辨率是兩個不同的概念，即使分辨率很高，也可能由于溫漂、線性度等原因使其精度不夠高。精度有絕對精度和相對精度兩種表示方法。通常用數字量的最低有效位LSB的分數值來表示絕對精度，用其模拟電壓滿量程的百分比來表示相對精度。

6、D/A 接口

• （1）D/A 轉換器使将數字量轉換為模拟量。
• （2）在內建電路中，通常采用 T 型網絡實作将數字量轉換為模拟電流，再由運算放大器将模拟電路轉換為模拟電壓。進行 D/A 轉換實際上需要上面的兩個環節。關于 T 型電阻解碼網絡和 D/A 轉換具體原理參考《教程》的159 頁。

• （3）D/A 轉換器的分類：

  A、電壓輸出型：常作為高速 D/A 轉換器。

  B、電流輸出型：一般外接運算放大器使用。

  C、乘算型：可用作調制器和使輸入信号數字化地衰減。

• （4）D/A 轉換器的主要名額：分辨率、建立時間、線性度、轉換精度、溫度系數。

7、鍵盤接口

• （1）鍵盤的兩種形式：線性鍵盤和矩陣鍵盤。
• （2）識别鍵盤上的閉合鍵通常有兩種方法：行掃描法和行反轉法。（《教程》163 頁）

• （3）行掃描法是矩陣鍵盤按鍵常用的識别方法，此方法分為兩步進行：

  A、識别鍵盤哪一列的鍵被按下：讓所有行線均為低電平，查詢各列線電平是否為低，如果有列線為低，則說明該列有按鍵被按下，否則說明無按鍵按下。

  B、如果某列有按鍵按下，識别鍵盤是哪一行按下：逐行置低電平，并置其餘各行為高電平，查詢各列的變化，如果列電平變為低電平，則可确定此行此列交叉點處按鍵被按下。

8、顯示接口

• （1）LCD 的基本原理是，通過給不同的液晶單元供電，控制其光線的通過與否，進而達到顯示的目的。
• （2）LCD 的光源提供方式有兩種：投射式和反射式。筆記本電腦的 LCD 顯示器為投射式，屏的背後有一個光源，是以外界環境可以不需要光源。一般微控制器上使用的 LCD 為反射式，需要外界提供電源，靠反射光來工作。電緻發光（EL）是液晶屏提供光源的一種方式。
• （3）按照液晶驅動方式分類，常見的 LCD 可以分為三類：扭轉向列類（TN）、超扭轉向列型（STN）和薄膜半導體型（TFT）。
• （4）市面上出售的 LCD 有兩種類型：帶有驅動電路的 LCD 顯示子產品，隻要總線方式驅動；沒有驅動電路的LCD 顯示器，使用控制器掃描方式。
• （5）通常，LCD 控制器工作的時候，通過DMA請求總線，直接通過 SDRAM 控制器讀取SDRAM中指定位址（顯示緩沖區）的資料，此資料經過LCD控制器轉換成液晶屏掃描資料格式，直接驅動液晶顯示器。
• （6）VGA 接口本質上是一個模拟接口，一般都采用統一的15引腳接口，包括2個NC信号、3根顯示器資料總線、5個GND信号、3個RGB色彩分量、1個行同步信号和1個場同步信号。其色彩分量采用的電平标準為 EIA 定義的RS343 标準。

9、觸摸屏接口

• （1）按工作原理分，觸摸屏可以分為：表面聲波屏、電容屏、電阻屏和紅外屏幾種。（具體的工作原理看《教程》173 頁） 。
• （2）觸摸屏的控制采用專業晶片，例如ADS7843（具體工作原理看《教程》176 頁）。

10、音頻接口

• （1）基本原理：麥克風輸入的資料經音頻編解碼器解碼完成 A/D 轉換，解碼後的音頻資料通過音頻控制器送入DSP 或 CPU進行相應的處理，然後資料經音頻控制器發送給音頻編碼器，經編碼 D/A 轉換後由揚聲器輸出。

• （2）數字音頻的格式有多種，最常用的是下面三種：

  A、采用數字音頻（PCM）：是 CD 或 DVD 采用的資料格式。其采樣頻率為 44.1kHz。精度為16位時，PCM 音頻資料速率為 1.41Mb/s；精度為 32 位時為 2.42 Mb/s。一張 700MB 的 CD 可以儲存大約 60 分鐘的16位PCM資料格式的音樂。

  B、MPEG 層 3 音頻（MP3）：MP3 播放器采用的音頻格式。立體聲MP3資料速率為112kb/s至128kb/s。

  C、ATSC 數字音頻壓縮标準（AC3）：數字TV、HDTV和電影數字音頻編碼标準，立體聲AC3編碼後的資料速率為 192kb/s。

• （3）IIS 是音頻資料的編碼或解碼常用的串行音頻數字接口。IIS 總線隻處理聲音資料，其他控制信号等則需要單獨傳輸。IIS 使用了 3 根串行總線：資料線SD、字段選擇線WS、時鐘信号線SCK。
• （4）當接收方和發送方的資料字段寬度不一樣時，發送方不考慮接收方的資料字段寬度。如果發送方發送的資料字段小于系統字段寬度，就在低位補 0；如果發送方的資料寬度大于接收方的寬度，則超過 LSB 的部分被截斷。字段選擇 WS 用來選擇左右聲道，WS=0 表示選擇左聲道；WS=1 表示選擇右聲道。此外，WS 能讓接收裝置存儲前一個位元組，并準備接收下一個位元組。