基于ARM的网络显示器硬件系统的设计.pdf

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1、河北工业大学硕士学位论文基于ARM的网络显示器硬件系统的设计姓名：唐继英申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：张振东20050101河北工业大学硕士学位论文基于A R M 的网络显示器硬件系统的设计摘要嵌入式系统是指以应用为核心，以计算机技术为基础、软硬件可裁减，以及适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗严格要求的专用计算机系统。作为嵌入式系统的核心，嵌入式处理器目前常采用8 位或1 6 位微处理器。但由于这些微处理器系统的运行速度、寻址能力和功耗等问题，已较难满足相对复杂的嵌入式应用场合。A R M 公司自1 9 9 0 年正式成立以来，在3 2 位R I S C(R e

2、 d u c e dI n s t r u c t i O nS e tC o m p u t e r)C P U 开发领域不断取得突破，其结构已经从V 3 发展到V 6。由于A R M 公司成立以来，一直以I P(I n t e l l i g e n c eP r o p e r t y)提供者的身份向各大半导体制造商出售知识产权，而自己从不介入芯片的生产销售，加上其设计的芯核具有功耗低、成本低等显著优点，因此获得众多的半导体厂家和整机厂商的大力支持，在3 2 位嵌入式应用领域获得了巨大的成功，目前已经占有了7 5 以上的3 2 位R I S C 嵌入式产品市场。在低功耗、低成本的嵌入式应

3、用领域确立了市场领导地位。在所有A R M 处理器系列中，A R M T T D M I 微处理器系列应用最广，采用A R M T T D M I 微处理器作为内核生产芯片的公司最多，同时其性能价格比也最高。本系统中S 3 C 4 4 B O X 即是使用A R M T T D M I 内核设计的一款A R M 微处理器。本文在介绍S 3 C 4 4 B O X 的基本结构和工作原理的基础上，介绍了基于S 3 C 4 4 B O X 的系统设计全过程，包括存储器系统，电源、晶振和复位电路，串行接口电路，3 T A G 调试接口电路，L C D 和触摸屏接口电路以及以太网接口电路的设计和调试。最

4、后介绍了对电路板设计时应注意的问题。关键词：嵌入式系统，A R M，S 3 C 4 4 B O X董三!些竺塑塑垩至耋竺堡至垒塑堡兰D E S I G No NH A R D W A R ES Y S T E Mo FT H EN E T W o R KD I S P L A YB A S E Do NA R MA B S T R A C TE m b c d d e ds y s t e mm e a n sr e g a r d i n gu s i n ga st h ec o r e b a s e do nt e c h n o l o g yo f t h ec o m p u t

5、 e r,t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ec a r lb ec u td o w n，a n dm e e tt h es p e c i a l p u r p o s ec o m p u t e rs y s t e mt h a tt h ea p p l i c a t i o ns y s t e mr e q u i r e dt ot h ef u n c t i o n，d e p e n d a b i l i t y，c o s t，v o l u m ea n dc o n s u m p t i o ns t r i

6、c t l y A st h ec o r eo f t h ee m b e d d e ds y s t e m，t h ee m b e d d e dp r o c e s s o ro f t e na d o p t s8o r1 6m i c r o p r o c e s s o r sa tp r e s e n t B u tb e c a u s et h e s em i c r o p r o c e s s o ro p e r a t i o ns p e e d，s e e kl o c a t i o na b i l i t ya n dc o n s u

7、m p t i o n e t c i th a sb e e nm o r ed i 伍c u l tt ob es a t i s f i e da n dr e l a t i v e l yc o m p l i c a t e dt ou s et h eo c c a s i o ne m b e d d e d l y S i n c ee s t a b l i s h i n gf o r m a l l y19 9 0 A R MC o m p a n yd e v e l o p st h ef i e l da n dm a k et h eb r e a k-t h

8、r o u g hc o n s t a n t l yi n3 2R I S C(R e d u c e dI n s t r u c t i o nS e tC o m p u t e r)C P U s e l l st h ei n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h tt oe v e r yl a r g es e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r e ri nt h ec a p a c i t yo f I Pp r o v i d e ra l lt h et i m e，n e

9、v e rg e t si n v o l v e di nt h ep r o d u c t i o na n ds a l e so f t h ec h i p I th a se s t a b l i s h e dt h em a r k e tl e a d i n gp o s i t i o no nt h ee m b e d d e da p p l i c a t i o no f l o wc o n s u m p t i o n，1 0 Wc o s t I I la l lA R Mp r o c e s s o rs e r i e s，A R M 7 T

10、D M Ii st h ew i d e s tt h a ti tu s e s，t h ep e r f o r m a n c e c o s tr a t i oi st h eh i g h a s tt o o S 3 C 4 4 B O Xi nt h i ss y s t e mi saA R Mm i c r o p r o c e s s o ru s i n gA R M 7 T D M Ik e r n e lt ob ed e s i g n e d T h i st e x th a si n t r o d u c e db a s i cs t r u c t

11、u r ea n do p e r a t i o np r i n c i p l eo fS 3 C 4 4 B O X，t h ew h o l ec o u r s eo fs y s t e md e s i g nb a s e do nS 3 C 4 4 B O Xe s p e c i a l l y I n c l U d i n gd e s i g na n dd e b u gt h em e m o r ys y s t e m，P o w e r，C r y s t a l0 s c i l l a t o ra n dR e s e tc i r c u i t

12、s，S e r i a li n t e r f a c ec i r c u i t，J T A Gd e b u gi n t e r f a c ec i r c u i t，L C Da n dt o u c hS C l 3 i n t e r f a c ec i r c u i t，E t h e m e ti n t e r f a c ec i r c u i t F i n a l l y，i n t r o d u c e dt h eq u e s t i o nt os h o u l db ep a i da t t e n t i o nt oa tt h et

13、i m eo f t h e b o a r dd e s i g no f t h ec i r c u i t i n g K E YW O R D S：e m b e d d e ds y s t e m，A R M，S 3 C 4 4 B O X；盏；l!：三些；i21；i 璧!圣第一章绪论卜l嵌入式系统的技术和发展以嵌入式计算机为技术核心的嵌入式系统是继网络技术之后，又一个T T 领域新的控术发艘疗向。由于嵌入式系统具有体积小、性能强、功耗低、可靠性高以及面向行业具体应用等突出特点，目前已经广泛地应用于国防、消费电子、信息家电、网络通信、工业控制等各个领域。通俗地讲，眼入式系统就是以

14、应用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求地专用计算机系统。总体上嵌入式系统可以划分为硬件和软件两部分。硬件一般由高性能的微处理器和外围的接口电路组成，软件一般由实时操作系统和其他运行的应用软件构成，软件和硬件之间由中间晨(B S P 层，板级支持包)连接。卜1-1 嵌入式系统的技术特点嵌入式系统通常包括构成软件的基本运行环境的硬件和操作系统两部分。嵌入式系统的运行环境和应用场合决定了嵌入式系统具有区别于其它操作系统的一些特点：(1)嵌入式处理器嵌入式处理器可以分为三类：嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式D S P(D i g i

15、 t a Is g n a lP r o c e s s o r)。嵌入式微处理器就是和通用计算机的微处理器对应的C P U。在应用中，般是将微处理器装配在专门设计的电路板上，在母板上只保留和嵌入式相关的功能即可，这样可以满足嵌入式系统体积小和功耗低的要求。目前的嵌入式处理器主耍包括：P o w e r P C、M o t o r o l a6 8 0 0 0、A R M 系列等等。嵌入式微控制器叉称为单片机，它将c P U、存储器(少量的R A M、R O M 或两者都有)和其它外设封装在同一片集成电路里。常见的有8 0 5 1。嵌入式D S P 专门用来对离散时间信号进行极快的处理计算，提

16、高编译效率和执行速度。在数字滤波、F F F、谱分析、图像处理的分析等领域有广泛应用，D S P 正在大量进入嵌入式市场。(2)微内核结构大多数操作系统至少被划分为内核层和应用层两个层次。内核只提供基本的功能，如建立和管理进程、提供文件系统、管理设备等，这些功能以系统调用方式提供给用户。一些桌面操作系统，如W i n d o w s、L i n u x 等，将许多功能引入内核，操作系统的内核变得越来越大。内核变大使得占用的资源增多，剪裁起来很麻烦。大多数嵌入式操作系统采用了微内核结构，内核只提供基本的功能，比如：任务的调度、任务之f 刮的通信与同步、内存管理、时钟管理等。其它的应用组件，比如网

17、络功能、文件系统、G U I 系统等均“r作在用户态，以系统进程或函数调用的方式工作。因而系统都是可裁减的，用户司以根据自己的需要选I l|相应的组件。(3)任务调度在嵌|入式系统中，任务即线程。大多数的嵌入式操作系统支持多任务。多任务运行的实现实际是靠C P U 住多个任务之间切换、调度。每个任务都有其优先级，不同的任务优先级可能相同也可能夺同。任务的调度有i 种方式：可抢占式调度、不可抢占式调度和时闻片轮转调度。不可抢。I 式调度是指，个董垂垒竺塑塑釜彗玺童塑堡丝塞童任务一旦获得C P 2 就独f bC P U 运行，除非由于某种原因，它决定放弃C P 的使耳】权：。，抢一J 式谰度是臻于

18、任务优先级的，当前正在运行的任务可以随时让位给优先级更高的处1 就绪态的其它任务：、-l 埘个或两个以上任务有同样的优先级，不同任务轮转地使用C P U，直到系统分配的C P U 时问片月j 先，这就足时问片轮转调度。目前，大多数嵌入式操作系统对不同优先级的任务采用基于优先级的抢占式调度法，对柱 问优先级的任务则采用时间片轮转调度法。t 4)硬实时和软实时有些嵌入式系统对时间的要求较高，称之为实时系统。有两种类型的实时系统：硬实时系统和软：史时系统。软实时系统并不要求限定某一任务必须在一定的时间内完成，只要求各任务运行得越快越好：硬实时系统对系统响应时间有严格要求，一旦系统响应时闻不能满足，就

19、可能会引起系统崩渍或致命的错误，一般在工业控制中应用较多。(5)内存管理针对有内存管理单元(N n 柑)的处理器设计的一些桌面操作系统，如W i n d o w s、【，i f l U X，使j 目了虚拟存储器的概念。虚拟内存地址被送到埘u。在这里，虚拟地址被映射为物理地址，实际存储器被分割为相同大小的页面，采用分页的方式载入进程。一个程序在运行之前，没有必要全部装入内存，而是仅将那些当前要运行的部分页面装入内存运行。大多数嵌入式系统针对没有删的处理器设计，不能使用处理器的虚拟内存管理技术，采用的是实存储器管理策略。因而对于内存的访问是直接的，它对地址的访问不需耍经过舢，而是直接送到地址线上输

20、出，所有程序中访问的地址都是实际的物理地址；而且，大多数嵌入式操作系统对 勾存空间没有保护，各个进程实际上共享一个运行空间。一个进程在执行前系统必须为它分配足够的连续地址空间，然后全部载入主存储器的连续空间。由此可见，嵌入式系统的开发人员不得不参与系统的内存管理。从编译内核开始，开发人员必须告诉系统这块开发扳到底拥有多少内存：在开发应用程序时，必须考虑内存的分配情况并关注应用程序需要运行空间的大小。另外。由于采用实存储器管理策略用户程序同内核以及其它用户程序在个地址空间。程序开发时要保证不侵犯其它程序的地址空问毗使得程序不至于破坏系统的正常工作，或导致其它程牟的运行异常：因而，嵌入式系统的开发

21、入员对软件中的一些内存操作耍格外小心。(6)内核加载方式嵌入式操作系统内核可以在F l a s h 上直接运行，也可以加载到内存中运行。F l a s h 的运行方式，是把内核的可执行映像烧写到F l a s h 上，系统启动时从F l a s h 的某个地址开始执行。这种方法实际上是很多嵌入式系统所采用的方法。内援加载方式是把内核的压缩文件存放在F l a s h 上，系统启动时读取捱缩文件在内存里解压，然后开始执行。这种方式相对复杂一些，但是运行避度可能更快，因为R 删的存墩速率要比F l a s h 高。由于嵌入式系统的内存管理机制，嵌入式操作系统对用户程序采用静态链接的形式。在嵌入式系

22、统中，应用程序和操作系统内核代码编译、链接生成一个二：进制影像文件来运行。1-1 2 嵌入式系统开发相关技术相对于在W i n d o w s 环境下的开发应用程序，嵌入式系统开发有着很多的不同。不同的硬件平台和操作系统带来了许多附加的开发复杂性。卜1 2 1 嵌入式开发过程在嵌入式开发过程中有宿主机和目标机的角色之分：宿主机是执行编译、链接、定址过程的计算机：2基十A R M 酌列绻砬玳器的性件设计任务一旦获得C P U 就独占C P U 运行，除非由r 某种原因，它决定放弃c )u 的使用权：-J 推出式诟鹰是基于任务优5 七级的，当前正在运行的任务可必随时让位给忧先级更高的处于就绪态的其

23、它任务：j 璺两个妓两个以三任务有同样的优先级，不同任务轮转地使用c P u，直到系统分配的c 跚时间片用完，这就足时问片轮#调度。目前，大多数嵌入式操作系统对不同优先级的任务采用基于优先级的抢占式调度法，对榷问优先级的任务则采用时间H 轮转调度法。(4)碗实时和赣实时有些嵌入式系统对时间的要求较高，称之为实时系统。有两种类型的实时系统：硬宴雕系统和软凄时系统。软实时系统并不要求限定某一任务必须在一定的时间内完成，只要求各任务运行得越快越好；硬实时系统对系统响应时间有严格要求一且系统响应时问不能满足，就可能会引起系统崩溃或致命的错误，般在工韭控制中应用较多。(5)内存管理针对有内存管理单元(拼

24、U)的处理糍设计的一些桌面操作系统，如w i n d o w s、L【n u x 使能了虚手瞰存储器的概念。虚拟内存地址被送到m u。在这里，虚拟地址被映射为物理地址，实际存储器被分割为相同大小的页面，采用分页的方式载入进程。一个程序在运行之前，没有必要全部装入内存，而是倪将那些当前要运行的部分页面装入内存运行。大多数嵌入式系统针对没有删的处理器设计，不能使用处理器的虚拟内存管理技术，采用的是实存储器管理策略因而对于内存的访问是直接的它对地址的访问不需要经过h 鲫，而是直接送到地址线上输出，所有程序中访问的地址部是实际的物理地址；而且，太多数嵌入式操作系统对内存空间投有保护，各个进程实际上共享

25、一个运行空间。个进程在执行前系统必须为它分配足够的连续地址空间。然后全部载入主存储器的连续空间。由此可见，嵌入式系统的开发人员不得计；参与系统的内存管理。从编译内棱开始，开发人员必颁告诉系统这块开发板到底拥有多少内存：在开发应用程序时，必须考虑内存的分配情况并关注应用程序需要运行空间的大小。另外，由于采用空存储器管理策略用户程序同内核以及其它用户程序在一卟地址空间，程序开发时要保证不侵犯其它程序的地址空间，阻使得程序不至于破坏系统的正常工作或导致其它程序的运行异常：因而，嵌入式系统的开发人员对软件中的一些内存操作耍格外小心。6)内按加载方式嵌入式操作系统内核可以在F l a s h 上直接运行

26、，也可以加载到内存中运行。F 1 a s h 的运行方式，是把内核的可执行映像烧写到F l a s h 上，系统启动时从F l a s h 的某个地址开始执行。这种方法实际上是很多嵌入式系统所采用的方法。内核加载方连是把内核的压缩文l 牛存放在F l a s h 上。系绒启动时读取匿缩文件在内存里解压，然后开始执行。这种方式相对复杂一些，但是运行遘度可能更快，网为R 删的存取速率要比F a s h 高。由于嵌入式系统的内存管理机制，嵌入式操佧系统村用户程序采用静态链接的形式。在嵌入式系统中，麻用程序和操作系统内核代码编译、链接生成一个二：进制影像文件来运行。卜12 嵌入式系统开发相关技术相对于

27、在帆n d o w s 环境下的开发应用程序，嵌A 式系统开发有着很多的不同。不同的硬件平旨和操作系统带来，许多附加的开发复杂性。1 1-2 1 嵌入式开发过程在嵌入式开拄过程中有宿主机和目标机的角色之分：宿主机是执行编译、链接、定址过烈的计算机：在嵌入式开发过程中有宿主机和目标机的角色之分：宿主机是执行编译、链接、定址过群的计算机；2目标机指运行嵌入式软件的硬件平台。首先须把应削群序转换成可以在目标机上运行的进制代码。运一过程包含三个步骤：编泽、链按、定址。编译过程由交叉编译器实现。所谓交义编译器就是远行佐个计算机平台上并为蜀一个平台产生代码的编泽器。常j j 的交叉编译器有G N UC C

28、+(g e e：)。编译过群产生的所有目标文件被链接成一个目标文件，称为链接过程。定址过程会把物理存储器地址指定给臼标文件的每个相对偏移处。该过程生成的文件就是可以在嵌入式平台上执行的进制文件。嵌入式开发过程中另一个重要的步骤是调试目标机上的应用程序。嵌入式调试采用交叉调试器，一般采用宿主机一层标机的调试方式，它们之间由审行口线或以太网或B D N 线相连。交叉调试有任务级、源码级和汇编级的调试，调试时需将宿主机上的应用程序和操作系统内核下载到目标机的R A g 中或直接烧录到目标机的R 嘣中。目标监控器是调试器对目标机t 运行的应用程序进行控制的代理(D e b u g g e rA g e

29、 n t)，事先被固化在目标机的F l a s h、R O M 中，在目标机上电后自动启动，并等待宿主机方调试器发米的命令，配台调试器完成应用程序的下载、运行和基本的调试功能，将调试信息返回给宿主机。t-i 一2 2 向嵌入式平台移植软件丈部分嵌入式开发人员选用的软件开发模式是先在P c 机上编写软件，再进行软件的移植1 作。在P c 机上编写软件时，耍注意软件的可移植性，选用具有较高移植性的编程语言(如C 语言)，尽量少调用操作系统函数，注意屏蔽不同硬件平台带来的字节顺序、字节对齐等问题。I-I 一3 嵌入式系统的发展阶段嵌入式系统的出现至今已经有3 0 多年的历史，近几年来，计算机、通信、

30、消费电子的一体化趋势日益明显，嵌入式技术已成为一个研究热点。纵观嵌入式技术的发展过程，大致经历四个阶段。第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。这类系统大部分应用于一些专业性强的工业控制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制。这一阶段系统的主要特点是：系统结构和功能相对单，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简单、价格低，以前在国内工业领域应用较为普遍，但是已经远不能适应高效的、需要太容量存储的现代工业控制和新兴信息家电等领域的需求。第二阶段是以嵌入式C P U 为基础、以简单操作系统

31、为核心的嵌入式系统。主要特点是：C P U 种类繁多。通用性比较弱：系统开销小效率高；操作系统达到一定的羲容性和扩展性；应用软件较专业化，用户界面不够友好。第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。主要特点是：嵌入式操作系统能运行于备种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有大量的应用程序接口A P I，开发应用程序较简单；嵌入式应用软件丰富。第四阶段是以I n t e r n e t 为标志的嵌入式系统。这是一个正在迅速发展的阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于I n t e

32、 r n e t 之外，但髓着I n t e r n e t 的发展以及I n t e r a e t 技术与信息家电、工业控制技术结合曰益密切，嵌入式设备与I n t e r n e t 的结合将代表嵌入式系统的来来。综上所述，嵌入式系统技术日益完善，3 2 位微处理器在该系统中占主导地位，嵌入式操作系统已经从简单走向成熟，它与网络、I n t e r n e t 结合目益密切，因而，嵌入式系统应用将E l 益广泛。卜2A R M 简介A R M(A d v a n c e dR I S CM a c h i n e s)是微处理器行业的一家知名企业，设计了火量高性能、廉价、耗量圭垒些塑璺篁

33、星重矍墼矍丝堡姿能低的R I S C 处理器、相关技术及软件。技术具有性能商、成本低和能耗省的特点。适 3r 多种领域，I 土：如嵌入控制、消费教育娄多媒体、D S P 和移动式应用等。A P 8 4 将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和O D a 厂商，每个J 两得到的都是一套独一无二的A R M 相关技术及服务。利用这种合伙关系，A R M 很快成为许多全球性R 1 S C 标准的缔造者。目前，总共有3 0 家半导体公司与A R M 签订了硬件技术使_ f j 许可协议，其中包拮I n le 1、I B M、【。G半导体、N E C、S O N Y、菲利浦和国民半导体这样的大公司。

34、至于软件系统的合伙人，则包括微软、7 t 阿l和M R l 等一系列知瑶公司。A R M 架构是面向低预算市场设计的第一款R I S C 微处理器。A R M 处理器有3 大特点：(1)体积小、功耗低、成本低而高性能；(2)1 6 位3 2 位双指令集：(3)全球众多的台作伙伴。A R M3 2 位体系结构目前被公认是业界领先的3 2 位嵌入式R I S C 微处理器结构。所有A R M 处理器捉享这一体系结构。A R M 处理器当前有5 个产品系列：A R M 7、A R M 9、A 删9 E、A R M I O 和S e c u r C o r e。A 蹦处理器系列提供的解决方案包括：(1

35、)在无线、消费电子和图像应用方面的开放平台：(2)存储、自动化、工业和网络应用的嵌入式实时系统；(3)智能卡和S I M 卡的安全应用。卜3 课题研究背景及意义1-3-1 背景本谋题所研发的最终产品为网络显示器，主要实现远程显示功能。由于许多场所的设备监捌都受到地域、时间、环境的限制，给用户和维护人员带来了诸多不便。网络显示器的诞生，突破了这一髑限。它使使用者能在舒适的环境里随时查看所关注的信息，及大地方便了使用者的工作和生活。卜3 2 意义据调奁，目前国际上已有两百多种嵌入式操作系统，而各种各样的开发工具、应用于嵌入式开发的仪器设备更是数不胜数。在国内，虽然嵌入式应用、开发很广，但该领域却几

36、乎还是空白。通过对本产品的开发，我们可以做到如下两点：t 1)对目前流行的A R M 架构的嵌入式微处理器的开发和应用进行了探索。【2)对嵌入式操作系统，工业以太网等技术有比较深入的理解和掌握。1-4 课题的主要工作本课题所研发的悬终产品为网络显示器，主要实现远程显示功能。需满足的基本鬻求为(】)以触摸屏作为输入方式(2)以L C D 作为输出显示方式，主要显示数字、字符及图形4：!三些；i!圭i 坚!；：(R)闱以太闷实现数据采集(4)带有一个R S 一2 3 2 串口本文以S 3 C 4 4 8 0 X 微处理器为基础，设计了该网络硅示器的硬件系统。上萼一作包括以F 儿个方l 面的内容：(

37、1)学习A R I a 微处理器的相关知识。包括A R M 微处理器的结构、编程模型、指令系统以硬A 洲汇编语言；(2)r 解嵌入式系统的概念、特点、组成、应用及发展，在课题实践中进一步体会了嵌入式系统的设计方法；(3)了解u C l i n u x 操作系统、开发一 具G N U 软件开发平台的建立及其在L i f l U X 下开发应用程序的过程；(4)在课题中进一步熟练掌握了一些工具的使用，如E D A 综合设计环境P r o L e l9 9S E，A R M 集成开发环境A D S 等；(5)在课题期间查阅了大量的英文资料，进一步提高了专业英文文献的阅读能力。难点：1 A P O l

38、 技术是一项新技术，成熟的东西不多。其中大部分是英文资料：2 嵌入式系统技术是一门综合的技术，其内容涉及微处理器体系结构、接口设计、实时操作系统分析和应用软件编程等多方面的知识；3 1，c D、触摸屏、以太网等相关技术也是比较前沿的技术。董三垒竺塑璧璧星至塑墼璧竺垒i：第二章系统简介2 一l 嵌入式系统的设计流程如图2 1 所示，嵌入式系统设计一般由5 个阶段构成：需求分析、体系结构设计、硬件软件设H系统集成和系统测试。各阶段之间往往要求不断的反复和修改，寅至完成塌终设计日标。2-2-1C P U 选型图2 1 嵌八式系统的设计流程F i 9 2 1F l o wc h a r to f t

39、h ee m b e d d e ds y s t e m2-2 系统硬件设计方案制定嵌入式开发平台的硬件选择主要是嵌入式处理器的选择。在一个系统中使用什么样的嵌入式处理器内核主要取决于应用的领域、用户的要求、成本、开发的难易程度等因素。表2 1 列出了几种常见的嵌入式处理器的特征。本产品主要应用于网络系统，对速度要求较高，而A R M 芯片凭借强大的处理能力茅n 极低的功耗，骷常适合这些场合。而且，A R M 体系结构也是目前世界上应用最多的R I S C 体系结构，在3 2 侮处理器家族中，A R M 已成为事实上的全球霸主，至今已占领全球约8 0 的市场份额。它的应用前景广阔，扦发资源l

40、：富，有利于缩短产品的研发周期。6表2 1 常见的嵌八式处理器l h b l e2 1C o m m o ne m b e d d e dp r o c e s s o r处理器类型处理器价格主要性能及应用A R M低功耗低，适合于个人便携式设备D r a g o nB M l低速度低，主要应用于P D A通信、网络等设备；单位附加值高，市场小P o w e rP C商特别是对性能有较高要求时，应用于高端嵌入式中A R M 微处理器目前有五个系列：A R M 7、A R M 9、A R M 9 E、A R M l 0 和S e c u r C o r e。A R M 7 是低功耗的3 2 位核

41、，最适合应用于对价位和功耗敏感的产品。基于本产品对以太网、L C D 和触摸辟的基本要求，可供选择的A R M 7处理器如表2 2 所示。表2 2 可供选择的A R M 7 处理器T a b l e2 2A R M 7p r o c e s s o rs u i t a b l ef o rc h o o s i n g厂家型号应用系统A R M 核工作频率姗zL E DA D C以太网C i r r t l sE P 7 3 1 2数字声音处理7 2 0 T7 4有有无C i l-F u sC S 8 9 7 1 2通讯7 2 0 T7 4有无青b a m s u n g$3 C 4 5 1

42、 0网络控制7 T D M I5 0无无有S a m s u n g$3 C 4 4 B OP D A 通用类型7 T D M I6 6有有无E P 7 3 1 2 主要应用于数字声音处理，其开发工具价格较高(开发板高达2 0 0 0 0 元)；而在$3 C 4 4 8 0 上扩展以太网要比在$3 C 4 5 1 0 上扩展L C D 及触摸屏简单和廉价得多。C S 8 9 7 1 2 和S 3 C 4 4 8 0 X 相比，后者货源充足，在国内应用广泛，网上资料丰富，技术支持雄厚易于缩短开发周期。所以，我们选择S 3 C 4 4 8 0 X作为该产品的微处理器。2-2-2 外部接口扩展本系统

43、采用嵌入式处理器+网卡芯片的方法扩展以太网接口。网卡芯片采用R T L S 0 1 9 A S；本系统采用S 3 C 4 4 B O X 内置的L C D 控制器来构造显示模块：本系统触摸屏的控制采用A I)$7 8 4 3 专用芯片；本系统上的R S 2 3 2 串行接口使用的是S 3 C 4 4 8 0 X 上的U A R T 接口通过M A X 2 3 2 进行电平转换；具体的设计在第三章有详细阐述。量主；垒型墼塑塑塞重量堕矍丝璧萎2-3 系统体系结构框图本系统是基于A R M 和u C i n u x 的嵌入式系统，系统的结构框图如鹦2 1 所示。箨部分基本功能如1 h(1)串行接口电

44、路用于S 3 C 4 4 B O X 系统与其他应异j 系统的短距离职向串行通信：(2)电源电路由3 块D C D c 转换器(9 V 5 V，5 v 3，3 V，j V 2、5 V)组成，分别给外嗣电路，C P U 的T 0和S 3 C 4 4 8 0 X 内核供电；(3)1 0 州z 晶振为系统提供工作时钟，通过片内P L L 电路倍频为6 6 埘z 作为微处理器的1 r 作时钟：(4)复位电路可以完成系统上电复位和在系统工作时用户按键复位；(5)F l a s h 存储器可存放系统启动代码，操作系统内核，根文件系统，调试好的用户程序或其他在系统掉电后需要保存的用户数据等；(6)S D R

45、 蛐I 在系统中主要用作程序的运行空间，数据及堆栈区：(7)以太网接口为系统提供以太网接入的物理通道，通过该接口，系统可以以 0 M b!o s 的速率接入以太网：(8)L C D 显示为系统输出；触摸屏为系统输入；(9)J T A 6 接口可对芯片内部的所有部件进行访问，通过该接口可对系统进行调试、编程等。图2 2 系统框图F i 9 2 2B l o c kd i a g r no f s y s t e m2 4 资源分配(i o 的运用)S 3 C 4 4 8 0 X 有7 t 个复合功能的I 0 口引脚，分成7 个端口：端口E 和F(9 位I o 口)端口D 和G(8 位I 0 口)

46、端口C(1 6 位I O 口)端口A(1 0 位I 0 口)端口B(1 l 位I O 口)在主程序开始前，必须定义每个I O 管脚的功能。在特殊功能不用时，作为I 0 脚使j i本系统的1 o 的运用如下：；翌彗：些查兰堡圭耋堡釜耋AI ：地址总线基辛=都占用了；B ：P B O，P B l，P B 2，P B 3：用于R A M：P B 8：R T L 8 0 1 9 A S 网口：C1 ：P C I：控制发光二极管D 1：P C 2：控制发光二极管D 2；P C 3：控制发光二极管D 3；P C 8：D I S P O N(可作液晶显示开关，如果液晶没有显示开关可不用)P C 9：E L

47、O N(可作液晶显示状态控制，一般无控制器液晶可不用)；P C I O：R T S l 串口一用(普通三线制串口不用)：P C I l：C T S l 串口一用(普通三线制串口不用)；P C I 2：T X D l 串口一用(如果要串口一，则不能用)；P C I 3：R X D I 串口一用(如果要串口一，则不能用)：P C I 4：R T S O 串口0 用(普通三线制串口不用)；P C I 5：C l i o 串口0 用(普通三线制串口不用)；D1：3：P D O：V D O(液晶数据D 0，液晶占用)：P D I：V D l(液晶数据D 1，液晶占用)；P D 2：V D 2(液晶数据D

48、 2，液晶占用)；P D 3：V D 3(液晶数据D 3，液晶占用)：P D 4：V C L K(L c D 点时钟信号，液晶占用)；P D 5：V l，I N E(L C D 行信号，液晶占用)；P D 6：V M(V M 极性变换信号，液晶占用但有些液晶不用该线)；P D 6：V F R a m e (L C D 场信号，液晶占用)；E 口：P E I：T X D O 串口0 已用；P E 2：R X D O 串口0 已用；P E 8：E N D I A N，(状态检测)：G 口：P G I：I N T l8 0 1 9 中断使用：董耋!塑墼坚篁塞重塑塑丝堡璧茎第三章系统硬件设计本章主要介

49、绍基TS 3 C 4 4 B O X 的硬件系统的详细设计步骤和实现细节。分别从C P U，F L A S HS D R A M，电源、品振、复位，串口，网口，L C D，触摸屏和J T A G 几个方面加以介绍。3-tS a C 4 4 B O X 概述在进行系统设计之前，有必要对该系统的硬件核心部件S 3 C 4 4 B O X 及其工作原理进行比较详细的介绍，只有对该徽处理器的工作原理有了较详细的了解，才能进行特定应用系统的设计。S a m s u n gS 3 C 4 4 B O X 微处理器是三星公司专为手持设备和一般应用提供的高性价比和离性能的微控制器解决方案，它使用A R M 公

50、司设计的1 6 3 2 位A R M 7 T 蹦T 处理器核，工作在6 6 N t z。为了降低系统总成本和减少外围器件，这款芯片还集成了下列部件：8 K BC a c h e、外部存储器控制器、L C D 控制器、4 个D M A 通道、2 通道U A R T、7 1 个通用 o 口、8 个外部中断源、实时时钟、8 通道l O 位A D C 等。S 3 C 4 4 B O X 的主要特性如下：I体系结构ft)用于手持设备和通用嵌入式应用的完整系统：(2)1 6 3 2 位R I S C 结构和带A R N T T I)N IC P U 核的功能强大的指令集；(3)T h u m b 协处理器