基于S3C4510B型微处理器的最小系统设计
简介：介绍S3C4510B型ARM微处理器和基于该处理器设计的最小系统，概述该系统外围应用电路的选型，以便使用者自行设计开发。
ARM（Advanced RISC Machines），既可以认为它是一个公司的名字，也可以认为它是一类微处理器的统称，还可以认为它是一种技术名称，习惯上称之为"高级精简指令集计算机机器公司"。目前，各种各样ARM微处理器的设备应用数量已经远远超过了通用计算机。在工业和服务领域中，使用ARM微处理器的数字机床、智能工具、工业机器人、服务机器人正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式。因此，基于ARM微处理器的开发应用正成为数据时代的应用技术潮流。本文介绍S3C4510B型ARM微处理器最小系统的构建，并给出系统外围相关器件的选型。
2 S3C4510B
S3C4510B是韩国三星公司（Samsung）基于以太网应用系统的高性价比16/32位RISC微处理器，内含1个由ARM公司设计的低功耗、高性能16/32位ARM7TDMI型RISC处理器核，最适合用于对价格和功耗敏感的应用领域。
S3C4510B的工作电压为3.3V，总高主频为50MHz，采用208引脚QFP封装。其外部数据总线（双向、32位）支持外部8、16位、32位的数据宽度；22位的地址总线可寻址每一个ROM/SRAM组、FLASH存储器组、DRAM组和外部I/O组4M字（16M字节）的地址范围。该微处理器内建37个32位的寄存器（31个通用寄存器和6个状态寄存器），在某一时刻寄存器能否访问由处理器的当前工作状态和操作模式决定。单个S3C4510B具有的片内外围功能模块包括1个带总线请求/应答引脚的外部总线控制器；1个32位系统总线仲裁器；1个可配置为内部SRAM的一体化指令/数据Cache（8KB）；1个仅支持主控模式的ⅡC接口；1个Ethernet控制器；2个带缓冲描述符的HDLC（高层数据链路控制）通道；1个DMA控制器；2个可工作于DMA方式或中断方式的UART模块；2个可编程32位定时器；18个可编程I/O口；1个含有21个中断源的中断控制器和1个PLL电路。
3 硬件设计
3.1 最小系统设计
最小系统是由保证微处理器可靠工作所必须的基本电路组成的。S3C4510B的最小系统由S3C4510B、电源电路、晶体振荡器电路、复位电路和JTAG接口电路组成。它们的连接关系如图1所示。
3.1.1 电源电路
在系统中，S3C4510B及部分外围器件需3.3V电源，另外，部分器件需要5V电源，为简化系统电源电路的设计，要求整个系统的输入电压为5V直流稳压电源。为了得到可靠的3.3V电压，此处选用Linear Technology公司生产的LT1085CT－3.3型DC－DC变换器，它的输入电压为5V，输出电压为3.3V，输出电流可达3A。电源电路如图2所示。
3.1.2 晶体振荡器电路
该电路用于向S3C4510B和其他电路提供工作时钟。鉴于有源晶体振荡器在工作可靠性和精度上都要优于无源晶体振荡器，故在系统中使用了有源晶体振荡器。根据S3C4510B的最高工作频率及PLL电路的工作方式，选择10MHz的有源晶体振荡器，其频率经过S3C4510B内部PLL电路倍频后，最高可达50MHz。内部PLL电路兼有频率放大和信号提纯的功能，因此，系统可以以较低的外部时钟信号获得较高的工作频率。晶体振荡器电路如图3所示。
3.1.3 复位电路
该电路主要完成系统的上电复位和系统运行时用户的按键复位功能，有助于用户调试程序。此处选用IMP公司生产的IMP708TCSA型复位电路，它的工作电压为3.3V，具有1个手动复位输入引脚和2个复位输出引脚（高电平有效引脚和低电平有效引脚各1个），可以满足不同复位信号的要求。复位电路如图4所示。
3.1.4 JTAG接口电路
JTAG（Joint Test Action Group－联合测试行动小组）是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试，JTAG技术是一种嵌入式测试技术。通过JTAG接口可对芯片内部的所有部件进行访问，是开发调试嵌入式系统的一种简洁高效的手段。它有2种连接标准，即14针接口和20针接口。此处选择14针接口的标准。JTAG接口电路如图5所示。
在设计完以上4部分电路后，S3C4510B就具有安全和可靠工作的基本条件。
3.2 外围引出接口设计
最小系统的设计是为更好地研究开发微处理器服务的，因此，还应将微处理器的一些必要引脚用接口插座引出，方便实验开发使用。下面将以模块为单元介绍典型的需要引出的引脚，并给出相应电路的选型。
3.2.1 FLASH存储器模块
所需引脚为ADDR[21：0]、XDATA[31：0]、nRCS0、nOE、nWBE0、nRESFT。推荐电路为INTEL公司生产的TE28F320B，其存储容量为32M位（4M字节），工作电压为2.7V－3.6V，采用48脚TSOP封装或48脚FBGA封装，16位数据宽度。
3.2.2 SDRAM模块
所需引脚为ADDR[21：0]、XDATA[31：0]、nSDCS0、nDWE、nSDRAS、nSDCAS、nWBE0、nWBE1、SDCLK、CKE。推荐电路为Winbond公司的W986416DH，其存储容量为4组×16M位（8M字节），工作电压为3.3V，常见封装为54脚TSOP，兼容LVTTL接口，支持自动刷新和自刷新，16位数据宽度。
3.2.3 以太网接口模块
所需引脚为TX_ERR、TXD[3：0]、TX_EN、TX_CLK、RX_ERR、RXD[3：0]、RX_CLK、RX_DV、RX_ERR、nRESET、CRS、COL。推荐接口电路为Davicom公司生产的DM9161，它是单口高速以太网物理层接口电路，可提供MII接口和传统7线制网络接口，工作电压为3.3V。
3.2.4 I2C接口模块
所需引脚为SCL、SDA。此处外扩1个Atmel公司生产的AT24C01作为I2C接口模块的存储器，其工作电压为5V，可提供128字节的EEPROM存储空间，用于存放少量在系统掉电时需要保存的数据。
3.2.5 实时时钟模块
所需引脚为E_ADDR3、SCL、SDA。Philips公司生产的PCF8583是一种低功耗CMOS实时时钟/日历接口电路，工作电压为3.3V，内置256字节的SRAM，通过I2C接口与外部进行数据通信，每次读、写操作完成后，内置的地址寄存器会自动增加。
3.2.6 ADC模块
所需引脚为E_ADDR0、E_ADDR1、E_ADDR2、E_nWBE0、E_nOE、nADC_CS，ADC_CLK。National公司生产的ADC0809是一种8位8通道逐次逼近式A/D转换器，工作电压为5V，具有高速、高精度、温度依赖性小和功耗低等特点。
3.2.7 DAC模块
所需引脚为E_D[7：0]、nDAC_CS。National公司生产的DAC0832是8位CMOS D/A转换器，工作电压为5V，由8位输入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换器和转换控制电路组成，2级寄存器使它能够实现多路D/A的同步转换输出。
3.2.8 通用I/O接口模块
引脚P0－P3可外接跳线选择高、低电平用作状态输入或其他输入功能；引脚P4－P7可外接LED，用作程序运行状态的显示或其他输出显示。
以上仅列出了8种模块所用到的引脚和电路，此外还有串行接口模块、总线驱动模块、译码模块、LED/LCD显示模块、键盘模块等，不再一一列举。以上提到的E_xxx引脚均为经过总线驱动与电平转换电路后的引脚，此类电路有TI公司的N74ALVC16245（双8通道）、SN74LVC4245（通道）等。
4 硬件调试
系统上电后，电源电路的输出电压为DC3.3V；有源晶体振荡器的输出频率为10MHz；复位电路的输出端（以低电平有效引脚为例）在按钮未按下时输出为高电平，按下按钮后为低电平，按钮松开后输出端恢复为高电平。
通过JTAG接口调试S3C4510B，上电前应检查S3C4510B的引脚nEWAIT是否已上拉，引脚ExtMREQ是否已下拉，对这2个引脚的处理关系到S3C4510B能否正常工作，必须非常注意。上电后，如果在使能片内PLL电路的情况下，引脚MCLKO/SDCLK可输出50MHz的波形，就说明S3C4510B已正常工作。此时，就可使用集成开发工具ADS或SDT通过JTAG接口对电路内的部件访问和控制，如通过对电路内部控制通用I/O口的特殊功能寄存器的操作来点亮连接在P4－P7口上的LED，如果LED能够按照寄存器的设置正常开关，那就说明所设计的最小系统是可靠的。
5 结束语
ARM微处理器将以其极好的性能和极低的功耗与高端的MIPS和PowerPC嵌入式微处理器抗衡。可以预见，在将来一段时间内，ARM微处理器仍将主宰32位嵌入式微处理器市场。学习和掌握ARB微处理器技术是非常必要的，而设计ARM微处理器是最小系统是一种学习该技术的极佳方法。
审核编辑：汤梓红
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