ARM9硬件平台设计ppt课件

印制板的设计 第五章嵌入式硬件平台设计 最小系统的设计 S3C2410X概述 外设及系统总线 硬件系统的调试 JXARM9 2410的硬件组成 嵌入式系统体系结构设计 本章将以武汉创维特公司生产的JXARM9 2410教学系统为原型 详细分析系统的硬件设计步骤 实现细节以及调试技巧等 S3C2410X内部结构图 S3C2410X片上资源 S3C2410X概述 ARM920T核 工作频率203MHz 16KB数据Cache 16KB指令Cache MMU 外部存储器控制器 LCD控制器 支持黑白 灰度 ColorSTN TFT屏 触摸屏接口 NANDFLASH控制器 SD MMC接口支持 4个DMA通道 3通道UART 1个多主I2C总线控制器 1个IIS总线控制器 4通道PWM定时器及一个内部定时器 117个通用I O口 24个外部中断源 8通道10位ADC 实时时钟及看门狗定时器等 两个USB主 一个USB从 S3C2410X特性 S3C2410X概述 内核 1 8VI O及存储器 3 3V 电源管理模式 Normal Slow Idle Poweroff 272 FBGA S3C2410X的引脚分布图 S3C2410X概述 S3C2410X的存储器映射 总线控制信号 S3C2410X的引脚信号描述 SDRAM SRAM S3C2410X的引脚信号描述 NANDFlash S3C2410X的引脚信号描述 LCD控制信号 S3C2410X的引脚信号描述 中断控制信号 S3C2410X的引脚信号描述 DMA控制信号 S3C2410X的引脚信号描述 UART控制信号 S3C2410X的引脚信号描述 ADC S3C2410X的引脚信号描述 IIC BUS控制信号 S3C2410X的引脚信号描述 IIS BUS控制信号 S3C2410X的引脚信号描述 触摸屏接口控制信号 S3C2410X的引脚信号描述 USB主接口信号 S3C2410X的引脚信号描述 USB从接口信号 S3C2410X的引脚信号描述 SPI接口信号 S3C2410X的引脚信号描述 GPIO S3C2410X的引脚信号描述 TIMER PWM控制信号 S3C2410X的引脚信号描述 复位和时钟信号 S3C2410X的引脚信号描述 JTAG测试逻辑 S3C2410X的引脚信号描述 电源 S3C2410X的引脚信号描述 芯片及引脚分析 S3C2410X的引脚信号描述 具有大量的电源和接地引脚 应注意电源电压及分配 芯片引脚主要有如下几种类型 S3C2410X的引脚主要分为如下几类 即 数字输入 I 数字输出 O 数字输入 输出 I O 模拟输入 输出 输出类型的引脚主要用于S3C2410X对外设的控制或通信 由S3C2410X主动发出 这些引脚的连接不会对S3C2410X自身的运行有太大的影响 输入类型的引脚有些直接决定S3C2410X是否可正常运行 设计时应特别注意 输入 输出类型的引脚主要是S3C2410X与外设的双向数据传输通道 最小系统简介 1 一个嵌入式处理器是不能独立工作的 必须给它供电 加上时钟信号 提供复位信号 如果芯片没有片内程序存储器 则还要加上存储器系统 然后嵌入式处理器才可能工作 2 这些提供嵌入式处理器运行所必须的条件的电路与嵌入式处理器共同构成了这个嵌入式处理器的最小系统 3 大多数基于ARM9处理器核的微控制器都有调试接口 这部分在芯片实际工作时不是必需的 但因为这部分在开发时很重要 所以把这部分也归入到最小系统中 最小系统的设计 最小系统框图 最小系统的设计 可选 当嵌入式处理器中无存储器时 或需扩充存储器时 需加上 可选 方便调试和测试 一般都加上 电源电路 概述 最小系统的设计 电源系统为整个系统提供能量 是整个系统工作的基础 具有极其重要的地位 电源系统处理的好坏 将直接影响到整个系统的稳定性 可靠性等 多电源系统的设计 电源的分配 印制板设计中电源的设计等 都是必须考虑的 电源电路 考虑的因素 最小系统的设计 1 输入的电压范围 电流 2 输出的电压 最大电流 最大功率 3 输出纹波大小 4 安全因素 5 电池兼容和电磁干扰 6 体积要求 7 成本要求 电源电路 需求分析 最小系统的设计 1 一般是多电源系统 I O一般为3 3V供电 内核为2 5V S3C44B0 1 8V S3C2410 或1 25V PXA255 供电 有可能还包含5V或12V等电源 2 一般将数字电源和模拟电源分别供电 3 要求电源纹波比较小 一般采用LDO供电 电源电路 芯片选型 最小系统的设计 1 有很多厂家均生产LDODC DC转换芯片 如Maxim Linear Sipex TI Microchip等 2 转换到5V的芯片有UA7805 TL750L05 LTC3425 REG1117 5等 3 转换到3 3V的芯片有LT1083 7 5A LT1084 5A LT1085 3A LT1086 1 5A REG1117 3 3等 电源电路 参考电路 最小系统的设计 时钟电路 最小系统的设计 1 主时钟电路 2 RTC时钟电路 3 主时钟及USB时钟滤波 时钟电路用于向CPU及其它电路提供工作时钟 在该系统中 S3C2410X使用无源晶振 晶振的接法如下图所示 主时钟电路 RTC时钟电路 主时钟及USB时钟滤波 时钟电路 最小系统的设计 1 根据S3C2410X的最高工作频率以及PLL电路的工作方式 选择12MHz的无源晶振 12MHz的晶振频率经过S3C2410X片内的PLL电路倍频后 可达到202 8MHz的频率 2 片内的PLL电路兼有频率放大和信号提纯的功能 因此 系统可以以较低的外部时钟信号获得较高的工作频率 以降低因高速开关时钟所造成的高频噪声 复位电路 最小系统的设计 由RC电路及施密特触发器组成 38 39 JTAG调试接口电路 最小系统的设计 1 JTAG JointTestActionGroup 联合测试行动小组 是一种国际标准测试协议 主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真 调试 2 目前大多数比较复杂的器件都支持JTAG协议 如ARM DSP FPGA器件等 3 标准的JTAG接口是4线 TMS TCK TDI TDO 分别为测试模式选择 测试时钟 测试数据输入和测试数据输出 4 JTAG测试允许多个器件通过JTAG接口串联在一起 形成一个JTAG链 能实现对各个器件分别测试 JTAG接口还常用于实现ISP In SystemProgrammable在系统编程 功能 如对FLASH器件进行编程等 5 通过JTAG接口 可对芯片内部的所有部件进行访问 因而是开发调试嵌入式系统的一种简洁高效的手段 目前JTAG接口的连接有两种标准 即14针接口和20针接口 JTAG调试接口电路 14针接口及定义 最小系统的设计 JTAG调试接口电路 20针接口及定义 最小系统的设计 JTAG接口电路设计 接口电路 最小系统的设计 必须接上拉 20针JTAG接口 SDRAM接口电路设计 SDRAM简介 与Flash存储器相比较 SDRAM不具有掉电保持数据的特性 但其存取速度大大高于Flash存储器 且具有读 写的属性 因此 SDRAM在系统中主要用作程序的运行空间 数据及堆栈区 当系统启动时 CPU首先从复位地址0 x0处读取启动代码 在完成系统的初始化后 程序代码一般应调入SDRAM中运行 以提高系统的运行速度 同时 系统及用户堆栈 运行数据也都放在SDRAM中 SDRAM具有单位空间存储容量大和价格便宜的优点 已广泛应用在各种嵌入式系统中 SDRAM的存储单元可以理解为一个电容 总是倾向于放电 为避免数据丢失 必须定时刷新 充电 因此 要在系统中使用SDRAM 就要求微处理器具有刷新控制逻辑 或在系统中另外加入刷新控制逻辑电路 S3C2410X在片内具有独立的SDRAM刷新控制逻辑 可方便地与SDRAM接口 最小系统的设计 SDRAM接口电路设计 SDRAM选型 1 目前常用的SDRAM为8位 16位的数据宽度 工作电压一般为3 3V 主要的生产厂商为HYUNDAI Winbond等 他们生产的同型器件一般具有相同的电气特性和封装形式 可通用 本系统中使用Winbond的57V561620或W982516 57V561620存储容量为4组 4M字节 工作电压为3 3V 常见封装为54脚TSOP 兼容LVTTL接口 支持自动刷新 Auto Refresh 和自刷新 Self Refresh 16位数据宽度 最小系统的设计 SDRAM接口电路设计 57V561620引脚分布 最小系统的设计 最小系统的设计 SDRAM接口电路设计 57V561620引脚信号描述 SDRAM接口电路设计 SDRAM接口电路 最小系统的设计 FLASH接口电路设计 FLASH简介 Flash存储器是一种可在系统 In System 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 并且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作 因而在各种嵌入式系统中得到了广泛的应用 作为一种非易失性存储器 Flash在系统中通常用于存放程序代码 常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据等 最小系统的设计 FLASH接口电路设计 FLASH选型 常用的Flash为8位或16位的数据宽度 编程电压为单3 3V 主要的生产厂商为INTEL ATMEL AMD HYUNDAI等 本系统中使用INTEL的TE28F128J3A TE28F128J3A存储容量为16M字节 工作电压为3 3V 采用56脚TSOP封装或48脚FBGA封装 16位数据宽度 TE28F128J3A仅需单3 3V电压即可完成在系统的编程与擦除操作 通过对其内部的命令寄存器写入标准的命令序列 可对Flash进行编程 烧写 整片擦除 按扇区擦除以及其他操作 最小系统的设计 FLASH接口电路设计 TE28F128J3A引脚分布 最小系统的设计 FLASH接口电路设计 TE28F128J3A引脚信号描述 最小系统的设计 FLASH接口电路设计 FLASH接口电路 最小系统的设计 S3C2410X扩展系统 S3C2410X最小系统 SDRAM FLASH电路可构成一个完全的嵌入式系统 可运行于SDRAM中的程序 也可以运行FLASH中的程序 程序大小可以很大 如果将程序保存到FLASH中 掉电后不会丢失 因此 既可以通过JTAG接口调试程序 也可以将程序烧写到FLASH 然后运行FLASH中的程序 在此基础上加入必要的接口及其他电路 就构成了具体的S3C2410X应用系统 外设及系统总线 串口接口电路设计 串口简介 几乎所有的微控制器 PC都提供串行接口 使用电子工业协会 EIA 推荐的RS 232 C标准 这是一种很常用的串行数据传输总线标准 早期它被应用于计算机和终端通过电话线和MODEM进行远距离的数据传输 随着微型计算机和微控制器的发展 不仅远距离 近距离也采用该通信方式 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 232 C标准采用的接口是9芯或25芯的D型插头 以常用的9芯D型插头为例 各引脚定义下所示 外设及系统总线 串口接口电路设计 串口芯片选型 要完成最基本的串行通信功能 实际上只需要RXD TXD和GND即可 但由于RS 232 C标准所定义的高 低电平信号与S3C2410X系统的TTL电路所定义的高 低电平信号完全不同 TTL的标准逻辑 1 对应2V 3 3V电平 标准逻辑 0 对应0V 0 4V电平 而RS 232 C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换 目前常使用的电平转换电路为Sipex公司的SP3232E 外设及系统总线 串口接口电路设计 SP3232E引脚分布 外设及系统总线 串口接口电路设计 串口接口电路 RS232电平 TTL电平 外设及系统总线 IIC接口电路设计 IIC简介 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 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 不管是微控制器 存储器 LCD驱动器还是键盘接口 带有IIC总线接口的器件可十分方便地用来将一个或多个微控制器及外围器件构成系统 尽管这种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 S3C2410X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 在本实验系统中 外扩一片KS24C08作为IIC存储器 KS24C08提供1K字节的EEPROM存储空间 可用于存放少量在系统掉电时需要保存的数据 外设及系统总线 IIC接口电路设计 IIC接口电路 外设及系统总线 印刷电路板设计注意事项 印刷电路板的设计 S3C2410X的片内工作频率为200多MHz 因此 在印刷电路板的设计过程中 应该遵循一些高频电路的设计基本原则 否则会使系统工作不稳定甚至不能正常工作 印刷电路板的设计人员应注意以下几个方面 注意电源的质量与分配 同类型信号线应该成组 平行分布 电源质量与分配 印刷电路板的设计 电源滤波为提高系统的电源质量 消除低频噪声对系统的影响 一般应在电源进入印刷电路板的位置和靠近各器件的电源引脚处加上滤波器 以消除电源的噪声 常用的方法是在这些位置加上几十到几百微法的电容 同时 在系统中除了要注意低频噪声的影响 还要注意元器件工作时产生的高频噪声 一般的方法是在器件的电源和地之间加上0 1uF左右地电容 可以很好地滤出高频噪声的影响 电源质量与分配 印刷电路板的设计 电源分配实际的工程应用和理论都证实 电源的分配对系统的稳定性有很大的影响 因此 在设计印刷电路板时 要注意电源的分配问题 在印刷电路板上 电源的供给一般采用电源总线 双面板 或电源层 多层板 的方式 电源总线由两条或多条较宽的线组成 由于受到电路板面积的限制 一般不可能布得过宽 因此存在较大的直流电阻 但在双面板得设计中也只好采用这种方式了 只是在布线的过程中 应尽量注意这个问题 在多层板的设计中 一般使用电源层的方式给系统供电 该方式专门拿出一层作为电源层而不再在其上布信号线 由于电源层遍及电路板的全面积 因此直流电阻非