（机械电子工程专业论文）基于s3c2410的电动机智能保护器linux平台的研究.pdf

摘要 随着计算机技术、微电子技术以及相关技术的飞速发展，嵌入式系统正被应 用到越来越多的领域，特别是在机电产品中的应用越来越普遍。电动机智能保护 器的设计要求是一旦电动机在使用过程中出现过载、短路等故障时，保护器要及 时准确地检测到电动机的状态，并迅速地作出保护动作，防止电动机被烧毁。 本课题进行了基于a r m 的电动机智能保护器l i n u x 平台的研究，基于该平 台可以实现电动机智能保护器的功能。系统采用基于a r m 9 2 0 t 内核的3 2 位 r i s c 嵌入式微处理器$ 3 c 2 4 1 0 作为c p u ，采用功能强大而且源码免费开放的 l i n u x2 6 作为嵌入式操作系统内核，以r e dh a tl i n u x9 作为交叉开发环境，并 通过对这种嵌入式系统应用程序的研究，期待提高电动机智能保护器的整体性 能。 首先，本文介绍了嵌入式系统的概念、特点，特别介绍了a r m 微处理器和 l i n u x 操作系统，在此基础上总结了进行嵌入式l i n u x 系统开发的要点。 其次，介绍了电动机智能保护器l i n u x 平台硬件系统的设计。分析了系统的 总体设计方案，剖析了嵌入式微处理器的选型，外围电路芯片的选型及电路设计。 然后，介绍了电动机智能保护器l i n u x 平台软件系统的设计。分析了交叉开 发环境的组成和建立，以及制作交叉编译工具链的方法。介绍了b o o t l o a d e r 的概 念，并剖析了目前最流行的b o o t l o a d e r ：u b o o t 的启动流程、体系结构及其向目 标系统的移植过程。探讨了l i n u x2 6 内核针对嵌入式系统开发的优越性以及它 的配置、编译方法和向目标系统的移植。介绍了目标系统应用程序的开发。 最后，本文用实验证明了u b o o t 在目标系统n a n df l a s h 上的烧写及调试， l i n u x 在目标系统上的调试下载过程以及根文件系统的建立，完成了整个系统的 设计。 关键词：嵌入式系统a r m $ 3 c 2 4 1 0u b o o tl i n u x 2 6 智能保护器 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r , m i c r o e l e c t r o n i c sa n dt e c h n o l o g yr e l a t e d ， e m b e d d e ds y s t e mi sa p p l i e dt om o r ea n dm o r ea r e a s ，e s p e c i a l l yi nm e c h a t r o n i c p r o d u c t i o n t h er e q u e s t o fe l e c t r o m o t o r i n t e l l i g e n tp r o t e c t o r i st h a to n c et h e e l e c t r o m o t o ri so v e rl o a d i n g ，s h o r tc i r c u i ta n ds oo n ，t h ep r o t e c t o rm u s tm a k ec o r r e c t r e s p o n s et oi tq u i c k l ya n dp r o t e c tt h ee l e c t r o m o t o ri nt i m e o t h e r w i s et h ee l e c t r o m o t o r w i l lb ef a i l u r e t h el i n u xp l a t f o r mf o re l e c t r o m o t o ri n t e l l i g e n tp r o t e c t o rb a s e do na r mi s r e s e a r c h e d a n de l e c t r o m o t o ri n t e l l i g e n tp r o t e c t o rc a nb ed e s i g n e db a s e do nt h e p l a t f o r m t h es y s t e mc o n s i s t so ft w op a r t s ：$ 3 c 2 4 1 0m i c r o - p r o c e s s o rb a s e do n a r m 9 2 0 tk e r n e la n dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e mw h i c hi se x c e l l e n ta n df l e e r e dh a t l i n u x9i st h ec r o s sd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t t h ea p p l i c a t i o ni sr e s e a r c h e d ，f o r i m p r o v i n ge l e c t r o m o t o ri n t e l l i g e n tp r o t e c t o r so v e r a l lp e r f o r m a n c e f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ec o n c e p t i o na n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fe m b e d d e d s y s t e m ，e s p e c i a l l yi n t r o d u c e sa r mm i c r o - p r o c e s s o ra n dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m t h e p o i n t sm u s tb ec o m p l i e dw i t hw h e nd e v e l o p i n ge m b e d d e ds y s t e ma r es u m m a r i z e d s e c o n d l y , t h eh a r d w a r es y s t e mo ft h ep l a t f o r mi sa n a l y z e d c h a r a c t e r i s t i c sa n d s e l e c t i o no ft h em i c r o - p r o c e s s o ra n dt h ee x t e r n a lc h i p sa r ei n t r o d u c e d t h i r d l y , t h es o t t w a r es y s t e mo ft h ep l a t f o r mi sa n a l y z e d t h ef a c t u r eo fc r o s s t o o l i si n t r o d u c e d t h ep a p e ra l s oi n t r o d u c e st h ec o n c e p t i o no fb o o t l o a d e r , a n dt h ep o p u l a r b o o t l o a d e r ：u b o o t sp r o c e s ss t a r t e d ，s t r u c t u r ea n dt r a n s p l a n tt ot h et a r g e ts y s t e ma r e a n a l y z e d t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ec o m p o n e n t s ，c u t i n gd o w na n dc r o s s c o m p i l e so f t h el i n u x2 6k e r n e l ，d i s c u s s e st h et r a n s p l a n to fl i n u x2 6k e r n e lt ot h et a r g e ts y s t e m a n dd e v e l o p st h ea p p l i c a t i o np r o g r a m f i n a l l y , i nt h el a s t s e c t i o no ft h et h e s i s ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h e d o w n l o a d i n gu b o o ta n dl i n u xk e r n e lo nt h en a n df l a s ho ft h et a r g e ts y s t e m a l s o s h o wt h er o o tf i l es y s t e ms e t t i n gu p k e yw o r d s ：e m b e d d e d s y s t e m ，a r m ，$ 3 c 2 4 10 ，u b o o t ，l i n u x2 6 ，i n t e l l i g e n t i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果， 除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得丕盗基堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：可年6 月驴日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权玉 注盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的 复印什和磁柱。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 玉奇 签字日期：_ 叼年易月居日 翮签名： 签字日期：崎自f 者日 ， 第一章绪论 1 1 嵌入式系统概述 第一章绪论 当前，人类进入信息大爆炸的时代，各类信息极度丰富，数字信息技术和网 络技术高度发达，只有借助计算机才能对各类信息进行处理。同时，计算机也不 再局限于传统p c ，而是包括形态各异、性能干差万别的各类嵌入式系统。由于 嵌入式系统具有体积小、性能强、功耗低、可靠性高以及面向行业应用的突出特 征，目前已经被广泛应用于国防、工业控制、通信、办公自动化和消费电子等领 域，具有庞大的市场前景。 后p c 时代的到来，使人们开始越来越多地接触到一个新的概念嵌入式 产品。嵌入式产品遍布于人们的日常生活。m p 3 、p d a 、手机属于手持的嵌入式 产品；d v d 机、机顶盒是嵌入式产品；车载g p s 系统、探测火星的机器人也可以 称作嵌入式系统产品1 3 1 。 随着计算机技术和通信技术的发展，嵌入式系统的研究与开发将会有越来越 重要的实际意义。 1 1 1 嵌入式系统的概念 目前，对嵌入式系统的定义多种多样，但很难是全面的。下面给出两种比较 合理的定义【l 瑚： 1 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁减， 能满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积及功耗等指标的严格要求的专用计 算机系统。 2 嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起 的计算机系统。术语“嵌入式 反映了这些系统通常是更大系统中的一个完整的 部分，称为嵌入的系统。 两种定义的出发角度不同，前者是从技术的角度来定义的，后者是从系统的 角度来定义的。 嵌入式系统一般由嵌入式处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户 的应用程序4 个部分组成【4 一，用于实现对其它设备的控制、监视或管理等功能， 其关系如图1 1 所示。 第一章绪论 嵌入式应用软件 嵌入式操作系统 i 嵌入式处理器ll 嵌入式外围设备 嵌入式硬件平台 图1 一l嵌入式系统各组成部分的关系 1 1 2 嵌入式系统的特点 嵌入式系统与通用计算机系统相比具有以下特点【l 】： 1 嵌入式系统是面向特定应用的。嵌入式处理器大多数是专门为特定应用 设计的，具有功耗低、体积小、集成度高等特点，一般是包含各种外围设备接口 的片上系统。 2 嵌入式系统涉及计算机技术、微电子技术、电子技术、通信和软件等各 行各业。它是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 3 嵌入式系统的硬件和软件都必须具备高度可定制性。只有这样才能适应 嵌入式系统应用的需要，在产品价格性能等方面具备竞争力。 4 嵌入式系统的生命周期相当长。当嵌入式系统应用到产品以后，还可以 进行软件升级，它的生命周期与产品的生命周期几乎一样长。 5 嵌入式系统不具备本地系统开发能力，通常需要有一套专门的开发工具 和环境。 1 1 3 嵌入式系统的发展趋势 信息时代、数字时代使得嵌入式系统产品获得了巨大的发展机遇。目前嵌入 式系统正处于高速发展阶段，未来几年，这种发展和竞争将愈演愈烈。总结起来， 未来嵌入式系统将有以下几大发展趋势【l 4 ，6 】： 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。 随着微电子技术的快速发展，芯片功能更加强大，s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 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。 嵌入式操作系统将会与嵌入式应用软件协同发展。嵌入式应用系统千差万 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。 2 第一章绪论 尽管嵌入式系统发展趋势迅猛，产品层f l 不穷，但仍需要我们研究探索。比 如嵌入式系统的相关标准问题。由于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，相关标准问 题日渐突出，如何建立相关标准将会成为业界关注的问题。 1 2 嵌入式处理器 1 2 1 嵌入式处理器概述 嵌入式处理器【3 】是嵌入式系统中的核心部件。嵌入式处理器的功能和性能影 响着整个系统的设计。嵌入式处理器的选择，制约了其配套的外围器件的选择， 也很大程度上影响着系统软硬件功能的划分策略，包括操作系统的选择。嵌入式 处理器的功能强弱决定了系统性能指标的上限。 嵌入式处理器和通用处理器相比，在价格、功能、体积、重量、能耗方面都 有严格的限制。因此，嵌入式处理器大多采用整合集成的办法，以增强处理器的 竞争力。通常以某一种微处理器内核为核心，在芯片内部集成r o m e p r o m 、 r a m 、总线、总线逻辑、定时计数器、看门狗、i o 控制器、a d 、d a 、f l a s h 、 e e p r o m 等各种必要功能和外设。 目前，一般将嵌入式处理器分为4 类： 1 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 。 2 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 。 3 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) 。 4 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ) 。 与通用计算机处理器不同，由于嵌入式系统的多样性，不可能有一种通用的 嵌入式处理器能满足所有嵌入式系统的需要。这迫使人们设计了各种各样的嵌入 式处理器来满足不同领域的应用要求。据不完全统计，目前全世界嵌入式处理器 的品种总量已经超过1 0 0 0 种，流行体系结构有三十几个系列。比较著名的有 m o t o r o l a 公司的6 8 系列、m p c 系列，i n t e l 公司的x 8 6 系列以及a r m 公司的 a r m 系列等。其中又以a r m 系列最为成功。 1 2 2a r m a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 【1 7 】，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。 成立于1 9 9 0 年的英国专业处理器设计公司a r m 公司，是目前最成功的处 第一章绪论 理器i pc o r e 提供商。a r m 公司旗下没有一间生产工厂，也不自己销售芯片。它 的盈利方式是专注于高性能、低价格、低功耗处理器核的设计，然后通过转让和 授权生产a r m 微处理器而获利。a r m 拥有广泛的全球技术合作伙伴，全世界 有7 0 多家公司生产a r m 芯片，i n t e l 、m 、s a m s u n g 、l g 半导体、p h i l i p 等 公司全都使用了a r m 的技术授权。 a r m 系列处理器的最早研究开始于2 0 世纪8 0 年代中期，1 9 9 1 年a r m 6 的 推出，将a r m 引向成功。a r m 处理器是一种低功耗高性能的3 2 位r i s c 处理器， 广泛应用于便携式通信产品、手持运算、多媒体和嵌入式解决方案等领域，已成 为r i s c 标准。它一般具有以下特剧1 3 】： 1 小体积、低功耗、低成本、高性能。 2 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好地兼容8 位1 6 位 器件，从而使a r m 处理器的适应性更强。 3 全球众多的合作伙伴。 目前a r m 系列处理器主要有以下几类：a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、a r m l 0 e 系列、a r m l l 系列、s e c u r c o r e 系列、m p c o r e 多处理器系列以 及i n t e l 公司的s t r o n ga r m x s c a l e 等。 a r m 技术具有很高的性能和功效，因此容易被厂商接受。同时，合作伙伴 的增多，可获得更多的第三方工具、制造和软件支持，又使整个系统成本降低， 产品进入市场的时间加快，从而具有更大的竞争优势。目前基于a r m 技术的处 理器已经占据了3 2 位r i s c 芯片7 5 的市场份额。可以说，a r m 技术无处不在。 1 3 嵌入式操作系统 1 3 1 嵌入式操作系统概述 嵌入式操作系统【1 】的一个重要特性是实时性。所谓实时性，就是在确定的时 间范围内响应某个事件的特性。操作系统的实时性在某些领域是至关重要的，比 如工业控制、航空航天等领域。我们想像飞机正在空中飞行，如果嵌入式系统不 能及时响应飞行员的控制指令，那么极有可能导致空难事故。 目前全世界的嵌入式操作系统已经有两百多种。从2 0 世纪8 0 年代开始，出 现了一些商用嵌入式操作系统，它们大部分都是为专有系统而开发的。随着嵌入 式领域的发展，各种各样嵌入式操作系统相继问世。有许多商业的嵌入式操作系 统，也有大量开放源代码的嵌入式操作系统。比较著名的嵌入式操作系统有： l i n u x 、g c o s 、v x w o r k s 、w i n d o w sc e 、p a l mo s 等。其中又以l i n u x 发展最快、 4 第一章绪论 应用最为广泛。 1 3 2 从l i n u x 到嵌入式l i n u x l i n u x l l 3 】是一种在网络上产生的操作系统，它的诞生已经有十几年的历史， 最初源自芬兰学生l i n u st o r v a l d s 学习操作系统课程后的练习。1 9 9 1 年9 月1 7 日， 在实现了l i n u x 最初的基本功能后，l i n u s 将l i n u x 以开放源代码的方式放在网络 上，吸引了一大批顶级黑客加入至u l i n u x 的开发队伍中，使得l i n u x 在短期内就成 为一个稳定、成熟、实用的操作系统。 与传统操作系统不同，l i n u x 操作系统的开发一开始就在f s f ( 自由软件基 金会组织) 的g p l ( a 州p u b l i cl i c e n s e ) 的版本控制之下，l i n u x 内核的所有源 代码都采取了开放源代码的方式，其内核的发布由l i n u st o r v a l d s 和a l a nc o x 等 领导的内核开发小组控制。世界各地的开发者们都将自己对l i n u x 内核所作的修 改提交给l i n u x 小组，由这个小组进行统一控制，随时对内核进行更新升级。整 个开发过程都使用c v s ( 著名的自由版本控制软件) 进行版本控制，全世界几 千名开发者可以通过网络进行协同开发。l i n u x 内核开发的速度相当快，目前在 其站点( h t t p ：w w w k e m e l o r g ) 上几乎每间隔三天就进行一次内核的升级。 和其他操作系统相比，l i n u x 操作系统具有以下优点【3 】： 1 内核稳定、功能强大、支持多种硬件平台、应用软件多、兼容性好。 2 内核可根据需要任意剪裁。 3 使用成本低。 4 多专业的商业公司参与，发展潜力大。 由以上优点可以看出，l i n u x 内核稳定、功能强大、可裁减和低成本的特性 使其成为嵌入式开发的首选。嵌入式l i n u x 就是在嵌入式系统中使用的l i n u x ， 通常是将标准l i n u x 进行相应改造后，再用作嵌入式计算机的操作系统，为嵌入 式应用程序提供操作系统服务。这种改造主要是要修改l i n u x 使其满足嵌入式系 统的要求，它集中体现在两个方面：一是体积，二是实时性。 在进入市场的前两年中，嵌入式l i n u x 的设计就通过广泛应用而获得巨大成 功。随着嵌入式l i n u x 技术的成熟，定制需要的尺寸尤为方便，同时支持的平台 更多，嵌入式l i n u x 已经从早期的试用阶段迈进到成为嵌入式市场的主流。 1 3 3 嵌入式l i n u x 开发要点 嵌入式l i n u x 开发就是构建一个l i n u x 系统，这需要熟悉l i n u x 系统组成部 分，熟悉l i n u x 开发工具，还要熟悉l i n u x 编程。 嵌入式l i n u x 系统包含b o o t l o a d e r ( 引导加载程序) 、内核和文件系统3 部分。 第一章绪论 对于嵌入式l i n u x 系统来说，这3 个部分是必不可少的。 在启动一个嵌入式l i n u x 项目之前，必须仔细考虑下面要点【i 】： 1 选择嵌入式l i n u x 发行版。商业的l i n u x 发行版是作为产品开发维护的， 经过严格的测试验证，并且可以得到厂家的技术支持。它为开发者提供了可靠的 软件和完整的开发工具包。 2 熟悉开发环境和工具。交叉开发环境是嵌入式l i n u x 开发的基本模型。 l i n u x 环境配置、g n u 工具链、测试工具甚至集成开发环境都是开发嵌入式l i n u x 的利器。 3 熟悉l i n u x 内核。因为嵌入式l i n u x 开发一般需要重新定制l i n u x 内核， 所以熟悉内核配置、编译和移植也很重要。 4 熟悉目标板引导方式。开发板的b o o t l o a d e r 负责硬件平台的最基本的初 始化，并且具备引导l i n u x 内核启动的功能。由于硬件平台是专门定制的，一般 需要修改编译b o o t l o a d e r 。 5 熟悉l i n u x 根文件系统。l i n u x 离不开文件系统，程序和文件都存放在文 件系统中。系统启动必需的程序和文件都必须放在根文件系统中。l i n u x 内核命 令行参数可以指定要挂接的根文件系统。 6 理解l i n u x 内存模型。l i n u x 是保护模式的操作系统。内核和应用程序分 别运行在完全分离的虚拟地址空间，物理地址必须映射到虚拟地址才能访问。只 有理解l i n u x 内存模型，才能最大程度地优化系统性能。 1 4 基于a r m 的电动机智能保护器l i n u x 平台 为了防止电动机在使用过程中因过载、短路、断相、过压、欠压、过热而烧 毁，有必要使用电动机保护器对电动机的运行状态进行及时准确的检测，并对电 动机进行相应的保护。 本课题所设计的电动机智能保护器l i n u x 平台采用功能强大的a r m 处理器 核，在其基础上搭建外围电路完成整个系统的硬件环境。软件开发在l i n u x 操作 系统下，通过交叉开发环境进行b o o t l o a d e r 的修改、l i n u x 内核的剪裁、移植以 及根文件系统的制作等。 基于a r m 处理器的电动机智能保护器l i n u x 平台是功能非常强大的产品平 台，在它基础之上可以对电动机智能保护器进行进一步开发。这种智能保护器将 会成为一种新型机电产品，它 能对电动机进行实时监测并实现多功能、智能化的保护。同时，它又是理想 的小体积嵌入式系统，而且成本低廉、功能强大，具有很好的实际应用前景。 6 第_ 章基于a r m 的智能电动机保护器硬件平台的搭建 第二章基于a r m 的电动机智能保护器l i n u x 平台 硬件环境的设计 嵌入式系统硬件平台主要包括中央处理器、外围的控制电路、只读存储器、 可读写存储器和外围设备。嵌入式系统体积小、专用性强的特点决定了其硬件必 须根据实际需要高效率的设计。在进行电动机智能保护器l i n u x 平台硬件环境的 设计时，结合了所需硬件芯片的功能、功耗、体积、成本和可靠性等多方面性能 要求，并综合考虑实际需要，最终完成了平台的搭建。 2 1 电动机智能保护器l i n u x 平台硬件环境总体方案设计 本课题设计的电动机智能保护器l i n u x 平台采用s a m s u n g 公司的$ 3 c 2 4 1 0 高性能a r m 处理器作为硬件开发平台的核心，围绕它搭建外围电路，选择所需 要的外围电路芯片。其外围硬件主要包括：6 4 ms d r a m ，6 4 mn a n df l a s h ， c s 8 9 0 0 a 以太网控制器，一个总线扩展接口，两个串口输出，u s b 接口，j t a g 调试接口，v g a 接口( 可直接连接普通p c 显示器) 和i d e 接口( 可直接连接 硬盘) 等。硬件平台功能模块如图2 1 所示。 图2 1智能电动机保护器硬件平台功能模块图 7 第：_ 二章基ta r m 的智能电动机保护器硬件平台的搭建 2 2 嵌入式微处理器的选择 通过对各种嵌入式处理器的特点及应用场合的比较，结合电动机智能保护器 l i n u x 平台的设计目标和自身特点，本文选择能兼顾到高性能、低功耗和低价格 等众多优势的a r m 处理器作为整个硬件平台的核心。 2 2 1a r m 处理器系列的选择 目前，a r m 处理器有多个系列，但是市场上的主流a r m 处理器基本上都是 使用a r m 7 或a r m 9 的，两者在性能上有不小的差异。与a r m 7 相比，a r m 9 在性能上显著提高，最主要的表现是【4 】：流水线从3 级增加到5 级，从而获得了 更好的性能。5 级流水线具体如下： 1 取指：从存储器中取出指令，并将其放入指令流水线。 2 译码：对指令进行译码。 3 执行：把一个操作数移位，产生灿朋的结果。 4 缓冲数据：如果需要，则访问数据存储器；否则j 6 删的结果只是简单的 缓冲1 个时钟周期，以便所有的指令具有同样的流水线流程。 5 回写：将指令产生的结果回写到寄存器堆，包括任何从存储器读取的数 据。 此外，a r m 9 具有分开的指令和数据存储器，减少了在每个时钟周期内必须 完成的最大工作，进而允许使用更高的时钟频率。 a r m 9 处理器在性能上显著提高，但其价格仍然很低。综合来看，a r m 9 处理器的性价比相比于a r m 7 更高，所以本文选择基于a r m 9 t d m i 核的a r m 9 系列处理器。 2 2 2 s a m s u n g $ 3 c 2 4 10 处理器 在众多的a r m 9 系列处理器中，本文选择t s a m s u n g 公司推出的$ 3 c 2 4 1 0 处 理器。这块处理器是一款基于a r m 9 2 0 t i 为核的1 6 3 2 位r i s c 嵌入式微处理器， 主要面向高性价比、低功耗的应用。$ 3 c 2 4 1 0 提供了以下丰富的内部设备：分开 的1 6k b 指令和1 6k b 数据高速c a c h e ，m m u 虚拟存储管理单元，l c d 控制器， 系统管理器( 片选逻辑和s d r a m 控制器) ，3 通道u a r t ，4 通道d m a ，4 通道 p w m 定时器，i o 端口，r t c ，8 通道1 0 位a d c 和触摸屏接口，i i c b u s 接口， u s b 主机，u s b 设备，s d 主卡& m m c 卡接口，2 通道的s p i 以及内部p l l 时钟倍 频器【1 3 1 1 。 $ 3 c 2 4 1 0 最显著的特征就是它的c p u 核心a r m 9 2 0 t 处理器核，它实现 8 了m m u 、a m b ab u s 和h a r v a r d 的高速缓冲体系结构，同时支持t h u m b l 6 位 压缩指令集，从而能以较小的存储空间需求，获得3 2 位的系统性能。 $ 3 c 2 4 1 0a r m 处理器将系统的存储空间分成8 个b a n k ，每个大小是1 2 8m b ， 共lg b 。b a n k o 到b a n k 5 的开始地址是固定的，b a n k 7 的开始地址是b a n k 6 的 结束地址，灵活可变。所有的存储器b a n k 都具有可编程的操作周期。$ 3 c 2 4 1 0 采用n g c s 7 ：0 8 个通用片选信号来选择这些b a n k 。$ 3 c 2 4 1 0 结构框图如图2 2 所示。 l e dl c o c o h t 嗍筒 牟令 h 8 8 ， s ii j a r t 叭： iu s 8 l 乍冷 p l s 1 2 嘲i d l d c l 8 1 w a t e l d o gl 8 l t 鹏 i 1 ， l 僦i 仁令 s i i 铡胁融i y i 荆瞻专 图2 - 2 $ 3 c 2 4 1 0 结构框图 9 第二j 章基于a r m 的智能电动机保护器硬件甲台的搭建 $ 3 c 2 4 10 支持从n a n df l a s h 启动，相比于n o rf l a s h ，n a n df l a s h 具有容量 大、价格低等特点。系统采用n a n df l a s h 与s d r a m 组合，可以获得非常高的 性价比。 通过提供一系列完整的系统外围设备，$ 3 c 2 4 1 0 大大减少了整个系统的成 本，消除了为系统配置额外器件的需要。它的高性能和低成本很适合本文要设计 的电动机智能保护器l i n u x 平台。 2 3 外围电路设计 硬件平台除了核心嵌入式处理器之外，根据实际需要还应有外围电路的 搭建。根据电动机智能保护器l i n u x 平台的设计要求，本文在外围硬件上主要使 用了f l a s h 芯片、s d r a m 芯片、以太网控制器以及u s b 等。虽然这些芯片在整个 系统中不处于核心地位，但是它们的选择对整个系统的功能和成本的控制却是非 常重要的。选择这些外围芯片【l o 】的一个重要准则就是它们一定得是主流的而 且功能和性能都能满足要求的芯片。 2 3 1f l a s h 存储 f l a s h 存储器是一种可在系统中进行电擦写，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中烧写、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。f l a s h 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。 现在市场上主要有两种f l a s h 芯片：n o rf l a s h 和n a n df l a s h 。n a n df l a s h 的性能要比n o rf l a s h 优越一些，主要表现在：它能提供极高的单元密度，可以 达到高存储密度，并且写入和擦除的速度都很快。 在$ 3 c 2 4 1 0 处理器内部集成有n a n df l a s h 控制器【2 0 1 ，所以本文在选择f l a s h 芯 片时选择了性能更加优越的n a n df l a s h - - k 9 f 1 2 0 8 u o m 3 2 】，它的数据存储容量为 6 4m b ，采用块页式存储管理。其原理图如图2 3 所示。 该芯片重要引脚含义为： f 0 0 i 0 7 ：复用引脚。可以通过它向n a n df l a s h 芯片输入数据、地址、n a n d f l a s h 命令以及输出数据和操作状态信息。 c l e ( c o m m a n dl a t c he n a b l e ) ：命令锁存允许。 a l e ( a d d r e s sl a t c he n a b l e ) ：地址锁存允许。 c e ：芯片选择。 1 0 第_ ：章基ta r m 的智能电动机保护器硬件平台的搭建 r e ：读允许。 w e - 写允许。 、p ：在写或擦除期间，提供写保护。 刚一b ：读忙输出。 e 嵋 j f ：e ：i 咒三 f 1 1 溅 醐瑚 图2 3k 9 f 1 2 0 8 u o m 原理图 综上所述，$ 3 c 2 4 1 0 的n a n df l a s h 支持由两部分组成，分别是：n a n df l a s h 控制器( 集成在$ 3 c 2 4 1 0c p u 内部) 和n a n df l a s h 存储芯片( k 9 f 1 2 0 8 u o m ) 。 当要访问n a n df l a s h 中的数据时，必须通过n a n df l a s h 控制器发送命令才能完 成。所以n a n df l a s h 相当于s 3 c 2 4 1 0 的一个外设，而不位于它的内存地址区。 2 3 2s d r a m 芯片 s d r a m 具有容量大、存取速度快、成本低的特点，因而被广泛应用到微机 处理系统中。s d r a m 主要用来存放执行代码和变量，是系统启动之后主要进行 存取操作的存储器。由于s d 洲需要定时刷新以保持住存储的数据，因而要求 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。由于本文 选用的$ 3 c 2 4 1 0 微处理器芯片内部具有独立的s d r a m 刷新控制逻辑，因而可 以方便地与s d r a m 接口。 目前常用的s d r a m 为8 位1 6 位的数据宽度，可以根据系统需求构建1 6 位 或3 2 位的s d r a m 存储系统。根据电动机智能保护器l i n u x 平台的实际需要，本 文选用两片三星的k 4 s 5 6 1 6 3 2 e t c 7 5 芯片【3 4 】构建3 2 位的s d r a m 存储器系统。 每片k 4 s 5 6 1 6 3 2 e 由4 个b a n k 组成，每个b a n k 为4m b ，字节位为1 6b i t 。 k 4 s 5 6 1 6 3 2 e 芯片的原理图如图2 - 4 所示。 该芯片一些重要引脚的说明如下： n s c s ：片选，禁止或使能除c l k 、c k e 和d q m 外的所有输入信号。 第二章基于a r m 的智能电动机保护器硬件平台的搭建 b a 0 、b a i ：块地址选择，用于片内4 个b a n k 的选择。0 0 选择b a n k 0 ，0 1 选择b a n k l ，1 0 选择b a n k 2 ，l l 选择b a n k 3 。 a 1 2 a 0 ：地址总线，行地址：a 1 2 a 0 ，列地址：c a 8 , - - c a 0 ，自动预充电 标志：a 1 0 。 d q l 5 d q 0 ：数据总线，数据输入输出引脚。 n s r a s ：行地址锁存。 n s c a s ：列地址锁存。 n e w ：写使能。 图2 _ 4k 4 s 5 6 1 6 3 2 e 的原理图 本系统中是由两片k 4 s 5 6 1 6 3 2 e 芯片构建成3 2 位的s d r a m 存储器系统。 将两片k 4 s 5 6 1 6 3 2 e 的数据总线相连，然后与$ 3 c 2 4 1 0 处理器的d 觚a 0 d a l 隗3 l 引脚连接；将两片k 4 s 5 6 1 6 3 2 e 的地址总线相连，然后与处理器的a d d 0 - a d d 2 6 相连。两芯片的块地址选择引脚同样也连接在处理器的地址线上。这样就够成了 一个3 2 位的s d r a m 存储器系统。 1 2 第_ 章基丁a r m 的智能电动机保护器硬件、f 台的搭建 s d r a m 由专用s d r a m 片选信号l n s c s 0 选通，地址空间为o x 0 0 0 0 0 0 0 0 0 x 0 4 0 0 0 0 0 0 。 2 3 3 以太网控制器 目前，以太网是使用最广泛的局域网技术，通过以太网可以十分方便地组建 局域网，以及连接上i n t e m e t 。随着以太网在不同领域的广泛应用和发展，各种以 太网控制芯片层出不穷。本课题所设计的电动机智能保护器l i n u x 平台作为一种 嵌入式系统，要求所选用的以太网控制芯片必须在嵌入式系统领域表现优秀，本 文选择c s 8 9 0 0 a ”j 作为本系统的以太网控制器。 c s 8 9 0 0 a 主要为嵌入式应用系统、便携式产品和某些适配卡等提供一种切 实可行的以太网解决方案。它是一种低成本、低功耗、性能优越的1 6 位以太网 控制器，功能强大。该芯片的突出特点是使用灵活，其物理层接口、数据传输模 式和工作模式等都能根据需要而动态调整，通过内部寄存器的设置来适应不同的 应用环境。c s 8 9 0 0 a 是1 0 0 引脚t q f p 封装的芯片。其原理图如图2 5 所示。 r i i 图2 - 5c s 8 9 0 0 a 的原理图 在本系统中，c s 8 9 0 0 a 通过地址和数据总线与$ 3 c 2 4 1 0 处理器相连。它的 第二章基于a r m 的智能电动机保护器硬件平台的搭建 工作原理是：在收到由主机发来的数据报后，侦听网络线路。如果线路忙，就等 到线路空闲为止，否则，立即发送该数据帧。发送过程中，首先，它添加以太网 帧头( 包括先导字段和帧开始标志) ，然后，生成c r c 校验码，最后，将此数据 帧发送到以太网上。接收时，它将从以太网收到的数据帧在经过解码、去掉帧头 和地址检验等步骤后缓存在片内。在c r c 校验通过后，它会根据初始化配置情 况，通知主机c s 8 9 0 0 a 收到了数据帧，最后，传到主机的存储区中。 2 3 4u s b 接口 u s b 总线主要用于u s b 设备与u s b 主机之间的数据通信，特别为u s b 设 备和u s b 主机之间大量数据的传输提供了高速、可靠的传输协议。 $ 3 c 2 4 1 0 微处理器提供了u s b l 1 接口，片内包括2 个u s b 控制器，可设置 2 个主机或者1 个主机与一个设备，其原理图如图2 - 6 所示。 。d ，沁 d p o h o s td k l h o s 2 d p i ( a ) 第一u s b 主机接口原理图 懈5 0 ( b ) 第二u s b 主机接口原理图 1 4 第一章基于a r m 的智能电动机保护器硬件平台的搭建 3 吼j ：ed m d e 1 ：ed p - ( c )u s b 设备接口原理图 图2 - 6u s b 接口原理图 此外，本文采用了一个切换插座来切换主机和设备，原理图如图2 7 所示。 、强暖；t0 n l d ：1 。l x r i c , d n l 7 髓s td p l d p ： d o t - l e ed p i 图2 7 第二u s b 主机接口与设备接口切换插座 2 3 5 串行电路接口 $ 3 c 2 410 微处理器的u a r t ( u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e ra n d t r a n s m i t t e r ，通用异步收发器) 单元提供了三组独立的异步串行口，它最高可支 持11 5 2 0 0b p s 。本文使用其中的两组连接串行接口。每个u a r t 通道都包含两个 1 6 位的f i f o 队列用于接收或发送数据，并且都可以在中断或d m a 方式下进行。 r s 2 3 2 串行接口总线适用于：设备之间的通信距离不大于1 5m ，传输速率 为2 0k b p s 。r s 2 3 2 采用负逻辑，即逻辑“1 ”为一5v - 1 5v ；逻辑“0 ”为+ 5v 一 + 1 5v 。 它的工作原理是内部数据通过并行总线到达发送单元后，进入f i f o 队列， 然后再由发送移相器通过t x d n 管脚发送出去。为