嵌入式硬件设计.pdf

嵌入式硬件设计.pdf 个人收集电子书，仅用学习使用，不可用于商业用途，如有版权问题，请联系删除！http:/showmecode.cn/links/book簡单的实例l15个更大的PC处理器119第六章AVR微控制器12AVR处理器的体系结构122ATtiny15处理器……124代码的下载131更强大的AVR处理器总线接口134第七章68000系列处理器16268000处理器的体系结构…163简单的基于68000的计算机167第八章基于DSP的控制器176DSP56800179基于DSP56805的计算机183JTAG第三部分外设和接口第九章使用SP和12C接口添加外围设备195串行外设备接口(SPI195内部集成电路(I2C)总线使用IC接口添加一个实时时钟213使用IC添加一个小显示设备214第十章串口216通用异步收发器(UART)217http:/showmecode.cn/links/ook错误检测….历史悠久而可靠的RS-232CRS-422226红外通信228USB234第十一章网络…∴246RS-4856控制器局域网络CAN以太网( Ethernet253第十二章模拟量261放大器模/数转换连接外部ADC温度传感器70光电传感器加速计压力传感器276磁场传感器279数/模转换脉宽调制(PWM282电机控制283开关大负载290参考书目293索引297httpshowmecode.cn/links/book序嵌入式计算机是现代生活的无名英雄。我经常给我那些大学工程学的学生布置个作业让他们去确定从早晨醒来至到达学或者工作的地方的期间,在哪儿他们可能遇到嵌入式计算机。当然,对于那些房子周围有些年久器具、驾驶着破凹汽车的人来说.他们」的嵌入式计算机的数H可能少于10个—他们或许有一个CD播放机,而这已经算在这个数目之内了。想像一下,任何以带有按钮和个显示屏的非本用户界面而引人注升的器材、任何要求较标准情况有更好能量/水利使用率的设施、任何不得不处理数字化数据的设备(如CD播放器),者任何与其他设备通信的设备,共背后都有嵌入式硬件!而所有这些,只不过是在你刚迈出门槛之后所见。再想像-下轿车、公共汽车或者火车要开始行驶.想像一下交通控制系统及其工作所需的裴置。这个小作业使入家切白了为何嵌入式硬件在数量上远远超过台式PC机。在本书中,John会告诉你如何设计米似的这些东西John是一学术界人上,也是-名嵌人式系统τ程师,我认识并与他·起作了大约有15个年头了我H睹了他讲授关于嵌人式系统的大学课程以及设计出各种各样的嵌入式机器。John十分喜欢与学生们-·起合作,传授他的知识并看到学生们所设计的东西运行起来。学生们也十分喜欢这样的合作。在本书中,哪怕只是捕获到他的专业知识、热情和经验的一个小片断也可以令人兴奋不已了。John将自凵大量的嵌入式计算机开发技能献给了野生动植物研究。他建造了许多数据记录器( Dataloggers),这些机器都紧凌耐用,并且.具有很高的数据存储容量和很长的使用寿命。现在,许多在南大洋区域飞翔的信天翁都带有John所设计的机器。通过John设计的这些设备,科学家们发现了大量有关这些珍贵鸟类的迁徙和觅食马性。信天翁是大白然矫健的飞行者能够以异常髙的精度远距离地巡游。然而对于嵌入式计算机来说这又意味着什么呢http://showmecode.cn/links/book在本书中,John沿着众所周知的线索带领着读者进行了起始于本质而结束于带许多功能的嵌入式计算机设计的这样一个旅程。这是一个激发智力且令人身心愉快的旅程,它提供的任何事情都那么恰如其分,而其中频繁的轶事却又令人神往。可是,在本书结束时,读者却又会意识到嵌入式计算机旅程才刚刚开始。John的绝佳根基打开了通往广表的嵌人式世界之门从传统意义上讲,有关电子学和微处理器的书都假定读者具有广泛领城内的一些高级能力。典型的情景是:读者兴高采烈于获得了知识,然而经常仍未能设计出-个可运行的系统。并非像采用传统讲授方式所做的那样,只切取嵌入式系统学科中的几个片段来讲述嵌入式系统,John采用了一个更为连续的讲授方式,来引导读者贯穿一些基本的电子学主題,每一主题本身常有整參的教科书或者与之配套的课程。我确信John非常重视此书的严密性,并以此为原则来论述各种各样的电子学器件和系统;当然,本书的读者也会受到鼓舞,从中巩固了他们的知识。然而,本书只是嵌入式硬件开发的入门书籍,期望读者籍此继续深入下去Duncan a. Campbel博士澳大利亚昆士兰州布里斯班,昆土兰州立科技大学电气电子系统工程院httpshowmecode.cn/links/book前言「启迪]沉浸在教字计算机电路里的惬意之感,就如同沾在高山之巅或匿于花瓣之中的那种感觉一样LZen and the art of motorcycle maintenance这是一本关于计算机硬件设计方面的书,尤其专注于为嵌入式应用设计小机器。这本书的特殊之处在于它与哽件密切相关。现在已有大量的关于为嵌入式系统编写代码的书(如另外一本由 OReilly出版、 Michael Barr编著的巛 Programming Embedded Systemsin C and c++》),然而所有的这些书中,没有一木涉及开发嵌入式硬件的具体细节。当然,也有-些书是关于微处理器的,但是没有任何书把你所需的硬件收集在一起,构建个嵌入式计算机并使之运行起来我写此书的愿望由来巳久。这可追溯到1993年,当时我在澳大利亚墨尔本的 La trobe大学里讲学。几乎在讲学的最后时期,我接到这样一个任务:为大学二年级的学生讲授门微处理器方面的课程。学校所给我的这门课的課本很不理想。它谈到了计算机硬件,但却没有说明如何设计计算机硬件。那课本采用梦想的方式—建造出它来它就能运行,雨不考虑时序、电压、电流或其他一些重要的内容。虽说那是一本当时最新出版的书,但它所涉及的器件已经好多年没有用到过了,所讨论的存储芯片也只有128字节(注意是字节而不是千字节)。那是-本与所授课程既不相关又没有用的教科书在与众多出版公司谈及此事之后,我很快使发现也没有什么更为可用的书籍了。因此我便通过为这些学生禩写详细的讲稿来解决这一问题,并让他们忘掉课本。我很快便写完了这些讲稿,因此这些讲稿也非常粗糙。于是,我便在授课中对共进行修订和补充我决定有朝日将撰写一本适合的书出来。chttp://showmecode.cn/inks/beok现在 OReilly提供∫撰写此书的机会、邝使之变成了现实。现在我早已不在 La trobe大学教书了,好多年以前我就离开并创建了自己的公司。自那时以来、我比以往任何时候更想把现实世界中的知识和必要的经验结合起来,构建-个可运行的嵌入式系统。这本书肴腿于创建嵌入式硬件的设计过程以及确定这-硬件可以运行的分析过程除了要求读者对数字和模拟电子学知识有最起码的了解以外,本书对读者的知识没有做任何假定,惟一的前提就是要善于动脑并具有分析意识。正如我住开始时所说的那样,这是本关亍硬件方面的书,因此读者不会从中发现软件方面的内容。这一点也将贵穿于全书始终正如好的软件都有闪亮之处一样,一个设计完美的硬件也会有可取之处。就嵌入式计算机而言,你要住各个层次上对这一机器进行了解,同时要掌握通过电线的电流流动以及软件执行的复杂算法。事实上,如果没有对硬件的理解就不可能编写嵌入式软件;同样没有对软件的理解也不可能设计出硬件。超过你对台式计算机可能的了解程度,你潜于这·机器并达到了-个层次,最为可贵的是其中充满了乐趣。对于本书,在选择芯片和设计布局上,我有意选择了那些实现起来价格不高而又极其有用的器件。除了我自己的公司( Embedded Pty.[td)之外,我与本书中提到过的任何公司没有商业、金融或其他方面的关系。之所以使用他们的芯片、仅仅反映了基于我自身经验上的个人偏好罢了。这些公司生产的芯片使用起来容易,是值得信赖的,也是强大的,并且具有良好的技术支持,提供了完整而全面的技术资料。简而言之,本书所选的片更适合初学者本书中的多数设计看赳来简单,事实上也确实如此。这些设计可以看作是简单的积木你可以对其进行混合和搭配以实现你所需要的嵌入式系统还有其他一些非常复杂的处理器及共支持芯片,基于这些器件的设计可能异常复杂,令入困惑和沮丧不已。但你在本下中不会遇到上述器件,因为本书旨在开发微型、低价位并且相对简单的嵌入式应用我希望你会发现此书对你有所帮助本书的结构本书分为三个部分。第一部分包括了一些基本概念和介绍性的资料;第二部分涉及到了嵌入式处理器以及将它们集成到系统中的设计过程;第亠部分介绍了…些外部设备以及如何向嵌入式系统中添加功能模块第·章介绍了计算机体系结构的概况,讨论了组成嵌入式系统的基本要素。第二章提供些电子学理论的背最知识,介绍了一些重要的概念。如果你对电子学很精通的话就可以跳到第三章,这一章讲述如何向嵌入式系统提供电源。在第四章中,你将看到如chttp:/showmecode.cn/links/book何具体地制造和调试一个嵌入弌计算机系统以及如何保护你的嵌入式计算机免受电气于扰和其他能够引起其故障的小毛病的干扰第五章作为本书第二部分的开始,讲述了第一个嵌入式处理器的结构:微芯片PC。PIC是·种小巧、独立的计算机,以此来构建嵌入式系统筒单且有趣。第六章讨论了 ATMEL司的AⅤR处理器,这是另外一种理想的适合小规模简单应用的嵌入式微处理器。你还将学到如何向基于总线的处理器添加内存和外部设备,并获得内存管理的基础知识在第七章中、我们将关注 Motorola68000系列的微处理器。 Motorla的这些芯片已经面市很长时间,并且仍旧在被广泛使用。一旦你拥有了较多的嵌入式方由的经验,而打算进入更为复杂的嵌入式处理器开发,那么这些芯片就是一个很好的起点。第八章分析了基于DSP( Digital Signal Processing,数字信号处理)体系结构的微处理器。这些微处理器主要适用于算术密集型和复杂箅法环境,尤其适合控制和采样应用(例如处理数宁字信号之类的应用)仼夲书的第三部分、你将学到如何通过外部设备向嵌入式计算机中添加功能模块。第九章介绍了SP和FC,这是两种允许把大量小型外部设备添加到微控制器中的协议。第十章讲述了串行接口这些接口使得你的嵌入式系统可以与主机以及诸如 modem这样的外部设备通信。在这一章中,还将讲述RS-232C、RS-422、红外通信以及USB。阏络部分将在第十章谈到,在这一章里你将看到如何向嵌入式计算机中添加两个低价位的L业网络(RS485和CAN)。在该章还讲到如何向嵌入式系统中添加以太网端口,通过这端口,你的嵌入式系统可以连接到其他计算机、服务器和网关上,进而藉由这些设备连到因特网上。在本书的最后,即第十.章涉及到了现实生活中的接口连接。在这一章里你将学到如何实现处理器上的模数转换,如何在嵌入式系统里通过传感器来测量温度、光、电压、加速度和磁场,以及如何使用嵌入式计算机来控制小型电机致谢过去,我经常在前言中看到作者对出版社的编辑所给予的帮助表示感谢,可是直到现在我才理解编辑的这种帮助所具有的深度和重要性。我要向我的编辑 Jon orwant博士表示特别的谢意,正是由于他的好脾气和富有远见的评论以及卓越的才华才使得本书更为出色正如读者已经注意到的那样, OReilly出版的图书非常精美。我也要对本书的制作团队的辛芹工作表示谢意,他们是 Lorrie lejeune, Tatiana diaz、 Larry Sweazy、 JessamynRead、 Rob romano、 Norma emory、 Laura gabler、 Emma Colby、 Mike sierra、 Ellieoickhausen、 David futato以及 Philip dangler。他们为提高此书的可读性奉軼了大量精力shttp://showmecode.cn/inks/book我要对 Duncan Campbel博在木书的校对工作中表现出的友好、鼓励和帮助表示感谢他的友爱之情和专业支持对我意义其大Geoff McDonald是我很要好的朋友,在本的内容上他给了我很多有益的建议,他也为此书进行了校对,我对他的所有这些帮助表示感谢我要感谢 Jeff O'Keefe博上:长久以来的友谊和支持。在一起上大学时我们就成为好朋友,我们曾一起神侃集成电路,起在二年级实验室里进行启发性讲演感谢 Michael Barr、 John redford和 John watlington对本书初稿进行了检查,并提出了一些有用的建议感谢 Anthony Maeder教授以及昆土兰州业科技大学电气电子系统工程院的全体职员所给予的帮助。同样感谢 Agora的职员们的后勤保障、他们对我一直帮助很大。我要向我的朋友和同事: Michael Lees、 David nicholls、 Peter stewart、 Mark gentileJohn Deviin教授、 Richard wiltshire, John williams、 Michelle和 Robert salier以及Peter o'Shea博士表示感谢,还要感谢 Louisa sciacca和 David keren为本书的一些实例提供了不少想法最后,也是最重要的,我要感谢我的大家庭所给予的关爱和支持,尤其是我的妹妹Kri!s和她的丈夫 Duncan以及我的两个小外甥 Andrew和 James,他们的关爱和幽默使得生活充满乐趣。我也要对Chis和 Jeff Goopy以及堂兄弟堂姊妹们Theo、 Maree、 DavidGenevieve、 Michael、 Andrew、 Karen、 Antony和 Fiona一直給予的友谊和支持表示感谢。特别要感谢我的叔父 Vince和 Dave Catsoulis,他们向我展现了爱、荣誉和人格力量的真正内涵,我十分感激他们在线资源有关本书设备的最新详细技术资料,读者可以直接从这些厂商的主页上获得有些厂商如 Analog Devices公司和 Maxim公司,还可以直接通过他们的网页定购免费样品下列这些URL可能会有帮助http://www.agere.comAgere系统公司http://www.agilenr.comAgilent科技公司http://www.altera.cealtera公司(提供可编程逻辑)1如,即