基于arm的软硬件设计s3c2440简易学习开发的设计本科学位论文.docx

基于arm的软硬件设计s3c2440简易学习开发的设计本科学位论文.docx

《基于arm的软硬件设计s3c2440简易学习开发的设计本科学位论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于arm的软硬件设计s3c2440简易学习开发的设计本科学位论文.docx（38页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

基于arm的软硬件设计s3c2440简易学习开发的设计本科学位论文

摘要

本次设计的主要目的是利用ARM嵌入式系统进行实验电路板的设计和开发，以达到学习和实践相结合的目的。

当今信息时代，嵌入式系统的应用无处不在，并且发展势头迅猛，当今ARM嵌入式系统应用市场份额约占75％。

嵌入式系统所用的计算机是嵌入到被控对象中的专用微处理器，但是功能比通用计算机专门化，具有通用计算机所不具备的针对某个方面特别设计的、合适的运算速度、高可靠性和较低比较成本的专用计算机系统。

嵌入式系统是计算机技术、通信技术、微电子技术、语音图象数据传输技术等先进技术和具体应用对象相结合后的更新换代产品。

ARM技术日益成熟和不断发展，正在逐步渗入到我们生活的各个方面。

ARM技术具有性能高，成本低和能耗省特点。

ARM在目前主要应用在工业控制领域、无线通讯技术、网络应用、消费电子产品等。

行业前景极为深远，发展空间极为广大。

本次设计是基于S3C2440简易学习开发的设计。

在论文当中首先对ARM发展进行学习之后进行嵌入式系统的前期调研，查阅资料，了解有关参数。

探索ARM未来的发展趋势以及S3C2440实验开发板的结构性能，从而着手进行元件的选择以及硬件电路的设计包括电源选择、接口设计以及储存器设计等，接着进一步进行软件编程设计和系统仿真、调试。

关键词：

ARM，嵌入式系统，s3c44b0实验开发板，微处理器

ABSTRACT

ThemainpurposeofthisdesignisthedesignanddevelopmentoftheexperimentalcircuitboardusingARMembeddedsystem,soastoachievethepurposeofcombininglearningandpractice.

Intheinformationage,theapplicationofembeddedsystemisubiquitous,andthemomentumofrapiddevelopmentofARM,theapplicationofembeddedsystemmarketshareaccountedfor75%.Embeddedsystemsusedinthecomputerisembeddedintothespecialmicroprocessorcontrolledobject,butthefunctionthanthegeneralcomputerspecialized,withuniversalcomputerdoesn'thaveisspeciallydesignedforacertainaspect,theappropriatespeed,highreliabilityandlowcostofthespecialcomputersystem.Embeddedsystemistheproductofcomputertechnology,communicationtechnology,microelectronictechnology,voiceandimagedatatransmissiontechnologyandotheradvancedtechnologyandconcreteapplicationobjectaftercombiningtheupdate.

ARMtechnologydevelopmentandmature,isgraduallyinfiltratedintoeveryaspectofourlives.ARMtechnologyhastheadvantagesofhighperformance,lowcostandenergysavingcharacteristics.ARMismainlyappliedinthefieldofindustrialcontrol,wirelesscommunicationtechnology,thenetworkapplication,suchasconsumerelectronics.Theprospectoftheindustryisfar-reaching,developmentspaceisextremelybroad.

ThisdesignisthedesignofS3C2440basedonthedevelopmentofasimplelearning.AfterthefirstARMtolearnthedevelopmentofpreliminaryresearch,theembeddedsystemaccesstoinformation,understandingoftherelevantparameters.StructureandpropertiesofthefuturedevelopmenttrendofARMandS3C2440experimentaldevelopmentboard,thusembarkingonselectionofcomponentsandthedesignofhardwarecircuitincludesapowerselection,interfacedesignandstoragedesign,followedbyafurthersoftwareprogrammingandsystemsimulation,debugging.

Keywords:

ARM,embeddedsystem,S3C44B0experimentaldevelopmentboard,microprocessor

第1章ARM嵌入式系统的概述

1.1ARM嵌入式系统发展现状

ARM是目前业界公认领先的32位嵌入式RISC（精简指令计算机）微处理器。

ARM技术日益成熟和不断发展，正在逐步渗入到我们生活的各个方面。

ARM在目前主要应用于工业控制、无线通讯技术、网络应用、消费电子产品等领域。

随着信息化，智能化，网络化的发展，嵌入式系统技术也将获得广阔的发展空间。

进入20世纪90年代，ARM嵌入式技术全面展开，目前已成为通信和消费类产品的共同发展方向。

在通信领域，数字技术正在全面取代模拟技术。

在广播电视领域，美国已开始由模拟电视向数字电视转变，欧洲的数字电视广播技术已在全球大多数国家推广。

数字音频广播也已进入商品化试播阶段。

而软件、集成电路和新型元器件在产业发展中的作用日益重要。

所有上述产品中，都离不开嵌入式系统技术。

在个人领域中，嵌入式产品将主要是个人商用，作为个人移动的数据处理和通讯软件。

由于ARM嵌入式设备具有自然的人机交互界面，GUI屏幕为中心的多媒体界面给人很大的亲和力。

手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像已取得初步成效。

目前一些先进的液晶显示已实现汉字写入、短消息语音发布，日用范围也将日益广阔。

对于企业专用解决方案，如物流管理、条码扫描、移动信息采集等，这种小型手持嵌入式系统将发挥巨大的作用。

自动控制领域，不仅可以用于ATM机，自动售货机，工业控制等专用设备，与移动通讯设备结合、GPS、娱乐相结合，嵌入式系统同样可以发挥巨大的作用。

嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。

目前很多厂商已经充分考虑到这一点，在主推系统的同时，将开发环境也作为重点推广。

网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的提高日益提高，使得以往单一功能的设备功能不再单一，结构更加复杂。

软件方面采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。

未来的嵌入式设备为了适应网络发展的要求，必然要求硬件上提供

各种网络通信接口。

软件方面系统系统内核支持网络模块，甚至可以在设备上嵌入Web浏览器，真正实现随时随地用各种设备上网。

未来的嵌入式产品是软硬件紧密结合的设备，为了减低功耗和成本，需要设计者尽量精简系统内核，只保留和系统功能紧密相关的软硬件，利用最低的资源实现最适当的功能，这就要求设计者选用最佳的编程模型和不断改进算法，优化编译器性能。

硬件方面，不仅有各大公司的微处理器芯片，还有用于学习和研发的各种配套开发包。

目前低层系统和硬件平台经过若干年的研究，已经相对比较成熟，实现各种功能的芯片应有尽有。

而且巨大的市场需求给我们提供了学习研发的资金和技术力量。

从软件方面讲，也有相当部分的成熟软件系统。

国外商品化的嵌入式实时操作系统，已进入我国市场的有WindRiver、Microsoft、QNX和Nuclear等产品。

我国自主开发的嵌入式系统软件产品如科银（CoreTek）公司的嵌入式软件开DeltaSystem，中科院推出的Hopen嵌入式操作系统。

同时因为是研究热点，所以我们可以在网上找到各种各样的免费资源，从各大厂商的开发文档，到各种驱动程序，甚至很多厂商还提供微处理器的样片。

这对于我们从事这方面的研发，无疑是个资源宝库。

对于软件设计来说，不管是上手还是进一步开发，都相对来说比较容易，这就使得很多生手能够比较快的进入研究状态，利于发挥大家的积极创造性。

1.2ARM嵌入式系统的发展趋势

由于网络与通讯技术的发展，嵌入式系统在经历了近20年的发展历程后进入了一个新的历史发展的阶段，即从普通的低端应用进入到一个高、低端并行发展，并且不断提升低端应用技术的时代，其标志是近年来32位MCU的发展。

32位MCU的应用不会走8位机百花齐放、百余种型号系列齐上阵的道路，这是因为在8位机低端应用中，嵌入对象与对象专业领域十分广泛而复杂；而当前32位MCU的高端应用则集中在网络、通信和多媒体技术领域，32位MCU将会集中在少数厂家发展的少数型号系列上。

在嵌入式系统高端应用的发展中，曾经有众多厂家参加，很早就有许多8位嵌入式MCU厂家实施了8位、16位和32位机的发展计划。

后来，8位和32位机的技术扩展侵占了16位机的发展空间。

传统电子系统智能化对8位机的需要使得这些厂家将主要精力放在8位机上的发展上。

形成了32位机发展迟迟不前的局面。

当网络、通讯和多媒体信息家电兴起后，出现嵌入式系统高端应用的市场；而在嵌入式系统的高端应用中，进行多年技术准备的ARM公司适时的推出32位ARM系列嵌入式微处理器，以其明显的性能优势，迅速形成32位高端机应用的主流地位，以至于不少传统嵌入式系统厂家放弃了自己3位发展计划，转而使用ARM内核来发展自己的32位MCU。

甚至在嵌入式系统发展的历史上做出卓越贡献的Intel公司以及单片微型计算机发展到微控制器的PHILIPS公司，在发展自己32位嵌入式系统是不得不另起炉灶，而是使用ARM公司的嵌入式系统内核来发展自己的32位MCU。

网络、通信、多媒体和信息家电时代的到来，无疑为32位嵌入式系统高端应用提供了空前巨大的发展空间；同时，也为力不从心的8位机向高端发展起到竭力作用。

一般来说，嵌入式系统的高、低端应用模糊的界定为：

高端应用不被海量数据处理网络、通信和多媒体领域，低端则是用于对象系统的控制领域。

然而，控制系统的网络化、智能化的发展趋势要求在8位机的应用中提升海量数据处理能力。

当8位机无法满足这些提升的要求时，便会转而求助32位机的解决办法。

因此，32位机的市场需求发展由两方面所致：

一方面是高端新兴领域（网络、通信、多媒体和信息家电）的拓展；另一方面是低端控制领域应用在数据处理能力的提升要求。

后PC时代的到来以及32位嵌入式系统的高端应用吸引了大量计算机专业人士的介入，加入嵌入式系统/硬件技术的发展，导致嵌入式系统应用模式的巨大变化，即使嵌入式系统应用进入到一个基于软/硬件平台、集成开发环境的应用系统开发的时代，并带动SoC技术的发展。

信息时代，数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展契机，为嵌入式市场展现了美好的前景，同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战，从中我们可以看出未来嵌入式系统的几大发展趋势

（1）嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。

目前很多厂商已经充分考虑到这一点，在主推系统的同时，将开发环境也作为重点推广。

比如三星在推广Arm7，Arm9芯片的同时还提供开发板和版级支持包（BSP），而WindowCE在主推系统时也提供EmbeddedVC＋＋作为开发工具，还有Vxworks的Tonado开发环境，DeltaOS的Limda编译环境等等都是这一趋势的典型体现。

当然，这也是市场竞争的结果。

（2）随着因特网技术的成熟、带宽的提高日益提高，网络化、信息化的要求使得以往单一功能的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一，结构更加复杂。

这就要求芯片设计厂商在芯片上集成更多的功能，为了满足应用功能的升级，设计师们一方面采用更强大的嵌入式处理器如32位、64位RISC芯片或信号处理器DSP增强处理能力，同时增加功能接口，如USB，扩展总线类型，如CANBUS，加强对多媒体、图形等的处理，逐步实施片上系统（SOC）的概念。

软件方面采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。

（3）网络互联成为必然趋势。

未来的嵌入式设备为了适应网络发展的要求，必然要求硬件上提供各种网络通信接口。

传统的单片机对于网络支持不足，而新一代的嵌入式处理器已经开始内嵌网络接口，除了支持TCP／IP协议，还有的支持IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口中的一种或者几种，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。

软件方面系统内核支持网络模块，甚至可以在设备上嵌入Web浏览器，真正实现随时随地用各种设备上网。

（4）精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本。

未来的嵌入式产品是软硬件紧密结合的设备，为了减低功耗和成本，需要设计者尽量精简系统内核，只保留和系统功能紧密相关的软硬件，利用最低的资源实现最适当的功能，这就要求设计者选用最佳的编程模型和不断改进算法，优化编译器性能。

因此，既要软件人员有丰富的硬件知识，又需要发展先进嵌入式软件技术，如Java、Web和WAP等。

（5）提供友好的多媒体人机界面。

嵌入式设备能与用户亲密接触，最重要的因素就是它能提供非常友好的用户界面。

图像界面，灵活的控制方式，使得人们感觉嵌入式设备就象是一个熟悉的老朋友。

这方面的要求使得嵌入式软件设计者要在图形界面，多媒体技术上痛下苦功。

手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像都会使使用者获得自由的感受。

目前一些先进的PDA在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布，但一般的嵌入式设备距离这个要求还有很长的路要走。

第2章S3C44B0简介

2.1S3C44B0概述

S3C44B0X是一款基于ARM7TDMI内核技术的16/32位RISC处理器，扩展了一系列完整的通用外围器件，使系统的费用降至最低，减低了硬件开发的难度。

本嵌入式系统配置了2MB的FLASH存储器以及8MB的SDRM存储器。

Samsung公司推出的16/32位RISC处理器S3C44B0X为手持设备和一般类型应用提供了高性价比和高性能的微控制器解决方案。

为了降低成本，S3C44B0X提供了丰富的内置部件，包括：

8KBcache，内部SRAM，LCD控制器，带自动握手的2通道UART，4通道DMA，系统管理器（片选逻辑，FP/EDO/SDRAM控制器），代用PWM功能的5通道定制器，I/O端口，RTC，8通道10位ADC，IIC-BUS接口，IIS-BUS接口，同步SIO接口和PLL倍频器。

S3C44B0X采用了ARM7TDMI内核，0.25um工艺的CMOS标准宏单元和存储编译器。

它的低功耗精简和出色的全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感的应用。

同样S3C44B0X还采用了一种新的总线结构，即SAMBAII（三星ARMCPU嵌入式微处理器总线结构）。

S3C44B0X的杰出特性是它的CPU核，是由ARM公司设计的16/32位ARM7TDMIRISC处理器（66MHZ）。

ARM7TDMI体系结构的特点是它集成了Thumb代码压缩器，片上的ICE断点调试支持，和一个32位的硬件乘法器。

S3C44B0X通过提供全面的、通用的片上外设，大大减少了系统电路中除处理器以外的元器件配置，从而最小化系统的成本。

本章将对下面所列的各种片上功能进行介绍。

2.5VARM7TDMI内核，带有8K高速缓存器（SAMBAII总线体系结构，主频高至66MHz）；

外部存储器控制器（FP/EDO/SDRAM控制，片选逻辑）；

LCD控制器（最大支持256色STN，LCD具有专用DMA）；

2通道通用DMA、2通道外设DMA并具有外部请求引脚；

2通道UART带有握手协议（支持IrDA1.0,具有16-byteFIFO）/1通道SIO；

1通道多主IIC-BUS控制器；

1通道IIS-BUS控制器；

5个PWM定时器和1通道内部定时器；

看门狗定时器；

71个通用I/O口/8通道外部中断源；

功耗控制：

具有普通，慢速，空闲和停止模式；

8通道10位ADC；

具有日历功能的RTC；

具有PLL的片上时钟发生器。

2.2S3C44B0X特性：

①16/32位RISC体系结构和ARM7TDMI处理器内核强大的指令体系；

②Thumb代码压缩机，最大化代码密度同时保持了32位指令的性能；

③基于JTAG的片上集成ICE调方式支持解决方案；

④32×8位硬件乘法器；

⑤实现低功耗SAMBAII的新型总线结构。

内核:

2.5VI/O:

3.0V到3.6V；

最高为66MHz；

封装：

160LQFP/160FBGA。

2.3S3C44B0X的结构框图：

S3C44B0X的结构图如图2-3所示：

图2-3：

S3C44B0X的结构图

1.复位电路可完成系统上电复位和在系统工作时用户按键复位。

2.电源电路为S3C44B0X及其他需要3.3V电源的外围电路供电。

3.晶振为系统提供工作时钟，通过片内PLL（时钟发生器）电路倍频作为微

4.处理器的工作时钟。

5.Flash存储器可存放已调试好的用户应用程序、嵌入式操作系统或其他在系统掉电后需要保存的用户数据等。

6.SDRAM存储器作为系统运行时的主要区域，系统及用户数据、堆栈均位于SDRAM存储器中。

7.JTAG接口可对芯片内部的所有部件进行访问，通过该接口可对系统进行调试、编程等。

8.系统总线扩展引出了数据总线、地址总线和必需的控制总线，便于用户根据自身的特定要求扩展外围电路。

9.串行接口电路用于系统与其他应用系统的短距离双向串行通信。

10.10M以太网接口为系统提供以太网接入的物理通道，通过该接口，系统可以10Mb/s的速率接入以太网。

第3章绪论

3.1设计目的

板级电子系统开发是电子类及相关专业非常重要的实践性教学环节，通过开发完整的电子系统，可锻炼运用所学知识进行电子设计的能力，为后续研究设计以及就业打下良好基础。

3.2设计任务

在S3C44B0开发板上设计最小系统

3.3设计背景

3.3.1S3C44B0简介

S3C44B0X是一款基于ARM7TDMI内核技术的16/32位RISC处理器，扩展了一系列完整的通用外围器件，使系统的费用降至最低，减低了硬件开发的难度。

本嵌入式系统配置了2MB的FLASH存储器以及8MB的SDRM存储器。

Samsung公司推出的16/32位RISC处理器S3C44B0X为手持设备和一般类型应用提供了高性价比和高性能的微控制器解决方案。

为了降低成本，S3C44B0X提供了丰富的内置部件，包括：

8KBcache，内部SRAM，LCD控制器，带自动握手的2通道UART，4通道DMA，系统管理器（片选逻辑，FP/EDO/SDRAM控制器），代用PWM功能的5通道定制器，I/O端口，RTC，8通道10位ADC，IIC-BUS接口，IIS-BUS接口，同步SIO接口和PLL倍频器。

S3C44B0X采用了ARM7TDMI内核，0.25um工艺的CMOS标准宏单元和存储编译器。

它的低功耗精简和出色的全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感的应用。

同样S3C44B0X还采用了一种新的总线结构，即SAMBAII（三星ARMCPU嵌入式微处理器总线结构）。

S3C44B0X的杰出特性是它的CPU核，是由ARM公司设计的16/32位ARM7TDMIRISC处理器（66MHZ）。

ARM7TDMI体系结构的特点是它集成了Thumb代码压缩器，片上的ICE断点调试支持，和一个32位的硬件乘法器。

S3C44B0X通过提供全面的、通用的片上外设，大大减少了系统电路中除处理器以外的元器件配置，从而最小化系统的成本。

本章将对下面所列的各种片上功能进行介绍。

2.5VARM7TDMI内核，带有8K高速缓存器（SAMBAII总线体系结构，主频高至66MHz）；

外部存储器控制器（FP/EDO/SDRAM控制，片选逻辑）；

LCD控制器（最大支持256色STN，LCD具有专用DMA）；

2通道通用DMA、2通道外设DMA并具有外部请求引脚；

2通道UART带有握手协议（支持IrDA1.0,具有16-byteFIFO）/1通道SIO；

1通道多主IIC-BUS控制器；

1通道IIS-BUS控制器；

5个PWM定时器和1通道内部定时器；

看门狗定时器；

71个通用I/O口/8通道外部中断源；

功耗控制：

具有普通，慢速，空闲和停止模式；

8通道10位ADC；

具有日历功能的RTC；

具有PLL的片上时钟发生器。

3.3.2S3C44B0X特性：

内核:

2.5VI/O:

3.0V到3.6V；

最高为66MHz；

封装：

160LQFP/160FBGA。

3.4设计思路（原理组成框图、资源分配）

既然是设计最小系统就需要反映出“系统”和“最小”两大特征来，只有独立运行而且方便调试的ARM硬件才能成为“系统”，而“最小”则要求设计的系统不能大而全，仅仅需要设计让系统能独立运行和调试的几本硬件就可以了，另外成本也尽可能的低。

满足上述功能的s3c44b0最小系统设计思路如下，要让s3c44b0处理器能独立运行和调试就必须满足基本的独立运行和调试工作条件，因此需设计下列基本电路及系统：

电源、时钟、复位电路、存储系统、调试系统。

图3-1：

原理组成框图

第4章电路设计

4.1电源和复位电路设计

设计电源时要考虑的因素：

a.输出的电压、电流、功率；

b.输入的电压、电流；

c.安全因素；

d.输出纹波；

e.电磁兼容和电磁干扰；

f.体积、功耗、成本限制。

系统采用DC5V稳压电源进