嵌入式系统设计师考试笔记之接口技术免费版.docx
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嵌入式系统设计师考试笔记之接口技术免费版
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嵌入式系统设计师考试笔记之接口技术
欧浩源（ohy3686@）200809020
一、引言
嵌入式系统的硬件除了核心的微处理器之外就是外围器件和接口。
接口技术在嵌入式系统设计处于如此重要的位置，是嵌入式系统设计师硬件部分的重要考试范围。
目前嵌入式系统中的接口五花百门，每个接口都可以写成一本厚厚的书。
面对内容如此之多，范围如此之广的考试部分，应该怎么样去复习呢？
我的指导思想是，把握好每种接口技术的最基本概念，理解透每个接口的最基本工作原理，从历年考题中提炼出常考知识点，重点进行复习，这样足以应付考试了。
是不是这样就要通过真题考试来验证了，让我们期待吧。
二、复习笔记
1.Flash存储器
（1）Flash存储器是一种非易失性存储器，根据结构的不同可以将其分为NORFlash和NANDFlash两种。
（2）Flash存储器的特点：
A、区块结构：
在物理上分成若干个区块，区块之间相互独立。
B、先擦后写：
Flash的写操作只能将数据位从1写成0，不能从0写成1，所以在对存储器进行写入之前必须先执行擦除操作，将预写入的数据位初始化为1。
擦除操作的最小单位是一个区块，而不是单个字节。
C、操作指令：
执行写操作，它必须输入一串特殊指令（NORFlash）或者完成一段时序（NANDFlash）才能将数据写入。
D、位反转：
由于Flash的固有特性，在读写过程中偶尔会产生一位或几位的数据错误。
位反转无法避免，只能通过其他手段对结果进行事后处理。
E、坏块：
区块一旦损坏，将无法进行修复。
对已损坏的区块操作其结果不可预测。
（3）NORFlash的特点：
应用程序可以直接在闪存内运行，不需要再把代码读到系统RAM中运行。
NORFlash的传输效率很高，在1MB~4MB的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。
（4）NANDFlash的特点
能够提高极高的密度单元，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快，这也是为何所有的U盘都使用NANDFlash作为存储介质的原因。
应用NANDFlash的困难在于闪存需要特殊的系统接口。
（5）NORFlash与NANDFlash的区别：
A、NORFlash的读速度比NANDFlash稍快一些。
B、NANDFlash的擦除和写入速度比NORFlash快很多
C、NANDFlash的随机读取能力差，适合大量数据的连续读取。
D、NORFlash带有SRAM接口，有足够的地址引进来寻址，可以很容易地存取其内部的每一个字节。
NANDFlash的地址、数据和命令共用8位总线（有写公司的产品使用16位），每次读写都要使用复杂的I/O接口串行地存取数据。
E、NORFlash的容量一般较小，通常在1MB~8MB之间；NANDFlash只用在8MB以上的产品中。
因此，NORFlash只要应用在代码存储介质中，NANDFlash适用于资料存储。
F、NANDFlash中每个块的最大擦写次数是一百万次，而NORFlash是十万次。
G、NORFlash可以像其他内存那样连接，非常直接地使用，并可以在上面直接运行代码；NANDFlash需要特殊的I/O接口，在使用的时候，必须先写入驱动程序，才能继续执行其他操作。
因为设计师绝不能向坏块写入，这就意味着在NANDFlash上自始至终必须进行虚拟映像。
H、NORFlash用于对数据可靠性要求较高的代码存储、通信产品、网络处理等领域，被成为代码闪存；NANDFlash则用于对存储容量要求较高的MP3、存储卡、U盘等领域，被成为数据闪存。
2、RAM存储器
（1）SRAM的特点：
SRAM表示静态随机存取存储器，只要供电它就会保持一个值，它没有刷新周期，由触发器构成基本单元，集成度低，每个SRAM存储单元由6个晶体管组成，因此其成本较高。
它具有较高速率，常用于高速缓冲存储器。
通常SRAM有4种引脚：
CE：
片选信号，低电平有效。
R/W：
读写控制信号。
ADDRESS：
一组地址线。
DATA：
用于数据传输的一组双向信号线。
（2）DRAM的特点：
DRAM表示动态随机存取存储器。
这是一种以电荷形式进行存储的半导体存储器。
它的每个存储单元由一个晶体管和一个电容器组成，数据存储在电容器中。
电容器会由于漏电而导致电荷丢失，因而DRAM器件是不稳定的。
它必须有规律地进行刷新，从而将数据保存在存储器中。
DRAM的接口比较复杂，通常有一下引脚：
CE：
片选信号，低电平有效。
R/W：
读写控制信号。
RAS：
行地址选通信号，通常接地址的高位部分。
CAS：
列地址选通信号，通常接地址的低位部分。
ADDRESS：
一组地址线。
DATA：
用于数据传输的一组双向信号线。
（3）SDRAM的特点：
SDRAM表示同步动态随机存取存储器。
同步是指内存工作需要同步时钟，内部的命令发送与数据的传输都以它为基准；动态是指存储器阵列需要不断的刷新来保证数据不丢失。
它通常只能工作在133MHz的主频。
（4）DDRAM的特点
DDRAM表示双倍速率同步动态随机存取存储器，也称DDR。
DDRAM是基于SDRAM技术的，SDRAM在一个时钟周期内只传输一次数据，它是在时钟的上升期进行数据传输；而DDR内存则是一个时钟周期内传输两次次数据，它能够在时钟的上升期和下降期各传输一次数据。
在133MHz的主频下，DDR内存带宽可以达到133×64b/8×2＝2.1GB/s。
3、硬盘、光盘、CF卡、SD卡的相关知识见《教程》145～148页。
4、GPIO原理与结构
GPIO是I/O的最基本形式，它是一组输入引脚或输出引脚。
有些GPIO引脚能够加以编程改变工作方向，通常有两个控制寄存器：
数据寄存器和数据方向寄存器。
数据方向寄存器设置端口的方向。
如果将引脚设置为输出，那么数据寄存器将控制着该引脚状态。
若将引脚设置为输入，则此输入引脚的状态由引脚上的逻辑电路层来实现对它的控制。
5、A/D接口
（1）A/D转换器是把电模拟量转换为数字量的电路。
实现A/D转换的方法有很多，常用的方法有计数法、双积分法和逐次逼进法。
（2）计数式A/D转换法
其电路主要部件包括：
比较器、计数器、D/A转换器和标准电压源。
其工作原理简单来说就是，有一个计数器，从0开始进行加1计数，每进行一次加1，该数值作为D/A转换器的输入，其产生一个比较电压VO与输入模拟电压VIN进行比较。
如果VO小于VIN则继续进行加1计数，直到VO大于VIN，这时计数器的累加数值就是A/D转换器的输出值。
（详细参考《教程》155页）
这种转换方式的特点是简单，但是速度比较慢，特别是模拟电压较高时，转换速度更慢。
例如对于一个8位A/D转换器，若输入模拟量为最大值，计数器要从0开始计数到255，做255次D/A转换和电压比较的工作，才能完成转换。
（3）双积分式A/D转换法
其电路主要部件包括：
积分器、比较器、计数器和标准电压源。
其工作原理是，首先电路对输入待测电压进行固定时间的积分，然后换为标准电压进行固定斜率的反向积分，反向积分进行到一定时间，便返回起始值。
由于使用固定斜率，对标准电压进行反向积分的时间正比于输入模拟电压值，输入模拟电压越大，反向积分回到起始值的时间越长。
只要用标准的高频时钟脉冲测定反向积分花费的时间，就可以得到相应于输入模拟电压的数字量，也就完成了A/D转换。
（详细参考《教程》156页）
其特点是，具有很强的抗工频干扰能力，转换精度高，但转换速度慢，通常转换频率小于10Hz，主要用于数字式测试仪表、温度测量等方面。
（4）逐次逼近式A/D转换法
其电路主要部件包括：
比较器、D/A转换器、逐次逼近寄存器和基准电压源。
其工作原理是，实质上就是对分搜索法，和平时天平的使用原理一样。
在进行A/D转换时，由D/A转换器从高位到低位逐位增加转换位数，产生不同的输出电压，把输入电压与输出电压进行比较而实现。
首先使最高位为1，这相当于取出基准电压的1/2与输入电压比较，如果在输入电压小于1/2的基准电压，则最高位置0，反之置1。
之后，次高位置1，相当于在1/2的范围中再作对分搜索，以此类推，逐次逼近。
（详细参考《教程》157页）
其特点是，速度快，转换精度高，对N位A/D转换器只需要M个时钟脉冲即可完成，一般可用于测量几十到几百微秒的过渡过程的变化，是目前应用最普遍的转换方法。
（5）A/D转换的重要指标（有可能考一些简单的计算）
A、分辨率：
反映A/D转换器对输入微小变化响应的能力，通常用数字输出最低位（LSB）所对应的模拟电压的电平值表示。
n位A/D转换器能反映1/2n满量程的模拟输入电平。
B、量程：
所能转换的模拟输入电压范围，分为单极性和双极性两种类型。
C、转换时间：
完成一次A/D转换所需要的时间，其倒数为转换速率。
D、精度：
精度与分辨率是两个不同的概念，即使分辨率很高，也可能由于温漂、线性度等原因使其精度不够高。
精度有绝对精度和相对精度两种表示方法。
通常用数字量的最低有效位LSB的分数值来表示绝对精度，用其模拟电压满量程的百分比来表示相对精度。
例如，满量程10V，10位A/D芯片，若其绝对精度为±1/2LSB，则其最小有效位LSB的量化单位为：
10/1024＝9.77mv，其绝对精度为9.77mv/2＝4.88mv，相对精度为：
0.048％。
6、D/A接口基本
（1）D/A转换器使将数字量转换为模拟量。
（2）在集成电路中，通常采用T型网络实现将数字量转换为模拟电流，再由运算放大器将模拟电路转换为模拟电压。
进行D/A转换实际上需要上面的两个环节。
关于T型电阻解码网络和D/A转换具体原理参考《教程》的159页。
（3）D/A转换器的分类：
A、电压输出型：
常作为高速D/A转换器。
B、电流输出型：
一般外接运算放大器使用。
C、乘算型：
可用作调制器和使输入信号数字化地衰减。
（4）D/A转换器的主要指标：
分辨率、建立时间、线性度、转换精度、温度系数。
7、键盘接口
（1）键盘的两种形式：
线性键盘和矩阵键盘。
（2）识别键盘上的闭合键通常有两种方法：
行扫描法和行反转法。
（《教程》163页）
（3）行扫描法是矩阵键盘按键常用的识别方法，此方法分为两步进行：
A、识别键盘哪一列的键被按下：
让所有行线均为低电平，查询各列线电平是否为低，如果有列线为低，则说明该列有按键被按下，否则说明无按键按下。
B、如果某列有按键按下，识别键盘是哪一行按下：
逐行置低电平，并置其余各行为高电平，查询各列的变化，如果列电平变为低电平，则可确定此行此列交叉点处按键被按下。
8、显示接口
（1）LCD的基本原理是，通过给不同的液晶单元供电，控制其光线的通过与否，从而达到显示的目的。
（2）LCD的光源提供方式有两种：
投射式和反射式。
笔记本电脑的LCD显示器为投射式，屏的背后有一个光源，因此外界环境可以不需要光源。
一般微控制器上使用的LCD为反射式，需要外界提供电源，靠反射光来工作。
电致发光（EL）是液晶屏提供光源的一种方式。
（3）按照液晶驱动方式分类，常见的LCD可以分为三类：
扭转向列类（TN）、超扭曲向列型（STN）和薄膜晶体管型（TFT）。
（4）市面上出售的LCD有两种类型：
带有驱动电路的LCD显示模块，只要总线方式驱动；没有驱动电路的LCD显示器，使用控制器扫描方式。
（5）通常，LCD控制器工作的时候，通过DMA请求总线，直接通过SDRAM控制器读取SDRAM中指定地址（显示缓冲区）的数据，此数据经过LCD控制器转换成液晶屏扫描数据格式，直接驱动液晶显示器。
（6）VGA接口本质上是一个模拟接口，一般都采用统一的15引脚接口，包括2个NC信号、3根显示器数据总线、5个GND信号、3个RGB色彩分量、1个行同步信号和1个场同步信号。
其色彩分量采用的电平标准为EIA定义的RS343标准。
9、触摸屏接口
（1）按工作原理分，触摸屏可以分为：
表面声波屏、电容屏、电阻屏和红外屏几种。
（具体的工作原理看《教程》173页）
（2）触摸屏的控制采用专业芯片，例如ADS7843。
（具体工作原理看《教程》176页）。
10、音频接口
（1）基本原理：
麦克风输入的数据经音频编解码器解码完成A/D转换，解码后的音频数据通过音频控制器送入DSP或CPU进行相应的处理，然后数据经音频控制器发送给音频编码器，经编码D/A转换后由扬声器输出。
（2）数字音频的格式有多种，最常用的是下面三种：
A、采用数字音频（PCM）：
是CD或DVD采用的数据格式。
其采样频率为44.1kHz。
精度为16位时，PCM音频数据速率为1.41Mb/s；精度为32位时为2.42Mb/s。
一张700MB的CD可以保存大约60分钟的16位PCM数据格式的音乐。
B、MPEG层3音频（MP3）：
MP3播放器采用的音频格式。
立体声MP3数据速率为112kb/s至128kb/s。
C、ATSC数字音频压缩标准（AC3）：
数字TV、HDTV和电影数字音频编码标准，立体声AC3编码后的数据速率为192kb/s。
（3）IIS是音频数据的编码或解码常用的串行音频数字接口。
IIS总线只处理声音数据，其他控制信号等则需要单独传输。
IIS使用了3根串行总线：
数据线SD、字段选择线WS、时钟信号线SCK。
（4）当接收方和发送方的数据字段宽度不一样时，发送方不考虑接收方的数据字段宽度。
如果发送方发送的数据字段小于系统字段宽度，就在低位补0；如果发送方的数据宽度大于接收方的宽度，则超过LSB的部分被截断。
字段选择WS用来选择左右声道，WS=0表示选择左声道；WS=1表示选择右声道。
此外，WS能让接收设备存储前一个字节，并准备接收下一个字节。
11、串行接口
（1）串行通信是指，使数据一位一位地进行传输而实现的通信。
与并行通信相比，串行通信具有传输线少、成本低等优点，特别适合远距离传送；缺点使速度慢。
（2）串行数据传送有3种基本的通信模式：
单工、半双工、全双工。
（3）串行通信在信息格式上可以分为2种方式：
同步通信和异步通信。
A、异步传输：
把每个字符当作独立的信息来传输，并按照一固定且预定的时序传送，但在字符之间却取决于字符与字符的任意时序。
异步通信时，字符是一帧一帧传送的，每帧字符的传送靠起始位来同步。
一帧数据的各个代码间间隔是固定的，而相邻两帧数据其时间间隔是不固定的。
B、同步传输：
同步方式不仅在字符之间是同步的，而且在字符与字符之间的时序仍然是同步的，即同步方式是将许多字符聚集成一字符块后，在每块信息之前要加上1～2个同步字符，字符块之后再加入适当的错误检测数据才传送出去。
（4）异步通信必须遵循3项规定：
A、字符格式：
起始位＋数据＋校验位＋停止位（检验位可无），低位先传送。
B、波特率：
每秒传送的位数。
C、校验位：
奇偶检验。
a、奇校验：
要使字符加上校验位有奇数个“1”。
b、偶检验：
要使字符加上校验位有偶数个“1”。
（5）RS－232C的电气特性：
负逻辑。
A、在TxD和RxD上：
逻辑1为－3V～－15V，逻辑0为3V～15V。
B、在TES、CTS、DTR、DCD等控制线上：
信号有效（ON状态）为3V～15V
信号无效（OFF状态）为－3V～－15V
（6）TTL标准与RS-232C标准之间的电平转换利用集成芯片RS232实现。
（详见《教程》182页）
（7）RS-422串行通信接口
A、RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，传输速率可达10Mb/s。
B、RS-422采用差分传输方式，也称做平衡传输，使用一对双绞线。
C、RS-422需要一终端电阻，要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。
（8）RS-485串行总线接口
A、RS-485是在RS-422的基础上建立的标准，增加了多点、双向通信能力，通信距离可为几十米到上千米。
B、RS-485收发器采用平衡发送和差分接收，具有抑制共模干扰的能力。
C、RS-485需要两个终端电阻。
在近距离（300m一下）传输可不需要终端电阻。
12、并行接口
（1）并行接口的数据传输率比串行接口快8倍，标准并行接口的数据传输率为1Mb/s，一般用来连接打印机、扫描仪等，所以又称打印口。
（2）并行接口可以分为SPP（标准并口）、EPP（增强型并口）和ECP（扩展型并口）。
（3）并行总线分为标准和非标准两类。
常用的并行标准总线有IEEE488总线和ANSISCSI总线。
MXI总线是一种高性能非标准的通用多用户并行总线。
13、PCI接口
（1）PCI总线是地址、数据多路复用的高性能32位和64位总线，是微处理器与外围控制部件、外围附加板之间的互连机构。
（2）从数据宽度上看，PCI定义了32位数据总线，且可扩展为64位。
从总线速度上分，有33MHz和66MHz两种。
（3）与ISA总线相比，PCI总线的地址总线与数据总线分时复用，支持即插即用、中断共享等功能。
14、USB接口
（1）USB总线的主要特点：
A、使用简单，即插即用。
B、每个USB系统中都有主机，这个USB网络中最多可以连接127个设备。
C、应用范围广，支持多个设备同时操作。
D、低成本的电缆和连接器，使用统一的4引脚插头。
E、较强的纠错能力。
F、较低的协议开销带来了高的总线性能，且适合于低成本外设的开发。
G、支持主机与设备之间的多数据流和多消息流传输，且支持同步和异步传输类型。
H、总线供电，能为设备提供5V/100mA的供电。
（2）USB系统由3部分来描述：
USB主机、USB设备和USB互连。
（3）USB总线支持的数据传输率有3种：
高速信令位传输率为480Mb/s；全速信令位传输率为12Mb/s；全速信令位传输率为1.5Mb/s。
（4）USB总线电缆有4根线：
一对双绞信号线和一对电源线。
（5）USB是一种查询总线，由主控制器启动所有的数据传输。
USB上所挂接的外设通过由主机调度的、基于令牌的协议来共享USB带宽。
（6）大部分总线事务涉及3个包的传输：
A、令牌包：
指示总线上要执行什么事务，欲寻址的USB设备及数据传送方向。
B、数据包：
传输数据或指示它没有数据要传输。
C、握手包：
指示传输是否成功。
（7）主机与设备端点之间的USB数据传输模型被称作管道。
管道有两种类型：
流和消息。
消息数据具有USB定义的结构，而数据流没有。
（8）事务调度表允许对某些流管道进行流量控制，在硬件级，通过使用NAK（否认）握手信号来调节数据传输率，以防止缓冲区上溢或下溢产生。
（9）USB设备最大的特点是即插即用。
（10）工作原理：
USB设备插入USB端点时，主机都通过默认地址0与设备的端点0进行通信。
在这个过程中，主机发出一系列试图得到描述符的标准请求，通过这些请求，主机得到所有感兴趣的设备信息，从而知道了设备的情况以及该如何与设备通信。
随后主机通过发出SetAddress请求为设备设置一个唯一的地址。
以后主机就通过为设备设置好的地址与设备通信，而不再使用默认地址0。
15、SPI接口
（1）SPI是一个同步协议接口，所有的传输都参照一个共同的时钟，这个同步时钟有主机产生，接收数据的外设使用时钟来对串行比特流的接收进行同步化。
（2）在多个设备连接到主机的同一个SPI接口时，主机通过从设备的片选引脚来选择。
（3）SPI主要使用4个信号：
主机输出/从机输入（MOSI），主机输入/从机输出（MISO）、串行时钟SCLK和外设片选CS。
（4）主机和外设都包含一个串行移位寄存器，主机通过向它的SPI串行寄存器写入一个字节来发起一次数据传输。
寄存器通过MOSI信号线将字节传送给外设，外设也将自己移位寄存器中的内容通过MISO信号线返回给主机，这样，两个移位寄存器中的内容就被交换了。
（5）外设的写操作和读操作时同步完成的，因此SPI成为一个很有效的协议。
（6）如果只是进行写操作，主机只需忽略收到的字节；反过来，如果主机要读取外设的一个字节，就必须发送一个空字节来引发从机的传输。
16、IIC接口
（1）IIC总线是具备总线仲裁和高低速设备同步等功能的高性能多主机总线。
（2）IIC总线上需要两条线：
串行数据线SDA和串行时钟线SCL。
（3）总线上的每个器件都有唯一的地址以供识别，而且各器件都可以作为一个发送器或者接收器（由器件的功能决定）。
（4）IIC总线有4种操作模式：
主发送、主接收、从发送、从接收。
（5）IIC在传送数据过程中共有3种类型信号：
A、开始信号：
SCL为高电平时，SDA由高向低跳变。
B、结束信号：
SCL为高电平时，SDA由低向高跳变。
C、应答信号：
接收方在收到8位数据后，在第9个脉冲向发送方发出特点的低电平。
（6）主器件发送一个开始信号后，它还会立即送出一个从地址，来通知将与它进行数据通信的从器件。
1个字节的地址包括7位地址信息和1位传输方向指示位，如果第7位为0，表示要进行一个写操作，如果为1，表示要进行一个读操作。
（7）SDA线上传输的每个字节长度都是8位，每次传输种字节的数量没有限制的。
在开始信号后面的第一个字节是地址域，之后每个传输字节后面都有一个应答位（ACK），传输中串行数据的MSB（字节高位）首先发送。
（8）如果数据接收方无法再接收更多的数据，它可以通过将SCL保持低电平来中断传输，这样可以迫使数据发送方等待，直到SCL被重新释放。
这样可以达到高低速设备同步。
（9）IIC总线的工作过程：
SDA和SCL都是双向的。
空闲的时候，SDA和SCL都是高电平，只有SDA变为低电平，接着SCL再变为低电平，IIC总线的数据传输才开始。
SDA线上被传输的每一位在SCL的上升沿被采样，该位必须一直保持有效到SCL再次变为低电平，然后SDA就在SCL再次变为高电平之前传输下一个位。
最后，SCL变回高电平，接着SDA也变为高电平，表示数据传输结束。
17、以太网接口
（1）最常用的以太网协议是IEEE802.3标准。
（2）传输编码（06和07年都有考题）：
曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。
A、曼彻斯特编码：
每位中间有一个电平跳变，从高到底的跳变表示“0”，从低到高的跳变表示为“1”。
B、差分曼彻斯特编码：
每位中间有一个电平跳变，利用每个码元开始时有无跳变来表示“0”或“1”，有跳变为“0”，无跳变为“1”。
（详见《教程》200页）。
（3）相比之下，曼彻斯特编码编码简单，差分曼彻斯特编码提供更好的噪声抑制性能。
（4）以太网数据传输特点：
A、所有数据位的传输由低位开始，传输的位流时用曼彻斯特编码。
B、以太网是基于冲突检测的总线复用方法，由硬件自动执行。
C、传输的数据长度，目的地址DA＋源地址SA＋类型字段TYPE＋数据段DATA＋填充位PAD，最小为60B，最大为1514B。
D、通常以太网卡可以接收3种地址的数据：
广播地址、多播地址、自己的地址。
E、任何两个网卡的物理地址都不一样，是世界上唯一的，网卡地址由专门机构分配。
（5）嵌入式以太网接口有两种实现方法：
A、嵌入式处理器＋网卡芯片（例如：
RTL8019AS、CS8900等）
B、带有以太网接口的处理器。
（6）TCP/IP是一个分层协议，分为：
物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。
每层实现一个明确的功能，对应一个或几个传输协议，每层相对于它的下层都作为一个独立的数据包来实现。
每层上的协议如下：
A、应用层：
BSD套接字。
B、传输层：
TCP、UD
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