（信号与信息处理专业论文）基于arm+linux的嵌入式多媒体系统设计与开发.pdf

摘要 基于a r ml i l l u x 的嵌入式多媒体系统设计与开发 作者简介：唐葛亮，男，1 9 8 1 年9 月出生，2 0 0 5 年9 月师从于成都理工大 学郭勇教授，于2 0 0 8 年7 月获硕士学位。 摘要 多媒体正在使我们的生活变得越来越丰富多彩。报纸，相片，c d 机，电 视，电影已经被p c 机很好地整合到了一起，而互联网又使得多媒体资源的交 流成为可能。跨越网络时代、信息时代、多媒体时代，后p c 时代的到来，呼 唤新一代的多媒体系统，它体积更小，功能更全，界面更友好。本系统就是面 向这一需求而设计的。 嵌入式多媒体系统除了具有播放音乐，视频，浏览图片，电子书的基本功能 外，一些方案还集成了视频录制、数码相机、数码摄像机、f m 收音机、卫星定 位导航系统、掌上游戏机和移动电视等等各种附加功能以满足不同的市场需求。 本课题开发一套具有音频、视频、图片和电子书等功能的嵌入式多媒体系统解决 方案，硬件部分以删处理器s 3 c 2 4 l o 为核心，软件部分以“n u x 操作系统为核 心进行开发，系统具有体积小，成本低等特点。 本论文按照硬件、固件、软件三个层面分析了基于删l i l l u x 的嵌入式多媒 体系统的设计和实现。硬件部分分处理器和外围电路两部分进行介绍。固件部分 包括引导加载程序v i v i 的移植，l i n u x2 6 内核的移植，配置c 姗f s 根文件系统， l i 彻x 设备驱动程序开发。软件部分对“n u x 应用开发作出了讨论，包括系统的功 能模块和软件构架，重点是基于m 谕g u i 的图形界面设计。在论文的最后，分析 了系统的优缺点，以及单片解决方案和多处理器方案的比较，并展望了嵌入式多 媒体系统的发展方向。 关键词：嵌入式系统多媒体删处理器“n u x 内核操作系统 成都理工大学硕士学位论文 d e s i g na n dd e v e l o p m e n t0 f a ne m b e d d e dm u l t i m e d i a s y s t e mb a s e da j mp r o c e s s o ra n dl i n u xo s h l 仃o d u c t i o no fa u t l l o r ：t a n g g c l i 锄舀m a l e ，b o mi ns 印t e i 】曲e ro f19 8l ，w 勰 删e d n l em a s t e f 丘o mc _ h e n g d uu i l i v l 潲i 哆o ft e 幽1 1 1 0 l o g yw h o s et i l t o rw a sp r o f e s s o r g u o y o n g a b s t r a c t m u l t i m e d i am a k so u rl i f em o r ew o n d e r f u 1 n e w s p a p e r s ，p h o t o s ，c d s ，t va n d m o v i ea r ei n t e 黟a t e db yp e r s o n a lc o m p u t e rp e r f e c t l y ，a i l di n t e m e tm a l ( e si tp o s s i b l e t oe x c h a n g em u l t i m e d i ar e s o u r c ef - o re a c ho m e r h e r ec o m sm ep o s t p ce r a ，a n e f n e 嘶o r ke r a ，i n f o 姗a t i o ne r a ，m u l t i m e d i ae r a w bn e e dan e wg e l l e r a t i o no f m u l t i m e d i ap l a y e r ，w i l i c hi sm o r ep o n a ：b l e ，m o r ep o w 柏l ，a i l dm o r eu s e r - 髓e i l d l y t h es y s t 锄i nt h i sa n i c l ei sd e s i n e df o rt 1 1 i sr e q u i r e t h e 即1 b e d d e dm u l t i m e d i as v s t e mn o to n l vh a u sm e d a m e n t a l 如n c t i o n m u s i c ， v e d i o ，i m a g e ，e _ b o o k ，b u ta l s oh a sm o r ea d d i t i o n a l 向n c t i o nt om e e tm ed i 插e r e n t m a r k e t1 i k er e c o r d e r ( m u s i ca n dv e d i o ) ，c a m e r a r a d i o ，g p s ，e l e c 仃d i l i cg 锄e ，m o b i l e t d e v i t i o n i i lt 1 1 i sa n i c l e ，w ed e v d o p e da 1 1 锄b e d d e dm u l t i m e d i as v s t e i t lw h i c hh a s 0 1 1 l yt 1 1 ef h n d a m e i l t a l 如n c t i o n i ti s w e db ys a m s u n 2 删p r o c e s s o rs 3 c 2 4 1 0 a n dr m i n gl i n u xo p e r a t i n gs y s t 锄( o s ) 1 1 1m i sa r t i c l e ，w ea 1 1 a l v z et 1 1 i sa ：1 1 _ b e d d e dm u l t i m e d i as v s t 锄f 如mt h r e el e v e l s ： h a r d w a i e 痂m l w a r e ，s o f t w a r e t h eh a r d w a r ed e v e l o p m e n tp a r tw 嬲s e p a r a t e di n t o p r o c e s s o ra n ds u 门r o u n d i n gd e 、，i c e s 7 r h e 矗n n w a r ed e v e l o p m e n tp a r ti l l c l u d e s b o o t l o a d e rv i v i ，p o r t i n go fl ，i 】 m xk 锄e l ，( ：r a m f sr o o tf i l e s v s t e ma n dl i n u xd e v i c e 赫v e r s h 1m es o r w a r ed e v e l o p l n e n tp a r t ，w ed i s c u s s “n u xa p p l i c a t i o np r o 笋a m m e ， e m p h a s i s 铲印h i c a lu s e ri n t e r f a c e ( g u i ) d e v e l o p m e l l tb a s e dm i i l i g u i a tl a s t ，w e 锄a 1 ) ，z em e r i ta i l dd e m 耐to ft l l i ss y s t 锄，c o m p a r es i n 舀ep r o c e s s o rs o l u t i o nw i t h m u l t i p r o c e s s o r a n dl o o kf - o n ) l ，a r dt od e v e l o p m e n t a ld i r e c t i o no ft 1 1 ee n l b e d d e d m u l t i m e d i as y s t 锄 k e y w o r d s ：e r n b e d d e ds y s t 锄，m u l t i m e d i 如armp r o c e s s o r ，l i n u xk e n l e l ，o s 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，也不包含为获得盛都堡王太堂或其他教 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谢意。 学位论文作者签名： 南确 1 眸岁月 2 一日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛都理王太堂有关保留、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。本人授权成都理王太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，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适用本授权书) 学位论文作者签名： 学位论文作者导师签 月z z 一日 第1 章引言 第1 章引言 多媒体( 舢l t 硫e d i a ) 融合文本、音频、图像、图形、动画和视频等多模态技 术，它正在使我们的生活变得越来越丰富多彩。报纸，相片，c d 机，电视， 电影已经被p c 机很好地整合到了一起，而互联网又使得多媒体资源的交流成 为可能。跨越网络时代、信息时代、多媒体时代，后p c 时代的到来，呼唤新 一代的多媒体系统，它体积更小，功能更全，界面更友好。本系统就是面向这 一需求而设计的。 1 1 嵌入式多媒体系统简介 对于嵌入式多媒体系统这类新兴的消费类电子数码产品的称呼多种多样，如 p m p ( p o n a b l em u l t i m e d i ap l a y 便携式多媒体播放器) ；p v p ( p e r s o n a l d e 0 p l a y e f 个人视频播放器) ；p v r ( p 盯s o n a l d e or e c o r d 个人视频录放器) ；p m c ( p e r s o n a lm e d i ac e l l t 个人媒体中心) 。 嵌入式多媒体系统除了具有播放音乐，播放视频，浏览图片，浏览电子书的 基本功能外，一些方案还集成了音视频录制、数码相机、收音机、卫星定位导航 系统、游戏机和移动电视等各种附加功能以满足不同的市场需求【1 0 1 。 1 2 业界现状 从2 0 世纪8 0 年代开始，世界上已有几十家公司纷纷投入到多媒体系统的 研制和开发工作中。9 0 年代初已有不少精彩的多媒体产品问世。诸如，p l l i l i p s 和s o n y 联合推出c d 的c d i 系统，i n t e l 和i b m 联合推出的d v i 系统，c o n l l l l o d o r e 公司的a m i g a 系统。此外，还有m i c r o s o f t 公司的m p c 和a p p l e 公司的q u i c kt i m e 等。这些多媒体系统各具特色，丰富多彩，竞争异常激烈。 为了解决不同厂家产品的兼容性问题，国际标准化协会( i s o ) ，国际电子学 委员会( i e c ) ，国际电信协会( i t u ) 等国际组织，于2 0 世纪9 0 年代领导制定了三 个重要的多媒体国际标准：j p e g 、h 2 6 x 标准和m p e g 标准，这使得多媒体技 术有了一个全球性的统一的国际技术标准。 2 l 世纪初，随着嵌入式技术的兴起，以及人们对多媒体系统便携化、整合 化的追求，嵌入式多媒体系统应运而生。 a p p l e 公司( 幽旦艘! 垒曼q m ) 的i p o d 系列产品一直主导着全世界嵌入式多媒体 系统的发展方向，是最流行的多媒体播放器。图1 1 是a p p l e 的一款多媒体播放器 成都理工大学硕士学位论文 a p p l ei p o dc l 舔s i c 。 图1 1a p p l e 肌dc l a s s i c 图片 i p o dc l a s s i c 基于p o r t a lp 1 a y 豇公司的删处理器。采用微型设计，仅有1 0 5 毫 米的厚度和1 4 0 克的重量。i p o dn 锄。具有8 0 g b 1 6 0 g b 的硬盘存储容量，2 5 英 寸高亮彩色液晶显示屏，触控式按键转盘( c l i c kw h e e l ) ，高达3 0 小时的长效电 池，支持a a c 、m p 3 、a u d i b l e 、a p p l el o s s l e s s 、w a v 、a f 音频格式和h 2 6 4 、 视频格式。i p o d 多媒体播放器不但以优质的性能取胜，而且外观设计的也堪称完 美。 1 3 本系统配置和功能 本课题开发一套具有音频、视频、图片和电子书等功能的嵌入式多媒体系统 解决方案，硬件部分以趾蝴处理器s 3 c 2 4 1 0 为核心，软件部分以ij 玎u x 操作系统 为核心进行开发。 1 系统配置 处理器：三星删9 处理器s 3 c 2 4 1 0 ； 操作系统：l i 删x2 6 ； 硬盘：2 0 g1 8 英寸日立d e 硬盘； 显示屏：n e c2 5 6 k 色2 4 0 3 2 0 3 5 英寸t f t 真彩液晶屏，带触摸屏； u s b ：支持u s b2 o 。 2 系统功能 本系统的基本功能： 视频播放：支持多种视频格式，同步外挂字幕。 音频播放：支持多种音频格式，同步显示歌词。 图片功能：支持多种图片格式。 电子书功能：支持t x t 格式及p d f 格式的电子书； 2 第l 章引言 系统辅助功能：文件管理，系统设置，数据交换功能。 系统待扩展功能：游戏功能，网络浏览功能，下载功能。 1 4 论文结构 典型的基于删处理器和l i 姗x 操作系统的嵌入式系统开发大致可分为三个 层次：硬件开发( h 锄蛔a r ed e 、，e l o p m e n t ) 、固件开发( f i m l w a r ed e v e l o p m 叫和软 件应用开发( s o 脚利a p p l i c a t i o nd e v e l o p m e i l t ) ，如图1 2 所示。 匿鳖堕燮塑塑圜 磨7 簿凳：嵌入式应用程序罐基7 “量溺 软件 il：。：。：。i 飞糯。毫。? j 如j i 繇撇譬滔撬? ；t _ 1 | ；? ：= _ ；强| 戮 f e 。z p ”。1 。7 一。一 葭i 纛誊套紫乎系统蛾蠹：搦 圊件 隧曼i 曼垫塾! 墅翻 匿j 设备驱动程序翌 历羽历 鬯塑憋翻隆缝矍型兰 图1 2 典型a 础ul i n u x 嵌入式系统层次 硬件开发主要进行基于a r m 处理器的硬件电路设计，包括处理器选型、外围 设备电路裁剪，原理图设计、p c b 设计和电路板调试。固件开发主要进行 b o o t l o a d e f 、l i n u x 的移植及i ，i n 1 1 ) 【设备驱动程序的设计。软件开发主要根据系统 的特定需求，利用c 库函数和“n u x a p i 进行应用软件的编写，在需要图像用户界 面的系统中，应用开发一般基于是g u i 库进行设计的。 本论文的主体部分按照硬件、固件、软件三个部分介绍了基于删l m x 的嵌入式多媒体系统的设计和实现。 第2 章硬件部分，分析了s 3 c 2 4 1 0 处理器的硬件资源，以及系统外围电路的 搭建，并给出了原理图。 第3 章固件部分，分别介绍了如何搭建l i 肌x 开发环境，引导加载程序v i 移 植，l i n u x2 6 内核移植，配置c r 锄f s 根文件系统，“n u x 设备驱动程序开发。 第4 章软件部分，对“n u x 应用开发作出了讨论，包括系统的软件构架，以及 基于m i n i g u i 的系统图形界面设计。 第5 章分析了系统的优缺点，以及单片解决方案和多处理器方案的比较，并 展望了嵌入式多媒体系统的发展方向。 3 成都理工大学硕士学位论文 第2 章系统硬件设计 本章详细介绍嵌入式多媒体系统硬件平台的搭建，嵌入式系统的硬件平台 可划分为嵌入式处理器和嵌入式外围设备两大部分。本章第一部分介绍了本系 统的处理器部分，采用范围从大到小的顺序分别介绍了r i s c 处理器，a i u m 处 理器和s 3 c 2 4 l o 处理器；第二部分介绍了本系统的各种外围设备设计，并给出 了每种外围设备的电路原理图，最后简单介绍了p c b 设计及硬件调试。 2 1 嵌入式系统 嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软件硬件可剪裁 的，适应于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统 【1 2 1 。嵌入式系统最典型的特点是与人们的日常生活紧密相关，任何一个普通人都 可能拥有各类形形色色运用了嵌入式技术的电子产品，小到m p 3 、p d a 等微型数 字化设备，大到信息家电、智能电器、车载g i s ，各种新型嵌入式设备在数量上 已经远远超过了通用计算机。美国著名未来学家尼葛洛庞帝在1 9 9 9 年1 月访华时 就预言，4 5 年后嵌入式智能工具将成为继p c 机和i l l t e n l e t 之后计算机工业最伟大 的发明。 2 2 嵌入式处理器 嵌入式系统的核心是各种类型的嵌入式处理器【l 引，嵌入式处理器与通用处 理器最大的不同点在于，嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群所专门设计的系 统中，它将通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成到芯片内部，从而有利于嵌 入式系统在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。 常用的嵌入式处理器可分为低端的嵌入式微控制器( m i c r 0c o n 缸o l l e r u i l i t ，m c u ) 、中高端的嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r op r o c e s s o ru n i t ，e m p 功、 用于计算机通信领域的嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i 百t a ls i 印a l p r o c e s s o r ，e d s p ) 和高度集成的嵌入式片上系统( s y s t 咖o nc l l i p ，s o c ) 忆j 。 2 2 1r j s c 设计思想 r i s c ( 精简指令集计算机) 和c i s c ( 复杂指令集计算机) 是当前c p u 的两种架 4 第2 章系统硬件设计 构。它们的区别在于不同的c p u 设计理念和方法。 早期的c p u 全部是c i s c 架构，它的设计目的是要用最少的机器语言指令来 完成所需的计算任务。而s c 的目标是设计出一套能在高时钟频率下单周期执 行，简单而有效的指令集【2 】。i u s c 的设计重点在于降低由硬件执行的指令的复杂 度，这是因为软件比硬件容易提供更大的灵活性和更高的智能。因此，s c 设 计对编译器有更高的要求；相反，传统的c i s c 则更侧重于硬件执行指令的功能 性，使c i s c 指令变得更复杂。图2 1 比较了两者的主要不同。 、j ，t 引：，l j 、( 稻、，( m s c 设计思想主要由下面4 个设计准则来实现。 指令集：m s c 处理器减少了指令种类。融s c 的指令种类只提供简单的操作， 使一个周期就可以执行一条指令。 流水线：指令的处理过程被拆分成几个更小的、能够被流水线并行执行的单 元。 寄存器：砒s c 处理器拥有更多的通用寄存器。每个寄存器都可存放数据或地 址，寄存器可为所有的数据操作提供快速的局部存储访问。 l o a d s t o r e 结构：处理器只处理寄存器中的数据，独立的1 0 a d 和s t o r e 指令用来 完成数据在寄存器和外部存储器之间的传送。 2 2 2 主流s c 处理器 据不完全统计，全世界嵌入式处理器已经超过10 0 0 多种，流行的体系结构 有3 0 多个系列【1 2 1 ，其中以删、p o w e r p c 、6 8 0 1 d f 沁、m p s 使用得最为 广泛。 2 2 2 1m u ? s m p s 处理器是由美国m 口s 公司研发出来的一套处理器体系，m 口s 公司是一 家设计制造高性能、高档次嵌入式3 2 位和6 4 位处理器的厂商，在r i s c 处理器方 面占有重要地位。目前m m s 公司的战略发生变化，把重点放在嵌入式系统上。 1 9 9 9 年，m p s 公司发布m p s 3 2 和m 口s 6 4 架构标准，为未来m 口s 处理器的开发 奠定了基础。新的架构集成了所有原来的n i p s 指令集，并且增加了许多更强大 的功能。m 婵s 公司陆续开发了高性能、低功耗的3 2 位处理器内核m i p s 3 24 k c 与 高性能6 4 位处理器内核m p s 6 45 k c 。 成都理工大学硕士学位论文 2 2 2 2p o w e r p c 二十世纪九十年代，i b m 、a p p l e 和m o t o r o l a 公司开发p o w e r p c 芯片成功，并 制造出基于p o w e r p c 的多处理器计算机。p o w e r p c 架构的特点是可伸缩性好、方 便灵活。第一代p o w e r p c 采用o 6 微米的生产工艺，晶体管的集成度达到单芯片3 0 0 万个。m p c 8 6 0 和m p c 8 2 6 0 是其中最经典的两款p o w e r p c 内核的嵌入式处理器。 2 2 2 36 8 k ，c o m f n 6 8 c o l d f i r e 处理器是m o t o r o l a 公司独有的处理器体系。6 8 k 内核是最早在嵌 入式领域广泛应用的内核，其著名的代表芯片是6 8 3 6 0 。c 0 1 d f i r e 继承了6 8 k 的特 点并继续兼容它。 2 2 2 4a r m 删处理器是由只设计内核的英国a r m 公司研发出来的一套处理器体系。 a r m 即a d v a i l c e dr i s cm a c l l i n e s 的缩写，既是一家公司的名字，有是一类处理器 的名字。删公司是设计公司，是知识产权( 毋i n t d l e c t u a lp f o p e n y ) 供应商，本 身不生产芯片，靠转让设计许可由合作伙伴来生产各具特色的芯片。作为3 2 位嵌 入式r i s c 微处理器业界领先的供应商，a r m 公司商业模式的强大之处在于它在 世界范围有超过3 0 0 个的合作伙伴，包括半导体业界的著名公司，从而导致了大 量的开发工具和丰富的第三方资源，它们共同保证了基于a r m 处理器核的设计 可以很快投入市场。a 州处理器的出色性能使系统设计者可得到完全满足其确 切要求的解决方案。借助于来自第三方开发者广泛的支持，设计者可以用丰富的 标准开发工具和舢蝴优化的应用软件。 a r m3 2 位体系结构目前被公认为是业界领先的3 2 位嵌入式烈s c 微处理器结 构。所有a l w 处理器共享这一体系结构。 目前基于删核的处理器有以下几类：a r m 7n u m b 家族；删9n u m b 家族；删9 e 家族；舢泓1 0 e 家族；a i m1 l 家族；s e c u 妃o r e 家族； s 仃o n g a r m ) ( s c a l e 。a r m 7 家族包括：删7 2 0 t 、a r m 7 e j s 、删7 t d m i 和 a r m 7 t d m i s ；删9 家族包括：a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 和a i 洲9 4 盯；a i t m 9 e 家族包括：删9 2 6 e s 、删9 4 6 e s 、删9 6 6 e s 和删9 6 8 e s ；a r m l o e 家族包括：删1 0 2 0 e 、a r m1 0 2 2 e 和删1 0 2 6 e j s ；a r m l l 家族包括：删 11 3 6 j ( f ) s 、删1 1 5 6 t 2 ( f ) s 和a r m1 1 7 6 j z ( f ) s ；目前流行的删处理器基本 上都是使用删7 或a r m 9 的。 根据应用领域的不同，删处理器核有用于开放平台的核和用于实时嵌入 式操作系统的核之分。用于开放平台的核赋予m m u ，具有虚拟存储器和复杂 的存储器保护的特性，并可用于像w i n d o w sc e 、l i 肌x 、p a l mo s 和s y m b i 锄 平台这样的操作系统，如删7 2 0 t 、a i 【m 9 2 0 t 、删9 2 6 e j s 。用于实时嵌 6 第2 章系统硬件设计 入式操作系统的核用于工作在封闭着的嵌入式控制系统中，通常运行实时操作 系统应用于自动化、存储、网络和工业中，如删7 1 i ) m i 、删7 e j s 、 a r m 9 4 0 t 。 2 2 3a r m 芯片 a r m 公司为a r m 体系结构处理器提供a r m 处理器内核( 如删7 ) m i 、 删9 t d m i 及删1 0 t d m i 等) 和删处理器宏核删7 1 0 t 7 2 0 w 7 4 0 t 、 删9 2 0 t 9 2 2 t 9 4 0 t 、a 剧9 2 6 e 9 6 6 e 及a i u m l 0 2 0 e 等) 。由各半导体公司( 删 公司合作伙伴) 在上述处理器内核或处理器宏核的基础上进行再设计，嵌入各种 外围和处理部件，形成各种嵌入式微处理器( m p u ) 或微控制器( m c u ) 。主流的有： 删e l 公司： a t 9 l x 4 0 系列洲7 t d m i 内核) ；a t 9 1 r m 9 2 0 0 ( 触蝴9 2 0 t 宏核) 。 c i m l sl 0 西c 公司： e p 7 3 x x 系列( a i 汛1 7 2 0 t 宏核) ；e p 9 3 1 2 ( 删9 2 0 t 宏核) 。 f e e s c a l e 公司：m x l 微处理器。 m c 9 3 2 8 m x l ( 删9 2 0 t 宏核) ； i m x 21 ( a i u m 9 2 6 e j - s 核) ； i m x 31 和 i m x 3 1 l ( 删1 1 核) 。 i n t e l 公司：p x a 系列微处理器。 p 屹5 5 ( 采用x s c a l e 删核) ；p 地7 x ( 采用x s c a l e 删核) 。 p i p s 公司： l p c 210 6 2l0 5 2 10 4 ( a i 之m 7 t d m i s 内核) ；l p c 2 21o 2 2 2 0 ( 删7 t d m i s 内 核) ； l p c 3 0 0 0 ( a r m 9 2 6 e j s 内核) 。 s 锄s u n g 公司： s 3 c 4 4 8 0 x ( 删7 t d m i 内核) ；s 3 c 2 4 l o x 2 4 4 0 x ( a i 之m 9 2 0 t 宏核) 。 t i 公司：o m a p 微处理器。 o m a p 5 9 1 0 5 9 1 2 ( 采用删9 2 5 t + d s pc 5 5 x 双核) ；o m a p 2 4 3 0 ( 采用 删1 1 3 6 + d s pc 5 5 x 双核) 。 h v u n d a i 公司： g m s 3 0 c 7 2 0 l 手持式计算产品中的微处理器( 采用a i 己m 7 t d m i 内核) 。 l i i 炯ps y s t e m s 公司： l 7 2 0 互联网处理器( 采用a r m 7 2 0 t 宏核) 。 n e t s i l i c o n 公司： n e t + 1 5 4 0 5 0 中以太网的微处理器( 采用a i 洲7 t d m i 内核) 。 7 成都理工大学硕士学位论文 o 公司： m l 6 7 0 0 0 系列微处理器( 采用蛆u m 7 t d m i 内核) 。 s h a 印公司： l h 系列微处理器( 采用删7 t d m i 内核、删9 2 0 t 宏核) 。 2 2 4 删处理器的选型 在对a r m 处理器进行选型时，应考虑的主要困素有：删核、系统时钟控 制器、内部存储器容量、u s b 接口、g p i o 数量、中断控制器、i i s ( i n t e 黟a t ei n t 曲c e o f s o l l l l d ) 接口、n w a i t 信号、i 汀c ( r e a lt i m ec l o c k ) 、l c d 控制器、p w m 输出、 a d c 和d a c 、扩展总线、u 刖玎和i r d a 、d s p 协处理器、内置f p g a 、时钟计数 器和看门狗、电源管理功能、d m a 控制器等。 2 2 5s 3 c 2 4 1 0 处理器 韩国三星电子公司的s 3 c 2 4 1 0 处理器是一款基于删9 2 0 t 内核的1 6 3 2 位 砒s c 嵌入式处理器，主要面向手持设备以及高性价比、低功耗的应用。 图2 2s 3 c 2 4 1 0 功能模块框图 第2 章系统硬件设计 图2 2 是s 3 c 2 4 1 0 处理器的功能模块框图嘲，它的外设资源包括： 一个l c d 控制器( 支持s t n 和t i 叮带有触摸屏的液晶显示屏) ； s d r j 蝴控制器； 3 个通道的u a r t ； 4 个通道的d m a ； 4 个具有p w m 功能的计时器和1 个内部时钟； 8 通道的1 0 位a d c ； 触摸屏接口； 1 2 s 总线接口； 2 个u s b 主机接口，1 个u s b 设备接口； 2 个s p i 接口； s d 接口和m m c 卡接口； 看门狗计数器； 1 1 7 位通用i o 口和2 4 位外部中断源； 8 通道1 0 位a d 控制器。 2 3 硬件电路设计 在嵌入系统硬件系统中，除了中心控制部件嵌入式处理器以外，用于完成 存储、通信、调试、输入输出、显示等辅助功能的其他部件，都可以算作嵌入 式外围设备【1 2 】。嵌入式外围设备按功能可以分为存储设备、通信设备和输入输 出设备三类。 存储设备主要用于各类数据的存储，常用的有静态易失型存储器( r a m 、 s r a m ) 、动态存储器( d r j m ) 和非易失型存储器( r o m 、e p r o m 、e e p r o m 、 f l a s h ) 三种，其中f l a s h 凭借其可擦写次数多、存储速度快、存储容量大、 价格便宜等优点，在嵌入式领域内得到了广泛应用。 通信设备主要用于嵌入式系统与宿主机，嵌入式系统与嵌入式系统之间的 数据传输。目前存在的绝大多数通信设备都可以直接在嵌入式系统中应用，包 括r s 2 3 2 接口( 串行通信接口) 、s p i ( 串行外围设备接口) 、m ) a ( 红外线 接口) 、1 2 c ( 现场总线) 、u s b ( 通用串行总线接口) 、e t h 锄e t ( 以太网接口) 等。 输入输出设备主要用于嵌入式系统的人机交互。由于嵌入式应用场合的特 殊性，通常使用的是阴极射线管( c r t ) 、液晶显示器( l c d ) 等外围显示设备和 键盘( k e y b o a r d ) 、触摸板( t o u c hp a i l e l ) 等外围输入设备。 9 成都理工大学硕士学位论文 2 3 1 系统功能框图 系统功能框图如图2 3 所示，部分电路设计参考了韩国m i z ir e s e a r c h 公司开发 的s m d k 2 4 1 0 开发板的1 4 1 。 图2 3 系统硬件框图 c p u 单元：s 3 c 2 4 1 0 ，1 6 - 3 2 - b i t a r m 9 2 0 t 内核，主频2 0 0 m h z ，最高2 6 6 m h z ， 2 7 2 脚f b g a 封装。 复位电路：包括上点复位和手动复位，至少保持4 个时钟周期的有效低电 平，保证系统的可靠复位。 时钟电路：外部1 2 m h z 时钟输入，经内部p l l 倍频至2 0 0 m h z 及3 2 7 6 8 k h z 的i 盯c 时钟输入。 存储设备：2 m bn o rf l a s h 和6 4 m bn a n df 1 a s h ，6 4 m bs d l 乙气m ，2 0 g1 8 英寸日立d e 硬盘。 输入输出设备：l c d ，触摸屏，键盘接口。 通信接口：u s b 接口，音频接口，j a t g 口。 2 3 2 电源设计 对于嵌入式手持设备，减少系统功耗是非常重要的。3 3 v 由l m l l l 7 3 3 通 过+ 5 v 调整输出得到，1 8 v 由l m l l1 7 1 8 通过+ 5 v 调整输出得到。系统电源 电压转换电路如图2 4 。 1 0 第2 章系统硬件设计 。lll r ；疆ll li ； l ff f ) w 覃 i n 1 7 氆 l ；i ； f ； l 7 ； ； ； l ； l j 磐) 钾l ：l ； 啪 ；j ；：i ； l i ；l ； 3 ：ji，口d 掷 ! ：ij ：l v 迅 一矿l ll l ；i ；l ：! ； + _ n c j ；i ! l ； l；# $ 1 7 ，p 受! 蔓_ ! 金 i ；，t 、一拶兰 ：2 |抖 l l1 眦l ：i o p l o i ；! ：1 1 岬喊 r r i ；- ；l ；i ； jlf ；l ；i ；i ； 一 ；i ：；i i ； lh l ii ：i ；! 王l ； i ； ；l lf l：li ；ii ； + 一 l ； o j ；， 浊娃强 ：； ；i ； ：i ；ji ；i ：_ _ 一睁 fi o f ； 妊 l ll ；i ；| ； 一h 一；| ；降i i m i n 钆l 斟 ! i ii ；ii ； l i ； i ：! ；! i i ； 一 二了 ： l i ；h 。 + ：；l ；il ； 3jj旺0 1 8 磷 l ：i 。；j ；百；i ：；i ；： 毒藩：# v m n c 曼：i ：。二 旦：；，：c 寥：! j 三 o 一：i o 谴： ； 一毒 毒“一 i 讳h 罅；目鬟 半幕 陲 一fll ；审； i卜卜 hhh 2 3 3 复位电路设计 图2 4 电源电压转换电路原理图 复位电路一般包括上点复位和手动复位两种方式，至少保持4 个时钟周期的 有效低电平，保证系统的可靠复位。系统复位电路如图2 5 ，采用手动复位的方 式。 2 3 4 时钟电路设计 图2 5 复位电路原理图 c p u 部分需要两路时钟输入，一路是c p u 工作时钟输入，另一路提供给 r t c 电路。系统时钟电路如图2 6 ，c p u 工作时钟是一个有源晶振。 成都理工大学硕士学位论文 图2 6 时钟电路原理图 2 3 5s d r a m 接口电路设计 s d r a m 具有容量大、存取速度快、成本低的特点，因而广泛应用到嵌 入式系统中。s d r a m 重要用来存放执行代码和变量，是系统启动之后重要 进行存取操作的存储器。s 3 c 2 4 1 0 在片内具有独立的s d r 川刷新控制逻 辑，可以方便地与s d 删接口。系统采用两片三星k 4 s 5 6 1 6 3 2 c 芯片构 建3 2 位的s d r a m 存储器系统，如图2 7 。每片k 4 s 5 6 1 6 3 2 c 的存储容量 为1 6 组1 6 m b ( 3 2 m b ) ，工作电压为3 3 v ，常见封装为5 4 脚t s o p 。 图2 7s d 删接口电路原理图 2 3 6f l a s h 接口电路设计 f l a s h 存储器主要有n o r 和n a n d 两种，如图2 8 ，系统选用s s t 公司2 m 1 6n o rf l 嬲h 存储器s s t 3 9 7 3 2 0 和三星6 4 m 8b i tn a n df l a s h 存储器 1 2 第2 章系统硬件设计 k 9 f 1 2 0 8 。系统用n o rf l 础存储启动代码，n a n df l 础存储存储系统和应用 图2 8 n a s h 接口电路原理图 2 3 7s d 卡接口电路设计 s d 卡( s e c l l r ed i 百t a lm 锄。巧c a r d ) 是一种基于半导体快闪记忆器的新一代 记忆设备，由日本松下、东芝及美国s a i l d i s k 公司于1 9 9 9 年8 月开发研制。邮 票大小( 2 4 m m 3 2 m m 2 1 姗) 重仅2 9 的s d 卡，却拥有高记忆容量、快速数 据传输率、携带方便且容易安装。图2 9 是s d 卡的接口电路原理图。 图2 9s d 卡接口电路原理图 s 3 c 2 4 10 芯片内部提供的s d i ( s e c u r ed i 舀t a li n t e 血c e ，安全数字接口) 支持 s d 存储卡，s d i o 设备和m m c 存储卡。s d 卡驱动程序属于典型的“n u x 块设 成都理工大学硕士学位论文 各驱动程序。 2 3 8i d e 微硬盘接口 d e ( i n t e 黟a t e dd r i v ee l e c 仃o l l i c s ，集成驱动器电路) 接口，原名a r a ( _ a t a t t a c h m e n t ，a 1 嵌入式) 接口，经历了a r a 1 到a r a 7 以及s 觚a 1 和s 触阪2 的发展历史。对c p u 的外围总线进行简单扩展后就可外接i d e 控制器完成i d e 硬盘连接。图2 1 0 为4 0 针的i d e 接口。 ：， ，：j ? i。耋。_ ：。一j j 屡霪薹耋薹薹蠢薹墓蚕蠹蠡萎薹薹薹芝萋雏垂妻室錾耋匡藿攮嚣茎副奏薯1 2 0 0 0 0 0 q 盆盆盆盆。盆盘o q 盆盆o z 盆o l 盆o i o o = i 盆o l 生1 2 0 l 夏q o 瞄瞄l o o 毒擞眭睦睦睦垦睦雒陲皓睦陛眺挺雌岳牲睦拦b b 蛀 2 3 9j t a g 接口电路设计 图2 1 0 m e 硬盘接口 对于产品来说不需要j t a g 接口，但是在开发产品的过程中，这个接口却 是必不可少的，所以还是应该先留出这个接口，等一切程序开发完成后，再在 最后的p c b 中去掉它。j t a g 接口电路原理如图2 1 1 所示。 图2 1 1j t a g 接口电路原理 1 4 第2 章系统硬件设计 2 3 1 0u s b 接口电路设计 s 3 c 2 4 1 0 提供了方便的u s b l 1 接口，片内包括两个u s b 控制器，可设置 为2 个主机或1 个主机与1 个设备。u s b 接口电路如图2 1 2 。 图2 1 2u s b 接口电路原理图 2 3 1 1 键盘接口电路设计 键盘采用中断方式连接，共6 个功能键，占用6 个中断源。当有按键被按 下时，会实时产生中断请求信号，通知c p u 处理。键盘接口电路如图2 1 3 所 刁o 图2 1 3 键盘接口电路原理图 成都理工大学硕士学位论文 2 3 1 2l c d 接口电路设计 s 3 c 2 4 1 0 支持矸俐s t n 型的l c d 及触摸屏，但是不能直接与l c d 相连，需要 接口板驱动l c d 。系统中s 3 c 2 4 1 0 通过5 0 p i n 的插座作为l c d 与触摸屏接口，l c d 接口电路如图2 1 4 。 l p u pfr c o n l 3 v d 日3 3 矽 引 l 叩 毒l 6 日l 【v d 白j 审； c o n l 2i| i2 心e s e t ：芝 3 ：，= 4 v d 0 ； 驴d 56 v d 2 耵d 3 7g v d 4 窜d 5 + 91 0 ： v d 6 辩d 7 l l 1 2 v d 8 第d 9 1 3 ，： 1 4 v d l