微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計課件：chap10 基于ARM微處理器的硬件系統(tǒng)設(shè)計

1、第十章 基于ARM微處理器的硬件系統(tǒng)設(shè)計5學(xué)時1第十章 基于ARM微處理器的硬件系統(tǒng)設(shè)計10.1 基于ARM微處理器的系統(tǒng)設(shè)計概述（理解）10.2 S3C2440A微處理器（了解）S3C2440A微處理器簡介S3C2440A內(nèi)部結(jié)構(gòu)及主要特性S3C2440A外部引腳10.3 ARM微處理器最小硬件系統(tǒng)（掌握）電源模塊時鐘模塊復(fù)位模塊JTAG調(diào)試接口外部存儲器模塊2第十章 基于ARM微處理器的硬件系統(tǒng)設(shè)計10.4 人機(jī)交互接口鍵盤與LED接口（掌握）LCD顯示接口（理解）觸摸屏接口（理解）10.5 通信接口串行通信接口（掌握）其他通信接口（理解）310.1 基于ARM微處理器的系統(tǒng)設(shè)計概述ARM

2、微處理器有多種內(nèi)核結(jié)構(gòu)，還有多種多樣的內(nèi)部功能配置組合，所以在設(shè)計一個系統(tǒng)時選擇最合適的ARM芯片是非常重要的。 一些主流的ARM9處理器芯片如：飛思卡爾：MC9328MX27三星：S3C2440A Atmel公司：AT91SAM9263 意法半導(dǎo)體：STR91x 恩智浦半導(dǎo)體：LPC2000 系列4三星公司推出的基于ARM內(nèi)核的微處理器主要面向消費類便攜式設(shè)備,為手持設(shè)備和一般應(yīng)用提供了高性價比和高性能的微控制器解決方案。包括：采用ARM7TDMI內(nèi)核的S3C44B0和S3C3410采用ARM926EJ-S內(nèi)核的S3C2412，S3C2413，S3C2416，S3C2450和S3C24A0采

3、用ARM920T內(nèi)核的S3C2410，S3C2440，S3C2442和S3C2443采用ARM1176JZF內(nèi)核的S3C6400等三星公司采用ARM內(nèi)核的微處理器主要按照應(yīng)用來劃分，如通用型32位MCU主要采用ARM7TDMI內(nèi)核，面向CAN/LIN總線、以太網(wǎng)、發(fā)動機(jī)控制和RFID等應(yīng)用場合。 10.2 三星公司的ARM微處理器芯片5三星公司的S3C2440A采用ARM920T內(nèi)核，實現(xiàn)了MMU，AMBA總線和哈佛架構(gòu)的高速緩沖體系結(jié)構(gòu)。在高速緩存方面采用了獨立的16 KB的I-cache和16 KB的D-cache。采用0.13 m CMOS工藝標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲器單元，其低功耗、簡潔的結(jié)構(gòu)

4、和全靜態(tài)電路設(shè)計特別適合對成本和功耗敏感的應(yīng)用。為了降低整機(jī)系統(tǒng)的成本，提供了各類豐富的功能模塊，在系統(tǒng)設(shè)計中無需配置額外的外部組件。 6 飛思卡爾公司的ARM微處理器芯片美國飛思卡爾公司采用ARM內(nèi)核的微處理器命名為i.MX系列，該系列主要包含以下子系列：i.MXS，i.MXL，i.MX1，i.MX21，i.MX27，i.MX31，i.MX35，i.MX37、i.MX51等該系列微處理器主要應(yīng)用于智能手機(jī)、便攜式多媒體播放器、便攜式導(dǎo)航設(shè)備、視頻監(jiān)控、銷售終端機(jī)系統(tǒng)和條碼掃描儀等消費類、工業(yè)、健康等領(lǐng)域的產(chǎn)品。除i.MX系列微處理器以外，飛思卡爾公司還有少數(shù)其他產(chǎn)品也采用了ARM內(nèi)核，例如適

5、用于便攜式多媒體播放器和導(dǎo)航設(shè)備的STMP37XX系列產(chǎn)品。7飛思卡爾公司的i.MX27采用ARM926EJ-S內(nèi)核，一級指令緩存和數(shù)據(jù)緩存各有16KB集成了16通道DMA和ETM實時調(diào)試接口AHB總線采用了63多層交叉開關(guān)（MAX），支持多個并行事項，改善總線的有效吞吐量。其外部存儲器接口可以支持16/32位SDRAM或DDR存儲器、8/16位NAND flash存儲器和PSRAM。8Atmel公司的ARM微處理器芯片美國Atmel公司繼成功推出AT89系列（兼容MCS-51）和AT90系列(RISC)單片機(jī)后，采用業(yè)界流行的ARM內(nèi)核推出了更強的32位AT91系列微控制器。該系列主要包含以

6、下子系列：AT91M42800A，AT91M55800AAT91RM9200，AT91SAM7AAT91SAM7L(低功耗)，AT91SAM7SAT91SAM7SE，AT91SAM7XAT91SAM9，AT91SAM9XE和AT91X40AT91系列微控制器使用高密度CMOS技術(shù)，集成了ARM內(nèi)核和大量的Flash存儲器、片內(nèi)RAM和各種外圍功能模塊，為許多需要加強運算的嵌入式應(yīng)用提供了高度靈活且性價比高的解決方案。9Atmel公司的AT91SAM9263基于ARM926EJ-S內(nèi)核的32位微處理器帶MMU存儲器管理單元，支持DSP擴(kuò)展指令和JAVA硬件加速，當(dāng)運行在200MHz時擁有220M

7、IPS的運算性能AT91SAM9263具備兩組獨立的外部存儲器總線EBI0和EBI1，可以連接多種內(nèi)存設(shè)備和大容量IDE硬盤設(shè)備內(nèi)部嵌有LCD控制器，可支持2D圖形加速、雙通道DMA和圖像傳感器接口集成了多種標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)接口，例如USART，SPI，TWI，定時計數(shù)器，PWM，多媒體卡接口和CAN控制器等10意法半導(dǎo)體公司的ARM微處理器芯片意法半導(dǎo)體有限公司(STMicroelectronics)是全球最大的半導(dǎo)體公司之一。其采用ARM內(nèi)核的微處理器主要包括三個系列：采用Cortex-M3內(nèi)核的STM32系列、采用ARM7TDMI內(nèi)核的STR7系列和采用ARM966E-S內(nèi)核的STR9系列。ST

8、M32系列產(chǎn)品得益于Cortex-M3在架構(gòu)上進(jìn)行的多項改進(jìn)，包括性能和代碼密度同時得以提升的Thumb-2指令集，大幅度提高的中斷響應(yīng)，而且所有新功能都同時具有業(yè)界最優(yōu)的功耗水平。STR7系列產(chǎn)品融合了16位和32位產(chǎn)品的優(yōu)勢，適合嵌入式控制應(yīng)用，如工業(yè)控制、工廠自動化、銷售終端設(shè)備、醫(yī)療和測試設(shè)備以及電信和消費電子應(yīng)用等。STR9系列結(jié)合了ARM9E處理器內(nèi)核和通用閃存，并加入了聯(lián)網(wǎng)功能，使實現(xiàn)各種要求苛刻的應(yīng)用變得更加簡單和廉價。11意法半導(dǎo)體公司的STR91x采用96 MHz ARM966E-S內(nèi)核，帶有單周期的DSP指令和與介質(zhì)無關(guān)的聯(lián)網(wǎng)功能；大容量存儲器可滿足復(fù)雜的應(yīng)用、實時操作系

9、統(tǒng)(RTOS)、通信協(xié)議棧和數(shù)據(jù)存儲的需求；雙體閃存是實現(xiàn)在線編程(IAP)和E2PROM仿真的理想結(jié)構(gòu)。 具有優(yōu)化DMA數(shù)據(jù)流的10/100 M以太網(wǎng)接口；支持USB，CAN，SPI，I2C，UART/IrDA和多個計時器，最多80個5 V兼容的GPIO；帶有10位ADC并具有全方位的CPU監(jiān)控功能；靈活的功耗和時鐘管理功能，具有多種低功耗模式和帶鬧鐘功能的低功耗實時時鐘。12恩智浦半導(dǎo)體的ARM微處理器芯片恩智浦半導(dǎo)體由飛利浦在 50 多年前創(chuàng)立。恩智浦提供半導(dǎo)體、系統(tǒng)解決方案和軟件，為電視、機(jī)頂盒、智能識別應(yīng)用、手機(jī)、汽車以及其他形形色色的電子設(shè)備提供更好的感知體驗。恩智浦半導(dǎo)體基于AR

10、M7的LPC2000 為32 位微控制器設(shè)定了新的性價比，包括LPC213x，LPC214x、LPC2101/2/3等系列， 采用了0.16-0.18 m工藝更高性能產(chǎn)品系列(LPC2300,LPC2400,LPC2800)采用了0.14um工藝13恩智浦半導(dǎo)體的LPC2000ARM7TDMI-S內(nèi)核三級流水線馮諾依曼架構(gòu)T: Thumb指令集D: Debug擴(kuò)展M: 增強的乘法指令(32B x 8B - 64B)I: 內(nèi)核帶有EmbeddedICE邏輯功能擴(kuò)展S: 軟核高速嵌入式Flash豐富的外設(shè)資源UART, SPI, I2C, CAN, USB, ethernet等工業(yè)級芯片工作溫度范

11、圍: 40C+85C / +105C豐富開發(fā)工具支持高性能, 低價格14ARM芯片的選型性能參數(shù)的考慮ARM核版本工作頻率內(nèi)部存儲器容量電源控制DSP協(xié)處理器功耗外設(shè)接口的考慮USB接口RTCGPIO數(shù)量其他因素芯片封裝的選擇芯片的封裝有很多種類型，如：DIP、QFP、PGA、BGA等在散熱性能、信號完整性特性、體積大小等方面的要求1510.3 ARM微處理器最小硬件系統(tǒng)ARM微處理器；電源模塊，包括CPU內(nèi)核和I/O接口電源電源；時鐘模塊，包括系統(tǒng)主時鐘和實時時鐘；復(fù)位模塊，包括系統(tǒng)上電復(fù)位、手動復(fù)位和內(nèi)部復(fù)位；存儲器模塊，包括程序保存存儲器（FLASH）和程序運行存儲器（SDRAM）；JT

12、AG調(diào)試接口模塊。 最小硬件系統(tǒng)通常是指以嵌入式處理器為核心，包含電源、時鐘和復(fù)位等保障處理器正常工作的基本硬件電路 。16S3C2440A最小硬件系統(tǒng)：電源模塊電源模塊是系統(tǒng)工作的能量來源，其電壓、紋波、內(nèi)阻和驅(qū)動能力等性能直接影響到系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，因此電源模塊在系統(tǒng)設(shè)計中至關(guān)重要。電源電壓一定要在系統(tǒng)需求的范圍之內(nèi)電源的驅(qū)動能力一定要能滿足整個系統(tǒng)的功率需求電源紋波和電路干擾的處理在設(shè)計PCB時需要對模擬電源和數(shù)字電源進(jìn)行物理上的隔離1718S3C2440A最小硬件系統(tǒng)：時鐘模塊時鐘模塊為系統(tǒng)提供同步工作信號，其穩(wěn)定性直接關(guān)系到系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。在ARM嵌入式系統(tǒng)中通常包括頻率較高的系統(tǒng)

13、主時鐘和頻率較低的實時時鐘。時鐘經(jīng)內(nèi)部鎖相環(huán)后得到四組時鐘信號：FCLK：ARM920T內(nèi)核HCLK：AHB總線、存儲器控制器、中斷控制器、LCD控制器、DMA控制器和USB主機(jī)模塊PCLK：訪問APB總線的外設(shè)，如WDT，I2S，I2C，PWM定時器，MMC接口，ADC，UART，GPIO，RTC和SPI等模塊UCLK：USB模塊需要的48 MHz時鐘1920S3C2440A最小硬件系統(tǒng)：復(fù)位模塊系統(tǒng)上電復(fù)位、手動復(fù)位和內(nèi)部復(fù)位一般來說系統(tǒng)對外部復(fù)位信號波形有一定的要求，若不能滿足要求(例如持續(xù)時間過短)，則系統(tǒng)將不能正常工作。 21存儲器模塊為系統(tǒng)程序的保存和運行提供空間，在系統(tǒng)設(shè)計中主要

14、根據(jù)處理器的存儲器接口選擇合適的存儲器芯片（存儲類型、容量、速度和接口類型 ）ARM最小系統(tǒng)中的存儲器通常包括存放程序的NAND Flash和用于程序運行的SDRAM。存儲器模塊通常掛接在ARM芯片的局部總線上(外部三總線)。S3C2440A最小硬件系統(tǒng)：存儲器模塊22“Steppingstone”為系統(tǒng)從外部Flash存儲器引導(dǎo)提供支持23使用16位存儲芯片構(gòu)造32位寬存儲器系統(tǒng)24ARM微處理器一般都采用JTAG作為基本調(diào)試接口nTRST，TMS，TCK，TDI和TDOS3C2440A最小硬件系統(tǒng)：調(diào)試接口2510.4 人機(jī)交互接口 人機(jī)交互接口主要用于人與設(shè)備之間的信息交換，通常包括用于

15、信息輸入的鍵盤、觸摸屏，以及信息輸出的各類顯示設(shè)備。 以S3C2440A的相關(guān)接口為例介紹各類接口硬件結(jié)構(gòu)與使用：鍵盤與LED接口LCD顯示接口觸摸屏接口26鍵盤與LED接口按鍵和LED是最常用的兩種輸入輸出器件，使用它們可以實現(xiàn)簡單的信號輸入和輸出，在嵌入式系統(tǒng)中有重要用途。這類簡單外設(shè)與處理器進(jìn)行連接時，通常有兩種方式：一是使用處理器的GPIO直接控制，由處理器運行相應(yīng)軟件來實現(xiàn)所需功能；二是使用專用的控制芯片來獲取按鍵信息以及驅(qū)動顯示。GPIO(General Purpose Input)可以實現(xiàn)任何一般用途的信號輸入/輸出。ARM處理器芯片的大部分引腳都可以通過設(shè)定相應(yīng)的控制寄存器實現(xiàn)

16、基本的GPIO功能，并可編程設(shè)置信號方向、電平上拉/下拉等功能。27在S3C2440A中共有130個多功能I/O引腳，這些引腳除了可以作為某個特殊功能使用外，均可以配置成GPIO模式，并分為以下八組：Port A(GPA)：25個輸出端口Port B(GPB)：11個輸入/輸出端口Port C(GPC)：16個輸入/輸出端口Port D(GPD)：16個輸入/輸出端口Port E(GPE)：16個輸入/輸出端口Port F(GPF)：8個輸入/輸出端口Port G(GPG)：16個輸入/輸出端口Port H(GPH)：9個輸入/輸出端口Port J(GPJ)：13個輸入/輸出端口GPIO28例

17、10.1：使用S3C2440A的端口G的第47引腳驅(qū)動四個LED，并點亮GPG4引腳的LED。29每組GPIO端口均有各自的寄存器組，主要包括端口配置寄存器（GPxCON）、端口數(shù)據(jù)寄存器（GPxDAT）、端口上拉寄存器（GPxUP）。寄存器名地址讀寫屬性功能復(fù)位值GPGCON0 x56000060可讀可寫配置引腳功能為輸入/輸出/其他0 x00GPGDAT0 x56000064可讀可寫G端口數(shù)據(jù)寄存器未定義GPGUP0 x56000068可讀可寫上拉配置寄存器低電平0有效0 xFC0030G端口共有16個GPIO引腳，寄存器GPGCON寬度為32位，每個引腳的功能各由2位來選擇控制，第4引腳

18、的控制位如下：GPGCON寄存器位功能選擇GPG715:1400=輸入 01=輸出10=EINT15 11=保留GPG613:1200=輸入 01=輸出10=EINT14 11=保留GPG511:1000=輸入 01=輸出10=EINT13 11=保留GPG49:800=輸入 01=輸出10=EINT12 11=保留31寄存器GPGDAT和GPGUP寬度均為16位，各引腳按其編號與相應(yīng)的寄存器位對應(yīng)。GPGDAT中存放的即為需要輸出的數(shù)據(jù)，根據(jù)硬件電路連接圖可知，要將第4引腳LED點亮，則對應(yīng)的引腳應(yīng)輸出低電平，所以寄存器GPGDAT中的7:4位應(yīng)設(shè)置為二進(jìn)制值1110。本例中端口為輸出功能，

19、因此寄存器GPGUP中對應(yīng)各位均設(shè)置為1，將上拉電阻斷開。32GPGCONEQU0 x56000060GPGDATEQU0 x56000064GPUPEQU0 x56000068；配置GPGCON寄存器，設(shè)置相關(guān)引腳為輸出功能LDRR0, =GPGCON LDRR1, R0 BICR1, R1, #0 x0000FF00 ORRR1, R1, #0 x00005500 STRR1, R0；配置GPGUP寄存器，斷開各上拉電阻LDRR0, =GPGUPLDRR1, R0ORRR1, R1, #0 x00F0STRR1, R0；輸出驅(qū)動數(shù)據(jù)，點亮GPG4引腳對應(yīng)的LEDLDRR2, =GPGDAT

20、LDRR3, R2ORRR3, R3, #0 x00F0BICR3, R3, #0 x0010STRR3, R233使用GPIO的問題：按鍵或LED數(shù)量較大時，由于處理器GPIO數(shù)量有限，無法滿足硬件電路設(shè)計需求；采用GPIO的驅(qū)動方式需要CPU執(zhí)行軟件來完成相應(yīng)的功能，需占用大量的處理器時間，在多任務(wù)系統(tǒng)中很難滿足實時性要求。采用專用的控制芯片來驅(qū)動鍵盤及數(shù)碼管直接驅(qū)動數(shù)碼管/同時掃描管理多個按鍵/內(nèi)含有顯示譯碼器有多種控制指令，如消隱、閃爍、左移、右移、段尋址等。通常采用I2C等串行總線與系統(tǒng)連接專用控制芯片34在嵌入式系統(tǒng)中常用的LCD產(chǎn)品主要有兩種：一種是帶有驅(qū)動電路的LCD顯示模塊；

21、另一種則僅是LCD顯示屏，沒有驅(qū)動電路，需要與驅(qū)動電路配合使用。在常見的ARM處理器芯片中，通常都帶有LCD控制器，可以直接驅(qū)動多種LCD顯示屏。S3C2440A中的LCD控制器模塊，可以直接與STN或TFT等多種不同分辨率的單色/彩色LCD連接，具有將顯示緩存（在系統(tǒng)存儲器中）中的LCD圖象數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠縇CD 驅(qū)動電路的邏輯功能，驅(qū)動其完成各類數(shù)據(jù)的顯示。LCD顯示接口35按照觸摸屏的工作原理和感應(yīng)觸摸信息的介質(zhì)來分，常見的觸摸屏有四類：電阻式電容式紅外線式表面聲波式觸摸屏接口電阻屏根據(jù)引出線數(shù)多少，可分為四線、五線、六線等多線電阻觸摸屏。36S3C2440A處理器中內(nèi)置了A/D轉(zhuǎn)換器，并

22、提供了一個專用的四線電阻式觸摸屏接口，此接口引出了四根信號線XP，XM，YP，YM，分別對應(yīng)觸摸屏上的X，X，Y，Y，因此在硬件接口設(shè)計上十分簡潔。3710.5 通信接口 通信接口通常用于嵌入式設(shè)備與其他設(shè)備進(jìn)行信息交換，由于各類設(shè)備性能指標(biāo)差異巨大，要實現(xiàn)信息的傳遞需要進(jìn)行速率、電平、時序、信息格式等多方面的轉(zhuǎn)換和匹配，所以該類接口種類十分豐富。串行通信SCI接口其他通信接口38S3C2440中的UART模塊39接口初始化：ULCON、UCON、UFCON、UMCON、UBRDIV數(shù)據(jù)傳遞：UTRSTAT、UFSTAT、UTXH、URXH接收錯誤狀況：UERSTATS3C2440A中UART

23、0的相關(guān)寄存器40問題：請歸納總結(jié)上述串口的端口寄存器的復(fù)用功能及每個位的含義。例10.2：UART0采用查詢方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，要求使用8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，奇校驗，傳輸速率115200bps，不使用FIFO，關(guān)閉流控制，處理器外設(shè)時鐘PCLK=66.68MHz。步驟1：接口初始化設(shè)置幀格式、時鐘來源、收發(fā)模式、中斷配置、FIFO的使用、波特率計算等步驟2：數(shù)據(jù)傳遞：可選擇使用查詢方式或中斷方式傳遞41主要用于幀格式配置ULCON0=0 x23步驟1：UART0的初始化配置ULCON0線路控制寄存器42主要用于時鐘源選擇、收發(fā)模式、中斷配置等UCON0=0 x0005步驟1：UART0的初始

24、化配置UCON0控制寄存器43主要用于使能FIFO及相關(guān)參數(shù)配置UFCON0=0 x00步驟1：UART0的初始化配置UFCON0 FIFO控制寄存器44主要用于設(shè)置UART模塊與Modem相關(guān)參數(shù)UFCON0=0 x00步驟1：UART0的初始化配置UMCON0調(diào)制解調(diào)器控制寄存器45步驟1：UART0的初始化配置UBRDIV0波特率控制寄存器UBRDIV= int (UART時鐘頻率/(波特率16) ) 1采用66.68MHz的PCLK作為時鐘源，為得到115200bps的速率，則：UBRDIV= int (66.68M/(11520016) ) 1 =int(36.176) 1=35實際

25、波特率=UART時鐘頻率/(UBRDIV+1)16) =66.68M/(35+1) 16)115764bps實際的工作速率與理論值之間存在偏差：(115764 115200)/115200100% = +0.49%46初始化程序段ULCON0EQU0 x50000000UCON0EQU0 x50000004UFCON0EQU0 x50000008UMCON0EQU0 x5000000CUBRDIV0EQU0 x50000028LDRR2, =ULCON0；配置ULCON0寄存器MOVR3, #0 x23STRBR3, R2LDRR2, =UCON0；配置UCON0寄存器MOVR3, #0 x05STRHR3, R2LDRR2, =UFCON0；配置UFCON0寄存器MOVR3, #0 x00STRR3, R2LDRR2, =UMCON0 ；配置