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嵌入式系统概论 —— 基于 32 位微处理器与实时操作系统 第七讲 基于 ARM 的硬件系统结构设计 北京航空航天大学 机器人研究所 魏洪兴

嵌入式系统概论 —— 基于 32 位微处理器与实时操作系统 第七讲 基于 ARM 的硬件系统结构设计 北京航空航天大学 机器人研究所 魏洪兴. 本节提要. 1. 基于 ARM 的硬件系统体系结构. 存储器接口设计. 2. 3. I/O 接口设计. 4. 人机交互接口设计. 5. 网络接口设计. 6. 其它通讯接口设计. ARM920T 内核结构. S3C2410 的内部结构. 实验平台的体系结构. 串口设备. LCD 驱动. 2410 核心资源. USB 设备. 音频电路. SD 卡接口. 其他资源. 局部总线. 网卡设备.

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嵌入式系统概论 —— 基于 32 位微处理器与实时操作系统 第七讲 基于 ARM 的硬件系统结构设计 北京航空航天大学 机器人研究所 魏洪兴

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  1. 嵌入式系统概论 ——基于32位微处理器与实时操作系统 第七讲 基于ARM的硬件系统结构设计 北京航空航天大学 机器人研究所 魏洪兴

  2. 本节提要 1 基于ARM的硬件系统体系结构 存储器接口设计 2 3 I/O接口设计 4 人机交互接口设计 5 网络接口设计 6 其它通讯接口设计

  3. ARM920T内核结构

  4. S3C2410的内部结构

  5. 实验平台的体系结构 串口设备 LCD驱动 2410核心资源 USB设备 音频电路 SD卡接口 其他资源 局部总线 网卡设备 总线隔离驱动 IO扩展 扩展总线 168Pin扩展槽 PCMCIA IDE/CF卡 电机等

  6. 读写总线的时序图 Read Write 稳态 稳态

  7. 本节提要 1 基于ARM的硬件系统体系结构 存储器接口设计 2 3 I/O接口设计 人机交互接口设计 4 5 网络接口设计 6 其它通讯接口设计

  8. 2410的存储器系统 — 可通过软件选择大小端 — 地址空间:每个Bank 128Mbytes (总共 1GB) —除 bank0 (16/32-bit) 外，所有的Bank都可以通过编程选择总线宽度= (8/16/32-bit) — 共 8 个banks • 6个Bank用于控制 ROM, SRAM, etc. • 剩余的两个Bank用于控制 ROM, SRAM, SDRAM, etc . — 7个Bank固定起始地址； — 最后一个Bank可调整起始地址； — 最后两个Bank大小可编程 —所有Bank存储周期可编程控制；

  9. S3C2410的存储器配置

  10. Bank6/Bank7地址分布

  11. Bank0总线宽度配置

  12. 与2片8位的ROM连接方法

  13. 与1片16位的ROM连接

  14. S3C2410与2片8位FLASH的连接方法

  15. 与1片16M的SDRAM的连接方法

  16. 与2片16M的SDRAM的连接方法

  17. NAND和NOR——性能比较 NOR和NAND是现在市场上两种主要的非易失闪存技术 • NOR的读速度比NAND稍快一些 • NAND的写入速度比NOR快很多 • NAND的擦除速度远比NOR的快 • 大多数写入操作需要先进行擦除操作 • NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路更少

  18. 接口差别 • NOR flash带有SRAM接口，线性寻址，可以很容易地存取其内部的每一个字节 • NAND flash使用复用接口和控制IO多次寻址存取数据 • NAND读和写操作采用512字节的块，这一点有点像硬盘管理，此类操作易于取代硬盘等类似的块设备

  19. 容量和成本 • NAND flash生产过程更为简单，成本低 • 常见的NOR flash为128KB～16MB，而NANDflash通常有8～128MB • NOR主要应用在代码存储介质中，NAND适合于数据存储 • NAND在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards和MMC存储卡市场上所占份额最大

  20. 可靠性和耐用性 • 在NAND中每块的最大擦写次数是100万次，而NOR的擦写次数是10万次 • 位交换的问题NAND flash中更突出，需要ECC纠错 • NAND flash中坏块随机分布，需要通过软件标定——产品量产的问题

  21. 嵌入式系统中应用RAM的情况

  22. 本节提要 1 基于ARM的硬件系统体系结构 存储器接口设计 2 3 I/O系统设计 人机交互接口设计 4 5 网络接口设计 6 其它通讯接口设计

  23. I/O子系统的层次模型 • I/O子系统：I/O设备、相关的设备驱动程序和I/O子系统组成嵌入式I/O子系统。 • I/O子系统的目标是对RTOS和应用程序员隐藏设备特定的信息，并且对系统的外围I/O设备提供一个统一的访问方法。

  24. 从不同角度看I/O系统 • 从系统软件开发者角度看，I/O操作意味着与设备的通信、对设备编程初始化和请示执行设备与系统之间的实际数据传输以及操作完成后通知请求者。系统软件工程师必须理解设备的物理特性，如寄存器的定义和设备的访问方法。 • 从RTOS的角度看，I/O操作意味着对I/O请求定位正确的设备，对设备定位正确的设备驱动程序，并解决对设备驱动程序的请求。有时要求RTOS保证对设备的同步访问。RTOS必须进行抽象，对应用程序员隐含设备的特性。 • 从应用程序员角度看，目标是找到一个简单、统一和精练的方法与系统中出现的所有类型的设备通信。

  25. I/O接口的编址方式——端口映射 1）I/O接口独立编址——端口映射方式 • 这种编址方式是将存储器地址空间和I/O接口地址空间分开设置，互不影响。设有专门的输入指令（IN）和输出指令（OUT）来完成I/O操作。 主要优点：内存地址空间与I/O接口地址空间分开，互不影响，译码电路较简单，并设有专门的I/O指令，所以编程序易于区分，且执行时间短，快速性好。 缺点：只用I/O指令访问I/O端口，功能有限且要采用专用I/O周期和专用I/O控制线，使微处理器复杂化。

  26. I/O接口的编址方式——内存映射 1）2）I/O接口与存储器统一编址方式——内存映射 • 这种编址方式不区分存储器地址空间和I/O接口地址空间，把所有的I/O接口的端口都当作是存储器的一个单元对待，每个接口芯片都安排一个或几个与存储器统一编号的地址号。也不设专门的输入/输出指令，所有传送和访问存储器的指令都可用来对I/O接口操作。 主要优点：访问内存的指令都可用于I/O操作，数据处理功能强；同时I/O接口可与存储器部分共用译码和控制电路。 缺点：一是I/O接口要占用存储器地址空间的一部分；二是因不用专门的I/O指令，程序中较难区分I/O操作。

  27. DMA I/O DMA I/O • DMA允许设备直接访问内存而不用包含处理器，在数据传输操作开始之前，处理器设置DMA控制器，在数据传输期间，读写操作均不通过处理器。 • DMA传输速度取决于I/O设备的传输速度、内存设备的速度和DMA控制器的速度。 • 通过指定源地址、目的内存地址和传输到DMA控制器长度，处理器建立传输操作。

  28. 字符模式设备与块模式设备 根据设备如何处理与系统之间的数据传输方法可将设备分为字符模式设备和块模式设备 • 字符模式设备：允许非结构的数据传输。数据传输典型地采用串行的形式，每次一个字节；字符设备通常是简单的设备，如串口、键盘等；当系统到设备的传输速率高于设备的处理速率时，设备驱动程序开设缓冲区，缓存这些数据； • 块模式设备：每次传输一个数据块。采用硬件方式控制数据块的大小，有时需要采用固定的传输协议，如USB、以太网等设备

  29. 建立通用的I/O接口函数 I/O操作 设备驱动程序 Create() Open() Read() Write() Close() Loctl() Destroy() Driver_Create() Driver_Open() Driver_Read() Driver_Write() Driver_Close() Driver_Loctl() Driver_Destroy() 应 用 设 备

  30. I/O接口设计 I/O接口电路也简称接口电路。它是主机和外围设备之间交换信息的连接部件（电路）。它在主机和外围设备之间的信息交换中起着桥梁和纽带作用。设置接口电路的必要性： a)解决CPU和外围设备之间的时序配合和通信联络问题。 b)解决CPU和外围设备之间的数据格式转换和匹配问题。 c)解决CPU的负载能力和外围设备端口选择问题。

  31. 通用设计原则（I/O设备） • I/O接口 • 接口的概念 • CPU与外部设备的接口（I/O适配器） • 接口的功能 • 控制 • 缓冲 • 状态 • 转换 • 整理 • 程序中断

  32. 去CPU I/O接口芯片 数据寄存器 状态寄存器 控制寄存器 去I/O设备 通用设计原则（I/O设备） • I/O接口 • 3种寄存器 • 数据寄存器、控制寄存器和状态寄存器

  33. 地址总线 CPU 数据总线 读信号 写总线 译码 译码 存储器 I/O接口 通用设计原则（I/O设备） • I/O设备寻址 • I/O寻址 • 定位I/O设备内部的寄存器（或一小块存储器） • 与存储器共享总线 • 存储器映像法 • 混合编址

  34. 地址总线 CPU 数据总线 读信号 写总线 MERQ/IORQ 存储器 I/O接口 通用设计原则（I/O设备） • I/O设备寻址 • I/O隔离法 • 独立编址 • 信号线MERQ/IORQ • 地址空间

  35. 通用设计原则（I/O设备） • I/O设备的数据输入/输出 • 输入过程 • CPU把一个地址值放在地址总线上，这一步将选择某一输入设备; • CPU等候输入设备的数据成为有效； • CPU从数据总线读入数据，并放在一个相应的寄存器中。 • 输出过程 • CPU把一个地址值放在地址总线上，选择输出设备； • CPU把数据放在数据总线上； • 输出设备认为数据有效，从而把数据取走。 • 究竟什么时候数据才成为有效?

  36. 通用设计原则（I/O设备） • I/O设备的定时方式 • 简单的外围设备 • 机械开关、二极管（无需定时机制， CPU只要接收或发送数据就可以了） • 慢速或中速的外围设备 • 速度和CPU速度不在一个数量级，或不规则时间间隔操作(键盘) • 异步定时方式 • 中断方式 • 查询方式 • 高速的外围设备 • 以相等的时间间隔操作，采样同步定时方式 • 时钟脉冲控制 • DMA

  37. 通用设计原则（I/O设备） • I/O控制方式 • 低速设备 • 程序查询方式 • 程序中断方式 • 高速设备 • DMA • 通道方式 • 外围处理机（PPU）方式

  38. 通用设计原则（I/O设备） • I/O接口 • 程序查询方式 • 读操作流程 1. CPU测试I/O设备状态，等待空闲 2 . CPU下达读命令，测试状态寄存器 3 . 把数据寄存器中的数据读入到CPU中 4 . 重复执行以上各步 • 写操作流程 1 . CPU测试I/O设备状态，等待空闲 2 . 把数据传输到I/O接口芯片的数据寄存器中 3 . CPU下达写命令 4 . 重复执行以上各步 I/O设备 CPU

  39. 通用设计原则（I/O设备） • I/O接口 • 中断 • 一种实现CPU和I/O设备间异步操作的机制

  40. 通用设计原则（I/O设备） • I/O接口 • 中断 • 响应时间（现场保存） • 中断优先级 • 可屏蔽中断 • 不可屏蔽中断 • 中断向量（地址） • 固定/不固定

  41. 通用设计原则（I/O设备） 中断处理 设备 状态寄存器 中断请求 CPU PC 中断应答 数据/地址 数据寄存器

  42. 通用设计原则（I/O设备） • I/O接口 • DMA • I/O设备和存储器直接进行数据传输 • 使用场合 • 速度快，适用于数据连续传输的高速设备 • 基本操作过程 • 从外围设备发出DMA请求； • CPU响应请求，把CPU工作改成DMA操作方式，DMA控制器从CPU接管总线的控制； • 由DMA控制器对内存寻址，并执行数据传送的操作； • 向CPU报告DMA操作的结束。

  43. 通用设计原则（I/O设备） • I/O接口 • DMA传输方式 • 停止CPU访问内存

  44. 嵌入式软件的开发过程

  45. ARM的JTAG调试结构 Angel JTAG

  46. 宿主机调试器 • 宿主机调试器通过固定的协议控制下位机（协议转换器）。比如，SDT中通过Angel协议或者第三方调试器所提供的协议 • 宿主机调试器只发送宏观的命令，比如：程序运行、终止。读内存、ARM寄存器等 • 通讯的介质可以是串口、并口、以太网、USB等

  47. JTAG与Angel • JTAG调试：协议转换器解释上位机传送过来的命令，通过JTAG控制ARM执行。 • Angel调试：协议转换器可以直接做为目标板的Firmware的一部分。直接执行从宿主机传送过来的调试命令；并回送相应的数据。 • Angel可以节省专门的JTAG仿真器，但是，它需要软件，或者是嵌入式操作系统的支持，做不到完全的实时仿真。而JTAG仿真是通过硬件和控制ARM的EmbeddedICE实现的，可以做到实时仿真。

  48. 什么是JTAG？ • JTAG是Joint Test Action Group的缩写是IEEE1149.1标准 • JTAG的建立使得集成电路固定在PCB上，只通过边界扫描便可以被测试 • 在ARM7TDMI处理器中，可以通过JTAG直接控制ARM的内部总线，IO口等信息，从而达到调试的目的

  49. JTAG的典型接口 • TMS： 测试模式选择（Test Mode Select），通过TMS信号控制JTAG状态机的状态 • TCK ：JTAG的时钟信号 • TDI：数据输入信号 • TDO ：数据输出信号 • nTRST：JTAG复位信号，复位JTAG的状态机和内部的宏单元（Macrocell）

  50. JTAG的状态机（TAP）

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