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1、1嵌入式系统硬件部分嵌入式系统软件部分如人的灵魂，掌控着所有硬件的操作模式。通过优异的操作系统以及应用程序，把硬件功能发挥到及至。如人的手、脚、头脑及感觉神经等部位，掌控了嵌入式系统的先天功能。如运算能力和扩展功能等。第1页/共151页21 嵌入式微处理器的发展嵌入式微处理器的发展初期的划分：一般用途型（仅包含单纯的CPU）单片机控制器型（将CPU、ROM、RAM、I/O做在一芯片上）第2页/共151页3以处理器的位数来划分4 4位位位位8 8位位位位1616位位位位3232位位位位6464位位位位单片机型单片机型单片机型单片机型TMS1000TMS1000COPSCOPS8048/49/50
2、8048/49/508051/528051/526801/04/05 6801/04/05 Z8Z88096/978096/976820068200ARM ARM RISC RISC CORECOREMIPS 32 MIPS 32 CORECOREMIPS 64 MIPS 64 CORECORE一般用途一般用途一般用途一般用途型型型型40044004404040408085 68098085 6809Z80 6502 Z80 6502 680268028086 8086 802868028680186 80186 Z8000Z800080386 80386 80486 80486 68000/
3、10/68000/10/20/30/4020/30/40Pentium Pentium II/IIIII/III第3页/共151页4不同等级的处理器应用：嵌入式处理器嵌入式处理器嵌入式处理器嵌入式处理器应用产品应用产品应用产品应用产品4 4位位位位遥控器遥控器遥控器遥控器 相机相机相机相机 防盗器防盗器防盗器防盗器 玩具玩具玩具玩具 简易计量表等简易计量表等简易计量表等简易计量表等8 8位位位位电视游戏机电视游戏机电视游戏机电视游戏机 空调空调空调空调 传真机传真机传真机传真机 电话录音电话录音电话录音电话录音1616位位位位手机手机手机手机 摄象机摄象机摄象机摄象机 录象机录象机录象机录象机
4、 各种多媒体应用各种多媒体应用各种多媒体应用各种多媒体应用3232位位位位MODEM MODEM 掌上电脑掌上电脑掌上电脑掌上电脑 路由器路由器路由器路由器 数码相机数码相机数码相机数码相机 GPRS GPRS 网络家庭网络家庭网络家庭网络家庭6464位位位位高级工作站高级工作站高级工作站高级工作站 新型电脑游戏机新型电脑游戏机新型电脑游戏机新型电脑游戏机 各种多媒体各种多媒体各种多媒体各种多媒体应用应用应用应用第4页/共151页51.1 四位及八位嵌入式系统微处理器四位及八位嵌入式系统微处理器第5页/共151页61.2 16位以上嵌入式系统微处理器位以上嵌入式系统微处理器第6页/共151页7
5、1.3 协处理器（协处理器（Co-processor）Intel推出的协处理器及其搭配的X86架构微处理器名微处理器名微处理器名微处理器名协处理器名协处理器名协处理器名协处理器名Intel 8080Intel 8080Intel 8087Intel 8087Intel 80286Intel 80286Intel 80287Intel 80287Intel 80386SXIntel 80386SXIntel 80387Intel 80387Intel 80486SXIntel 80486SXIntel 80487Intel 80487第7页/共151页81.4 RISC和和CISC 计算机自40
6、年代中叶问世以来，其体系结构的发展经历了：简单复杂极其复杂简单复杂极其复杂第8页/共151页9CISC计算机计算机复杂指令集计算机(Complex Instruction Set Computer背景:存储资源紧缺,强调编译优化增强指令功能，设置一些功能复杂的指令，把一些原来由软件实现的、常用的功能改用硬件的指令系统来实现。第9页/共151页10CISC的特点的特点 为节省存储空间，强调高代码密度，指令格式不固定，指令可长可短，操作数可多可少；寻址方式复杂多样，操作数可来自寄存器，也可来自存储器；采用微程序控制，执行每条指令均需完成一个微指令序列；CPI ，指令越复杂，CPI越大。第10页/共
7、151页11CISCCISC的主要缺点的主要缺点指令使用频度不均衡。高频度使用的指令占据了绝大部分的执行时间，扩充的复杂指令往往是低频度指令。大量复杂指令的控制逻辑不规整，不适于VLSI工艺VLSI的出现，使单芯片处理机希望采用规整的硬联逻辑实现，而不希望用微程序，因为微程序的使用反而制约了速度提高。(微码的存控速度比CPU慢5-10倍)。软硬功能分配 复杂指令增加硬件的复杂度，使指令执行周期大大加长，直接访存次数增多，数据重复利用率低。不利于先进指令级并行技术的采用第11页/共151页12RISC基本设计思想基本设计思想减小CPI:CPUtime=Instr_Count*CPI*Clock_
8、cycle精简指令集:保留最基本的,去掉复杂、使用频度不高的指令采用Load/Store结构，有助于减少指令格式，统一存储器访问方式采用硬接线控制代替微程序控制第12页/共151页13RISCRISC精华精华:减少指令平均执行周期数减少指令平均执行周期数CPUtime=IC*CPI*CCICRISC IC CISC,30%-40%CCRISC CCCISC，CPIR IS C C P ICI S C 差距在缩小超标量、超流水线、VLIW等系统结构，目标在于减小CPI，可使CPI1第13页/共151页14RISC的提出与发展的提出与发展Load/Store结构提出：CDC6600(1963)-C
9、RAY1(1976)RISC思想最早在IBM公司提出，但不叫RISC，IBM801处理器是公认体现RISC思想的机器。1980年，Berkeley的Patterson和Dizel提出RISC名词，并研制了RISC-,实验样机。1981年Stenford的Hennessy研制MIPS芯片。85年后推出商品化RISC:MIPS1(1986)和SPARC V1(1987)第14页/共151页15高性能高性能RISC处理器典型处理器典型SUN公司的SPARC(1987)MIPS公司的SGI:MIPS(1986)HP公司的PA-RISC,IBM,Motorola公司的PowerPCDEC、Compac公
10、司的Alpha AXPIBM的RS6000(1990)第一台Superscalar RISC机 第15页/共151页161.5 数字信号处理器数字信号处理器(DSP)乘法与加法运算离散傅立叶变换(DFT)离散余弦变换(DCT)Finite Impluse ResponesFilter第16页/共151页17 Process ability Process ability New Applications New Applications19751975198019801985198519901990201920192000200010,00010,0001,0001,0001010100100
11、1 10.10.1MIPSMIPS808680868086PentiumPentium IV IV IV 802868028680286i386i386i386i486i486i486PentiumPentiumPentium PentiumPentium II IIIIPentiumPentium IIIIIIIII第17页/共151页182 嵌入式片上系统嵌入式片上系统(SoC)SoC-System on ChipCPU+DSP+USB+TCP/IP+GPRS+GSM+IEEE1394+BLUETOOCH+SOC的优点:改变内部工作电压，减少功耗减少芯片对外管脚数，简化制造过程减少外围驱动
12、与电路板之间的信号传递，提高速度内嵌的线路可以避免外部电路板在信号传递时引起的干扰第18页/共151页192.1 SOC的设计开发的设计开发第19页/共151页20SOC System on Chip简介简介从狭义角度讲，它是信息系统的芯片集成，是将系统集成在一块芯片上从广义角度讲，SoC就是一个微小型系统 SoC不是各个芯片功能的简单叠加，而是从整个系统的功能和性能出发，用软硬结合的设计和验证方法，利用IP复用及深亚微米技术，在一个芯片上实现复杂的功能 SoC是ASIC(Application Specific Integrated Circuits)设计方法学中的新技术 第20页/共151
13、页21SoC 是市场和技术共同推动的结果是市场和技术共同推动的结果 从市场层面上看，人们对集成系统的需求也在提高 据预测，SoC 销售额将从2019 年的136亿美元，增长到2019 年的347 亿美元，年增长率超过20%。从技术层面上看，以下几个方面推动了SoC 技术的发展微电子技术的不断创新和发展 计算机性能的大幅度提高 综合开发工具的自动化和智能化程度不断提高硬件描述语言的发展 第21页/共151页22SoC 芯片设计中芯片设计中 的的IP 模块模块 SoC 的设计基础是IP（Intellectual Property）复用技术。已有的IC 电路以模块的形式在SoC 芯片设计中调用这些可
14、以被重复使用的IC 模块就叫做IP 模块 IP 模块是一种预先设计好，已经过验证，具有某种确定功能的集成电路、器件或部件。它有3 种不同形式：软IP 核(soft IP core)、固IP 核(firm IP core)和硬IP 核(hard IP core)第22页/共151页23SoC的发展重点的发展重点 总线结构及互连技术 软、硬件的协同设计技术 IP可重用技术 低功耗设计技术 可测性设计方法学 超深亚微米实现技术 第23页/共151页24SoC具有的优势具有的优势 降低耗电量：随电子产品向小型化、便携化发展，对其省电需求将大幅提升，由于SoC 产品多采用内部讯号的传输，可以大幅降低功耗
15、。减少体积：数颗IC 整合为一颗SoC 后，可有效缩小电路板上占用的面积，达到重量轻、体积小的特色。丰富系统功能：随微电子技术的发展，在相同的内部空间内，SoC 可整合更多的功能元件和组件，丰富系统功能。提高速度：随着芯片内部信号传递距离的缩短，信号的传输效率将提升，而使产品性能有所提高。节省成本：理论上，IP 模块的出现可以减少研发成本，降低研发时间，可适度节省成本。不过，在实际应用中，由于芯片结构的复杂性增强，也有可能导致测试成本增加，及生产成品率下降。第24页/共151页253 整和型嵌入式处理器整和型嵌入式处理器目前嵌入式处理器按其体系结构的不同可分为五大类ARMMIPSPOWER P
16、CX86SH系列 第25页/共151页26第26页/共151页273.1 ARM 公司的ARM RISC处理器ARM 7 Thumb 家族ARM 9 Thumb 家族ARM 10 Thumb 家族第27页/共151页28第28页/共151页293.2 Intel StrongARMStrongARM 110StrongARM 1100StrongARM 1110StrongARM 1111第29页/共151页30第30页/共151页313.3 德州仪器德州仪器TMS320 DSP处理器处理器TMS320C5X DSP家族TMS320C6X DSP家族第31页/共151页323.4 Philip
17、s公司的公司的Trimedia第32页/共151页333.5德州仪器德州仪器OMAP处理器处理器第33页/共151页343.6 INTEL的的Xscale架构处理器架构处理器基于ARM V5TE体系结构兼容ARM V5TE ISA指令集（不支持浮点指令集）在处理器内核周围提供了指令和数据存储器管理单元指令、数据和微小数据缓存写缓冲、挂起缓冲和分支目标缓冲器电源管理性能监控调试JTAG单元以及协处理器接口MAC协处理器内核存储总线第34页/共151页35第35页/共151页36Thin ClientsThin ClientsNetwork DevicesNetwork DevicesOffice
18、 Office AutomationAutomationKiosk/ATMKiosk/ATMGame PlatformsGame PlatformsIndustrialIndustrialAutomationAutomationEmbedded DevicesRetail POSRetail POSSet-Top-BoxSet-Top-BoxGateway/Media StoreGateway/Media StoreIntel ArchitectureIntel XScale第36页/共151页373.7 MIPS RISC第37页/共151页38第38页/共151页39从1986年推出R20
19、00处理器以来，陆续推出R3000、R4000、R8000等。之后,MIPS公司的战略发生变化，把重点放在嵌入式系统。2019年，MIPS公司发布了MIPS32和MIPS64体系结构标准，集成了原来所有的MIPS指令集，并且增加了许多更强大的功能。此后MIPS公司又陆续开发了高性能、低功耗的32位和64位处理器内核。第39页/共151页40在MIPS的32位内核中4K系列对应于SOC应用设计；M4K系列内核是为在下一代消费电子、网络、宽带应用中越来越受欢迎的多CPU SOC所设计；4KE系列具有目前32位通用嵌入式处理器中最高的DMIPS/MHz性能指标；4KS系列由于采用了特殊的SmartM
20、IPS体系结构，特别适用于需要安全数据传输的领域，比如网络、智能卡等；Pro Series系列则通过特有的CorExtend技术，使得SOC设计获得了空前的灵活性；24K系列除了支持CorExtend技术以外，还为Java和图形应用做了特别的优化。5K和20Kc系列属于MIPS的64位内核5K能提供1.4DMIPS/MHz的性能以及最低350MHz的运行速率。20Kc是当今最快的可授权嵌入式处理器内核。一般运行在600MHz，具有7段流水线的20Kc内核，能提供1.2GFLOPS的峰值浮点运算能力。第40页/共151页41第41页/共151页42在嵌入式处理器市场中，基于MIPS内核的处理器占
21、据了相当大的数量2019年，一共付运了8700万片采用MIPS内核的嵌入式处理器。份额仅次于ARM位居全球第二。在目前快速增长的比如Cable Modem、DSL Modem、DVD录像机等领域内，MIPS的市场份额位居第一。MIPS的合作伙伴包括了AMD，IDT，NEC，TI，SONY等众多厂商第42页/共151页433.8 Motorola的的DragonBall VZ 第43页/共151页443.9 Alchemy处理器处理器 AMD公司在收购了Alchemy Semiconductor Inc.之后，推出了一系列的基于MIPS体系结构的Alchemy处理器用途：便携式设备、VoIP设备
22、、NAS单元 AMD Alchemy处理器家族包括Au1000、Au1100、Au1500和Au1550等四款 第44页/共151页45第45页/共151页463.10 Power PC体系结构体系结构 Motorola半导体（现Freescale半导体）联合IBM以及苹果电脑 第46页/共151页47第47页/共151页483.11 X86体系结构体系结构 Intel X86体系结构AMD最新的X86体系结构嵌入式处理器产品为Geode 系列处理器 Geode GX DB533,采用Geode 533的嵌入式硬件系统 第48页/共151页493.12 SH体系结构体系结构SH(SuperH)
23、系列是由前日立半导体公司（现Renesas公司）推出的嵌入式处理器 SH系列的CPU指令格式是固定的，只有一个字长，绝大多数指令是单周期完成的，即使是复杂的乘加指令也仅需2个时钟周期 为了克服内存访问的瓶颈，SH的CPU简化寻址方式，采用Load/Store(装载/存储)结构，并且在片内设置高速缓存，以减少访问内存的时间 第49页/共151页502019年底，SH系列累计生产达1.18亿片。SH系列投入市场后，用量最多的是工业，占总量的36%，第二位是办公自动化，占总量的26%；第三位是消费领域；再其次的是通信领域。此外，汽车导航、定位、控制系统，也是SH系列不小的一个市场。在美国，SH系列占
24、有较大的市场份额 第50页/共151页51第51页/共151页524 总线总线总线的主要参数有总线的带宽总线的位宽总线的工作时钟频率第52页/共151页534.1 ISAIBM 公司于1981 年推出的基于8 位机PC/XT 的总线，称为PC 总线。IBM 公司于1984 年推出了16 位PC 机PC/AT，其总线称为AT 总线。然而IBM 公司从未公布过他们的AT总线规格。由Intel 公司，IEEE 和EISA 集团联合开发了与IBM/AT 原装机总线意义相近的ISA 总线，即8/16 位的“工业标准结构”(ISA-Industry Standard Architecture)总线。第53
25、页/共151页544.2 PCI1991 年下半年，Intel 公司首先提出了PCI 的概念。并联合IBM、Compaq、AST、HP、DEC 等100 多家公司成立了PCI 集团，其英文全称为：Peripheral Component Interconnect Special Interest Group(外围部件互连专业组)，简称PCISIG第54页/共151页554.3 I2CPHILIPS 开发了一种用于内部IC 控制的简单的双向两线串行总线I2C(inter IC 总线)第55页/共151页564.4 PC104PC104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线，实质上就是一种紧凑
26、型的IEEE-P996PC104 有两个版本，8 位和16 位，分别与PC 和PC/AT 相对应。PC104PLUS 则与PCI总线相对应第56页/共151页574.5 CAN“Controller Area Network”即控制器局域网被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置ECU 之间交换信息，形成汽车电子控制网络。发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入CAN 控制装置。第57页/共151页58CPCIATCAPCI EXPRESS第58页/共151页595 高速输入与输出接口高速输入与输出接口5.1 IrDA/FastIrDA红外线发光二极管发射
27、硅晶PIN光检二极管接受控制电路第59页/共151页60距离小于一尺低速9.6115K bps高速14M bps更高速16M bps第60页/共151页61红外线接口红外线接口 第61页/共151页625.2 USBIBM、Compaq、Nortel、NEC、Intel以及Microsoft联合12M bps距离5 米树拓扑结构，127个点低速 1.5 M bpsUSB 2.0 速率高达480Mbps第62页/共151页635.3 Ethernet/Fast Ethernet802.3/802.3n10M Ethernet100M Ethernet采用什么协议?CSMA/CD第63页/共151
28、页645.4 IEEE139420400M bps起源于APPLE的FireWire支持63个器件长度几米第64页/共151页65使用使用1394的数字机顶盒架构图的数字机顶盒架构图第65页/共151页665.5 蓝牙模块蓝牙模块（bluetooth)无线传输收发单元基频处理单元数据传输接口通信频率在1.2GHZ以内。第66页/共151页67第67页/共151页68蓝牙和红外线的比较：蓝牙和红外线的比较：第68页/共151页696 输入输出装置输入输出装置6.1 触控面板电容式音波式红外线式近场感应式电阻式XGT式防水、防火、防刮、抗菌第69页/共151页70电阻式触控面板结构电阻式触控面板结
29、构第70页/共151页71语音输入输出技术语音输入输出技术 语音识别输入的实现可以在嵌入式处理器功能足够强大时用相应的软件实现也可以使用专用芯片增加一个硬件功能模块 语音识别技术以识别方法来分，有模板匹配法、随机模型法和概率语法分析法。这三种方法都属于统计模式识别方法。以识别范围来分，分为语音从属（speaker-dependent）模式和语音独立（speaker-independent）模式 第71页/共151页726 个个I/O 口实现的口实现的55 按键矩阵的示意图按键矩阵的示意图 第72页/共151页736.2 LCD显示器显示器Liquid Crystal Display液晶介于固态
30、和液态用于显示GUI（图象用户界面）环境下的文字和图象数据适用于低压、微功耗电路。第73页/共151页74段式液晶常见段式液晶的每字为8 段组成，即8 字和一点，只能显示数字和部分字母。字符型液晶字符型液晶是用于显示字符和数字的，对于图形和汉字的显示方式与段式液晶无异图形点阵式液晶又将其分为TN、STN（DSTN）、TFT 等几类第74页/共151页75彩色LCD 分：主动式LCD(有源,active)高端产品使用,如TFT被动式LCD(无源,passive)中低端产品，如STN手机等第75页/共151页76LCD结构图结构图第76页/共151页77触摸屏触摸屏 嵌入式系统中的触摸屏分为电阻式
31、、电容式和电感式三种 其中电阻式触摸屏最为常用 电阻触摸屏的工作部分一般由三部分组成，两层透明的阻性导体层、两层导体之间的隔离层、电极 触摸屏工作时，上下导体层相当于电阻网络，当某一层电极加上电压时，会在该网络上形成电压梯度。如有外力使得上下两层在某一点接触，则在电极未加电压的另一层可以测得接触点处的电压，从而知道接触点处的坐标。第77页/共151页78电容式触摸屏电容式触摸屏电容式触摸屏是一块四层复合玻璃屏，玻璃屏的内表面和夹层各涂一层ITO，四个角引出四个电极。当用户触摸电容屏时，由于人体电场，用户手指和工作面形成一个耦合电容，因为工作面上接有高频信号，于是手指会吸收一个很小的电流，这个电
32、流分别从屏的四个角上的电极中流出，理论上流经四个电极的电流与手指头到四角的距离成比例，控制器通过对四个电流比例的精密计算，得出位置 第78页/共151页79电感式触摸屏电感式触摸屏 电感式触摸屏的工作原理是在触摸笔中安装LC 谐振线圈通过改变与安装有激励线圈及感应线圈的触摸屏之间的空间距离，使电磁场发生变化从而计算出触点的位置 第79页/共151页807 存储器存储器RAM(SRAM DRAM)ROMEPROMEEPROMFLASH ROM第80页/共151页818 扩充装置扩充装置8.1 CF扩充装Compact Flash所有Windows CE 支持第81页/共151页828.2 SD扩
33、充装置（Secure Digital）Panasonic Scandisk Toshiba第82页/共151页838.3 Memory Stick(Sony)第83页/共151页848.4 Springboard(Palm os 的Visor专用）第84页/共151页85闪速存储器闪速存储器(FLASH)相对传统的EEPROM芯片，这种芯片可以用电气的方法快速地擦写 由于快擦写存储器不需要存储电容器，故其集成度更高，制造成本低于DRAM 它使用方便，既具有SRAM读写的灵活性和较快的访问速度，又具有ROM在断电后可不丢失信息的特点，所以快擦写存储器技术发展最迅速 第85页/共151页86NOR
34、技术技术NOR技术（亦称为Linear技术）闪速存储器是最早出现的Flash Memory，目前仍是多数供应商支持的技术架构。它源于传统的EPROM器件，与其它Flash Memory技术相比，具有可靠性高、随机读取速度快的优势，在擦除和编程操作较少而直接执行代码的场合，尤其是纯代码存储的应用中广泛使用，如PC的BIOS固件、移动电话、硬盘驱动器的控制存储器等。NOR技术Flash Memory具有以下特点：（程序和数据可存放在同一芯片上，拥有独立的数据总线和地址总线，能快速随机读取，允许系统直接从Flash中读取代码执行，而无需先将代码下载至RAM中再执行；可以单字节或单字编程，但不能单字节
35、擦除，必须以块为单位或对整片执行擦除操作，在对存储器进行重新编程之前需要对块或整片进行预编程和擦除操作。由于NOR技术Flash Memory的擦除和编程速度较慢，而块尺寸又较大，因此擦除和编程操作所花费的时间很长，在纯数据存储和文件存储的应用中，NOR技术显得力不从心。第86页/共151页87NAND技术技术NAND技术 Flash Memory具有以下特点：以页为单位进行读和编程操作，1页为256或512B（字节）；以块为单位进行擦除操作，1块为4K、8K或16KB。具有快编程和快擦除的功能，其块擦除时间是2ms；而NOR技术的块擦除时间达到几百ms。数据、地址采用同一总线，实现串行读取。
36、随机读取速度慢且不能按字节随机编程。芯片尺寸小，引脚少，是位成本(bit cost)最低的固态存储器，将很快突破每兆字节1美元的价格限制。芯片包含有失效块，其数目最大可达到335块（取决于存储器密度）。失效块不会影响有效块的性能，但设计者需要将失效块在地址映射表中屏蔽起来。Samsung公司在2019年底开发出世界上第一颗1Gb NAND技术闪速存储器。基于NAND的存储器可以取代硬盘或其他块设备。第87页/共151页88AND技术技术AND技术是Hitachi公司的专利技术。AND技术与NAND一样采用“大多数完好的存储器”概念Hitachi和Mitsubishi公司采用0.18m的制造工艺
37、，并结合MLC技术，生产出芯片尺寸更小、存储容量更大、功耗更低的512Mb-AND Flash Memory，再利用双密度封装技术DDP（Double Density Package Technology），将2片512Mb芯片叠加在1片TSOP48的封装内，形成一片1Gb芯片。HN29V51211T具有突出的低功耗特性，读电流为2mA，待机电流仅为1A由于其内部存在与块大小一致的内部RAM 缓冲区，使得AND技术不像其他采用MLC的闪速存储器技术那样写入性能严重下降。第88页/共151页89由由EEPROM派生的闪速存储器派生的闪速存储器EEPROM具有很高的灵活性，可以单字节读写（不需要擦
38、除，可直接改写数据），但存储密度小，单位成本高。部分制造商生产出另一类以EEPROM做闪速存储阵列的Flash Memory，如ATMEL、SST的小扇区结构闪速存储器（Small Sector Flash Memory）和ATMEL的海量存储器（Data-Flash Memory）。这类器件具有EEPROM与NOR技术Flash Memory二者折衷的性能特点：读写的灵活性逊于EEPROM，不能直接改写数据。与EEPROM比较，具有明显的成本优势。存储密度比EEPROM大，但比NOR技术Flash Memory小第89页/共151页90CF卡卡第90页/共151页919.嵌入式系统硬件方案分
39、析与设计嵌入式系统硬件方案分析与设计三个阶段：系统方案分析与设计PCB的仿真设计PCB的调试与测试 第91页/共151页92系统方案分析与设计阶段系统方案分析与设计阶段 根据系统所要完成的功能，选择合适的处理器和外围器件，完成系统的功能框图设计和原理图设计 第92页/共151页93PCB仿真设计阶段仿真设计阶段需要在EDA仿真设计平台下，对PCB板上的信号完整性、EMI等进行仿真，根据仿真结果来对PCB进行合理的布局布线，完成PCB的设计 第93页/共151页94PCB的加工的加工对加工完成的PCB进行调试和测试，完成整个系统硬件的设计 第94页/共151页95以一个便携式GPS导航系统的开发
40、实例来说明整个系统设计的流程 第95页/共151页96需求需求便携式GPS导航系统是一个手持的电池供电系统，需要完成以下功能 能够存储电子地图信息并在LCD显示屏上显示能够接收GPS信号，根据GPS收到的信息可以确定当前在地图中所处的位置给定起点和终点可以计算出合理的行进路线可以通过以太网下载更新电子地图或系统软件有USB主端接口，满足USB1.1规范，可以挂接键盘、鼠标和存储设备等第96页/共151页97分析分析根据系统功能，可以确定该系统需要有以下的内存和功能接口 32MB Flash存储器，用于存储电子地图信息4MB Flash存储器，用于存储系统软件64MB SDRAM，用作系统运行内
41、存TFT-LCD接口，支持16位颜色，6.4英寸TFT-LCD显示屏RS232接口，用于与GPS模块通讯10M以太网接口USB主端接口支持6.4英寸四线电阻式触摸屏第97页/共151页98处理器的选择处理器的选择嵌入式系统设计的差异性极大，因此选择是多样化的 选择：PXA255是Intel 公司采用XScale微体系结构开发的一款嵌入式处理器，主要面向手持多媒体应用 特性高性能、低功耗的XScale处理器核，时钟频率按不同型号分为200MHz、300MHz和400MHz系统总线速度比PXA250提高一倍，当内核工作在400MHz时系统总线频率为200MHz采用0.18微米工艺制造，17 mm
42、x 17 mm x 1.75mm，256脚PBGA封装采用Intel多媒体处理技术增强型存储器控制器，支持2.5V3.3V、1632位的存储器支持MMCSD卡和PCMCIACF卡提供920Kbps蓝牙接口第98页/共151页99外围部件 存储器控制器。可为多种存储器芯片提供可编程的控制信号。支持4个SDRAM分区，6个SRAM、SSRAM、FLASH、ROM、SROM静态片选和2个PCMCIA或COMPACT FLASH槽时钟和电源控制器。时钟可由3.6864MHz和一个可选的32.768KHz两种晶体驱动。3.6864MHz晶体驱动一个核心锁相环和一个外围锁相环。32.768KHz晶体产生一
43、个硬件复位后选定的可选时钟源，用于驱动实时时钟(RTC)、电源管理控制器和中断控制器USB从端设备控制器。支持多达16个终结点，提供一个内部产生的48MHz时钟DMA控制器。提供16个优先级不同的通道，用于响应来自片内外围部件和片外设备的数据传输请求液晶控制器。提供支持双扫描无源阵列彩显（DSTN，俗称伪彩）或有源阵列彩显（TFT，俗称真彩）屏的接口。最大支持显示分辨率为10241024像素第99页/共151页100AC97控制器。支持AC97 2.0修订版本的多媒体数字信号编解码器，为立体PCM输入输出、Modem输入输出和单一的麦克风输入都提供了单独的16位通道I2S控制器。为标准I2S多
44、媒体数字信号编解码器提供了串行连接。I2S控制器引脚与AC97控制器引脚复用MMC控制器。提供到标准存储卡的串行接口,数据传输速率最高可达20Mbps高速红外(FIR)通讯端口。基于4Mbps的红外数据协会(IrDA)规格，工作于半双工模式下同步串行协议端口(SSP)控制器。提供7.2Kbps到1.84Mbps的全双工同步串行接口。SSP接口支持National Semiconductor 的Microwire协议、Texas Instruments的同步串行协议（SSP）和Motorola 的SPI协议 I2C总线接口单元。提供2个引脚的通用串行通讯端口，其中一个引脚用于数据和地址，另一个用
45、于时钟第100页/共151页101通用I/O引脚。每个引脚都可以独立地编程定义为输入或输出4个UART。每一个UART都能用作低速红外收发全功能UART(FFUART)：可编程波特率最大为230Kbps，提供完整的modem控制引脚蓝牙UART(BTUART)：可编程波特率最高可达921Kbps，提供部分modem控制引脚标准UART(STUART)：可编程波特率最高可达230Kbps，不提供任何modem控制引脚，但可通过GPIO引脚提供 硬件UART(HWUART)：它带有硬件流控制，提供部分modem控制引脚，其编程可调的波特率可高达921.6Kbps。硬件UART的引脚与PCMCIA的
46、控制引脚复用实时时钟。实时时钟可提供恒定频率的输出，它带有可编程闹钟寄存器，可用于从休眠模式中唤醒处理器OS定时器。可用于提供一个带有4个寄存器的3.6864MHz参考计数器。这些寄存器可用于产生中断，其中一个还能用于产生看门狗中断脉冲宽度调制(PWM)。其频率和占空比可以独立编程 中断控制。中断控制器可以通过屏蔽寄存器禁用或启用单个中断源网络同步串行协议端口(NSSP)。该端口可用于连接其他的网络ASIC第101页/共151页102为什么选择为什么选择PXA255？处理器性能 不是在于挑选速度最快的处理器，而是在于选取能够完成作业的处理器和I/O子系统 可能会升级的系统，可以考虑在完成目前作
47、业的情况下还能够有一定的性能余量处理器 便携式GPS导航系统在显示和路线计算方面对处理器的性能要求都比较高，而PXA255则具有较高的处理性能，系统时钟频率可以达到400MHz，外围总线频率可以达到100MHz，能够较好的完成该系统所要求的功能 第102页/共151页103 集成外围接口内部有集成的LCD控制器，可以直接支持16位颜色的TFT-LCD显示屏有多个UART通讯口，可以方便的扩出与GPS模块通讯的RS232通讯口使系统的设计变得相对简单 功耗 当工作在400MHz时钟频率运行模式下，PXA255的功耗的典型值仅为411mW如果降低工作频率，处理器的功耗会变得更低PXA255还提供了
48、加速模式、运行模式、待机模式和睡眠模式这四种工作模式，可以方便的进行电源管理 在相应的开发板上做前期的试验评估，确保在软硬件方面都能够满足设计的要求 第103页/共151页104外围器件的选择外围器件的选择Micron公司的MT48LC16M16A2是位宽为16位，容量为32MB的SDRAM。系统中采用两片MT48LC16M16A2来组成所需要的32位宽、32MB的运行内存。Intel公司的TE28F160C3T和28F128J3C是两款NOR型闪存。系统中分别采用两片TE28F160C3T和两片28F128J3C来用作系统程序的存储器和电子地图的存储器。第104页/共151页10510M以太
49、网接口可以通过CirrusLogic公司的CS8900A来提供 CS8900A是用于嵌入式设备的低成本以太局域网控制器。它的高度集成设计使其不再需要其它以太网控制器所必需的昂贵外部器件。CS8900A包括片上RAM，10Base-T传输和接收滤波器，以及带24毫安驱动的直接ISA-总线接口 第105页/共151页106Cypress公司的SL811HS可用来提供系统中所需的满足USB1.1规范的USB主端接口。SL811HS是一个既可以作为USB主端也可以作为USB从端，既可以工作在全速模式（12Mbps）也可以工作在低速模式（1.5Mbps）的嵌入式USB主端/从端控制器它可以直接与多种总线
50、挂接，如嵌入式处理器的数据总线、ISA总线和PCMCIA总线等 第106页/共151页107TI公司的ADS7843E是一款高性能低功耗的四线电阻式触摸屏控制器通过它系统可以方便的挂接四线电阻式触摸屏内部集成一个12位分辨率的模数转换器（ADC），最高转换速度可以达到125KHz，并通过串行口与处理器进行通讯 第107页/共151页108电源方案的设计电源方案的设计两种基本的直流/直流变换的电源供电方式线性稳压电源开关稳压电源线性稳压电源优点就是电路结构简单，可靠性高，所需电路元件数量少，电源纹波小一个致命的弱点就是效率低，功耗大开关稳压电源优点就是转换效率高，一般可以达到80以上 升降压比较