嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)-李秀娟-課件-第2章

11第2章嵌入式系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)工欲善其事，必先利其器。

2本章內(nèi)容

2.2

ARM微處理器概述2.3

S3C2410處理器單元電路設(shè)計(jì)

2.4輸入輸出設(shè)備2.5

ARM的接口技術(shù)

2.6

總線技術(shù)2.1嵌入式系統(tǒng)的硬件基本構(gòu)成1234563目的和要求初步掌握嵌入式系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)組成，為后面的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。了解ARM嵌入式系統(tǒng)硬件組成了解ARM家族處理器類型理解ARM存儲(chǔ)空間的管理了解ARM外圍接口與總線技術(shù)42.1嵌入式系統(tǒng)的硬件基本構(gòu)成5

嵌入式系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)是以嵌入式處理器為中心，由時(shí)鐘、復(fù)位電路、中斷控制器、SDROM控制器和外圍總線控制器以及電源等必要的輔助接口組成。嵌入式系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)除了處理器核心部分外，還包括豐富的外圍接口如I2C、SPI、UART和USB等接口。嵌入式系統(tǒng)不同于普通計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它是根據(jù)用戶需求而量身定做的專用計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)電路都可根據(jù)需要和成本進(jìn)行裁剪、定制。6嵌入式系統(tǒng)硬件框圖72.2ARM微處理器概述ARM公司簡(jiǎn)介

ARM公司于1990年11月在英國(guó)劍橋成立，原名AdvancedRISCMachine，它是專門(mén)從事基于RISC技術(shù)芯片設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的公司，作為知識(shí)產(chǎn)權(quán)供應(yīng)商，公司本身并不直接從事芯片生產(chǎn)，而是靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計(jì)許可由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯片，世界各大半導(dǎo)體生產(chǎn)商從ARM公司購(gòu)買(mǎi)其設(shè)計(jì)的ARM微處理器核，根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，加入適當(dāng)?shù)耐鈬娐?，從而形成自己的ARM微處理器芯片進(jìn)入市場(chǎng)。目前，總共有超過(guò)100家公司與ARM公司簽訂了技術(shù)使用許可協(xié)議，其中包括Intel、IBM、LG、NEC、SONY、NXP和NS這樣的大公司。891011ARM微處理器家族ARM7ARM9ARM9EARM10EARM11SecurCoreStrongARMXScaleCortex系列。

12ARM家族系列產(chǎn)品性能比較132.2.3ARM微處理器結(jié)構(gòu)

1.ARM體系結(jié)構(gòu)馮·諾依曼和馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)圖14哈佛體系結(jié)構(gòu)圖

152．RISC指令集

RISC（ReducedInstructionSetComputer，精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)），RISC并非只是簡(jiǎn)單地減少指令，而是把著眼點(diǎn)放在了如何使計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單合理地提高運(yùn)算速度上。RISC結(jié)構(gòu)優(yōu)先選取使用頻率最高的簡(jiǎn)單指令，避免復(fù)雜指令；將指令長(zhǎng)度固定，指令格式和尋址方式種類減少；以控制邏輯為主，不用或少用微碼控制等措施。RISC和CISC結(jié)構(gòu)相比較，盡管RISC架構(gòu)上有許多優(yōu)點(diǎn)，但絕不能認(rèn)為RISC架構(gòu)可以取代CISC架構(gòu)，事實(shí)上，RISC和CISC各有優(yōu)勢(shì)，而且界限并不那么明顯。現(xiàn)代的CPU往往采用CISC的外圍，內(nèi)部加入RISC的特性。163ARM微處理器的寄存器結(jié)構(gòu)17ARM處理器共有37個(gè)寄存器。包括31個(gè)通用寄存器和6個(gè)狀態(tài)寄存器，均為32位。ARM處理器有7種不同的處理器模式，分別為：用戶模式、快中斷模式、中斷模式、管理模式、中止模式、未定義模式和系統(tǒng)模式，在每一種處理器模式下均有一組相應(yīng)的寄存器與之對(duì)應(yīng)。184、ARM微處理器的指令結(jié)構(gòu)

ARM微處理器支持兩種指令集：ARM指令集和Thumb指令集。ARM指令為32位的長(zhǎng)度；Thumb指令集是ARM指令集的一個(gè)子集，是針對(duì)代碼密度問(wèn)題而提出的，它具有16位的代碼寬度。處理器在執(zhí)行ARM程序段時(shí)，ARM處理器處于ARM工作狀態(tài)；處理器在執(zhí)行Thumb程序段時(shí)，ARM處理器處于Thumb工作狀態(tài)。

192.3ARM的存儲(chǔ)系統(tǒng)2.3.1ARM的存儲(chǔ)空間

ARM體系結(jié)構(gòu)使用單一的平板地址空間，該地址空間的范圍大小為232個(gè)8位字節(jié)。32位情況：32位的地址空間可以看作由230個(gè)32位的字單元組成。每個(gè)字的地址是字對(duì)準(zhǔn)的，故字單元的地址可以被4整除。16位情況：16位的地址空間可以看作由231個(gè)16位的半字組成。每個(gè)半字的地址是半字對(duì)準(zhǔn)的，故半字單元的地址可以被2整除。202.3.2存儲(chǔ)器格式位3124231615870字字單元A半字半字單元A半字單元A＋2字節(jié)字節(jié)單元A字節(jié)單元A＋1字節(jié)單元A＋2字節(jié)單元A＋3大端格式：在這種格式中，字?jǐn)?shù)據(jù)的高字節(jié)存儲(chǔ)在低地址中，而字?jǐn)?shù)據(jù)的低字節(jié)則存放在高地址中。

21

小端格式：與大端存儲(chǔ)格式相反，在小端存儲(chǔ)格式中，低地址中存放的是字?jǐn)?shù)據(jù)的低字節(jié)，高地址存放的是字?jǐn)?shù)據(jù)的高字節(jié)。位3124231615870字字單元A半字半字單元A+2半字單元A字節(jié)字節(jié)單元A+3字節(jié)單元A＋2字節(jié)單元A＋1字節(jié)單元A222.3.3存儲(chǔ)器的管理虛擬地址:

ARM系統(tǒng)中都存在著一個(gè)程序產(chǎn)生的地址集合，我們稱之為地址范圍,這個(gè)地址范圍稱為虛擬地址空間，該空間中的某一個(gè)地址我們稱之為虛擬地址。物理地址:

物理地址空間和物理地址表示系統(tǒng)主存儲(chǔ)器的實(shí)際地址空間和它的實(shí)際地址。ARM對(duì)存儲(chǔ)器的管理：

ARM處理器使用MMU實(shí)現(xiàn)虛擬地址到實(shí)際物理地址的映射方式對(duì)ARM的存儲(chǔ)器進(jìn)行管理。232.4輸入輸出設(shè)備2.4.1LCD顯示242.4.2觸摸屏觸摸屏按其工作原理的不同分為：電阻式觸摸屏、電容式觸摸屏、表面聲波屏和紅外屏。252.4.3鍵盤(pán)接口1．獨(dú)立式鍵盤(pán)獨(dú)立式鍵盤(pán)原理262．矩陣式鍵盤(pán)矩陣式鍵盤(pán)原理27鍵盤(pán)的控制方式程序控制掃描方式:這種方式只有處理器空閑時(shí)，才可調(diào)用鍵盤(pán)掃描子程序，查詢鍵盤(pán)的輸入狀態(tài)是否改變。定時(shí)掃描方式:處理器對(duì)鍵盤(pán)的掃描也可采用定時(shí)掃描方式，即處理器每隔一定的時(shí)間對(duì)鍵盤(pán)掃描一次。中斷掃描方式:當(dāng)鍵盤(pán)有鍵動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生中斷，處理器響應(yīng)鍵盤(pán)中斷后，執(zhí)行鍵盤(pán)中斷程序，判別鍵盤(pán)按下鍵的鍵號(hào)，并做相應(yīng)處理。282.5ARM的接口技術(shù)2.5.1并行通信接口

并口傳輸數(shù)據(jù)的寬度可以從1～128位或者更寬，在嵌入式系統(tǒng)中最常用的是8位，這樣微處理器可以通過(guò)接口一次傳送8個(gè)數(shù)據(jù)位。2925針并口功能一覽表針腳功能針腳功能1選通端STROBE，低電平有效10確認(rèn)ACKNLG，低電平有效2數(shù)據(jù)位0（DATA0）11忙（BUSY）3數(shù)據(jù)位1（DATA1）12缺紙（PE）4數(shù)據(jù)位2（DATA2）13選擇（SLCT）5數(shù)據(jù)位3（DATA3）14自動(dòng)換行（AUTOFEED），低電平有效6數(shù)據(jù)位4（DATA4）15錯(cuò)誤（ERROR），低電平有效7數(shù)據(jù)位5（DATA5）16初始化（INIT），低電平有效8數(shù)據(jù)位6（DATA6）17選擇輸入（SLCTIN），低電平有效9數(shù)據(jù)位7（DATA7）18至25地線（GND）30串行通信接口同步串行通信方式

所謂同步通信，是指數(shù)據(jù)傳送是以數(shù)據(jù)塊（一組字符）為單位，字符與字符之間、字符內(nèi)部的位與位之間都同步。異步串行通信方式

所謂異步通信，是指數(shù)據(jù)傳送以字符為單位，字符與字符間的傳送是完全異步的，位與位之間的傳送基本上是同步的。31（1）RS-232

RS-232:數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）之間串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，

也稱標(biāo)準(zhǔn)串口，最常用的一種串行通信接口。32RS-232DB9接口定義針腳功能針腳功能1DCD載波檢測(cè)6DSR數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好2RXD接收數(shù)據(jù)7RTS請(qǐng)求發(fā)送3TXD發(fā)送數(shù)據(jù)8CTS允許發(fā)送4DTR數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好9RI振鈴提示5SG信號(hào)地33RS-422:RS-422標(biāo)準(zhǔn)全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”，它定義了接口電路的特性.RS-422支持點(diǎn)對(duì)多的雙向通信.RS-485:RS-485是從RS-422基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，所以RS-485許多電氣規(guī)定與RS-422相仿.RS-485與RS-422的不同:在于其共模輸出電壓是不同的，RS-485是-7V至+12V之間，而RS-422在-7V至+7V之間，RS-485接收器最小輸入阻抗為12kΩ、RS-422是4kΩ；由于RS-485滿足所有RS-422的規(guī)范，所以RS-485的驅(qū)動(dòng)器可以用在RS-422網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。34RS-485與RS-422一樣，其最大傳輸距離約為1200米，最大傳輸速率為10Mbps。平衡雙絞線的長(zhǎng)度與傳輸速率成反比，在100kbps速率以下，才可能使用規(guī)定最長(zhǎng)的電纜長(zhǎng)度。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長(zhǎng)雙絞線最大傳輸速率僅為1Mbps。35USB接口USB全稱通用串行總線UniversalSerialBus，USB接口是現(xiàn)在比較流行的接口，用于將使用USB的外圍設(shè)備連接到主機(jī)。USB針腳定義針腳功能1+5V電源（VCC）2數(shù)據(jù)通道（DATA-）3數(shù)據(jù)通道（DATA+）4地線（GND）3637USB總線拓?fù)鋱D

38紅外線接口

紅外發(fā)射電路由紅外線發(fā)射管L2和限流電阻R2組成。當(dāng)主板紅外接口的輸出端IRTX輸出調(diào)制后的電脈沖信號(hào)時(shí)，紅外線發(fā)射管將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為紅外線光信號(hào)發(fā)射出去。紅外接收電路由紅外線接收管L1和取樣電阻R1組成。當(dāng)紅外接收管接收到紅外線光信號(hào)時(shí)，其反向電阻會(huì)隨光信號(hào)的強(qiáng)弱變化而相應(yīng)變化，根據(jù)歐姆定律可以得知通過(guò)紅外接收管L1和電阻R1的電流也會(huì)相應(yīng)變化，而在取樣電阻兩端的電壓也隨之變化，此變化的電壓經(jīng)主板紅外接口的輸入端IRRX輸入主機(jī)。39PCMCIA和CF

以前這項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)只適用于存儲(chǔ)器擴(kuò)充卡，但后來(lái)還擴(kuò)展到存儲(chǔ)器以外的外部設(shè)備，如網(wǎng)絡(luò)卡、視頻會(huì)議卡及調(diào)制解調(diào)器等。

402.6總線技術(shù)I2C總線:I2C是Inter-IntegratedCircuit的縮寫(xiě)。I2C總線是一種由PHILIPS公司開(kāi)發(fā)的串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。I2C只有兩條物理線路：一條串行數(shù)據(jù)線（SDA），一條串行時(shí)鐘線（SCL）41

起始條件和停止條件

起始條件在SCL保持高電平期間，SDA由高電平向低電平的變化狀態(tài)當(dāng)SCL保持高電平期間，SDA是由低電平向高電平變化狀態(tài)則規(guī)定為停止條件42帶有I2C總線的器件除了有從機(jī)地址（SlaveAddress）外，還可能有子地址。從機(jī)地址是指該器件在I2C總線上被主機(jī)尋址的地址，而子地址是指該器件內(nèi)部不同部件或存儲(chǔ)單元的編址。一般從機(jī)地址由7位地址位和1位讀寫(xiě)標(biāo)志R/W組成，7位地址占據(jù)高7位，讀寫(xiě)位在最后。讀寫(xiě)位是0，表示主機(jī)將要向從機(jī)寫(xiě)入數(shù)據(jù)；讀寫(xiě)位是1，則表示主機(jī)將要從從機(jī)讀取數(shù)據(jù)。從機(jī)地址43

I2C總線總是以字節(jié)（Byte）為單位收發(fā)數(shù)據(jù)，每個(gè)字節(jié)的長(zhǎng)度都是8位，每次傳送字節(jié)的數(shù)量沒(méi)有限制。I2C總線首先傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)的最高位（MSB），最后傳輸?shù)氖亲畹臀唬↙SB）。另外，每個(gè)字節(jié)之后還要跟一個(gè)響應(yīng)位，稱為應(yīng)答。

數(shù)據(jù)傳輸控制44主機(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的基本格式(7位尋址)主機(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的基本格式(10位尋址)主機(jī)從從機(jī)接收數(shù)據(jù)的基本格式(7位尋址)主機(jī)從從機(jī)接收數(shù)據(jù)的基本格式(10位尋址)45數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序圖

主機(jī)向從機(jī)發(fā)送1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的時(shí)序圖

主機(jī)從從機(jī)接收1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的時(shí)序圖462.6.2

SPI總線SPI總線結(jié)構(gòu)由一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備組成，主設(shè)備啟動(dòng)一個(gè)與從設(shè)備的同步通信，從而完成數(shù)據(jù)的交換。SPI接口由MISO（主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線），MOSI（主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線），SCK（串行移位時(shí)鐘），CS（從機(jī)使能信號(hào)）四種信號(hào)構(gòu)成。47

SPI是一種高速的，全雙工，同步的通信總線。主機(jī)和從機(jī)都有一個(gè)串行移位寄存器，主機(jī)通過(guò)向它的SPI串行寄存器寫(xiě)入一個(gè)字節(jié)來(lái)發(fā)起一次傳輸。SPI總線的數(shù)據(jù)傳輸方式

48SPI接口時(shí)序

CPHA=0時(shí)的SPI總線數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序CPHA=1時(shí)的SPI總線數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序49I2S總線I2S是Inter-ICSoundBus的縮寫(xiě)，是飛利浦公司為數(shù)字音頻設(shè)備之間的音頻數(shù)據(jù)傳輸而制定的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。I2S有三個(gè)主要信號(hào)：串行時(shí)鐘SCLK；幀時(shí)鐘LRCK；串行數(shù)據(jù)SDATA。I2S有4條線：串行數(shù)據(jù)輸入（I2SDI）、串行數(shù)據(jù)輸出（I2SDO）、左右通道選擇（I2SLRCK）和串行位時(shí)鐘（I2SCLK）。50

I2S總線模塊結(jié)構(gòu)框圖

512.6.4CAN總線CAN全稱為ControllerAreaNetwork，即控制器局域網(wǎng)。CAN是一種多主方式的串行通信總線，基本設(shè)計(jì)規(guī)范要求有高的位速率、高抗電磁干擾性，而且要能夠檢測(cè)出總