ARM嵌入式系统硬件设计及应用实例.pdf

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1、ARM硬件设计及应用实例硬件设计及应用实例ARM硬件设计及应用实例刘铁刚硬件设计及应用实例刘铁刚2004-4-26http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛2提纲1 1 13 3 32 2 2从51到ARM基于ARM的硬件设计ARM应用实例http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛3一从51到ARM微处理器的发展：?沿着两条路发展：?通用微处理器?嵌入式微处理器http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛4通用微处理器的发展历程：?4位：4位：Intel公司的4004，4040等Intel公司的4004，4040等一从51到ARM?8位：8位：Intel公司的800

2、8、8080，Motorola公司的6800系列，Zilog公司Z80系列，NS公司的NSC800系列等Intel公司的8008、8080，Motorola公司的6800系列，Zilog公司Z80系列，NS公司的NSC800系列等?16位：16位：Intel公司的8086、80286，Thompson公司68200等Intel公司的8086、80286，Thompson公司68200等?32位：32位：NS公司的32000，Intel公司的80386，80486等NS公司的32000，Intel公司的80386，80486等?64位：64位：Intel公司Pentium II、III、IV,A

3、PPLE公司的PowerPC G5等Intel公司Pentium II、III、IV,APPLE公司的PowerPC G5等http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛5嵌入式微处理器的发展历程：一从51到ARM?4位：4位：TI公司的TMS1000，NS的COP系列等TI公司的TMS1000，NS的COP系列等?8位：8位：Intel公司的8048/49/50、8051/52，Motorola公司的6800系列，Zilog公司Z8系列，ATMEL公司的89C51/52、89C1051/2051，MICROCHIP公司的PIC系列等Intel公司的8048/49/50、8051/52，

4、Motorola公司的6800系列，Zilog公司Z8系列，ATMEL公司的89C51/52、89C1051/2051，MICROCHIP公司的PIC系列等?16位：16位：Intel公司的8096/97，Thompson公司68200等Intel公司的8096/97，Thompson公司68200等?32位：32位：ARM公司的ARM7、ARM9、ARM10核的CPU等ARM公司的ARM7、ARM9、ARM10核的CPU等?64位：64位：ARM公司的ARM11，MIPS公司的R2000、R3000等ARM公司的ARM11，MIPS公司的R2000、R3000等http:/ 电子发烧友 ht

5、tp:/ 电子技术论坛651单片机的特点：?易学易用，常是一个人的项目易学易用，常是一个人的项目?接口方便接口方便?从事51研发的人力资源丰富从事51研发的人力资源丰富一从51到ARMhttp:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛751单片机的缺陷与不足：?运行速度慢运行速度慢一从51到ARM?无法满足中、高端产品的需要无法满足中、高端产品的需要?对存储器的管理能力比较差对存储器的管理能力比较差?对操作系统的支持比较差对操作系统的支持比较差http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛851到ARM的转移：?势在必行：ARM处理器已经成为32位嵌入式处理器事实上的标准势在必行：AR

6、M处理器已经成为32位嵌入式处理器事实上的标准一从51到ARM?宜早不宜迟：掌握一门前沿技术，和其他研发人员比占据优势；使产品高起点；宜早不宜迟：掌握一门前沿技术，和其他研发人员比占据优势；使产品高起点；?信息社会发展的必然信息社会发展的必然?ARM是嵌入式CPU的主流技术ARM是嵌入式CPU的主流技术http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛9ARM的优点：?低功耗、低成本、高性能低功耗、低成本、高性能?带DSP及JAVA支持带DSP及JAVA支持?RISC指令集、支持ARM/THUMBRISC指令集、支持ARM/THUMB?芯片型号多芯片型号多?支持的操作系统多、支持的开发工具多

7、支持的操作系统多、支持的开发工具多一从51到ARMhttp:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛10ARM的优点：?性价比的变化性价比的变化?调试技术的革新调试技术的革新?对操作系统的更好的支持对操作系统的更好的支持?更好的存储器管理更好的存储器管理一从51到ARMhttp:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛11ARM商业模式的成功：?ARM公司是出售IP知识产权的公司ARM公司是出售IP知识产权的公司一从51到ARM?生产ARM核芯片的公司有100多家生产ARM核芯片的公司有100多家?ARM公司在技术上采取无歧视的政策ARM公司在技术上采取无歧视的政策?国内有诸多的操作系统厂

8、家、开发工具厂家支持ARM技术国内有诸多的操作系统厂家、开发工具厂家支持ARM技术http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛12一 从51到ARMARM研发的特点：?要求比较多的相关知识要求比较多的相关知识?微处理器及接口技术?高频电路、多层板的设计?嵌入式汇编程序?BSP?C语言?嵌入式操作系统?嵌入式应用程序?团队项目、高起点团队项目、高起点http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛13ARM最小系统：?ARM处理器ARM处理器?存储器存储器?电源电路电源电路?复位电路复位电路ARMCPU电源电路电源电路复位电路复位电路FLASHSDRAM二基于ARM的硬件设计http

9、:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛14二基于ARM的硬件设计JX44B0教学系统的硬件组成：S3C44B0XS3C44B0X4MBFlash(BIOS)4MBFlash(BIOS)8MB SDRM8MB SDRMUSB 接口USB 接口RS-232接口RS-232接口JTAG调试端口JTAG调试端口LCD 显示及触摸屏显示及触摸屏键盘接口键盘接口以太网接口以太网接口音频接口音频接口http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛15二基于ARM的硬件设计S3C44B0内部结构图：http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛16二基于ARM的硬件设计S3C44B0片上资源：

10、?ARM7TDMI核、工作频率66MHz；?8KB Cache，外部存储器控制器；?LCD控制器；?4个DMA通道；?2通道UART、1个多主I2C总线控制器、1个IIS总线控制器；?5通道PWM定时器及一个内部定时器；?71个通用I/O口；?8个外部中断源；?8通道10位ADC；?实时时钟等。http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛17二基于ARM的硬件设计S3C44B0存储系统：?存储系统设计?支持数据存储的大/小端选择；?地址空间：支持8个存储体访问；?对所有存储体的访问宽度均可改变（81632位）；?7个存储体的起始地址固定，1个存储体的起始地址可变。http:/ 电子发烧

11、友 http:/ 电子技术论坛18二基于ARM的硬件设计S3C44B0存储系统分区：http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛19JX44B0教学系统的地址分配：地址区间用途数据宽度读/写属性0 x000000000 x0003ffffnGCS0:FLASH存储器16bitR/W0 x040000000 x0400000fnGCS2:网络接口芯片16bitR/W0 x060000000 x06000001nGCS3:USB接口芯片8 bitR/W0 x0C0000000 x0C7fffffnGCS6:SDRAM存储器16bitR/W0 x020000000 x02000006nGCS

12、1:扩展后用作数码管、键盘及LED的控制等8 bitR/W0 x080000000 x080e000fnGCS4:扩展后用作CF卡及IDE接口的控制8/16R/W0 x0a0000000 x0a000006nGCS5:通过扩展，用作并口控制寄存器8 bitR/W二基于ARM的硬件设计http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛20电源电路设计：?多电源系统：5V、3.3V、2.5V、1.8V、1.25V?线性稳压电路、开关稳压电路二基于ARM的硬件设计http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛21复位电路设计：?复位操作复位操作?上电复位?人工手动复位?运行监视复位?运行监视

13、复位运行监视复位?看门狗监视复位?电源监视复位二基于ARM的硬件设计?复位电平复位电平?高电平复位?低电平复位?复位电路复位电路?RC复位电路?专用芯片复位电路http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛22存储器电路设计：?总线访问宽度总线访问宽度?8位访问?16位访问?32位访问?存储器总线宽度存储器总线宽度?8位?16位?32位二基于ARM的硬件设计?存储器存储器?ROM?FLASH?NAND FLASH?RAM?SDRAM?FRAMhttp:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛23LCD显示模块设计：?内置LCD控制器?支持单色、4级灰度、16级灰度、256级彩色屏?支持

14、不同显示器大小?支持不同显示器的数据宽度、刷新率等?可将显示缓存区数据直接传送到LCD外部驱动电路二基于ARM的硬件设计http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛24二基于ARM的硬件设计显示控制器内部结构图：?LCD显示模块设计http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛25二基于ARM的硬件设计256色彩色显示器显示示意图：?LCD显示模块设计http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛26二基于ARM的硬件设计LCD显示接口设计：?接口信号说明?VFRAME：帧同步信号?VLINE：行同步信号?VCLK:象素时钟信号?VM：交流信号?VD7:0:LCD象素数据信

15、号http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛27二基于ARM的硬件设计串行端口设计：?廉价的双机通讯设备?便于应用程序的调试?S3C44B0自带两个异步串行口控制器?带16字节的FIFO?最大波特率115.2Kb?支持硬件流控等http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛28二基于ARM的硬件设计串行端口设计：?电平转换：3.3V/5V和EIA RS-232C，?常用转换芯片：单/双/四通道，如MAX232、MAX202、SP3220等?以SP3232ECA芯片为例，示意如下：http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛29二基于ARM的硬件设计JTAG调试接口：?J

16、TAG 是Joint Test Action Group 的缩写；IEEE1149.1 标准由该组织制定。?在线测试、在线编程、在线调试?内核速度调试运行、不占用系统资源?可通过JTAG口访问ARM 的内部总线，I/O 口等信息，从而达到调试的目的。http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛30二基于ARM的硬件设计ARM调试系统：?ARM调试系统结构：典型的JTAG 调试结构http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛31二基于ARM的硬件设计ARM的JTAG接口设计：?常用ARM的JTAG接口：JTAG接口标准：14PINS和20PINShttp:/ 电子发烧友 http

17、:/ 电子技术论坛32二基于ARM的硬件设计JX44B0教学系统调试接口：?调试接口示意如下：http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛33二基于ARM的硬件设计基本输入输出接口设计：?扩展键盘接口设计?用来输入数字型数据或者选择控制设备的操作模式?实现方案实现方案?采用专用的键盘接口芯片?用软件实现键盘扫描用软件实现可采用查询式或中断触发的方式http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛34二基于ARM的硬件设计基本输入输出接口设计：?扩展键盘接口设计示意图：+5V+5V123456789123456789B1B2B3B1B2B3B1B2B3B1B2B3行（输出端口）行（输

18、出端口）列（输入端口）列（输入端口）http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛35二基于ARM的硬件设计基本输入输出接口设计：?扩展键盘接口设计键盘扫描过程就是让微处理器按有规律的时间间隔查看键盘矩阵，以确定是否有键被按下。每个键被分配一个称为扫描码的唯一标识符。应用程序利用该扫描码，根据按下的键来判定应该采取什么动作。与键盘设计有关的还包括软件上的一些处理：?消抖算法?组合键处理?连击的处理等http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛36二基于ARM的硬件设计网络接口设计：?扩展网络接口设计?嵌入式处理器网卡芯片?对嵌入式处理器没有特殊要求，通用性强?处理器和网络数据交换

19、通过外部总线进行交换?带有以太网络接口的嵌入式处理器?处理器面向网络应用?处理器和网络数据交换通过内部总线，速度快http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛37二基于ARM的硬件设计网络接口设计：?扩展网络接口设计嵌 入 式 处 理 器（S3C44BOX）10M以 太 网 芯 片网 卡隔 离 变 压 器RJ45接 口http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛38二基于ARM的硬件设计网络接口设计：?扩展网络接口设计?数据总线?地址总线?控制总线?中断请求?DMA中断请求与应答?模拟接口http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛39二基于ARM的硬件设计USB接口设

20、计：?扩展USB接口设计USB主要具有如下优点：?即插即用，无需手动设置地址、中断?热插拨，设备不需重新启动便可以工作?易于扩展，理论上可连接多达127 个设备?接口标准统一、端口供电，不同设备之间基本可以共享接口电缆。http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛40三三ARM应用实例税控收款机应用举例：?基于S3C44B0的税控收款机?采用嵌入式CPU(S3C44B0)?从系统结构上改变目前收款机应用系统中出现的高端机（由PC机组成系统）成本过高与低端机（由单片机组成系统）资源不足的状况，使嵌入式系统在税控收款机上得到广泛应用http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛41三

21、三ARM应用实例税控收款机组成框图：http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛42三三ARM应用实例税控收款机硬件组成：?硬件组成：?CPU：S3C44B0?存储器：FLASH、SDRAM、NAND FLASH?显示器：LCD、VFD?触摸屏：四线电阻式触摸屏?PS/2外设接口：键盘、条码扫描器、磁卡扫描器?RS232、并行口扩展接口：用外设扩展芯片实现?网络扩展接口?电源模块：主板电源、MODEM电源、VFD电源等http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛43三三ARM应用实例POS机软件组成：?操作系统：?采用uCLinux操作系统，不需要MMU支持，内核可裁减?包括了完善的TCP/IP协议栈，PPP拨号网络?图形系统图形系统?采用MiniGUI，中国人自行开发，界面美观，移植简单http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛44三三ARM应用实例POS机软件组成：?应用程序：应用程序：?商业功能模块?税控功能模块?报表功能模块?管理设置功能模块?其它功能模块http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛45谢谢大家！谢谢大家！http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛