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1、1,1,第2章 嵌入式系统的硬件结构,工欲善其事，必先利其器。,2,本章内容,2.2 ARM微处理器概述,2.3 S3C2410处理器单元电路设计,2.4 输入输出设备,2.5 ARM的接口技术,2.6 总线技术,2.1 嵌入式系统的硬件基本构成,1,2,3,4,5,6,3,目的和要求,初步掌握嵌入式系统的硬件结构组成，为后面的学习奠定基础。 了解ARM嵌入式系统硬件组成 了解ARM家族处理器类型 理解ARM存储空间的管理 了解ARM外围接口与总线技术,4,2.1 嵌入式系统的硬件基本构成,5,嵌入式系统的硬件结构是以嵌入式处理器为中心， 由时钟、复位电路、中断控制器、SDROM控制器和外围总
2、线控制器以及电源等必要的辅助接口组成。 嵌入式系统的硬件结构除了处理器核心部分外，还包括丰富的外围接口如I2C、SPI、UART和USB等接口 。 嵌入式系统不同于普通计算机系统，它是根据用户 需求而量身定做的专用计算机应用系统 电路都可根据需要和成本进行裁剪、定制。,6,嵌入式系统硬件框图,7,2.2 ARM微处理器概述,ARM公司简介 ARM公司于1990年11月在英国剑桥成立，原名Advanced RISC Machine，它是专门从事基于RISC 技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，公司本身并不直接从事芯片生产，而是靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体生产
3、商从ARM公司购买其设计的ARM 微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的ARM 微处理器芯片进入市场。目前，总共有超过100家公司与ARM公司签订了技术使用许可协议，其中包括Intel、IBM、LG、NEC、SONY、NXP和NS这样的大公司。,8,9,10,11,ARM微处理器家族,ARM7 ARM9 ARM9E ARM10E ARM11 SecurCore StrongARM XScale Cortex系列。,12,ARM家族系列产品性能比较,13,2.2.3 ARM微处理器结构,1. ARM体系结构,冯诺依曼和冯诺依曼体系结构图,14,哈佛体系结构图,15
4、,2RISC指令集,RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机），RISC并非只是简单地减少指令，而是把着眼点放在了如何使计算机的结构更加简单合理地提高运算速度上。RISC结构优先选取使用频率最高的简单指令，避免复杂指令；将指令长度固定，指令格式和寻址方式种类减少；以控制逻辑为主，不用或少用微码控制等措施。RISC和CISC结构相比较，尽管RISC架构上有许多优点，但绝不能认为RISC架构可以取代CISC架构，事实上，RISC和CISC各有优势，而且界限并不那么明显。现代的CPU往往采用CISC的外围，内部加入RISC的特性。,16,3 ARM
5、微处理器的寄存器结构,17,ARM处理器共有37个寄存器。包括31个通用寄存器和6个状态寄存器，均为32位。 ARM处理器有7种不同的处理器模式，分别为：用户模式、快中断模式、中断模式、管理模式、中止模式、未定义模式和系统模式，在每一种处理器模式下均有一组相应的寄存器与之对应。,18,4、ARM微处理器的指令结构,ARM微处理器支持两种指令集：ARM指令集和Thumb指令集。ARM指令为32位的长度； Thumb指令集是ARM指令集的一个子集，是针对代码密度问题而提出的，它具有16位的代码宽度。 处理器在执行ARM程序段时，ARM处理器处于ARM工作状态；处理器在执行Thumb程序段时，ARM
6、处理器处于Thumb工作状态。,19,2.3 ARM的存储系统,2.3.1 ARM的存储空间,ARM体系结构使用单一的平板地址空间，该地址空间的范围大小为232个8位字节 。 32位情况： 32位的地址空间可以看作由230个32位的字单元组成。 每个字的地址是字对准的，故字单元的地址可以被4整除。 16位情况： 16位的地址空间可以看作由231个16位的半字组成。每个半字的地址是半字对准的，故半字单元的地址可以被2整除。,20,2.3.2 存储器格式,大端格式： 在这种格式中，字数据的高字节存储在低地址中，而字数据的低字节则存放在高地址中。,21,小端格式：与大端存储格式相反，在小端存储格式中
7、，低地址中存放的是字数据的低字节，高地址存放的是字数据的高字节。,22,2.3.3 存储器的管理,虚拟地址: ARM系统中都存在着一个程序产生的地址集合，我们称之为地址范围,这个地址范围称为虚拟地址空间，该空间中的某一个地址我们称之为虚拟地址。 物理地址 : 物理地址空间和物理地址表示系统主存储器的实际地址空间和它的实际地址。 ARM对存储器的管理： ARM处理器使用MMU实现虚拟地址到实际物理地址的映射方式对ARM的存储器进行管理。,23,2.4 输入输出设备,2.4.1 LCD显示,24,2.4.2 触摸屏 触摸屏按其工作原理的不同分为：电阻式触摸屏、电容式触摸屏、表面声波屏和红外屏。,2
8、5,2.4.3键盘接口,1独立式键盘,独立式键盘原理,26,2矩阵式键盘,矩阵式键盘原理,27,键盘的控制方式 程序控制扫描方式:这种方式只有处理器空闲时，才可调用键盘扫描子程序，查询键盘的输入状态是否改变。 定时扫描方式 :处理器对键盘的扫描也可采用定时扫描方式，即处理器每隔一定的时间对键盘扫描一次。 中断扫描方式 :当键盘有键动作时产生中断，处理器响应键盘中断后，执行键盘中断程序，判别键盘按下键的键号，并做相应处理。,28,2.5 ARM的接口技术,2.5.1 并行通信接口 并口传输数据的宽度可以从1128位或者更宽，在嵌入式系统中最常用的是8位，这样微处理器可以通过接口一次传送8个数据位
9、。,29,25针并口功能一览表,30,串行通信接口,同步串行通信方式 所谓同步通信，是指数据传送是以数据块（一组字符）为单位，字符与字符之间、字符内部的位与位之间都同步。 异步串行通信方式 所谓异步通信，是指数据传送以字符为单位，字符与字符间的传送是完全异步的，位与位之间的传送基本上是同步的。,31,（1）RS-232,RS-232:数据终端设备（DTE）和数据通信设备 （DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准 ， 也称标准串口，最常用的一种串行通信接口。,32,RS-232 DB9接口定义,33,RS-422:RS-422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，它定义了接口电路的特
10、性 . RS-422支持点对多的双向通信 . RS-485 :RS-485是从RS-422基础上发展而来的，所以RS-485许多电气规定与RS-422相仿 . RS-485与RS-422的不同:在于其共模输出电压是不同的，RS-485是-7V至+12V之间，而RS-422在-7V至+7V之间，RS-485接收器最小输入阻抗为12k、RS-422是4k；由于RS-485满足所有RS-422的规范，所以RS-485的驱动器可以用在RS-422网络中应用。,34,RS-485与RS-422一样，其最大传输距离约为1200米，最大传输速率为10Mbps。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kbp
11、s速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长双绞线最大传输速率仅为1Mbps。,35,USB接口,USB全称通用串行总线Universal Serial Bus，USB接口是现在比较流行的接口，用于将使用USB的外围设备连接到主机。,USB针脚定义,36,37,USB总线拓扑图,38,红外线接口,红外发射电路由红外线发射管L2和限流电阻R2组成。当主板红外接口的输出端IRTX输出调制后的电脉冲信号时，红外线发射管将电脉冲信号转化为红外线光信号发射出去。 红外接收电路由红外线接收管L1和取样电阻R1组成。当红外接收管接收到红外线光信号时，其反向
12、电阻会随光信号的强弱变化而相应变化，根据欧姆定律可以得知通过红外接收管L1和电阻R1的电流也会相应变化，而在取样电阻两端的电压也随之变化，此变化的电压经主板红外接口的输入端IRRX输入主机。,39,PCMCIA和CF,以前这项技术标准只适用于存储器扩充卡，但后来还扩展到存储器以外的外部设备，如网络卡、视频会议卡及调制解调器等。,40,2.6 总线技术,I2C总线 :I2C是Inter-Integrated Circuit的缩写。I2C总线是一种由PHILIPS公司开发的串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。 I2C只有两条物理线路：一条串行数据线（SDA），一条串行时钟线（SCL）,41,起
13、始条件和停止条件 起始条件在SCL保持高电平期间，SDA由高电平向低电平的变化状态 当SCL保持高电平期间，SDA是由低电平向高电平变化状态则规定为停止条件,42,带有I2C 总线的器件除了有从机地址（Slave Address）外，还可能有子地址。从机地址是指该器件在I2C 总线上被主机寻址的地址，而子地址是指该器件内部不同部件或存储单元的编址。 一般从机地址由7位地址位和1位读写标志R/W组成，7位地址占据高7位，读写位在最后。读写位是0，表示主机将要向从机写入数据；读写位是1，则表示主机将要从从机读取数据。,从机地址,43,I2C总线总是以字节（Byte）为单位收发数据，每个字节的长度都
14、是8位，每次传送字节的数量没有限制。I2C总线首先传输的是数据的最高位（MSB），最后传输的是最低位（LSB）。另外，每个字节之后还要跟一个响应位，称为应答。,数据传输控制,44,主机向从机发送数据的基本格式 (7位寻址),主机向从机发送数据的基本格式 (10位寻址),主机从从机接收数据的基本格式 (7位寻址),主机从从机接收数据的基本格式 (10位寻址),45,数据传输时序图,主机向从机发送1个字节数据的时序图,主机从从机接收1个字节数据的时序图,46,2.6.2 SPI总线,SPI总线结构由一个主设备和一个或多个从设备组成，主设备启动一个与从设备的同步通信，从而完成数据的交换。SPI接口由
15、MISO（主机输入/从机输出数据线），MOSI（主机输出/从机输入数据线），SCK（串行移位时钟），CS（从机使能信号）四种信号构成 。,47,SPI是一种高速的，全双工，同步的通信总线。主机和从机都有一个串行移位寄存器，主机通过向它的SPI串行寄存器写入一个字节来发起一次传输。,SPI总线的数据传输方式,48,SPI接口时序,CPHA=0时的SPI总线数据传输时序,CPHA=1时的SPI总线数据传输时序,49,I2S总线,I2S是Inter-IC Sound Bus的缩写，是飞利浦公司为数字音频设备之间的音频数据传输而制定的一种总线标准。 I2S有三个主要信号：串行时钟SCLK ；帧时钟LR
16、CK ；串行数据SDATA 。 I2S有4条线：串行数据输入（I2SDI）、串行数据输出（I2SDO）、左右通道选择（I2SLRCK）和串行位时钟（I2SCLK）。,50,I2S总线模块结构框图,51,2.6.4 CAN总线,CAN 全称为Controller Area Network，即控制器局域网。CAN是一种多主方式的串行通信总线，基本设计规范要求有高的位速率、高抗电磁干扰性，而且要能够检测出总线的任何错误。当信号传输距离达10km时CAN仍可提供高达50kbps的数据传输速率。 CAN总线属于工业现场总线的范畴。与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。,52,CAN总线在汽车上的应用,53,CAN总线能够使用多种物理介质传输，如双绞线、光纤等。总线信号采用差分电压传输，两条信号称为CAN_H和CAN_L，静态电压为2.5V左右，此时的状态逻辑为“1”，称之为“隐性”，用CAN_H比CAN_L高表示逻辑“0”，称之为“显性”，此时电压值CAN_H=3.5V，CAN_
