基于ARM嵌入式系统的硬件电路设计.docx

1绪论 21.1设计目的与意义 21.2目标和总体方案 32嵌入式ARM发展简介 32」嵌入式系统硬件的发展 32.2 ARM内核分类 52.2.1 ARM7 52.2.2 ARM9 52.2.3 ARM 10 52.2.4 StrongARM 62.2.5 Xscale 62.3ARMTDMI 简介 63硬件的设计 73」ARM模块核心电路设计 73.1.1 Flash芯片介绍及硕件连接 73.1.2 SDRAM芯片介绍及硬件连接 83.1.3处理器启动方式选择 93.1.4复位及时钟电路 93.2嵌入式系统外围电路设计 103.2.1按键电路设计 103.2.3 SD卡接口电路设计 113.2.4 LCD与触摸屏设计 113.2.5 USB 接 口设计 123.2.6串行接口设计 133.2.7电源设计 154基于ARM的硬件电路应用仿真 164.1 Proteus介绍 164.2 Keil 介绍 174.3 LCD液晶显示模块仿真 174.4串口仿真 194.5设计小结 20总结 21致谢 22参考文献 23基于ARM嵌入式系统的硬件电路设计摘要：采用ARM微处理器设计了嵌入式系统硬件开发平台，给出了硬件结构设 计思路，着重分析了硕件的组成和功能，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对做岀 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：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硕件系统，让我学习到了许多 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⑴同吋 针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编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 口软件要求固态存储，以提高速度软件代码要求高质量和高可靠性、实吋性 由于其木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硕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⑵ 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内核处理器的破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位单片机己经暴露了木身资源有限的缺 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⑶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、Atmek 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⑷ARM (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技术止在逐步渗入到我们生活的各 个方而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位双指令集和众 多合作伙伴⑸。

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，己超 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，“维纳斯计划讶『女蝎计划―度闹得沸沸扬扬，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, ARM 10, STRONG ARM, XGAL等。

他们在应用中有不同的特点，功能也 不尽相同，以下将对这些产甜进行一个简单的介绍⑹2.2.1 ARM7ARM7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 ARM7TDM1 (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型用途是数字蜂贯 和硬盘驱动器〔7叫2.2.2 ARM9ARM9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,吋钟速度是120A200MHz,每条指令平均执行1.5个吋钟 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⑴⑴2.2.3 ARM10ARM 10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,毎条指令平均执行1.2个时钟周期其 中的ARM 1020为带Cache的版本ARM10TDMI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2叫ARM 1020T:ARMIOTDMI+32KI&DC aches+MMU结构，300MHz时钟，功耗 为1W (2.0V供电)或IOOmW (1.5V供电)指令Cache和数据Cache分别为32K,宽 度为64 bitso适用于下一代高性能手持式因特网设备及数字式消费类应用摧于 ARM的设施农业侧控系统互联网通信技术的研究2.2.4 StrongARMStrongARM是融合了InteStrongARM处理器采用ARMV4T公司的设计和处 理技术的ARM体系结构的五级流水结构目前只有SA110, SA1100, SA1110三 个版本［⑷。

2.2.5 XscaleIntelXscale微体系结构是一种全性能、高性价比、低功耗且基于ARMV5TE 体系结构，它支持16位Thumb指令和DSP扩充目前用得较多的是 Xsealepxa250flIX scale 802001803120 02.3 ARMTDMI简介ARMTDM1是ARM7处理器系列成员之一，是目前应用最广的32位高性能嵌 入式RISC处理器问ARM7TDMI命名定义如下：(1) ARM CPU核系列2) T 16位压缩指令集Thumbo(3) D 在片调试(debug)支持，允许处理器响应调试请求暂停4) M 增强型乘法器(multiplier),与以前处理器相比性能更高，产牛全64位结果5) I 嵌入式ICE硕件提供片上断点和调试支持1) 指令流水线：ARMTDMI使用流水线以提高处理器指令的流动速度流水线允许几个操作 同时进行，以及处理和存储系统连续操作。