（电力电子与电力传动专业论文）基于arm的嵌入式usb图像采集系统.pdf

西华大学硕士学位论文 对基于l i n u x p 勺核的后续图像应用开发具有实用意义。本系统完全基于开放的 平台和模块化的实现方法，具有良好的可移植性，可方便地进行各种扩展。这 种方案所实现的图像采集系统成本低，灵活性高，性能好，是一种优良的解决 方案。本文详细介绍了这种基于l i n u x 系统和$ 3 c 2 4 1 0 a 平台的嵌入式图像采集 系统。 关键词：嵌入式，a r m ，u s b ，图像采集，l i n u x i m a g ec a p t u r es y s t e mb a s e do ne m b e d d e da r m m i , i u s bc a m e r a w l l c r o p r o c e s s o ra n du s bc a m e r a p o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e rd r i v e c a n d i d a t e ：z h a n g h o n gs u p e r v i s o r ：d o n g x i u c h e n g a b s t r a c t e m b e d d e di m a g ec a p t u r es y s t e mh a ss m a l lv o l u m e ，l o wc o s t ，s t a b i l i t ya n ds o o nm e r i t s ，a n di sw i d e l yu s e di nr e m o t em o n i t o r i n g ，v i d e op h o n e ，c o m p u t e rv i s i o n n e t w o r km e e t i n ga n ds oo nf i e l d an e ws o l u t i o no f i m a g ec a p t u r es y s t e mt oa v o i d m a n ys h o r t c o m i n go ft r a d i t i o n a li m a g ec a p t u r eb a s eo nm i c r o c o n t r o l l e rh a sb e e n m s c u 8 s e d1 1 1t h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h i sn e ws o l u t i o nb a s e do nn e wh i g h s d e e d a r m m i c r o p r o c e s s o r $ 3 c 2 410 aa n du s bc a m e r a , a d d i n gw i t hl i n u xo p e r a t i n g s y s t e m sb e n e f i t ，ah i g hp e r f o r m a n c ei m a g ec a p t u r es y s t e mh a sb e e nb u i l d u s b c a m e r ah a sl o wc o s t ，h i g hp e r f o r m a n c ea n de a s yt op u r c h a s e ，b u ts i n c e1 0 n gi t i s d i f f i c u l tt ou s eu s bc a m e r ai ne m b e d d e ds y s t e m s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o re s p e c i a l l y a r m ，e m b e d d e ds y s t e m sp e r ：f o 瑚a n c ei s g r e a t l yi m p r o v e d n o wp e o p l eo f t e nt r a n s p l a n t o p e r a t i n gs y s t e mi ne m b e d d e d s y s t e mt oh e l pm a n a g e m e n ta n dr e d u c ed i f f h c u l t yf o ra p p l i c a t i o np r o g r 猢i n g l m h xi sa no p e ns o u r c eo u t s t a n d i n go p e r a t i n gs y s t e m i f t r a n s p l a n ti tt oe r n b e d d e d s y s t e mc a na c h i e v eh i g he f f e c t i v e a p p l i c a t i o np r o g r a n u n i n g e m b e d d e d m a n a g e m e n ta n dg r e a t l yc o n v e n i e n tf o r l i n u xh a sm o s tl i n u xo p e r a t i n g s y s t e m s p e 哟蛐a 1 1 c ea n dc a r ls a v em a n yr e s o u r c e ，a n di t sr e a l t i m ef e a t u r ei s i m p r o v e d a c c o r d i n gt ot h i ss o l u t i o nb a s eo ne m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m ，w ec a i lb u i l d a1 1 i 曲f l e x i b i l i t yi m a g ec a p t u r es y s t e mb yu s i n gf e a t u r e s o fs u p p o r t i n gf o ru s b ， n e t w o r kp r o v i d e db yl i n u x w eu s ev i d e 0 4 l i n u x t op r o g r a m m i n gu s bc 锄e 凤a 1 1 d i i i r e a l i z eg a t h e r i n gv i d e od a t a ，d i s p l a y i n go nl c da n ds a v i n gp i c t u r e i nf i l es y 5 t e m t h i sd a p e rd e s c r i b eh o wt ob u i l de m b e d d e ds o f t w a r ea n dh a r d w a r ep l a t f o 锄，u s b d r i v e ra n di m a g ec a p t u r es o f t w a r e t h i ss o l u t i o n i sa p p l i c a b l ef o rm o s tu s bc 锄e r a i 1 1m a r k e t ，a 1 1 dy o uc a nu s et h i ss y s t e mt o r e a l i z er e m o t em o n i t o n n gt h r o u g n e t h e m e t i nt h i ss 0 1 u t i o n ，w eu s e v i d e 0 4 l i n u xa p p l i c a t i o np r o g r a m m a b l e i n t e r f a c e s d a t as 协】c t l l r e ，缸l c t i o nt or e a l i z eg a t h e r i n gv i d e od a t af r o mu s b c a m e r a , a n du s e e m b e d d e dg u it o o lq t e m b e d d e dt op r o g r a mf i n a la p p l i c a t i o ns o f t w a r e ，o b t 哪 b e a u t i m lg u i u t i l i z i n gp o w e r f u lf u n c t i o no fl i n u xa n di t st o o l st or e a l i z el m a g e c a p t u r ec a np r o v i d eg r e a tc o n v e n i e n tf o r l a t e rd e v e l o p m e n tb a s eo nl 1 n u x l 上l l s s v s t e mi sb a s e do no p e np l a t f o r m a n dm o d u l es t r u c t u r e ，s oi t 1 se a s yt ob e t r a n s p l a n t e d ，c a l lb er e u s e di nm a n ya p p l i c a t i o n s i m a g ec a p t u r eu s i n g t h l sg o o d s o l u t i o nc a na c h i e v el o wc o s t ，h i g hf l e x i b i l i t ya n dp e r f o r m a n c e t h i sp a p e r w i i l g u i d ey o ut ob u i l d s u c hi m a g ec a p t u r es y s t e mb a s e do n $ 3 c 2 4 10a n dl 1 n u x o p e r a t i n gs y s t e m k e y w o r d s ：e m b e d d e d ，a r m ，u s b ，i m a g e c a p t u r e ，l i n u x i v 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学术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。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，也不包含为获得西华大学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己在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 作者签名：诛次哆年厂月日 聊签编砑7 年多月日 西华大学硕士学位论文 版权 西华大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 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，西华大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保蜜巧用本授权书。 ( 请在以上口内划) 学位论文作者签名：弦7 锭 日期。厕：小 指导教师签名： 日期： bl 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究的目的和意义 图像采集系统广泛应用于可视电话、远程监控以及网络会议等领域，而在 各种图像处理，视频压缩与传输系统中，它更是必不可少的组件。对图像进行 采集、处理历来都是一个热点，也是一个难点。在众多的图像采集系统中，大 多数都针对特定的用途选择专用的摄像头和视频处理芯片，这种传统的方式存 在不易购买、可扩展性不强、价格昂贵等问题。近年来，对图像采集系统的设 计要求日益提高，在日常生活、科学研究、工业生产中，都迫切需要廉价、易 扩展、功能强劲的图像采集系统。随着计算机与网络技术的飞速发展，普通p c 所使用的u s b 摄像头由于价格低廉、容易安装使用等优点得到迅速普及。然而 这种利用通用p c 机来进行图像采集的方式会随之带来体积大、成本高、无法 嵌入对象内部等显著问题。如何将u s b 摄像头应用于基于单片机的嵌入式系统 中，构建出低成本、高性能的图像采集系统越来越引起人们的广泛关注。然而 在p c 上使用u s b 摄像头时通常都需要安装由其生产厂商提供的w i n d o w s 操作 系统下的专用驱动程序，想在单片机系统中直接应用非常困难。 近年来由于网络、通信、多媒体技术的飞速发展，对高性能嵌入式c p u 的需求十分迫切，为顺应这种潮流，各种高速的3 2 位嵌入式微处理器应运而 生，使得嵌入式系统又进入了一个新的历史发展阶段。在嵌入式系统的高端应 用中，进行多年技术准备的a r m 公司适时推出了3 2 位的a r m 系列微处理器， 以明显的性能优势迅速奠定了其主流地位。在无线通信、网络及消费类电子产 品中a r m 都获得了广泛的应用。在流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游 戏机中，都已经从采用d s p ，转而大量利用a r m 技术来实现n 6 | 。 直以来普通p c 所使用的u s b 摄像头要想在嵌入式系统中应用十分困 难。但随着嵌入式操作系统的广泛应用，嵌入式系统与p c 机上的开发技术渐 渐融合，加上近年来中星微等免驱摄像头芯片的推出，使得这个难题逐渐有了 解决之道。 由于a r m 在嵌入式微处理器市场上的主导地位，所以本课题将研究如何 把u s b 摄像头应用到基于a r m 的嵌入式系统中，同时还将研究嵌入式l i n u x 操作系统和与其相关的一系列知识。基于a r m 和li n u x 操作系统的应用开发是 西华大学硕士学位论文 近年来最为流行的- l - j 新技术，被公认为是嵌入式系统的重要发展方向。本次 研究既解决当前的主要问题，又可以为今后的进一步研究奠定基础。 1 2 国内外研究现状和发展趋势 基于a r m 处理器、l i n u x 操作系统以及通用u s b 摄像头而构成的图像采集系 统已经成为当今的研究热点。然而相对于8 位的单片机，a r m 处理器的体系结 构、软硬件设计都要复杂、困难得多，对嵌入式l i n u x 操作系统的研究正方兴 未艾。由于这些原因目前国内外对该技术的研究仍然不够深入，还有很大的研 究空间。目前国内外的研究者在利用u s b 进行图像采集时已取得的主要成就 有： ( 1 ) 由于新的l i n u x 内核自带了采用o v 5 1 1 芯片的u s b 摄像头的驱动程序， 所以采用o v 511 芯片的摄像头( 例如网眼w e b e y e 3 0 0 0 等) 己成功在嵌入式l i n u x 上得到应用。 ( 2 ) 由于市场上采用中星微z c 0 3 0 1 p 芯片的摄像头非常多，目前已经开发成 功该种u s b 摄像头的驱动程序，只需为嵌入式l i n u x 操作系统打上相应的补丁 即可使用。 然而由于u s b 摄像头的种类繁多，a r m 和l i n u x 本身的复杂性，对这个 课题的研究仍然面临很多困难，主要集中在三个方面： ( 1 ) 高速的a r m 处理器所带来的信号完整性问题。a r m 微处理器特别是 高频率的a r m 9 芯片对电源的噪声，p c b 布局布线，阻抗匹配等各方面都提 出了很高的要求，电路设计的复杂性给实现带来了很大的困难。 ( 2 ) 嵌入式操作系统的应用。在a r m 等高端的嵌入式微处理器中已广泛采 用l i n u x ，而l i n u x 操作系统所涉及的相关知识非常多，这些都给研究带来很 大的难度和挑战。 ( 3 ) 由于w i n d o w s 的统治地位，大家对l i n u x 下程序开发的积累不多。要 借助嵌入式l i n u x 操作系统实现u s b 摄像头的图像采集，面临着积累少、资 料缺乏等问题。 尽管有诸多困难，但是将u s b 摄像头应用于嵌入式系统中的趋势越来越 强，成为图像采集的一个重要发展方向。 西华大学硕士学位论文 1 3 主要研究内容、途径及技术路线 本论文的主要研究内容是： 1 高速a r m 微处理器的硬件开发，特别是如何将a r m 微处理器构建成 最小系统，扩展各种外围设备以及进行高速电路设计的方法。 2 a r m 的体系统结构与编程模型。本次研究了在a r m 上进行前后台应用 程序设计的方法，使得从裸机编程到基于嵌入式操作系统的编程转换进行得比 较平稳。在裸机上直接对硬件进行编程也是深入理解b o o t l o a d e r 、操作系统以 及驱动程序的必备基础。 3 对操作系统的原理及其运行中涉及到的进程、线程、调度等相关基础知 识进行深入研究。对嵌入式l i n u x 操作系统的构成、配置、编译、下载等各方 面进行了深入的研究。 4 针对嵌入式l i n u x 操作系统下的驱动程序开发和应用程序，图形用户界 面程序的开发进行了研究，特别是如何利用v i d e 0 4 l i n u x 进行图像采集应用程 序的开发。 本论文研究的主要途径是： 1 利用a r m 9 开发板进行操作系统移植、驱动程序与应用程序设计等各 种基础知识的学习和研究。 2 系统的原理图设计，p c b 设计，焊接组装调试。 3 进行软件移植，软硬件联调、测试及验证。 本论文研究的主要技术路线是： 先对a r m 9 开发板进行研究，理解好硬件设计和软件架构 研究p c 机上l i n u x 操作系统的安装、操作、程序设计方法 研究嵌入式操作系统的原理，进程及在其间的通信和调度 研究l i n u x 下设备驱动程序的开发方法，理解内核空问和用户空间 研究嵌入式系统的启动过程，理解b o o t l o a d e r ，内核和文件系统 研究嵌入式l i n u x 的开发环境、工具，及其配置、编译方法 研究嵌入式图形用户界面程序的开发技术 研究如何利用v i d e 0 4 l i n u x 进行图像数据的采集 西华大学硕士学位论文 1 4 本论文内容安排 第一章绪论，主要介绍研究的目的、意义、国内外发展现状，主要研究 内容、途径和技术路线。 第二章阐述了a r m 处理器的结构、性能、特点以及三星公司s 3 c 2 4 1 0 a 处理器的相关特性。重点是围绕$ 3 c 2 4 1 0 a 处理器进行的硬件电路设计，包括 存储器扩展，各种外设的连接等硬件开发的相关内容，介绍了本次论文研究的 硬件系统设计方案。 第三章对基于a r m 处理器的软件设计方法进行了研究。开始从传统的前 后台程序模式逐渐步入基于操作系统的编程模式。深入地研究了a r m 的编程 模型、嵌入式l i n u x 操作系统的基本知识、软件架构以及嵌入式系统的启动过 程。 第四章对嵌入式l i n u x 操作系统的开发环境、启动过程进行研究，重点 对引导程序b o o t l o a d e r 、操作系统内核的配置与编译，文件系统的制作等进行 研究，这些内容都是想利用嵌入式l i n u x 进行开发的重要基础。 第五章对嵌入式l i n u x 下的驱动程序开发进行研究。研究了l i n u x 下各种 类型的设备驱动程序开发方法，并介绍了网口、l c d 、u s b 接口和摄像头等驱 动程序的移植方法，这几种外设的驱动程序是我们后续将要构建的图像采集系 统中所必需的。 第六章研究如何基于嵌入式g u i 进行软件开发以及v i d e 0 4 l i n u x 。先简要 介绍了利用g u i 进行图形用户界面程序设计的方法，然后研究了如何利用 v i d e 0 4 1 i n u x 来实现对u s b 摄像头采集到的数据进行获取，最后实现了想要的 图像采集系统。 第七章对本次论文的研究进行总结和展望 西华大学硕士学位论文 2 系统硬件设计 2 1 引言 由于a r m 嵌入式c p u 的高速、低功耗、低工作电压导致其噪声容限低， 对电源纹波、瞬态响应性能、时钟稳定性、电源监控可靠性等诸多方面也提出 了更高的要求。所以基于高速a r m 处理器$ 3 c 2 4 1 0 a 的电路设计一直都是困 扰大家的难题。同时a r m 核处理器内部的外设种类繁多，高频率所带来的信 号完整性问题等都已成为开发的主要障碍。本论文针对这些难度大的领域进行 了深入的研究，展示了各模块的电路设计方法并探讨了高速电路设计中的若干 注意事项。对后续的研究、开发有着重大的指导意义和参考价值。 2 2a r m 核处理器 a r m 是a d v a n c e d 砒s cm a c h i n e 的缩写，是嵌入式微处理器的种。同 时它还是一个公司的名字，成立于英国剑桥，主要出售a r m 芯片设计技术授 权。采用a r m 知识产权0 p ) 核的微处理器都被称为a r m 处理器，如三星公司 生产的s 3 c 4 4 b o x 、$ 3 c 2 4 1 0 a ，n x p 的l p c 系列，以及a t m e l 、s t 、f r e e s c a l e 等公司推出的各种a r m 处理器。 a r m 架构是面向低预算市场的第一款r i s c 微处理器。精简指令集计算机 的体系架构使得其具有内核小、性能高、成本低和功耗低等显著优点，在各种 嵌入式系统中，取得了最广泛的应用。a r m 公司开发了很多系列的a r m 处 理器核，目前最新的系列已经是a r m l l 了，而a r m 6 核及更早的系列已经很 少见。目前比较常用的有a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、a r m l 0 系列、s e c u r c o r e 系列和i n t e l 的s t r o n g a r m 、x s c a l e 系列等等。 本次论文研究选择的处理器是$ 3 c 2 4 1 0 a ，属于a r m 9 系列。 2 3 三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 a 处理器 $ 3 c 2 4 1 0 a 是三星公司为手持设备和成本敏感的通用领域而设计的低功 耗、高集成度的、基于a r m 9 2 0 t 核的3 2 位r i s c 微处理器。为降低总的系统 成本，$ 3 c 2 4 1 0 a 集成了1 6 k b 指令c a c h e ( 高速缓冲存储器) ，1 6 k b 数据c a c h e ， 用于虚拟存储管理的m m u ，l c d 控制器，n a n df l a s h 控制器( 支持4 k b 代码 西华大学硕士学位论文 直接启动1 ，s d r a m 控制器，3 个u a r t 串口，4 通道d m a ，4 通道p w m 定 时器，1 1 7 个多功能i o 口，r t c 实时时钟，8 通道1 0 位a d c 和触摸屏接口， u s bh o s t d e v i c e ，s d m m c 卡接口以及s p i ，i i s 音频接口等n 1 。 $ 3 c 2 4 1 0 a 的内存映射图如图2 1 所示。 章o o t i m o 埘l 辛l s r a 甜t 4 k l , ： o 捌l o 聃，s d r 赫 伽g c s 7 鞠鼋o m 垮翻蝴 “嗨c s 8 _ s r o m 狮g c s s - - - - t 1 s r o m e n g c s 4 i 一 s 冀o 嘲 n g c s 嚣 s r o m # g c s 萄 _ s 甓o m ( n g c s 1 s r o m f r g c s 街 o m i t ：明= i n o l 扯t 呻n k n i n t l s t b 附b o o l r o m li u l k 喀刚帅m b l o r 附ir o m l f i g 2 1m e m o r ym a p p i n ga f t e r $ 3 c 2 4 t0 ar e s e t 图2 1 $ 3 c 2 4 i o a 复位后的内存映射图 $ 3 c 2 4 1 0 a 微处理器的地址空间是3 2 位的线性平面地址空间，其范围为 0 x o o 0 0 0 0 0 0 0 x f f f f f f f f ，其中0 x 6 0 0 0 0 0 0 0 0 x f f f f f f f 区域没有被使用。 0 x 4 8 0 0 0 0 0 0 - 0 x 6 0 0 0 0 0 0 0 区域为处理器的特殊功能寄存器区域( $ 3 c 2 4 1 0 a 的 所有片内外设的特殊功能寄存器地址都被定义在该区域内) 。在0 x 4 0 0 0 0 0 0 0 - 一 0 x 4 0 0 0 0 f f f 区域又因外部引脚o m 1 ：0 】的设置不同而有所不同。当o m i ：0 】 设置成0 1 或l o 时，c p u 将不从n a n df l a s h 启动，0 x 4 0 0 0 0 0 0 0 - - 0 x 4 0 0 0 0 f f f 区域为处理器自带的内部4 k bb o o t s r a m ，而o x 4 0 0 0 0 0 0 0 以下的区域被分成 一6 西华大学硕士学位论文 了8 个b a n k ，每个b a n k 的大小为1 2 8 m b ，处理器通过8 个片选信号n g c s 7 ：0 】 分别对8 个存储体进行寻址。其中b a n k 7 ：6 不仅可以作为s r o m ，还可以作为 s d r a m 存储器的寻址空间，而b a n k s ：0 只能作为s r o m 存储器的寻址空间， b a n k 0 被称作b o o t i n gr o mb a n k 。当o m 1 ：0 设置成o o 时，c p u 将从n a n d f l a s h 启动。因为$ 3 c 2 4 1 0 a 具有n a n df l a s h 启动功能，当c p u 复位后，会 通过n a n df l a s h 控制器将存储在外部n a n df l a s h 上起始区的4 k b 的用户程 序复制到0 地址开始的b o o t s r a m 缓冲区中，然后再从0 地址开始执行这些程 序n 1 。 2 4 各模块电路设计 本次的硬件设计为了照顾到以后的扩展需要连接了一些其它的模块，在这 里仅介绍主要的模块。系统的框图如图2 2 所示： f i g 2 2b l o c kd i a g r a mo fu s bi m a g ec a p t u r es y s t e m 图2 2u s b 图像采集系统框图 2 4 1c p t l 部分 $ 3 c 2 4 1 0 a 共有多达2 7 2 个引脚，所以在绘制原理图时，按功能将其分成 3 个部分来设计。 1 c p u l 图2 3 为$ 3 c 2 4 1 0 a 处理器的第1 部分原理图。 主要信号引脚的功能定义和说明如下： 西华大学硕士学位论文 l a d d r 2 6 ：0 ：地址总线。s 3 c 2 4 1 0 a 将存储空间以b a n k 的形式划分，一个 片选信号对应一个b a n k ，一个b a n k 的最大容量为1 2 8 m b 。所以地址总线共2 7 条。 l d a t a 3 1 ：0 ：数据总线。 l n o e ：输出( 读) 使能信号。 l n w e ：写使能信号。 n g c s 4 ：0 ：分别为b a n k o 一- - b a n k 4 的片选信号。 ti g 2 jp a t t io il - r us c l a e m a t a e 图2 3c p u l 原理图 n w a i t ：外部设备等待请求信号。该引脚需要特别注意：当没有外部设备 使用它时，须接上拉电阻( 如通过4 7 kq 电阻上拉到3 3 v ) ，否则处理器会被锁 死而不能正常工作，仿真器也将不能进入调试状态；即使有外部设备使用，也 应选择合适的上拉电阻( 一般4 7 kq 可以满足要求) 保证高电平状态的可靠。 西华大学硕士学位论文 2 c p u 2 图2 4 为$ 3 c 2 4 1 0 a 处理器的第2 部分原理图。 主要信号引脚的功能定义和说明如下： v d 2 3 ：0 ：l c d 的2 4 位数据总线，r ( 红) ，g ( 绿) ，b ( 蓝) 分别占用8 位， 顺序为从高到低。 l c d _ p w r e n ：l c d 屏电源输出使能控制信号，由特殊功能寄存器l c d c o n 5 的p w r e n 位控制，当清零时输出低电平，置1 时输出高电平。通常使用该信号 去控制l c d 的背光电源，以达到l c d 背光的亮和灭。 f 逸2 4p a r t 2o fc p u s c h e m a f i c 图2 4c p u 2 原理图 9 西华大学硕士学位论文 v c l k ：l c d 的像素时钟信号。像素是l c d 屏的最小单位，l c d 屏的驱动芯 片就是通过采集v c l k 信号来接收r g b 数据的。 h s y n c ：水平同步信号，当$ 3 c 2 4 1 0 a 的l c d 控制器发送完一行的数据后， 输出该信号告知l c d 驱动器一行的结束。 v s y n c ：垂直同步信号，当发送完一帧后，告后l c d 驱动器帧的结束。 3 c p u 3 图2 5 为$ 3 c 2 4 1 0 a 处理器原理图的第3 部分 这部分主要为外部中断和l e d 等。 f i g 2 5p a r t 3o fc p us c h e m a t i c 图2 5c p u 3 原理图 2 4 2b o ot r o m 设置和时钟电路 西华大学硕士学位论文 图2 6 为0 m 3 ：0 设置和时钟提供电路，主要信号引脚的功能定义和说明 如下： 一 f i g 2 6o m 3 ：0 】s e t t i n g sa n dc l o c kp r o v i d i n gc i r c u i t s 图2 60 m 3 ：0 设置和时钟提供电路 x t i r t c ：r t cc r y s t a l 的输入引脚，如果没有使用，则必须被接到1 8 v 。 x t 0 r t c ：r t cc r y s t a l 的输出引脚，如果没有使用，则必须悬空。 x t i p l l ：m a i nc r y s t a l 的输入引脚，如果没有使用，则必须被接到3 3 v 。 x t 0 p l l ：m a i nc r y s t a l 的输出引脚，如果没有使用，则必须悬空。 当$ 3 c 2 4 1 0 a 将b a n k 0 映射为启动引导存储器时，它的总线宽度要在第一 次被访问之前由o m 1 ：o 的值确定，也就是在系统复位之前确定。可以通过跳 线来设置o m i ：0 的状态，以使系统在表1 所列的方式中选择一种进行启动。 表1o m 1 ：0 】功能定义 o m 1 ：0 b o o tr o m 总线宽度 0 0n a n df l a s h 启动模式 0 1 1 6 位总线宽度启动模式 1 0 3 2 位总线宽度启动模式 1 1 测试模式，只在芯片出厂时使用 $ 3 c 2 4 1 0 a 可使用外部晶振或外部时钟源，时钟频率范围为1 0 一2 0 m h z 处理器可通过内部p l l 电路倍频，使系统运行速度更快，c p u 最大时钟频率 可达到通常所说的2 0 0 m h z 或2 6 6 m h z 。o m 3 ：2 设置系统主时钟m p l l 和u s b 西华大学硕士学位论文 时钟u p l l ，其设置如表2 所示： 表20 m 3 ：2 功能定义 t a b 2f u n c t i o nd e f i n i t i o no fo m 3 ：2 】 0 m 3 ：2 】 时钟模式 0 0m 【p l l = x t a l ，u p l l = x t a l 0 lm 咿l l = x t a l ，u p l l = e x 丁c l k 1 0m p l l = e x t c l k ，u p l l = x t a l 1 1m l l = e x t c l k ，u p l l = e x t c l k 2 4 3j t a g 接口电路 $ 3 c 2 4 1 0 a 为a r m 0 2 0 t 的内核，通过其内置的标准j t a g 接口，可以对其进 行在线实时仿真调试，也可以使用s j f 2 4 1 0 等烧写工具通过j t a g 接口对外部 扩展的f l a s h 存储器进行编程。目前a r m 普遍使用标准的l o 针j t a g 接口，如 图2 7 所示为本系统的j t a g 接口电路原理图。 t a g 信号中除t d o 不需要上拉 电阻外，其他的都必须接l o kq 的上拉电阻。 f i g 2 7s c h e m a t i co f j t a gi n t e r f a c e 图2 7j t a g 接口原理图 2 4 4n a n df l a s h 存储器 由于n o rf l a s h 的价格远高于n a n df l a s h ( 在相等容量的情况下) ，所以在 一般的应用中，常将代码存放在n a n df l a s h 中，而在s d r a m 中执行。图2 7 示出了本系统中n a n df l a s h 与c p u 的接口原理图。 西华大学硕士学位论文 $ 3 c 2 4 1 0 a 集成了具有n a n df l a s h 启动功能的控制器，不需要额外增加外 部的控制器或利有软件模拟时序即可扩展大容量的n a n df l a s h 存储器，且可 以通过配置o m 1 ：o 引脚选择系统复位后直接从n a n df l a s h 启动用户代码。 n n df l a s h 、竺! ：! 竺严 c l e 1 6 c l ev c c 1 2 a l e1 7 型r 3 、3 9 村e9 a l ev c c n f p 互 8 nce小p n r e 47 k n i n 7 ，e 1 84 4l d a t 矗7 n w l e1 0 7 1 0 6 4 3l d a t a 6 蓼n f 1 0 5 4 2l d a t a 二 一哭 啪 7 i ( m 4 1l d 且t a 4 r 向b1 0 3 3 2l d a t a 3 4 7 k 1 0 2 3 ll d a t 鱼2 1 3 覃s si o l 3 0l d a t a l 2 9l d a t a o 匠 v s s1 0 0 ? k g x x x 弼 f i g 2 8i n t e r f a c ec i r c u i tb e t w e e nn a n df l a s ha n ds 3 c 2 4 1 0 a 图2 8n a n df l a s h 与$ 3 c 2 4 1 0 a 接口电路 n a n df l a s h 不同于n o rf l a s h ，它是非线性存储器，即不是通过线性、连 续的地址进行寻址，而是通过指令对其进行如读、写、块擦除等各种操作的， 而指令、地址、数据又都通过8 位i o 端口进行传输，这样有效减少了引脚数 量，也能保持不同容量在引脚、封装上的兼容性，以利于升级。 2 4 5s d r a m 存储器 相比于常规的s r a m ，新型的s d r a m 存储器有着更快的存取访问速度，在高 端的嵌入式系统中应用广泛。$ 3 c 2 4 1 0 a 集成了s d r a m 控制器，所以不需要额外 增加$ d r a m 控制器，就可以直接和s d r a m 相连接。在$ 3 c 2 4 1 0 a 的存储控制器 ( m e m o r yc o n t r o ll e r ) 的8 个b a n k 中，b a n k 6 ( n g c s 6 ) 和b a n k 7 ( n g c s 7 ) 是支持 s d r a m 存储器的。在实际应用的系统中通常都将b a n k 6 作为s d r a m 的存储空间， 固定起始地址为0 x 3 0 0 0 0 0 0 0 。在为$ 3 c 2 4 1 0 a 设计s d r a m 电路时常采用两片1 6 位的3 2 m bs d r a m 组成3 2 位的6 4 m bs d r a m 存储系统，当然，3 2 m b ( 2 片1 6 m b ) 和1 2 8 m b ( 2 片6 4 m b ) 的也有，根据实际的内存需求确定。 图2 8 示出了本系统中的s d r a m 接口原理图。 西华大学硕士学位论文 f i g 2 9i n t e r f a c ec i r c u i to fs d r a m 图2 9s d r a m 的接i ：1 电路 本系统中确定s d r a m 存储器的总容量为6 4 m b ，总线宽度为3 2 位，我们选 择2 片2 5 6 1 d b i t ( 3 2 m b ) 的k 4 s 5 6 1 6 3 2 来实现。因为$ 3 c 2 4 1 0 a 是3 2 位的处理器， 外部总线( 数据线) 也是3 2 位的，为了最大限度地发挥性能，内存最好也是3 2 位的，但市面上很少有3 2 位宽度的单片s d r a m ，所以这里将两片1 6 位的s d r a m 拼接起来使用。 2 4 6 调试串口 $ 3 c 2 4 1 0 a 集成了3 个u a r t ( 通用异步串行收发器) ，在实际应用中通常将 u a r t 0 作为调试串口。其中u a r t 0 的n r t s 和n c t s 信号引出以支持自动流控制 ( a f c ) 的应用，在a f c 中，n r t s 由接收器的接收情况来控制，n c t s 则控制了发 送器的工作。由于$ 3 c 2 4 1 0 a 是3 3 v 系统，所以使用工作电压范围为3 0 ，- - 5 5 v 的m a x 3 2 3 2 进行r s 2 3 2 电平的转换。 调试串口的电路原理图如图2 9 所示，在这里我们选择了f e m a l e 的连接 器，所以应该通过串口延长线与p c 相连，而不是交叉后的串口线。串口是嵌 入式系统中重要且基本的通信接口，利用串口与p c 进行通信，使得嵌入式系 统能与用户进行有效交互。典型的嵌入式系统都是通过串口来进行终端模拟， 使得嵌入式系统有了自己的标准输入设备和输出设备。通常利用w i n d o w s 里的 西华大学硕士学位论文 超级终端或l i n u x 下的m i n i c o m 程序对目标板进行控制与信息显示。 f i g 2 10s e f i mp o r tu a r t 0 图2 1 0 串口u a r t 0 2 4 7 复位电路 图2 1 1 示出了系统的复位电路图，为使系统的复位更加可靠，选择了专 用的电源监控芯片m a x 8 1 1 来实现。 f i g 2 11r e s e tc i e u i t 图2 1 1 复位电路 2 4 8u s bh o st d e v i c e $ 3 c 2 4 1 0 a 集成了u s b l 1 版本的两个h o s t ( 主机) 和一个d e v i c e ( 从设备) ， 其中h o s t l 和d e v i c e 0 是复用的。如图2 1 1 所示为它们的接口原理图 串接在u s b 的d 一和d + 上的2 2q 电阻可为处理器的引脚提供阻抗匹配和限 流保护等功能。h o s t 数据线( d 一和d + ) 的1 5 kq 下接电阻和d e v i c e 的d + 数据线 的1 - 5 k q 上拉电阻是u s b 的标准，主要用于u s b 设备的插入检测。在u s b 全 速和高速设备中d + 接1 5 kq 的上拉电阻，低速设备则将上拉电阻接到d 一上。 西华大学硕士学位论文 h o s t 的数据线由于下拉电阻的作用，平时保持在低电平状态；当插入d e v i c e 时，d e v i c e 数据线d + ( 或d 一) 的1 5 k q 上接电阻会将h o s t 的d + ( 或d 一) 上的电 平拉高，此时u s bh o s t 控制器就检测到了d e v i c e 设备的插入，开始发送枚举 信号与设备进行握手。d e v i c e 的d _ 脚的4 7 0 kq 电阻是$ 3 c 2 4 1 0 a 用户手册上 要求的。 f i 番2 1 2u s bh o s t d e v i i n t e r f a c e 图2 1 2u 踮h u t d e v i c e 接口 2 4 91 0 0 i l 以太网 d m 9 0 0 0 a e 是台湾d a v i c o m 公司的一款1 0 1 0 0 m 网卡芯片，与c s 8 9 0 0 a 相比， 它不仅为1 0 0 m 的以太网，而且具有引脚更少( 4 8 p i n ) ，a u t o - m d i x ( 自动翻转) 等特点，价格也不高。如图2 1 3 所示为它的接口电路图 西华大学硕士学位论文 f i g 2 1 31 0 0 me t h e m e ti