【正文】 erating System) 的基本思想是隱藏底層不同硬件的差異，在其上運行的應(yīng)用程序提供一個統(tǒng)一的調(diào)用接口。這是一個正在迅速發(fā)展的階段。(3)以嵌入式操作系統(tǒng)為標志的嵌入式系統(tǒng)。(1)以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統(tǒng)。嵌入式CPU與通用型的最大不同就是嵌入式系統(tǒng)大多工作在為特定用戶群設(shè)計的系統(tǒng)中，它通常都具有低功耗、體積小、集成度高等特點，并且可以滿足不同應(yīng)用的特定需求；(2)嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計，量體裁衣、去除冗余，力爭在同樣的硅片面積上實現(xiàn)更高的性能，這樣才能完成功能、可靠性和功耗的苛刻要求；(3)實時操作系統(tǒng)支持。 嵌入式系統(tǒng)的關(guān)鍵在于結(jié)合系統(tǒng)硬件電路與其特定的軟件，以達到系統(tǒng)運行性能成本的最高比。(3)實時操作系統(tǒng)(RealTime Operating System，RTOS)，該系統(tǒng)用來管理應(yīng)用軟件，并提供一種機制，使得處理器分時的執(zhí)行各個任務(wù)并完成一定的時限要求。其中，處理器是系統(tǒng)運算核心；存儲器(ROM、RAM)用來保存可執(zhí)行代碼，以及中間結(jié)果。根據(jù)英國電機工程師協(xié)會所做的定義“嵌入式系統(tǒng)是控制、監(jiān)視或輔助某個設(shè)備、機器甚至工廠運行的設(shè)備”，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)該具備以下4個特性：(1)執(zhí)行特定的功能；(2)以微處理器與外圍設(shè)備構(gòu)成核心；(3)需要嚴格的時序與穩(wěn)定性；(4)全自動操作。本節(jié)將從嵌入式系統(tǒng)的定義開始，闡述嵌入式系統(tǒng)的含義、特點等。本課題的主要內(nèi)容如下：（1）ARM9S3C2410微處理器概述及運用；（2）輔助設(shè)計軟件Protel99SE的使用，ARM9S3C2410開發(fā)板的硬件設(shè)計；（3）實驗開發(fā)板的各個功能模塊的設(shè)計與介紹；（4）實驗開發(fā)板PCB的設(shè)計以及相關(guān)措施47東華理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文） ARM微處理器的概述2 ARM微處理器的概述本章簡要介紹了嵌入式系統(tǒng)的基本知識和ARM微處理器的一些基本概念、應(yīng)用領(lǐng)域及特點。對測控專業(yè)的學生來說，中斷服務(wù)、時鐘控制、串口通信、AD采樣、簡單的I/0口等實驗是基本的，實驗開發(fā)板要有能力支持這類相關(guān)的實驗，同時考慮到學生的動手能力的培養(yǎng)以及可以進行后續(xù)開發(fā)等問題，實驗開發(fā)板不采用實驗箱的形式，在盡可能小的電路板面積上集成通用設(shè)備接口的同時引出地址總線、數(shù)據(jù)總線、中斷控制、AD轉(zhuǎn)換等CPU的大部分信號引腳。同時這些教學平臺大多以實驗箱的形式出現(xiàn)，其硬件系統(tǒng)集成了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用所需的大部分設(shè)備，使得的它的教學平臺的功能很強大。為此，為本科生開設(shè)了“單片機原理及課程設(shè)計”、“微機系統(tǒng)與接口”等課程。由于ARM公司自成立以來，一直以 IP (Intelligence Property) 提供者的身份向各大半導體制造商出售知識產(chǎn)權(quán)，而自己從不介入芯片的生產(chǎn)銷售，加上其設(shè)計的芯核具有高性能、低功耗、低成本、小體積等顯著優(yōu)點，在移動計算和普適計算領(lǐng)域具有無可比擬的優(yōu)勢，因此得到眾多的半導體廠家和整機廠商的大力支持，在32位嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域獲得了巨大的成功，目前已經(jīng)占有了32位RISC嵌入式產(chǎn)品市場750/0以上的份額，確立了市場領(lǐng)導地位。各種類型的處理器都有其一定的針對性。隨著時間的推移和技術(shù)的進步，在工業(yè)控制和新興的手持式應(yīng)用等領(lǐng)域，越來越多的產(chǎn)品需要較好的圖形界面和較強的數(shù)據(jù)處理能力，以及網(wǎng)絡(luò)、通信、音頻、圖像等功能，這對嵌入式處理器和嵌入式軟件提出了更高的要求?；贏RM9S3C2410實驗開發(fā)板的硬件設(shè)計計劃書目 錄緒 論 1 課題的背景、意義 1 國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究進展 2 課題內(nèi)容 22 ARM微處理器的概述 4 嵌入式系統(tǒng)簡介 4 嵌入式系統(tǒng)的定義 4 嵌入式系統(tǒng)的組成 4 嵌入式系統(tǒng)的特點 5 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展 6 嵌入式操作系統(tǒng) 6 ARM處理器 7 ARM的體系結(jié)構(gòu) 7 ARM微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域 8 ARM92OT體系結(jié)構(gòu) 8 ARM92OT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析 8 ARM920T的工作狀態(tài) 9 ARM920T體系結(jié)構(gòu)的存儲器格式 9 ARM920T處理器模式 103 基于ARM9S3C2410開發(fā)板的硬件設(shè)計 11 PROTEL 99 SE簡介 11 系統(tǒng)設(shè)計概述 11 S3C2410處理器及片外圍簡介 12 單元電路設(shè)計 14 電源電路 14 串行接口電路設(shè)計 14 IIC總線接口電路設(shè)計 15 復(fù)位按鍵電路 16 調(diào)試接口電路的設(shè)計 17 開發(fā)板硬件原理圖 184. 開發(fā)板硬件的PCB板設(shè)計 20 PCB的基本概念 20 高速電路定義及高速信號確定 20 傳輸線 21 高速PCB信號線的布線 22 高速PCB信號線的布線基本原則 22 地線設(shè)計 23 布線后信號完整性的PCB板 23 提高該板抗電磁干擾能力的措施 27結(jié)論與展望 28致 謝 29參考文獻 30附錄1 31附錄2 37附錄3 422東華理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 緒論緒 論 課題的背景、意義嵌入式系統(tǒng)是指以應(yīng)用為核心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積和功耗等方面的嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。在處理器方面，目前大量的中、低端嵌入式應(yīng)用主要使用8/16位單片機。其中，ARM處理器的性能高、功耗低，適合于用電池供電的便攜、手持式設(shè)備。現(xiàn)在設(shè)計、生產(chǎn)ARM芯片的半導體生產(chǎn)商己經(jīng)超過50家，國內(nèi)多家大公司也已經(jīng)購買ARM公司的芯核用于通信專用芯片的設(shè)計。但隨著嵌入式系統(tǒng)的快速發(fā)展，以傳統(tǒng)的單片機為基礎(chǔ)的數(shù)字系統(tǒng)開發(fā)課程，逐漸過渡到內(nèi)容更為廣泛的嵌入式系統(tǒng)教學己成大趨勢。但這樣做也有很大的弊端:一方面，集成大量的外擴設(shè)備無疑使整個教學平臺的成本增加。另外，考慮到學生的好動易損壞器件的特點，在設(shè)計實驗開發(fā)板時，除了要求其具有技術(shù)先進性的同時，也考慮了實驗開發(fā)板的通用性、經(jīng)濟性和可靠性。主要內(nèi)容包括：(1)嵌入式系統(tǒng)的基本概念和發(fā)展； (2)嵌入式操作系統(tǒng)的基本概念；(3)ARM微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域及特點；(4)ARM微處理器的體系結(jié)構(gòu)。 嵌入式系統(tǒng)的定義嵌入式系統(tǒng) (Embedded System)從廣義上講，凡是不用于通用目的的可編程計算機設(shè)備，就可以算是嵌入式計算機系統(tǒng)。 嵌入式系統(tǒng)的組成 由于嵌入式系統(tǒng)是計算機結(jié)構(gòu)中的一個分支，所以它在硬件上的組成與標準的計算機類似，其中最重要的部分也是微處理器。輸入輸出設(shè)備完成與系統(tǒng)外部的信息交換。 由于小型嵌入式系統(tǒng)可能只完成一個任務(wù)，因此不需要操作系統(tǒng)。系統(tǒng)中的硬件設(shè)計包括微處理器及存儲器電路的設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)功能設(shè)計及接口電路設(shè)計等等。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用程序可以不需要操作系統(tǒng)地支持直接運行，但是為了合理地調(diào)度多任務(wù)，充分利用系統(tǒng)資源，用戶必須自行選配實時操作系統(tǒng)開發(fā)平臺，這樣才能保證程序執(zhí)行的實時性和可靠性，減少開發(fā)時間，保證軟件質(zhì)量；(4)嵌入式系統(tǒng)與具體應(yīng)用有機地結(jié)合在一起，它的升級換代也是和具體產(chǎn)品同步進行的，因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進入市場，具有較長的生命周期；(5)為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲器芯片或單片機本身中，而不存儲于磁盤等載體中；(6)專門開發(fā)工具支持。主要特點是：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能相對單一，處理效率較低，存儲容量較小，幾乎沒有用戶接口。主要特點是:嵌入式操作系統(tǒng)等運行于各種不同類型的微處理器上，兼容性好；操作系統(tǒng)內(nèi)核小，效率高，并且具有高度的模塊化和擴展性。嵌入式設(shè)備與Internet的結(jié)合將代表嵌入式系統(tǒng)的未來。應(yīng)用程序通過這一接口實現(xiàn)對硬件的使用和控制，不必考慮不同硬件操作方式的差異。嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)核心通常要求體積要很小，因為硬件ROM的容量有限，除了應(yīng)用程序之外，不希望操作系統(tǒng)占用太大的存儲空間。有些嵌入式操作系統(tǒng)也會提供多種通信協(xié)議，以及用戶接口函數(shù)庫等。嵌入式操作系統(tǒng)的性能通常取決于核心程序，而核心的工作主要在任務(wù)管理 (Task Management)、任務(wù)調(diào)度 (Task Schueduling)、進程間的通信(IPC)、內(nèi)存管理 (Memory Management)[8]。ARM處理器的簡單使ARM的內(nèi)核非常小，這樣使器件的功耗也非常低。 ARM微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域 到目前為止，ARM微處理器及技術(shù)的應(yīng)用幾乎已經(jīng)深入到各個領(lǐng)域。此外，ARM在語音及視頻處理上行了優(yōu)化，并獲得廣泛支持，也對DSP的應(yīng)用領(lǐng)域提出了挑戰(zhàn)。除此以外，ARM微處理器及技術(shù)還應(yīng)用到許多不同的領(lǐng)域，并會在將來取得更加廣泛的應(yīng)用。(4)緩沖/數(shù)據(jù)：如果需要，則訪問數(shù)據(jù)存儲器。這樣可以把指令訪問和數(shù)據(jù)訪問單獨安排1級流水線。當操作數(shù)寄存器的狀態(tài)位(位0)為1時，可以采用執(zhí)行BX指令的方法，使微處理器從ARM狀態(tài)切換到Thumb狀態(tài)。 ARM920T體系結(jié)構(gòu)的存儲器格式ARM920T體系結(jié)構(gòu)將存儲器看做是從零地址開始的字節(jié)的線性組合。大端格式中字數(shù)據(jù)的高字節(jié)存儲在低地址中，而字數(shù)據(jù)的低字節(jié)則存放在高地址中，如圖23所示。ARM微處理器的運行模式可以通過軟件改變，也可以通過外部中斷或異常處理改變。東華理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于ARM9S3C2410開發(fā)板的硬件設(shè)計3 基于ARM9S3C2410開發(fā)板的硬件設(shè)計本章主要介紹基于S3C2410的ARM9實驗開發(fā)板的硬件設(shè)計，包括硬件系統(tǒng)的詳細設(shè)計步驟、實現(xiàn)細節(jié)等。是目前比較高效、靈活的EDA輔助工具。通過這個平臺可以針對S3C2410進行系統(tǒng)級的硬件和軟件設(shè)計，并且能夠很方便地在該平臺上進行相關(guān)的功能擴展，以及進行所需的產(chǎn)品設(shè)計。它的低功耗、精簡和出色的全靜態(tài)設(shè)計特別適用于對成本和功耗敏感的應(yīng)用。如圖32所示為S3C2410芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。SPX1117系列LDO芯片輸出電流可達800mA，輸出電壓的精度在1%以內(nèi)，還具有電流限制和熱保護功能，廣泛應(yīng)用在手持式儀表、數(shù)字家電、工業(yè)控制等領(lǐng)域。 圖33電源電路原理圖 為保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，電源必須經(jīng)過穩(wěn)壓、去耦和濾波[7]。在近距離通信系統(tǒng)中，不再使用電話線和MODEM。其接口電路圖 如圖34所示：圖34串行接口原理圖本課程設(shè)計了兩個UART0相連的RS232C電路。即使有不同時鐘速度的器件連接到總線上，也能很方便地確定總線的時鐘，因此在嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。S3C2410的IIC接口電路如35所示： 圖35 I2C總線原理圖 復(fù)位按鍵電路由于ARM芯片的高速、低功耗、低工作電壓導致其噪聲容限低，對電源的紋波、瞬態(tài)響應(yīng)性能、時鐘源的穩(wěn)定性、電源監(jiān)控可靠性等諸多方面也提出了更高的要求。 調(diào)試接口電路的設(shè)計JTAG是英文“Joint Test Action Group（聯(lián)合測試行為組織）”的詞頭字母的簡寫，是由幾家主要的電子制造商發(fā)起制訂的PCB和IC測試標準。HJTAG是HJTAG團隊開發(fā)的一款自主原創(chuàng)的ARM仿真套件，HJTAG開發(fā)套件主要包括了：HJTAG使用 HJTAG，你可以輕松地通過WIGGLER或者 SDTJTAG或用戶自定義的JTAG小板調(diào)試所有的ARM7/ARM9處理器。表32 20針JTAG接口定義引腳名稱描述序號名稱功能1VCC2VCC3nTRST測試系統(tǒng)復(fù)位信號5TDI測試數(shù)據(jù)串行輸入7TMS測試模式選擇9TCK測試時鐘11RTCK測試時鐘返回信號13TDO測試數(shù)據(jù)串行輸出15nRESET目標系統(tǒng)復(fù)位信號其中，119腳為NC，111120為GND。電路原理圖的設(shè)計過程可分為以下幾個步驟：（1）設(shè)置電路圖紙參數(shù)及相關(guān)信息；（2）裝入所需要的元件庫；（3）放置元件；（4）電路圖布線；（5）調(diào)整、檢查和修改；（6）補充完善；（7）保存和打印輸出。（3）接插口盡量分布在圖紙的四周圍，示意實際接口外形及每一接腳的功能。（7）CPU為整機的控制中心，接口線最多。東華理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 開發(fā)板硬件的PCB板設(shè)計4. 開發(fā)板硬件的PCB板設(shè)計電路設(shè)計自動化 EDA(Electronic Design Automation)指的就是將電路設(shè)計中各種工作交由計算機來協(xié)助完成。 PCB的基本概念在電子系統(tǒng)中，需要各種長度的走線。這種延時在低速系統(tǒng)中可以忽略，但在高速電路中，這個數(shù)量級的延時是不能忽略的。實際上，與信號本身的頻率相比，信號邊沿的諧波頻率更高，信號快速變化的跳變(上升沿或下降沿)引發(fā)了信號傳輸?shù)姆穷A(yù)期結(jié)果。否則，反射信號將在信號改變狀態(tài)之后達到驅(qū)動端。而在PCB設(shè)計中，實際布線長度決定了信號的傳播時間。若2Tpd≤Tr≤4Tpd，信號將落在不確定區(qū)域?！?。如果接收端和傳輸線的阻抗不匹配，那么輸出的信號和信號最終的穩(wěn)定狀態(tài)將不同，從而引起信號在接收端產(chǎn)生反射。那么來自驅(qū)動端的信號脈沖在接收端將被反射。過多的信號延時可能導致時序錯誤和器件功能的混亂。4．過沖與下沖走線過長或者信號變化太快，可以導致過沖與下沖的發(fā)生。解決串擾的方法是移開發(fā)生串擾的信號線或屏蔽被嚴重干擾的信號。EM工產(chǎn)生的主要原因是，電路的工作頻率太高，以及PCB布局布線不合理。有資料顯示，同種材料的兩層板要比一面板的噪聲低，但是板層數(shù)越高，制造工藝越復(fù)雜，成本也越高。滿足布線最短的最有效手段是在自