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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,ARM系统硬件设计,第5章ARM系统硬件设计,第5章ARM系统硬件设计,1,内 容,单片机系统简介,5.1 JXARM9-2410硬件组成,5.2 最小系统的设计,5.3 外设及系统总线,5.4 印制板的设计,5.5 硬件系统的调试,内 容单片机系统简介,2,单片机系统简介,单片机是一种集成电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的,中央处理器CPU 、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能,(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路),集成到一块硅片上,构成的一个小而完善的计算机系统。,单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的,几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机,。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备40多部单片机,复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作!,单片机系统简介单片机是一种集成电路芯片,是采用超大规模集成电,3,单片机芯片示例,单片机芯片示例,4,1、一个嵌入式处理器是不能独立工作的,必须给它供电、加上时钟信号、提供复位信号,如果芯片没有片内程序存储器,则还要加上存储器系统,然后嵌入式处理器才可能工作。,2、这些提供嵌入式处理器运行所必须的条件的电路与嵌入式处理器共同构成了这个嵌入式处理器的最小系统。,1、一个嵌入式处理器是不能独立工作的,必须给它供电、加上时钟,5,单片机最小系统示例,单片机最小系统示例,6,单片机最小系统示例,单片机最小系统示例,7,电压转换电路,7805: 三端稳压器件;78xx/79xx 系列,三端稳压器件,是最常用的,线性降压型 DC/DC 转换器,,目前也有大量先进的 DC/DC 转换器层出不穷,例如,低压差线性稳压器 LDO,等, (例如,NSC 的 LM2940、LM2651、LM5020,MAXIAM 的 MAX1747 等等)。,78xx/79 系列简单易用、价格低廉,直到今天还在大多电路中采用。 如7805,7806,7809,7812,7815,7824,(79)。以及三瑞可调稳压(LM317,337,338.),电压转换电路7805: 三端稳压器件;78xx/79xx 系,8,第五章ARM系统硬件设计课件,9,DS1302 是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路,它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时,具有闰年补偿功能,工作电压为2.5V5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信,并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。,DS1302 是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗,10,最小系统实物图示例,最小系统实物图示例,11,最小系统实物图示例,最小系统实物图示例,12,最小系统实物图示例,最小系统实物图示例,13,嵌入式系统的软硬件框架,串口、并口、USB、以太网等,LED、LCD、触摸屏、鼠标、键盘等,Linux、uCLinux、uC/OS-II、WINDOWS CE等,嵌入式系统的软硬件框架串口、并口、USB、以太网等LED、L,14,ARM 微处理器结构RISC,CISC(Complex Instruction Set Computer,复杂指令集计算机)结构和RISC(Reduced Instruction Set Computer,精简指令集计算机)的概念,RISC体系结构应具有如下特点:,采用固定长度的指令格式,指令整齐、简单、基本寻址方式有23种;,使用单周期指令,便于流水线操作执行;,大量使用寄存器,数据处理指令只对寄存器进行操作,只有加载/存储指令可以访问存储器,以提高指令的执行效率。,ARM 微处理器结构RISCCISC(Complex In,15,RISC结构的ARM 微处理器,1.所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行,从而提高指令的执行效率;,例如:andsr2, r2, #7beqstop,2.可用加载/存储指令,批量传输,数据,以提高数据的传输效率;,3.可在一条数据处理指令中,同时完成逻辑处理和移位处理,;,4.在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。,RISC结构的ARM 微处理器1.所有的指令都可根据前面的,16,ARM 微处理器的指令结构,ARM微处理器支持两种指令集:,ARM指令集: ARM指令为32位的长度,Thumb指令集:Thumb指令为16位长度,Thumb指令集为ARM指令集的功能子集,但与等价的ARM代码相比较,可节省3040以上的存储空间,同时具备32位代码的所有优点。,ARM 微处理器的指令结构ARM微处理器支持两种指令集:,17,ARM 体系结构的存储器格式,ARM体系结构所支持的最大寻址空间为,4GB(2,32,字节),ARM体系结构可以用两种方法存储字数据,称之为大端格式(低字放在高地址处)和,小端格式 (低字放在低地址处),ARM体系结构将存储器看作是,从零地址开始的字节的线性组合。,从零字节到三字节放置第一个存储的字数据,从第四个字节到第七个字节放置第二个存储的字数据,依次排列。,ARM 体系结构的存储器格式ARM体系结构所支持的最大寻址空,18,X86系统主板,内存,总线插槽,网卡,CPU,串行接口,USB接口,芯片组,显卡,X86系统主板内存总线插槽网卡CPU串行接口USB接口芯片组,19,5.1,JXARM9-2410教学系统的硬件组成,本章将以武汉创维特公司生产的JXARM9-2410教学系统为原型,详细分析系统的硬件设计步骤、实现细节以及调试技巧等,5.1 JXARM9-2410教学系统的硬件组成本章将以武汉,20,S3C2410X内部结构图,S3C2410X内部结构图,21,S3C2410X片上资源,ARM920T核、工作频率203MHz;,16KB 数据Cache, 16KB 指令Cache,MMU,外部存储器控制器;,LCD控制器(支持黑白、灰度、Color STN、TFT屏),触摸屏接口;,NAND FLASH控制器,SD/MMC接口支持,4个DMA通道,3通道UART、1个多主I2C总线控制器、1个IIS总线控制器,4通道PWM定时器及一个内部定时器;,117个通用I/O口; 24个外部中断源;,两个USB主/一个USB从;,8通道10位ADC;,实时时钟及看门狗定时器等。,S3C2410X片上资源ARM920T核、工作频率203MH,22,S3C2410X特性,内核:1.8V I/O及存储器 : 3.3V,电源管理模式:Normal、Slow、Idle、Power off,272-FBGA,S3C2410X特性内核:1.8V I/O及存储器 : 3,23,S3C2410X的引脚分布图,S3C2410X的引脚分布图,24,S3C2410X的存储器映射,S3C2410X的存储器映射,25,总线控制信号,总线控制信号,26,SDRAM/SRAM,SDRAM/SRAM,27,NAND Flash,NAND Flash,28,LCD控制信号,LCD控制信号,29,中断控制信号,中断控制信号,30,DMA控制信号,DMA控制信号,31,UART控制信号,UART控制信号,32,ADC,ADC,33,IIC-BUS控制信号,IIC-BUS控制信号,34,IIS-BUS控制信号,IIS-BUS控制信号,35,触摸屏接口控制信号,触摸屏接口控制信号,36,USB主接口信号,USB主接口信号,37,USB从接口信号,USB从接口信号,38,SPI接口信号,SPI接口信号,39,GPIO,GPIO,40,TIMER/PWM控制信号,TIMER/PWM控制信号,41,复位和时钟信号,复位和时钟信号,42,JTAG测试逻辑,JTAG测试逻辑,43,电源,电源,44,5.2 最小系统的设计,1、一个嵌入式处理器是不能独立工作的,必须给它,供电、加上时钟信号、提供复位信号,,如果芯片没有片内程序存储器,则还要加上,存储器系统,,然后嵌入式处理器才可能工作。,2、这些提供嵌入式处理器运行所必须的条件的电路与嵌入式处理器共同构成了这个嵌入式处理器的最小系统。,3、大多数基于ARM9处理器核的微控制器都有调试接口,这部分在芯片实际工作时不是必需的,但因为这部分在开发时很重要,所以把这部分也归入到最小系统中。,5.2 最小系统的设计1、一个嵌入式处理器是不能独立工作的,,45,最小系统框图,嵌入式控制器,时钟电路,调试测试接口,复位电路,存储器电路,电源电路,可选,当嵌入式处理器中无存储器时,或需扩充存储器时,需加上。,可选,方便调试和测试,一般都加上。,最小系统框图嵌入式控制器时钟电路调试测试接口复位电路存储器电,46,电源电路-概述,电源系统为整个系统提供能量,是整个系统工作的基础,具有,极其重要,的地位。电源系统处理的好坏,将直接影响到整个系统的,稳定性、可靠性,等。多电源系统的设计、电源的分配、,印制板设计,中电源的设计等,都是必须考虑的。,电源电路-概述电源系统为整个系统提供能量,是整个系统工作的基,47,电源电路-考虑的因素,1. 输入的,电压范围、电流,;,2. 输出的电压、最大电流、,最大功率,;,3. 输出,纹波大小,;,4. 安全因素;,5. 电池兼容和,电磁干扰,;,6. 体积要求;,7. 成本要求。,电源电路-考虑的因素1. 输入的电压范围、电流;,48,电源电路-需求分析,1、一般是,多电源系统,,I/O一般为,3.3V,供电,内核为2.5V(S3C44B0)、,1.8V,(S3C2410)或1.25V(PXA255)供电,有可能还包含5V或12V等电源;,2、 一般将,数字电源,和,模拟电源,分别供电;,3、要求电源纹波比较小,一般采用,LDO,供电;(LDO是lowdropoutregulator,意为低压差线性稳压器,用于,电压转换,)。,电源电路-需求分析1、一般是多电源系统,I/O一般为3.3V,49,电源电路-芯片选型,1、有很多厂家均生产,LDO DC-DC转换芯片,,如Maxim、Linear、 Sipex 、TI、 Microchip等;,2、,转换到5V,的芯片有UA7805、TL750L05、LTC3425、REG1117-5等;,3、,转换到3.3V,的芯片有LT1083(7.5A)、 LT1084 (5A) 、LT1085 (3A)、,LT1086(1.5A),,REG1117-3.3等;,电源电路-芯片选型1、有很多厂家均生产LDO DC-DC转换,50,电源电路-参考电路,电源电路-参考电路,51,时钟电路,目前所有的微处理器均为时序电路,需要一个时钟信号才能工作,,大多数微处理器具有内部晶体振荡器,。简单的方法是利用微处理器内部的晶体振荡器,但有些场合(如需减少功耗、需要严格同步等情况)需要使用外部振荡源提供时钟信号。,如图,5-4,为使用内部晶体振荡器的时钟电路,图,5-5,使用外部振荡源的时钟电路。OM2、OM3的不同设置,用于S3C2410区别是使用的内部晶体振荡器还是外部振荡源,。,时钟电路目前所有的微处理器均为时序电路,需要一个时钟信号才能,52,时钟电路(续),1、根据S3C2410X的最高工作频率以及PLL(锁向环)电路的工作方式,选择,12MHz的无源晶振,。12MHz的晶振频率经过S3C2410X片内的PLL电路倍频后,可达到,202.8MHz的频率,。,2、片内的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,以降低因高速开关时钟所造成的高频噪声。,时钟电路(续)1、根据S3C2410X的最高工作频率以及PL,53,复位电路,复位电路有RC复位电路、监控芯片复位电路、看门狗复位电路等。如图5-6为由RC电路及施密特触发器组成的复位电路;图5-7为由监控芯片组成的复位电路:,复位电路复位电路有RC复位电路、监控芯片复位电路、看门狗复位,54,看门狗,又叫 watchdog timer(DWT),是一个,定时器电路, 一般有一,个输入,叫喂狗,(kicking the dog or service the dog),一个输出到MCU(微控制器)的RST端,MCU正常工作的时候,每隔一端时间输出一个信号到喂狗端,给 WDT 清零,如果超过规定的时间不喂狗,(一般在程序跑飞时),WDT 定时超过,就会,给出一个复位信号,到MCU,使MCU复位. 防止MCU死机. 看门狗的作用就是防止程序发生死循环,或者说程序跑飞。,看门狗,又叫 watchdog timer(DWT),是一个,55,如图5-8,IMP706TESA为,看门狗及电压监控芯片,,内含1个1.6秒的看门狗定时器。当电源电压低于监控的门限电压(3.08V)时,/RESET输出低电平,并产生200ms的复位延迟;当电源电压高于监控的门限电压时,/RESET将输出高电平,从而产生上电复位信号。当WDI无喂狗脉冲信号时,1.6秒的看门狗定时器将溢出,导致WDO端输出低电平,如果JP1短接,则/MR端也为低电平,从而产生看门狗复位,并产生200ms的复位延迟。,如图5-8,IMP706TESA为看门狗及电压监控芯片,,56,JTAG调试接口电路,1、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,。目前大多数比较复杂的器件都支持JTAG协议,如ARM、DSP、FPGA器件等。,2、标准的,JTAG接口是4线,:TMS、TCK、TDI、TDO,分别为测试模式选择、测试时钟、测试数据输入和测试数据输出。,3、通过JTAG接口,,可对芯片内部的所有部件进行访问,,因而是开发调试嵌入式系统的一种简洁高效的手段。目前JTAG接口的连接有两种标准,即14针接口和20针接口。,JTAG调试接口电路1、JTAG(Joint Test Ac,57,典型的,JTAG接口电路,因为S3C2410的JTAG接口为CMOS电路,为了防止JTAG接口影响程序的正常运行,在nTRST、TDI、TMS、TCK输入接口信号上应接上拉电阻。,20针JTAG接口,必须接上拉电阻,典型的JTAG接口电路 因为S3C2410的JTAG接口为C,58,SDRAM接口电路设计SDRAM简介,SDRAM:Synchronous Dynamic Random Access Memory,同步动态随机存储器,同步,是指 Memory工作需要同步时钟,内部的命令的发送与数据的传输都以它为基准;,动态,是指存储阵列需要不断的刷新来保证数据不丢失;,随机,是指数据不是线性依次存储,而是自由指定地址进行数据读写。,SDRAM接口电路设计SDRAM简介SDRAM:Synch,59,SDRAM接口电路设计SDRAM简介,与Flash存储器相比较,SDRAM不具有掉电保持数据的特性,但其存取速度大大高于Flash存储器,且具有读/写属性,因此,SDRAM在系统中主要用作程序的运行空间,数据及堆栈区。,当系统启动时,CPU首先从复位地址0x0处读取启动代码,在完成系统的初始化后,程序代码一般应调入SDRAM中运行,以提高系统的运行速度,同时,系统及用户堆栈、运行数据也都放在SDRAM中。,SDRAM具有单位空间存储容量大和价格便宜的优点,已广泛应用在各种嵌入式系统中。SDRAM的存储单元可以理解为一个电容,总是倾向于放电,为避免数据丢失,必须定时刷新(充电)。因此,要在系统中使用SDRAM,就要求微处理器具有刷新控制逻辑,或在系统中另外加入刷新控制逻辑电路。S3C2410X在片内具有独立的SDRAM刷新控制逻辑,可方便地与SDRAM接口。,SDRAM接口电路设计SDRAM简介与Flash存储器相比,60,SDRAM选型,1、目前常用的SDRAM为8位/16位的数据宽度,工作电压一般为3.3V。主要的生产厂商为HYUNDAI、Winbond等。他们生产的同型器件一般具有相同的电气特性和封装形式,可通用。,本系统中使用Winbond的,57V561620,或W982516。,57V561620存储容量为,4组4M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(Auto-Refresh)和自刷新(Self-Refresh),16位数据宽度。,SDRAM选型1、目前常用的SDRAM为8位/16位的数据宽,61,57V561620引脚分布,57V561620引脚分布,62,57V561620引脚信号描述,57V561620引脚信号描述,63,SDRAM接口电路,SDRAM接口电路,64,FLASH接口电路设计FLASH简介,Flash存储器是一种,可在系统(In-System)进行电擦写,,掉电后信息不丢失的存储器。,它具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编程(烧写)、擦除等特点,并且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作,因而在各种嵌入式系统中得到了广泛的应用。,作为一种非易失性存储器,Flash在系统中通常用于,存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据,等。,FLASH接口电路设计FLASH简介Flash存储器是一种,65,FLASH选型,常用的Flash为8位或16位的数据宽度,编程电压为单3.3V。主要的生产厂商为INTEL、ATMEL、AMD、HYUNDAI等。,英蓓特系统中使用Am29LV160D。,Am29LV160D,存储容量为,2M字节,,工作电压为3.3V,数据宽度8位,FLASH选型常用的Flash为8位或16位的数据宽度,编程,66,Am29LV160D 引脚信号描述,Am29LV160D 引脚信号描述,67,FLASH接口电路,FLASH接口电路,68,5.3 外设及系统总线,S3C2410X最小系统 + SDRAM + FLASH电路可构成一个完全的嵌入式系统,可运行于SDRAM中的程序,也可以运行FLASH中的程序,程序大小可以很大,如果将程序保存到FLASH中,掉电后不会丢失,因此,既可以通过JTAG接口调试程序,也可以将程序烧写到FLASH,然后运行FLASH中的程序,在此基础上加入必要的接口及其他电路,就构成了具体的S3C2410X应用系统,5.3 外设及系统总线S3C2410X最小系统 + SDRA,69,串口接口电路设计串口简介,几乎所有的微控制器、PC都提供串行接口,使用电子工业协会(EIA)推荐的RS-232-C标准,这是一种很常用的串行数据传输总线标准。,早期它被应用于计算机和终端通过电话线和MODEM进行远距离的数据传输,随着微型计算机和微控制器的发展,不仅远距离,近距离也采用该通信方式。在近距离通信系统中,不再使用电话线和MODEM,而直接进行端到端的连接。,RS-232-C标准采用的接口是9芯或25芯的D型插头,以常用的9芯D型插头为例,各引脚定义下所示:,串口接口电路设计串口简介几乎所有的微控制器、PC都提供串行,70,第五章ARM系统硬件设计课件,71,串口芯片选型,要完成最基本的串行通信功能,实际上只需要RXD、TXD和GND即可,但由于RS-232-C标准所定义的高、低电平信号与S3C2410X系统的TTL电路所定义的高、低电平信号完全不同。,TTL的标准逻辑“1”对应2V3.3V电平,,标准逻辑“0”对应0V0.4V电平,而RS-232-C标准采用负逻辑方式,,标准逻辑“1”对应-5V-15V电平,,标准逻辑“0”对应+5V+15V电平,显然,两者间要进行通信必须经过信号电平的转换。,目前常使用的电平转换电路为Sipex公司的SP3232E。,串口芯片选型要完成最基本的串行通信功能,实际上只需要RXD、,72,SP3232E引脚分布,SP3232E引脚分布,73,串口接口电路,如图5-20,UART,异步串行接口电路,通过串行口接口芯片SP3232ECA,实现TTL电平和EIA电平之间的相互转换,并实现硬件流控功能,从而使S3C2410嵌入式系统能和PC机进行串行数据通信。,RS232电平,TTL电平,串口接口电路如图5-20 UART异步串行接口电路,通过串行,74,IIC接口电路设计IIC简介,IIC总线是一种用于IC器件之间连接的二线制总线。它通过,SDA(串行数据线)及SCL(串行时钟线)两线,在连接到总线上的器件之间传送信息,并,根据地址识别每个器件:不管是微控制器、存储器、LCD驱动器还是键盘接口。,带有IIC总线接口的器件可十分方便地用来,将一个或多个微控制器及外围器件构成系统,。尽管这种总线结构没有并行总线那样大的吞吐能力,但由于连接线和连接引脚少,因此其构成的系统价格低,器件间总线简单,结构紧凑,而且在总线上增加器件不影响系统的正常工作,系统修改和可扩展性好。即使有不同时钟速度的器件连接到总线上,也能很方便地确定总线的时钟,因此在嵌入式系统中得到了广泛的应用。,S3C2410X内含一个IIC总线主控器,可方便地与各种带有IIC接口的器件相连。,在本实验系统中,外扩一片KS24C08作为IIC存储器。KS24C08提供1K字节的EEPROM存储空间,可用于存放少量在系统掉电时需要保存的数据。,IIC接口电路设计IIC简介IIC总线是一种用于IC器件之,75,IIC接口电路,IIC接口电路,76,5.4 印刷电路板的设计,S3C2410X的片内工作频率为60MHz,因此,在印刷电路板的设计过程中,应该遵循一些,高频电路的设计基本原则,,否则会使系统工作不稳定甚至不能正常工作。,印刷电路板的设计人员应注意以下几个方面:,注意电源的质量与分配。,同类型信号线应该成组、平行分布。,5.4 印刷电路板的设计S3C2410X的片内工作频率为60,77,电源质量与分配,电源滤波,为提高系统的电源质量,,消除低频噪声对系统的影响,,一般应,在电源进入,印刷电路板的位置和,靠近各器件的电源引脚处,加上滤波器,以消除电源的噪声,常用的方法是在这些位置加上,几十到几百微法的电容,。,同时,在系统中除了要注意低频噪声的影响,还要注意元器件工作时产生的,高频噪声,,一般的方法是在器件的,电源和地之间加上0.1uF左右地电容,,可以很好地滤出高频噪声的影响。,电源质量与分配电源滤波,78,电源质量与分配,电源分配,实际的工程应用和理论都证实,电源的分配对系统的稳定性有很大的影响,因此,在设计印刷电路板时,要注意电源的分配问题。,在印刷电路板上,,电源的供给一般采用电源总线,(双面板)或电源层(多层板)的方式。电源总线由两条或多条,较宽的线组成,,由于受到电路板面积的限制,一般不可能布得过宽,因此存在较大的直流电阻,但在双面板得设计中也只好采用这种方式了,只是在布线的过程中,应尽量注意这个问题。,在,多层板,的设计中,,一般使用电源层的方式给系统供电,。该方式专门拿出一层作为电源层而不再在其上布信号线。由于电源层遍及电路板的全面积,因此,直流电阻非常的小,,采用这种方式可有效的降低噪声,提高系统的稳定性。,电源质量与分配电源分配,79,同类型信号线的分布,在各种微处理器的输入输出信号中,总有相当一部分是相同类型的,例如数据线、地址线。,对这些相同类型的信号线应该,成组、平行分布,,同时注意它们之间的,长短差异不要太大,,采用这种布线方式,不但可以,减少干扰,,增加系统的稳定性,还可以使布线变得简单,印刷电路板的外观更,美观,。,同类型信号线的分布在各种微处理器的输入输出信号中,总有相当一,80,5.5 硬件系统的调试,尽可能的从简单到复杂,一个单元一个单元地焊接调试,以便在调试过程中遇到困难时缩小故障范围,在调试过程中,应先确定电路没有短路,才能通电调试。,先从最小系统调试: S3C2410X + 电源电路 + 晶振电路 + 复位电路 + JTAG接口,然后加上SDRAM,再加上FLASH,然后再加上其它接口,芯片在工作时有一定的发热是正常的,但如果有芯片特别发烫,则一定有故障存在,需断电检查确认无误后方可继续通电调试。,5.5 硬件系统的调试尽可能的从简单到复杂,一个单元一个单元,81,电源、晶振及复位电路调试,调试电源电路之前,尽量少接器件,通电之前检查有无短路现象,用示波器观测,晶振的输出应为12MHz,复位电路的nRESET端在未按按钮时输出应为高电平(3.3V),按下按钮后变为低电平,按钮松开后应恢复到高电平,电源、晶振及复位电路调试调试电源电路之前,尽量少接器件,通电,82,JTAG接口电路调试,调试JTAG接口电路之前,应该保证晶振已经起振,检测JTAG接口的TMS、TCK、TDI、TDO信号是否已与S3C4510B的对应引脚相连,连接调试器,看是否能够连接上,如果连接不上,检查TMS、TCK、TDI、TDO等信号是否正常,正常工作时,TRST应该为高电平,如果连接不上调试器,需要检查该信号,JTAG接口电路调试调试JTAG接口电路之前,应该保证晶振已,83,
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