（信号与信息处理专业论文）基于arm的嵌入式语音采集与网络传输系统的设计.pdf

摘要 摘要 利用a r m 处理器开发处理音频信号的设备很多，如移动电话、m d ( m i n i d i s c ) 、 d v d 播放器、m p 3 音频译码器等；同样，基于a r m 处理器的网络设备也很多，如网 络调制解调器、网络电脑、因特网设备等。但利用a r m 处理器把语音处理和网络通信 功能结合起来无疑是一种新的尝试，它的设计成功会给网络留言技术的开发提供一种新 的思路。 本文就是基于上述设想，讲述了一种基于a r m 处理器的语音采集与网络传输系统 的设计方法。 文章首先探讨了系统的整体设计构想。基于系统要实现的基本功能：1 、语音采集 和播放；2 、语音数据存储；3 、语音数据的网络传输，将系统设计为七大功能模块，即 c p u 中央处理器、语音采集模块、网络通信模块、系统存储模块、电源和时钟模块、 调试接口模块和系统扩展接口模块。其中，c p u 处理器的选取是系统整体设计的基础 和出发点，最终决定选用三星公司的s 3 c 4 4 b o x 芯片。 接下来是文章的主体部分系统硬件设计和工作原理。详细地介绍了系统各个组 成模块的硬件电路设计及其工作原理。分成8 节讲述，分别是系统c p u 、存储模块、 语音采集模块、网络传输模块、调试接口模块、电源和时钟模块、系统扩展接口模块、 印刷电路板设计的注意事项。其中，系统存储模块包括三部分，即程序存储器( f l a s h r o m ) 、内存( s d r a m ) 和语音数据存储器( n a n d f l a s h ) ；语音采集模块使用的核心 元件是菲利浦公司的u d a l 3 4 1 t s 音频芯片；网络传输模块使用的核心元件是 r t l 8 0 1 9 a s 以太网控制器；调试接口模块采用j t a g 调试接口电路；系统扩展接口模 块是为系统将来的升级和功能扩展而考虑要增设的一些有用接口。 之后讲述系统调试与应用程序开发。介绍了使用a d s 调试硬件电路和开发应用软 件的方法，包括对系统各单元电路的调试和相应应用程序的开发。 文章最后讲述了u c l i n u x 嵌入式操作系统的移植和应用程序的配置，内容包括 u c l i n u x 的简介和内核移植，在u c l i n u x 中对r t l 8 0 1 9 a s 驱动的配置和n a n d - f l a s h 的j f f s 2 文件系统的建立。 关键字：s 3 c 4 4 b o x嵌入式系统u c l i n u x a b s t r a c t a b s t r a c t t h e r ea r em a n ya u d i od e v i c e sb a s e do na r m ( a d v a n c e dr i s cm a c l l i n e s ) p r o c e s s o l s u c ha sm o b i l et e l e p h o n e m d ( m i n i d i s c ) ，d v dp l a y e r , m p 3a u d i oe n c o d e r ；a l s o ，t h e r ea r e m a n yn e t w o r kd e v i c e sb a s e do na r mp r o c e s s o ls u c ha sm o d e m n e t w o r kc o m p u t e r , i n t e m e t e q u i p m e n t d e v i s i n gad e v i c eb a s e do na r m w i t ht h ef u n c t i o no fp r o c e s s i n ga u d i os i g n a l a n dc o m m u n i c a t i n gi nn e t w o r km u s tb ean e w a t t e m p t i f t h i sd e v i c ei sd e s i g n e ds u c c e s s f u l l y , i tw i l lp r o v i d ean e wr e a l i z a b l em e a n sf o rl e a v i n gw o r d si nn e t w o r k a c c o r d i n gt oa b o v ei d e a , t h i st h e s i se x p a t i a t ean e w s c h e m eo fd e s i g n i n gas y s t e mb a s e d o na r v 1w i t ht h ef i m c t i o no fp r o c e s s i n ga u d i os i g n a la n dt r a n s f e r r i n gd i g i t a ld a t t m ai n n e t w o r k f i r s t , t h i st h e s i sd i s c u s s e st h ed e v i s i n gi d e ao ft h ew h o l es y s t e m a c c o r d i n gt ot h e s y s t e m sr e q u i r e df u n c t i o n s ：1 c o l l e c t i n gs o u n ds i g n a la n dr e p l a y i n g ；2 s t o r a g i n ga u d i od a t a ； 3 t r a n s f e r r i n ga u d i od a t u mi nn e t w o r k , t h ew h o l es y s t e mi sd i v i d e di n t os e v e nf u n c t i o n a l b l o c k s t h a ti ss y s t e m sc p u ( c e n t r a lp r o c e s s i n gu 1 1 i t l m e m o r yb l o c k b l o c ko fc o l l e c t i n g s o u n ds i g n a la n dr e p l a y i n g ，b l o c ko fc o n m m n i c a t i n gi nn e t w o r k , p o w e ra n dc l o c kc i r c u i t ， d e b u g g e r , e x t e n d e di n t e f f a c e s c p u ss e l e c t i n gi sb a s eo fd e s i g n i n gt h es y s t e ma n ds t a r to f d e s i g nj o b ，a n dd e c i d i n gt os e l e c ts a m s u n g ss 3 c 4 4 b o xm c u ( m i c r o c o n t r o l i e r su n i t ) i nt h e e n d t h ef o l l o w i n gi sm a i no ft h i st h e s i s e m b o d y i n gt h es y s t e m sh a r d w a r ed e s i g na n di t s p r i n c i p l e d e s c r i b i n ge v e r yb l o c k sd e s i g na n dt h e i rp r i n c i p l e si nd e t a i l t h e s ec o n t e n t sa r e e x p a t i a t e di n8s e c t i o n s ，t h e ya r es y s t e m sc p u ，m e m o r yb l o c k ，b l o c ko fc o l l e c t i n gs o u n d s i g n a la n dr e p l a y i n g ，b l o c ko fc o m m u n i c a t i n gi nn e t w o r k ，p o w e ra n dc l o c kc i r c u i t ，d e b u g g e r , e x t e n d e di n t e r f a c e s ，n o t i c e a b l ep r o b l e m si nm a k i n gp c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) m e m e r y b l o c ki n c l u d e s3s e c t i o n s ，t h e ya r ef l a s hr o m ，s d r a m ( s y n c h r o d r a m ) a n dn a n d f l a s h ； t h ec o r ei nt h eb l o c ko fc o l l e c t i n gs o u n d s i g n a la n dr e p l a y i n gi su d a l 3 4 1 t sa u d i o c o d e cm a d ei np h i l i p s ；t h ec o r ei nt h eb l o c ko f c o m m u n i c a t i n gi nn e t w o r k i sr t l 8 0l9 a s e t h e r n e tc o n t r o l l e r ；d e b u g g e ri sj t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ) i n t e r f a c ec i r c u i t ；e x t e n d e d i n t e f f a c e sa r es o m ea d d i t i o n a li n t e r f a c e sf o ru p g r a d i n gt h es y s t e ma n de x t e n d i n gn e w f u n c t i o n si nt h ef u t u r e t h e nt h et h e s i sd i s c u s s e sd e b u g g i n go ft h es y s t e ma n dd e v e l o p m e n to fa p p l i c a t i o n s i n t r o d u c i n gp r o c e d u r eo fu s i n ga d s ( a r md e v e l o p e rs u i t e ) f o rd e b u g g i n gh a r d w a r ec i r c u i t a n dd e v e l o p i n ga p p l i c a t i o n s ，i n c l u d i n gd e b u g g i n go fe v e r yu n i tc i r c u i ta n dd e v e l o p m e n to f c o r r e s p o n d i n ga p p l i c a t i o n s t h el a s to f t h i st h e s i sd i s c u s s e su c l i n u xt r a n s p l a n ta n da p p l i c a t i o n sc o f i f i g n r a t i o n t h e c o n t e n ti n c l u d e sb r i e fi n t r o d u c t i o no fu c l i n u xa n di t sk e m e lt r a n s p l a n t r t l 8 0l9 a sd r i v e r c o n f i g u r a t i o na n df o t m d a t i o no f j f f s 2 f i l es y s t e mo nn a n d f l a s hi nu c l i n u x k e y w o r d s ：s 3 c 4 4 b o xe m b e d d e ds y s t e mu c l i n u x 1 1 南开大学学位论文电子版授权使用协议 论文基于，4 r m 诵故，入芪语音采勉网馋任籀瓤铂蚴系本人在南开 大学工作和学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。 本人系本作品的唯一作者( 第一作者) ，即著作权人。现本人同意将 本作品收录于“南开大学博硕士学位论文全文数据库。本人承诺：已 提交的学位论文电子版与e i l 届i 版论文的内容一致，如因不同而引起学术 声誉上的损失由本人自负。 本人完全了解g 直五盍堂图盅焦差王堡在! 焦旦堂焦迨塞的笪堡查 赳同意南开大学图书馆在下述范围内免费使用本人作品的电子版： 本作品呈交当年，在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及论 文全文部分浏览服务( 论文前1 6 页) 。公开级学位论文全文电子版于提 交1 年后，在校园网上允许读者浏览并下载全文。 注：本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。 院系所名称：镌怠投术科唾学阮 作者签名：孝海龙 学号：o zo z 斗8 日期：2 0 西年j 月3 0 曰 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：李海龙 2 oo r 年岁月5 0 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 内部5 年( 最长5 年，可少于5 年) ?4 秘密l o 年( 最长1 0 年，可少于1 0 年) 。 一 机密2 0 年( 最长2 0 年，可少于2 0 牟) i 。一，+ ，：。： 采铬臻舄窘勿垒文2 7 奄一 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉 及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学 位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：夺海龙 2 0 啮年f 月3 0 日 第一章绪论 第一章绪论 2 0 0 4 年9 月，北京联昆达科技发展公司因业务需要，欲开发一个语音采集系统， 该系统要实现对外界语音的录入和存储，并能通过网络设各将语音数据适时传输给公司 服务器，以便随时调用或向客户端发送。要求系统有较高的录音质量，能够随时播放和 试听录入的语音信号，并有较大的语音数据存储量。 该项目原计划由王晓剑同学来做，但由于王晓剑正在北航读博，学业繁忙，遂由我 和晓剑合作来做这一项目。2 0 0 4 年1 0 月中旬，我来到联昆达公司接受这一系统的设计 任务。经过半年的学习、探索和设计操作，系统的硬件电路设计基本完成，电路调试已 全部通过；在软件设计设计上采用u c l i n u x 嵌入式操作系统，u c l i n u x 的移植和应用 配置已具雏形。到目前为止，除录音程序尚未完成外，放音程序j 下在调试中，其他应用 程序都已通过调试并成功配置。 本文主要论述了一种基于a r m 7 t d m i 的语音采集与网络传输系统的设计方法。系 统的硬件部分包括a r ms 3 c 4 4 8 0 x 处理器、f l a s hr o m 、s d r a m 内存、n a n d f l a s h 存 储器、语音采集及播放电路、网络通信电路、j t a g 调试接口电路、电源和时钟电路； 系统采用u c l i n u x 嵌入式操作系统。 在结构上，文章共分五章。第一章是引言，对文章作一简要介绍；第二章介绍系统 的整体设计构想，根据具体的功能需求探讨系统的设计方法，确定设计方案；第三章详 细地介绍了系统各个组成模块的硬件电路设计及其工作原理，按模块分为8 节讲述，分 别是系统c p u 、存储模块、语音采集模块、网络传输模块、调试接口模块、电源和时 钟模块、系统扩展接口模块、印刷电路板设计的注意事项：第四章讲述了系统的硬件电 路调试和开发应用软件的方法，介绍了使用a d s 集成开发环境开发基于a r m 的嵌入 式系统的过程：第五章主要讲述了u c l i n u x 嵌入式操作系统的移植和应用配置，包括 对r t l 8 0 1 9 a s 驱动的配置和基于n a n d f l a s h 的j f f s 2 文件系统的建立；第六章是结论。 第二章系统的整体设计构想 第二章系统的整体设计构想 做系统的整体设计构想，必须基于系统要实现的基本功能：1 、语音采集和播放2 、 语音数据存储3 语音数据的网络传输。因此，我们要开发的系统必须具备以下四个基本 功能模块：l 、c p u ( c e n t r a lp r o c e s s i n g u n i t ) 中央处理器，它负责指挥系统各部件协调 统一地工作，发出指令，按要求完成相应任务。它是系统的核心部件，是所有智能系统 必有的指挥控制中心；2 、语音采集功能模块，负责采集外界的语音信号，经数字化处 理和编码，实时传输给系统数据存储器，并能随时播放存入系统数据存储器的语音数据 信号；3 、存储功能模块，用来存放系统程序( 包括嵌入式操作系统程序和应用程序) 和语音数据；4 、网络通信模块，能够通过网线与服务器主机进行通信联络，将系统存 储的语音数据适时传输给终端服务器，供人员随时调用或向客户端发送。 其中，c p u 器件的选取是我们整个系统设计的基础和出发点，它直接决定着我们 要设计的系统的复杂程度和实现的难易程度以及性能的优劣。为此，我们查阅了有关单 片机的许多资料，通过分析和对比，最终采用三星公司的a r ms 3 c 4 4 b o x 芯片作为我 们开发系统的c p u 器件。这是基于以下三方面的原因：第一，s 3 c 4 4 b o x 具有i i s ( 内 部声音集成电路) 总线接口，可以实现对外部8 1 1 6 位立体声音频数字信号编解码处理 的接口功能，能够同时传送或接收语音数据信号，很适于我们开发语音采集和播放功能 模块电路；第二，s 3 c 4 4 b o x 的内部系统管理器有8 个b a n k ( 地址存储体) ，其中有6 个r o m 、s r a m 存储器b a n k ，2 个r o m s r a m d r a m ( f a s t p a g e 快速页面，e d o 扩 充数据总线和同步d r a m ) 存储器b a n k 。每个b a n k 具有3 2 m 字节的寻址空间，支持 可编程的8 1 6 3 2 位数据总线宽度。这样可以很方便地为系统扩展各种外部存储器， 用以存放系统程序和语音数据。第三，s 3 c 4 4 b o x 没有m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t 内存管理单元) ，我们能够为开发系统嵌入u c l i n u x 操作系统，由于u c l i n u x 带有一 个完整的t c p i p 协议，同时还支持许多其他网络协议，这就省去了我们为系统编写 t c p i p 协议的繁重工作，大大减轻了我们设计网络通信功能模块的： 作量。同时嵌入 u c l i n u x 操作系统使系统具有任务管理、存储器管理、资源管理、事件管理、系统管 理、队列管理和中断处理能力，能进行多任务处理，更好地利用了系统资源。u c l i n u x 操作系统的这些优点能够大大提升我们所设计的系统的工作效能。 系统除了具备这四个基本功能模块外，还必须有电源供电电路和时钟信号产生电路 为系统正常工作提供正确的电压、电流和时钟信号；除此，我们调试系统电路、开发应 用程序还要有调试接口电路；最后，考虑到将来可能为系统升级，开发、扩展新的功能， 我们还为系统没置了扩展接口电路。这样，我们就把整个系统划分为七个模块，即c p u 、 语音采集模块、网络通信模块、存储模块、电源和时钟模块、调试接口模块和系统扩展 接口模块。系统结构框图如下： 第二章系统的整体设计构想 图2 1 系统结构框图 下面一章我们就分别讲述系统各功能模块的硬件设计和工作原理。 第三章系统硬件设计和工作源理 第三章系统硬件设计和工作原理 3 1 系统c p u 我们选取s 3 c 4 4 b o x 作为开发系统的c p u 器件。实际上s 3 c 4 4 b o x 是一片m c u ( m i c r o c o n t r o i l e r su n i t ) 单片机，即把a r mc p u 、存储器、i o 接口电路集成在一块 芯片上的芯片级控制器件。 3 1 1 s 3 c 4 4 b o x 简介 s a m s u n g ( 三星) 公司推出的1 6 3 2 位r i s c ( r e d u c e d i n s t r u c t i o n s e t c o m p u t e r ) 处 理器s 3 c 4 4 b o x 为手持设备和一般类型应用提供了商性价比和高性能的微控制器解决 方案。为了降低成本，s 3 c 4 4 b o x 提供了丰富的内置部件，包括：8 k bc a c h e ，内部s r a m ， l c d 控制器，带自动握手的2 通道u a r t ，4 通道d m a ，系统管理器( 片选逻辑， f p e d o s d r a m 控制器) ，代用p w m 功能的5 通道定制器，i o 端口，r t c ，8 通道 1 0 位a d c ，i l c b u s 接口，i i s b u s 接口，同步s i o 接口和p l l 倍频器。 s 3 c 4 4 b o x 采用了a r m 7 t d m i 内核，o 2 5 u r n 工艺的c m o s 标准宏单元和存储编 译器。它的低功耗精简和出色的全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感的应用。同 样s 3 c 4 4 b o x 还采用了一种新的总线结构，即s a m b a i i ( - - - 星a r mc p u 嵌入式微处 理器总线结构) 。 s 3 c 4 4 b o x 的杰出特性是它的c p u 核，是由a r m 公司设计的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i r i s c 处理器( 6 6 m h z ) 。a r m 7 t d m i 体系结构的特点是它集成了t h u m b 代码压缩器， 片e 的i c e ( i nc i r c u i te m u l a t i o n ) 断点调试支持，和一个3 2 位的硬件乘法器。 下面是s 3 c 4 4 b o x 的各种片上功能介绍。 2 5 va r m 7 t d m i 内核，带有8 k 高速缓存器( s a m b ai i 总线体系结构，主频高 至6 6 m h z ) ： 外部存储器控制器( f p e d 0 s d r a m 控制，片选逻辑) ； l c d 控制器( 最大支持2 5 6 色s t n ，l c d 具有专用d m a ) ； 2 通道通用d m a 、2 通道外设d m a 并具有外部请求引脚； 2 通道u a r t 带有握手协议( 支持i r d a l 0 ，具有1 6 一b y t ef i f o ) 1 通道s i o ； 1 通道多主i i c b u s 控制器； 1 通道i i s 。b u s 控制器： 5 个p w m 定时器和1 通道内部定时器； 看门狗定时器； 7 1 个通用i ou 8 通道外部中断源； 第三章系统硬件设计和工作缘理 功耗控制：具有普通，慢速，空闲和停止模式 8 通道l o 位a d c ； 具有日历功能的r t c ； 具有p l l 的片上时钟发生器。 3 1 2 s 3 c 4 4 8 0 x 特性 体系结构 集成了手持设备和通用嵌入式系统应用的解决方案； 1 6 3 2 位r i s c 体系结构和a r m 7 t d m i 处理器内核强大的指令体系； t h u m b 代码压缩机，最大化代码密度同时保持了3 2 位指令的性能； 基于j t a g 的片上集成i c e 调试支持解决方案； 3 2 8 位硬件乘法器： 实现低功耗s a m b ai i ( 三星a r m 处理器嵌入式微控制器总线体系结构) 的新型 总线结构。 系统管理器 支持大d , 端方式； 寻址空间：每b a n k3 2 m 字节( 共2 5 6 m 字节) ； 支持每b a n k 可编程的8 1 6 3 2 位数据总线宽度； 7 个b a n k 具有固定的b a n k 起始地址和可编程的b a n k 大小： 1 个b a n k 具有可编程的b a n k 起始地址和b a n k 大小； 8 个存储器b a n k ： 一6 个r o m ，s r a m 存储器b a n k ； 一2 个r o m s r a m d r a m ( 快速页面，e d o 和同步d r a m ) ； 所有的存储器b a n k 具有可编程的操作周期； 支持外部等待信号延长总线周期； 支持掉电时d r a m s d r a m 的自刷新模式； 支持均匀月e 均匀的d r a m 地址。 c a c h e 存储器和内部s r a m 一体化的8 k 字节c a c h e ； 未用的c a c h e 空间用来作为0 4 8k 字节的s r a m 存储空闻： 支持l r u ( 近期最少使用) 替换算法； 采用保持主存储器与c a c h e 内容一致性的“写穿式”策略； 写存储器具有4 级深度； 当c a c h e 未命中时，采用“请求数据优首先填充”技术。 时钟和电源管理 第三章系统硬件设计和工作原理 低功耗； 片上p l l 使m c u 工作时钟最大达到7 5 m h z ； 可以通过软件设置各功能模块的输入时钟； 电源模式：正常，慢速，空闲和停止模式； 正常模式：正常工作模式； 慢速模式：不加p l l 的低时钟频率模式； 空闲模式：只停止c p u 的时钟； 停止模式：停止所有的时钟； 通过e i n t 7 ：0 或r t c 报警中断从停止模式唤醒。 中断控制器 3 0 个中断源( 看门狗定时器，6 个定时器，6 个u a r t ，8 个外部? 断，4 个d m a ， 2 个r t c ，1 个a d c ，1 个i i c ，1 个s i o ) ： 采用向量化的i r q 中断模式以减少中断的延迟； 可选的电平，边沿模式触发外部中断； 电平边沿模式具有可编程的优先级； 支持f i q 为紧急的中断请求进行服务； 定时器和p w m ( 脉宽调制) 5 通道1 6 位具有p w m 功能的定时器，1 通道1 6 位内部定时器( 可进行基于d m a 或中断的操作) ； 可编程的占空比周期、频率、和优先级； 能产生死区； 支持外部时钟源。 r t c ( 实时时钟) 充分的时钟特性：毫秒，秒，分钟，小时，日，星期，月，年； 3 2 7 6 8 k h z 时钟； 定时警报，可用于唤醒c p u ； 可产生时钟节拍中断。 通用1 1 0 口 8 个外部中断口； 7 1 个多功能输入输出厂。 u a r t ( 异步串行通讯) 2 通道u a r t ，可进行基于d v i a 或中断的操作； 支持5 位，6 位，7 位或8 位串行数据传输接收； 支持在发送接收期间的w 握手功能； 可编程的波特率； 支持i r d a1 0 ( 1 1 5 2 k b p s ) ： 6 第三章系统硬件设计和工作原理 支持用于测试的回馈模式； 每个通道具有2 个内部3 2 字节的f i f o 分别用于输入和输出。 d m a ( 直接存储器操作) 控制器 2 通道通用d m a ( 直接存储器操作) 控制器，不需要c p u 干预； 2 通道d m a 桥( 外设d m a ) 控制器； 支持i o 到存储器，存储器到i o ，i o 到i o 的6 种d m a 请求：软件，4 个内部 功能模块( u a r t ，s i o ，定时器，i i s ) 和外部引脚； 在同时发生的多个d m a 之间具有可编程的优先级顺序； 采用猝发式的传输模式以提高f p d r a m ，e d o d r a m 和s d r a m 的数据传输速率； 支持在外部设备到存储器和存储器到外部设备之间采用f l y b y 模式。 a d 转换器 8 通道的a d c ； 最大5 0 0 ks p s 1 0 - b i t 。 l c d 控制器 支持彩色黑白灰度l c d 屏； 支持单路扫描和双路扫描； 支持虚拟显示屏功能； 系统存储器用来作为显示缓存； 用专门的d m a 来从系统存储器中获得图象数据； 可编程的屏幕大小； 灰度等级：1 6 级灰度： 最多2 5 6 种颜色。 看门狗定时器 1 6 位的看门狗定时器； 在定时器溢出时发出中断请求或系统复位。 i i c 总线接口 1 通道多主i i c 总线，可进行基于中断的操作模式； 可进行串行、8 位、双向数据传输，标准模式速度达到1 0 0 k b i t s ，快速模式达到 4 0 0 k b i t s 。 i i s 总线接口 1 通道音频i i s 总线接口，可进行基于d m a 的操作； 串行，每通道8 1 6 位数据传输； 支持m s b - j u s t i f i e d 数据格式。 s l o ( 同步串行i o ) 1 通道s i o ，可进基于d m a 或中断的操作； 可编程的波特率； 第三章系统硬件设计和工作原理 支持8 位串行数据的传输和接收操作。 工作电压范围 内核：2 5 v ； i o 口：3 0 v 到3 6 v 。 工作频率 最大7 5 m h z 。 封装 16 0 l q f p i6 0 f b g a 。 3 1 3 s 3 c 4 4 8 0 x 内部结构图 图3 1s 3 c 4 4 8 0 x 内部模块示意图 第三章系统硬件设计和工作原理 3 2 系统存储模块 为保证系统稳定、高效地工作，我们为s 3 c 4 4 b o x 处理器设置了三个不同的存储 器芯片，分别是f l a s hr o m 、s d r a m 和n a n d f l a s h 存储器，它们分别作为系统的程序 存储器( b o o tr o m ) 、内存( r a m ) 和语音数据存储器。 下面分别予以介绍。 3 2 1 程序存储器f l a s hr o m s 3 c 4 4 b o x 自身不具有r o m ，因此必须外接r o m 器件来存储掉电后仍需要保存 的程序代码和数据。 f l a s h 存储器是一种可在系统( h a s y s t e m ) 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，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。 由于我们开发嵌入式的语音采集和网络传输系统，要植入u c l i n u x 嵌入式操作系 统，需要较大的存储空间，因此选取了有2 m 字节容量的s s t 3 9 l f l 6 0f l a s h 存储芯片 作为系统r o m 。 f l a s hr o m 采用标准总线接口与处理器交互，对它的读取不需要任何特殊的代码， 但需要首先在硬件上设定o m in 0 和大小端，以便使处理器知道f l a s hr o m 的数据 长度和位序。 作为程序代码存储器，f l a s hr o m 映射在处理器的b a t l k o 地址空间( 从系统地址 o x 0 0 0 0 0 0 0 0 开始) 。系统上电复位时，处理器就自动从o x 0 0 0 0 0 0 0 0 地址处开始取得指 令运行。因此，f l a s hr o m 中要存放系统启动代码，这些代码必须在系统上电时完成一 系列初始化的工作，包括设置中断处理程序入口，初始化看门狗、中断控制器、时钟控 制器、d m a 控制器、存储器控制器及堆栈等。经过这些初始化，系统才能得以正确启 动并开始工作。在这里我们采用由三星公司提供的4 4 b i n i t s 系统初始化文件，它由a r m 汇编语言写成。 3 2 1 1s s t 3 9 l f l 6 0 简介 主要特性如下： 存储空间组织lm b i t 1 6 。 读写操作采用单一电源3 0 3 6v 。 可靠性 一可擦写1 0 00 0 0 个周期( 典型值) ； 一数据可保存1 0 0 年。 第三章系统硬件设计和工作原理 低功耗 一动态电流1 5 m a ( 典型值) ； 一静态电流4 u a ( 典型值) ； 一自动低功耗模式4ua ( 典型值) 。 扇区擦除能力统一2k w o r d 大小的扇区。 快速读操作时间5 5 f l s 。 具有锁地址和数据功能。 快速擦除和以字为单位编程 一扇区擦除时间1 8m s ( 典型值) ： 一块擦除时间1 8i r i s ( 典型值) ； 一片擦除时间7 0 m s ( 典型值) ； 一字擦除时间1 4 t xs ( 典型值) ； 一片重写时间1 5s ( 典型值) 。 自动写时序内部产生v p p 。 写结束的检测 一翻转位； 一数据轮流检测。 与c m o s 电平的i o 口兼容。 符合j e d e c 标准采用f l a s he e p r o m 的标准引脚排布和指令集。 可用封装 一4 8 脚t s o p ( 1 2 r m n x 2 0 m m ) ； 一4 8 脚t f b g a ( 6 m m 8 m m ) 。 3 2 1 2f l a s hr o m 的实现方法与步骤 1 、接口电路 s s t 3 9 l f l 6 0 与s 3 c 4 4 b o x 之问的接u 电路如下图所示： f s 3 c 4 4 8 0 x s s t 3 9 l f l 6 0 o m 0a i 矾2 0 h 1a 1 9 o o m ld a l l a l 5 t 0 d q l 5 0 d a l a 1 5 o l n g c s on c e 1 1 0 en o e n w en 、凡吧 图3 2s s t 3 9 l f l 6 0 与s 3 c 4 4 b o x 的接口电路 f l a s hr o m 的数据接口为d q l 5 o ，因此，数据宽度是1 6 位。而f l a s hr o m 的 第三章系统硬件设计和工作原理 a 1 9 0 对应着处理器的a d d r 2 0 1 ，偏移了l 位，这是由于s 3 c 4 4 b o x 是按照字节 编址，而f l a s hr o m 是以1 6 位为一个存储单元，因此，处理器的地址“左移”1 位， 采用a d d r l 与f l a s hr o m 的a 0 相连。由于f l a s hr o m 映射在处理器的b a n k 0 区域内， 因此，它的片选线与处理器的n g c s 0 相连。 2 、硬件设置 当s 3 c 4 4 b o x 复位时，它立即从0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 地址处开始取指令执行。因此，系统 启动代码应该放置在地址0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 处，并把定位在地址0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 处的存储器称为 b o o t r o m 。在a r m 系统中，通常都采用能够快速读取、并方便重新写入的f l a s h r o m 作为b o o tr o m ，我们正是这样做的。c p u 对f l a s hr o m 的接口不需要任何软件上的 设置，在系统第一次上电时，c p u 就可对f l a s hr o m 进行读取了。 b o o tr o m 在地址上位于a r m 处理器的b a n k 0 区，它可能具有多种数据总线宽 度，这个宽度是可以通过硬件设定的，即通过o m l 0 引脚上的逻辑电平进行设定。 在本系统中，由于s s t 3 9 l f l 6 0 的存储单元组织方式为1m b i t 1 6 ，我们将b a n k 0 的数据总线宽度设定为叭。 3 2 2 系统r a m 随机存取存储器r a m ( r a n d o ma c c e s sm e m o f f ) 是易失性存储器，与f l a s h 存储 器相比较，它不具有掉电保持数据的特性，但其存取速度大大高于f l a s h 存储器，且具 有读写的属性，写入数据之前不需要擦除。因此，r a m 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，c p u 首先从复位地址0 x 0 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r a m 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r a m 中。 常用的r a m 分为s r a m ( 静态r a m ) 和d r a m ( 动态r a m ) 两种类型。s d r a m ( 同步动态r a m ) 具有单位空问存储容量大和价格便宜的优点，广泛应用在各种嵌入 式系统中。 s 3 c 4 4 b o x 在片内具有独立的s d r a m 刷新控制逻辑，提供了与s d r a m 进行直接 接口的解决方案。 由于我们要为系统嵌入h e l i n x 操作系统，涉及对语音数据的读写操作，因此系 统所需内存空间较大。在这里，我们选取了具有8 m 字节容量的h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h g 作为 系统r a m 。 3 2 2 1h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h g 简介 h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h g 是由h y n i x 公司推出的一款具有8 m 字节容量的s d r a m 芯片， 其存储空间组织方式为4 b a n k s x l m 1 6 b i t ，工作电压为3 3 v ，常见封装为5 4 脚t s o p ， 兼容l v 厂r l 接口，支持自动刷新( a m o r e f r e s h ) 和自刷新( s e l f - r e f r e s h ) ，1 6 位数据 宽度。 第三章系统硬件设计和工作原理 3 2 2 2 系统r a m 的实现方法与步骤 由于s 3 c 4 4 b o x 内部的存储器控制器部件提供了专门与s d r a m 器件接口的控制 信号线，因此，对s d r a m 的读和写只需要根据所选择的存储器特性，在系统初始化时 对与s 3 c 4 4 b o x 相关的寄存器进行设置就可以了。 1 、地址分配 在系统中，我们将s d r a m 映射在b a n k 6 ，它的地址分配如下表所示。 表3 1s d r a m 地址分配 s 3 c 4 4 b o x 共有8 个存储器b a n k ，其中只有b a n k 6 和b a n k 7 可以同时作为r o m 、 s r a m 、f p 厄d o s d r a m 等类型存储器的存储空间。s 3 c 4 4 b o x 支持异步或同步 d r a m ，并在对d r a m s d r a m 的接口中，支持对器件的自刷新模式。 2 、电路连接 s d r a m 与s 3 c 4 4 b o x 的接口电路连接如下图所示。 s 3 c 4 4 b o xs d r a m a d d r l 2 1 a d d r l 3 1 a 1 l 0 b ab a d a l 、a 1 5 o d q l 5 0 1 d a r a l 5 o 7 s c l kc l k n r a s 0 n s c s on c s n c a s 3 n s r a sn s r a s 。n c a s 2 n s c a sn s c a s 1 3 w en w e n w b e l 0 d q m i ol d q m u d q m d q m l 0 图3 3s d r a m 与s 3 c 4 4 b o x 的接口连接图 图中，$ 3 c 4 4 8 0 x 端的b a 即a 2 2 2 1 。 由于h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h g 的存储空间组织方式是4b a n k s 1 m 1 6 b i t ，共6 4 m b ，数 据总线宽度为1 6 位，而s 3 c 4 4 b o x 是按照字节编址，因此，处理器的