ARM嵌入式系统设计初步上PPT课件

1、ARM嵌入式系统设计初步一、嵌入式系统体系结构概述二、嵌入式系统主要功能部件的工作原理三、micro2440系统的开发和调试第1页/共62页一、嵌入式系统体系结构概述嵌入式系统的概念以上定义包含如下含义：u它必然是一个技术密集、不断创新的知识集成系统。u它是一个面向用户、面向产品的专用系统u它是一个根据应用需求进行硬件和软件裁剪的计算机应用系统。u它需要一套开发工具和环境进行应用系统的开发和调试。硬件以高性能处理器为基础，软件以多任务操作系统为基础的综合平台。第2页/共62页微处理器 MPU外围电路电源模块时钟电路复位电路flashRAMROMUSBLCD键盘其它外 设一、嵌入式系统体系结构概

2、述应用程序操作系统软件第3页/共62页1.2 ARM微处理器1.2.1 ARM的含义ARM是一个公司的名，它于1991年成立在英国剑桥，是专门从事基于RISC技术芯片设计开发的公司。其全称是：Advanced RISC Machines1、何为RISC?RISC即Reduced Instruction Set Computer精简指令集计算机，它于CISC对应。2、何为CISC？即Complex Instruction Set Computer复杂指令集计算机。第4页/共62页1.2.2 ARM处理器的特点u体积小、功耗低、成本低、性能高。u具有双指令集处理功能，即Thumb（16位）和ARM

3、（32位）指令集。u内含大量寄存器，使指令执行速度快。u指令长度统一，便于指令处理。u采用流水线方式处理指令。u具有7中工作模式u内含存储器管理部件（MMU）。u内含高速存储器（cache）。u内含大量接口电路和功能部件。u工作频率高（400Mhz 以上）ARM处理器系列有：ARM7、ARM9、ARM10和ARM11。第5页/共62页关于指令执行方式如果一条指令执行完了以后，再执行下一条指令，如果一条指令执行完了以后，再执行下一条指令，这种执行指令的方式称为串行方式这种执行指令的方式称为串行方式。第6页/共62页指令流水线执行方式如果第一条指令在完成取指令第一步骤以后，控制器就取如果第一条指令

4、在完成取指令第一步骤以后，控制器就取第二条指令，取完了第二条指令就取第三条指令，以此类推，第二条指令，取完了第二条指令就取第三条指令，以此类推，这种指令执行的方式称为并行方式，或称为流水线方式这种指令执行的方式称为并行方式，或称为流水线方式。 第7页/共62页关于ARM指令集和Thumb指令集ARM指令集是32位指令集，指令是用32位二进制数进行编码，数据也是用32位二进制数来编码，地址信号也是32位，使得内存寻址空间达4GB。Thumb指令集是16位指令集，指令是用16位二进制数进行编码，同样数据也是用16位二进制数来编码，它是ARM指令集的子集，它的优点是：指令密度高：改变了32位二进制数

5、编码浪费的问题，使得生成的程序代码少，节省存储器空间。ARM系统在执行程序时，可以方便地在两个指令集之间切换。（采用伪指令CODE16和CODE32)。这体现了ARM系统可裁剪的特点。第8页/共62页关于处理器的工作模式这是一种只为用户程序提供有限硬件资源的运行模式。1、用户模式（USR）：2、快速中断模式（FIQ）：当需要与外设进行高速数据传输时的运行模式。3、中断模式（IRQ）：用于普通中断处理的运行模式。计算机为了有效处理各种异常情况和支持操作系统软件，处理器将工作模式分为七种模式。第9页/共62页处理器的工作模式续操作系统保护时的运行模式。4、管理模式（SVC）：5、中止模式（ABT）

6、 ：当数据或指令预取出错时的运行模式。6、系统模式（SYS）：具有特权的操作系统任务的运行模式。7、未定义指令中止模式（UND）：当处理器试图执行未定义指令时的运行模式。第10页/共62页1.2.3 ARM920T处理器1、ARM920T的内核结构第11页/共62页ARM920T的内核结构说明u处理器内核采用哈佛体系结构，实现了5级流水线的指令操作，即取指令、指令译码、指令执行、数据存储器访问和寄存器回写。u处理器内核采用哈佛体系结构，分别构建了指令高速RAM存贮器和数据高速RAM存储器。u处理器内核中的CPU是ARM9TDMI，支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。u处理器内核采用

7、标准的总线结构，如AMBA、ASB、AHB。u处理器内核支持ARM的调试体系。第12页/共62页S3C2440ARM结构第13页/共62页2、AHB总线模块第14页/共62页AHB总线模块说明1、LCD控制器、LCD DMA:液晶显示器的数据传送及其控制器。2、NAND控制器：NAND是一种大容量FLASH存储器。3、SRAM/NOR/SDRAM存储器控制电路。4、总线控制器：用于管理总线资源的使用。AHB：Advanced High-performance Bus第15页/共62页3、APB总线和时钟模块第16页/共62页APB总线模块说明APB是Adanced Peripheral Bus

8、高级外围总线。1、GPIO：General Purpose I/O。3、RTC：Real Time Clock，产生具有日历功能的时钟信号。5、SD/MMC存储卡控制器。6、通过软件可以有选择地为各功能模块提供时钟信号。MPLL是产生MCU的时钟。2、UART、SPI、USB、I2C、I2S：均为不同标准的串行口。4、定时器/PWM:定时/脉冲宽度调制信号发生器。第17页/共62页1.3 嵌入式操作系统1.3.1 什么是操作系统操作系统OS（Operation System）是计算机的系统软件，其作用是：u有效地控制和管理计算机的硬件资源和软件资源。u为用户提供方便的操作界面和应用接口。操作系

9、统有顺序执行系统、分时操作系统和实时操作系统。第18页/共62页1.3.2 实时操作系统实时操作系统RTOS（Real Time Operating System）是支持用户按时完成任务（程序）的一个系统软件。实时系统是一个能够在指定的时间内完成系统功能，是一个能够对内部或外部事件在规定时间内作出反应的系统。实时系统还具有以下特点：并行性：在宏观上能够同时处理多个工作。可靠性：当系统出现了错误，系统仍然可以处在可预测状态，仍可以安全带错运行。第19页/共62页嵌入式操作系统的作用1. 能保证嵌入式系统安全有效地运行。2. 能方便开发人员进行裁剪操作系统，并把用户程序融入进来。第20页/共62页

10、1.3.4 1.3.4 常用的嵌入式实时操作系统常用的嵌入式实时操作系统1、Linux操作系统的优点是：源代码开放、可以定制。2、WinCE操作系统的特点：继承了Windows界面、软件移植性好。3、C/OS-II操作系统的特点：结构简单、功能完备、实时性强。第21页/共62页二、嵌入式系统主要功能部件的工作原理2.1 通用输入输出口（GPIO）ARM的通用输入输出口（GPIO）一般都要多种功能，它不仅是输入输出信号的通道，而且是ARM芯片内各种功能部件与外界联系的通道。不同型号的ARM，其通用输入输出口（GPIO）的数量是不一样的，如s3c2410芯片具有117个多功能GPIO端口，它们分别

11、是：第22页/共62页多功能多功能GPIOGPIO端口端口PortA（GPA）：23线输出口PortB（GPB）：11线输入/ 输出口PortC（GPC）：16线输入/输出口PortD（GPD）：16线输入/输出口PortE（GPE）：16线输入/输出口 PortF（GPF）：8线输入/输出口PortG（GPG）：16线输入/输出口PortH（GPH）：11线输入/输出口第23页/共62页2.1.1 通用I/O口相关寄存器1、端口控制寄存器端口控制寄存器用于设置各端口线位的功能。端口控制寄存的符号为GPnCON，n=AH。各端口控制寄存的地址：寄存器GPACONGPBCONGPCCONGPDC

12、ON地址0 x560000000 x560000100 x500000200 x50000030寄存器GPECONGPFCONGPGCONGPHCON地址0 x560000400 x560000500 x560000600 x56000070第24页/共62页通用I/O口相关寄存器续2、端口数据寄存器端口数据寄存器用于输入/输出传递数据。端口数据寄存的符号为GPnDAT，n=AH。各端口数据寄存的地址：寄存器GPADATGPBDATGPCDATGPDDAT地址0 x560000040 x560000140 x500000240 x50000034寄存器GPEDATGPFDATGPGDATGPH

13、DAT地址0 x560000440 x560000540 x560000640 x56000074第25页/共62页通用I/O口相关寄存器续3、端口上拉寄存器端口上拉寄存器用于设置各端口线位上拉电阻的功能。端口上拉寄存的符号为GPnUP，n=BH。各端口上拉寄存的地址：寄存器GPBUPGPCUPGPDUP地址0 x560000180 x500000280 x50000038寄存器GPEUPGPFUPGPGUPGPHUP地址0 x560000480 x560000580 x560000680 x56000078第26页/共62页2.1.2 通用I/O口应用举例GPF端口有8根线，每一根线的工作模

14、式都可以通过对GPFCON的编程来配置。GPF端口有8根线的工作模式：输入（INPUT）、输出（OUTPUT）、功能引脚（中断信号输入）。GPF端口控制寄存器中控制位的配置：D1D0控制GPF0线、D3D2控制GPF1线、以此类推，D15D14控制GPF7。具体控制编码是：00为输入、01为输出、10为功能引脚（中断信号输入）、11为保留。1、GPF端口连接LED及其控制编程第27页/共62页GPF端口连接LED及其控制编程续GPF端口与LED连接电路：ARM处理器GPF4VDDGPF4采用灌电流驱动LED，GPF4=0，LED亮；GPF4=1，LED暗。R0R0是限流电阻，防止电流太大，损坏

15、接口。第28页/共62页GPF端口连接LED及其控制编程续控制编程如下：#define rGPFCON (*(volatile unsigned *)0 x56000050)/Port F control#define rGPFDAT (*(volatile unsigned *)0 x56000054)/Port F data#define rGPFUP (*(volatile unsigned *)0 x56000058)/Pull-up control F rGPFCON=rGPFCON|0 x00000100;/GPF4为输出模式 rGPFUP=rGPFUP|0 x10;/GPF4线禁

16、止接上拉电阻 rGPFDAT=rGPF4DAT| 0 x10;/GPF4输出1 rGPFDAT=rGPFDAT&0 xEF;/GPF4输出0第29页/共62页GPC端口连接键钮及其控制编程GPC端口与键钮的连接电路：ARM处理器GPC1VDDR1R1是外接的上拉电阻，其功能是当键钮未按下时，GPC1线输入是高电平。第30页/共62页GPC端口连接键钮及其控制编程续控制编程如下：#define rGPCCON (*(volatile unsigned *)0 x56000020)/Port F control#define rGPCDAT (*(volatile unsigned *)0

17、 x56000024)/Port F data#define rGPCUP (*(volatile unsigned *)0 x56000028)/Pull-up control F rGPCCON=rGPCCON&0 xFFFFFFF3;/GPC1为输入模式 rGPCUP=rGPCUP&0 xFFFD;/GPC1线允许接上拉电阻 rGPCDAT=rGPCDAT&0 x0002;/GPC1输入1，则rGPCDAT=0 x0002 rGPCDAT=rGPCDAT&0 x0000; /GPC1输入0，则rGPCDAT=0 x0000第31页/共62页2.2 ARM系

18、统中的存储器结构2.2.1 多层次的存储器结构在PC中，存储器系统是由硬盘、内存条和CPU中的Cache组成。构成了多层次的存储器结构。与此类似，ARM微机中的存储器也是多层次的存储器结构。由NAND FLASH、NOR FLASH、主存储器和CPU中的Cache组成。为什么计算机中采用不同类型的存储器来构造存储器系统呢？主要是鉴于速度和成本的考虑。第32页/共62页2.2.2 NAND FLASH存储器NAND FLASH是一种非易失性的半导体存储器，具有以下特点：1）以页为单位进行读和编程操作，故CPU不能直接读取指令和数据。其中的程序代码和数据代码只能先装载到主存中，然后再执行。2）数据

19、和地址采用同一总线，实现串行读取。3）芯片尺寸小、引脚少、成本低。4）启动时，Nand Flash 控制器将Nand Flash 中的最先4KB代码装载到控制器的SRAM中。然后执行这个启动程序，在执行启动程序中将Nand Flash中的内容复制到主存中，接着CPU再执行主程序。第33页/共62页2.2.3 Nor FLASH存储器Nor FLASH是一种非易失性的半导体存储器，具有以下特点：1）拥有独立的数据总线和数据总线，使CPU能快速地、直接地从中读取指令执行指令。2）芯片尺寸大、引脚多、集成度低、成本高。3）如果程序被固化在Nor Flash，启动时，CPU直接从Nor Flash 中

20、取指令，执行主程序。第34页/共62页2.2.4 DMA控制器1、何为DMA?DMA(Direct Memory Acess)，即直接存储器存取，它是一种外围设备与内存之间数据传递的方式。该数据传递方式有以下优点：u数据传送无需CPU介入，从而提高了CPU的工作效率。u消除了因CPU与外围设备速度不匹配引起的数据丢失问题。第35页/共62页2、DMA控制器DMA控制器是实现外围设备与内存之间直接数据传送的电路部件。DMA操作的主要过程如下：u外围设备向DMA控制器发出DMA请求。uDMA控制器向CPU发出总线请求。uCPU响应DMA请求，将总线控制权出让给DMA控制器。uDMA控制器向外围设备

21、发DMA响应信号，准备开始数据传送。u进行DMA 数据传送。u数据传送完毕，DMA控制器向CPU发中断申请信号，CPU在接收到此信号后，转入中断处理程序进行DMA后续工作的处理。uCPU执行完该中断子程序后，返回到被中断的程序继续执行。CPU重新获得总线控制权。第36页/共62页三、micro2440系统的开发和调试3.1 micro2440开发板的简介3.2 采用ADS集成开发环境对嵌入式系统的开发和调试3.3 采用Linux开发环境对嵌入式系统的开发和调试第37页/共62页3.1 micro2440开发板的简介Micro2440 嵌入式系统的结构是采用核心板+底板方式。3.1.1 Micr

22、o2440 嵌入式系统的核心板。第38页/共62页Micro2440 核心板配置Micro2440 核心板其实是一个最小系统板，它具有最基本的系统配置u CPU - 三星S3C2440，运行于400Mhzu NOR FLASH 2M，u NAND FLASH - 64M(可升级到128M-1G)u SDRAM 64M， SDRAM 地址空间：0 x30000000 0 x34000000u 1 个电源指示灯和4 个用户指示灯u 专业复位芯片u 在板 JTAGu 专业电压调节芯片第39页/共62页3.1.2 Micro2440 嵌入式系统的底板第40页/共62页Micro2440SDK 底板资源

23、特点Micro2440SDK 参考底板除了常见的标准接口：音频输入和输出、DB9 串口COM0,COM1、COM2、USB Host 和 USB Slave、RJ-45 网络接口、SD 卡座等，为了方便学习开发，还引出了其他GPIO、系统总线接口等外设和接口.第41页/共62页1、用户LEDLED 是开发中最常用的状态指示设备，Micro2440 具有4 个用户可编程LED，它们直接与CPU 的GPIO 相连接，低电平有效(点亮)，详细的资源占用如下表：第42页/共62页LED电路第43页/共62页2、用户按键第44页/共62页A/D 输入测试本开发板总共可以引出3 路A/D(模数转换)转换通

24、道，它们位于板上的CON6 接口，为了方便测试，其中AIN0 连接到了开发板上的可调电阻 W1，原理图如下所示。第45页/共62页3.1.3Micro2440 开发板使用说明1、 启动模式选择S2 接到Nor Flash 标识一侧时，系统将从Nor Flash 启动；S2 接到Nand Flash 标识一侧时，系统将从Nand Flash 启动。2、 外部接口连接u 请使用直连串口线连接开发板的串口 0 和PC 机的串口u 用交叉网线将开发板的网络接口与 PC 相连u 用5V 电源适配器连接到板上的5V 输入插座u 用 USB 电缆连接开发板和PC第46页/共62页使用说明续3、设置超级终端超

25、级终端是micro2440系统中软件BIOS的操作平台。为了通过串口连接开发板，必须使用一个模拟终端程序，几乎所有的类似软件都可以使用。4、安装USB 下载驱动安装的USB 驱动是在BIOS 模式下，配合dnw.exe 软件将程序下载到micro2440的SDRAM中执行。第47页/共62页非操作系统下的外围资源测试1、下载运行测试程序2440test 是一个裸机测试程序。在images2440test”目录中找到2440test.bin 文件，通过BIOS 下载运行该测试程序，步骤如下(1)连接好开发板电源，串口线，USB 线，并设置拨动开关S2 为Nor Flash 启动系统，分别打开串口

26、超级终端和DNW，上电启动开发板。(2)保证USB 驱动已经安装好(前面已经详细介绍了USB 驱动的安装方法)，这时可以看到DNW 的标题栏显示USB：OK，如果没有安装好驱动会显示USB：x第48页/共62页下载运行测试程序续在windows平台工具文件夹中执行程序，PC机屏幕上出现以下窗口：第49页/共62页下载运行测试程序续(3)点DNW 菜单Configuration，设置USB 下载运行地址为0 x30000000第50页/共62页下载运行测试程序续(4)这时在超级终端的BIOS 功能菜单中选择功能号d，出现USB 下载等待提示信息第51页/共62页下载运行测试程序续(5)点击DNW 程序的“USB Port”“Transmit”，选择2440test.bin 这个映象文件(在光盘的images2440test目录下面)，接着点“打开”，这样就开始下载了。第52页/共62页下载运行测试程序续(6)下载结束后，会自动运行，出现如下界面，同时在micro2440系统的LCD 上会出现一副“向日葵“画面：第53页/共62页2、 外围资源测试(1)蜂鸣器测试(Test PWM)在主菜单中，输入“1”，再按“回车”键(即Enter 键)，将