1、第十章 基于ARM微處理器的硬件系統設計5學時1第十章 基于ARM微處理器的硬件系統設計10.1 基于ARM微處理器的系統設計概述（理解）10.2 S3C2440A微處理器（了解）S3C2440A微處理器簡介S3C2440A內部結構及主要特性S3C2440A外部引腳10.3 ARM微處理器最小硬件系統（掌握）電源模塊時鐘模塊復位模塊JTAG調試接口外部存儲器模塊2第十章 基于ARM微處理器的硬件系統設計10.4 人機交互接口鍵盤與LED接口（掌握）LCD顯示接口（理解）觸摸屏接口（理解）10.5 通信接口串行通信接口（掌握）其他通信接口（理解）310.1 基于ARM微處理器的系統設計概述ARM

2、微處理器有多種內核結構，還有多種多樣的內部功能配置組合，所以在設計一個系統時選擇最合適的ARM芯片是非常重要的。 一些主流的ARM9處理器芯片如：飛思卡爾：MC9328MX27三星：S3C2440A Atmel公司：AT91SAM9263 意法半導體：STR91x 恩智浦半導體：LPC2000 系列4三星公司推出的基于ARM內核的微處理器主要面向消費類便攜式設備,為手持設備和一般應用提供了高性價比和高性能的微控制器解決方案。包括：采用ARM7TDMI內核的S3C44B0和S3C3410采用ARM926EJ-S內核的S3C2412，S3C2413，S3C2416，S3C2450和S3C24A0采

3、用ARM920T內核的S3C2410，S3C2440，S3C2442和S3C2443采用ARM1176JZF內核的S3C6400等三星公司采用ARM內核的微處理器主要按照應用來劃分，如通用型32位MCU主要采用ARM7TDMI內核，面向CAN/LIN總線、以太網、發動機控制和RFID等應用場合。 10.2 三星公司的ARM微處理器芯片5三星公司的S3C2440A采用ARM920T內核，實現了MMU，AMBA總線和哈佛架構的高速緩沖體系結構。在高速緩存方面采用了獨立的16 KB的I-cache和16 KB的D-cache。采用0.13 m CMOS工藝標準宏單元和存儲器單元，其低功耗、簡潔的結構

4、和全靜態電路設計特別適合對成本和功耗敏感的應用。為了降低整機系統的成本，提供了各類豐富的功能模塊，在系統設計中無需配置額外的外部組件。 6 飛思卡爾公司的ARM微處理器芯片美國飛思卡爾公司采用ARM內核的微處理器命名為i.MX系列，該系列主要包含以下子系列：i.MXS，i.MXL，i.MX1，i.MX21，i.MX27，i.MX31，i.MX35，i.MX37、i.MX51等該系列微處理器主要應用于智能手機、便攜式多媒體播放器、便攜式導航設備、視頻監控、銷售終端機系統和條碼掃描儀等消費類、工業、健康等領域的產品。除i.MX系列微處理器以外，飛思卡爾公司還有少數其他產品也采用了ARM內核，例如適

5、用于便攜式多媒體播放器和導航設備的STMP37XX系列產品。7飛思卡爾公司的i.MX27采用ARM926EJ-S內核，一級指令緩存和數據緩存各有16KB集成了16通道DMA和ETM實時調試接口AHB總線采用了63多層交叉開關（MAX），支持多個并行事項，改善總線的有效吞吐量。其外部存儲器接口可以支持16/32位SDRAM或DDR存儲器、8/16位NAND flash存儲器和PSRAM。8Atmel公司的ARM微處理器芯片美國Atmel公司繼成功推出AT89系列（兼容MCS-51）和AT90系列(RISC)單片機后，采用業界流行的ARM內核推出了更強的32位AT91系列微控制器。該系列主要包含以

6、下子系列：AT91M42800A，AT91M55800AAT91RM9200，AT91SAM7AAT91SAM7L(低功耗)，AT91SAM7SAT91SAM7SE，AT91SAM7XAT91SAM9，AT91SAM9XE和AT91X40AT91系列微控制器使用高密度CMOS技術，集成了ARM內核和大量的Flash存儲器、片內RAM和各種外圍功能模塊，為許多需要加強運算的嵌入式應用提供了高度靈活且性價比高的解決方案。9Atmel公司的AT91SAM9263基于ARM926EJ-S內核的32位微處理器帶MMU存儲器管理單元，支持DSP擴展指令和JAVA硬件加速，當運行在200MHz時擁有220M

7、IPS的運算性能AT91SAM9263具備兩組獨立的外部存儲器總線EBI0和EBI1，可以連接多種內存設備和大容量IDE硬盤設備內部嵌有LCD控制器，可支持2D圖形加速、雙通道DMA和圖像傳感器接口集成了多種標準外設接口，例如USART，SPI，TWI，定時計數器，PWM，多媒體卡接口和CAN控制器等10意法半導體公司的ARM微處理器芯片意法半導體有限公司(STMicroelectronics)是全球最大的半導體公司之一。其采用ARM內核的微處理器主要包括三個系列：采用Cortex-M3內核的STM32系列、采用ARM7TDMI內核的STR7系列和采用ARM966E-S內核的STR9系列。ST

8、M32系列產品得益于Cortex-M3在架構上進行的多項改進，包括性能和代碼密度同時得以提升的Thumb-2指令集，大幅度提高的中斷響應，而且所有新功能都同時具有業界最優的功耗水平。STR7系列產品融合了16位和32位產品的優勢，適合嵌入式控制應用，如工業控制、工廠自動化、銷售終端設備、醫療和測試設備以及電信和消費電子應用等。STR9系列結合了ARM9E處理器內核和通用閃存，并加入了聯網功能，使實現各種要求苛刻的應用變得更加簡單和廉價。11意法半導體公司的STR91x采用96 MHz ARM966E-S內核，帶有單周期的DSP指令和與介質無關的聯網功能；大容量存儲器可滿足復雜的應用、實時操作系

9、統(RTOS)、通信協議棧和數據存儲的需求；雙體閃存是實現在線編程(IAP)和E2PROM仿真的理想結構。 具有優化DMA數據流的10/100 M以太網接口；支持USB，CAN，SPI，I2C，UART/IrDA和多個計時器，最多80個5 V兼容的GPIO；帶有10位ADC并具有全方位的CPU監控功能；靈活的功耗和時鐘管理功能，具有多種低功耗模式和帶鬧鐘功能的低功耗實時時鐘。12恩智浦半導體的ARM微處理器芯片恩智浦半導體由飛利浦在 50 多年前創立。恩智浦提供半導體、系統解決方案和軟件，為電視、機頂盒、智能識別應用、手機、汽車以及其他形形色色的電子設備提供更好的感知體驗。恩智浦半導體基于AR

10、M7的LPC2000 為32 位微控制器設定了新的性價比，包括LPC213x，LPC214x、LPC2101/2/3等系列， 采用了0.16-0.18 m工藝更高性能產品系列(LPC2300,LPC2400,LPC2800)采用了0.14um工藝13恩智浦半導體的LPC2000ARM7TDMI-S內核三級流水線馮諾依曼架構T: Thumb指令集D: Debug擴展M: 增強的乘法指令(32B x 8B - 64B)I: 內核帶有EmbeddedICE邏輯功能擴展S: 軟核高速嵌入式Flash豐富的外設資源UART, SPI, I2C, CAN, USB, ethernet等工業級芯片工作溫度范

11、圍: 40C+85C / +105C豐富開發工具支持高性能, 低價格14ARM芯片的選型性能參數的考慮ARM核版本工作頻率內部存儲器容量電源控制DSP協處理器功耗外設接口的考慮USB接口RTCGPIO數量其他因素芯片封裝的選擇芯片的封裝有很多種類型，如：DIP、QFP、PGA、BGA等在散熱性能、信號完整性特性、體積大小等方面的要求1510.3 ARM微處理器最小硬件系統ARM微處理器；電源模塊，包括CPU內核和I/O接口電源電源；時鐘模塊，包括系統主時鐘和實時時鐘；復位模塊，包括系統上電復位、手動復位和內部復位；存儲器模塊，包括程序保存存儲器（FLASH）和程序運行存儲器（SDRAM）；JT

12、AG調試接口模塊。 最小硬件系統通常是指以嵌入式處理器為核心，包含電源、時鐘和復位等保障處理器正常工作的基本硬件電路 。16S3C2440A最小硬件系統：電源模塊電源模塊是系統工作的能量來源，其電壓、紋波、內阻和驅動能力等性能直接影響到系統工作的穩定性，因此電源模塊在系統設計中至關重要。電源電壓一定要在系統需求的范圍之內電源的驅動能力一定要能滿足整個系統的功率需求電源紋波和電路干擾的處理在設計PCB時需要對模擬電源和數字電源進行物理上的隔離1718S3C2440A最小硬件系統：時鐘模塊時鐘模塊為系統提供同步工作信號，其穩定性直接關系到系統的工作穩定性。在ARM嵌入式系統中通常包括頻率較高的系統

13、主時鐘和頻率較低的實時時鐘。時鐘經內部鎖相環后得到四組時鐘信號：FCLK：ARM920T內核HCLK：AHB總線、存儲器控制器、中斷控制器、LCD控制器、DMA控制器和USB主機模塊PCLK：訪問APB總線的外設，如WDT，I2S，I2C，PWM定時器，MMC接口，ADC，UART，GPIO，RTC和SPI等模塊UCLK：USB模塊需要的48 MHz時鐘1920S3C2440A最小硬件系統：復位模塊系統上電復位、手動復位和內部復位一般來說系統對外部復位信號波形有一定的要求，若不能滿足要求(例如持續時間過短)，則系統將不能正常工作。 21存儲器模塊為系統程序的保存和運行提供空間，在系統設計中主要

14、根據處理器的存儲器接口選擇合適的存儲器芯片（存儲類型、容量、速度和接口類型 ）ARM最小系統中的存儲器通常包括存放程序的NAND Flash和用于程序運行的SDRAM。存儲器模塊通常掛接在ARM芯片的局部總線上(外部三總線)。S3C2440A最小硬件系統：存儲器模塊22“Steppingstone”為系統從外部Flash存儲器引導提供支持23使用16位存儲芯片構造32位寬存儲器系統24ARM微處理器一般都采用JTAG作為基本調試接口nTRST，TMS，TCK，TDI和TDOS3C2440A最小硬件系統：調試接口2510.4 人機交互接口 人機交互接口主要用于人與設備之間的信息交換，通常包括用于

15、信息輸入的鍵盤、觸摸屏，以及信息輸出的各類顯示設備。 以S3C2440A的相關接口為例介紹各類接口硬件結構與使用：鍵盤與LED接口LCD顯示接口觸摸屏接口26鍵盤與LED接口按鍵和LED是最常用的兩種輸入輸出器件，使用它們可以實現簡單的信號輸入和輸出，在嵌入式系統中有重要用途。這類簡單外設與處理器進行連接時，通常有兩種方式：一是使用處理器的GPIO直接控制，由處理器運行相應軟件來實現所需功能；二是使用專用的控制芯片來獲取按鍵信息以及驅動顯示。GPIO(General Purpose Input)可以實現任何一般用途的信號輸入/輸出。ARM處理器芯片的大部分引腳都可以通過設定相應的控制寄存器實現

16、基本的GPIO功能，并可編程設置信號方向、電平上拉/下拉等功能。27在S3C2440A中共有130個多功能I/O引腳，這些引腳除了可以作為某個特殊功能使用外，均可以配置成GPIO模式，并分為以下八組：Port A(GPA)：25個輸出端口Port B(GPB)：11個輸入/輸出端口Port C(GPC)：16個輸入/輸出端口Port D(GPD)：16個輸入/輸出端口Port E(GPE)：16個輸入/輸出端口Port F(GPF)：8個輸入/輸出端口Port G(GPG)：16個輸入/輸出端口Port H(GPH)：9個輸入/輸出端口Port J(GPJ)：13個輸入/輸出端口GPIO28例

17、10.1：使用S3C2440A的端口G的第47引腳驅動四個LED，并點亮GPG4引腳的LED。29每組GPIO端口均有各自的寄存器組，主要包括端口配置寄存器（GPxCON）、端口數據寄存器（GPxDAT）、端口上拉寄存器（GPxUP）。寄存器名地址讀寫屬性功能復位值GPGCON0 x56000060可讀可寫配置引腳功能為輸入/輸出/其他0 x00GPGDAT0 x56000064可讀可寫G端口數據寄存器未定義GPGUP0 x56000068可讀可寫上拉配置寄存器低電平0有效0 xFC0030G端口共有16個GPIO引腳，寄存器GPGCON寬度為32位，每個引腳的功能各由2位來選擇控制，第4引腳

18、的控制位如下：GPGCON寄存器位功能選擇GPG715:1400=輸入 01=輸出10=EINT15 11=保留GPG613:1200=輸入 01=輸出10=EINT14 11=保留GPG511:1000=輸入 01=輸出10=EINT13 11=保留GPG49:800=輸入 01=輸出10=EINT12 11=保留31寄存器GPGDAT和GPGUP寬度均為16位，各引腳按其編號與相應的寄存器位對應。GPGDAT中存放的即為需要輸出的數據，根據硬件電路連接圖可知，要將第4引腳LED點亮，則對應的引腳應輸出低電平，所以寄存器GPGDAT中的7:4位應設置為二進制值1110。本例中端口為輸出功能，

19、因此寄存器GPGUP中對應各位均設置為1，將上拉電阻斷開。32GPGCONEQU0 x56000060GPGDATEQU0 x56000064GPUPEQU0 x56000068；配置GPGCON寄存器，設置相關引腳為輸出功能LDRR0, =GPGCON LDRR1, R0 BICR1, R1, #0 x0000FF00 ORRR1, R1, #0 x00005500 STRR1, R0；配置GPGUP寄存器，斷開各上拉電阻LDRR0, =GPGUPLDRR1, R0ORRR1, R1, #0 x00F0STRR1, R0；輸出驅動數據，點亮GPG4引腳對應的LEDLDRR2, =GPGDAT

20、LDRR3, R2ORRR3, R3, #0 x00F0BICR3, R3, #0 x0010STRR3, R233使用GPIO的問題：按鍵或LED數量較大時，由于處理器GPIO數量有限，無法滿足硬件電路設計需求；采用GPIO的驅動方式需要CPU執行軟件來完成相應的功能，需占用大量的處理器時間，在多任務系統中很難滿足實時性要求。采用專用的控制芯片來驅動鍵盤及數碼管直接驅動數碼管/同時掃描管理多個按鍵/內含有顯示譯碼器有多種控制指令，如消隱、閃爍、左移、右移、段尋址等。通常采用I2C等串行總線與系統連接專用控制芯片34在嵌入式系統中常用的LCD產品主要有兩種：一種是帶有驅動電路的LCD顯示模塊；

21、另一種則僅是LCD顯示屏，沒有驅動電路，需要與驅動電路配合使用。在常見的ARM處理器芯片中，通常都帶有LCD控制器，可以直接驅動多種LCD顯示屏。S3C2440A中的LCD控制器模塊，可以直接與STN或TFT等多種不同分辨率的單色/彩色LCD連接，具有將顯示緩存（在系統存儲器中）中的LCD圖象數據傳輸到外部LCD 驅動電路的邏輯功能，驅動其完成各類數據的顯示。LCD顯示接口35按照觸摸屏的工作原理和感應觸摸信息的介質來分，常見的觸摸屏有四類：電阻式電容式紅外線式表面聲波式觸摸屏接口電阻屏根據引出線數多少，可分為四線、五線、六線等多線電阻觸摸屏。36S3C2440A處理器中內置了A/D轉換器，并

22、提供了一個專用的四線電阻式觸摸屏接口，此接口引出了四根信號線XP，XM，YP，YM，分別對應觸摸屏上的X，X，Y，Y，因此在硬件接口設計上十分簡潔。3710.5 通信接口 通信接口通常用于嵌入式設備與其他設備進行信息交換，由于各類設備性能指標差異巨大，要實現信息的傳遞需要進行速率、電平、時序、信息格式等多方面的轉換和匹配，所以該類接口種類十分豐富。串行通信SCI接口其他通信接口38S3C2440中的UART模塊39接口初始化：ULCON、UCON、UFCON、UMCON、UBRDIV數據傳遞：UTRSTAT、UFSTAT、UTXH、URXH接收錯誤狀況：UERSTATS3C2440A中UART

23、0的相關寄存器40問題：請歸納總結上述串口的端口寄存器的復用功能及每個位的含義。例10.2：UART0采用查詢方式進行數據通信，要求使用8位數據位，1位停止位，奇校驗，傳輸速率115200bps，不使用FIFO，關閉流控制，處理器外設時鐘PCLK=66.68MHz。步驟1：接口初始化設置幀格式、時鐘來源、收發模式、中斷配置、FIFO的使用、波特率計算等步驟2：數據傳遞：可選擇使用查詢方式或中斷方式傳遞41主要用于幀格式配置ULCON0=0 x23步驟1：UART0的初始化配置ULCON0線路控制寄存器42主要用于時鐘源選擇、收發模式、中斷配置等UCON0=0 x0005步驟1：UART0的初始

24、化配置UCON0控制寄存器43主要用于使能FIFO及相關參數配置UFCON0=0 x00步驟1：UART0的初始化配置UFCON0 FIFO控制寄存器44主要用于設置UART模塊與Modem相關參數UFCON0=0 x00步驟1：UART0的初始化配置UMCON0調制解調器控制寄存器45步驟1：UART0的初始化配置UBRDIV0波特率控制寄存器UBRDIV= int (UART時鐘頻率/(波特率16) ) 1采用66.68MHz的PCLK作為時鐘源，為得到115200bps的速率，則：UBRDIV= int (66.68M/(11520016) ) 1 =int(36.176) 1=35實際

25、波特率=UART時鐘頻率/(UBRDIV+1)16) =66.68M/(35+1) 16)115764bps實際的工作速率與理論值之間存在偏差：(115764 115200)/115200100% = +0.49%46初始化程序段ULCON0EQU0 x50000000UCON0EQU0 x50000004UFCON0EQU0 x50000008UMCON0EQU0 x5000000CUBRDIV0EQU0 x50000028LDRR2, =ULCON0；配置ULCON0寄存器MOVR3, #0 x23STRBR3, R2LDRR2, =UCON0；配置UCON0寄存器MOVR3, #0 x05STRHR3, R2LDRR2, =UFCON0；配置UFCON0寄存器MOVR3, #0 x00STRR3, R2LDRR2, =UMCON0 ；配置