嵌入式系统设计-李秀娟-课件-第2章

1、1 1第2 2章 嵌入式系统的硬件结构工欲善其事，必先利其器。工欲善其事，必先利其器。 2本章内容本章内容 2 2.2 .2 ARMARM微处理器概述微处理器概述 2 2.3 .3 S3C2410S3C2410处理器单元电路设计处理器单元电路设计 2 2.4 .4 输入输出设备输入输出设备 2 2.5 .5 ARMARM的接口技术的接口技术 2 2.6 .6 总线技术总线技术2 2.1 .1 嵌入式系统的硬件基本构成嵌入式系统的硬件基本构成 1234563目的和要求目的和要求v初步掌握嵌入式系统的硬件结构组成，为后面的初步掌握嵌入式系统的硬件结构组成，为后面的学习奠定基础。学习奠定基础。 v了

2、解了解ARMARM嵌入式系统硬件组成嵌入式系统硬件组成v了解了解ARMARM家族处理器类型家族处理器类型v理解理解ARMARM存储空间的管理存储空间的管理v了解了解ARMARM外围接口与总线技术外围接口与总线技术45 嵌入式系统的硬件结构是以嵌入式处理器为中心，嵌入式系统的硬件结构是以嵌入式处理器为中心， 由时钟、复位电路、中断控制器、由时钟、复位电路、中断控制器、SDROMSDROM控制器和控制器和外围总线控制器以及电源等必要的辅助接口组成。外围总线控制器以及电源等必要的辅助接口组成。 嵌入式系统的硬件结构除了处理器核心部分外，还嵌入式系统的硬件结构除了处理器核心部分外，还包括丰富的外围接口

3、如包括丰富的外围接口如I2CI2C、SPISPI、UARTUART和和USBUSB等接等接口口 。 嵌入式系统不同于普通计算机系统，它是根据用户嵌入式系统不同于普通计算机系统，它是根据用户 需求而量身定做的需求而量身定做的专用计算机专用计算机应用系统应用系统 电路都可根据需要和成本进行电路都可根据需要和成本进行裁剪、定制裁剪、定制。 6嵌入式系统硬件框图嵌入式系统硬件框图72.2 2.2 ARMARM微处理器概述微处理器概述 v ARMARM公司简介公司简介 ARMARM公司于公司于19901990年年1111月在英国剑桥成立，原名月在英国剑桥成立，原名Advanced Advanced RI

4、SC MachineRISC Machine，它是专门从事基于，它是专门从事基于RISC RISC 技术芯片设计开发技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，公司本身并不直接从事芯的公司，作为知识产权供应商，公司本身并不直接从事芯片生产，而是靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的片生产，而是靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体生产商从芯片，世界各大半导体生产商从ARMARM公司购买其设计的公司购买其设计的ARM ARM 微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的的外围电路，从而形成自己的ARM AR

5、M 微处理器芯片进入市微处理器芯片进入市场。目前，总共有超过场。目前，总共有超过100100家公司与家公司与ARMARM公司签订了技术公司签订了技术使用许可协议，其中包括使用许可协议，其中包括IntelIntel、IBMIBM、LGLG、NECNEC、SONYSONY、NXPNXP和和NSNS这样的大公司。这样的大公司。891011 ARM ARM微处理器家族微处理器家族 vARM7ARM7vARM9ARM9vARM9EARM9EvARM10EARM10EvARM11ARM11vSecurCoreSecurCorevStrongARMStrongARMvXScaleXScalevCortexC

6、ortex系列。系列。 12ARMARM家族系列产品性能比较家族系列产品性能比较 132.2.3 ARM2.2.3 ARM微处理器结构微处理器结构 1. ARM1. ARM体系结构体系结构 冯冯诺依曼和冯诺依曼和冯诺依曼体系结构图诺依曼体系结构图 14哈佛体系结构图哈佛体系结构图 152 2RISCRISC指令集指令集 RISCRISC（Reduced Instruction Set ComputerReduced Instruction Set Computer，精简指令集，精简指令集计算机），计算机），RISCRISC并非只是简单地减少指令，而是把着并非只是简单地减少指令，而是把着眼点放在

7、了如何使计算机的结构更加简单合理地提高运眼点放在了如何使计算机的结构更加简单合理地提高运算速度上。算速度上。RISCRISC结构优先选取使用频率最高的简单指结构优先选取使用频率最高的简单指令，避免复杂指令；将指令长度固定，指令格式和寻址令，避免复杂指令；将指令长度固定，指令格式和寻址方式种类减少；以控制逻辑为主，不用或少用微码控制方式种类减少；以控制逻辑为主，不用或少用微码控制等措施。等措施。RISCRISC和和CISCCISC结构相比较，尽管结构相比较，尽管RISCRISC架构上有架构上有许多优点，但绝不能认为许多优点，但绝不能认为RISCRISC架构可以取代架构可以取代CISCCISC架构

8、，架构，事实上，事实上，RISCRISC和和CISCCISC各有优势，而且界限并不那么明各有优势，而且界限并不那么明显。现代的显。现代的CPUCPU往往采用往往采用CISCCISC的外围，内部加入的外围，内部加入RISCRISC的特性。的特性。163 ARM3 ARM微处理器的寄存器结构微处理器的寄存器结构17vARMARM处理器共有处理器共有3737个寄存器。包括个寄存器。包括3131个通用寄存个通用寄存器和器和6 6个状态寄存器，均为个状态寄存器，均为3232位。位。vARMARM处理器有处理器有7 7种不同的处理器模式，分别为：用种不同的处理器模式，分别为：用户模式、快中断模式、中断模式

9、、管理模式、中户模式、快中断模式、中断模式、管理模式、中止模式、未定义模式和系统模式，在每一种处理止模式、未定义模式和系统模式，在每一种处理器模式下均有一组相应的寄存器与之对应。器模式下均有一组相应的寄存器与之对应。184 4、ARMARM微处理器的指令结构微处理器的指令结构 ARMARM微处理器支持两种指令集：微处理器支持两种指令集：ARMARM指令集和指令集和ThumbThumb指令集。指令集。ARMARM指令为指令为3232位的长度；位的长度； ThumbThumb指令集是指令集是ARMARM指令集的一个子集，是针对代码指令集的一个子集，是针对代码密度问题而提出的，它具有密度问题而提出的

10、，它具有1616位的代码宽度。位的代码宽度。 处理器在执行处理器在执行ARMARM程序段时，程序段时，ARMARM处理器处于处理器处于ARMARM工作状态；处理器在执行工作状态；处理器在执行ThumbThumb程序段时，程序段时，ARMARM处理处理器处于器处于ThumbThumb工作状态。工作状态。 192.3 ARM2.3 ARM的存储系统的存储系统 2.3.1 ARM2.3.1 ARM的存储空间的存储空间 ARMARM体系结构使用单一的平板地址空间，该地址空体系结构使用单一的平板地址空间，该地址空间的范围大小为间的范围大小为232232个个8 8位字节位字节 。3232位情况：位情况：3

11、232位的地址空间可以看作由位的地址空间可以看作由230230个个3232位的字单元组成。位的字单元组成。 每个字的地址是字对准的，故字单元的地址可以被每个字的地址是字对准的，故字单元的地址可以被4 4整整除。除。 1616位情况位情况：1616位的地址空间可以看作由位的地址空间可以看作由231231个个1616位的半字组成。每位的半字组成。每个半字的地址是半字对准的，故半字单元的地址可以被个半字的地址是半字对准的，故半字单元的地址可以被2 2整除。整除。 202.3.2 2.3.2 存储器格式存储器格式位31 24 23 16 15 8 7 0字字单元A半字半字单元A半字单元A2字节字节单元

12、A字节单元A1字节单元A2字节单元A3大端格式：大端格式： 在这种格式中，字数据的高字节存储在在这种格式中，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。低地址中，而字数据的低字节则存放在高地址中。 21 小端格式：与大端存储格式相反，在小端存储格小端格式：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。址存放的是字数据的高字节。 位31 24 23 16 15 8 7 0字字单元A半字半字单元A+2半字单元A字节字节单元A+3字节单元A2字节单元A1字节单元A222.3.3 2.3

13、.3 存储器的管理存储器的管理 虚拟地址虚拟地址: : ARM ARM系统中都存在着一个程序产生的地址集合，系统中都存在着一个程序产生的地址集合，我们称之为地址范围我们称之为地址范围, ,这个地址范围称为虚拟地址空间，这个地址范围称为虚拟地址空间，该空间中的某一个地址我们称之为虚拟地址。该空间中的某一个地址我们称之为虚拟地址。物理地址物理地址 : : 物理地址空间和物理地址表示系统主存储器的实物理地址空间和物理地址表示系统主存储器的实际地址空间和它的实际地址。际地址空间和它的实际地址。ARMARM对存储器的管理：对存储器的管理： ARMARM处理器使用处理器使用MMUMMU实现虚拟地址到实际物

14、理地实现虚拟地址到实际物理地址的映射方式对址的映射方式对ARMARM的存储器进行管理。的存储器进行管理。232.4 2.4 输入输出设备输入输出设备2.4.1 LCD2.4.1 LCD显示显示242.4.2 2.4.2 触摸屏触摸屏 触摸屏按其工作原理的不同分为：电阻式触摸屏触摸屏按其工作原理的不同分为：电阻式触摸屏、电容式触摸屏、表面声波屏和红外屏。、电容式触摸屏、表面声波屏和红外屏。252.4.3键盘接口v1 1独立式键盘独立式键盘独立式键盘原理独立式键盘原理262 2矩阵式键盘矩阵式键盘矩阵式键盘原理矩阵式键盘原理27键盘的控制方式键盘的控制方式 v程序控制扫描方式程序控制扫描方式: :

15、这种方式只有处理器空闲时，这种方式只有处理器空闲时，才可调用键盘扫描子程序，查询键盘的输入状态才可调用键盘扫描子程序，查询键盘的输入状态是否改变。是否改变。 v定时扫描方式定时扫描方式 : :处理器对键盘的扫描也可采用定时处理器对键盘的扫描也可采用定时扫描方式，即处理器每隔一定的时间对键盘扫描扫描方式，即处理器每隔一定的时间对键盘扫描一次。一次。 v中断扫描方式中断扫描方式 : :当键盘有键动作时产生中断，处理当键盘有键动作时产生中断，处理器响应键盘中断后，执行键盘中断程序，判别键器响应键盘中断后，执行键盘中断程序，判别键盘按下键的键号，并做相应处理。盘按下键的键号，并做相应处理。 282.5

16、 ARM2.5 ARM的接口技术的接口技术v2.5.1 2.5.1 并行通信接口并行通信接口 并口传输数据的宽度可以从并口传输数据的宽度可以从1 1128128位或者更宽位或者更宽，在嵌入式系统中最常用的是，在嵌入式系统中最常用的是8 8位，这样微处理器位，这样微处理器可以通过接口一次传送可以通过接口一次传送8 8个数据位。个数据位。 292525针并口功能一览表针并口功能一览表针脚功能针脚功能1选通端STROBE，低电平有效10确认ACKNLG，低电平有效2数据位0（DATA0）11忙（BUSY）3数据位1（DATA1）12缺纸（PE）4数据位2（DATA2）13选择（SLCT）5数据位3（

17、DATA3）14自动换行（AUTO FEED），低电平有效6数据位4（DATA4）15错误（ERROR），低电平有效7数据位5（DATA5）16初始化（INIT），低电平有效8数据位6（DATA6）17选择输入（SLCTIN），低电平有效9数据位7（DATA7）18至25地线（GND）30串行通信接口串行通信接口v同步串行通信方式同步串行通信方式 所谓同步通信，是指数据传送是以数据块（一组所谓同步通信，是指数据传送是以数据块（一组字符）为单位，字符与字符之间、字符内部的位字符）为单位，字符与字符之间、字符内部的位与位之间都同步。与位之间都同步。 v异步串行通信方式异步串行通信方式 所谓异步通信

18、，是指数据传送以字符为单位，字所谓异步通信，是指数据传送以字符为单位，字符与字符间的传送是完全异步的，位与位之间的符与字符间的传送是完全异步的，位与位之间的传送基本上是同步的。传送基本上是同步的。 31（1 1）RS-232RS-232 RS-232:RS-232:数据终端设备（数据终端设备（DTEDTE）和数据通信设备）和数据通信设备（DCEDCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准）之间串行二进制数据交换接口技术标准 ， 也称标准串口，最常用的一种串行通信接口。也称标准串口，最常用的一种串行通信接口。 32 RS-232 DB9 RS-232 DB9接口定义接口定义 针脚功能针脚功能1DC

19、D 载波检测6DSR 数据准备好2RXD 接收数据7RTS 请求发送3TXD 发送数据8CTS 允许发送4DTR 数据终端准备好9RI 振铃提示5SG 信号地33vRS-422RS-422:RS-422:RS-422标准全称是标准全称是“平衡电压数字接口电平衡电压数字接口电路的电气特性路的电气特性”，它定义了接口电路的特性，它定义了接口电路的特性 . RS-. RS-422422支持点对多的双向通信支持点对多的双向通信 . .vRS-485RS-485 :RS-485 :RS-485是从是从RS-422RS-422基础上发展而来的，所基础上发展而来的，所以以RS-485RS-485许多电气规定

20、与许多电气规定与RS-422RS-422相仿相仿 . .vRS-485RS-485与与RS-422RS-422的不同的不同: :在于其共模输出电压是不在于其共模输出电压是不同的，同的，RS-485RS-485是是-7V-7V至至+12V+12V之间，而之间，而RS-422RS-422在在-7V-7V至至+7V+7V之间，之间，RS-485RS-485接收器最小输入阻抗为接收器最小输入阻抗为12k12k、RS-422RS-422是是4k4k；由于；由于RS-485RS-485满足所有满足所有RS-422RS-422的规的规范，所以范，所以RS-485RS-485的驱动器可以用在的驱动器可以用在R

21、S-422RS-422网络中网络中应用。应用。 34vRS-485RS-485与与RS-422RS-422一样，其最大传输距离约为一样，其最大传输距离约为12001200米米，最大传输速率为，最大传输速率为10Mbps10Mbps。平衡双绞线的长度与。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在传输速率成反比，在100kbps100kbps速率以下，才可能使速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般能获得最高速率传输。一般100100米长双绞线最大传米长双绞线最大传输速率仅为输速率仅为1Mbps1Mbps。 35USB

22、USB接口接口 vUSBUSB全称通用串行总线全称通用串行总线Universal Serial BusUniversal Serial Bus，USBUSB接接口是现在比较流行的接口，用于将使用口是现在比较流行的接口，用于将使用USBUSB的外的外围设备连接到主机。围设备连接到主机。 USB针脚定义针脚功能1+5V电源（VCC）2数据通道（DATA-）3数据通道（DATA+）4地线（GND）3637USBUSB总线拓扑图总线拓扑图 38红外线接口红外线接口 v 红外发射电路由红外线发射管红外发射电路由红外线发射管L2L2和限流电和限流电阻阻R2R2组成。当主板红外接口的输出端组成。当主板红外接

23、口的输出端IRTXIRTX输出调制后的电脉冲信号时，红外线发射输出调制后的电脉冲信号时，红外线发射管将电脉冲信号转化为红外线光信号发射管将电脉冲信号转化为红外线光信号发射出去。出去。v 红外接收电路由红外线接收管红外接收电路由红外线接收管L1L1和取样电和取样电阻阻R1R1组成。当红外接收管接收到红外线光组成。当红外接收管接收到红外线光信号时，其反向电阻会随光信号的强弱变信号时，其反向电阻会随光信号的强弱变化而相应变化，根据欧姆定律可以得知通化而相应变化，根据欧姆定律可以得知通过红外接收管过红外接收管L1L1和电阻和电阻R1R1的电流也会相应的电流也会相应变化，而在取样电阻两端的电压也随之变变

24、化，而在取样电阻两端的电压也随之变化，此变化的电压经主板红外接口的输入化，此变化的电压经主板红外接口的输入端端IRRXIRRX输入主机。输入主机。39 PCMCIA PCMCIA和和CFCF v以前这项技术标准只适用于存储器扩充卡，但后以前这项技术标准只适用于存储器扩充卡，但后来还扩展到存储器以外的外部设备，如网络卡、来还扩展到存储器以外的外部设备，如网络卡、视频会议卡及调制解调器等。视频会议卡及调制解调器等。 402.6 2.6 总线技术总线技术vI2CI2C总线总线 :I2C:I2C是是Inter-Integrated CircuitInter-Integrated Circuit的缩写。

25、的缩写。I2CI2C总线是一种由总线是一种由PHILIPSPHILIPS公司开发的串行总线，用公司开发的串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。于连接微控制器及其外围设备。 vI2CI2C只有两条物理线路：一条串行数据线（只有两条物理线路：一条串行数据线（SDASDA），一条串行时钟线（，一条串行时钟线（SCLSCL）41起始条件和停止条件起始条件和停止条件 起始条件在起始条件在SCLSCL保持高电平期间，保持高电平期间，SDASDA由高电平由高电平向低电平的变化状态向低电平的变化状态 当当SCLSCL保持高电平期间，保持高电平期间，SDASDA是由低电平向高电是由低电平向高电平变化状态则规定

26、为停止条件平变化状态则规定为停止条件 42 带有带有I2C I2C 总线的器件除了有从机地址（总线的器件除了有从机地址（Slave Slave AddressAddress）外，还可能有子地址。从机地址是指该器）外，还可能有子地址。从机地址是指该器件在件在I2C I2C 总线上被主机寻址的地址，而子地址是指总线上被主机寻址的地址，而子地址是指该器件内部不同部件或存储单元的编址。该器件内部不同部件或存储单元的编址。 一般从机地址由一般从机地址由7 7位地址位和位地址位和1 1位读写标志位读写标志R/WR/W组组成，成，7 7位地址占据高位地址占据高7 7位，读写位在最后。读写位是位，读写位在最后

27、。读写位是0 0，表示主机将要向从机写入数据；读写位是，表示主机将要向从机写入数据；读写位是1 1，则表，则表示主机将要从从机读取数据。示主机将要从从机读取数据。 从机地址从机地址43 I2CI2C总线总是以字节（总线总是以字节（ByteByte）为单位收发数据，）为单位收发数据，每个字节的长度都是每个字节的长度都是8 8位，每次传送字节的数量没位，每次传送字节的数量没有限制。有限制。I2CI2C总线首先传输的是数据的最高位（总线首先传输的是数据的最高位（MSBMSB），最后传输的是最低位（），最后传输的是最低位（LSBLSB）。另外，每）。另外，每个字节之后还要跟一个响应位，称为应答。个字节

28、之后还要跟一个响应位，称为应答。 数据传输控制44主机向从机发送数据的基本格式主机向从机发送数据的基本格式 (7 (7位寻址位寻址) )主机向从机发送数据的基本格式主机向从机发送数据的基本格式 (10(10位寻址位寻址) )主机从从机接收数据的基本格式主机从从机接收数据的基本格式 (7 (7位寻址位寻址) )主机从从机接收数据的基本格式主机从从机接收数据的基本格式 (10(10位寻址位寻址) )45v数据传输时序图数据传输时序图 主机向从机发送主机向从机发送1 1个字节数据的时序图个字节数据的时序图 主机从从机接收主机从从机接收1 1个字节数据的时序图个字节数据的时序图 462.6.2.6.2

29、 2 SPISPI总线总线vSPISPI总线结构由一个主设备和一个或多个从设备组总线结构由一个主设备和一个或多个从设备组成，主设备启动一个与从设备的同步通信，从而成，主设备启动一个与从设备的同步通信，从而完成数据的交换。完成数据的交换。SPISPI接口由接口由MISOMISO（主机输入（主机输入/ /从从机输出数据线），机输出数据线），MOSIMOSI（主机输出（主机输出/ /从机输入数从机输入数据线），据线），SCKSCK（串行移位时钟），（串行移位时钟），CSCS（从机使能（从机使能信号）四种信号构成信号）四种信号构成 。47v SPISPI是一种高速的，全双工，同步的通信总线是一种高速的

30、，全双工，同步的通信总线。主机和从机都有一个串行移位寄存器，主机通。主机和从机都有一个串行移位寄存器，主机通过向它的过向它的SPISPI串行寄存器写入一个字节来发起一次串行寄存器写入一个字节来发起一次传输。传输。 SPI总线的数据传输方式 48vSPISPI接口时序接口时序 CPHA=0 CPHA=0时的时的SPISPI总线数据传输时序总线数据传输时序 CPHA=1CPHA=1时的时的SPISPI总线数据传输时序总线数据传输时序 49I I2 2S S总线总线vI I2 2S S是是Inter-IC Sound BusInter-IC Sound Bus的缩写，是飞利浦公司为的缩写，是飞利浦公

31、司为数字音频设备之间的音频数据传输而制定的一种数字音频设备之间的音频数据传输而制定的一种总线标准。总线标准。vI I2 2S S有三个主要信号：串行时钟有三个主要信号：串行时钟SCLK SCLK ；帧时钟；帧时钟LRCK LRCK ；串行数据；串行数据SDATA SDATA 。vI I2 2S S有有4 4条线：串行数据输入（条线：串行数据输入（I I2 2SDISDI）、串行数据）、串行数据输出（输出（I I2 2SDOSDO）、左右通道选择（）、左右通道选择（I I2 2SLRCKSLRCK）和串）和串行位时钟（行位时钟（I I2 2SCLKSCLK）。）。 50 I I2 2S S总线模块结构框图总线模块结构框图 512.6.4 CAN2.6.4 CAN总线总线vCAN CAN 全称为全称为Controller Area NetworkController Area Network，即控制器局，即控制器局域网。域网。CANCAN是一种多主方式的串行通信总线，基是一种多主方式的串行通信总线，基本设计规范要求有高的位速率、高抗电磁干扰性本设计规范要求有高的位速率、高抗电磁干扰性，而且要能够检测出总线的任何错误。当信号传，而且要能够检测出总线的任何错误。当信号传输距离达输距离达10km10km时时CANCAN仍可提供高达仍可提供高达50kbps50kbps的