嵌入式应用系统设计

    近几年嵌入式系统应用技术发展迅速，基于嵌入式系统的产品在各个
  领域都得到了广泛应用。本书在讲述嵌入式系统基础知识和应用系统设计
  技术的同时，重点讲述应用系统设计方法及调试工具。
    编者在编写教材的过程中，始终遵循“宽浅新用”和“精讲多练”的
  原则，结合多年的教学和实践经验，同时结合嵌入式应用系统设计的实用
  技术，力求使教材内容精练、概念清晰。本书的主要特色是实例讲解与实
  验操作互相融合、渗透和促进。结合实例与实验，本书分别介绍了开发环
  境、程序设计、接口技术、系统设计技术及相关调试工具的应用。教材中
  实验的软硬件环境具有普遍性，方便组织实验教学；教材内容深入浅出、
  通俗易懂，有利于培养学生的学习兴趣，同时便于自学。
    本书系统地介绍了嵌入式系统设计的理论、技术和应用。全书共分7章：
  第1章概述，第2章ARM微处理器基础，第3章ARM指令系统与编程
  基础，第4章嵌入式应用系统的设计，第5章嵌入式应用系统的扩展接
  口电路，第6章嵌入式ucLinu)及其应用开发，第7章综合举例。本书重
  点介绍嵌入式系统的技术应用，注重学生开发嵌入式系统的技术和应用能
  力的培养。本书在相应章节配有实验指导，教师可结合本校实验室的条件
  安排实验，这样既有利于教师教学，又有利于学生实践能力的培养。
    本书由葛纫秋教授、韩宇龙老师担任主编，对全书进行构思与编写。
  李卫国、雷挺、王霞、潘皓收集、整理资料与应用实例，进行综合设计与
  实验验证。张延华教授担任了本书的主审，对全书的编写提出了不少宝贵
  意见。在此对他们的辛勤劳动深表感谢。
    在本书的编写过程中，编者参阅了大量的与嵌入式系统领域相关的书
 籍和文献，在此对这些文章的作者表示感谢。由于嵌入式技术和应用发展
迅速，而且编者水平有限，书中难免有疏漏不妥之处，尚祈专家和读者不
吝指正。
    编者
    2007年8月

第4章
嵌入式应用系统的设计
    本章主要论嵌入式硬件部分的基本设计方法。设计一个完整的嵌入式
系统，应该同时考虑硬件和软件两个方面，特别是在方案的制定阶段，在考
虑用什么样的元器件搭建电路的同时，就要有针对性地考虑和什么样的软件
配套使用的问题。有时首先要明确的是必须要用什么样的操作系统，操作系
统中要使用什么样的文件系统等。这些因素往往会限制或缩小元器件的选择
范围。
    但一开始就让嵌入式系统设计的初学者同时考虑软硬件两个方面的问题，
会使事情变得很复杂，也不容易讲明白。现在只讲述一个基本的通用的嵌入式
硬件平台如何搭建的问题，至于平台上要跑什么样的操作系统，必须要达到怎
样的实时响应速度等实用系统设计中必须要量化考虑的指标要求，目前还不属
于要讲述的主要内容。
    本章通过介绍一个基于S3C4480x的基本硬件系统的设计步骤、实现细节
和调试方法等几个方面的内容，为阅读者设计自己的嵌入式硬件系统起一个抛
砖引玉的作用。不同的嵌入式系统，在设计思路和考虑问题的角度上都会有许
多共同之处。特别是作为其核心部分的*小系统，在设计思路和考虑问题的角
度上都不会有太本质的区别，希望通过本章的学习能切实提升读者设计嵌入式
应用系统的能力。
    本章的主要内容包括：
    ①嵌入式硬件系统设计的基本原则和思路。
 ②S3C4480X微处理器及其基本工作原理。
③基于s3c4480x的基本硬件系统的设计。
④硬件系统的调试。
4．1  嵌入式硬件系统设计概述
    分析用户对嵌入式系统的特定需求，把需求转化成特定的嵌入式应用系统
的设计方案，是每一个嵌入式系统设计工程师首先要具备的能力。方案的确定
和产品的应用领域有关，同时也跟具体产品的主要消费对象和功能定位有关，
方案*后必须细化到用什么型号的芯片、芯片的级别、芯片的封装、产品的尺
寸厚度等，也就是说，设计的*终方案必须落实到物理可实现的元器件上。
    其中，成本是一个必须考虑的因素，特别是面向大众的消费类产品，产品
设计提出的初衷可能就是要制造一款和竞争对手的产品性能相当但价格必须具
有明显优势的嵌入式产品，这种产品成本的控制在方案论证阶段就要着手考虑。
    其次，产品允许的开发周期也是决定设计方案的一个很重要的因素，因为
产品上市早可能就意味着抢占到了商机，一个总是抓不住商机的企业迟早是生
存不下去的。现在企业之间的竞争都非常激烈，企业给产品设计部门的开发周
期一般都不会太长，这时在前期进行方案设计时就必须考虑尽可能使用成熟的
设计，尽可能使用熟悉的元器件，尽可能使用熟悉的开发环境和测试手段等；
而不是市面上什么器件*新就用什么，什么器件性能*卓越就用什么，什么开
发工具功能*复杂就用什么开发工具，什么技术*时髦、炒的*热就用什么技
术，因为这样一方面可能会增加开发成本，降低*终产品的竞争力，另一方面
可能还会增加开发的风险。
    此外，方案设计时还应该考虑产品*终的应用环境，在极端恶劣的环境中
长期进行工作的产品必须有必要的保障措施。还要考虑产品的故障率的要求：
民品购买以后2、3年内出了点小故障，然后厂家很快就把故障解决了，对此大
多数人可能是可以接受的。但如果产品*终是要放在卫星里发射到天上，要求
持续不间断工作的，而且卫星设计的使用寿命是20年，那么卫星里的每一个嵌
入式系统组件就必须要求20年内出任何故障的可能性为零才可以。如果其中的
一个小模块在卫星发射后一年就坏掉而又无法自修复，从而导致整个卫星系统
都不能正常工作，研制发射一颗卫星的多少个亿的投入就因为一个价值才几千
或者几万块钱的小模块打了水漂，对此任何人都是不可能接受的。
    还有，器件的大小和高度也必须要考虑。例如现在市面上流行的超薄手机，
它的外形尺寸就非常小，去除外壳的尺寸及电路板本身的厚度，还有安装和散
热的空间等，留给器件的允许尺寸就非常有限，这时就需要专门定制自己的
SOC芯片。因为在这种情况下，市面上任何一款通用的芯片无论其功能是否够
用，首先在物理高度上就不符合要求。
    现在给这一章要设计的嵌入式硬件系统平台假设这样一个应用背景和要求：
    ①要开发的硬件系统平台主要满足嵌入式基础实践教学的需要。
    ②硬件平台可以作为独立的、硬件配置又比较齐备的基础开发板使用。
    ③CPU选用ARM7系列，外扩存储器可以保证完成基本嵌入式Linux操
作系统外加中等规模的应用程序的烧写和下载。
    ④嵌入式开发板要兼容某个已经定义好的扩展总线标准。
    如果接到如上所述的一个设计任务，该怎么考虑?
    首先，先参考已有的ARM7嵌入式开发板都是怎么做的，思考它们这样设
计的原因和好处以及不足。如果有条件，*好买一、两块不同的开发板回来使
用一下，对比总结它们各自的优、缺点。
    这样做是因为对于嵌入式设计的初学者或者刚工作的从事嵌入式应用开发
的本科生、硕士生，基本上不可能直接接受一个从来都没有人做过的、采用完
全新的思路和方案来设计新产品的任务，而是一般需要借鉴已有的成果和思路：
完全相同的产品难找，但相似或相近的产品很可能会有，其中至少有部分思路
是可以借鉴的。这些资料可能是一篇论文，可能是论坛里简简单单的几句话，
也可能直接就能见到实物。
    通过调研、借鉴已有的成果可以吸取其好的经验，又可以避免其不足之处，
还可以加快自己设计方案的进程。所以这是接手做一个具体的任务时首先要做
的一项工作。
    其次，作为教学使用的实验平台，对环境的要求并不高，保证在常温范围
内元器件可以正常工作就可以，同时希望平台的成本尽可能低，这样选用民用
级的芯片就可以。如果用到电阻、电容等元件，选用普通的精度和误差范围就
能满足要求；存储器与CPU之间的数据传输速率也不需要高性能。
    国内很多用于教学的ARM7开发板都选用Samsung的S3C4480x作为主要
的微处理器。从数据手册上看，这是一款通用的嵌入式微处理器，它的功能模
块比较丰富，可以满足嵌入式教学的基本要求，价格相对来说也比较低。另外，
国内已经有很多基于S3C4480x的嵌入式教材，选用这款芯片学习时可供参考
的资料就比较多一些。从这几个方面考虑，使用这一款芯片作为主控制芯片。
    为了学生操作和使用方便，开发板不需要做得很小。为了以后故障检测等
方便，芯片一般选用封装比较大的贴片形式就可以。贴片的阻容也选用0805
这样稍大点的封装，便于焊接也便于拆除。