微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)：第10章 基于ARM微處理器的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)第十章 基于ARM微處理器的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、基于ARM微處理器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述2、基于ARM內(nèi)核的常用微處理器簡(jiǎn)介飛思卡爾i.MX27、三星S3C2440A、其他 3、ARM微處理器最小硬件系統(tǒng)電源、時(shí)鐘、復(fù)位、存儲(chǔ)器、調(diào)試接口4、人機(jī)交互接口鍵盤(pán)與LED接口、LCD顯示接口、觸摸屏接口5、通信接口串行通信接口、其他通信接口第十章 習(xí)題作業(yè)：2、4、610思考：1、3、5 第 十 章 結(jié) 束基于ARM內(nèi)核的常用微處理器簡(jiǎn)介ARM微處理器有多種內(nèi)核結(jié)構(gòu)，還有多種多樣的內(nèi)部功能配置組合，所以在設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)時(shí)選擇最合適的ARM芯片是非常重要的。 一些主流的ARM9處理器

2、芯片如：飛思卡爾：MC9328MX27三星：S3C2440A Atmel公司：AT91SAM9263 意法半導(dǎo)體：STR91x 恩智浦半導(dǎo)體：LPC2000 系列三星公司推出的基于ARM內(nèi)核的微處理器主要面向消費(fèi)類(lèi)便攜式設(shè)備,為手持設(shè)備和一般應(yīng)用提供了高性價(jià)比和高性能的微控制器解決方案。包括：采用ARM7TDMI內(nèi)核的S3C44B0和S3C3410采用ARM926EJ-S內(nèi)核的S3C2412，S3C2413，S3C2416，S3C2450和S3C24A0采用ARM920T內(nèi)核的S3C2410，S3C2440，S3C2442和S3C2443采用ARM1176JZF內(nèi)核的S3C6400等三星公司采

3、用ARM內(nèi)核的微處理器主要按照應(yīng)用來(lái)劃分，如通用型32位MCU主要采用ARM7TDMI內(nèi)核，面向CAN/LIN總線、以太網(wǎng)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制和RFID等應(yīng)用場(chǎng)合。 三星公司的ARM微處理器芯片三星公司S3C2440AARM芯片的選型性能參數(shù)的考慮ARM核版本工作頻率內(nèi)部存儲(chǔ)器容量電源控制DSP協(xié)處理器功耗外設(shè)接口的考慮USB接口RTCGPIO數(shù)量其他因素芯片封裝的選擇芯片的封裝有很多種類(lèi)型，如：DIP、QFP、PGA、BGA等在散熱性能、信號(hào)完整性特性、體積大小等方面的要求ARM微處理器最小硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)ARM微處理器；電源模塊，包括CPU內(nèi)核和I/O接口電源電源；時(shí)鐘模塊，包括系統(tǒng)主時(shí)鐘和實(shí)時(shí)時(shí)鐘

4、；復(fù)位模塊，包括系統(tǒng)上電復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位和內(nèi)部復(fù)位；存儲(chǔ)器模塊，包括程序保存存儲(chǔ)器（FLASH）和程序運(yùn)行存儲(chǔ)器（SDRAM）；JTAG調(diào)試接口模塊。 最小硬件系統(tǒng)通常是指以嵌入式處理器為核心，包含電源、時(shí)鐘和復(fù)位等保障處理器正常工作的基本硬件電路 。S3C2440A最小硬件系統(tǒng)：電源模塊電源模塊是系統(tǒng)工作的能量來(lái)源，其電壓、紋波、內(nèi)阻和驅(qū)動(dòng)能力等性能直接影響到系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，因此電源模塊在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。電源電壓一定要在系統(tǒng)需求的范圍之內(nèi)電源的驅(qū)動(dòng)能力一定要能滿足整個(gè)系統(tǒng)的功率需求電源紋波和電路干擾的處理在設(shè)計(jì)PCB時(shí)需要對(duì)模擬電源和數(shù)字電源進(jìn)行物理上的隔離S3C2440A最小硬件系統(tǒng)：

5、時(shí)鐘模塊時(shí)鐘模塊為系統(tǒng)提供同步工作信號(hào)，其穩(wěn)定性直接關(guān)系到系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。在ARM嵌入式系統(tǒng)中通常包括頻率較高的系統(tǒng)主時(shí)鐘和頻率較低的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。時(shí)鐘經(jīng)內(nèi)部鎖相環(huán)后得到四組時(shí)鐘信號(hào)：FCLK：ARM920T內(nèi)核HCLK：AHB總線、存儲(chǔ)器控制器、中斷控制器、LCD控制器、DMA控制器和USB主機(jī)模塊PCLK：訪問(wèn)APB總線的外設(shè)，如WDT，I2S，I2C，PWM定時(shí)器，MMC接口，ADC，UART，GPIO，RTC和SPI等模塊UCLK：USB模塊需要的48 MHz時(shí)鐘S3C2440A最小硬件系統(tǒng)：復(fù)位模塊系統(tǒng)上電復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位和內(nèi)部復(fù)位一般來(lái)說(shuō)系統(tǒng)對(duì)外部復(fù)位信號(hào)波形有一定的要求，若不能滿足要

6、求(例如持續(xù)時(shí)間過(guò)短)，則系統(tǒng)將不能正常工作。 存儲(chǔ)器模塊為系統(tǒng)程序的保存和運(yùn)行提供空間，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要根據(jù)處理器的存儲(chǔ)器接口選擇合適的存儲(chǔ)器芯片（存儲(chǔ)類(lèi)型、容量、速度和接口類(lèi)型 ）ARM最小系統(tǒng)中的存儲(chǔ)器通常包括存放程序的NAND Flash和用于程序運(yùn)行的SDRAM。存儲(chǔ)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(tǒng)：存儲(chǔ)器模塊“Steppingstone”為系統(tǒng)從外部Flash存儲(chǔ)器引導(dǎo)提供支持使用16位存儲(chǔ)芯片構(gòu)造32位寬存儲(chǔ)器系統(tǒng)ARM微處理器一般都采用JTAG作為基本調(diào)試接口nTRST，TMS，TCK，TDI和TDOS3C2440A最小硬件系統(tǒng)

7、：調(diào)試接口人機(jī)交互接口 人機(jī)交互接口主要用于人與設(shè)備之間的信息交換，通常包括用于信息輸入的鍵盤(pán)、觸摸屏，以及信息輸出的各類(lèi)顯示設(shè)備。 以S3C2440A的相關(guān)接口為例介紹各類(lèi)接口硬件結(jié)構(gòu)與使用：鍵盤(pán)與LED接口LCD顯示接口觸摸屏接口鍵盤(pán)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(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的信號(hào)輸入和輸出，在嵌入式系統(tǒng)中有重要用途。這類(lèi)簡(jiǎn)單外設(shè)與處理器進(jìn)行連接時(shí)，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(yùn)行相應(yīng)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)所需功能；二是使用專(zhuān)用的控制芯片來(lái)獲取按鍵信息以及驅(qū)動(dòng)顯示。GPIO(General Purpose Input)可以實(shí)現(xiàn)任何一般用途的信

8、號(hào)輸入/輸出。ARM處理器芯片的大部分引腳都可以通過(guò)設(shè)定相應(yīng)的控制寄存器實(shí)現(xiàn)基本的GPIO功能，并可編程設(shè)置信號(hào)方向、電平上拉/下拉等功能。在S3C2440A中共有130個(gè)多功能I/O引腳，這些引腳除了可以作為某個(gè)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(gè)輸出端口Port B(GPB)：11個(gè)輸入/輸出端口Port C(GPC)：16個(gè)輸入/輸出端口Port D(GPD)：16個(gè)輸入/輸出端口Port E(GPE)：16個(gè)輸入/輸出端口Port F(GPF)：8個(gè)輸入/輸出端口Port G(GPG)：16個(gè)輸入/輸出端口Port H(GPH)：9個(gè)

9、輸入/輸出端口Port J(GPJ)：13個(gè)輸入/輸出端口GPIO例10.1：使用S3C2440A的端口G的第47引腳驅(qū)動(dòng)四個(gè)LED，并點(diǎn)亮GPG4引腳的LED。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(shù)據(jù)寄存器（GPxDAT）、端口上拉寄存器（GPxUP）。寄存器名地址讀寫(xiě)屬性功能復(fù)位值GPGCON0 x56000060可讀可寫(xiě)配置引腳功能為輸入/輸出/其他0 x00GPGDAT0 x56000064可讀可寫(xiě)G端口數(shù)據(jù)寄存器未定義GPGUP0 x56000068可讀可寫(xiě)上拉配置寄存器低電平0有效0 xFC00G端口共有16個(gè)GPIO引腳，寄存器GPGC

10、ON寬度為32位，每個(gè)引腳的功能各由2位來(lái)選擇控制，第4引腳的控制位如下：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=保留寄存器GPGDAT和GPGUP寬度均為16位，各引腳按其編號(hào)與相應(yīng)的寄存器位對(duì)應(yīng)。GPGDAT中存放的即為需要輸出的數(shù)據(jù)，根據(jù)硬件電路連接圖可知，要將第4引腳LED點(diǎn)亮，則對(duì)應(yīng)的引腳應(yīng)輸出低電平，所以寄存器GPGDAT中的

11、7:4位應(yīng)設(shè)置為二進(jìn)制值1110。本例中端口為輸出功能，因此寄存器GPGUP中對(duì)應(yīng)各位均設(shè)置為1，將上拉電阻斷開(kāi)。GPGCONEQU0 x56000060GPGDATEQU0 x56000064GPUPEQU0 x56000068；配置GPGCON寄存器，設(shè)置相關(guān)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(kāi)各上拉電阻LDRR0, =GPGUPLDRR1, R0ORRR1, R1, #0 x00F0STRR1, R0；輸出驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，點(diǎn)亮

12、GPG4引腳對(duì)應(yīng)的LEDLDRR2, =GPGDATLDRR3, R2ORRR3, R3, #0 x00F0BICR3, R3, #0 x0010STRR3, R2使用GPIO的問(wèn)題：按鍵或LED數(shù)量較大時(shí)，由于處理器GPIO數(shù)量有限，無(wú)法滿足硬件電路設(shè)計(jì)需求；采用GPIO的驅(qū)動(dòng)方式需要CPU執(zhí)行軟件來(lái)完成相應(yīng)的功能，需占用大量的處理器時(shí)間，在多任務(wù)系統(tǒng)中很難滿足實(shí)時(shí)性要求。采用專(zhuān)用的控制芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)鍵盤(pán)及數(shù)碼管直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管/同時(shí)掃描管理多個(gè)按鍵/內(nèi)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(tǒng)連接專(zhuān)用控制芯片矩陣鍵盤(pán)結(jié)構(gòu) 288位并行輸入端口

13、8位并行輸出端口+5V10k10k10k10k第0行第1行第2行第7行第0列第1列第2列第3列第7列初始化鍵盤(pán)2022/7/1629/ 32GPGCONEQU0 x56000060GPUPEQU0 x56000068AREA key_init, CODE, READONLY；配置GPGCON寄存器，設(shè)置相關(guān)引腳為輸出功能LDRR0, =GPGCON LDRR1, R0 BICR1, R1, #0 xFFFFFFFF ORRR1, R1, #0 x55550000 STRR1, R0；配置GPGUP寄存器，斷開(kāi)各上拉電阻LDRR0, =GPGUPLDRR1, R0ORRR1, R1, #0 xF

14、FFFSTRR1, R0MOVPC, LRGPGDATEQU0 x56000064AREA key_scan, CODE, READONLYCheck:；查看是否有鍵按下LDRR0, =GPGDATMOVR1, #0 x0STRR1, R0 LDRR1, R0 ANDR1, R1, #0 x000000FF TSTR1, #0 x000000FF BEQCheck2022/7/1630/ 32LDRR2, =0 x0000FEFFMOVR3, #0 x0MOVR4, #0 x0Scan: ；掃描鍵盤(pán)確定按鍵值MOVR5, R2, LSL R3STRR5, R0LDRR6, R0ANDR6, R

15、6, #0 x000000FFTSTR6, #0 x000000FFBNEDecodeADDR3, #0 x1CMPR3, #0 x8BNEScanMOVPC, LRDecode： /解碼MOVR2, #0 x00000001TSTR6, R2, LSL R4ADDNE R4, #0 x1BNEDecodeMOVPC, LR2022/7/1631/ 32在嵌入式系統(tǒng)中常用的LCD產(chǎn)品主要有兩種：一種是帶有驅(qū)動(dòng)電路的LCD顯示模塊；另一種則僅是LCD顯示屏，沒(méi)有驅(qū)動(dòng)電路，需要與驅(qū)動(dòng)電路配合使用。在常見(jiàn)的ARM處理器芯片中，通常都帶有LCD控制器，可以直接驅(qū)動(dòng)多種LCD顯示屏。S3C2440A中的

16、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(tǒng)存儲(chǔ)器中）中的LCD圖象數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠縇CD 驅(qū)動(dòng)電路的邏輯功能，驅(qū)動(dòng)其完成各類(lèi)數(shù)據(jù)的顯示。LCD顯示接口按照觸摸屏的工作原理和感應(yīng)觸摸信息的介質(zhì)來(lái)分，常見(jiàn)的觸摸屏有四類(lèi)：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(jù)引出線數(shù)多少，可分為四線、五線、六線等多線電阻觸摸屏。S3C2440A處理器中內(nèi)置了A/D轉(zhuǎn)換器，并提供了一個(gè)專(zhuān)用的四線電阻式觸摸屏接口，此接口引出了四根信號(hào)線XP，XM，YP，YM，分別對(duì)應(yīng)觸摸屏上的X，X，Y，Y，因此在硬件接口設(shè)計(jì)上十分簡(jiǎn)潔。通信接口 通信接口通常用于

17、嵌入式設(shè)備與其他設(shè)備進(jìn)行信息交換，由于各類(lèi)設(shè)備性能指標(biāo)差異巨大，要實(shí)現(xiàn)信息的傳遞需要進(jìn)行速率、電平、時(shí)序、信息格式等多方面的轉(zhuǎn)換和匹配，所以該類(lèi)接口種類(lèi)十分豐富。串行通信SCI接口其他通信接口S3C2440中的UART模塊接口初始化：ULCON、UCON、UFCON、UMCON、UBRDIV數(shù)據(jù)傳遞：UTRSTAT、UFSTAT、UTXH、URXH接收錯(cuò)誤狀況：UERSTATS3C2440A中UART0的相關(guān)寄存器例10.2：UART0采用查詢方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，要求使用8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，奇校驗(yàn)，傳輸速率115200bps，不使用FIFO，關(guān)閉流控制，處理器外設(shè)時(shí)鐘PCLK=66.68MH

18、z。步驟1：接口初始化設(shè)置幀格式、時(shí)鐘來(lái)源、收發(fā)模式、中斷配置、FIFO的使用、波特率計(jì)算等步驟2：數(shù)據(jù)傳遞：可選擇使用查詢方式或中斷方式傳遞主要用于幀格式配置ULCON0=0 x23步驟1：UART0的初始化配置ULCON0線路控制寄存器主要用于時(shí)鐘源選擇、收發(fā)模式、中斷配置等UCON0=0 x0005步驟1：UART0的初始化配置UCON0控制寄存器主要用于使能FIFO及相關(guān)參數(shù)配置UFCON0=0 x00步驟1：UART0的初始化配置UFCON0 FIFO控制寄存器主要用于設(shè)置UART模塊與Modem相關(guān)參數(shù)UFCON0=0 x00步驟1：UART0的初始化配置UMCON0調(diào)制解調(diào)器控制

19、寄存器步驟1：UART0的初始化配置UBRDIV0波特率控制寄存器UBRDIV= int (UART時(shí)鐘頻率/(波特率16) ) 1采用66.68MHz的PCLK作為時(shí)鐘源，為得到115200bps的速率，則：UBRDIV= int (66.68M/(11520016) ) 1 =int(36.176) 1=35實(shí)際波特率=UART時(shí)鐘頻率/(UBRDIV+1)16) =66.68M/(35+1) 16)115764bps實(shí)際的工作速率與理論值之間存在偏差：(115764 115200)/115200100% = +0.49%初始化程序段ULCON0EQU0 x50000000UCON0EQU

20、0 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UMCON0寄存器MOVR3, #0 x00STRR3, R2LDRR2, =UBRDIV0；配置UBRDIV0寄存器MOVR3, #35STRHR3, R2步驟2：使用UART0進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)使用UTRSTAT0、UTXH0、URXH0進(jìn)行狀態(tài)的判斷并完成通信。收/發(fā)示例程序段UTRSTAT0EQU0 x50000010UTXH0EQU0 x50000020；假設(shè)系統(tǒng)采用小端存儲(chǔ)URXH0EQU0 x50000024；假設(shè)系統(tǒng)采用小端存儲(chǔ)TLOOP:LD