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ARM系统的硬件设计
TheponywasrevisedinJanuary2021
ARM系统的硬件设计
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ProtelDXP，ARM9系统所选用的CPU是三星公司的S3C2410。
关键词：
ARM9系统；PCB设计；ProtelDXP；S3C2410
Abstract
Atfirst,thisarticlehasasummaryintroductionofkeystoneaboutadvancesriscmachines,andthen,itgivesthematerialflowofhardwaredesignonARM9systemwhichisbasedonrealengineeringapplication,includingchoosethecomponents,protractschematic,designthePCB,jointingandtesting,andsoon.ThesoftwareofprotractingintheengineeringisProtelDXP,andtheCPUusedinsystemisSamSungS3C2410.
KeyWords:
AdvancesRISCMachines；PrintedCircuitBoardDesign；ProtelDXP；S3C2410
第一章基础知识1
1.1ARM微处理器概述1
1.1.1ARM－AdvancedRISCMachines1
1.1.2ARM微处理器的应用领域1
1.1.3ARM9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4
2.2.1总体结构图4
2.2.2电源部分5
2.2.3CPU部分6
2.2.4闪存部分8
2.2.5内存部分9
2.2.6串口部分10
2.2.7视频输出部分10
第三章电路板设计12
3.1多层板的管理12
3.2布局与布线14
3.2.1布局的原则14
3.2.2布线的方法和参数的设置14
3.3后期处理15
3.3.1补泪滴15
3.3.2敷铜16
3.3.3加标注16
第四章电路板的焊接与调试17
4.1CPU的焊接17
4.2外围芯片的焊接与调试17
4.3软件的烧写18
4.4电路板的实物图19
4.4.1硬件实物截图19
4.4.2图形系统运行截图20
4.4.3应用程序运行截图21
后记22
参考文献22
第一章基础知识
1.1ARM微处理器概述
1.1.1ARM－AdvancedRISCMachines
ARM（AdvancedRISCMachines），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。
1.1.2ARM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。
1.1.3ARM9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WindowsCE、Linux、PalmOS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ProtelDXP。
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ProtelDXP，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ProtelDXP的书籍比较多，在此就不再赘述ProtelDXP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
2.2.3CPU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（PCBBoardWizard）来完成。
在生成了PCB板以后，再通过DesignLayerStackManager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DesignRules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。
Rules截图
3.3后期处理
3.3.1补泪滴
由于布线时所使用的线径很小，而有的元件为体积较大的直插器件，为了避免其物理运动造成焊盘的脱落，应该对所有焊盘补泪滴，运行ToolsTeardrops即可。
3.3.2敷铜
敷铜一方面是为了提高抗干么能力，一方面也是为了板子看起来更美观。
一般对顶层和底层进行敷铜。
如果害怕敷铜之后焊盘过于贴近电源层，可以先调整安全距离，调大一些，待完成了敷铜以后再把安全距离调整回来。
3.3.3加标注
完成了敷铜以后，应该在丝印层对电路板进行标注，便于用户使用。
包括对开关接口的标注，开发单位或开发人员的logo等等。
完成之后的PCB
第四章电路板的焊接与调试
4.1CPU的焊接
CPU的封装为BGA272，如果用吹焊机手工焊接，可靠性得不到保证，从而会影响到下一步的调试。
所以，应该把CPU交给专门的厂家进行焊接。
本项目里的CPU，就邮寄到上海稚启科技进行加工，每个BGA封装的焊接收费100元。
CPU是整个电路的核心，所以应该首先焊接并确保其可靠性。
4.2外围芯片的焊接与调试
先焊接电源和JTAG下载口，检测到CPU；然后焊接Flash，使之可以下载程序；再焊接SDRAM部分，使程序可以运行；接着焊接串口部分，控制程序运行和下载内核与文件系统；最后焊接VGA视频输出部分，检验图形系统的运行情况。
检测CPU
检测Flash并烧写引导程序
4.3软件的烧写
其实就是使用dnw通过串口把程序下载到板子上，包括更新引导程序，烧写内核与文件系统。
使用DNW来烧写软件
4.4电路板的实物图
4.4.1硬件实物截图
从图片中可以看到所有的主要器件都已经焊接在板子上，接口也接上了电源、串口插头和VGA插头。
电源指示灯和程序运行指示灯都亮着，说明硬件没有问题。
板子上左边的排针是JTAG下载口，右下角有个“电子技术学院”的logo，其下有对硬件系统特性的说明。
4.4.2图形系统运行截图
4.4.3应用程序运行截图
错误！
未找到索引项。
自己的应用程序
后记
在教研室做毕业设计的这段时间里，我得到了导师的耐心指导和悉心帮助，在此要感谢我的导师罗长远主任。
同时，我也在与同学互相交流的过程中得到了他们的帮助，在此也要感谢他们。
我的毕业设计是做硬件开发的。
一路走来，研发过程充满了艰辛，我承受了很大的压力，但我也因此掌握了很多东西，磨练了我的意志。
我明白的，做一件事情，一定要有做成它的决心，而且不到最后一刻决不能放弃。
我的设计是在最后一个星期才取得成功的，虽然来的太突然，但也和我不懈的努力分不开。
再次感谢曾经支持和帮助过我的所有人，感谢曾经与我共事的同学，谢谢你们！
参考文献
[1]柯常志柯长仁《精通ProtelDXP系统设计篇》中国青年电子出版社2005.9
[2]唐清善廖日坤《ProtelDXP入门与精通与实用教程》中国水利电出版社2004.4
[3]郑灵翔等着《嵌入式系统设计与应用开发》北京航空航天出版社2006
[4]刘峥嵘等着《嵌入式Linux应用开发详解》机械工业出版社2004
[5]（美）JohnGoerzen着《Linux编程宝典》电子工业出版社2000
[6]（美）CraigHollabaugh着《嵌入式Linux-硬件、软件与接口》电子工业出版社2003
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