嵌入式系統(tǒng)設(shè)計-李秀娟-課件-第2章第一頁，共57頁。本章內(nèi)容

2.2

ARM微處理器概述2.3

S3C2410處理器單元電路設(shè)計

2.4輸入輸出設(shè)備2.5

ARM的接口技術(shù)

2.6

總線技術(shù)2.1嵌入式系統(tǒng)的硬件基本構(gòu)成1234562第二頁，共57頁。目的和要求初步掌握嵌入式系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)組成，為后面的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。了解ARM嵌入式系統(tǒng)硬件組成了解ARM家族處理器類型理解ARM存儲空間的管理了解ARM外圍接口與總線技術(shù)3第三頁，共57頁。2.1嵌入式系統(tǒng)的硬件基本構(gòu)成4第四頁，共57頁。

嵌入式系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)是以嵌入式處理器為中心，由時鐘、復(fù)位電路、中斷控制器、SDROM控制器和外圍總線控制器以及電源等必要的輔助接口組成。嵌入式系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)除了處理器核心部分外，還包括豐富的外圍接口如I2C、SPI、UART和USB等接口。嵌入式系統(tǒng)不同于普通計算機系統(tǒng)，它是根據(jù)用戶需求而量身定做的專用計算機應(yīng)用系統(tǒng)電路都可根據(jù)需要和成本進行裁剪、定制。5第五頁，共57頁。嵌入式系統(tǒng)硬件框圖6第六頁，共57頁。2.2ARM微處理器概述ARM公司簡介

ARM公司于1990年11月在英國劍橋成立，原名AdvancedRISCMachine，它是專門從事基于RISC技術(shù)芯片設(shè)計開發(fā)的公司，作為知識產(chǎn)權(quán)供應(yīng)商，公司本身并不直接從事芯片生產(chǎn)，而是靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計許可由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯片，世界各大半導(dǎo)體生產(chǎn)商從ARM公司購買其設(shè)計的ARM微處理器核，根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，加入適當?shù)耐鈬娐?，從而形成自己的ARM微處理器芯片進入市場。目前，總共有超過100家公司與ARM公司簽訂了技術(shù)使用許可協(xié)議，其中包括Intel、IBM、LG、NEC、SONY、NXP和NS這樣的大公司。7第七頁，共57頁。8第八頁，共57頁。9第九頁，共57頁。10第十頁，共57頁。ARM微處理器家族ARM7ARM9ARM9EARM10EARM11SecurCoreStrongARMXScaleCortex系列。

11第十一頁，共57頁。ARM家族系列產(chǎn)品性能比較12第十二頁，共57頁。2.2.3ARM微處理器結(jié)構(gòu)

1.ARM體系結(jié)構(gòu)馮·諾依曼和馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)圖13第十三頁，共57頁。哈佛體系結(jié)構(gòu)圖

14第十四頁，共57頁。2．RISC指令集

RISC（ReducedInstructionSetComputer，精簡指令集計算機），RISC并非只是簡單地減少指令，而是把著眼點放在了如何使計算機的結(jié)構(gòu)更加簡單合理地提高運算速度上。RISC結(jié)構(gòu)優(yōu)先選取使用頻率最高的簡單指令，避免復(fù)雜指令；將指令長度固定，指令格式和尋址方式種類減少；以控制邏輯為主，不用或少用微碼控制等措施。RISC和CISC結(jié)構(gòu)相比較，盡管RISC架構(gòu)上有許多優(yōu)點，但絕不能認為RISC架構(gòu)可以取代CISC架構(gòu)，事實上，RISC和CISC各有優(yōu)勢，而且界限并不那么明顯?，F(xiàn)代的CPU往往采用CISC的外圍，內(nèi)部加入RISC的特性。15第十五頁，共57頁。3ARM微處理器的寄存器結(jié)構(gòu)16第十六頁，共57頁。ARM處理器共有37個寄存器。包括31個通用寄存器和6個狀態(tài)寄存器，均為32位。ARM處理器有7種不同的處理器模式，分別為：用戶模式、快中斷模式、中斷模式、管理模式、中止模式、未定義模式和系統(tǒng)模式，在每一種處理器模式下均有一組相應(yīng)的寄存器與之對應(yīng)。17第十七頁，共57頁。4、ARM微處理器的指令結(jié)構(gòu)

ARM微處理器支持兩種指令集：ARM指令集和Thumb指令集。ARM指令為32位的長度；Thumb指令集是ARM指令集的一個子集，是針對代碼密度問題而提出的，它具有16位的代碼寬度。處理器在執(zhí)行ARM程序段時，ARM處理器處于ARM工作狀態(tài)；處理器在執(zhí)行Thumb程序段時，ARM處理器處于Thumb工作狀態(tài)。

18第十八頁，共57頁。2.3ARM的存儲系統(tǒng)2.3.1ARM的存儲空間

ARM體系結(jié)構(gòu)使用單一的平板地址空間，該地址空間的范圍大小為232個8位字節(jié)。32位情況：32位的地址空間可以看作由230個32位的字單元組成。每個字的地址是字對準的，故字單元的地址可以被4整除。16位情況：16位的地址空間可以看作由231個16位的半字組成。每個半字的地址是半字對準的，故半字單元的地址可以被2整除。19第十九頁，共57頁。2.3.2存儲器格式位3124231615870字字單元A半字半字單元A半字單元A＋2字節(jié)字節(jié)單元A字節(jié)單元A＋1字節(jié)單元A＋2字節(jié)單元A＋3大端格式：在這種格式中，字數(shù)據(jù)的高字節(jié)存儲在低地址中，而字數(shù)據(jù)的低字節(jié)則存放在高地址中。

20第二十頁，共57頁。

小端格式：與大端存儲格式相反，在小端存儲格式中，低地址中存放的是字數(shù)據(jù)的低字節(jié)，高地址存放的是字數(shù)據(jù)的高字節(jié)。位3124231615870字字單元A半字半字單元A+2半字單元A字節(jié)字節(jié)單元A+3字節(jié)單元A＋2字節(jié)單元A＋1字節(jié)單元A21第二十一頁，共57頁。2.3.3存儲器的管理虛擬地址:

ARM系統(tǒng)中都存在著一個程序產(chǎn)生的地址集合，我們稱之為地址范圍,這個地址范圍稱為虛擬地址空間，該空間中的某一個地址我們稱之為虛擬地址。物理地址:

物理地址空間和物理地址表示系統(tǒng)主存儲器的實際地址空間和它的實際地址。ARM對存儲器的管理：

ARM處理器使用MMU實現(xiàn)虛擬地址到實際物理地址的映射方式對ARM的存儲器進行管理。22第二十二頁，共57頁。2.4輸入輸出設(shè)備2.4.1LCD顯示23第二十三頁，共57頁。2.4.2觸摸屏觸摸屏按其工作原理的不同分為：電阻式觸摸屏、電容式觸摸屏、表面聲波屏和紅外屏。24第二十四頁，共57頁。2.4.3鍵盤接口1．獨立式鍵盤獨立式鍵盤原理25第二十五頁，共57頁。2．矩陣式鍵盤矩陣式鍵盤原理26第二十六頁，共57頁。鍵盤的控制方式程序控制掃描方式:這種方式只有處理器空閑時，才可調(diào)用鍵盤掃描子程序，查詢鍵盤的輸入狀態(tài)是否改變。定時掃描方式:處理器對鍵盤的掃描也可采用定時掃描方式，即處理器每隔一定的時間對鍵盤掃描一次。中斷掃描方式:當鍵盤有鍵動作時產(chǎn)生中斷，處理器響應(yīng)鍵盤中斷后，執(zhí)行鍵盤中斷程序，判別鍵盤按下鍵的鍵號，并做相應(yīng)處理。27第二十七頁，共57頁。2.5ARM的接口技術(shù)2.5.1并行通信接口

并口傳輸數(shù)據(jù)的寬度可以從1～128位或者更寬，在嵌入式系統(tǒng)中最常用的是8位，這樣微處理器可以通過接口一次傳送8個數(shù)據(jù)位。28第二十八頁，共57頁。25針并口功能一覽表針腳功能針腳功能1選通端STROBE，低電平有效10確認ACKNLG，低電平有效2數(shù)據(jù)位0（DATA0）11忙（BUSY）3數(shù)據(jù)位1（DATA1）12缺紙（PE）4數(shù)據(jù)位2（DATA2）13選擇（SLCT）5數(shù)據(jù)位3（DATA3）14自動換行（AUTOFEED），低電平有效6數(shù)據(jù)位4（DATA4）15錯誤（ERROR），低電平有效7數(shù)據(jù)位5（DATA5）16初始化（INIT），低電平有效8數(shù)據(jù)位6（DATA6）17選擇輸入（SLCTIN），低電平有效9數(shù)據(jù)位7（DATA7）18至25地線（GND）29第二十九頁，共57頁。串行通信接口同步串行通信方式

所謂同步通信，是指數(shù)據(jù)傳送是以數(shù)據(jù)塊（一組字符）為單位，字符與字符之間、字符內(nèi)部的位與位之間都同步。異步串行通信方式

所謂異步通信，是指數(shù)據(jù)傳送以字符為單位，字符與字符間的傳送是完全異步的，位與位之間的傳送基本上是同步的。30第三十頁，共57頁。（1）RS-232

RS-232:數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）之間串行二進制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標準，

也稱標準串口，最常用的一種串行通信接口。31第三十一頁，共57頁。RS-232DB9接口定義針腳功能針腳功能1DCD載波檢測6DSR數(shù)據(jù)準備好2RXD接收數(shù)據(jù)7RTS請求發(fā)送3TXD發(fā)送數(shù)據(jù)8CTS允許發(fā)送4DTR數(shù)據(jù)終端準備好9RI振鈴提示5SG信號地32第三十二頁，共57頁。RS-422:RS-422標準全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”，它定義了接口電路的特性.RS-422支持點對多的雙向通信.RS-485:RS-485是從RS-422基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，所以RS-485許多電氣規(guī)定與RS-422相仿.RS-485與RS-422的不同:在于其共模輸出電壓是不同的，RS-485是-7V至+12V之間，而RS-422在-7V至+7V之間，RS-485接收器最小輸入阻抗為12kΩ、RS-422是4kΩ；由于RS-485滿足所有RS-422的規(guī)范，所以RS-485的驅(qū)動器可以用在RS-422網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。33第三十三頁，共57頁。RS-485與RS-422一樣，其最大傳輸距離約為1200米，最大傳輸速率為10Mbps。平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100kbps速率以下，才可能使用規(guī)定最長的電纜長度。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長雙絞線最大傳輸速率僅為1Mbps。34第三十四頁，共57頁。USB接口USB全稱通用串行總線UniversalSerialBus，USB接口是現(xiàn)在比較流行的接口，用于將使用USB的外圍設(shè)備連接到主機。USB針腳定義針腳功能1+5V電源（VCC）2數(shù)據(jù)通道（DATA-）3數(shù)據(jù)通道（DATA+）4地線（GND）35第三十五頁，共57頁。36第三十六頁，共57頁。USB總線拓撲圖

37第三十七頁，共57頁。紅外線接口

紅外發(fā)射電路由紅外線發(fā)射管L2和限流電阻R2組成。當主板紅外接口的輸出端IRTX輸出調(diào)制后的電脈沖信號時，紅外線發(fā)射管將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為紅外線光信號發(fā)射出去。紅外接收電路由紅外線接收管L1和取樣電阻R1組成。當紅外接收管接收到紅外線光信號時，其反向電阻會隨光信號的強弱變化而相應(yīng)變化，根據(jù)歐姆定律可以得知通過紅外接收管L1和電阻R1的電流也會相應(yīng)變化，而在取樣電阻兩端的電壓也隨之變化，此變化的電壓經(jīng)主板紅外接口的輸入端IRRX輸入主機。38第三十八頁，共57頁。PCMCIA和CF

以前這項技術(shù)標準只適用于存儲器擴充卡，但后來還擴展到存儲器以外的外部設(shè)備，如網(wǎng)絡(luò)卡、視頻會議卡及調(diào)制解調(diào)器等。

39第三十九頁，共57頁。2.6總線技術(shù)I2C總線:I2C是Inter-IntegratedCircuit的縮寫。I2C總線是一種由PHILIPS公司開發(fā)的串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。I2C只有兩條物理線路：一條串行數(shù)據(jù)線（SDA），一條串行時鐘線（SCL）40第四十頁，共57頁。

起始條件和停止條件

起始條件在SCL保持高電平期間，SDA由高電平向低電平的變化狀態(tài)當SCL保持高電平期間，SDA是由低電平向高電平變化狀態(tài)則規(guī)定為停止條件41第四十一頁，共57頁。帶有I2C總線的器件除了有從機地址（SlaveAddress）外，還可能有子地址。從機地址是指該器件在I2C總線上被主機尋址的地址，而子地址是指該器件內(nèi)部不同部件或存儲單元的編址。一般從機地址由7位地址位和1位讀寫標志R/W組成，7位地址占據(jù)高7位，讀寫位在最后。讀寫位是0，表示主機將要向從機寫入數(shù)據(jù)；讀寫位是1，則表示主機將要從從機讀取數(shù)據(jù)。從機地址42第四十二頁，共57頁。

I2C總線總是以字節(jié)（Byte）為單位收發(fā)數(shù)據(jù)，每個字節(jié)的長度都是8位，每次傳送字節(jié)的數(shù)量沒有限制。I2C總線首先傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)的最高位（MSB），最后傳輸?shù)氖亲畹臀唬↙SB）。另外，每個字節(jié)之后還要跟一個響應(yīng)位，稱為應(yīng)答。

數(shù)據(jù)傳輸控制43第四十三頁，共57頁。主機向從機發(fā)送數(shù)據(jù)的基本格式(7位尋址)主機向從機發(fā)送數(shù)據(jù)的基本格式(10位尋址)主機從從機接收數(shù)據(jù)的基本格式(7位尋址)主機從從機接收數(shù)據(jù)的基本格式(10位尋址)44第四十四頁，共57頁。數(shù)據(jù)傳輸時序圖

主機向從機發(fā)送1個字節(jié)數(shù)據(jù)的時序圖

主機從從機接收1個字節(jié)數(shù)據(jù)的時序圖45第四十五頁，共57頁。2.6.2

SPI總線SPI總線結(jié)構(gòu)由一個主設(shè)備和一個或多個從設(shè)備組成，主設(shè)備啟動一個與從設(shè)備的同步通信，從而完成數(shù)據(jù)的交換。SPI接口由MISO（主機輸入/從機輸出數(shù)據(jù)線），MOSI（主機輸出/從機輸入數(shù)據(jù)線），SCK（串行移位時鐘），CS（從機使能信號）四種信號構(gòu)成。46第四十六頁，共57頁。

SPI是一種高速的，全雙工，同步的通信總線。主機和從機都有一個串行移位寄存器，主機通過向它的SPI串行寄存器寫入一個字節(jié)來發(fā)起一次傳輸。SPI總線的數(shù)據(jù)傳輸方式

47第四十七頁，共57頁。SPI接口時序

CPHA=0時的SPI總線數(shù)據(jù)傳輸時序CPHA=1時的SPI總線數(shù)據(jù)傳輸時序48第四十八頁，共57頁。I2S總線I2S是Inter-ICSoundBus的縮寫，是飛利浦公司為數(shù)字音頻設(shè)備之間的音頻數(shù)據(jù)傳輸而制定的一種總線標準。I2S有三個主要信號：串行時鐘SCLK；幀時鐘LRCK；串行數(shù)據(jù)SDATA。I2S有4條線：串行數(shù)據(jù)輸入（I2SDI）、串行數(shù)據(jù)輸出（I2SDO）、左右通道選擇（I2SLRCK）和串行位時鐘（I2SCLK）。49第四十九頁，共57頁。

I2S總線模塊結(jié)構(gòu)框圖

50第五十頁，共57頁。2.6.4CAN總線CAN全稱為ControllerAreaNetwork，即控制器局域網(wǎng)。CAN是一種多主方式的串行通信總線，基本設(shè)計規(guī)范要求有高的位速率、高抗電磁干擾性，而且要能夠檢測出總線的任何錯誤。當信號傳輸距離達10km時CAN仍