基于S3C4510B型微處理器的最小系統(tǒng)設(shè)計

摘要：介紹S3C4510B型ARM微處理器和基于該處理器設(shè)計的最小系統(tǒng)，概述該系統(tǒng)外圍應(yīng)用電路的選型，以便使用者自行設(shè)計開發(fā)。
關(guān)鍵詞：ARM；微處理器；S3C4510B；最小系統(tǒng)；設(shè)計

1 引言
    ARM（Advanced RISC Machines），既可以認(rèn)為它是一個公司的名字，也可以認(rèn)為它是一類微處理器的統(tǒng)稱，還可以認(rèn)為它是一種技術(shù)名稱，習(xí)慣上稱之為"高級精簡指令集計算機(jī)機(jī)器公司"。目前，各種各樣ARM微處理器的設(shè)備應(yīng)用數(shù)量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了通用計算機(jī)。在工業(yè)和服務(wù)領(lǐng)域中，使用ARM微處理器的數(shù)字機(jī)床、智能工具、工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人正在逐漸改變著傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)和服務(wù)方式。因此，基于ARM微處理器的開發(fā)應(yīng)用正成為數(shù)據(jù)時代的應(yīng)用技術(shù)潮流。本文介紹S3C4510B型ARM微處理器最小系統(tǒng)的構(gòu)建，并給出系統(tǒng)外圍相關(guān)器件的選型。

2 S3C4510B
    S3C4510B是韓國三星公司（Samsung）基于以太網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的高性價比16/32位RISC微處理器，內(nèi)含1個由ARM公司設(shè)計的低功耗、高性能16/32位ARM7TDMI型RISC處理器核，最適合用于對價格和功耗敏感的應(yīng)用領(lǐng)域。

    S3C4510B的工作電壓為3.3V，總高主頻為50MHz，采用208引腳QFP封裝。其外部數(shù)據(jù)總線（雙向、32位）支持外部8、16位、32位的數(shù)據(jù)寬度；22位的地址總線可尋址每一個ROM/SRAM組、FLASH存儲器組、DRAM組和外部I/O組4M字（16M字節(jié)）的地址范圍。該微處理器內(nèi)建37個32位的寄存器（31個通用寄存器和6個狀態(tài)寄存器），在某一時刻寄存器能否訪問由處理器的當(dāng)前工作狀態(tài)和操作模式?jīng)Q定。單個S3C4510B具有的片內(nèi)外圍功能模塊包括1個帶總線請求/應(yīng)答引腳的外部總線控制器；1個32位系統(tǒng)總線仲裁器；1個可配置為內(nèi)部SRAM的一體化指令/數(shù)據(jù)Cache（8KB）；1個僅支持主控模式的ⅡC接口；1個Ethernet控制器；2個帶緩沖描述符的HDLC（高層數(shù)據(jù)鏈路控制）通道；1個DMA控制器；2個可工作于DMA方式或中斷方式的UART模塊；2個可編程32位定時器；18個可編程I/O口；1個含有21個中斷源的中斷控制器和1個PLL電路。

3 硬件設(shè)計
3.1 最小系統(tǒng)設(shè)計
    最小系統(tǒng)是由保證微處理器可靠工作所必須的基本電路組成的。S3C4510B的最小系統(tǒng)由S3C4510B、電源電路、晶體振蕩器電路、復(fù)位電路和JTAG接口電路組成。它們的連接關(guān)系如圖1所示。

3.1.1 電源電路
    在系統(tǒng)中，S3C4510B及部分外圍器件需3.3V電源，另外，部分器件需要5V電源，為簡化系統(tǒng)電源電路的設(shè)計，要求整個系統(tǒng)的輸入電壓為5V直流穩(wěn)壓電源。為了得到可靠的3.3V電壓，此處選用Linear Technology公司生產(chǎn)的LT1085CT－3.3型DC－DC變換器，它的輸入電壓為5V，輸出電壓為3.3V，輸出電流可達(dá)3A。電源電路如圖2所示。

3.1.2 晶體振蕩器電路
    該電路用于向S3C4510B和其他電路提供工作時鐘。鑒于有源晶體振蕩器在工作可靠性和精度上都要優(yōu)于無源晶體振蕩器，故在系統(tǒng)中使用了有源晶體振蕩器。根據(jù)S3C4510B的最高工作頻率及PLL電路的工作方式，選擇10MHz的有源晶體振蕩器，其頻率經(jīng)過S3C4510B內(nèi)部PLL電路倍頻后，最高可達(dá)50MHz。內(nèi)部PLL電路兼有頻率放大和信號提純的功能，因此，系統(tǒng)可以以較低的外部時鐘信號獲得較高的工作頻率。晶體振蕩器電路如圖3所示。

3.1.3 復(fù)位電路
    該電路主要完成系統(tǒng)的上電復(fù)位和系統(tǒng)運行時用戶的按鍵復(fù)位功能，有助于用戶調(diào)試程序。此處選用IMP公司生產(chǎn)的IMP708TCSA型復(fù)位電路，它的工作電壓為3.3V，具有1個手動復(fù)位輸入引腳和2個復(fù)位輸出引腳（高電平有效引腳和低電平有效引腳各1個），可以滿足不同復(fù)位信號的要求。復(fù)位電路如圖4所示。  

3.1.4 JTAG接口電路
    JTAG（Joint Test Action Group－聯(lián)合測試行動小組）是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議，主要用于芯片內(nèi)部測試及對系統(tǒng)進(jìn)行仿真、調(diào)試，JTAG技術(shù)是一種嵌入式測試技術(shù)。通過JTAG接口可對芯片內(nèi)部的所有部件進(jìn)行訪問，是開發(fā)調(diào)試嵌入式系統(tǒng)的一種簡潔高效的手段。它有2種連接標(biāo)準(zhǔn)，即14針接口和20針接口。此處選擇14針接口的標(biāo)準(zhǔn)。JTAG接口電路如圖5所示。  

    在設(shè)計完以上4部分電路后，S3C4510B就具有安全和可靠工作的基本條件。

3.2 外圍引出接口設(shè)計
    最小系統(tǒng)的設(shè)計是為更好地研究開發(fā)微處理器服務(wù)的，因此，還應(yīng)將微處理器的一些必要引腳用接口插座引出，方便實驗開發(fā)使用。下面將以模塊為單元介紹典型的需要引出的引腳，并給出相應(yīng)電路的選型。

3.2.1 FLASH存儲器模塊
    所需引腳為ADDR[21：0]、XDATA[31：0]、nRCS0、nOE、nWBE0、nRESFT。推薦電路為INTEL公司生產(chǎn)的TE28F320B，其存儲容量為32M位（4M字節(jié)），工作電壓為2.7V－3.6V，采用48腳TSOP封裝或48腳FBGA封裝，16位數(shù)據(jù)寬度。

3.2.2 SDRAM模塊
    所需引腳為ADDR[21：0]、XDATA[31：0]、nSDCS0、nDWE、nSDRAS、nSDCAS、nWBE0、nWBE1、SDCLK、CKE。推薦電路為Winbond公司的W986416DH，其存儲容量為4組×16M位（8M字節(jié)），工作電壓為3.3V，常見封裝為54腳TSOP，兼容LVTTL接口，支持自動刷新和自刷新，16位數(shù)據(jù)寬度。

3.2.3 以太網(wǎng)接口模塊
    所需引腳為TX_ERR、TXD[3：0]、TX_EN、TX_CLK、RX_ERR、RXD[3：0]、RX_CLK、RX_DV、RX_ERR、nRESET、CRS、COL。推薦接口電路為Davicom公司生產(chǎn)的DM9161，它是單口高速以太網(wǎng)物理層接口電路，可提供MII接口和傳統(tǒng)7線制網(wǎng)絡(luò)接口，工作電壓為3.3V。

3.2.4 I2C接口模塊

    所需引腳為SCL、SDA。此處外擴(kuò)1個Atmel公司生產(chǎn)的AT24C01作為I2C接口模塊的存儲器，其工作電壓為5V，可提供128字節(jié)的EEPROM存儲空間，用于存放少量在系統(tǒng)掉電時需要保存的數(shù)據(jù)。

3.2.5 實時時鐘模塊

    所需引腳為E_ADDR3、SCL、SDA。Philips公司生產(chǎn)的PCF8583是一種低功耗CMOS實時時鐘/日歷接口電路，工作電壓為3.3V，內(nèi)置256字節(jié)的SRAM，通過I2C接口與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，每次讀、寫操作完成后，內(nèi)置的地址寄存器會自動增加。

3.2.6 ADC模塊

    所需引腳為E_ADDR0、E_ADDR1、E_ADDR2、E_nWBE0、E_nOE、nADC_CS，ADC_CLK。National公司生產(chǎn)的ADC0809是一種8位8通道逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，工作電壓為5V，具有高速、高精度、溫度依賴性小和功耗低等特點。

3.2.7 DAC模塊

    所需引腳為E_D[7：0]、nDAC_CS。National公司生產(chǎn)的DAC0832是8位CMOS D/A轉(zhuǎn)換器，工作電壓為5V，由8位輸入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換器和轉(zhuǎn)換控制電路組成，2級寄存器使它能夠?qū)崿F(xiàn)多路D/A的同步轉(zhuǎn)換輸出。

3.2.8 通用I/O接口模塊

    引腳P0－P3可外接跳線選擇高、低電平用作狀態(tài)輸入或其他輸入功能；引腳P4－P7可外接LED，用作程序運行狀態(tài)的顯示或其他輸出顯示。

    以上僅列出了8種模塊所用到的引腳和電路，此外還有串行接口模塊、總線驅(qū)動模塊、譯碼模塊、LED/LCD顯示模塊、鍵盤模塊等，不再一一列舉。以上提到的E_xxx引腳均為經(jīng)過總線驅(qū)動與電平轉(zhuǎn)換電路后的引腳，此類電路有TI公司的N74ALVC16245（雙8通道）、SN74LVC4245（通道）等。

4 硬件調(diào)試
    系統(tǒng)上電后，電源電路的輸出電壓為DC3.3V；有源晶體振蕩器的輸出頻率為10MHz；復(fù)位電路的輸出端（以低電平有效引腳為例）在按鈕未按下時輸出為高電平，按下按鈕后為低電平，按鈕松開后輸出端恢復(fù)為高電平。

    通過JTAG接口調(diào)試S3C4510B，上電前應(yīng)檢查S3C4510B的引腳nEWAIT是否已上拉，引腳ExtMREQ是否已下拉，對這2個引腳的處理關(guān)系到S3C4510B能否正常工作，必須非常注意。上電后，如果在使能片內(nèi)PLL電路的情況下，引腳MCLKO/SDCLK可輸出50MHz的波形，就說明S3C4510B已正常工作。此時，就可使用集成開發(fā)工具ADS或SDT通過JTAG接口對電路內(nèi)的部件訪問和控制，如通過對電路內(nèi)部控制通用I/O口的特殊功能寄存器的操作來點亮連接在P4－P7口上的LED，如果LED能夠按照寄存器的設(shè)置正常開關(guān)，那就說明所設(shè)計的最小系統(tǒng)是可靠的。

5 結(jié)束語

    ARM微處理器將以其極好的性能和極低的功耗與高端的MIPS和PowerPC嵌入式微處理器抗衡?？梢灶A(yù)見，在將來一段時間內(nèi)，ARM微處理器仍將主宰32位嵌入式微處理器市場。學(xué)習(xí)和掌握ARB微處理器技術(shù)是非常必要的，而設(shè)計ARM微處理器是最小系統(tǒng)是一種學(xué)習(xí)該技術(shù)的極佳方法。