淺談嵌入式硬件設(shè)計(jì)大神與小白的區(qū)別

做嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，經(jīng)常要接觸硬件，需要對(duì)數(shù)字電路和模擬電路要有一定的了解，這樣才能深入的研究下去。那些剛剛接觸嵌入式，總覺(jué)得很難，其實(shí)做什么事情，都要把最基礎(chǔ)的知識(shí)掌握牢固，才能最終走上大神的道路。下面我們簡(jiǎn)單地介紹一下嵌入式開(kāi)發(fā)中的一些硬件相關(guān)的概念。

電平（Level）

在數(shù)字電路中，分為高電平和低電平，分別用1和0表示。一個(gè)數(shù)字電路的管腳，總是存在一個(gè)電平的，要么高要么低，或者說(shuō)要么1要到0（其實(shí)，還有另一種狀態(tài)，后面會(huì)提到）。

總線（Bus）

在嵌入式系統(tǒng)中一定會(huì)有一塊處理器芯片，此外，還有其它的芯片作為外部設(shè)備（后面簡(jiǎn)稱外設(shè)），這些芯片與處理器協(xié)作實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能。復(fù)雜的產(chǎn)品往往是由大量的芯片組成的。那么不可避免的是我們需要將所有的外設(shè)與處理器進(jìn)行相連，最為簡(jiǎn)單的是將所有的外設(shè)都采用獨(dú)立（注意是獨(dú)立）的信號(hào)線連接至處理器。

這樣的好處是容易理解，但問(wèn)題是：不可行。因?yàn)樘幚砥餍酒枰鎏嗟木€了，從芯片的生產(chǎn)和產(chǎn)品的生產(chǎn)角度來(lái)看都不實(shí)際。加之，處理器（在此我們假設(shè)處理器是單核的，而不是多核的）處理事務(wù)在微觀上是串行的，也就是說(shuō)在某一時(shí)刻如果要對(duì)外設(shè)進(jìn)行讀寫(xiě)操作，那只可能是對(duì)大量外設(shè)中的一個(gè)進(jìn)行，即多個(gè)外設(shè)不可能在微觀上被處理器同時(shí)訪問(wèn)。需要注意的是，這里提出了微觀這一概念，這是為了區(qū)別于宏觀。

從宏觀上來(lái)講，一個(gè)處理器中可以有多個(gè)任務(wù)同時(shí)運(yùn)行，但這些任務(wù)在微觀上卻是一個(gè)一個(gè)運(yùn)行的（后面會(huì)用串行來(lái)描述這里所說(shuō)的“一個(gè)一個(gè)”），多任務(wù)的串行運(yùn)行實(shí)現(xiàn)是由操作系統(tǒng)扮演著重要的角色來(lái)實(shí)現(xiàn)的?；氐轿覀兊?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/" target="_blank">話題，即然將每個(gè)外設(shè)采用獨(dú)立的信號(hào)線連到處理器不可行，且處理器在單一時(shí)間內(nèi)只會(huì)對(duì)一個(gè)外設(shè)進(jìn)行訪問(wèn)，那我們能不能采用共享的信號(hào)線將所有的芯片連在一起呢？這就是總線概念的由來(lái)。

通俗的說(shuō)，如果我們周圍有十個(gè)家庭，為了讓這十個(gè)家庭每?jī)蓚€(gè)之間都能往來(lái)，我們并不需要為每?jī)蓚€(gè)家庭修一條單獨(dú)（注意是單獨(dú)）的路（如果這樣，要修45條路），而是可以修一條大路，然后，每個(gè)家都與大路相連。

對(duì)于總線，我們往往說(shuō)總線是處理器的，而其它的外設(shè)是掛在總線上的。那有一個(gè)問(wèn)題，我們每一時(shí)間只能訪問(wèn)掛在總線上的一個(gè)外設(shè)，那如何區(qū)分這些外設(shè)呢？和我們的路一樣，我們需要用地址來(lái)區(qū)分每一個(gè)家庭，在總線上，也是采用地址來(lái)進(jìn)行區(qū)分的。這樣，總線就根據(jù)其功能分為兩類了。一類是地址總線，這一總線上的數(shù)據(jù)只會(huì)是從處理器向外設(shè)“流”，是單向的。

另一類則是數(shù)據(jù)總線，用來(lái)將數(shù)據(jù)從處理器傳送到外設(shè)（從處理器的角度來(lái)說(shuō)是寫(xiě)操作）或者是將數(shù)據(jù)從外設(shè)傳送到處理器（從處理器的角度來(lái)說(shuō)是讀操作），顯然，數(shù)據(jù)總線是雙向的。也就是說(shuō)，在我們的嵌入式系統(tǒng)中同時(shí)存在地址總線和數(shù)據(jù)總線將所有需要與處理器進(jìn)行通訊的芯片連在一起的。

總線是有寬度的，正如我們的路分為“三車道”或是“四車道”，我們說(shuō)32位處理器，是指其數(shù)據(jù)總線寬度是32位，也就是“有32輛車能同時(shí)跑”，顯然，寬度越是寬我們的處理器速度就越是快，因?yàn)槲覀儚耐庠O(shè)芯片存取數(shù)據(jù)的速度會(huì)更快，這就是為什么我們的計(jì)算機(jī)向64位發(fā)展的原因。同樣的，地址總線也是有寬度的，對(duì)于32位處理器其最大寬度也就是32位。

總線的概念有了，那接下來(lái)的一個(gè)問(wèn)題是，即使是每一個(gè)外設(shè)都有一個(gè)地址，那這一地址記在哪里呢？是放在外設(shè)芯片上嗎？如果這樣的話，那就有一個(gè)問(wèn)題，每一類外設(shè)的地址必須是不能重疊的，而當(dāng)一個(gè)產(chǎn)品中需要兩塊一樣的芯片的話，兩塊芯片的地址就無(wú)法區(qū)分了，看來(lái)這樣操作存在問(wèn)題。還有，如果這樣的話每一個(gè)外設(shè)也得與（比如，32根）數(shù)據(jù)總線完全相連，并監(jiān)聽(tīng)數(shù)據(jù)線以了解處理器是不是在“叫”自己，這樣很是復(fù)雜。此外，地址也有可能因?yàn)橥庠O(shè)種類的增多而用光?？偟膩?lái)說(shuō)地址不能存放在外設(shè)芯片，那如何讓外設(shè)知道，此時(shí)它是被處理器招換從而需要進(jìn)行讀寫(xiě)訪問(wèn)的呢？答案就是芯片的片選（CS， chip select）信號(hào)，或者又號(hào)使能（ENable）信號(hào)。

片選（CS或EN）

片選信號(hào)對(duì)于外設(shè)芯片來(lái)講，就是一個(gè)（也是一根）通知信號(hào)，告訴芯片“嘿，請(qǐng)開(kāi)門，我要放些東西進(jìn)來(lái)，或是拿些東西走”，這里的東西只能是數(shù)據(jù)，不可能是玉米棒什么的。那有個(gè)問(wèn)題，這個(gè)信號(hào)源從哪里來(lái)呢？顯然，只能從處理器來(lái)。那是不是也是像總線那樣，每一個(gè)芯片都共用一根線連在一起呢？如果這樣，可能處理器“一叫開(kāi)門”所有的芯片都將“門”打開(kāi)了。

如果是處理器寫(xiě)數(shù)據(jù)，那可能所有的芯片都被寫(xiě)入同樣的數(shù)據(jù)。而取數(shù)據(jù)時(shí)，每個(gè)外設(shè)芯片都向外“扔”數(shù)據(jù)，這一定會(huì)造成數(shù)據(jù)總線沖突，因?yàn)橛械男酒蚩偩€上“扔”1，有的則“扔”0，這種情況下處理器一定會(huì)“發(fā)瘋”的，因?yàn)樗恢缿?yīng)當(dāng)?shù)玫?還是0。

既然這樣，那顯然不能將所有的片選信號(hào)連在一起了，只能是各芯片的片選信號(hào)獨(dú)立。前面提到了地址總線，我們是采用一根地址線連一個(gè)外設(shè)芯片呢？還是采用其它的方法。如果采用一根地址線連一個(gè)外設(shè)芯片，那可能最多只能掛接32個(gè)芯片了，這顯然不行。其實(shí)，在現(xiàn)實(shí)中，是采用32位的數(shù)字來(lái)表示一個(gè)外設(shè)芯片的地址的，比如1可以表示芯片A，而6534可以表示另外一個(gè)芯片B，等等。

由此看來(lái)，理論上我們可以表示2的32次方（4294967296）個(gè)設(shè)備，之所以說(shuō)理論上，是因?yàn)橛械脑O(shè)備要占用大量的地址。即然這樣，那還有一個(gè)問(wèn)題，如果將32位的地址總線轉(zhuǎn)換成芯片的一根片選信號(hào)呢？這需要引入譯碼（器）的概念。

譯碼器（Decoder）

譯碼器將一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一根信號(hào)線上的信號(hào)，比如3/8譯碼器，可以將一個(gè)位寬是3位的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成8根（2的3次方）完全獨(dú)立的信號(hào)線，當(dāng)向數(shù)據(jù)側(cè)寫(xiě)入二進(jìn)制的011時(shí)，對(duì)應(yīng)的是8根線的第3根，當(dāng)輸入二進(jìn)制的111時(shí)，對(duì)應(yīng)的是8根線中的最后一根。有了譯碼器，處理器的地址線就簡(jiǎn)化了，只要32根地址線加上外面的譯碼器，就可以訪問(wèn)大量的外設(shè)芯片了。外部設(shè)備的選擇問(wèn)題，我們已經(jīng)解決了，現(xiàn)在還得回頭看一看數(shù)據(jù)總線。

圖1 3/8譯碼器

在嵌入式系統(tǒng)中，所有芯片的數(shù)據(jù)總線可以理解成是直接相連的。之所以用了“可以理解”一詞，是因?yàn)闉榱颂岣呖偩€的負(fù)載能力，其中會(huì)加入總線驅(qū)動(dòng)器。為了理解，我們看一看我們生活中的自來(lái)水，比如，在北京理論上可能所有的水管是連在一起的，但中間可能為了提高水壓，存在很多小的水站用來(lái)增加供水壓力，而不可能全北京所有的自來(lái)水自接來(lái)自一個(gè)水廠。

既然所有的數(shù)據(jù)總線是連在一起的，那就可能會(huì)有問(wèn)題。當(dāng)向外部設(shè)備寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，處理器先向地址總線輸送目標(biāo)外設(shè)的地址，地址譯碼器將其轉(zhuǎn)換成一根信號(hào)的片選信號(hào)送到了目標(biāo)外設(shè)，目標(biāo)外設(shè)收到這一信號(hào)后，將“門”打開(kāi)。接下來(lái)處理器將要傳送到外設(shè)的數(shù)據(jù)往數(shù)據(jù)總線上一放，由于只有目標(biāo)外設(shè)芯片打開(kāi)了“門”，所以數(shù)據(jù)只會(huì)進(jìn)入到目標(biāo)外設(shè)，而其它的外設(shè)什么也不會(huì)收到。

接下來(lái)看一看讀。讀的話，由于數(shù)據(jù)是從外設(shè)輸送到處理器的，盡管我們采用和寫(xiě)一樣的方法打開(kāi)目標(biāo)外設(shè)的“門”，但此時(shí)，其它的外設(shè)也在數(shù)據(jù)總線上，它們有可能處于1也可能處于0，是不是會(huì)影響處理器讀取目標(biāo)外設(shè)的數(shù)據(jù)呢？結(jié)果當(dāng)然不會(huì)，但我們得引入另一個(gè)概念：高阻態(tài)。

高阻態(tài)

很顯然，當(dāng)處理器從目標(biāo)外設(shè)讀數(shù)據(jù)時(shí)，我們希望其它沒(méi)有被選上的芯片的數(shù)據(jù)總線不會(huì)對(duì)目標(biāo)外設(shè)所要傳送的數(shù)據(jù)有影響，那怎么辦呢？實(shí)際上，當(dāng)芯片沒(méi)有被選中時(shí)，其數(shù)據(jù)總線都處于高阻態(tài)。所謂的高阻態(tài)，我們可以理解成這一管腳在外設(shè)芯片內(nèi)部是斷開(kāi)的，如此一來(lái)，顯然不會(huì)對(duì)處理器從目標(biāo)外設(shè)讀取數(shù)據(jù)造成任何的影響了。我們說(shuō)當(dāng)一個(gè)芯片沒(méi)有被選中或是沒(méi)有被使能時(shí)，其數(shù)據(jù)總線一定是處于高阻態(tài)的。前面用了“門”的開(kāi)和關(guān)來(lái)打比方，那“門”是指什么呢？是指外設(shè)的數(shù)據(jù)總線，片選信號(hào)的作用就是控制將外設(shè)的數(shù)據(jù)總線與處理器的數(shù)據(jù)總線相連或是斷開(kāi)。

驅(qū)動(dòng)

總線上的數(shù)據(jù)是誰(shuí)放上去的我們就說(shuō)誰(shuí)是那一時(shí)刻的驅(qū)動(dòng)者。也就是說(shuō)，當(dāng)處理器向外設(shè)寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，它是在驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)總線的，而當(dāng)處理器從目標(biāo)外設(shè)讀取數(shù)據(jù)時(shí)，目標(biāo)外設(shè)是在驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)總線的。對(duì)于地址總線，因?yàn)橹豢赡軓奶幚砥飨蚰繕?biāo)外設(shè)寫(xiě)，所以地址總線永遠(yuǎn)是由處理器驅(qū)動(dòng)的。當(dāng)一個(gè)芯片沒(méi)有被選中時(shí)，我們說(shuō)它并不驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)總線。

三態(tài)門

前面我們說(shuō)到外設(shè)芯片的數(shù)據(jù)總線在沒(méi)有被選中時(shí)其處于高阻態(tài)，當(dāng)被選中時(shí)，其電平可能是高（1）或是低（0）。如此一來(lái)，我們說(shuō)外設(shè)的數(shù)據(jù)總線其芯片管腳是屬于三態(tài)門的，即存在高電平、低電平和高阻態(tài)，三個(gè)狀態(tài)。

電平的有效性

前面我們了解了什么是片選信號(hào)，也講到了三態(tài)門，需要指出的是片選信號(hào)通常不是三態(tài)門，其只存在兩個(gè)狀態(tài)，即高電平或是低電平。前面我們也說(shuō)了，片選信號(hào)是用來(lái)“開(kāi)門”的，而片選信號(hào)又有高和低電平，那到底是高電平表示“開(kāi)門”呢？還是低電平？對(duì)于這一問(wèn)題，我們稱如果一個(gè)電平對(duì)于一個(gè)片選信號(hào)表示“開(kāi)門”那么它就是這一信號(hào)的有效電平。比如，對(duì)于一個(gè)片選信號(hào)，如果低電平表示“開(kāi)門”，那么我們說(shuō)這個(gè)片選信號(hào)是低電平有效的。雖然，在這里我們用片選信號(hào)來(lái)解釋電平的有效性，但是很多信號(hào)都存在有效性的問(wèn)題，比如，后面我們將要談的讀信號(hào)和寫(xiě)信號(hào)都存在有效性問(wèn)題。

時(shí)序

在前面我們說(shuō)到當(dāng)處理器要向外設(shè)芯片寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，需要先將所需訪問(wèn)的外設(shè)的地址放在地址總線上，然后，由譯碼器將地址總線上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成片選信號(hào)，片選信號(hào)則使能目標(biāo)外設(shè)芯片，接下來(lái)處理器寫(xiě)數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)總線上，從而完成一個(gè)寫(xiě)操作。顯然，在處理器將數(shù)據(jù)寫(xiě)到數(shù)據(jù)總線之前地址線上的數(shù)據(jù)必須一直保留一段時(shí)間，否則的話譯碼器不能長(zhǎng)時(shí)間的使片選信號(hào)有效。

當(dāng)完成了數(shù)據(jù)的寫(xiě)操作后，處理器就不需要保證地址總線上的地址有效了。我們可以看出，這一系列的操作都有一定嚴(yán)格的時(shí)間順序的，這稱之為時(shí)序。時(shí)序描述了處理器與外部設(shè)備的交互信號(hào) “規(guī)程”，大家只有按照這一“規(guī)程”來(lái)操作，才能保證處理器與外部設(shè)備之間能正常的通訊。這好比，我們的道路上的紅綠燈，如果我們行人和車輛不按照其指示來(lái)通行的話，就會(huì)出現(xiàn)事故。通常，采用時(shí)序圖來(lái)描述芯片之間通訊的信號(hào)“規(guī)程”。

圖2 讀時(shí)序圖

圖3 讀時(shí)序圖

從圖中我們可以看出ADDRESS是表示地址總線的，DQ是表示數(shù)據(jù)總線的,CE是片選信號(hào)，且是低電平有效，其寬度要保證在進(jìn)行讀操作時(shí)總是有效的。學(xué)會(huì)看時(shí)序圖對(duì)于做嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)非常有幫助，因?yàn)槲覀儾豢杀苊獾囊c芯片打交道。在時(shí)序圖中，通常會(huì)標(biāo)識(shí)很多的時(shí)間需求信息。

在寫(xiě)啟動(dòng)代碼時(shí)需要初始化各地址空間的片選地址寄存器和讀寫(xiě)時(shí)序，時(shí)序的配置依據(jù)就是來(lái)自于外設(shè)芯片的時(shí)間需求，這是芯片手冊(cè)很重要的一部分內(nèi)容。當(dāng)一個(gè)地址空間中存在多個(gè)外設(shè)芯片時(shí)，我們需要考慮到其中最慢的外設(shè)芯片的時(shí)間需求，否則的話有的芯片就不能正常工作。