嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)-李秀娟-課件-第3章

11第3章基于ARM9處理器的硬件開發(fā)平臺(tái)

工欲善其事，必先利其器。

2本章內(nèi)容

3.1ARM9微處理器1

3.2三星S3C2410處理器概述23.3S3C2410處理器單元電路設(shè)計(jì)

3

3.4存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)43.5JTAG調(diào)試接口設(shè)計(jì)53.6博創(chuàng)UP-NETARM2410-S嵌入式平臺(tái)簡(jiǎn)介6123456333簡(jiǎn)介本章主要介紹基于ARM9處理器的硬件開發(fā)平臺(tái)。為便于讀者對(duì)比理解，首先將ARM9處理器與工業(yè)控制領(lǐng)域常見的ARM7處理器進(jìn)行了比較，接下來對(duì)基于ARM920T內(nèi)核的32位RISC處理器三星S3C2410X進(jìn)行了概要介紹。詳細(xì)分析了S3C2410X處理器的單元電路設(shè)計(jì)、存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)以及JTAG調(diào)試接口設(shè)計(jì)，概述了博創(chuàng)UP-NETARM2410-S嵌入式開發(fā)平臺(tái)的硬件組成和功能，最后在“通過JTAG燒寫FLASH”的項(xiàng)目訓(xùn)練對(duì)UP-NETARM2410-S嵌入式開發(fā)平臺(tái)有了更加深入地認(rèn)識(shí)。443.1ARM9微處理器

ARM7系列處理器屬于ARM家族的低端處理器，但為眾多關(guān)注低成本和低功耗的消費(fèi)類嵌入式設(shè)備應(yīng)用提供了大量支持。3.1.1

ARM9與ARM7處理器的比較

ARM7系列55ARM7系列處理器采用ARMV4T版本的結(jié)構(gòu)，具有小型、快速和低能耗等特性。其體系結(jié)構(gòu)一般具有三級(jí)流水線，時(shí)鐘速度一般為20MHz~133MHz，平均功耗每MHz僅為0.6mW，每條指令平均執(zhí)行1.9個(gè)時(shí)鐘周期，處理速度為0.9MIPS/MHz。

66目前市場(chǎng)上使用較多的ARM7處理器芯片包括：Samsung公司的S3C44B0X與S3C4510處理器、恩智浦半導(dǎo)體(NXPSemiconductors)公司的LPC2000系列微控制器、Atmel公司的AT91FR40162系列處理器、Cirrus公司的EP73xx系列等。

772.ARM9系列

ARM9系列是高性價(jià)比、低功耗、應(yīng)用廣泛的32位RISC結(jié)構(gòu)嵌入式微處理器。ARM9系列微處理器時(shí)鐘速度一般為120MHz~200MHz，每條指令平均執(zhí)行1.5個(gè)時(shí)鐘周期，處理速度為1.1MIPS/MHz，指令執(zhí)行效率更高。ARM9處理器采用ARMV4T哈佛（Harvard）體系結(jié)構(gòu)，程序指令和數(shù)據(jù)的物理存儲(chǔ)空間完全分開。88ARM9支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集，支持32位的高速AMBA總線接口；支持?jǐn)?shù)據(jù)Cache和指令Cache，具有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力；支持包括Linux、WindowsCE、μC/OSⅡ、VxWorks等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)。993.ARM9與ARM7處理器的區(qū)別

(1)ARM9系列處理器和ARM7系列處理器的最大區(qū)別就是指令執(zhí)行過程由取指、譯碼和執(zhí)行3級(jí)流水線提高至取址、譯碼、執(zhí)行、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器/數(shù)據(jù)cache訪問和寄存器回寫5級(jí)流水線。

(2)ARM7TDMI采用了馮·諾依曼體系架構(gòu)，指令和數(shù)據(jù)共用信號(hào)總線以及存儲(chǔ)器；ARM9TDMI采用了哈佛體系結(jié)構(gòu)，指令和數(shù)據(jù)各使用一條總線。

1010(3)相對(duì)于ARM7TDMI，ARM9TDMI可以完全執(zhí)行V4和V4T的未定義異常指令擴(kuò)展空間上的指令集，這些指令擴(kuò)展空間包括：算術(shù)指令擴(kuò)展空間、控制指令擴(kuò)展空間、協(xié)處理器指令擴(kuò)展空間和加載/存儲(chǔ)擴(kuò)展空間。(4)ARM7TDMI一般沒有內(nèi)存管理單元MMU(MemoryManagementUnit)和緩存Cache，所以僅支持那些不需要MMU和Cache的嵌入式操作系統(tǒng)，如uCLinux。ARM9支持全性能的MMU，采用哈佛結(jié)構(gòu)，支持?jǐn)?shù)據(jù)Cache和指令Cache，可以更好的支持像Linux、WinCE這樣的多線程、多任務(wù)的操作系統(tǒng)。11113.1.2ARM920T簡(jiǎn)介1.ARM920T的工作狀態(tài)ARM920T微處理器支持字節(jié)、半字、字三種數(shù)據(jù)類型。其工作狀態(tài)一般有兩種，第一種為ARM狀態(tài)，處理器使用32位高性能ARM指令集執(zhí)行32位的、字對(duì)齊的ARM指令；第二種為Thumb狀態(tài)，處理器使用16位高代碼密度Thumb指令集執(zhí)行16位的、半字對(duì)齊的Thumb指令。

12122.ARM920T的存儲(chǔ)器格式

ARM920T核將存儲(chǔ)器看作是從零地址開始的字節(jié)的線性組合。從0字節(jié)到3字節(jié)放置第一個(gè)存儲(chǔ)的字?jǐn)?shù)據(jù)，從第4個(gè)字節(jié)到第7個(gè)字節(jié)放置第二個(gè)存儲(chǔ)的字?jǐn)?shù)據(jù)，依次排列。1313ARM920T體系結(jié)構(gòu)可以使用大端格式和小端格式兩種方法存儲(chǔ)字?jǐn)?shù)據(jù)。大端格式中的字?jǐn)?shù)據(jù)的高字節(jié)存儲(chǔ)在低地址中，而字?jǐn)?shù)據(jù)的低字節(jié)則存放在高地址中，如圖3.7所示。與大端存儲(chǔ)格式相反，在小端存儲(chǔ)格式中，低地址中存放的是字?jǐn)?shù)據(jù)的低字節(jié)，高地址存放的是字?jǐn)?shù)據(jù)的高字節(jié)。ARM9默認(rèn)使用的存儲(chǔ)模式是小端存儲(chǔ)格式，即“高對(duì)高，低對(duì)低”的模式。

14143.ARM920T的運(yùn)行模式

ARM920T微處理器可支持七種運(yùn)行模式，分別為：用戶模式（usr）：ARM處理器正常的程序執(zhí)行狀態(tài)；快速中斷模式（fiq）：用于高速數(shù)據(jù)的傳輸或通道處理；外部中斷模式（irq）：用于通用的中斷處理；管理模式（svc）：操作系統(tǒng)使用的保護(hù)模式；數(shù)據(jù)訪問終止模式（abt）：當(dāng)數(shù)據(jù)或指令預(yù)取終止時(shí)進(jìn)入該模式，可用于虛擬存儲(chǔ)及存儲(chǔ)保護(hù)；系統(tǒng)模式（sys）：運(yùn)行具有特權(quán)的操作系統(tǒng)任務(wù)；未定義指令中止模式（und）：當(dāng)未定義的指令執(zhí)行時(shí)進(jìn)入該模式，可用于支持硬件協(xié)處理器的軟件仿真。15154.ARM920T的寄存器組織ARM920T微處理器共有37個(gè)32位寄存器，其中包括31個(gè)通用寄存器和6個(gè)狀態(tài)寄存器。需要注意的是，這些寄存器并不是同時(shí)可見的，具體哪些寄存器可編程訪問要取決于微處理器的工作狀態(tài)和運(yùn)行模式。16165.程序狀態(tài)寄存器

ARM920T微處理器包含一個(gè)當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器CPSR(CurrentProgramStatusRegister)，此外還有五個(gè)程序狀態(tài)保存寄存器SPSRs(SavedProgramStatusRegisters)用于中斷處理。

17173.2三星S3C2410X處理器概述

S3C2410X是韓國(guó)三星公司的一款基于ARM920T內(nèi)核和0.18μmCMOS工藝的32位RISC嵌入式微處理器，主要面向手持設(shè)備以及高性價(jià)比、低功耗的應(yīng)用，為手持設(shè)備和通用嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用提供了片上集成系統(tǒng)解決方案。

3.2.1S3C2410X微處理器

1818該處理器采用5級(jí)流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，其最大工作頻率可達(dá)203MHz，運(yùn)算功能強(qiáng)大。S3C2410X內(nèi)部分別有獨(dú)立的16KB指令緩存和16KB數(shù)據(jù)緩存，具有存儲(chǔ)器管理單元（MMU），支持SDRAM、靜態(tài)存儲(chǔ)器以及NANDFlash。提供了一套較完整的通用外圍設(shè)備接口，可支持Linux、uC/OSⅡ、WindowsCE等多種操作系統(tǒng)的移植。1919S3C2410X微處理器處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，集成了大量的功能單元，比較重要的片上功能模塊還包括：1.8V內(nèi)核供電，3.3V存儲(chǔ)器供電，帶16KB指令緩存I-Cache/16KB數(shù)據(jù)緩存D-Cache/MMU的3.3V外部I/O微處理器；內(nèi)置外部存儲(chǔ)器控制器（SDRAM控制和芯片選擇邏輯）；集成1個(gè)LCD控制器（最大支持4K色的STN和256K色TFT的LCD），并帶有1個(gè)通道的LCD專用DMA控制器；20204通道DMA并有外部請(qǐng)求引腳；3通道UART（支持IrDA1.0、16字節(jié)發(fā)送FIFO及16字節(jié)接收FIFO）/2通道SPI接口；1通道多主IIC總線控制器和1通道IIS總線控制器；兼容SD主機(jī)接口1.0版及MMC卡協(xié)議2.11兼容版；2個(gè)USB主機(jī)接口/1個(gè)USB設(shè)備接口（1.1版本）；21214通道PWM定時(shí)器和1通道內(nèi)部定時(shí)器；看門狗定時(shí)器；117位通用I/O口/24通道外部中斷源；電源控制模式：具有正常、慢速、空閑及電源關(guān)閉模式；8通道10位ADC接口和觸摸屏接口；帶日歷功能的實(shí)時(shí)時(shí)鐘控制器（RTC）；具有PLL的片上時(shí)鐘發(fā)生器；22221.S3C2410X的體系結(jié)構(gòu)2.系統(tǒng)管理器3.NANDFlash啟動(dòng)引導(dǎo)4.Cache緩沖存儲(chǔ)器5.時(shí)鐘和電源管理6.中斷控制7.具有脈沖寬度調(diào)制功能（PWM）的定時(shí)器8.通用I/O端口3.2.2S3C2410X微處理器工作原理

23239.通用串行異步通訊口（UART）10.DMA控制器11.A/D轉(zhuǎn)換器和觸摸屏接口12.LCD控制器STNLCD顯示特性13.TFT彩色顯示屏特性14.看門狗定時(shí)器15.I2C總線接口16.IIS總線接口17.SD主機(jī)接口18.SPI接口2424S3C2410X芯片采用了272-FBGA的封裝形式，這272個(gè)引腳可以分為17個(gè)功能部分進(jìn)行定義。分別是：數(shù)據(jù)/地址總線及其控制信號(hào)、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換控制信號(hào)、CLOCK時(shí)鐘信號(hào)、Timmer定時(shí)器、電源及復(fù)位信號(hào)、DMA通道、NandFlash控制信號(hào)、SDRAM/SRAM控制信號(hào)、USB控制信號(hào)、JTAG調(diào)試信號(hào)、中斷控制信號(hào)、異步串行口UART信號(hào)、高速同步串行口SPI信號(hào)、IIC、IIS總線控制信號(hào)、SD卡控制信號(hào)、LCD信號(hào)、觸摸屏信號(hào)。3.3S3C2410X處理器單元電路設(shè)計(jì)

3.3.1S3C2410X芯片主要引腳的定義2525S3C2410X芯片共需要兩種電源：第一種是內(nèi)核工作所需的1.8V直流穩(wěn)壓電源，也是維持系統(tǒng)時(shí)鐘及狀態(tài)寄存器保持?jǐn)?shù)據(jù)所需的電源；第二種是大部分外圍元件工作時(shí)所需的3.3V直流穩(wěn)壓電源。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)的電源電路的設(shè)計(jì)，可以使用高質(zhì)量的5V直流穩(wěn)壓電源，經(jīng)過DC-DC轉(zhuǎn)換器得到1.8V與3.3V的電壓。3.3.2電源和復(fù)位電路2626復(fù)位電路在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中也發(fā)揮著重要作用，主要完成系統(tǒng)的上電復(fù)位和系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)用戶的按鍵復(fù)位。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)復(fù)位電路使用了MAX811T復(fù)位芯片，nRESET連接到S3C2410X芯片的復(fù)位引腳nRESET。通過調(diào)整R1和C1的參數(shù)，可以調(diào)整復(fù)位狀態(tài)的時(shí)間。27273.3.3晶振電路設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)中使用外部晶振電路提供外接時(shí)鐘信號(hào)。S3C2410X芯片的XTIpll和XTOpll是內(nèi)部振蕩電路晶振的輸入和輸出，需要接12MHz的晶振；XTIrtc和XTOrtc引腳是RTC定時(shí)器晶振的輸入和輸出，需要接32.768KHz的晶振。其中12MHz的晶振頻率經(jīng)過S3C2410X片內(nèi)的PLL電路進(jìn)行頻率放大后，可以以較低的外部時(shí)鐘信號(hào)獲得較高的工作頻率，系統(tǒng)最高可運(yùn)行到203MHz。

28283.3.4串口和USB接口電路S3C2410X最小系統(tǒng)可以通過多種接口與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，其中比較常用的接口是UART和USB。利用UART和USB接口可以完成Flash燒寫、操作系統(tǒng)移植、程序下載等任務(wù)。

2929S3C2410X芯片內(nèi)建了2個(gè)USB主設(shè)備接口，1個(gè)USB從設(shè)備接口。USB主設(shè)備：2個(gè)USB主設(shè)備接口；遵守OHCIRev.1.0標(biāo)準(zhǔn)；兼容USBver1.1規(guī)范；USB從設(shè)備：1個(gè)USB從設(shè)備接口；具備5端點(diǎn)USB設(shè)備；兼容USBver1.1規(guī)范；30303.4存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)S3C2410X芯片可與ROM連接構(gòu)建成8位、16位或32位的存儲(chǔ)器系統(tǒng)。32位的存儲(chǔ)器系統(tǒng)具有良好的性能，而16位的存儲(chǔ)器系統(tǒng)具有較好的成本和功耗優(yōu)勢(shì)。3.4.1ROM接口電路設(shè)計(jì)31313.4.2Flash接口電路設(shè)計(jì)常用的Flash存儲(chǔ)器一般為8位或16位數(shù)據(jù)寬度，采用3.3V的編程電壓。本系統(tǒng)中的NANDFlash存儲(chǔ)器選用SAMSUNG公司的K9F1208，存儲(chǔ)容量為64MB。K9F1208的ALE和CLE引腳分別接至S3C2410X芯片的ALE和CLE引腳，WE、CE、RE引腳分別接至S3C2410X芯片的nFWE、nFCE和nFRE引腳，8位I/O[0:7]引腳分別接至S3C2410X芯片的低8位數(shù)據(jù)總線[DATA0:DATA7]。

32323.4.3SDRAM接口電路設(shè)計(jì)SDRAM工作時(shí)所需要的信號(hào)包括時(shí)鐘信號(hào)使能（SCKE）、時(shí)鐘信號(hào)（SCLK）、地址使能（SRAS）、列地址使能（SCAS）、BANK地址激活信號(hào)、片選（SCS）和讀寫（WE）信號(hào)等。本系統(tǒng)中選用兩片單片數(shù)據(jù)寬度為16位、單片容量為32MB的K4S641632并聯(lián)構(gòu)成32位64MB的SDRAM存儲(chǔ)器系統(tǒng)。K4S641632與S3C2410X芯片連接時(shí)，SDRAM只能在BANK6與BANK7中接入，因此S3C2410X需要使用nGCS6或nGCS7片選信號(hào)進(jìn)行控制。33333.5JTAG調(diào)試接口設(shè)計(jì)JTAG是JointTestActionGroup（聯(lián)合測(cè)試行為組織）的首字母簡(jiǎn)寫，是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議。JTAG于1990年被IEEE批準(zhǔn)為IEEE1149.1-