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1、嵌入式系统设计ARM与C/OS-第5章 基于ARM的嵌入式硬件结构设计,嵌入式系统的软/硬件框架,3,嵌入式系统的设计步骤,1）需求分析阶段,分析用户的需求确定硬件软件检查需求分析的结果确定项目的约束条件概要设计,需求分析-罗列用户的需求,（1）系统用于什么任务？（2）系统从用户或其他源接收什么输入？（3）系统从用户或其他源输出什么？（4）用户想要如何同系统打交道？（5）系统的重量和体积如何？（6）系统连接何种外设？（7）系统是否需要运行某些现存的软件？（8）系统处理哪种类型的数据？（9）系统是否要与别的系统通讯？（10）系统是单机还是网络系统？,需求分析-罗列用户的需求,（11）系统的响应时
2、间是多少？（12）需要什么安全措施？（13）系统在什么样的环境下运行？（14）外部存储媒介和内存需要多大？（15）系统的可拆装性，可靠性和牢固性的期望值是什么（16）如何给系统供电？（17）系统如何向用户通报故障？（18）是否需要任何手动或机械代用装置？（19）系统是否将具有远程诊断或更正问题的功能？（20）其他问题,2）体系结构设计,决定因素系统是硬实时系统还是软实时系统操作系统是否需要嵌入物理系统的成本、尺寸和耗电量是否是产品成功的关键因素选择处理器和相关硬件其他,3）详细设计阶段-硬件与软件划分,决定哪些用硬件实现，哪些用软件实现？例如：浮点运算网络通信控制器实现的功能软调制解调器/硬调
3、制解调器软件压缩解压/硬件压缩解压图像,详细设计阶段-硬件设计,设计硬件子系统：top-down方法分成模块设计框图例：CPU子系统、存储器子系统等定义硬件接口I/O端口硬件寄存器共享内存硬件中断存储器空间分配处理器的运行速度,详细设计阶段-软件设计,设计软件子系统总体设计、模块设计定义软件接口模块接口、函数接口,详细设计阶段-检查设计,小项目自己审查设计文档中等项目拿给同事朋友并向他们解释你的设计 大型项目-审查会设计者应作一个更正式的报告。由于这是一个设计审查会，召集一群人，主要由工程师组成，并尽可能包括一些对项目有不同看法角度的成员，如做市场的人员、最终用户,4）系统集成把系统的软件、硬
4、件和执行装置集成在一起，进行调试，发现并改进设计过程中的错误。5）系统测试对设计好的系统进行测试，看其是否满足给定的要求。,嵌入式系统的硬件体系结构,基于ARM和FPGA的嵌入式系统可重构设计,S3C2410的内部结构,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) 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 . 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) 7个Ba
5、nk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Bank存储周期可编程控制；,S3C2410的存储器配置,实验平台的体系结构,基于ARM的嵌入式系统硬件结构设计,主要介绍基于ARM7的嵌入式硬件开发平台的设计方法，包括结构、主要接口、存储器选用方案以及外设、显示等方面的内容。 嵌入式硬件开发平台的体系结构外围存储器接口设计方法键盘、LCD等人机交互接口的设计触摸屏的设计以太网设计,基于ARM的嵌入式硬件平台体系结构,ARM实验平台与PC机连接关系框图,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。,ARM架构的处理
6、器有的带有指令快存和数据快存。但是片内都不带有RAM和ROM。 系统所需的RAM和ROM（包括闪存）都通过总线外接。快存（Cache）是一种小容量、高速度的存储器，用于处理器与主存之间存放当前被使用的主存内容，以减少访问主存的等待时间。,25,高速缓冲存储器工作原理,存储系统的构成分析,以基于S3C44B0X的存储系统为例： 支持数据存储的大/小端选择(通过外部引脚和程序进行选择)地址空间：具有8个存储体，每个存储体可达32Mb，总共可达256MB。对所有存储体的访问大小均可进行改变（8位16位32位）8个Bank中，Bank0Bank5可支持ROM、SRAM；Bank6、Bank7可支持RO
7、M、SRAM和EDOSDRAM等。,典型系统中存储体的分配情况,系统的存储空间分配,Bank0:1片2MB NOR Flash，放置系统引导程序，系统上电复位后，PC指针自动指向Bank0的第一个单元，进行系统自举。以便从硬盘中将系统文件和用户应用程序复制到SDRAM内存中执行。Bank1：非线性寻址。Bank1上接16M NAND Flash，当做系统硬盘使用，可以构造文件系统，存放海量数据。用SDRAM当作系统内存，只有Bank6/Bank7能支持SDRAM，所以将SDRAM接在Bank6上。Bank2：PDIUSBD12。USB设备端接口芯片，占用系统外部中断0。8位数据总线。,Bank
8、5：RTL8019AS，ISA总线兼容的10M以太网（PHYMAC层）控制芯片。占用系统外部中断1，16位数据总线；扩展IO口Bank6：SDRAM，起始地址为0xC000000。在SDRAM中，前512Kbyte的空间划分出来，作为系统的LCD显示缓冲区使用（更新其中的数据，就可以更新LCD的显示）。系统的程序存储空间从0xC080000开始。也就是，引导系统的时候，需要把system.bin文件复制到0xC080000开始的地址空间，把PC指针指向0xC080000。,3) Boot Loader的任务,Boot Loader是系统加电后首先运行的一段代码，完成整个系统的加载启动任务。它首
9、先完成系统硬件的初始化，包括时钟的设置、存储器的映射等。并设置堆栈指针，然后跳转到操作系统内核入口，如系统在加电或复位时通常从地址0x00000000处开始执行，而在这个地址处安排的通常就是系统的Boot Loader程序。每种嵌入式微处理器体系结构都有不同的Boot Loader。通常， Boot Loader只有几十KB的大小，其作用相当于普通pc机的BIOS，是在系统复位后执行的第一段代码,Boot Loader 的操作模式,启动加载模式（Autonomous） ： Boot Loader 从目标机的固体存储设备上将操作系统加载到RAM中运行，整个过程并没有用户的介入。这种模式是 Boo
10、t Loader 的正常工作模式，因此在嵌入式产品发布的时侯，Boot Loader 显然必须工作在这种模式下。,下载模式：目标机中的Boot Loader 通过串口或网络连接等通信手段从宿主机上下载文件，如操作系统的内核映像和根文件的映像等。从宿主级上下载的文件通常首先被Boot Loader 保存到目标机的RAM中，然后再被Boot Loader 写到目标机的Flash中。这种模式通常在第1次安装操作系统内核和根文件系统时被使用，另外系统更新时也会使用这种方式。,4）存储管理单元MMU,虚拟内存管理占用了相当一部分系统资源，因此在系统资源非常有限的嵌入式系统中可不采用虚拟内存管理，使用不带
11、有MMU的微处理器。这样要采用动态内存管理方式，即当程序的某一部分需要使用内存时，利用操作系统提供的分配函数来处理，一旦使用完毕，可通过释放函数来释放所占用的内存，这样内存就可以重复使用。,但在具有MMU的ARM系统中，存储管理单元MMU主要完成工作：虚拟存储空间到物理存储空间的映射。在ARM中采用了页式虚拟存储管理。存储器访问权限的控制。设置虚拟存储空间的缓冲的特性。,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
12、UART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可以实现更度速度的传输；每个UART包括2个16Byte的接收/发送FIFO。,UART控制框图,异步串行通讯简介,在一条传输线上完成单向传输。将传输数据的字符一位接一位的传送。接收方对于同一条线上的一连串连续数学信号，首先将其分割成位，再按位组成字符。每个字符需要确定起始位和结束位，字符与字符间还可能有长度不定的空闲时间，因此传输效率较低。,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
13、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,EIA RS-232C 物理特征： DB-25 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”,UART的操作,串口初始化,发送数据,接收数据,人机交互接口,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
14、如图所示的方式连接。,人机交互接口,LCD显示模块液晶显示是一种被动的显示，它不能发光，只能使用周围环境的光。它显示图案或字符只需很小能量。液晶显示所用的液晶材料是一种兼有液态和固体双重性质的有机物，它的棒状结构在液晶盒内一般平行排列，但在电场作用下能改变其排列方向,LCD有三种显示方式,LCD有三种显示方式：反射型，透射型和透反射型。(1)反射型LCD的底偏光片后面加了一块反射板，它一般在户外和光线良好的办公室使用。(2)透射型LCD的底偏光片是透射偏光片，它需要连续使用背光源，一般在光线差的环境使用。(3)透反射型LCD是处于以上两者之间，底偏光片能部分反光，一般也带背光源，光线好的时候，
15、可关掉背光源；光线差时，可点亮背光源使用LCD。,反射型LCD的结构,LCD显示方式还分正性和负性。正性LCD呈现白底黑字，在反射和透反射型LCD中显示最佳；负性LCD呈现黑底白字，一般用于透射型LCD，加上背光源，字体清晰，易于阅读。,LCD通常有两种方式，一种是带有驱动芯片的LCD模块，基本上属于半成品如果有需要，也可以直接使用芯片上的内置LCD控制器来构造显示模块，它可以支持彩色/灰度/单色三种模式，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.,嵌入式处理器与LCD的连接,嵌入式处理器,LCD模块,数据总线,寄存器选择,使能信号,键盘模块,键盘模块可以用来输入数字型数据或者选择控制设备的操作模式。键盘有两种方案：一是采用现有的一些芯片实现键盘扫描；再就是用软件实现键盘扫描。嵌入式控制器的功能很强，能允分利用这一资源。,简单键盘电路,按键抖动,一个瞬时接触开关（按钮）放置在每一行与线一列的交叉点。矩阵所需的键的数目显然根据应用程序而不同。每一行由一个输出端口的一位驱动，而每一列由一个电阻器上拉且供给输入端口一位。,A1A2A3,A1A2A3,键盘扫描过程就是让微处理器按有规律的时间间隔查看键盘矩阵，以确定是否有键被按下。每个键被分配一个称为扫描码的唯一标识符。应用程序利用该扫描码，根据按下的键来判定应该采取什么行动。,
