（通信与信息系统专业论文）嵌入式人机界面软硬件的研究与设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 嵌入式系统的发展和广泛应用是后p c 时代的一个重要标志。嵌入式系统作 为计算机应用的一个重要领域，已深入到社会生活的方方面面，各种各样的新 型嵌入式系统设备在应用数量上已经远远超过了通用计算机。目前工业、医疗 卫生、国防等各部门对智能控制的需求不断增长，嵌入式人机界面作为一种可 用于多领域的监控设备，集操作、显示于一身，使用简单、交互方便、控制灵 活，使操作者从大量的按钮、参数设定器、指示灯和显示装置中解脱出来，从 而提高了生产效率。因此，开发运行于嵌入式系统的通用型人机界面，是技术 发展和市场需求的必然结果。 本文建立了以p x a 2 5 5 处理器为中心，搭配存储、通讯和多媒体等外围芯 片的多功能硬件平台，同时用w i n d o w s c e 操作系统的开发工具搭建一个可以运 行在该硬件平台上的软件平台，该硬件平台和软件平台一起构成了嵌入式人机 界面主体。应用p x a 2 5 5 处理器和w i n d o w s c e 操作系统建立的嵌入式系统设计 有助于推动电子技术在工业领域的发展。 硬件部分讨论了如何围绕p x a 2 5 5 处理器进行系统的电路设计，系统中的 外围电路模块包括存储器模块、电源与复位模块、以太网模块、u s b 接口模块、 工业4 8 5 与u a r t 串口模块、打印并口模块、触摸屏控制接口模块、c f 卡接口 模块。 软件设计部分对嵌入式人机界面的开发环境和运行环境进行了讨论。介绍 了软件整体功能结构设计，通信工程管理模块设计，工程文件存储和解析模块 设计。重点介绍了可重构通信模块的设计与实现以及通信任务调度的设计。 最后，针对本文所做的工作进行了总结，讨论了还存在的问题以及可以完 善嵌入式人机界面设计的相关方面。 关键词：嵌入式人机界面；p l c ；通信；可重构 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n ta n dw i d ea p p l i c a t i o no fe m b e d d e ds y s t e m si sa l li m p o r t a n t s i g ni nt h ep o s t p ce r a e m b e d d e ds y s t e ma sa ni m p o r t a n tc o m p u t e ra p p l i c a t i o n sa r e a h a sb e e nd e e pi n t oa l la s p e c t so fs o c i a ll i f e ，a n daw i d er a n g eo fn e we q u i p m e n ti nt h e a p p l i c a t i o no fe m b e d d e ds y s t e mh a sf a r e x c e e d e dt h en u m b e ro fg e n e r a l p u r p o s e c o m p u t e r s a tp r e s e n t , t h ed e m a n df o ri n t e l l i g e n tc o n t r o li ni n d u s t r i a l ，m e d i c a la n d h e a l t h ，n a t i o n a ld e f e n s ea n do t h e rs e c t o r si sg r o w i n g ，e m b e d d e dh u m a n m a c h i n e i n t e r f a c ec a nb eu s e da sam u l t i - f i e l dm o n i t o r i n ge q u i p m e n t ，i th a st h e s ea d v a n t a g e s ： c a nd oo p e r a t i o n s ，s h o w i n gi nt h es a m et i m e ；s i m p l em a n i p u l a t e ，i n t e r a c t i v e c o n v e n i e n t ，f l e x i b l ec o n t r o l ，a n dc a nr e l i e fp e o p l eo u to fb u t t o n s ，s e tt h ep a r a m e t e r s ， i n d i c a t o ra n dd i s p l a yd e v i c e s ，r e s u l t i n gi ni m p r o v e dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y t h e r e f o r e ， t h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e m sr u n n i n go ng e n e r a l p u r p o s em a n - m a c h i n e i n t e r f a c ei sat e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ta n dt h ei n e v i t a b l er e s u l to f m a r k e td e m a n d t h i sp a p e rd e s c r i b e dh o wt os e tu pam u l t i c h i ph a r d w a r ep l a t f o r mu s i n g p x a 2 5 5p r o c e s s o ra s t h ec e n t e r ，w i t hs t o r a g e ，c o m m u n i c a t i o n sa n dm u l t i m e d i a p e r i p h e r a l s ，a n ds e tu pas o f t w a r ep l a t f o r mr t m n i n go n t h eh a r d w a r ep l a t f o r mw i t ht h e w i n d o w s c eo p e r a t i n g s y s t e md e v e l o p m e n tt o o l s ，t h e h a r d w a r ep l a t f o r ma n d s o f t w a r ep l a t f o r mc o n s t i t u t e dt h em a i np a r to ft 1 1 eh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e t h e e m b e d d e ds y s t e mb a s e do np x a 2 5 5a p p l i c a t i o n sp r o c e s s o ra n dw i n d o w s c e o p e r a t i n gs y s t e mw i l lh e l pp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g yi nt h e i n d u s t r i a lf i e l d s h a r d w a r ed e s i g ni np a r to nh o wt od e s i g ns y s t e mc i r c u i tb a s e do np x a 2 55 p r o c e s s o r ，e x t e r n a ls y s t e mc i r c u i tm o d u l ei n c l u d i n ge i g h tp a r t so f t h ed e s i g nm o d u l e s ： m e m o r ym o d u l e ，p o w e ra n dr e s e tm o d u l e ，e t h e m e tm o d u l e ，u s bi n t e r f a c em o d u l e ， i n d u s t r i a l4 8 5a n du a r ts e r i a lp o r tm o d u l e ，p r i n ta n dp a r a l l e lp o r tm o d u l e ，t o u c h s c r e e nc o n t r o li n t e r f a c em o d u l e ，c fc a r di n t e r f a c em o d u l e p a r to ft h ee m b e d d e ds o f t w a r ed e s i g no fh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c ed e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n ta n dr u n t i m ee n v i r o n m e n ta r ed i s c u s s e d i ti n t r o d u c e dh u m a n m a c h i n e 武汉理工大学硕士学位论文 i n t e r f a c eo ft h ef u n c t i o na n da r c h i t e c t u r e ，t h ed e s i g no ft h ec o m m u n i c a t i o n e n g i n e e r i n gm a n a g e m e n tm o d u l e ，p r o j e c tf i l es t o r a g ea n da n a l y s i sm o d u l e a n di f o c u s e do nt h ed e s i g no ft h er e c o n f i g u r a b l ec o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n d c o m m u n i c a t i o nt a s ks c h e d u l i n g f i n a l l y ，t h ew o r kd o n ef o rt h i sp a p e ri ss u m m a r i z e d ，a n dw ed i s c u s s e dt h e p r o b l e m ss t i l l e x i s ta n dc a t lb ei m p r o v e df o rt h er e l e v a n c ed e s i g na s p e c t so f h u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c e k e yw o r d s ：e m b e d d e dh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ；p l c ；c o m m u n i c a t i o n s ； r e c o n f i g u r a b l e i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。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 武汉理工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。 签名：j 因! 塾 e t 期：丝! 拿：兰兰= 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：“栅对导师( 签 醐k r y 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 文献综述 1 1 1 嵌入式系统 第1 章绪论 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应 应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统【l 】。通 常，嵌入式系统包括微处理器、存储器、传感器等一系列微电子器件和嵌入在 存储器中的微型操作系统和应用软件组成，共同实现诸如实时控制、监视、管 理、移动计算、数据处理等各种自动化处理任务【2 】。 嵌入式系统的发展和广泛应用是后p c 时代的一个重要标志【3 】【4 】。嵌入式系 统作为计算机应用的一个重要领域，已深入到社会生活的方方面面，各种各样 的新型嵌入式系统设备在应用数量上已经远远超过了通用计算机。 嵌入式系统是一个软件和硬件的集合体，它将先进的计算机技术、半导体 技术、电子技术与应用软件开发技术相结合，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。与通用计算机系统相比，具有以下显著特 点【5 】： ( 1 ) 系统内核小。由于嵌入式系统一般应用于小型电子装置，系统资源相 对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。目前的嵌入式系统的核心只 有几k b 到几十k b 。 ( 2 ) 专用性强。嵌入式系统通常是面向特定应用而设计的系统，嵌入式处 理器大多工作在为特定用户群设计的系统中，都具有低功耗、体积小、集成度 高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有 利于嵌入式系统设计趋于小型化，增强系统移动能力。嵌入式软件和硬件的结 合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植【6 】。 ( 3 ) 系统精简。嵌入式系统的系统资源有限，一般没有系统软件和应用软 件的明显区分，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系 统成本，同时也利于实现系统安全。 ( 4 ) 嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境。由于嵌入式系统本身不 武汉理工大学硕士学位论文 具备自主开发能力，必须有一套开发工具和环境才能进行开发，开发时通常采 用宿主机一目标机模式，主机用于程序的开发，通过交叉编辑、远程调试等技 术下载运行在目标机系统 7 1 。 ( 5 ) 嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。嵌 入式系统的应用程序可以没有操作系统而直接在芯片上运行，但是为了合理的 调度多任务，利用系统资源、系统函数以及专家库函数接口，用户必须自行选 配实时操作系统( r t o s ，r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 开发平台，这样才能保 证程序执行的实时性、可靠性、并减少开发时间、保障软件质量。 随着信息技术的发展和数字化产品的普及，工业i n t e r n e t 得到广泛和深入的 应用。从消费电子到工业设备，从民用产品到军用器材，嵌入式系统被应用到 网络、手持通信设备、国防军事、自动化控制等各个领域【8 】。嵌入式系统的广泛 应用情景和发展潜力使其成为2 1 世纪的应用热点之一。 1 1 2 嵌入式人机界面 人机界面是主要应用于工业现场的一种监控设备，可用于制造行业和流程 行业等。目前设备操作人员需要掌握各种按钮、参数设定器、记录仪、工艺流 程模拟盘的操作方法，并需要理解指示灯、l e d 数码显示器等装置所显示的信 息。这些装置体积大、布线多、不能随意改变操作方式和工艺流程显示，在一 定程度上阻碍工业信息化的发展。工业现场控制信号数字化、操作显示数字化 是工业生产过程控制发展的必然趋势。 触摸屏人机界面最初是在9 0 年代初由国外p l c 生产厂家( 如欧姆龙、西门 子等) 作为p l c 的配套产品走向市场。目前根据屏幕的不同尺寸和显示方式( 单 色、彩色) 生产厂家形成不同的系列产品。触摸屏人机界面的应用取代了现场 的按钮、指示灯、参数设定器、l e d 数码显示器等操作和显示装置。用户通过 厂家提供的软件在计算机上完成控制画面组态，然后通过串行接口( r s 2 3 2 ) 将 运行软件下载到触摸屏人机界面。p l c 通过串行接口( r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 ) 与触摸 屏人皆界面进行实时通信，为现场操作人员提供生产信息。目前为止，厂家提 供的触摸屏人机界面主要是针对自己的p l c 产品，不能连接其他品牌的p l c 控 制系统。因此产生了第三方通用型的人机界面产品( 如台湾的p r o f a c e 、h i t e c h 、 e v i e w ) 【9 】。 从应用形势上，人机界面可分为通用型人机界面和设备专用型人机界面。 2 武汉理工大学硕士学位论文 某些p l c 、数控系统、智能仪表等本身带有显示和控制部分作为人机接口，这 类人机界面具有很强的专用性，其软硬件是为某一具体的应用而定制。另一类 是通用型人机界面，考虑到要尽可能具有通用性，这类人机界面硬件上采用通 用型处理器，而软件上大多数采用的是操作系统加上组态软件的形式。通用型 人机界面既可以作为某一设备的监视和控制部分，又可以作为整个控制网络的 界面，将整个控制网络的信息采集上来加以处理，并可以与上层网络实现信息 集成和共享。在这一类系统中，人机界面可以说是网络控制系统中底层智能节 点与上层网络主站点之间的桥梁和纽带【l o j 。 人机界面产品的好处是显示直观，可以监视整个生产过程，当生产过程中 出现问题时还可以通过声音报警等方式提醒用户及时采取措施。目前人机界面 产品的缺点是通信接口单一、兼容性差、价格高。另一个缺点是各厂家为了保 护本公司利益，采用专用于本公司的系统软件和组态软件，软硬件之间的联系 十分紧密，不利于设备之间兼容和相互移植。 1 1 3 嵌入式人机界面国内外研究及发展状况 从某种意义上来说，通用计算机行业的技术是垄断的。占整个计算机行业 9 0 的p c 产业，8 0 采用i n t e l 的8 x 8 6 体系结构，芯片基本上出自i n t e l ，a m d ， c y r i x 等几家公司。在几乎每台计算机必备的操作系统和文件处理器方面， m i c r o s o f t 的w i n d o w s 及w o r d 占8 9 9 0 ，凭借操作系统还可以搭配其他应用 程序。因此当代的通用计算机工业的基础被认为是由w i n t e l ( m i c r o s o f t 和i n t e l 9 0 年代初建立的联盟) 垄断的工业。 嵌入式系统则不同，它是一个分散的工业，充满了竞争、机遇与创新，没 有哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市场。即便在体系结构上存在 着主流，但各不相同的应用领域决定了不可能有少数公司、少数产品垄断全部 市场。因此嵌入式系统领域的产品和技术，必然是高度分散的，留给各个行业 的中小规模高技术公司的创新余地很大。另外，社会上的各个应用领域是在不 断向前发展的，要求其中的嵌入式处理器核心也同步发展，这也构成了推动嵌 入式工业发展的强大动力。 人机界面的发展大致经历了以下几个阶段：发展早起的手工作业阶段、作 业控制语言及交互命令语言阶段、图形用户界面阶段、网络用户界面阶段和多 通道、多媒体的智能用户界面阶段。 武汉理工大学硕士学位论文 人机界面正日益向着更详细、更有效、功能更强大的方法发展。现今的人 机界面系统比以往的都要复杂，对他们所监控的处理过程提供更高精度的监视 和控制。在它的基础形态中，界面可以做数据处理，并可以以任意一种方式发 送信息给操作者，从文本信息到生动的图形。如今，由于技术的推进，应用规 模也日益增大。 同时，以太网的使用和在嵌入式形态中基于p c 的技术和增强的诊断能力这 些都促进了机界面市场的快速增长，e a t o ne l e c t r i c a l 公司的人机界面商务产品经 理c l y d et h o m a s 认为，“实际上，人机界面的使用正被更多的智能器件所推动， 这些包括机械视觉系统、传感器、驱动器和能同p l c 进行通讯的动力控制装置。” u 因此，人机界面设备的嵌入化和网络化将是未来主要的发展方向。 1 2 课题背景、目的及意义 计算机技术和网络技术的飞速发展，为工业自动化开辟了广阔的发展空间。 越来越多的工业自动化设备迅速的向网络化、智能化、小型化发展。传统的工 业人机界面以工控机为开发和运行平台，实时采集现场数据，对工业现场进行 本地或远程的自动控制，对工艺流程进行全面、动态和实时地监视，并为生产、 调度和管理提供必要的数据。随着人机界面技术的不断发展，传统人机界面的 不足之处也日益显露出来： ( 1 ) 稳定性差。传统人机界面的开发和运行平台基于工控计算机。人机界面 使用的操作系统多为微软公司早期的w i n d o w s 操作系统或者是d o s 操作系 统。早期的w i n d o w s 操作系统稳定性能较差，不适合作为对稳定性要求极高的 工业现场使用；d o s 操作系统也有着操作界面复杂和用户界面单调的固有缺 陷。 ( 2 ) 接口功能单调。早期的工控计算机主要以串行口和并行口进行数据通信 和传输。面对日益网络化和智能化的各种现场工业设备，这些接口明显显得过 于简单。而在工控机上每增加一个接口，又要付出不菲的价格购买单独的接口 卡。 ( 3 ) 成本高。一台性能优异的工控计算机往往价格不菲，这无疑又大大增加 了整个控制系统的整体费用。 ( 4 ) 体积大，移动困难。如果要使用一台人机界面监控、测量不同工业点的 生产数据，一台工控机明显占据大量空间，而且移动十分不方便，不适合于随 4 武汉理工大学硕士学位论文 身携带进行移动使用。 上述缺点使得传统的人机界面逐渐陷入困境。而嵌入式人机界面则针对以 上问题提供了良好的解决方案，逐渐改变了工控市场的格局。本文就是在这样 的一个背景下，展开了对嵌入式人机界面的设计和开发技术的研究。 工控设备市场稳步增长，传统工业技术改造、工厂自动化、企业信息化需 要大量的工控系统，潜在市场巨大。大力研究和发展基于嵌入式系统的工控设 备，是振兴国产工控工业、占据工控市场的一个重要契机。本文探索开发嵌入 式系统上的人机界面的相关关键技术，掌握人机界面开发的关键技术，开发适 应不同工业现场的人机界面，有助于推进国内的嵌入式系统技术和人机界面开 发技术的发展。 1 3 论文的主要工作 本文要求建立一套完整的嵌入式系统人机晃面，软件平台采用目前极具发 展潜力的操作系统w i n d o w c e ，硬件平台采用基于x s c a l e 微架构高度集成的3 2 位r i s c 处理器的i n t e lp x a 2 5 5 嵌入式应用处理器，并在此平台上实现了一个功 能完善、性能可靠、性价比高的人机界面控制系统。 本文是作者在结合自己研究生学习期间所参与的课题项目基础上，对嵌入 式人机界面开发技术的研究和开发经验的总结。论文的主要内容如下： 第二章介绍了嵌入式人机界面的硬件体系结构以及各功能模块的设计。 第三章分析了人机界面软件功能结构，给出了通信工程管理模块的实现方 法，以及工程文件存储和解析模块的设计方法。 第四章分析了人机界面通信的特点，提出了可重构通信的概念；从通信的 分层模型出发，深入探讨了通信模型中的可重构因素，提出了可重构通信设计 方法，并给出了具体的实现； 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章嵌入式人机界面硬件平台的设计 2 1 人机界面硬件总体方案设计 2 1 1 系统功能需求分析及处理器选型 人机界面的基本功能就是取代传统的由指示灯、按钮等组成的控制面板， 提供一个友好的人机交互接口。除此之外，网络化也是控制系统发展的方向【1 2 】。 所以设计人机界面除了必须具有一般人机界面监视与控制的基本功能之外，还 必须具有丰富的通讯接口和强大的网络功能。具体的需求如下： ( 1 ) 在p c 机上由组态软件开发的应用程序通过通讯接口下载到h m i 后能 够正常的与底层设备实现数据交互。 ( 2 ) h m i 必须提供文件、静态与动态数据等的存储、设备运行状况的动态 显示等功能。 ( 3 ) 为了适应工业以太网的发展趋势，人机界面还要提供向上的以太网接 口和向下的组网总线接口。 ( 4 ) 接口丰富，能提供多种与底层设备通讯的方式。包括r s 4 8 5 、c a n 、 u s b 、e t h e m e t 等接口。 嵌入式系统的具体设计会随着设计应用系统的不同而有所差别。根据上文 中所述需求，本文选择i n t e l 公司x s c a l e 系列a r m 微处理器p x a 2 5 5 作为核心 处理器，配合必要的外围芯片来搭建本课题的系统处理平台。 a r m 系列处理器是英国a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 公司的产品。与 一般的公司不同，a r m 公司只采用i p 授权的方式使得其它半导体公司生产基 于a r m 的处理器产品，而自己并不提供具体的芯片【1 3 1 。目前a r m 是世界上 销量最大的3 2 位微处理器，占据3 2 位和6 4 位嵌入式处理器市场的7 9 5 t 1 4 】， 主宰着3 2 位和6 4 位嵌入式微处理器市场。其优点在于它极高的性能、极低的 功耗，使得它能够与高端的m i p s 和p o w e r p c 嵌入式处理器抗衡。另外，根据 市场的需求进行功能扩展，也是a r m 的一大优势。此外，a r m 更适合嵌入式 操作系统。 由于w i n d o w sc e 嵌入式操作系统运行需要m m u 支持，因此a r m 7 2 0 t 内 6 武汉理工大学硕士学位论文 核以下的处理器均无法满足要求。目前，经a r m 公司授权，生产带有m m u 功 能的a r m 芯片的处理厂家主要有i n t e l 、a t m e l 、s u n s u m g 等大型半导体厂家。 其中i n t e l 公司在c p u 生产领域具有丰富的经验，特别是在多媒体、电源管理、 制造工艺等方面。因此，在它所设计的a r m 系列芯片当中，不仅在性能和功耗 方面在原有a r m 内核的基础上有所提高，而且多媒体性能大幅增强。 i n t e lp x a 2 5 5 是一款基于x s c a l e 微架构高度集成的3 2 位r i s c 处理器的嵌 入式应用处理器，它结合了英特尔设计效率和a r m v 5 t e 指令集架构，采用全 新快速2 0 0 m h z 内部系统总线，p x a 2 5 5 处理器能够经济高效地提高处理速度和 电源管理能力。p x a 2 5 5 处理器的处理能力使便携设备更快地优化操作系统和性 能密集型应用。英特尔p x a 2 5 5 处理器可提供出色的处理能力，从而带来领先 的性能。它在x s c a l e 结构的基础上集成了众多的外设接口，如p c m c i a 控制器、 l c d 控制器、多媒体l i n u x 移植a r m 通信口等，是专为高性能、低功耗的便 携式手持设备而开发，具有高性能和出色的手持设备功能【l 引。综上所述，本文 选用i n t e l 公司生产的p x a 2 5 5 嵌入式处理器作为硬件平台的核心处理器。 2 1 2 人机界面硬件总体框架结构 本文基于p x a 2 5 5 的硬件设计划分为八个部分的单元模块：存储器模块、 电源与复位模块、以太网模块、u s b 接口模块、u a r t 串口与工业4 8 5 接口模 块、打印并口模块、触摸屏控制接口模块、c f 卡接口模块。人机界面硬件总体 结构图如图2 - 1 所示。 存储器模块 u a r t 串i f l a s h3 2 m ，j 串口1 c ir s 4 8 5 接口i r a m 6 4 m i n t e l p 凇5 5 5 打印并口 c f 卡接口 刮u s b 接n 触摸屏控制模块卜= 冷 刊以太网接口 图2 1人机界面硬件总体框架结构图 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 人机界面硬件各部分功能模块设计 2 2 1 存储器模块设计 ( 1 ) 存储器n o rf l a s h 电路设计 目前市场上主要基于两种非易失闪存技术实现的f l a s h ，分别是n o rf l a s h 和n a n df l a s h 。由于n o rf l a s h 的特点是芯片内执行，所以内核及其应用程序 可以直接在f l a s h 闪存内运行，不必再把代码读到系统r a m 中，同时n o r f l a s h 还具有接口简单无需复杂读写驱动，使用方便的优点。 本文n o rf l a s h 设计采用两片i n t e l 公司的e 2 8 f 12 8 j 3 a 【1 6 】芯片 态存储器，该芯片是1 6 位，故采用2 片并联的方式为p x a 2 5 5 构成3 2 m 的静 处理器提供3 2 位的数据总线的支持。 该器件支持四种读模式，读数组，读识别号，读状态或查询。除了重启或 加电，该器件默认的读方式是读数组模式，如果要改变读的模式 写入命令进行改变。该芯片的f l a s h 的擦除是以块为单位的， 息是在同一时间一起被擦除的，同时可以通过读取状态寄存器 因 需要对c u i 此一个块的信 ( s t a t u sr e g i s t e r ) 的值来分析擦除的状态。该芯片的引脚说明电路图如图2 2 所示。 三e 2 8 f 1 2 8 j 3 a3 1 b v三 e 2 8 f 1 2 8 1 3 a 3 1 b v s a - a 22 8 埘 一”v e c s a a 32 7 a i v c c 3 7 j s a a 42 6 2 v c c q 4 3j s a u2 5 a 3 一n b y m 3 l i s a a 62 4 a 4s b 5 3 、， s a 小72 3 a 5 4 一一 3 3s a d l 6 s a a 82 2 a 6 一，d 3 5s a o 】7 s a a 92 0 a 7 一d q i 3 8s a d l 8 s a a 1 01 9 a 8 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1 a 1 3i x ：r r 3 4s 棚 s a - a 1 6l o 一i ，b 3 6s a ) 9 s a a l 78 a y 3 9s a ) l o s a 哦187 a6 一dq0 4 ls a o l l s a - a 】96 a7 、一。一d qi s a 抛05 a8 d q2 4 5s 0 1 2 1， 4 7s a d l 3 s a 抛l4 l y h ) 5 0s a d l 4 s a a 2 23 a 2 0 d q l 4 5 2s a _ d 1 5 s a ，啦3l a 2 1 。d q i5 s a 靶43 0 a 2 2 ，l _ 1 6s a 于w r - e a 2 31 1 r p s a - a 2 55 65 4s a o b # a 2 4 一 - n 0 e 5 5s a w e # 2 l n w e 1 4 2 g mn c d 1 4s a c s 嘴 1 4 8 g n d n c 日 2 一l i 。 g n dn c e 2 2 9i i i ” 上 ) e n 1 5 1 3 乃v 图2 2f l a s h 电路设计图 ( 2 ) s d r a m 动态存贮器接口设计 8 武汉理工大学硕士学位论文 s d r a m 使用三星的k 4 s 2 8 1 6 3 2 c ，该芯片为4 m x1 6 b i t 4 b a n k 的动态存 储器，单片容量为3 2 m ，由于s d r a m 数据宽度为1 6 位，同样用两片并联的方 式构成6 4 m 字节动态存储器。如图2 3 所示： s a 1 02 3 a 0 d q o 2 s a 】i2 4 a 1 ”d q i 4 s a _ a l22 5 2d02 5 s a - a 132 6 a 3 一d 7 s a a 1 42 98 s a a l53 0 a 4 二：， 一d q 4 1 0 s a a 1 63 l a 5d 0 5 l l s a 1 73 2 6 。d 0 6 l 3 s a l83 3 a 7 ，dq7 4 2 s - a i93 4 a s ，d08 4 4 s a a 2 02 2 9。d 0 9 4 5 s a a 2 l3 5 a 1 0 一 d o l 0 4 7 a i i 一- d q i l s a 2 43 6 4 8 a 1 2d q l 2 5 0 s ， 2 32 0 ：一 。d 0 1 3 5 l b a 0d o l 4 s a 札22 l5 3 b a i 一。d q l5 s a c s d d m 0 撑i5 l d o f 吐一n s c s 1 9 s a c a s - d o m - 1 # 3 91 8 u d o m：i 1 9 凇 1 7 s a s d c m i3 7 一n s c a s 1 6 s c 怒一n w e s a s d c u ( 13 8 s c l k 。 。 + n c双 i i 筐 v s 一v d d o 1 4 s 1 一 v d d i 2 7 忱 v d d 2 v s s q 0 v d i ) q 0 3 v s s q i 。v d d q i1 广一 v s s 0 2 v d i x 泣 4 3 4 9 v s 9 v d d q 9 s a l o2 3 a g。d q0 s a - a 1 l2 4 a i d q i s a - a l22 5 a 2，d02 s a a l32 6 a 3 d s a - a 1 42 9 s a l53 0 a 4 一- d q 4 s a l63 l a 5一d05 s a 1 73 2 a 6 dq6 s a - a 1 83 3 a 7 d q 7 s a - a 1 93 4 a gd 0 8 s a m 02 2 a 9d 0 9 s a - a 2 l3 5 a10d0j0 a l id o l i s a 抛43 6 a 1 2一 一d o l 2 s 2 32 0 d q l 3 b a 0 一一d q l 4 s a a 2 22 1 baidqi5 s a c a s d o m 2 晕l5 呦。一一n 9 c s s c a s d o m 0 # 3 9 u 州n s p a s s a s d c 碰l3 7 n 9 c a s s c k en 慨 s a s d c 【k l3 8 s c l k 2 8 4 l v s 轴一一v d d o v s s l 一ddl 5 4 v s - v d d 2 i i 卜 6 1 下一 v s s q 0 v d d q 0 4 6 v s s q l j v d d q i 5 2 v s s q zv l x k 挖 v s s q bv d d 图2 3s d r a m 电路设计图 将p x a 2 5 5 的s a a 2 2 和s a a 2 3 脚连接到s d r a m 芯片的b a 1 ：0 z j i 脚， 决定4 个片内b a n k 的选择；处理器的地址线s a a 1 0 - - s a a 2 1 和s a a 2 4 则分 别连接到s d r a m 的a o a 11 、a 1 2 引脚。s d r a m 连接到处理器的动态存储 器的第o 块，故选用处理器的n s d c s 0 作为片选信号。s d r a m 的其余引脚则由 处理器内部集成的d y n a m i cm e m o r y 控制器进行控制。这样就把s d r a m 的映射 到0 x a 0 0 0 0 0 0 0 - 0 x a 4 0 0 0 0 0 0 这6 4 m 字节空间。 2 2 2 电源与复位模块设计 系统的电源是由外置交流2 2 0 v 转直流5 v 稳压器供电方式，稳定可靠，系 统电路所需的3 3 v 电路设计，如图2 4 所示。供给电压是5 v ，供给i o 口的电 压是3 3 v 。通用3 3 v 的电源都是由安茂微公司的a m e l 0 8 5 芯片完成的，该芯 片是一款高性能同步降压电源芯片。该芯片转化效率高达9 5 ，输入电压 2 v 巧5 v ，输出电压3 v 。最大输出电流6 0 0 m a ，并且可以通过外部引脚的设置 来限定电流。静态输出电流5 0 u a 。 9 武汉理工大学硕士学位论文 1 7 图2 4 电源电路设计图 p x a 2 5 5 处理器复位电平需要低电平，利用m i c 8 1 1 t u 芯片产生一个l o o m s 左右的低脉冲，这个时间可以让电源和晶振稳定下来，使系统正常复位。系统 复位后，r e s e tc p u # 弓l 脚会在指令执行之前输出低电平，以便让其他外围器 件复位。电路如图2 5 所示。 f 图2 5 复位电路设计图 2 2 3 以太网模块设计 c s 8 9 0 0 a 芯片【1 刀是c i r r u sl o g i c 公司一款1 6 位的以太网接入芯片。它 支持i s a 总线标准，提供1 0 m b p s 的以太网接入宽带。在本文中，考虑到体积、 功耗等多种因素，一般将网卡芯片直接与处理器连接。 c s 8 9 0 0 a 有两种工作模式可供选择：内存模式和i o 模式。在内存模式下， 操作简单，读写效率高，但硬件连接会稍微复杂。在i o 模式下，读写操作较复 杂，但硬件连接较为简单。本系统选择i o 模式。 ( 1 ) 数据地址线连接 c s 8 9 0 0 a 具有1 6 位的数据总线和2 0 位的地址总线。将p x a 2 5 5 的低1 6 位 数据总线于c s 8 9 0 0 a 的数据总线直接相连，即p x a 2 5 5 的a i a 1 9 这1 9 位地 址线与c s 8 9 0 0 a 相应的地址线相接。因此，对c s 8 9 0 0 a 访问是以字( 1 6 位) 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 位单位的，最小地址间距是2 字节，这就意味着c s 8 9 0 0 a 的a 0 应保持低电平， 故应接地。 ( 2 ) c s 8 9 0 a 的片选连接 s a c s i 是p x a 2 5 5 片选1 使能信号，通过两个“或”门控制c s 8 9 0 0 a 的读写 控制端：n l o w 和n l o r 。只有当片选1 被选中( s a c s l 为低电平) 时，p x a 2 5 5 的读写信号( n w e 和n o e ) 才能到达c s 8 9 0 0 a 。 ( 3 ) c s 8 9 0 a 中断处理 c s 8 9 0 0 i n t 是从c s 8 9 0 0 a 引出的信号，它被连接到p x a 2 5 5 的g p