基于MC9328MX1嵌入式最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、基于 MC9328MX1 嵌入式最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)引言嵌入式系統(tǒng)是以實(shí)際應(yīng)用為核心，對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專業(yè) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，隨著嵌入式系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)功能越來越強(qiáng)，應(yīng)用接口更 加豐富，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要設(shè)計(jì)出特定的嵌入式最小系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)， 是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì) 人員應(yīng)具備的能力，由于 ARM 嵌入式體系的結(jié)構(gòu)的一致性以及外圍電路的通用性， 采用 ARM 內(nèi)核的嵌入式最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)方法基本相同，本文基于MC9328MX1 芯片介紹ARM 嵌入式最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法。1 1 MC9328MX1MC9328MX1 概述MC9328MX1 是 Motoro

2、la 公司基于 ARM920T 的龍珠 （Dragon Ball） MX1 處理器，MC9328MX1內(nèi)含 ARM 公司設(shè)計(jì)的 16/32bit ARM920T 微處理器內(nèi)核，采用 RISC 架構(gòu)的 ARM 微處理器具有體積小、功耗低、性價(jià)比高的特點(diǎn)，主要應(yīng)用于高級(jí)信息處理設(shè)備、智能電話、 網(wǎng)頁瀏覽器、數(shù)字多媒體播放器、基于流行的Palm OS 操作平臺(tái)的手提計(jì)算機(jī)和無線通信發(fā)射、接收設(shè)備等。MC9328MX1 的結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示。MC9328MX1 的體系結(jié)構(gòu)如下：全 16/32bit RISC 架構(gòu)，內(nèi)含效率高、功耗強(qiáng)大的 ARM920T 的處理器核，支持 16bit Thumb 和

3、 32bit ARM 指令集的高性能 RISC 引擎，支持大、小端模式， 內(nèi)部架構(gòu)為大端模式，外部存儲(chǔ)器可分為大、小端模式，基于JTAG 接口的方案，邊界掃描接口，用于嵌入式多媒體應(yīng)用集成系統(tǒng)。MC9328MX1 的系統(tǒng)關(guān)系特性為： 一體化的 16KB 指令 Cache 及 16KB 數(shù)據(jù) Cache,支 持虛擬地址轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)器管理單元（VMMU ），支持 ROM/SRAM、Flash 存儲(chǔ)器、DRAM 和外 部 I/O以 8/16/32bit 的方式操作，支持 EDO/常規(guī)或 SDRAM 存儲(chǔ)器，使用 ARM 先進(jìn)的微控 制器總線結(jié)構(gòu)（AMBA ），即 SoC 多主總線接口，利用精簡先進(jìn)的高性

4、能總線（R-AHB ）與 速度較慢的片上外圍設(shè)備進(jìn)行通信，可同時(shí)連接15 個(gè)外部設(shè)備。盡管嵌入式處理器芯片種類多，引腳繁雜，但根據(jù)它們各自的功能特點(diǎn)，因該分布是有規(guī) 律的，在嵌入式最小硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要注意區(qū)分處理器芯片引腳的類型，仔細(xì)分析研究關(guān) 鍵引腳作用，才能保障最小系統(tǒng)的正常運(yùn)行。MC9328MX1 采用 MAPBGA 封裝，共有 256 引腳，MC9328MX1 的引腳可分為電源、接 地、輸入（I）、輸出（0）、輸入/輸出（I/O） 5 類。除了電源和接地線有近 40 根，以及地 址總線，數(shù)據(jù)總線和通用 I/O 接口端，專用模塊 SPI、UART、I2C、LCD 等接口，需要認(rèn)真 仔細(xì)

5、研究的引腳不是很多，電源和接地端是保障系統(tǒng)正常工作最基本的條件之一，輸入類型 的有些引腳在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須認(rèn)真仔細(xì)對(duì)待，因?yàn)橛行╇娖叫盘?hào)直接影響到MC9328MX1 的正常工作，輸出類型的引腳主要用于對(duì)外設(shè)的控制或通信，由MC9328MX1 主動(dòng)發(fā)出，對(duì)MC9328MX1 自身的運(yùn)行不會(huì)有太大的影響，輸入/輸出類型引腳是 MC9328MX1 與外設(shè)的雙 向數(shù)據(jù)傳輸通道。2 2 嵌入式最小系統(tǒng)以 ARM 內(nèi)核嵌入式微處理器為中心， 具有完全相配接的 Flash 電路、 SDRAM 電路、 JTAG 電路、電源電路、晶振電路、復(fù)位信號(hào)電路和系統(tǒng)總線擴(kuò)展等，保證嵌入式微處理器正常運(yùn) 行的系統(tǒng)，可稱為嵌

6、入式最小系統(tǒng)。嵌入式最小系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖 2 所示。品転電路帝統(tǒng)總線擴(kuò)展串行接口MC9J2KWXIJ J1AGI陽sh存儲(chǔ)囂SDRAM圖 2小嘉統(tǒng)磴件結(jié)構(gòu)嵌入式最小系統(tǒng)硬件功能如下：微處理器：MC9328MX1 是系統(tǒng)工作和控制中心；電源電路：為 MC9328MX1 核心部分提供所需的 1.80V 工作電壓，為部分外圍芯片提供 3.0V 的工作電壓；晶振電路：為微處理器及其他電路提供工作時(shí)鐘，及系統(tǒng)中 MC9328MX1 芯片使用 32KHz或 32.768KHz 無源晶振；Flash 存儲(chǔ)器：存放嵌入式操作系統(tǒng)、用戶應(yīng)用程序或者其他在系統(tǒng)掉電后需要保存的用 戶數(shù)據(jù)等；SDRAM :作為系統(tǒng)

7、運(yùn)行時(shí)的主要區(qū)域，系統(tǒng)及用戶數(shù)據(jù)、堆棧均位于該存儲(chǔ)器中；串行接口：用于 MX1 系統(tǒng)與其他應(yīng)用系統(tǒng)的短距離雙向串行通信；JTAG 接口 ：對(duì)芯片內(nèi)部所有部件進(jìn)行訪問，通過該接口對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試、編程等；系統(tǒng)總線擴(kuò)展：弓 I 出地址總線、數(shù)據(jù)總線和必須的控制總線，便于用戶根據(jù)自身的特定需 求，擴(kuò)展外圍電路。3 3 最小系統(tǒng)硬件的選擇和單元電路的設(shè)計(jì) 3.13.1 電源電路設(shè)計(jì)電源電路是整個(gè)系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)的電源電路必須滿足系統(tǒng)對(duì)該電路性能指標(biāo)的 要求。MC9328MX1 核心部分需 1.80V 工作電壓，部分外圍芯片需 3.30V 工作電壓，根據(jù)要 求輸入 5V 直流電壓經(jīng) DC-DC 變

8、換，分別為系統(tǒng)提供 1.80V 和 3.30V 的工作電壓，不同系統(tǒng)3.23.2 晶振電路與復(fù)位電路設(shè)計(jì)晶振電路為微處理器及其他電路提供工作時(shí)鐘，是系統(tǒng)必須的重要電路，用 32KHZ 無源晶振，32KHZ 晶振頻率輸入 MC9328MX1 后，經(jīng) PLL （鎖相環(huán)）倍頻后達(dá)到16.384MHz，并輸入系統(tǒng) PLL 及 MCU PLL。MCU PLL 將輸入的 16.384MHz 倍頻到最高 192MHz，提供給 ARM 內(nèi)核使用，系統(tǒng)晶振電路如圖 4 所示。1O XTAJ_32K1甜體亍 32 Mk- 圖4晶振電踣復(fù)位電路主要完成系統(tǒng)的上電復(fù)位和系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)用戶的按鍵復(fù)位功能，本系統(tǒng)采用較簡單

9、的 RC 復(fù)位電路，復(fù)位電路如圖 5 所示H.1U F RESE1RLSFT INC?JILB UID-C復(fù)fit電毎3.33.3 FlashFlash 存儲(chǔ)器接口電路設(shè)計(jì)Flash 存儲(chǔ)器在系統(tǒng)中通常用于存放程序代碼、常量表以及一些在系統(tǒng)掉電后需要保存的 數(shù)據(jù)等。根據(jù)實(shí)際功耗，選擇器件設(shè)計(jì)電源電路，電源電路如圖3 所示。JN OIHASiinVOJVIN V0?ADJ4：C5 R1IS3電諫電路MC9328MX1 使Flash 接口電路是最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的電路。常用的 Flash 存儲(chǔ)器為 8bit/16bit 數(shù)據(jù)寬度， 工作電壓一般為 3.3V,主要生產(chǎn)廠商為 In tel、Atm

10、el、Hyundai 等，他們生產(chǎn)的同類器件一般具有相同的電氣特性和封裝形式，可根據(jù)需要 選用。為了充分發(fā)揮 32bit MC9328MX1 性能優(yōu)勢，直接采用 1 片 32bit 數(shù)據(jù)寬度的 Flash 存儲(chǔ)器 芯片，也可采用 2 片 16bit 數(shù)據(jù)寬度的 Flash 存儲(chǔ)器芯片并聯(lián)構(gòu)建 32bit 的 Flash 存儲(chǔ)器系統(tǒng)， 16bit Flash存儲(chǔ)器系統(tǒng)的構(gòu)建方法與 32bit Flash 存儲(chǔ)器系統(tǒng)相似， 本系統(tǒng)使用 2 片 28F320J3A 組成 32bit Flash存儲(chǔ)器 32bit Flash 存儲(chǔ)器系統(tǒng)如圖 6 所示。L-.2 片 28F320J3A，其中一片為高 1

11、6bit，另一片為低 16bit，作為整體配置到 MC9328MX1 外圍接口模塊 CS0 空間，將 MC9328MX1 的#CS 接至 2 片 28F320J3A 的 CE0 端，CE1、CE2 接地；2 片 28F320J3A 的地址總線A21-A1均與 MC9328MX1 的地址總線A22-A01相連，低 16bit片的數(shù)據(jù)總線與 MC9328MX1 的低 16bit 數(shù)據(jù)總線D15-D00連接，高 16bit 片的數(shù)據(jù)總 線與MC9328MX1 的高 16bit 數(shù)據(jù)總線D31-D16連接；2 片 28F320J3A 的 RP#端接 VCC ; 2 片28F320J3A 的 0E 端接

12、 MC9328MX1 的#0E; 2 片 28F320J3A 的 WE 端接 MC9328MX1 的 #EB;2 片 28F320J3A 的 BYTE 均上拉，使之工作在字模式。3.43.4 SDRAMSDRAM 接口電路設(shè)計(jì)與 Flash 存儲(chǔ)器相比較， SDRAM 雖然不具有掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)的特性， 但其存取速度大大高 于 Flash存儲(chǔ)器，并且具有讀/寫屬性，SDRAM 在系統(tǒng)中主要用作程序的運(yùn)行空間、數(shù)據(jù)及 堆棧區(qū)。因此，SDRAM 接口電路在最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須高度重視。目前常用的 SDRAM 為 8bit/16bit 數(shù)據(jù)寬度、工作電壓一般為 3.3V，主要生產(chǎn)廠商為 SamsungHY

13、UNDAI、Winbond 等，若同類器件具有相同的電氣特性和封裝形式可通用。但在使用 SDRAM 時(shí)要注意 ARM 芯片是否具有獨(dú)立的 SDRAM 的刷新控制邏輯，若有可直接與 SDRAM 接口，若無則不能直接與 SDRAM 連接。根據(jù)系統(tǒng)的需求，可構(gòu)建 16bit 或 32bit 的 SDRAM 存儲(chǔ)器系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用 2 片 K4S281632 并聯(lián)構(gòu)建 32bit 的 SDRAM 存儲(chǔ)器系統(tǒng)，單片 K4S281632 為 16bit 數(shù)據(jù)寬度、容量 16MB，2 片容量共32MB 的 SDRAM 空間， 可滿足嵌入式操作系統(tǒng)及各種較復(fù)雜運(yùn)行的運(yùn)行需求， 使 用 2 片 K4S28163

14、2構(gòu)建 32bit 的 SDRAM 系統(tǒng)電路如圖 7 所示。2 片 K4S281632,其中一片為高 16bit，另一片為低 16bit。2 片 K4S281632 作為一整體 配接到 DRAM/SDRAM 的 CSDO,將 MC9328MX1 的#CSD 接至 2 片 K4S281632 的 CS 端，2 片K4S281632 的 CLK 端接 MC9328MX1 的 SDCLK 端，2 片 K4S281632 的 CLE 端接 MC9328MX1的 SDCKE 端；2 片 K4S281632 的 RAS、CAS、WE 端分別接 MC9328MX1 的 RAS、CAS、SDWE端，2 片 K

15、4S281632 的地址總線A08-A00接 MC9328MX1 的A10-A02； 2 片 K4S281632的地址總線A10-A09接 MC9328MX1 的MA11-MA10；2 片 K4S281632 的 地址總線A11接 MC9328MX1 的 A12；2 片 K4S241632 的 BA1、 BA0 接 MC9328MX1 的地 址總線 A14-A13 ;高 16bit 片的DQ15-DQ0接 MC9328MX1 的數(shù)據(jù)總線D31-D16、低 16bit 片的DQ15-DQ0接 MC9328MX1 的數(shù)據(jù)總線 D15-D0 ； 高 16bit 片的 UDQM、 LDQM 分別接 M

16、C9328MX1 的 DQM3、DQM2，低 16bit 片的 UDQM、LDQM 分別接 MC9328MX1 的 DQM1、 DQM0。3.53.5 串行接口電路設(shè)計(jì)MC9328MX1 提供了串行接口，使用 RS-232 標(biāo)準(zhǔn)接口，近距離通信系統(tǒng)中可直接進(jìn)行端 對(duì)端的連接，但由于 MC9328MX1 系統(tǒng)中 LVTTL 電路的邏輯電平與 RS-232 標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平不 相匹配，二者間要進(jìn)行正常的通信必須經(jīng)過信號(hào)電平轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)使用MAX3221 電平轉(zhuǎn)換電路，以 RS-232 標(biāo)準(zhǔn) 9 芯 D 型接口為例，要完成最基本的串行通信功能，只需要 RXD （數(shù) 據(jù)接收）、TXD （數(shù)據(jù)發(fā)送）和 GND （地）端即可。串行接口電路如