袁斌毕业设计正文

毕 业 设 计（论 文）题目：基于 ARM9-S3C2410 实验开发板的硬件设计Title：Hardware Design of ARM9-S3C2410 Experiment Board学生姓名： 袁斌学 号： 07022110指导教师： 徐哈宁专 业： 测控技术与仪器二零一一年六月摘 要三星 S3C2410 微处理器是一个采用 ARM920T 内核，高性能、低功耗、低成本的 16/32 位 RISC 处理器。基于 S3C2410 的最小系统核心板是一个独立模块，根据需求它可以直接与用户板模块结合进行速度、快捷、费用合理的开发利用。本论文设计并实现了一种基于 S3C2410 处理器的实验开发板，通过这个平台可以进行中断服务、时钟控制、通信接口、AD 采样、IO 口等无操作系统的基础实验并可进行 Linux 等嵌入式系统的移植实验。同时通过该平台也进行相关的功能扩展，以及进行所需的产品设计。硬件部分的设计是应用 Protel 99 SE 软件完成的，综合了许多原理图设计思想，进行取优弃弊，结合实际应用的考虑，以功能模块思想作引导，认真核对每一个引脚及其网络连接，采用两层板，通过原理图的绘制，原理图的修改，PCB 的布局布线再经过印刷、安装器件形成开发板。该开发板在保证学生完成 ARM 技术学习开发的同时，考虑了系统的扩展、电路板的面积、散热、电磁兼容性，以及安装等问题。因此，该板也可以作为嵌入式系统主板，直接应用在实际系统中。关键词： ARM9； 最小系统； 开发板； S3C2410ABSTRACTS3C2410 of SAMSUNGs 16/32-bit RISC microprocessor is a product designed with cost-effective, low-power, and high-performance. The S3C2410 was developed using an ARM920T core. The core board with minimum based on the S3C2410 is a independent modules. combined directly with user board it could be given a utilization as clients need speed, fast and reasonable-cost. This paper designs and completes an experiments development board based on S3C2410 processor. Through this platform we can make the basis experiments without the operating system as interrupt-service, clock control, communication interface, AD sampling, IO interface experiment and so on, and we can also carry out the Linux Embedded System transplantation experiments . At the same time, it also make the expansion of related functions and carries out the necessary product design through the platform. Integrating many ideas, considering the practical application, and bringing essence together finally the development board was completed after the schematic is drew and modified, the PCB board is arranged and routed, then components fixed on the two-lamellar board. with the software Protel99 SE.On the one side this development boards ensures students to complete the study of the ARM technology exploitation, on the other side it considers the expansion of the system、 the size of circuit boards、dispelling thermal、 electromagnetic compatibility and installation issues etc. Therefore, this board can be used as embedded system mainboard in application of the actual system directly.Key words：ARM9; minimum system; development board; S3C2410目 录绪 论 11.1 课题的背景、意义 .11.2 国内外相关领域研究进展 .21.3 课题内容 .22 ARM 微处理器的概述 .42.1 嵌入式系统简介 .42.1.1 嵌入式系统的定义 42.1.2 嵌入式系统的组成 42.1.3 嵌入式系统的特点 52.1.4 嵌入式系统的发展 62.2 嵌入式操作系统 .62.3 ARM 处理器 .72.3.1 ARM 的体系结构 72.3.2 ARM 微处理器的应用领域 82.4 ARM92OT 体系结构 .82.4.1 ARM92OT 系统结构分析 82.4.2 ARM920T 的工作状态 .92.4.3 ARM920T 体系结构的存储器格式 .92.4.4 ARM920T 处理器模式 .103 基于 ARM9-S3C2410 开发板的硬件设计 113.1 PROTEL 99 SE 简介 113.2 系统设计概述 .113.3 S3C2410 处理器及片外围简介 .123.4 单元电路设计 .143.4.1 电源电路 143.4.2 串行接口电路设计 143.4.3 IIC 总线接口电路设计 .153.4.4 复位按键电路 163.4.5 调试接口电路的设计 173.5 开发板硬件原理图 .184. 开发板硬件的 PCB 板设计 204.1 PCB 的基本概念 204.1.1 高速电路定义及高速信号确定 204.1.2 传输线 214.2 高速 PCB 信号线的布线 .224.2.1 高速 PCB 信号线的布线基本原则 224.3.2 地线设计 234.3 布线后信号完整性的 PCB 板 .234.4 提高该板抗电磁干扰能力的措施 .27结论与展望 28致 谢 29参考文献 30附录 1.31附录 2.37附录 3.42东华理工大学毕业设计（论文） 绪论1绪 论1.1 课题的 背景、意义嵌入式系统是指以应用为核心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗等方面的严格要求的专用计算机系统。目前，嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备，如掌上 PDA、移动计算设备、电视机顶盒、手机上网、数字电视、多媒体、汽车、微波炉、数字相机、家庭自动化系统、电梯、空调、安全系统、自动售货机、蜂窝式电话、消费电子设备、工业自动化仪表与医疗仪器等。由于各种新型微处理器的出现和应用的不断深化，嵌入式系统在后 PC 时代得到了空前的发展。随着时间的推移和技术的进步，在工业控制和新兴的手持式应用等领域，越来越多的产品需要较好的图形界面和较强的数据处理能力，以及网络、通信、音频、图像等功能，这对嵌入式处理器和嵌入式软件提出了更高的要求。在处理器方面，目前大量的中、低端嵌入式应用主要使用 8/16 位单片机。在国内，主要是以 MCS51 核为主的许多不同型号的单片机。在嵌入式高端应用领域，像网络设备、图像处理、手机、PDA 等主要使用 ARM、MIPS、PowerPC、DSP 等 16 一 64 位处理器，以 32 位处理器为主。各种类型的处理器都有其一定的针对性。其中，ARM 处理器的性能高、功耗低，适合于用电池供电的便携、手持式设备。由于近几年便携、手持式嵌入式应用的高速发展，ARM 处理器的增长速度和市场占有率也快速提升，成为目前 32 位应用中的主力产品。ARM 公司自成立以来，在 32 位 RISC(Reduced Instruction Set Computer)CPU 开发领域不断取得突破，其结构已经从 V3 发展到 V6。由于 ARM 公司自成立以来，一直以 IP (Intelligence Property) 提供者的身份向各大半导体制造商出售知识产权，而自己从不介入芯片的生产销售，加上其设计的芯核具有高性能、低功耗、低成本、小体积等显著优点，在移动计算和普适计算领域具有无可比拟的优势，因此得到众多的半导体厂家和整机厂商的大力支持，在 32 位嵌入式应用领域获得了巨大的成功，目前已经占有了 32 位 RISC 嵌入式产品市场 750/0 以上的份额，确立了市场领导地位。现在设计、生产 ARM 芯片的半导体生产商己经超过 50 家，国内多家大公司也已经购买 ARM 公司的芯核用于通信专用芯片的设计。采用 R 工 SC 架构的 ARM 微处理器一般具有以下特点:(1)体积小、低功耗、低成本、高性能；(2)支持 Thumb(16 位)/ARM(32 位)双指令集；(3)大量使用寄存器、指令执行速度更快；东华理工大学毕业设计（论文） 绪论2(4)大多数数据操作都在寄存器中完成；(5)寻址方式灵活简单，执行效率高；(6)指令长度固定。1.2 国内外相关领域研究进展测控专业本科生学生培养的一个主要目标是训练计算机软硬件基础及应用能力，即具有自主设计与开发计算机控制系统和数字化核心器件的能力。为此，为本科生开设了“单片机原理及课程设计” 、 “微机系统与接口”等课程。但随着嵌入式系统的快速发展，以传统的单片机为基础的数字系统开发课程，逐渐过渡到内容更为广泛的嵌入式系统教学己成大趋势。嵌入式系统教学的核心问题是一个嵌入式的实验平台，包括从硬件、中间件、软件、教学范例以及实验指导等诸多问题。但是纵观现在嵌入式教学平台市场，几乎没有哪一家公司会给出全面的技术文档以及设计细节，更不用说这对本专业而进行的特有设计。同时这些教学平台大多以实验箱的形式出现，其硬件系统集成了嵌入式系统开发应用所需的大部分设备，使得的它的教学平台的功能很强大。但这样做也有很大的弊端:一方面，集成大量的外扩设备无疑使整个教学平台的成本增加;另一方面，学生只能在这个平台上完成特定的实验而不能基于这个平台动手搭建自己的硬件电路，不利于学生动手能力的培养。基于以上的原因这个嵌入式实验平台有必要自行开发。对测控专业的学生来说，中断服务、时钟控制、串口通信、AD 采样、简单的 I/0 口等实验是基本的，实验开发板要有能力支持这类相关的实验，同时考虑到学生的动手能力的培养以及可以进行后续开发等问题，实验开发板不采用实验箱的形式，在尽可能小的电路板面积上集成通用设备接口的同时引出地址总线、数据总线、中断控制、AD 转换等 CPU 的大部分信号引脚。另外，考虑到学生的好动易损坏器件的特点，在设计实验开发板时，除了要求其具有技术先进性的同时，也考虑了实验开发板的通用性、经济性和可靠性。1.3 课题内容嵌入式系统的硬件是以嵌入式微处理器为核心的实验开发板，主要由嵌入式微处理器、总线、存储器、输入/输出接口和设备组成。本课题正是要设计出基于当前较好的嵌入式微处理器 S3C2410 的实验开发板，以便为自行设计的嵌入式仪器提供开发板，从而组成完整的嵌入式系统，开发出自己的嵌入式仪器。东华理工大学毕业设计（论文） 绪论3本课题的主要内容如下：（1）ARM9-S3C2410 微处理器概述及运用；（2）辅助设计软件 Protel99SE 的使用，ARM9-S3C2410 开发板的硬件设计；（3）实验开发板的各个功能模块的设计与介绍；（4）实验开发板 PCB 的设计以及相关措施东华理工大学毕业设计（论文） ARM 微处理器的概述42 ARM 微处理器的概述本章简要介绍了嵌入式系统的基本知识和 ARM 微处理器的一些基本概念、应用领域及特点。主要内容包括：(1)嵌入式系统的基本概念和发展； (2)嵌入式操作系统的基本概念；(3)ARM 微处理器的应用领域及特点；(4)ARM 微处理器的体系结构。2.1 嵌入式系统简介嵌入式系统已经广泛应用于各个科技领域和日常生活的每个角落，由于其本身的特性，使得我们很难发现它的存在。甚至一些从事嵌入式系统开发的科技人员也只知单片机，不知道嵌入式系统。本节将从嵌入式系统的定义开始，阐述嵌入式系统的含义、特点等。2.1.1 嵌入式系统的定义嵌入式系统 (Embedded System)从广义上讲，凡是不用于通用目的的可编程计算机设备，就可以算是嵌入式计算机系统。最典型的嵌入式系统如手机、可视电话等;狭义上讲，嵌入式系统是指以应用为核心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，对功能、可靠性、成本、体积和功耗严格要求的专用计算机系统。根据英国电机工程师协会所做的定义“嵌入式系统是控制、监视或辅助某个设备、机器甚至工厂运行的设备” ，嵌入式系统应该具备以下 4 个特性：(1)执行特定的功能；(2)以微处理器与外围设备构成核心；(3)需要严格的时序与稳定性；(4)全自动操作。2.1.2 嵌入式系统的组成由于嵌入式系统是计算机结构中的一个分支，所以它在硬件上的组成与标准的计算机类似，其中最重要的部分也是微处理器。与标准的计算机结构相同，嵌入式系统中也包含了中央处理器、内存、输入/输出设备，只不过在嵌入式系统里，这里单元以比较特殊的形式存在。嵌入式系统一般有 3 个主要的组成部分： (1)硬件，图 2-1 给出了嵌入式系统的硬件组成。其中，处理器是系统运算核心；东华理工大学毕业设计（论文） ARM 微处理器的概述5存储器(ROM、RAM)用来保存可执行代码，以及中间结果;输入输出设备完成与系统外部的信息交换;其他部分辅助系统完成功能。图 2-1 嵌入式系统硬件结构(2)应用软件，应用软件是完成系统功能的主要软件，它可以由单独的一个任务来实现，也可以由多个并行的任务来实现。(3)实时操作系统(Real-Time Operating System，RTOS)，该系统用来管理应用软件，并提供一种机制，使得处理器分时的执行各个任务并完成一定的时限要求。由于小型嵌入式系统可能只完成一个任务，因此不需要操作系统。而复杂的嵌入式系统一般会利用操作系统来减少开发的工作量，并提高产品的可靠性。如果系统复杂而且有实时性的要求，则需要实时操作系统来调度多个任务的执行并满足一定的延时要求。嵌入式系统的关键在于结合系统硬件电路与其特定的软件，以达到系统运行性能成本的最高比。系统中的硬件设计包括微处理器及存储器电路的设计、网络功能设计及接口电路设计等等。而嵌入式软件则负责硬件电路的驱动、控制处理，以提高硬件产品的价值，是硬件产品不可缺少的重要部分，它常以固件(Firmware)的形式出现，如控制或驱动程序等 8。2.1.3 嵌入式系统的特点作为专用计算机系统的嵌入式系统与通用的计算机系统相比，具有以下几个重要特征：(1)嵌入式系统通常是面向特定应用。嵌入式 CPU 与通用型的最大不同就是嵌入式系统大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，并且可以满足不同应用的特定需求；(2)嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能完成功能、可靠性和功耗的苛刻要求；复位及振荡电路处理器定时器中断控制ROMRAM串口并口输入/输出设备接口及驱动电路系统专用电路东华理工大学毕业设计（论文） ARM 微处理器的概述6(3)实时操作系统支持。嵌入式系统的应用程序可以不需要操作系统地支持直接运行，但是为了合理地调度多任务，充分利用系统资源，用户必须自行选配实时操作系统开发平台，这样才能保证程序执行的实时性和可靠性，减少开发时间，保证软件质量；(4)嵌入式系统与具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行的，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期；(5)为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不存储于磁盘等载体中；(6)专门开发工具支持。嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使在设计完成以后，用户通常也不能对程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发 8。2.1.4 嵌入式系统的发展嵌入式系统的发展主要经历了 4 个阶段。(1)以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统。主要特点是：系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。(2)以嵌入式 CPU 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。主要特点是：CPU 种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高；操作系统达到一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业化，用户界面不够友好。(3)以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。主要特点是: 嵌入式操作系统等运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核小，效率高，并且具有高度的模块化和扩展性;具备文件和目录管理、支持多任务、支持网络应用、具备图形窗口和用户界面；具有大量的应用程序接口 API，开发应用程序较简单；嵌入式应用软件丰富。(4)以 Internet 为标志的嵌入式系统。这是一个正在迅速发展的阶段。嵌入式设备与 Internet 的结合将代表嵌入式系统的未来。2.2 嵌入式操作系统由于大型嵌入式系统需要完成复杂的功能，所以需要操作系统来完成各任务之间的调度。由于桌面型操作系统的体积，以及实时性等特性不能满足嵌入式系统的要求，从而促进了嵌入式操作系统的发展。操作系统 (0S，Operating System) 的基本思想是隐藏底层不同硬件的差异，在其上运行的应用程序提供一个统一的调用接口。应用程序通过这一接口实现对硬件的使用和控制，不必考虑不同硬件操作方式的差异。嵌入式操作系统 (Embedded Operating System) 负责嵌入式系统的全部软、硬东华理工大学毕业设计（论文） ARM 微处理器的概述7件资源的分配、调度、控制、协调。它必须体现其所在系统的特征，能够通过加载卸载某些模块来达到系统所要求的功能。EOS 是相对于一般操作系统而言的，它除具备了一般操作系统最基本的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件处理等外，还有以下特点：(1)强稳定性，弱交互性:嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的干预，这就要求复杂系统管理的 EOS 具有很强的稳定性；(2)较强的实时性 :EOS 实时性一般较强，可用于各种设备的控制当中；(3)可伸缩性：开放、可伸缩性的体系结构； (4)外设接口的统一性：提供各种设备驱动接口。嵌入式系统的操作系统核心通常要求体积要很小，因为硬件 ROM 的容量有限，除了应用程序之外，不希望操作系统占用太大的存储空间。事实上，嵌入式操作系可以很小，只提供基本的管理功能和调度功能， 10KB 到 20KB 以内的嵌入式操作系统比比皆是。尽管不同的应用场合会产生不同特点的嵌入式操作系统，但都会有一个核心(Kernel)和一些系统服务 (System Service)。操作系统必须提供一些系统服务供应用程序调用，包括文件系统、内存分配、I/O 存取服务、中断服务、任务(Task)服务、时间(Timer)服务等，设备驱动程序(Device Driver)则是要建立在 I/O 存取和中断服务上的。有些嵌入式操作系统也会提供多种通信协议，以及用户接口函数库等。根据实时性的差别，应用于嵌入式系统中的嵌入式操作系统，又可分为“实时”和“通用型”两种。(1)实时操作系统所谓实时操作系统(Real- Time Operating System，RTOS)，是指操作系统本身要能在一个固定时限内对程序调用(或外部事件)做出正确的反应，亦即对时序与稳定性的要求十分严格。(2)通用型操作系统通用型操作系统的执行性能与反应速度比起实时操作系统没有那么严格。嵌入式操作系统的性能通常取决于核心程序，而核心的工作主要在任务管理 (Task Management)、任务调度 (Task Schueduling)、进程间的通信(IPC)、内存管理 (Memory Management)8。2.3 ARM 处理器ARM 既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。目前 ARM 微处理器己广泛应用于工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各个领域。东华理工大学毕业设计（论文） ARM 微处理器的概述82.3.1 ARM 的体系结构ARM 的设计实现了非常小但高性能的结构。ARM 处理器的简单使 ARM 的内核非常小，这样使器件的功耗也非常低。ARM 是精简指令集计算机(RISC)，因为它集成了非常典型的 RISC 结构特征：(1)一个大的、统一的寄存器文件；(2)加载/存储结构，数据处理的操作只针对寄存器的内容，而不直接对存储器进行操作；(3)简单的寻址模式，所有加载/存储的地址都只由寄存器的内容和指令域决定；(4)统一和固定长度的指令域，简化了指令的译码。此外，ARM 体系结构还提供：(1)每一条数据处理指令都对算术逻辑单元(ALU)和移位器进行控制，以实现对ALU 和移位器的最大利用；(2)地址自动增加和自动减少的寻址模式实现了程序循环的优化；(3)所有指令的条件执行实现了最快速的代码执行。这些在基本 RISC 结构上增强的特性使 ARM 处理器在高性能、低代码规模、低功耗和小的硅片尺寸方面取得了良好的平衡。2.3.2 ARM 微处理器的应用领域到目前为止，ARM 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域。(1)工业控制领域 :作为 32 位的 RISC 架构，基于 ARM 核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，ARM 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的 8 位/16 位微控制器提出了挑战。(2)无线通讯领域 :目前已有超过 85%的无线通讯设备采用了 ARM 技术，ARM以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。(3)网络应用 :随着宽带技术的推广，采用 ARM 技术的 ADSL 芯片正逐步获得竞争优势。此外，ARM 在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持，也对 DSP的应用领域提出了挑战。(4)消费类电子产品 :ARM 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。(5)成像和安全产品:现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用 ARM 技术。手机中的 32 位 SIM 智能卡也采用了 ARM 技术。除此以外，ARM 微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取得更加广泛的应用。东华理工大学毕业设计（论文） ARM 微处理器的概述92.4 ARM92OT 体系结构2.4.1 ARM92OT 系统结构分析ARM92OT 采用 5 级流水线，其结构图如图 2-2 所示，具有分开的指令和数据存储器，5 级流水线具体如下：取指 译码 执行 存储器 写图 2-2 ARM92OT 流水线图(1)取指：从存储器中取出指令，并将其放在指令流水线。(2)译码：对指令进行译码。(3)执行：把一个操作数移位，产生 ALU 的结果。(4)缓冲/数据：如果需要，则访问数据存储器;否则 ALU 的结果只是简单地缓冲1 个时钟周期，以便所有的指令具有同样的流水线流程。(5)回写：将指令产生的结果回写到寄存器，包括任何从存储器中读取的数据。ARM920T 处理器一个显著的特点是采用指令和数据分离访问的方式，即采用了指令缓存(I-Cache) 和数据缓存 (D-Cache)。这样可以把指令访问和数据访问单独安排 1 级流水线。2.4.2 ARM920T 的工作状态从编程的角度看，ARM920T 微处理器的工作状态一般有两种：(1)ARM 状态，此时处理器执行 32 位的、字对齐的 ARM 指令；(2)Thumb 状态，此时处理器执行 16 位的、半字对齐的 Thumb 指令。ARM 指令集和 Thumb 指令集均有切换处理器状态的指令，在程序的执行过程中，微处理器可以随时在两种工作状态之间切换，并且，处理器的工作状态的转变并不影响处理器的工作模式和相应寄存器中的内容。但 ARM 微处理器在开始执行代码时，应该处于 ARM 状态。当操作数寄存器的状态位(位 0)为 1 时，可以采用执行 BX 指令的方法，使微处理器从 ARM 状态切换到 Thumb 状态。此外，当处理器处于 Thumb 状态时发生异常(如 IRQ、FIQ、Undef、Abort、SWI 等)，当异常处理返回时，自动切换回 Thumb 状态。当操作数寄存器的状态位为 0 时，执行 BX 指令可以使微处理器从 Thumb 状态切换到 ARM 状态。此外，在处理器进行异常处理时，将 PC 指针放入异常模式链接寄存器中，并从异常向量地址开始执行程序，也可以使处理器切换到 ARM 状态。取指令 译码 移位 数据存储访问 reg 写东华理工大学毕业设计（论文） ARM 微处理器的概述102.4.3 ARM920T 体系结构的存储器格式ARM920T 体系结构将存储器看做是从零地址开始的字节的线性组合。从 0 字节到 3 字节放置第 1 个存储的字数据，从第 4 个字节到第 7 个字节放置第 2 个存储的字数据，依次排列。作为 32 位的微处理器，ARM92OT 体系结构所支持的最大寻址空间为 4GB。ARM92OT 体系结构可以用两种方法存储字数据，分别称为大端格式和小端格式。大端格式中字数据的高字节存储在低地址中，而字数据的低字节则存放在高地址中，如图 2-3 所示。高地址 31 2423 16 15 8 7 0 字地址840地地址图 2-3 以大端格式存储数据与大端存储格式相反，在小端存储格式中，低地址中存放的是字数据的低字节，高地址存放的是字数据的高字节。如图 2-4 所示。高地址 31 2423 16 15 8 7 0 字地址840地地址图 2-4 以小端格式存储数据2.4.4 ARM920T 处理器模式ARM920T 支持 7 种运行模式，分别为：(1)用户模式 (usr)，ARM 处理器正常的程序执行状态；(2)快速中断模式 (fiq)，用于高速数据传输或通道处理；(3)外部中断模式 (irq)，用于通用的中断处理；(4)管理模式 (svc)，操作系统使用的保护模式；(5)数据访问终止模式(abt) ，当数据或指令预取终止时进入该模式，可用于虚拟存储及存储保护；(6)系统模式 (sys)，运行具有特权的操作系统任务；8 9 10 114 5 6 70 1 2 311 10 9 87 6 5 43 2 1 0东华理工大学毕业设计（论文） ARM 微处理器的概述11(7)未定义指令中止模式(und)，当未定义的指令执行时进入该模式，可用于支持硬件协处理器的软件仿真。ARM 微处理器的运行模式可以通过软件改变，也可以通过外部中断或异常处理改变。大多数的应用程序运行在用户模式下，当处理器运行在用户模式下时，某些被保护的系统资源是不能被访问的。除用户模式以外，其余的 6 种模式称为特权模式;其中除去用户模式和系统模式以外的 5 种又称为异常模式，常用于处理中断或异常，以及访问受保护的系统资源等情况。东华理工大学毕业设计（论文） 基于 ARM9-S3C2410 开发板的硬件设计123 基于 ARM9-S3C2410 开发板的硬件设计本章主要介绍基于 S3C2410 的 ARM9 实验开发板的硬件设计，包括硬件系统的详细设计步骤、实现细节等。本章的主要内容包括：(1)Protel99SE 简介；(l)系统设计概述；(2)S3C2410 及片内外围简介；(4)单元电路设计；(5)开发板硬件原理图。3.1 PROTEL 99 SE 简介Protel99 SE 是澳大利亚 Protel Technology 公司推出的基于 Windows 平台下的EDA（ Electronic Dedign Automation）电子辅助设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及 3D 模拟功能，是一个 32 位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计 32 个信号层，16 个电源-地层和 16 个机加工层 4。Protel99 SE 为本核心板的设计提供了良好的开发环境，具有高效、快速、灵活的特点，有效地辅助了设计开发，操作便利，节约了制造成本，同时缩短了开发周期。是目前比较高效、灵活的 EDA 辅助工具。3.2 系统设计概述 本设计中采用了三星公司生产的 S3C2410 处理器， S3C2410 是一款基于ARM920T 内核的 16/32 位 RISC 嵌入式微处理器，主要面向手持设备，以及高性价比、低功耗的应用。ARM9 实验开发板的系统框图如图 3-1 所示。图 3-1 开发板系统框图电源部分串行接口核心板 ARM9-S3C2410调试电路AD 转换RS-485 电路CAN 总线I2C 总线I2S 总线USB 接口电路 8 个独立的发光二极管键 盘 与 LED 显 示基本 I/O 口基本I/O口基本 I/O 口基本I/O口复位电路东华理工大学毕业设计（论文） 基于 ARM9-S3C2410 开发板的硬件设计13本实验开发板在尽可能小的电路板面积上集成了各类总线 、标准串口、USB 接口、AD 转换、复位电路、RS-485 电路、调试电路、用户按键和一些用户灯等，并且引出了 CPU 的大部分信号引脚。通过这个平台可以针对 S3C2410 进行系统级的硬件和软件设计，并且能够很方便地在该平台上进行相关的功能扩展，以及进行所需的产品设计。该开发板在保证学生完成 ARM 技术学习开发的同时，考虑了系统的扩展、电路板的面积、散热、电磁兼容性，以及安装等问题。3.3 S3C2410 处理器及片外围简介S3C2410 是三星公司推出的 16/32 位 RISC 处理器（ARM920T 内核） ，适用于手持设备、POS 机、数字多媒体播放设备等等，具有价格低、低功耗、高性能等特点。S3C2410 采用了 ARM920T 内核，0.18um 工艺的 CMOS 标准宏单元和存储单元。它的低功耗、精简和出色的全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感的应用。同样它还采用了 Advanced Microcontroller Bus Architecture(AMBA)新型总线结构 3。S3C2410 提供了一系列完整的系统外围设备，消除了为系统配置额外器件的需要，大大减少了整个系统的成本。S3C2410 主要的特征如下：（1）203Mhz 的 ARM920T 内核，支持 JTAG 仿真调试；（2）16KB 的 I-Cache 和 16KB 的 D-Cache；（3）具有 MMU,支持 WinCE、EPOC32、Linux 等操作系统；（4）外部存储器控制器，共分 8 个 Bank，每个 Bank 可访问 128MB 空间；（5）片内 4KB SRAM，可用作 NAND Flash 系统引导的缓冲区；（6）LCD 控制器（最大支持 4K 色 STN 和 256 色 TFT） ，1 通道 LCD 专用DMA；（7）4 通道 DMA，有外部请求引脚；（8）3 个 UART（IrDA1.0，16 字节 TxFIFO，16 字节 RxFIFO） ；（9）2 个 SPI 总线接口；（10）1 个多主 I C 总线接口；1 个 IIS 总线接口；2（11）兼容 SD 主接口协议 1.0 版和 MMC 卡协议 2.11 兼容版；（12）NAND Flash/SM 卡接口，支持 NAND Flash 系统引导；（13）2 个 USB 主机接口，1 个 USB 设备接口（V1.1） ；（14）4 个 PWM 定时器和 1 个内部定时器；东华理工大学毕业设计（论文） 基于 ARM9-S3C2410 开发板的硬件设计14（15）看门狗定时器；（16）117 个通用 I/O 口；（17）24 个外部中断；（18）8 通道 10 位 ADC 和触摸屏接口；（19）具有日历和时钟功能的 RTC；（20）1.8V 内核供电，3.3V 存储器供电，3.3V 外部 I/O 供电；（21）功耗控制模式：普通，慢速，空闲和掉电模式；（22）具有片内 PLL 时钟发生器。如图 3-2 所示为 S3C2410 芯片内部结构框图。图 3-2S3C2410 芯片内部结构图东华理工大学毕业设计（论文） 基于 ARM9-S3C2410 开发板的硬件设计153.4 单元电路设计3.4.1 电源电路本课题中使用两组电源值 3.3V 和 1.8V，为整个电路中包括 S3C2410、存储器、外部 I/O 等部分提供电压。本设计是由外部输入 5V 电源经电容滤波，然后使用LDO 芯片（低压差电源芯片）稳压输出 3.3V 和 1.8V 电压。LDO 芯片分别采用 SPX1117M3-3.3 和 SPX1117M3-1.8，其特点为输出电流大，输出电压精度高，稳定性好。SPX1117 系列 LDO 芯片输出电流可达 800mA，输出电压的精度在 1%以内，还具有电流限制和热保护功能，广泛应用在手持式仪表、数字家电、工业控制等领域。使用时，其输出端需要一个至少 10uF 的钽电容来改善瞬态响应和稳定性。设计中连接有指示灯，电源上电后，指示灯亮。开发板电源管理部分的设计原理图如图 3-3 所示。图 3-3 电源电路原理图为保证系统工作的稳定性，电源必须经过稳压、去耦和滤波 7。0.1uF 的非极性电容为滤波电容，其作用是即将输入的电源信号中特定波段的频率滤除，以达到抑制和防止干扰的目的；值为 10uF 且有正负极的则为去耦电容，它能抑制因负载变化而产生的噪声。3.4.2 串行接口电路设计RS-232C 是一种很常用的串行数据传输总线标准。随着微型计算机和微控制器的发展，不仅远距离通信，近距离通信也采用该方式。在近距离通信系统中，不再使用电话线和 MODEM。而直接进行端到端的连接。RS-232C 标准采用的接口是 9 芯或 25 芯的 D 型插头，以常用的 9 针插头为例，东华理工大学毕业设计（论文） 基于 ARM9-S3C2410 开发板的硬件设计16其引脚描述如下表 3-1 所示：表 3-1 9 芯 D 型插头引脚信号描述要完成最基本的串行通信功能，实际上只需要 3 个引脚 RXD、TXD 和 GND 即可，但由于 RS-232C 标准所定义的高低电平信号与 S3C2410 系统的 LVTTL 电路所定义的高、低电平信号完全不同，LVTTL 的标准逻辑“1”对应 23.3V 电平，标准逻辑“0”对应 0-0.4V 电平，而 RS-232C 标准采用负逻辑方式，标准逻辑“1 对应-5V-15V 电平，标准逻辑 “0对应+5V-+15V 电平。显然，两者间要进行通信必须经过信号电平的转化。其接口电路图 如图 3-4 所示：图 3-4 串行接口原理图本课程设计了两个 UART0 相连的 RS-232C 电路。3.4.3 IIC 总线接口电路设计IIC 总线是一种用于 IC 器件之间连接的二线制总线。它通过 SDA(串行数据线)引脚 名称 功能描述1 DCD 数据载波检测2 RXD 数据请求3 TXD 数据发送4 DTR 数据终端准备好5 GND 地6 DSR 数据设备准备好7 RTS 请求发送8 CTS 清除发送9 RI 振铃指示东华理工大学毕业设计（论文） 基于 ARM9-S3C2410 开发板的硬件设计17及 SCL(串行时钟线)两线在连接到总线上的器件之间传送信息，并根据地址识别每个器件。尽管这个总线结构没有并行总线那样大的吞吐能力，但由于连接线和连接引脚少，因此其构成的系统价格低，器件间总线简单，结构紧凑，而且在总线上增加器件不影响系统的正常工作，系统修改和可扩展性好。即使有不同时钟速度的器件连接到总线上，也能很方便地确定总线的时钟，因此在嵌入式系统中得到了广泛的应用。S3C2410 内含一个 IIC 总线主控器，可方便地与各种带有 IIC 接口的器件相连。在本设计中，外扩了一片 CSI24C64 作 IIC 存储器。 CSI24C64 提供 64Kb 的EEPROM 存储空间，可用于少存放量在系统掉电时需要保存的数据。S3C2410 的IIC 接口电路如 3-5 所示：图 3-5 I2C 总线原理图3.4.4 复位按键电路由于 ARM 芯片的高速、低功耗、低工作电压导致其噪声容限低，对电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性、电源监控可靠性等诸多方面也提出了更高的要求。复位按键电路设计原理图如图 3-6 所示。图 3-6 复位电路原理图本开发板的复位电路设计只采用一个按键实施控制，以满足要求。nRSTIN 信号是由用户板输入的复位控制信号，用户板上可以将 nRSTIN 引脚接一个复位按键，用于手动复位。东华理工大学毕业设计（论文） 基于 ARM9-S3C2410 开发板的硬件设计183.4.5 调试接口电路的设计JTAG 是英文“Joint Test Action Group（联合测试行为组织） ”的词头字母的简写，是由几家主要的电子制造商发起制订的 PCB 和 IC 测试标准。 JTAG 建议于 1990 年被 IEEE 批准为 IEEE1149.1-1990 测试访问端口和 边界扫描结构标准。该标准规定了进行边界扫描所需要的硬件和软件。JTAG 主要应用于：电路的边界扫描测试和可编程芯片的在线系统编程。JTAG 也是一种国际标准测试协议（IEEE 1149.1 兼容） ，主要用于芯片内部测试 11。H-JTAG 是 H-JTAG 团队开发的一款自主原创的 ARM 仿真套件，H-JTAG 开发套件主要包括了：H-JTAG SERVER 调试软件，H-FLASHER 烧写软件，及高速 H-JTAG USB 仿真器 .。使用 H-JTAG，你可以轻松地通过 WIGGLER 或者 SDT-JTAG或用户自定义的 JTAG 小板调试所有的 ARM7/ARM9 处理器。本设计开发板硬件完成后，连接测试底板上的 20 针 JTAG 测试口到 PC 上，通过 JTAG 口可以与片上、片外的存储器和控制器交换数据，最终完成测试及相关分析。如图 3-7 所示为本设计测试底板上 JTAG 口的原理图。图 3-7 调试电路原理图20 针 JTAG 接 口 的 引 脚 功 能 描 述 参 见 表 3-2。表 3-2 20 针 JTAG 接口定义引脚名称描述序号 名称 功能1 VCC 接 3.3V 电源2 VCC 接 3.3V 电源3 nTRST 测试系统复位信号5 TDI 测试数据串行输入7 TMS 测试模式选择9 TCK 测试时钟11 RTCK 测试时钟返回信号13 TDO 测试数据串行输出15 nRESET 目标系统复位信号其中，17、19 脚为 NC，4、6、8、10、12、14、 16、18、20 为 GND。东华理工大学毕业设计（论文） 基于 ARM9-S3C2410 开发板的硬件设计19经过反复调试，整个开发板的硬件设计基本完成，可以安全上电，并通过 H-JTAG 测试找到核心板的 ARM9 核心。3.5 开发板硬件原理图进行硬件设计开发，首先需要进行原理图设计，需要将一个个的元器件按一定的逻辑关系连接起来。原理图其实就是电路图，它一般被视为 PCB 设计过程的第一步，也是电子工程技术人员对产品设想的具体实现 6。电路原理图的设计过程可分为以下几个步骤：（1）设置电路图纸参数及相关信息；（2）装入所需要的元件库；（3）放置元件；（4）电路图布线；（5）调整、检查和修改；（6）补充完善；（7）保存和打印输出。原理图设计的基本规范如下：（1）各功能块布局要合理，整份原理图需布局均衡。避免有些地方很挤，而有些地方又很松，同 PCB 设计同等道理。（2）尽量将各功能部分模块化(如功放 RADIO，EVOL，SUB-WOOFER 等),以便于同类机型资源共享，各功能模块界线需清晰。（3）接插口尽量分布在图纸的四周围，示意实际接口外形及每一接脚的功能。（4）每一部件(如 TUNER、IC)电源的去耦电阻/电容需置于对应脚的就近处。（5）滤波器件(如高/低频滤波电容，电感)需置于作用部位的就近处。（6）重要的控制或信号线需标明流向及用文字标明功能。（7）CPU 为整机的控制中心，接口线最多。故 CPU 周边需留多一些空间进行布线及相关标注，而不致于显得过分拥挤。如图 3-8 所示为开发板硬件设计的原理图整体图。东华理工大学毕业设计（论文） 基于 ARM9-S3C2410 开发板的硬件设计20图 3-8 开发板原理图此原理图按功能模块分区域布局，总体上可分为七个区域：S3C2410、电源、各类总线、中断控制、A/D 转换、晶振及复位、I/O 接口。东华理工大学毕业设计（论文） 开发板硬件的 PCB 板设计214. 开发板硬件的 PCB 板设计电路设计自动化 EDA(Electronic Design Automation)指的就是将电路设计中各种工作交由计算机来协助完成。Cadence 公司是世界上最大的 EDA 公司之一，产品众多，其中 PSD 和 SPB 是其 EDA 产品中的一部分，具有功能强大、性能卓越等特点。Cadence 软件对 PCB 板级的电路系统设计流程包括原理图输入，数字、模拟及混合电路仿真，自动布局、布线，印制电路板图及生产制造数据输出，以及针对高速 PCB 板