第4章S3C2410處理器硬件結(jié)構(gòu).ppt

1、第4章 S3C2410A處理器硬件結(jié)構(gòu),4.1 S3C2410A處理器概述,4.2 引腳介紹,4.3 特殊功能寄存器,4.4 最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì),S3C2410是Samsung公司推出的一款16/32位RISC處理器，基于ARM920T內(nèi)核，支持ARM和Thumb指令集，芯片內(nèi)集成豐富外設(shè)，而且具有非常低的功率消耗。使該系列微控制器特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問(wèn)控制和POS機(jī)等場(chǎng)合。在小尺寸上為手持設(shè)備和普通應(yīng)用提供了低價(jià)格、低功耗、高性能的解決方案。,4.1 S3C2410A處理器概述,S3C2410A在包 括ARM920T內(nèi) 核的同時(shí)，還 增加了豐富的 外圍資源。,4.2 引腳介紹,S3

2、C2410共有272引腳，采用FBGA封裝，主要分為總線控制信號(hào)、各類(lèi)元器件接口信號(hào)以及電源時(shí)鐘控制信號(hào)。引腳分布底視圖如圖所示。各引腳名稱(chēng)如書(shū)中表4.1所示。,4.3 特殊功能寄存器,寄存器的狀態(tài)決定硬件如何工作，為了使硬件工作于某種狀態(tài)，可以通過(guò)修改寄存器的值來(lái)實(shí)現(xiàn)。 例如：S3C2410X處理器的工作頻率可達(dá)203MHz，但決不是只能工作于該頻率。可以通過(guò)修改內(nèi)部寄存器的值，使處理器工作在不同的頻率下，通常所說(shuō)的超頻就是通過(guò)修改CPU的時(shí)鐘相關(guān)的寄存器的值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 在S3C2410的地址空間0 x480000000 x60000000之間，存有大量的SFR（Special Functi

3、on Registers，特殊功能寄存器）用于實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部外圍模塊的控制。特殊功能寄存器在書(shū)中表4.3中列出。,注意：,表中所給的只是小端方式地址，只可以用在小端模式， 若使用大端模式，必須采用大端地址。,訪問(wèn)單元中的B表示8位寄存器，必須使用LDRB/STRB 或字符型指針（char int *）訪問(wèn)。,訪問(wèn)單元中的HW表示16位寄存器，必須使用LDRH/STRH 或字符型指針（short int*）訪問(wèn)。,訪問(wèn)單元中的W表示32位寄存器，必須使用LDR/STR或 字符型指針（int *）訪問(wèn)。,本書(shū)為了方便使用，在文件def.h中對(duì)特殊功能寄存器統(tǒng)一定義。同時(shí)定義了全局使用的數(shù)據(jù)類(lèi)型和各種起

4、始地址。,#define U32 unsigned int #define U16 unsigned short #define S32 int #define S16 short int #define U8 unsigned char #define S8 char #define TRUE 1 #define FALSE 0 #define FCLK 202800000 #define HCLK (202800000/2) #define PCLK (202800000/4) #define UCLK PCLK #define _RAM_STARTADDRESS 0 x30000000

5、#define _NONCACHE_STARTADDRESS 0 x31000000 #define _ISR_STARTADDRESS 0 x33ffff00 #define _MMUTT_STARTADDRESS 0 x33ff8000 #define _STACK_BASEADDRESS 0 x33ff8000 #define HEAPEND 0 x33ff0000,4.4 最小系統(tǒng),一個(gè)嵌入式處理器自己是不能獨(dú)立工作的，必須給它供電、加上時(shí)鐘信號(hào)、提供復(fù)位信號(hào)，如果芯片沒(méi)有片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，則還要加上存儲(chǔ)器系統(tǒng)，然后嵌入式處理器芯片才可能工作。這些提供嵌入式處理器運(yùn)行所必須的條件的電路與

6、嵌入式處理器共同構(gòu)成了這個(gè)嵌入式處理器的最小系統(tǒng)。而大多數(shù)基于ARM處理器核的微控制器都有調(diào)試接口，這部分在芯片實(shí)際工作時(shí)不是必需的，但因?yàn)檫@部分在開(kāi)發(fā)時(shí)很重要，所以也把這部分也歸入最小系統(tǒng)中。,可選，因?yàn)樵S多面向嵌入式領(lǐng)域的微控制器內(nèi)部集成了程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,最小系統(tǒng)框圖,可選，但是在樣品階段通常都會(huì)設(shè)計(jì)這部分電路,4.4.1 電源電路設(shè)計(jì),供電系統(tǒng) (電源),電源系統(tǒng)為整個(gè)系統(tǒng)提供能量，是整個(gè)系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，具有極其重要的地位，但卻往往被忽略。如果電源系統(tǒng)處理得好，整個(gè)系統(tǒng)的故障往往減少了一大半。,4.4.1 電源電路設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)電源時(shí)要考慮的因素： 1.輸出的電壓、電流、功率； 2.輸入的

7、電壓、電流； 3.安全因素； 4.輸出紋波； 5.電池兼容和電磁干擾； 6.體積限制； 7.功耗限制； 8.成本限制。,復(fù)位模塊和端口寄存器所需要的電源：1.8V,1.分析需求 S3C2410A處理器所需要的電源類(lèi)型：,處理器內(nèi)核所需電源：1.8V,PLL模塊所需要的模擬電源和數(shù)字電源：1.8V,RTC模塊為時(shí)鐘電路提供的電源：1.8V,存儲(chǔ)器端口和普通IO口所詡的數(shù)字電源：3.3V,ADC模塊所需要的模擬電源：3.3V,由此可見(jiàn)，在電源系統(tǒng)中，至少需要3.3V和1.8V的兩種直流穩(wěn)壓電源，如果對(duì)AD要求精度，模擬電源部分需要單獨(dú)設(shè)計(jì)。,2.設(shè)計(jì)電源電路 實(shí)際的電源電路設(shè)計(jì)還需要考慮整個(gè)電路板

8、的其他模塊對(duì)電源的需求，并具體到對(duì)1.8V和3.3V的需求。 除處理器外，其他模塊對(duì)1.8V電源有需求的較少，但對(duì)3.3V電源有需求的模塊較多。,2.設(shè)計(jì)電源電路 電源設(shè)計(jì)在確定電壓需求之后，需重點(diǎn)分析功耗要求。 S3C2410A處理器1.8V消耗的電流約100mA。為了保證可靠性并留下余量，則電源系統(tǒng)1.8V能夠提供的電流應(yīng)當(dāng)大于300mA。 整個(gè)系統(tǒng)在3.3V上消耗的電流與其他功能模塊和外部條件有很大的關(guān)系，這里假設(shè)電流不超過(guò)300mA，這樣，電源系統(tǒng)3.3V能夠提供600mA電流即可。,分析得到以下參數(shù)： 3.3V電源設(shè)計(jì)最大電流：600mA； 1.8V電源設(shè)計(jì)最大電流：300mA。,2

9、.設(shè)計(jì)電源電路 電源設(shè)計(jì)在確定電壓和功耗需求之后，需分析的就是電源的紋波、效率、調(diào)整率、外部提供的輸入電源等。 其中的輸入電源通常選擇高質(zhì)量的5V直流穩(wěn)壓電源。 5V輸入電壓經(jīng)過(guò)DC-DC轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)5V到3.3V和5V到1.8V的轉(zhuǎn)換。電路如圖所示。 DC-DC模塊的輸入和輸出需加濾波電容； 電源設(shè)計(jì)通常采用LED指示燈提示； RTC模塊需要長(zhǎng)期供電，即使外部掉電也不能讓RTC模塊停止工作，因此添加電池來(lái)供電。,4.4.2 晶振電路設(shè)計(jì),目前所有的微控制器均為時(shí)序電路，需要一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)才能工作，大多數(shù)微控制器具有晶體振蕩器。簡(jiǎn)單的方法是利用微控制器內(nèi)部的晶體振蕩器，但有些場(chǎng)合（如減少功耗、

10、需要嚴(yán)格同步等情況）需要使用外部振蕩源提供時(shí)鐘信號(hào)。,時(shí)鐘系統(tǒng),S3C2410X微處理器的主時(shí)鐘可以由外部時(shí)鐘源提供，也可以由外部振蕩器提供，通過(guò)引腳OM3:2來(lái)進(jìn)行選擇： OM3:2=00時(shí)，MPLL和UPLL的時(shí)鐘均選擇外部振蕩器；,S3C2410X微處理器的主時(shí)鐘可以由外部時(shí)鐘源提供，也可以由外部振蕩器提供，通過(guò)引腳OM3:2來(lái)進(jìn)行選擇： OM3:2=11時(shí)，MPLL和UPLL的時(shí)鐘均選擇外部時(shí)鐘源。,外部振蕩器晶振電路設(shè)計(jì),外部振蕩器電路有12MHz晶振和2個(gè)15pF的微調(diào)電容組成， 12MHz的時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過(guò)片內(nèi)的PLL倍頻可以達(dá)到203MHz。,系統(tǒng)所需要的RTC時(shí)鐘采用相同的方式。

11、,4.4.3 復(fù)位電路設(shè)計(jì),微控制器在上電時(shí)狀態(tài)并不確定，這造成微控制器不能正確工作。為解決這個(gè)問(wèn)題，所有微控制器均有一個(gè)復(fù)位邏輯，它負(fù)責(zé)將微控制器初始化為某個(gè)確定的狀態(tài)。這個(gè)復(fù)位邏輯需要一個(gè)復(fù)位信號(hào)才能工作。一些微控制器自己在上電時(shí)會(huì)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，但大多數(shù)微控制器需要外部輸入這個(gè)信號(hào)。,復(fù)位及其 配置系統(tǒng),復(fù)位電路可以使用簡(jiǎn)單的阻容復(fù)位，這個(gè)電路成本低廉，但不能保證任何情況產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的復(fù)位信號(hào)，所以一般場(chǎng)合需要使用專(zhuān)門(mén)的復(fù)位芯片。,阻容復(fù)位電路,簡(jiǎn)單使用的復(fù)位電路設(shè)計(jì),本系統(tǒng)采用較簡(jiǎn)單的RC復(fù)位電路，經(jīng)使用證明，其復(fù)位邏輯是可靠的。復(fù)位電路如圖所示：,該復(fù)位電路的工作原理如下：在系統(tǒng)上電時(shí)

12、，通過(guò)電阻R108向電容C162充電，當(dāng)C162兩端的電壓未達(dá)到高電平的門(mén)限電壓時(shí)，Reset端輸出為高電平，系統(tǒng)處于復(fù)位狀態(tài)；當(dāng)C162兩端的電壓達(dá)到高電平的門(mén)限電壓時(shí)，Reset端輸出為低電平，系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。,當(dāng)用戶(hù)按下按鈕RESET時(shí)，C162兩端的電荷被瀉放掉，Reset端輸出為高電平，系統(tǒng)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，再重復(fù)以上的充電過(guò)程，系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。,實(shí)際工程使用的復(fù)位電路設(shè)計(jì),SP708/R/S/T低功耗微處理器復(fù)位監(jiān)控芯片： 復(fù)位脈沖寬度-200ms； 最大電源電流40uA； 支持開(kāi)關(guān)式TTL/CMOS手動(dòng)復(fù)位輸入； Vcc下降至1V時(shí)，nRESET信號(hào)仍然有效； SP708

13、/R/S/T支持高/低電平兩種方式。,4.5 JTAG調(diào)試接口設(shè)計(jì),調(diào)試與測(cè)試接口不是系統(tǒng)運(yùn)行必須的，但現(xiàn)代系統(tǒng)越來(lái)越強(qiáng)調(diào)可測(cè)性，調(diào)試、測(cè)試接口的設(shè)計(jì)也要重視了。S3C2410A有一個(gè)內(nèi)置JTAG調(diào)試接口，通過(guò)這個(gè)接口可以控制芯片的運(yùn)行并獲取內(nèi)部信息。,調(diào)試測(cè)試接口,4.5.1 JTAG概述,JTAG是Joint Test Action Group（聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)組）的簡(jiǎn)稱(chēng)。IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)是由JTAG這個(gè)組織最初提出來(lái)的，最終由IEEE批準(zhǔn)并標(biāo)準(zhǔn)化的，所以，IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)也俗稱(chēng)JTAG標(biāo)準(zhǔn)。,JTAG標(biāo)準(zhǔn)主要用于芯片內(nèi)部測(cè)試及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真、調(diào)試。在芯片內(nèi)部封裝專(zhuān)門(mén)的電路測(cè)試

14、訪問(wèn)接口（TAP），通過(guò)專(zhuān)用的JTAG測(cè)試工具對(duì)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。,目前，大多數(shù)復(fù)雜的器件都支持JTAG協(xié)議，如ARM、DSP、FPGA等。,1.TAP 接口,TAP是一個(gè)通用的端口，通過(guò)TAP可以訪問(wèn)芯片提供的所有數(shù)據(jù)寄存器（DR）和指令寄存器（IR）。標(biāo)準(zhǔn)的TAP總共包括5個(gè)信號(hào)接口： TCK：測(cè)試時(shí)鐘，為T(mén)AP的操作提供了一個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘信號(hào)，TAP的所有操作都是通過(guò)這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)的。 TMS：測(cè)試模式選擇，用來(lái)控制TAP狀態(tài)機(jī)的轉(zhuǎn)換。TMS信號(hào)在TCK的上升沿有效。 TDI：數(shù)據(jù)輸入，所有要輸入到特定寄存器的數(shù)據(jù)都是通過(guò)TDI接口一位一位串行輸入的。 TDO：數(shù)據(jù)輸出，所有要從特定的

15、寄存器中輸出的數(shù)據(jù)都是通過(guò)TDO接口一位一位串行輸出的。 TRST：JTAG復(fù)位信號(hào)，可以用來(lái)對(duì)TAP 控制器進(jìn)行復(fù)位。,2.邊界掃描,在JTAG調(diào)試中，邊界掃描是一個(gè)很重要的概念。邊界掃描技術(shù)的基本思想是在靠近芯片的輸入輸出管腳上增加一個(gè)移位寄存器單元，稱(chēng)為邊界掃描寄存器。 芯片處于調(diào)試狀態(tài)時(shí)，這些邊界掃描寄存器可以將芯片和外圍的輸入輸出隔離開(kāi)來(lái)。通過(guò)這些邊界掃描寄存器單元，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片輸入輸出信號(hào)的觀察和控制。如果需要捕獲芯片某個(gè)管腳上的輸出，首先需要把該管腳上的輸出裝載到邊界掃描鏈的寄存器單元中去，然后通過(guò)TDO輸出，這樣，就可以從TDO上得到相應(yīng)管腳上的輸出信號(hào)。如果要在芯片的某個(gè)管

16、腳上加載一個(gè)特定的信號(hào)，則首先需要通過(guò)TDI把期望的信號(hào)移位到與相應(yīng)管腳相連的邊界掃描鏈的寄存器單元里去，然后將該寄存器單元的值加載到相應(yīng)的芯片管腳。,1）14針JTAG接口定義,4.5.2 接口電路設(shè)計(jì),2）20針JTAG接口定義,這兩類(lèi)接口之間的信號(hào)電氣特性都是一樣的，所以可以把對(duì)應(yīng)的信號(hào)直接連接起來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。這意味著即使系統(tǒng)設(shè)計(jì)是使用了14腳接口，仍可以通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的電路轉(zhuǎn)換使用采用20腳接口設(shè)計(jì)的仿真器。,簡(jiǎn)單的JTAG接口電路設(shè)計(jì)如圖所示，該電路即可作成一小塊電路板，包含在下載電纜內(nèi)，當(dāng)作JTAG仿真器使用。,調(diào)試接口電路一,S3C2410A的 JTAG 接口電路設(shè)計(jì),復(fù)位電路與前面介紹電路有所不同。在復(fù)位信號(hào)和CPU之間插入了三態(tài)門(mén)74HC125。主要是為了復(fù)位芯片和JTAG仿真器都可以復(fù)位芯片。如果沒(méi)有74HC125，當(dāng)復(fù)位芯片輸出高電平時(shí)，JTAG仿真器就不可能把它拉低，這不但不能實(shí)現(xiàn)需要的功能，還可能損壞復(fù)位芯片或JTAG仿真器。,調(diào)試接口電路一,ETM功能僅在高級(jí)仿真器中具有，用戶(hù)如果沒(méi)有使用，可以將其省略,4.5