第六講 嵌入式系統(tǒng)的IO模塊

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1、6．1復(fù)位電路6．2時(shí)鐘6．3I/O模塊6．4譯碼器6．5定時(shí)器/計(jì)數(shù)器6．6SPI6．7UART6．8通用并行接口6．9其它I/O嵌入式處理器上通常集成了大量的I/O電路。開發(fā)嵌入式系統(tǒng)時(shí)，可根據(jù)系統(tǒng)需求選擇嵌入式處理器，而不是選擇了嵌入式處理器后再另外配合設(shè)計(jì)I/O電路。目前，嵌入式處理器上集成的I/O功能完全滿足應(yīng)用的需求，基本上無需擴(kuò)展。嵌入式處理器種類很多，但集成的I/O接口基本上是標(biāo)準(zhǔn)化的，只是不同廠家的產(chǎn)品可能編程方法上有所差異。6．1復(fù)位電路復(fù)位電路用于完成硬件的初始化，一般有阻容復(fù)位電路、專用復(fù)位電路、手動(dòng)復(fù)位電路

2、等。6．1．1阻容（RC）復(fù)位電路VccRST/VPD(8051)Vss8.2kΩ10μFVcc最簡(jiǎn)單的復(fù)位電路。上電瞬間RST/VPD端的電位與Vcc相同，隨著充電電流的減少，RST/VPD電位逐漸下降，按圖中的電路參數(shù)，時(shí)間常數(shù)RC=10×10-6×8.2×103=82ms，只要Vcc的上升時(shí)間不超過1ms，振蕩器建立時(shí)間不超過10ms，該時(shí)間常數(shù)足以保證完成復(fù)位操作。其它嵌入式處理器可以根據(jù)各自的復(fù)位時(shí)間要求，適當(dāng)選取電阻、電容的參數(shù)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的RC復(fù)位電路。6．1．2手動(dòng)復(fù)位電路手動(dòng)復(fù)位通常配合自動(dòng)復(fù)位電路工作。通常的設(shè)計(jì)是

3、手動(dòng)復(fù)位開關(guān)產(chǎn)生的復(fù)位信號(hào)接在復(fù)位電路上，而不是直接接在處理器的復(fù)位信號(hào)輸入端上，防止手動(dòng)復(fù)位開關(guān)的抖動(dòng)。RST/VPD8051C10μFR110ΩR21kΩ+5V6．1．3看門狗復(fù)位看門狗電路的工作原理是：正常工作的嵌入式系統(tǒng)的程序，可以設(shè)計(jì)成每個(gè)確定的時(shí)間必然運(yùn)行其中的某一部分代碼，如果在一個(gè)用戶設(shè)定的最大時(shí)間內(nèi)沒有運(yùn)行其中的某一部分代碼或某幾部分代碼，則認(rèn)為系統(tǒng)出了問題，程序不能正常運(yùn)行，于是看門狗電路產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，使處理器強(qiáng)制復(fù)位，系統(tǒng)從復(fù)位向量處重新運(yùn)行。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用軟件的主框架如下：Main(){while(1)//(

4、1){//todo：軟件代碼（2）…reset_watchdog();//(3)//todo：軟件代碼（4）…}}（1）是嵌入式應(yīng)用程序的典型代碼形式，一個(gè)無限循環(huán)；（2）和（4）表示實(shí)際執(zhí)行的代碼段，代碼段內(nèi)沒有無限或超長(zhǎng)循環(huán)或長(zhǎng)時(shí)間等待等指令，使（3）處的代碼reset_watchdog()每隔一定時(shí)間就會(huì)執(zhí)行一次（“喂狗”），其功能是復(fù)位看門狗定時(shí)器的計(jì)數(shù)初值，使定時(shí)器不溢出。如果程序出了問題，使（3）處的代碼未能執(zhí)行，則看門狗定時(shí)器就會(huì)溢出，溢出脈沖接到處理器的復(fù)位信號(hào)上，使處理器強(qiáng)制復(fù)位，重新開始運(yùn)行。6．1．4專用復(fù)位電

5、路RC復(fù)位電路成本低，簡(jiǎn)單，但功能較差。專用復(fù)位電路是一種專用IC，其輸出就是復(fù)位信號(hào)（高電平復(fù)位信號(hào)、低電平復(fù)位信號(hào)或兩者同時(shí)具備）。有的還將電壓監(jiān)視、電池電量監(jiān)視等功能集成在一起成為處理器監(jiān)視電路。VccGNDResetReset*電源檢測(cè)輸入手動(dòng)復(fù)位輸入6．1．5軟件復(fù)位軟件復(fù)位是通過軟件設(shè)置一個(gè)特殊功能寄存器的相應(yīng)位完成處理器的復(fù)位，其復(fù)位結(jié)果同硬件復(fù)位的效果完全一樣。軟件復(fù)位后，程序從復(fù)位向量處開始運(yùn)行。注意：軟件復(fù)位同程序直接跳轉(zhuǎn)到復(fù)位向量處執(zhí)行的效果是不一樣的。軟件復(fù)位后，系統(tǒng)所有寄存器會(huì)被重新初始化，而直接跳轉(zhuǎn)不會(huì)初

6、始化硬件寄存器。時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生處理器工作的時(shí)鐘信號(hào)。通用計(jì)算機(jī)通常使用分離的時(shí)鐘電路，如8284時(shí)鐘芯片。嵌入式系統(tǒng)為了節(jié)省電路，通常把時(shí)鐘電路集成在處理器內(nèi)部，外部只需要接晶體即可。嵌入式系統(tǒng)的時(shí)鐘電路有RC時(shí)鐘、石英晶體、石英振蕩器、鎖相倍頻時(shí)鐘、多時(shí)鐘源等幾種形式。6．2．1RC時(shí)鐘RC時(shí)鐘源通常用于MCU，其振蕩頻率的穩(wěn)定性較低，但功耗較低，在家用電路的控制方面用途較廣。6．2時(shí)鐘6．2．2石英晶體石英晶體時(shí)鐘電路，其振蕩電路集成在處理器內(nèi)部，處理器外部引出2個(gè)引腳，分別是放大器的輸入和輸出，石英晶體接在2個(gè)引腳上。處理器

7、6．2．3石英振蕩器石英振蕩器是把石英晶體和振蕩電路集成在一起，形成石英振蕩器電路，直接輸出時(shí)鐘信號(hào)供給處理器，其輸出的時(shí)鐘信號(hào)接在處理器的輸入引腳上。石英振蕩器相位相反的兩個(gè)輸出端6．2．4鎖相倍頻時(shí)鐘MCU可采用上述時(shí)鐘電路，高性能的嵌入式處理器上采用鎖相倍頻電路，防止高頻工作時(shí)產(chǎn)生電磁干擾。MPU接口晶振器鎖相環(huán)倍頻預(yù)調(diào)器分頻器分頻器相位鎖住MPU總線喚醒EXTALXTALVCODMACLKSYSCLKLCDCLKCLK32圖中：CLK32——32KHz時(shí)鐘源，用于實(shí)時(shí)時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)日歷功能；LCDCLK——LCD控制器的時(shí)鐘；D

8、MACLK——DMA控制器的時(shí)鐘；SYSCLK——系統(tǒng)主時(shí)鐘，送給CPU內(nèi)核。6．2．5多時(shí)鐘源高性能的嵌入式處理器（如32位）功能強(qiáng)大，芯片上集成了眾多的智能電路，需要不同頻率的時(shí)鐘源；并且，出于節(jié)能考慮，不同I/O電路的工作狀態(tài)可