第7章_ARM7系列芯片的外圍電路設(shè)計

1、11. 嵌入式硬件系統(tǒng)模塊2. 存儲器電路與設(shè)計3. 鍵盤輸入模塊4. 顯示輸出模塊5. 串行通信模塊 第第7章章 ARM7系列芯片的系列芯片的 外圍電路設(shè)計外圍電路設(shè)計27.1 嵌入式硬件系統(tǒng)模塊l7.1.1最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)l7.1.2電源電路l7.1.3時鐘電路l7.1.4復(fù)位電路l7.1.5存儲器系統(tǒng)37.1.1 最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 嵌入式微控制器是整個系統(tǒng)的核心，負(fù)嵌入式微控制器是整個系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的運作，但是它不能獨立工責(zé)整個系統(tǒng)的運作，但是它不能獨立工作，必須配置額外的外圍電路為其提供作，必須配置額外的外圍電路為其提供必要的基本條件。必要的基本條件。 所謂最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，是指在嵌入式

2、微控所謂最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，是指在嵌入式微控制器外部增加盡可能少的電路模塊，達(dá)制器外部增加盡可能少的電路模塊，達(dá)到一個可以讓嵌入式微控制器獨立工作到一個可以讓嵌入式微控制器獨立工作的狀態(tài)的狀態(tài) 。 47.1.2 電源電路電源是電子設(shè)備不可缺少的重要組成部分，良好的電源設(shè)計是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的保障，在進(jìn)行硬件系統(tǒng)設(shè)計之前要估算整個系統(tǒng)的整體功率，然后在進(jìn)行電源芯片的選型，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到硬件系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，以及電磁兼容性。 5電源設(shè)計的思路使用變壓器將220v交流市電降到7v20v的交流電，然后通過整流電路把交流電整流成直流電，通過濾波采用線性穩(wěn)壓器件，實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)和穩(wěn)壓的作用，將較高的直流電

3、壓轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)所需的系統(tǒng)工作電源。 67.1.3 時鐘電路 基于時序電路的微控制器依靠時鐘才能正常工作。 晶體振蕩器也分為無源晶振（也可稱為晶體，crystal）和有源晶振（也可稱為振蕩器，oscillator）2種類型。 77.1.4 復(fù)位電路 復(fù)位電路是微控制器系統(tǒng)最基本的組成部分，可靠的復(fù)位設(shè)計是保證系統(tǒng)可靠運行的前提條件。因為數(shù)字系統(tǒng)一上電時，其內(nèi)部狀態(tài)是不可預(yù)知的，所以復(fù)位電路的功能就是負(fù)責(zé)將微控制器內(nèi)部初始化為某個確定的狀態(tài)。 復(fù)位功能 上電復(fù)位 按鍵復(fù)位 87.1.5 存儲器系統(tǒng)存儲器是計算機系統(tǒng)中用來存放程序和數(shù)據(jù)的記憶設(shè)備。在進(jìn)行擴(kuò)展嵌入式存儲器時，一般采用存儲密度較大的存儲器

4、芯片，使其存儲容量與應(yīng)用軟件的大小相匹配。另外，對于沒有總線接口的微處理器，需要通過I/O口模擬總線時序來訪問片外存儲器，或者使用I2C、SPI等串行接口連接片外存儲器。 97.2 存儲器電路與設(shè)計l7.2.1嵌入式系統(tǒng)中存儲器的分類l7.2.2SRAM接口l7.2.3SDRAM接口l7.2.4PSRAM接口l7.2.5NAND FLASH接口l7.2.6 NOR FALSH接口l7.2.7存儲器與ARM的連接107.2.1 嵌入式系統(tǒng)中 存儲器的分類 嵌入式領(lǐng)域中存儲器一般可分為兩大類：隨機訪問存儲器（Random Access Memory，RAM）和只讀存儲器（Read Only Mem

5、ory，ROM） 。 11RAM（隨機訪問存儲器）lRAM也可稱為讀寫存儲器，其存儲單元中的內(nèi)容在機器運行期間可按需隨意讀/寫，且訪問速度與存儲單元的位置無關(guān)，無需經(jīng)過中間電路的驅(qū)動。因為RAM在斷電時將丟失其存儲內(nèi)容，所以主要用于存儲短時間使用的程序。 l根據(jù)存儲信息原理的不同， RAM又可以分為SRAM（Static RAM，靜態(tài)隨機存儲器）、SDRAM（Synchronous Dynamic RAM，同步的動態(tài)隨機存儲器）和PSRAM（Pseudo Static RAM，假靜態(tài)隨機存儲器）。 12ROM（只讀存儲器）lROM是一種只能讀出預(yù)先存儲數(shù)據(jù)的固態(tài)半導(dǎo)體存儲器，其特性是ROM所存

6、的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，斷電后數(shù)據(jù)不會改變；其結(jié)構(gòu)較簡單，讀出較方便，因而常用于存儲各種固定程序和數(shù)據(jù)。 lROM可以分為掩膜式只讀存儲器（MROM）、可編程只讀存儲器（PROM）、可擦可編程序只讀存儲器（EPROM）、電可擦可編程只讀存儲器（E2PROM）和閃速存儲器（FLASH Memory）。 13FLASH存儲器 lFLASH是在EPROM和E2PROM 基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，兼有RAM和ROM兩者的優(yōu)點，是一種可在系統(tǒng)（In-System）進(jìn)行電擦寫，掉電后信息不丟失的存儲器。其具有高集成度、大容量、高速度、低成本的特點 。 l根據(jù)不同的應(yīng)用場合，F(xiàn)LASH的實現(xiàn)技術(shù)分為 NOR型FLASH 和NA

7、ND型FLASH 。 147.2.2 SRAM接口1.SRAM特點l具有極高的讀寫速度lSRAM屬于易失性存儲器，電源掉電后SRAM中的數(shù)據(jù)將會丟失2.邏輯結(jié)構(gòu)15靜態(tài)RAM的邏輯結(jié)構(gòu)1.存儲矩陣2.存儲器讀/寫控制邏輯3.雙向數(shù)據(jù)緩沖器4.地址譯碼器l主要有兩種實現(xiàn)方式：單譯碼方式，雙譯碼方式。 16舉例：IS61LV25616AL芯片 美國ISSI公司的IS61LV25616AL芯片是采用高性能CMOS技術(shù)、高速16位 512KB的SRAM。IS61LV25616AL芯片內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)IS61LV25616AL芯片的引腳描述 IS61LV25616AL芯片與LPC2100/2200系列的連接

8、示意圖 177.2.3 SDRAM接口1.SDRAM特點l數(shù)據(jù)的讀寫需要時鐘來同步，并且需要不斷的刷新電路來保證數(shù)據(jù)的不丟失 l可以自由指定地址進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫2.邏輯結(jié)構(gòu)18動態(tài)RAM的邏輯結(jié)構(gòu)1.存儲陣列BANK 2.BANK控制邏輯 19舉例：HY57V561620芯片 韓國現(xiàn)代HY57V561620芯片是支持自動刷新（Auto-Refresh）和自刷新（Self-Refresh）功能 的 4M4bank16位（32M字節(jié)）的SDRAM 。HY57V561620芯片引腳描述 HY57V561620芯片與LPC2100/2200系列的連接示意圖 207.2.4 PSRAM接口1.PSRAM特

9、點l內(nèi)部結(jié)構(gòu)跟SDRAM相似，外部接口卻跟SRAM相似 lPSRAM容量沒有SDRAM密度高，但是比SRAM高很多，支持突發(fā)模式； l價格上比相同容量的SDRAM稍貴，卻比SRAM便宜很多； l比較于SDRAM，PSRAM的功耗要低很多 21舉例：MT45W4Mx16PFA芯片 MT45W4Mx16PFA芯片是一種高速、CMOS動態(tài)隨機存取存儲器，其存儲容量為4Meg*16bit的64Mb，適用于低功耗的便攜式應(yīng)用 。MT45W4Mx16PFA芯片引腳描述 MT45W4Mx16PFA芯片與LPC2100/2200系列的連接示意圖 227.2.5 NAND FLASH接口1.NAND FLASH

10、接口的特點l共用地址線和數(shù)據(jù)線，需要控制信號線來配合數(shù)據(jù)的讀和寫 lI/O端口只有8個，不能按字節(jié)隨機編程，適合于純數(shù)據(jù)和文件存儲。 l速度要比NOR型的并行傳輸模式慢很多，讀操作較慢；l由于芯片尺寸小，引腳少，NAND型是位成本（bit cost）最低的固態(tài)存儲器。 2.邏輯結(jié)構(gòu)23NAND FLASH的邏輯結(jié)構(gòu)CPU與NAND FLASH的通信（地址信息、命令信息和數(shù)據(jù)信息）只能通過I/O7:0進(jìn)行傳遞，地址信息分別對應(yīng)產(chǎn)生出訪問存儲陣列的列地址、頁地址和塊地址。NAND FLASH以頁（528Bytes）為單位讀寫數(shù)據(jù)，再以塊（32個頁）為單位擦除數(shù)據(jù)， NAND FLASH的具體容量由

11、FLASH上有多少個塊所決定，NAND FLASH中包括三類地址：列地址（A7A0）、頁地址和塊地址 24舉例：K9F28XXU0C芯片 韓國三星公司的K9F28XXU0C是一個含有4M位備用容量的128M位Flash存儲器，提供16M 8位或8M 16位兩種結(jié)構(gòu) 。IS61LV25616AL芯片內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)IS61LV25616AL芯片的引腳描述 IS61LV25616AL芯片與LPC2100/2200系列的連接示意圖 257.2.6 NOR FLASH接口1.NOR FLASH接口的特點l數(shù)據(jù)線和地址線是獨立分開的，所以它可以像SRAM一樣與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線相連 l傳輸效率很高l支持芯片內(nèi)執(zhí)

12、行( XIP，eXecute In Place)程序，因此嵌入式系統(tǒng)中經(jīng)常將NOR芯片做啟動芯片使用。 26舉例：SST39V160芯片 SST公司的SST39V160芯片容量為2MB，數(shù)據(jù)寬度為16bit的CMOS 多功能FLASH器件 。SST39V160芯片內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)SST39V160芯片的引腳描述 SST39V160芯片與LPC2100/2200系列的連接示意圖 277.2.7 存儲器與ARM的連接 具體連接方法和原則 l數(shù)據(jù)總線l控制總線l地址總線存儲器的控制信號主要有芯片使能、讀/寫、讀寫控制、行列地址選擇和時鐘等信號，由這些信號的組合實現(xiàn)了對存儲器的讀寫訪問所特有的時序約束要求

13、。 32位ARM的地址空間為4GB，采用統(tǒng)一編址的方式，即主存地址空間和外設(shè)接口地址空間是統(tǒng)一在同一個地址空間的不同區(qū)間，不同的廠家的處理器的地址空間分配不同。 287.3 鍵盤輸入模塊l7.3.1鍵盤工作原理l7.3.2鍵盤的硬件電路l7.3.3鍵盤的驅(qū)動297.3.1 鍵盤工作原理鍵盤是嵌入式系統(tǒng)中不可缺少的、最基本的輸入設(shè)備。組成鍵盤的按鍵有機械式、電容式、導(dǎo)電橡膠式、薄膜式等多種。按結(jié)構(gòu)形式可分為： 非編碼鍵盤 編碼鍵盤主要通過硬件方法來產(chǎn)生鍵碼值，鍵盤本身會帶有實現(xiàn)鍵盤功能所必需的硬件電路。優(yōu)點是接口簡單、使用方便；缺點是硬件電路較復(fù)雜，價格較貴。主要通過軟件方法產(chǎn)生鍵碼值，鍵盤本身

14、只是按鍵開關(guān)組成的行列矩陣，而相應(yīng)的按鍵的識別、鍵碼的確定、去抖動等功能均由程序完成，非編碼鍵盤結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。307.3.1 鍵盤工作原理鍵盤接口的功能 去抖動 防串鍵 按鍵識別 鍵碼產(chǎn)生鍵盤接口的工作原理 檢查是否有鍵按下 去抖動 被按鍵識別 產(chǎn)生鍵碼 317.3.2鍵盤的硬件電路常用鍵盤按鍵電路一般分為“獨立式按鍵電路”、“專用芯片式電路”和“矩陣式電路”幾種。 327.3.3 鍵盤的驅(qū)動鍵盤掃描的過程是將行線逐列置成低電平，然后讀取列線狀態(tài)，直到列線中出現(xiàn)低電平，這時可知哪一行是低電平；然后將行線與列線的狀態(tài)裝入鍵碼寄存器，進(jìn)行按鍵譯碼，得到按下的按鍵的相應(yīng)編碼，這樣就完成了按鍵掃

15、描過程。 337.4 顯示輸出模塊l7.4.17段數(shù)碼管的工作原理l7.4.2LCD的工作原理347.4.1 7段數(shù)碼管的工組原理在嵌入式系統(tǒng)中，經(jīng)常用到7段數(shù)碼管顯示器來顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)、運算結(jié)果等各種信息，7段數(shù)碼管顯示器是嵌入式系統(tǒng)與人進(jìn)行人機對話的一種重要輸出設(shè)備。 357段數(shù)碼管顯示器中二極管的連接方法 ： 共陽極接法 共陰極接法 367.4.2 LCD的工作原理液晶顯示器 LCD（Liquid Crystal Display）是一種極低功耗的顯示器，既可以顯示漢字、字符和圖形，又同時具有高清晰度、大信息量、功耗低、體積小、重量輕、超薄等優(yōu)點。被廣泛用于嵌入式系統(tǒng)中的智能儀器、儀表

16、和低功耗電子產(chǎn)品中。 37LED和LCD的區(qū)別 (1) LED一般使用直流電，而LCD需使用交變的電壓。(2) LCD因為本身不發(fā)光，因此較LED更為省電。(3) LED是個發(fā)光源，因此在黑暗中更加醒目， 而且可當(dāng)照明用。(4) LCD較LED陣列的解析度高，因此LCD可顯示 較復(fù)雜的圖形。LCD顯示器的基本原理就是液晶（以液態(tài)存在的分子晶體單元）本身並不發(fā)光，但是通過給不同的晶體單元供電，控制其光線的通過與否，從而達(dá)到顯示的目的。 38LCD模塊通常LCD模塊分為幾部分： LCM（玻璃）、背光、PCB 板。點陣的LCD模塊按照驅(qū)動控制器的集成方式， 大可分為兩種：COB和COG； COG是將驅(qū)動控制IC集成到了玻璃里面； COB是把驅(qū)動控制IC焊接在LCD模塊后面的 PCB板上。 39LCD