（计算机科学与技术专业论文）基于s3c2410 x嵌入式核心板的设计与制作.pdf

h i ， 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导f 进行的研究工作及取得的研究成果。除本文l 三经注 明引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得凼墓直太堂及其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同t 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：三莹建指导教师签名：塞_ 盘兰 日 期：趁：笸：盟 日 期：金掣i 。正z 垡 在学期间研究成果使用承诺书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：内蒙古人学有权将学位论文的全部 内容或部分保留并向幽家有关机构、部门送交学位论文的复印件和磁盘，允许编入有关数据库进行检索，也 可以采用影印、缩印或其他复制于段保存、汇编学位论文。为保护学院和导师的知识产权，作者在学期间取 得的研究成果属于内蒙古大学。作者今后使用涉及在学期间主要研究内容或研究成果，须征得内蒙古大学就 读期间导师的同意；若用于发表论文，版权单位必须署名为内蒙古大学方可投稿或公开发表。 学位论文作者签名： 日期： 指删币龋奎塑生釜 e 1 期：墨望z 幺五! ! 丝 4 二jijl16 3m 7川1洲y 基于$ 3 c 2 4 1 0 x 嵌入式核心板的设计与制作 摘要 随着电子计算机技术的发展，嵌入式系统应用越来越广泛。而a r m 以其高性 能低功耗的特点广泛应用于1 6 3 2 位嵌入式微处理器。现在很多大学都开设了嵌入 式系统课程，对于这种实践与理论同等重要的课程，实验是学习掌握嵌入式系统的 一个必不可少的环节。在此背景下，研究与开发教学实验平台就具有非常重要的实 际意义。 本文设计并制作了基于$ 3 c 2 4 1 0 x 的核心板。该核心板包括$ 3 c 2 4 1 0 x 微处理 器、内存、闪存、晶振电路和扩展接口。重点阐述了其硬件设计过程，包括设计了 各模块电路原理图，$ 3 c 2 4 1 0 x 核心板的p c b 实现与调试。此外，本文还介绍了嵌 入式系统的组成及发展前景，并探讨了u b o o t 和l i n u x 操作系统内核移植等相关 内容。 关键词：嵌入式系统，$ 3 c 2 4 1 0 x 核心板，设计，实现 基于$ 3 c 2 4 | 0 x 嵌入式核心板的设计与制作 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f s 3c 2 410 xb a s e de m b e d d e dc o r eb o a r d a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h ee m b e d d e ds y s t e m sh a v e b e e nw i d e l yu s e d a r mw h i c hi s h i g h - p e r f o r m a n c ea n dl o w - p o w e rh a sg r a d u a l l y b e c o m em a i n s t r e a mc h o i c ef o r16 3 2b i te m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r s n o w a d a y sm a n y u n i v e r s i t i e sh a v et h ee m b e d d e ds y s t e mc o u r s e ，f o rw h i c hl o t so f p r a c t i c ei sn e e d e d i ti s n e c e s s a r yt od e v e l o pap l a t f o r mf o rr e s e a r c ha n de d u c a t i o n ac o r eb o a r db a s e do n $ 3 c 2 410 xi sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e di nt h i st h e s i s ， w h i c hc o n s i s t so f $ 3c 2 410 xm i c r o p r o c e s s o r , m e m o r y , f l a s h ，c r y s t a lc i r c u i ta n d e x p a n s i o ni n t e r f a c e s t h i st h e s i sh i g h l i g h t st h eh a r d w a r ed e s i g np r o c e s s ，i n c l u d i n gt h e d e s i g no fe a c hm o d u l ec i r c u i ts c h e m a t i c ，t h ei m p l e m e n t a t i o na n dd e b u go ft h ec o r e b o a r d i na d d i t i o n , t h i st h e s i sa l s od e s c r i b e st h ec o m p o s i t i o no ft h ee m b e d d e ds y s t e m ， a n de x p l o r e st h et r a n s p l a n tp r o c e s so ft h eu b o o ta n dt h el i n u xo p e r a t i n gs y s t e mk e r n e l k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，$ 3 c 2 4 1 0 xc o r eb o a r d ，d e s i g n ，i m p l e m e n t a t i o n i i 内蒙古大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目蜀乏i i i 图表目录v 第一章绪论1 1 1 弓i 言l 1 2 嵌入式系统组成1 1 2 1 嵌入式处理器1 1 2 2 外围设备2 1 2 3 嵌入式操作系统2 1 2 4 应用软件2 1 3 嵌入式系统特点3 1 4 嵌入式系统发展前景3 1 5 研究目标4 第二章核心板方案设计5 2 1 核心板总体结构5 2 2 电路原理图设计6 2 2 1s 3 c 2 4 1 0 x 微处理器简介7 2 2 2s d r a m 电路设计1 2 2 2 3f l a s h 电路设计14 2 2 4 时钟电路设计16 2 2 5 扩展接口设计16 第二章核心板的p c b 设计18 3 1 电路板设计原则l8 3 2 高频布线原则1 9 i i i 3 c 2 4 1 0 x 嵌入式核心板的设计与制作 2 ( ) ：! ! ； 2 8 ：1 8 ：1 9 ：1 9 ：1 9 ：；( ) 3 3 ：；：； 3 8 ：；8 ：；8 4 0 4 2 4 3 5 8 i v 内蒙占人学硕士学位论文 图表目录 图2 1 核心板功能结构示意图5 图2 2 核心板外观结构示意图6 图2 3 $ 3 c 2 4 1 0 x 结构框图7 图2 _ 4 数据、地址及控制总线9 图2 5 外部中断等信号及通用接口信号1 0 图2 - 6i i s 、i i c 等外部设备接口信号l l 图2 7 $ 3 c 2 4 1 0 x 电源部分原理图1 2 图2 8s d r a m 模块原理图1 3 图2 - 9n a n df l a s h 模块原理图。1 5 图2 1o 晶振电路图16 图2 1l 核心板扩展接口17 图3 1p c b 总体截图。2 l 图3 2 顶层信号层截图2 2 图3 3 地线层截图。2 2 图3 - 4 中间信号层1 截图2 3 图3 5 中间信号层2 截图2 3 图3 - 6 电源层截图2 4 图3 7 底层信号层截图2 4 图3 8 顶层丝印层截图2 5 表1v d d 3 3 的连通性4 3 表2v d d 18 的连通性4 4 表3g n d 连通性4 5 表4 金手指地址总线、数据总线与各芯片连通性4 8 表5 $ 3 c 2 4 l0 x 微处理器与s d r a ma 连通性5 3 表6 $ 3 c 2 410 x 微处理器与s d r a mb 连通性5 4 v 基于$ 3 c 2 4 1 0 x 嵌入式核心板的设计与制作 c 2 410 x 微处理器与f l a s h 连通性5 6 于指对比。5 6 度、宽度和厚度对比5 7 内蒙古人学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着电子技术的快速发展，特别是大规模集成电路的产生，使现代科学技术得到了质的飞跃； 而嵌入式微处理器的出现则给现代工业控制领域带来了一次新的技术革命。这种由嵌入式微控制 器组成的系统，其中最明显的优势就是可以嵌入到任何小型的仪器及设备中。 嵌入式系统的定义从广义上讲，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 式设备。目前被大家接受的定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适 应应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统【l 】。和通用计算机 不同，嵌入式系统是针对具体应用的专用系统，由嵌入式系统的定义可以看出，嵌入式系统明显 的特点有： 嵌入式系统是一个专用计算机系统，有微处理器、可编程。 嵌入式系统有明确的应用目的。 嵌入式系统作为机器或设备的组成部分使用【2 1 。 1 2 嵌入式系统组成 嵌入式系统通常由嵌入式处理器、外围设备、嵌入式操作系统和应用软件等组成【”。 1 2 1 嵌入式处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。嵌入式处理器与通用处理器的最大不同在于其大多 工作在为特定用户群设计的系统中。它通常把通用计算机的许多由板卡完成的功能集成在芯片内 部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化。它在设计阶段已考虑了处理器应用对实时多任务有 较强的支持能力；处理器结构可扩展，可以满足不同应用需求的嵌入式产品；处理器内部集成了 测试逻辑，便于测试，并具有高效率、高可靠性和低功耗等特点。 有时也被称为操作系统可定制。 除了上述内容，嵌入式操作系统还应该具有以下特点：操作系统可靠性高，能够满足那些无 人值守、长期连续运行的环境的要求；操作系统是可配置的；操作系统的函数是可重入的等。 1 2 4 应用软件 嵌入式应用软件是针对特定的实际专业领域，基于相应的嵌入式硬件平台，并能完成用户任 务的计算机软件。由于嵌入式系统自身的特点要求嵌入式应用软件有高可靠性、高代码密度和高 2 内蒙占大学硕十学位论文 度优化等特点，以适应嵌入式系统的实时性和成本敏感的特性要求，另外嵌入式应用软件需要在 特定的编译环境下编译。 1 3 嵌入式系统特点 由于嵌入式系统是应用于特定的环境下，面对专业领域的应用系统，所以与通用计算机的多 样化和适用性不同。它与通用计算机系统相比具有如下特点： 嵌入式系统有时要求实时性较高，特别是对于特定的应用。 对于不同的应用，嵌入式系统有不同的算法。 重视对制造成本的控制。 嵌入式系统常常有低功耗的要求。 可靠性和稳定性对于嵌入式系统有着特别重要的意义。 嵌入式系统必须有相应的开发环境和调试工具，才能进行开发和调试。 嵌入式系统一般都要求体积尽可能地小。 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合才会具有牛命力， 才会更具有优势。嵌入式系统必须根据应用要求对软硬件进行裁减，满足应用系统的功能、可靠 性、成本、体积等要求【2 5 】。 1 4 嵌入式系统发展前景 从现实的应用上看，嵌入式系统可应用于人类生活与工作的各个领域，具有极其广阔的应用 前景。嵌入式系统在传统的工业控制和商业管理领域已经具有广泛的应用空间，如智能工控设备、 p o s a t m 机、i c 卡等；在家庭领域更具有广泛的应用潜力，如机项盒、数字电视、智能手机等； 在汽车电子产品中，如时速、发动机转速和油量的信号采集与数字显示设备、电子地图、导航和 车载g p s 等。此外还有在袖珍电脑、掌上电脑以及在航天等方面应用，将极大地推动嵌入式技 术深入到生活和工作的方方面面。总之，在我们能够想得到的许多领域和设备中，都使用了大量 的嵌入式系统。 j 作 4 然后进行 内蒙占大学硕十学位论文 2 1 核心板总体结构 第二章核心板方案设计 核心板的丰要功能是为外围设备提供控制总线、数据总线和地址总线。考虑到系统的制作成 本和扩展的灵活性，核心板的设计需要满足如下几个要求： l 、功能完整，能够在最少的辅助电路的情况下独立工作，即至少包括一个最小计算机系统； 2 、体积小巧，核心板上器件数目并不多，加之多层板的制造费用较高，核心板需设计得尽 量紧凑； 3 、易于扩展，扩展接口信号完整，将未在核心板上实现的资源能够通过接口扩展出来，这 里包括系统总线和功能复用的g p i o 引脚。 功能结构如图2 1 所示： d a t a a d d r e s s j 【一 l i 扩 ll 叫n d f 恼3 h 展 广- s 3 c 2 4 1 0 x k l t z 接 s d r a m口 s d r a mc t r l 卜 亡= 一 il g h o 一亡： p o w e r h z 图2 - 1 核心板功能结构示意图 f i g u r e2 - 1c o r eb o a r df u n c t i o n a ld i a g r a m 考虑到所使用的器件的封装以及扩展接口的引脚数量，核心板采用了如图2 2 所示的外观结 构。核心板上具体包括了下面些器件及接口： 处理器：采用三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 x 嵌入式处理器。该处理器是a r m 9 2 0 t 结构1 6 3 2 位r i s c 嵌入式微处理器，丰频2 0 3 m h z ； 内存：采用2 片现代公司的h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0s d r a m 。该芯片为4 b a n k 4 m 1 6 b i t 同步 基于$ 3 c 2 4 1 0 x 嵌入式核心板的设计与制作 动态随机存储器； n a n df l a s h ：采用1 片三星公司的k 9 f 1 2 0 8n a n df l a s h 。该芯片为6 4 m 8 b i t 非线性f l a s h 存储器； 晶振电路：3 2 7 6 8 k h z 晶振提供r t c 时钟，1 2 m h z 晶振提供$ 3 c 2 4 1 0 x 主时钟； 接v i ：符合s o d i m m2 0 0 封装标型10 1 ，引脚多达2 0 0 个，充分扩展了$ 3 c 2 4 1 0 x 的硬 件资源。 电源：电源和j t a g 等必要的接口也连接至扩展接口。扩展接口位于核心板的下方，由 s o d i m m2 0 0 金手指与外围设备连接。 2 2 电路原理图设计 图2 - 2 核心板外观结构示意图 f i g u r e2 - 2g o r eb o a r ds t r u c t u r ed i a g r a m 电路原理图的设计是整个电路设计的重要步骤之一，它除了可以表达电路设计者的设计思想 外，在印刷电路板的设计过程中，还为各个元器件的连线提供依据。原理图设计的好坏将直接影 响到后面的工作。因此，原理图的设计具有非常重要的意义。只有正确的原理图才有可能牛成一 张具备指定功能的p c b 印刷电路板。本设计的原理图使用a l t i u md e s i g n e r6 9 制作，此软件已经 自带了非常丰富的原理图元件库，一些著名的芯片生产厂商( 如a l t e r a 、a m d 、m a x i m 等) 都 有元件库在a l t i u md e s i g n e r6 9 中。下面分别介绍本设计各模块的原理图。 6 内蒙古大学硕十学位论文 2 2 1 $ 3 c 2 410 x 微处理器简介 $ 3 c 2 4 1 0 x 是一款1 6 3 2 位r i s c 处理器，其内核基于a r m 9 2 0 t ，带有m m u 功能，采用 o 1 8 9 m 工艺，同时支持t h u m b l 6 位压缩指令集，从而能以较小的存储空间获得3 2 位的系统性 能，如图2 3 所示【l l 】。 l c dl c d c o n t d m a 图2 - 3 $ 3 c 2 4 1 0 x 结构框图 f i g u r e2 - 3 $ 3 c 2 4 10 xb l o c kd i a g r a m 其片上功能如下： l 、内核工作电压为1 8 v 2 o v ；存储器供电电压为3 3 v ；外部i o 设备的供电电压为3 3 v ； 8 g 字节，每个b a n k 为 a n k ( 共有8 个) 都具有 r o m 等) 。本设计采用 多，所以将原理图分为 图2 - 4 数据、地址及控制总线 f i g u r e2 - 4d a t a ，a d d r e s sa n dc o n t r o lb u s n 1 4 ，m 订ln l 鄹n 始m l 珊t t 3m l 】n t t 4m 1 5 霹l r r 5m l e 珏刑l l e n 肿l l e n r r 8 e 岍9啦 l p r 9 而 u 1 0 呻0 9t 1 i 弹0 1 0p 1 t c l k lr 1 飙0 np 1 煅0 n v m o n u 1 t 1 m 殂0 nm 1 u l b 爱 口 铬 罄 日m d ， 日匝订1 ，6 p f l 日旺t t 2 ，e 蹭f 2 e 凸们b ，e 辔f 3 日旺订斗，e m f 日旺订5 ，c 印f 5 e d 盯5 ，e 辔f 6 e d 叮胛，e f 7 日时1 8 ，g 毋g 0 咖9 ，e 6 1 日旺盯1 0 电l s s 0 ，即e 恐 皿孵1 l 柚s l ，o p 6 3 l 丑盯1 2 几c dp w 重日洲e 糟6 i 皿h t l 3 ，s p 巧e 瞄0l ，g 田g 巧 皿m 4 _ f s p m o s i i 鲫晰 皿h t l 5 侣p i c l k l l 擅0 7 e 岍1 6 1 印 e d 1 7 1 c 扭0 9 e d 盯1 8 1 e 田6 1 0 l 丑仃1 9 ，r c l k l ，g p0 l l e 旺r r 2 0 愿m o n ，e m0 1 2 日时1 2l 心中0 i 吖g g 1 3 日时1 2 2 m 旺0 t ，凹g 1 4 e 口：订2 3 1 v p o n ，鲫6 1 5 鲁3 c 2 1 1 0 x ： 寸”卜 甚2 & 2 塞量塞基 毫宣茜言 釜：吕吕 暑 卜 委萤 譬函 餮富 口硝 琵譬 珊0 ，c c 8 l ，c 田c 9 2 ，c 擅c 1 0 3 ，e 糟c 1 1 珊4 ，e 田c 1 2 5 ，o p c l 3 1 册6 ，e 印c 1 4 、m 7 ，e c 1 5 e ，c 国d o 9 ，e 辔d 1 、i d1 0 e 辔d 2 1 l ，e 印d 3 1 2 1 e 国d 4 v d1 3 ，e 田d 5 1 4 ，e 辔d 6 1 5 e 辔d 7 珊1 6 1 e 擅d 8 v d l 7 ，e 擅d 9 仍1 8 1 辔d 1 0 、v d l 9 9 卯d l l v d 2 0 ，e 辔d 1 2 仍2 l ，e 啦d 1 3 珊2 2 m s sl ，e d1 4 珊2 3 心s 0 ，e 罐d 1 5 = o 罄 犍 图2 - 5 外部中断等信号及通用接口信号 f i g u r e2 - 5e x t e r n a li n t e r r u p ts i g n a la n dg e n e r a li n t e r f a c e 口 、珊0 4珊2 珊3 v i m 珊5 访6 7 4 1 v d 8 9 1 0 1 2 1 3 l 1 6 珊1 7 41 1 8 口 珊1 9 诒2 0 珊2 2 2 3 q z 柚，i 蕞 n&望争_一u之加净一豳=薹净 ne宣k匠qu乏加王一豳互h一净 _【甚塞一u雹口uri一妇一u净 ou皿迎h皇qz豳一 卜gd空h嗣uq口谨饥6dn舌蟛u雹口u乍 臣边【o链口话 口_【置鲁d筮口语 删一删一一一一一一一一一一 ”hd。|h口u岔nhd害口琶 h岂。fi sj翼口菅寸_idn三凸x工一hd窖凸x工【墨害罨o_宣n舌昨p 内蒙占大学硕十学位论文 功d 3 3 图2 - 6i i s 、i i c 等外部设备接口信号 f i g u r e2 - 6s i g n a lo fi i s 、i i ce t cd e v i c ei n t e r f a c e 在设计系统电源电路之前对微处理器的电源引脚进行分析：v d d a l i v e 引脚给处理器复位模 块和端口寄存器提供1 8 v 电压；v d d i m p l l 为m p l l 提供1 8 v 模拟电源和数字电源； v d d iu p l l 为u p l l 提供1 8 v 模拟电源和数字电源；v d d o p 和v d d m o p 分别为处理器端v i 和处理器存储器端口提供3 3 v 电压；v d d i 和v d d i a r m 为$ 3 c 2 4 1 0 x 微处理器内部逻辑提供1 8 v 电压；v d d aa d c 为处理器内的a d c 系统提供3 3 v 电压；v d d r t c 为实时时钟电路提供1 8 v 电压，该电压在系统掉电后仍需要维持。由此可见，在该系统中，需要使用3 3 v 和1 8 v 的直流 稳压电源以及v d d r t c 电源。v d d 3 3 提供给v d d m o p 、v d d i o 、v d d a d c 和v c c 引脚， v d d l8 提供给v d d i 。v d d 3 3 、v d d i 8 和v d d r t c 由扩展板接口提供。原理图如图2 7 所示。 2 2 2s d r a m 电路设计 图2 7 $ 3 c 2 4 1 0 x 电源部分原理图 f i g u r e2 - 7 $ 3 c 2 4 10 xp o w e rs c h e m a t i c $ 3 c 2 4 1 0 x 微处理器支持多种类型的s d r a m 。在本设计中，选用现代公司生产的一种 s d r a m 芯片，型号为h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 ，它的封装形式为标准5 4 引脚t s o p 封装。它是一款高速 的同步动态存储器，由于其所有的寻址、刷新等操作都由集成在芯片内部的控制系统完成，因而 使用非常简单。为充分发挥3 2 位$ 3 c 2 4 1 0 x 微处理器的数据处理能力，采用3 2 位的s d r a m 存 储器系统。由于h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 其组织形式为4 b a n k s * 4 m * 1 6 b i t ，单片容量为3 2 m b ，属于1 6 位 的数据总线宽度单片容量为3 2 m b ，故本系统选用两片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 并联构建3 2 位的s d r a m 内蒙占人学硕十学位论文 存储器系统，共6 4 m b 的s d r a m 空间，作为一个整体配置到b a n k 6 。具体连接方法如图2 8 原 理图所示【1 2 】： l a 0 l t 4 l 6 l a 7 t 1 0 ， 1 2 l a l 3 l a l 4 ， ：车2 0 2 ll 2 5 z 柙理1 6 1 7 1 8 1 9 1 5 3 9 3 8 3 7 坩c s ，s e “ 坩c 0 0 l n v ，b 日o ，j l v 瑁e l ，1 暑c l f ：0 r s c l 伍 b a o b a l n 班 n c a s n 矗 s n c s l d o m u d q m c l k c k e 各 g = - d o l 5 d o l 牛 d o l 3 d 0 1 2 d 0 1 l d 0 1 0 d 0 9 d 0 8 d 0 7 d 0 6 d 0 5 d 0 d q 3 d 0 2 d 0 l d o o v d d 珊d d 仍d o d q d q d q o ，。，o , o - r c * ”n 净净净净净 i - i y 5 7 4 1 6 2 0 冈b b i m b i 导 l d a m l 5 ，d a t a l 4 l d t 1 3 ，r j a t a l 2 l d 。i a ll ，d t a l 0 ：d 心h 9 l d a t , a s 1 ：bl c 0 0 工，童j a 6 j d j 5 d 飞；- l d r 鱼弋坫 1 d 童鱼2 l d 工a 1 l d a 跏 1 1 4 2 7 3 9 4 3 4 9 4 0 仍d ；3 c 2 0 2 1 0 c 2 0 3 1 0 4 c 2 0 1 0 l j 陧j 7 w 牛1 6 2 0 b 图2 - 8s d r a m 模块原理图 f i g u r e2 - 8s d r a ms c h e m a t i c 1 3 c 2 0 j 1 0 c 2 0 9 1 0 b一儿一如一帕一一一一帕bn一一87一j一斗一2 柚 m 0 l 衄儿础站m蚶郇螂舶虬儿眦 站一抖一拍一：号一曲一如一n一=一站一孙一船一弱一撕 基y - $ 3 c 2 4 1 0 x 嵌入式核心板的设计与制作 s d r a m 连接中需要注意事项【1 1 】： l 、s d r a m 的a 1 2 ：o 】地址线 从图2 8 可以看出，s d r a m 芯片的a 0 引脚并没有接在$ 3 c 2 41 0 x 的a 0 地址线上，这是因 为在微控制器的存储空间中，字节是表示存储容量的唯一单位。而两片s d r a m 并联为3 2 位宽 度的时候，微控制器所操作的最小存储单元都包含4 字节，所以当s d r a m 芯片的地址线a 1 ：0 】 从0 0 变为o l 时，$ 3 c 2 4 1 0 x 微处理器芯片地址线应该增大了4 字节的空间，即微处理器上应该 是a 3 ：2 】由0 0 变为o l 。因此，如图2 8 所示，s d r a m 芯片的a 0 引脚连接到了$ 3 c 2 4 1 0 x 芯片 的a 2 地址线上面，依次类推，s d r a m 的a 1 2 ：1 t 3 l 脚接到了$ 3 c 2 4 1 0 x 芯片的a 1 4 ：3 地址线 上面。 2 、s d r a m 的b a 地址线 s d r a m 地址一般分为选择体( b a n k ) 的地址、行地址和列地址。b a 表示选择使用那一个 体的引脚信号，应该连接到s d r a m 芯片用到的地址总线的最高位。本系统中，每个s d r a m 芯 片内有四个体，总容量有6 4 m b ，那么就需要2 6 条地址线( 6 4 m = 2 2 6 ) 来寻址，所以b a i b a 0 地址线就应该接到a 2 5 a 2 4 引脚上。值得注意的是，s d r a m 内存的行地址线和列地址线是复 用的，所以地址线的数目并不需要2 6 条这么多。 3 、s d r a m 的d q m 信号 $ 3 c 2 4 1 0 x 微处理器对3 2 位的s d r a m 存储单元进行数据访问时，存储器控制器会忽略a l 和a 0 地址线( 本$ 3 c 2 4 1 0 x 微处理器的a 1 和a 0 地址线并未连接到s d r a m 芯片上) 。如果 $ 3 c 2 4 1 0 x 微处理器需要访问地址偏移量不是4 字节倍数的某个单个字节，就需要d q m 信号进 行帮助，这个信号连接在$ 3 c 2 4 1 0 x 微控制器的n w b e 线上。d q m 信号由处理器根据当前访问 的情况发出，如果当前的访问只需要低1 6 位，那n w b e 0 和n w b e l 线就会有效。如果当前访问 的高1 6 位，那么n w b e 2 和n w b e 3 线就会有效。 2 2 3f l a s h 电路设计 f l a s h 存储器是一种可在系统进行电擦写、掉电后信息不丢失的存储器。它具有低功耗、大 容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编程( 烧写) 、擦除等特点，并且可由内部嵌入式算 法完成对芯片的操作，因而在嵌入式系统中是必不可少的基本组成部分。作为一种非易失性的存 储器，f l a s h 在系统中通常存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据等。 1 4 内蒙占人学硕七学位论文 目前常用的主要有两种类型，一种是n o rf l a s h ( 称为或非型闪存) ，另一种是n a n df l a s h ( 称为与非型闪存) 。n o rf l a s h 可以在芯片上直接运行程序，不必把代码读取到系统r a m 中， 同时n o rf l a s h 传输效率也高，但是写入速度和擦除速度比较慢，它用在对容量需求较小的应用 中比较合适。n a n df l a s h 存储密度高，写入速度快，但是需要特定的接口，将程序复制到r a m 中运行，不能直接在上面运行程序。n a n df l a s h 更适合大容量数据存储的解决方案。本设计中考 虑到n a n df l a s h 比n o rf l a s h 集成度更高，价格更低。所以选择了三星公司的k 9 f 1 2 0 8n a n d f l a s h ，容量为6 4 m 字节，数据总线宽度为8 位，工作电压为2 7 v - - 一3 6 v ，采用4 8 脚t s o p 封 装。仅需3 3 v 电压即可完成在系统内的编程与擦除工作。 k 9 f1 2 0 8 的i o 口既可接收和发送数据，也可接收地址信息和控制命令。在c l e 有效时， 锁存在i o 口上的是控制命令字；在a l e 有效时，锁存在i o 口上的是地址；r e 或w e 有效时， 锁存的是数据。这种一口多用的方式可以大大减少总线的数目，只是控制方式有些复杂， $ 3 c 2 4 1 0 x 微处理器拥有的n a n d 控制器可以弥补这一弊端。n a n df l a s h 的接口原理图如图2 - 9 所示【l3 1 。n a n df l a s h 另外一个优点是对于不同的容量，它的引脚完全兼容，所以整个系统可以轻 松实现不同容量的n a n df l a s h 升级。 f c l e1 6 眦e1 7 n f l l 7 e1 8 r l f r e8 n f c e9 6 - _ _ - _ _ - 一 山 i3 6 c 2 0 0 = 兰= c 2 0 l 1 0 4i 1 0 4 图2 - 9n a n df l a s h 模块原理图 f i g u r e2 - 9n a n df l a s hs c h e m a t i c 一一一一一一一一一一一一一一僦 一b一他一一：。一扎一加一凹一 n 一” 7 6 5 4 3 2 1 0 ：c m m m m m m 加 肌 一珊一暑昙 眦啦一吼一珏一倔 一疆珊| 耋 m掣栅7i 脚! 蓦 基于$ 3 c 2 4 1 0 x 嵌入式核心板的设计与制作 2 2 4 时钟电路设计 $ 3 c 2 4 1 0 x 微处理器的主时钟可以由外部时钟源提供，也可以由外部振荡器提供，采用哪种 方式通过引脚0 m 3 ：2 来进行选择。 o m 3 ：2 = 0 0 时，m p l l 和u p l l 的时钟均选择外部振荡器； 0 m 3 ：2 = 0 1 时，m p l l 的时钟选择外部振荡器；u p l l 选择外部时钟源； o m 3 ：2 = 1 0 时，m p l l 的时钟选择外部时钟源；u p l l 选择外部振荡器； o m 3 ：2 = 1 l 时，m p l l 和u p l l 的时钟均选择外部时钟源。 本设计选择0 m 3 ：2 均接地的方式，如图2 - 6 所示，即采用外部振荡器提供系统时钟。外部 振荡器由1 2 m h z 晶振和2 个2 2 p f 的微调电容组成。振荡电路输出到$ 3 c 2 4 1 0 x 微处理器内的 锁相环( p h a s el o c k e dl o o p ，p l l ) 电路，产牛较高频率的信号用于系统，如图2 1 0 ( a ) 所示。系 统所需的r t c 时钟采用相同的方式，如图2 1 0 ( b ) 所示。 c 3 0 6 2 2 5 扩展接口设计 c 3 0 7 2 2 p f 2 2 p f ( a ) x t a l 电路( b ) r t cc l o c k 电路 图2 1 0 晶振电路图 f i g u r e2 - 10c r y s t a lc i r c u i t 核心板的主要功能是实现最小系统，包括微处理器、存储器、时钟电路等，对于相对低速的 外围电路在扩展板中实现，扩展接口则是其间的桥梁。扩展接口中包含了完整的系统数据线、 $ 3 c 2 4 1 0 x 微处理器片上外设的控制信号线、尽可能多的g p i o 引脚和电源线。系统总线用于扩 充类似于以太网控制器一类的接e l 电路和p c c a r d 一类的总线扩展电路；$ 3 c 2 4 1 0 x 微处理器 支持的片上外设比较多，如s d 、u s b 和l c d 等接口，这些接口的卡座物理尺寸较大，将其放 置在扩展板上更为合理；g p i o 是系统中必不可少的一种资源，常应用于电源符理、外设功能配 1 6 置 2 图2 1 1 核心板扩展接口 f i g u r e2 一ilc o r eb o a r de x t e n s i o ni n t e r f a c e 要力争在x 或y 方向上保持一致，便于生产和检验。 5 、发热元件一般应均匀分布，以利于单板和整机的散热，除温度检测元件以外的温度敏感 器件应远离发热量大的元器件。 6 、元器件的排列要便于调试和维修，亦即小元件周围不能放置大元件，需调试的元器件周 围要有足够的空间。 7 、b g a 与相邻元件的距离 5 m m 。其它贴片元件相瓦间的距离 0 7 m m ；贴装元件焊盘的外 侧与相邻插装元件的外侧距离大于2 m m ；有压接件的p c b ，压接的插件周围5 m m 内不能有插装 内蒙占大学硕士学位论文 元器件，在焊接面其周围5 m m 内也不能有贴装元、器件。 8 、i c 去藕电容的布局要尽量靠近i c 的电源箭脚，并使之与电源和地之间形成的回路最短。 9 、元件布局时，应适当考虑使用同一种电源的器件尽量放在一起，以便于将来的电源分隔。 l o 、用于阻抗匹配目的阻容器件的布局，要根据其属性合理布置。串联匹配电阻的布局要靠 近该信号的驱动端，距离一般不超过5 0 0 m i l 。匹配电阻、电容的布局一定要分清信号的源端与 终端，对于多负载的终端匹配一定要在信号的最远端匹配。 l l 、布局完成后打印出装配图供原理图设计者检查器件封装的正确性，并且确认单板、背板 和接插件的信号对应关系，经确认无误后方可开始布线。 本设计中，$ 3 c 2 4 1 0 x 芯片与s d r a m 芯片是频率较高的区域，布局时位置也应该先确定。 布局时还要使元件与板边缘有一定的距离，目的是防止加工引起电路板边缘破损。 布线时铜膜线应尽可能短，拐弯处应为圆角或斜角。相邻层的导线应尽量垂直，以减少寄生 电容。铜膜线的宽度应以能满足电气特性要求而又便于生产为准则，相邻铜膜线的间距应该满足 电气安全要求。 泪滴焊盘在高频电路中较为常用。它不仅可以提高焊盘的抗剥离程度，还可以防止线与焊盘 接触点太小导致信号传输出现问题。 大面积的敷铜可以起到屏蔽干扰的作用。为防止铜箔粘胶焊接的时候产生的气体使铜箔起 泡，可以在敷铜区域上开孔或者使用网格敷铜。 3 2 高频布线原则 为了使高频电路板的设计更合理，抗干扰性能更好，在进行p c b 设计时应从以下几个方面 考虑【2 1 】： 合理选择层数：利用中间内层平面作为电源和地线层可以起到屏蔽的作用，有效降低寄 生电感、缩短信号线长度、降低信号间的交叉干扰； 走线方式：走线必须按照4 5 0 角拐弯，这样可以减小高频信号的发射和相瓦之间的耦合； 走线长度：走线长度越短越好，两根线平行的距离越短越好； 过孔数量：过孔数量越少越好； 层间布线方向：层间布线方向应该取垂直方向，就是顶层为水平方向，底层为垂直方向， 这样可以减小信号间的干扰； 1 9 基于$ 3 c 2 4 1 0 x 嵌入式核心板的设汁与制作 敷铜：增加接地的敷铜可以减小信号间的干扰； 包地：对重要