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# 小柴冲刺软考中级嵌入式系统设计师系列二、嵌入式系统硬件基础知识（4）嵌入式系统 IO

# 一、通用输入 / 输出接口

通用输入 / 输出接口（GPIO，General Purpose I/O）是 I/O 的最基本形式。

数据寄存器：PORT - 1：输出 0：输入

数据方向寄存器：DDR - DDR 状态能够用写入该 DDR 的方法加以改变。DDR 在微控制器地址空间中是一个映射单元。在这种情况下，若要改变 DDR 则需要将恰当的值置于数据总线的第 0 位即 D，同时激活 WR_DDR 信号。读取 DDR 单元，就能读得 DDR 的状态，同时激活 RD_DDR 信号。

若将 PORT 引脚置为输出，则 PORT 寄存器控制着该引脚状态。

若将 PORT 引脚设置为输入，则此输入引脚的状态由引脚上的逻辑电路层来实现对它的控制。

对 PORT 寄存器的写入，将激活 WR PORT 信号。PORT 寄存器也映射到微控制器的地址空间。需指出，即使当端口设置为输入时，

若对 PORT 寄存器进行写入，并不会对该引脚发生影响。但从 PORT 寄存器的读出，不管端口是什么方向，总会影响该引脚的状态

# 二、模数 / 数模接口

# 1、模数转换接口

所谓模 / 数转换器 (AD 转换器) 就是把电模拟量转换成为数字量的电路。

在当今的现代化生产中，被广泛应用的实时监测系统和实时控制系统都离不开模 / 数转换器。

一个实时控制系统要实现微机监控实时现场工作过程中发生的各种参数的变化

• 首先由传感器把实时现场的各种物理参数 (如温度、流量、压力、PH 值、位移等) 测量出，并转为相应的电信号
• 经过放大、滤波处理
• 再通过多路开关的切换和采样 / 保持电路的保持送到 AD 转换器
• 由 AD 转换器将电模拟信号转换为数字量信号
• 之后被微机采集，微机按一定算法计算输出控制量
• 并输出之

输出数据经 D/A 转换器 (数 / 模转换器) 将数字量转换为电模拟量去控制执行机构。

实现 A/D 转换的方法很多，常用的方法有

• 计数法
  • 计数式 AD 转换的特点是简单，但速度比较慢，特别是模拟电压较高时，转换速度更慢。当 C=1 时，每输入一个时钟脉冲计数器加 1。对一个 8 位 AD 转换器，若输入模拟量为最大值，计数器从 0 开始计数到 255 时，才转换完毕，相当于需要 255 个计数脉冲周期。
• 双积分法
  • 双积分式 AD 转换的基本原理是对输入模拟电压和参考电压进行两次积分，变换成与输入电压均值成正比的时间间隔，利用时钟脉冲和计数器测出其时间间隔，因此，此类 D/A 转换器具有很强的抗工频干扰能力，转换精度高，但速度较慢，通常每秒转换频率小于 10Hz，主要用于数字式测试仪表，温度测量等方面。
  • 首先电路对输入待测的模拟电压进行固定时间的积分，然后换至标准电压进行固定斜率的反向积分。反向积分进行到一定时间，便返回起始值。对标准电压进行反向积分的时间 T 正比于输入模拟电压，输入模拟电压越大，反向积分回到起始值的时间越长。因此，只要用标准的高频时钟脉冲测定反向积分花费的时间，就可以得到相应于输入拟电压的数字量，即实现了 AD 转换。
• 逐次逼近法
  • 逐次逼近式 A/D 转换法是 AD 芯片采用最多的一种 AD 转换方法，和计数式 A/D 转换一样，逐次逼近式 A/D 转换时，是由 D/A 转换器从高位到低位逐位增加转换位数，产生不同的输出电压，把输入电压与输出电压进行比较而实现。不同之处是用逐次逼近式进行转换时，要用一个逐次逼近寄存器存放转换出来的数字量，转换结束时，将最终的数字量送到缓冲寄存器中。
  • 逐次逼近式 AD 转换法的特点是速度快，转换精度较高，对 N 位 AD 转换只需 N 个时钟脉冲即可完成，一般可用于测量几十到几百微秒的过渡过程的变化，是计算机 AD 转换接口中应用最普遍的转换方法。

# 2、数模转换接口

D/A 转换器的主要功能是将数字量转换为模拟量。数字量是由若干数位构成的，每个数位都有一定的权，如 8 位二进制数的最高位 D, 的权为 2’=128，只要 D-=1 就表示具有了 128 这个值。把一个数字量变为模拟量，就是把每一位上的代码按照权转换为对应的模拟量，再把各位所对应的模拟量相加，所得到各位模拟量的和便是数字量所对应的模拟量。

基于上述思路，在集成电路中，通常采用 T 型网络实现将数字量转换为模拟电流，然后再用运算放大器完成模拟电流到模拟电压的转换。

所以，要把一个数字量转换为拟电压，实际上需要两个环节:

• 即先由 D/A 转换器把数字量转换为模拟电流，
• 再由运算放大器将模拟电流转换为模拟电压。

目前 D/A 转换集成电路芯片大都包含了这两个环节，对只包含第一个环节的 D/A 芯片，就要外接运算放大器才能转换为模拟电压。

# 三、键盘、显示、触摸屏等接口基本原理与结构

# 1、键盘

键盘的结构通常有两种形式:

• 线性键盘
  • 线性键盘由若干个独立的按键组成，每个按键的一端与微机的一个 I/O 口相连。有多少个键就要有多少根连线与微机的 I/O 口相连，因此，只适用于按键少的场合。
• 矩阵键盘
  • 矩阵键盘的按键按 N 行 M 列排列，每个按键占据行列的一个交点，需要的 I/O 口数目是 N+M 容许的最大按键数是 N*M。显然，矩阵键盘可以减少与微机接口的连线数，简化结构是一般微机常用的键盘结构。根据矩阵键盘的识键和译键方法的不同，矩阵键盘又可以分为非编码键盘和编码键盘两种
  • 非编码键盘主要用软件的方法识键和译键。根据扫描方法的不同，可以分为
    • 行扫描法
    • 列扫描法和
    • 反转法 3 种。
  • 编码键盘主要用硬件来实现键的扫描和识别，通常使用 8279 专用接口芯片，在硬件上要求较高。

在不同的场合下，这两种键盘均得到了广泛的应用。

# 2、显示

液晶显示器 (Liquid Crystal Display，LCD) 具有耗电省、体积小等特点，被广泛应用于嵌入式系统中。液晶得名于其物理特性：它的分子品体，以液态而非固态存在。这些品体分子的液体特性使得它具有两种非常有用的特点:

• 如果让电流通过液晶层，这些分子将会以电流的流向方向进行排列，如果没有电流，它们将会彼此平行排列；
• 如果提供了带有细小沟槽的外层，将液晶倒入后，液晶分子会顺着槽排列，并且内层与外层以同样的方式进行排列。

液晶的第三个特性是很神奇的：液晶层能使光线发生扭转。

• 液晶层表现得有些类似偏光器，这就意味着它能够过滤除了那些从特殊方向射入之外的所有光线。此外，如果液晶层发生了扭转，光线将会随之扭转，以不同的方向从另外一个面中射出。LCD 显示器的基本原理就是通过给不同的液晶单元供电，控制其光线的通过与否从而达到显示的目的。
• 在 LCD 显示器中，显示面板薄膜被分成很多小栅格，每个栅格由一个电极控制，通过改变栅格上的电极就能控制栅格内液晶分子的排列，从而控制光路的导通。
• 彩色显示利用三原色混合的原理显示不同的色彩：彩色 LCD 面板中，每一个像素都是由 3 格液晶单元格构成的，其中每一个单元格前面都分别有红色、绿色或蓝色的过滤片，光线经过过滤片的处理变成红色、蓝色或者绿色，利用三原色的原理组合出不同的色彩。

# 3、触摸屏

触摸屏按其工作原理的不同分为表面声波屏、电容屏、电阻屏和红外屏几种。

而常见的又数电阻触摸屏。电阻触摸屏的屏体部分是一块与显示器表面非常配合的多层复合薄膜，由一层玻璃或有机玻璃作为基层，表面涂有一层透明的导电层，上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防刮的塑料层，它的内表面也涂有一层透明导电层，在两层导电层之间有许多细小 (小于千分之一英寸) 的透明隔离点把它们隔开绝缘。

当手指或笔触摸屏幕时，平常相互绝缘的两层导电层就在触摸点位置有了一个接触，因其中一面导电层 (顶层) 接通 X 轴方向的 5V 均匀电压场，使得检测层 (底层) 的电压由零变为非零，控制器侦测到这个接通后，进行 AD 转换，并将得到的电压值与 5V 相比即可得触摸点的 X 轴坐标为 (原点在靠近接地点的那端):

Xi = Lx * Vi / V (即分压原理)

同理得出 Y 轴的坐标，这就是所有电阻技术触摸屏共同的最基本原理。

# 4、嵌入式系统音频、视频接口

# 音频接口

目前，越来越多的嵌入式系统产品，如 CD、手机、MP3、MD、VCD、DVD、数字电视等，引入了数字音频系统。这些产品中数字化的声音信号由一系列的超大规模集成电路处理，常用的数字声音处理需要的集成电路包括 AD 转换器和 D/A 转换器、数字信号处理器 (DSP)、数字滤波器和数字音频输入 / 输出接口及设备 (麦克风、话筒) 等。麦克风输入的数据经音频编解码器解码完成 AD 转换。解码后的音频数据送入通过音频控制器送入 DSP 或 CPU 进行相应的处理。音频输出数据经音频控制器发送给音频编码器经编码 D/A 转换后由扬声器输出。

• 音频数据类型
  • PCM 数字音频是 CD-ROM 或 DVD 采用的数据格式。
  • MP3 是 MP3 播放器采用的音频格式，对 PCM 音频数据进行压缩编码。
  • AC3 是数字 TV、HDTV 和电影数字音频编码标准。
• IIS 音频接口总线
  • 数字音频系统需要多种集成电路，所以为这些电路提供一个标准的通信协议非常重要。IIS 总线是 Philips 公司提出的音频总线协议，全称是数字音频集成电路通信总线 (Inter-IC Sound Bus，ⅡS)，它是一种串行的数字音频总线协议。音频数据的编码或解码的常用串行音频数字接口是 IIS 总线。IIS 总线只处理声音数据，其他控制信号等则需单独传输。IIS 使用了 3 根串行总线以尽量减少引出管脚，这 3 根线分别是：提供分时复用功能的数据线、字段选择线 (声道选择)、时钟信号线。

# 视频接口

• VGA 接口
  • VGA (Video Graphics Array) 接口，也叫 D-Sub 接口，它负责向显示器输出相应的图像信号，是电脑与显示器之间的桥梁。
  • VGA 接口是显卡上应用最为广泛的接口类型，多数的显卡都带有此种接口。但当 VGA 接口用于连接液品之类的显示设备时，转换过程的图像损失会使显示效果略微下降。
• CVBS 接口
  • 复合视频信号 (CVBS) 接口，也就是通常所称的 RCA 接口。它是一种最简单、应用最普及的视频信号接口，广泛应用于 VCD、DVD、电视机等视频设备。复合视频将亮度信号和色度信号采用频谱间置方法复合在一起，因此容易导致亮色串扰、清晰度降低等问题，是所有视频接口中传输质量最差的一种接口。
• S-Video 接口
  • S-Video 接口也称 S 端子，它是随着摄像机、S-VHS 录像机的发展而兴起的视频接口，目前也非常流行。S-Video 中将亮度信号 Y 和色度信号 C 分开传输，确保亮度信号不会受到色度信号的于扰，使视频传输效果得到了很大改善，在非专业应用中是一种理想的模拟视频接口。
• 分量视频接口
  • 分量视频接口也叫色差输出，是美国、中国的标准视频接口，与 CVBS 接口一样，常见于 DVD 播放机和电视机。分量视频接口在 S-Video 的基础上又将色度信号分为 2 个色差信号。因此传输效果得以提升，色差信号和 RGB 三原色信号的图像质量相当，目前是 3 种模拟视频接口中效果最好的。
• DVI 接口
  • DVI 全称为 Digital Visual Interface，它是 1999 年由 Silicon Image、Intel (英特尔)、Compaq (康柏)、IBM、HP (惠普)、NEC、Fuiitsu (富士通) 等公司共同组成 DDWG (Digital Display Working Group，数字显示工作组) 推出的接口标准。目前的 DVI 接口分为两种，一个是 DVI-D 接口。DVI-D 接口只能接收数字信号，不兼容模拟信号。
• HDMI 接口
  • 高清晰度多媒体接口 (High -Definition Multimedia Interface)。它是基于 DVI 制定的一种更方便的数字多媒体接口，并在 DVI 基础上增加了数字音频信号传输功能。DVI 接口多应用于 PC 中，而 HDMI 接口主要应用于高清电视等消费电子产品中。
  • HDMI 是首个也是业界唯一支持的不压缩全数字音频 / 视频接口。HDMI 通过在一条线缆中传输高清晰、全数字的音频和视频内容，极大简化了布线，为消费者提供最高质量的家庭影院体验，是 HD 和消费类电子市场的标准数字接口。相对于现有的模拟视频接口如复合、S-Video 和分量视频，HDMI 具有以下优点:
    • 视频图像质量高。单线集成视频和多声道音频，易用性好。
    • 支持视频源 (如 DVD 播放机) 和数字显示器 (DTV) 之间的双向通信，可实现新功能，例如视频分辨率和屏幕长宽比的自动配置和一键播放等功能。可传输高质量的音频，具有更大的带宽，支持最新的无损失音频格式，

# 5、输入 / 输出控制

不同类型的嵌入式系统，其所用的外部设备不同。常规外设是每个嵌入式系统的标配，而专用外设则是针对某种应用而特殊配置的。

常规外设主要包括输入设备，如鼠标键盘等；输出设备，如显示器、打印机等；外部存储设备，如磁盘、USB 移动硬盘、USB 闪存盘、光盘等

IO 设备一般包括设备本身和设备控制器。设备控制器是插在电路板上的一块芯片或 - 组芯片，接口是 CPU 和 IO 设备之间交换信息的媒介和桥梁。CPU 与外部设备、存储器的连接和数据交换都需要通过设备接口来实现。在计算机发展过程中，一些设备接口逐渐被标准化。接口可分为低速接口和高速接口。图 2-15 为某一典型的嵌入式板卡，其外围配置有不同的设备物理接口，包括电源接口、以太网口、RS-232 串口、DVI 数字视频接口、PS/2 鼠标键盘接口、USB 接口、GPIO 接口等。在常见的嵌入式系统中，低速接口通常包括 RS-232、RS-485、RS-422、SPI、IC、GPIO 接口等；高速接口通常包括以太网口 (百兆、千兆)、Rapid-IO、USB 接口等。