chap10基于ARM微处理器的硬件系统设计

微处理器系统结构与嵌入式系统设计第十章基于ARM微处理器的硬件系统设计5学时1微处理器系统结构与嵌入式系统设计第十章基于ARM微处理器的硬件系统设计10.1基于ARM微处理器的系统设计概述（理解）10.2S3C2440A微处理器（了解）S3C2440A微处理器简介S3C2440A内部结构及主要特性S3C2440A外部引脚10.3ARM微处理器最小硬件系统（掌握）电源模块时钟模块复位模块JTAG调试接口外部存储器模块2微处理器系统结构与嵌入式系统设计第十章基于ARM微处理器的硬件系统设计10.4人机交互接口键盘与LED接口（掌握）LCD显示接口（理解）触摸屏接口（理解）10.5通信接口串行通信接口（掌握）其他通信接口（理解）3微处理器系统结构与嵌入式系统设计10.1基于ARM微处理器的系统设计概述ARM微处理器有多种内核结构，还有多种多样的内部功能配置组合，所以在设计一个系统时选择最合适的ARM芯片是非常重要的。一些主流的ARM9处理器芯片如：飞思卡尔：MC9328MX27…三星：S3C2440A…Atmel公司：AT91SAM9263…意法半导体：STR91x…恩智浦半导体：LPC2000系列…4微处理器系统结构与嵌入式系统设计•三星公司推出的基于ARM内核的微处理器主要面向消费类便携式设备,为手持设备和一般应用提供了高性价比和高性能的微控制器解决方案。包括：采用ARM7TDMI内核的S3C44B0和S3C3410采用ARM926EJ-S内核的S3C2412，S3C2413，S3C2416，S3C2450和S3C24A0采用ARM920T内核的S3C2410，S3C2440，S3C2442和S3C2443采用ARM1176JZF内核的S3C6400等•三星公司采用ARM内核的微处理器主要按照应用来划分，如通用型32位MCU主要采用ARM7TDMI内核，面向CAN/LIN总线、以太网、发动机控制和RFID等应用场合。10.2三星公司的ARM微处理器芯片5微处理器系统结构与嵌入式系统设计三星公司的S3C2440A•采用ARM920T内核，实现了MMU，AMBA总线和哈佛架构的高速缓冲体系结构。•在高速缓存方面采用了独立的16KB的I-cache和16KB的D-cache。•采用0.13mCMOS工艺标准宏单元和存储器单元，其低功耗、简洁的结构和全静态电路设计特别适合对成本和功耗敏感的应用。•为了降低整机系统的成本，提供了各类丰富的功能模块，在系统设计中无需配置额外的外部组件。6微处理器系统结构与嵌入式系统设计飞思卡尔公司的ARM微处理器芯片•美国飞思卡尔公司采用ARM内核的微处理器命名为i.MX系列，该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•该系列微处理器主要应用于智能手机、便携式多媒体播放器、便携式导航设备、视频监控、销售终端机系统和条码扫描仪等消费类、工业、健康等领域的产品。•除i.MX系列微处理器以外，飞思卡尔公司还有少数其他产品也采用了ARM内核，例如适用于便携式多媒体播放器和导航设备的STMP37XX系列产品。7微处理器系统结构与嵌入式系统设计飞思卡尔公司的i.MX27采用ARM926EJ-S内核，一级指令缓存和数据缓存各有16KB集成了16通道DMA和ETM实时调试接口AHB总线采用了6×3多层交叉开关（MAX），支持多个并行事项，改善总线的有效吞吐量。其外部存储器接口可以支持16/32位SDRAM或DDR存储器、8/16位NANDflash存储器和PSRAM。8微处理器系统结构与嵌入式系统设计Atmel公司的ARM微处理器芯片•美国Atmel公司继成功推出AT89系列（兼容MCS-51）和AT90系列(RISC)单片机后，采用业界流行的ARM内核推出了更强的32位AT91系列微控制器。该系列主要包含以下子系列：AT91M42800A，AT91M55800AAT91RM9200，AT91SAM7AAT91SAM7L(低功耗)，AT91SAM7SAT91SAM7SE，AT91SAM7XAT91SAM9，AT91SAM9XE和AT91X40•AT91系列微控制器使用高密度CMOS技术，集成了ARM内核和大量的Flash存储器、片内RAM和各种外围功能模块，为许多需要加强运算的嵌入式应用提供了高度灵活且性价比高的解决方案。9微处理器系统结构与嵌入式系统设计Atmel公司的AT91SAM9263•基于ARM926EJ-S内核的32位微处理器•带MMU存储器管理单元，支持DSP扩展指令和JAVA硬件加速，当运行在200MHz时拥有220MIPS的运算性能•AT91SAM9263具备两组独立的外部存储器总线EBI0和EBI1，可以连接多种内存设备和大容量IDE硬盘设备•内部嵌有LCD控制器，可支持2D图形加速、双通道DMA和图像传感器接口•集成了多种标准外设接口，例如USART，SPI，TWI，定时计数器，PWM，多媒体卡接口和CAN控制器等10微处理器系统结构与嵌入式系统设计意法半导体公司的ARM微处理器芯片•意法半导体有限公司(STMicroelectronics)是全球最大的半导体公司之一。其采用ARM内核的微处理器主要包括三个系列：采用Cortex-M3内核的STM32系列、采用ARM7TDMI内核的STR7系列和采用ARM966E-S内核的STR9系列。•STM32系列产品得益于Cortex-M3在架构上进行的多项改进，包括性能和代码密度同时得以提升的Thumb-2指令集，大幅度提高的中断响应，而且所有新功能都同时具有业界最优的功耗水平。•STR7系列产品融合了16位和32位产品的优势，适合嵌入式控制应用，如工业控制、工厂自动化、销售终端设备、医疗和测试设备以及电信和消费电子应用等。•STR9系列结合了ARM9E处理器内核和通用闪存，并加入了联网功能，使实现各种要求苛刻的应用变得更加简单和廉价。11微处理器系统结构与嵌入式系统设计意法半导体公司的STR91x•采用96MHzARM966E-S内核，带有单周期的DSP指令和与介质无关的联网功能；•大容量存储器可满足复杂的应用、实时操作系统(RTOS)、通信协议栈和数据存储的需求；双体闪存是实现在线编程(IAP)和E2PROM仿真的理想结构。•具有优化DMA数据流的10/100M以太网接口；•支持USB，CAN，SPI，I2C，UART/IrDA和多个计时器，最多80个5V兼容的GPIO；•带有10位ADC并具有全方位的CPU监控功能；•灵活的功耗和时钟管理功能，具有多种低功耗模式和带闹钟功能的低功耗实时时钟。12微处理器系统结构与嵌入式系统设计恩智浦半导体的ARM微处理器芯片恩智浦半导体由飞利浦在50多年前创立。恩智浦提供半导体、系统解决方案和软件，为电视、机顶盒、智能识别应用、手机、汽车以及其他形形色色的电子设备提供更好的感知体验。恩智浦半导体基于ARM7的LPC2000为32位微控制器设定了新的性价比，包括LPC213x，LPC214x、LPC2101/2/3等系列，采用了0.16-0.18μm工艺更高性能产品系列(LPC2300,LPC2400,LPC2800)采用了0.14um工艺13微处理器系统结构与嵌入式系统设计恩智浦半导体的LPC2000ARM7TDMI-S内核三级流水线冯·诺依曼架构T:Thumb指令集D:Debug扩展M:增强的乘法指令(32Bx8B-64B)I:内核带有EmbeddedICE逻辑功能扩展S:软核高速嵌入式Flash丰富的外设资源UART,SPI,I2C,CAN,USB,ethernet等工业级芯片工作温度范围:–40°C～+85°C/+105°C丰富开发工具支持高性能,低价格14微处理器系统结构与嵌入式系统设计ARM芯片的选型•性能参数的考虑ARM核版本工作频率内部存储器容量电源控制DSP协处理器功耗•外设接口的考虑USB接口RTCGPIO数量其他因素•芯片封装的选择芯片的封装有很多种类型，如：DIP、QFP、PGA、BGA等在散热性能、信号完整性特性、体积大小等方面的要求15微处理器系统结构与嵌入式系统设计10.3ARM微处理器最小硬件系统ARM微处理器；电源模块，包括CPU内核和I/O接口电源电源；时钟模块，包括系统主时钟和实时时钟；复位模块，包括系统上电复位、手动复位和内部复位；存储器模块，包括程序保存存储器（FLASH）和程序运行存储器（SDRAM）；JTAG调试接口模块。最小硬件系统通常是指以嵌入式处理器为核心，包含电源、时钟和复位等保障处理器正常工作的基本硬件电路。16微处理器系统结构与嵌入式系统设计S3C2440A最小硬件系统：电源模块电源模块是系统工作的能量来源，其电压、纹波、内阻和驱动能力等性能直接影响到系统工作的稳定性，因此电源模块在系统设计中至关重要。电源电压一定要在系统需求的范围之内电源的驱动能力一定要能满足整个系统的功率需求电源纹波和电路干扰的处理在设计PCB时需要对模拟电源和数字电源进行物理上的隔离17微处理器系统结构与嵌入式系统设计18微处理器系统结构与嵌入式系统设计S3C2440A最小硬件系统：时钟模块时钟模块为系统提供同步工作信号，其稳定性直接关系到系统的工作稳定性。在ARM嵌入式系统中通常包括频率较高的系统主时钟和频率较低的实时时钟。时钟经内部锁相环后得到四组时钟信号：FCLK：ARM920T内核HCLK：AHB总线、存储器控制器、中断控制器、LCD控制器、DMA控制器和USB主机模块PCLK：访问APB总线的外设，如WDT，I2S，I2C，PWM定时器，MMC接口，ADC，UART，GPIO，RTC和SPI等模块UCLK：USB模块需要的48MHz时钟19微处理器系统结构与嵌入式系统设计20微处理器系统结构与嵌入式系统设计S3C2440A最小硬件系统：复位模块系统上电复位、手动复位和内部复位一般来说系统对外部复位信号波形有一定的要求，若不能满足要求(例如持续时间过短)，则系统将不能正常工作。21微处理器系统结构与嵌入式系统设计存储器模块为系统程序的保存和运行提供空间，在系统设计中主要根据处理器的存储器接口选择合适的存储器芯片（存储类型、容量、速度和接口类型）ARM最小系统中的存储器通常包括存放程序的NANDFlash和用于程序运行的SDRAM。存储器模块通常挂接在ARM芯片的局部总线上(外部三总线)。S3C2440A最小硬件系统：存储器模块22微处理器系统结构与嵌入式系统设计“Steppingstone”为系统从外部Flash存储器引导提供支持23微处理器系统结构与嵌入式系统设计使用16位存储芯片构造32位宽存储器系统24微处理器系统结构与嵌入式系统设计ARM微处理器一般都采用JTAG作为基本调试接口nTRST，TMS，TCK，TDI和TDOS3C2440A最小硬件系统：调试接口25微处理器系统结构与嵌入式系统设计10.4人机交互接口人机交互接口主要用于人与设备之间的信息交换，通常包括用于信息输入的键盘、触摸屏，以及信息输出的各类显示设备。以S3C2440A的相关接口为例介绍各类接口硬件结构与使用：•键盘与LED接口•LCD显示接口•触摸屏接口26微处理器系统结构与嵌入式系统设计键盘与LED接口按键和LED是最常用的两种输入输出器件，使用它们可以实现简单的信号输入和输出，在嵌入式系统中有重要用途。这类简单外设与处理器进行连接时，通常有两种方式：一是使用处理器的GPIO直接控制，由处理器运行相应软件来实现所需功能；二是使用专用的控制芯片来获取按键信息以及驱动显示。GPIO(GeneralPurposeInput)可以实现任何一般用途的信号输入/输出。ARM处理器芯片的大部分引脚都可以通过设定相应的控制寄存器实现基本的G