总线接口

2015-3-23 09:24| 编辑:电工学习网| 查看: 7474| 评论: 0

    LPC2200系列具有开放的外部总线，而LPC2100系列则总线不开放，但是可以通过IO口模拟总线接口。在总线接口上可以挂接多种外部设备，包括：并行SRAM、并行Flash、USB接口、液晶模块、网络接口等设备，这里仅介绍其中部分常用的外部设备。
     并行SRAM
     ——概述
     SRAM为静态RAM存储器，具有极高的读写速度，在嵌入式系统中常用来作变量/数据缓冲，或者将程序复制到SRAM上运行，以提高系统的性能。注意，SRAM属于易失性存储器，电源掉电后SRAM中的数据将会丢失，所以不可能直接使用SRAM引导程序运行。
     DRAM为动态RAM存储器，具有存储容量大和价格便宜的特点。DRAM是用MOS电路和电容来作存储元件，由于电容会放电，所以需要定时充电以维持存储内容的正确，例如每隔2ms刷新一次数据。
     PSRAM（即Pseudo-SRAM）器件是异步SRAM接口技术和利用存储阵列的高密度DRAM技术相结合的产物。实际上，这些器件实现了对主机系统透明地自刷新技术。通过扩展包括刷新操作和读出操作两部分时间在内的读出周期的规定周期时间，使得透明的刷新成为可能。这种方法同样也可用于写入周期。
     ——SRAM
     SRAM器件种类繁多，这里以IS61LV25616AL为例。该芯片是美国ISSI公司的高速SRAM器件，采用CMOS技术，存储容量为512K字节，16位数据宽度，工作电源3.3V。管脚分布如下图所示。

SRAM器件种类繁多，这里以IS61LV25616AL为例。该芯片是美国ISSI公司的高速SRAM器件，采用CMOS技术，存储容量为512K字节，16位数据宽度，工作电源3.3V。管脚分布如下图所示。

     ——PSRAM
     PSRAM以CellularRAM的MT45W4ML16PFA 为例。CellularRAM是一系列PSRAM产品，是一种高速、CMOS动态随机存取存储器，适用于低功耗的便携式产品中。
     CellularRAM技术有几个特点：
     它向后可兼容标准异步SRAM器件；
     它是带有SRAM接口的DRAM技术；
     它的价格比目前使用的SRAM器件更低；
     器件包含有页面模式读访问，可看作是异步读协议的带宽增加的扩展特性。
     为了能在异步存储器总线上实现无缝操作，CellularRAM产品集成了一种透明的自刷新机制。隐藏刷新不需要系统存储器控制器的额外支持，它对器件的读/写性能没有明显影响。
     MT45W4ML16PFA是CellularRAM的一种，是一个4Meg×16位的64Mb器件。为了减少功耗，内核电压被降低到1.8V，为了兼容各种不同存储器总线的接口，I/O电压为3.0V。

     LPC2200在外部存储器接口Bank0上使用MT45W4ML16PFA，所以将LPC2200的CS0与MT45W4ML16PFA的片选引脚连接。存储器连接使用了16位总线方式。
     并行Flash
     ——概述
     FLASH存储器又称闪存，是一种可在线多次擦除的非易失性存储器，即掉电后数据不会丢失。FLASH存储器还具有体积小、功耗低、抗振性强等优点，是嵌入式系统的首选存储设备。
     FLASH存储器主要分为两种，一种为NOR型FLASH，另一种为NAND型FLASH 。

     ——NOR型与NAND型FLASH的区别
     (1) 接口差别
     NOR型FLASH采用的是SRAM接口，提供有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地存取其片内的每一个字节；
     NAND型FLASH使用复杂的I/O口来串行地存取数据，各个产品或厂商的方法可能各不相同。通常是采用8个引脚来传送控制、地址和数据信息。
     (2) 读写的基本单位
     NOR型FLASH操作是以“字”为基本单位；
     NAND型FLASH操作是以“页面”为基本单位，页的大小一般为512字节。
     (3) 性能比较
     NOR型FLASH的地址线和数据线是分开的，传输效率很高，程序可以在芯片内执行。NOR型的读速度比NAND型稍快一些；
     NAND型的写入速度比NOR型快很多(由于NAND型读写的基本单位为“页面”，所以对于小量数据的写入，总体速度要比NOR型慢)；
     (4) 容量和成本
     NAND型FLASH具有极高的单元密度，容量可以做得比较大，加上其生产过程更为简单，价格也就相应地降低了。
     NOR型FLASH占据了容量为1～16MB闪存市场的大部分，而NAND型FLASH只是用在8～128MB的产品当中，这也说明NOR主要应用在代码存储介质中，NAND适合于数据存储，NAND在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards和MMC存储卡市场上所占份额最大。
     (5) 软件支持
     在NOR型FLASH上运行代码不需要任何的软件支持，而在NAND型FLASH上进行同样操作时，通常需要驱动程序，也就是内存技术驱动程序MTD (Memory Technology Drivers)。NAND型和NOR型FLASH在进行写入和擦除操作时都需要MTD(说明，MTD已集成在FLASH芯片内部，它是对FLASH进行操作的接口)。
     ——NOR型Flash存储器
     这里以SST39VF160为例，介绍NOR型FLASH存储器的结构及操作。
     SST39VF160是SST公司的CMOS多功能FLASH（MPF）器件，存储容量为2M字节，16位数据宽度(即一个字为2字节)，工作电压为2.7～3.6V。SST39VF160由SST特有的高性能SuperFlash技术制造而成，SuperFlash技术提供了固定的擦除和编程时间，与擦除/编程周期数无关。芯片管脚配置如下图所示。

     NOR型FLASH存储器容量越来越大，为了方便数据管理，将FLASH划分为块(Block)，每个块又分成扇区(Sector)。
     SST39VF160的块大小为32K字，扇区大小为2K字。
     读操作，可以对任何地址的任何字节进行，不受限制；
     写操作，以字形式进行编程。编程前包含字的扇区必须完全擦除；
     擦除操作，以扇区(2K)、块(32K)或全片为单位进行擦除。擦除后数据变为0xFF。
     SST39VF160的存储器操作由命令来启动。命令通过标准微处理器写时序写入器件。将WE#拉低、CE#保持低电平来写入命令。地址总线上的地址在WE#或CE#的下降沿（无论哪一个后产生下降沿）被锁存。数据总线上的数据在WE#或CE#的上升沿（无论哪一个先产生上升沿）被锁存。存储器操作命令如下表所示。

     ——NAND型Flash存储器
     这里以K9F2808U0C为例，介绍NAND型FLASH存储器的结构及操作。
     K9F2808U0C是SAMSUNG公司生产的NAND型FLASH存储器，存储容量为16M×8Bit，工作电压为2.7～3.6V。528字节的页编程操作时间为200μs，16K字节的块擦除操作时间为2ms。页面的数据以每个字50ns的速度被读出。片内写控制自动实现所有编程和擦除功能，包括脉冲的周期、内部校验和数据冗余。

K9F2808U0C的存储空间分为32K页，每一页有（512+16）字节。该寄存器被分为两个区：数据区和空闲区。数据区又可分为上、下两个区，每个区为256字节；空闲区可以用于存放ECC校验和其它校验信息。
K9F2808U0C芯片的存储器阵列由16个单元组成，这16个单元串联到一起形成一个NAND结构。每个单元位于不同的页面。一个块由两个NAND结构的串组成。一个NAND结构包含16个单元。全部135168个NAND单元位于一个块中。

对K9F2808U0C的操作是通过将特定的指令数据写到芯片指令寄存器中实现，指令与时序的定义如下表所示。

     USB（D12）
     USB总线主要用于USB设备与USB主机之间的数据通信，特别为USB设备与USB主机之间大量数据的传输提供了高速、可靠的传输协议。例如：在嵌入式系统中，可以利用USB设备与微控制器构成USB设备。USB设备与PC机USB主控器相连就可以实现嵌入式系统与PC机之间的通信了，也就可以实现诸如U盘、移动硬盘、USB接口打印机等功能。
     PDIUSBD12是一款性价比很高的USB器件，完全符合USB1.1版规范。PDIUSBD12管脚排列及内部功能框图如下图所示。

     PDIUSBD12的硬件接口和外部存储器接口类似，可以当作一片外部RAM芯片来进行访问。
     LPC2200微控制器的外部数据总线与地址总线是分开的，所以PDIUSBD12的DATA0~DATA7可以直接与LPC2200的数据总线的D0~D7直接相连就可以构成访问PDIUSBD12的数据总线了。
     LPC2200微控制器访问PDIUSBD12的地址总线则必须由片选信号和地址信号构成。举个例子，PDIUSBD12的片选引脚CS_N与LPC2200的Bank2片选引脚相连，而PDIUSBD12的A0则需要与LPC2200的地址线A0相连了。

     USB（D12）
     ——硬件电路设计要点
     （1）PDIUSBD12振荡电路的电容C1与C2必须分别为68pF和22pF，否则可能会造成PDIUSBD12工作时钟不正常。
     （2）注意串联在D+和D-上的磁珠的型号，如果型号选择不当会影响USB总线的稳定性。磁珠元件内部由电阻与电感组成，所以选型时必须综合考虑USB总线频率与磁珠的阻抗是否匹配。
     （3）D+/ D – 线上应串接18欧的匹配电阻。
     液晶接口
     液晶是一种在一定温度范围内呈现既不同于固态、液态，又不同于气态的特殊物质态，它既具有各向异性的晶体所特有的双折射性，又具有液体的流动性。液晶显示器件（英文的简写为LCD）就是利用液晶态物质的液晶分子排列状态在电场中改变而调制外界光的被动型显示器件。
     液晶显示屏是平板显示器件中的一种，具有低工作电压、微功耗、无辐射、体积小等特点，被广泛应用于各种各样嵌入式产品中，如手机、PDA、数码相机等。
     ——液晶屏分类
     按显示原理分：TN（Twist Nematic）扭曲向列型、STN（Super Twist Nematic）超扭曲向列型、TFT（Thin Film Transistor）薄膜晶体管型等。
     按颜色分：单色屏、4级灰度屏、8级灰度屏、16级灰度屏、64级灰度屏、256级灰度屏、16色屏、256色伪彩色屏、TFT真彩色屏等。
     触摸屏：电阻式触摸屏（四线电阻式触摸屏、五线电阻式触摸屏）、表面声波触摸屏、电容式触摸屏、红外线触摸屏等。
     ——触摸屏

四线电阻式触摸屏（简称四线式触摸屏）包含两个透明的阻性层。其中一层在屏幕的左右边缘各有一条垂直总线，另一层在屏幕的底部和顶部各有一条水平总线。四线式触摸屏是最常用的触摸屏之一，所以这里将对其作重点介绍。
触摸屏的两个金属导电层分别用来测量X轴和Y轴方向的坐标。用于X坐标测量的导电层从左右两端引出两个电极，记为X+和X-。用于Y坐标测量的导电层从上下两端引出两个电极，记为Y+和Y-。这就是四线电阻式触摸屏的引线构成。

     当在一对电极上施加电压时，在该导电层上就会形成均匀连续的电压分布。若在X方向的电极对上施加一确定的电压，而Y方向电极对上不加电压时，在X平行电压场中，触点处的电压值可以在Y+（或Y-）电极上反映出来，通过测量Y+电极对地的电压大小，便可得知触点的X坐标值。同理，当在Y电极对上加电压，而X电极对上不加电压时，通过测量X+（或X-）电极的电压，便可得知触点的Y坐标值。
     在使用触摸屏时，需要一个ADC转换器将模拟信号转换成数字信号，通常直接使用触摸屏控制器完成这一功能，也可以使用微处理器内部的ADC转换器实现。触摸屏控制器的主要功能是在微处理器的控制下向触摸屏的两个方向分时施加电压，并将相应的电压信号传送给自身A/D转换器，在微处理器SPI口提供的同步时钟作用下将数字信号输出到微处理器。常见的触摸屏控制器如：ADS7843/7846、MK715等等。
     ——点阵式液晶模块
     在嵌入式系统应用中，如果微控制器本身带有液晶驱动控制功能，则可以直接对点阵式液晶显示屏进行连接控制；如果微控制器本身没有液晶驱动控制功能，则需要外扩液晶驱动板来连接液晶显示屏，或者使用点阵式图形液晶显示模块。
     由于点阵式液晶显示屏的引脚较多，生产厂家通常会将液晶显示屏和驱动电路装配在一起，形成液晶模块，即LCM。液晶模块在很大程度上方便了用户的使用，用户只要将其与微控制器连接，即可进行图形的显示输出控制。

这里以SMG240128A点阵图形液晶模块为例，介绍如何与LPC2000系列微控制器连接使用。
SMG240128A点阵图形液晶模块的点像素为240×128点，黑色字/白色底，STN液晶屏，视角为6:00，内嵌控制器为东芝公司的T6963C，外部显示存储器为32K字节。液晶模块采用8位总线接口与微控制器连接，内部集成了负压DC-DC电路（LCD驱动电压），使用时只需提供单5V电源即可。

      T6963C是东芝公司的点阵式图形液晶控制器，T6963C常用于中规模的单色点阵图形液晶的显示控制器，其最大特点是具有独特的硬件初始化值设置功能，显示驱动所需的参数如占空比系数、驱动传输的字节数/行、字符的字体选择等均由引脚电平设置。相关参数如下：
     工作电压：5.0V
     最大驱动液晶点阵：单色640×128（单屏）
     支持存储器大小：64K字节SRAM
     MCU接口：8位并行数据接口
     显示方式：图形方式、文本方式、图形文本混合方式
     字符发生器：128种5×8、6×8、7×8、8×8字符（CGROM）
     可管理外部2K字节的CGRAM（8×8字符）
     驱动LCD占空比： 1/16～1/128
     低功耗：显示期间电流典型值3.3mA

     网络接口
     TCP/IP协议和以太网协议是使用最广泛的通讯协议，如果一个嵌入式系统没有以太网接口，其价值将大打折扣。
     以太网底层协议的实现由以太网控制器来负责，目前比较常用的10Mbps嵌入式以太网控制芯片有RTL8019AS、CS8900等，而100Mbps的有LAN91C111等，这里主要介绍RTL8019AS和LAN91C111。
     ——RTL8019简介
     RTL8019AS是一种高度集成的以太网控制芯片，能简单地实现Plug and Play并兼容NE2000、掉电等特性。在全双工模式下，如果是连接到一个同样是全双工的交换机或集线器，就可实现同时接收和发送。这个特性虽然不能把传输速率从10Mbps提高到20Mbps，但是在执行以太网CSMA/CD协议时，可以避免更多的冲突的发生。而Microsoft's Plug and Play功能就可以为用户减轻对资源配置的烦恼（如IRQ 、I/O address等）。

     器件特性
     支持PnP自动检测模式；
     支持Ethernet II 和 IEEE802.3 10Base5, 10Base2, 10BaseT；
     软件兼容8位或16位的NE2000模式；
     支持跳线和非跳线模式；
     支持在非跳线模式下的Microsoft’s Plug and Play配置；
     支持在全双工模式下的双倍信道带宽；
     支持UTP、AUI 、BNC的自动检测；
     在10BaseT下支持自动极性修正；
     支持8路中断请求（IRQ）；
     支持16位I/O地址；
     内建16K SRAM；
     支持四盏可编程诊断LED。