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武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院ARM嵌入式系统综合设计基础——基于PXA255嵌入式系统主讲人：谢银波《《电子系统综合设计电子系统综合设计》》教学课程之教学课程之本节提要111333222555444666基于PXA255的硬件系统结构存储器接口设计网络接口设计I/O接口设计人机交互接口设计其它接口设计PXA255处理器的内部结构基于IntelXscale微架构处理器PXA255嵌入式开发平台基于IntelXscale微架构处理器PXA255嵌入式开发平台USBHostcontrollerPXA255ApplicationprocessorIrDAFFUARTMMC/SDCardBTUARTTouchScreenSPItoTouchScreenUSBClientLCDSDRAMFlashMemoryBootROMCPLD&BoardlevelRegistersDriverandTransceiverCompactFlashAC97CodecCS4201AudioJackDebugLedsAccelerometersensorHEX-encodingswitchesExpansion-cardslotPowerSystemEthernetControllerPXA255处理器特性PXA255除了XScale内核外，还具有以下特点：1、内核工作频率：200、300、400MHZ。2、系统存贮器接口：—100MHZSDRAM。—4MB至256MBSDRAM存贮器。—支持16、64、128、256MbitDRAM技术。—4个SDRAM区，每个支持64MB存贮器。—时钟允许（1个CKE脚用于把整个SDRAM接口置为自我刷新）。—支持多至6个静态存贮器器件（SRAM、Flash、ROM或VLIO）。—支持2个PCMCZA/CF卡插槽。3、时钟和电源控制器—3.6864MHZ振荡器，具有核PLL和外围PLL，可产生各种工作频率。—32.768KHZ振荡器可驱动实时时钟、电源管理器和中断控制器。—电源控制器可控制快速/运行、空闲和睡眠工作方式。PXA255处理器特性4、DMA控制器—具有16个有优先级的通道，可为内部外设和外部芯片提供服务。—采用描述器（Descriptor）允许命令链和循环结构。—支持字、半字和字节数据传送。5、LCD控制器—支持被动（DSTN）和主动（TFT）LCD显示。—最大分辨率800*600*16。—两个专用DMA通道允许LCD控制器支持单层或双层显示。6、系统集成模块—GPIO，每个可分别程控为输出或输入，作输入时可在上升或下降沿时产生中断。有些GPIO具有第2功能，可用于各种外围功能。—中断控制器，所有中断可置为内核的IRQ或FIO中断。—实时时钟（RTC），可产生周期性中断，可把应用处理机从睡眠状态唤醒。—OS定时器，有一个3.68MHZ参考计数器和四个符合寄存器。—PWM，有两路独立的输出，可驱动二根GPIO。PXA255处理器特性7、串行通讯口—USB从机模块，支持USBV1.1，可存在6个端点，具有内部产生的48MHZ时钟。—具有三个UART，每个均可有慢速红外接口功能—高速红外（FIR）通讯口，基于4MbpsIrDA标准，可直接与外部IrDALED相连。—同步串行规程控制器（SSPC），提供全双工同步串行接口，位速率为7.2KHZ至1.84MHZ。—I2C总线接口单元。8、多媒休通讯口—AC97控制器—I2S控制器—多媒体卡（MMC）控制器本节提要111333222555444666基于PXA255的硬件系统结构存储器接口设计网络接口设计I/O接口设计人机交互接口设计其它接口设计PXA255与SDRAM存储器接口„SDRAM是在嵌入式系统设计时最常用的一类DRAM，其全称是同步动态随机存储器（SynchronousDynamicRandomAccessMemory）。SDRAM由于集成度高，单片存储容量大，并写读/写速度快，因此在设计嵌入式系统时，经常用其作为主存储器。„SDRAM类型的存储器芯片有很多，其中,HY57V561620系列是一种容量为4M×4bank×16bit（32MByte）的SDRAM，K4S561632亦为4M×4bank×16bit（32MByte）SDRAM。„注意：芯片内部的4bank不是指该芯片需要占用处理器芯片的四个存储块，而是指SDRAM芯片内部把32MB的容量分成了4块存储区，每块存储区的容量为4M×16bit。„SDRAM内存容量的计算方法：2^Bank×2^Row×2^Column×ORG(bit)PXA255支持的SDRAM类型SDRAM接口•4partitionselects(nSDCS[3:0])•4byteselects(DQM[3:0])•15multiplexedbank/row/columnaddresssignals(MA[24:10])•1writeenable(nWE)•1column-addressstrobe(nSDCAS)•1row-addressstrobe(nSDRAS)•1clockenable(SDCKE[1])•2clocks(SDCLK[2:1])•32data(MD[31:0])K4S561632A芯片引脚及功能图HY57V651620芯片引脚及功能图与2片32M的SDRAM的连接方法•4partitionselects(nSDCS[3:0])•4byteselects(DQM[3:0])•15multiplexedbank/row/columnaddresssignals(MA[24:10])•1writeenable(nWE)•1column-addressstrobe(nSDCAS)•1row-addressstrobe(nSDRAS)•1clockenable(SDCKE[1])•2clocks(SDCLK[2:1])•32data(MD[31:0])SDRAM空间映射PXA255与SDRAM连接方式(NormalBankAddressing)PXA255与SDRAM的连接方式PXA255与FLASH存储器接口„在嵌入式系统中，有许多信息是在关闭系统电源后，不允许丢失，如编写调试好的系统程序、设定好的参数、设定的工作模式等，这些信息均需要非易失性存储器来存储。„NANDFLASH类型的存储器因单片容量大，且写入的速度较快，成为嵌入式系统经常采用的一类非易失性存储器。常用芯片有：K9F6408。„NORFLASH是另一类常用的非易失性存储器，它的特点是读出速度较快，但其单片容量相对较小，写入速度慢，且价格较贵，因此，比较适合用于小代码的存储。常用芯片有：E28F128J3A（32M）E28F128J3A芯片引脚及功能图Flash空间映射与2片16M的FLASH的连接方法PXA255与Flash的连接方式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NAND和NOR——接口差别„NORflash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„NANDflash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NAND和NOR——容量和成本„NANDflash生产过程更为简单，成本低„常见的NORflash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、SecureDigital、PCCards和MMC存储卡市场上所占份额最大NAND和NOR——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NANDflash中更突出，需要ECC纠错„NANDflash中坏块随机分布，需要通过软件标定——产品量产的问题本节提要111333222555444666基于PXA255的硬件系统结构存储器接口设计网络接口设计I/O系统设计人机交互接口设计其它接口设计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。设备驱动程序I/O设备硬件RTOSI/O子系统应用程序中断处理程序从不同角度看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。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。I/O设备10X00000XFFFFI/O设备2I/O地址空间0X0000系统地址空间0XFFFF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。I/O接口的编址方式——内存映射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。I/O设备10X00000XFFFFI/O设备2保留I/O地址空间I/O设备硬件系统地址空间应用使用地址空间应用使用地址空间主要优点：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。DMAI/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。CPUDMA控制器主存储器I/O设备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、以太网等设备建立通用的I/O接口函数Create()Open()Read()Write()Close()Loctl()Destroy()Driver_Create()Driver_Open()Driver_Read()Driver_Write()Driver_Close