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1、嵌入式系统嵌入式系统嵌入式系统嵌入式系统硬件设计硬件设计硬件设计硬件设计1/26/20231提纲1 13 32 24 45 5印制板的设计印制板的设计第五章 嵌入式硬件平台设计最小系统的设计最小系统的设计嵌入式系统简介嵌入式系统简介S3C2410XS3C2410X概述概述外设及系统总线外设及系统总线6 6硬件系统的调试硬件系统的调试2嵌入式系统的软硬件框架嵌入式系统简介串口、并口、USB、以太网等LED、LCD、触摸屏、鼠标、键盘等Linux、uCLinux、uC/OS-II、WINDOWS CE等3嵌入式系统的开发步骤嵌入式系统体系结构设计4嵌入式系统的开发步骤q系统需求分析：确定设计任务和
2、目标，并提炼出设计系统需求分析：确定设计任务和目标，并提炼出设计规格说明书，作为正式设计指导和验收的标准。系统的规格说明书，作为正式设计指导和验收的标准。系统的需求一般分功能性需求和非功能性需求两方面。功能性需求一般分功能性需求和非功能性需求两方面。功能性需求是系统的基本功能，如输入输出信号、操作方式等；需求是系统的基本功能，如输入输出信号、操作方式等；非功能需求包括系统性能、成本、功耗、体积、重量等非功能需求包括系统性能、成本、功耗、体积、重量等因素。因素。嵌入式系统体系结构设计q体系结构设计：描述系统如何实现所述的功能和非功体系结构设计：描述系统如何实现所述的功能和非功能需求，包括对硬件、
3、软件和执行装置的功能划分以及能需求，包括对硬件、软件和执行装置的功能划分以及系统的软件、硬件选型等。一个好的体系结构是设计成系统的软件、硬件选型等。一个好的体系结构是设计成功与否的关键。功与否的关键。5嵌入式系统的开发步骤嵌入式系统体系结构设计q硬件硬件/软件协同设计：基于体系结构，对系统的软件、软件协同设计：基于体系结构，对系统的软件、硬件进行详细设计。为了缩短产品开发周期，设计往往硬件进行详细设计。为了缩短产品开发周期，设计往往是并行的。是并行的。q系统集成：把系统的软件、硬件和执行装置集成在一系统集成：把系统的软件、硬件和执行装置集成在一起，进行调试，发现并改进单元设计过程中的错误。起，
4、进行调试，发现并改进单元设计过程中的错误。q系统测试：对设计好的系统进行测试，看其是否满足系统测试：对设计好的系统进行测试，看其是否满足规格说明书中给定的功能要求。规格说明书中给定的功能要求。6JXARM9-2410教学系统的硬件组成嵌入式系统体系结构设计q本章将以武汉创维特公司生产的本章将以武汉创维特公司生产的JXARM9-2410JXARM9-2410教学系教学系统为原型，详细分析系统的硬件设计步骤、实现细节以统为原型，详细分析系统的硬件设计步骤、实现细节以及调试技巧等。及调试技巧等。7S3C2410X内部结构图S3C2410X概述8S3C2410X片上资源S3C2410X概述qARM92
5、0TARM920T核、工作频率核、工作频率203MHz203MHz；q16KB 16KB 数据数据CacheCache，16KB 16KB 指令指令CacheCache，MMUMMU，外部存储器控制器；外部存储器控制器；qLCDLCD控制器（支持黑白、灰度、控制器（支持黑白、灰度、Color STNColor STN、TFTTFT屏），触摸屏接口；屏），触摸屏接口；qNAND FLASHNAND FLASH控制器，控制器，SD/MMCSD/MMC接口支持，接口支持，4 4个个DMADMA通道；通道；q3 3通道通道UARTUART、1 1个多主个多主I2CI2C总线控制器、总线控制器、1 1个
6、个IISIIS总线控制器；总线控制器；q4 4通道通道PWMPWM定时器及一个内部定时器；定时器及一个内部定时器；q117117个通用个通用I/OI/O口；口；2424个外部中断源；个外部中断源；q8 8通道通道1010位位ADCADC；q实时时钟及看门狗定时器等。实时时钟及看门狗定时器等。q两个两个USBUSB主主/一个一个USBUSB从；从；9S3C2410X特性S3C2410X概述q内核内核:1.8V I/O:1.8V I/O及存储器及存储器 :3.3V:3.3Vq电源管理模式：电源管理模式：NormalNormal、SlowSlow、IdleIdle、Power off Power o
7、ff q272-FBGA272-FBGA10S3C2410X的引脚分布图S3C2410X概述11S3C2410X的存储器映射S3C2410X概述12总线控制信号S3C2410X的引脚信号描述13SDRAM/SRAMS3C2410X的引脚信号描述14NAND FlashS3C2410X的引脚信号描述15LCD控制信号S3C2410X的引脚信号描述16中断控制信号S3C2410X的引脚信号描述17DMA控制信号S3C2410X的引脚信号描述18UART控制信号S3C2410X的引脚信号描述19ADCS3C2410X的引脚信号描述20IIC-BUS控制信号S3C2410X的引脚信号描述21IIS-B
8、US控制信号S3C2410X的引脚信号描述22触摸屏接口控制信号S3C2410X的引脚信号描述23USB主接口信号S3C2410X的引脚信号描述24USB从接口信号S3C2410X的引脚信号描述25SPI接口信号S3C2410X的引脚信号描述26GPIOS3C2410X的引脚信号描述27TIMER/PWM控制信号S3C2410X的引脚信号描述28复位和时钟信号S3C2410X的引脚信号描述29JTAG测试逻辑S3C2410X的引脚信号描述30电源S3C2410X的引脚信号描述31芯片及引脚分析S3C2410X的引脚信号描述q具有大量的电源和接地引脚，应注意电源电压及分配具有大量的电源和接地引脚
9、，应注意电源电压及分配q芯片引脚主要有如下几种类型：芯片引脚主要有如下几种类型：S3C2410XS3C2410X的引脚主要分为的引脚主要分为如下几类，即：数字输入（如下几类，即：数字输入（I I）、）、数字输出（数字输出（O O）、）、数字输入数字输入/输出（输出（I/OI/O）、）、模拟输入模拟输入/输出输出q输出类型的引脚主要用于输出类型的引脚主要用于S3C2410XS3C2410X对外设的控制或通信，对外设的控制或通信，由由S3C2410XS3C2410X主动发出，这些引脚的连接不会对主动发出，这些引脚的连接不会对S3C2410XS3C2410X自身自身的运行有太大的影响的运行有太大的影
10、响q输入类型的引脚有些直接决定输入类型的引脚有些直接决定S3C2410XS3C2410X是否可正常运行，是否可正常运行，设计时应特别注意设计时应特别注意q输入输入/输出类型的引脚主要是输出类型的引脚主要是S3C2410XS3C2410X与外设的双向数据与外设的双向数据传输通道传输通道32最小系统简介最小系统简介1、一个嵌入式处理器是不能独立工作的，必须给它供电、加上时钟信号、提供复位信号，如果芯片没有片内程序存储器，则还要加上存储器系统，然后嵌入式处理器才可能工作。2、这些提供嵌入式处理器运行所必须的条件的电路与嵌入式处理器共同构成了这个嵌入式处理器的最小系统。3、大多数基于ARM9处理器核的
11、微控制器都有调试接口，这部分在芯片实际工作时不是必需的，但因为这部分在开发时很重要，所以把这部分也归入到最小系统中。最小系统的设计33最小系统框图最小系统框图最小系统的设计嵌入式控制器时钟电路调试测试接口复位电路存储器电路电源电路可选，当嵌入式处理器中无存储器时，或需扩充存储器时，需加上。可选，方便调试和测试，一般都加上。34电源电路-概述最小系统的设计电源系统为整个系统提供能量，是整个系统工作的基础，具有极其重要的地位。电源系统处理的好坏，将直接影响到整个系统的稳定性、可靠性等。多电源系统的设计、电源的分配、印制板设计中电源的设计等，都是必须考虑的。35电源电路-考虑的因素最小系统的设计1.
12、输入的电压范围、电流；2.输出的电压、最大电流、最大功率；3.输出纹波大小；4.安全因素；5.电池兼容和电磁干扰；6.体积要求；7.成本要求。36电源电路-需求分析最小系统的设计1、一般是多电源系统，I/O一般为3.3V供电，内核为2.5V（S3C44B0）、1.8V（S3C2410）或1.25V（PXA255）供电，有可能还包含5V或12V等电源；2、一般将数字电源和模拟电源分别供电；3、要求电源纹波比较小，一般采用LDO供电；37电源电路-芯片选型最小系统的设计1、有很多厂家均生产LDO DC-DC转换芯片，如Maxim、LinearLinear、Sipex、TI、Microchip等；2
13、、转换到5V的芯片有UA7805、TL750L05、LTC3425、REG1117-5等；3、转换到3.3V的芯片有LT1083（7.5A）、LT1084（5A）、LT1085（3A）、LT1086（1.5A），REG1117-3.3等；38电源电路-参考电路最小系统的设计39时钟电路最小系统的设计1、主时钟电路2、RTC时钟电路3、主时钟及USB时钟滤波 时钟电路用于向CPU及其它电路提供工作时钟，在该系统中，S3C2410X使用无源晶振，晶振的接法如下图所示主时钟电路RTC时钟电路主时钟及USB时钟滤波40时钟电路最小系统的设计1 1、根据S3C2410X的最高工作频率以及PLL电路的工作
14、方式，选择12MHz的无源晶振。12MHz的晶振频率经过S3C2410X片内的PLL电路倍频后，可达到202.8MHz的频率。2、片内的PLL电路兼有频率放大和信号提纯的功能，因此，系统可以以较低的外部时钟信号获得较高的工作频率，以降低因高速开关时钟所造成的高频噪声。41复位电路最小系统的设计q由RC电路及施密特触发器组成：42JTAG调试接口电路最小系统的设计1、JTAG(Joint Test Action GroupJTAG(Joint Test Action Group，联合测试行动小组联合测试行动小组)是一种国际标准是一种国际标准 测试协议，主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试。
15、测试协议，主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试。2、目前大多数比较复杂的器件都支持目前大多数比较复杂的器件都支持JTAGJTAG协议，如协议，如ARMARM、DSPDSP、FPGAFPGA器件等。器件等。3 3、标准的、标准的JTAGJTAG接口是接口是4 4线：线：TMSTMS、TCKTCK、TDITDI、TDOTDO，分别为测试模式选择、分别为测试模式选择、测试时钟、测试数据输入和测试数据输出。测试时钟、测试数据输入和测试数据输出。4 4、JTAGJTAG测试允许多个器件通过测试允许多个器件通过JTAGJTAG接口串联在一起，形成一个接口串联在一起，形成一个JTAGJTAG链，能链，
16、能 实现对各个器件分别测试。实现对各个器件分别测试。JTAGJTAG接口还常用于实现接口还常用于实现ISPISP（In-System In-System Programmable Programmable在系统编程）功能，如对在系统编程）功能，如对FLASHFLASH器件进行编程等。器件进行编程等。5 5、通过、通过JTAGJTAG接口，可对芯片内部的所有部件进行访问，因而是开发调试接口，可对芯片内部的所有部件进行访问，因而是开发调试 嵌入式系统的一种简洁高效的手段。目前嵌入式系统的一种简洁高效的手段。目前JTAGJTAG接口的连接有两种标准，接口的连接有两种标准，即即1414针接口和针接口和
17、2020针接口。针接口。43JTAG调试接口电路-14针接口及定义最小系统的设计44JTAG调试接口电路-20针接口及定义最小系统的设计45JTAG接口电路设计接口电路最小系统的设计必须接上拉20针JTAG接口46SDRAM接口电路设计SDRAM简介q与与FlashFlash存储器相比较，存储器相比较，SDRAMSDRAM不具有掉电保持数据的特性，不具有掉电保持数据的特性，但其存取速度大大高于但其存取速度大大高于FlashFlash存储器，且具有读存储器，且具有读/写的属性，因写的属性，因此此，SDRAMSDRAM在系统中主要用作程序的运行空间，数据及堆栈区。在系统中主要用作程序的运行空间，数
18、据及堆栈区。q当系统启动时，当系统启动时，CPUCPU首先从复位地址首先从复位地址0 x00 x0处读取启动代码，在处读取启动代码，在完成系统的初始化后，程序代码一般应调入完成系统的初始化后，程序代码一般应调入SDRAMSDRAM中运行，以提中运行，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、运行数据也都放在在SDRAMSDRAM中。中。qSDRAMSDRAM具有单位空间存储容量大和价格便宜的优点，已广泛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。应用在各种嵌入式系统中。SDRAMSDRAM的存储单元可以理解为一个
19、电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）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。因此，要在系统中使用SDRAMSDRAM，就要求微处理器具有刷新控制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。逻辑，或在系统中另外加入刷新控制逻辑电路。S3C2410XS3C2410X在片在片内具有独立的内具有独立的SDRAMSDRAM刷新控制逻辑，可方便地与刷新控制逻辑，可方便地与SDRAMSDRAM接口。接口。最小系统的设计47SDRAM接口电路设计SDRAM选型1 1、目前常用的、目前常用的SDRAM
20、SDRAM为为8 8位位/16/16位的数据宽度，工作电压一般位的数据宽度，工作电压一般为为3.3V3.3V。主要的生产厂商为主要的生产厂商为HYUNDAIHYUNDAI、WinbondWinbond等。他们生产的等。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，可通用。同型器件一般具有相同的电气特性和封装形式，可通用。q本系统中使用本系统中使用WinbondWinbond的的57V56162057V561620或或W982516W982516。q57V56162057V561620存储容量为存储容量为4 4组组4M4M字节，工作电压为字节，工作电压为3.3V3.3V，常见常见封装为封装
21、为5454脚脚TSOPTSOP，兼容兼容LVTTLLVTTL接口，支持自动刷新（接口，支持自动刷新（Auto-Auto-RefreshRefresh）和自刷新（和自刷新（Self-RefreshSelf-Refresh），），1616位数据宽度。位数据宽度。最小系统的设计48SDRAM接口电路设计57V56162057V561620引脚分布最小系统的设计49最小系统的设计SDRAM接口电路设计 57V56162057V561620引脚信号描述50SDRAM接口电路设计SDRAM接口电路最小系统的设计51串口接口电路设计串口简介q几乎所有的微控制器、几乎所有的微控制器、PCPC都提供串行接口，使
22、用电子工业协都提供串行接口，使用电子工业协会（会（EIAEIA）推荐的推荐的RS-232-CRS-232-C标准，这是一种很常用的串行数据传标准，这是一种很常用的串行数据传输总线标准。输总线标准。q早期它被应用于计算机和终端通过电话线和早期它被应用于计算机和终端通过电话线和MODEMMODEM进行远距进行远距离的数据传输，随着微型计算机和微控制器的发展，不仅远距离的数据传输，随着微型计算机和微控制器的发展，不仅远距离，近距离也采用该通信方式。在近距离通信系统中，不再使离，近距离也采用该通信方式。在近距离通信系统中，不再使用电话线和用电话线和MODEMMODEM，而直接进行端到端的连接。而直接进
23、行端到端的连接。qRS-232-CRS-232-C标准采用的接口是标准采用的接口是9 9芯或芯或2525芯的芯的D D型插头，以常用的型插头，以常用的9 9芯芯D D型插头为例，各引脚定义下所示：型插头为例，各引脚定义下所示：外设及系统总线52串口接口电路设计串口芯片选型q要完成最基本的串行通信功能，实际上只需要要完成最基本的串行通信功能，实际上只需要RXDRXD、TXDTXD和和GNDGND即可，但由于即可，但由于RS-232-CRS-232-C标准所定义的高、低电平信号与标准所定义的高、低电平信号与S3C2410XS3C2410X系统的系统的TTLTTL电路所定义的高、低电平信号完全不同。
24、电路所定义的高、低电平信号完全不同。qTTLTTL的标准逻辑的标准逻辑“1 1”对应对应2V2V3.3V3.3V电平，标准逻辑电平，标准逻辑“0 0”对对应应0V0V0.4V0.4V电平，而电平，而RS-232-CRS-232-C标准采用负逻辑方式，标准逻辑标准采用负逻辑方式，标准逻辑“1 1”对应对应-5V-5V-15V-15V电平，标准逻辑电平，标准逻辑“0 0”对应对应+5V+5V+15V+15V电平，电平，显然，两者间要进行通信必须经过信号电平的转换。显然，两者间要进行通信必须经过信号电平的转换。q目前常使用的电平转换电路为目前常使用的电平转换电路为SipexSipex公司的公司的SP
25、3232ESP3232E。外设及系统总线53串口接口电路设计SP3232E引脚分布外设及系统总线54串口接口电路设计串口接口电路RS232电平TTL电平外设及系统总线55IIC接口电路设计IIC接口电路外设及系统总线56印刷电路板设计注意事项印刷电路板的设计qS3C2410XS3C2410X的片内工作频率为的片内工作频率为60MHz60MHz，因此，在印刷电路板的因此，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。使系统工作不稳定甚至不能正常工作。q印刷电路板的设计人员应注意以下几个方
26、面：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。注意电源的质量与分配。同类型信号线应该成组、平行分布。同类型信号线应该成组、平行分布。57电源质量与分配印刷电路板的设计q电源滤波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，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。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
27、的影响，还要注同时，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的电源和地之间加上0.1uF0.1uF左右地电容，可以很好地滤左右地电容，可以很好地滤出高频噪声的影响。出高频噪声的影响。58电源质量与分配印刷电路板的设计q电源分配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。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
28、给一般采用电源总线（双面板）或电在印刷电路板上，电源的供给一般采用电源总线（双面板）或电源层（多层板）的方式。电源总线由两条或多条较宽的线组成，由源层（多层板）的方式。电源总线由两条或多条较宽的线组成，由于受到电路板面积的限制，一般不可能布得过宽，因此存在较大的于受到电路板面积的限制，一般不可能布得过宽，因此存在较大的直流电阻，但在双面板得设计中也只好采用这种方式了，只是在布直流电阻，但在双面板得设计中也只好采用这种方式了，只是在布线的过程中，应尽量注意这个问题。线的过程中，应尽量注意这个问题。在多层板的设计中，一般使用电源层的方式给系统供电。该方式在多层板的设计中，一般使用电源层的方式给系统
29、供电。该方式专门拿出一层作为电源层而不再在其上布信号线。由于电源层遍及专门拿出一层作为电源层而不再在其上布信号线。由于电源层遍及电路板的全面积，因此直流电阻非常的小，采用这种方式可有效的电路板的全面积，因此直流电阻非常的小，采用这种方式可有效的降低噪声，提高系统的稳定性。降低噪声，提高系统的稳定性。59同类型信号线的分布印刷电路板的设计q在各种微处理器的输入输出信号中，总有相当一部分是相在各种微处理器的输入输出信号中，总有相当一部分是相同类型的，例如数据线、地址线。同类型的，例如数据线、地址线。q对这些相同类型的信号线应该成组、平行分布，同时注意对这些相同类型的信号线应该成组、平行分布，同时注
30、意它们之间的长短差异不要太大，采用这种布线方式，不但可它们之间的长短差异不要太大，采用这种布线方式，不但可以减少干扰，增加系统的稳定性，还可以使布线变得简单，以减少干扰，增加系统的稳定性，还可以使布线变得简单，印刷电路板的外观更美观。印刷电路板的外观更美观。60硬件调试硬件系统的调试q尽可能的从简单到复杂，一个单元一个单元地焊接调试，尽可能的从简单到复杂，一个单元一个单元地焊接调试，以便在调试过程中遇到困难时缩小故障范围，在调试过程中，以便在调试过程中遇到困难时缩小故障范围，在调试过程中，应先确定电路没有短路，才能通电调试。应先确定电路没有短路，才能通电调试。q先从最小系统调试：先从最小系统调
31、试：S3C2410X+S3C2410X+电源电路电源电路 +晶振电路晶振电路 +复位电路复位电路 +JTAG+JTAG接口接口q然后加上然后加上SDRAMSDRAM，再加上再加上FLASHFLASH，然后再加上其它接口然后再加上其它接口q芯片在工作时有一定的发热是正常的，但如果有芯片特别芯片在工作时有一定的发热是正常的，但如果有芯片特别发烫，则一定有故障存在，需断电检查确认无误后方可继续发烫，则一定有故障存在，需断电检查确认无误后方可继续通电调试。通电调试。61电源、晶振及复位电路调试硬件系统的调试q调试电源电路之前，尽量少接器件，通电之前检查有无短调试电源电路之前，尽量少接器件，通电之前检查
32、有无短路现象路现象q用示波器观测，晶振的输出应为用示波器观测，晶振的输出应为12MHz12MHzq复位电路的复位电路的nRESETnRESET端在未按按钮时输出应为高电平端在未按按钮时输出应为高电平（3.3V3.3V），），按下按钮后变为低电平，按钮松开后应恢复到高按下按钮后变为低电平，按钮松开后应恢复到高电平电平62JTAG接口电路调试硬件系统的调试q调试调试JTAGJTAG接口电路之前，应该保证晶振已经起振接口电路之前，应该保证晶振已经起振q检测检测JTAGJTAG接口的接口的TMSTMS、TCKTCK、TDITDI、TDOTDO信号是否已与信号是否已与S3C4510BS3C4510B的对应引脚相连的对应引脚相连q连接调试器，看是否能够连接上，如果连接不上，检查连接调试器，看是否能够连接上，如果连接不上，检查TMSTMS、TCKTCK、TDITDI、TDOTDO等等信号是否正常信号是否正常q正常工作时，正常工作时，TRSTTRST应该为高电平，如果连接不上调试器，应该为高电平，如果连接不上调试器，需要检查该信号需要检查该信号63