基于ARM9S3C2410实验开发板的硬件设计计划书.docx
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基于ARM9S3C2410实验开发板的硬件设计计划书
基于ARM9-S3C2410实验开发板的硬件设计计划书
绪论
1.1课题的背景、意义
嵌入式系统是指以应用为核心,以计算机技术为基础,软硬件可裁剪,适
应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗等方面的严格要求的专用计算
机系统。
目前,嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备,如掌上PDA、
移动计算设备、电视机顶盒、手机上网、数字电视、多媒体、汽车、微波炉、
数字相机、家庭自动化系统、电梯、空调、安全系统、自动售货机、蜂窝式电
话、消费电子设备、工业自动化仪表与医疗仪器等。
由于各种新型微处理器的出现和应用的不断深化,嵌入式系统在后PC时代
得到了空前的发展。
随着时间的推移和技术的进步,在工业控制和新兴的手持
式应用等领域,越来越多的产品需要较好的图形界面和较强的数据处理能力,
以及网络、通信、音频、图像等功能,这对嵌入式处理器和嵌入式软件提出了
更高的要求。
在处理器方面,目前大量的中、低端嵌入式应用主要使用8/16位单片机。
在国内,主要是以MCS51核为主的许多不同型号的单片机。
在嵌入式高端应用
领域,像网络设备、图像处理、手机、PDA等主要使用ARM、MIPS、PowerPC、
DSP等16一64位处理器,以32位处理器为主。
各种类型的处理器都有其一定
的针对性。
其中,ARM处理器的性能高、功耗低,适合于用电池供电的便携、
手持式设备。
由于近几年便携、手持式嵌入式应用的高速发展,ARM处理器的
增长速度和市场占有率也快速提升,成为目前32位应用中的主力产品。
ARM公司自成立以来,在32位RISC(ReducedInstructionSetComputer)
CPU开发领域不断取得突破,其结构已经从V3发展到V6。
由于ARM公司自成立
以来,一直以IP(IntelligenceProperty)提供者的身份向各大半导体制造
商出售知识产权,而自己从不介入芯片的生产销售,加上其设计的芯核具有高
性能、低功耗、低成本、小体积等显著优点,在移动计算和普适计算领域具有
无可比拟的优势,因此得到众多的半导体厂家和整机厂商的大力支持,在32位嵌入式应用领域获得了巨大的成功,目前已经占有了32位RISC嵌入式产品市场750/0以上的份额,确立了市场领导地位。
现在设计、生产ARM芯片的半导体生产商己经超过50家,国内多家大公司也已经购买ARM公司的芯核用于通信专用芯片的设计。
采用R工SC架构的ARM微处理器一般具有以下特点:
(1)体积小、低功耗、低成本、高性能;
(2)支持Thumb(16位)/ARM(32位)双指令集;
(3)大量使用寄存器、指令执行速度更快;
(4)大多数数据操作都在寄存器中完成;
(5)寻址方式灵活简单,执行效率高;
(6)指令长度固定。
1.2国内外相关领域研究进展
测控专业本科生学生培养的一个主要目标是训练计算机软硬件基础及应用
能力,即具有自主设计与开发计算机控制系统和数字化核心器件的能力。
为此,
为本科生开设了“单片机原理及课程设计”、“微机系统与接口”等课程。
但随
着嵌入式系统的快速发展,以传统的单片机为基础的数字系统开发课程,逐渐
过渡到内容更为广泛的嵌入式系统教学己成大趋势。
嵌入式系统教学的核心问
题是一个嵌入式的实验平台,包括从硬件、中间件、软件、教学范例以及实验
指导等诸多问题。
但是纵观现在嵌入式教学平台市场,几乎没有哪一家公司会给出全面的技
术文档以及设计细节,更不用说这对本专业而进行的特有设计。
同时这些教学
平台大多以实验箱的形式出现,其硬件系统集成了嵌入式系统开发应用所需的
大部分设备,使得的它的教学平台的功能很强大。
但这样做也有很大的弊端:
一方面,集成大量的外扩设备无疑使整个教学平台的成本增加;另一方面,学
生只能在这个平台上完成特定的实验而不能基于这个平台动手搭建自己的硬件
电路,不利于学生动手能力的培养。
基于以上的原因这个嵌入式实验平台有必要自行开发。
对测控专业的学生
来说,中断服务、时钟控制、串口通信、AD采样、简单的I/0口等实验是基本
的,实验开发板要有能力支持这类相关的实验,同时考虑到学生的动手能力的
培养以及可以进行后续开发等问题,实验开发板不采用实验箱的形式,在尽可
能小的电路板面积上集成通用设备接口的同时引出地址总线、数据总线、中断
控制、AD转换等CPU的大部分信号引脚。
另外,考虑到学生的好动易损坏器件
的特点,在设计实验开发板时,除了要求其具有技术先进性的同时,也考虑了
实验开发板的通用性、经济性和可靠性。
1.3课题内容
嵌入式系统的硬件是以嵌入式微处理器为核心的实验开发板,主要由嵌入式微处理器、总线、存储器、输入/输出接口和设备组成。
本课题正是要设计出基于当前较好的嵌入式微处理器S3C2410的实验开发板,以便为自行设计的嵌入式仪器提供开发板,从而组成完整的嵌入式系统,开发出自己的嵌入式仪器。
本课题的主要内容如下:
(1)ARM9-S3C2410微处理器概述及运用;
(2)辅助设计软件Protel99SE的使用,ARM9-S3C2410开发板的硬件设计;
(3)实验开发板的各个功能模块的设计与介绍;
(4)实验开发板PCB的设计以及相关措施
2ARM微处理器的概述
本章简要介绍了嵌入式系统的基本知识和ARM微处理器的一些基本概念、应用领域及特点。
主要内容包括:
(1)嵌入式系统的基本概念和发展;
(2)嵌入式操作系统的基本概念;
(3)ARM微处理器的应用领域及特点;
(4)ARM微处理器的体系结构。
2.1嵌入式系统简介
嵌入式系统已经广泛应用于各个科技领域和日常生活的每个角落,由于其本身的特性,使得我们很难发现它的存在。
甚至一些从事嵌入式系统开发的科技人员也只知单片机,不知道嵌入式系统。
本节将从嵌入式系统的定义开始,阐述嵌入式系统的含义、特点等。
2.1.1嵌入式系统的定义
嵌入式系统(EmbeddedSystem)从广义上讲,凡是不用于通用目的的可编程计算机设备,就可以算是嵌入式计算机系统。
最典型的嵌入式系统如手机、可视电话等;
狭义上讲,嵌入式系统是指以应用为核心,以计算机技术为基础,软硬件可裁剪,对功能、可靠性、成本、体积和功耗严格要求的专用计算机系统。
根据英国电机工程师协会所做的定义“嵌入式系统是控制、监视或辅助某个设备、机器甚至工厂运行的设备”,嵌入式系统应该具备以下4个特性:
(1)执行特定的功能;
(2)以微处理器与外围设备构成核心;
(3)需要严格的时序与稳定性;
(4)全自动操作。
2.1.2嵌入式系统的组成
由于嵌入式系统是计算机结构中的一个分支,所以它在硬件上的组成与标准的计算机类似,其中最重要的部分也是微处理器。
与标准的计算机结构相同,嵌入式系统中也包含了中央处理器、内存、输入/输出设备,只不过在嵌入式系统里,这里单元以比较特殊的形式存在。
嵌入式系统一般有3个主要的组成部分:
(1)硬件,图2-1给出了嵌入式系统的硬件组成。
其中,处理器是系统运算核心;
存储器(ROM、RAM)用来保存可执行代码,以及中间结果;输入输出设备完成与系统
外部的信息交换;其他部分辅助系统完成功能。
系统专用电路
ROM
RAM
复位及振荡电路
处理器
定时器
串口
并口
中断控制
输入/输出设备接口及驱动电路
图2-1嵌入式系统硬件结构
(2)应用软件,应用软件是完成系统功能的主要软件,它可以由单独的一个任务来实现,也可以由多个并行的任务来实现。
(3)实时操作系统(Real-TimeOperatingSystem,RTOS),该系统用来管理应用软件,并提供一种机制,使得处理器分时的执行各个任务并完成一定的时限要求。
由于小型嵌入式系统可能只完成一个任务,因此不需要操作系统。
而复杂的嵌入式系统一般会利用操作系统来减少开发的工作量,并提高产品的可靠性。
如果系统复杂而且有实时性的要求,则需要实时操作系统来调度多个任务的执行并满足一定的延时要求。
嵌入式系统的关键在于结合系统硬件电路与其特定的软件,以达到系统运行性能成本的最高比。
系统中的硬件设计包括微处理器及存储器电路的设计、网络功能设计及接口电路设计等等。
而嵌入式软件则负责硬件电路的驱动、控制处理,以提高硬件产品的价值,是硬件产品不可缺少的重要部分,它常以固件(Firmware)的形式出现,如控制或驱动程序等[8]。
2.1.3嵌入式系统的特点
作为专用计算机系统的嵌入式系统与通用的计算机系统相比,具有以下几个重要特征:
(1)嵌入式系统通常是面向特定应用。
嵌入式CPU与通用型的最大不同就是嵌入式系统大多工作在为特定用户群设计的系统中,它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点,并且可以满足不同应用的特定需求;
(2)嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计,量体裁衣、去除冗余,力争在同样的硅片面积上实现更高的性能,这样才能完成功能、可靠性和功耗的苛刻要求;
(3)实时操作系统支持。
嵌入式系统的应用程序可以不需要操作系统地支持直接运行,但是为了合理地调度多任务,充分利用系统资源,用户必须自行选配实时操作系统开发平台,这样才能保证程序执行的实时性和可靠性,减少开发时间,保证软件质量;
(4)嵌入式系统与具体应用有机地结合在一起,它的升级换代也是和具体产品同步进行的,因此嵌入式系统产品一旦进入市场,具有较长的生命周期;
(5)为了提高执行速度和系统可靠性,嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中,而不存储于磁盘等载体中;
(6)专门开发工具支持。
嵌入式系统本身不具备自主开发能力,即使在设计完成以后,用户通常也不能对程序功能进行修改,必须有一套开发工具和环境才能进行开发[8]。
2.1.4嵌入式系统的发展
嵌入式系统的发展主要经历了4个阶段。
(1)以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统。
主要特点是:
系统结构和功能相对单一,处理效率较低,存储容量较小,几乎没有用户接口。
(2)以嵌入式CPU为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。
主要特点是:
CPU种类繁多,通用性比较弱;系统开销小,效率高;操作系统达到一定的兼容性和扩展性;应用软件较专业化,用户界面不够友好。
(3)以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。
主要特点是:
嵌入式操作系统等运行于各种不同类型的微处理器上,兼容性好;操作系统内核小,效率高,并且具有高度的模块化和扩展性;具备文件和目录管理、支持多任务、支持网络应用、具备图形窗口和用户界面;具有大量的应用程序接口API,开发应用程序较简单;嵌入式应用软件丰富。
(4)以Internet为标志的嵌入式系统。
这是一个正在迅速发展的阶段。
嵌入式设备与Internet的结合将代表嵌入式系统的未来。
2.2嵌入式操作系统
由于大型嵌入式系统需要完成复杂的功能,所以需要操作系统来完成各任务之间的调度。
由于桌面型操作系统的体积,以及实时性等特性不能满足嵌入式系统的要求,从而促进了嵌入式操作系统的发展。
操作系统(0S,OperatingSystem)的基本思想是隐藏底层不同硬件的差异,在其上运行的应用程序提供一个统一的调用接口。
应用程序通过这一接口实现对硬件的使用和控制,不必考虑不同硬件操作方式的差异。
嵌入式操作系统(EmbeddedOperatingSystem)负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、调度、控制、协调。
它必须体现其所在系统的特征,能够通过加载卸载某些模块来达到系统所要求的功能。
EOS是相对于一般操作系统而言的,它除具备了一般操作系统最基本的功能,如任务调度、同步机制、中断处理、文件处理等外,还有以下特点:
(1)强稳定性,弱交互性:
嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的干预,这就要求复杂系统管理的EOS具有很强的稳定性;
(2)较强的实时性:
EOS实时性一般较强,可用于各种设备的控制当中;
(3)可伸缩性:
开放、可伸缩性的体系结构;
(4)外设接口的统一性:
提供各种设备驱动接口。
嵌入式系统的操作系统核心通常要求体积要很小,因为硬件ROM的容量有限,除了应用程序之外,不希望操作系统占用太大的存储空间。
事实上,嵌入式操作系可以很小,只提供基本的管理功能和调度功能,10KB到20KB以内的嵌入式操作系统比比皆是。
尽管不同的应用场合会产生不同特点的嵌入式操作系统,但都会有一个核心(Kernel)和一些系统服务(SystemService)。
操作系统必须提供一些系统服务供应用程序调用,包括文件系统、内存分配、I/O存取服务、中断服务、任务(Task)服务、时间(Timer)服务等,设备驱动程序(DeviceDriver)则是要建立在I/O存取和中断服务上的。
有些嵌入式操作系统也会提供多种通信协议,以及用户接口函数库等。
根据实时性的差别,应用于嵌入式系统中的嵌入式操作系统,又可分为“实时”和“通用型”两种。
(1)实时操作系统
所谓实时操作系统(Real-TimeOperatingSystem,RTOS),是指操作系统本身要能在一个固定时限内对程序调用(或外部事件)做出正确的反应,亦即对时序与稳定性的要求十分严格。
(2)通用型操作系统
通用型操作系统的执行性能与反应速度比起实时操作系统没有那么严格。
嵌入式操作系统的性能通常取决于核心程序,而核心的工作主要在任务管理(TaskManagement)、任务调度(TaskSchueduling)、进程间的通信(IPC)、内存管理(MemoryManagement)[8]。
2.3ARM处理器
ARM既可以认为是一个公司的名字,也可以认为是对一类微处理器的通称,还可以认为是一种技术的名字。
目前ARM微处理器己广泛应用于工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各个领域。
2.3.1ARM的体系结构
ARM的设计实现了非常小但高性能的结构。
ARM处理器的简单使ARM的内核非常小,这样使器件的功耗也非常低。
ARM是精简指令集计算机(RISC),因为它集成了非常典型的RISC结构特征:
(1)一个大的、统一的寄存器文件;
(2)加载/存储结构,数据处理的操作只针对寄存器的内容,而不直接对存储器进行操作;
(3)简单的寻址模式,所有加载/存储的地址都只由寄存器的内容和指令域决定;
(4)统一和固定长度的指令域,简化了指令的译码。
此外,ARM体系结构还提供:
(1)每一条数据处理指令都对算术逻辑单元(ALU)和移位器进行控制,以实现对ALU和移位器的最大利用;
(2)地址自动增加和自动减少的寻址模式实现了程序循环的优化;
(3)所有指令的条件执行实现了最快速的代码执行。
这些在基本RISC结构上增强的特性使ARM处理器在高性能、低代码规模、低功耗和小的硅片尺寸方面取得了良好的平衡。
2.3.2ARM微处理器的应用领域
到目前为止,ARM微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域。
(1)工业控制领域:
作为32位的RISC架构,基于ARM核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额,同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展,ARM微控制器的低功耗、高性价比,向传统的8位/16位微控制器提出了挑战。
(2)无线通讯领域:
目前已有超过85%的无线通讯设备采用了ARM技术,ARM以其高性能和低成本,在该领域的地位日益巩固。
(3)网络应用:
随着宽带技术的推广,采用ARM技术的ADSL芯片正逐步获得竞争优势。
此外,ARM在语音及视频处理上行了优化,并获得广泛支持,也对DSP的应用领域提出了挑战。
(4)消费类电子产品:
ARM技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。
(5)成像和安全产品:
现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用ARM技术。
手机中的32位SIM智能卡也采用了ARM技术。
除此以外,ARM微处理器及技术还应用到许多不同的领域,并会在将来取得更加广泛的应用。
2.4ARM92OT体系结构
2.4.1ARM92OT系统结构分析
ARM92OT采用5级流水线,其结构图如图2-2所示,具有分开的指令和数据存储器,5级流水线具体如下:
reg写
数据存储访问
移位
取指令
译码
取指译码执行存储器写
图2-2ARM92OT流水线图
(1)取指:
从存储器中取出指令,并将其放在指令流水线。
(2)译码:
对指令进行译码。
(3)执行:
把一个操作数移位,产生ALU的结果。
(4)缓冲/数据:
如果需要,则访问数据存储器;否则ALU的结果只是简单地缓冲1个时钟周期,以便所有的指令具有同样的流水线流程。
(5)回写:
将指令产生的结果回写到寄存器,包括任何从存储器中读取的数据。
ARM920T处理器一个显著的特点是采用指令和数据分离访问的方式,即采用了指令缓存(I-Cache)和数据缓存(D-Cache)。
这样可以把指令访问和数据访问单独安排1级流水线。
2.4.2ARM920T的工作状态
从编程的角度看,ARM920T微处理器的工作状态一般有两种:
(1)ARM状态,此时处理器执行32位的、字对齐的ARM指令;
(2)Thumb状态,此时处理器执行16位的、半字对齐的Thumb指令。
ARM指令集和Thumb指令集均有切换处理器状态的指令,在程序的执行过程中,微处理器可以随时在两种工作状态之间切换,并且,处理器的工作状态的转变并不影响处理器的工作模式和相应寄存器中的内容。
但ARM微处理器在开始执行代码时,应该处于ARM状态。
当操作数寄存器的状态位(位0)为1时,可以采用执行BX指令的方法,使微处理器从ARM状态切换到Thumb状态。
此外,当处理器处于Thumb状态时发生异常(如IRQ、FIQ、Undef、Abort、SWI等),当异常处理返回时,自动切换回Thumb状态。
当操作数寄存器的状态位为0时,执行BX指令可以使微处理器从Thumb状态切换到ARM状态。
此外,在处理器进行异常处理时,将PC指针放入异常模式链接寄存器中,并从异常向量地址开始执行程序,也可以使处理器切换到ARM状态。
2.4.3ARM920T体系结构的存储器格式
ARM920T体系结构将存储器看做是从零地址开始的字节的线性组合。
从0字节到3字节放置第1个存储的字数据,从第4个字节到第7个字节放置第2个存储的字数据,依次排列。
作为32位的微处理器,ARM92OT体系结构所支持的最大寻址空间为4GB。
ARM92OT体系结构可以用两种方法存储字数据,分别称为大端格式和小端格式。
大端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,如图2-3所示。
高地址3124231615870字地址
8
9
10
11
4
5
6
7
0
1
2
3
8
4
0
地地址
图2-3以大端格式存储数据
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,
高地址存放的是字数据的高字节。
如图2-4所示。
高地址3124231615870字地址
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
8
4
0
地地址
图2-4以小端格式存储数据
2.4.4ARM920T处理器模式
ARM920T支持7种运行模式,分别为:
(1)用户模式(usr),ARM处理器正常的程序执行状态;
(2)快速中断模式(fiq),用于高速数据传输或通道处理;
(3)外部中断模式(irq),用于通用的中断处理;
(4)管理模式(svc),操作系统使用的保护模式;
(5)数据访问终止模式(abt),当数据或指令预取终止时进入该模式,可用于虚拟存储及存储保护;
(6)系统模式(sys),运行具有特权的操作系统任务;
(7)未定义指令中止模式(und),当未定义的指令执行时进入该模式,可用于支持硬件协处理器的软件仿真。
ARM微处理器的运行模式可以通过软件改变,也可以通过外部中断或异常处理改变。
大多数的应用程序运行在用户模式下,当处理器运行在用户模式下时,某些被保护的系统资源是不能被访问的。
除用户模式以外,其余的6种模式称为特权模式;其中除去用户模式和系统模式以外的5种又称为异常模式,常用于处理中断或异常,以及访问受保护的系统资源等情况。
3基于ARM9-S3C2410开发板的硬件设计
本章主要介绍基于S3C2410的ARM9实验开发板的硬件设计,包括硬件系统的详细设计步骤、实现细节等。
本章的主要内容包括:
(1)Protel99SE简介;
(l)系统设计概述;
(2)S3C2410及片内外围简介;
(4)单元电路设计;
(5)开发板硬件原理图。
3.1PROTEL99SE简介
Protel99SE是澳大利亚ProtelTechnology公司推出的基于Windows平台下的EDA(ElectronicDedignAutomation)电子辅助设计软件,采用设计库管理模式,可以进行联网设计,具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能,是一个32位的设计软件,可以完成电路原理图设计,印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作,可以设计32个信号层,16个电源--地层和16个机加工层[4]。
Protel99SE为本核心板的设计提供了良好的开发环境,具有高效、快速、灵活的特点,有效地辅助了设计开发,操作便利,节约了制造成本,同时缩短了开发周期。
是目前比较高效、灵活的EDA辅助工具。
3.2系统设计概述
本设计中采用了三星公司生产的S3C2410处理器,S3C2410是一款基于ARM920T内核的16/32位RISC嵌入式微处理器,主要面向手持设备,以及高性价比、低功耗的应用。
ARM9实验开发板的系统框图如图3-1所示。
AD转换
调试电路
基本I/O口
基本I/O口
电源部分
基本I/O口
串行接口
I2C总线
CAN总线
核心板ARM9-S3C2410
8个独立的发光二极管
键盘与LED显示
基本I/O口
RS-485电路
USB接口电路
I2S总线
复位电路
图3-1开发板系统框图
本实验开发板在尽可能小的电路板面积上集成了各类总线、标准串口、USB接口、AD转换、复位电路、RS-485电路、调试电路、用户按键和一些用户灯等,并且引出了CPU的大部分信号引脚。
通过这个平台可以针对S3C2410进行系统级的硬件和软件设计,并且能够很方便地在该平台上进行相关的功能扩展,以及进行所需的产品设计。
该开发板在保证学生完成ARM技术学习开发的同时,考虑了系统的扩展、电路板的面积、散热、电磁兼容性,以及安装等问题。
3.3S3C2410处理器及片外围简介
S3C2410是三星公司推出的16/32位RISC处理器(ARM920T内核),适用于手持设备、POS机、数字多媒体播放设备等等,具有价格低、低功耗、高性能等特点。
S3C2410采用了ARM920T内核,0.18um工艺的CMOS标准宏单元和存储单元。
它的低功耗、精简和出色的全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感的应用。
同样它还采用了AdvancedMicrocontrollerBusArchitecture(AMBA)新型总线结构[3]。
S3C2410提供了一系列完整的系统外围设备,消除了为系统配置额外器件的需要,大大减少了整个系统的成本。
S3C241
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