第7章_ARM7系列芯片的外围电路设计.ppt

1.嵌入式硬件系统模块2.存储器电路与设计3.键盘输入模块4.显示输出模块5.串行通信模块 第第7章章 ARM7系列芯片的系列芯片的 外围电路设计外围电路设计2021/9/2117.1 嵌入式硬件系统模块l7.1.1最小系统结构l7.1.2电源电路l7.1.3时钟电路l7.1.4复位电路l7.1.5存储器系统2021/9/2127.1.1 最小系统结构 嵌入式微控制器是整个系统的核心，负嵌入式微控制器是整个系统的核心，负责整个系统的运作，但是它不能独立工责整个系统的运作，但是它不能独立工作，必须配置额外的外围电路为其提供作，必须配置额外的外围电路为其提供必要的基本条件。必要的基本条件。所谓最小系统结构，是指在嵌入式微控所谓最小系统结构，是指在嵌入式微控制器外部增加尽可能少的电路模块，达制器外部增加尽可能少的电路模块，达到一个可以让嵌入式微控制器独立工作到一个可以让嵌入式微控制器独立工作的状态的状态。2021/9/2137.1.2 电源电路电源是电子设备不可缺少的重要组成部分，良好的电源设计是系统稳定运行的保障，在进行硬件系统设计之前要估算整个系统的整体功率，然后在进行电源芯片的选型，其性能的优劣直接关系到硬件系统的稳定性和可靠性，以及电磁兼容性。2021/9/214电源设计的思路使用变压器将220v交流市电降到7v20v的交流电，然后通过整流电路把交流电整流成直流电，通过滤波采用线性稳压器件，实现电压调节和稳压的作用，将较高的直流电压转变为系统所需的系统工作电源。2021/9/2157.1.3 时钟电路 基于时序电路的微控制器依靠时钟才能正常工作。晶体振荡器也分为无源晶振（也可称为晶体，crystal）和有源晶振（也可称为振荡器，oscillator）2种类型。2021/9/2167.1.4 复位电路 复位电路是微控制器系统最基本的组成部分，可靠的复位设计是保证系统可靠运行的前提条件。因为数字系统一上电时，其内部状态是不可预知的，所以复位电路的功能就是负责将微控制器内部初始化为某个确定的状态。复位功能 上电复位 按键复位 2021/9/2177.1.5 存储器系统存储器是计算机系统中用来存放程序和数据的记忆设备。在进行扩展嵌入式存储器时，一般采用存储密度较大的存储器芯片，使其存储容量与应用软件的大小相匹配。另外，对于没有总线接口的微处理器，需要通过I/O口模拟总线时序来访问片外存储器，或者使用I2C、SPI等串行接口连接片外存储器。2021/9/2187.2 存储器电路与设计l7.2.1嵌入式系统中存储器的分类l7.2.2SRAM接口l7.2.3SDRAM接口l7.2.4PSRAM接口l7.2.5NAND FLASH接口l7.2.6 NOR FALSH接口l7.2.7存储器与ARM的连接2021/9/2197.2.1 嵌入式系统中 存储器的分类 嵌入式领域中存储器一般可分为两大类：随机访问存储器（Random Access Memory，RAM）和只读存储器（Read Only Memory，ROM）。2021/9/2110RAM（随机访问存储器）lRAM也可称为读写存储器，其存储单元中的内容在机器运行期间可按需随意读/写，且访问速度与存储单元的位置无关，无需经过中间电路的驱动。因为RAM在断电时将丢失其存储内容，所以主要用于存储短时间使用的程序。l根据存储信息原理的不同，RAM又可以分为SRAM（Static RAM，静态随机存储器）、SDRAM（Synchronous Dynamic RAM，同步的动态随机存储器）和PSRAM（Pseudo Static RAM，假静态随机存储器）。2021/9/2111ROM（只读存储器）lROM是一种只能读出预先存储数据的固态半导体存储器，其特性是ROM所存的数据稳定，断电后数据不会改变；其结构较简单，读出较方便，因而常用于存储各种固定程序和数据。lROM可以分为掩膜式只读存储器（MROM）、可编程只读存储器（PROM）、可擦可编程序只读存储器（EPROM）、电可擦可编程只读存储器（E2PROM）和闪速存储器（FLASH Memory）。2021/9/2112FLASH存储器 lFLASH是在EPROM和E2PROM 基础上发展起来的，兼有RAM和ROM两者的优点，是一种可在系统（In-System）进行电擦写，掉电后信息不丢失的存储器。其具有高集成度、大容量、高速度、低成本的特点。l根据不同的应用场合，FLASH的实现技术分为 NOR型FLASH 和NAND型FLASH。2021/9/21137.2.2 SRAM接口1.SRAM特点l具有极高的读写速度lSRAM属于易失性存储器，电源掉电后SRAM中的数据将会丢失2.逻辑结构2021/9/2114静态RAM的逻辑结构1.存储矩阵2.存储器读/写控制逻辑3.双向数据缓冲器4.地址译码器l主要有两种实现方式：单译码方式，双译码方式。2021/9/2115举例：IS61LV25616AL芯片 美国ISSI公司的IS61LV25616AL芯片是采用高性能CMOS技术、高速16位 512KB的SRAM。IS61LV25616AL芯片内部逻辑结构IS61LV25616AL芯片的引脚描述 IS61LV25616AL芯片与LPC2100/2200系列的连接示意图 2021/9/21167.2.3 SDRAM接口1.SDRAM特点l数据的读写需要时钟来同步，并且需要不断的刷新电路来保证数据的不丢失 l可以自由指定地址进行数据的读写2.逻辑结构2021/9/2117动态RAM的逻辑结构1.存储阵列BANK 2.BANK控制逻辑 2021/9/2118举例：HY57V561620芯片 韩国现代HY57V561620芯片是支持自动刷新（Auto-Refresh）和自刷新（Self-Refresh）功能 的 4M4bank16位（32M字节）的SDRAM。HY57V561620芯片引脚描述 HY57V561620芯片与LPC2100/2200系列的连接示意图 2021/9/21197.2.4 PSRAM接口1.PSRAM特点l内部结构跟SDRAM相似，外部接口却跟SRAM相似 lPSRAM容量没有SDRAM密度高，但是比SRAM高很多，支持突发模式；l价格上比相同容量的SDRAM稍贵，却比SRAM便宜很多；l比较于SDRAM，PSRAM的功耗要低很多 2021/9/2120举例：MT45W4Mx16PFA芯片 MT45W4Mx16PFA芯片是一种高速、CMOS动态随机存取存储器，其存储容量为4Meg*16bit的64Mb，适用于低功耗的便携式应用。MT45W4Mx16PFA芯片引脚描述 MT45W4Mx16PFA芯片与LPC2100/2200系列的连接示意图 2021/9/21217.2.5 NAND FLASH接口1.NAND FLASH接口的特点l共用地址线和数据线，需要控制信号线来配合数据的读和写 lI/O端口只有8个，不能按字节随机编程，适合于纯数据和文件存储。l速度要比NOR型的并行传输模式慢很多，读操作较慢；l由于芯片尺寸小，引脚少，NAND型是位成本（bit cost）最低的固态存储器。2.逻辑结构2021/9/2122NAND FLASH的逻辑结构CPU与NAND FLASH的通信（地址信息、命令信息和数据信息）只能通过I/O7:0进行传递，地址信息分别对应产生出访问存储阵列的列地址、页地址和块地址。NAND FLASH以页（528Bytes）为单位读写数据，再以块（32个页）为单位擦除数据，NAND FLASH的具体容量由FLASH上有多少个块所决定，NAND FLASH中包括三类地址：列地址（A7A0）、页地址和块地址 2021/9/2123举例：K9F28XXU0C芯片 韩国三星公司的K9F28XXU0C是一个含有4M位备用容量的128M位Flash存储器，提供16M 8位或8M 16位两种结构。IS61LV25616AL芯片内部逻辑结构IS61LV25616AL芯片的引脚描述 IS61LV25616AL芯片与LPC2100/2200系列的连接示意图 2021/9/21247.2.6 NOR FLASH接口1.NOR FLASH接口的特点l数据线和地址线是独立分开的，所以它可以像SRAM一样与系统的数据总线相连 l传输效率很高l支持芯片内执行(XIP，eXecute In Place)程序，因此嵌入式系统中经常将NOR芯片做启动芯片使用。2021/9/2125举例：SST39V160芯片 SST公司的SST39V160芯片容量为2MB，数据宽度为16bit的CMOS 多功能FLASH器件。SST39V160芯片内部逻辑结构SST39V160芯片的引脚描述 SST39V160芯片与LPC2100/2200系列的连接示意图 2021/9/21267.2.7 存储器与ARM的连接 具体连接方法和原则 l数据总线l控制总线l地址总线存储器的控制信号主要有芯片使能、读/写、读写控制、行列地址选择和时钟等信号，由这些信号的组合实现了对存储器的读写访问所特有的时序约束要求。32位ARM的地址空间为4GB，采用统一编址的方式，即主存地址空间和外设接口地址空间是统一在同一个地址空间的不同区间，不同的厂家的处理器的地址空间分配不同。2021/9/21277.3 键盘输入模块l7.3.1键盘工作原理l7.3.2键盘的硬件电路l7.3.3键盘的驱动2021/9/21287.3.1 键盘工作原理键盘是嵌入式系统中不可缺少的、最基本的输入设备。组成键盘的按键有机械式、电容式、导电橡胶式、薄膜式等多种。按结构形式可分为：非编码键盘 编码键盘主要通过硬件方法来产生键码值，键盘本身会带有实现键盘功能所必需的硬件电路。优点是接口简单、使用方便；缺点是硬件电路较复杂，价格较贵。主要通过软件方法产生键码值，键盘本身只是按键开关组成的行列矩阵，而相应的按键的识别、键码的确定、去抖动等功能均由程序完成，非编码键盘结构简单，成本低廉。2021/9/21297.3.1 键盘工作原理键盘接口的功能 去抖动 防串键 按键识别 键码产生键盘接口的工作原理 检查是否有键按下 去抖动 被按键识别 产生键码 2021/9/21307.3.2键盘的硬件电路常用键盘按键电路一般分为“独立式按键电路”、“专用芯片式电路”和“矩阵式电路”几种。2021/9/21317.3.3 键盘的驱动键盘扫描的过程是将行线逐列置成低电平，然后读取列线状态，直到列线中出现低电平，这时可知哪一行是低电平；然后将行线与列线的状态装入键码寄存器，进行按键译码，得到按下的按键的相应编码，这样就完成了按键扫描过程。2021/9/21327.4 显示输出模块l7.4.17段数码管的工作原理l7.4.2LCD的工作原理2021/9/21337.4.1 7段数码管的工组原理在嵌入式系统中，经常用到7段数码管显示器来显示系统的工作状态、运算结果等各种信息，7段数码管显示器是嵌入式系统与人进行人机对话的一种重要输出设备。2021/9/21347段数码管显示器中二极管的连接方法：共阳极接法 共阴极接法 2021/9/21357.4.2 LCD的工作原理液晶显示器 LCD（Liquid Crystal Display）是一种极低功耗的显示器，既可以显示汉字、字符和图形，又同时具有高清晰度、大信息量、功耗低、体积小、重量轻、超薄等优点。被广泛用于嵌入式系统中的智能仪器、仪表和低功耗电子产品中。2021/9/2136LED和LCD的区别(1)LED一般使用直流电，而LCD需使用交变的电压。(2)LCD因为本身不发光，因此较LED更为省电。(3)LED是个发光源，因此在黑暗中更加醒目，而且可当照明用。(4)LCD较LED阵列的解析度高，因此LCD可显示 较复杂的图形。LCD显示器的基本原理就是液晶（以液态存在的分子晶体单元）本身並不发光，但是通过给不同的晶体单元供电，控制其光线的通过与否，从而达到显示的目的。2021/9/2137LCD模块通常LCD模块分为几部分：LCM（玻璃）、背光、PCB 板。点阵的LCD模块按照驱动控制器的集成方式，大可分为两种：COB和COG；COG是将驱动控制IC集成到了玻璃里面；COB是把驱动控制IC焊接在LCD模块后面的 PCB板上。2021/9/2138LCD 接口控制器（LCD Module）的分类LCM的分类：段码型液晶模块 点阵字符液晶模块 点阵图形液晶模块2021/9/21397.5 串行通信模块嵌入式开发中与PC机进行串行通信是常用的一种方式，PC机的串行通信采用的是美国电子工业协会（EIA）的RS-232接口，适用于DCE和DTE间的串行二进制通信，具有多种波特率的选择，适应于各种不同数据传输率的设备。RS-232C电平与TTL和CMOS电平是不同的，故需进行转换，目前常采用MAX232芯片。2021/9/2140 MAX232典型应用电路 2021/9/2141练习题练习题l1题、2题、4题、5题2021/9/2142