《ARM硬件平台设计》PPT课件.ppt

第五讲 ARM9硬件平台设计南京邮电大学南京邮电大学 自动化学院自动化学院1 13 32 24 45 5印制板的设计印制板的设计最小系统的设计最小系统的设计S3C2410XS3C2410X概述概述外设及系统总线外设及系统总线6 6硬件系统的调试硬件系统的调试OUTLINE硬件系统组成硬件系统组成21 13 32 24 45 5印制板的设计印制板的设计最小系统的设计最小系统的设计S3C2410XS3C2410X概述概述外设及系统总线外设及系统总线6 6硬件系统的调试硬件系统的调试硬件系统组成硬件系统组成3嵌入式系统的软硬件框架串口、并口、USB、以太网等LED、LCD、触摸屏、鼠标、键盘等Linux、uCLinux、uC/OS-II、WINDOWS CE等硬件系统组成硬件系统组成4JXARM9-2410系统板的硬件组成5S3C2410X内部结构图S3C2410X概述61 13 32 24 45 5印制板的设计印制板的设计最小系统的设计最小系统的设计S3C2410XS3C2410X概述概述外设及系统总线外设及系统总线6 6硬件系统的调试硬件系统的调试硬件系统组成硬件系统组成7S3C2410X片上资源S3C2410X概述qARM920TARM920T核、工作频率核、工作频率203MHz203MHz；q16KB 16KB 数据数据CacheCache，16KB 16KB 指令指令CacheCache，MMUMMU，外部存储器控制器；外部存储器控制器；qLCDLCD控制器（支持黑白、灰度、控制器（支持黑白、灰度、Color STNColor STN、TFTTFT屏），触摸屏接口；屏），触摸屏接口；qNAND FLASHNAND FLASH控制器，控制器，SD/MMCSD/MMC接口支持，接口支持，4 4个个DMADMA通道；通道；q3 3通道通道UARTUART、1 1个多主个多主I2CI2C总线控制器、总线控制器、1 1个个IISIIS总线控制器；总线控制器；q4 4通道通道PWMPWM定时器及一个内部定时器；定时器及一个内部定时器；q117117个通用个通用I/OI/O口；口；2424个外部中断源；个外部中断源；q8 8通道通道1010位位ADCADC；q实时时钟及看门狗定时器等。实时时钟及看门狗定时器等。q两个两个USBUSB主主/一个一个USBUSB从；从；8S3C2410X特性S3C2410X概述q内核内核:1.8V I/O:1.8V I/O及存储器及存储器 q电源管理模式：电源管理模式：NormalNormal、SlowSlow、IdleIdle、Power off Power off Normal Mode:Normal Mode:该模式下如果所有外围设备都打开时电该模式下如果所有外围设备都打开时电流消耗最大，允许用户通过软件关闭外围设备达到省电流消耗最大，允许用户通过软件关闭外围设备达到省电目的目的Slow Mode:Slow Mode:不采用不采用PLLPLL的模式，能量消耗仅取决于外时的模式，能量消耗仅取决于外时钟的频率。由外部提供的时钟源作钟的频率。由外部提供的时钟源作FCLKFCLKIdle Mode:Idle Mode:关掉了给关掉了给cpucpu的的FCLKFCLK时钟，但外围设备时时钟，但外围设备时钟仍存在，任何到钟仍存在，任何到CPUCPU的中断请求可以将的中断请求可以将cpucpu唤醒唤醒Power_offPower_off Mode:Mode:这种模式关掉了内部供电，仅有给这种模式关掉了内部供电，仅有给wake_upwake_up部分的供电还存在。可以通过外部中断或实时部分的供电还存在。可以通过外部中断或实时时钟中断可以唤醒时钟中断可以唤醒q272-FBGA272-FBGA9S3C2410X的引脚分布图S3C2410X概述10S3C2410X的存储器映射S3C2410X概述11总线控制信号S3C2410X的引脚信号描述12SDRAM/SRAMS3C2410X的引脚信号描述13NAND FlashS3C2410X的引脚信号描述14LCD控制信号S3C2410X的引脚信号描述15中断控制信号S3C2410X的引脚信号描述16DMA控制信号S3C2410X的引脚信号描述17UART控制信号S3C2410X的引脚信号描述18ADCS3C2410X的引脚信号描述19IIC-BUS控制信号S3C2410X的引脚信号描述20IIS-BUS控制信号S3C2410X的引脚信号描述21触摸屏接口控制信号S3C2410X的引脚信号描述22USB主接口信号S3C2410X的引脚信号描述23USB从接口信号S3C2410X的引脚信号描述24SPI接口信号S3C2410X的引脚信号描述25GPIOS3C2410X的引脚信号描述26TIMER/PWM控制信号S3C2410X的引脚信号描述27复位和时钟信号S3C2410X的引脚信号描述28JTAG测试逻辑S3C2410X的引脚信号描述29电源S3C2410X的引脚信号描述30芯片及引脚分析S3C2410X的引脚信号描述q具有大量的电源和接地引脚，应注意电源电压及分配具有大量的电源和接地引脚，应注意电源电压及分配qS3C2410XS3C2410X的引脚主要分为如下几类，即：数字输入的引脚主要分为如下几类，即：数字输入(I)(I)、数字输出数字输出(O)(O)、数字输入、数字输入/输出输出(I/O)(I/O)、模拟输入、模拟输入/输出输出q输出类型的引脚主要用于输出类型的引脚主要用于S3C2410XS3C2410X对外设的控制或通信，对外设的控制或通信，由由S3C2410XS3C2410X主动发出，这些引脚的连接不会对主动发出，这些引脚的连接不会对S3C2410XS3C2410X自身自身的运行有太大的影响的运行有太大的影响q输入类型的引脚有些直接决定输入类型的引脚有些直接决定S3C2410XS3C2410X是否可正常运行，是否可正常运行，设计时应特别注意设计时应特别注意q输入输入/输出类型的引脚主要是输出类型的引脚主要是S3C2410XS3C2410X与外设的双向数据与外设的双向数据传输通道传输通道311 13 32 24 45 5印制板的设计印制板的设计最小系统的设计最小系统的设计S3C2410XS3C2410X概述概述外设及系统总线外设及系统总线6 6硬件系统的调试硬件系统的调试硬件系统组成硬件系统组成32最小系统最小系统1、一个嵌入式处理器是不能独立工作的，必须给它供电、加上时钟信号、提供复位信号，如果芯片没有片内程序存储器，则还要加上存储器系统，然后嵌入式处理器才可能工作2、这些提供嵌入式处理器运行所必须的条件的电路与嵌入式处理器共同构成了这个嵌入式处理器的最小系统3、大多数基于ARM9处理器核的微控制器都有调试接口，这部分在芯片实际工作时不是必需的，但因为这部分在开发时很重要，所以把这部分也归入到最小系统中最小系统的设计33最小系统框图最小系统框图最小系统的设计34电源电路-概述最小系统的设计 为整个系统提供能量，是整个系统工作的基础为整个系统提供能量，是整个系统工作的基础 电源系统处理的好坏，将直接影响到整个系统电源系统处理的好坏，将直接影响到整个系统的稳定性、可靠性等的稳定性、可靠性等35电源电路-考虑的因素最小系统的设计1 1.输入的电压范围、电流；输入的电压范围、电流；2 2.输出的电压、最大电流、最大功率；输出的电压、最大电流、最大功率；3 3.输出纹波大小；输出纹波大小；4 4.安全因素；安全因素；5 5.电池兼容和电磁干扰；电池兼容和电磁干扰；6 6.体积要求；体积要求；7 7.成本要求。成本要求。36电源电路-需求分析最小系统的设计1 1、一般是多电源系统，、一般是多电源系统，I/OI/O一般为供电，内核为一般为供电，内核为（S3C44B0S3C44B0）、）、（S3C2410S3C2410）或（）或（PXA255PXA255）供）供电，有可能还包含电，有可能还包含5V5V或或12V12V等电源；等电源；2 2、一般将数字电源和模拟电源分别供电；一般将数字电源和模拟电源分别供电；3 3、要求电源纹波比较小；、要求电源纹波比较小；37电源电路-芯片选型最小系统的设计1 1、有很多厂家均生产、有很多厂家均生产LDO DC-DCLDO DC-DC转换芯片，如转换芯片，如MaximMaxim、LinearLinear、Sipex Sipex、TITI、Microchip Microchip等；等；2 2、转换到、转换到5V5V的芯片有的芯片有UA7805UA7805、TL750L05TL750L05、LTC3425LTC3425、REG1117-5REG1117-5等；等；3 3、转换到的芯片有、转换到的芯片有LT1083LT1083（）、（）、LT1084 LT1084（5A5A）、LT1085 LT1085（3A3A）、）、LT1086 LT1086（），等；（），等；38电源电路-参考电路最小系统的设计S3C2410X供电电路 39电源电路-参考电路最小系统的设计微处理器核供电电路 40时钟电路最小系统的设计 时钟电路用于向时钟电路用于向CPUCPU及其它电路提供工作时钟，在该系统中，及其它电路提供工作时钟，在该系统中，S3C2410XS3C2410X使用无源晶振，晶振的接法如下图所示使用无源晶振，晶振的接法如下图所示主时钟电路RTC时钟电路主时钟及USB时钟滤波41时钟电路最小系统的设计1 1、根据、根据S3C2410XS3C2410X的最高工作频率以及的最高工作频率以及PLLPLL电路的工作方式，电路的工作方式，选择选择12MHz12MHz的无源晶振。的无源晶振。12MHz12MHz的晶振频率经过的晶振频率经过S3C2410XS3C2410X片内的片内的PLLPLL电路倍频后，可达到的频率。电路倍频后，可达到的频率。2 2、片内的片内的PLLPLL电路兼有频率放大和信号提纯的功能，因此，电路兼有频率放大和信号提纯的功能，因此，系统可以以较低的外部时钟信号获得较高的工作频率，以系统可以以较低的外部时钟信号获得较高的工作频率，以降低因高速开关时钟所造成的高频噪声。降低因高速开关时钟所造成的高频噪声。42复位电路最小系统的设计q由由RCRC电路及施密特触发器组成：电路及施密特触发器组成：43JTAG调试接口电路最小系统的设计1、JTAG(Joint Test Action GroupJTAG(Joint Test Action Group，联合测试行动小组，联合测试行动小组)是一种国际标准是一种国际标准 测试协议，主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试。测试协议，主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试。2、目前大多数比较复杂的器件都支持目前大多数比较复杂的器件都支持JTAGJTAG协议，如协议，如ARMARM、DSPDSP、FPGAFPGA器件等。器件等。3 3、标准的、标准的JTAGJTAG接口是接口是4 4线：线：TMSTMS、TCKTCK、TDITDI、TDOTDO，分别为测试模式选择、，分别为测试模式选择、测试时钟、测试数据输入和测试数据输出。测试时钟、测试数据输入和测试数据输出。4 4、JTAGJTAG测试允许多个器件通过测试允许多个器件通过JTAGJTAG接口串联在一起，形成一个接口串联在一起，形成一个JTAGJTAG链，能链，能 实现对各个器件分别测试。实现对各个器件分别测试。JTAGJTAG接口还常用于实现接口还常用于实现ISPISP（In-System In-System Programmable Programmable在系统编程）功能，如对在系统编程）功能，如对FLASHFLASH器件进行编程等。器件进行编程等。5 5、通过、通过JTAGJTAG接口，可对芯片内部的所有部件进行访问，因而是开发调试接口，可对芯片内部的所有部件进行访问，因而是开发调试 嵌入式系统的一种简洁高效的手段。目前嵌入式系统的一种简洁高效的手段。目前JTAGJTAG接口的连接有两种标准，接口的连接有两种标准，即即1414针接口和针接口和2020针接口。针接口。44JTAG调试接口电路-14针接口及定义最小系统的设计45JTAG调试接口电路-20针接口及定义最小系统的设计46最小系统的设计JTAG调试接口示意图47JTAG接口电路设计接口电路最小系统的设计必须接上拉20针JTAG接口481 13 32 24 45 5印制板的设计印制板的设计最小系统的设计最小系统的设计S3C2410XS3C2410X概述概述外设及系统总线外设及系统总线6 6硬件系统的调试硬件系统的调试硬件系统组成硬件系统组成49S3C2410X扩展系统qS3C2410XS3C2410X最小系统最小系统 +SDRAM+FLASH+SDRAM+FLASH电路可构电路可构成一个完全的嵌入式系统成一个完全的嵌入式系统q可运行于可运行于SDRAMSDRAM中的程序，也可以运行中的程序，也可以运行FLASHFLASH中中的程序的程序q程序大小可以很大，如果将程序保存到程序大小可以很大，如果将程序保存到FLASHFLASH中，中，掉电后不会丢失，因此，既可以通过掉电后不会丢失，因此，既可以通过JTAGJTAG接口调试程接口调试程序，也可以将程序烧写到序，也可以将程序烧写到FLASHFLASH，然后运行然后运行FLASHFLASH中中的程序的程序q在此基础上加入必要的接口及其他电路，就构成在此基础上加入必要的接口及其他电路，就构成了具体的了具体的S3C2410XS3C2410X应用系统应用系统外设及系统总线50串口接口电路设计串口芯片选型q要完成最基本的串行通信功能，实际上只需要要完成最基本的串行通信功能，实际上只需要RXD、TXD和和GND即可，但由于即可，但由于RS-232-C标准所定义的高、低电平信号与标准所定义的高、低电平信号与S3C2410X系统的系统的TTL电路所定义的高、低电平信号完全不同。电路所定义的高、低电平信号完全不同。qTTL的标准逻辑的标准逻辑“1”对应对应2V电平，标准逻辑电平，标准逻辑“0”对应对应0V电平，而电平，而RS-232-C标准采用负逻辑方式，标准逻辑标准采用负逻辑方式，标准逻辑“1”对对应应-5V-15V电平，标准逻辑电平，标准逻辑“0”对应对应+5V+15V电平，显然，电平，显然，两者间要进行通信必须经过信号电平的转换。两者间要进行通信必须经过信号电平的转换。q目前常使用的电平转换电路为目前常使用的电平转换电路为Sipex公司的公司的SP3232E。外设及系统总线51串口接口电路设计SP3232E引脚分布外设及系统总线52串口接口电路设计串口接口电路RS232电平TTL电平外设及系统总线53IIC接口电路设计IIC简介qIICIIC总线是一种用于总线是一种用于ICIC器件之间连接的二线制总线。器件之间连接的二线制总线。它通过它通过SDASDA（串行数据线）及串行数据线）及SCLSCL（串行时钟线）两线串行时钟线）两线在连接到总线上的器件之间传送信息，并根据地址识在连接到总线上的器件之间传送信息，并根据地址识别每个器件：不管是微控制器、存储器、别每个器件：不管是微控制器、存储器、LCDLCD驱动器驱动器还是键盘接口。还是键盘接口。外设及系统总线qS3C2410XS3C2410X内含一个内含一个IICIIC总线主控器，可方便地与各总线主控器，可方便地与各种带有种带有IICIIC接口的器件相连。接口的器件相连。q在本实验系统中，外扩一片在本实验系统中，外扩一片KS24C08KS24C08作为作为IICIIC存储存储器。器。KS24C08KS24C08提供提供1K1K字节的字节的EEPROMEEPROM存储空间，可用存储空间，可用于存放少量在系统掉电时需要保存的数据。于存放少量在系统掉电时需要保存的数据。54IIC接口电路设计IIC接口电路外设及系统总线551 13 32 24 45 5印制板的设计印制板的设计最小系统的设计最小系统的设计S3C2410XS3C2410X概述概述外设及系统总线外设及系统总线6 6硬件系统的调试硬件系统的调试硬件系统组成硬件系统组成56印刷电路板设计注意事项印刷电路板的设计qS3C2410XS3C2410X的片内工作频率为的片内工作频率为60MHz60MHz，因此，在因此，在印刷电路板的设计过程中，应该遵循一些高频电路的印刷电路板的设计过程中，应该遵循一些高频电路的设计基本原则，否则会使系统工作不稳定甚至不能正设计基本原则，否则会使系统工作不稳定甚至不能正常工作。常工作。q印刷电路板的设计人员应注意以下几个方面：印刷电路板的设计人员应注意以下几个方面：注意电源的质量与分配。注意电源的质量与分配。同类型信号线应该成组、平行分布。同类型信号线应该成组、平行分布。57电源质量与分配印刷电路板的设计q电源滤波电源滤波为提高系统的电源质量，消除低频噪声对系统的影响，为提高系统的电源质量，消除低频噪声对系统的影响，一般应在电源进入印刷电路板的位置和靠近各器件的电一般应在电源进入印刷电路板的位置和靠近各器件的电源引脚处加上滤波器，以消除电源的噪声源引脚处加上滤波器，以消除电源的噪声常用的方法是在这些位置加上几十到几百微法的电容常用的方法是在这些位置加上几十到几百微法的电容同时，在系统中除了要注意低频噪声的影响，还要注同时，在系统中除了要注意低频噪声的影响，还要注意元器件工作时产生的意元器件工作时产生的高频噪声高频噪声，一般的方法是在器件，一般的方法是在器件的的电源和地之间加上电源和地之间加上左右的电容左右的电容，可以很好地滤出高频，可以很好地滤出高频噪声的影响。噪声的影响。58电源质量与分配印刷电路板的设计q电源分配电源分配实际的工程应用和理论都证实，电源的分配对系统的实际的工程应用和理论都证实，电源的分配对系统的稳定性有很大的影响，因此，在设计印刷电路板时，要稳定性有很大的影响，因此，在设计印刷电路板时，要注意电源的分配问题。注意电源的分配问题。在印刷电路板上，电源的供给一般采用电源总线（双在印刷电路板上，电源的供给一般采用电源总线（双面板）或电源层（多层板）的方式。电源总线由两条或面板）或电源层（多层板）的方式。电源总线由两条或多条较宽的线组成，由于受到电路板面积的限制，一般多条较宽的线组成，由于受到电路板面积的限制，一般不可能布得过宽，因此存在较大的直流电阻，但在双面不可能布得过宽，因此存在较大的直流电阻，但在双面板的设计中也只好采用这种方式了，只是在布线的过程板的设计中也只好采用这种方式了，只是在布线的过程中，应尽量注意这个问题中，应尽量注意这个问题59电源质量与分配印刷电路板的设计q电源分配电源分配在多层板的设计中，一般使用电源层的方式给系统供在多层板的设计中，一般使用电源层的方式给系统供电。该方式专门拿出一层作为电源层而不再在其上布信电。该方式专门拿出一层作为电源层而不再在其上布信号线。由于电源层遍及电路板的全面积，因此直流电阻号线。由于电源层遍及电路板的全面积，因此直流电阻非常的小，采用这种方式可有效的降低噪声，提高系统非常的小，采用这种方式可有效的降低噪声，提高系统的稳定性。的稳定性。60同类型信号线的分布印刷电路板的设计q在各种微处理器的输入输出信号中，总有相当一在各种微处理器的输入输出信号中，总有相当一部分是相同类型的，例如数据线、地址线。部分是相同类型的，例如数据线、地址线。q对这些相同类型的信号线应该成组、平行分布，对这些相同类型的信号线应该成组、平行分布，同时注意它们之间的长短差异不要太大，采用这种布同时注意它们之间的长短差异不要太大，采用这种布线方式，不但可以减少干扰，增加系统的稳定性，还线方式，不但可以减少干扰，增加系统的稳定性，还可以使布线变得简单，印刷电路板的外观更美观。可以使布线变得简单，印刷电路板的外观更美观。611 13 32 24 45 5印制板的设计印制板的设计最小系统的设计最小系统的设计S3C2410XS3C2410X概述概述外设及系统总线外设及系统总线6 6硬件系统的调试硬件系统的调试硬件系统组成硬件系统组成62硬件调试硬件系统的调试q尽可能的从简单到复杂，一个单元一个单元地焊尽可能的从简单到复杂，一个单元一个单元地焊接调试，以便在调试过程中遇到困难时缩小故障范围，接调试，以便在调试过程中遇到困难时缩小故障范围，在调试过程中，应先确定电路没有短路，才能通电调在调试过程中，应先确定电路没有短路，才能通电调试。试。q先从最小系统调试：先从最小系统调试：S3C2410X+S3C2410X+电源电路电源电路 +晶晶振电路振电路 +复位电路复位电路 +JTAG+JTAG接口接口63硬件调试硬件系统的调试q然后加上然后加上SDRAMSDRAM，再加上再加上FLASHFLASH，然后再加上其然后再加上其它接口它接口q芯片在工作时有一定的发热是正常的，但如果有芯片在工作时有一定的发热是正常的，但如果有芯片特别发烫，则一定有故障存在，需断电检查确认芯片特别发烫，则一定有故障存在，需断电检查确认无误后方可继续通电调试。无误后方可继续通电调试。64电源、晶振及复位电路调试硬件系统的调试q调试电源电路之前，尽量少接器件，通电之前检调试电源电路之前，尽量少接器件，通电之前检查有无短路现象查有无短路现象q用示波器观测，晶振的输出应为用示波器观测，晶振的输出应为12MHz12MHzq复位电路的复位电路的nRESETnRESET端在未按按钮时输出应为高电端在未按按钮时输出应为高电平（平（），），按下按钮后变为低电平，按钮松开后应恢复按下按钮后变为低电平，按钮松开后应恢复到高电平到高电平65JTAG接口电路调试硬件系统的调试q调试调试JTAGJTAG接口电路之前，应该保证晶振已经起振接口电路之前，应该保证晶振已经起振q检测检测JTAGJTAG接口的接口的TMSTMS、TCKTCK、TDITDI、TDOTDO信号是信号是否已与否已与S3C4510BS3C4510B的对应引脚相连的对应引脚相连q连接调试器，看是否能够连接上，如果连接不上，连接调试器，看是否能够连接上，如果连接不上，检查检查TMSTMS、TCKTCK、TDITDI、TDOTDO等等信号是否正常信号是否正常q正常工作时，正常工作时，TRSTTRST应该为高电平，如果连接不上应该为高电平，如果连接不上调试器，需要检查该信号调试器，需要检查该信号66 最小系统设计最小系统设计 存储系统映射存储系统映射 硬件设计与调试硬件设计与调试小结小结67