微机原理&10-基于ARM微处理器的硬件系统设计课件.ppt
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1、第十章第十章 基于基于ARM微处理器的硬件系统设计微处理器的硬件系统设计1、基于、基于ARM微处理器微处理器的系统设计概述的系统设计概述2、基于基于ARM内核的常用微处理器简介内核的常用微处理器简介飞思卡尔飞思卡尔i.MX27、三星、三星S3C2440A、其他、其他 3、ARM微处理器最小硬件系统微处理器最小硬件系统电源、时钟、复位、存储器、调试接口电源、时钟、复位、存储器、调试接口4、人机交互接口人机交互接口键盘与键盘与LED接口、接口、LCD显示接口、触摸屏接口显示接口、触摸屏接口5、通信接口通信接口串行通信接口、其他通信接口串行通信接口、其他通信接口基于基于ARMARM内核的常用微处理器
2、简介内核的常用微处理器简介ARMARM微处理器有多种内核结构,还有多种多样的内微处理器有多种内核结构,还有多种多样的内部功能配置组合,所以在设计一个系统时选择最合部功能配置组合,所以在设计一个系统时选择最合适的适的ARMARM芯片是非常重要的。一些主流的芯片是非常重要的。一些主流的ARM9ARM9处处理器芯片如:理器芯片如:三星:三星:S3C2440A S3C2440A 飞思卡尔:飞思卡尔:MC9328MX27MC9328MX27AtmelAtmel公司:公司:AT91SAM9263 AT91SAM9263 意法半导体:意法半导体:STR91x STR91x 恩智浦半导体:恩智浦半导体:LPC
3、2000 LPC2000 系列系列三星公司推出的基于三星公司推出的基于ARMARM内核的微处理器主要面向消费类便携式设备内核的微处理器主要面向消费类便携式设备,为手持为手持设备和一般应用提供了高性价比和高性能的微控制器解决方案。设备和一般应用提供了高性价比和高性能的微控制器解决方案。包括:包括:采用采用ARM7TDMIARM7TDMI内核的内核的S3C44B0S3C44B0和和S3C3410S3C3410采用采用ARM926EJ-SARM926EJ-S内核的内核的S3C2412S3C2412,S3C2413S3C2413,S3C2416S3C2416,S3C2450S3C2450和和S3C24
4、A0S3C24A0采用采用ARM920TARM920T内核的内核的S3C2410S3C2410,S3C2440S3C2440,S3C2442S3C2442和和S3C2443S3C2443采用采用ARM1176JZFARM1176JZF内核的内核的S3C6400S3C6400等等三星公司采用三星公司采用ARMARM内核的微处理器主要按照应用来划分,如通用型内核的微处理器主要按照应用来划分,如通用型3232位位MCUMCU主要采用主要采用ARM7TDMIARM7TDMI内核,面向内核,面向CAN/LINCAN/LIN总线、以太网、发动总线、以太网、发动机控制和机控制和RFIDRFID等应用场合。等
5、应用场合。三星公司的三星公司的ARMARM微处理器芯片微处理器芯片三星公司的三星公司的S3C2440AS3C2440A采用采用ARM920TARM920T内核,实内核,实现了现了MMUMMU,AMBAAMBA总线总线和哈佛架构的高速缓冲体和哈佛架构的高速缓冲体系结构。系结构。在高速缓存方面采用了独在高速缓存方面采用了独立的立的16 KB16 KB的的I-cacheI-cache和和16 16 KBKB的的D-cacheD-cache。采用采用0.13 0.13 m CMOSm CMOS工艺工艺标准宏单元和存储器单元,标准宏单元和存储器单元,其低功耗、简洁的结构和其低功耗、简洁的结构和全静态电路
6、设计特别适合全静态电路设计特别适合对成本和功耗敏感的应用。对成本和功耗敏感的应用。为了降低整机系统的成本,为了降低整机系统的成本,提供了各类丰富的功能模提供了各类丰富的功能模块,在系统设计中无需配块,在系统设计中无需配置额外的外部组件。置额外的外部组件。ARMARM芯片的选型芯片的选型性能参数的考虑性能参数的考虑ARMARM核版本核版本工作频率工作频率内部存储器容量内部存储器容量电源控制电源控制DSPDSP协处理器协处理器功耗功耗外设接口的考虑外设接口的考虑USBUSB接口接口RTCRTCGPIOGPIO数量数量其他因素其他因素芯片封装的选择芯片封装的选择芯片的封装有很多种类型,如:芯片的封装
7、有很多种类型,如:DIPDIP、QFPQFP、PGAPGA、BGABGA等等在散热性能、信号完整性特性、体积大小等方面的要求在散热性能、信号完整性特性、体积大小等方面的要求ARMARM微处理器最小硬件系统的设计微处理器最小硬件系统的设计1.1.ARMARM微处理器微处理器;2.2.电源模块电源模块,包括,包括CPUCPU内核和内核和I/OI/O接口电源电源;接口电源电源;3.3.时钟模块时钟模块,包括系统主时钟,包括系统主时钟和实时时钟;和实时时钟;4.4.复位模块复位模块,包括系统上电复,包括系统上电复位、手动复位和内部复位;位、手动复位和内部复位;5.5.存储器模块存储器模块,包括程序保存
8、,包括程序保存存储器(存储器(FLASHFLASH)和程序运)和程序运行存储器(行存储器(SDRAMSDRAM););6.6.JTAGJTAG调试接口模块调试接口模块。最小硬件系统通常是指以最小硬件系统通常是指以嵌入式处理器为嵌入式处理器为核心核心,包含,包含电电源、时钟和复位源、时钟和复位等保障处理器等保障处理器正常工作的基本硬件电路正常工作的基本硬件电路 。S3C2440AS3C2440A最小硬件系统:电源模块最小硬件系统:电源模块电电源源模模块块是是系系统统工工作作的的能能量量来来源源,其其电电压压、纹纹波波、内内阻阻和和驱驱动动能能力力等等性性能能直直接接影影响响到到系系统统工工作作的
9、的稳稳定定性性,因因此此电电源源模模块块在在系系统统设设计计中中至至关重要。关重要。电源电源电压电压一定要在系统需求的范围之内一定要在系统需求的范围之内电电源源的的驱驱动动能能力力一一定定要要能能满满足足整整个个系系统统的的功功率需求率需求电源纹波和电路电源纹波和电路干扰干扰的处理的处理在在设设计计PCBPCB时时需需要要对对模模拟拟电电源源和和数数字字电电源源进进行物理上的隔离行物理上的隔离S3C2440AS3C2440A最小硬件系统:时钟模块最小硬件系统:时钟模块时时钟钟模模块块为为系系统统提提供供同同步步工工作作信信号号,其其稳稳定定性性直接关系到系统的工作稳定性。直接关系到系统的工作稳
10、定性。在在ARMARM嵌嵌入入式式系系统统中中通通常常包包括括频频率率较较高高的的系系统统主时钟主时钟和频率较低的和频率较低的实时时钟。实时时钟。时钟经内部锁相环后得到四组时钟信号:时钟经内部锁相环后得到四组时钟信号:1.1.FCLKFCLK:ARM920TARM920T内核内核2.2.HCLKHCLK:AHBAHB总总线线、存存储储器器控控制制器器、中中断断控控制制器器、LCDLCD控制器、控制器、DMADMA控制器和控制器和USBUSB主机模块主机模块3.3.PCLKPCLK:访访问问APBAPB总总线线的的外外设设,如如WDTWDT,I I2 2S S,I I2 2C C,PWMPWM定
11、定时时器器,MMCMMC接接口口,ADCADC,UARTUART,GPIOGPIO,RTCRTC和和SPISPI等模块等模块4.4.UCLKUCLK:USBUSB模块需要的模块需要的48 MHz48 MHz时钟时钟S3C2440AS3C2440A最小硬件系统:复位模块最小硬件系统:复位模块一一般般来来说说系系统统对对外外部部复复位位信信号号波波形形有有一一定定的的要要求求,若若不不能能满满足足要要求求(例例如如持持续续时时间间过过短短),则则系系统统将将不不能能正正常工作。常工作。复位类型:系统上电复位、手动复位和内部复位复位类型:系统上电复位、手动复位和内部复位1.1.系统上电复位、手动复位
12、系统上电复位、手动复位 :外部电路复位外部电路复位2.2.内部复位:系统内部事务处理(看门狗复位)内部复位:系统内部事务处理(看门狗复位)(复复位位异异常常处处理理情情况况详详见见:P235P235最最前前面面第第二二段段,P314P314最后两段)最后两段)看门狗定时器结构图看门狗定时器结构图(看门狗电路是一个减法计数器,当从计数初始值减到(看门狗电路是一个减法计数器,当从计数初始值减到0 0,就向,就向CPUCPU的的nResetnReset引脚输出低电平;因此当程序运引脚输出低电平;因此当程序运行时需要定时喂狗(看门狗检测到喂狗信号时计数值行时需要定时喂狗(看门狗检测到喂狗信号时计数值置
13、为初始值)置为初始值)ARM微处理器一般都采用JTAG作为调试接口,通过并口连接到调试主机(如果没有并口,可以通过JLink实现USB接口转JTAGS3C2440AS3C2440A最小硬件系统:最小硬件系统:JTAGJTAG调试接口调试接口TCK:测试时钟输入;TDI :测试数据输入,数据通过TDI输入JTAG口;TDO:测试数据输出,数据通过TDO从JTAG口输出;TMS:测试模式选择,TMS用来设置JTAG口处于某种特定的测试模式。nTRST(可选引脚):测试复位,输入引脚,低电平有效。l存存储储器器模模块块为为系系统统程程序序的的保保存存和和运运行行提提供供空空间间,在在系系统统设设计计
14、中中主主要要根根据据处处理理器器的的存存储储器器接接口口选选择择合合适适的的存存储储器器芯芯片片(存存储储类类型型、容容量量、速速度度和和接接口类型口类型 )lARMARM最最小小系系统统中中的的存存储储器器通通常常包包括括存存放放程程序序的的NAND FlashNAND Flash和用于程序运行的和用于程序运行的SDRAMSDRAM。l存存储储器器模模块块通通常常挂挂接接在在ARMARM芯芯片片的的局局部部总总线线上上(外外部三总线部三总线)。S3C2440AS3C2440A最小硬件系统:存储器模块最小硬件系统:存储器模块“Steppingstone”为系统从外部为系统从外部Flash存储器
15、引导提供支持存储器引导提供支持(”弹簧床弹簧床“意义详见图意义详见图10-7 上面的文字上面的文字)Nand FlashNand Flash控制器模块框图控制器模块框图S3C2440S3C2440系统引导流程示意图系统引导流程示意图使用使用16位存储芯片构造位存储芯片构造32位宽存储器系统位宽存储器系统问题:问题:ADDR0ADDR0和和ADDR1ADDR1有没有用途?有没有用途?10.4 10.4 人机交互接口人机交互接口 人机交互接口主要用于人与设备之间的信息人机交互接口主要用于人与设备之间的信息交换,通常包括用于信息输入的键盘、触摸屏,交换,通常包括用于信息输入的键盘、触摸屏,以及信息输
16、出的各类显示以及信息输出的各类显示设备设备。以以S3C2440A的相关接口为例介绍各类接口的相关接口为例介绍各类接口硬件硬件结构与使用结构与使用:键盘与键盘与LEDLED接口接口LCDLCD显示接口显示接口触摸屏接口触摸屏接口键盘与键盘与LEDLED接口接口按键和按键和LED是最常用的两种输入输出器件,是最常用的两种输入输出器件,使用它们可以实现简单的信号输入和输出,在嵌使用它们可以实现简单的信号输入和输出,在嵌入式系统中有重要用途。入式系统中有重要用途。这类简单外设与处理器进行连接时,通常有这类简单外设与处理器进行连接时,通常有两种方式:一是使用处理器的两种方式:一是使用处理器的GPIO直接
17、控制直接控制,由,由处理器运行相应软件来实现所需功能;二是使用处理器运行相应软件来实现所需功能;二是使用专用的控制芯片专用的控制芯片来获取按键信息以及驱动显示。来获取按键信息以及驱动显示。GPIO(General Purpose Input)可以实现任可以实现任何一般用途的信号输入何一般用途的信号输入/输出。输出。ARM处理器芯片的大部分引脚都可以通过设处理器芯片的大部分引脚都可以通过设定相应的控制寄存器实现基本的定相应的控制寄存器实现基本的GPIO功能,并可功能,并可编程设置信号方向、电平上拉编程设置信号方向、电平上拉/下拉等功能。下拉等功能。在在S3C2440A中共有中共有130个多功能个
18、多功能I/O引脚,引脚,这些引脚除了可以作为某个特殊功能使用外,均这些引脚除了可以作为某个特殊功能使用外,均可以配置成可以配置成GPIO模式,并分为以下模式,并分为以下9组:组:Port A(GPA):25个输出端口个输出端口Port B(GPB):11个输入个输入/输出端口输出端口Port C(GPC):16个输入个输入/输出端口输出端口Port D(GPD):16个输入个输入/输出端口输出端口Port E(GPE):16个输入个输入/输出端口输出端口Port F(GPF):8个输入个输入/输出端口输出端口Port G(GPG):16个输入个输入/输出端口输出端口Port H(GPH):9个
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- 微机 原理 10 基于 ARM 微处理器 硬件 系统 设计 课件
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