01-嵌入式入门-如何看原理图

    最近由于找到的工作是偏于嵌入式方向，因此又重新开始学习已经丢弃两年的知识。新手学习知识感觉有一个通病：喜欢收集各种各样的视频、资料，网盘里收藏一大堆，但是却从没有打开看过，到头来还是个小白，只听说过几个概念，而实际却是不知所云，这就是所谓的"学习综合征"。而我也是其中的一员，最近痛定思痛，就准备根据一套资料沉下心学习下去，不再进入收集资料的大军。市场上关于嵌入式方面的视频或资料有很多，比如国嵌、韦东山、华清远见、朱有鹏等等，各有千秋但是最后还是殊途同归，以我之见把其中一套吃透也算是入门，之后的成长还是要靠工作中的沉淀，看源码，做项目才能提高。

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    现在准备根据韦东山老师的视频写一下自己学习的体会，这一次写的主要是关于如何看原理图，主要分为以下几个部分：GPIO和门电路，协议类接口(UART/I2C/SPI/NAND)、内存类接口。

一、GPIO和门电路原理图

   General Purpose Input Output（通用输入/输出）简称为GPIO，或总线扩展器。通常GPIO寄存器可以分为三类：

控制寄存器：为输入、输出、或其它特殊功能

数据寄存器：1或0

上拉寄存器：设置IO的输出模式是高阻，还是带上拉的电平输出，或者不带上拉的电平输出

    上图所示，可以配置按键所以对应引脚控制寄存器为输入功能，LED引脚为输出功能，那么就通过按键控制LED灯的亮与灭。上拉(下拉)电阻是将不确定的信号通过一个电阻钳位在高(低)电平，电阻同时起限流作用。

  上图所示的电阻作用就是分别对应上拉电阻，与下拉电阻。引脚输出高电平，但由于后续电路的影响，输出的高电平不高，就是达不到VCC，影响电路工作，所以要接上拉电阻。下拉电阻情况相反，让芯片引脚输出低电平，结果由于后续电路影响输出的低电平达不到GND，所以接个下拉电阻。

  门电路用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。常用的门电路在逻辑功能上有与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等几种。如下图所示：

二、协议类接口

   协议类接口电路分为两个方面：硬件电路的搭建与引脚工作的时序。协议类接口主要实在两个设备之间进行通信，类比两个人的对话，就要解决两个问题：

1、你说的话别人要能听懂(两个设备之间约定好相同的信号协议)

2、双方说话的语速不能太快，要不然别人反应不过来(双方满足相同的时序要求)

•   UART

  这里以UART、I2C、SPI、NAND Flash四个个通信协议说明协议类接口的硬件原理图与时序图。通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，通常称作UART，是一种异步收发传输器，是电脑硬件的一部分。它将要传输的资料在串行通信与并行通信之间加以转换。在TQ2440中串口电路如下：

  由于UART传输过程，为了保证信号的有效性和传输距离，采用的是负逻辑电平，即逻辑"1"用-3~-12V表示，逻辑"0"用3~12V表示，因此2440输出的信号需要进行电压转换，上图即为电压转换的原理图。在UART的协议中，没有统一的时钟，依靠起始位和停止位标识一帧数据。其帧格式起始位1位(低电平)，数据位5-8位，校验位0-1位，停止位有(1、1.5、2 高电平表示)几种。

• I2C  

  I2C总线是由Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线。它只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息。SDA（串行数据线）和SCL（串行时钟线）都是双向I/O线，接口电路为开漏输出．需通过上拉电阻接电源VCC．当总线空闲时．两根线都是高电平，连接总线的外同器件都是CMOS器件，输出级也是开漏电路．

  在I2C总线上，发送到SDA 线上的每个字节必须为8 位，每次传输可以发送的字节数量不受限制。每个字节后必须跟一个响应位。首先传输的是数据的最高位（MSB），如果从机要完成一些其他功能后（例如一个内部中断服务程序）才能接收或发送下一个完整的数据字节，可以使时钟线SCL 保持低电平，迫使主机进入等待状态，当从机准备好接收下一个数据字节并释放时钟线SCL 后数据传输继续。数据传输的开始条件为：时钟保持高电平时，数据由高电平变为低电平；结束条件为：时钟保持高电平时，数据由低电平变为高电平。

  其数据传输格式为：

• SPI

  SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写。SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，如今越来越多的芯片集成了这种通信协议，比如AT91RM9200。在TQ2440中，没有专门引出SPI总线的外设接口，但是查看2440芯片手册可以知道，该芯片支持4中SPI工作方式。其总线构成可以用下图表示：

  各引脚表示的含义为：1）MOSI – Master数据输出,Slave数据输入  2）MISO – Master数据输入,Slave数据输出  3）SCK  – 时钟信号,由Master产生  4）/CS  – Slave使能信号,由Master控制。

  SPI接口在Master控制下产生的从器件使能信号和时钟信号，两个双向移位寄存器按位传输进行数据交换，传输数据高位在前，低位在后（MSB first）。如上图所示，在SCK的下降沿上数据改变，上升沿一位数据被存入移位寄存器。

• NAND Flash

  Nand-flash存储器是flash存储器的一种，NAND结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快。下图为一块NAND Flash芯片，除去不用引脚与电源引脚外，主要有数据引脚线、片选、写、读等引脚，个引脚功能可从芯片手册上查到。

  在Nand Flash芯片，一块芯片称为一个device，一个device又可以分为多个Block，一个Block可以分为多页，因此要读取指定区域的数据时，要分多次传输地址。

  以上介绍了四个协议类接口，其具体的使用与编程在以后再作总结。

三、内存类接口

  内存类接口主要有SDRAM、NOR Flash等芯片，这类芯片信号传输可以分为片选、地址信号、数据信号三大类。对于这类设备的访问，首先选定其片选信号，其次确定地址，在读取数据。在2440中，其内存控制分为8个区域，每个区域为128M，下图为TQ2440中，sdram的电路图，这是由两块16位的SDROM组成一个32位SDROM。由图可以知道其片选信号接到2440的nGCS6,在2440的内存映射图中nGCS6的起始地址为0x30000000，这也是为什么我们刚开始学习ARM裸机编程时，老师让我们将程序烧录到0x30000000。在图中，地址线接到2440的ADD2-ADD14，而没有接ADD1、ADD0那是因为，2440的字宽为32位，即4个字节，最少读取数据与写入数据的单元为4个字节。那么,想要处理一个字节数据也是只有先取出4个字节，再从中拆除需要的数据，处理的数据必然是4的整数倍，因此最低两位地址线可以不接。

  2440中内存地址映射图。