（微电子学与固体电子学专业论文）基于arm9嵌入式linux平台的数码相框设计.pdf

摘要 摘要 随着数码相机的盛行，传统相机逐渐退出历史的舞台。对于数码相片的欣赏 和摆设，人们一般只能通过p c 机，极其不方便。数码相框正是迎合这种需求， 它体积小，能随时更换相片，并具有u s b 主机功能，能够即插即用，拥有较大 的存储空间。但是，目前的数码相框价格比较昂贵，技术也有待改进和完善。 本设计采用了比较通用的a r m 9 系列处理芯片为主芯片、源代码开放的嵌 入式l i n u x 操作系统和用户操作界面q t e m b e d d e d 共同建立的平台设计了数码相 框系统，主要实现的功能有对多种格式相片在6 4 0 x 4 8 0 触摸l c d 上以幻灯形式 播放、u s b 主机读取功能、m p 3 播放、s d 卡存储等功能。该设计具有成本低， 功能强大等特点。主要工作包括： 1 针对n a n df l a s h 启动的支持，实现了启动引导程序u b o o t 的修改和移 植，以及嵌入式l i n u x 内核的裁剪和驱动的修改，包括n a n df l a s h 分区、y a f f s 的支持、l c d 驱动修改等；完成了文件系统的建立和修改，并在开发平台上获 得调试成功； 2 完成了q 开发环境的建立，并在该环境下，通过q t e m b e d d e d 应用程序 的开发步骤，实现了数码相框产品应用程序的开发，并在开发平台上获得成功调 试； 3 在软件开发的同时，我们根据该项目设计需求，完成了电路原理图和 p c b 版图的设计，并通过制板和调试，实现了该系统的硬件电路设计和接口的驱 动，其电路主要包括s d 卡，u d a l 3 4 1 t s 音频电路，l c d 显示电路，u s b 主机 和串口电路等几部分； 从测试运行的结果来看，$ 3 c 2 4 1 0 的处理能力能很好地满足要求，外围电路 也能够满足一般的数码相框所需的功能，硬件接口和驱动都能正常工作，达到了 预期的设计要求和目标。从软件上看，l i n u x 系统也能很好地满足数码相框的要 求，s d 卡、u s b 和l c d 等驱动能比较好地支持。用q t e m b e d d e d 开发的应用 程序，对比较流行的几种图片格式也能很好地支持。 但q t e m b e d d e d 相关的库文件偏大，不能将程序和运行所需的文件固化在 6 4 m 的f l a s h 存储中。 广东t 业大学t 学硕士学位论文 本设计还有很大的发展空间。在硬件上，首先可以再加一个d s p 处理器， 专门用来处理音视频的解码，实现视频播放功能；也可以增加以太网络或w i f i 模块，实现上网获取图片的功能。 关键词：嵌入式；a r m 9 ；数码相框；q t e m b e d d e d ；l i n u x a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ep o p u l a r i t yo ft h ed i g i t a lc a m e r a , t h et r a d i t i o n a lc a m e r ai so u to fd a t e g r a d u a l l y p e o p l eu s u a l l ye n j o yt h e i rd i g i t a lp h o t o so n l yo np c i ti sv e r yi n c o n v e n i e n t t h ec o m i n go u to ft h ed i g i t a lp h o t of r a m ei ss e t t l i n gf o rt h em a r k e ts u p p l y d i g i t a l p h o t of r a m eh a sm a n ya d v a n t a g e s i ti ss m a l l 。t h ed i g i t a lp h o t oi nf r a m ec a l lb e c h a n g e da ta n yt i m e i th a sf u n c t i o no fu s b h o s tw h i c hc o n n e c t sc o n v e n i e n ta n dh a s ah i g hs p e e d a n di ts a t i s f i e so u rn e e d so f p l u ga n dp l a y i th a sb i g g i s hs t o r a g e n e v e r t h e l e s s ，t h et e c h n o l o g yo fd i g i t a lp h o t of r a m ei ss t i l ln o tm a t u r e a n di t sp r i c ei s e x p e n s i v et o o i t st e c h n o l o g yh a sy e tt ob ei m p r o v e da n dp e r f e c t e d i nt h i sd e s i g n ，w eb u i l dap l a t f o r mw h i c hc o n s i s to fu n i v e r s a lp r o c e s s o ro f a r m 9 、e m b e d d e dl i n u xs y s t e ma n dg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c eo fq t e m b e d d e d b a s e o nt h i sp l a t f o r m ，w ed e s i g nas y s t e mo fd i g i t a lp h o t of r a m e i tr e a l i z e st h ef u n c t i o n so f p l a y i n gm a n yf o r m a t so fp h o t o sl i k et h em a g i cl a n t e r nb yt h e6 4 0 x 4 8 0t o u c hs c r e e n , u s bh o s t , p l a y i n gm p 3 ，s dc a r ds t o r i n ga n ds oo n i th a st h ef e a t u r eo fl o wc o s ta n d p o w e r f u lf u c t i o n sa n ds oo n 1 1 1 ew o r ko ft h i sd e s i g na sf o l l o w ： 1 t h eb o o ts t a r tp r o g r a mo fu - b o o t sm o d i f ya n dt r a n s p l a n t a t i o nh a sb e e n r e a l i z e d ，w h i c kw e l lt a r g e t e dt h en a n df l a s h a n dt h el i n u xk e r n e l sc u t t i n gu pa n d d r i v e s m o d i f yh a sb e e nd o n et o o ，i n c l u d i n gp a r t i t i o no fh a n df l a s h ，d r i v eo fl c d a n d s oo n t h ee s t a b l i s h m e n ta n dt h em o d i f i c a t i o no ff i l es y s t e ma l s oh a sb e e nd o n e a n d a l lt h e s eh a v eb e e nd e b u g g e ds u c c e s s f u l l yo nt h ea r m 9p l a t f o r m 2 t h ee s t a b l i s h m e n to fq td e v e l o p m e n te n v i r o n m e n th a sb e e nd o n e a n do nt h i s e n v i r o n m e n t ，f o l l o w i n gt h es t e p st od e v e l o pq t e m b e d d e da p p l i c a t i o n , a na p p l i c a t i o n f o rt h ed i g i t a lp h o t of r a m ep r o d u c th a sb e e nw r i r e n a n di th a sb e e nd e b u g g e d s u c c e s s f u l l yo nt h ea r m 9p l a t f o r m 3 a tt h es a m et i m ei nt h es o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，w ed e s i g nc i r c u i ts c h e m a t i ca n d p c bl a y o u to ft h ed i g i t a lp h o t of r a m ea c c o r d i n gt ot h en e e d so fp r o j e c t t h r o u g ht h e p c bm a k i n gl i t h o g r a p hp l a t e sa n dd e b u g g i n g ，i tr e a l i z e st h ea l lf u n c t i o n st h a ti tn e e d s i t sm a i nc i r c u i t si n c l u d i n gc i r c u i to fs d ，a u d i o c i r c u i to fu d a l3 4lt s ，c i r c u i to f d i s p l a y , c i r c u i to fu s b ，c i r c u i to fs e r i a l p o r t sa n ds oo n i i i 广东工业大学t 学硕士学位论文 a st h er e s u l t , t h ep r o c e s s i n ga b i l i t yo f t h e $ 3 c 2 4 1 0c a ns a t i s f yo u rn e e d s a n dt h e p e r i p h e r a l c i r c u i tc a l l s a t i s f yt h en e e d so fg e n e r a ld i g i t a lp h o t of l a m e st o o t h e h a r d w a r ei n t e r f a c e sa n dd r i v e sw o r kw e l l i ta c h i e v e st h er e q u i r e m e n ta n do b j e c t i v et h a t w ee x p e c t f r o mt h es o f t w a r ep o i n to fv i e w ，t h ee m b e d d e dl i n u xs y s t e ms a t i s f i e st h e n e e d so fd i g i t a lp h o t of r a m ep e r f e c t l y d r i v e r so fs dc a r d 、u s ba n dl c d a n ds of o r t h s u p p o r tt h es y s t e mw e l l t h ea p p l i c a t i o nw h i c hd e v e l o p sb yq t e m b e d d e dc a ns u p p o r t m a n yk i n d so fp i c t u r ef o r m a t b u tt h eq t e m b e d d e db a s ed o c u m e n t si st o o l a r g e ，s oi t c a n tb ep u tt h e a p p l i c a t i o na n dt h ed o c u m e n tw h i c ht h ea p p l i c a t i o nn e e d si nt h e6 4 mf l a s hs t o r a g e t h i sd e s i g nh a sh u g ed e v e l o p m e n to fs p a c e i nh a r d w a r e ，f i r s t l y ，ap r o c e s s o ro f d s pc a nb ea d d e dt od e c o d et h ea u d i od o c u m e n ta n dv i d e od o c u m e n t ，s oi tc a nr e a l i z e s t h ef u n c t i o no f p l a y i n gv i d e o s e c o n d l y ，m o d u l e so fe t h e m e tn e t w o r ka n dw i f ic a t lb e a d d e d ，s ot h ef u n c t i o no fo b t a i n i n gp h o t o sf r o mt h ei n t e m e tc a l lb er e a l i z e d k e y w o r d ：e m b e d d e ds y s t e m ；a r m 9 ；d i g i t a lp h o t of r a m e ；q t e m b e d d e d ；l i n u x 一i v - 广东工业大学工学硕j _ 学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人 在导师的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，不 包含本人或其他用途使用过的成果。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。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的， 论文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签字：耋坳 论文作者签字： 王伟够 妒7 年石月p 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着数码相机的大量普及和人们对多媒体娱乐播放的需求，各种记忆卡越来越 多地被运用于存放数码照片和多媒体文件。不同用户的计算机中存满各种照片， 连桌上相框中照片的更换频率也提高了。先输出照片，然后更换到相框中，这样 的程序比较烦琐，常常要通过计算机才能将相片进行显示与分享。对数码相片进 行便捷的显示、分享、编辑、删除、打印等操作逐渐成为市场的需求。电子相 框，数码伴侣等概念型产品逐渐出现在数码市场，数码相框由概念型产品进入市 场已有六、七年。 目前，数码相框产品主要应用于礼品市场，其真正的目标用户却是非常广泛 的，并且它的最终消费人群应该是以家庭为主的普通消费者，其应用的领域将更 广阔。国内也有厂家很早就注意到这类产品的良好的发展趋势，例如曾作为n h j m p 4 中国地区总代理的北京中电金捷数码科技有限公司，就及时地推出了自有品牌 的金捷数码相框，并且以出众的外观设计和良好的口碑效应，以及亲民的价格赢 得了市场的青睐。 1 2 数码相框市场成长的必然性 1 2 1 市场需求的必然性 在上世纪末本世纪初，数码相机呈现迅速发展的势头，普及型数码相机的 分辨率由2 0 0 万象素增长到现在的5 0 0 一1 0 0 0 万象素，价格也由3 0 0 美元左右下 降到现在的1 2 0 美元左右。随着数码相机的日益普及，作为一种以数字照片的保 存、回放和浏览为核心功能的产品数码相框自然迎合了消费者的需求。 1 2 2 核心器件性能和价格的合理化推动市场的发展 数码相框有三大核心器件：处理器，半导体存储器和l c d 显示单元。随着 a r m 的不断发展，数码相框所需要的a r m + j p e g 处理器技术已为许多厂商所 拥有，集成了u s bh o s t 及卡接口单元的产品也屡见不鲜。n a n d f l a s h 技术飞速 发展，单位容量的价格在过去的六年中约下跌4 0 至5 0 倍。 广东工业大学工学硕士学位论文 1 3 数码相框未来产品的发展 1 3 1 数码相框 数码相框将是以数字照片的重显为主要功能的产品，其功能更接近于传统 意义上的相框。由于受到人机界面的限制，为更方便地重显和浏览以及确定重显 的规则，这类产品不强调有大容量的内存以及丰富的卡接口。主要特征是： ( 1 ) u s bd e v i c e & h o s t 以便更新和同步数据； ( 2 ) 在某些情况下( 如从p c 端通过相框的u s bd e v i c e 同步数据时) ，允 许修改数字照片的格式，使其有最佳的重显效果； ( 3 ) 仅依靠内置的半导体存储器存放需要重显的数字照片； ( 4 ) 文件( 照片) 查询和播放规则设定非常简洁易用； ( 5 ) 产品大致分为桌面和壁挂两种。 1 3 2 数码相册 数码相册是以数字照片的存储和浏览为主要功能的产品，由于需要满足跟 p c 相同的类似功能，这类产品的主要特征是： ( 1 ) 有大容量的内置数据存储器； ( 2 ) u s bd e v i c e & h o s t ，各种卡接口，并支持内部存贮器与各种数据存贮 器之间的同步以及相互拷贝； ( 3 ) 强大的文件管理功能：浏览，搜寻，命名( 重命名) ，复制，删除， 备份等； ( 4 ) 带或不带内建显示单元，有能支持其它高分辨率显示设备的接口( 如 色差，v g a 甚至是h d m i ) ；与其他产品的功能结合的产品形态以及大头贴等产 品，用于不在本文所包含的范围内。 1 4 目前市场上流行三种系统设计架构 1 4 1 单芯片解决方案 以单芯片的解决方案，以e s s a m l o g i c m p x 等芯片设计为代表， 2 第一章绪论 p h i l i p s o n y 等品牌厂商也以该方式为主嘲。该方案的架构如图1 - 1 所示： 图1 1 单芯片方案图 f i g 1 1s i n g l e - c h i ps c h e m e 该方案的优点： ( 1 ) 结构简单，成本低，芯片功能强大； ( 2 ) 多媒体的编解码速度快。 该方案的缺点： ( 1 ) 可扩展的余地不足； ( 2 ) 对读卡部分，某些方案使用硬件实现，不能支持新类型的卡； ( 3 ) 应客户要求的二次开发比较不方便。 1 4 2 以d s p + f p g a 等硬件为基础，用软件算法实现功能。 这种方案，是以d s p 来实现多媒体部分的编解码算法，再由f p g a 实现显 示输出格式的算法转化；读卡部分，文件系统部分由d s p 软件处理，外围设备 大的驱动由d s p 的软件算法实现【8 】。这种解决方式的结构如图1 - 2 图所示： 图1 - 2d s p + f p g a 方案 f i g 1 2d s p + f p g as c h e m e 广东下业大学工学硕士学位论文 这种方案的优点： 功能扩展升级性强，软件实现读卡部分，新的类型卡，外围设备可以通过 升级方式实现。 这种方案的缺点： ( 1 ) 整体成本比较大； ( 2 ) 客户二次开发难度大。d s p 和f p g a 的算法实现需要专业人员； ( 3 ) 显示输出由f p g a 实现，该类输出大部分是数字的输出，模拟输出支 持比较弱。 1 4 3a r m 9 核心方案 以a r m 9 等强大的c p u 为核心，以w i n c e 、l i n u x 等操作系统为软件核心 架构系统8 1 ，如图l 一3 所示： 图1 3 a r m 系统方案 f i g 1 - 3a r ms y s t e ms c h e m e 此方案以a r m 如$ 3 c 2 4 1 0 、i n t e lx s c a l e 等强大的嵌入式c p u 为架构，速 度在2 0 0 m 一3 0 0 m h z 。嵌入w i n c e 、l i n u x 等操作系统，实现多媒体的编解 码。 该方案的优点： ( 1 ) 系统芯片功能强大，实现的功能多，对于新的多媒体格式支持好，只 需要安装更新的软件； ( 2 ) 硬件电路简单； ( 3 ) 二次开发容易实现。 该方案的缺点： ( 1 ) 成本较大，该类强大的c p u 一般使用在p d a 等嵌入式领域； ( 2 ) 比较耗电，使用软件解码，功耗与频率相关性很大。 4 第二章硬件设计方案 第二章硬件设计方案 本设计选用的是第三种方案：以a r m 9 c p u $ 3 c 2 4 1 0 为核心，以l i n u x 操 作系统为软件核心架构。 基于a r m 的微处理器具有低功耗、低成本、高性能等特点，a r m 采用 r i s c ( 精简指令集计算机) 架构和流水线结构，使用了大量的寄存器，具有极 高的工作效率。其中，r i s c 架构具有如下特点：固定长度的指令格式，指令归 整、简单，基本寻址方式只有2 - - 一3 种，使用单周期指令，便于流水线操作【3 0 】。 a r m 微处理器按性能分为以下系列：a r m 7 ，a r m 9 ，a r m 9 e ， a r m l 0 e ，s e c u r e c o r ex s c a l e 。a r m 支持两种类型的指令集：一种是3 2 位的 a r m 指令，以字对准保存；另一种是1 6 位的t h u m b 指令，半字对准保存【1 9 1 。 删具有7 种工作状态： u s r ：正常的程序执行状态 f i q ：用于高速数据传输或通道处理 i r q ：用于通用的中断处理 s v c ：操作系统使用的保护模式 a b t ：用于虚拟存储及存储保护 u n d ：当出现未定义指令终止时进入该模式 s y s ：运行具有特权的操作系统任务 在a r m 体系中有一个重要的概念异常( e x c e p t i o n s ) 当正常的程序执 行流程发生暂时的停止时就叫做异常，例如处理一个外部的中断请求。在处理异 常之前，当前的处理器状态必须被保留，当异常处理完后，异常发生前的程序可 以继续执行【1 2 1 。处理器允许多个异常同时发生，它们将会按固定的优先级进行 处理。a r m 支持的异常类型有： 复位：复位电平有效时，产生复位异常； 未定义指令：遇到不能处理的指令时，产生未定义指令异常： 软件中断：执行s w i 指令产生，用于用户模式下的程序调用特权操作指 令； 指令预取中止：处理器预取指令的地址不存在，或该地址不允许当前指令 广东工业大学工学硕士学位论文 访问，产生指令预取中止异常； 数据中止：处理器数据访问指令的地址不存在，或该地址不允许当前指令 访问时，产生数据中止异常； 中断服务请求：外部中断请求有效，且c p s r 中的i 位为o 时，产生i r q 异常； 快速中断请求：快速中断请求引脚有效，且c p s r 中的f 位为0 时，产生 f i q 异常1 1 9 1 。 2 1 采用此硬件方案的优势 如上所述： ( 1 ) 系统芯片功能强大，实现的功能多，对于新的多媒体格式支持性好， 只需要安装更新的软件； ( 2 ) 硬件电路简单，可采用标准电路，不需耗费过多的资源( 人力，资金 等) ； ( 3 ) 因为有( 2 ) 的优势，可以在硬件上增加模块，留作二次开发使用， 极为方便； ( 4 ) $ 3 c 2 4 1 0 是一个比较成熟的芯片，技术积累齐全； ( 5 ) $ 3 c 2 4 1 0 支持丰富的存储卡接口。 2 2 采用l i n u x 操作系统的优势 l i n u x 是我国软件的国策，尤其是在i t 行业，庞大的使用群体、开放的体 系和丰富资源使得l i n u x 将是日后普及和推广的重点。l i n u x 的优越性日益凸 显，l i n u x 将是我们学习和工作实用的首选。 目前，很多网络技术、服务器、网络设备都是基于l i n u x 操作系统，并且在 不少时尚的手机、p d a 、媒体播放器等消费类电子产品中已经广泛使用l i n u x 作 为操作系统。 在l i n u x 软件国策的指引下，l i n u x 已经得到很大的普及。很多学生已经自 发地通过书籍、互联网等资源学习l i n u x 。 综上所述，提高技术水平就是以市场流行需求为导向进行研发，特别是像 嵌入式这种工程类的技术。在条件允许的情况下，我们甚至应该时刻与国际接 轨，掌握当前最领先的技术。 6 第= 章硬件设计方案 2 3 硬件的设计方案 根据前面所提出的系统方案，本课题所研究的系统应该包括以下功能： 支持u s b 接口存储设备的读写； 支持常用格式图片的浏览q p g 、b m p 、g 茁等) ； 支持彩色l c d 屏，图形化界面显示； 支持m p 3 播放。 2 3 1 处理器核心扳和底板 本课题选用的a r m 9 2 0 t 处理器$ 3 c 2 4 1 0 ，封装为b g a ，2 7 2 个引脚，处 理器硬件电路上采用购买核心板的方式实现，核心板上集成了$ 3 c 2 4 1 0c p u ， 5 4 m b 的s d r a m 和6 4 m b 的n a n df l a s h 。如图2 - l 所示： 霹 鎏霸燕二墨舅 图2 1 核心板图 f i 9 0 - 1 p c b 外围电路分为六个模块：电源模块、串口模块、u s b 设备模块、l c d 显示 模块、音频输入输出模块和s d 存储模块。这六个模块都是采用标准的电路模 块。 2 3 2 $ 3 c 2 4 1 0c p u 简介 a r m 9 $ 3 c 2 4 1 0 处理器，a r m 9 2 0 t 核由a r m 9 t d m l 、存储管理单元 删和高速缓存三部分组成咖。其中，m m u 可以管理虚拟内存，高速缓存由 独立的1 6 k b 地址和1 6 k b 数据高速c a c h e 组成。a r m 9 2 t 0 有两个内部协处理 器：c p l 4 和c p l 5 。c p l 4 用于调试控制，c p l 5 用于存储系统控制以及测试控制 【m 2 3 , 4 0 1 。总的资源如下： 内核工作电压为1 2 v ，内存工作电压兼容1 g v 2 5 v 1 3 3 v ，外围i 0 口使 用3 3 v ，集成1 6 k b 的指令缓存和1 6 k b 的数据缓存，带m m u ( m e m o r y 广东工业大学工学硕士学位论文 m a n a g e m e n tu n i t ) ，支持s r a m 和s d r a m 等内存。 l c d 控制器接口( 最高支持4 k 色的s t n 和2 5 6 k 色的t f t ) 4 通道d m a 控制器 3 通道u a i 2 通道s p l 接口 i i c 总线接口 1 2 s 音频编解码数据接口 a c 9 7 音频接口 m m c s d 存储卡接口 2 通道u s b 主机接口和1 个复用的u s b 设备接口 4 通道p w m ( 脉宽调制) 定时器和1 个看门狗定时器 8 通道1 0 位a d c 和一个触控屏接口 实时时钟 1 3 0 个g p i o 口和2 4 通道外部中断源接口 片上p l l 时钟发生锁相环 1 9 】 $ 3 c 2 4 1 0 的内部结构如图2 2 所示： 总的方案图如图2 3 所示： 图2 2 $ 3 c 2 4 1 0 内部结构图 f i g 2 2i n t e r n a ls t r u c t u r eo f $ 3 c 2 4 10 8 第二章硬件设计方案 图2 3 方案总图 2 3 3s d r a m 存储电路 本设计采用3 2 m 的h y 5 7 v 5 6 1 6 2 来设计s d r a m 存储电路，它的单片内 存规格为2 5 6 m b i t4 m 1 6 b i t 4b a n k s ，即容量为3 2 m b 的1 6 位s d r a m 。使用 $ 3 c 2 4 1 0 的n g c s 6 片选信号，两片1 6 位的总线宽度的存储芯片可以组成3 2 位 总线宽度6 4 m b 内存，以配合3 2 位字长的a r m 9 处理器，h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 ( 1 ) 的 数据总线与$ 3 c 2 4 1 0 的低1 6 位相连，h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 ( 2 ) 的与$ 3 c 2 4 1 0 的高1 6 位 相连。由这两片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 组成3 2 位宽度的存储器，$ 3 c 2 4 1 0 要字对齐， 操作地址的最小值变为o x 0 0 0 0 0 0 0 4 ，所以将$ 3 c 2 4 1 0 的a d d r 2 a d d r l 4 顺序 与h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 的a 0 a 1 2 相连。为了能够正确访问h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 高f 氐位字 节数据，又将h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 ( 1 ) 的l d q m 和u d q m 分别与n b e 0 ：n w b e 0 ：d q m 0 和n b e l ：n w b e l ：d q m l 相连，h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 ( 2 ) 的l d q m 和u d q m 分别与 n b e 2 ：n w b e 2 ：d q m 2 和n b e 3 ：n w b e 3 ：d q m 3 相接。h y 5 7 v 5 6 16 2 0 的b a 0 、 b a l 是s d r a m 内部b a n k 选择地址线，代表着s d r a m 内存的最高地址，因 为两片的h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 组成了6 4 m 的内存，也就是说要2 6 根地址线来实现寻 址，所以将b a 0 、b a l 分别与$ 3 c 2 4 1 0 的a d d r 2 4 和a d d r 2 5 引脚相连。原 理图如图2 - 4 所示： 9 广东工业大学工学硕士学位论文 图2 4s d r a m 电路 f i g 2 - 4c i r c u i to fs d r a m 2 3 4n a n d f l a s h 存储电路 当前n o r f l a s h 价格比较昂贵，考虑到成本问题，本设计采用了6 4 m 的 k 9 f 1 2 0 8 u o bn a n df l a s h 作为介质存储电路，将k 9 f 1 2 0 8 u o b 的t o o 一7 与 $ 3 c 2 4 1 0 的数据总线d a t a 0 7 相连，实现数据的读写。$ 3 c 2 4 1 0 中n a n df l a s h 控制器的r j n b 与k 9 f 1 2 0 8 u o b 的r n b 相连，可以检查 图2 - 5n a n d s l a s h 电路 f i g 2 5c i r c u i to f n a n df l a s h i l f c e g p a 2 2 、n f y g p a 2 0 、i l f w e g p a l 9 分别与k 9 f 1 2 0 8 u o b 的a l e 、 c l e 、n c e 、n r e 、n e w 是否相连，分别可以控制k 9 f 1 2 0 8 u o b 的地址锁存使 能、命令锁存使能、片选使能、读使能和写使能。原理图如2 5 图所示。 1 0 第二章硬件设计方案 2 3 5 电源模块 $ 3 c 2 4 1 0 x 的电源引脚分为：v d d a l i v e 引脚给处理器复位模块和端口寄存 器提供1 s v 电压；v d d i 和v d d i a r m 为处理器内核提供1 8 v 电压； v d d im p l l 提供1 s v 模拟电源和数字电源；v d du p l l 为u p l l 提供1 8 v 模拟电源和数字电源；v d d o p 和d m o p 分别为处理器存储端口提供3 3 v 电压；v d d aa d c 为处理器内的a d c 系统提供3 3 v 电压；v d d i 疆c 为时钟 电路提供1 8 v 电压，该电压在系统掉电后仍需要维持【4 】。 铝= 缸，郭。，一；矿批：r；? ， ， ，i 卜_ 一li 卜- * | 卜- ，l 卜巾型 # 二：t ，4 u ， - ，_ j 图2 6 电源模块 f i g 2 6c i r c u i to fp o w e rs u p p l y 在该系统中，需要使用3 3 v 和1 8 v 的直流稳压电源。为简化系统电源电路 的设计，要求整个电路系统的输入为高质量的5 v 直流稳压电源，然后采用两个 l m l l 7 电压稳压器转成3 3 v 的v d d 和v c c ；再采用矾4 1 4 8 稳压管来保证电 源输入电压的稳定性。v d d r t c 是通过一个外置电池，再加4 个i n 4 1 4 8 稳压管 串联组成。 图2 - 6 中的复位电路是用一个7 4 h c l 4 反施密特触发芯片实现两级非门，是 i ， ， ，e 。 如 钳 锫 广东工业大学t 学硕士学位论文 用于按钮去抖动和波形整形；n r e s e t 端的输出状态与r e s e t 端输出状态相 反，用于低电平复位的器件。 2 3 6 串口电路模块 本课题设计预计扩展了两个r s 2 3 2 串口通讯接口，采用9 芯引脚的连接 器，一个用于l i n u x 软件系统调试时的人机接口；另一个可作为其他用途。由于 r s 2 3 2 标准采用负逻辑进行通信，即1 2 v 为逻辑“1 ”，+ 1 2 v 为逻辑“0 ”，所 以接口与处理器之间的连接要经过电平转换电路，把负逻辑转为正逻辑，而且要 把高电平电压调整为处理器规定的3 3 v 。该工作由m a x 3 2 3 2 e 芯片完成。串口 原理图如图2 7 所示： ， 图2 7 串口模块 f i g 2 - 7c i r c u i to f s e r i a lp o r t s 2 3 7u s b 电路模块 根据$ 3 c 2 4 1 0 内部的u s b 控制器，它的接口规范：主机接口的正负数据线 分别接1 5 k q 的下拉电阻，并且分别通过2 2 f 2 的电阻与c p u 的d p n 和d n n 相 连；设备接口的正数据线要接1 5 i c q 的上拉电阻，而负数据线接4 7 0 f 2 的下拉电 阻，正负数据线与c p u 之间接2 2 q 的终端电阻。控制器工作图如2 8 所示， u s b 原理图如图2 - 9 所示： 1 2 第二章硬件设计方案 ；l 0 崩嘲馏胃 摹一 ” 。l 嚣一岱” 。纠d 鼾镶辩 一，t 鬟珏 ，c d i o 唧iq i i i t 拇，辩 jl o 嬲i o l 靠 一一一 辩i 黼鼍 s 眶酾笋：1 毒蛾璐蝴； 辙滞粥 鑫 4 伪腆l 嗽瑚 k , rv v o j 7 t a ： 一嘲。釉爿， | 一- 勰一避o e 髯 i c c 釉i g f i _ 蛾e撸fl鞠 甜 躐鞠隐黼 ；a 麓誊a 麟貉镊 ： 营馘鬻，嘲 图2 - 8u s b 控制器 f 远2 - 8c o n t r o l l e ro f u s b 图2 9u s b 模块电路 f i g 2 9c i r c u i to fu s b 1 3 - 广东丁业大学t 学硕十学位论文 2 3 8l c d 电路模块 l e n d l c d p w r e n l c d v f 0 l c d v f l l c d v f 2 s 3 c 2 4 1 0 l c d 控制器 r 图2 1 0 $ 3 c 2 4 1 0l c d 控制器外部管脚图 f 远2 1 0e x t e r n a lp i n so f l c dc o n t r o l l e ri ns 3 c 2 4 1 0 v d 2 3 - 0 图2 - 1 l $ 3 c 2 4 1 0l c d 控制器内部方框图 f i g 2 - 11i n t e r n a ls t r u c t u r eo f l c dc o n t r o l l e ri ns 3 c 2 4 10 图2 。1 0 和图2 1 1 是$ 3 c 2 4 1 0 x 芯片内部集成的l c d 控制器的外部管脚图 和内部方框图，其中内部的寄存器作用如下【9 】： r e g b a n k 有1 7 个可编程寄存器组和2 5 6 i 6 的调色板存储器，用来设定 l c d 控制器【2 5 1 。 l c d c d m a 是一个专用d m a ，自动从帧存储器传输视频数据到l c d 控制 器，用这个特殊的d m a ，视频数据可不经过c p u 干涉就显示在屏幕上。 v i d p r c s 接受从l c d c d m a 来的视频数据，并在将其改变到合适数据格 式后，经v d 2 3 ：0 将之送到l c d 驱动器，如4 8 单扫描或4 双扫描显示模式。 t i m e g e n 由可编程逻辑组成，以支持不同l c d 驱动器的接口时序和速率 的不同要求。t i m e g e n 产生v f r a m e 、v l i n e 、v c l k 、v m 信号等。 1 4 一一眦删一一一 第二章硬件设计方案 数据流描述如下：f i f o 存储器位于l c d c d m a 。当f i f o 空或部分空时， l c d c d m a 要求从基于突发传输模式的帧存储器中获取数据，存入要显示的图 像数据，而这个帧存储器是l c d 控制器在r a m 中开辟的一片缓冲区。当这个 传输请求被存储控制器中的总线仲裁器接收到后，从系统存储器到内部f i f o 就 会成功传输4 个字1 9 。 由于$ 3 c 2 4 1 0 内部集成的l c d 控制器如上所以设计的外接l c d 电路模块 如图2 1 2 ： i p l f l t l l o v o 【二) v 图2 1 2 l c d 模块原理图 f i g 2 - 1 2c i r c u i to f l c d 2 3 9 数字音频输入输出模块 由于$ 3 c 2 4 1 0 有内置的i i s ( i n t e r - i cs o u n db u s ) 音频接口，所以外接一个 u d a l 3 4 1 t s n 1 数字音频解码器即可实现音频输入和输出，u d a l 3 4 1 是一款集合 了数模和模数转换的音频编解码芯片，同时支持录放音，数据接口采用1 2 s 总 线，配合$ 3 c 2 4 1 0 的1 2 s 控制器使用。 本设计把$ 3 c 2 4 1 0 的i i s 总线c d c l k 、1 2 s s c l k 、1 2 s s l r c k 、1 2 s s d i 、 1 2 s s d o 分别与u d a l 3 4 1 t s 的s y s c l k 、b c k 、w s 、d a r a o 、d 删引脚相 连【3 】，$ 3 c 2 4 1 0 为u d a l 3 4 1 t s 的b c k 、w s 、s y s c l k 提供正确的时序， d a t a o 作为串行数据输出引脚，相反，d a t a i 作为数据的输出引脚，通过 $ 3 c 2 4 1 0 的i i s 总线实现数据的通讯。u d a l 3 4 1 t s 的l 3 m o d e 、l 3 c l o c k 、 广东工业大学工学硕士学位论文 l 3 d a t a 分别由$ 3 c 2 4 1 0 的g p b 2 、g p b 4 、g p b 3 信号控制，$ 3 c 2 4 1 0 的g p i o 对u d a l 3 4 1 t sl 3 端口的l 3 d a t a 、l 3 m o d e 、l 3 c l o c k 三个引脚进行编 程，可以设置其内部的寄存器。当l 3 m o d e 引脚为低电平时，通过l 3 d a t a 引 脚输入寄存器地址信息；当l 3 m o d e 引脚为高电平时，通过l 3 d a t a 引脚输入 有关寄存器设置的数据信息嘲。原理图如2 1 3 所示： ”1 。 2 3 1 0s d 存储模块 图2 1 3 音频模块原理图 f i g 。2 1 3c i r c u i to f a u d i o 图2 1 4s d 卡电路原理图