（通信与信息系统专业论文）基于arm的嵌入式软硬件系统设计与实现.pdf

摘要 摘要 随着通信技术、计算机技术的飞速发展、微处理器工艺的改进以及社会的日 益信息化，嵌入式系统在军事、通信、医疗、工农业以及人们日常生活等各个领 域得到了广泛的应用。嵌入式系统成为了当今社会的热门行业。为了学习、研究 嵌入式技术，许多高校都正在或是计划开展嵌入式系统教学。基于这个目的，本 文介绍一种基于a r m 的嵌入式软硬件平台的设计方案，该嵌入式平台兼容多款 a r m 处理器，主要针对教学实验和进一步的应用开发的需要。 本文首先介绍了a r m 和嵌入式系统的发展历史，并对当前嵌入式系统的国内 外研究现状进行了分析；然后通过分析系统的功能需求规划了该嵌入式平台的软 硬件整体设计方案；其次设计了系统硬件平台并针对硬件平台进行调试；接下来 进行了系统软件平台的设计，包括b o o t l o a d e r 的开发、嵌入式l i n u x 操作系统的 移植、根文件系统的开发以及课程实验的设计。然后设计了l i n u x 下l c d 设备驱 动程序和触摸屏驱动程序，并分别针对l c d 和触摸屏的工作原理、驱动架构以及 驱动的实现和调试进行了详细的阐述。最后本文实现了嵌入式g u i 向a r m 平台 的移植，并详细讨论了q t e 向嵌入式平台的移植方法。 通过本课题的研究，设计的嵌入式平台达到了预期的效果，实现了一个可用 于实验和开发的多平台嵌入式系统，该系统兼容性良好，系统性能稳定。通过测 试，本课题设计的嵌入式软硬件平台功能正常稳定，可以满足教学实验的需要。 该嵌入式平台提供了大部分的通用接口，同时扩展出一些外围接口，做为一个通 用的嵌入式平台还可以用作多场合的应用和进一步开发。 关键字：a r m ，嵌入式系统，b o o t l o a d e r ，l i n u x 设备驱动程序，q t a b s t r a c t 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 m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n d m i c r o p r o c e s s o rt e c h n o l o g y , e m b e d d e ds y s t e ma r ew i d e l ya p p l i e dt om a n yf i e l d s ，s u c h a sn a t i o n a ld e f e n s e ，c o m m u n i c a t i o n ，m e d i c a lt r e a t m e n ta n dp e o p l e sd a i l yl i v e s e m b e d d e ds y s t e mh a sb e c o m eap o p u l a ri n d u s t r yi nn o w a d a y s i no r d e rt os t u d ya n d r e s e a r c he m b e d d e ds y s t e m ，m a n yu n i v e r s i t i e sa r ep l a n n i n gt ot e a c he m b e d d e ds y s t e m f o rt h i sp u r p o s e ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g no fe m b e d d e dp l a t f o r mb a s e do na r m ， w h i c hi sm a i n l yu s e di nt e a c h i n ga n df u r t h e rd e v e l o p p i n g i nt h i st h e s i s ，t h ea r c h i t e c t u r e ，f e a t u r e ，b a c k g r o u n do ft h ee m b e d d e ds y s t e ma n d a r m m i c r o p r o c e s s o ra r ei n t r o d u c e da tf i r s t t h e nb ya n a l y z i n gt h er e q u i r e m e n t so ft h e s y s t e m ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g np r o p o s a lo ft h i se m b e d d e dp l a t f o r m a f t e rt h a t ， t h ed e s i g na n dd e b u go ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e mi si n t r o d u c e d ，w h i c hi n c l u d e s t h ed e v e l o p m e n to fb o o t l o a d e r , t h et r a n s p l a n t a t i o no ft h el i n u xe m b e d d e do p e r a t i o n s y s t e ma n dt h ed e v e l o p m e n to fr o o tf i l e s y s t e m t h e n ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h e d e v e l o p m e n ta n dd e b u g g i n go ft h el c dd r i v e ra n dt o u c h s c r e e nd r i v e ri nl i n u x o p e r a t i o ns y s t e ma n dd e s c r i b e st h ep r i n c i p l ea n da r c h i t e c t u r eo ft h ed r i v e r s a tl a s t ，t h e i m p l e m e n to fe m b e d d e dg u io nt h i sp l a t f o r mi si n t r o d u c e d t h r o u g ht h er e s e a r c ho ft h i st o p i c ，t h ee m b e d d e dp l a t f o r mh a sa c h i e v e do u rg o a l s t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mf o rt e a c h i n ge m b e d d e ds y s t e mi si m p l e m e n t e d t h et e s tr e s u l t s s h o wt h a tt h ee m b e d d e dp l a t f o r mc a l lr u ns u c c e s s f u l l ya n ds t a b l y a n da l s ot h e e m b e d d e dp l a t f o r mp r o v i d e sm o s to ft h ec o m m o ni n t e r f a c e ，i tc a nb eu s e di nm a n yf i e l d f o rt h ef u t u r ed e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：a r m ，e m b e d e ds y s t e m ，b o o t l o a d e r , l i n u xd e v i c ed r i v e r , q t 图目录 图目录 图2 1 嵌入式系统架构6 图2 2 硬件平台布局图9 图2 3 嵌入式软件开发流程9 图3 1 $ 3 c 2 4 4 0 结构框图9 图3 2 硬件平台框图9 图3 3c p u 子板结构框图9 图3 43 v 3 转1 v 2 电路9 图3 5 晶振电路9 图3 6s d r a m 接口电路9 图3 7n a n df l a s h 接口电路9 图3 8 子母板接口电路9 图3 9 兼容母板结构框图9 图3 105 v 转3 v 3 电路9 图3 1 1 复位电路9 图3 1 2 以太网接口电路9 图3 1 3r s 2 3 2 串行接口电路9 图3 1 4l c d t s 接口电路9 图3 15 音频接口电路9 图3 16j t a g 接口电路9 图3 17 键盘及数码管电路9 图3 18 正确检测芯片9 图3 1 9 串口调试结果9 图3 2 0 硬件平台实物图( $ 3 c 2 4 4 0 ) 1 图3 2 1 硬件平台实物图( a r 9 1 s w 9 2 6 3 ) 9 图3 2 2 硬件平台实物图( m c 9 3 2 8 m x 21 ) 9 图4 1 两种启动方式内存映射的比较9 图4 2u b o o t 第一阶段流程图9 图4 3u - b o o t 第二阶段流程图9 图4 4i n t m s k 寄存器9 图4 5p l l 控制寄存器。9 图4 - 6c u i v n 寄存器9 图4 7 串行通信字符格式j 9 图4 8n a n df l a s h 初始化流程图9 图4 9n a n df l a s h 读写操作流程图9 v i 图目录 图4 1ou b o o t 命令行界面9 图4 1 1u b o o t 网口测试图9 图4 1 2u b o o tn a n df l a s h 测试图一9 图4 1 3u b o o t 启动界面图9 图4 1 4l i n u x 内核启动流程图9 图4 1 5s m d k 2 4 4 0m a c h i n ei n i t 0 函数流程图9 图4 1 6l i n u x 内核配置界面9 图4 17l i n u x 操作系统启动图9 图4 1 8 挂载根文件系统图9 图4 1 9 主机向从机发送数据的基本格式9 图4 2 0 主机从从机接受数据的基本格式9 图4 2 1 下载数据并译码9 图4 2 2 数码管显示图9 图4 2 3 键值读取流程图9 图4 2 4 键值读取显示9 图4 _ 2 5 闪烁控制的命令格式，9 图4 2 6 闪烁控制流程图9 图5 1 设备驱动程序在l i n u x 系统中的作用9 图5 2l c d 控制器框图9 图5 3 $ 3 c 2 4 4 0l c d 时序图9 图5 4l c d 驱动框图9 图5 5l c d 驱动初始化函数流程图9 图5 6l c d 测试图1 9 图5 7l c d 测试图2 9 图5 8x 、y 坐标计算示意图9 图5 9 触摸屏驱动流程图9 图5 10s 3 c 2 4 4 0 t sp r o b e 流程图9 图5 1 1m ot s 中断处理流程图9 图5 1 2i r ea d c 中断处理流程图9 图5 1 3 触摸屏测试图1 9 图5 1 4 触摸屏测试图2 9 图6 1 基于xw i n d o w 的l i n u x 图形界面架构9 图6 2q t e 和q t x 1l 的架构图9 图6 3q t e 开发流程图9 图6 4q t e 欢迎界面9 图6 5q t e 主界面9 图6 6q t e 文档管理器9 图6 7q t e 媒体播放器。9 v 图目录 图6 - 8q t e 语言设置菜单9 图6 - 9q t e 系统菜单9 v 表目录 表目录 表2 1a r m 芯片性能比较9 表2 2 嵌入式软件平台结构一9 表5 1l t m 0 3 5 a 7 7 6 c 时序参数9 i x 缩略词表 缩略词表 英文缩写英文全称中文释义 a r m a d v a n c e dr j s cm a c h i n e s著名r i s c 设计企 业。本文档也把其r i s c m c u 统称为a r m 。 g u i g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e 图形用户接口 e o s e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m嵌入式操作系统 肌gj o i n tt e s ta c t i o ng r o u p联合测试行为组 织，用于命名一种接口 标准 s ds e c u r ed i g i t a l c a r d安全数据卡 i pi n t e l l e c t u a lp r o p e r t y知识产权 m 瓜仉j m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t内存管理单元 l c d l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y液晶显示器 u b o o tu i l i v e r s a lb o o tl o a d e r通用引导加载程序 d m a d i r e c tm e m o r ya c e s s直接存储器访问 s p i s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e串行外围接口 p l l p h a s el o c k e dl o o p 锁相环 v 煳u n i v e r s a la s y n c h r o n o u s 通用异步接收发 r e c e i v e r t r a n s m i t t e r 送装置 u s b u n i v e r s a ls e r i a lb u s通用串行总线 x 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 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名：- 牲日期加9 年乡月7 珀 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：单导师签名：之缁b 址 日期：7 口1o 年6 月乃e t 第一章引言 第一章引言 本章主要介绍嵌入式系统和a r m 处理器的发展状况及应用前景，同时介绍 了本课题的研究背景、研究目标以及作者在课题中所承担的工作，最后是本文的 内容安排。 1 1 嵌入式系统概述 在当今社会中，嵌入式系统已经全面渗透到了日常生活的每一个角落，每个 人都可以拥有各种使用嵌入式技术的电子产品，大到智能家屠，车载系统，小到 m p 3 、p d a 等。嵌入式系统表现出了强劲的发展势头，目前各种各样的新型嵌入 式系统设备已经在应用数量上远远超过了通用计算机。更有一些专家预计r r 业将 进入一个崭新的、以嵌入式系统为核心的“后p c 时代 【l 】。 1 1 1 嵌入式系统的发展 根据i e e e ( 国际电气电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“用于监视、 控制或者帮助机器和设备运行的装置”( d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o r , o ra s s i s t t h eo p e r a t i o no fe q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 。从中可以看出嵌入式系统是软件 和硬件的综合体。目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机 技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对性能、稳定性、成本、大小、功 耗严格要求的专用计算机系统【2 】。 1 9 7 1 年，i n t e l 公司推出了第一款微处理器4 0 0 4 ，从此揭开了嵌入式系统 发展的序幕。经过几十年的发展，随着计算机技术、电子技术以及微处理器工艺 的不断进步，嵌入式系统也进入了一个高速发展的阶段。纵观这几十年的发展过 程，嵌入式系统大致可以分成三个发展阶段【3 】。 ( 1 ) 单片机阶段：这个时期的嵌入式系统主要以功能简单的单片机为核心， 来实现一些控制、采集或是监控的功能。这一代的嵌入式系统并没有嵌入式操作 系统的支持，开发者只能通过简单的汇编来编程实现对嵌入式系统的控制，系统 功能较为单一。 ( 2 ) 嵌入式c p u 和嵌入式操作系统阶段：这个时期已经出现了一些功能强 电子科技大学硕士学位论文 大、价格低廉的嵌入式微处理器和多种嵌入式操作系统。这个阶段的嵌入式系统 功能较之第一阶段有了很大的增强，可以支持多种设备，同时因为有了嵌入式系 统的支持，嵌入式系统的开发及应用更加方便。这时的嵌入式系统已经广泛应用 于国防、工农业、交通等多种场合。 ( 3 ) s o c 和网络阶段：片上系统( s o c ) 是当今微处理器的发展趋势，它将 包括c p u 及多种外设控制器的专用系统集成在一个芯片上。基于s o c 的嵌入式 系统在功能更为强大的基础上，成本和功耗越来越低同时面积也越来越小，可以 更多的应用于人们的日常生活中。同时随着网络的发展，嵌入式系统已经支持网 络功能，更加方便的嵌入式系统的开发与应用。 近几年来在嵌入式系统应用方面掀起热潮的原因有以下几个：首先是伴随着 芯片技术的发展，单个芯片已经具有了比以前更强的处理能力，从而使得在单个 芯片中集成多种接口已经成为可能，这个方面的进步已经吸引了众多芯片生产厂 商的注意力；其次就是应用的需要，由于近些年来对产品稳定性、成本、更新换 代要求的提高，使得嵌入式系统逐渐脱颖而出，成为近年来令人关注的焦点【4 】。 随着嵌入式系统的蓬勃发展，人们对嵌入式系统的要求也越来越高。从技术层面 上看，未来的嵌入式系统有以下几个新的发展趋势【5 。 ( 1 ) 进一步的网络支持：在当今社会中，网络已经成为人们生活中必不可少 的一部分，因此未来的嵌入式系统必须支持多种标准网络通信接口，以满足多种 场合的需要。同时新一代的嵌入式系统还应支持u s b 、b l u e t o o t h 、c a n 、i r d a 等多种通信接口。 ( 2 ) 小尺寸、微功耗、低成本：这是嵌入式系统发展的趋势同时也是嵌入式 系统的最大优势。为了达到这个目标，首先需要进一步改进嵌入式微处理器，提 高微处理器的性能，降低成本和功耗；其次进一步优化嵌入式软件，采用最佳的 编程模型和最优的算法。 ( 3 ) 精美的人机界面：如今的嵌入式系统广泛的应用于手机、p d a 等常用设 备上，它们之所以能被人们接受就在于它们精美的人机界面以及方便的操作环境。 未来的嵌入式系统需要进一步的优化嵌入式系统的人机交互界面。 ( 4 ) “智能的嵌入式系统：“智能 是指在嵌入式系统中加入一些感知或是 计算设备，通过识别语音、手势或是外界环境来判断人的意图，并做出相应的反 应。这种嵌入式系统能够有效的提高人们的工作效率及生活质量，是未来嵌入式 系统的发展方向。 2 第一章引言 1 1 2a i 洲处理器的发展 嵌入式微处理器是整个嵌入式系统的核心，在进行嵌入式系统设计的时候， 选择一个能够满足系统需求的嵌入式微处理器至关重要。a r m ( a d v a n c e dr i s c m a c h i n e s ) 系列微处理器是由同名公司a r m 公司开发，是一种3 2 位的r i s c 微处理 器。a r m 公司于1 9 9 0 年成立于英国剑桥，主要出售p 核的授权。作为知识产权 提供商，a r m 公司本身并不从事具体的芯片开发，而是通过转让设计许可，将 设计的p 核提供给世界大型半导体厂商去生产具体的芯片。目前共有3 0 多家半 导体公司与a r m 公司签订了技术授权协议，其中包括i n t e l 、毋m 、n e c 等大型 的半导体厂商。这些厂商根据自己的需求，在a r m 公司提供的a r m 核的基础 上添加外围电路，设计出各种不同的s o c 芯片【7 8 】。经过几十年的发展，a r m 公 司已经开发出了一系列的a r m 处理器核。目前最新的a r m 核是c o r t e x 系列， 早期的a r m 6 以及更早的系列已经不常见了，目前应用较多的是a r m 7 系列、 a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、a r m l l 系列以及c o r t e x 系列【9 】。 ( 1 ) a r m 7 系列：a r m 7 家族中主要包括：a r m 7 2 0 t 、a r m 7 t d m i 、 a r m 7 e j s 、a r m 7 t d m i s ，其中a r m 7 2 0 t 内置m m u 和c a c h e ，而a r m 7 e j s 支持d s p 运算。这一系列主要应用于个人音频设备和无线手持设备。 ( 2 ) a r m 9 系列：a r m 9 家族主要包括：a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 和a r m 9 4 0 t ， 这三款a r m 核均内置m m u 和c a c h e ，主要应用于手机、p d a 、视频电视及数字 消费产品。 ( 3 ) a r m 9 e 系列：a r m 9 e 家族主要包括：a r m 9 2 6 e j s 、a r m 9 4 6 e s 、 a r m 9 6 6 e s 、a r m 9 6 8 e s ，与上几代相比这一系列的a r m 核强化了数字信号处 理功能，可应用于需要d s p 和微控制器结合使用的情况。 ( 4 ) a r m l l 系列：a r m l l 家族主要包括：a r m l l 3 6 j s 、a r m l l 5 6 t 2 s 、 a r m l l 7 6 j z - s ，这一系列的处理器性能得到了进一步的增强，同时处理器内部集 成了a r m 智能能量管理技术，进一步减小了处理器的能耗，因此更适合开发下 一代手机和p d a 等手持设备。 ( 5 ) c o r t e x 系列：c o r t e x 系列处理器是a r m 公司推出的新一代的处理器， 主要包括c o r t e x a 、c o r t e x r 、c o r t e x m 三个系列【l0 1 。c o r t e x a 系列是第一款基 于下一代a r m y 7 架构的处理器，支持a r m 、t h u m b 、t h u m b 2 指令集，其中 c o r t e x a 8 处理器主频高达2 0 0 0 d m i p s ，主要用于一些复杂的应用。c o r t e x r 系 列是专门为实时操作系统设计的嵌入式微处理器，它允许在整个周期的时间内进 3 电子科技大学硕士学位论文 行r a m 数据的存取，而相应的a r m 9 4 6 e 核只能在频率周期的4 0 时间进行 r a m 的存取。c o r t e x m 系列的处理器则结合了多种突破性技术，为芯片制造商 提供超低费用的芯片。该处理器仅3 3 0 0 0 门的内核性能可达1 2 d m i p s ，适用于 高性能、极低成本需求的嵌入式应用。c o r t e x m 主要针对单片机领域。 从a r m 公司推出的c o r t e x 系列处理器可以看出a r m 处理器的发展趋势： 第一，高性能的a r m 核，主要用于一些复杂的应用，如运行多通道视频、音频 以及游戏应用；第二，专用的a r m 核，用于一些专用领域的微处理器核；第三， 低成本的a r m 核，在维持性能的基础上降低处理器成本，适用于高性能、极低 成本需求的嵌入式应用。 1 2 课题研究背景 随着当今世界形势的发展，嵌入式系统正在拥有着越来越大的市场。目前在 世界范围内嵌入式系统带来的工业年产值已超过1 万亿美元。根据赛迪呼叫中心 合作开展的调查显示，目前从事嵌入式开发的软件企业占到3 0 ，计划从事开发 的企业占到了1 4 。尽管还没有从事该领域开发的公司占到了大多数，但我国国 内的嵌入式软件市场已处于整体启动阶段。国内嵌入式软件市场未来的发展重点 在于对应用范围的拓展，而手持设备、信息家电和工业控制是近期市场的三大热 点。展望未来，明天的嵌入式系统将会比今天的更便宜、更小巧、更可靠、更高 效而且更智能化。 随着嵌入式系统的迅猛发展以及嵌入式产品的广泛应用，社会上对嵌入式研 究方面的人才的需求也逐日增加。但是在当今的高校中，嵌入式系统相关的教学 与实验平台却相当缺乏，尤其是基于a r m 9 芯片的嵌入式实验平台。这使得开发 一套基于a r m 的嵌入式平台用于教学实验成为了当务之急。基于这个目的，本 课题根据教学实验与应用开发的双重需求，设计了一个功能完整、价格低廉的嵌 入式系统。 1 3 课题研究目标 本课题的研究目标是开发一个基于a r m 的多平台嵌入式教学实验平台。该 嵌入式教学实验平台支持多种型号的a r m 9 处理器。学生可以通过切换不同的 c p u 板的方法来加深对a r m 处理器和嵌入式系统的理解。本论文属于该课题的 4 第一章引言 一部分。 本课题的工作包括： 嵌入式平台整体设计方案的规划： 嵌入式系统硬件平台设计； 硬件平台的调试； b o o t l o a d e r 的开发； 操作系统的移植以及对应外设驱动的开发； 根文件系统的开发； 嵌入式g u i 的开发； 课程实验的设计。 1 4 本人工作任务 在本课题中，本人主要负责以下工作： 与组内成员共同完成嵌入式平台整体方案的规划以及主要芯片的选型； 与组内成员共同完成硬件平台的设计与调试，独立完成了三款c p u 子板和兼 容母板的设计； 独立完成了基于$ 3 c 2 4 4 0 的b o o t l o a d e r 的开发； 独立完成了基于$ 3 c 2 4 4 0 的操作系统的移植； 独立完成$ 3 c 2 4 4 0l c d 驱动程序，$ 3 c 2 4 4 0 触摸屏驱动程序的开发； 独立完成嵌入式g u i 的移植； 与组内成员共同完成课程实验的设计。 1 5 本论文的安排 本论文第一章为引言，主要介绍了嵌入式系统和a r m 处理器的发展过程、 本课题的研究背景及目标以及本人在本课题中的主要工作；第二章介绍嵌入式平 台整体设计方案的规划，第三章介绍硬件平台的设计与调试，第四章介绍软件平 台的设计，主要包括b o o t l o a d e r 的开发、操作系统的移植、根文件系统的开发以 及课程实验的设计，第五章则着重介绍l c d 和触摸屏驱动程序的设计与实现，第 六章介绍嵌入式g u i 的移植，第七章主要对本论文做一个总结。 5 电子科技大学硕士学位论文 第二章系统总体设计方案 本章首先分析了该嵌入式系统的功能需求，然后根据系统的需求分析进行系 统硬件平台方案的规划以及系统软件平台方案的设计。 2 1 系统功能需求分析 鉴于本课题的目标是设计一个可用于教学实验及应用开发的嵌入式系统，在 设计该系统时，主要有两个原则：首先，在硬件方面该嵌入式平台要有通用的外 设接口以满足实验的需要，同时要有总线扩展接口以方便进一步的开发；其次， 在软件方面该嵌入式平台要设计一整套的软件方案，以满足不同实验的需要。 因此，我们首先将从嵌入式硬件平台入手，具体分析本系统的功能需求。如 图2 1 所示，通用的嵌入式硬件平台从结构上来说大致可以分为四个大部分，分 别为：嵌入式处理器、存储器电路、电源及晶振电路、外设电路。 图2 一l 嵌入式系统架构 为了让学生在实验中能更好的理解和学习嵌入式系统，本设计开发一个能支 持多种a r m 处理器的嵌入式教学实验平台，这样可以通过切换不同的c p u 子板 的方法来加深学生对于a r m 处理器和嵌入式系统的理解。 由于本系统是一个完整的嵌入式系统，根据实验需要以及将来的功能扩展两 个方面考虑，本系统应该具有以下的外设接口： 6 第二章系统总体设计方案 ( 1 )r s 2 3 2 串行接口 目前r s 2 3 2 是在通信工业中应用的相当广泛的一种串行接口。r s 2 3 2 被定义 为一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准。本系统需要设计两个串口， 其中一个串口用于系统调试以及串行通讯实验的要求；另一个串口用于系统扩展 的需要。 ( 2 )u s b 接口 u s b 接口以其传输速度快，使用方便等优点逐渐成为了计算机行业的一种主 流标准。本系统需要设计一个u s bh o s t 接口和一个u s bd e v i c e 接口，用于 嵌入式系统和p c 机或是其他带有u s b 接口的设备之间的通信。 ( 3 )以太网接口 当今，随着i n t e m e t 的飞速发展，网络已经渗透到了人们生活的方方面面。 因此，作为一个嵌入式平台，以太网接口是必不可少的。 ( 4 ) l c d 触摸屏接口 作为当今嵌入式系统中最常用的输入输出设备，l c d 触摸屏在嵌入式系统中 是必不可少的。通过l c d 触摸屏接口，人们可以更方便的和嵌入式系统进行交 互，同时这也更符合人们的日常习惯。 ( 5 )音频接口 与l c d 触摸屏接口一样，音频接口在嵌入式系统与外界交互的过程中也起 着重要的作用，因此它也是本系统不可或缺的部分。 ( 6 )j t a g 接口 j t a g ( j o i n t t e s t a c t i o n g r o u p ) 是一种国际标准测试协议( i e e e1 1 4 9 1 兼容) ， 主要用于芯片内部测试。同样，本系统需要通过j t a g 接口进行程序的下载与调 试。 ( 7 )s d 卡接口 s d 卡( s e c u r e d i g i t a lm e m o r yc a r d ) 中文翻译为安全数码卡，是一种基于半 导体快闪记忆器的新一代记忆设备，它被广泛地于便携式装置上使用，例如数码 相机、个人数码助t n ( p d a ) 和多媒体播放器等。本系统需要设计一个s d 卡接口， 方便与外界之间的数据传输。 ( 8 )键盘数码管接口 键盘数码管电路是教学实验实验平台所必不可少的。在此基础上，学生既可 以在该电路上进行小型的实验，又可以进行通过键盘控制其他外设的大型试验。 ( 9 )外扩总线接口 7 电子科技大学硕士学位论文 该接口主要是针对系统进一步开发的需要而设计的。 其次，针对嵌入式软件平台，本系统需要实现一个完整的嵌入式软件平台， 以满足不同实验以及进一步开发的需要，主要包括b o o t l o a d e r 的开发、操作系统 的移植、根文件系统的开发以及嵌入式g u i 的移植。同时在嵌入式软件平台的基 础上还需要开发一些有针对性的实验供学生使用。这些软件方案的制定将在本章 第三节进行详细讨论。 2 2 硬件方案的设计 2 2 1 嵌入式微处理器的选型 根据上文对系统需求的分析，我们需要选择三款不同型号的a r m 芯片，以 满足我们所设计的嵌入式实验平台的需求。 a r m 芯片的选型： 首先从a r m 核上来选择，其中一个决定因素就是a r m 核是否自带m m u ( m e m o r y m a n a g e m e n tu n i t ) 功能，因为有一些嵌入式系统只有在带有m m u 功 能的芯片上才能运行，如w i n c e 或l i n u x 等当前主流嵌入式操作系统。a r m 7 2 0 t 以上版本的a r m 核均带有m m u 功能的a r m 芯片，a r m 7 2 0 t 、a r m 9 2 0 t 、 a r m 9 2 2 t 、a r m 9 2 6 e j s 都带有m m u 功能。而a r m 7 t d m i 没有m m u ，不支 持w i n d o w sc e 和大部分的l i n u x ，但目前有u c l i n u x 等少数几种l i n u x 不需要 m m u 的支持【1 1 】。 其次a r m 芯片的系统时钟频率来选择，系统时钟频率决定了a r m 芯片的 处理速度。a r m 7 的系统时钟频率一般在2 0 m h z 到1 3 3 m h z ，而常用的a r m 9 的系统时钟为1 0 0 m h z 到2 3 3 m h z ，有些个别的a r m 9 芯片最高频率可达4 0 0 咀z 。 再次需要考虑的是a r m 芯片内置的外部接口控制器的数量。由本章上一节 所分析的本系统的功能需求来看，本系统所选择的a r m 芯片必须具有或是可以 扩展出以下外设接口：r s 2 3 2 串行接口、u s b 接口、以太网接口、l c d 触摸屏接 口、音频接口、j 1 a g 接口、s d 卡接口。同时a r m 芯片中最好集成有d m a 控 制器，这样可以和外界进行大量高速数据传输。 最后需要考虑的是所选a r m 芯片的成本。作为一个嵌入式平台，它的成本 是衡量该平台成功与否的一个重要的因素，而在一个嵌入式平台中，嵌入式微处 8 第二章系统总体设计方案 理器的成本又占了很大的一部分。 经过多方面的对比，本系统决定选用以下的三款a r m 9 芯片作为本系统的处 理器，分别是s a m s u n g 公司的$ 3 c 2 4 4 0 ，a t m e l 公司的a t 9 1 s a m 9 2 6 3 ， f r e e s c a l e 公司的m c 9 3 2 8 m x 2 1 t 1 2 , 1 3 , 1 4 】。表2 1 即为这三款a r m 芯片的性能 比较。 表2 1a r m 芯片性能比较 s 3 c 2 4 4 0a t 9 1s a m 9 2 6 3m c 9 3 2 8 d 匕l a r m 核a i 洲9 2 0 ta r m 9 2 6 e j sa r m 9 2 6 e j s 最高系统时钟频率4 0 0 z 2 0 0 王z2 6 6 n 吸z r s 2 3 2 串行接口 334 u s bh o s t 接口22 无 u s bd e v i c e 接口11无 u s bo t g 接口 无无 2 以太网接口可扩展可扩展可扩展 l c d 接口 有有有 触摸屏接口有可扩展可扩展 音频接口 有有有 j t a g 接口有有有 s d 卡接口有有有 d m a 控制器有有有 市场价格( 元) 4 58 71 2 5 由表2 1 可以看出，这三款芯片的a r m 核均支持m m u ，主频和所集成的外 设接口控制器均符合本系统的要求。这三款a r m 芯片分别是三家世界著名的半 导体公司s a m s u n g 、a t m e l 、f r e e s c a l e 开发的具有代表意义的a r m 9 处 理器，同时这三款a r m 9 芯片性能稳定，适合用于嵌入式教学实验平台的开发。 9 电子科技大学硕士学位论文 2 2 2 硬件整体规划方案 本系统需要设计一个支持多平台的嵌入式硬件平台。为了方便多种a r m c p u 的切换，本系统在硬件设计时采用子母板的结构，即不同的a r m 芯片及一 些关键电路分别设计在几个较小的子板上，而外设电路设计在母板上，同时子母 板之间通过金手指接口进行连接，以方便不同c p u 子板之间的切换。这样设计的 优点是与采用单板设计相比，本设计中子板( 八层板) 的面积要小的多，占用板 面面积较大的外设电路全部设计在母板( 双层板) 上，这样大大的减少了制板的 成本。 基于成本和实验要求等多方面的考虑，本系统采用三款不同的a r m 9 芯片作 为该多平台嵌入式实验系统的c p u 并分别设计三个不同的c p u 子板，分别为 s 3 c 2 4 4 0 子板、a t 9 1 s 蚶v 1 9 2 6 3 子板、m c 9 3 2 8 m x 2 1 子板，同时设计一个能够兼 容上述三款c p u 子板的兼容母板。具体的硬件规划布局图如图2 2 所示。其中图 2 2 包括三个子板：$ 3 c 2 4 4 0 子板、a t 9 1 s a m 9 2 6 3 子板、m c 9 3 2 8 m x 2 1 子板。 三个子板的子母板接口和兼容母板上的子母板接口均是完全兼容的，可以很方便 的切换三个子板。 图2 2 硬件平台布局图 1 0 第二章系统总体设计方案 2 2 3 存储器方案设计 本节主要针对系统中主存和辅助存储器的大小和型号进行选型。 在主存上，本系统选用s d r a m 作为主存，主要是基于其处理速度快，价格 低等优点。同时本系统在运行图形用户界面的时候占用内存较大，应选用较大容 量的s d r a m 作为我们的主存。基于这一点本系统选用m i c r o n 公司生产的芯 片m t 4 8 l c l 6 m 1 6 a 2 ，本系统采用两片m t 4 8 l c l 6 m 1 6 a 2 ，大小共6 4 m 的s d r a m 作为主存。 在辅助存储器上，辅助存储器是用来存放大数据量的程序代码或信息，故辅 助存储器的大小及价格成为了选用它的决定因素。n a n d f l a s h 以其容量大、单 位容量价格低等优点脱颖而出，成为大多数嵌入式系统的首选。本设计选用 s a m s u n g 公司的8 b i tn a n d f l a s h 存储器k 9 f 1 2 0 8 u o b 作为本系统的辅助存 储器，k 9 f 1 2 0 8 u o b 大小为6 4 m ，完全可以满足本系统的要求【”】。 2 2 4 外设电路方案设计 针对大部分的外设，三款芯片内部均集成了对应的控