ARM嵌入式系统硬件设计及应用实例

ARM嵌入式系统硬件设计及应用实例 ARM硬件设计及应用实例ARM硬件设计及应用实例刘铁刚 2004-4-26 2 提纲 111 333 222 从51到ARM 基于ARM的硬件设计 ARM应用实例 3 一从51到ARM 微处理器的发展：沿着两条路发展： ¾ 通用微处理器 ¾ 嵌入式微处理器 4 通用微处理器的发展历程： 4位：Intel公司的4004，4040等一从51到ARM 8位：Intel公司的8008、8080，Motorola公司的6800系列， Zilog公司Z80系列，...

ARM硬件设计及应用实例ARM硬件设计及应用实例刘铁刚 2004-4-26 2 提纲 111 333 222 从51到ARM 基于ARM的硬件设计 ARM应用实例 3 一从51到ARM 微处理器的发展：沿着两条路发展： ¾ 通用微处理器 ¾ 嵌入式微处理器 4 通用微处理器的发展历程： 4位：Intel公司的4004，4040等一从51到ARM 8位：Intel公司的8008、8080，Motorola公司的6800系列， Zilog公司Z80系列，NS公司的NSC800系列等 16位：Intel公司的8086、80286，Thompson公司68200等 32位：NS公司的32000，Intel公司的80386，80486等 64位：Intel公司Pentium II、III、IV,APPLE公司的 PowerPC G5等 5 嵌入式微处理器的发展历程：一从51到ARM 4位：TI公司的TMS1000，NS的COP系列等 8位：Intel公司的8048/49/50、8051/52，Motorola公司的6800系列，Zilog公司Z8系列，ATMEL公司的89C51/52、 89C1051/2051，MICROCHIP公司的PIC系列等 16位：Intel公司的8096/97，Thompson公司68200等 32位：ARM公司的ARM7、ARM9、ARM10核的CPU等 64位：ARM公司的ARM11，MIPS公司的R2000、R3000等 6 51单片机的特点：易学易用，常是一个人的项目接口方便从事51研发的人力资源丰富一从51到ARM 7 51单片机的缺陷与不足：运行速度慢一从51到ARM 无法满足中、高端产品的需要对存储器的管理能力比较差对操作系统的支持比较差 8 51到ARM的转移：势在必行：ARM处理器已经成为32位嵌入式处理器事实上的标准一从51到ARM 宜早不宜迟：掌握一门前沿技术，和其他研发人员比占据优势；使产品高起点；信息社会发展的必然 ARM是嵌入式CPU的主流技术 9 ARM的优点：低功耗、低成本、高性能带DSP及JAVA支持 RISC指令集、支持ARM/THUMB 芯片型号多支持的操作系统多、支持的开发工具多一从51到ARM 10 ARM的优点：性价比的变化调试技术的革新对操作系统的更好的支持更好的存储器管理一从51到ARM 11 ARM商业模式的成功： ARM公司是出售IP知识产权的公司一从51到ARM 生产ARM核芯片的公司有100多家 ARM公司在技术上采取无歧视的政策国内有诸多的操作系统厂家、开发工具厂家支持ARM技术 12 一从51到ARM ARM研发的特点：要求比较多的相关知识 ¾微处理器及接口技术 ¾高频电路、多层板的设计 ¾嵌入式汇编程序 ¾BSP ¾C语言 ¾嵌入式操作系统 ¾嵌入式应用程序 ¾…… 团队项目、高起点 13 ARM最小系统： ARM处理器存储器电源电路复位电路 ARM CPU 电源电路复位电路 FLASH SDRAM 二基于ARM的硬件设计 14 二基于ARM的硬件设计 JX44B0教学系统的硬件组成： S3C44B0X 4MB Flash(BIOS) 8MB SDRM USB 接口 RS-232接口 JTAG调试端口 LCD 显示及触摸屏键盘接口以太网接口音频接口 15 二基于ARM的硬件设计 S3C44B0内部结构图： 16 二基于ARM的硬件设计 S3C44B0片上资源： ARM7TDMI核、工作频率66MHz； 8KB Cache，外部存储器控制器； LCD控制器； 4个DMA通道； 2通道UART、1个多主I2C总线控制器、1个IIS总线控制器； 5通道PWM定时器及一个内部定时器； 71个通用I/O口； 8个外部中断源； 8通道10位ADC；实时时钟等。 17 二基于ARM的硬件设计 S3C44B0存储系统：存储系统设计 ¾支持数据存储的大/小端选择； ¾地址空间：支持8个存储体访问； ¾对所有存储体的访问宽度均可改变（8／16／32位）； ¾7个存储体的起始地址固定，1个存储体的起始地址可变。 18 二基于ARM的硬件设计 S3C44B0存储系统分区： 19 JX44B0教学系统的地址分配：地址区间用途数据宽度读/写属性 0x00000000~0x0003ffff nGCS0: FLASH存储器 16bit R/W 0x04000000~0x0400000f nGCS2:网络接口芯片 16bit R/W 0x06000000~0x06000001 nGCS3:USB接口芯片 8 bit R/W 0x0C000000~0x0C7fffff nGCS6:SDRAM存储器 16bit R/W 0x02000000~0x02000006 nGCS1:扩展后用作数码管、键盘及LED的控制等 8 bit R/W 0x08000000~0x080e000f nGCS4:扩展后用作CF卡及IDE接口的控制 8/16 R/W 0x0a000000~0x0a000006 nGCS5:通过扩展，用作并口控制寄存器 8 bit R/W 二基于ARM的硬件设计 20 电源电路设计：多电源系统：5V、3.3V、2.5V、1.8V、 1.25V 线性稳压电路、开关稳压电路二基于ARM的硬件设计 21 复位电路设计：复位操作 ¾ 上电复位 ¾ 人工手动复位 ¾ 运行监视复位运行监视复位 ¾ 看门狗监视复位 ¾ 电源监视复位二基于ARM的硬件设计复位电平 ¾ 高电平复位 ¾ 低电平复位复位电路 ¾ RC复位电路 ¾ 专用芯片复位电路 22 存储器电路设计：总线访问宽度 ¾ 8位访问 ¾ 16位访问 ¾ 32位访问存储器总线宽度 ¾ 8位 ¾ 16位 ¾ 32位二基于ARM的硬件设计存储器 ¾ ROM ¾ FLASH ¾ NAND FLASH ¾ RAM ¾ SDRAM ¾ FRAM 23 LCD显示模块设计：内置LCD控制器支持单色、4级灰度、16级灰度、256级彩色屏支持不同显示器大小支持不同显示器的数据宽度、刷新率等可将显示缓存区数据直接传送到LCD外部驱动电路二基于ARM的硬件设计 24 二基于ARM的硬件设计显示控制器内部结构图： LCD显示模块设计 25 二基于ARM的硬件设计 256色彩色显示器显示示意图： LCD显示模块设计 26 二基于ARM的硬件设计 LCD显示接口设计：接口信号说明 ¾VFRAME：帧同步信号 ¾VLINE：行同步信号 ¾VCLK: 象素时钟信号 ¾VM：交流信号 ¾VD[7:0] : LCD象素数据信号 27 二基于ARM的硬件设计串行端口设计：廉价的双机通讯设备便于应用程序的调试 S3C44B0自带两个异步串行口控制器带16字节的FIFO 最大波特率115.2Kb 支持硬件流控等 28 二基于ARM的硬件设计串行端口设计：电平转换：3.3V/5V和EIA RS-232C，常用转换芯片：单/双/四通道，如MAX232、MAX202、 SP3220等以SP3232ECA芯片为例，示意如下： 29 二基于ARM的硬件设计 JTAG调试接口： JTAG 是Joint Test Action Group 的缩写； IEEE1149.1 标准由该组织制定。在线测试、在线编程、在线调试内核速度调试运行、不占用系统资源可通过JTAG口访问ARM 的内部总线，I/O 口等信息，从而达到调试的目的。 30 二基于ARM的硬件设计 ARM调试系统： ARM调试系统结构：典型的JTAG 调试结构 31 二基于ARM的硬件设计 ARM的JTAG接口设计：常用ARM的JTAG接口： JTAG接口标准：14PINS和20PINS 32 二基于ARM的硬件设计 JX44B0教学系统调试接口：调试接口示意如下： 33 二基于ARM的硬件设计基本输入输出接口设计：扩展键盘接口设计 ¾用来输入数字型数据或者选择控制设备的操作模式实现方案 ¾采用专用的键盘接口芯片 ¾用软件实现键盘扫描用软件实现可采用查询式或中断触发的方式 34 二基于ARM的硬件设计基本输入输出接口设计：扩展键盘接口设计示意图： +5V 1 2 3 4 5 6 7 8 9 B1 B2 B3 B1 B2 B3 行（输出端口）列（输入端口） 35 二基于ARM的硬件设计基本输入输出接口设计：扩展键盘接口设计键盘扫描过程就是让微处理器按有规律的时间间隔查看键盘矩阵，以确定是否有键被按下。每个键被分配一个称为扫描码的唯一标识符。应用程序利用该扫描码，根据按下的键来判定应该采取什么动作。与键盘设计有关的还包括软件上的一些处理： ¾ 消抖算法 ¾ 组合键处理 ¾ 连击的处理等 36 二基于ARM的硬件设计网络接口设计：扩展网络接口设计嵌入式处理器＋网卡芯片 ¾ 对嵌入式处理器没有特殊要求，通用性强 ¾ 处理器和网络数据交换通过外部总线进行交换带有以太网络接口的嵌入式处理器 ¾ 处理器面向网络应用 ¾ 处理器和网络数据交换通过内部总线，速度快 37 二基于ARM的硬件设计网络接口设计：扩展网络接口设计嵌入式处理器（S3C44BOX） 10M 以太网芯片网卡隔离变压器 RJ45接口 38 二基于ARM的硬件设计网络接口设计：扩展网络接口设计 ¾数据总线 ¾地址总线 ¾控制总线 ¾中断请求 ¾DMA中断请求与应答 ¾模拟接口 39 二基于ARM的硬件设计 USB接口设计：扩展USB接口设计 USB主要具有如下优点： ¾ 即插即用，无需手动设置地址、中断 ¾ 热插拨，设备不需重新启动便可以工作 ¾ 易于扩展，理论上可连接多达127 个设备 ¾ 接口标准统一、端口供电，不同设备之间基本可以共享接口电缆。 40 三 ARM应用实例税控收款机应用举例：基于S3C44B0的税控收款机 ¾ 采用嵌入式CPU(S3C44B0) ¾ 从系统结构上改变目前收款机应用系统中出现的高端机（由PC机组成系统）成本过高与低端机（由单片机组成系统）资源不足的状况，使嵌入式系统在税控收款机上得到广泛应用 41 三 ARM应用实例税控收款机组成框图： 42 三 ARM应用实例税控收款机硬件组成：硬件组成： ¾ CPU：S3C44B0 ¾ 存储器：FLASH、SDRAM、NAND FLASH ¾ 显示器：LCD、VFD ¾ 触摸屏：四线电阻式触摸屏 ¾ PS/2外设接口：键盘、条码扫描器、磁卡扫描器 ¾ RS232、并行口扩展接口：用外设扩展芯片实现 ¾ 网络扩展接口 ¾ 电源模块：主板电源、MODEM电源、VFD电源等 43 三 ARM应用实例 POS机软件组成：操作系统： ¾ 采用uCLinux操作系统，不需要MMU支持，内核可裁减 ¾ 包括了完善的TCP/IP协议栈，PPP拨号网络图形系统 ¾ 采用MiniGUI，中国人自行开发，界面美观，移植简单 44 三 ARM应用实例 POS机软件组成：应用程序： ¾ 商业功能模块 ¾ 税控功能模块 ¾ 报表功能模块 ¾ 管理设置功能模块 ¾ 其它功能模块 45 谢谢大家！

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