嵌入式系统硬件组成.ppt

1,嵌入式系统第2讲 嵌入式系统硬件组成邹润民 民主楼234#2011年4月,2,课前提问,1.嵌入式系统和一般的计算机系统在硬件组 成结构上有哪些异同之处？2.什么是嵌入式最小系统？一般常见的最小系统由哪些部分组成？3.嵌入式系统常见的扩展部件有哪些？,3,提纲,嵌入式系统组成原理 嵌入式最小系统 嵌入式系统扩展,4,2.1 嵌入式系统组成原理,计算机系统的一般运行原理嵌入式系统与通用计算机硬件组成的异同嵌入式系统硬件结构,5,2.1.1 计算机系统的一般运行原理,6,2.1.1 计算机系统的一般运行原理,控制器的功能是控制处理器，如取指令、译码、执行指令、读写内存等；运算器主要是在处理器的内部完成运算（算术运算、位运算）操作，一般只和寄存器打交道；寄存器为处理器提供内部的临时存储空间，它是处理器和内存的媒介。,7,2.1.1 计算机系统的一般运行原理,CPU对内存的两种基本操作：取指令读写内存,8,2.1.1 计算机系统的一般运行原理,指令和数据的概念，只有处理器才会去做区分。对于内存而言，并不会区分指令还是数据，只是在相应的位置（也就是内存的地址）放入的二进制的代码。,9,2.1.1 计算机系统的一般运行原理,程序计数器在系统复位后，指向的内容是内存的某一个点区域，处理器从该处的内存依次取出指令，然后译码、执行。处理器在执行完一条指令之后，将自动将程序计数器寄存器的内容增加一个单位，然后根据其地址自动执行下一条指令。,指令操作一般包括：读写内存（处理器操作内存）处理寄存器中的数据（处理器不操作内存）跳转到某个位置执行指令（给PC赋值）上述操作的组合,10,2.1.1 计算机系统的一般运行原理,处理器将所有的内存映射到自己的地址空间中。对于实际内存（RAM和ROM等）的映射比较简单，即为根据地址总线和片选信号为一定大小的内存分配一个固定的地址区域，在操作的时候使用区域地址+内存内部地址来操作内存的每一个位置。,11,冯诺依曼体系内存结构模型,12,哈佛体系内存结构模型,13,各种体系结构处理器的差别,处理器每次执行的指令的长度（1、2、4或者8字节）；处理器指令可以完成的功能；处理器执行一条指令所占用的时间单位；指令系统是RISC还是CISC；处理器可访问的地址空间大小；处理器IO端口使用单独的空间，还是使用内存的地址空间（x86处理器一般为前者）；处理器是否具有流水线等。,14,小结,计算机系统由处理器、内存、总线等主要部件组成。处理器对内存的基本操作包括读取指令和读写数据。指令操作的基本操作包括读写内存，处理寄存器中的数据，跳转到某个位置执行指令。处理器所能访问的地址空间包括：只读存储器、随机存储器、IO端口、处理器特殊功能寄存器的地址映射。,15,2.1.2 嵌入式系统与通用计算机硬件组成的异同,嵌入式系统本质上是计算机系统，但是具有以下的特点：集成度高非标准化接口非常复杂,嵌入式系统的非标准化使得嵌入式的硬件工程师有了更大的发挥空间，同时也要求嵌入式工程师需要拥有较高的专业素质。,16,2.1.2 嵌入式系统与通用计算机硬件组成的异同,嵌入式系统本质上是计算机系统，但是具有以下的特点：集成度高非标准化接口非常复杂,有多种接口选择：I2C、SPI、蓝牙、红外、CAN总线等等。嵌入式系统的设计者只有具备了广泛的知识，才能选择出最合适的硬件，设计出性价比最高的系统。,17,2.1.3 嵌入式系统的硬件结构,桌面计算机系统中，CPU具有总线功能，但不包括其他的设备，一些构建系统基本的部件由主板的芯片组提供。一些外部的设备（如串口、定时器、中断控制器）可能做在南桥中，而内存控制器、显示接口（AGP）常由北桥完成。嵌入式系统中处理器的集成度大都很高。一些基本的设备如通用可编程输入输出端口（GPIO）、定时器、中断控制器，通常都集成在处理器当中。一些嵌入式处理器甚至包含内存，只需要在外部扩展简单的电路，就可以组成系统。,注意！在嵌入式系统中，对于处理器没有集成、但是系统需要的部件，也可以通过外部扩展的方式实现。但是本着嵌入式系统设计中性价比最高的原则，应该首先选择最适用（即内部功能模块最满足应用需求）的处理器，而不是确定了一个控制器之后再进行扩展。,18,2.1.3 嵌入式系统的硬件结构,嵌入式系统硬件结构的特点：以嵌入式处理器为核心，集成度高。嵌入式系统的组成结构：处理器（内核+片内外设）+内存+外围硬件+辅助设备。,19,2.1.3 嵌入式系统的硬件结构,带有总线扩展的嵌入式处理器的系统,构建方式比较灵活！,20,2.1.3 嵌入式系统的硬件结构,无总线扩展的嵌入式处理器的系统,适用于集成度要求比较高的应用！,嵌入式系统硬件结构的多样性和复杂性，也决定了嵌入式系统的工程师比通用计算机的工程师要更多地关注硬件的设计。,21,小结,嵌入式系统和一般的计算机系统类似，也是由CPU、内存、IO端口、总线等几个部分组成。在嵌入式系统中，一些基本的设备（如GPIO、定时器、中断控制器）一般都是集成在处理器之中的。嵌入式的处理器带有外部总线的时候，可以在总线上扩展内存（如SRAM、FLASH等），还可以扩展类似内存的部件（可以映射到内存空间），如网络芯片、USB芯片、A/D、D/A等。,22,提纲,嵌入式系统组成原理 嵌入式最小系统 嵌入式系统扩展,23,2.2 嵌入式最小系统,嵌入式最小系统的作用嵌入式最小系统的组成JTAG接口在最小系统中的应用实际的嵌入式最小系统,24,2.2.1 嵌入式最小系统的作用,嵌入式系统的最小系统指基于某处理器为核心，可以运转起来的最简单的硬件设计（即处理器能够运行的最基本系统）。最小系统是构建嵌入式系统的的第一步，保证嵌入式处理器可以运作。然后才可以逐步增加系统的功能，如：外围硬件扩展、软件及程序设计、操作系统移植、增加各种接口等，最终形成符合需求的完整系统。,25,2.2.2 嵌入式最小系统的组成,在嵌入式系统中，最简单的系统包括以下单元：处理器内存时钟电源和复位,对于任何一个计算机系统，处理器都是整个系统的核心，整个系统式靠处理器的指令工作起来的。,26,2.2.2 嵌入式最小系统的组成,在嵌入式系统中，最简单的系统包括以下单元：处理器内存时钟电源和复位,一个嵌入式处理器的运行，其指令必须放入一定的存储空间内，运行的时候也需要空间来存储临时的数据，因此内存也是必不可少的。,27,2.2.2 嵌入式最小系统的组成,在嵌入式系统中，最简单的系统包括以下单元：处理器内存时钟电源和复位,处理器的运行时需要时钟周期的，一般来说处理器在一个或者几个周期内执行一条指令。时钟单元的核心是晶振，它可以提供一定频率，处理器使用该频率的时候可能还需要进行倍频处理。,28,2.2.2 嵌入式最小系统的组成,在嵌入式系统中，最简单的系统包括以下单元：处理器内存时钟电源和复位,电源是为处理器提供能源的部件，在嵌入式系统中一般使用直流电源；复位电路连接处理器的引脚，实现通过外部电平让处理器复位的目的。,如何将指令代码放入到内存中？,29,传统最小系统构建方式,传统最小系统构建方式,如果要更改程序，需将上述整个过程重复一遍。尤其连接存储器和处理器的过程非常复杂，可能需要重做整个系统！,30,2.2.3 JTAG接口在最小系统中的应用,调试与测试接口原不是系统运行必须的，但现代系统设计越来越强调可测性，调试、测试接口的设计也越来越受到重视。目前高级的嵌入式处理器中，内置有JTAG调试接口，即联合测试行动小组（Joint Test Action Group）接口，可以控制芯片的运行并获取内部信息，为下载和调试程序提供了很大的方便。对于具有JTAG接口的处理器，可以将其与主机(PC)连接起来，通过JTAG将主机中的程序载入到嵌入式系统的内存中。,31,2.2.3 JTAG接口在最小系统中的应用,使用JTAG的最小系统构建方式,使用JTAG的时候可以将程序直接载入到目标机的RAM中，然后直接运行。因此ROM/FLASH在最小系统中已不是必须的了。,32,小结,在嵌入式系统的开发中，最小系统起着至关重要的作用。构建一个嵌入式系统，首先要让系统的核心嵌入式处理器运作起来，然后再逐步增加系统的功能，最终形成符合需求的完整系统。嵌入式最小系统的组成，包括处理器、内存、时钟、电源和复位。为了能够支持程序的下载和调试，一般还需要在最小系统中添加对JTAG接口的支持。,33,嵌入式最小系统框图,可选，因为许多面向嵌入式领域的微控制器内部集成了程序和数据存储器,可选，但是在样品阶段通常都会设计这部分电路,34,2.2.4 实际的嵌入式最小系统,我们的实验平台：EasyARM2103开发板,35,1.处理器,LPC2103微控制器基于ARM7TDMI-S CPU内核。支持ARM和Thumb指令集，芯片内集成丰富外设，而且具有非常低的功率消耗。使该系列微控制器特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和POS机等场合。,ARM7TDMI-S,支持EmbededICE观察硬件；,ARM7TDMI 的可综合（synthesizable）版本（软核），对应用工程师来说编程模型与ARM7TDMI 一致；,36,1.处理器,2103 PACK板：与EasyARM2103底板配套应用，含有核心控制芯片LPC2103及其必要外围电路的PACK板。,37,2.内存（片内资源）,1MB,512KB,64KB,32KB,256KB,128KB,64KB,32KB,16KB,8KB,片内SRAM,0KB,4KB,2KB,16KB,8KB,LPC2136LPC2146,LPC2103LPC2131LPC2141,LPC2101,LPC2102,LPC2105,LPC2106,LPC2888,片内Flash,LPC2101,LPC2102,LPC2103LPC2131LPC2141,LPC2210LPC2290,LPC2124LPC2194LPC2129,LPC2212,LPC2136LPC2146,LPC2220LPC2880,LPC2138LPC2148,LPC2106,LPC2888,LPC2294LPC2292LPC2214,LPC2378LPC2368LPC2366,LPC2387,LPC2478LPC2468LPC2458,LPC2470LPC2460,LPC2134 LPC2144 LPC2114LPC2119 LPC2104,LPC2132LPC2142,38,系统存储器地址映射,39,3.电源,40,供电系统(电源),电源系统为整个系统提供能量，是整个系统工作的基础，具有极其重要的地位，但却往往被忽略。如果电源系统处理得好，整个系统的故障往往减少了一大半。,3.电源,41,设计电源时要考虑的因素：1.输出的电压、电流、功率；2.输入的电压、电流；3.安全因素；4.输出纹波；5.电磁兼容和电磁干扰；6.体积限制；7.功耗限制；8.成本限制。,3.电源,42,1.分析需求 LPC2100、LPC2200需要4组电源输入：数字3.3V、数字1.8V、模拟3.3V和模拟1.8V。因此，理想情况下电源系统需要提供4组独立的电源：两组3.3V电源和两组1.8V电源，它们需要单点接地或大面积接地。如果系统的其它部分还有其它电源需求，则还需要更多的末级电源。但如果不使用LPC2000的AD功能，或对AD的要求不高，模拟电源和数字电源可以不分开供电。这里假设不使用LPC2000的AD功能，且其它部分对电源没有特殊要求。这样，末级只需要提供两组电源。,3.电源,43,2.设计末级电源电路 LPC2000系列微控制1.8V消耗电流的极限值为70mA。为了保证可靠性并为以后升级留下余量，则电源系统1.8V能够提供的电流应当大于300mA。整个系统在3.3V上消耗的电流与外部条件有很大的关系，这里假设电流不超过200mA，这样，电源系统3.3V能够提供600mA电流即可。分析得到以下参数：3.3V电源设计最大电流：600mA；1.8V电源设计最大电流：300mA。,3.电源,44,2.设计末级电源电路 在了解功率消耗之后，需要选择合适的器件。因为系统对这两组电压的要求比较高，且其功耗不是很大，所以不适合用开关电源，应当用低压差模拟电源（LDO）。合乎技术参数的LDO芯片很多，Sipex 半导体SPX1117是一个较好的选择，它的性价比较好，且有一些产品可以与它直接替换，减少采购风险。,3.电源,45,SPX1117主要特点：0.8A稳定输出电流；1A稳定峰值电流；3V可调节；低静态电流；0.8A时低压差为1.1V；0.1%线性调整率；0.2%负载调整率；过流及温度保护；多种封装供选择。,3.电源,46,3.设计前级电源电路 尽管SPX1117允许的输入电压可达20V（参考芯片数据手册），但太高的电压使芯片的发热量上升，散热系统不好设计，同时影响芯片的性能。这样，就需要前级电路调整一下。如果系统可能使用多种电源（如交流电和电池），各种电源的电压输出不一样，就更需要前级调整以适应末级的输入。通过之前的分析，前级的输出选择为5V。选择5V作为前级的输出有两个原因：这个电压满足SPX1117的要求；目前很多器件还是需要5V供电的，这个5V可以兼做前级和末级了。,3.电源,47,3.设计前级电源电路 根据系统在5V上消耗的电流和体积、成本等方面的考虑，前级电路可以使用开关电源，也可以使用模拟电源。它们的特别如下：开关电源：效率较高，可以减少发热量，因而在功率较大时可以减小电源模块的体积；模拟电源：电路简单，输出电压纹波较小，并且干扰较开关电源小得多。,3.电源,48,模拟电源,开关电源,3.电源,防反接保护,49,3.电源,50,4.时钟,51,目前所有的微控制器均为时序电路，需要一个时钟信号才能工作，大多数微控制器具有晶体振荡器。简单的方法是利用微控制器内部的晶体振荡器，但有些场合（如减少功耗、需要严格同步等情况）需要使用外部振荡源提供时钟信号。,时钟系统,4.时钟,52,目前所有的微控制器均为时序电路，需要一个时钟信号才能工作，大多数微控制器具有晶体振荡器。简单的方法是利用微控制器内部的晶体振荡器，但有些场合（如减少功耗、需要严格同步等情况）需要使用外部振荡源提供时钟信号。,使用内部振荡器,使用外部时钟源,可以使用稳定的时钟信号源，如有源晶振等。,4.时钟,53,4.时钟,54,5.调试与测试接口（JTAG）,55,5.调试与测试接口（JTAG）,56,调试与测试接口不是系统运行必须的，但现代系统越来越强调可测性，调试、测试接口的设计也要重视了。LPC2000有一个内置JTAG调试接口，通过这个接口可以控制芯片的运行并获取内部信息。,调试测试接口,5.调试与测试接口（JTAG）,57,调试接口电路一,在该电路中，复位电路与前面介绍电路有所不同。它在复位信号和CPU之间插入了三态门74HC125。使用三态门主要是为了复位芯片和JTAG（ETM）仿真器都可以复位芯片。如果没有74HC125，当复位芯片输出高电平时，JTAG（ETM）仿真器就不可能把它拉低，这不但不能实现需要的功能，还可能损坏复位芯片或JTAG（ETM）仿真器。,5.调试与测试接口（JTAG）,58,因为这种电路JTAG（ETM）仿真器对LPC2000有完全的控制，其仿真性能最好。不过，由于74HC125工作的电压范围低于复位芯片的工作电压范围，所以此电路一般用于样机。正式产品中可以不需要这部分电路。,5.调试与测试接口（JTAG）,59,调试接口电路二,注：实际应用中，通常使用这种接口电路。,5.调试与测试接口（JTAG）,60,5.调试与测试接口（JTAG）,61,提纲,嵌入式系统组成原理 嵌入式最小系统 嵌入式系统扩展,62,2.3 嵌入式系统扩展,内存类芯片（SRAM、SDRAM、NOR FLASH、NAND FLASH）通信类芯片（网络、USB、UART接口、CAN总线、I2C接口）其他类芯片（A/D、D/A、传感器、LCD）,63,2.3.1 内存类芯片,64,1.SRAM接口电路,SRAM为静态RAM存储器，具有极高的读写速度，在嵌入式系统中常用来作变量/数据缓冲，或者将程序复制到SRAM上运行，以提高系统的性能。,注意：SRAM属于易失性存储器，电源掉电后SRAM中的数据将会丢失。,65,容量：512K字节；,数据宽度：16位；,工作电压：3.3V；,SRAM接口电路 IS61LV25616,IS61LV25616,1.SRAM接口电路,66,67,2.SDRAM接口电路,DRAM概述,动态随机存储器（DRAM）的内存单元是由晶体管和电容搭配组成的，需要定时刷新电容上的电荷。SDRAM同步动态随机存储器（SDRAM）是DRAM中的一种，利用突发模式工作。SDRAM价格便宜，外围接口电路复杂。LPC2400/2800支持SDRAM存储器。,68,FLASH接口,FLASH存储器又称闪存，是一种可在线多次擦除的非易失性存储器，即，掉电后数据不会丢失。FLASH存储器还具有体积小、功耗低、抗振性强等优点，是嵌入式系统的首选存储设备。FLASH存储器主要分为两种：,NOR型FLASH,NAND型FLASH,69,NOR型和NAND型FLASH特点,70,NOR Flash接口电路 SST39VF160,存储容量：2M字节,数据宽度：16位数据,工作电压：2.73.6V,3.NOR FLASH接口,71,3.NOR FLASH接口,72,NAND Flash接口电路 K9F2808U0C,存储容量：16M8Bit 工作电压：2.73.6V 页编程操作时间：200s 块擦除操作时间：2ms 页面的数据以每个字50ns的速度被读出；片内写控制自动实现所有编程和擦除功能 刷新脉冲 内部校验 数据冗余,4.NAND FLASH接口,73,命令输入：0 x83000001（CLE=1，ALE=0）地址输入：0 x83000002（CLE=0，ALE=1）数据操作：0 x83000000（CLE=0，ALE=0）,74,2.3.2 通信类芯片,1.网络芯片应用条件有嵌入式的网络协议栈；有网络接口芯片。可以使用总线方式扩展通用的TCP/IP协议族,75,1.网络接口设计,CS8900 以太网接口电路,CS8900A是一款符合IEEE802.3标准的低功耗10M以太网控制器。它具有硬件连接简单、低电压工作、低功耗，还具有工业级芯片的特点。该器件具有4KB片上SRAM，用于缓存收发的数据包和芯片功能控制。具有标准的ISA总线接口，可以方便的修改为其它控制器的总线接口方式，,76,1.网络接口设计,77,设备USB芯片主机USB芯片,2.USB接口设计,78,USB Host接口电路 ISP1160,ISP1160为一嵌入式USB主控器，遵循USB规范2.0，支持全速（12Mbit/s）及低速（1.5Mbit/s）两种数据传输模式。ISP1160提供两个下行端口。每一个下行端口都有一个过流检测输入引脚及电源开关控制输出引脚。,2.USB接口设计,79,LPC2200与ISP1160的硬件连接,主机命令地址：0 x82000002；主机数据地址：0 x82000000；低功耗控制命令地址：0 x82000006；低功耗控制数据地址：0 x82000004；,2.USB接口设计,80,ISP1160下行端口,电源控制,ISP1160的/H_PSW1和/H_PSW2分别可以用于控制下行端口的供电。,ISP1160 的/H_OC1和/H_OC2为内部过流检测引脚。,过电流保护,PRTR5V0U2X为NXP公司的设计的USB专业ESD器件。,ESD保护,2.USB接口设计,81,UART是通用异步收发器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)的简称连接两个计算机系统的简单而且低成本的串行接口具有工业标准的异步数据通讯接口比高速的串行通讯更加稳定可靠所需的通讯线路比并行传输少可进行长距离传输（RS23250英尺，RS485为4千英尺）,3.UART接口设计,82,各种系统间互相通讯的手段UART发送端从发送处理器处获取数据并逐位把每个字节发送出去UART接收端每次接收一个位，然后把接收到的位拼接成数据发送给接收处理器在UART的发送和接收过程中能够检测到通讯的错误大幅的减轻了处理器在管理通讯信道方面的任务负担,3.UART是如何运作的？,83,上图所示的内容为：SPI或者I2C主机对远程的UART器件发送数据/接收数据可编程GPIO可用于控制多个外设，例如LED、风扇控制等内建的IrDA SIR可实现点对点的无线通讯，通讯速率可达1.152Mbps,3.UART芯片,84,内部寄存器集向后兼容16C450标准,工业级温度范围,2个全双工UART,波特率可达5Mbit/s,自动RS-485协议支持,64字节FIFO,软件复位,3.UART芯片,85,3 UART接口电路,I2C接口连接,86,3 UART接口电路,SPI接口连接,87,3 UART接口电路,RS-485概述,RS-485是一个电气接口规范，它只规定了平衡驱动器和接收器的电气特性。,电气特性：“1”：200mv VAB6V“0”：6VVAB200mv,88,通用接口电路设计（一）,3 UART接口电路,89,通用接口电路设计（二）,RSM485模块中包含：DC-DC、隔离电路以及RS-485收发器。,3 UART接口电路,90,通用接口电路设计（二）,RSM485模块中包含：DC-DC、隔离电路以及RS-485收发器。,3 UART接口电路,91,3 UART接口电路,92,课程小结,1.嵌入式系统和一般的计算机系统在硬件组 成结构上有哪些异同之处？2.什么是嵌入式最小系统？一般常见的最小系统由哪些部分组成？3.嵌入式系统常见的扩展部件有哪些？,嵌入式系统和一般的计算机系统类似，也是由CPU、内存、IO端口、总线等几个部分组成。嵌入式系统硬件的特点主要是集成度高，非标准化，接口非常复杂。,93,课程小结,1.嵌入式系统和一般的计算机系统在硬件组 成结构上有哪些异同之处？2.什么是嵌入式最小系统？一般常见的最小系统由哪些部分组成？3.嵌入式系统常见的扩展部件有哪些？,嵌入式系统的最小系统指基于某处理器为核心，可以运转起来的最简单的硬件设计（即处理器能够运行的最基本系统）。嵌入式最小系统的组成，包括处理器、内存、时钟、电源和复位。为了能够支持程序的下载和调试，一般还需要在最小系统中添加对JTAG接口的支持。,94,课程小结,1.嵌入式系统和一般的计算机系统在硬件组 成结构上有哪些异同之处？2.什么是嵌入式最小系统？一般常见的最小系统由哪些部分组成？3.嵌入式系统常见的扩展部件有哪些？,嵌入式的处理器一般集成了很多的外围器件，但也不可能把所有的功能都集成到芯片内部，因此实际的嵌入式系统需要在最小系统的基础上进行系统扩展。常用的扩展芯片有以下几类：存储类芯片、通信类芯片以及其他功能芯片。,