嵌入式課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　1 緒 論</b></p><p>　　1.1課題背景與意義</p><p>　　通用串行總線（即USB)是一種目前廣泛應(yīng)用的計(jì)算機(jī)外圍串行通信標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算機(jī)及通訊公司為解決個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC-Personal Camp}ter)外部設(shè)備接口在速度、擴(kuò)展性、易用性等方面的局限與不足，提出了一種計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備相連接的新技術(shù)，經(jīng)USB執(zhí)行論壇規(guī)

2、范和完善，形成了這一如今廣為流行的PC接口工業(yè)標(biāo)準(zhǔn).相對于PC傳統(tǒng)的串/并行接口，具有較高的數(shù)據(jù)傳輸率、即插即用，易擴(kuò)充、熱插拔等優(yōu)點(diǎn)，從USB標(biāo)準(zhǔn)頒布以來的短時(shí)間內(nèi)，USB己成為此上的標(biāo)準(zhǔn)接口，并為絕大多數(shù)PC外部設(shè)備如鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)、掃描儀和游戲手柄所采納使用，迅速占領(lǐng)了計(jì)算機(jī)中、低速外設(shè)市場。在USB推動(dòng)PC外部設(shè)備發(fā)展的同時(shí)，Pc外部設(shè)備反過來也對USB提出更高的要求，其中最主要的一點(diǎn)便是更高速率的數(shù)據(jù)傳輸。為此，USB全速

3、數(shù)據(jù)傳輸?shù)腢SB。</p><p>　　1.2嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展概況</p><p>　　20世紀(jì)70年代：單片機(jī)出現(xiàn)，嵌入式系統(tǒng)最初的應(yīng)用就是基于單片機(jī)。汽車，工業(yè)機(jī)器，通信裝置等成千上萬種產(chǎn)品通過內(nèi)部嵌入電子裝置獲得更佳的使用性能。</p><p>　　20世紀(jì)80年代：嵌入式操作系統(tǒng)出現(xiàn)。商業(yè)嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核包含傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的特征，使得開發(fā)周期縮短，成本降低，效率

4、提高促使嵌入式系統(tǒng)有了更為廣闊的應(yīng)用空間。 </p><p>　　20世紀(jì)90年代：實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。軟件規(guī)模的不斷上升，對實(shí)時(shí)性要求的提高，使得實(shí)時(shí)內(nèi)核逐步發(fā)展為實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，并作為一種軟件平臺(tái)逐步成為目前國際嵌入式系統(tǒng)的主流。</p><p>　　隨著嵌入式設(shè)備與Intemet的廣泛結(jié)合，手機(jī)、PDA、路由器和調(diào)制解調(diào)器等復(fù)雜的高端應(yīng)用對嵌入式處理器的性能提出了更高的要求a因

5、此，以32位處理器作為高性能嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的核心已經(jīng)是嵌入式技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。</p><p>　　嵌入式系統(tǒng)技術(shù)具有非常廣闊的應(yīng)用前景，其應(yīng)用領(lǐng)域可以包括：工業(yè)控制、交通管理、信息家電、環(huán)境監(jiān)測。</p><p>　　1.3 USB的發(fā)展概況</p><p>　　通用串行總線USB是一種外部總線規(guī)范，是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的一種新的接口技術(shù)。早在1994年底，英特爾、康

6、柏、IBM、微軟等多家公司就已經(jīng)聯(lián)合提出USB總線規(guī)范。在近期，USB技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，USB版本已經(jīng)發(fā)展到2.0。通過USB接口，計(jì)算機(jī)可以方便的和具有USB接口的計(jì)算機(jī)周邊設(shè)備如數(shù)碼相機(jī)，打印機(jī)，鼠標(biāo)，鍵盤等互連。由于USB設(shè)備即插即用，數(shù)據(jù)傳輸速率快，USB接口已經(jīng)取代串口，并口，IEEEl394，成為使用最廣泛的電腦外圍接口。</p><p>　　在USB推動(dòng)PC外部設(shè)備發(fā)展的同時(shí)，PC外部設(shè)備反過來

7、也對USB提出更高的要求，其中最主要的一點(diǎn)便是更高速率的數(shù)據(jù)傳輸。為此，USB．IF在原先提供1．5Mbit／s低速和12Mbit／s全速數(shù)據(jù)傳輸?shù)腢SBl．x的基礎(chǔ)上，于2000年發(fā)布了支持480Mbit／s高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)腢SB 2．0規(guī)范，為將USB推廣到大容量移動(dòng)存儲(chǔ)、寬帶網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品、數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)等高速外部設(shè)備提供了解決方案。USB3。0將提供達(dá)到4．8Gbps的理論傳輸速度相當(dāng)于600MB每秒，相比USB 2．0提升了10倍的

8、傳輸速度。新的USB 3．0標(biāo)準(zhǔn)能夠讓更多機(jī)器設(shè)備不靠外接電源即可運(yùn)行使用，也使其傳輸速度更快。支持USB3．0的產(chǎn)品會(huì)在2010年出現(xiàn)。</p><p>　　國外利用USB技術(shù)開發(fā)的產(chǎn)品種類很多，像USB存儲(chǔ)設(shè)備，USB通訊設(shè)備，USB小家電等等，最近還推出了USB接口的紅外護(hù)腕、USB指紋識(shí)別系統(tǒng)等，國外市場上基于USB的外設(shè)己經(jīng)囊括幾乎所有的主流數(shù)字產(chǎn)品，可見國外在USB實(shí)用性方面已作了很多工作，并且目前也

9、正以很快的速度發(fā)展。 </p><p>　　在國內(nèi)，嵌入式USB主機(jī)系統(tǒng)的研究雖處于起步階段，但也取得了一定的成績。朗科公司最早提出了“優(yōu)盤”概念，并取得了USB外部存儲(chǔ)裝置專利知識(shí)產(chǎn)權(quán)。USB在汽車領(lǐng)域也取得了飛速發(fā)展?？偟膩碚f，USB技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛使用，并成為當(dāng)今嵌入式開發(fā)和應(yīng)用中的一個(gè)熱點(diǎn)。</p><p>　　2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)</p><p&

10、gt;<b>　　2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　本應(yīng)用系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)和現(xiàn)代電子技術(shù)的綜合應(yīng)用，總體上由軟件和硬件兩個(gè)部分組成，軟件平臺(tái)包括BIOS,操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序和GU工四個(gè)部分，每個(gè)部分都是對硬件平臺(tái)的逐級(jí)封裝和調(diào)用快，是最上層應(yīng)用軟件運(yùn)行的基礎(chǔ)。</p><p>　　總體結(jié)構(gòu)如圖2.1所示</p><p><b

11、>　　2.2硬件方案</b></p><p>　　整個(gè)系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、存儲(chǔ)器、外圍接口電路及設(shè)備三個(gè)部分組成。</p><p>　　2.2.1硬件平臺(tái)概述 S3C2410</p><p>　　S3C2410處理器是SAMSUNG公司基十ARM公司的ARM920T處理器核，采用0. 18 u m制造工藝的32位嵌入式微處理器。該處理器擁有獨(dú)立

12、的16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache,內(nèi)存管理單兀NINIL，支持TFT的LCD控制器，HAND Flash閃存控制器，3路DART, 4路DMA,4路帶PWM的Timer，工/0口，RTC, Touch Screen接口，2個(gè)USB主控制器，1個(gè)USB從控制器，SD主控制器和MMC接口，2路SP工0, S3C2410處理器最高可運(yùn)行在下203MHz下。采用了272腳的FBGA封裝，價(jià)格便宜，適用十手持式設(shè)備，有很高的性價(jià)比

13、。</p><p>　　嵌入式處理器是整個(gè)系統(tǒng)的硬件核心，它控制著整個(gè)系統(tǒng)中各個(gè)部件的協(xié)同工作，是系統(tǒng)的指揮中心，處理器的選擇決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能，基十綜合考慮幾款處理器的功能、速度、體積、成本、功耗、可靠性等因素，本系統(tǒng)中選擇具有高性價(jià)比的二星公司的S3C2410處理器作為硬件的核心處理器。</p><p>　　S3C2410的具體特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)。</p><p>

14、;<b>　　(1)系統(tǒng)管理</b></p><p>　　1．支持小端／大端模式；2．地址空間為128M每一個(gè)Bank(總共1GB)；3．每個(gè)BANK可編程為8、16、32位數(shù)據(jù)總線；4．BANK0到BANK6可采用固定起始地址和大??；5．BANK7具有可編程的BANK起始地址和大??；6．一共8個(gè)存儲(chǔ)器BANK；7．前6個(gè)存儲(chǔ)器BANK用于ROM、SRAM和其它；8．兩個(gè)存儲(chǔ)器BANK用于R

15、OM、SRAM、和SDRAM(同步隨機(jī)存儲(chǔ)器)；9．支持等待信號(hào)用以擴(kuò)展總線周期；10．支持SDRAM掉電模式下的自刷新；11．支持不同類型的ROM用于啟動(dòng)(NOR/NAND Flash、EEPROM和其它)。</p><p>　　(2)S3C2410的SOC芯片集成單元</p><p>　　1．16KB數(shù)據(jù)Cache，16KB指令Cache，MMU：2．內(nèi)置外部存儲(chǔ)器控制器(SDRAM控

16、制和芯片選擇邏輯)；3．LCD控制器，一個(gè)LCD專業(yè)DMA；4．4個(gè)帶外部請求線的DMA；</p><p>　　5．3個(gè)通用異步串行端口,2通道SPI;6．一個(gè)多主12C總線，一個(gè)12S總線控制器；</p><p>　　7．SD主接口版本1．0和多媒體卡協(xié)議版本2．11兼容；8．兩個(gè)USB HOST，一個(gè)USB DEVICE(VERl．1)；9．4個(gè)PWM定時(shí)器和一個(gè)內(nèi)部定時(shí)器；10．看門

17、狗定時(shí)器；11．117個(gè)通用I／O；12．56個(gè)中斷源；13．24個(gè)外部中斷；14．電源控制模式：標(biāo)準(zhǔn)、慢速、休眠、掉電：15．8通道10位ADC和觸摸屏接口；16．帶日歷功能的實(shí)時(shí)時(shí)鐘；17．芯片內(nèi)置PLL；18．設(shè)計(jì)用于手持設(shè)備和通用嵌入式系統(tǒng)；19．16/32位RISC體系結(jié)構(gòu)，使用ARM920T CPU核的強(qiáng)大指令集。20．帶MMU的先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)支持WinCE、EPOC32、Linux；21．指令緩存(Cache)、數(shù)據(jù)緩存、

18、寫緩存和物理地址TAG RAM，減 小了對主存儲(chǔ)器帶寬和性能的影響；22．ARM920T CPU內(nèi)核支持ARM調(diào)試的體系結(jié)構(gòu)；23．內(nèi)部先進(jìn)的位控制器總線(AMBA)、(AMBA2．0，AHB／APB)。</p><p>　　2.2.2基于S3C2410外圍電路方案</p><p>　　存儲(chǔ)器的組織是嵌入式系統(tǒng)的關(guān)鍵，既要考慮嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，又要考慮其多任務(wù)性，速度和容量成為主要

19、考慮因素，在ARM存儲(chǔ)器系統(tǒng)中有非常靈活的體系結(jié)構(gòu)，用戶可以根據(jù)需要靈活的選用不同的存儲(chǔ)管理策略。本系統(tǒng)中采用ROM/FLASH存放程序和數(shù)據(jù)，使斷電后不會(huì)丟失，用SDRAM作為程序運(yùn)行的內(nèi)存，通過在RAM中建立異常中斷向量表，</p><p>　　利用內(nèi)存映射技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬空間到物理空間的映射，這樣就可以滿足嵌入式系統(tǒng)的需求。</p><p>　　對本系統(tǒng)外圍設(shè)備首先要考慮的具有良好人機(jī)交

20、互界面的，由十嵌入式系統(tǒng)中不可能有象PC機(jī)那樣的鍵招‘設(shè)備，所以考慮用按鈕和觸摸屏來代替，另為考慮到需要和PC機(jī)數(shù)據(jù)交換以及和其他的USB設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，加入U(xiǎn)SB接口模塊。</p><p>　　2.2.3 USB接口芯片CH375</p><p>　　CH375芯片集成了PLL倍頻器、主從USB接口SIE、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、被動(dòng)并行接口、異步串行接口、命令解釋器、控制傳輸?shù)膮f(xié)議處理器、通用固

21、件程序等。PLL倍頻器用于將外部輸入的12MHz時(shí)鐘倍頻到4MHz作為USB接口的SIE時(shí)鐘。主從USB接口SIE是USB主機(jī)方式和從機(jī)方式的一體式SIE，用于完成物理的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送，CRC數(shù)據(jù)校驗(yàn)、出錯(cuò)重試、USB總路線狀態(tài)檢測等功能。數(shù)據(jù)緩沖區(qū)用于緩沖USB接口SIE收發(fā)的數(shù)據(jù)。被動(dòng)并行接口用于與外部單片機(jī)等交換數(shù)據(jù)。異步串行接口用于代替被動(dòng)并行接口與外部單片機(jī)通訊。命令解釋器用于分析并執(zhí)行外部單片機(jī)發(fā)出的各種命令。通用固件程序包

22、含兩組:第一組用于USB設(shè)備方式，自動(dòng)處理USB默認(rèn)端點(diǎn)0的各種標(biāo)準(zhǔn)事務(wù)等;第二組用于USB主機(jī)方式，自動(dòng)處理Mass_ Sto-ring海量存儲(chǔ)設(shè)備的專用通訊協(xié)議。CH375內(nèi)部有7個(gè)物時(shí)端點(diǎn)。其中端點(diǎn)0,1,2只用于從機(jī)設(shè)備方式，在主機(jī)方式下只需用主機(jī)端點(diǎn)。并且在主機(jī)方式下支持各種全速設(shè)備。USB設(shè)備的端點(diǎn)號(hào)可以是0到15，兩個(gè)方向最多支持31個(gè)端點(diǎn)，包的長度可以是0到64字節(jié)。內(nèi)置固件的一個(gè)很大好處就是即使開發(fā)人員</p&g

23、t;<p>　　3基于ARM的USB轉(zhuǎn)存系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 ARM處理器簡介型</p><p>　　ARM有二種含義，是一家公司的名稱，是對一類微處理器的通稱，又是一種技術(shù)名稱，ARM公司不生產(chǎn)芯片但轉(zhuǎn)讓設(shè)計(jì)許可，由其合作伙伴生產(chǎn)ARM芯片，該類微處理器己廣泛應(yīng)用十工業(yè)控制、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各個(gè)領(lǐng)域。</p>

24、<p>　　3.1.1 ARM的體系構(gòu)架特點(diǎn)</p><p>　　ARM核采用精簡指令集(RISC,Reduced Instruction Set Computer)結(jié)構(gòu)的體系結(jié)構(gòu)，RISC指令集是一套能在高時(shí)鐘頻率下單周期執(zhí)行、簡單}fu有效的指令系統(tǒng)，RISC結(jié)構(gòu)的設(shè)訓(xùn)一降低了硬件執(zhí)行指令的復(fù)雜度，ARM指令集與單純的RISC又有些不同點(diǎn)，ARM體系結(jié)構(gòu)主要有以下一些特征:</p>

25、<p>　　(1)一個(gè)大的、統(tǒng)一的寄存器文件，大量的寄存器，可以用十多種用途。</p><p>　　(2)加載/存儲(chǔ)( Load/Store)體系結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)處理的操作只針對寄存器的內(nèi)容，而不直接對存儲(chǔ)器進(jìn)行操作。</p><p>　　(3)多寄存器的加載/存儲(chǔ)(Load/Store)指令，尋址模式簡單，所有加載/存儲(chǔ)的地址都只由寄存器的內(nèi)容和指令域決定。</p>&

26、lt;p>　　(4)每條指令都支持條件執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)了最快速的代碼執(zhí)行。</p><p>　　(5)統(tǒng)一和固定長度的指令域，簡化了指令的譯碼。</p><p>　　(6)能夠在單時(shí)鐘周期執(zhí)行的單條指令內(nèi)完成一項(xiàng)普通的移位操作和一項(xiàng)普通的ALU操作。</p><p>　　(7)通過協(xié)處理器指令集來擴(kuò)展指令集，包括在編程模式中增加了新的寄存器和數(shù)據(jù)類型。</p&

27、gt;<p>　　(8) ARM專有的Thumb指令集，以高密度16位壓縮形式表示指令集。</p><p>　　3.1.2 ARM的流水線結(jié)構(gòu)</p><p>　　ARM920T內(nèi)核采用典型的5級(jí)流水線如3.1所示</p><p>　　(1)取指(fetch）:從存儲(chǔ)器中取出指令，并將其放入指令流水線。</p><p>　　(2

28、)譯碼(decode):指令被譯碼，從寄存器堆中讀取寄存器操作書。在寄存器堆中有3個(gè)操作數(shù)讀端口，因此大多數(shù)指令能在1個(gè)周期內(nèi)讀取器操作</p><p>　　(3)執(zhí)行(execute):將其中一個(gè)操作數(shù)移位，并在ALU中產(chǎn)生結(jié)果。如果指令是Load或Store指令，則在ALU中計(jì)算存儲(chǔ)器地址。</p><p>　　(4)緩沖/數(shù)據(jù)(buffe/data):如果需要?jiǎng)t訪問數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，否則A

29、LU只簡單的緩沖一個(gè)時(shí)鐘周期。</p><p>　　(5)回寫(write-back)將指令的結(jié)果回寫到寄存器堆，包括從寄存器讀出的數(shù)據(jù)。</p><p>　　3.1.3 ARM存儲(chǔ)器</p><p>　　ARM處理器具有靈活多樣的存儲(chǔ)器管理策略，可以適應(yīng)十各種不同的系統(tǒng)的需求，在ARMS系列中采用了靈活方便的內(nèi)存管理單兀(MMU，用戶可以根據(jù)自己的需要使用不同的管

30、理策略。有以下幾種存儲(chǔ)管理策略:</p><p>　　(1)可使用多類型的存儲(chǔ)單兀(SDRAM, FLASH等);(2)Cache;(3)寫緩存;(4)虛擬內(nèi)存地址;</p><p>　　可以通過以下幾種方法實(shí)現(xiàn)對存儲(chǔ)器的管理:</p><p>　　(1)使能Cache，加快存儲(chǔ)器的訪問速度;(2)啟動(dòng)虛擬地址到物理地址的映射;</p><p&g

31、t;　　(3)使用“域管理”策略，對存儲(chǔ)單兀的訪問進(jìn)行保護(hù);(4)對I/O映射地址空間的訪問加以限制;</p><p>　　3.1.4基于ARM920T的S3C2410處理器介紹</p><p>　　S3C2410處理器是SAMSUNG公司基十ARM公司的ARM920T處理器核，采用0.18um制造工藝的32位嵌入式微處理器。該處理器擁有獨(dú)立的16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache

32、，內(nèi)存管理單兀MMU，支持TFT的LCD控制器，NAND Flash閃存控制器，3路DART, 4路DMA, 4路帶PWM的Timer, I/O口，RTC, Touch Screen接口，2個(gè)USB主控制器，1個(gè)USB從控制器，SD主控制器和MMC接口，2路SPIO,S3C2410處理器最高可運(yùn)行在下203MHz下。采用了272腳的FBGA封裝,內(nèi)含一個(gè)ARM920T核和主要片內(nèi)外圍 </p><p>　　表3

33、.2 S3C2410內(nèi)部所含接口功能部件</p><p>　　在時(shí)鐘方面也有突出的特點(diǎn)，該芯片具有PLL C MPLL和UPLL)的芯片時(shí)鐘發(fā)生器。MPLL產(chǎn)生主時(shí)鐘，能夠使處理器工作頻率最高達(dá)到203MHz。這能夠使處理器輕松運(yùn)行Windows, Linux等操作系統(tǒng)以進(jìn)行較為復(fù)雜的信息處理。UPLL產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)USB主從功能的時(shí)鐘。S3C2410將系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間分成8個(gè)體(Bank)，每個(gè)體的大小是128MB,

34、共1 G 。 B ank0到B ank5的開始地址是固定的，用于ROM和SRAM 。Bank6和Ban7用于ROM, SRAM或SDRAM，這兩個(gè)組可編程目大小相同。Bank7的開始地址是Bank6的結(jié)束地址，靈活可變。所有內(nèi)存塊的訪問周期都可編程。S3C2410采用8個(gè)(Ngcs [7:0])通用片選信號(hào)選擇這些綱。另外S3C2410支持Nand Flash啟動(dòng)，Nand Flash具有容量大，價(jià)格低的特點(diǎn)，系統(tǒng)如采用Nand Fl

35、ash和SDRAM組和，可以獲得非常高的性價(jià)比。</p><p>　　3.2主芯片S3C2410最小系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)</p><p>　　硬件平臺(tái)的搭建和器件的選取應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)的整體性價(jià)比。根據(jù)硬件平臺(tái)的通用設(shè)計(jì)原則，先構(gòu)建基三星公司的S3C2410 ARM9處理器的最小系統(tǒng)，然后在此最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上按實(shí)際需要增刪外圍功能部件構(gòu)建而成。</p><p>　　電路包括

36、以下幾個(gè)主要功能模塊:</p><p>　　1.電源模塊、晶振電路及復(fù)位電路設(shè)計(jì)</p><p>　　2. SDRAM模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　3. Nand-Flash存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　4. JTAG接口設(shè)計(jì) </p><p>　　3.2.1電源模塊、晶振電路及復(fù)位電路設(shè)計(jì)<

37、/p><p>　　作為便攜式應(yīng)用系統(tǒng)，系統(tǒng)的供電問題以及對十電源的有效管理非常重要，主要從兩方面考慮，一方面應(yīng)盡可能滿足系統(tǒng)各模塊不同電壓的需求，另一方面要盡可能的降低系統(tǒng)的功耗。</p><p>　　S3C2410處理器有4種系統(tǒng)工作狀態(tài):正常方式(NORMAL mode，空閑方式(IDLEmode，關(guān)l方式(Power-OFF mode不I I非鎖相環(huán)方式(Non-PLL mode，其中非

38、鎖相環(huán)方式(Non-PLL mode)采用外部時(shí)鐘信號(hào)，其功耗取決十時(shí)鐘信號(hào)的頻率。如果采用內(nèi)置振蕩電路，則可以工作在正常方式、空閑方式和關(guān)閉方式。S3C2410處理器內(nèi)部有一電源管理模塊用十完成二種工作狀態(tài)之間的切換，實(shí)現(xiàn)為系統(tǒng)運(yùn)行不同的任務(wù)提供最佳的系統(tǒng)工作狀態(tài)。</p><p><b>　　(1)電源模塊設(shè)計(jì)</b></p><p>　　SC32140中的復(fù)位模

39、塊、時(shí)鐘電路、端口寄存器、處理器內(nèi)核等需要1.8V的電壓，處理器端口和處理器存儲(chǔ)器端口等需要3.3 V電壓，LCD等外設(shè)需要?jiǎng)e電壓。由此可見，在該系統(tǒng)中，需要使用1.8V, 3.3V和-5 V的直流穩(wěn)壓電源。為簡化系統(tǒng)電源電路的設(shè)計(jì)，要求整個(gè)系統(tǒng)的輸入電壓為高質(zhì)量的+5V直流穩(wěn)壓電源。-5 V輸入電壓經(jīng)過DC-DC轉(zhuǎn)換器LM1117可完成從-5 V到3.3 V和1.8V的電壓轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)中所需RTL電壓由1.8V電源和后備電源共同提供，在

40、系統(tǒng)工作時(shí)電壓1.8V有效，系統(tǒng)掉電時(shí)后備電池開始工作，以供電路所需的電源。電路如圖3.3所示:</p><p>　　圖3.3電源模塊電路原理圖</p><p>　?。?）晶振電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　S3C2410微處理器的主時(shí)鐘可以由外部時(shí)鐘源提供，也可以由外部振蕩器和內(nèi)部電路來產(chǎn)生。采用哪種方式通過引腳OM [3 : 2]來進(jìn)行選擇。在本設(shè)計(jì)中選擇OM

41、[3 : 2]均接地的方式，即采用外部振蕩器提供系統(tǒng)時(shí)鐘。外部振蕩器由12MHZ晶振和2個(gè)1_5pF的微調(diào)電容組成。振蕩電路輸出接到S3C2410微處理器的XTIpII引腳，輸入由XTOpIl提供。12MZH的晶振頻率經(jīng)過S3C2410片內(nèi)的PLL電路倍頻后，最高可以達(dá)到203MHZ。由十片內(nèi)的PLL電路兼有倍頻和波形整形的功能，因此，系統(tǒng)可以較低的外部時(shí)鐘信號(hào)獲得較高的工作頻率，從而降低因高速開關(guān)時(shí)鐘所造成的高頻噪聲。系統(tǒng)所需的RTC

42、時(shí)鐘也采用相同的方式，如圖3.5所示:</p><p>　　圖3. 4晶振電路原理圖</p><p><b>　　(3)復(fù)位電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　在系統(tǒng)中，復(fù)位電路主要完成系統(tǒng)的上電復(fù)位和系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)用戶的按鍵復(fù)位功能。</p><p>　　本設(shè)計(jì)中采用了較簡單的RC復(fù)位電路，如圖3. 6所示。</

43、p><p>　　圖3. 5系統(tǒng)復(fù)位電路圖</p><p>　　該復(fù)位電路的工作原理如下，在系統(tǒng)上電時(shí)，通過電阻8108向電容C162充電，當(dāng)兩端的電壓未達(dá)到高電平的門限電壓時(shí)，RESET端輸出為高電平，系統(tǒng)處十復(fù)位狀態(tài)，當(dāng)兩端的電壓達(dá)到高電平的門限時(shí)，RESET端輸出為低電平，系統(tǒng)進(jìn)入正常的工作狀態(tài)。</p><p>　　當(dāng)用戶按下按鍵時(shí)，電容C 162兩端的電荷被放掉

44、，RESET端輸出為高電平，系統(tǒng)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，重復(fù)以上的充電過程，系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。nRESET端的輸出狀態(tài)與RESET端相反，用十低電平復(fù)位的器件。通過調(diào)整8108和C 162的參數(shù)，可調(diào)整復(fù)位狀態(tài)的時(shí)間。</p><p>　　3.2.2 SDRAM模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　系統(tǒng)啟動(dòng)后，雖然程序可以在Flash或內(nèi)部的SDRAM中運(yùn)行，但他們有速度慢或者容量小的缺點(diǎn)。SDRAM存

45、儲(chǔ)器具有速度快、大容量的特點(diǎn)，是一種具有同步接口的高速動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，其與ARM內(nèi)部流水線結(jié)構(gòu)一起可以允許高速存取外部數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸速度幾乎可以和ARM的時(shí)鐘頻率同步。在ARM系統(tǒng)中SDRAM主要用作程序的運(yùn)行空間、數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，先從復(fù)位地址0x0地址開始讀取啟動(dòng)代碼，完成系統(tǒng)的初始化，程序代碼一般應(yīng)調(diào)入SDRAM中運(yùn)行，以提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度。</p><p>　　S3C2410芯片內(nèi)部有一可編程的1

46、6位或32位寬的SDRAM接口，內(nèi)有SDRAM控制器，允許連接兩組SDRAM容量512Mbit，只要選取標(biāo)準(zhǔn)的SDRAM芯片與接口連接就可以。</p><p>　　本系統(tǒng)中選用Hynix公司的HY57V561620作為SDRAM。其存儲(chǔ)容量為32MB < 4MbitsX 4B anks X 16，工作電壓為3.3 V，為54腳TSOP封裝，兼容LVTTL接口，支持自動(dòng)刷新(Auto-Refresh)和自刷新

47、(Self-Refresh，單片數(shù)據(jù)寬度為16位。為增大數(shù)據(jù)吞吐量，充分發(fā)揮32位ARM處理器的數(shù)據(jù)處理能力，本系統(tǒng)選用兩片HY57V561620芯片并聯(lián)構(gòu)建32位的SDRAM存儲(chǔ)器系統(tǒng)，共64MB的SDRAM空間，可滿足嵌入式操作系統(tǒng)及各種相對較復(fù)雜的算法的運(yùn)行要求。SDRAM模塊原理圖如圖3.6所示:</p><p>　　圖3. 6 SDRAM模塊原理圖</p><p>　　3.2.

48、3 Nand-Flash存儲(chǔ)模塊</p><p>　　在嵌入式系統(tǒng)中，程序可以加載到SDRAM中在運(yùn)行，也可以直接在ROM或Flash中運(yùn)行，因?yàn)镕lash作為非易失性存儲(chǔ)器，因此一種比較常用的方法是把Flash存儲(chǔ)器作為硬招來使用，當(dāng)程序需要運(yùn)行時(shí)，先將其加載到SDRAM中，因?yàn)镾DRAM存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)寬度寬，運(yùn)行速度比較快。</p><p>　　Flash有Nor-Flash不II Na

49、nd-Flash兩類，相比之下，Nand-Flash的容量大，擦除速度更快，但由十ARM中沒有專門用十Nand-Flash控制所需的CLE, ALE信號(hào)，因此需要借助通用的GPIO口來實(shí)現(xiàn)。Nand-Flash存儲(chǔ)器屬十MTD C Memory Tedhnology Devices )設(shè)備需要閃存技術(shù)驅(qū)動(dòng)程序的支持，TDM核心層分為用戶模塊接口層、MTD抽象層和MTD設(shè)備驅(qū)動(dòng)層，通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)層實(shí)現(xiàn)對存儲(chǔ)設(shè)備的物理訪問功能，用過用戶模塊提

50、供用戶空間的直接訪問接口。Linux提供了較為完善的驅(qū)動(dòng)程序，只要在內(nèi)核配置中選擇好相應(yīng)的類型即可。</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中采用了Samsung公司的K9F 1208Nand-Flash芯片作存儲(chǔ)器，其存儲(chǔ)容量為64M字節(jié)，數(shù)據(jù)總線寬度為8位，工作電壓為2.7V}-3.6V，采用48腳TSOP封裝，僅需要3.3 V電壓即可完成在系統(tǒng)的編程與擦除操作。采用ARM的通用GPIO口作為CLE, ALE信號(hào)的控制

51、線，電路如圖3. 8所示:</p><p>　　圖3.7 Nand-Flash電路模塊</p><p>　　3.2.4JTAG接口電路</p><p>　　S3C2410A為ARM920T的內(nèi)核，通過其內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)JTAG接口，可以對其進(jìn)行在線實(shí)時(shí)仿真調(diào)試，也可以使用SJF2410等燒寫工具通過JTAG接口對外部擴(kuò)展的Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行編程。目前ARM普遍使用標(biāo)準(zhǔn)

52、的10針JTAG接口，如圖2. 7所示為本系統(tǒng)的JTAG接口電路原理圖。JTAG信號(hào)中除TDO不需要上拉電阻外，其他的都必須接lOk S2的上拉電阻。</p><p>　　圖3.8 JTAG接口原理圖</p><p>　　3.3溫度采集電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.3.1溫度傳感器的選擇</p><p>　　DS18B20 “一線總線”

53、數(shù)字化溫度傳感器是DALLAS最新單線數(shù)字溫度傳感器，同DS1820一樣，DS18B20也 支持“一線總線”接口，測量溫度范圍-55°C~+125°C，在-10~+85°C范圍內(nèi),精度為±0.5°C。DS1822的精度較差為± 2°C 。現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，與前一代產(chǎn)品不同，新的產(chǎn)品支持3V

54、~5.5V的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活、方便。而且新一代產(chǎn)品更便宜，體積更小。</p><p>　　DS18B20的主要特點(diǎn)：</p><p>　?、偃珨?shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出。 </p><p>　?、谙冗M(jìn)的單總線數(shù)據(jù)通信。 </p><p>　?、圩罡?2位分辨率，精度可達(dá)土0.5攝氏度。 </p><p>　?、?2位

55、分辨率時(shí)的最大工作周期為750毫秒。 </p><p>　?、菘蛇x擇寄生工作方式。 </p><p>　?、迿z測溫度范圍為–55°C ~+125°C (–67°F ~+257°F) </p><p>　　⑦內(nèi)置EEPROM，限溫報(bào)警功能。 </p><p>　?、?4位光刻ROM，內(nèi)置產(chǎn)品序列號(hào)，方便多

56、機(jī)掛接。 </p><p>　　⑨多樣封裝形式，適應(yīng)不同硬件系統(tǒng)，DS18B20的外形及管腳排列:DS18B20外形及大小與一般晶體三極管相當(dāng)，有三個(gè)引出端其管腳排列見圖3.9</p><p>　　1 GND 電源地 2DQ 數(shù)據(jù)線 3 VDD 電源電壓</p><p>　　圖 3.9 DS18B20管腳排列</p><p>　　基

57、于以上優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)采用DS18B20作為溫度傳感器。</p><p>　　3.3.2 溫度采集電路</p><p>　　DS18B20只需要接到S3C2410的一個(gè)I/O口上，由于單總線為開漏所以需要外接一個(gè)4.7K的上拉電阻。如要采用寄生工作方式，只要將VDD電源引腳與單總線并聯(lián)即可。</p><p>　　圖3.10 溫度采集電路</p><p

58、>　　3.4 USB電路設(shè)計(jì)</p><p>　　USB通用串行規(guī)范是由Intel、微軟、IBM, DEC等幾家公司共同制定的串行接口規(guī)范，USB2.0規(guī)范向下兼容USB1.1，傳輸速率可達(dá)120-240Mbps，可實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的高速實(shí)時(shí)傳輸。USB系統(tǒng)由USB主端口和USB從端口組成，USB主端口就是USB控制器，USB從端口包括USP集線器和功能設(shè)備。USB主端口和USB從端口之間采用樹形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)互連，

59、這使得外設(shè)具有高自由度的擴(kuò)展能力，通過集線器(HUB)最多可以擴(kuò)接127個(gè)USB設(shè)備。</p><p>　　S3C2410含有兩個(gè)USB主設(shè)備(USB Host)接口不I I一個(gè)USB從設(shè)備(USB Device接口，兼容標(biāo)USB 1.1標(biāo)準(zhǔn)，有全速和低速兩種方式，低速方式的速率為，支持一些不需要很大數(shù)據(jù)吞吐量和很高實(shí)時(shí)性的設(shè)備，如鼠標(biāo)等。全速模式為12Mbps，可以外接速率更高的外設(shè)。USB的電纜有四條線，兩條

60、傳送的是的電源，另外的兩條是數(shù)據(jù)線。USB總線最大可以提供5V, 500MA的電流，對十一些功率不大的外圍設(shè)備可以直接通過總線供電而不必外接電源，S3C2410的USB接口電路如所示。</p><p>　　(a) USB-Host圖</p><p>　　(b) USB-Device圖</p><p>　　圖3. 11 USB接口電路圖</p><

61、;p><b>　　總 結(jié)</b></p><p>　　本課程設(shè)計(jì)在研究嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對如何實(shí)現(xiàn)基于ARM的USB轉(zhuǎn)存系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。根據(jù)已知參數(shù)對輸入信號(hào)特征進(jìn)行分析、需求分析，選擇確定ARM芯片型號(hào)、USB控制器芯片型號(hào)，完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)研究了嵌入式系統(tǒng)，ARM9微處理器及USB的應(yīng)用。采用了三星公司的以ARM920T為內(nèi)核的處理器S3C2410。詳細(xì)闡述了嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)建和U

62、SB的開發(fā)流程。嵌入式系統(tǒng)是當(dāng)今及未來嵌入式技術(shù)的發(fā)展方向，ARM處理器為嵌入式系統(tǒng)特供了強(qiáng)大的硬件支持，智能手機(jī)和PDA都是兩者成功結(jié)合的典范。USB技術(shù)也推動(dòng)了嵌入式產(chǎn)品的發(fā)展，使嵌入式產(chǎn)品具備了傳輸數(shù)據(jù)方便、快捷的優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　本設(shè)計(jì)研究實(shí)現(xiàn)一個(gè)能將采集的數(shù)據(jù)通過USB接口轉(zhuǎn)存的系統(tǒng)。該系統(tǒng)的ARM負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和運(yùn)算處理，處理結(jié)果通過USB口送計(jì)算機(jī)顯示分析。為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了USB主

63、機(jī)接口，硬件設(shè)計(jì)采用S3C2410為主控平臺(tái)，ARM系統(tǒng)本身就是一個(gè)USB從設(shè)備，直接接到計(jì)算機(jī)的USB主機(jī)接口上進(jìn)行通信。完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存。嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)建需要選擇合適的硬件平臺(tái)，采用S3C2410處理器可以滿足構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)所要求的硬件資源。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　在這次課程設(shè)計(jì)的撰寫過程中，我得到了許多人的

64、幫助。首先我要感謝我的老師楊健及張君捧老師在課程設(shè)計(jì)上給予我的指導(dǎo)、提供給我的支持和幫助，這是我能順利完成這次報(bào)告的主要原因，更重要的是老師幫我解決了許多技術(shù)上的難題，讓我能把系統(tǒng)做得更加完善。在此期間，我不僅學(xué)到了許多新的知識(shí)，而且也開闊了視野，提高了自己的設(shè)計(jì)能力。其次，我要感謝幫助過我的同學(xué)，他們也為我解決了不少我不太明白的設(shè)計(jì)的難題。</p><p>　　本課題是在我的指導(dǎo)老師楊健及張君捧老師的悉心指導(dǎo)下

65、完成的，實(shí)事求是指導(dǎo)老師工作作風(fēng)和孜孜不倦、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，淵博的學(xué)識(shí)和淳淳教導(dǎo)的高尚品質(zhì)都讓我受益匪淺并終生難忘，給了我許多書本上無法學(xué)到的東西，使我的能力有了質(zhì)的飛躍，為我今后的工作和學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在此，向辛勤培養(yǎng)和指導(dǎo)我的恩師致以最崇高的敬禮和表示最誠摯的謝意。</p><p>　　最后再一次感謝所有在設(shè)計(jì)中曾經(jīng)幫助過我的良師益友和同學(xué)。</p><p><b>　

66、　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 杜春雷.ARM體系結(jié)構(gòu)與編程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.</p><p>　　[2] 周立功 .ARM嵌入式Linux系統(tǒng)構(gòu)建與驅(qū)動(dòng)開發(fā)范例[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006.</p><p>　　[3] 斯洛斯（Sloss,A.N.）.ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)：軟件設(shè)計(jì)與優(yōu)化[M].北

67、京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005.</p><p>　　[4] ARM&Linux嵌入式系統(tǒng)教程.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004.</p><p>　　[5] 陳賾．ARM9嵌入式技術(shù)及Linux高級(jí)實(shí)踐教程[M] ．北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2005．</p><p>　　[6] 孫天澤，袁文菊．嵌入式設(shè)計(jì)及Linux驅(qū)動(dòng)開發(fā)指南——基于A

68、RM9處理器[M] ．第2版．北京:電子工業(yè)出版社,2007.</p><p>　　[7] 田澤．ARM9嵌入式Linux開發(fā)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐[M] ．北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006.</p><p>　　[8] 于明．ARM9嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)教程[M] ．北京:電子工業(yè)出版社,2006.</p><p>　　[9] 趙星寒 ．ARM開發(fā)工具ADS原