基于ARM嵌入式系统的硬件电路设计

1、目目 录录 1 绪论.1 1.1 设计目的与意义.1 1.2 目标和总体方案.2 2 嵌入式 arm 发展简介.2 2.1 嵌入式系统硬件的发展.2 2.2 arm 内核分类.3 2.2.1 arm7.4 2.2.2 arm9.4 2.2.3 arm10.4 2.2.4 strongarm.4 2.2.5 xscale.5 2.3 armtdmi 简介.5 3 硬件的设计.6 3.1 arm 模块核心电路设计.6 3.1.1 flash 芯片介绍及硬件连接.6 3.1.2 sdram 芯片介绍及硬件连接 .6 3.1.3 处理器启动方式选择.7 3.1.4 复位及时钟电路.8 3.2 嵌入式系

2、统外围电路设计.8 3.2.1 按键电路设计.8 3.2.3 sd 卡接口电路设计.9 3.2.4 lcd 与触摸屏设计.9 3.2.5 usb 接口设计.11 3.2.6 串行接口设计.11 3.2.7 电源设计.13 4 基于 arm 的硬件电路应用仿真.14 4.1 proteus 介绍.14 4.2 keil 介绍.15 4.3 lcd 液晶显示模块仿真.15 4.4 串口仿真.16 4.5 设计小结.18 总结.19 致谢.20 参考文献.21 基于基于 arm 嵌入式系统的硬件电路设计嵌入式系统的硬件电路设计 摘要摘要：采用 arm 微处理器设计了嵌入式系统硬件开发平台，给出了硬件

3、结构 设计思路，着重分析了硬件的组成和功能，flash 芯片，sdram 芯片，复位 及时钟电路，按键电路，sd 卡接口电路设计，uart 接口，含触摸屏的 lcd 接口电路的设计方法，并总结了嵌入式系统测试和调试的基本方法。在设计当 中仿真了以 arm 为核心的温室环境参数温度、湿度测量系统。还使用 proteus 对做出的硬件进行了仿真，使用了 keil 把编写好的 c 程序转化成 hex 文件， 将 hex 文件放入 proteus 中，系统能正常运行。 关键词关键词：嵌入式系统；arm；硬件设计 1 绪论 1.1 设计目的与意义 目的：本次设计主要目的是设计出一个嵌入式硬件系统，让我学

4、习到了许 多电路的设计中应该注意的许多事项，了解到在一个嵌入式系统中各个电路的 作用，还有在电路中各器件的应用。仿真一个以 arm 为核心，测试 lcd 液晶 显示能否正常工作。 意义：由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置，系统资源相对有限， 所以内核较之传统的操作系统要小得多。比如enea公司的ose分布式系统，内 核只有skb，而windows的内核则要大得多。嵌入式系统的个性化很强，其中 的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植。即使在 同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改1。 同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编

5、译下载要和系 统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全不同的概念。嵌入式系统一般 没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现上过于复杂， 这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。这是嵌入式软件的 基本要求，而且软件要求固态存储，以提高速度。软件代码要求高质量和高可 靠性、实时性。由于其本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后，用户通 常也是不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行 开发。这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分 析仪、混合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序 的开发，目标机作为最后的

6、执行机，开发时需要交替结合进行。嵌入式系统的 应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行。为了合理地调度多任务、利用 系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配rtos( real- time即erating system)开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并 减少开发时间，保障软件质量2。 1.2 目标和总体方案 1.了解嵌入式系统硬件总体结构。 2.学习基于 arm 内核处理器的硬件体系结构和功能原理。 3.通过对 qt2440 和广嵌 2410 开发板的研究，掌握嵌入式硬件开发的基本 知识。 4.在 arm 处理器基础上添加串口、usb、sd 卡等一些常用的嵌入

7、式外围 电路，画出电路图。 2 嵌入式 arm 发展简介 2.1 嵌入式系统硬件的发展 随着计算机技术、微电子技术和网络技术的迅速发展，嵌入式系统在工农 业等诸多领域得到了广泛的应用。传统的 8 位单片机已经暴露了本身资源有限 的缺点，越来越不能适应日渐复杂的应用需求，而随着 32 位处理器价格的不断 下降，采用更高性能的 32 位处理器作为嵌入式系统的核心成为更加合理的选择。 arm 处理器是目前公认的业界领先的 32 位嵌入式 risc 微处理器，已成为许 多行业嵌入式解决方案的 risc 标准3。 作为全球性 risc 标准的缔造者，arm 在嵌入式处理器领域中的霸主地位 早已为大家所公

8、认，目前行业中 90%以上的嵌入式产品中都采用的是 arm 系 列的处理器。由于 arm 公司本身是向芯片制造商提供知识产权，优异的体系 结构和开放的平台，这就使得 arm 处理器的应用更加广泛，包括三星、 atmel、st、ti 等行业内各大著名厂商和领军企业，都同时投入了大量的人力 研究 arm 内核的处理器，这也为 arm 提供了更加广阔的应用平台，基于 arm 平台的嵌入式系统设计在工业控制、无线通讯、网络应用、消费类电子产 品、成像和安全产品等领域内均有广泛地应用4。 arm（advanced risc machines），既可认为是一个公司的名字，也可 认为是对一类微处理器的统称。

9、 arm 是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗 能低的 risc 处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、成本低和能耗省 的特点。适用于多种领域，比如嵌入控制、消费 /教育类多媒体、 dsp 和移 动式应用等。 1991 年 arm 公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目 前，采用 arm 技术知识产权（ ip）核的微处理器，即我们通常所说的 arm 微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、 无线系统等各类产品市场，基于 arm 技术的微处理器应用约占据 32 位 risc 微处理器 75以上的市场份额， arm 技术正在逐步渗入到我们生活

10、 的各个方面。 arm 公司是专门从事基于 risc 技术芯片设计开发的公司，作为知识 产权供应商，本身不直接从事芯片生产，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，全世界有几十家大的半导体公司 都使用 arm 公司的授权，因此既使得 arm 技术获得更多的第三方工具、 制造、软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费 者所接受，更具有竞争力。 arm 处理器的三大特点是：耗电少功能强、 16 位/32 位双

11、指令集和众 多合作伙伴 5。 目前嵌入式系统带来的工业年产值已超过了 1 万亿美元，1997 年来自美国 嵌入式系统大会(embedded system conference)的报告指出，未来 5 年仅基于嵌 入式计算机系统的全数字电视产品，就将在美国产生一个每年 1500 亿美元的新 市场。美国汽车大王福特公司的高级经理也曾宣称，“福特出售的计算能力已 超过了 ibm”，由此可以想见嵌入式计算机工业的规模和广度。1998 年 11 月在 美国加州举行的嵌入式系统大会上，基于 rtos 的 embedded internet 成为一个 技术新热点。在国内，“维纳斯计划”和“女娲计划”一度闹得沸

12、沸扬扬，机顶盒、 信息家电这两年更成了 it 热点，而实际上这些都是嵌入式系统在特定环境下的 一个特定应用。据调查，目前国际上已有两百多种嵌入式操作系统，而各种各 样的开发工具、应用于嵌入式开发的仪器设备更是不可胜数。在国内，虽然嵌 入式应用、开发很广，但该领域却几乎还是空白，只有三两家公司和极少数人 员在从事这方面工作。由此可见，嵌入式系统技术发展的空间真是无比广大。 2.2 arm 内核分类 arm是一种先进的技术，在应用中己经有一定的历史，现在常见的有: arm7, arm9, arm10, strongarm, xgal等。他们在应用中有不同的特点， 功能也不尽相同，以下将对这些产品进

13、行一个简单的介绍6。 2.2.1 arm7 arm7采用armv4t(newman)结构，分为三级流水，空间统一和指令与数 据ca he，平均功耗为0.6mw/mhz，时钟速度是66mhz，每条指令平均执行1.9 个时钟周期。其中的arm710, arm720和arm740为内带cache的arm核。 arm7tdml (thumb)，这是公司授权用户最多的一项产品，arm7指令集同 thumb扩展组合在一起，以减少内存容量和系统成本。同时，它还利用嵌入式 ice调试技术来简化系统设计，并用一个dsp增强扩展来改进性能。arm7小型、 快速、低能耗、集成式risc内核，用于移动通信。该产品的典

14、型用途是数字蜂 窝电话和硬盘驱动器7-8。 2.2.2 arm9 arm9采用armv4t(harvard)结构，五级流水处理以及分离的cache结构， 平均功耗为0.7mw/mhz，时钟速度是120200mhz，每条指令平均执行1.5个时 钟周期。与arm7系列相似，其中的arm920,arm740和arm9e均为含cache的 arm核。性能为132mips (120mhz时钟，3.3v供电)或220mips(200mhz时钟)。 arm9同时配备thumb扩展、调试和harvard总线，在生产工艺相同的情况下， 性能是arm7tdmi的两倍多，常用于联网和机顶盒9-11。 2.2.3 a

15、rm10 arm10采用armv5t结构，六级流水处理，指令与数据分离的cache结构， 平均功耗为1000mw时钟速度是300mhz，每条指令平均执行1.2个时钟周期。 其中的arm 1020为带cache的版本。 arm1otdmi与所有arm核在二进制代码兼容，内带告诉32x16mac预留 dsp协处理器接口。其中的vfp10(矢量浮点单元)为七级流水结构12-13。 arm1020t:armiotdmi+32ki lcdinit(); display_one_word(0, 0, 0, 0); display_one_word(0, 16, 0, 32); display_one_wo

16、rd(0, 32, 0, 64); display_one_word(0, 48, 0, 96); display_one_word(0, 0, 1, 128); display_one_word(0, 16, 1, 160); /display_one_word(0, 32, 1, 192); /display_one_word(0, 48, 1, 224); /一行 display_one_char(2, 0, 0, xiang); display_one_char(2, 16, 0, dui); display_one_char(2, 32, 0, shi); display_one_c

17、har(2, 48, 0, du); display_one_char(2, 0, 1, maohao); display_one_char(2, 16, 1, num_7); display_one_char(2, 32, 1, num_8); 4.4 串口仿真 仿真如图 4-2 所示为串口测试，在测试中以按键为输入，串口输出在液晶 屏幕上显示输出的数据。从而达到显示串口和按键的一些功能。所以在调试了 各个器件的参数我的设计算示成功的演示了，串口和按键的应用。 图 4-2 串口按键测试 串口仿真代码如下： #include #include int main (void) pinsel0 =

18、 0 x00050000; u1lcr = 0 x83; u1dll = 97; u1lcr = 0 x03; printf (hello worldn); #include #define cr 0 x0d int sendchar (int ch) if (ch = n) while (!(u1lsr u1thr = cr; while (!(u1lsr return (u1thr = ch); int getkey (void) while (!(u1lsr return (u1rbr); 4.5 设计小结 在设计当中我使用了 proteus 和 keil，在 lcd 液晶显示模块中，我

19、使用的 液晶屏幕是 128*64 点阵式显像，由 p0.0-p0.7 为输入管脚传输数据。使液晶屏 显像。测试了 arm 在 lcd 中的使用。然后在串口仿真当中，因为 arm 是 51 单片机的进化版，在使用 arm 时仿真软件部支持，所以我引用了 51 单片机中 的一个核心处理器来进行仿真，在仿真中我还加入了按键，由按键控制输出数 据，串口接收数据后在向液晶显示发送接收到的数据，使数据显示在液晶屏幕 上，从这个仿真上能看出使用 arm 处理器也能很好的得出串口的应用，以及 按键的使用方法。 总结 在此次的毕业设计中，我遇到了许多的难题，但是在同学和老师的帮助下 我克服了大部分的问题，在设计

20、当中刚开始时我选择 arm 嵌入式硬件设计， 此前我对这方面的了解是非常有限的，不过在指导老师的帮助下，我去图书馆 借关于 arm 硬件的书，老师自己也给了许多的资料，当我在设计上有问题时 我也向同学请求了帮助，同学解决不了我就去找老师解决，就这样我一波三折 的克服各种不懂的问题，在做核心模块的电路时复位及时钟电路十分的复杂， 有许多地方的器件不知道应该怎么放置不过在老师的帮助下我还是完成了，在 做嵌入式外围电路时 sd 卡接口的电路是我以前没有接触过的东西，所以我在 做它时无从下手，我只有请求老师的帮助，在老师耐心细致的讲解下，我对 sd 卡接口有了很多的了解，然后我完成了 sd 接口电路的

21、设计。其他的电路也有 或多或少的问题，不过在大家的帮助下我走到了最后，完成了我的毕业设计。 致谢 我们的毕业设计完成了，在做毕业设计的时候我本来对硬件方面的知识是 非常匮乏的，但是在做完设计后我对硬件电路有了一定的了解，我得到了许许 多多人的帮助，没有你们的帮助我想我不可能在规定的时间中完成我的设计， 所以我要在这感谢你们的帮助，尤其是我的指导老师，他每次都是没有怨言的 帮助我解决问题，帮助我查找资料，在我遇到很难的问题时他也没有推脱努力 的帮助我，所以我也才有信心完成我的设计，最后我要感谢所有对我有帮助的 同学、老师的帮助在这里说声谢谢。 由于本人水平有限，在设计说明书中难免有不足之处，恳请

22、各位老师、同 学批评指正。 参考文献 1杜春雷.arm 体系结构与编程m.北京:清华大学出版社.2003. 2周毓林,宁杨,陆贵强,等.windows ce.net 内核定制及应用开发m.西安:电子工业出版社, 2005. 3于明,范书瑞,曾祥烨,等.arm9 嵌入式系统设计与开发教程m.西安:电子工业出版社, 2006:110-114. 4龚兆岗.基于 arm 处理器的 led 可变情报板嵌入式控制器j.现代显示.2006. 5张叔猛.嵌入式系统和 fpga 在 led 显示屏中的应用研究与实现j.武汉理工大学.2005 6周立功等.arm 微控制器基础与实践m.北京航空航天大学出版社,20

23、03. 7孙天泽,袁文菊.嵌入式设计及 linux 驱动开发指南m.西安:电子工业出版社,2007:14-26. 8李善平等.linux 与嵌入式系统m.北京:清华大学出版社.2003. 9陈莉君.linux 操作系统内核分析m.北京:人民邮电出版社.2001. 10陈为伟,王治森,董伯麟,等.基于 s3c2410a 的 wince.net 的 bootloa-der 的设计与实现j. 工业仪表与自动化装置,2007. 11田泽.arm9 嵌入式开发实验与实践m.北京:北京航空航天大学出版社, 2006. 12周毓林,宁杨,陆贵强,等.windows ce.net 内核定制及应用开发m.西安:电子工业出版社, 2005. 13邹思铁.嵌入式 linux 设计与应用m.北京:清华大学出版社.2002. 14诸强,王学民等.基于嵌入式系统的心电无线远程传输系统.天津大学学报,2005. 15周立功.armwince 实验与实践基于 s3c2410am.北京:北京航空航天大学出版社, 2007. 16周立功等.arm 微控制器基础与实践m.北京航空航天大学出版社,2003. 17马忠梅,李善平,康慨等.arm & linux 嵌