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2C H A P T E R嵌入式硬件基础嵌入式硬件基础本节提要本节提要1 13 32 24 4嵌入式系统硬件基础嵌入式系统硬件基础嵌入式系统开发环境嵌入式系统开发环境嵌入式系统硬件开发流程嵌入式系统硬件开发流程芯片封装知识简介芯片封装知识简介嵌入式系统硬件部分嵌入式系统软件部分如人的大脑，决定了硬件的操作模式。通过良好的操作系统以及应用程序，把硬件功能发挥到极至。如人的手、脚、神经等部位，决定了嵌入式系统的先天功能。如运算能力和I/O接口等。nRISC和CISCn冯诺依曼体系结构和哈佛体系结构n流水线n嵌入式微处理器体系结果n总线n高速输入输出接口n输入输出设备n存储器嵌入式系统硬件基础CISC和RISCCISCCISC：复杂指令集（：复杂指令集（Complex Instruction Set ComputerComplex Instruction Set Computer）具有大量的指令和寻址方式，指令长度可变具有大量的指令和寻址方式，指令长度可变8/28/2原则：原则：80%80%的程序只使用的程序只使用20%20%的指令的指令大多数程序只使用少量的指令就能够运行。大多数程序只使用少量的指令就能够运行。RISCRISC：精简指令集（：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer)Reduced Instruction Set Computer)只包含最有用的指令，指令长度固定只包含最有用的指令，指令长度固定确保数据通道快速执行每一条指令确保数据通道快速执行每一条指令使使CPUCPU硬件结构设计变得更为简单硬件结构设计变得更为简单CISC与RISC的对比类别CISCRISC指令系统指令数量很多较少，通常少于100执行时间有些指令执行时间很长，如整块的存储器内容拷贝；或将多个寄存器的内容拷贝到存贮器没有较长执行时间的指令编码长度编码长度可变，1-15字节编码长度固定，通常为4个字节寻址方式寻址方式多样简单寻址操作可以对存储器和寄存器进行算术和逻辑操作只能对寄存器对行算术和逻辑操作，Load/Store体系结构编译难以用优化编译器生成高效的目标代码程序 采用优化编译技术，生成高效的目标代码程序 冯诺依曼体系结构冯诺依曼体系结构指令寄存器控制器数据通道输入输出中央处理器存储器程序指令0指令1指令2指令3指令4数据数据0数据1数据2哈佛体系结构指令寄存器控制器数据通道输入输出CPU程序存储器指令0指令1指令2数据存储器数据0数据1数据2地址指令地址数据流水线技术流水线技术流水线流水线(Pipeline)(Pipeline)技术：几个指令可以并行执行技术：几个指令可以并行执行 提高了提高了CPUCPU的运行效率的运行效率 内部信息流要求通畅流动内部信息流要求通畅流动译码取指执行add译码取指执行sub译码取指执行cmp时间AddSubCmp高速缓存（CACHE）1 1、为什么采用高速缓存、为什么采用高速缓存 微处理器的时钟频率比内存速度提高快得多，高速缓存可以微处理器的时钟频率比内存速度提高快得多，高速缓存可以提高内存的平均性能。提高内存的平均性能。2 2、高速缓存的工作原理、高速缓存的工作原理 高速缓存是一种小型、快速的存储器，它保存部分主存内容高速缓存是一种小型、快速的存储器，它保存部分主存内容的拷贝。的拷贝。CPU高速缓存控制器CACHE主存数据数据地址总线和总线桥CPU低速设备桥数据高速总线存储器高速设备键盘低速总线ARM公司提出的AMBA总线标准嵌入式处理器体系结构n按体系结构的不同可分为五大类nARMnMIPSnPOWER PCnX86nSH系列 nARM 公司的ARM RISC处理器nARM 7 Thumb 家族nARM 9 Thumb 家族nARM 10 Thumb 家族nARM 11 Thumb 家族Intel StrongARMnStrongARM 110nStrongARM 1100nStrongARM 1110nStrongARM 1111INTEL的Xscale架构处理器基于ARM V5TE体系结构兼容ARM V5TE ISA指令集（不支持浮点指令集）在处理器内核周围提供了指令和数据存储器管理单元指令、数据和微小数据缓存写缓冲、挂起缓冲和分支目标缓冲器电源管理性能监控调试JTAG单元以及协处理器接口MAC协处理器内核存储总线MIPSn从1986年推出R2000处理器以来，MIPS陆续推出R3000、R4000、R8000等。n之后,MIPS公司的战略发生变化，把重点放在嵌入式系统。n1999年，MIPS公司发布了MIPS32和MIPS64体系结构标准，集成了原来所有的MIPS指令集，并且增加了许多更强大的功能。n此后MIPS公司又陆续开发了高性能、低功耗的32位和64位处理器内核。MIPS RISC關於任天堂任天堂創立於1889年，是日本的電視遊戲製造商。擁有SUPER MARIO、DONKEY KONG、THE LEGEND OF ZELDA等多款知名的遊戲，至今已在全球售出了超過4億6千萬台的硬體、以及27億套軟體。MIPSn在MIPS的32位内核中n4K系列对应于SOC应用设计；nM4K系列内核是为在下一代消费电子、网络、宽带应用中越来越受欢迎的多CPU SOC所设计；n4KE系列具有目前32位通用嵌入式处理器中最高的DMIPS/MHz性能指标；n4KS系列由于采用了特殊的SmartMIPS体系结构，特别适用于需要安全数据传输的领域，比如网络、智能卡等；n5K和20Kc系列属于MIPS的64位内核n5K能提供1.4DMIPS/MHz的性能以及最低350MHz的运行速率。n20Kc是当今最快的可授权嵌入式处理器内核。一般运行在600MHz，具有7段流水线的20Kc内核，能提供1.2GFLOPS的峰值浮点运算能力。MIPSn在嵌入式处理器市场中，基于MIPS内核的处理器占据了相当大的数量n2002年，一共付运了8700万片采用MIPS内核的嵌入式处理器，份额仅次于ARM位居全球第二。n在目前快速增长的比如Cable Modem、DSL Modem、DVD录像机等领域内，MIPS的市场份额位居第一。nMIPS的合作伙伴包括了AMD，IDT，NEC，TI，SONY等众多厂商PowerPC体系结构 nMotorola半导体（现Freescale半导体）联合IBM以及苹果电脑 nIBMnPowerPC750 nPowerPCG3 nMotorolanMPC nMCX86体系结构 nIntel X86体系结构nAMD最新的X86体系结构嵌入式处理器产品为Geode 系列处理器 nCISC指令集SH体系结构nSH(SuperH)系列是由前日立半导体公司（现Renesas公司）推出的嵌入式处理器 nSH系列的CPU指令格式是固定的，只有一个字长，绝大多数指令是单周期完成的，即使是复杂的乘加指令也仅需2个时钟周期 n为了克服内存访问的瓶颈，SH的CPU简化寻址方式，采用Load/Store(装载/存储)结构，并且在片内设置高速缓存，以减少访问内存的时间 n1999年底，SH系列累计生产达1.18亿片。nSH系列投入市场后，用量最多的是工业，占总量的36%，第二位是办公自动化，占总量的26%；第三位是消费领域；再其次的是通信领域。n此外，汽车导航、定位、控制系统，也是SH系列不小的一个市场。n在美国，SH系列占有较大的市场份额 n型号nSH1-4（32位）nSH5(64位)总线n总线的主要参数有总线的主要参数有n总线的带宽总线的带宽n总线的位宽总线的位宽n总线的工作时钟频率总线的工作时钟频率总线机制n微处理器（CPU）是嵌入式系统硬件平台的核心构件，但不是全部。按照冯诺依曼体系结构思想，计算机的硬件是由CPU、存储器和I/O设备三部分组成的。总线是把CPU与存储器、I/O设备相连接的信息通道，但总线并不仅仅指的是一束信号线，而应包含相应的通信协议。按照使用场合的不同，总线分成芯片级总线（CPU总线）、板卡级总线（内总线）和系统级总线（外总线）。ISAnIBM IBM 公司于公司于1981 1981 年推出的基于年推出的基于8 8 位机位机PC/XT PC/XT 的总的总线，称为线，称为PCPC 总线总线。nIBM IBM 公司于公司于1984 1984 年推出了年推出了16 16 位位PC PC 机机PC/ATPC/AT，其总，其总线称为线称为AT AT 总线总线。然而。然而IBM IBM 公司从未公布过他们的公司从未公布过他们的ATAT总线规格。总线规格。n由由Intel Intel 公司，公司，IEEE IEEE 和和EISA EISA 集团联合开发了与集团联合开发了与IBM/AT IBM/AT 原装机总线意义相近的原装机总线意义相近的ISA ISA 总线总线，即，即8/16 8/16 位的位的“工业标准结构工业标准结构”(ISA-Industry Standard(ISA-Industry Standard Architecture)Architecture)总线。总线。n6.66MHZ6.66MHZ至至26.66MHZ26.66MHZ，典型8MHznEISAEISA总线，总线，3232位位PCIn1991 年下半年，Intel 公司首先提出了PCI 的概念。nIntel联合IBM、Compaq、AST、HP、DEC 等100 多家公司成立了PCI 集团，其英文全称为：Peripheral Component Interconnect Special Interest Group(外围部件互连专业组)，简称PCISIG。n93年发布PCI2.0，32位，33MHz。5个以上PCI插槽nAGP（图形加速处理）n90年代后期，PCI-X，64位/66MHzPCI力不从心n南桥/北桥nIntel 440系列以后nPCI地位大大降低I2CnPHILIPS 开发了一种用于内部IC控制的简单的双向两线串行总线I2C(Inter-Integrated Circuit)n最高速率100Kbps，25英尺，最多可支持40个设备数据线时钟线CAN（Controller Area Network）n80年代末，由德国Bosch公司最先提出n被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置ECU 之间交换信息，形成汽车电子控制网络。n发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入CAN 控制装置。n使用CSMA/CD协议n40米以内，1Mbps；10Km，5Kbps；理论上可以支持无限多个设备n可靠性高，误码率为10-11n抗电磁干扰性强高速输入与输出接口nIrDA/FastIrDA（Infrared Data Association）n红外线发光二极管n发射n硅晶PIN光检二极管n接受n控制电路nIrDA 1.0和1.1装置的通讯距离可达1公尺，误码率为10-9，光源外围的最大亮度为10klux（勒克斯）红外传输特点n距离n小于一米n低速n9.6115K bpsn高速n14M bpsn工业高速n16M bpsBluetooth 接口n功耗低n100M，100mWn10M，2.5mWn1M，1mWn2.4-2.4835 GHz(使用ISM频段)n优势:世界范围内可用n劣势:与IEEE 802.11b产品相互干扰n声音和数据传输，总带宽为1Mbpsn成本低n低于US$5/蓝牙芯片蓝牙和红外线的比较：篮牙接口红外接口传输距离10米1米传输特性可以以任何角度传输只能在一定角度(15度)内进行传输安全机制具有完整安全机制安全性底移动性可以在嵌入式系统移动时进行传输需要在静止状态下进行传输传输速率1Mbps4Mbps价格5美元12美元USB（Universal Serial Bus）nIBM、Compaq、Nortel、NEC、Intel以及Microsoft联合n距离5 米，Hub30米n树拓扑结构，127个点，4线（2根电源线，2根数据线）n低速 USB1.1，1.5 M bpsnUSB 2.0 速率高达480Mbpsn支持热插拔和即插即用IEEE1394n起源于APPLE公司1986年提出的FireWirenMPU与多媒体设备连接接口n20400M bps，高速串行总线nP1394b 1.6Gbps,100米n支持63个器件，长度4.5米n热插拔，即插即用nSony：iLink；TI：Lynx Apple：FireWireLCD显示器nLiquid Crystal Display，液晶显示器n液晶介于固态和液态n液晶棒状分子在外加电场的作用下排列状态发生变化，使得通过液晶显示器件的光被调制，从而在显示屏上呈现出不同颜色。每个显示象素都可以单独被电场控制。n适用于低压、微功耗电路触摸屏 n嵌入式系统中的触摸屏分为电阻式、电容式和电感式三种 n其中电阻式触摸屏最为常用 n电阻触摸屏的工作部分一般由三部分组成，两层透明的阻性导体层、两层导体之间的隔离层、电极 n触摸屏工作时，上下导体层相当于电阻网络，当某一层电极加上电压时，会在该网络上形成电压梯度。n如有外力使得上下两层在某一点接触，则在电极未加电压的另一层可以测得接触点处的电压，从而知道接触点处的坐标。存储器系统寄存器高速缓存SRAM主存储器DRAM本地存储器 Flash、ROM、磁盘网络存储器 Flash、ROM、磁盘时钟周期01105010020000000分层结构存储器种类RAMRAM：随机存取存储器，：随机存取存储器，SRAMSRAM：静态随机存储器，：静态随机存储器，DRAMDRAM：动态随机存储器：动态随机存储器 1 1）SRAMSRAM比比DRAMDRAM快快 2 2）SRAMSRAM比比DRAMDRAM耗电多耗电多 3 3）DRAMDRAM存储密度比存储密度比SRAMSRAM高得多高得多 4 4）DRAMDRAM需要周期性刷新需要周期性刷新ROMROM：只读存储器：只读存储器EPROMEPROMEEPROMEEPROMFLASHFLASH：闪存：闪存闪速存储器(FLASH)n相对传统的EPROM芯片，这种芯片可以用电气的方法快速地擦写 n由于快擦写存储器不需要存储电容器，故其集成度更高，制造成本低于DRAM n它使用方便，既具有SRAM读写的灵活性和较快的访问速度，又具有ROM在断电后可不丢失信息的特点，所以快擦写存储器技术发展十分迅速 NOR技术nNOR技术闪速存储器是最早出现的Flash Memory，目前仍是多数供应商支持的技术架构，它源于传统的EPROM器件。n与其它Flash Memory技术相比，具有可靠性高、随机读取速度快的优势。n在擦除和编程操作较少而直接执行代码的场合，尤其是代码（指令）存储的应用中广泛使用。n由于NOR技术Flash Memory的擦除和编程速度较慢，而块尺寸又较大，因此擦除和编程操作所花费的时间很长，在纯数据存储和文件存储的应用中，NOR技术显得力不从心。NAND技术nNAND技术 Flash Memory具有以下特点：n以页为单位进行读和编程操作，1页为256或512字节；以块为单位进行擦除操作，1块为4K、8K或16K字节。具有快编程和快擦除的功能，其块擦除时间是2ms；而NOR技术的块擦除时间达到几百ms。n数据、地址采用同一总线，实现串行读取。随机读取速度慢且不能按字节随机编程。n芯片尺寸小，引脚少，是位成本(bit cost)最低的固态存储器，突破了每兆字节1元的价格限制。n芯片包含有失效块，其数目最大可达到335块（取决于存储器密度）。失效块不会影响有效块的性能，但设计者需要将失效块在地址映射表中屏蔽起来。n基于NAND的存储器可以取代硬盘或其它块设备。常见的存储器扩充装置nCF扩充装Compact Flashn所有Windows CE 支持常见的存储器扩充装置nSD扩充装置（Secure Digital）nPanasonic Scandisk Toshiba常见的存储器扩充装置nMemory SticknSony本节提要本节提要1 13 32 24 4嵌入式系统硬件基础嵌入式系统硬件基础嵌入式系统开发环境嵌入式系统开发环境嵌入式系统硬件开发流程嵌入式系统硬件开发流程芯片封装知识简介芯片封装知识简介嵌入式系统的开发流程需求分析及规格说明选择主要芯片确定编程语言选择开发环境RTOS的使用选择开发方案选择开发方案设计与调试测试与集成测试工具与其他辅助设备产品嵌入式系统的开发设计与调试设计生产编译器链接器调试器IDE操作系统软件开发与测试评估板仿真器逻辑分析仪边界扫描测试仪示波器开发环境n什么是嵌入式开发环境：源程序编译器目标文件链接器可重定位程序定位器可执行文件u编译器/汇编器/链接定位器u调试器/仿真器u主机（Host）及其工作平台u实时操作系统（可选）u目标评估系统（可选）u测试工具（软件/硬件/协议等，可选）u其他辅助设备（可选）n 典型的开发环境ARMARM的编译器（的编译器（1 1）nADS1.2nARM公司出品nIDE环境，包括nARM/Thumb汇编器：armasmnANSI C 编译器-armcc 和 tccnISO/Embedded C+编译器 -armcpp and tcppn链接器 armlinknWindows 集成开发环境 CodeWarriorn格式转换器 fromelfn库管理器-armarn调试器n模拟调试器：ARMulatornJTAG调试：AXD（与Multi-ICE配合）n支持所有ARM内核，最新版本：RealView2.0ARMARM的编译器（的编译器（2 2）nEW-ARMn瑞典IRA公司出品n著名的嵌入式工具提供商，以提供编译器/协议栈/统一建模工具著称n主要产品：Embeded Workbench（EW）、Make APP、Visual State等nEW-ARM：针对ARM的集成开发环境：nC/C+编译器nC-SPY 模拟调试器nROM-Monitorn多种级别代码优化方法，满足用户在速度、文件大小方面的要求n内建ARM特性优化器n支持多种断点模式n支持Nucleus,VxWorks等RTOSnGreenhillsnGNU嵌入式系统的调试（嵌入式系统的调试（1 1）n嵌入式系统的调试有四种基本方法n模拟调试（Simulator）n软件调试（Debugger）nBDM/JTAG调试（BDM/JTAG Debugger）n全仿真调试（Emulator）嵌入式系统的调试（嵌入式系统的调试（2 2）n模拟调试（Simulator）调试工具和待调试的嵌入式软件都在主机上运行，由主机提供一个模拟的目标运行环境，可以进行语法和逻辑上的调试。n优点：简单方便，不需要目标板，成本低n缺点：功能非常有限，无法实时调试大多数调试工具都提供Simulator功能嵌入式系统的调试（3）n软件调试（Debugger）主机和目标板通过某种接口（通常是串口）连接，主机上提供调试界面，待调试软件下载到目标板上运行。这种方式的先决条件是要在Host和Target之间建立起通信联系（目标板上称为监控程序Monitor）n优点：纯软件，价格较低，简单，软件调试能力较强n缺点：需要事先烧制Monitor（往往需多次试验才能成功）且目标板工作正常，功能有限，特别是硬件调试能力较差。PCTargetMonitor串口嵌入式系统的调试（嵌入式系统的调试（4 4）nBDM/JTAG调试 这种方式有一个硬件调试体。该硬件调试体与目标板通过BDM、JTAG等调试接口相连，与主机通过串口、并口、网口或USB口相连。待调试软件通过BDM/JTAG调试器下载到目标板上运行。n优点：方便、简单，无须制作Monitor，软硬件均可调试n缺点：需要目标板，且目标板工作基本正常（至少MCU工作正常），仅适用于有调试接口的芯片 TargetPC接口BDM/JTAG Debugger嵌入式系统的调试（嵌入式系统的调试（5 5）n全仿真调试（Emulator）这种方式用仿真器完全取代目标板上的MCU，因而目标系统对开发者来说完全是透明的、可控的。仿真器与目标板通过仿真头连接，与主机有串口、并口、网口或USB口等连接方式。由于仿真器自成体系，调试时既可以连接目标板，也可以不连接目标板（Stand alone）。n优点：功能非常强大，软硬件均可做到完全实时在线调试n缺点：价格昂贵。ARM的调试方式n模拟调试nSDT2.52:ARMulatornADS1.2：ARMulatornTrace32：SimulatornEW-ARM：C-spyn软件调试nADS1.2：Angel（串口）nSDT2.52 Angel（串口）nJTAG调试nARM：Multi-ICE,简易型仿真器nTrace32-ICD for ARMnHitex：Tanto for ARMn全仿真调试nTrace32-FIRE/ICEARM调试工具nMulti-ICEnARM公司出品n与ADS配套使用n支持不同的ARM内核n另有Multi-trace模块可选选择实时操作系统RTOSn对于复杂的嵌入式系统应考虑使用RTOSnRTOS的作用：n提供API（应用编程接口）：操作系统为应用程序员提供可供调用的API，允许程序员致力于应用程序的开发 n简化系统设计：实时嵌入式系统比非实时系统更难设计.使用实时多任务的内核能简化系统设计，可将复杂的应用程序分为几个不同的任务，由内核去对他们协调处理n实验平台如下支持ARM的实时操作系统：nuC/OSnLinux嵌入式系统编程语言nData from Japan ITRON survey for new embedded systems本节提要本节提要1 13 32 24 4嵌入式系统硬件基础嵌入式系统硬件基础嵌入式系统开发环境嵌入式系统开发环境嵌入式系统硬件开发流程嵌入式系统硬件开发流程芯片封装知识简介芯片封装知识简介嵌入式系统硬件方案分析与设计n三个阶段：n系统方案分析与设计nPCB的仿真设计nPCB的调试与测试 系统方案分析与设计阶段 n根据系统所要完成的功能，选择合适的处理器和外围器件，完成系统的功能框图设计和原理图设计 PCB仿真设计阶段n需要在EDA仿真设计平台下，对PCB板上的信号完整性、EMI等进行仿真，根据仿真结果来对PCB进行合理的布局布线，完成PCB的设计 PCB的加工n对加工完成的PCB进行调试和测试，完成整个系统硬件的设计 n以一个便携式GPS导航系统的开发实例来说明整个系统设计的流程 需求n便携式便携式GPS导航系统是一个手持的电池供导航系统是一个手持的电池供电系统，需要完成以下功能电系统，需要完成以下功能 n能够存储电子地图信息并在能够存储电子地图信息并在LCD显示屏上显显示屏上显示示n能够接收能够接收GPS信号，根据信号，根据GPS收到的信息可以收到的信息可以确定当前在地图中所处的位置确定当前在地图中所处的位置n给定起点和终点可以计算出合理的行进路线给定起点和终点可以计算出合理的行进路线n可以通过以太网下载更新电子地图或系统软可以通过以太网下载更新电子地图或系统软件件n有有USB主端接口，满足主端接口，满足USB1.1规范，可以挂规范，可以挂接键盘、鼠标和存储设备等接键盘、鼠标和存储设备等分析n根据系统功能，可以确定该系统需要有以下的内存根据系统功能，可以确定该系统需要有以下的内存和功能接口和功能接口 n32MB Flash存储器，用于存储电子地图信息存储器，用于存储电子地图信息n4MB Flash存储器，用于存储系统软件存储器，用于存储系统软件n64MB SDRAM，用作系统运行内存，用作系统运行内存nTFT-LCD接口，支持接口，支持16位颜色，位颜色，6.4英寸英寸TFT-LCD显示显示屏屏nRS232接口，用于与接口，用于与GPS模块通讯模块通讯n10M以太网接口以太网接口nUSB主端接口主端接口n支持支持6.4英寸四线电阻式触摸屏英寸四线电阻式触摸屏处理器的选择n嵌入式系统设计的差异性极大，因此选择是多样化的 n选择：nPXA255是Intel 公司采用XScale微体系结构开发的一款嵌入式处理器，主要面向手持多媒体应用 n特性n高性能、低功耗的XScale处理器核，时钟频率按不同型号分为200MHz、300MHz和400MHzn系统总线速度比PXA250提高一倍，当内核工作在400MHz时系统总线频率为200MHzn采用0.18微米工艺制造，17 mm x 17 mm x 1.75mm，256脚PBGA封装n采用Intel多媒体处理技术n增强型存储器控制器，支持2.5V3.3V、1632位的存储器n支持MMCSD卡和PCMCIACF卡n提供920Kbps蓝牙接口n外围部件 n存储器控制器。可为多种存储器芯片提供可编程的控制信号。支持4个SDRAM分区，6个SRAM、SSRAM、FLASH、ROM、SROM静态片选和2个PCMCIA或COMPACT FLASH槽n时钟和电源控制器。时钟可由3.6864MHz和一个可选的32.768KHz两种晶体驱动。3.6864MHz晶体驱动一个核心锁相环和一个外围锁相环。32.768KHz晶体产生一个硬件复位后选定的可选时钟源，用于驱动实时时钟(RTC)、电源管理控制器和中断控制器nUSB从端设备控制器。支持多达16个终结点，提供一个内部产生的48MHz时钟nDMA控制器。提供16个优先级不同的通道，用于响应来自片内外围部件和片外设备的数据传输请求n液晶控制器。提供支持双扫描无源阵列彩显（DSTN，俗称伪彩）或有源阵列彩显（TFT，俗称真彩）屏的接口。最大支持显示分辨率为10241024像素nAC97控制器。支持AC97 2.0修订版本的多媒体数字信号编解码器，为立体PCM输入输出、Modem输入输出和单一的麦克风输入都提供了单独的16位通道nI2S控制器。为标准I2S多媒体数字信号编解码器提供了串行连接。I2S控制器引脚与AC97控制器引脚复用nMMC控制器。提供到标准存储卡的串行接口,数据传输速率最高可达20Mbpsn高速红外(FIR)通讯端口。基于4Mbps的红外数据协会(IrDA)规格，工作于半双工模式下n同步串行协议端口(SSP)控制器。提供7.2Kbps到1.84Mbps的全双工同步串行接口。SSP接口支持National Semiconductor 的Microwire协议、Texas Instruments的同步串行协议（SSP）和Motorola 的SPI协议 nI2C总线接口单元。提供2个引脚的通用串行通讯端口，其中一个引脚用于数据和地址，另一个用于时钟n通用I/O引脚。每个引脚都可以独立地编程定义为输入或输出n4个UART。每一个UART都能用作低速红外收发n全功能UART(FFUART)：可编程波特率最大为230Kbps，提供完整的modem控制引脚n蓝牙UART(BTUART)：可编程波特率最高可达921Kbps，提供部分modem控制引脚n标准UART(STUART)：可编程波特率最高可达230Kbps，不提供任何modem控制引脚，但可通过GPIO引脚提供 n硬件UART(HWUART)：它带有硬件流控制，提供部分modem控制引脚，其编程可调的波特率可高达921.6Kbps。硬件UART的引脚与PCMCIA的控制引脚复用n实时时钟。实时时钟可提供恒定频率的输出，它带有可编程闹钟寄存器，可用于从休眠模式中唤醒处理器nOS定时器。可用于提供一个带有4个寄存器的3.6864MHz参考计数器。这些寄存器可用于产生中断，其中一个还能用于产生看门狗中断n脉冲宽度调制(PWM)。其频率和占空比可以独立编程 n中断控制。中断控制器可以通过屏蔽寄存器禁用或启用单个中断源n网络同步串行协议端口(NSSP)。该端口可用于连接其他的网络ASIC为什么选择PXA255？n 处理器性能 n不是在于挑选速度最快的处理器，而是在于选取能够完成作业的处理器和I/O子系统 n可能会升级的系统，可以考虑在完成目前作业的情况下还能够有一定的性能余量处理器 n便携式GPS导航系统在显示和路线计算方面对处理器的性能要求都比较高，而PXA255则具有较高的处理性能，系统时钟频率可以达到400MHz，外围总线频率可以达到100MHz，能够较好的完成该系统所要求的功能 n 集成外围接口n内部有集成的LCD控制器，可以直接支持16位颜色的TFT-LCD显示屏n有多个UART通讯口，可以方便的扩出与GPS模块通讯的RS232通讯口n使系统的设计变得相对简单n 功耗 n当工作在400MHz时钟频率运行模式下，PXA255的功耗的典型值仅为411mWn如果降低工作频率，处理器的功耗会变得更低nPXA255还提供了加速模式、运行模式、待机模式和睡眠模式这四种工作模式，可以方便的进行电源管理 n在相应的开发板上做前期的试验评估，确保在软硬件方面都能够满足设计的要求 外围器件的选择nMicron公司的MT48LC16M16A2是位宽为16位，容量为32MB的SDRAM。系统中采用两片MT48LC16M16A2来组成所需要的32位宽、32MB的运行内存。nIntel公司的TE28F160C3T和28F128J3C是两款NOR型闪存。系统中分别采用两片TE28F160C3T和两片28F128J3C来用作系统程序的存储器和电子地图的存储器。n10M以太网接口可以通过CirrusLogic公司的CS8900A来提供 nCS8900A是用于嵌入式设备的低成本以太局域网控制器。它的高度集成设计使其不再需要其它以太网控制器所必需的昂贵外部器件。CS8900A包括片上RAM，10Base-T传输和接收滤波器，以及带24毫安驱动的直接ISA-总线接口 nCypress公司的SL811HS可用来提供系统中所需的满足USB1.1规范的USB主端接口。nSL811HS是一个既可以作为USB主端也可以作为USB从端，既可以工作在全速模式（12Mbps）也可以工作在低速模式（1.5Mbps）的嵌入式USB主端/从端控制器n它可以直接与多种总线挂接，如嵌入式处理器的数据总线、ISA总线和PCMCIA总线等 nTI公司的ADS7843E是一款高性能低功耗的四线电阻式触摸屏控制器n通过它系统可以方便的挂接四线电阻式触摸屏n内部集成一个12位分辨率的模数转换器（ADC），最高转换速度可以达到125KHz，并通过串行口与处理器进行通讯 电源方案的设计n两种基本的直流/直流变换的电源供电方式n线性稳压电源n开关稳压电源n线性稳压电源n优点就是电路结构简单，可靠性高，所需电路元件数量少，电源纹波小n一个致命的弱点就是效率低，功耗大n开关稳压电源n优点就是转换效率高，一般可以达到80以上 n升降压比较灵活 n便携式GPS导航系统是一个电池供电的手持系统 n尽量使用高转换效率的开关稳压电源来实现系统的供电 整体框架图系统实际工作时的照片 嵌入式软件开发流程本节提要本节提要1 13 32 24 4嵌入式系统硬件基础嵌入式系统硬件基础嵌入式系统开发环境嵌入式系统开发环境嵌入式系统硬件开发流程嵌入式系统硬件开发流程芯片封装知识简介芯片封装知识简介芯片封装知识简介n芯片封装n安装半导体集成电路芯片用的外壳n安放、固定、密封、保持芯片和增强电热性能n内部芯片与外部电路的连接n封装考虑的主要因素n芯片面积与封装面积之比尽量接近1:1n基于散热的要求，封装越薄越好 n引脚尽量短，引脚间距尽量大n要便于安装n发展历史n上世纪60年代末期到现在，经历了金属圆管壳扁平陶瓷管壳双列陶瓷管壳、双列塑封陶瓷QFP管壳、塑料QFP陶瓷、塑料LCC陶瓷PGA管壳的封装，目前正在进入BGA、BGA、CSP的封装阶段。芯片封装知识简介nIC制造n图纸设计n实物制造n前工程n后工程nIC封装n引脚插入型nDIP/SIP/ZIP/PGAn表面实装型nSOP/QFP/SOJ/TCP/BGA/CSP/MCMDIP:Dual Inline PackageSIP:Single Inline PackageZIP:Zigzag Inline PackagePGA:Pin Grid Array PackageSOP:Small Outline PackageQFP:Quad Flat PackageSOJ:Small Outline J-leaded packageTCP:Tape Carrier PackageBGA:Ball Grid Array PackageCSP:Chip Size/Scale PackageMCM:Multi Chip Model芯片封装知识简介n双列直插式(Dual Inline Package,DIP)n8088 CPUn绝大多数中小规模IC均采用这种封装形式，引脚100n专用工具（表面安装设备SMD）装卸n高频使用、可靠性高，封装面积小芯片封装知识简介n引脚网格阵列（Pin Grid Array，PGA）n专用PGA插槽n操作方便，可靠性高，但电耗大nIntel CPU中80286、80386和某些486nZIF（Zero Insertion Force）插座，486以后芯片封装知识简介n球状网格阵列（Ball Grid Array，BGA）n100MHz,Crosstalk,208PinnBGA封装引脚数虽然增多，但引脚间距大于QFPn传输延迟小，散热性能好(可控塌陷封装法)n共面焊接，可靠性提高 n1.5mm,1.27mm,1.0mm芯片封装知识简介n芯片级封装（Chip Scale Package，CSP）n体积小，重量轻n引脚多n电、热、气密性能好