第7章_ARM7系列芯片的外围电路设计

11.嵌入式硬件系统模块2.存储器电路与设计3.键盘输入模块4.显示输出模块5.串行通信模块第7章ARM7系列芯片的外围电路设计27.1嵌入式硬件系统模块7.1.1最小系统结构7.1.2电源电路7.1.3时钟电路7.1.4复位电路7.1.5存储器系统37.1.1最小系统结构嵌入式微控制器是整个系统的核心，负责整个系统的运作，但是它不能独立工作，必须配置额外的外围电路为其提供必要的基本条件。ARMMCU时钟电路复位电路电源电路存储器系统输入设备输出设备调试测试接口所谓最小系统结构，是指在嵌入式微控制器外部增加尽可能少的电路模块，达到一个可以让嵌入式微控制器独立工作的状态。ARMMCU时钟电路复位电路电源电路47.1.2电源电路电源是电子设备不可缺少的重要组成部分，良好的电源设计是系统稳定运行的保障，在进行硬件系统设计之前要估算整个系统的整体功率，然后在进行电源芯片的选型，其性能的优劣直接关系到硬件系统的稳定性和可靠性，以及电磁兼容性。5电源设计的思路使用变压器将220v交流市电降到7v~20v的交流电，然后通过整流电路把交流电整流成直流电，通过滤波采用线性稳压器件，实现电压调节和稳压的作用，将较高的直流电压转变为系统所需的系统工作电源。AC220输入变压整流滤波稳压滤波67.1.3时钟电路基于时序电路的微控制器依靠时钟才能正常工作。晶体振荡器也分为无源晶振（也可称为晶体，crystal）和有源晶振（也可称为振荡器，oscillator）2种类型。LPC2100LPC2200XTAL1XTAL2C2C1LPC2100LPC2200XTAL1XTAL2CClock(a)(b)77.1.4复位电路复位电路是微控制器系统最基本的组成部分，可靠的复位设计是保证系统可靠运行的前提条件。因为数字系统一上电时，其内部状态是不可预知的，所以复位电路的功能就是负责将微控制器内部初始化为某个确定的状态。复位功能•上电复位•按键复位87.1.5存储器系统存储器是计算机系统中用来存放程序和数据的记忆设备。在进行扩展嵌入式存储器时，一般采用存储密度较大的存储器芯片，使其存储容量与应用软件的大小相匹配。另外，对于没有总线接口的微处理器，需要通过I/O口模拟总线时序来访问片外存储器，或者使用I2C、SPI等串行接口连接片外存储器。97.2存储器电路与设计7.2.1嵌入式系统中存储器的分类7.2.2SRAM接口7.2.3SDRAM接口7.2.4PSRAM接口7.2.5NANDFLASH接口7.2.6NORFALSH接口7.2.7存储器与ARM的连接107.2.1嵌入式系统中存储器的分类嵌入式领域中存储器一般可分为两大类：随机访问存储器（RandomAccessMemory，RAM）和只读存储器（ReadOnlyMemory，ROM）。半导体存储器随机读写存储器（RAM）只读存储器（ROM）静态RAM（SRAM）动态RAM（DRAM）紫外线擦除、多次编程式ROM（EPROM）电擦除、多次编程式ROM（EEPROM）闪速存储器（FLASH）伪随机SRAM（PSRAM）NORFLASHNANDFLASH掩模式ROM（MaskROM）一次编程式ROM（PROM）11RAM（随机访问存储器）RAM也可称为读写存储器，其存储单元中的内容在机器运行期间可按需随意读/写，且访问速度与存储单元的位置无关，无需经过中间电路的驱动。因为RAM在断电时将丢失其存储内容，所以主要用于存储短时间使用的程序。根据存储信息原理的不同，RAM又可以分为SRAM（StaticRAM，静态随机存储器）、SDRAM（SynchronousDynamicRAM，同步的动态随机存储器）和PSRAM（PseudoStaticRAM，假静态随机存储器）。12ROM（只读存储器）ROM是一种只能读出预先存储数据的固态半导体存储器，其特性是ROM所存的数据稳定，断电后数据不会改变；其结构较简单，读出较方便，因而常用于存储各种固定程序和数据。ROM可以分为掩膜式只读存储器（MROM）、可编程只读存储器（PROM）、可擦可编程序只读存储器（EPROM）、电可擦可编程只读存储器（E2PROM）和闪速存储器（FLASHMemory）。13FLASH存储器FLASH是在EPROM和E2PROM基础上发展起来的，兼有RAM和ROM两者的优点，是一种可在系统（In-System）进行电擦写，掉电后信息不丢失的存储器。其具有高集成度、大容量、高速度、低成本的特点。根据不同的应用场合，FLASH的实现技术分为NOR型FLASH和NAND型FLASH。147.2.2SRAM接口1.SRAM特点具有极高的读写速度SRAM属于易失性存储器，电源掉电后SRAM中的数据将会丢失2.逻辑结构存储矩阵双向数据缓冲器地址译码器存储器读/写控制逻辑An-1~A0CSOEDm-1~D0WE15静态RAM的逻辑结构1.存储矩阵2.存储器读/写控制逻辑3.双向数据缓冲器4.地址译码器主要有两种实现方式：单译码方式，双译码方式。单元1地址译码器单元0单元3单元2单元5单元4单元7单元6A2A0A1X译码器单元00A2A0A1单元03单元02单元01单元10单元13单元12单元11单元20单元23单元22单元21单元30单元33单元32单元31Y译码器A3013201230123456716举例：IS61LV25616AL芯片美国ISSI公司的IS61LV25616AL芯片是采用高性能CMOS技术、高速16位512KB的SRAM。IS61LV25616AL芯片内部逻辑结构IS61LV25616AL芯片的引脚描述IS61LV25616AL芯片与LPC2100/2200系列的连接示意图177.2.3SDRAM接口1.SDRAM特点数据的读写需要时钟来同步，并且需要不断的刷新电路来保证数据的不丢失可以自由指定地址进行数据的读写2.逻辑结构18动态RAM的逻辑结构1.存储阵列BANK2.BANK控制逻辑1234567891011121314151617234567891011121314列地址（Column）行地址（Row）存储单元19举例：HY57V561620芯片韩国现代HY57V561620芯片是支持自动刷新（Auto-Refresh）和自刷新（Self-Refresh）功能的4M×4bank×16位（32M字节）的SDRAM。HY57V561620芯片引脚描述HY57V561620芯片与LPC2100/2200系列的连接示意图207.2.4PSRAM接口1.PSRAM特点内部结构跟SDRAM相似，外部接口却跟SRAM相似PSRAM容量没有SDRAM密度高，但是比SRAM高很多，支持突发模式；价格上比相同容量的SDRAM稍贵，却比SRAM便宜很多；比较于SDRAM，PSRAM的功耗要低很多21举例：MT45W4Mx16PFA芯片MT45W4Mx16PFA芯片是一种高速、CMOS动态随机存取存储器，其存储容量为4Meg*16bit的64Mb，适用于低功耗的便携式应用。MT45W4Mx16PFA芯片引脚描述MT45W4Mx16PFA芯片与LPC2100/2200系列的连接示意图227.2.5NANDFLASH接口1.NANDFLASH接口的特点共用地址线和数据线，需要控制信号线来配合数据的读和写I/O端口只有8个，不能按字节随机编程，适合于纯数据和文件存储。速度要比NOR型的并行传输模式慢很多，读操作较慢；由于芯片尺寸小，引脚少，NAND型是位成本（bitcost）最低的固态存储器。2.逻辑结构23NANDFLASH的逻辑结构CPU与NANDFLASH的通信（地址信息、命令信息和数据信息）只能通过I/O[7:0]进行传递，地址信息分别对应产生出访问存储阵列的列地址、页地址和块地址。NANDFLASH以页（528Bytes）为单位读写数据，再以块（32个页）为单位擦除数据，NANDFLASH的具体容量由FLASH上有多少个块所决定，NANDFLASH中包括三类地址：列地址（A7~A0）、页地址和块地址第1页第1页第2页第2页块块页面寄存器页面寄存器512字节512字节1块=32页1块=32页8位8位I/O7~I/O0I/O7~I/O0512字节512字节24举例：K9F28XXU0C芯片韩国三星公司的K9F28XXU0C是一个含有4M位备用容量的128M位Flash存储器，提供16M8位或8M16位两种结构。IS61LV25616AL芯片内部逻辑结构IS61LV25616AL芯片的引脚描述IS61LV25616AL芯片与LPC2100/2200系列的连接示意图257.2.6NORFLASH接口1.NORFLASH接口的特点数据线和地址线是独立分开的，所以它可以像SRAM一样与系统的数据总线相连传输效率很高支持芯片内执行(XIP，eXecuteInPlace)程序，因此嵌入式系统中经常将NOR芯片做启动芯片使用。26举例：SST39V160芯片SST公司的SST39V160芯片容量为2MB，数据宽度为16bit的CMOS多功能FLASH器件。SST39V160芯片内部逻辑结构SST39V160芯片的引脚描述SST39V160芯片与LPC2100/2200系列的连接示意图277.2.7存储器与ARM的连接具体连接方法和原则数据总线控制总线地址总线ARMA12~A08K×88K×8D15~D0D31~D16CSOEWE存储器的控制信号主要有芯片使能、读/写、读写控制、行列地址选择和时钟等信号，由这些信号的组合实现了对存储器的读写访问所特有的时序约束要求。32位ARM的地址空间为4GB，采用统一编址的方式，即主存地址空间和外设接口地址空间是统一在同一个地址空间的不同区间，不同的厂家的处理器的地址空间分配不同。287.3键盘输入模块7.3.1键盘工作原理7.3.2键盘的硬件电路7.3.3键盘的驱动297.3.1键盘工作原理键盘是嵌入式系统中不可缺少的、最基本的输入设备。组成键盘的按键有机械式、电容式、导电橡胶式、薄膜式等多种。按结构形式可分为：•非编码键盘•编码键盘主要通过硬件方法来产生键码值，键盘本身会带有实现键盘功能所必需的硬件电路。优点是接口简单、使用方便；缺点是硬件电路较复杂，价格较贵。主要通过软件方法产生键码值，键盘本身只是按键开关组成的行列矩阵，而相应的按键的识别、键码的确定、去抖动等功能均由程序完成，非编码键盘结构简单，成本低廉。307.3.1键盘工作原理键盘接口的功能•去抖动•防串键•按键识别•键码产生键盘接口的工作原理•检查是否有键按下•去抖动•被按键识别•产生键码317.3.2键盘的硬件电路常用键盘按键电路一般分为“独立式按键电路”、“专用芯片式电路”和“矩阵式电路”几种。327.3.3键盘的驱动键盘扫描的过程是将行线逐列置成低电平，然后读取列线状态，直到列线中出现低电平，这时可知哪一行是低电平；然后将行线与列线的状态装入键码寄存器，进行按键译码，得到按下的按键的相应编码，这样就完成了按键扫描过程。337.4显示输出模块7.4.17段数码管的工作原理7.4.2LCD的工作原理347.4.17段数码管的工组原理在嵌入式系统中，经常用到7段数码管显示器来显示系统的工作状态、运算结果等各种信息，7段数码管显示器是嵌入式系统与人进行人机对话的一种重要输出设备。357段数码管显示器中二极管的连接方法：•共阳极接法•共阴极接法367.4.2LCD的工作原理液晶显示器LCD（LiquidCrystalDisplay）是一种极低功耗的显示器，既可以显示汉字、字符和图形，又同时具有高清晰度、大信息量、功耗低、体积小、重量轻、超薄等优点。被广泛用于嵌入式系统中的智能仪器、仪表和低功耗电子产品中。37LED和LCD的区别(1)LED一般使用直流电，而LCD需使用交变的电压。(2)LCD因为本身不发光，因此较LED更为省电。(3)LED是个发光源，因此在黑暗中更加醒目，