袁斌毕业设计正文.doc
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1、东华理工大学毕业设计(论文) 毕 业 设 计(论 文)题目:基于ARM9-S3C2410实验开发板的硬件设计Title:Hardware Design of ARM9-S3C2410 Experiment Board 学生姓名: 袁斌学 号: 07022110指导教师: 徐哈宁专 业: 测控技术与仪器二零一一年六月摘 要三星S3C2410微处理器是一个采用ARM920T内核,高性能、低功耗、低成本的16/32位RISC处理器。基于S3C2410的最小系统核心板是一个独立模块,根据需求它可以直接与用户板模块结合进行速度、快捷、费用合理的开发利用。本论文设计并实现了一种基于S3C2410处理器的实
2、验开发板,通过这个平台可以进行中断服务、时钟控制、通信接口、AD采样、IO口等无操作系统的基础实验并可进行Linux等嵌入式系统的移植实验。同时通过该平台也进行相关的功能扩展,以及进行所需的产品设计。硬件部分的设计是应用Protel 99 SE软件完成的,综合了许多原理图设计思想,进行取优弃弊,结合实际应用的考虑,以功能模块思想作引导,认真核对每一个引脚及其网络连接,采用两层板,通过原理图的绘制,原理图的修改,PCB的布局布线再经过印刷、安装器件形成开发板。该开发板在保证学生完成ARM技术学习开发的同时,考虑了系统的扩展、电路板的面积、散热、电磁兼容性,以及安装等问题。因此,该板也可以作为嵌入
3、式系统主板,直接应用在实际系统中。关键词: ARM9; 最小系统; 开发板; S3C2410ABSTRACTS3C2410 of SAMSUNGs 16/32-bit RISC microprocessor is a product designed with cost-effective, low-power, and high-performance. The S3C2410 was developed using an ARM920T core. The core board with minimum based on the S3C2410 is a independent modul
4、es. combined directly with user board it could be given a utilization as clients need speed, fast and reasonable-cost. This paper designs and completes an experiments development board based on S3C2410 processor. Through this platform we can make the basis experiments without the operating system as
5、 interrupt-service, clock control, communication interface, AD sampling, IO interface experiment and so on, and we can also carry out the Linux Embedded System transplantation experiments . At the same time, it also make the expansion of related functions and carries out the necessary product design
6、 through the platform. Integrating many ideas, considering the practical application, and bringing essence together finally the development board was completed after the schematic is drew and modified, the PCB board is arranged and routed, then components fixed on the two-lamellar board. with the so
7、ftware Protel99 SE.On the one side this development boards ensures students to complete the study of the ARM technology exploitation, on the other side it considers the expansion of the system、 the size of circuit boards、dispelling thermal、electromagnetic compatibility and installation issues etc. T
8、herefore, this board can be used as embedded system mainboard in application of the actual system directly.Key words:ARM9; minimum system; development board; S3C2410目 录绪 论11.1 课题的背景、意义11.2 国内外相关领域研究进展21.3 课题内容22 ARM微处理器的概述42.1 嵌入式系统简介42.1.1 嵌入式系统的定义42.1.2 嵌入式系统的组成42.1.3 嵌入式系统的特点52.1.4 嵌入式系统的发展62.2 嵌
9、入式操作系统62.3 ARM处理器72.3.1 ARM的体系结构72.3.2 ARM微处理器的应用领域82.4 ARM92OT体系结构82.4.1 ARM92OT系统结构分析82.4.2 ARM920T的工作状态92.4.3 ARM920T体系结构的存储器格式92.4.4 ARM920T处理器模式103 基于ARM9-S3C2410开发板的硬件设计113.1 PROTEL 99 SE简介113.2 系统设计概述113.3 S3C2410处理器及片外围简介123.4 单元电路设计143.4.1 电源电路143.4.2 串行接口电路设计143.4.3 IIC总线接口电路设计153.4.4 复位按键
10、电路163.4.5 调试接口电路的设计173.5 开发板硬件原理图184. 开发板硬件的PCB板设计204.1 PCB的基本概念204.1.1 高速电路定义及高速信号确定204.1.2 传输线214.2 高速PCB信号线的布线224.2.1 高速PCB信号线的布线基本原则224.3.2 地线设计234.3 布线后信号完整性的PCB板234.4 提高该板抗电磁干扰能力的措施27结论与展望28致 谢29参考文献30附录131附录237附录342东华理工大学毕业设计(论文) 绪论绪 论1.1 课题的背景、意义嵌入式系统是指以应用为核心,以计算机技术为基础,软硬件可裁剪,适应应用系统对功能、可靠性、成
11、本、体积和功耗等方面的严格要求的专用计算机系统。目前,嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备,如掌上PDA、移动计算设备、电视机顶盒、手机上网、数字电视、多媒体、汽车、微波炉、数字相机、家庭自动化系统、电梯、空调、安全系统、自动售货机、蜂窝式电话、消费电子设备、工业自动化仪表与医疗仪器等。由于各种新型微处理器的出现和应用的不断深化,嵌入式系统在后PC时代得到了空前的发展。随着时间的推移和技术的进步,在工业控制和新兴的手持式应用等领域,越来越多的产品需要较好的图形界面和较强的数据处理能力,以及网络、通信、音频、图像等功能,这对嵌入式处理器和嵌入式软件提出了更高的要求。在处理器方面,目前大量的中
12、、低端嵌入式应用主要使用8/16位单片机。在国内,主要是以MCS51核为主的许多不同型号的单片机。在嵌入式高端应用领域,像网络设备、图像处理、手机、PDA等主要使用ARM、MIPS、PowerPC、DSP等16一64位处理器,以32位处理器为主。各种类型的处理器都有其一定的针对性。其中,ARM处理器的性能高、功耗低,适合于用电池供电的便携、手持式设备。由于近几年便携、手持式嵌入式应用的高速发展,ARM处理器的增长速度和市场占有率也快速提升,成为目前32位应用中的主力产品。ARM公司自成立以来,在32位RISC(Reduced Instruction Set Computer)CPU开发领域不断
13、取得突破,其结构已经从V3发展到V6。由于ARM公司自成立以来,一直以 IP (Intelligence Property) 提供者的身份向各大半导体制造商出售知识产权,而自己从不介入芯片的生产销售,加上其设计的芯核具有高性能、低功耗、低成本、小体积等显著优点,在移动计算和普适计算领域具有无可比拟的优势,因此得到众多的半导体厂家和整机厂商的大力支持,在32位嵌入式应用领域获得了巨大的成功,目前已经占有了32位RISC嵌入式产品市场750/0以上的份额,确立了市场领导地位。现在设计、生产ARM芯片的半导体生产商己经超过50家,国内多家大公司也已经购买ARM公司的芯核用于通信专用芯片的设计。采用R
14、工SC架构的ARM微处理器一般具有以下特点:(1)体积小、低功耗、低成本、高性能;(2)支持Thumb(16位)/ARM(32位)双指令集;(3)大量使用寄存器、指令执行速度更快;(4)大多数数据操作都在寄存器中完成;(5)寻址方式灵活简单,执行效率高;(6)指令长度固定。1.2 国内外相关领域研究进展测控专业本科生学生培养的一个主要目标是训练计算机软硬件基础及应用能力,即具有自主设计与开发计算机控制系统和数字化核心器件的能力。为此,为本科生开设了“单片机原理及课程设计”、“微机系统与接口”等课程。但随着嵌入式系统的快速发展,以传统的单片机为基础的数字系统开发课程,逐渐过渡到内容更为广泛的嵌入
15、式系统教学己成大趋势。嵌入式系统教学的核心问题是一个嵌入式的实验平台,包括从硬件、中间件、软件、教学范例以及实验指导等诸多问题。但是纵观现在嵌入式教学平台市场,几乎没有哪一家公司会给出全面的技术文档以及设计细节,更不用说这对本专业而进行的特有设计。同时这些教学平台大多以实验箱的形式出现,其硬件系统集成了嵌入式系统开发应用所需的大部分设备,使得的它的教学平台的功能很强大。但这样做也有很大的弊端:一方面,集成大量的外扩设备无疑使整个教学平台的成本增加;另一方面,学生只能在这个平台上完成特定的实验而不能基于这个平台动手搭建自己的硬件电路,不利于学生动手能力的培养。基于以上的原因这个嵌入式实验平台有必
16、要自行开发。对测控专业的学生来说,中断服务、时钟控制、串口通信、AD采样、简单的I/0口等实验是基本的,实验开发板要有能力支持这类相关的实验,同时考虑到学生的动手能力的培养以及可以进行后续开发等问题,实验开发板不采用实验箱的形式,在尽可能小的电路板面积上集成通用设备接口的同时引出地址总线、数据总线、中断控制、AD转换等CPU的大部分信号引脚。另外,考虑到学生的好动易损坏器件的特点,在设计实验开发板时,除了要求其具有技术先进性的同时,也考虑了实验开发板的通用性、经济性和可靠性。1.3 课题内容嵌入式系统的硬件是以嵌入式微处理器为核心的实验开发板,主要由嵌入式微处理器、总线、存储器、输入/输出接口
17、和设备组成。本课题正是要设计出基于当前较好的嵌入式微处理器S3C2410的实验开发板,以便为自行设计的嵌入式仪器提供开发板,从而组成完整的嵌入式系统,开发出自己的嵌入式仪器。本课题的主要内容如下:(1)ARM9-S3C2410微处理器概述及运用;(2)辅助设计软件Protel99SE的使用,ARM9-S3C2410开发板的硬件设计;(3)实验开发板的各个功能模块的设计与介绍;(4)实验开发板PCB的设计以及相关措施47东华理工大学毕业设计(论文) ARM微处理器的概述2 ARM微处理器的概述本章简要介绍了嵌入式系统的基本知识和ARM微处理器的一些基本概念、应用领域及特点。主要内容包括:(1)嵌
18、入式系统的基本概念和发展; (2)嵌入式操作系统的基本概念;(3)ARM微处理器的应用领域及特点;(4)ARM微处理器的体系结构。2.1 嵌入式系统简介 嵌入式系统已经广泛应用于各个科技领域和日常生活的每个角落,由于其本身的特性,使得我们很难发现它的存在。甚至一些从事嵌入式系统开发的科技人员也只知单片机,不知道嵌入式系统。本节将从嵌入式系统的定义开始,阐述嵌入式系统的含义、特点等。2.1.1 嵌入式系统的定义嵌入式系统 (Embedded System)从广义上讲,凡是不用于通用目的的可编程计算机设备,就可以算是嵌入式计算机系统。最典型的嵌入式系统如手机、可视电话等; 狭义上讲,嵌入式系统是指
19、以应用为核心,以计算机技术为基础,软硬件可裁剪,对功能、可靠性、成本、体积和功耗严格要求的专用计算机系统。根据英国电机工程师协会所做的定义“嵌入式系统是控制、监视或辅助某个设备、机器甚至工厂运行的设备”,嵌入式系统应该具备以下4个特性:(1)执行特定的功能;(2)以微处理器与外围设备构成核心;(3)需要严格的时序与稳定性;(4)全自动操作。2.1.2 嵌入式系统的组成 由于嵌入式系统是计算机结构中的一个分支,所以它在硬件上的组成与标准的计算机类似,其中最重要的部分也是微处理器。与标准的计算机结构相同,嵌入式系统中也包含了中央处理器、内存、输入/输出设备,只不过在嵌入式系统里,这里单元以比较特殊
20、的形式存在。嵌入式系统一般有3个主要的组成部分: (1)硬件,图2-1给出了嵌入式系统的硬件组成。其中,处理器是系统运算核心;存储器(ROM、RAM)用来保存可执行代码,以及中间结果;输入输出设备完成与系统外部的信息交换;其他部分辅助系统完成功能。系统专用电路ROMRAM复位及振荡电路处理器定时器串口并口中断控制输入/输出设备接口及驱动电路图2-1 嵌入式系统硬件结构(2)应用软件,应用软件是完成系统功能的主要软件,它可以由单独的一个任务来实现,也可以由多个并行的任务来实现。(3)实时操作系统(Real-Time Operating System,RTOS),该系统用来管理应用软件,并提供一种
21、机制,使得处理器分时的执行各个任务并完成一定的时限要求。 由于小型嵌入式系统可能只完成一个任务,因此不需要操作系统。而复杂的嵌入式系统一般会利用操作系统来减少开发的工作量,并提高产品的可靠性。如果系统复杂而且有实时性的要求,则需要实时操作系统来调度多个任务的执行并满足一定的延时要求。 嵌入式系统的关键在于结合系统硬件电路与其特定的软件,以达到系统运行性能成本的最高比。系统中的硬件设计包括微处理器及存储器电路的设计、网络功能设计及接口电路设计等等。而嵌入式软件则负责硬件电路的驱动、控制处理,以提高硬件产品的价值,是硬件产品不可缺少的重要部分,它常以固件(Firmware)的形式出现,如控制或驱动
22、程序等8。2.1.3 嵌入式系统的特点作为专用计算机系统的嵌入式系统与通用的计算机系统相比,具有以下几个重要特征:(1)嵌入式系统通常是面向特定应用。嵌入式CPU与通用型的最大不同就是嵌入式系统大多工作在为特定用户群设计的系统中,它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点,并且可以满足不同应用的特定需求;(2)嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计,量体裁衣、去除冗余,力争在同样的硅片面积上实现更高的性能,这样才能完成功能、可靠性和功耗的苛刻要求;(3)实时操作系统支持。嵌入式系统的应用程序可以不需要操作系统地支持直接运行,但是为了合理地调度多任务,充分利用系统资源,用户必须自行选配实时操作
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