01-嵌入式入門-如何看原理圖

    最近由于找到的工作是偏于嵌入式方向，因此又重新開始學習已經丟棄兩年的知識。新手學習知識感覺有一個通病：喜歡收集各種各樣的視頻、資料，網盤里收藏一大堆，但是卻從沒有打開看過，到頭來還是個小白，只聽說過幾個概念，而實際卻是不知所云，這就是所謂的"學習綜合征"。而我也是其中的一員，最近痛定思痛，就準備根據一套資料沉下心學習下去，不再進入收集資料的大軍。市場上關于嵌入式方面的視頻或資料有很多，比如國嵌、韋東山、華清遠見、朱有鵬等等，各有千秋但是最后還是殊途同歸，以我之見把其中一套吃透也算是入門，之后的成長還是要靠工作中的沉淀，看源碼，做項目才能提高。

    現在準備根據韋東山老師的視頻寫一下自己學習的體會，這一次寫的主要是關于如何看原理圖，主要分為以下幾個部分：GPIO和門電路，協議類接口(UART/I2C/SPI/NAND)、內存類接口。

一、GPIO和門電路原理圖

   General Purpose Input Output（通用輸入/輸出）簡稱為GPIO，或總線擴展器。通常GPIO寄存器可以分為三類：

控制寄存器：為輸入、輸出、或其它特殊功能

數據寄存器：1或0

上拉寄存器：設置IO的輸出模式是高阻，還是帶上拉的電平輸出，或者不帶上拉的電平輸出

    上圖所示，可以配置按鍵所以對應引腳控制寄存器為輸入功能，LED引腳為輸出功能，那么就通過按鍵控制LED燈的亮與滅。上拉(下拉)電阻是將不確定的信號通過一個電阻鉗位在高(低)電平，電阻同時起限流作用。

  上圖所示的電阻作用就是分別對應上拉電阻，與下拉電阻。引腳輸出高電平，但由于后續電路的影響，輸出的高電平不高，就是達不到VCC，影響電路工作，所以要接上拉電阻。下拉電阻情況相反，讓芯片引腳輸出低電平，結果由于后續電路影響輸出的低電平達不到GND，所以接個下拉電阻。

  門電路用以實現基本邏輯運算和復合邏輯運算的單元電路。常用的門電路在邏輯功能上有與門、或門、非門、與非門、或非門、與或非門、異或門等幾種。如下圖所示：

二、協議類接口

   協議類接口電路分為兩個方面：硬件電路的搭建與引腳工作的時序。協議類接口主要實在兩個設備之間進行通信，類比兩個人的對話，就要解決兩個問題：

1、你說的話別人要能聽懂(兩個設備之間約定好相同的信號協議)

2、雙方說話的語速不能太快，要不然別人反應不過來(雙方滿足相同的時序要求)

•   UART

  這里以UART、I2C、SPI、NAND Flash四個個通信協議說明協議類接口的硬件原理圖與時序圖。通用異步收發傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，通常稱作UART，是一種異步收發傳輸器，是電腦硬件的一部分。它將要傳輸的資料在串行通信與并行通信之間加以轉換。在TQ2440中串口電路如下：

  由于UART傳輸過程，為了保證信號的有效性和傳輸距離，采用的是負邏輯電平，即邏輯"1"用-3~-12V表示，邏輯"0"用3~12V表示，因此2440輸出的信號需要進行電壓轉換，上圖即為電壓轉換的原理圖。在UART的協議中，沒有統一的時鐘，依靠起始位和停止位標識一幀數據。其幀格式起始位1位(低電平)，數據位5-8位，校驗位0-1位，停止位有(1、1.5、2 高電平表示)幾種。

• I2C  

  I2C總線是由Philips公司開發的一種簡單、雙向二線制同步串行總線。它只需要兩根線即可在連接于總線上的器件之間傳送信息。SDA（串行數據線）和SCL（串行時鐘線）都是雙向I/O線，接口電路為開漏輸出．需通過上拉電阻接電源VCC．當總線空閑時．兩根線都是高電平，連接總線的外同器件都是CMOS器件，輸出級也是開漏電路．

  在I2C總線上，發送到SDA 線上的每個字節必須為8 位，每次傳輸可以發送的字節數量不受限制。每個字節后必須跟一個響應位。首先傳輸的是數據的最高位（MSB），如果從機要完成一些其他功能后（例如一個內部中斷服務程序）才能接收或發送下一個完整的數據字節，可以使時鐘線SCL 保持低電平，迫使主機進入等待狀態，當從機準備好接收下一個數據字節并釋放時鐘線SCL 后數據傳輸繼續。數據傳輸的開始條件為：時鐘保持高電平時，數據由高電平變為低電平；結束條件為：時鐘保持高電平時，數據由低電平變為高電平。

  其數據傳輸格式為：

• SPI

  SPI是串行外設接口（Serial Peripheral Interface）的縮寫。SPI，是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節約了芯片的管腳，同時為PCB的布局上節省空間，提供方便，正是出于這種簡單易用的特性，如今越來越多的芯片集成了這種通信協議，比如AT91RM9200。在TQ2440中，沒有專門引出SPI總線的外設接口，但是查看2440芯片手冊可以知道，該芯片支持4中SPI工作方式。其總線構成可以用下圖表示：

  各引腳表示的含義為：1）MOSI – Master數據輸出,Slave數據輸入  2）MISO – Master數據輸入,Slave數據輸出  3）SCK  – 時鐘信號,由Master產生  4）/CS  – Slave使能信號,由Master控制。

  SPI接口在Master控制下產生的從器件使能信號和時鐘信號，兩個雙向移位寄存器按位傳輸進行數據交換，傳輸數據高位在前，低位在后（MSB first）。如上圖所示，在SCK的下降沿上數據改變，上升沿一位數據被存入移位寄存器。

• NAND Flash

  Nand-flash存儲器是flash存儲器的一種，NAND結構能提供極高的單元密度，可以達到高存儲密度，并且寫入和擦除的速度也很快。下圖為一塊NAND Flash芯片，除去不用引腳與電源引腳外，主要有數據引腳線、片選、寫、讀等引腳，個引腳功能可從芯片手冊上查到。

  在Nand Flash芯片，一塊芯片稱為一個device，一個device又可以分為多個Block，一個Block可以分為多頁，因此要讀取指定區域的數據時，要分多次傳輸地址。

  以上介紹了四個協議類接口，其具體的使用與編程在以后再作總結。

三、內存類接口

  內存類接口主要有SDRAM、NOR Flash等芯片，這類芯片信號傳輸可以分為片選、地址信號、數據信號三大類。對于這類設備的訪問，首先選定其片選信號，其次確定地址，在讀取數據。在2440中，其內存控制分為8個區域，每個區域為128M，下圖為TQ2440中，sdram的電路圖，這是由兩塊16位的SDROM組成一個32位SDROM。由圖可以知道其片選信號接到2440的nGCS6,在2440的內存映射圖中nGCS6的起始地址為0x30000000，這也是為什么我們剛開始學習ARM裸機編程時，老師讓我們將程序燒錄到0x30000000。在圖中，地址線接到2440的ADD2-ADD14，而沒有接ADD1、ADD0那是因為，2440的字寬為32位，即4個字節，最少讀取數據與寫入數據的單元為4個字節。那么,想要處理一個字節數據也是只有先取出4個字節，再從中拆除需要的數據，處理的數據必然是4的整數倍，因此最低兩位地址線可以不接。

  2440中內存地址映射圖。