关于嵌入式系统基础知识学习关于嵌入式系统基础知识学习
做嵌入式系统开发,经常要接触硬件,需要对数字电路和模拟电路要有一定的了解,这样才能深入的研究下
去。那些刚刚接触嵌入式,总觉得很难,其实做什么事情,都要把基础的知识掌握牢固,才能终走上大神的道
路。下面我们简单地介绍一下嵌入式开发中的一些硬件相关的概念。 电平(Level) 在数字电路中,
分为高电平和低电平,分别用1和0表示。一个数字电路的管脚,总是存在一个电平的,要么高要么低,或者说
要么1要到0(其实,还有另一种状态,后面会提到)。 总线(Bus) 在嵌入式系统中一定会有一块处
理器芯片,此外,还有其它的芯片作为外部设备(后面简称外设
做嵌入式系统开发,经常要接触硬件,需要对数字电路和模拟电路要有一定的了解,这样才能深入的研究下去。那些刚刚
接触嵌入式,总觉得很难,其实做什么事情,都要把基础的知识掌握牢固,才能终走上大神的道路。下面我们简单地介绍一下
嵌入式开发中的一些硬件相关的概念。
电平(电平(Level))
在数字电路中,分为高电平和低电平,分别用1和0表示。一个数字电路的管脚,总是存在一个电平的,要么高要么低,
或者说要么1要到0(其实,还有另一种状态,后面会提到)。
总线(总线(Bus))
在嵌入式系统中一定会有一块处理器芯片,此外,还有其它的芯片作为外部设备(后面简称外设),这些芯片与处理器协
作实现产品的功能。复杂的产品往往是由大量的芯片组成的。那么不可避免的是我们需要将所有的外设与处理器进行相连,为
简单的是将所有的外设都采用独立(注意是独立)的信号线连接至处理器。
这样的好处是容易理解,但问题是:不可行。因为处理器芯片需要引出太多的线了,从芯片的生产和产品的生产角度来看
都不实际。加之,处理器(在此我们假设处理器是单核的,而不是多核的)处理事务在微观上是串行的,也就是说在某一时刻
如果要对外设进行读写操作,那只可能是对大量外设中的一个进行,即多个外设不可能在微观上被处理器同时访问。需要注意
的是,这里提出了微观这一概念,这是为了区别于宏观。
从宏观上来讲,一个处理器中可以有多个任务同时运行,但这些任务在微观上却是一个一个运行的(后面会用串行来描述
这里所说的“一个一个”),多任务的串行运行实现是由操作系统扮演着重要的角色来实现的。回到我们的话题,即然将每个外
设采用独立的信号线连到处理器不可行,且处理器在单一时间内只会对一个外设进行访问,那我们能不能采用共享的信号线将
所有的芯片连在一起呢?这就是总线概念的由来。
通俗的说,如果我们周围有十个家庭,为了让这十个家庭每两个之间都能往来,我们并不需要为每两个家庭修一条单独
(注意是单独)的路(如果这样,要修45条路),而是可以修一条大路,然后,每个家都与大路相连。
对于总线,我们往往说总线是处理器的,而其它的外设是挂在总线上的。那有一个问题,我们每一时间只能访问挂在总线
上的一个外设,那如何区分这些外设呢?和我们的路一样,我们需要用地址来区分每一个家庭,在总线上,也是采用地址来进
行区分的。这样,总线就根据其功能分为两类了。一类是地址总线,这一总线上的数据只会是从处理器向外设“流”,是单向
的。
另一类则是数据总线,用来将数据从处理器传送到外设(从处理器的角度来说是写操作)或者是将数据从外设传送到处理
器(从处理器的角度来说是读操作),显然,数据总线是双向的。也就是说,在我们的嵌入式系统中同时存在地址总线和数据
总线将所有需要与处理器进行通讯的芯片连在一起的。
总线是有宽度的,正如我们的路分为“三车道”或是“四车道”,我们说32位处理器,是指其数据总线宽度是32位,也就是“有
32辆车能同时跑”,显然,宽度越是宽我们的处理器速度就越是快,因为我们从外设芯片存取数据的速度会更快,这就是为什
么我们的计算机向64位发展的原因。同样的,地址总线也是有宽度的,对于32位处理器其宽度也就是32位。
总线的概念有了,那接下来的一个问题是,即使是每一个外设都有一个地址,那这一地址记在哪里呢?是放在外设芯片上
吗?如果这样的话,那就有一个问题,每一类外设的地址必须是不能重叠的,而当一个产品中需要两块一样的芯片的话,两块
芯片的地址就无法区分了,看来这样操作存在问题。还有,如果这样的话每一个外设也得与(比如,32根)数据总线完全相
连,并监听数据线以了解处理器是不是在“叫”自己,这样很是复杂。此外,地址也有可能因为外设种类的增多而用光。总的来
说地址不能存放在外设芯片,那如何让外设知道,此时它是被处理器招换从而需要进行读写访问的呢?答案就是芯片的片选
(CS, chip select)信号,或者又号使能(ENable)信号。
片选(片选(CS或或EN))
片选信号对于外设芯片来讲,就是一个(也是一根)通知信号,告诉芯片“嘿,请开门,我要放些东西进来,或是拿些东
西走”,这里的东西只能是数据,不可能是玉米棒什么的。那有个问题,这个信号源从哪里来呢?显然,只能从处理器来。那
是不是也是像总线那样,每一个芯片都共用一根线连在一起呢?如果这样,可能处理器“一叫开门”所有的芯片都将“门”打开
了。
如果是处理器写数据,那可能所有的芯片都被写入同样的数据。而取数据时,每个外设芯片都向外“扔”数据,这一定会造
成数据总线冲突,因为有的芯片向总线上“扔”1,有的则“扔”0,这种情况下处理器一定会“发疯”的,因为它不知道应当得到1还
是0。
既然这样,那显然不能将所有的片选信号连在一起了,只能是各芯片的片选信号独立。前面提到了地址总线,我们是采用