AT91RM9200微處理器的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

目前，ARM微處理器已在多種領(lǐng)域中應(yīng)用，例如工業(yè)數(shù)字／智能控制、機(jī)器人、消費(fèi)／教育類多媒體、DSP和移動(dòng)式／便攜式設(shè)備等。有關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，各種各樣 基于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(jì)算機(jī)。因此，基于arm微處理器的開發(fā)應(yīng)用正成為數(shù)字時(shí)代的應(yīng)用技術(shù)潮流。本文介紹 AT91RM9200型微處理器最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并給出了系統(tǒng)外圍接口設(shè)計(jì)的相關(guān)器件選型。

1 AT91RM9200簡(jiǎn)介

AT91RM9200是Atmel公司基于arm920T核的高性能、低功耗16／32位RISC(精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī))微處理器，內(nèi)部集成豐富的外設(shè)資 源，適用于要求外設(shè)資源豐富、功耗低、工作嚴(yán)格穩(wěn)定的工業(yè)控制等方面，如嵌入式工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信、移動(dòng)計(jì)算等。

AT91RM9200微處理器最高主頻為180 MHz，其雙向、32位外部數(shù)據(jù)總線支持8位、16位、32位數(shù)據(jù)寬度，26位地址總線可以對(duì)最大64 MB空間尋址。

AT91RM9200片內(nèi)集成了非常豐富的外圍功能模塊，包括全功能MMU虛擬內(nèi)存管理單元、內(nèi)部16 kBSRAM和128 kB ROM、EBI接口控制器、增強(qiáng)的時(shí)鐘和PMC(電源管理控制器)，帶有2個(gè)PLL(鎖相壞)的片內(nèi)振蕩器，4個(gè)可編程的外部時(shí)鐘信號(hào)，包括定時(shí)中斷、看 門狗、秒計(jì)數(shù)器的系統(tǒng)定時(shí)器，帶報(bào)警中斷的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，帶有8級(jí)優(yōu)先級(jí)、可單個(gè)屏蔽中斷源的AIC(先進(jìn)中斷控制器)，7個(gè)外部中斷源和1個(gè)快速中斷源，4 個(gè)32位的IO控制器，20通道外圍數(shù)據(jù)控制器(PDC或DMA)，1個(gè)10 Mbit·s-1／100 Mbit·s-1以太網(wǎng)控制器，1個(gè)USB 2.0主機(jī)接口，1個(gè)USB 2.0設(shè)備接口，2個(gè)多媒體卡接口，3個(gè)SSC(同步串行口控制器)(兼容IIS)，4個(gè)UASRT(通用同步／異步串行口)，1個(gè)主／從SPI(串行設(shè) 備接口)，1個(gè)兩線串行接口TWI(主模式)，JTAG／ICE接口等。

2 硬件設(shè)計(jì)

最小系統(tǒng)是保證微處理器可靠工作所必須的基本電路。基于AT91RM9200微處理器的最小嵌入式系統(tǒng)由微處理器AT91RM9200、電源電路、晶體振蕩器電路、復(fù)位電路、JTAG接口、存儲(chǔ)器模塊、串行調(diào)試接口等電路組成，其原理框圖如圖1所示。

2.1 電源電路

在系統(tǒng)中，AT91RM9200需要1.8 V和3.3 V電源，另外，大部分外圍器件需要3.3 V電源，小部分外圍器件還需要5 V電源，為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)電源電路的設(shè)計(jì)，假設(shè)系統(tǒng)的輸入電壓為5 V直流穩(wěn)壓電源。為了得到可靠的3.3 V電壓，此處選用了Sipex公司生產(chǎn)的SPX1117M3-3.3型低壓差(LDO)穩(wěn)壓器，它的輸人電壓為5 V，輸出電流為3.3 V，最大輸出電流為0.8 A。同樣，選用Sipex公司生產(chǎn)的SPX1117M3-1.8型低壓差(LDO)穩(wěn)壓器，便可產(chǎn)生最大輸出電流為0.8A的1.8 V電源。電源電路如圖2所示。

2.2 晶體振蕩器電路

晶體振蕩電路用于向AT91RM9200和其他需要時(shí)鐘的外設(shè)電路提供工作時(shí)鐘。本系統(tǒng)使用無源晶體振蕩器X1(18.432 MHz)和X2(32.768 kHz)作為系統(tǒng)的主振蕩器和慢時(shí)鐘振蕩器，振蕩器產(chǎn)生的系統(tǒng)主時(shí)鐘和慢時(shí)鐘基準(zhǔn)經(jīng)過微處理器內(nèi)部2個(gè)PLL后，產(chǎn)生系統(tǒng)所需的各種CPU時(shí)鐘、外沒時(shí)鐘 以及USB器件工作時(shí)鐘。晶體振蕩器電路見圖3。

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2.3 復(fù)位電路

AT91RM9200 有2個(gè)獨(dú)立的復(fù)位信號(hào)，即系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)NRST與系統(tǒng)內(nèi)部調(diào)試復(fù)位信號(hào)NTRSI，都是低電平有效。系統(tǒng)上電后，AT91RM9200必須執(zhí)行一個(gè)上電復(fù) 位(稱為“冷”復(fù)位)，在過渡狀態(tài)下，它強(qiáng)制復(fù)位信號(hào)NRST和NTRST為低直到電源電壓和振蕩器工作頻率穩(wěn)定為止。此外，NRST和NTRST還可以 進(jìn)行手動(dòng)按鍵復(fù)位功能，以方便用戶調(diào)試程序。本設(shè)計(jì)中選用了AD公司生產(chǎn)的ADM708型復(fù)位電路，它有一個(gè)手動(dòng)復(fù)位輸入引腳，當(dāng)工作電壓低于3.08 V或手動(dòng)復(fù)位輸入引腳被拉低時(shí)復(fù)位IC產(chǎn)生一個(gè)低電平信號(hào)，持續(xù)時(shí)間為200 ms。此外，該復(fù)位電路還有一個(gè)額外的輸入電壓檢測(cè)引腳，可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸人電壓的檢測(cè)。復(fù)位電路如圖4所示。

2.4 JTAG接口電路

JTAG(聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)小組)是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議，主要用于芯片內(nèi)部測(cè)試及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真、調(diào)試，是開發(fā)、調(diào)試嵌入式系統(tǒng)的一種簡(jiǎn)潔高效的手段。它有2種接門標(biāo)準(zhǔn)：14針接口和20針接口。本設(shè)計(jì)中選擇20針接口標(biāo)準(zhǔn)。

2.5存儲(chǔ)器模塊

存儲(chǔ)器模塊包括Flash存儲(chǔ)器和SRAM存儲(chǔ)器兩個(gè)部分。

Flash 存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行所需的程序和重要數(shù)據(jù)，即使掉電程序和數(shù)據(jù)都不會(huì)丟失。設(shè)計(jì)中推薦電路為Intel公司生產(chǎn)的28F640J3A，其存儲(chǔ)容量為 64 Mbit(8 MB)，工作電壓為2.7 V～3.6 V，采用48引腳TSOP封裝，16位數(shù)據(jù)寬度。它所需引腳為A[24：]、D[15：0]、NRST、BFCS_NCS0、CFOE_NOE_NRD、 CFWE_NWE_NWR0。

SDRAM存儲(chǔ)器的作用是存放系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的程序和數(shù)據(jù)，掉電后該部分程序和數(shù)據(jù)會(huì)丟失。設(shè)計(jì)中使用2片數(shù)據(jù)寬度為16位的SDRAM并行運(yùn)行作為一個(gè)32 位數(shù)據(jù)寬度的SDRAM模塊，以充分發(fā)揮微處理器32位數(shù)據(jù)寬度的高性能。SDRAM模塊所需的引腳為A[0：11]、A[13：17]、 D[0：31]、NBS1、NBS3、SD-CKE、SDCK、SDCS、RAS、 CAS、SDWE。推薦使用的SDRAM電路為Hynix公司

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生產(chǎn)的HY57V651620BTC，其工作電壓為3.3 V，單片存儲(chǔ)容量為4組×16 Mbit，54引腳TSOP封裝，兼容LVTTL電平接口，支持自動(dòng)刷新和自刷新。

2.6 UART串行調(diào)試接口

采用了AT91RM9200的Debug UART作為串口模塊電路的接口，該串口在調(diào)試狀態(tài)下作為調(diào)試串口；在正常工作狀態(tài)下為一般UART口，都可以通過RS-232電平實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備的通 信。本設(shè)計(jì)中的 UART接口電路為Sipex公司生產(chǎn)的SP3232，其工作電壓為3.3V，16引腳SOIC封裝。所需引腳為DRXD、DTXD。

在完成以上幾部分電路的設(shè)計(jì)后，AT91RM9200就具有了安全可靠工作的基本條件。

最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是為了更好地研究開發(fā)微處理器，因此還應(yīng)將微處理器的一些必要引腳用接口插座引出，以方便實(shí)驗(yàn)開發(fā)使用。例如：以太網(wǎng)接口模塊、I2C接口模塊、USB主機(jī)與設(shè)備接口，I／O總線擴(kuò)展接口等。

3 硬件調(diào)試

系統(tǒng)上電前，應(yīng)仔細(xì)檢查電路板上所有元器件是否正確焊接，檢查各電壓等級(jí)的電源是否有短路，各種開關(guān)、跳線是否在正確的位置上。此外，還要檢查 nWAIT、 NRST、NTRST等引腳的電平是否已被上拉，引腳JTAGSEL是否被下拉，對(duì)這幾個(gè)引腳的處理關(guān)系到AT91RM9200能否正常工作。

系統(tǒng)上電后，檢查電路板上幾個(gè)電壓等級(jí)的輸出電壓是否正常，復(fù)位電路是否工作，晶振X1和X2的輸出端是否輸出正確的波形。接著通過串行調(diào)試接口將 AT91RM9200系統(tǒng)板與PC機(jī)連接，在“超級(jí)終端”界面中可看到微處理器向PC輸出一系列的“C”，表明微處理器AT91RM9200已經(jīng)正常工 作。然后可以通過arm公司提供的開發(fā)工具ADS的集成開發(fā)環(huán)境，編寫相關(guān)的應(yīng)用程序，通過JTAG接口對(duì)微處理器進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)試。目前，該系統(tǒng)已在某 智能設(shè)備的控制器中得到了實(shí)際應(yīng)用。

4 結(jié)束語

ARM微處理器正以其極好的性能價(jià)格比和極低的功耗與其他體系結(jié)構(gòu)的微處理器進(jìn)行激烈的競(jìng)爭(zhēng)，其應(yīng)用將進(jìn)一步深入到各行各業(yè)?？梢灶A(yù)測(cè)，在將來的一段時(shí)期 內(nèi)，ARM微處理器將成為32位微處理器市場(chǎng)的統(tǒng)治者。了解、學(xué)習(xí)、掌握和應(yīng)用ARM微處理器技術(shù)很有必要，也非常重要。設(shè)計(jì)arm微處理器的最小系統(tǒng)是 學(xué)習(xí)這一技術(shù)的一個(gè)很好的方法和途徑。