中国矿业大学嵌入式课件6说课材料.ppt
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1、中国矿业大学嵌入式课件中国矿业大学嵌入式课件6 6嵌入式系统的软硬件框架嵌入式系统体系结构设计串口、并口、USB、以太网等LED、LCD、触摸屏、鼠标、键盘等Linux、uCLinux、uC/OS-II等2nS3C2410是Samsung公司推出的16/32位RISC处理器,主要面向高性价比、低功耗的手持设备应用。S3C2410有S3C2410X和S3C2410A两个型号,A型是X型的改进型,具有更好的性能和更低的功耗。嵌入式硬件平台设计1、S3C2410简介31、S3C2410内部结构嵌入式硬件平台设计4S3C2410片上资源qARM920TARM920T核、工作频率核、工作频率203MHz
2、203MHz;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
3、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;嵌入式硬件平台设计5S3C2410特性q内核内核:1.8V I/O:1.8V I/O及存储器及存储器 :3.3V:3.3Vq电源管理模式:电源管理模式:NormalNormal、SlowSlow、IdleIdle、Power off Power off q272-FBGA272-FBGA嵌入式硬件平台设计
4、6S3C2410的引脚分布图嵌入式硬件平台设计7总线控制信号S3C2410X的引脚信号描述8SDRAM/SRAMS3C2410X的引脚信号描述信号信号类型类型描述描述nSRASOSDRAM行地址锁存信号nSCASOSDRAM列地址锁存信号nSCS1:0OSDRAM片选DQM3:0OSDRAM数据屏蔽SCLK1:0OSDRAM时钟SCKEOSDRAM时钟使能nBE3:0O字节允许信号 nWBE3:0O写字节使能9NAND FlashS3C2410X的引脚信号描述10LCD控制信号S3C2410X的引脚信号描述11中断控制信号S3C2410X的引脚信号描述DMA控制信号12UART控制信号S3C2
5、410X的引脚信号描述ADC13IIC-BUS控制信号S3C2410X的引脚信号描述IIS-BUS控制信号14触摸屏接口控制信号S3C2410X的引脚信号描述SPI接口信号15USB从接口信号USB主接口信号S3C2410X的引脚信号描述16GPIOS3C2410X的引脚信号描述TIMER/PWM控制信号17复位和时钟信号S3C2410X的引脚信号描述18JTAG测试逻辑S3C2410X的引脚信号描述19电源S3C2410X的引脚信号描述20芯片及引脚分析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q芯片引脚主要有如下几种类型:芯片引脚主要有如
6、下几种类型:S3C2410XS3C2410X的引脚主要分为的引脚主要分为如下几类,即:数字输入(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/OI/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S3C241
7、0XS3C2410X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S3C2410X的引脚信号描述21最小系统简介最小系统简介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
8、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22最小系统框图最小系统框图嵌入式控制器时钟电路调试测试接口复位电路存储器电路电源电路可选,当嵌入式处理器中无存储器时,或需扩充存储器时,需加上。可选,方便调试和测试,一般都加上。最小系统的设计23电源电路-概述电源系统为整个系统提供能量,是整个系统工作的基础,具有极其重要的地位。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。多电源系统的设计、电源的分配、印制板设计中电源的设计等,都是必须考虑的。最小系统的设计24电源电路-考虑的因素1.输入的电压范围、电流;2.输出的电压、最大电流、最大
9、功率;3.输出纹波大小;4.安全因素;5.电池兼容和电磁干扰;6.体积要求;7.成本要求。最小系统的设计25电源电路-需求分析1、一般是多电源系统,I/O一般为3.3V供电,内核为2.5V(S3C44B0)、1.8V(S3C2410)供电,有可能还包含5V或12V等电源;2、一般将数字电源和模拟电源分别供电;3、要求电源纹波比较小,一般采用LDO(low dropout regulator,低压差线性稳压器)供电;最小系统的设计26电源电路-芯片选型1、有很多厂家均生产LDO DC-DC转换芯片,如Maxim、LinearLinear、Sipex、TI、Microchip等;2、转换到5V的芯
10、片有UA7805、TL750L05、LTC3425、REG1117-5等;3、转换到3.3V的芯片有LT1083(7.5A)、LT1084(5A)、LT1085(3A)、LT1086(1.5A),REG1117-3.3等;最小系统的设计27电源电路-参考电路最小系统的设计28时钟电路1、主时钟电路2、RTC时钟电路3、主时钟及USB时钟滤波 时钟电路用于向CPU及其它电路提供工作时钟,S3C2410X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时钟滤波最小系统的设计29时钟电路1 1、根据S3C2410X的最高工作频率以及PLL电路的工作方式,选择12MHz的无源晶
11、振。12MHz的晶振频率经过S3C2410X片内的PLL电路倍频后,可达到202.8MHz的频率。2、片内的PLL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,以降低因高速开关时钟所造成的高频噪声。最小系统的设计30复位电路q由RC电路及施密特触发器组成:最小系统的设计31JTAG调试接口电路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
12、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
13、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。
14、最小系统的设计32JTAG调试接口电路-14针接口及定义最小系统的设计33JTAG调试接口电路-20针接口及定义最小系统的设计34JTAG接口电路设计接口电路必须接上拉20针JTAG接口最小系统的设计35硬件调试q尽可能的从简单到复杂,一个单元一个单元地焊接调试,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,在调试过程中,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,才能通电调试。应先确定电路没有短路,才能通电调试。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 +晶振电路晶振
15、电路 +复位电路复位电路 +JTAG+JTAG接口接口q然后加上然后加上SDRAMSDRAM,再加上再加上FLASHFLASH,然后再加上其它接口然后再加上其它接口q芯片在工作时有一定的发热是正常的,但如果有芯片特别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,需断电检查确认无误后方可继续发烫,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。通电调试。硬件系统的调试36电源、晶振及复位电路调试q调试电源电路之前,尽量少接器件,通电之前检查有无短调试电源电路之前,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
16、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平端在未按按钮时输出应为高电平(3.3V3.3V),),按下按钮后变为低电平,按钮松开后应恢复到高按下按钮后变为低电平,按钮松开后应恢复到高电平电平硬件系统的调试37S3C2410X扩展系统qS3C2410XS3C2410X最小系统最小系统 +SDRAM+FLASH+SDRAM+FLASH电路可构成一个完全的电路可构成一个完全的嵌入式系统嵌入式系统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中的程序中的程序q程序大小可以很大,如果将程序保存到程序
17、大小可以很大,如果将程序保存到FLASHFLASH中,掉电后不中,掉电后不会丢失,因此,既可以通过会丢失,因此,既可以通过JTAGJTAG接口调试程序,也可以将程序接口调试程序,也可以将程序烧写到烧写到FLASHFLASH,然后运行然后运行FLASHFLASH中的程序中的程序q在此基础上加入必要的接口及其他电路,就构成了具体的在此基础上加入必要的接口及其他电路,就构成了具体的S3C2410XS3C2410X应用系统应用系统最小系统的设计38JXARM9-2410JXARM9-2410教学系统教学系统39存储器系统的层次结构存储器系统设计存储器系统设计40n在这种存储器分层结构中,上面一层的存储
18、器作为下一层存储器的高速缓存。nCPU寄存器就是cache的高速缓存,寄存器保存来自cache的字;ncache又是内存层的高速缓存,从内存中提取数据送给CPU进行处理,并将CPU的处理结果返回到内存中;n内存又是主存储器的高速缓存,它将经常用到的数据从Flash等主存储器中提取出来,放到内存中,从而加快了CPU的运行效率。n嵌入式系统的主存储器容量是有限的,磁盘、光盘或CF、SD卡等外部存储器用来保存大信息量的数据。n在某些带有分布式文件系统的嵌入式网络系统中,外部存储器就作为其他系统中被存储数据的高速缓存。存储器系统设计存储器系统设计41高速缓冲存储器高速缓冲存储器ncache能够减少内存
19、平均访问时间。nCache可以分为统一cache和独立的数据程序cache。n当CPU更新了cache的内容时,要将结果写回到主存中,可以采用写通法(write-through)和写回法(write-back)。q写通法是指CPU在执行写操作时,必须把数据同时写入cache和主存。采用写通法进行数据更新的cache称为写通cache。q写回法是指CPU在执行写操作时,被写的数据只写入cache不写入主存。仅当需要替换时,才把已经修改的cache块写回到主存中。采用写回法进行数据更新的cache称为写回cache。存储器系统设计存储器系统设计42n当进行数据写操作时,cache分为两类:读操作分
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