ARM9系统的硬件设计说明

毕业论文

题目：ARM9系统的硬件设计

学员姓名黄俊礼

学号XXXXXXXX

所在单位电子技术学院

指导教师罗长远

完成日期2007年7月2日

摘要

本文首先对ARM9系统的基本原理进行简单的介绍，然后从具体的工程应用出发，详细介绍ARM9系统硬件开发的具体流程，包括元器件的选型，原理图的绘制，PCB的设计，焊接与调试等。工程所使用的绘图软件是Protel DXP，ARM9系统所选用的CPU是三星公司的S3C2410。

关键词：ARM9系统；PCB设计；Protel DXP；S3C2410

Abstract

At first, this article has a summary introduction of keystone about advances risc machines, and then, it gives the material flow of hardware design on ARM9 system which is based on real engineering application, including choose the components, protract schematic, design the PCB, jointing and testing, and so on. The software of protracting in the engineering is Protel DXP, and the CPU used in system is SamSung S3C2410.

Key Words: Advances RISC Machines；Printed Circuit Board Design；Protel DXP；S3C2410

目录

第一章基础知识 (1)

1.1 ARM 微处理器概述 (1)

1.1.1 ARM－Advanced RISC Machines (1)

1.1.2 ARM微处理器的应用领域 (1)

1.1.3 ARM9微处理器系列 (2)

1.2 硬件开发的准备知识 (3)

第二章原理图设计 (4)

2.1 功能定义及元器件的选型 (4)

2.2 原理图设计 (5)

2.2.1 总体结构图 (5)

2.2.2 电源部分 (6)

2.2.3 CPU部分 (7)

2.2.4 闪存部分 (10)

2.2.5 内存部分 (11)

2.2.6 串口部分 (11)

2.2.7 视频输出部分 (12)

第三章电路板设计 (13)

3.1 多层板的管理 (13)

3.2 布局与布线 (15)

3.2.1 布局的原则 (15)

3.2.2 布线的方法和参数的设置 (16)

3.3 后期处理 (17)

3.3.1 补泪滴 (17)

3.3.2 敷铜 (17)

3.3.3 加标注 (18)

第四章电路板的焊接与调试 (19)

4.1 CPU的焊接 (19)

4.2 外围芯片的焊接与调试 (19)

4.3 软件的烧写 (20)

4.4 电路板的实物图 (21)

4.4.1 硬件实物截图 (21)

4.4.2 图形系统运行截图 (22)

4.4.3 应用程序运行截图 (23)

后记 (24)

参考文献 (24)

第一章基础知识

1.1 ARM 微处理器概述

1.1.1 ARM－Advanced RISC Machines

ARM（Advanced RISC Machines），既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。

1991 年ARM 公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用ARM 技术知识产权（IP）核的微处理器，即我们通常所说的ARM 微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于ARM 技术的微处理器应用约占据了32位RISC 微处理器75％以上的市场份额，ARM 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。

ARM 公司是专门从事基于RISC 技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体生产商从ARM 公司购买其设计的ARM 微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的ARM 微处理器芯片进入市场。目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用ARM 公司的授权，因此既使得ARM 技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。

1.1.2 ARM微处理器的应用领域

到目前为止，ARM 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域：

1、工业控制领域：作为32 的RISC 架构，基于ARM 核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，ARM 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8 位/16 位微控制器提出了挑战。

2、无线通讯领域：目前已有超过85%的无线通讯设备采用了ARM 技术，ARM 以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。

3、网络应用：随着宽带技术的推广，采用ARM 技术的ADSL 芯片正逐步获得竞争优势。此外，ARM 在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持，也对DSP 的应用领域提出了挑战。

4、消费类电子产品：ARM 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。

5、成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用ARM 技术。手机中的32位SIM 智能卡也采用了ARM 技术。

除此以外，ARM 微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取得更加广泛的应用。

1.1.3 ARM9微处理器系列

ARM9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。具有以下特点：

－5级整数流水线，指令执行效率更高。

－提供1.1MIPS/MHz 的哈佛结构。

－支持32 位ARM 指令集和16 位Thumb 指令集。

－支持32 位的高速AMBA 总线接口。

－全性能的MMU，支持Windows CE、Linux、Palm OS 等多种主流嵌入式操作系统。

－MPU 支持实时操作系统。

－支持数据Cache 和指令Cache，具有更高的指令和数据处理能力。

ARM9 系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。

ARM9 系列微处理器包含ARM920T、ARM922T 和ARM940T 三种类型，以适用于不同的应用场合。

1.2 硬件开发的准备知识

ARM9系统的硬件设计，是一项复杂的系统工程，必须有坚实的准备知识，包括电路基础、模拟电路、数字电路、微机原理、接口技术、单片机原理、ARM系统原理等等。不仅需要硬件相关的知识，而且需要软件方面的知识，如操作系统。由于是复杂的硬件系统的设计，还需要掌握EDA软件，例如本文使用Protel DXP。

此外，由于硬件开发还涉及焊接、调试等工序，所以还应该对元器件的封装、电气特性等有所了解，并掌握焊接技术，能对一般的贴片元件进行手工焊接。这方面的知识需要在实践中积累经验，很难一蹴而就。

做ARM9系统的硬件设计，一般采用六层板，成本较高。为了避免因设计的错误而付出沉重的代价，建议在做ARM9的硬件设计以前，做一些简单的硬件设计，如单片机系统和ARM7系统，它们一般都是采用两层板，工艺要求不高，成本也相对较低。从简单的硬件设计做起，有助于提高ARM9系统设计的成功率。

第二章原理图设计

2.1 功能定义及元器件的选型

本文所要做的ARM9系统，是一个功能相对简单的一个系统，目的只是要掌握ARM9系统完整的开发流程，所以并不要求强大的功能和很高的性能。因此，在元器件的选型上，CPU采用三星公司的S3C2410。网上关于S3C2410的资料很多很全，其性价比也备受推崇，所以很适合做学习用。

对系统进行功能定义的思路就是，在主机上通过串口对目标板进行控制，然后通过VGA接口显示出来。其中，基本上所有的控制都是通过串口实现的。

系统的结构主要包括CPU部分、Flash闪存部分、SDRAM部分、电源和JTAG下载接口部分、串口控制部分和VGA视频输出六大部分。性能参数如下：CPU处理速度为200MHz，Flash大小为64M，SDRAM为64M。

2.2 原理图设计

原理图的绘制采用EDA软件Protel DXP，该软件在国内相当普及，学习的门槛也低，在要求不是非常高的情况下，使用它进行原理图的绘制乃至后面的电路板设计，都是很合适的。关于Protel DXP的书籍比较多，在此就不再赘述Protel DXP的使用了。

2.2.1 总体结构图

电路由电源、CPU、闪存、内存、串口、VGA接口六部分组成。在绘制电路原理图时，采用自下而上的设计方式，最后汇总为总的结构图。为了对系统有一个更直观和全面的了解，这里先把结构总图放在前面。

总体结构图

2.2.2 电源部分

电源的设计主要是根据CPU的需求而定制的，外围电路对电源的要求一般都不苛刻。S3C2410所需要的电压是3.3V和1.8V，因此，电源部分就采用5V供电，然后通过稳压芯片AMS1117-3.3V 和AMS1117-1.8V获得CPU所需电压。另外，由于系统相对简单，没有耗电很厉害的器件，所以选用500mA以内的稳压芯片即可。

需要注意的一点是，电源对系统的影响也是很大的，不好的电源将导致系统故障。所以，一定要保证电流的富足、电压的稳定、波形的平滑，这就要求在稳压和滤波方面一定不能偷工减料，高质量的稳压芯片和大容量的电容是必不可少的。

电源部分的电路还包含了JTAG接口和复位电路。

电源部分

2.2.3 CPU部分

CPU采用的是三星的S3C2410，它的引脚有272个，如果都把与它的连线画在一个图上，看起来就会很拥挤，不便于理解。所以，把CPU又分为四部分：电源（Power）、晶体振荡（XTAL）、总线（BUS）、视频（VGA）。这一部分的电路涉及的元器件很少，但是引线很多，尤其是总线，所以应该重点注意网络标志的书写，避免出现错误，否则会造成很严重的后果。

CPU_Power

CPU_BUS

CPU_XTAL

CPU_VGA

2.2.4 闪存部分

Flash芯片选用三星的存贮芯片K9F1208，它的容量是64M，老一点的优盘使用的都是这个存储芯片。看起来引脚很多，实际上使用的引脚不算多，引脚的定义一目了然。

Flash电路

2.2.5 内存部分

内存采用两片16位的芯片串接成32位，容量是64M，芯片是K4S561632E-UC75。这部分电路除了滤波电容外，没有外围元件。

内存是程序运行时所必须的，它的容量大、存贮速度块、成本不高，因此在调试中具有重要作用。把程序下载的SDRAM中，先运行一遍，如果可行再烧写到Flash中，这样就避免了Flash被多次烧写并节约了时间。

SDRAM电路

2.2.6 串口部分

串口是本系统所必须的，它负责返回开发板的运行信息和传送计算机的控制信息，程序的下载也是通过串口。电路很简单，就是一个RS232电平与TTL电平的互换。

串口电路

2.2.7 视频输出部分

视频输出电路的设计，主要是为了检验图形系统的运行情况，从某种意义上看是属于扩展的功能。它的处理芯片是TL5632，外加三片74LVXC3245，组成VGA输出电路，外接电脑显示器便可实现显示功能。另外，这一部分对电源的波形要求较高，应该采用较大的电容进行滤波，并在布局中注意抗干扰。

VGA电路

第三章电路板设计

3.1 多层板的管理

根据原理图的情况和元器件的实际封装，综合考虑成本因素，确定到底要使用几层板和确定板子的尺寸，尺寸过大和层数过多都会使成本抬高。因此，针对本项目的具体情况，选择了六层板，尺寸位12cm*10cm。由于芯片是BGA封装，为了提高布通率和提高抗干扰能力，定义了两个电源层（3.3V和GND）。具体参数的设置应该通过PCB板向导（PCB Board Wizard）来完成。

在生成了PCB板以后，再通过Design Layer Stack Manager 对电源层与信号层进行管理。

尺寸的设置

电路板各层的定义

电源层的管理

3.2 布局与布线

3.2.1 布局的原则

布局是否合理，往往决定了多层板是否能够顺利布通。同时，由于电路频率较高，布局对系统的性能也是有很大的影响的。

因此，布局应该遵循一定的原则：各单元电路之间不能相互干扰；芯片的放置在互补影响下应该紧凑和整齐；插座、开关等接口应放置在便于使用的位置，如电路板的边缘处；根据元器件的飞线情况判断决定元器件所处的层等等。

布局截图

3.2.2 布线的方法和参数的设置

多层板所设计的系统复杂，布线一般都不容易完全布通。所以，如何选择合理的布线方法和如何设置参数很关键，实际上也就是对Design Rules的设置。本工程所使用的关键参数：布线拓扑为Daisy-Simple，最小线径为0.15mm，安全距离为0.1mm，最小过孔为0.2mm。另外，应该对电源线和一些和接口连接的设置较宽的线径，确保其电气和物理特性的可靠。