微处理器系统结构与嵌入式系统第十章.pptx
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1、微处理器系统结构与嵌微处理器系统结构与嵌入式系统设计入式系统设计第十章第十章 基于基于ARM微处理器的硬件微处理器的硬件系统设计系统设计10.1 基于基于ARM微处理器的系统设计概述微处理器的系统设计概述10.2 基于基于ARM内核的常用微处理器简介内核的常用微处理器简介10.3 ARM微处理器最小硬件系统微处理器最小硬件系统10.4 人机交互接口人机交互接口10.5 通信接口通信接口10.2 10.2 基于基于ARMARM内核的常用微处理器简介内核的常用微处理器简介ARMARM微处理器有多种内核结构,还有多种多样的内微处理器有多种内核结构,还有多种多样的内部功能配置组合,所以在设计一个系统时
2、选择最合部功能配置组合,所以在设计一个系统时选择最合适的适的ARMARM芯片是非常重要的。芯片是非常重要的。一些主流的一些主流的ARM9ARM9处理器芯片如:处理器芯片如:飞思卡尔:飞思卡尔:MC9328MX27MC9328MX27三星:三星:S3C2440A S3C2440A AtmelAtmel公司:公司:AT91SAM9263 AT91SAM9263 意法半导体:意法半导体:STR91x STR91x 恩智浦半导体:恩智浦半导体:LPC2000 LPC2000 系列系列 飞思卡尔公司的飞思卡尔公司的ARMARM微处理器芯片微处理器芯片美国美国飞思卡尔公司采用飞思卡尔公司采用ARMARM内
3、核的微处理器命名为内核的微处理器命名为i.MXi.MX系列,系列,该系列主要包含以下子系列:该系列主要包含以下子系列:li.MXSi.MXS,i.MXLi.MXL,i.MX1i.MX1,i.MX21i.MX21,i.MX27i.MX27,i.MX31i.MX31,i.MX35i.MX35,i.MX37i.MX37、i.MX51i.MX51等等该系列微处理器主要应用于智能手机、便携式多媒体播放器、该系列微处理器主要应用于智能手机、便携式多媒体播放器、便携式导航设备、视频监控、销售终端机系统和条码扫描仪便携式导航设备、视频监控、销售终端机系统和条码扫描仪等消费类、工业、健康等领域的产品。等消费类、
4、工业、健康等领域的产品。除除i.MXi.MX系列微处理器以外,飞思卡尔公司还有少数其他产品系列微处理器以外,飞思卡尔公司还有少数其他产品也采用了也采用了ARMARM内核,例如适用于便携式多媒体播放器和导航内核,例如适用于便携式多媒体播放器和导航设备的设备的STMP37XXSTMP37XX系列产品。系列产品。飞思卡尔公司的飞思卡尔公司的i.MX27i.MX27l采采用用ARM926EJ-SARM926EJ-S内内核核,一一级级指指令令缓缓存存和和数数据据缓缓存存各有各有16KB16KBl集集 成成 了了 1616通通 道道 DMADMA和和ETMETM实时调试接口实时调试接口lAHBAHB总总线
5、线采采用用了了6363多多层层交交叉叉开开关关(MAXMAX),支支持持多多个个并并行行事事项项,改改善善总线的有效吞吐量。总线的有效吞吐量。l其其外外部部存存储储器器接接口口可可以以支支持持16/3216/32位位SDRAMSDRAM或或DDRDDR存存储储器器、8/168/16位位NAND NAND flashflash存储器和存储器和PSRAMPSRAM。三星公司推出的基于三星公司推出的基于ARMARM内核的微处理器主要面向消费类便携式设备内核的微处理器主要面向消费类便携式设备,为手持为手持设备和一般应用提供了高性价比和高性能的微控制器解决方案。设备和一般应用提供了高性价比和高性能的微控
6、制器解决方案。包括:包括:采用采用ARM7TDMIARM7TDMI内核的内核的S3C44B0S3C44B0和和S3C3410S3C3410采用采用ARM926EJ-SARM926EJ-S内核的内核的S3C2412S3C2412,S3C2413S3C2413,S3C2416S3C2416,S3C2450S3C2450和和S3C24A0S3C24A0采用采用ARM920TARM920T内核的内核的S3C2410S3C2410,S3C2440S3C2440,S3C2442S3C2442和和S3C2443S3C2443采用采用ARM1176JZFARM1176JZF内核的内核的S3C6400S3C64
7、00等等三星公司采用三星公司采用ARMARM内核的微处理器主要按照应用来划分,如通用型内核的微处理器主要按照应用来划分,如通用型3232位位MCUMCU主要采用主要采用ARM7TDMIARM7TDMI内核,面向内核,面向CAN/LINCAN/LIN总线、以太网、发动机控制和总线、以太网、发动机控制和RFIDRFID等应用场合。等应用场合。三星公司的三星公司的ARMARM微处理器芯片微处理器芯片三星公司的三星公司的S3C2440AS3C2440A采用采用ARM920TARM920T内核,实现了内核,实现了MMUMMU,AMBAAMBA总线和哈佛架构总线和哈佛架构的高速缓冲体系结构。的高速缓冲体系
8、结构。在高速缓存方面采用了独立的在高速缓存方面采用了独立的16 KB16 KB的的I-cacheI-cache和和16 KB16 KB的的D-D-cachecache。采用采用0.13 0.13 m CMOSm CMOS工艺标准宏工艺标准宏单元和存储器单元,其低功耗、单元和存储器单元,其低功耗、简洁的结构和全静态电路设计简洁的结构和全静态电路设计特别适合对成本和功耗敏感的特别适合对成本和功耗敏感的应用。应用。为了降低整机系统的成本,提为了降低整机系统的成本,提供了各类丰富的功能模块,在供了各类丰富的功能模块,在系统设计中无需配置额外的外系统设计中无需配置额外的外部组件。部组件。AtmelAtm
9、el公司的公司的ARMARM微处理器芯片微处理器芯片美国美国AtmelAtmel公司继成功推出公司继成功推出AT89AT89系列(兼容系列(兼容MCS-51MCS-51)和)和AT90AT90系列系列(RISC)(RISC)单单片机后,采用业界流行的片机后,采用业界流行的ARMARM内核推出了更强的内核推出了更强的3232位位AT91AT91系列微控制器。系列微控制器。该系列主要包含以下子系列:该系列主要包含以下子系列:AT91M42800AAT91M42800A,AT91M55800AAT91M55800AAT91RM9200AT91RM9200,AT91SAM7AAT91SAM7AAT91
10、SAM7L(AT91SAM7L(低功耗低功耗),AT91SAM7SAT91SAM7SAT91SAM7SEAT91SAM7SE,AT91SAM7XAT91SAM7XAT91SAM9AT91SAM9,AT91SAM9XEAT91SAM9XE和和AT91X40AT91X40AT91AT91系列微控制器使用高密度系列微控制器使用高密度CMOSCMOS技术,集成了技术,集成了ARMARM内核和大量的内核和大量的FlashFlash存储器、片内存储器、片内RAMRAM和各种外围功能模块,为许多需要加强运算的嵌入式应和各种外围功能模块,为许多需要加强运算的嵌入式应用提供了高度灵活且性价比高的解决方案。用提供
11、了高度灵活且性价比高的解决方案。AtmelAtmel公司的公司的AT91SAM9263AT91SAM9263基于基于ARM926EJ-SARM926EJ-S内核的内核的3232位微处理器位微处理器带带MMUMMU存存储储器器管管理理单单元元,支支持持DSPDSP扩扩展展指指令令和和JAVAJAVA硬硬件件加加速速,当运行在当运行在200MHz200MHz时拥有时拥有220MIPS220MIPS的运算性能的运算性能AT91SAM9263AT91SAM9263具具备备两两组组独独立立的的外外部部存存储储器器总总线线EBI0EBI0和和EBI1EBI1,可以连接多种内存设备和大容量可以连接多种内存设
12、备和大容量IDEIDE硬盘设备硬盘设备内内部部嵌嵌有有LCDLCD控控制制器器,可可支支持持2D2D图图形形加加速速、双双通通道道DMADMA和和图图像传感器接口像传感器接口集集成成了了多多种种标标准准外外设设接接口口,例例如如USARTUSART,SPISPI,TWITWI,定定时时计计数器,数器,PWMPWM,多媒体卡接口和,多媒体卡接口和CANCAN控制器等控制器等意法半导体公司的意法半导体公司的ARMARM微处理器芯片微处理器芯片意法半导体有限公司意法半导体有限公司(STMicroelectronics)(STMicroelectronics)是全球最大的半导体公司之一。是全球最大的半
13、导体公司之一。其采用其采用ARMARM内核的微处理器主要包括三个系列:采用内核的微处理器主要包括三个系列:采用Cortex-M3Cortex-M3内核的内核的STM32STM32系列、采用系列、采用ARM7TDMIARM7TDMI内核的内核的STR7STR7系列和采用系列和采用ARM966E-SARM966E-S内核的内核的STR9STR9系列。系列。STM32STM32系列产品得益于系列产品得益于Cortex-M3Cortex-M3在架构上进行的多项改进,包括性能和在架构上进行的多项改进,包括性能和代码密度同时得以提升的代码密度同时得以提升的Thumb-2Thumb-2指令集,大幅度提高的中
14、断响应,而且指令集,大幅度提高的中断响应,而且所有新功能都同时具有业界最优的功耗水平。所有新功能都同时具有业界最优的功耗水平。STR7STR7系列产品融合了系列产品融合了1616位和位和3232位产品的优势,适合嵌入式控制应用,如位产品的优势,适合嵌入式控制应用,如工业控制、工厂自动化、销售终端设备、医疗和测试设备以及电信和消费工业控制、工厂自动化、销售终端设备、医疗和测试设备以及电信和消费电子应用等。电子应用等。STR9STR9系列结合了系列结合了ARM9EARM9E处理器内核和通用闪存,并加入了联网功能,使处理器内核和通用闪存,并加入了联网功能,使实现各种要求苛刻的应用变得更加简单和廉价。
15、实现各种要求苛刻的应用变得更加简单和廉价。意法半导体公司的意法半导体公司的STR91xSTR91x采用采用96 MHz ARM966E-S96 MHz ARM966E-S内核,内核,带有单周期的带有单周期的DSPDSP指令和与介质指令和与介质无关的联网功能;无关的联网功能;大容量存储器可满足复杂的应用、大容量存储器可满足复杂的应用、实时操作系统实时操作系统(RTOS)(RTOS)、通信协、通信协议栈和数据存储的需求;双体闪议栈和数据存储的需求;双体闪存是实现在线编程存是实现在线编程(IAP)(IAP)和和E E2 2PROMPROM仿真的理想结构。仿真的理想结构。具有优化具有优化DMADMA数
16、据流的数据流的10/100 10/100 MM以太网接口;以太网接口;支持支持USBUSB,CANCAN,SPISPI,I2CI2C,UART/IrDAUART/IrDA和多个计时器,最多和多个计时器,最多8080个个5 V5 V兼容的兼容的GPIOGPIO;带有带有1010位位ADCADC并具有全方位的并具有全方位的CPUCPU监控功能;监控功能;灵活的功耗和时钟管理功能,具灵活的功耗和时钟管理功能,具有多种低功耗模式和带闹钟功能有多种低功耗模式和带闹钟功能的低功耗实时时钟。的低功耗实时时钟。恩智浦半导体的恩智浦半导体的ARMARM微处理器芯片微处理器芯片l恩智浦半导体由飞利浦在恩智浦半导体
17、由飞利浦在 50 50 多年前创立。恩智浦提供半导体、多年前创立。恩智浦提供半导体、系统解决方案和软件,为电视、机顶盒、智能识别应用、手系统解决方案和软件,为电视、机顶盒、智能识别应用、手机、汽车以及其他形形色色的电子设备提供更好的感知体验。机、汽车以及其他形形色色的电子设备提供更好的感知体验。l恩智浦半导体基于恩智浦半导体基于ARM7ARM7的的LPC2000 LPC2000 为为32 32 位微控制器设定了位微控制器设定了新的性价比,包括新的性价比,包括LPC213xLPC213x,LPC214xLPC214x、LPC2101/2/3LPC2101/2/3等系列,等系列,采用了采用了0.1
18、6-0.18 m0.16-0.18 m工艺工艺l更高性能产品系列更高性能产品系列(LPC2300,LPC2400,LPC2800)(LPC2300,LPC2400,LPC2800)采用了采用了0.14um0.14um工艺工艺恩智浦半导体的恩智浦半导体的LPC2000LPC2000lARM7TDMI-SARM7TDMI-S内核内核三级流水线三级流水线冯冯诺依曼架构诺依曼架构T:ThumbT:Thumb指令集指令集D:DebugD:Debug扩展扩展M:M:增强的乘法指令增强的乘法指令(32B x 8B-64B)(32B x 8B-64B)I:I:内核带有内核带有EmbeddedICEEmbedd
19、edICE逻辑功能扩展逻辑功能扩展S:S:软核软核l高速嵌入式高速嵌入式FlashFlashl丰富的外设资源丰富的外设资源UART,SPI,I2C,CAN,USB,ethernetUART,SPI,I2C,CAN,USB,ethernet等等l工业级芯片工业级芯片工作温度范围工作温度范围:40C40C+85C/+105C+85C/+105Cl丰富开发工具支持丰富开发工具支持高性能高性能,低价格低价格ARMARM芯片的选型芯片的选型性能参数的考虑性能参数的考虑ARMARM核版本核版本工作频率工作频率内部存储器容量内部存储器容量电源控制电源控制DSPDSP协处理器协处理器功耗功耗外设接口的考虑外设
20、接口的考虑USBUSB接口接口RTCRTCGPIOGPIO数量数量其他因素其他因素芯片封装的选择芯片封装的选择芯片的封装有很多种类型,如:芯片的封装有很多种类型,如:DIPDIP、QFPQFP、PGAPGA、BGABGA等等在散热性能、信号完整性特性、体积大小等方面的要求在散热性能、信号完整性特性、体积大小等方面的要求10.3 ARM10.3 ARM微处理器最小硬件系统的设计微处理器最小硬件系统的设计nARMARM微处理器微处理器;n电源模块电源模块,包括,包括CPUCPU内核和内核和I/OI/O接口电源电源;接口电源电源;n时钟模块时钟模块,包括系统主时钟,包括系统主时钟和实时时钟;和实时时
21、钟;n复位模块复位模块,包括系统上电复,包括系统上电复位、手动复位和内部复位;位、手动复位和内部复位;n存储器模块存储器模块,包括程序保存,包括程序保存存储器(存储器(FLASHFLASH)和程序运)和程序运行存储器(行存储器(SDRAMSDRAM););nJTAGJTAG调试接口模块调试接口模块。最小硬件系统通常是指以最小硬件系统通常是指以嵌入式处理器为嵌入式处理器为核心核心,包含,包含电电源、时钟和复位源、时钟和复位等保障处理器等保障处理器正常工作的基本硬件电路正常工作的基本硬件电路 。S3C2440AS3C2440A最小硬件系统:电源模块最小硬件系统:电源模块电电源源模模块块是是系系统统
22、工工作作的的能能量量来来源源,其其电电压压、纹纹波波、内内阻阻和和驱驱动动能能力力等等性性能能直直接接影影响响到到系系统统工工作作的的稳稳定定性性,因因此此电电源源模模块块在在系系统统设设计计中中至至关重要。关重要。电源电源电压电压一定要在系统需求的范围之内一定要在系统需求的范围之内电电源源的的驱驱动动能能力力一一定定要要能能满满足足整整个个系系统统的的功功率率需需求求电源纹波和电路电源纹波和电路干扰干扰的处理的处理在在设设计计PCBPCB时时需需要要对对模模拟拟电电源源和和数数字字电电源源进进行行物物理上的隔离理上的隔离S3C2440AS3C2440A最小硬件系统:时钟模块最小硬件系统:时钟
23、模块时时钟钟模模块块为为系系统统提提供供同同步步工工作作信信号号,其其稳稳定定性性直直接接关关系系到系统的工作稳定性。到系统的工作稳定性。在在ARMARM嵌嵌入入式式系系统统中中通通常常包包括括频频率率较较高高的的系系统统主主时时钟钟和和频率较低的频率较低的实时时钟。实时时钟。时钟经内部锁相环后得到四组时钟信号:时钟经内部锁相环后得到四组时钟信号:uFCLKFCLK:ARM920TARM920T内核内核uHCLKHCLK:AHBAHB总总线线、存存储储器器控控制制器器、中中断断控控制制器器、LCDLCD控控制制器器、DMADMA控控制器和制器和USBUSB主机模块主机模块uPCLKPCLK:访
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- 微处理器 系统 结构 嵌入式 第十
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