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1、3,C H A P T E R,基于ARM的硬件系统设计,本节提要,1,3,2,5,4,6,基于ARM的硬件系统体系结构,存储器接口设计,网络接口设计,I/O接口设计,人机交互接口设计,其它通讯接口设计,嵌入式系统的软硬件框架,串口、并口、USB、以太网等,LED、LCD、触摸屏、鼠标、键盘等,Linux、uCLinux、uC/OS-II等,嵌入式系统的开发步骤,嵌入式系统的开发步骤,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；非功能需求包括系统性
2、能、成本、功耗、体积、重量等因素。,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、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功与否的关键。,嵌入式系统的开发步骤,硬件/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，设计往往是并行的。,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。,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。,S3C2410X处理器详解,S3C2410X在包含ARM920T核的同时，增加了丰富的外围资源主要片内外围
3、模块包括： 1个LCD控制器，支持STN和TFT液晶显示屏； 外部存储器管理（SDRAM控制器和芯片选择逻辑）； 3个通道的UART； 4个通道的DMA，支持存储器和I/O口之间的传输，以猝发模式提高传输率； 4个具有PWM功能的16位定时/计数器和1个16位内部定时器，支持外部时钟源；,S3C2410X处理器详解, 8通道的10位ADC，最高速率可达500kB/s，10位分辨率； 触摸屏接口； IIS总线接口； 2个USB主机接口，1个USB设备接口； 2个SPI接口； SD卡接口和MMC卡接口； 16位看门狗定时器； 117位通用I/O口和24位外部中断源； 电源管理。,本节提要,1,3,
4、2,5,4,6,基于ARM的硬件系统体系结构,存储器接口设计,网络接口设计,I/O接口设计,人机交互接口设计,其它通讯接口设计,2410的存储器系统, 可通过软件选择大小端 地址空间:每个Bank 128Mbytes (总共 1GB) 除 bank0 (16/32-bit) 外，所有的Bank都可以通过编程选择总线宽度= (8/16/32-bit) 共 8 个banks6个Bank用于控制 ROM, SRAM, etc.剩余的两个Bank用于控制 ROM, SRAM, SDRAM, etc . 7个Bank固定起始地址； 最后一个Bank可调整起始地址； 最后两个Bank大小可编程 所有Ban
5、k存储周期可编程控制；,S3C2410的存储器配置,Bank0总线宽度配置,S3C2410与2片8的FLASH的连接方法,与1片16M的SDRAM的连接方法,与2片16M的SDRAM的连接方法,NAND和NOR性能比较,NOR和NAND是现在市场上两种主要的非易失闪存技术NOR的读速度比NAND稍快一些NAND的写入速度比NOR快很多NAND的擦除速度远比NOR的快大多数写入操作需要先进行擦除操作NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路更少,接口差别,NOR flash带有SRAM接口，线性寻址，可以很容易地存取其内部的每一个字节NAND flash使用复用接口和控制IO多次寻址存取数据NAND
6、读和写操作采用512字节的块，这一点有点像硬盘管理，此类操作易于取代硬盘等类似的块设备,FLASH存储器接口,SDRAM存储器接口,本节提要,1,3,2,5,4,6,基于ARM的硬件系统体系结构,存储器接口设计,网络接口设计,I/O接口设计,人机交互接口设计,其它通讯接口设计,嵌入式开发板与PC机的串行通讯,嵌入式开发板和PC机的通讯电缆可以按照如图所示的方式连接。,2410的UART,S3C2410A 的UART (Universal Asynchronous Receiver and Transmitter) 提供了三个独立的异步串行I/O口，每一个都可以工作在中断模式或DMA模式，即UA
7、RT可以产生中断或DMA请求以在CPU和UART之前传送数据，使用系统时钟，UART最高可以支持230.4K bps 的位传输率。如果采用外部带时钟的UART，则UART可以实现更高速度的传输；每个UART包括2个16Byte的接收/发送FIFO。,UART控制框图,字符串行输出格式,发送前：线路处于空闲状态，连续发送 “1”开始发送：首先，发送一位起始位 “0” 然后，发送连续的二进制位，数据位可以为5、6、7、8 随后，紧跟一位奇偶校验位（可选择奇/偶/无校验） 最后，发送停止位 “1”，可以有1位、1.5位或2位停止位,串行通讯硬件规范及连接方法,RS-232C 物理特征： DB-25
8、DB-15 DB-9 信号连线：保护地、TXD/RXD、RTS/CTS、DCD、 DSR、DTR、R1 电平规定：-5V -15V 之间的电平表示逻辑 “1” +5V +15V 之间的电平表示逻辑 “0”,串行接口,LCD通常由两种方式，一种是带有驱动芯片的LCD模块，基本上属于半成品一些新型的嵌入式处理器也可以直接使用芯片上的内置LCD控制器来构造显示模块，比如：s3c2410可以支持STN的彩色/灰度/单色三种模式和TFT模式，灰度模式下可支持4级灰度和16级灰度，彩色模式下最多支持256色，LCD的实际尺寸可支持到640X480。,LCD接口,总线驱动方式,一般带有驱动模块的LCD显示屏
9、使用这种驱动方式，由于LCD已经带有驱动硬件电路，因此模块给出的是总线接口，便于与单片机的总线进行接口。驱动模块具有八位数据总线，外加一些电源接口和控制信号。而且自带显示缓存，只需要将要显示的内容送到显示缓存中就可以实现内容的显示。由于只有八条数据线，因此常常通过引脚信号来实现地址与数据线复用，以达到把相应数据送到相应显示缓存的目的。,控制器扫描方式,S3C2410X中具有内置的LCD控制器，它具有将显示缓存（在系统存储器中）中的LCD图象数据传输到外部LCD驱动电路的逻辑功能。S3C2410X中内置的LCD控制器可支持灰度LCD和彩色LCD。,嵌入式处理器与LCD的连接,嵌入式处理器,LCD
10、模块,数据总线,寄存器选择,使能信号,有LCD控制器的嵌入式处理器,LCD,LCD控制信号线,LCD接口设计,实现过程：将要显示的数据放到一个特定的地址，这个特定的地址就是frame memory（帧存储器），这块空间是在系统内存中。然后LCD控制器将这些数据配合控制信号送到LCD驱动器完成显示。由相应的寄存器来设定这个地址及其大小。与显示数据相配合完成显示的控制信号时序也是由相应的寄存器来完成的。这些寄存器都在LCD的控制器中。,LCD控制器框图,主要的寄存器,LCD控制寄存器（5个）帧缓冲开始地址寄存器（3个）临时调色板寄存器（Temp Palette Register）LCD中断屏蔽寄存
11、器（LCD Interrupt Mask Register）LPC3600控制寄存器（LPC3600 Control Register ）,触摸屏接口设计,触摸屏的分类电阻式触摸屏 表面声波触摸屏 红外式触摸屏 电容式触摸屏,电阻式触摸屏,电阻技术触摸屏是一种对外界完全隔离的工作环境，故不怕灰尘、水汽和油污，可以用任何物体来触摸，比较适合工业控制领域及办公室内有限人的使用。分为四线电阻和五线电阻触摸屏,四线电阻触摸屏原理,测量原理,在触摸点X、Y坐标的测量过程中，测量电压与测量点的等效电路图所示，图中P为测量点,X,V,Y,Y,触摸屏芯片,FM(ADS)7843的特点,实现触摸屏的驱动选择控制
12、（X、Y通道）对于输入电压或附加电压进行AD转换同步串行接口最大转换速率125KHz可编程控制8位或者12位转换模式工作电压2.7V-5.0V两个附加的输入端口,本节提要,1,3,2,5,4,6,基于ARM的硬件系统体系结构,存储器接口设计,网络接口设计,I/O接口设计,人机交互接口设计,其它通讯接口设计,嵌入式的以太网方案,嵌入式处理器网卡芯片（RTL8019）对嵌入式处理器没有特殊要求，通用性强处理器和网络数据交换通过外部总线，速度慢，不适合于100M网络带有以太网络接口的嵌入式处理器处理器面向网络应用处理器和网络数据交换通过内部总线，速度快,RTL8019的原理框图,嵌入式网络接口的特点
13、,与常规的网卡设计思路不同的是，在嵌入式系统中，系统的精简一直是个主要的原则。RTL8019AS作为网卡,需要一片EEPROM作为配置存储器，来确定通讯的端口地址，中断地址，网卡的物理地址，工作模式，制造厂商等信息；而在嵌入式系统中，可以使用RTL8019AS的默认配置和一些管脚作为网卡的初始化方法。这样可以节省配置存储器，减小嵌入式硬件平台的体积。,基于RTL8019的嵌入式以太网设计,1 RTL8019AS的初始化 RTL8019支持即插即用模式和非即插即用模式。在嵌入式系统中，网卡的外设通常是不经常插拔的，所以，为了系统的精简，配置RTL8019为非即插即用模式。这些配置可以通过RTL8
14、019的外部管脚，在系统上电复位的时候，自动配置起来。,关于RTL8019的RAM,RTL8019含有16K字节的RAM，地址为0 x4000-0 x7fff,这16k的ram的一部分用来存放接收的数据包，一部分用来存储待发送的数据包,2 通过RTL8019AS发送数据,作为一个集成的以太网芯片，数据的发送校验，总线数据包的碰撞检测与避免是由芯片自己完成的。我们只需要配置发送数据的物理层地址的源地址、目的地址、数据包类型以及发送的数据就可以了。,3、通过RTL8019AS接收数据,在RTL8019的初始化程序中已经设置好了接收缓冲区的位置，并且配置好了中断的模式。当有一个正确的数据包到达的时候
15、，RTL8019会产生一个中断信号，在ARM中断处理程序中，接收数据。数据的接收比较简单，即通过远端DMA把数据从RTL8019的RAM空间读回ARM中处理。,本节提要,1,3,2,5,4,6,基于ARM的硬件系统体系结构,存储器接口设计,网络接口设计,I/O接口设计,人机交互接口设计,其它通讯接口设计,CAN总线设计,CAN总线接口设计,Controller Area Network，控制器局域网，现场总线之一。是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。主要应用于汽车电控制系统、电梯控制系统、安全监控系统、医疗仪器、纺织机械、船
16、舶运输等方面CiA(CAN in Automation)为全球应用CAN技术的权威。,CAN总线特点,低成本 远距离传输（长达10Km） 相对高速的数据传输速率（1Mbit/s） 可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文 可靠的错误处理和检错机制 发送的信息遭到破坏后，可自动重发 节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能,CAN总线控制器体系结构,协议控制器,状态/控制寄存器,消息对象,接收缓冲区,宿主机接口,总线接口,CAN总线,嵌入式系统上的CAN总线接口,处理器本身带有CAN总线控制器使用CAN总线控制芯片SJA1000Philips独立CAN控制器，替代82C200，支持CAN2.0A
17、B，同时支持11位和29位ID，位速率可达1M，具有总线仲裁功能，扩展的接收缓冲器（64字节FIFO），增强的环境温度范围（-40-+125）。并行总线接口。MCP2510/5MicroChip支持CAN2.0AB，同时支持11位和29位ID，位速率可达1M，具有总线仲裁功能。2个接收缓冲区，3个发送缓冲区。高速SPI接口。,CAN总线驱动芯片,82C250CAN总线收发器，是CAN协议控制器和物理总线之间的接口，该器件对总线提供差动发送能力并对CAN控制器提供差动额接收能力，有很强的抗电磁干扰（EMI）的能力 ，至少可挂110个节点。TJA1050、1040替代82C250产品，电磁辐射更低
18、 ，无待机模式,一、IC元件的选择 二、元件封装设计 三、PCB设计精度 四、分离元件的正确使用 五、高速PCB设计方法 六、PCB设计的一般原则,硬件设计中应注意的一些问题,在选择IC元件的时候，要注意对于无铅及有铅元件的选择。 全球都已经开始提倡电子产品的无铅化，而我国也正处于有铅工艺向无铅工艺转换的过渡时期。 因此，大部分元器件厂商提供的元器件也就出现了无铅与有铅两种规格，有的厂商甚至已经停止有铅元件的生产。 所以当一个产品设计完成后，设计人员需要确认选择的元器件是采用无铅工艺的还是有铅工艺的。,一、IC元件的选择,如果在整个电路板上同时使用有铅元件与无铅元件，不仅会给SMT生产工艺带来
19、一定的困难，还可能带来整板一致性的缺陷。 无铅元件的回流焊峰值温度在255左右，而有铅元件的回流焊峰值温度最高不超过235，而且两种工艺的温区数量也可能不同。 因此，如果混用两种材料，有可能导致有铅元件被高温损坏或无铅元件（特别是BGA封装的元件）所附锡球未达到熔点，从而出现虚焊或抗疲劳度下降等问题。,一、IC元件的选择,针对这个工艺问题，在PCB板加工时也要做相应选择一方面配合无铅工艺，让无铅锡膏的焊接性得到加强另一方面应用于有铅制成的PCB板也无法承受过高的 温度，易造成板翘等不良现象。,一、IC元件的选择,除了上面提到的进行元器件的有铅与无铅的选择外在实际的硬件PCB设计中还需要关注IC
20、元件的PCB封装.1、有关PIN引脚焊盘通常，在设计PCB上的元件封装的时候，封装 上的PIN引脚的焊盘最好比元件的实际焊盘大一 些，这样有利于焊接与调试。尤其是QFN或QPF的元件，因为其引脚基本上扣在芯片的底部，如果焊盘和芯片的实际焊盘大小一样的话，一旦发生虚焊，就很难进行补救了，因为这个时候从外面很难进行焊接。,二、元件封装设计,二、元件封装设计,2、有关器件散热一些发热量大的芯片的封装也需要加以关注。 如TPS65010的封装，其底部有一个面积较大的 焊盘，其实是用来给芯片散热用的，而且这个 焊盘通常都是接到芯片的地信号。对于这样的芯片，在实际设计器封装的时候， 底部的这个焊盘一定要设
21、计进去，在芯良好散 热的同时还要保证良好接地。,所谓的PCB设计精度也就是设计PCB时的最小线宽、最小线间距及最小过孔尺寸等。 在进行布局设计时首先需要考虑PCB厂家可以进行生产的一些技术指标，比如国内现在一般：整板的最小线径和线间距是4mil过孔的内径是6mil外径是8mil而如果要设计盲孔和埋孔的话，也需要和厂家确认 可以加工的技术指标。,三、PCB设计精度,其次还要考虑SMT机器贴片的精度，最好不要让元器件之间间距过小。 如果元器件间距小于SMT机器的最小精度，将会导致元器件在贴片时碰飞。另外，需要考虑器件和板子边缘的距离，不要和板子边缘靠得太近。如果双面贴元器件的话，还要考虑元器件的高
22、度，以免引起安装问题。,三、PCB设计精度,在设计电路时不可避免地要使用到一些分离元件，那么就必须考虑分离元件的误差精度，不要误差过大。比如，有些地方选择上拉电阻，这时可以综合考虑下面一些因素。,四、分离元件的正确使用,1、当TTL电路驱动COMS电路时，如果TTL电路输出的高电平低于CMOS电路的最低高电平（一般为3.5V），就需要在TTL的输出端接上拉电阻，以提高输出高电平的值。2、OC门电路必须加上拉电阻才能使用。3、为加大输出引脚的驱动能力，有的I/O管脚上也 常使用上拉电阻。4、在COMS芯片上，为了防止静电造成的损坏，不用的管脚不能悬空，一般接上拉电阻来降低输入阻抗。,四、分离元件
23、的正确使用,5、芯片的管脚加上拉电阻可以提高输出电平， 从而提高芯片输入信号的噪声容限，增强抗 干扰能力。6、提高总线的抗电磁干扰能力，管脚悬空会比 较容易接收外界的电磁干扰。7、长线传输中电阻不匹配容易引起反射波干扰 加下拉电阻达到电阻匹配，可有效地抑制反 射波干扰。,四、分离元件的正确使用,高速PCB设计，不仅意味着在生产工艺允许的情况下，用尽量短的敷铜线把器件互连就算完成，而是要从选择高速器件开始，对关键网络、走线方式、长度进行控制，以及对PCB设计前的预设置，在PCB设计的同时进行仿真与分析，最后达到设计的要求。 一个PCB上的信号是否作为高速信号来处理，取决于上升时间、导线长度和传输
24、速率三个因素，所以高速PCB的设计的关键就是如何控制信号传输时间和信号的完整性。,五、高速PCB设计方法,信号完整性可以从反射、地弹、串扰三个方面来分析。1、反射源端与负载端阻抗不匹配会引起线上反射（ reflection），负载将一部分电压发射回源端。 如果负载阻抗小于源阻抗，反射电压为负； 反之，如果负载阻抗大于源阻抗，反射电压为正。在高速系统中，反射会导致振铃，很可能引起无效 触发或延迟触发，使逻辑状态不定。,五、高速PCB设计方法,1、反射反射可以通过使印制导线的长度短于1/2上升 时间的传输长度，或者在印制导线的终端使 输入电导与特性电导相匹配来加以控制。还可以通过在印制导线终端接入
25、匹配电阻的方法来控制信号反射。匹配电阻是常用的控制反射的方法，匹配电阻有并联和串联两种方式。,五、高速PCB设计方法,2、串扰 串扰（crosstalk）就是指相邻或相近的导体间不应有的能量耦合。在PCB设计中，典型的串扰发生在同一层印制导线间，但也可能发生在相邻层的导线间。一般在设计PCB时，相邻的两层的走线应该是垂直的。串扰引起在第一个导体上的能量损失和在第二个导体上的信号干扰。串扰的大小取决于源信号的频率或上升时间、导线的几何形状、与邻近导线的距离，以及网络的拓扑结构等。,五、高速PCB设计方法,2、串扰 串扰分类：电容性串扰和电感性串扰。电容性串扰是源于信号电压与耦合电流在两个 方向上
26、。 电容性串扰可以用分离电路的方法减小，信号 线距离越远，电容越小，干扰越小。电感性串扰是源于信号电源与耦合电压在同一 个方向上。 由于印制板空间的因素限制了两条信号线之间的距离不可能太远，另一个解决方案是在两条相邻的信号线之间加入一条地线。这个地线最好是实地.,五、高速PCB设计方法,3、地弹（ground bounce）在电路中有大的电流涌动时会引起地弹， 如大量芯片的输出同时开启时，将有一个较大的瞬时电流在芯片和板子的电源平面流过。芯片封装与电源平面的电感和电阻会引起电源噪声，这样会在真正的地平面（0V）上产生电压波动和变化，形成地弹。这个噪声会影响其他元器件的动作，负载电容的增大、负载
27、电阻的减小、地电感的增大、同时开关器件数目的增加均会导致地弹增大。,五、高速PCB设计方法,1、布局首先要考虑PCB尺寸大小。 PCB尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，过小则散热性不好。在确定PCB尺寸后，要确定特殊元件的位置布局。最后根据电路的功能单元，对电路全部元器件进行布局。,六、PCB设计的一般原则,在布局的时候一般都要注意下面几个问题：（1）尽量缩短高频元器件之间的连线，设法减少它 们的分布参数和相互间的电磁干扰。 易受干扰的元器件不能相互靠得太近，输入和 输出的元件应尽量远离。（2）某些元器件或导线之间可能有较高的电位差， 应加大它们之间的距离。 带高电压的元器件应
28、尽量布置在调试时手不易 触及的地方。,六、PCB设计的一般原则,在布局的时候一般都要注意下面几个问题：（3）又大又重、发热量大的元器件不适宜装在 印制板上，而应装在整机的机箱上，并且 注意散热。 热敏元件应远离发热元件。（4）应留出印制板定位孔及固定支架所占用的 位置。,六、PCB设计的一般原则,根据电路的功能单元，对电路进行布局的时候要符合以下的几个原则：（1）按照电路流程安排各个功能电路单元的位置， 使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一 致的方向。（2）以功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行 布局，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和 连接。（3）在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的
29、分 布参数，一般尽可能使元器件平行排列。,六、PCB设计的一般原则,2、布线（1）输入/输出端用的导线应尽量避免相邻平行， 最好加线间地线，以免发生反馈耦合。（2）印制导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间 的粘附强度和流过它们的电流值决定。 数字电路的导线应该尽量宽，尤其是电源线和 地线。（3）印制导线拐弯处一般取圆弧形，直角或夹角在 高频电路中会影响电气性能。,六、PCB设计的一般原则,3、PCB及电路抗干扰措施（1）在设计电源线的时候，要考虑线路板电流的 大小。 尽量增大电源线宽度，减小环路电阻使电源 线、地线的走向和数据传递的方向一致。,六、PCB设计的一般原则,3、PCB及电路抗干扰措施,六、PCB设计的一般原则,（2）设计地线时要把数字地和模拟地分开,若线路板上既有逻辑电路又有线性电路， 应使它们尽量分开，低频电路的地尽量采用单点并联接地， 地线应宽而短，高频元件周围尽量用栅格状的大面积地。,3、PCB及电路抗干扰措施（3）选用合适的去耦电容，在电源输入端接10 100F的电解电容，原则上每个集成电路芯片 都应布置一个0.1F或0.01F的瓷片电容。 像RAM、ROM存储器件，应在芯片的电源线 和地 线之间直接接入去耦电容。,六、PCB设计的一般原则,The Detail hardware design is introduced in Arm Book.,
