（信号与信息处理专业论文）基于at91rm9200的数字调音台主控模块的设计与实现.pdf

摘要 摘要 随着微电子、计算机和网络技术的快速发展，嵌入式系统正以惊人的速度进 入到人类生活的各个方面，影响着人们的工作与生活的方式。新一代数字调音台 正是利用嵌入式微处理器和网络技术所组成的嵌入式系统。 本文详细探讨了嵌入式数字调音台的软、硬件系统的开发过程。首先简要介 绍了嵌入式系统的定义、特征和基本构成以及调音台的基本功能。然后给出了本 课题所要设计的数字调音台的构成及特点，并根据调音台的功能对整个系统进行 了模块划分，将其分为：音频处理模块、主控模块及通道模块等三大部分。本论 文就其中的主控部分进行了详细研究，具体包括；主控模块的硬件电路设计、调 试及嵌入式l i n u x 操作系统的移植，以及根据l i n u x 系统下设备驱动的基本理论， 各外部扩展设备的接口电路设计及其在l i n u x 系统下的驱动编程。最后，对整个 系统的设计和存在的问题做了一个分析总结。 本课题所研究的新一代数字调音台的特色之处在于其充分利用了网络技术。 调音台的主控模块和音频处理模块之间通过以太网相连，主控通过s n m p ( 简单网络 管理协议) 可以对处理模块进行各种控制以及获取其相关的各种运行状态。通道子 模块与主控模块之间则通过c a n 总线组成一个非对称型主从式网络结构。子模块 将各通道的参数设置及其它数据通过c a n 总线传递给主控模块，然后主控再通过 s n m p 协议传递给音频处理模块，同时，主控也可将处理模块的各通道运行状态通 过s n m p 协议获取后再通过c a n 总线传递给通道子模块。 将音频处理模块和主控模块均接于以太网上，可以实现设备的分布式设计， 同时还便于设备的程序升级和远程维护。主控模块和通道予模块所组成的c a n 主 从网络则有利于通道子模块的扩展，以便于满足各种实际通道数的需求。 关键词：a r m 9 ；嵌入式l i n u x ；设备驱动；嵌入式系统 a b s u l c t a b s t r a ( 玎 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i c r o - e l e c t r o n i c s , c o m p u t e ra n dn e t w o r kt e c h n o l o g y , e m b e d d e ds y s t e m sa r ee n t e r i n g0 1 1 1 f i v e sb yas t r i k i n gs p e e da n da r ea f f e c t i n gt ot h ew a y t h a tw ef i v ea n dw o r k t h en e wg e n e r a t i o no fd i g i t a la u d i om i x e ri sj u s tt h ee m b e d d e d p r o d u c tw h i c hi sm a d eu p b yt h em i c r o - p r o c e s s o ra n dn e t w o r kt e c h n o l o g y t h ep r o c e s so ft h eh a r d w a r es y s t e ma n ds o f t w a r es y s t e md e v e l o p i n gi si nd e t a i l d i s c u s s e di n t h i s p a p e r f i r s t l y , t h ed e f i n i t i o n , c h a r a c t e r , b a s i sc o m p o s i n go ft h e e m b e d d e ds y s t e ma n dt h eb a s i cf u n c t i o no ft h ed i g i t a la u d i om i x e ra r ei n t r o d u c e di n s h o r t s e c o n d l y , t h ec o m p o s i n ga n d c h a r a c t e r i s t i c so ft h em i x e rt od e s i g na r ep u tu pi n t h i s p a p e r t h ew h o l es y s t e mi s d i v i d e di n t ot h r e ep a r t sa c c o r d i n gt ot h em i x e r s f u n c t i o n ：t h ea u d i op r o c e s s i n gm o d u l e ，t h em a i nc o n t r o l l i n gm o d u l ea n dt h ec h a n n e l m o d u l e t h ed e s i g n i n go ft h em a i nc o n t r o l l i n gm o d u l ei sm a i n l yd i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h i r d l y , t h ed e s i g n i n go ft h eh a r d w a r es y s t e ma n dt h et r a n s p l a n to ft h ee m b e d d e dl i n u x o si si n t r o d u c e dt o o f o u r t h l y , t h eb a s i st h e o r yo ft h ed r i v e rp r o g r a m m i n gu n d e rt h e l i a n xo si si n t r o d u c e d a n dt h ed e s i g no ft h ep e f i p h e r a li n t e r f a c ea n dh o wt op r o g r a m t h ed e v i c ed r i v e ri sa l s oe x p l a i n e d a tl a s t ，i ts u m m a r i z e st h ew h o l ed e s i g na n dp u t f o r w a r ds o m ed e f i c i e n c ya n di n s u f f i c i e n c yw i t c hn e e dt oi m p r o v ei nl a t c r t a k e nf u l la d v a n t a g eo ft h en e t w o r kt e c h n o l o g yi st h em a i nf e a t u r eo ft h ed i g i t a l a u d i om i x e rw h i c ht h i sp a p e rc o v e l _ s t h em a i nc o n t r o l l i n gm o d u l ea n dt h ea u d i o p r o c e s s i n gm o d u l ea r ea nc o n n e c t e dt ot h ee t h e m e t t h em a i nm o d u l ep e r f o r m sa l l k i n d so fc o n t r o l l i n go p e r a t i o n sa n do b t a i n ss t a t u so ft h ep r o c e s s i n gm o d u l e t h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h em a i na n dt h ep r o c e s s i n gm o d u l ei st h r 0 1 i g ht h ee t h e r n e t a n db yt h es n m p ( s i m p l en e t m a n a g e rp r o t o c 0 1 ) i tb u i l d s 叩ap r i n c i p a la n d s u b o r d i n a t en e t w o r kb yc a nb u sb e t w e e nt h em a i nm o d u l ea n dt h ec h a n n e lm o d u l e s t h ec h a n n e lm o d u l e sg e tt h ep a r a m e t e rs e u i n g sa n dd a t ao fe a c hc h a n n e la n ds e n dt h e m t ot h em a i nc o n t r o l l i n gm o d u l ea n dt h em a i nc o n t r o l l i n gm o d u l es e n d st h e mt ot h ea u d i o p r o c e s s i n gm o d u l eb ys n m pi fn e c e s s a r y a tt h es a m et i m e ，t h em a i nc o n t r o l l i n g m o d u l ea l s oo b t a i nt h es t a t u so fe v e r yc h a n n e lf r o mt h ep e r f o r m i n gm o d u l eb ys n m p a n ds e n d st h e mt oc h a n n e lm o d u l eb yc a nb u s i tc a na c h i e v et h ed i s t r i b u t i n gd e s i g no fm i x e rw h e nt h em a i nc o n t r o l l i n gm o d u l e a n dt h ep r o c e s s h a gm o d u l ea r ec o n n e c t e dt ot h ee t h e r n e ta n da tt h es a m et i m ei tc a l l u p d a t et h ep r o g r a ma n dm a i n t e n a n c et h ed e v i c e a tl o n g - d i s t a n c e 皿ep r i n c i p a la n d s u b o r d i n a t en e t w o r kb yc a nb u sb e t w e e nt h em a i nc o n t r o l l i n gm o d u l ea n dt h ec h a n n e l m o d u l e si sc o n v e n i e n c et ot h ee x p a n d i n go ft h es u bc h a n n e lm o d u l e s ，t h u si ti se a s yt o c h a n g et h en u m b e ro f 也es u bc h a n n e l m o d u l ea c c o r d i n gt h ea c t u a ln e e d k e y w o r d s ：a r m 9 ，e m b e d d e dl i n u x ，d e v i c ed r i v e r , e m b e d d e ds y s t e m 1 1 1 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： 盔：煎日期：血孵f 月6 日 关于论文使用授权的说明 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：摹立璋导师签名：垒垒垒 日期：p 0 7 年月日 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 当今嵌入式系统技术发展迅速，已进入到人们生活的各个方面。根据i e e e ( 国 际电气和电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“用于控制、监视或辅助操作机 器和设备的装置”( d e v i c e su s e dt oc o n t r 0 1 m o n i t o r , o ra s s e tt h eo p e r a t i o no f e q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 。可以看出，此定义是从应用上考虑的，嵌入式系 统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置【1 1 。 嵌入式系统它以应用为中心，以微电子、控制技术、计算机技术和通信技术 为支撑。与桌面微机系统不同，嵌入式系统没有标准化的体系结构，其硬件平台 和运行在该平台上的软件都是根据需要而定制的，并且嵌入式系统常常用于关键 设备的控制，对实时性和可靠性有着严格的要求，因此嵌入式系统更强调软硬件 的协同性与整合性，以满足系统对功能、成本、体积和功耗等多方面的要求【3 】。 嵌入式系统有三个明显的特征：专用性、实时性和可靠性。专用性是指嵌入 式系统用于特定的设备完成特定的任务。实时性是指与实际事件的发生频率相比， 嵌入式系统能够在可预知的极短时间内对事件或用户的干预做出响应。可靠性是 指嵌入式计算机嵌入到系统或设备，用户一般不直接接触控制，因此一旦工作就 要求它可靠运行。 嵌入式系统通常由硬件和软件两部分组成。其中，硬件系统包括嵌入式处理 器、存储器、i o 系统和配置必要的外围接口部件，软件系统一般包括操作系统和 应用软件。嵌入式系统的开发工具也可以分为硬件开发工具和软件开发工具，硬 件开发工具有在线实时仿真器和其它检测工具( 万用表、示波器等 。软件开发工 具包括编辑、交叉编译、链接、定位和调试软件等。 嵌入式系统的软硬件框架如图1 - 1 所示： 电子科技大学硕士论文 1 2 调音台发展及现状 图1 - 1 嵌入式系统软硬件框图 调音台( a u d i om i x i n gc o n s o l e ) 在扩声系统和影音录音中是一种经常使用 的设备。它具有多路输入，每一路的声信号可以单独进行处理，例如：可放大， 作高音、中音、低音方面的音质补偿，给输入的声音增加韵味，对该路声源泉做 空间定位等；还可以进行各种声音的混合，混合比例可调；拥有多种输出( 包括 左右立体声输出、编辑输出、混合单声输出、监听输出、录音输出以及各种辅助 输出等) 。调音台在诸多系统中起着核心作用，它既能创作立体声、美化声音，又 可抑制噪声、控制音量，是声音艺术处理必不可少的一种设备【2 1 【4 l 【5 】嗍。 调音台按功能大致分为：现场扩声调音台、录音棚制作调音台、直播播出调 音台、广播电视转播车演播室调音台等。它们之间没有严格的界限，同一种调 音台也可以用在多个场合。 调音台的发展大致经历了从模拟调音台到数字调音台两个阶段。模拟调音台 出现较早，其接口及内部数据处理均为模拟形式。随着微电子技术的快速发展， 2 第一章绪论 微处理器的功能愈来愈强大，调音台也开始从模拟式向数字式转化，出现了一系 列的数字调音台。 数字调音台尤其适合于对编程和直接调用性能要求非常严格的场合。数字调 音台的最大特点不只是简单的在其内部对各种音频信号的处理进行了数字化转 换，更在于其场景记忆功能，数字调音台一般都有强大的场景记忆功能，如：y a m a h a p m 5 d 可存储多达5 0 0 种场景。其次，还在于其母线编组和“翻页”功能。通过母 线编组可以完成从3 1 到6 1 模式的环绕声控制，“翻页”功能则大大扩展了通道 的控制功能。再次，数字调音台还有更为友好的显示控制界面，其各种参数、状 态一般显示到l c d 、v g a 、o l e d 等显示器上，可以做到更加人性化【9 1 【1 3 1 1 1 4 1 。 数字调音台目前已开始进入第三代，第一代输入和输出接口都是模拟的，信 号进来只做数字转换，内部通过c p u 处理，再进行d a 转换送出；第二代是全数 字接口，不用进行a d 和d a 转换，通过d s p 可以处理2 4 b i t 、3 2 k h z 、4 8 k h z 等 音频信号；第三代在第二代的基础上，融入了网络化和智能化的概念。当前，数 字调音台正由第二代向第三代过渡，并出现了多款网络化数字调音台。目前，比 较典型的网络调音台有d h dr m 4 2 0 0 d ，其专门为广播应用而设计，是一种分体式调 音台，可以根据用户的要求进行积木式搭接，另外e u p h o n i xs y s t e m5 也是一款 功能强大的网络化数字调音台，但其用途更广，可用于h d t m 、音乐录音、电视播 出、影视后期制作等吼1 0 1 1 s l t g l 。 本课题所设计的新一代数字调音台是将嵌入式系统技术和数字调音台相结合 的一种产物，是一款新颖的智能化、网络化的第三代产品。它不仅在调音台的内 部各种信号的处理实现数字化，而且引入嵌入式操作系统，使调音台的功能变得 更为强大，界面也更加友好，操控也更加容易，而且可以满足各种个性化需求。 将当今快速发展的嵌入式系统技术应用到数字调音台的设计，使调音台模块 化、网络化和智能化，具有广泛的实用价值和巨大的实际意义。 1 3 本论文的整体结构 本论文主要介绍了基于a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器的数字调音台主控制模块的整体开 发流程，从系统的整体架构设计，器件的选型，硬件电路设计，操作系统的移植、 驱动编程及应用程序的编写都有所论述。论文的具体章节安排如下： 第一章绪论对本课题所采用的嵌入式系统技术做了一个简单的介绍，然后 分析了本课题的背景、现状、研究的内容和意义，最后说明了本论文的组织结构。 3 电子科技大学硕士论文 第二章主要提出了系统的整体功能，并对其作了功能模块的划分，给出了整 个系统的功能模块图。 第三章详细描述了基于a t 9 1 r m 9 2 0 0 的主控模块的硬件电路的设计，包括其最 小系统、外围电路及各种接口的设计。探讨了在硬件设计过程中所涉及到器件的 选型、外设地址的安排、p c b 版图的设计以及电路的调试等。 第四、五章两章详细介绍了主控模块的软件设计。其中，第四章着重描述了 l i n u x 操作系统的基本特征、移植方法、编译步骤及根文件系统的制作。第五章则 在分析了l i n u x 设备驱动的分类，字符驱动编写的基本方法的基础上，介绍了主 控模块的键盘、c a n 总线接口、o l e d 显示屏及a d 的接口设计及其驱动的编程过 程。 第六章对本课题的设计作了分析总结，并对其应用前景作了展望。 4 第二章系统功能设计 2 1 系统整体功能介绍 第二章系统功能设计 调音台是用来对音频信号进行调节、处理、分配和控制的电声设备，是音响 系统的重要组成部分。调音台一般由输入、输出、控制和信号显示等几大部分组 成l ”。因此，这里将整个调音台系统分成三个部分：音频处理模块、主控制模块 及通道模块。其中，音频的输入、输出均接到音频处理模块，音频处理模块和主 控制模块之间通过s n m p 协议进行通信，主控和通道模块之间则通过c a n 总线进行 连接，系统的整体结构如图2 - 1 所示。 音频输出 s n m p 协议 c a n 总线 图2 - i 系统整体结构 在整个系统中，音频处理模块与主控模块均通过网口连接到以太网上，它们 之间通过s n m p 协议通信，这样首先实现主控和被控分离，方便远程操作。其次， 利用现在广泛使用的以太网络，可以大量节省成本，同时也可以轻松实现设备的 远程维护，实现软件的自动更新等。最后，客户在遵循设备的s n i i p 协议的条件下， 可容易的开发出满足自己特定需求的被控设备音频处理模块。 由于一般调音台通道众多( 一个中等型号的调音台音频输入通道数一般为 1 2 4 8 个，大型的则更多) ，为此，这里将4 个音频输入通道集成一起作为一个通 道子模块，其各种数据的处理通过一个微控制器完成。若干个通道子模块连接在 5 电子科技大学硕士论文 一起即可组成整个通道模块部分。各通道子模块及主控模块均挂到c a n 总线上， 利用c a n 总线的特性组成一个主从式网络结构，这样整个通道模块将具有很好的 扩展性。 2 2 系统各模块功能设计 整个系统被分为三大模块：音频处理模块、主控模块以及通道模块。音频处 理模块采用高性能的数字处理芯片，负责对音频信号的各种变换和处理，主控模 块和通道模块则作为人机交互部分，负责接收各种控制和命令以及显示各种系统 参数。系统各模块的主要功能如下： 音频处理模块 提供多路音频输入、输出接口，直接对各路音频输入信号进行各种实时处理， 包括增益调节、均衡补偿、声像调节以及混合等，最后输出。音频处理模块 通常为功能强大的处理器平台，如：p c 机、高性能d s p 系统及媒体矩阵等。 音频处理模块的性能对系统音频处理的效果起关键性的影响。 主控模块 主控模块作为人机交互的一部分，它有一个2 7 按键的小键盘、多个参数调节 旋钮以及一个显示屏。它主要负责接收各种控制信息并将其通过以太网传递 给音频处理模块，同时获取音频处理模块的各种状态，并加以显示。此外， 主控模块作为整个交互部分的中枢，它还接收通道模块传递的各个通道的控 制信息，并将其传递给音频处理模块。对于系统中各通道的参数设置，主控 部分设有专门的存储区域，用于设备参数的掉电保持和场景记忆。 通道模块 通道模块由多个通道予模块通过c a n 总线串接而成，每个通道子模块均有一 个微控制器、一个显示屏以及一个c a n 总线接口，负责接收4 个输入通道的 参数设置，状态显示等，同时各通道子模块与主控模块组成一主从式网络， 通过c a n 总线进行各种参数和数据的相互传递。 2 3 本章小结 本章首先给出了所要设计的调音台系统的整体功能，然后依据所要实现功能 将调音台系统其划分为三个功能模块，并给出了每一个功能模块所要实现的功能。 6 第三章系统硬件设计 3 1 处理器的选型 第三章系统硬件设计 各种类型的嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。现在几乎每个半导体制 造商都生产嵌入式处理器，越来越多的公司有了自己的处理器设计部门。据不完 全统计，全世界嵌入式处理器已经超过了1 0 0 0 种，流行的体系结构有3 0 多个系 列。现在流行的观点一般将嵌入式处理器分为以下几类【3 】： 嵌入式微处理器 嵌入式微处理器( m i c r o p r o c e s s o r u n i t ，m p u ) 是由通用计算机中的c p u 演变 而来的。在应用中，通常将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留与 嵌入式有关的功能，这样可以大幅度减小系统的体积与功耗。为了满足嵌入 式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准处理器基本一样， 但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般作了各种增强。主流芯片有 a r m 、p o w e r p c 、a m l 8 6 8 8 、6 8 0 0 0 、m i p s 系列等。 嵌入式微控制器 嵌入式微控制器( m i c r oc o n t r o lu n i t ，m c u ) 的典型代表是单片机。微控制器 的片上资源一般比较丰富，适合于控制，是目前工业嵌入式系统的主流处理 器。比较有代表性的微控制器有：8 位的m c s - 5 1 系列单片机，1 6 位的m s p 4 3 0 系列单片机。 嵌入式数字信号处理器 嵌入式数字处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , d s p ) 是专门用于信号处理方面 的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，适合执行d s p 算 法，编译效率较高，指令执行速度也很快。其代表产品是1 1 公司的t m s 3 2 0 系列和m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 0 0 0 系列。 嵌入式片上系统 随着v l s i 设计的普及化及半导体工艺的迅速发展，可以在一块硅片上实现一 个更为复杂的系统，这就是片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 。片上系统对减 小体积和功耗，提高可靠性非常有利。 7 电子科技大学硕士论文 基于成本和可获取资源的考虑，本系统选择在嵌入式l i n u x 操作系统下开发。 l i n u x 作为一个开源系统，可供利用的资源非常丰富并且费用相对于商业操作系统 要低得多。另外，由于系统中有大量数据需经由网络传输，这要求处理器有较强 的网络功能和较高的数据处理能力，而a t 9 1 r m 9 2 0 0 有内置的1 0 0 m 以太网接口， 且其运行速度可达2 0 0 m i p s ，因而最终选择了a r m 9 系列的a t 9 1 r m 9 2 0 0 作为本 系统的嵌入式微处理器。 3 1 1a r m 处理器简介 a r m 代表一类处理器，同时也是一个公司的名称。a r m 公司于1 9 9 0 年1 1 月在英国剑桥成立( 原名a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ) ，它是全球领先的1 6 ，3 2 位嵌入 式r i s c 处理器解决方案供应商，向全球各大领先电子公司提供高性能、低成本和 高效率的r s i c 器件、外设和系统芯片授权【3 】o a r m 微处理器核技术广泛应用于便携式通信产品、手持运算、多媒体和嵌入 式解决方案等领域，已成为r i s c 标准。a r m 处理器核是系统的引擎，它从存储 器读取a r m 或t h u m b 指令并执行这些指令。目前基于a r m 核的处理器有以下 几类： a r m 7 家族 a r m 9 家族 a r m 9 e 家族 a r m l 0 e 家族 a r m l l 家族 s e e u r c o r e 家族 o p t i m o d e 数据引擎内核 m p c o r e 多处理器家族 i n t e l 公司的s t r o n ga r m x s c a l e 从编程的角度看，a r m 处理器的工作状态一般有两种，并可在两种状态之间 进行切换。第一种为a r m 状态，此时处理器执行3 2 位的、字对齐的a r m 指令。 第二种为t h u m b 状态，此时处理器执行1 6 位的、半字对齐的t h u m b 指令。 a r m 处理器一般支持以下7 种运行模式闭： ( 1 ) 用户模式( u s r ) ：a r m 处理器正常的程序执行状态。 ( 2 ) 快速中断模式( f i q ) ：用于高速数据传输或通道处理，快速中断处理。 第三章系统硬件设计 ( 3 ) 外部中断模式( 珉q ) ：用于通用的中断处理。 ( 4 ) 管理模式( s v c ) ：操作系统使用的保护模式，用于软件中断和重启，一般操 作系统运行于该模式。 ( 5 ) 数据或指令访问终止模式( a b t ) ：当数据或指令访问终止时进入该模式，可 用于虚拟存储及存储保护。 ( 6 ) 系统模式( s y s ) ：运行具有特权的操作系统任务，与用户模式共用寄存器， 但是权限比用户模式高。 ( 7 ) 未定义( u n d e f ) ：用于处理没有定义的指令，可在该模式中用软件来模拟硬 件功能，比如浮点运算。 在这7 种模式中，除了用户模式之外的其它6 种处理器模式均称为特权模式 ( p r i v i l e g em o d e ) 。在特权模式下，程序可以访阎昕有的系统资源，也可以任意地 进行处理器模式的切换。但在这些特权模式中，除系统模式外，其它5 种模式又 被称为异常模式。每一种运行模式原则上说都有自己的一组寄存器r 0 r 1 5 ，不过 某些状态下的一些寄存器是复用的，内核模式与寄存器的关系如表3 - 1 所示。 处理器模式可以通过软件控制进行切换，也可以通过外部中断或异常处理过 程进行切换。大多数的用户程序运行在用户模式下，这时应用程序不能访问一些 受操作系统保护的系统资源，应用程序也不能直接进行处理器模式的切换。当需 要处理器模式切换对，应用程序可以产生异常，在异常处理的过程中进行处理器 模式的切换。这种体系结构可以使操作系统控制整个系统的资源。 a r m 处理器核中共定义了3 7 个编程可见的寄存器，每个寄存器的长度均为 3 2 位。总体上可以将它们分为两大类：通用寄存器和状态寄存器。 ( 1 ) 通用寄存器 通用寄存器可以分为未备份寄存器( t h eu n b a n k e dr e g i s t e r s ) 、备份寄存器( t h e b a n k e dr e g i s t e r s ) 和程序寄存器p c 三种。 未备份寄存器( 也称为未分组寄存器) 包括r 0 - r 7 。对于每一个未备份寄存 器来说，在所有处理器模式下指的都是同一个物理寄存器。 备份寄存器( 也称为分组寄存器) 包括r 8 r 1 2 。对于备份寄存器，它们每次 所访问的物理寄存器与处理器当前的运行模式有关，也就是它们的每个寄 存器都对应多个物理寄存器。对于备份寄存器r 1 3 和r 1 4 来说，每个寄存 器对应6 个不同的物理寄存器，其中一个是用户模式和系统模式共用的； 另外5 个对应于处理器其它5 种运行模式。寄存器r 1 3 常用作栈指针，在 a r m 指令集中。这是一种习惯用法，用户也可以使用其它寄存器作为栈 9 电子科技大学硕士论文 指针；而在t h u m b 指令集中，有一些指令强制使用r 1 3 作为栈指针。寄 存器r 1 4 又被称为连接寄存器( l r ，l i n kr e g i s t e r ) ，当系统中发生子程序 调用时，用r 1 4 来记录返回地址。如果返回地址已经保存在堆栈中，则该 寄存器也可以用于其它用途。 程序寄存器r 1 5 又被记为p c ，用于记录程序当前的运行地址。a r m 处理 器每执行一条指令，都会把p c 增加4 字节( t h u m b 模式为2 字节) 。此外， 相应的分支指令( 如b l 等) 也会改交p c 的值。 ( 2 ) 状态寄存器 包括当前处理器状态寄存器( c p s r ：c u r r e n tp r o g r a ms t a t u sr e g i s t e r ) 和程序 状态备份寄存器( s p s r ：s a v e dp r o g r a ms t a t u sr e g i s t e r ) 两种。c p s r 可以在任何 工作模式下被访问。s p s r 只有在异常模式下才能被访问。 表3 1 内核模式与寄存器的关系 u s e f a n d l a s t s y s t e m s u p e r v i s o r u n d e f i n e dt r l t e f r 嘲i n t e r r u i p t m o d em o d ea b o r t m o d em o d e m o d em o 曲 r or dr 0勉r o r o r 1 r 1r 1r 1r 1 r 1 慰r 2恕 勉慰r 2 辩r 3r 3r 3 晒r 3 r 4r 4烈 r 4r 4r 4 瓢r 5 r 5衢r 5 r 5 晒 r 6 舶 r 6硒r 6 f t r 7孵鼾 r 7r 7 黜尺a翘r 8r 8；”醯舅够” 辩晒鹃 鼬融 ： r 殴f 瓣 r 1 0r 1 0r 1 0r 1 0 r 1 0 ? r i o _ f 晒i r 1 r 1r 1 r 1 1r 1r 1 l 截qj r 1 2r 1 2 r 1 2 r 1 2只1 2：r 1 2 _ 司q ! r 4 期3 ：。 r 1 3 _ s , c”融轴8 ( 辩t r 1 3u n d e f 4 7 r 1 3 _ i r q 。”刚3 _ - f i q 。 。r 1 4 ，。j ? r 1 4 _ s g c , o 。 黝4a b o p 珏 刚4 u n d f j ：_ 。尉4 _ 1 r 建。剐 i q 。纛 p cp cp c ,p c p cp c 匿雹u 0 d e - s t m c m e a r t e d 嗍 第三章系统硬件设计 3 1 2a t 9 1 r m 9 2 0 0 简介 a t 9 1 r m 9 2 0 0 是a t m e l 公司推出的一款基于当前流行的a r m 9 2 0 t 内核的3 2 位 r i s c 微处理器，工作在1 8 0 m i z 频率下的运算速度可达2 0 0 m i p s 。该处理器专门 针对系统控制及通讯等领域的应用而设计，其主要功能如下； ( 1 ) 融合了a r m 9 2 0 0 t m a r m ) t h t t m b 。处理器 工作于1 8 0 m h z 时性能高达2 0 0 m i p s 带有m m u ( m e m o r ym a n a g eu n i t ) 内存管理单元，可以支持w i n d o w sc e 、 嵌入式l i n u x 等多种嵌入式操作系统 1 6 k 字节的数据缓存、1 6 k 字节的指令缓存、写缓存器 ( 2 ) 外部总线接口( e b i ) 支持s d r a m 、静态存储器、b u r s tf l a s h 、无缝连接的c o m p a c tf l a s h 。、s m a r t m e d a t m 及n a n df l a s h ( 3 ) 增强功能的系统设备 7 个外部中断源及1 个快速中断源 4 个3 2 位的p i o 控制器及可达1 2 2 个可编程的i o 口线，各口线均有输 入变化中断及开漏输出能力 2 0 通道的外设数据控制器( d m a ) 内置m a c 的1 0 1 0 0b a s e - t 型以太网卡接口 全速( 1 2 m 比特秒) u s b 2 0 主端口2 个及器件端口1 个 ( 4 ) 良好的工作特性 工作温度( 工业级1 ：4 0 + 8 5 内核工作电压l 8 v 、i o 供电电压3 3 v ，其最大输出电流8 m a ( 5 ) 四种工作模式 正常模式、低能模式、休眠模式及停止模式 由上可见，a t 9 1 r m 9 2 0 0 是一款性价比极高的微处理器，它集成了丰富的外 围功能模块，可满足多种应用场合，适宜于实时控制，可以支持实时操作系统 ( r t o s ) ，为需要多功能、低成本、低功耗的计算密集型应用提供了一个单芯片 级的解决方案。经过反复比较最终选择了a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器作为系统主制模板 核心处理器，a t 9 1 r m 9 2 0 0 芯片的功能结构如图3 - 1 所示。 1 1 电子科技大学硕士论文 3 2 系统整体硬件架构 图3 - 1a t 9 1r m 9 2 0 0 功能结构 主控模块是数字调音台的核心模块之一，在整个调音台系统中起着控制中枢 第三章系统硬件设计 的作用，其主要功能如下： 获取主控模块自身的对音频处理模块的控制信息( 主要来自键盘、旋钮和 推子) ，并通过s n m p 协议将其传递给音频处理模块 对自身及各通道子模块中的任意通道进行各种参数设置 通过o l e d 屏及l e d 灯对系统的参数、状态加以显示和指示 利用c a n 总线接收来自各子模块中的各个通道的数据与命令，并将其通 过s n m p 协议传递给音频处理模块 接收来自p c 的对各通道参数的设置( 如：通道命名、e q 设置等) ，如果 通道位于子模块，将通过c a n 将参数加以传递 在系统掉电时可对各通道参数设置加以保护，使系统上电时可恢复系统上 次运行时历使用的各项参数 系统的硬件框图如图3 2 所示： 图3 - 2 系统的硬件框图 主控模块的主要硬件配置如下： c p u ：a t m e l 公司的基于a r m 9 2 0 t 内核的微处理器m 1 r m 9 2 0 0 电子科技大学硕士论文 f l a s hm e m o r y ：1 6 m b y t en o rf l a s h s d r a m ：3 2 m b y t c 系统时钟：使用1 2 m h z 3 2 7 6 8 k h z 两种晶振：主晶振1 2 m h z ，经过芯片 内倍频处理分别为a r m 9 2 0 t 核与系统提供1 8 0 m h _ z 和6 0 m i k 的时钟频 率。3 2 7 6 8 k h z 慢时钟用于a _ t 9 1 r m 9 2 0 0 的启动 1 0 0 m 以太网接口：采用d m 9 1 6 1 e 接口芯片 1 个1 2 c 接口：用于r t c 5 x 6 扫描式矩阵键盘 3 个参数调节旋钮 u s b 接口：1 个主设备接口，1 个从设备接口 1 个1 2 8 x 6 4 点阵的o l e d 显示屏 1 个c a n 总线接口 2 4 个l e d 指示灯 1 个基于r s 2 3 2 协议的串行接口 对于主控模块的p c b 板，这里采用核心板+ 扩展板的方式。其中，核心板较小， 为a t 9 1 r i d 9 2 0 0 的最小系统；扩展板较大，主要为系统外设，核心板和扩展板之间 通过接插件相连。这样设计主要基于如下考虑；首先系统的外设较多，并考虑到 设备实际操作的需要，主控模块的p c b 板需要比较大的尺寸( 约为1 8 0 衄2 8 0 衄) 。 同时，由于a t 9 1 1 m 9 2 0 0 为2 5 6 脚的b g a 封装，其运行时钟为1 8 0 m h z ，这种高密度 的封装需要采用多层电路板，加上存储系统其整个p c b 板只需较小尺寸( 约为8 0 m 8 0 眦) 即可。如果将整个系统都排布在一个多层p e b 板上，制版费用过高。其次， 外设一般体积较大，并运行在相对较低的时钟频率下，采用比较便宜的双面板即 可完全符合其电气要求，使用多层板没有必要；最后，采用核心板加扩展板的方 式，可以提高核心板的重用性，方便扩展板改版，有利于产品的更新换代。 3 3 核心板的设计 核心板是整个住控制系统的核心部件，其本身也可看作是a t 9 1 r m 9 2 0 0 的一 个最小系统。核心板的主要器件包括：嵌入式微处理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 、存储器( n o r f l a s h 及s d r a m ) 、晶振以及电源等。 由于系统需要存放操作系统及其根文件系统、应用程序以及其它在系统运行 1 4 第三章系统硬件设计 时和系统掉电后需要保存的数据；另外，当系统启动后，操作系统和应用程序的 运行还需要更大的空间。虽然a t 9 1 r m 9 2 0 0 内部集成有容量为1 2 8 k b 的r o l l 和1 6 k b 的内部s i ) p a t m ，但这远不能够满足系统的需要，因此外扩了外存储单元来扩展系统 的存储空阕。在这里使用了一片1 6 绉的n o rf la s h 和一片3 2 1 4 i b 韵s d r 埘组成系 统的外存储系统。 3 3 1a t 9 1 r m 9 2 0 0 的存储体系简介 a t 9 1 r m 9 2 0 0 有3 2 根地址线，因此有4 g b 的地址空间但a t 9 1 r m 9 2 0 0 对3 2 位 地址总线中的最高4 位进行译码，定义出1 6 个2 5 6 m b 的地址区域，并将其分配给 不同种类的存储器件及系统外设。各区域的具体分曩己如下： 区域o ：内部存储器地址空间 区域l 8 ：共8 个2 5 6 m 的地址空间，分配给由外部总线接口e b i ( e x t e r n a l b u si n t e r f a c e ) 控制的外部设备( 系统扩展的外部存储器和外接的各种 设备) 使用，它们分别对应8 个片选信号( n c s 0 - - n c s 7 ) 中的一个 区域9 1 4 ：共1 5 3 6 t 的地址空间，在访问时返回表示未定义地址空间的 异常中断 区域1 5 ：内置外设地址空闻 图3 - 3 给出了以2 5 6 m 为单位的存储空间的分配。 3 3 2 系统内部存储器的映射 在a t 9 1 1 瑚9 2 0 0 的第一区域2 5 6 m 字节内部存储空间中，存储器的地址译码器 又对2 8 位地址总线中的高8 位进行译码，这样将2 5 6 m 字节的内部存储空间分成 2 5 6 个l m 字节的地址空间，其中前4 个l m 空间被定义，后2 5 2 个则未定义。当访 问内部存储器的未定义地址( 超出0 x 0 0 4 00 0 0 0 ) 时，地址译码器向主机返回一个 异常中断。前四个埘字节的内部存储区域的功能分配如下： 内部存储区域0 ：用于启动时系统的重映射，不同的存储方式映射到内存区域 0 将决定不同的系统启动方式 内部存储区域1 ：分配给1 2 8 k b 的内部r o m 内部存储区域2 ：分配