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第九章 I/O 系统

9.1 简介

I/O 系统用于连接计算机与外部设备（peripherals）。在个人计算机里，这些设备一般

包括键盘、显示器、打印机和无线网络。在嵌入式系统里，这些设备可能包括吐司机的加热

元件、玩偶的声音同步器、引擎的燃料注入器、卫星的太阳能面板定位马达，等等。处理器

就像访问内存一样使用地址和数据总线访问 I/O 设备。

本章提供了 I / O 设备的具体示例。 9.2 节展示了将一个 I / O 设备连接到处理器并通过

程序访问它的基本原理。9.3 节介绍了嵌入式系统环境中的 I / O，展示了如何使用基于 ARM

的 Raspberry Pi 单板计算机访问板载外设，包括通用，串行和模拟 I / O 以及定时器。 9.4 节

给出了与其他常见设备（如字符 LCD，VGA 监视器，蓝牙无线电和电机）连接的示例。

9.5 节描述了总线接口，并阐述了流行的 AHB-Lite 总线。 9.6 节调查了 PC 中使用的主要 I /

O 系统。

9.2 内存映射 I/O

回忆一下 6.5.1 节，一部分的地址空间用于 I/O 设备而非内存。例如，设定 0x20000000

到 0x20FFFFFF 范围内的物理地址用于 I/O。每一个 I/O 设备可以指定到这一范围中的一个或

者多个地址上。对于特定地址的写入操作就会给设备发送数据，读出操作就将从设备接收数

据，这种 I/O 设备通讯方式称为内存映射 I/O（memory-mapped I/O）。

在内存映射 I/O 系统里，读出和写入可能访问内存，也可能访问 I/O 设备。图 e9.1 给出

了支持两个内存映射 I/O 设备所需要的硬件。其中，地址译码器决定处理器与哪个设备进行

通讯，根据 Address 和 MemWrite 信号来产生对其它硬件的控制信号。ReadData 多路选择器

在内存和各种 I/O 设备间选择读出数据。写使能寄存器保存了写入到 I/O 设备的值。

图 e9.1 地址映射 I/O 所需的硬件

Processor：微处理器

Address Decoder：地址译码器

硬件知识，包括内存映射 I / O 寄存器的地址和行为。其他程序调用设备驱动提供的函数来

访问设备，而不需知道底层设备的硬件。

9.3 嵌入式 I/O 系统

嵌入式系统使用一个处理器来控制与物理环境的交互。嵌入式系统一般围绕着微控制器

单元（microcontroller unit，MCU）来构造，MCU 结合了一个微处理器与一组容易使用的外

围设备，例如通用数字和模拟 I/O 引脚、串行端口、计时器等。微控制器通常是廉价的，并

且通过集成大部分必要部件到单一芯片上来使系统成本和尺寸最小化。大多数嵌入式系统比

一角硬币更小、更轻，功率只有几毫瓦，成本从几角到几美元不等。微控制器依据处理的数

据量大小来进行分类。8 位微控制器是最小和最便宜的，而 32 位微控制器则提供更多内存

和更高性能。

为了具体化，本节将介绍实际系统环境中的嵌入式系统 I / O。具体来说，我们将重点放

在流行且廉价的 Raspberry Pi 板，其中包含了一个 Broadcom BCM2835 片上系统（SoC）和一

个 700 MHz 32 位的实现了 ARMv6 指令集的 ARM1176JZ-F 处理器。每个小节在原理之后都跟

着在 Pi 上运行的具体示例。2014 年，所有这些例子都在在运行 NOOBS Raspbian Linux 的 Pi

上进行了测试。

图 e9.2 显示了一张 Raspberry Pi Model B +板的照片，这是一台完整的 Linux 计算机，大

小与信用卡大小相当，售价 35 美元。 Pi 板从 5 V USB 电源吸取高达 1 A 的电流。它有 512

MB 的板载 RAM 和一个 SD 卡插槽，用于含有操作系统和用户文件的存储卡。连接器提供

视频和音频输出，鼠标和键盘的 USB 端口，以太网（局域网）端口，以及作为本章主要内

容的 40 个通用 I / O（GPIO）引脚。

虽然 BCM2835 SoC 具有许多功能，而不是典型的廉价微控制器，但在通用 I / O 方面非

常相似。本章首先介绍 Raspberry Pi 上的 BCM2835，并描述内存映射 I / O 的设备驱动程序。

本章的其余部分将说明嵌入式系统如何执行通用数字，模拟和串行 I / O。定时器也经常用于

生成或测量精确的时间间隔。

图 e9.2 Raspberry Pi Model B +板

USB Power：USB 电源

Commented [z1]: 原文：The principles in each

subsection will be followed by specific examples

that run on the Pi. 不知翻译得准不准

HDMI Video：HDMI 视频

Audio：音频

Ethernet：以太网

9.3.1 BCM2835 片上系统

BCM2835 SoC 是 Broadcom 为移动设备和其他多媒体应用设计的功能强大且价格低廉

的芯片。 SoC 包括一个称为应用处理器的 ARM 微处理器，一个用于图形，视频和摄像头的

VideoCore 处理器，以及许多 I / O 外设。 BCM2835 采用塑料球栅阵列封装，下面有微小的

焊球; 它最好由机器人焊接，该机器人将该封装与印刷电路板上匹配的铜焊盘对齐并施加热

量。 Broadcom 没有发布完整的数据表，但是 Raspberry Pi 网站上提供了一个简短的数据表，

描述了如何从 ARM 处理器访问外设。该数据表描述了本章中为简单起见而省略的许多功能

和 I / O 寄存器。

www.raspberrypi.org/documentation/hardware/

图 e9.3 展示了 Raspberry Pi 模型板的简化示意图。电路板通过 USB 电源接收 5 V 电源，

稳压器产生 3.3,2.5 和 1.8 V 电平，用于 I / O，模拟和其他功能。 BCM2835 还具有内部开关

稳压器，可为节能的 SoC 产生可变的低电压。 BCM2835 连接到 USB /以太网控制器，也可

直接输出视频。它还具有 54 个可配置的 I / O 信号，但由于空间原因，用户只能通过插头

引脚访问其中的一小部分。接头还提供 3.3 V 和 5 V 接地，方便为连接到 Pi 的小型设备供

电，但最大总电流在 3.3 V 时为 50 mA，5 V 时为~300 mA。B 型和 B +类似，但 B +将 I / O 插

头引脚数量从 26 个增加到 40 个，USB 端口数量从 2 个增加到 4 个。包括 Adafruit Pi Cobbler

在内的各种电缆可将这些插头引脚连接到面包板上。

Raspberry Pi 使用 SD 卡作为闪存盘。该卡通常预装了 Raspbian Linux，这是一个适用于

8 GB SD 卡的小型 Linux 版本。您可以通过连接 HDMI 显示器和 USB 鼠标和键盘将其转变为

完整的计算机，或通过以太网电缆从另一台计算机连接到 Pi 来使用 Pi。

图 e9.3 Raspberry PI I/O 示意图

USB Power Jack：USB 电源插孔

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