嵌入式系統(tǒng)9(最小系統(tǒng)設計)

1、西安電子科技大學計算機學院2電子電路設計基礎電子電路設計基礎CPU模塊設計模塊設計電源的設計電源的設計時鐘的設計時鐘的設計復位電路設計復位電路設計存儲系統(tǒng)設計存儲系統(tǒng)設計西安電子科技大學計算機學院3電子電路設計過程電子電路設計過程q設計電路原理圖q生成網(wǎng)絡表q設計印制電路板西安電子科技大學計算機學院4按照一定的邏輯關系，將電路中的元器件、按照一定的邏輯關系，將電路中的元器件、導線、符號和標識連接起來。導線、符號和標識連接起來。q原理圖設計只是邏輯上的設計q與具體硬件無關q原理圖設計完成后要進行網(wǎng)絡表輸出西安電子科技大學計算機學院5西安電子科技大學計算機學院6西安電子科技大學計算機學院7印制電路

2、板是印制電路加上基板構成的印制電路板是印制電路加上基板構成的q任何電子產(chǎn)品都是形形色色的電子元件組成，而這些電子元件的載體和相互連接所依靠的正是印制電路板（PCB）PCB設計是以原理圖為根據(jù)實現(xiàn)電路所需設計是以原理圖為根據(jù)實現(xiàn)電路所需功能，主要指版圖設計功能，主要指版圖設計q元件的封裝決定了元件在PCB設計中的形式q需要考慮外部連接的布局、內部元件的優(yōu)化、電磁兼容、熱耗散等q網(wǎng)絡表是原理圖設計到PCB設計的橋梁西安電子科技大學計算機學院9目前，嵌入式處理器大多是目前，嵌入式處理器大多是SOCq片上集成功能模塊的相關寄存器固定地址映射需要外部擴展的功能，主要通過以下方式需要外部擴展的功能，主要通

3、過以下方式q專用信號、外部總線、系統(tǒng)總線、GPIOCPU能夠運行所需的其它模塊有（最小系統(tǒng)）：能夠運行所需的其它模塊有（最小系統(tǒng)）：q電源q時鐘q復位q內存q調試接口（JTAG）西安電子科技大學計算機學院10西安電子科技大學計算機學院11西安電子科技大學計算機學院12電源是嵌入式系統(tǒng)工作的關鍵電源是嵌入式系統(tǒng)工作的關鍵q電源是否穩(wěn)定直接影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性設計電源時需要考慮的因素設計電源時需要考慮的因素q輸出的電壓、電流、功率q輸入的電壓、電流q輸出紋波q安全因素q電池兼容和電磁干擾q體積限制q功耗限制q成本限制西安電子科技大學計算機學院13系統(tǒng)需要的電源類型系統(tǒng)需要的電源類型q1.1V，1.

4、2V，1.3V，1.4V，1.8V，3.0V，3.3V，5V等q一般系統(tǒng)需要多組電源確定各組電源的設計最大電流（功率）確定各組電源的設計最大電流（功率）q一般設計為極限電流的2倍以上電源的來源電源的來源q來自墻上的電源（市電）q電池供電西安電子科技大學計算機學院14直接供電直接供電q降壓：用變壓器將生活用電降壓至合適的范圍q整流：采用整流橋將交流信號成直流q濾波：濾除高頻成分，使直流脈動更小采用工業(yè)電源模塊采用工業(yè)電源模塊q5V，9V，12V，18V，24V西安電子科技大學計算機學院15所選電池（電池組）必須滿足系統(tǒng)對電壓、所選電池（電池組）必須滿足系統(tǒng)對電壓、電流的要求。電流的要求。q最大放

5、電電流西安電子科技大學計算機學院16穩(wěn)壓器是一個把輸入穩(wěn)壓器是一個把輸入DC電壓（通常為一個電壓（通常為一個輸入電壓范圍）轉換為固定輸出輸入電壓范圍）轉換為固定輸出DC電壓的電壓的半導體設備。半導體設備。一個準確的、恒定不變的電壓對一個嵌入一個準確的、恒定不變的電壓對一個嵌入式系統(tǒng)來說是很有必要的。式系統(tǒng)來說是很有必要的。DC-DC轉換器的類型：轉換器的類型：q線性穩(wěn)壓器q開關穩(wěn)壓器q充電泵西安電子科技大學計算機學院17晶體管（相當于一個可變電阻）串接在供電回路晶體管（相當于一個可變電阻）串接在供電回路中，通過改變晶體管的導通程度來實現(xiàn)穩(wěn)壓。中，通過改變晶體管的導通程度來實現(xiàn)穩(wěn)壓。 優(yōu)點：優(yōu)點

6、：q體積小q便宜q噪聲低q易于使用缺點：缺點：q效率低（5060）q只能降壓q壓差越大，發(fā)熱量越大，效率越低西安電子科技大學計算機學院18西安電子科技大學計算機學院19開關電源是通過電路控制開關管進行高速的導開關電源是通過電路控制開關管進行高速的導通與截止，并以調整脈沖占空比的方式實現(xiàn)輸通與截止，并以調整脈沖占空比的方式實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定，最后再整理輸出。出電壓的穩(wěn)定，最后再整理輸出。優(yōu)點：優(yōu)點：q可降壓，也可升壓q效率高（80% 90%)缺點：缺點：q體積較大q輸出紋波較大西安電子科技大學計算機學院20西安電子科技大學計算機學院21利用高頻隔離變壓器原邊、副邊繞組間無利用高頻隔離變壓器原邊、

7、副邊繞組間無電氣連接的特性，可以實現(xiàn)輸入、輸出間電氣連接的特性，可以實現(xiàn)輸入、輸出間的電氣隔離；的電氣隔離；通過改變高頻隔離變壓器原邊、副邊繞組通過改變高頻隔離變壓器原邊、副邊繞組的匝數(shù)比，可以設定輸入輸出之間的電壓的匝數(shù)比，可以設定輸入輸出之間的電壓比或電流比；比或電流比；通過多組副邊繞組還可以實現(xiàn)多路輸出通過多組副邊繞組還可以實現(xiàn)多路輸出西安電子科技大學計算機學院22有時也稱為無電感型開關穩(wěn)壓器有時也稱為無電感型開關穩(wěn)壓器 q傳統(tǒng)開關穩(wěn)壓器采用電感器來貯存能量充電泵的工作過程為：充電泵的工作過程為：q首先貯存能量，然后以受控方式釋放能量，以獲得所需的輸出電壓 。q采用電容器來貯存能量充電泵

8、是線性穩(wěn)壓器和傳統(tǒng)的開關穩(wěn)壓器的充電泵是線性穩(wěn)壓器和傳統(tǒng)的開關穩(wěn)壓器的最佳折衷最佳折衷特點：特點：q由于沒有電感，可以減輕潛在的電磁干擾問題 q有限的輸入輸出電壓比以及有限的輸出電流能力西安電子科技大學計算機學院23西安電子科技大學計算機學院24西安電子科技大學計算機學院25線性穩(wěn)壓器西安電子科技大學計算機學院26處理器為時序電路，需要一個時鐘信號才能處理器為時序電路，需要一個時鐘信號才能工作工作時鐘一般由晶體振蕩器提供，也有其它方式時鐘一般由晶體振蕩器提供，也有其它方式q陶瓷振蕩器qRC振蕩器（可直接集成進處理器內部）晶體振蕩器的構成方式晶體振蕩器的構成方式q晶體：大多數(shù)微處理器內部集成有振

9、蕩電路，可與外部晶體構成振蕩器q晶振：有些場合（如減少功耗、需要嚴格同步等）需要使用外部振蕩源提供時鐘信號西安電子科技大學計算機學院27晶體（無源）晶體（無源）q封裝內部只含有晶體q驅動電路由設計者提供（一般在IC芯片中）西安電子科技大學計算機學院28晶振（有源）晶振（有源）q封裝中包含了完整的晶體振蕩器電路q需要電源西安電子科技大學計算機學院29復位：復位：q微控制器在上電時狀態(tài)并不確定，這造成微控制器不能正確工作。為解決這個問題，所有微控制器均有一個復位邏輯，它負責將微控制器初始化為某個確定的狀態(tài)。這個復位邏輯需要一個復位信號才能工作。一些微控制器自己在上電時會產(chǎn)生復位信號，但大多數(shù)微控制

10、器需要外部輸入這個信號。這個信號的穩(wěn)定性和可靠性對微控制器的正常工作有重大影響復位電路的基本功能：復位電路的基本功能：q系統(tǒng)上電時提供復位信號q手動復位。復位電路類型：復位電路類型：q簡單的RC復位電路q采用復位芯片西安電子科技大學計算機學院30RC復位電路成本低廉，但不能保證任何情況下都能產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的復位信號西安電子科技大學計算機學院31西安電子科技大學計算機學院32復位芯片的復位門檻的選擇至關重要，一復位芯片的復位門檻的選擇至關重要，一般應當選擇微控制器的般應當選擇微控制器的I/O口供電電壓范圍口供電電壓范圍為標準。為標準。q如I/O口供電電壓為3.0V3.6V時，可選門檻電壓為2.93

11、V，即略低于I/O口供電電壓。存儲器類型存儲器類型q只讀存儲器（Read Only Memory）q隨機存取存儲器（Random Access Memory） 存儲器形式存儲器形式q片內集成：由芯片生產(chǎn)商設計q片外擴展：用戶設計外部存儲器外部存儲器q硬盤、光盤等q只針對特殊應用西安電子科技大學計算機學院33西安電子科技大學計算機學院34RAM qSRAM靜態(tài)RAM（Static RAM） ASRAM（Asynchronous Static RAM）異步靜態(tài)RAMqDRAM動態(tài)RAM（Dynamic RAM ） SDRAM（Sychronous Dynamic RAM）同步動態(tài)RAMROM q掩

12、膜式ROM qPROM可編程ROM（Programable ROM ） qEPROM可擦除、可編程（Erasable PROM） qEEPROM電可擦除可編程（Electrically Erasable PROM） qFlash Memory（閃速存儲器）西安電子科技大學計算機學院35靜態(tài)靜態(tài)RAM（Static RAM）q數(shù)據(jù)存入靜態(tài)RAM后，只要電源維持不變，其中存儲的數(shù)據(jù)就能夠一直維持不變 。q讀寫速度快 。q由觸發(fā)器構成基本單元，接口簡單。q存儲單元結構復雜，集成度較低。 q常常用作高速緩沖存儲器。處理器內部集成存儲器多選擇處理器內部集成存儲器多選擇SRAM西安電子科技大學計算機學院3

13、6動態(tài)動態(tài)RAM（Dynamic RAM ）q依靠電容存儲信息，需要不斷刷新q讀寫速度慢q集成度高，成本底q地址引腳少，地址總線采用多路技術，接口復雜。多用于外部存儲器擴展多用于外部存儲器擴展西安電子科技大學計算機學院371）通過地址總線將行地址傳輸?shù)降刂芬_）通過地址總線將行地址傳輸?shù)降刂芬_ 2）/RAS引腳被激活，這樣行地址被傳送到引腳被激活，這樣行地址被傳送到行地址門閂線路中行地址門閂線路中 3）行地址解碼器根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)選擇相）行地址解碼器根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)選擇相應的行應的行 4）/WE引腳被確定不被激活，所以引腳被確定不被激活，所以DRAM知道它不會進行寫入操作知道它不會進行寫入操

14、作 西安電子科技大學計算機學院38西安電子科技大學計算機學院395）列地址通過地址總線傳輸?shù)降刂芬_）列地址通過地址總線傳輸?shù)降刂芬_6）/CAS引腳被激活，這樣列地址被傳送到引腳被激活，這樣列地址被傳送到行地址門閂線路中行地址門閂線路中 7）/CAS引腳同樣還具有引腳同樣還具有/OE引腳的功能，引腳的功能，所以這個時候所以這個時候Dout引腳知道需要向外輸出引腳知道需要向外輸出數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 8） /RAS和和/CAS都不被激活，進行下一個都不被激活，進行下一個周期的數(shù)據(jù)操作了周期的數(shù)據(jù)操作了西安電子科技大學計算機學院40西安電子科技大學計算機學院41西安電子科技大學計算機學院42其實其實DRAM

15、的寫入的過程和讀取過程是基的寫入的過程和讀取過程是基本一樣的本一樣的 西安電子科技大學計算機學院43同步動態(tài)同步動態(tài)RAMqSDRAM因為要同CPU和芯片組共享時鐘，所以芯片組可以主動的在每個時鐘的上升沿發(fā)給引腳控制命令。 西安電子科技大學計算機學院44西安電子科技大學計算機學院45工作原理工作原理q一般MOS管的柵極（gate）和通道的間隔為絕緣氧化層（gate oxide），而Flash Memory在控制柵（Control gate）和通道間卻多了一層物質浮柵（floating gate）。浮柵能存儲電荷，從而具有記憶功能。通過控制浮柵，可以完成Flash單元的寫入、擦除等操作。Flas

16、h分類分類qNor FlashqNand Flash西安電子科技大學計算機學院46特點特點q芯片內執(zhí)行q讀速度快（比較Nand Flash）q寫入與擦除速度很低q擦除按塊進行，寫入前必須先擦除q帶有SRAM接口，有足夠的地址引腳來尋址，可以很容易地存取其內部的每一個字節(jié)。q常用來存儲代碼西安電子科技大學計算機學院47特點特點qNAND讀和寫操作按512字節(jié)的塊進行。q寫入與擦除速度比Nor Flash快。q擦除按塊進行，寫入前必須先擦除qNAND的擦除單元更小，相應的擦除電路更少。qNAND器件使用復雜的I/O口來串行地存取數(shù)據(jù)。q常用來存儲數(shù)據(jù)。西安電子科技大學計算機學院48西安電子科技大學

17、計算機學院49西安電子科技大學計算機學院50西安電子科技大學計算機學院51寫時序寫時序西安電子科技大學計算機學院52擦除時序擦除時序西安電子科技大學計算機學院54西安電子科技大學計算機學院55PXA270 General Memory Interface Configuration西安電子科技大學計算機學院56Programmable SDRAM Memory Map Options西安電子科技大學計算機學院57Programmable Static Memory Map Options西安電子科技大學計算機學院58shows a system using 4 x 16-bit SDRAM devices for a total of 48 Mbytes located in SDRAM partitions 0, 1, and 2西安電子科技大學計算機學院59shows an alternate memory configur