“嵌入式系统”课程结课论文-基于PXA270的嵌入式计算机的设计应用.doc

黑龙江八一农垦大学 heilongjiang bayi agricultural university “嵌入式系统”课程结课论文 项目名称：基于pxa270的嵌入式计算机的设计应用 学生： 班级： 学号： 专业： 电气工程及其自动化 2011年11月10日摘要 摘 要随着internet的发展和后pc时代的到来，嵌入式系统成为当前it产业的焦点之一，呈现了巨大的市场需求。嵌入式系统的应用领域和复杂程度正在日益发展。嵌入式系统相对于通用计算机系统具有差异巨大，资源有限，软硬件协同的特点。这些特点使得嵌入式系统应用开发难度大、效率低。arm (advanced risc machines)公司的32位risc处理器，以其高速度、低功耗、低成本、功能强、特有16/32位双指令集等诸多优异的性能，己成为移动通信、手持计算、多媒体数字消费等嵌入式解决方案中的首选处理器。基于arm类处理器和windows ce操作系统的嵌入式系统的开发已成为当前嵌入式领域研究的一个热点。本文深入讨论了基于intel pxa270处理器的核心硬件设计和windows ce.net操作系统的开发方法，一是完成了嵌入式计算机核心和外围扩展部分的硬件设计，二是完成了操作系统的移植和驱动程序的开发，并最终设计出一款嵌入式计算机。硬件是嵌入式计算机的基础，本文主要讨论了基于pxa270和多种外围部件的硬件设计方法，画出了原理图，分析了高速多层pcb板的设计方法，并给出各关键模块设计中的注意事项。软件是嵌入式计算机的灵魂，本文主要讨论了windows ce.net操作系统的开发和移植，详细描述了windows ce.net操作系统的内核定制。然后，结合作者的课题实践，用sram、ic卡等实例，详细地描述了驱动程序的开发过程。关键词：嵌入式 arm pxa270 windows ce 驱动程序目录摘 要i1.嵌入式系统的现状和发展11.1 嵌入式系统的现状11.2 嵌入式系统的发展趋势12.嵌入式处理器22.1嵌入式微处理器(embedded micro processor unit，empu )22.2嵌入式微控制器(embedded microcontroller unit，emcu)32.3嵌入式dsp处理器(embedded digital signal processor，edsp)33. 基于pxa27x的嵌入式硬件开发平台43.1 基于pxa27x的嵌入式开发板43.2 pxa270芯片44.嵌入式计算机的硬件开发54.1 嵌入式计算机原理图设计54.2 sdram的原理图设计54.3 flash电路的设计54.4 电源电路的设计54.5 时钟电路的设计64.6 lcd接口电路的设计64.7 cf接口电路的设计64.8音频及放大电路的设计65.编写windows ce.net的驱动程序85.1 windows ce.net驱动模型85.2 sram驱动程序开发95.3 ic卡驱动程序开发105.4 编写windows ce.net的应用程序115.4.1应用软件开发工具简介115.4.2软件开发工具包（sdk）125.4.3软件仿真器emulator12结 论13参考文献14基于pxa270的嵌入式计算机的设计应用1.嵌入式系统的现状和发展1.1 嵌入式系统的现状目前，嵌入式系统已经拥有了很大的市场。在当今世界范围内嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1万亿美元。目前从事嵌入式开发的软件企业超过30。国内嵌入式市场的发展重点在于对应用范围的拓展，而手持设备，信息家电和工业控制则是近期市场的三大热点。近年来微电子技术迅速发展，处理器增长速度加快，嵌入式领域也发生了翻天覆地的变化。尤其是soc技术的迅猛发展使得嵌入式处理器在性能、功耗、体积等方面有了很大的进步，另外internet技术与嵌入式技术的结合大大增强了嵌入式系统多方面的实用性。1.2 嵌入式系统的发展趋势信息时代、数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展机遇，为嵌入式市场展现了美好的前景，同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战。从中可以看出未来嵌入式系统的几大发展趋势：1.嵌入式产品将与互联网应用相互促进，快速发展，嵌入式产品将成为互联网的主要终端之一，网上将出现大量的服务于嵌入式产品的软件，并有专门服务于嵌入式产品的内容。网络互联成为必然趋势。2,随着微电子技术的快速发展，芯片功能更加强大，soc (system on chip)将成为发展趋势，这不仅能降低成本，缩小产品体积，还将增强产品的可靠性。同时，软件硬件的紧密结合，嵌入式软件与硬件界线更加模糊，嵌入式软件时常以硬件形态存在，这种方式可提高实时性，增强可维护性。3、无线通讯产品将成为嵌入式软件的重要应用领域，一方面，已有无线产品将借助芯片技术和嵌入式软件来提高性能，另一方面当前许多嵌入式产品都将增加无线通讯功能。因此，未来几年，蓝牙等相关技术会与嵌入式软件相互促进，共同发展，使更多的产品具有通讯功能，使更多的通讯产品更好地为用户服务。4,嵌入式操作系统会与嵌入应用软件协同发展。嵌入式系统中的重要角色包括嵌入式应用软件，嵌入式系统应用领域千差万别，只有充分重视应用软件的发展，才能满足丰富多彩的应用要求。5,嵌入式操作系统是在多种硬件平台上发展起来的，随着嵌入式系统的广泛应用，信息交换、资源共享机会增多。由此相关的标准问题也将日渐突出，如何建立相关标准成为业界关注的问题。 2.嵌入式处理器 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器。嵌入式处理器就像系统的控制神经中枢，通过数据线，地址线和控制信号线等神经网络与各种神经末梢，如rs-232接口、usb接口、lcd接口等相连。新一代嵌入式设备还需要具备ieeel394, usb, can, bluetooth或irda通信接口，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。为了支持应用软件的特定编程模式，如web或无线web编程模式，还需要相应的浏览器，如html, xml等。现在几乎每个半导体制造商都生产自己的嵌入式处理器。越来越多的公司如intel, winbond, motorola, arm, seiko epson等，都有自己的处理器，比如用户熟知的嵌入式处理器intel公司的sa1110, xscale, motorala公司的mc68302, mpc860, mpc8260.嵌入式处理器的寻址空间一般为64k256mb，处理器速度为0.1 mips-2000mips，其常用封装的引脚数从8个到几百个。根据现状，嵌入式处理器可以分成以下几类。2.1嵌入式微处理器(embedded micro processor unit，empu )嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的cpu。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，然后在电路板上配备一些必要的扩展外围电路，如存储器的扩展电路、1/o的扩展电路和一些专门的接口电路等，这样就可基本完成嵌入式系统的一些功能。有时为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上与标准微处理器基本相同，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种加强。与工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具备体积小，重量轻，成本低，可靠性高等优点。但在电路板上必须包括rom,ram, flash、总线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。嵌入式微处理器目前主要有am 186/88 , 386ex, sc-400, power pc,68000, mips, arm系列等。嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心，一般具有以下几个特点：1对实时多任务具有很强的支持能力。处理器内部具有精确的晶振电路、丰富的定时器资源，从而具有较强的实时处理能力。处理能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码长度和实时内核的执行时间减少到最低限度。2具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。3采用可扩展的处理器结构。一般在处理器内部都留有很多扩展接口，以方便对应用的扩展。如ic, hdlc, mac, uari，等。4提供丰富的调试功能。嵌入式系统的开发很多在交叉调试中进行，丰富的调试接口会更方便对嵌入式系统的开发。在嵌入式系统开发中，基本的开发模型就是在宿主机上进行目标机的开发。一方面要求宿主机上有相应的开发工具，另一方面要求目标机上的微处理器提供必要的调试接口以方便用户开发。一般的调试方式有硬件仿真调试、软件仿真调试、模拟调试等。常见的硬件调试接口有jtag, bdm方式等。 5低功耗。许多嵌入式处理器提供几种工作模式，如正常工作模式、备用模式、省电模式等。这些工作模式为嵌入式系统提供了灵活性，满足了嵌入式系统对低功耗的要求。信息社会是以网络以及移动计算和通信设备为基础的，在这样的一些设备中的嵌入式微处理器必须消耗非常低的功耗。因此，便携式和无线应用中靠电池操作的嵌入式微处理器设计的最重要的指标是低功耗而不是性能。2.2嵌入式微控制器(embedded microcontroller unit，emcu)嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成rom/eprom, ram、总线、总线逻辑、定时/计数器、watchdog, i/o、串行口、脉宽调制输出、a/d, d/a, flash ram, eeprom等各种必要功能和外设。为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。与嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点式单片化、体积小，从而使功耗和成本下降，可靠性提高。微控制器使目前嵌入式系统1_业中的主流产品。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。但随着对嵌入式系统功能上的要求越来越高，如能接入internet、支持触摸屏、能够管理数据等。由于8/16位单片机的速度不够快以及内存不够大，较难满足嵌入式设备的这些要求。现在，它的主流地位已经渐渐让位于32位的risc嵌入式微处理器。2.3嵌入式dsp处理器(embedded digital signal processor，edsp)dsp处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行dsp算法，编译效率较高，指令执行速度也较快。在数字滤波、fft、频谱分析等方面，dsp算法正在大量进入嵌入式领域，dsp应用正从在通用单片机中以普通指令实现dsp功能，过渡到采用嵌入式dsp处理器。嵌入式dsp处理器有两个发展来源，一是dsp处理器经过单片化、emc改造、增加片上外设成为嵌入式dsp处理器，ti的tms320c2000/c5000等属于此范畴；二是在通用单片机或soc中增加dsp协处理器，例如intel的mcs-296和infrneon(siemens)的tricore。现在，嵌入式dsp处理器已得到快速的发展与应用，特别在嵌入式的智能化系统中，例如，各种带智能逻辑的消费类产品、生物信息识别终端、带加密解密算法的键盘、adsl接入、实时语音压缩解压系统、虚拟现实显示等。这类只能化算法一般运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些正是dsp处理器的优势所在。3. 基于pxa27x的嵌入式硬件开发平台3.1 基于pxa27x的嵌入式开发板本论文中所用的开发环境由开发套件和开发主机组成。开发套件是由intel公司设计的基于pxa27x处理器的嵌入式开发套件。开发主机为普通pc，操作系统是windows xp。所有程序都在主机上开发调试，经过交叉编译后再烧制到开发套件上试运行。intel pxa27x开发套件主要由核心主板、子卡、cpu卡、电源卡和音频模块五大部分组成，核心主板上可以接插其它板卡，具有32m flash，还提供了非常丰富的外设接口：两个pcmcia接口、一个mmc接口、一个lcd接口、两个usb接口、一个rs232接口、一个记忆棒接口、一个键盘接口、一个以太网接口、一个红外接口等；子卡包含2m sram、jtag、cpld等；cpu卡包含一颗pxa270芯片、32m flash、32m sdram和系统时钟源；电源卡提供了系统所需的核心电压，其电平可由软件在0.899v1.5v范围可调，构成一个完整的嵌入式开发系统。sdram用来运行操作系统、应用程序以及文件系统，flash用来存储内核镜像文件和文件系统。该系统具操作方便、功耗低、处理能力强、网络功能强等特点，能够装载和运行windows ce、嵌入式linux等操作系统。用户可以在这个系统平台上进行专用的软硬件开发，并对pxa27x芯片进行测试和评估，通过对底板的更改或缩减来设计自己的嵌入式应用系统。3.2 pxa270芯片pxa27x是intel于2004年4月份在北京的英特尔春季信息技术峰会上发布的一款xscale架构的处理器，内核采用armv5te，外围控制器众多，是一款高集成度高性能的优秀嵌入式处理器。pxa27x处理器家族包含3种器件pxa270、pxa271、pxa272，其中pxa270是单独的处理器芯片，pxa271比pxa270增加了32 mb flash和32 mb sdram，pxa272比pxa270增加了64 mb flash。pxa270内置了intel的无线mmx技术，能够显著的提升多媒体性能，此外pxa270也包含了intel的speedstep技术，能够根据需要动态调节cpu的性能，同其他xscale处理器一样，支持多种嵌入式操作系统，如linux、windows、wince、nucleus、palm os、vxworks、java等，广泛应用于智能手机、pda、web记事本、远程通信、医疗器械等领域。intel同时还发表了配合pxa270使用的图形协处理器2700g多媒体加速器。这颗芯片可以以每秒30帧,的速度播放mpeg4或wmv的图像，使pxa270的多媒体性能达到极大提升。 pxa270的系统框图如图2.1所示，主要由时钟和电源管理模块、内部存贮器模块、dma控制器、中断控制器、pwm控制器、lcd控制器等部分组成。4.嵌入式计算机的硬件开发4.1 嵌入式计算机原理图设计 嵌入式计算机的原理框图嵌入式计算机的硬件由很多部分组成，主要分为核心电路和外围电路两大类，核心电路是由微处理器pxa270和flash/sdram存储器构成的，加上必要的电源和时钟电路，就可以组成一个最小系统意义上的嵌入式计算机了，所以说，核心电路的设计是整个嵌入式计算机硬件设计的基础。外围电路主要由电源、时钟、lcd、rs232、usb、irda、cf、音频及放大电路、电平转换电路、ic卡电路、sram电路等。4.2 sdram的原理图设计一般的嵌入式应用中，sdram是与cpu之间传输数据最快的外部芯片，处围与选用韩国hynix的hy57v561620c，其组织形式为4 banks x 4m x 16bit，单片容量为32mb，采用3.30.3v单电源供电，封装形式为标准54引脚tsop-ii，属于16位的数据总线宽度，因为pxa270是32位的，所以选用两片并联的方式，使sdram的总线宽度也达到32位，这样，sdram的总容量就是64mb。如图3.2是其中一片sdram的原理图，另一片的连线把16条数据线连到pxa270的高16位地址上，其余的与这一片是一样的。hy57v561620c的时钟频率分了100mhz166mhz四个档，这里选用133mhz这一档的芯片。4.3 flash电路的设计嵌入式应用的程序一般不存在普通计算机的硬盘、电子盘等存贮部件上，而是直接存在板子上的flash芯片中，根据应用的不同可选用不同容量和速度的芯片，在这里选用的是intel的同步flash 28f256l18，单片容量为32mb，采用1.8v单电源供电，封装形式为标准79脚的vf bga，数据总线宽度为16位，每块的最小擦写次数为10万次。为配合pxa270的32位总线宽度，也选用两片并联的方式，使flash的总线宽度达到32位，这样，flash的总容量就是64mb。4.4 电源电路的设计嵌入式系统的电源设计是一个较为复杂的事情，一方面，嵌入式系统中的各个部分工作电平不一致，比如有1.8v、2.5v、3v、3.3v、5v等；另一方面，嵌入式系统一般既能用外接交流适配器供电，也能用锂电池供电，二者都存在时，交流适配器还能给锂电池进行充电。为了能实时检测供电锂电池的容量、温度等信息，选用了7.2v2ah的智能锂电池为整机供电，智能锂电池具有sm bus总线，是intel开发出的一种串行总线，因为pxa270没有sm bus总线，利用pxa270的两个gpio引脚与该总线相连，一条作为时钟线，另一条作为数据线，通过编写程序对电池进行管理，包括读取锂电池的电量、检测充电/放电电流、读取锂电池的温度等信息，实现对锂电池的监控和管理。选用max1772作为锂电池的充电芯片，ltc3728作为大电流的3.3v和5v转换芯片，max8869作为较小电流的1.8v、2.5v和3v的dc-dc转换芯片，因篇幅的关系，就没把原理图附在此处。4.5 时钟电路的设计pxa270内部有pll锁相环电路，所以外围的晶体振荡频率可以做的很低，尽管外围的时钟电路相对简单，但在器件选型时，还是要注意晶体的精度、温漂等参数，必要时，还要把晶体的外壳接地，以保证晶体良好的起振效果。4.6 lcd接口电路的设计因为体积的原因，这里选用320x240分辩率的3.8英寸液晶屏，pxa270具有功能较强的lcd 控制器、驱动器及輸入輸出缓冲，把液晶屏的数据线与cpu的相应引脚相连即可，但具体的型号需要通过特殊功能寄存器进行设定。4.7 cf接口电路的设计 pxa270具有功能较强的pcmcia 控制器，既可以扩充pcmcia接口，也可以扩展cf接口，基于嵌入式计算机的物性，这里扩展了cf接口，可以扩展基于cf的存贮卡、modem卡等。cf接口属于对外接口，需要把pxa270的数据线进行缓冲才能接到cf座上，cf的控制线与cpu的相应引脚直接相连即可4.8音频及放大电路的设计因为嵌入式计算机的低温耗性能，音频功放不宜选的过大，这里选用200mw的放大器lm4481，其原理图如图所示：5.编写windows ce.net的驱动程序5.1 windows ce.net驱动模型和其他操作系统一样，windows ce.net也提供了驱动软件，这些软件的目的是驱动内部和外围的硬件设备，或者为它们提供接口。驱动程序将操作系统和设备连接起来，使得操作系统能够识别设备并为应用程序提供设备服务。windows ce.net提供本机设备驱动程序和流接口驱动程序两种模型。不同的驱动模型只能通过它们支持的软件接口来区别，而不是它们所适用的设备，驱动程序模型决定了指定驱动程序输出的软件接口。如果设备被映射到系统内存，那么设备驱动程序可以直接访问它们。对于本机设备驱动程序，platform builder提供了一些驱动程序样本，并分为两类：单片驱动程序和分层驱动程序，单片驱动程序基于单个码片，该码片直接把硬件设备的功能性传递给操作系统，与单片驱动程序相比，分层驱动程序由两个设置好的层组成，上层是模型设备驱动程序，下层是依赖平台的驱动程序，大多数的样本驱动程序都配置成分层的。单片驱动和分层驱动在windows ce.net中的集成方式如图5.1所示：5.2 sram驱动程序开发这里的sram驱动程序是与原理图中的sram部分对应的，主要是实现了windows ce.net下对sram的读写。定义好初始变量，并在内存中开辟一片区域作为sram的内存映射地址，然后根据读写字（每字为4个字节）进行单字或多字读写，部分程序如下所示：/ module name: sramdrv.cpp#include stdafx.h#include sramdrv.h#define ex_sram_size 0x200000#define piobaseaddress 0x08000000lpvoid psram_addr00 = null;bool sram_init()psram_addr00 = virtualalloc(0, ex_sram_size, mem_reserve, page_noaccess);if(!virtualcopy( (lpvoid)psram_addr00, (lpvoid)(piobaseaddress8), ex_sram_size, page_readwrite|page_nocache|page_physical) ) nkdbgprintfw(text( sramdisk: virtualcopy failed!rn ); return false ;return true;bool sram_write(dword address, dword *pindata, dword dwlen)uint i;for(i=0; idwlen; i+)*(dword *)(dword)psram_addr00 + address + i*4) = *(pindata+i) ; return true;bool sram_read(dword address, dword *poutdata, dword dwlen)uint i;for(i=0; igpcr_x |= gpio_3; /数据线置零pgpioreg-gpcr_x |= gpio_10; /时钟线置零return true;unsigned char icc_read_byte(uint addr)unsigned char h_addr,l_addr;unsigned char byte;h_addr=(unsigned char)(addr/256);l_addr=(unsigned char)(addr%256);h_addr = 1;h_addr&=0x0e;h_addr|=0xa0;card_start_signal();card_trans_8bit(h_addr); /写器件地址码card_trans_8bit(l_addr); /写页面地址码card_start_signal(); h_addr|=0xa1; /再写一次器件地址码 card_trans_8bit(h_addr);byte=card_recv_8bit(); card_recv_noanswer(); /接收字节数据应答信号card_stop_signal();return byte;bool icc_write_byte(uint addr,unsigned char byte)unsigned char h_addr,l_addr;h_addr=(unsigned char)(addr/256);l_addr=(unsigned char)(addr%256);h_addr = 1;h_addr&=0x0e;h_addr|=0xa0;card_start_signal();card_trans_8bit(h_addr); /写器件地址码card_trans_8bit(l_addr); /写页面地址码card_trans_8bit(byte);card_stop_signal();mswait(5);return true;5.4 编写windows ce.net的应用程序5.4.1应用软件开发工具简介嵌入式vc+（embedded visual c+）embedded visual c+，简称evc，具有和visual c+ 6基本相同的特性，包括对mfc、atl以及com/dcom的支持、应用程序向导、编译调试等多种功能。因为这些相似性使得传统的vc程序员可以很容易地转移到嵌入式领域做应用开发。windows ce.net提供了符合windows标准的开发环境，实现了win32 api的一个子集，覆盖了大部分的win32功能。因此，在windows ce.net下开发应用程序与在windows 98/ nt/2000下相似。2visual studio .net 2003visual studio .net 2003是 microsoft 的第二代开发工具，用于构建和部署功能强大而安全的连接 microsoft .net 的软件。visual studio .net 2003 包括来自 modeler 的全套功能，可帮助构建最复杂的企业级应用程序和在最小的设备上部署应用程序。通过全世界各种规模的公司的使用，visual studio .net 和 microsoft windows windows net framework 提供了一个强大而完善的端到端工具，用以设计、开发、调试和部署用于 microsoft windows 和 web 的安全的应用程序这些应用程序强健而且易于使用。包含 windows .net framework 的一个增强版本。windows .net framework 1.1 版在前一版本的基础上增添了新的能力、功能增强和文档改进。通过对 .net compact framework 的集成支持，visual studio .net 2003 将移动和嵌入式设备，如 pocket pc 和其他采用 microsoft windows ce .net 操作系统的设备，带入 .net。开发人员能够使用同样的编程模型、开发工具及编程技能，来构建应用范围广泛-从小设备到最大的数据中心-的应用程序。5.4.2软件开发工具包（sdk）sdk是针对特定的硬件平台（如巧金刚手持机）由特定工具导出的软件开发工具包。开发人员可通过这种sdk、win32 api以及embedded visual c+软件包为相应的硬件平台编写应用程序、设备驱动程序及相关的系统组件。5.4.3软件仿真器emulator软件仿真器是桌面windows系统上的一个应用程序，提供了相当多的硬件特性模拟，例如显示、声音、usb接口、网络等。它可以与embedded visual c+集成在一起，来充当目标平台。开发人员可以脱离实际的硬件而基于软件仿真器来开发、调试和测试windows ce.net上的应用软件，当硬件平台和基本操作系统环境建造完成后，这个应用软件几乎不用修改，就可以很好地在硬件平台上工作。这个特性使得硬件开发和应用开发可以并行工作，大大缩短了开发周期。结