2010-10-3
目录。引言 2
嵌入式最小系统 2
sep3202简述 3
最小系统硬件的选择和单元电路的设计 3
一) 电源电路 3
二) 晶振电路 5
三) 复位及唤醒电路 5
四) 存储器 6
1. flash存储 7
2. sdram 8
五) 串行接口电路设计 8
六) jtag模块 9
七) 扩展功能（led） 10
参考文献 11
嵌入式系统是以应用为中心，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。本文主要研究了基于sep3202（内嵌arm7tdmi处理器内核）的嵌入式最小系统，围绕其设计出相应的存储器、总线扩展槽、电源电路、复位电路、jtag、uart等一系列电路模块。
根据ieee的定义，嵌入式系统是：控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置。这主要是从应用上加以定义的，从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。
不过上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的精髓，目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。
嵌入式最小系统即是在尽可能减少上层应用的情况下，能够使系统运行的最小化模块配置。以arm内核嵌入式微处理器为中心，具有完全相配接的flash电路、sdram电路、jtag电路、电源电路、晶振电路、复位信号电路和系统总线扩展等，保证嵌入式微处理器正常运行的系统，可称为嵌入式最小系统。对于一个典型的嵌入式最小系统，以arm处理器为例，其构成模块及其各部分功能如图1所示，其中arm微处理器、flash和sdram模块是嵌入式最小系统的核心部分。
微处理器——采用了sep3203；
电源模块——为sep3203内核电路提供2.5v的工作电压，为部分外围芯片提供3.3v的工作电压；
时钟模块（晶振）——通常经arm内部锁相环进行相应的倍频，以提供系统各模块运行所需的时钟频率输入。32.768khz给rtc和reset模块，产生计数时钟，10mhz作为主时钟源；
flash存储模块——存放嵌入式操作系统、用户应用程序或者其他在系统掉电后需要保存的用户数据等；
sdram模块——为系统运行提供动态存储空间，是系统**运行的主要区域；
jtag模块——对芯片内部所有部件进行访问，通过该接口对系统进行调试、编程等，实现对程序**的**和调试；
uart模块——用于系统与其他应用系统的短距离双向串行通信；
复位模块——实现对系统的复位；
系统总线扩展——引出地址总线、数据总线和必须的控制总线，便于用户根据自身的特定需求，扩展外围电路。
sep3203处理器内嵌由英国arm 公司提供的arm7tdmi 处理器内核，整个芯片可以运行在75mhz。集成了支持黑白，灰度，彩色的lcd 控制器；多**加速模块，用于提供多**处理定点矢量乘加的计算能力；支持低成本的nand flash 控制器并可从其直接启动；支持多种外存类型：sram，nor flash，sdram；支持实时钟（rtc）；支持四通道的定时器和两通道的pwm；支持用于连接触摸屏通讯的spi 协议；支持两个uart 控制器，其中一个支持红外传输；支持usb1.
1 device 控制器用于pc 与移动终端之间的高速信息传输；支持mmc/sd 卡控制器，用户可以扩展系统的存储能力和外设功能；支持兼容ac97 协议的控制器，用于音频文件的**和录制。sep3203 处理器内嵌20kbyte 零等待的静态存储器（sram），用于多**处理时的核心**与数据的存放，用户也可以将操作系统的核心**或lcd 帧缓存存放在该处理器中，用于提供更高的性能和更低的能量消耗；6 通道dma 控制器，为用户提供了高速的数据传输通道。为了支持低成本的系统方案，sep3203 支持外部32 位/16 位数据总线，结合arm 提供的thumb 指令集，将大大降低系统成本和功耗，考虑到nand flash 的成本优势，sep3203 处理器提供专用的nand flash 控制器，并支持系统直接从nand flash 启动。
sep3203 处理器采用lqfp176 封装形式（针对用户需求，我们还可以提供bga 封装的版本）。
电源电路的好坏，直接影响应用系统的稳定性、可靠性、功耗、成本及电池寿命和可靠性。电源系统的总体架构如图所示：
当电池电量充足时，由电池供给整个系统用电，当电池电量不足时，由5v输入电源一方面对电池充电，另一方面供给真个系统。主要包括以下几个部分：
3.3v~5v的dc-dc转换器，给sep3203及其他需要3.3v电源的外围电路供电。
2.5v~5v的dc-dc转换器，给sep3203芯片内核电路供电。
上电顺序为3.3v－2.5v。其中5v－2.5v转换电路前面连接rc延迟网络，可获得比3.3v较晚些的上电时间，时间设为约10ms。
电源电路中使用了大量的去耦电容，用于滤除交流成分，使输出的直流电源更平滑。同时，每个芯片的电源引脚和地之间都连接了这样的去耦电容，以防止电源噪声影响元件正常工作。
晶振电路为微处理器及其他电路提供工作时钟，是系统必须的重要电路。本系统用两个晶振电路分别为微处理器及其他电路提供工作时钟，32.768khz给rtc（实时时钟电路）和reset模块，产生计数时钟，10mhz作为主时钟源。
电路图如下。其中cd4096是非门。
在应用系统中，复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行时用户的按键复位功能。sep3202中的reset方案主要是产生整个系统工作需要的reset信号，处理wakeup信号，对外接的不规则reset、wakeup信号进行规则化，避免误触发。外围硬件复位电路如图所示：
该复位电路的工作原理如下：在系统上电时，通过电阻r5向电容c5充电，当c5两端的电压未达到高电平的门限电压时，reset端输出为低电平，系统处于复位状态；当c5两端的电压达到高电平的门限电压时，reset端输出为高电平，系统进入正常工作。当用户按下按钮k1时，c5两端的电荷被释放掉，reset端输出为低电平，系统进入复位状态，再重复以上充电过程，系统进入正常工作状态。
其中具体参数为：复位响应点电压（+2.9 ～3.
00v），复位时间（140 ～ 560ms），有效复位条件（1v），并且支持手动复位功能。
除此之外，我们还增加了一个watchdog电路，用于监视系统状态，防止系统锁死。使能watchdog功能以后，需要软件周期性复位，以避免该模块产生中断或者复位。
设计该模块我们用到了芯片ds1232lps。ds1232lp/ds1232lps是一款低功耗的 micro monitor芯片，用于监视微处理器控制系统的三个关键条件：电源、软件运行和外部故障。
首先，ds1232lp/ds1232lps精确的温度补偿电路用于监视 vcc 状态。一旦检测到主电源失效，ds1232lp/ds1232lps将产生一个掉电中断信号，强制将处理器重置为有效状态。当 vcc 回到电压容差范围，重置信号至少保持 250ms 的有效状态，以便恢复供电和保持处理器稳定。
当软件没有对watchdog进行服务时，会产生timeout事件，通过配置中断使能寄存器中的中断位和reset请求位可以产生中断和reset请求，如果需要屏蔽也可以通过配置这两位来获得（默认情况为屏蔽）。其电路图如下：
因为sep3203芯片有四种工作模式，即slow、normal、idle、sleep。为了帮助系统从idle模式或sleep模式中恢复过来，建立完善的、有效的唤醒机制是必须的，这将从硬件上保证系统不会瘫痪。
存储器是计算机硬件系统中用于存放程序和数据等二进制信息的部件，是计算机的记忆部件。cpu根据地址访问存储单元，读出或写入数据。从一个存储单元读出或写入数据的时间称为读写时间，两次读/写操作之间的间隔称为存取周期，这两项是衡量存储器存取速度的指标。
本次试验，我们所选取的flash以及sdram的芯片如下所示：
flash即为闪存，有许多种种类，从结构上分主要有and、nand、nor、dinor等，其中nand和nor是目前主流的类型，在嵌入式系统中，一般用flash来存放需要永久保存的程序和数据，掉电后不会丢失。而用sdram来存放系统运行时的数据，掉电后则消失。
综合各方面的性能，nand flash更优，它拥有较快的擦除和写入速度（大多数的写入操作需要先进行擦除操作）；在更低的成本上获得更大的容量；它的每个块最大擦写次数是100万次，远高于nor的10万次，拥有更长的使用寿命；并且nand的擦除单元（nor的擦出块单元为64~128kb，nand的擦除块单元为8~32kb）更小，相应的擦除电路更简单。
但是在nand flash中，位反转的问题更加严重，在使用nand闪存时必须同时使用edc/ecc算法来确保其可靠性，并且nand器件中的坏块是随机分布的，如果通过可靠的方法不能进行坏块扫描，则将导致较高的故障率。
与此同时，nor闪存的连接方式类似于其他存储器，并可以直接运行**，而不像nand器件上始终必须进行虚拟映射。并且在nor器件上运行**不需要任何的软件支持，在进行写入和擦除操作时，nor器件所需要的mtd（闪存技术驱动程序）相对较少，驱动程序还可用于对diskonchip产品进行仿零点和闪存管理，包括纠错、坏块处理和损耗平衡。
虽然nand的性能较好，但是norflash带有sram接口，有足够的地址引脚，可以很容易的对存储器内部的存储单元进行直接寻址。在实际的系统中，可以根据需要选择arm处理器与norflash的连接方式。nor的操作最更加方便，电路也更为简易易懂，因此本次试验我们选择了nor型的闪存。
其电路图如下所示：
sdram是对bank结构，例如在一个具有两个bank的sdram的模组中，其中一个bank在进行预充电期间，另一个bank则马上可以被读取，这样可以大大提高存储器的访问速度。在sdram芯片中一般会有实现bank选择的引脚，用于实现多个bank的选择。
目前常用的sdram为8bit/16bit数据宽度、工作电压一般为3.3v，主要生产厂商为micron、hynixi、winbond等，若同类器件具有相同的电气特性和封装形式可通用。但在使用sdram时要注意arm芯片是否具有独立的sdram的刷新控制逻辑，若有可直接与sdram接口，若无则不能直接与sdram连接。
嵌入式系统最小系统硬件设计
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