2019备考[嵌入式系统设计师]之“接口技术(上)”

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八门，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NOR Flash和NAND Flash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（NOR Flash）或者完成一段时序（NAND Flash）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）NOR Flash 的特点：
  应用程序可以直接在NOR Flash内运行，不需要再把代码读到系统 RAM 中运行。NOR Flash 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）NAND Flash 的特点
  能够提供极高的密度单元，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 NAND Flash 作为存储介质的原因。应用 NAND Flash 的困难在于闪存需要特殊的系统接口。

• （5）NOR Flash 与 NAND Flash 的区别：
  A、NOR Flash 的读速度比 NAND Flash 稍快一些。
  B、NAND Flash 的擦除和写入速度比NOR Flash快很多 。
  C、NAND Flash 的随机读取能力差，适合大量数据的连续读取。
  D、NOR Flash 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。NAND Flash的地址、数据和命令共用 8 位总线（有些公司的产品使用 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、NOR Flash 的容量一般较小，通常在1MB~8MB之间；NAND Flash 只用在 8MB 以上的产品中。因此，NOR Flash主要应用在代码存储介质中，NAND Flash 适用于资料存储。
  F、NAND Flash 中每个块的最大擦写次数是一百万次，而 NOR Flash 是十万次。
  G、NOR Flash 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；NAND Flash 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 NAND Flash 上自始至终必须进行虚拟映像。
  H、NOR Flash 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；NAND Flash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

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
  电路主要部件：比较器、计数器、D/A 转换器和标准电压源。
  原理: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）。
  特点: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
  电路主要部件：积分器、比较器、计数器和标准电压源。
  原理: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）
  特点: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
  电路主要部件：比较器、D/A 转换器、逐次逼近寄存器和基准电压源。
  原理: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 。
  特点: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
  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

• （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）、超扭转向列型（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 2.42 Mb/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。