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第 3 章 硬件设计与实现

第 3 章 硬件设计与实现. 本章目标. 如何进行硬件设计； 单元电路是怎么表达的。 硬件电路是如何转换成实物的. 本章结构. 3.1 、 S3C2440A 组成结构 3.2 、系统核的设计 3.3 、 LCM 接口电路的设计 3.4 、 RS-232 接口的设计 3.5 、 RS-485 接口的设计 3.6 、以太网接口电路的设计 3.7 、硬件的实现. 3.1 、 S3C2440A 组成结构. 3.1.1 、组织结构 3.1.2 、存储器分布. 3.1.1 、 组织结构（ 1 ）.

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第 3 章 硬件设计与实现

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Presentation Transcript

  1. 第3章 硬件设计与实现

  2. 本章目标 • 如何进行硬件设计； • 单元电路是怎么表达的。 • 硬件电路是如何转换成实物的

  3. 本章结构 3.1、S3C2440A组成结构 3.2、系统核的设计 3.3、LCM接口电路的设计 3.4、RS-232接口的设计 3.5、RS-485接口的设计 3.6、以太网接口电路的设计 3.7、硬件的实现

  4. 3.1、S3C2440A组成结构 3.1.1、组织结构 3.1.2、存储器分布

  5. 3.1.1、组织结构（1） S3C2440A芯片采用ARM公司的ARM920T的32位CPU核， 并集成了ARM结构的MMU单元，各有16KB的指令缓存和数 据缓存，最大寻址空间为1G字节。S3C2440A芯片包含了丰 富的接口电路，如下图所示。

  6. 3.1.1、组织结构（2）

  7. 3.1.2、存储器分布 内存映射图

  8. 3.2、系统核的设计 3.2.1、CPU电路设计 3.2.2、复位电路的设计 3.2.3、晶振电路的设计 3.2.4、存储系统设计 3.2.5、Nand Flash 电路的设计 3.2.6、EEPROM 电路的设计 3.2.7、JTAG电路的设计 3.2.8、RTC电路的设计

  9. 3.2.1、CPU电路设计 S3C2440A核心电路设计需要注意： （1）电源 S3C2440A同时需要多种电源，要合理的设计电源。 （2）功能配置引脚 S3C2440A很多配置引脚选择不同的功能，根据需求配置引脚。 （3）与外部接口的设计 做好与外部电路的衔接。

  10. 3.2.2、SDRAM设计（1） ARM处理器支持8位/16位/32位存储系统，8位的存储系统现 在很少使用，16位的存储在成本和功耗上具有优势，32位的 存储系统能够最大的发挥系统的性能。S3C2440A是32位的 处理器，外部的总线也是32位的，为了发挥高性能 。 处理器的A0、A1并没有用，这是因为在处理器的存储空间 中，字节是表示存储容量的唯一单位，32位总线每个数据包 含四个字节，存储器的A1：A0对应处理器的A3:A2，依次类 推，对存储器进行操作时，处理器会忽略掉A1、A0。

  11. 3.2.2、SDRAM设计（2） 由于SDRAM的速度比较高，在PCB设计的时候需要特别的 注意 • 先布数据线后布地址线和控制线； • 数据线最好等长； • 地址线和控制线的源端串入小的匹配电阻

  12. 3.2.3、NAND Flash电路设计 S3C2440A支持Nand FLASH启动，启动代码存放在Nand FLASH，Nand FLASH的前4K被自动装载的固定的地址，硬 件ECC对数据的正确性进行校验。前4K代码的主要任务是将 Nand FLASH代码考到SDRAM，并执行其中的代码，这段 代码主要起搬运工的作用。 下面是NAND的指令集

  13. 3.2.4、JTAG电路的设计（1） JTAG(Joint Test Action Group;联合测试行动小组)是一种国 际标准测试协议（IEEE 1149.1兼容），主要用于芯片内部 测试。现在多数的高级器件都支持JTAG协议，如DSP、 FPGA器件等。标准的JTAG接口是4线：TMS、TCK、 TDI、TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出 线 。 具有JTAG口的芯片都有如下JTAG引脚定义： • TCK——测试时钟输入； • TDI——测试数据输入，数据通过TDI输入JTAG口； • TDO——测试数据输出，数据通过TDO从JTAG口输出； • TMS——测试模式选择，TMS用来设置JTAG口处于某种特定的测试模式。 • 可选引脚TRST——测试复位，输入引脚，低电平有效

  14. 3.2.4、JTAG电路的设计（2） S3C2440A JTAG电路

  15. 3.3、LCM接口电路的设计 3.3.1、LCM液晶模块 3.3.2、硬件电路设计

  16. 3.3.1、LCM液晶模块（1） SG12864液晶模块使用ST7920控制器，并配合使用ST7921 驱动器来形成产品，其中所有的操作针对ST7920完成， ST7920通过8位并行方式连接微处理器。SG12864液晶模块 的原理框图如下图所示。

  17. 3.3.1、LCM液晶模块（2） SG12864液晶模块 （1）点阵128X64 （2）黑白模式 （3）5V供电 （4）带字库

  18. 3.3.2、硬件电路设计（1） S3C2440A对LCM的操作，类同于对外部8位存储器的操 作，不过要注意时序的匹配。当片选nGCS4有效，而且读信 号nOE或写信号nWE有效时，E有效。逻辑表达式如下： E = not (( nOE and nWE ) or nGCS4) 选择LCM液晶模块时，应注意逻辑电平与CPU接口逻辑电平 的兼容性。在本系统中，CPU接口的电源为3.3V，所以LCM 接口的电源也应该选用3.3V，这样逻辑电平才能匹配。

  19. 3.3.2、硬件电路设计（2） 硬件电路图

  20. 3.4、RS-232接口的设计 4.4.1、RS-232C标准 4.4.2、RS-232通信基本原理 4.4.2、RS-232接口电路设计

  21. 3.4.1、RS-232C标准（1） RS-232C标准规定发送数据线TXD和接收数据线RXD均采用 EIA电平，即传送数字“1”时，传输线上的电平在-3V~15V之 间；传送数字“0”时，传输线上的电平在+3~+15V之间，但单 片机串行口采用正逻辑的TTL电平，这样就存在TTL电平与 EIA电平之间的转换问题。当单片机与PC机进行串行通信 时，PC机串口的引脚TXD信号是EIA电平，不能直接与单片 机串行口接收端RXD引脚相连。

  22. 3.4.1、RS-232C标准（2） RS232C与TTL之间电平转换芯片主要有传输线发送器 MCl488(把TTL电平转成EIA电平)、传输线接收器MC1489 （把EIA电平转成TTL电平）以及MAX232系列RS232电平转 换专用芯片。

  23. 3.4.2、RS-232通信基本原理（1） RS-232俗称串口，计算机上一种非常通用设备通信的协议。 大多数计算机包含两个基于RS232的串口。串口同时也是仪 器仪表设备通用的通信协议；很多GPIB兼容的设备也带有 RS-232口。同时，串口通信协议也可以用于获取远程采集设 备的数据。 （1）波特率 （2）数据位 （3）停止位

  24. 3.4.2、RS-232接口电路设计（2） RS-232采用EIA电平，而S3C2440A的UART是TTL电平，所 以要使用RS-232接口芯片来进行电平转换，本系统采用 MAX3232芯片，电路如下图所示。

  25. 3.5、RS-485接口的设计 3.5.1、RS-422总线 3.5.2、RS-485总线 3.5.3、MAX3485芯片简介 3.5.4、硬件电路设计

  26. 3.5.1、RS-422总线 RS-422（EIA RS-422-A Standard）是Apple的Macintosh计 算机的串口连接标准。RS-422使用差分信号，RS-232使用 非平衡参考地的信号。差分传输使用两根线发送和接收信 号，对比RS-232，它能更好的抗噪声和有更远的传输距离。 在工业环境中更好的抗噪性和更远的传输距离是一个很大的 优点。 RS-422是全双工的。

  27. 3.5.2、RS-485总线 RS-485（EIA-485标准）是RS-422的改进，因为它增加了设备的个数，从10个增加到32个，同时定义了在最大设备个数情况下的电气特性，以保证足够的信号电压。有了多个设备的能力，你可以使用一个单个RS-422口建立设备网络。出色抗噪和多设备能力，在工业应用中建立连向PC机的分布式设备网络、其他数据收集控制器、HMI或者其他操作时，串行连接会选择RS-485。RS-485是RS-422的超集，因此所有的RS-422设备可以被RS-485控制。RS-485可以用超过4000英尺的线进行串行通行。 RS-485是半双工的。

  28. 3.5.3、MAX3485芯片简介 MAX3485是3.3V供电的RS-485接口芯片，有一个驱动器和 一个接收器，接收器将差分电平转换为TTL/CMOS电平，驱 动器将TTL/CMOS输入电平转换为差分电平。 MAX3485是半双工的接口芯片，分时收发，由引脚RE和DE 的电平进行收发控制。连接原理的示意图如下。

  29. 3.5.4、硬件电路设计 RS-485与RS-232的主要差别是传输高低电平时的物理信号 不同。S3C2440A有UART接口，通过专用的RS-485接口芯 片可以转换为RS-485接口。 本系统采用MAX3485芯片，原理图如下。

  30. 3.6、以太网接口电路的设计 3.6.1、CS8900芯片简介 3.6.2、硬件电路设计

  31. 3.6.1、CS8900芯片简介 CS8900芯片是Cirrus Logic公司生产的一种局域网处理芯 片，它的封装是100-pin TQFP，内部集成了在片RAM、 10BASE-T收发滤波器，并且提供8位和16位两种接口。 系统工作时，应首先对网卡芯片进行初始化，即写寄存器 LINECTL、RXCTL、RCCFG、BUSCT。发数据时，写控制 寄存器TXCMD，并将发送数据长度写入TXLENG，然后将 数据依次写入PORT0口，如将第一个字节写入300H，第二 个字节写入301H，第三个字节写入300H，依此类推。网卡 芯片将数据组织为链路层类型并添加填充位和CRC校验送到 网络。同样，单CPU查询ISO的数据，当有数据来到后，读 取接收到的数据帧。读数据时，CPU依次读地址300H， 301H，300H，301H…。

  32. 3.6.2、硬件电路设计 硬件电路设计

  33. 3.7、硬件的实现 3.7.1、EDA工具的简介 3.7.2、原理图的设计 3.7.3、PCB的设计

  34. 3.7.1、EDA工具的简介 EAD技术是在电子CAD技术基础上发展起来的计算 机软件系统，是指以计算机为工作平台，融合了应 用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术 的最新成果，进行电子产品的自动设计。 主要的EDA供应商 （1）Mentor Graphics （2）Cadence （3）Protel

  35. 3.7.2、原理图设计（1） 原理图即电路图，用导线将电源、开关、用电器连接起来组 成电路，再按照统一的符号将它们表示出来，这样绘制出的 就叫做电路图。 总体方案的设计与选择 （1）总体方案的设计与选择 • 提出方案 • 方案比较与论证 • 确定方案

  36. 3.7.2、原理图设计（2） （2）单元电路的设计与选择 • 单元电路结构形式的选择与设计 • 元器件的选择 （3）单元电路之间的级联设计 • 电气性能相互匹配问题 • 信号耦合方式 • 时序配合 （4）画出总体电路草图

  37. 3.7.2、原理图设计（3） （5）总体电路试验 • 审图 • 电子电路组装 • 试验步骤：先局部，后整体 （6）绘制正式的总体电路图

  38. 3.7.3、 PCB的设计（1） 印制电路板(PCB)是电子产品中电路元件和器件的支撑 件．它提供电路元件和器件之间的电气连接。随着电于技术 的飞速发展，PGB的密度越来越高。PCB设计的好坏对抗干 扰能力影响很大．因此，在进行PCB设计时．必须遵守PCB 设计的一般原则，并应符合抗干扰设计的要求。 PCB绘制的步骤如下： （1）电路版设计的先期工作 生成的网络表。 手工更改网络表

  39. 3.7.3、 PCB的设计（2） （2）建立封装库 （3）设置PCB环境 设置工作环境 规划电路板 （4）导入网络表 （5）布局 （6）设置布线规则 安全间距 走线层面和方向 过孔形状 走线线宽

  40. 3.7.3、 PCB的设计（3） （7）自动布线和手工调整 自动布线 手工调整 （8）DRC （9）添加泪滴 （10）覆铜 （11）再次DRC （12）整理文档

  41. 本章总结 • 本章主要介绍嵌入式硬件单元电路的设计方法和实现的方式 ，并对开发设计的到相关知识和工具做了简介。

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