嵌入式技术应用教程——基于S3C2410第一章.doc

第一章 嵌入式系统概述1.1 嵌入式系统概念一、嵌入式系统概念嵌入式系统，英文表达为Embedded Systems。实际上嵌入式系统的全称是嵌入式计算机系统，它是计算机系统中的一种特殊形式。既然嵌入式系统是一种计算机系统，那么它必然会与计算机系统有相似的组成和功能，同时又存在与计算机系统不同的特点。广义地说，计算机系统由软件和硬件组成，细化下去计算机是由CPU、存储器（内存、硬盘等）、输入输出设备（键盘鼠标、显示器、MIC和音箱等）外加操作系统（Windows、Linux、Unix、Solaris和Mac等）组成。相对于计算机系统，嵌入式系统的组成就显得非常灵活多变。首先，CPU在嵌入式系统中是必不可少的。其次，嵌入式系统中的存储器就有很多种选择，可以选择采用RAM作为系统内存，也可以采用像计算机上内存条式的内存；可以选择采用硬盘作为大容量存储器，也可以采用Flash、SD卡或者CF（Compact Flash）卡等存储器作为硬盘使用。再其次，嵌入式系统的输入输出设备概念不同计算机系统，嵌入式系统的输入输出设备是根据具体需要来自行定义的，不一定非要键盘鼠标显示器不可。当然，嵌入式系统中完全可以采用和个人PC一样的键盘鼠标显示器作为输入输出设备。再次，嵌入式系统中的操作系统种类和个人PC上的操作系统种类同样丰富，目前较流行的嵌入式操作系统有uC/OS、WinCE、uClinux、嵌入式Linux、Vxworks等等，这里面uC/OS、uClinux和嵌入式Linux是免费的。综上所述，嵌入式系统是一种计算机系统，它具备计算机系统的一切特征，同时嵌入式系统又是专用的计算机系统，它会根据设计要求灵活地选择所需要的各种组成设备和软件配置。嵌入式系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗等指标有严格的要求。二、ARM9主流芯片S3C2410A的结构1. CPU：三星公司的ARM9主流芯片S3C2410A。2. 动态存储器：512MB，芯片H57V2562GTR-60C。3. 海量存储器：64MB，芯片K9F1208。4. 以太网：10M/100M自适应，芯片AX88796。5. USB：1个主设备，1个从设备，主板集成。6. 串口： 1个RS232电平。7. 电源：DC5V。1.2 S3C2410A结构简介一、S3C2410A内部结构简介1. 内核：ARM920T。2. 工作电压：内核1.8V，IO电压3.3V。3. 工作频率：最高266MHz。4. 内部存储器： 16K D-Cache。 16k I-Cache。5. 扩展存储控制器： 地址空间：128M/BANK，总共1G BYTE。 数据总线宽度：8/16/32可编程设定。 总空间分8组，其中6组可配置成ROM、SRAM等。另外2组可配置成ROM/SRAM/SDRAM。 BANK0-BANK6起始地址固定，BANK7可编程设定。 可编程设定各个组的操作时序。 支持外部等待信号，可插入等待周期。 支持各种ROM启动。 在低功耗状态下，支持DRAM/SDRAM的自动刷新。6. 时钟和电源管理： 片上MPLL和UPLL。 可通过软件给不同的功能电路分配不同的时钟。 4种电源管理模式：Normal、Slow、Idle、power-off。 电源唤醒功能。7. 中断控制器 55个中断源（看门狗、5个定时器、9个串口、24个外部中断、4个DMA、2个实时时钟、2个模数转换、I2C、同步串口）。 可设置外部中断触发为电平触发或边沿触发。 可设置电平和边沿触发的优先级。 支持快速中断请求。8. 定时控制器 4个带PWM功能的定时器和1个供DMA或中断使用的定时器。 可编程设置定时器的占空比、频率和极性。 PWM切换延时控制器。 支持外部时钟。9. 实时时钟控制器 支持秒、分、小时、日、月、年、星期。 时钟频率：32.768KHz。 可产生告警中断。 可产生时间节拍中断。10. 通用输入输出控制器 24个外部中断源。 复用的输入输出口。11. 串口控制器（支持DAM传输和中断） 3个通用异步串行控制器 支持5、6、7、8位数据传输。 支持外部时钟。 波特率可编程设置。 支持红外传输协议 IrDA1.0(115200)。 支持测试用的自收发功能。 每通道自带16字节的输入输出FIFO。12. DMA控制器 4通道通用DMA。 支持连续模式增加传输效率。 支持存储器与IO口之间的传输。13. 模数转换控制器 8通道复用模数转换器。 最大速率：500Ksps/10-bit。14. LCD液晶控制器 支持彩色、单色、灰度液晶板。 支持单扫描、双扫描显示。 系统存储器做显示缓存。 采用DMA方式传送显示数据。 显示屏的大小可编程设定。 支持16级灰度、256色。 支持24位全彩和16位真彩TFT-LCD 支持分辨率640X480，320X240，160X16015. 看门狗控制器 16位看门狗定时器。 定时器溢出时可触发中断或系统复位。16. I2C总线控制器 基于中断的I2C总线模式。 在标准模式下速率达100Kbps，快速模式下达400Ksps。17. I2S总线控制器 1个通道的基于DMA传输的语音接口的I2S总线。 支持8/16位的数据串行传输。18. 封装：272-FBGA二、S3C2410A外围资源简介1. 电源有两种供电模式一种是外接DC5V供电；另一种通过总线接口供电，二者通过开关切换。板上带有3.3V和1.8V电源电路，将5V电源经稳压分别输出3.3V和1.8V，供板上资源使用。2. 复位对CPU的外部引脚来说，有两种复位信号，一种是按键通过IMP811输出复位信号；另一种在调试过程中通过JTAG接口向CPU发出复位信号。另外复位信号也输出给其他功能电路使用。3. 同步动态存储器选用两片256MB字节的 H57V2562GTR-60C，16位数据总线。一片接NSCS0，另一片接NSCS1，CPU分配的地址空间为0x30000000-0x31ffffff和0x320000000x33ffffff,也就是S3C2410ACPU的bank6、bank7。H57V2562GTR-60C的主要性能如下： 单电源3.3V供电 引脚兼容LVTTL电平接口 在时钟的上升沿进行输入、输出操作 支持自动刷新和自刷新 刷新速度：8192刷新周期/64ms 可编程设置列地址脉冲(CAS)宽度为3个时钟周期 时钟速度：166MHz4. NAND_FLASH海量存储选用64MB芯片K9F1208。8位数据总线传输， K9F2808的主要性能如下： 供电电压：2.73.6V 随机操作时间：50nS 快速写入时间(典型)：编程 200uS；擦除 2mS 命令、地址、数据端口复用 硬件数据保护 稳定性：100K次编程/擦除，数据保持10年 唯一系列号，便以产权保护5. 以太网1选用AX88796网络芯片， 其主要特性： 全兼容RTL8019。 支持热插拔自动监测功能。 内建16K bytes的SRAM。 支持FLASH的读写操作。6. USB 2个USB HOST，一个5端点USB DEVICE。 USB1.1兼容。7. 串口S3C2410A自带2个USART接口，1个USART接口经过电平转换，变成RS232电平通过DB9-F与外部通讯。另一个USART扩展到接口，供用户使用，具体引脚见外扩接口定义部分。8. 外扩接口该板CPU的自带的外围功能电路的引脚全部外扩到外扩接口上。外扩接口由3条接线排组成，其位置见结构布置图部分。9. 实验箱图片1.3 S3C2410A地址空间一、地址空间分配起始地址 0x00000000 bank0 海量存储器（NANFLASH）64M 0x01FFFFFF 0x10000000 bank2 网络控制器（AX88796） 0x30000000 0x31FFFFFF bank6 同步动态存储器（H57V2562GTR-60C）256M 0x32000000 bank7 同步动态存储器（H57V2562GTR-60C）256M 0x33FFFFFF其余空间未用二、外部中断向量资源分配序号中断名称中断向量地址功能模块名称1ExINT00x20未占用2ExINT10x24未占用3ExINT20x28以太网4ExINT130x2c以太网5ExINT50x30键盘三、结构布置图1. 结构组成 如图所示 内外电源切换开关 外接电源座 主USB接口 J1:RS232串口座DB9 从USB接口 以太网接口 JTAG 调试接口 系统复位按键 扩展板插座 J5 图1.1 TECHV-2410CPU板2. 外扩液晶板 图1.2 外扩3.5寸液晶板四、开关配置说明S1：内外电源切换开关，当拨向标识S1侧时，系统从Tech_V总线取电，否则从外接电源座取电。 引脚编号名称定义说明1VTref目标板参考电压，接电源2VCC接电源3nTRST测试系统复位信号4、6、8、10、12、14、16、18、20GND接地5TDI测试数据串行输入7TMS测试模式选择9TCK测试时钟11RTCK测试时钟返回信号13TDO测试数据串行输出15nRESET目标系统复位信号17、19NC未连接五、接口说明1. 外接电源座：内正外负，+5V供电。2. DB9串口、从USB接口、主USB接口、以太网口接口皆为标准接口。3. JTAG接口4. Tech_V总线接口在CPU板上有INTERFACE A、INTERFACE B、INTERFACE C，3个外扩接口单元，现对这三个接口的引脚加以说明。 INTERFACE B：INTERFACE B扩展信号是地址、数据总线和读写、片选信号：见表1.3表1.3 INTERFACE B 扩展信号外设信号接口序号代号含义IO备注1+5V+5V电源2+5V+5V电源3LA19地址线O4LA18地址线O5LA17地址线O6LA16地址线O7EXA15地址线O8EXA14地址线O9EXA13地址线O10EXA12地址线O11GND地12GND地13EXA11地址线O14EXA10地址线O15EXA9地址线O16EXA8地址线O17EXA7地址线O序号代号含义IO备注18EXA6地址线O19EXA5地址线O20EXA4地址线O21+5V+5V电源22+5V+5V电源23EXA3地址线O24EXA2地址线O25EXA1地址线O26EXA0地址线O27LA21地址线O28LA20地址线O29NC空脚30NC空脚31GND地32GND地33NC空脚空34NC空脚空35NC空脚空36NC空脚空37NC空脚空38NC空脚空39NC空脚空40NC空脚空41VDD33+3.3V电源42VDD33+3.3V电源43NC空脚空44NC空脚空45NC空脚空46NC空脚空47NC空脚空48NC空脚空49NC空脚空50NC空脚空51GND地序号代号含义IO备注52GND地53EXD15数据线IO54EXD14数据线IO55EXD13数据线IO56EXD12数据线IO57EXD11数据线IO58EXD10数据线IO59EXD9数据线IO60EXD8数据线IO61GND地62GND地63EXD7数据线IO64EXD6数据线IO65EXD5数据线IO66EXD4数据线IO67EXD3数据线IO68EXD2数据线IO69EXD1数据线IO70EXD0数据线IO71GND地72GND地73LNOE使能信号O74LNWE写信号O75LNOE使能信号O76NWIT等待信号I77NC空脚空78NGCS0片选信号O79GND地80GND地 INTERFACE A：INTERFACE A扩展信号外设信号接口：见表1.4表1.4 INTERFACE A扩展信号外设信号接口序号代号含义IO备注1+12V+12V电源序号代号含义IO备注2-12V-12V电源3GND地4GND地5+5V+5V电源6+5V+5V电源7GND地8GND地9+5V+5V电源10+5V+5V电源11NC空脚空12NC空脚空13NC空脚空14NC空脚空15NC空脚空16NC空脚空17NC空脚空18NC空脚空19+3.3V+3.3V电源20+3.3V+3.3V电源21SPICLK0SPI时钟输出OCPU引脚22MISO0SPI数据输入ICPU引脚23nSS0SPI片选OCPU引脚24MOSI0SPI数据输出OCPU引脚25GND地26GND地27NC空脚空28NC空脚空29NC空脚空30NC空脚空31GND地32GND地33NC空脚空34NC空脚空35IISLRCLKIIS左右声道时钟O36IISDOIIS数据输出O37GND地38GND地39IISCLKIIS输出时钟O40EINT中断空41NC空脚空42IISDIIIS数据输入I43GND地44GND地45TOUT0定时器输出0O46TCLK0定时器时钟输出0连接至CPU的TCLK0引脚47NC空脚空48EINT1中断1I外部输入的中断信号，连接到CPU的中断49TOUT1定时器输出150TCLK1定时器时钟输出1连接至CPU的TCLK1引脚51GND地52GND地53EINT0中断0I外部输入的中断信号，连接到CPU的中断54NC空脚空55NC空脚空56NGCS1片选信号1O57NC空脚空58NC空脚空59RESET复位信号O60NC空脚空61GND地62GND地63NC空脚空64NC空脚空65NC空脚空66NC空脚空序号代号含义IO备注67EINT7中断7I外部输入的中断信号，连接到CPU的中断68EINT3中断3I外部输入的中断信号，连接到CPU的中断69NGCS3片选信号3O70NGCS1片选信号1O71NC空脚空72NC空脚空73NC空脚空74NC空脚空75NC空脚空76GND地77GND地78NC空脚空79GND地80GND地 INTERFACE C用来扩展INTERFACE A、INTERFACE B没有扩展的CPU信号，如AD输入、液晶、串口等和扩展子板间的通讯信号,见表1.5 表1.5 INTERFACE C用来扩展INTERFACE A、INTERFACE B序号代号含义IO备注1+5V+5V电源2+5V+5V电源3AIN0模拟输入0I4AIN1模拟输入1I5AIN2模拟输入2I6AIN3模拟输入3I7AIN4模拟输入4I8AIN5模拟输入5I9AREFB模拟输入负参考电压I10AREFT模拟输入正参考电压I11AVCOM模拟输入参考电压公共端I12TOUT2定时器输出2O13TOUT3定时器输出3O序号代号含义IO备注14NC空脚15ExINT4外部中断4I16ExINT5外部中断5I17ExINT6外部中断6I18ExINT7外部中断7I19nGCS4片选O20nGCS5片选O21NGCS4片选O22nGCS5片选O23LnWBE0写字节使能0O24LnWBE1写字节使能1O25LnWBE2写字节使能2O26LnWBE3写字节使能3O27UCLK输入输出口IO28GPH1输入输出口IO29CLKOUT0时钟输出信号源0O30CLKOUT1时钟输出信号源1O31IICSCLIIC总线时钟O32IICSDAIIC总线数据IO33RXD1串口1接收数据I34TXD1串口1发送数据O35RXD2串口2接收数据I36TXD2串口2发送数据O37SDDAT0SD卡数据0OEL-830底板未使用38SDDAT1SD卡数据1OEL-830底板未使用39SDDAT2SD卡数据2OEL-830底板未使用40SDDAT3SD卡数据3OEL-830底板未使用41SDCLKSD卡时钟OEL-830底板未使用42SDCMDSD卡命令OEL-830底板未使用43AIN6模拟输入6I44AIN7模拟输入7I45A24地址46CDCLKCPU信号，解码器系统时钟O序号代号含义IO备注47VD19液晶数据19OCPU引脚48VD20液晶数据20OCPU引脚49VD21液晶数据21OCPU引脚50VD22液晶数据22OCPU引脚51VD23液晶数据23OCPU引脚52VD10液晶数据10OCPU引脚53VD11液晶数据11OCPU引脚54VD12液晶数据12OCPU引脚55VD13液晶数据13OCPU引脚56VD14液晶数据14OCPU引脚57VD15液晶数据15OCPU引脚58VD3液晶数据3OCPU引脚59VD4液晶数据4OCPU引脚60VD5液晶数据5OCPU引脚61VD6液晶数据6OCPU引脚62VD7液晶数据7OCPU引脚63TSMX接触摸屏XN脚OCPU引脚64TSMY接触摸屏YN脚OCPU引脚65TSPY接触摸屏YP脚OCPU引脚66TSPX接触摸屏XP脚OCPU引脚67VM-VDEN液晶电压控制信号I68VF-VS液晶桢时钟O69VL-HS液晶线时钟O70VCLK液晶位时钟O71VD0液晶数据0O72VD1液晶数据1O73VD2液晶数据2O74VD3液晶数据3O75VD4液晶数据4O76VD5液晶数据5O77VD6液晶数据6O78VD7液晶数据7O79GND地80GND地六、功能测试以下几项着重对实验板的主要外围功能进行测试，在测试前要求其JTAG接口和SDRAM及S3C2410A芯片和时钟必须正常。通过WIGERLE电缆或仿真器能够正常与ADS1.2连接并进行硬件调试。可用附带的FLASH烧写软件进行FLASH编程。1. I/O端口测试：在ADS调试环境下全速运行映象文件。观察CPU板左下角的LED1、LED2灯轮流的的闪烁！这是对GPIO口操作的结果。2. 串口测试：连接PC机串口和板上串口之间的电缆（直连）。打开超级终端0，超级终端1，进行设置（115200，8位数据，1位停止位，无奇偶校验）；在ADS调试环境下，全速运行映象文件。激活超级终端0，敲键盘，观察超级终端0，超级终端1的内容显示！所敲键盘的字符应该在两个超级终端上显示出来。实验的原理就是把键盘敲击的字符通过PC机的串口发送给实验箱上的ARM的CPU板的串口0，ARM的CPU板上的串口得到字符后，通过ARM把它送给CPU板上的串口0输出给PC，以及通过底板上的串口1，送给PC机。这样，就完成了串口间的收发数据。3. USB测试：在ADS调试环境下全速运行映象文件。把两头均为扁平的USB电缆，一头接PC机端，一头插入实验箱底板的USB单元的接口处。观察D3指示灯的变化，同时，若是第一次实验，则在PC机上会出现自动安装USB设备的过程，安装上后，D3灯应该不停的闪烁。同时，如图1.3 在控制面板/系统/硬件/设备管理器栏里自动添加了一个名为人体学输入设备的USB设备。图1.3 人体学输入设备的USB此时，打开随箱提供的/实验软件syrj/tools/目录下的上层应用程序usbhidio.exe文件，如图1.4，在Bytes to send栏中选择要发送的数据，之后，点击一下Write Report按钮，在Send and Receive Data栏中选择Once或Continuous,Once是发一次收一次，而Continuous是连续发和连续收，接收到的数据在Bytes Receive 栏中显示，在连续发的过程中也可以更改要发送的数据，而接收数据实时更换。图1.4 应用程序文件 1.4 嵌入式系统的应用一、嵌入式系统的应用可以毫不夸张地说，嵌入式系统无处不在。目前很流行的智能手机就是非常典型的嵌入式系统应用。比如，HTC Wildfire（G8）手机。这款手机的处理器是高通公司的 MSM7225，主频528MHZ。手机自带存储器512MB ROM+384MB RAM，可外扩MicroSD卡，扩展容量32GB。全手写3寸触摸屏该机。操作系统为Android OS v2.1。CPU、存储器、输入输出设备、操作系统齐全。电纸书、MP5、PSP、PS2等均是嵌入式系统的具体应用。他们都有CPU，都有存储器（内置或外扩），都有输入输出设备、都有或复杂或简单的操作系统，都有应用软件供用户使用。二、嵌入式系统的层级化设计模式嵌入式系统设计包括硬件设计和软件设计两个大部分。我们根据每个部分的设计特点对设计过程进行分类，这样做有利于提高人员的利用效率和工程的开发效率。设计过程一共分为三层，从顶向下分别是应用层软件设计、底层驱动软件设计（包括操作系统移