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一文讀懂 嵌入式系統外設器件的類(lèi)型及其選擇

發(fā)布時(shí)間:2024-10-16 責任編輯:lina

【導讀】本文介紹了嵌入式系統外設器件的選擇,包括存儲器、時(shí)鐘源、定時(shí)器、通信接口和輸入/輸出接口等。文章介紹了多種存儲器類(lèi)型及其選擇考慮因素,多種時(shí)鐘源的類(lèi)型及其選擇考慮因素。強調了定時(shí)器精度和計時(shí)范圍的重要性。文章還介紹了通信接口類(lèi)型、常見(jiàn)通信協(xié)議及其選擇因素,以及主要的輸入/輸出接口等,并總結了選擇這些外設器件時(shí)的關(guān)鍵考量。


文章概述


本文介紹了嵌入式系統外設器件的選擇,包括存儲器、時(shí)鐘源、定時(shí)器、通信接口和輸入/輸出接口等。文章介紹了多種存儲器類(lèi)型及其選擇考慮因素,多種時(shí)鐘源的類(lèi)型及其選擇考慮因素。強調了定時(shí)器精度和計時(shí)范圍的重要性。文章還介紹了通信接口類(lèi)型、常見(jiàn)通信協(xié)議及其選擇因素,以及主要的輸入/輸出接口等,并總結了選擇這些外設器件時(shí)的關(guān)鍵考量。


嵌入式系統除了最重要的為處理器選擇之外,配合的相關(guān)外設器件也是嵌入式系統的重要組成部分,包括內存、時(shí)鐘(振蕩器)、定時(shí)器、通信接口、輸入/輸出、模擬數字轉換等器件,都可視系統的實(shí)際需求來(lái)進(jìn)行選擇。本文將為您介紹上述外設器件的類(lèi)型與選擇的考慮要素。


存儲器的種類(lèi)眾多且特性不同


一文讀懂 嵌入式系統外設器件的類(lèi)型及其選擇
存儲器


在嵌入式系統中,存儲器是一個(gè)關(guān)鍵的器件,它用于存儲程序代碼、數據,以及系統執行所需的其他信息。除了微控制器在IC封裝中內置的內存和存儲空間之外,也可以增加外部存儲器,且存儲器的類(lèi)型相當多樣,每種類(lèi)型的存儲器都有其獨特的用途。


首先,嵌入式系統中常見(jiàn)的閃存是一種非易失性存儲器,這意味著(zhù)如果系統重置或斷電也不會(huì )被擦除,通常用于存儲程序代碼、固件和其他常駐應用數據。它具有快速讀取速度,且相對較低的功耗。閃存有不同類(lèi)型,包括NOR和NAND,具有不同的讀寫(xiě)特性和應用場(chǎng)景。


另一種常見(jiàn)的存儲器則是隨機存取存儲器(RAM),RAM是一種易失性存儲器,用于臨時(shí)存儲程序執行所需的數據。它具有快速的讀寫(xiě)速度,但系統重置或斷電后會(huì )失去存儲的數據。在嵌入式系統中,常見(jiàn)的RAM類(lèi)型包括SRAM(靜態(tài)隨機存取存儲器)和DRAM(動(dòng)態(tài)隨機存取存儲器)。


EEPROM(電可擦除可編程只讀存儲器)則是一種可擦除并且不易失去數據的存儲器,這意味著(zhù)如果系統重置或斷電也不會(huì )被擦除,通常用于存儲配置信息、校正數據和其他需要保留的非易失性數據。


另外,有些系統還可外接存儲卡和嵌入式多媒體卡,包括SD卡、MicroSD卡等外部存儲設備,它們通常用于擴展嵌入式系統的存儲容量。


由于不同類(lèi)型的存儲器有不同的價(jià)格,因此成本是一個(gè)重要的考慮因素。此外存儲器的讀取和寫(xiě)入速度影響系統的性能,特別是對于需要高效率的應用,便必須選擇速度較快的存儲器。


系統所需的存儲器容量也應符合應用的需求,進(jìn)而確保足夠的空間來(lái)存放程序代碼、數據和其他必要的信息。此外,不同類(lèi)型的存儲器有不同的功耗特性,特別是對于移動(dòng)和電池供電的嵌入式系統,通常需要采用功耗較低的存儲器。


嵌入式系統通常要求耐久性,有些應用需要存儲器具有較長(cháng)的生命周期,并能夠承受多次寫(xiě)入和擦除。另一方面,部分嵌入式系統可能需要在單一芯片上集成多種類(lèi)型的存儲器,這將有助于節省空間和簡(jiǎn)化設計,一些應用也可能需要支持外部存儲設備,例如存儲卡,以滿(mǎn)足擴展性需求。


時(shí)鐘源可確保同步系統中的各種操作


一文讀懂 嵌入式系統外設器件的類(lèi)型及其選擇

時(shí)鐘源可確保同步系統中的各種操作


在嵌入式系統中使用的微控制器可能包含內部電阻、電容、電路振蕩器(RC振蕩器),或依賴(lài)某種類(lèi)型的外部頻率源來(lái)保持時(shí)間和周期一致。在嵌入式系統中,時(shí)鐘源是一個(gè)關(guān)鍵的器件,用于同步系統中的各種操作,包括處理器的計算、外部設備的通信等,以下為您介紹各種不同特性的時(shí)鐘源。


RC振蕩器(RC oscillator)是一種只用電阻和電容構成的振蕩器,其與溫度相關(guān),頻率信號可能有1-5%的變化,它們確實(shí)可以滿(mǎn)足一些較慢頻率定時(shí)需求(例如低頻模擬數字轉換)。


晶體振蕩器(Crystal Oscillator)常見(jiàn)于外部振蕩器電路,具有精確度高、穩定性好的特性,晶體振蕩器通常以百萬(wàn)分之一(PPM)為單位測量其變化,而不是百分比(如RC振蕩器),通常用于需要高精度定時(shí)的應用,常搭配微控制器、微處理器和其他需要穩定定時(shí)的器件。


陶瓷振蕩器(Ceramic Resonator)的成本較低,但精確度和穩定性可能較晶體振蕩器差,陶瓷諧振器的公差在十分之一范圍內,因此適用于對定時(shí)要求不苛刻的應用,以及對成本較為敏感的場(chǎng)合。


MEMS振蕩器(Micro-Electro-Mechanical Systems Oscillator)則具備體積小、耐震動(dòng)、低功耗的特性,但精度一般較晶體振蕩器差,適用于尺寸有限、低功耗、耐震動(dòng)的應用,如移動(dòng)設備和嵌入式傳感器。


振蕩器模塊(Oscillator Module)則整合了振蕩器和相關(guān)的電路器件,提供方便的外部時(shí)鐘源,可簡(jiǎn)化系統設計,常見(jiàn)于一些集成度高的嵌入式系統。


另一種GPS模塊則是通過(guò)接收全球定位系統(GPS)信號,來(lái)提供高精度的時(shí)鐘同步,常用于需要高度精確同步的應用,例如通信系統、科學(xué)儀器等。


實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC(Real-Time Clock)則是具有低功耗的特性,能在掉電狀態(tài)下保持時(shí)間計數,主要用于需要在斷電時(shí)保持時(shí)間計數的應用。


在選擇嵌入式系統中的時(shí)鐘源時(shí),應先考慮時(shí)鐘源的精確度和穩定性,此外,成本、功耗、集成度與應用的外部環(huán)境條件(如溫度、震動(dòng)),都會(huì )影響時(shí)鐘源的選擇。


在嵌入式系統中,定時(shí)器則是一種常見(jiàn)的硬件模塊,用于產(chǎn)生準確的時(shí)間基線(xiàn),以執行定時(shí)和計數操作。常見(jiàn)的定時(shí)器(Timer)用于執行定時(shí)操作,例如產(chǎn)生精確的時(shí)間延遲、計算時(shí)間間隔等,常見(jiàn)于需要時(shí)間控制的應用,如通信協(xié)議、傳感器讀取等。


計數器(Counter)則用于計數外部事件的發(fā)生次數,例如脈沖計數、頻率計數等,常用于需要計算事件發(fā)生頻率或計數的場(chǎng)景中使用,如計步器、計量?jì)x表。


在選擇嵌入式系統中的定時(shí)器時(shí),應先考慮定時(shí)器的精度,不同的計時(shí)器具有不同的精度,選擇時(shí)應根據應用需求確定精度水平。另外,定時(shí)器的計時(shí)范圍(定時(shí)器和計數器)也應該滿(mǎn)足應用的時(shí)間要求。


實(shí)現不同硬件之間數據交換的通信接口


在嵌入式系統中,通信接口是實(shí)現不同硬件模塊之間數據交換的重要元器件,通??梢苑殖刹⑿型ㄐ藕痛型ㄐ艃煞N類(lèi)型。并行通信同時(shí)發(fā)送多位的數據,因此需要數據總線(xiàn)硬件,通常由多條線(xiàn)路組成,在允許更快的數據傳輸的同時(shí),并行通信還使用所連接裝置的更多I/O端口,并且需要復雜的布線(xiàn)配置。串行通信則通過(guò)一條電線(xiàn)在配對設備上一次只發(fā)送一位數據,設備通信僅使用一個(gè)I/O端口,可降低設備總體復雜度和成本。


串行通信可以進(jìn)一步分為兩個(gè)子組,這取決于它們是否使用頻率信號來(lái)控制和同步鏈接設備之間的數據通信(稱(chēng)為同步和異步)。異步串行意味著(zhù)數據可以在不需要頻率信號的情況下傳輸。同步串行則需要所有設備之間共享頻率信號來(lái)控制數據通信。雖然同步串行確實(shí)需要跨所有設備的另一個(gè)定時(shí)信號,但它確實(shí)使通信速度更快。


在傳輸模式上,又可分成單工、半雙工和全雙工,單工是從來(lái)源到目的的單向數據流,半雙工則允許從配對設備雙向傳輸數據,但在給定時(shí)間內只能傳輸一個(gè)方向,全雙工則可允許兩個(gè)設備可以同時(shí)在兩個(gè)方向上傳輸和接收數據。

一文讀懂 嵌入式系統外設器件的類(lèi)型及其選擇

I2C總線(xiàn)協(xié)議


常見(jiàn)的通信協(xié)議包括I2C總線(xiàn)協(xié)議,這是一種兩線(xiàn)串行連接,旨在允許多個(gè)端點(diǎn)與一個(gè)或多個(gè)控制器進(jìn)行通信。I2C是一種半雙工協(xié)議,允許控制器單元和許多端點(diǎn)發(fā)送和接收數據。該協(xié)議的速度范圍為0.1至5 Mbit/s(取決于總線(xiàn)配置),常見(jiàn)于連接低速外設,例如溫度傳感器、EEPROM等。


一文讀懂 嵌入式系統外設器件的類(lèi)型及其選擇

串行外設接口(SPI)協(xié)議


串行外設接口(SPI)則是一種全雙工、同步串行連接,需要3線(xiàn)或4線(xiàn)連接。SPI連接需要在總線(xiàn)上所有參與者共享的同步頻率信號,這樣可以實(shí)現更高的數據率。當兩個(gè)點(diǎn)彼此靠近時(shí),可以達到高達60 Mbps的速度。SPI的缺點(diǎn)是需要更多I/O引腳和連接,常用于連接具有SPI接口的器件,如內存、傳感器、顯示器等。


一文讀懂 嵌入式系統外設器件的類(lèi)型及其選擇

通用異步收發(fā)器(UART)協(xié)議


通用異步收發(fā)器(UART)則是雙向異步串行連接,可設定為單工、半雙工或全雙工。數據速度較慢且僅充當一對一通信,有些設備可能有多個(gè)UART電路,允許多個(gè)設備進(jìn)行通信,常見(jiàn)于連接嵌入式系統和外部設備,例如傳感器、GPS模塊等。


其他常見(jiàn)的通信協(xié)議還包括CAN(Controller Area Network)、Ethernet(以太網(wǎng))、USB(Universal Serial Bus)、無(wú)線(xiàn)通信接口等,在設計時(shí)選擇通信接口時(shí),可依據應用所需的數據速率、傳輸距離、功耗、成本、集成度、實(shí)時(shí)性等,根據具體應用需求來(lái)選擇適合的通信接口,例如嵌入式控制系統、傳感器網(wǎng)絡(luò )、通信設備等。


嵌入式系統中的輸入/輸出(I/O)接口是用來(lái)連接和控制外部設備、傳感器、顯示器等的關(guān)鍵器件。常見(jiàn)的I/O接口如GPIO(通用輸入/輸出)具有通用性,可設置為輸入或輸出模式,用于連接各種外部設備,是通用用途的I/O連接接口,如按鈕、LED、開(kāi)關(guān)等。


此外,還需要使用ADC(模擬數字轉換器)來(lái)將模擬信號轉換為數字信號,用于傳感器數據的讀取,如溫度、光照等。反之,還有DAC(數字模擬轉換器),用于將數字信號轉換為模擬信號,用于產(chǎn)生模擬輸出,如音頻輸出。


一文讀懂 嵌入式系統外設器件的類(lèi)型及其選擇


結語(yǔ)


嵌入式系統所需的外設器件相當廣泛,選擇也相當多樣化,可依照具體應用需求來(lái)挑選合適的器件。

本文轉載自:DigiKey電子技術(shù)臺


免責聲明:本文為轉載文章,轉載此文目的在于傳遞更多信息,版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問(wèn)題,請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。


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