《嵌入式系统概论》课件-第4章-嵌入式最小系统(三版)

典型嵌入式系统组成

基于AMBA总线的嵌入式处理器

4.1嵌入式最小系统组成

嵌入式最小硬件系统是嵌入式应用系统最简单、最基本、不可或缺的硬件系统，简称最小系统。4.2嵌入式处理器选型

嵌入式处理器芯片品种繁多，各有特色，其选型应该遵循以下总体原则：性价比越高越好。(1)性能：应该选择完全能够满足功能和性能要求且略有余量的嵌入式处理器，够用就行。(2)价格：在满足需求的前题下选择价格便宜的。除了上述总体选择原则外，还可以考虑参数选择原则。可分为功能性参数选择和性能参考选择。功能参数：包括内核类型、处理速度、片上Flash及SRAM容量、片上集成GPIO、内置外设接口、通信接口、操作系统支持、开发工具支持、调试接口、行业用途等。非功能性需求：是指为满足用户业务需求而必须具有且除功能需求以外的特性，包括系统的性能、可靠性、可维护性、可扩充性和对技术/对业务的适应性等。

有工作电压要求、工作温度要求、体积及封装形式、功耗与电源管理要求、价格、供货、抗干扰能力与可靠性、支持的开发环境及资源的丰富性

功能参数与非功能参数选择4.3供电模块设计供电模块设计是整个系统工作的基础，极其重要。电源模块好，系统故障往往减少一大半。STM32F10x电源部分框图(1)输出的电压、电流(按硬件系统需要的最大功率)(2)输入的电压、电流(直流/交流，输入电压和电流)(3)安全因素(是否需要本安型电源)(4)电磁兼容(5)体积限制(6)功耗限制(7)成本限制供电模块设计应考虑的因素根据具体嵌入式应用系统的需求，系统需要的主要电源电压：24V、12V、5V、3.3V、2.5V、1.8V等。最小系统涉及的电源主要是为嵌入式处理器供电，包括处理器内核电源、数字部分电源、模拟部分电源以及实时钟RTC电源等，通常内核电源电压包括存储器接口所需电源如1.8V，而数字和模拟部分通常为3.3V，实时钟电源1.8V到3.6V等，设计这部分电源用的最多的是LDO降压型稳压器如1117系列。嵌入式系统电源需求典型的低差压稳压LDO芯片主要用于嵌入式处理器供电。(1)

AS2815-XX系列：有1.5V、2.5V、3.3V、5V，输入电压高于输出电压0.5－1.2V，小于等于7V。(2)

1117-XX系列(AMS、LM、SPX、TS、IRU等前缀)：有1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V，输入电压为XX+1.5V－12V，输出电流800mA，输入高于输出1.5V以上。(3)

AMS2908-XX系列：有1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V，输入电压为XX+1.5V-12V，输出电流800mA，输入高于输出1.5V以上。 (4)

CAT6219系列：有1.25V、1.8V、2.5V、2.8V、2.85V、3.0V、3.3V，500mA。降压型电源设计5V转3.3V电源变换电路利用LDO进行电源变换（5V到3.3V）AIC1642系列可以工作在0.9V的DC-DC芯片，可变换成的电压有2.7V、3.0V、3.3V和5V。典型应用电路如图4.5所示。假设Vin为一节电池（1.2V~1.5V）的输出电压，输出可以选择2.7V到5V四个电压等级的电压输出。类似AIC1642的芯片还有XC6382、XC6371、RT9261B、HT77XX、BL8530、AIC1642、S8351以及HMXX1C等。一般要求最低输入电压0.8V，最高不超过12V，输出电流可达500mA～700mA。

升压型电源设计用一节电池供电的5V电源变换电路升压型电源设计实例（1.5V到5V）对于需要隔离的电源可使用DC－DC隔离模块，主要有1W和2W两种主要隔离模块，典型代表包括B0305、B0505、B0509、B0512、B0524、B1205、B1212、B1224、B2405、B2412以及B2424等。隔离电压通常高于2000V，这些隔离型DC-DC模块在抗干扰要求高的场合非常有用，缺点是代价高。图4.6为5V变换为24V的隔离DC-DC模块引脚示意图，输入5V，通过隔离变换为24V输出。可以只设计一路电源，需要多路时可用隔离型DC-DC模拟变换成不同电压等级的电源。

隔离型电源设计隔离电源设计（5V到12V隔离变换）STM32F10x有四组电源，此外模拟信号通道电流输出还需要12V电源，因此要通过5V产生3.3V及12V等数字和模拟电源，电路构成如图4.7所示。

STM32F10x电源设计时钟电路及时钟源选择。嵌入式处理器的工作需要外部或内部提供时钟信号，按照时钟的序列执行。不同处理器要求的时钟最高频率不同，而嵌入式微控制器内部有时钟电路，外部仅需提供晶体和两只电容，加上电源。4.4时钟与复位电路设计STM32F10x系列微控制器有四种不同的时钟源可供不同用途来选择：(1)

HIS(高速内部时钟8MHz)振荡器时钟(2)HSE(高速外部时钟4~16MHz)振荡器时钟(3)40kHz低速内部RC(4)

32.768kHz低速外部晶体

STM32F10x时钟电路STM32F10x时钟源及其控制STM32F107等互联型微控制器处理器正常工作必须在上电时能够可靠复位，让CPU找到第一条指令对应的地址去执行。ARM处理器(除ARMCortex-M复位向量为0x00000004外)复位后PC指针指向唯一的地址0x00000000，复位向量Reset_Handler指向复位处理入口。

复位模块简单复位电路专用复位芯片构建的复位电路现代嵌入式处理器片内都集成了逻辑跟踪单元与调试接口，主要用于开发调试。4.5调试接口设计STM32F10x微控制器调试接口JTAG(JointTestActionGroup；联合测试工作组)标准，JTAG是一种国际标准测试协议(IEEE1149.1兼容)，主要用于芯片内部测试。JTAG接口关键的信号有：TMS、TCK、TDI、TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。

JTAG调试接口设计SWD(SerialwireDebug)调试接口，即串行线调试接口。SWD调试接口设计ARM处理芯片内部硬件中除ARM处理器外，最重要的组件就是存储器及其管理组件，用于管理和控制片内的SRAM、ROM和Flash，通过片外存储控制器对片外扩展存储器Flash及DRAM等进行管理与控制。ARM处理器的程序存储器、数据存储器、寄存器和输入输出端口被组织在同一个4GB的线性地址空间内，即存储器与I/O采用统一编址。并且数据字以小端格式存放在存储器中。一个字的最低地址字节被认为是该字的最低有效字节，而最高地址字节是最高有效字节。可访问的存储器空间被分成8个主要块(block0~block7)，每个块为512MB。典型ARMCortex-M3微控制器STM32F10x系列存储器分布如表4.1所示。4.6存储器接口设计地址范围用途描述0x00000000-0x1FFFFFFF程序存储器区域Flash，block0(512MB）

0x20000000-0x3FFFFFFF数据存储器区域SRAM，block1(512MB)0x40000000-0x5FFFFFFF连接在APB1、APB2以及AHB上所有片上外设片上外设，block2(512MB)0x60000000-0x7FFFFFFF未使用未使用，block3(512MB)0x80000000-0x9FFFFFFF未使用未使用，block4(512MB)0xA0000000-0xBFFFFFFF未使用未使用，block5(512MB)0xC0000000-0xDFFFFFFF未使用未使用，block6(512MB)0xE0000000-0xEFFFFFFFM3内核外设M3内核外设，block7(512MB)STM32F10xARMCortex-M3微控制器地址分布片内存储器是指嵌入式处理器内部已经嵌入了的存储器，包括Cache(高速缓冲存储器)、Flash、E2PROM和SRAM。嵌入式微处理器内部大都集成了Cache，有的将数据Cache(D_Cache)与指令Cache(I_Cache)分离，以减小访问外部存储器的次数，提高处理速度。在嵌入式微控制器内部都集成了Flash以便存储程序，集成了SRAM以存储数据，也有许多嵌入式微控制器内部集成E2PROM或FRAM，以存储设置参数或采集的数据并在掉电时信息不至丢失。片内存储器对于内置Flash不能满足系统需求或内部没有Flash的嵌入式处理器，必须进行外部存储器的扩展。外部存储器的扩展是靠ARM内核提供的高带宽外部存储器控制器接口完成的。不同内核的ARM芯片，其外部存储器控制接口所支持的外部存储器的容量大小有差别，但原理都是一样的。(1)片外程序存储器。片外程序存储器目前主要使用NORFlash和NANDFlash。(2)片外数据存储器。嵌入式系统使用的外部数据存储器有SDRAM、DDR/DDR2/DDR3/DDR4等。片外存储器基于Flash的闪存卡(FlashCard)是利用闪存技术存储信息的存储设备，一般应用在数码相机、掌上电脑、MP3等小型嵌入式数码产品中作为外部存储介质。它如同一张卡片，所以称之为闪存卡或存储卡。根据不同的生产厂商和不同的应用，闪存卡大概有SM(SmartMedia)卡、CF(CompactFlash)卡、MMC(MultiMediaCard)卡、SD(SecureDigitalCard)卡、记忆棒(MemoryStick)、XD卡(XDPictureCard)、U盘(USBflash