《单片机及嵌入式系统原理》-嵌入式部分课件 13ARM硬件系统设计

13ARM硬件设计13ARM硬件设计（1）硬件的选择（2）嵌入式硬件系统的结构（3）STM32芯片概述（4）单元电路设计（5）STM32最小系统（6）硬件电路板设计注意事项（7）硬件电路的调试

（1）操作系统如果希望使用WinCE或Linux等操作系统，就需要选择ARM720T以上带有MMU（MemoryManagementUnit：内存管理单元）功能的ARM芯片，如ARM720T、Strong-ARM、ARM920T、ARM922T、ARM946T都带有MMU功能，

而ARM7TDMI没有MMU，不支持WindowsCE和大部分的Linux，但目前有uClinux等少数几种Linux不需要MMU的支持。13.1.1CPU的选择（2）处理速度

系统时钟决定了ARM芯片的处理速度，ARM7的处理速度为0.9MIPS（MillionInstructionperSecond，每秒百万条指令），常见的ARM7芯片系统主时钟为20MHz-133MHz；ARM9的处理速度为1.1MIPS，常见的ARM9的系统主时钟为100MHz-233MHz；ARM10最高可以达到700MHz。13.1.1CPU的选择（3）内部资源内置存储器：

在不需要大容量存储器时，可以考虑选用有内置存储器的ARM芯片。USB控制器：许多ARM芯片内置有USB控制器，有些芯片甚至同时有USBHost和USBSlave控制器。13.1.1CPU的选择（3）内部资源GPIO:另一需要考虑的因素是通用I/O口（GPIO）的数量，在某些芯片数据手册中，一般介绍的是最大可能的GPIO引脚，但是有许多引脚是和地址线、数据线、控制线等引脚复用的，这样在系统设计时需要计算实际可以使用的GPIO数量。13.1.1CPU的选择（3）内部资源LCD:有些ARM芯片内置LCD控制器，有的甚至内置64K彩色TFTLCD控制器。

在设计PDA和手持式显示记录设备时，选用内置LCD控制器的ARM芯片如S3C2410较为适宜。IIS:如果设计音频应用产品，IIS总线接口是必需的。13.1.1CPU的选择（3）内部资源PWM有些ARM芯片有2～8路PWM输出，可以用于电机控制或语音输出等场合。ADC/DAC有些ARM芯片内置2～8通道8～12位通用ADC，可以用于需要进行模/数转换的场合，如电池检测、触摸屏和温度监测等。Philips的SAA7750更是内置了一个16位立体声音频ADC和DAC，并且带耳机驱动。13.1.1CPU的选择（3）内部资源外部中断控制器:通常情况下，ARM内核只提供快速中断（FIQ）和标准中断（IRQ）两个中断向量。

但各个半导体厂家（如三星、菲利蒲、摩托罗拉等）在利用ARM公司的内核设计芯片时，加入了自己的中断控制器，以便支持诸如串行口、外部中断、时钟中断等硬件中断。

外部中断控制是选择芯片必须考虑的重要因素，合理的外部中断设计可以很大程度地减少任务调度工作量。例如菲利蒲公司的SAA7750，所有GPIO都可以设置成FIQ或IRQ，并且可以选择升沿、下降沿、高电平、低电平四种中断方式。这使得红外线遥控接收和键盘等任务都可以作为后台程序运行。而CirrusLogic公司的EP7312芯片，只有4个外部中断源，并且每个中断源都只能是低电平或高电平中断，这样在用于接收红外线信号的场合时，就必须用查询方式，会浪费大量CPU时间。所以在选择处理器时需要考虑这些因素。13.1.1CPU的选择（3）内部资源RAM扩展接口：大部分ARM芯片具有外部SDRAM和SRAM扩展接口，不同的ARM芯片可以扩展的芯片数量（即片选线数量）不同，外部数据总线有8位、16位或32位。某些特殊应用ARM芯片如德国Micronas的PUC3030A没有外部扩展功能，这也是在微处理器选择时需要考虑的因素。13.1.1CPU的选择（3）内部资源串行通信：几乎所有的ARM芯片都具有1～2个UART接口，可以用于和PC机通讯或用Angel进行调试。一般的ARM芯片通讯波特率设置为115,200bps，少数专为蓝牙技术应用设计的ARM芯片的UART通讯波特率可以达到920Kbps，如Linkup公司L7205。13.1.1CPU的选择13.1.2外围芯片的选择（1）电源的选择在嵌入式系统中，通常需要使用5V和3.3V的直流稳压电源，其中微处理器及部分外围器件需3.3V电源，其他一些部分器件需5V电源。常见的情况是从外接220V的交流电经过变压、整流后成5V的电压，通过DC-DC转换芯片可完成5V到3.3V的转换。

（2）存储器的选择---Flash

Flash存储器是一种可在系统（ISP：InSystemProgram）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。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ATMEL、AMD、HYUNDAI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，因此彼此可通用。13.1.2外围芯片的选择（3）存储器的选择---SDRAM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0x0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。13.1.2外围芯片的选择（3）存储器的选择---SDRAMSDRAM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。一些ARM芯片在片内具有独立的SDRAM刷新控制逻辑，可方便的与SDRAM接口。

但某些ARM芯片则没有SDRAM刷新控制逻辑，就不能直接与SDRAM接口，在进行系统设计时应注意这一点。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，因此彼此可通用。13.1.2外围芯片的选择（4）网络接口芯片的选择从硬件的角度看，以太网接口电路构成：（1）MAC（MediumAccessControl）控制器（2）物理层接口（PhysicalLayer，PHY）目前常见的以太网接口芯片，如RTL8019、RTL8029、RTL8039、CS8900、DM9008等，其内部结构也主要包含这两部分。13.1.2外围芯片的选择（4）网络接口芯片的选择某些ARM芯片如三星的S3C4510B，内嵌一个以太网控制器。因此，S3C4510B内部实际上已包含了以太网MAC控制，但并未提供物理层接口，因此需外接一片带物理层接口的芯片以提供以太网的接入通道常用的单口10M/100Mbps高速以太网物理层接口器件主要有RTL8201、DM9161等，均提供传统网络接口，可方便地与S3C4510B连接。13.1.2外围芯片的选择（4）网络接口芯片的选择以太网物理层接口器件主要功能一般包括：物理编码子层、物理媒体附件、双绞线物理媒体子层、10BASE-TX编码/解码器和双绞线媒体访问单元等。某些芯片如三星的S3C44B0，没有网络接口，因此需要外接带MAC控制接口和物理层接口的芯片如RTL8029、RTL8039等。13.1.2外围芯片的选择13ARM硬件设计（1）硬件的选择（2）嵌入式硬件系统的结构（3）STM32芯片概述（4）单元电路设计（5）STM32最小系统（6）硬件电路板设计注意事项（7）硬件电路的调试13.2嵌入式硬件系统的结构典型嵌入式系统的体系结构典型嵌入式系统硬件组成13ARM硬件设计（1）硬件的选择（2）嵌入式硬件系统的结构（3）STM32芯片概述（4）单元电路设计（5）STM32最小系统（6）硬件电路板设计注意事项（7）硬件电路的调试13.3STM32芯片概述处理器名字架构版本号存储器管理特性其它特性ARM7TDMIv4TARM7TDMI‐Sv4TARM7EJ‐Sv5EDSP,JazelleARM920Tv4TMMUARM922Tv4TMMUARM926EJ‐Sv5EMMUDSP,JazelleARM946E‐Sv5EMPUDSPARM966E‐Sv5E

DSPARM968E‐Sv5E

DMA,DSPARM966HSv5EMPU（可选）DSPARM1020Ev5EMMUDSPARM1022Ev5EMMUDSPARM1026EJ‐Sv5EMMU或

MPUDSP,JazelleARM1136J(F)‐Sv6MMUDSP,JazelleARM1176JZ(F)‐Sv6MMU+TrustZoneDSP,JazelleARM11MPCorev6MMU+多处理器缓存DSPARM1156T2(F)‐Sv6MPUDSPCortex‐M3v7‐MMPU（可选）NVICCortex‐R4v7‐RMPUDSPCortex‐R4Fv7‐RMPUDSP+浮点运算Cortex‐A8v7‐AMMU+TrustZoneDSP,JazelleSTM32F103ZET6特性集成32位的ARMCortex-M3内核，最高工作频率可达72MHz，计算能力为1.25DMIPS/MHz（Dhrystone2.1），具有单周期乘法指令和硬件除法器具有512kB片内FLASH存储器和64kB片内SRAM存储器；内部集成了8MHz晶体振荡器，可外接4∽16MHz时钟源；2.0V∽3.6V单一供电电源，具有上电复位功能（POR）；具有睡眠、停止、待机等三种低功耗工作模式；144管脚LQFP封装（薄型四边引线扁平封装）；内部集成了11个定时器：4个16位的通用定时器，2个16位的可产生PWM波控制电机的定时器，2个16位的可驱动DAC的定时器，2个加窗口的看门狗定时器和1个24位的系统节拍定时器（24位减计数）;STM32F103ZET6特性2个12位的DAC和3个12位的ADC（21通道）；集成了内部温度传感和实时时钟RTC；具有112根高速通用输入输出口（GPIO），可从其中任选16根作为外部中断输入口，几乎全部GPIO可承受5V输入（PA0∽PA7、PB0∽PB1、PC0∽PC5、PC13∽PC15和PF6∽PF10除外）；集成了13个外部通信接口：2个IIC、3个SPI（18Mbps，其中复用2个I2S）、1个CAN（2.0B）、5个UART、1个USB2.0设备和1个并行SDIO；具有12通道的DMA控制器，支持定时器、ADC、DAC、SDIO、I2S、SPI、I2C和UART外设；具有96位的全球唯一编号；工作温度为－40∽85℃STM32F103ZET6结构框图引

脚

定

义144LQFP引脚的信号描述13ARM硬件设计（1）硬件的选择（2）嵌入式硬件系统的结构（3）STM32芯片概述（4）单元电路设计（5）STM32最小系统（6）硬件电路板设计注意事项（7）硬件电路的调试13.4单元电路设计在硬件系统的设计中，应当注意芯片引脚的类型，STM32（也包括其他的微处理器）的引脚主要分为三类：

输入（I）、输出（O）、输入/输出（I/O）：某些输入类型的引脚，其电平信号的设置是微处理器本身正常工作的前提，在系统设计时必须小心处理。输出类型的引脚主要用于微处理器对外设的控制或通信，由微处理器主动发出，这些引脚的连接不会对微处理器自身的运行有太大的影响。输入/输出类型的引脚主要是微处理器与外设的双向数据传输通道。13.4.1电源电路在系统中，需要使用5V、3.3V和2.5V的直流稳压电源。为了提高供电的稳定性和可靠性，通常采用集成线性稳压电源对CPU和外围电路供电。CPU内核工作需要供给的+2.5V

电源采用LM1117－2.5产生，CPU的I/O和外设工作所需要的+3.3V电源是采用LM1117－3.3产生，其他的外围芯片如串行口接口电路、PS/2键盘接口电路以及93C46IIC接口芯片等需要5V的直流电源，5V的直流电源由外部直接提供。13.4单元电路设计13.4.1电源电路13.4.1电源电路备用电源模块3V13.4.1电源电路ADC转换模块电源VDDA和AD转换参考电源VREF+均取自系统3.3V主电源，VREF-及VSSA接地。13.4.2晶振电路RTC晶振主晶振13.4.3看门狗与复位电路硬件看门狗(WDT,WATCHDOGTIMER)是利用了一个定时器，来监控主程序的运行也就是说在主程序的运行过程中，CPU要在定时时间到来之前对定时器进行复位(喂狗)如果出现死循环，或者说PC指针不能回来。那么定时时间到达后，如果CPU还没有产生喂狗信号给WDT，WDT就会输出信号使CPU复位。嵌入式系统中两类看门狗：

1、CPU内部自带的看门狗：将一个芯片中的定时器来作为看门狗，通过程序的初始化，写入初值，设定溢出时间，并启动定时器。程序按时对定时器赋初值（或复位），以免其溢出。

优点：可以通过程序改变溢出时间；可以随时禁用

缺点：需要初始化；如果程序在初始化、启动完成前跑飞或在禁用后跑飞，看门狗就无法复位系统，这样看门狗的作用就没有了，系统恢复能力降低。嵌入式系统中两类看门狗：

2、独立的看门狗芯片：这种看门狗主要有一个用于喂狗的引脚（一般与CPU的GPIO相连）和一个复位引脚（与系统的RESET引脚相连），如果没有在一定时间内改变喂狗脚的电平，复位引脚就会改变状态复位CPU。此类看门狗一上电就开始工作，无法禁用。

优点：无须配置，上电即用。无法禁用，系统必须按时喂狗，系统恢复能力高。

缺点：无法灵活配置溢出时间，无法禁用，灵活性降低。硬件看门狗与复位电路中，按键S1是手动复位按键，ADM706TAR芯片的第7脚周期性的按设定的时间间隔检查该引脚的输入信号，如果CPU在规定的时间内没有输入高电平（又称为喂狗），则说明程序跑飞了，ADM706TAR的第6脚便产生一个复位信号，使CPU复位。复位电路STM32低电平复位此电路可以实现上电复位和按键复位启动设置电路可以通过跳线帽来设置B00T0引脚和B00T1引脚的电平状态。13.4.4存储单元电路BANK0BANK1BANK2BANK3BANK4BANK5BANK6BANK7ARM7存储空间STM32存储空间13.4.5串行接口电路USB转串口至USB口13.4.6JTAG接口电路13.4.6JTAG接口电路13.4.7IIC接口电路引脚名称描述6SCL串行时钟5SDA串行数据7WP数据保护，通常接地1、2、3A0、A1、A2地址位，并行寻址，串行通信时接地IIC扩展EEPROM存储器通过IIC接口外扩EEPROM------持续保留重要数据和保存系统配置信息13.4.8网络接口电路

从硬件的角度看，以太网接口电路两大部分:MAC（MediumAccessControl）控制器物理层接口（PhysicalLayer，PHY）13.4.8网络接口电路

目前常见的以太网接口芯片分为两类：芯片内含MAC控制器和物理层接口的，如RTL8019、RTL8029、RTL8039、CS8900、DM9008等；芯片内仅含有物理层接口的，如RTL8201、DM9161等。13.4.8网络接口电路

部分嵌入式CPU，如S3C4510B，芯片内嵌一个以太网控制器，支持媒体独立接口（MediaIndependentInterface，MII）和带缓冲DMA接口（BufferedDMAInterface，BDI）。S3C4510B内部实际上已包含了以太网MAC控制，但并未提供物理层接口，因此，需外接一片物理层芯片以提供以太网的接入通道。常用的10M/100Mbps高速以太网物理层接口器件主要有RTL8201、DM9161等，均提供MII接口和传统7线制网络接口，可方便的与S3C4510B接口。13.4.8网络接口电路部分嵌入式芯片，如S3C44B0，内部不含以太网控制器，需要外接内部包括MAC控制器和物理层接口的网络接口芯片，如RTL8019、RTL8029、RTL8039、CS8900、DM9008等。13ARM硬件设计（1）硬件的选择（2）嵌入式硬件系统的结构（3）STM32芯片概述（4）单元电路设计（5）STM32最小系统（6）硬件电路板设计注意事项（7）硬件电路的调试5913.5STM32最小系统STM32+电源电路+晶振电路+复位电路+JTAG/SWD接口电路可构成真正意义上的最小系统程序可运行于STM32内部的FLASHROM中,也可运行于RAM中程序大小受限，只能通过JTAG/SWD接口调试程序60STM32扩展系统STM32最小系统+必要的接口电路可构成一个完全的嵌入式系统，进而构成了具体的STM32应用系统13ARM硬件设计（1）硬件的选择（2）嵌入式硬件系统的结构（3）STM32芯片概述（4）单元电路设计（5）STM32最小系统（6）硬件电路板设计注意事项（7）硬件电路的调试6213.6印刷电路板设计注意事项STM32的片内工作频率为72MHz，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。63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左右的电容，可以很好地滤除高频噪声的影响。13.6印刷电路板设计注意事项滤波退耦64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）