嵌入式课程设计基于ARM9S3C2410微处理器设计

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基于ARM9的S3C2410微处理器的设计摘要嵌入式系统(Embedded System)是一种包括硬件和软件的完整的计算机系统,它的定义是:“嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,并且软硬件可剪裁,适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗有严格要求的专用计算机系统。

”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能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。

嵌入式系统是以应用为中心,与计算机技术为基础,软硬件可配置,对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格约束的专用系统,所用的计算机称为嵌入式计算机。

传统的计算机分类是按照计算机的处理字长、体系结构、运算速度、结构规模、适用领域进行的,如通常所说的大型计算机、中型机、小型机和微型计算机,并以此标准来组织学科和产业分工。

关键词:嵌入式系统;嵌入式浏览器;微处理器;ARM9目录1嵌入式简介 (1)1.1嵌入式系统的概念 (1)1.2嵌入式系统的架构 (1)1.3嵌入式系统的发展历程及现状 (1)1.4嵌入式操作系统的特点 (2)1.5嵌入式系统的应用领域 (2)1.6嵌入式系统在机顶盒中的应用 (3)1.7嵌入式系统的发展趋势 (3)2 ARM处理器 (4)2.1ARM处理器特点 (4)2.2ARM体系结构的扩充 (4)3 RAM和ROM总线外接图 (5)4 ARM I/O结构 (6)5 S3C2410A提供一组完整的系统外围设备 (6)6 S3C2410的I/O口工作原理 (8)总结 (9)致谢 (10)参考文献 (11)1嵌入式简介1.1嵌入式系统的概念嵌入式系统(Embedded System)是一种包括硬件和软件的完整的计算机系统,它的定义是:“嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,并且软硬件可剪裁,适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗有严格要求的专用计算机系统。

”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能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。

1.2嵌入式系统的架构嵌入式系统作为一类特殊的计算机系统,自底向上包含有3个部分:(1)硬件环境:是整个嵌入式操作系统和应用程序运行的硬件平台,硬件平台包括嵌入式处理器和外围设备。

嵌入式处理器是嵌入式系统的核心,是控制、辅助系统运行的硬件单元。

(2)嵌入式操作系统:完成嵌入式应用的任务调度和控制等核心功能。

具有内核较精简、可配置、与高层应用紧密关联等特点。

嵌入式操作系统具有相对不变性。

(3)嵌入式应用程序:运行于操作系统之上,利用操作系统提供的机制完成特定功能的嵌入式应用。

不同的系统需要设计不同的嵌入式应用程序。

1.3嵌入式系统的发展历程及现状嵌入式系统是先进的计算机技术、半导体技术、电子技术以及各种具体应用相结合的产物,是技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的新型集成知识系统。

它起源于微型机时代,近几年网络、通信、多媒体技术的发展为嵌入式系统应用开辟了广阔的天地,使嵌入式系统成为继PC和Internet之后,IT界的新技术热点。

20世纪70年代发展起来的微型计算机,由于体积小、功耗低、结构简单、可靠性高、使用方便、性能价格比高等一系列优点,得到了广泛的应用和迅速的普及。

微型机表现出的智能化水平引起了控制专业人士的兴趣,要求将微型机嵌入到一个对象体系中,实现对象体系的智能化控制。

进入20世纪90年代,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。

20世纪90年代后,伴随着网络时代的来临,网络、通信、多媒体技术得以发展,8/16位单片机在速度和内存容量上已经很难满足这些领域的应用需求。

而由于集成电路技术的发展,32位微处理器价格不断下降,综合竞争能力已可以和8/16位单片机媲美。

32位微处理器面向嵌入式系统的高端应用,由于速度快,资源丰富,加上应用本身的复杂性、可靠性要求等,软件的开发一般会需要操作系统平台支持。

1.4嵌入式操作系统的特点这些年来掀起了嵌入式系统应用热潮的原因主要有几个方面:一是芯片技术的发展,使得单个芯片具有更强的处理能力,而且使集成多种接口已经成为可能,众多芯片生产厂商已经将注意力集中在这方面。

另一方面的原因就是应用的需要,由于对产品可靠性、成本、更新换代要求的提高,使得嵌入式系统逐渐从纯硬件实现和使用通用计算机实现的应用中脱颖而出。

(1)系统内核小;(2)专用性强;(3)系统精简;(4)高实时性的系统软件(OS)是嵌入式软件的基本要求。

而且软件要求固态存储,以提高速度;软件代码要求高质量和高可靠性【2】。

(5)嵌入式软件开发要想走向标准化,就必须使用多任务的操作系统。

嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行;但是为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口,用户必须自行选配RTOS(Real-Time Operating System)开发平台,这样才能保证程序执行的实时性、可靠性,并减少开发时间,保障软件质量。

(6)嵌入式系统开发需要开发工具和环境。

由于设计完成以后用户通常是不能对其中的程序功能进行修改的,必须有一套开发工具和环境才能进行开发,这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。

开发时往往有主机和目标机的概念,主机用于程序的开发,目标机作为最后的执行机,开发时需要交替结合进行。

1.5嵌入式系统的应用领域嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景,其应用领域可以包括:(1)工业控制;(2)交通管理;(3)信息家电;(4)家庭智能管理系统;(5)POS网络及电子商务:(6)环境工程与自然:。

(7)机器人这些应用中,可以着重于在控制方面的应用。

就远程家电控制而言,除了开发出支持TCP/IP的嵌入式系统之外,家电产品控制协议也需要制订和统一,这需要家电生产厂家来做。

同样的道理,所有基于网络的远程控制器件都需要与嵌入式系统之间实现接口,然后再由嵌入式系统来控制并通过网络实现控制。

所以,开发和探讨嵌入式系统有着十分重要的意义【4】。

1.6嵌入式系统在机顶盒中的应用数字电视技术的不断发展,使得广播电视从模拟时代进入数字化时代成为历史的必然,因为采用全数字传输,不仅能提高视听质量,节约频率资源,而且服务内容和形式会更加丰富多彩,作为模拟电视到数字电视过渡技术的数字机顶盒技术将在我国长期存在和发展。

1.7嵌入式系统的发展趋势信息时代,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。

(2)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如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一,结构更加复杂。

(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。

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【1】。

2 ARM处理器2.1ARM处理器特点(1)小体积、低功耗、成本低、高性能;采用RISC指令集大量使用寄存器,指令执行速度更快ARM/THUMB指令支持三/五级流水线(2)高效的指令系统,支持Thumb(16 位)/ARM(32 位)双指令集,能很好的兼容8 位/16 位器件;2.2ARM体系结构的扩充(1)Thumb:16位指令集,用以改善代码密度;(2)DSP:用于DSP应用的算术运算指令集;(3)Jazeller:允许直接执行Java代码的扩充【2】。

ARM9采用哈佛(Harvard)结构,程序存储器与数据存储器分开,提供了较大的存储器带宽。

同时,大多数DSP都采用此结构。

ARM9为五级流水(取指,译码,执行,缓冲/数据,回写),平均功耗为0.7mW/MHz。

时钟速度为120MHz-200MHz,每条指令平均执行1.5个时钟周期。

ARM9系列微处理器包含ARM920T、ARM922T和ARM940T三种类型,以适用于不同的应用场合如下表1表一ARM9 Family。

3 RAM和ROM总线外接图ARM架构的处理器,有的带有指令Cache和数据Cache,但片内不带有片内RAM和片内ROM,系统所需的RAM和ROM须通过总线外接,如下图1。

图1 RAM与ROM总线外接图4 ARM I/O结构ARM架构中的处理器核和处理器内核一般都没有I/O的部件和模块,构成ARM架构的处理器中的I/O可通过AMBA总线来扩充。

(1)存储器映像I/OARM采用存储器映像I/O的方式,即把I/O端口地址作为特殊的存储器地址。

不过I/O的输入/输出与真正的存储器读/写仍然有所不同:存储器的单元重复读多次的值是一致的;而I/O设备的连续2次输入,其输入值可能会有所不同【3】。

(2)直接存储器存取DMA在I/O的数据流量比较大,中断处理比较频繁的场合,会明显影响系统的性能。

因此,许多系统就采用了直接存储器存取DMA,这样,I/O的数据块传送至存储器的缓冲器区域就不需要处理器介入。

而中断也仅仅出现在出现出错时或缓冲器满时。

(3)中断IRQ和快速中断FIQ一般的ARM没有DMA的功能,为了提高I/O处理的能力,对于一些要求I/O处理速率比较高的事件,系统安排快速中断FIQ(Fast Interrupt),而对其余的I/O源仍安排一般中断IRQ。