（信号与信息处理专业论文）基于powerpc的嵌入式通信系统硬件接口及显示驱动的设计与实现.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 本文基于嵌入式p o w e r p c 对扩频通信系统的测控通信终端的设计与实现进行了研究。 测控通信系统需要很好的实时性和可靠性，通常要求配备体积小并能够适应恶劣环境的嵌 入式通信终端，以用于进行数据的处理和传输，从而确保其系统通信的实时性和可靠性。 在研究扩频测控通信系统功能要求后，采用嵌入式p o w e r p c 和f p g a 相结合的系统构架。 利用支持工业级的p o w e r p c 微处理器核心板作为嵌入式通信终端的硬件控制平台，负责与 所有外围设备之间的通信，利用f p g a 设计通信终端的信道编解码和调制解调模块。 本文的研究主要针对嵌入式系统进行。在硬件方面，针对本项目中的通信终端核心板 m p c 8 2 7 0 ，提出了硬件系统电路及接口的设计：在软件方面，通过对m o n t a v i s t al i n u x 系 统平台的搭建和嵌入式软件系统的开发实现了软件开发环境的建立，并在此基础上实现 l c d 显示驱动在p o w e r p c 下的移植。 关键字：扩频通信，嵌入式，p o w e r p c ，显示驱动 南京邮电大学硕士研究生学位 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i st h e s i si sas t u d yo np o w e r p c b a s e de m b e d d e dd e v e l o p m e n tw h i c hi su s e df o r m o n i t o r i n ga n dc o n t r o lc o m m u n i c a t i o nt e r m i n a lo fs p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h e m o n i t o r i n ga n dc o n t r o lc o m m u n i c a t i o nt e r m i n a ln e e d sg o o dp e r f o r m a n c ei nr e a l t i m e a n d r e l i a b i l i t y g e n e r a l l yt h ee m b e d d e dc o m m u n i c a t i o nt e r m i n a le q u i p p e dw i t hs m a l lc u b a g ea n d g o o da d a p t a b i l i t yo fh a r s he n v i r o n m e n ti sn e e d e df o rp r o c e s s i n ga n dt r a n s f e r r i n gs t a t i s t i c s i n o r d e rt om a k es u r eo fs y s t e mc o m m u n i c a t i o ni nr e a l - t i m ea n dr e l i a b i l i t y a f t e rt h es t u d yo ft h e r e q u i r e m e n to fs p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o ns y s t e mf o rm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l ，t h es y s t e m s t r u c t u r i n gi sa d o p t e db yc o m b i n i n ge m b e d d e dp o w e r p ca n dt h ef p g ad e v e l o p m e n t u s i n g i n d u s t r i a l l e v e ls u p p o r t e dp o w e r p cm i c r o p r o c e s s o rc o r eb o a r da sa ne m b e d d e dc o m m u n i c a t i o n t e r m i n a lh a r d w a r ec o n t r o lp l a t f o r m ，i tc a nc o m m u n i c a t ew i t ha l lp e r i p h e r a ld e v i c e s u s i n gf p g a ， i t d e s i g n st h e c h a n n e le n c o d i n g d e c o d i n ga n dm o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o nm o d u l eo ft h e c o m m u n i c a t i o nt e r m i n a l t h i st h e s i se m p h a s i z eo nt h es t u d yo fe m b e d d e ds y s t e m ，e s p e c i a l l yo nt h eh a r d w a r e i n t e r f a c e ad e s i g no nt h ec i r c u i ta n dc o n n e c t i o no ft h eh a r d w a r es y s t e mi sp r o p o s e d ，w h i c h a i m i n gt h ec o m m u n i c a t i o nt e r m i n a lc o r e b o a r dm p c 8 2 7 0i nt h i sp r o j e c t 。i np e r s p e c t i v eo f s o f t w a r e ，t h r o u g ht h eb u i l d i n g o fm o n t a v i s t al i n u xs y s t e mp l a t f o r ma n dd e v e l o p i n go f e m b e d d e ds o f t w a r es y s t e m ，t h ep l a nf o rt h ef o r m i n go fs o f t w a r ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ti s r e a l i z e d ；a tt h es a m et i m e ，t h et r a n s p l a n t a t i o na n dd e v e l o p m e n to fl c dd i s p l a yd r i v ei nt h e p o w e r p ci sa c h i e v e d k e yw o r d s ：s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n ，e m b e d d e dd e v e l o p m e n t ，p o w e r p c ，d i s p l a y d r i v e 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 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。 研究生签名：要遮篁亟日期：趁蜢至：丛 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论 文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。 论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名： 赳迅 导师签名：醢 日期：丝! 拿：垒：! 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 扩频通信技术的发展及应用 1 1 1 扩频通信技术概述 扩频通信，即扩展频谱通信技术( s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n ) ，它与光纤通信、卫 星通信一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式【1 1 。 扩频通信是将待传送的信息数据用伪随机编码序列，也即扩频序y o ( s p r e a ds e q u e n c e ) 调制，实现频谱扩展后再进行传输。接收端则采用相同的编码进行解调及相关处理，恢复 出原始信息数据。因此传输同样信息时所需的射频带宽，远比其它各种调制方式要求的带 宽要宽得多。 这种通信方式与常规的窄带通信方式的区别是：首先，它在信息的频谱扩展后形成宽 带传输；其次，它在相关处理后再恢复出窄带信息数据。 由于这两大特点，使扩频通信有如下的优点： 抗干扰； 抗噪声； 抗多径衰落； 具有保密性： 功率谱密度低、具有隐蔽性和很低的截获概率； - 可多址复用、任意选址和高精度测量等； 常用的扩展频谱技术分为两种：直接序列扩展频谱系统( d i r e c ts e q u e n c es p r e a d s p e c t r u m ) 和跳频扩频系统( f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ) 。 1 1 2 扩频通信技术的发展及应用 扩频技术是第二次世界大战的产物。但它的起源可以追溯到上世纪2 0 年代，它是在 雷达技术的基础上发展起来的。当时由于战争的需要，同盟国和协约国都花了相当大的力 量来研究干扰和反干扰技术。大战结束后，扩频通信以其抗干扰能力强，保密好，可靠性 l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 高等特点，受到美国等发达国家的极端重视，花了大量的人力物力来研究和发展这种技术。 1 9 5 1 年末，美陆军通信协会要求麻省理工学院的林肯实验室为易受敌方干扰的远距离高频 无线电电传通信研制一个n o m a c ( n o i s em o d u l a t i o na n dc o 玎e l a t i o ns y s t e m ) 系统，经过几 年的研制，于1 9 5 5 年由夕尔瓦尼亚电子防御实验室为美国陆军通信兵生产了名为f 9 c a 的样机。 自5 0 年代美国军方开始对扩频通信技术研究后，其研究成果广泛应用于军事通信、 电子对抗以及导航、高精度测量等各个领域。但是，直到8 0 年代末，美国f c c 才规划出 了i s m 频段即开放频段，并且可以由采用扩频通信机制的商用通信使用。 随着其他学科的发展，扩频技术也有了进一步的发展。自2 0 世纪9 0 年代至今，在国 际上相继提出了各种混沌通信制式及其理论与方法，由此使混沌通信成为现代通信领域的 一个新的分支。其中混沌扩频更是其中的一个亮点。混沌扩频研究的关键便是寻找具有良 好特性的混沌扩频序列码。另外，混沌序列可以由简单的映射得到，易于产生，而混沌随 机性、遍历性使得混沌序列具有良好的平衡性和类似高斯自噪声的自相关特性。利用混沌 序列作为扩频码，对提高扩频通信系统的性能，尤其是系统复用用户数、抑制用户间干扰 等具有重大意义。 由于扩展频谱通信技术具有很强的抗干扰性能、低功率密度隐蔽传输、信息保密传输、 任意选址等特点，在通信、测距、定位、控制等诸多领域使用时都具有其独特优点，因而 在国际上受到普遍关注而迅猛发展。目前，各个国家为了满足日益增长的民用通信容量的 需求和有效地利用频谱资源，都纷纷提出在数字峰窝移动通信、卫星移动通信和未来的个 人通信中采用扩频技术，因此扩频技术已广泛应用于蜂窝电话、无绳电话、微波通信、无 线数据通信、遥测、监控、报警等各种系统中。本文正是基于一种扩频测控通信系统的实 现过程。 1 2 嵌入式扩频测控通信系统 测控通信系统要有很好的实时性、可靠性、嵌入性和低功耗等特点。实时性要求对输 入的数据以最快的速度处理并以最小延时输出控制信号；可靠性要求抗干扰能力强，有较 宽的工作温度范围和抗电磁干扰能力等：嵌入性要求尽量小的体积、重量；低功耗要求其 功率低。 嵌入式测控通信系统是本文整个监控系统的核心，起着承上启下的作用。作为用户监 控平台与测控目标之间的通信桥梁，负责实现用户监控平台与目标控制器之间数据的处 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 理、可靠传输与交换。 嵌入式系统是以应用为中心，软件、硬件可裁剪，适合对功能、可靠性、成本、体积、 功耗严格需求的专用系统。一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及 用户的应用程序四个部分组成。其软件通常都固化在r o m 中：嵌入式系统硬件资源有限， 要求软件代码有较高的效率；嵌入式系统通常对实时性要求较高，一般都使用实时、多任 务操作系统【2 1 。 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器，一般具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高、 功耗低等优点。嵌入式处理器的种类很多，嵌入式处理器主要有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c 4 0 0 、 p o w e r p c 、m o t o r o l a6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m 系列等。本文中采用的是p o w e r p c 的微处理器。 p o w e r p c 是一个苹果、m m 和摩托罗拉公司共同开发的微处理器结构，采用精简指令 计算架构( 对s c ) 。三家开发p o w e r p c 的公司已经使p o w e r p c 结构成为一个开放的标准， 邀请其他的公司在它之上进行开发。r i s c 利用简单指令的组合来执行复杂的指令，这样处 理器的时间安排能以较简单和快速运算为基础，促成微处理器在一个给定的时钟速度下执 行更多的指令。p o w e r p c 结构也提供了英特尔的常用处理器结构的替代品，包括p e n t i u m 。 已被广泛用于包括通信设备、自动控制等技术中。 软件平台是指测控系统的操作系统及基于此操作系统的硬件驱动。由于测控目标可能 会在比较复杂的环境下，因此在提高硬件系统的品质同时，也需要选择一个合适的操作系统 作为软件平台。源代码开放的嵌入式l i n u x 做为测控系统的软件平台是一个很好的选择。 嵌入式测控通信终端软件在l i n u x 操作系统下完成，重点是与各种外围设备之间的通信， 保证了数据可靠、实时地传输。l i n u x 是一个以内核为基础的多任务、多用户操作系统， 具有很强的可移植性。l i n u x 系统在网络支持方面实现的非常好，具有完整的t c p i p 协 议簇。l i n u x 像w i n d o w s 操作系统提供完善的图形用户界面，而不同于其他使用命令行界 面( c o m m a n dl i n ei n t e r f a c e ，c l i ) 的类u n i x 操作系统。嵌入式l i n u x 运行环境的系统 结构包括硬件层、核心层( 包括l i n u x 内核、b o o t l o a d e r 、硬件驱动程序等) 以及用户程序 j 丘o 信息产业部软件与集成电路促进中心( c s i p ) 举办的2 0 0 5 中国l i n u x 与p o w e r p c 开 发者论坛，是一项促进国内l i n u x 产业发展的具体工作。本次论坛为业界集中呈现了 p o w e r p c 与l i n u x 系统的参考设计、核心技术与开发工具p o w e r p c 架构由于性能好、稳定 性高等因素，加上商业版的m o n t a v i s t al i n u x 的高稳定性，目前，几乎所有主要通信终端 均采用该嵌入式平台。实际上，p o w e r p c m v l i n u x 组合的一个重要优点就是机器码兼容 ( b i n a r yc o m p a t i b i l i t y ) 。2 0 0 5 年2 月，c s i p 与f r e e s c a l e 半导体公司共同建立l i n u x 系统实 3 堕室堕皇奎堂堡主塑窒竺兰垡堡壅 蔓二皇丝丝 验室，通过研发基于p o w e r p c t m 的l i n u x 操作系统建立完善的l i n u x 产品评估体系，促进 l i n u x 系统在中国的推广。基于p o w e r p c 硬件与l i n u x 软件，业界将能快速开发各类优质产 品和应用系统。 p o w e r p c 架构为从事系统设计的l i n u x 开发者提供了一个值得信赖的、各方面都比较 完善的选择。p o w e r p c 架构在性能、频率和低功耗等多方面进行了有效平衡，因此对关注 灵活性、客户定制性、可扩展性的应用而言，都是绝佳的选择。l i n u x 正以低功耗、开放 性和成本有效的优点获得了日益广泛的应用。l i n u x 与p o w e r p c 架构这对黄金搭档，势必 将推动各种新兴应用快速向前发展。 测控控制终端采用现场可编程门阵列器件( f p g a ，f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) 作 为通信终端信道编解码器，f p g a 集成度高、体积小，具有可编程灵活设计的特点。f p g a 与p o w e r p c 结合，能够很好地满足实时信号处理。本设计在p o w e r p c 硬件架构上借助高 速数字信号处理器和高密度的f p g a ，在实时条件下实现通信终端信号处理，可靠性更高、 实时性更强。 本项目的主要任务是设计基于p o w e r p c 的嵌入式扩频测控控制通信系统。 1 3 测控通信系统概述 测控通信终端由遥控链路终端和遥测链路终端两部分组成。 遥控链路终端( r c l t e ) ： 遥控链路终端的设备完成指令编码、信息组帧、数据加密、伪码扩频、差分编码、基 带频谱成型、2 d p s k ( 或q p s k ) 调制，形成7 0 m h z 基带信号，送往其它部分，经上变频、 功放后由天线辐射出去。测控目标完成由其它部分送来的7 0 m h z 基带信号的解扩、解调、 解密和数据分发。 遥测链路终端( r t l t e ) ： 遥测链路终端的设备完成信息编码、数据组帧、信息加密、伪码扩频、差分编码、基 带频谱成型、2 c p f s k 调制，形成7 0 m h z 基带信号，送往其它部分，经上变频、功放后由 天线辐射出去。测控目标完成由其它部分送来的7 0 m h z 基带信号的伪码解扩、解码、解 密、数据分发。 测控终端( t c t e ) ，是系统的指挥控制部分，测控终端由两台计算机组成，分为主链 路监控计算机和副链路监控计算机，两台计算机通过串口与测控终端设备相连，接受各种 数据信息并发送遥控数据和注入数据，两台计算机通过网络交换机组成了一个计算机网 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 络。 本通信终端的设计主要是为测控终端子系统提供一个稳定实时的通信链路。 1 4 论文的组织结构 本文主要描述了测控通信系统终端子系统硬件初样的结构，各模块之间的接口及功 能，嵌入式系统的软件结构和编译环境的建立，并在此基础上实现对显示驱动在p o w e r p c 下的开发，以使读者对测控通信系统终端子系统能有较为全面的了解。本文组织结构如下： 第一章：主要介绍了扩频通信技术的发展及应用，以及嵌入式测控通信系统的相关背 景。 第二章：主要介绍了嵌入式硬件平台的搭建和硬件接口设计，包括硬件功能结构的介 绍，硬件设备形态的分析，系统电路和接口的设计。 第三章：主要介绍了嵌入式软件环境，包括软件开发环境m o n t a v i s t a 的建立和嵌入式 系统结构的建立。 第四章：主要介绍了基于p o w e r p c 嵌入式l i n u x 显示驱动的移植，介绍了包括显示设 备的驱动框架和驱动程序的编译，并对l c d 显示驱动做了进一步具体分析，最后对跨平 台体系结构的区别做了简要的总结。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章嵌入式系统的硬件平台及接口设计 第二章嵌入式硬件平台及接口设计 2 1 系统硬件平台的搭建 2 1 1 系统硬件功能结构 通信终端采用基于m p c 8 2 7 0 的嵌入式系统芯片作为硬件平台，采用x i l i n x 公司大 规模可编程器件完成通信终端的信道编解码和调制解调部分的功能设计。图2 1 是系统的 硬件功能结构示意图。 图2 1 系统硬件结构功能图 根据前述应实现的功能，测控目标在测控端需要完成各种信息的采集封装和处理后发 送回测控终端，同时接受测控终端控制中心发来的各种控制指令；测控终端需要完成对测 控目标的信息跟踪，接受测控目标传来的各种参数，同时根据计算机信息系统计算出各种 控制参数送给测控目标的通信终端。因此要确保稳定的通信链路就要建立一个高效实时的 嵌入式软、硬件平台。 在硬件设计上，通信终端采用了双板卡结构。其中上层板为处理器核心板，由基于 p o w e r p c6 0 3 e 内核的m p c 8 2 7 0 芯片作为核心板处理器，其c p u 主频4 5 0 m h z 、c p m 主频 3 0 0 m h z 、总线频率10 0 m h z ，核心板上还包括大容量f l a s hm e m o r y 和s d r a m ；下层板 ( 底板) 为接口板，包括了通信终端的信道编解码、调制解调( 采用x i l i n xf p g a 实现) 和所需的所有接口电路、l e d 指示电路、复位电路、电源电压转换和信号电平转换电路等。 6 妻塞坚皇查兰堡主竺塞皇兰些堡苎 墨三苎堂垒苎墨堕墼堡堂兰宣墨堡旦堡盐 核心板处理器与底板处理器之间则采用高速同步串行接口，传送各种封装信息，从而进一 步减少核心板处理器对底层接口的处理，简化程序结构，提高上层程序的处理效率。 2 12 硬件设备形态 图2 2 系统硬件调试平台 如图2 2 所示为本次项目研究设计的硬件调试平台，采用双板卡形式，其中上层板为 处理器核心板，外形1 2 0 m i n x l 0 0 r a m ，板卡厚度 1 5 c m ；下层板( 底板) 为接口板，外 形2 0 0 m i n x l 0 0 m m ，板卡厚度 25 e r a ，双板总厚度 4 e m ，净重 2 k g ，外接电源+ 5 v ， 整板功耗 1 0 w 。所有外部接口，包括：1 个j t a g 接口( 用于核心板处理器的软件调试 仿真) ；3 个e t h e m e l 接口( 用于网管连接和软件调试) ：2 个r s 2 3 2 c 接口( 分别用于计 算机控制和连接其它参数采集系统的接口) ；8 个l e d 指示灯( 用于指示电源工作状态和 各外部接口信号收发状态) 。核心板上设有1 个复位按键，用于设各热启动。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章嵌入式系统的硬件平台及接口设计 2 1 。3 主要芯片说明 为能适应功能扩展需要，控制器的核心板处理器应具有较高的处理能力，满足以下基 本条件： ( 1 ) 全面支持l i n u x 等嵌入式实时操作系统，可靠性高，处理能力强； ( 2 ) 板级支持包( b s p ) 功能全，有较广泛的应用支持，能减小底层开发时间和成本， 调试方便； ( 3 ) 功耗低，工作温度满足工业级要求； ( 4 ) 处理速度高，能满足各种复杂的协议信息处理： ( 5 ) 易采购，并有较长的应用期，不会很快淘汰。 根据上述要求并通过广泛搜寻，采用f r e e s c a l e ( 原m o t o r o l a 半导体) 公司的基于 p o w e r p c6 0 3 e 内核的m p c 8 2 x x 系列产品作为核心板处理器，其中首选芯片型号为 m p c 8 2 7 0 c v v u p e ，其主要特点： ( 1 ) c p u 主频4 5 0 m h z ，c p m 主频3 0 0 m h z ，总线频率1 0 0 m h z ： ( 2 ) 工作温度范围：一4 0 。c - - 一1 0 5 。c ； ( 3 ) 功耗：1 5 w 。 m p c 8 2 7 0 系列属于美国f r e e s c a l e 公司p o w e r q u i c ci i 系列的新一代处理器家族，包 括m p c 8 2 7 0 、m p c 8 2 7 5 和m p c 8 2 8 0 处理器 3 1 。该系列芯片支持丰富的协议和接口界面， 包括：3 个百兆以太网m a c 、a t m 、h d l c 、一个3 2 位3 3 6 6 m h z 的p c i 总线和一个u s b h o s t d e v i c e 界面。 m p c 8 2 7 0 的系统框图如下： 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章嵌入式系统的硬件平台及接口设计 图2 3m p c 8 2 7 0 系统框图 m p c 8 2 7 0 系列每个芯片都集成了2 个处理单元：一个嵌入式p o w e r p c6 0 3 e 核与一个 精减指令集( r i s c ) 的通讯处理模块( c p m ) 。这种双核的设计可以比传统的设计更大的 降低功耗和提供更加平衡的处理能力。c p m 承担了底层外围通信的任务，而c p u 则专注 于管理高端的任务，其广泛的协议栈支持能力( 见图2 4 ) 是该系列芯片的最大亮点。由 于其所具有的高性价比，非常适合于集成控制的高端网络和通讯设备，如路由器、虚拟专 用网( v p n ) 和防火墙、远程接入服务器、电信交换机和机站等等，也可以满足有线和无 线网络架构的通讯处理任务。 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章嵌入式系统的硬件平台及接口设计 【：! 篮型；i 簋：! ：k 竺! ! ! 竺：! 竺唑竺竺! j ( ! ! 呈! ! ! 竺! 竺! ! 竺竺竺 j ，；= 弋严弋，一、 f i pf o r w a r d ! n g _ = fr 噗e n g m a i ：i a g 嘲e n t ，c l a s s i f i c a t i o n 1fv l a n ，w i t c h i “9 ，t a g g i n g ，1 l ! ! 兰竺! ! 兰垫堕! ! ! ! ! 塑：堡垒皇! ! 呈! 翌 j i 垒窒旦! 曼望璺! ! ! ! j 匝三v 固4 v 6 匹m u 三l t ip r o 歪t o c o l 亘e n c a p 司s u l a t i o n 回q o s 臣s n 巫a p l l 习c 压圈 i 丁c 雕pi l if ff f 麓篇嚣矗并f - - - - 、- ，- - ，、，p 、- - - - - - 。一- 。- - - - - 一- 。：二- ：5 - - v - _ ， l a y e r 2 p h y s i c a ll a y e r i n t e r f a c e s z o 塞 量是 z 1 4 乏1 4 8 苦 山 o 山 o 二j 垂亟三垂三二 二二亟互 _ - _ - - _ _ - _ - _ - _ - - 。_ _ - - _ _ - - - - _ - _ _ - 。_ 。- - _ 。_ _ _ 。_ _ 。_ - 。_ 。- 。- _ - - 。_ _ _ - - - - - _ - _ _ - - _ 。、_ - _ _ - - - _ _ _ _ - 。_ - - _ 。一1 _ - 。- 。- _ _ _ _ _ _ - _ - - - 。_ - - _ _ - 。h _ 。_ - 。_ _ 。_ 。_ _ - h _ _ - _ _ _ 。- 。_ _ - 。_ _ _ 。_ - - 一 回固回臣圃匪亟习臣堕习回 臣巫圃臣圃回臣画囤回i ! ! 竺m ! 苎! 竺j l 兰! ! 兰! ! ! j l 竺【翌竺! 竺型j l ! ! 竺竺几兰竺j 2 2 系统电路 flf r e e s c a l eq u i c cc o d 鼬, 、- _ _ _ v 图2 4m p c 8 2 7 0 协议栈支持图 为了减小硬件设计风险，提高电路可靠性，缩短开发时间，控制器采用了双板卡结构。 其中上层板为核心板( 采用项目组前期设计的相对稳定的核心模块) ，内含m p c 8 2 7 0 、 b o o tf l a s hm e m o r y 、f l a s hm e m o r y 和s d r a m 等芯片；下层板为底板，包括了大规模f p g a 以及通信终端所需的所有接口电路、l e d 指示电路、复位电路、电源电压转换和信号电平 转换电路等等。通信终端的硬件电路主要包含以下功能单元： ( 1 ) 核心板处理单元：主要由高速微处理器m p c 8 2 7 0 、大容量存储器( f l a s hm e m o r y 、 s d r a m ) 组成，内置高效率的嵌入式实时操作系统，用于完成信息、信令等数据的编码、 打包、封装，以及r a n a p ( r t p ) s c t p ( u d p ) i p p p p 等协议的控制和与网管系统的信 息交互； ( 2 ) 底板处理器单元：主要用于通信终端的信道处理和调制解调器的接口，包括信号 告警、误码性能检测等； ( 3 ) j t a g 接口：1 个，用于对核心板处理器和底板f p g a 芯片的软件调试仿真； ( 4 ) e t h e r n e t 接1 2 1 电路：速率1 0 1 0 0 m b p s ，主要为网管和软件调试提供信息交互的通道， 连接器采用标准的r j 4 5 ( 5 ) r s 2 3 2 c 接口l ：作为核心板处理器的辅助监控接口，用于控制终端( 如计算机) 对 控制器的配置、软件下载、调试等操作，连接器采用标准的d b 9 r a m ，使用最简单的 t x d 】d g n d 三线传输方式： ( 6 ) r s 2 3 2 c 接口2 ：作为核心板处理器的外部信息采集接口，用于各种参数的采集与各 1 0 重室塑皇奎兰堡主堑窒竺兰篁堡壅 至三兰堂全茎至堑竺堡堡兰鱼垄垄旦堡生 种控制命令的向外发送，使用最简单的t x d 脚g n d 三线传输方式，可与其他设备相应 接口互连： ( 7 ) s p i 接口：主要用于核心板处理器与底板f p g a 之间的数据通信，以传送各种测控数 据包信息； ( 8 ) l e d 指示电路：主要用于指示c p u 处理器和信道的工作状态以及外部接口信号的收 发状态和故障告警； ( 9 ) 信号电平转换电路：完成+ 5 v 与+ 3 3 v 信号电平的转换，以实现不同工作电压下的 芯片信号的互通； ( 1 0 ) 源转换电路：完成外接+ 5 v 电源电压到板n + 3 3 v 、+ 1 5 v 处理器内核电压的转 换。 系统电路图如下： 图2 5 系统电路图 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章嵌入式系统的硬件平台及接口设计 2 3 硬件接口设计 2 3 1 外围芯片选择 根据前述2 1 2 节所述设备形态，除处理器外，控制器还应包括e 1 成帧器收发器、时 钟同步芯片、e t h e m e t 接口p h y 、r s 2 3 2 c 接口驱动器，以及实现不同电源电压转换、不 同信号电平转换的芯片，等等。经过一段时间的搜寻，在对芯片的性能优劣、开发难易， 以及采购周期、价格等因素进行综合分析比较后，确定了如下型号，见表2 1 。 表2 1 主要芯片选择列表 电路单元拟选芯片型号封装形式制造商 核心板处理器 口c 8 2 7 0 c v v u p e 4 8 0 p i n f r e e s c a l e t b g a 核心板b o o tf l a s ha m 2 9 l v 0 4 0 ( 5 1 2 k bn o r f l a s h ) 3 2 p i na m d t s o p 核心板f l a s he 2 8 f 1 2 8 j 3 a 1 5 0 ( 1 6 m 盼n a n d 5 6 p i ni n t e l f l a s h ) t s o p 核心板s d r a m k 4 s 5 6 1 6 3 2 a ( 3 2 田s d r a m ) 5 4 p i n s a m s u n g t s o p 信道处理模块 x i l i n xs p a r t a n3 ex c5 0 0 e 一42 0 8 p i nx i l i n x t q f p e t h e m e t 接口p h y k s 8 7 2 1 b l i4 8 p i nm i c r e l l q f p r s 2 3 2 c 接口驱动 m a x 2 0 2 e e u e1 6 p i nm a x i m t s s o p 信号电平转换 s n 7 4 l v c 4 2 4 5 a p w2 4 p i nt i t s s o p 电源电压转换 m a xl7 9 2 e u a 3 3 8 p i n m 队x i m u m a x 8 2 3 2 存储单元 存储器单元包括三个模块：b o o t f l a s h 模块、f l a s h 模块、s d r a m 模块。系统借助 1 2 堡蔓墅皇奎堂堡主里壅竺堂焦堡壅 蔓三量堂全茎墨篓箜堡堡兰鱼垄垄里堡生 存储器单元可以： ( 1 ) 存放加电自检程序； ( 2 ) 存放u b o o t 系统引导程序； ( 3 ) 存放l i n u x 操作系统核心代码映像； ( 4 ) l i n u x 操作系统工作内存空间； ( 5 ) 文件系统； ( 6 ) 敏感数据。 所有存储器单元与m p c 8 2 7 0 的接口都是由m p c 8 2 7 0 内部的存储器控制器来管理的。 m p c 8 2 7 0 的存储器控制器能控制最大八个存储器体。每个存储器体都有两个重要的寄存器 b r 、o r ，通过对它们编程以实现通用目的片选机构( g p c m ) 功能或一对复杂的用户可编 程机构( u p m a u p m b ) 功能，支持与s r a m ，e p r o m ，闪存e p p r o m ，d r a m ，同步d r a m 及其他外设之间的接口。还可以通过编程使这个功能灵活的存储器控制器满足不同类型存 储器特殊时序的需求。 g p c m 提供与简单，低性能存储器之间的接口。g p c m 不支持突发传送因而性能较低， 这使得g p c m 主要提供与用来装载启动代码的存储器或不支持非突发传送的存储器外设之 间的接口。 u p m 则拥有更多的特点，因为它支持突发传送具有高的性能，所以它主要用来提供与 高性能的存储器，如d r a m 和s r a m 接口。 ( 1 ) b o o t f i a s h 模块： b o o t f l a s h 存储器具有掉一位以后数据不丢失的特点，所以系统选用b o o t f l a s h 来存放 u b o o t 系统引导程序( 相当于b i o s 程序) 以及l i n u x 操作系统核心代码映像。 u b o o t 编译后的二进制代码大小估计为4 0 0 多k 字节。由于启动代码量比较小，所以 这块用来装载u b o o t 和上电自检程序的b o o t f l a s h 芯片我们选择a m d 公司的 a m 2 9 l v 0 4 0 ，这是一块c m o s ，5 v 供电、低功耗的f l a s h 芯片，具有扇区擦除、片擦除、 字节编程的功能，最快访问时间4 5 n s 。芯片有1 9 根地址线，8 根数据线，存储容量为5 1 2 k 字节。 由于m p c 8 2 7 0 规定装载启动代码设备的片选为, - c s 0 ，所以我们将芯片a m 2 9 l v 0 4 0 的 c e 与m p c 8 2 7 0 的- c s 0 相连。这片f l a s h 所装载的内容是引导系统启动的u b o o t 代码以 及上电后的自检程序，这些是通过编程器烧进去的，一旦烧好就不再允许被写操作了，只 可以读操作。编程b r o ，o r o 使5 1 2 k 的b o o f f l a s h 地址映射空间为：0 x 4 0 0 0 0 0 0 0 到 0 x 4 0 0 7 f f f f 。 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章嵌入式系统的硬件平台及接1 2 1 设计 ( 2 ) f l a s h 模块 裁减后的l i n u x p 勺核( 包括协议栈等) 约为2 m 多字节，加上用户应用程序和用户数据，总 占用存储空间约为5 m 多字节。用来装载l i n u x 内核的f l a s h ，我们采用的是i n t e l 公司的一 块e 2 8 f 1 2 8 j 3 a 1 5 0 f l a s h 芯片，它具有段擦除、块擦除、片擦除、字节编程的功能，最快 访问时间5 5 n s ，容量为1 6 m 。 ( 3 ) s d r 蝴 s d r a m 模块作为系统主存储空间。s d r a m 是同步的d r a m 存储器，具有速度快、容 量大的特点，适合用作内存芯片。按系统需求分析，为保证给系统提供足够的存储空间， 需要设计3 2 ：；1 1 6 的s d r a m 空间。这里系统选用的是三星公司的k 4 s 5 6 1 6 3 2 a 芯片。这块 s d r a m 是个4 层木8 ，1 9 2 行* 5 1 2 y t j * 1 6 位的存储器芯片，一块芯片的存储容量为3 2 m b 。 k 4 s 5 6 1 6 3 2 a 芯片有以下主要特点： 1 ) 3 3 v 电源，支持构建基于p o w e r p c 的嵌入式l i n u x 通信平台； 2 ) 所有设备引脚都与l v t t l 接口兼容； 3 ) 所有输入、输出引脚都以系统时钟的上升沿为参考； 4 ) u d q m 和l d q m 弓 脚可以实现字节选择： 5 ) 内部四层存储操作； 6 ) 支持自动刷新； 7 ) 8 1 9 2 个刷新周期6 4 秒； 8 ) 可编程的- - c a s 延迟：2 或3 个时钟周期； 9 ) 1 3 根地址线，1 6 根数据线。 其3 3 v 的电源支持、引脚与t t l 接口兼容及有字节选择信号引脚等特点为设计提供了 方便。 s d r a m 时序复杂，使用g p c m 机制进行存储器访问不能够满足时序要求，需要使用 u p m 机制进行访问。通过编辑u p m 表，可以构造复杂的时序，本项目中由m p c 8 2 7 0 的g p l l 和n g p l 2 产生r a s 和c a s 信号来确定u p m 表。g p l x 这个系列信号是m p c 8 2 7 0 的u p m 机制提供的可以产生希望时序的一组控制信号。w e 是写使能信号，由m p c 8 2 7 0 的g p l 3 产生。s d r a m 的时钟信号c l k 管脚与m p c 8 2 7 0 的c l k o u t 连接。 2 3 3 串行接口单元 概述： 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章嵌入式系统的硬件平台及接口设计 串行接口单元由两个r s 2 3 2 串口组成。一个作为核心板处理器的辅助监控接口，另 一个作为核心板处理器的外部信息采集接口。 设计原理： m p c 8 2 7 0 的通讯处理模块( c p m ) 提供两个串行管理控制器( s m c l ，s m c 2 ) ，支持通用异 步收发器f u a r t ) 协议。s m cu a r t 的特点为：1 个起始位，支持5 1 4 b i t 数据位，奇偶校验位， 1 2 个停止位等。系统选用的收发器芯片是m a x i m 公司的m a x 2 0 2 e e u e 。此芯片遵从 r s 2 3 2 的电气规范，电压范围为3 o v n 5 5 v ，最低电流3 0 0 u a ，支持1 2 0 k h p s 数据传输速度， 有五个接收器和三个发送器( 需要用两个串口) 。 2 3 4 网络接口单元 概述： 嵌入式l i n u x 平台支持1 0 b a s e t 和1 0 0 b a s e t x 以太网接口。m p c 8 2 7 0 通过片上快速 以太网接v i f e c 提供对1 0 0 b a s e t x 的支持，而对于1 0 b a s e t 的支持，由于m p c 8 2 7 0 贝j j 具 备4 个s c c ( s c c