（计算机应用技术专业论文）基于mcf5206的arinc429通信板卡的设计与实现.pdf

西北工业大学硕士研究生论文 摘要 本文介绍采用嵌入式系统思想、 应用高性能3 2 位嵌入式微处理器实现多通 道a r inc 4 2 9 航空总线通信的p c i 总线接口板的开发过程。 首先本文对通信板卡功能需求和嵌入式系统结构详细分析后，给出了课题 通信板卡总体设计方案和软硬件组成。 接着介绍通信板卡所用器件具体型号、课题所使用的关键技术和嵌入式开 发调试环境。 随后在分析硬件设计方案基础上，介绍了通信板卡所使用的嵌入式微处理 器、a r inc 4 2 9 协议芯片、存储芯片等器件功能及控制方法，并给出了通信板 卡电路的具体设计方案。 最后在对嵌入式系统软件层次特点、 通信板卡启动过程和数据收发控制流 程详细分析后，介绍通信板卡系统引导程序、协议通信控制程序的层次结构和 具体实现方案。 课题应用嵌入式微处理器管理通信板卡工作，提高了 通信板卡智能化，降 低了 通信系统处理机对a r c in4 2 9 协议芯片的 通信控制难度， 减轻了 通信平台 处理器工作负担，为航空电子系统提供高效并且可靠的通信平台。通信板卡在 实际应用中 取得了良 好的 使用效果，达到了 预期的研制目 的。 关键字: a r i n c 4 2 ，协议，p c i总线，嵌入式微处理器，双端口r a m，系统 引导程序b o o t l o a d e r，在线调试器b d i 2 0 0 0 西北工业人学硕士研究生论文 ab s t r a c t b a s e d o n t h e t h e o ry o f t h e e m b e d d e d s y s t e m , t h e p a p e r i n t r o d u c e s d e s i g n i n g t h e p c i b u s i n t e r f a c e b o a r d e m b e d d e d w i t h a h i g h p e r f o r m a n c e 3 2 - b i t m i c r o p r o c e s s o r , w h i c h i m p le m e n t s m u l t i c 少 n n e l a r i n c 4 2 9 a e r o b u s c o m m u n i c a t io n s . f i r s t l y , t h e p a p e r i n t r o d u ce s t h e t o t a l d e s i g n o f t h e c o m m u n i c a t i o n s b o a r d a n d t h e s t r u c t u r e o f i t s s o f t w e a r a n d h a r d w e a r , a f t e r d e e p l y a n a l y s e s t h e f u n c t i o n d e m a n d o f t h e b o a r d a n d t h e s t r u c t u r e o f t h e e m b e d d e d s y s t e m. s e c o n d l y , t h e p a p e r i n t r o d u ce s t h e t y p e o f t h e b o a r d s c h i p , t h e k e y t e c h n i q u e a n d t h e e m b e d d e d s y s t e m s d e v e lo p i n g e n v i r o n m e n t a n d t o o l s , w h i c h a r e u s e d t o d e v e l o p t h e b o a r d t h ird ly , b a s e d o n a n a ly s e s th e h a r d w e a r d e s ig n o f th e b o a r d , th e p a p e r in tr o d u ce s f u n c t i o n a n d c o n t r o l l in g o f m a i n c h i p s o f t h e b o a r d , p r e s e n t s t h e d e t a i l s o f c i r c u i t i n t h e b o a r d . t h e s e c h i p s i n c l u d e 伽 e m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o r , a r i n c 4 2 9 p r o t o c o l c h i p s a n d m e m o ry ,c h i p s . a t l a s t , t h e p a p e r a n a l y s e s t h e s o f t w e a r h i b e r a r c h y o f t h e e m b e d d e d s y s t e m , t h e s y s t e m b o o t i n g p r o ce d u r e o f t h e b o a r d a n d 伽 c o n t r o ll i n g p r o c e d u r e o f p r o t o c o l d a t a t r a n s c e i v i n g . t h e p a p e r p r e s e n t s s t r u c t u r e o f t h e s y s t e m b o o t l o a d e r a n d t h e d a t a t r a n s c e i v i n g c o n t r o l l e r p r o g r a m t h e p a p e r a p p l y s a n e m b e d d e d m i c r o p r o ce s s o r i n t h e c o m m u n i t c a t i o n s b o a r d s y s t e m . i t i m p r o v e s i n t e l l i g e n t o f t h e c o m m u n i c a t i o n s b o a r d , s i m p l i f i e s t h e d i f f i c u l t y o f c o n t r o l l i n g t h e a r i n c 4 2 9 p r o t o c o l c h i p f o r t h e p r o c e s s o r o f t h e c o m m u n i c a t i o n s s y s t e m , r e l i e v e s t h e b u r d e n o f t h e p r o ce s s o r . p r e s e n t s a h i g h e f f i c i e n c y a n d r e l i a b l e c o m m u n i c a t i o n s p l a t f o r m t o 伽 a v i o n i c s s y e t e m . t h e c o m m u n i c a t i o n b o a r d a c c o m p l i s h e s g o o d e f f e c t s i n t h e r e a l a p p l i c a t i o n , a n d g e t s t h e e x p e c t e d g o a l k e y wo r d s : a r i n c 4 2 9 a e ro p rot o c o l 、p c i b u s 、d u r a l p r o t r a m 、e m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o r , s y s t e m b o o t l o a d e r . i n - c i r c u i t - d e b u g b d i 2 0 0 0 西北t 业大 学硕士 研究生论文 第一章 绪 论 1 . 1 课题研制目的及意义 本课题属于自 研型课题。课题研制目 的是在a r inc 4 2 9 总线通信板卡上应 用高性能嵌入式微处理器mc f 5 2 0 6 ， 以提高通信板卡智能化， 从而降低协议通 信控制难度，减轻通信平台处理机的工作负担。为航空电 子系统提供可靠而高 效的a r i n c 4 2 9 总线通信平台。 本课题的研究意义是通过借鉴现有嵌入式系统方案，深入理解嵌入式系统 思想及其结构组成，熟悉嵌入式开发环境和嵌入式开发调试工具，掌握嵌入式 开发流程，积累嵌入式开发经验。为今后开发功能更完善、结构更复杂的嵌入 式板卡积累宝贵经验。课题通信板卡提出的协议芯片通信控制方案对 a r inc 4 2 9 总线的广泛应用也具有一定参考价值。 1 . 2 课题研究内容及工作 由于本课题目 标是研制基子mc f 5 2 0 6 的a r inc 4 2 9 总线通信板卡。该板 卡以p c机为运行平台，提供符合a r inc 4 2 9 总线规范的多通道通信功能。因 此课题需研究的内容繁多， 涉及嵌入式处理器， 嵌入式系统及软件， a r i n c 4 2 9 协议及协议芯片，p c i 协议及接口逻辑，硬件驱动等多方面内容。为实现课题 目 标需要完成的工作如下 : 1 )按照课题通信功能要求并参考现有嵌入式微处理器设计方案， 提出课题 通信板卡总体方案。 2 )依据课题总体方案为通信板卡所有物理器件选定型号。 在深入理解各器 件功能和学习各器件使用控制方法的基础上， 提出通信板卡具体硬件设 计方案。 3 )绘制原理图和印刷电路板图以实现板卡硬件设计方案。 制作电路板后验 证及调试通信板卡器件连通性和功能正确性。 4 )为课题开发选择并建立嵌入式开发环境， 选择并使用嵌入式开发调试工 具进行通信板卡软件开发与调试。 5 )为通信板卡系统设计系统引导程序和通信控制程序， 并在课题嵌入式开 发环境下进行开发调试。 西北t 业大 学硕士 研究生论文 第一章 绪 论 1 . 1 课题研制目的及意义 本课题属于自 研型课题。课题研制目 的是在a r inc 4 2 9 总线通信板卡上应 用高性能嵌入式微处理器mc f 5 2 0 6 ， 以提高通信板卡智能化， 从而降低协议通 信控制难度，减轻通信平台处理机的工作负担。为航空电 子系统提供可靠而高 效的a r i n c 4 2 9 总线通信平台。 本课题的研究意义是通过借鉴现有嵌入式系统方案，深入理解嵌入式系统 思想及其结构组成，熟悉嵌入式开发环境和嵌入式开发调试工具，掌握嵌入式 开发流程，积累嵌入式开发经验。为今后开发功能更完善、结构更复杂的嵌入 式板卡积累宝贵经验。课题通信板卡提出的协议芯片通信控制方案对 a r inc 4 2 9 总线的广泛应用也具有一定参考价值。 1 . 2 课题研究内容及工作 由于本课题目 标是研制基子mc f 5 2 0 6 的a r inc 4 2 9 总线通信板卡。该板 卡以p c机为运行平台，提供符合a r inc 4 2 9 总线规范的多通道通信功能。因 此课题需研究的内容繁多， 涉及嵌入式处理器， 嵌入式系统及软件， a r i n c 4 2 9 协议及协议芯片，p c i 协议及接口逻辑，硬件驱动等多方面内容。为实现课题 目 标需要完成的工作如下 : 1 )按照课题通信功能要求并参考现有嵌入式微处理器设计方案， 提出课题 通信板卡总体方案。 2 )依据课题总体方案为通信板卡所有物理器件选定型号。 在深入理解各器 件功能和学习各器件使用控制方法的基础上， 提出通信板卡具体硬件设 计方案。 3 )绘制原理图和印刷电路板图以实现板卡硬件设计方案。 制作电路板后验 证及调试通信板卡器件连通性和功能正确性。 4 )为课题开发选择并建立嵌入式开发环境， 选择并使用嵌入式开发调试工 具进行通信板卡软件开发与调试。 5 )为通信板卡系统设计系统引导程序和通信控制程序， 并在课题嵌入式开 发环境下进行开发调试。 西北工业大学硕 上 研究生论文 6 )为通信板卡编写硬件驱动程序和用户使用的应用接口函数。 1 . 3 作者完成的工作 在本课题的研发工作中，作者负责通信板卡硬件和部分软件的工作。具体 工作包括，硬件部分: 1 )深入研究摩托罗拉公司mc f 5 2 7 2 c 3 , mc f 5 2 0 6 e c 3 两种评估板，分析 课题要求实现的通信功能，提出通信板卡总体方案。 2 )参考评估板器件型号和成功的a r inc 4 2 9 总线应用方案， 确定全部通信 板卡器件型号。 3 ) 深入学习mc f 5 2 0 6 嵌入式微处理器，f l a s h器件， 双端口 存储器， a r inc 4 2 9 协议芯片等器件使用手册，熟悉各个器件控制使用方法。提 出通信板卡具体硬件设计方案。 . 4 )根据板卡硬件方案， 使用p r o t e 1 9 9 进行通信板卡原理图、 p c b图的绘制: 5 )学习嵌入式开发调试方法， 选择在线调试器b d i 2 0 0 0 进行课题开发。 并 掌握其基本嵌入式开发调试功能: 6 ) 学习p c i 协议规范和v h d l语言， 使用a l t e r a公司的m a x p l u s i i 环境和f p g a器件开发实现通信板卡的控制逻辑和p c i 接口 逻辑; 软件部分: 1 ) 学习嵌入式开发环境及其特点。为课题建立以m c f 5 2 0 6 微处理器为目 标机，p c机为宿主机的交叉嵌入式开发环境; 2 )学习g n u交叉嵌入式开发工具链工作原理，掌握工具链使用方法。 3 )深入理解嵌入式系统启动过程和系统引导程序的工作流程， 参考多种源 码公开的系统引导程序b o o t l o a d e r ， 为通信板卡编写简洁灵活的系 统引导程序; 4 ) 根据通信板卡的硬件设计方案，设计板卡通信控制应用程序，并使用 g n u调试工具g d b进行源码级的交叉调试。 5 )为p c机上层应用设计通信板卡数据缓冲区访问接口函数，以保证用户 对通信板卡数据的正确存取。 西北工业大学硕 上 研究生论文 6 )为通信板卡编写硬件驱动程序和用户使用的应用接口函数。 1 . 3 作者完成的工作 在本课题的研发工作中，作者负责通信板卡硬件和部分软件的工作。具体 工作包括，硬件部分: 1 )深入研究摩托罗拉公司mc f 5 2 7 2 c 3 , mc f 5 2 0 6 e c 3 两种评估板，分析 课题要求实现的通信功能，提出通信板卡总体方案。 2 )参考评估板器件型号和成功的a r inc 4 2 9 总线应用方案， 确定全部通信 板卡器件型号。 3 ) 深入学习mc f 5 2 0 6 嵌入式微处理器，f l a s h器件， 双端口 存储器， a r inc 4 2 9 协议芯片等器件使用手册，熟悉各个器件控制使用方法。提 出通信板卡具体硬件设计方案。 . 4 )根据板卡硬件方案， 使用p r o t e 1 9 9 进行通信板卡原理图、 p c b图的绘制: 5 )学习嵌入式开发调试方法， 选择在线调试器b d i 2 0 0 0 进行课题开发。 并 掌握其基本嵌入式开发调试功能: 6 ) 学习p c i 协议规范和v h d l语言， 使用a l t e r a公司的m a x p l u s i i 环境和f p g a器件开发实现通信板卡的控制逻辑和p c i 接口 逻辑; 软件部分: 1 ) 学习嵌入式开发环境及其特点。为课题建立以m c f 5 2 0 6 微处理器为目 标机，p c机为宿主机的交叉嵌入式开发环境; 2 )学习g n u交叉嵌入式开发工具链工作原理，掌握工具链使用方法。 3 )深入理解嵌入式系统启动过程和系统引导程序的工作流程， 参考多种源 码公开的系统引导程序b o o t l o a d e r ， 为通信板卡编写简洁灵活的系 统引导程序; 4 ) 根据通信板卡的硬件设计方案，设计板卡通信控制应用程序，并使用 g n u调试工具g d b进行源码级的交叉调试。 5 )为p c机上层应用设计通信板卡数据缓冲区访问接口函数，以保证用户 对通信板卡数据的正确存取。 西北工业大学硕士研究生论文 1 . 4 本文的结构 本文详细介绍了基于嵌入式微处理mc f 5 2 0 6 的a r inc 4 2 9 通信板卡硬件 和软件设计，以及使用交叉嵌入式开发环境和在线调试器进行软件开发调试的 过程。本文按照以下章节展开: 第一章 绪论。 简要介绍本课题研制目标以及研究意义。 接着简要说明课题 中作者完成的工作。 第二章 通信板卡系统组成。 本章介绍课题通信板卡的总体设计方案， 以及 通信板卡的硬件和软件组成。 第三章 板卡器件及应用技术。 本章介绍为实现通信板卡各个模块功能而选 择器件的具体型号及控制使用方法。最后介绍开发通信板卡所使用的交叉嵌入 式开发环境和开发调试工具。 第四章 通信板卡硬件设计。 本章详细介绍了 通信板卡的硬件设计方案和具 体实现过程。详细分析了通信板卡嵌入式微处理器与周边器件之间的电路设计 方案。包括a r inc 4 2 9 协议芯片组模块的控制电路设计，通信板卡中存储设备 的使用维护及其电路设计方案。最后介绍通信板卡控制逻辑和p c i 接口 逻辑的 具体实现方法。 第五章 通信板卡软件设计与开发。 本章详细分析了通信板卡的软件层次结 构， 结合通信板卡的实际启动过程， 详细分析通信板卡引导程序b o o t l o a d e r 的任务及工作流程。并介绍基于本课题硬件设计方案的通信控制程序的工作流 程及实现方法。 第六章 总结与展望。 本章对课题所完成工作进行总结， 在此基础上提出通 信板卡设计中存在的不足和今后可改进的地方。 西北工业大学硕 l 研究生论文 第二章 通信板卡系统组成 本章交代课题通信板卡总体设计方案，介绍通信板卡系统的软硬件组成及 各郊分作用。 2 . 1总体方案设计及系统硬件组成 按照课题设计目 标并参考嵌入式评估板设计提出通信板卡系统总体设计方 案。总体方案描述为:通信板卡协议芯片实现符合a r inc 4 2 9 总线规范的多路 数据发送和接收通道。通信板卡微处理器负责控制整个通信板卡系统。 在通信 板卡内 部使用随 机存储器保 存协议数据; 使用非易失存储器保存通信板卡微处 理器应用程序。 p c机通过板卡的 接口 逻辑访问随机存储器存取协议数据。 根据 总体设计方案通信板卡的硬件组成如图2 - 1 所示。 图2 - 1 1 通信板卡硬件组成 通信板卡各部分功能如下: 1 . a r inc 4 2 9 协议芯片组实现通信板卡两路数据发送和四路数据接收 通 道，并且负责微处理器并行用户数据和a r i n c 4 2 9 总线串行数据之间的格式转 换。 2 . 嵌入式微处理器是通信板卡控制核心。 除了控制a r inc 4 2 9 协议芯片通 信外， 微处理器还负责把从协议芯片读出的协议数据保存到板卡存储器中，并 通知p c机取走协议数据; 同时微处理器读取存储器中p c机保存的待发送协议 数据，然后装入协议芯片发送。 西北工业大学硕 l 研究生论文 第二章 通信板卡系统组成 本章交代课题通信板卡总体设计方案，介绍通信板卡系统的软硬件组成及 各郊分作用。 2 . 1总体方案设计及系统硬件组成 按照课题设计目 标并参考嵌入式评估板设计提出通信板卡系统总体设计方 案。总体方案描述为:通信板卡协议芯片实现符合a r inc 4 2 9 总线规范的多路 数据发送和接收通道。通信板卡微处理器负责控制整个通信板卡系统。 在通信 板卡内 部使用随 机存储器保 存协议数据; 使用非易失存储器保存通信板卡微处 理器应用程序。 p c机通过板卡的 接口 逻辑访问随机存储器存取协议数据。 根据 总体设计方案通信板卡的硬件组成如图2 - 1 所示。 图2 - 1 1 通信板卡硬件组成 通信板卡各部分功能如下: 1 . a r inc 4 2 9 协议芯片组实现通信板卡两路数据发送和四路数据接收 通 道，并且负责微处理器并行用户数据和a r i n c 4 2 9 总线串行数据之间的格式转 换。 2 . 嵌入式微处理器是通信板卡控制核心。 除了控制a r inc 4 2 9 协议芯片通 信外， 微处理器还负责把从协议芯片读出的协议数据保存到板卡存储器中，并 通知p c机取走协议数据; 同时微处理器读取存储器中p c机保存的待发送协议 数据，然后装入协议芯片发送。 西北工 业大学硕士研究生论文 3 . 通信板r - 的非易失存储器保存微处理器运行程序。 其存储非易失性保证 通信板卡每次上电或复位后，微处理器可以从这里读取代码进行系统初始化。 通信板卡的随机存储器用于缓冲保存接收和发送的协议数据;另外它还提供微 处理器和p c机之间的信箱通信机制，用于传递通信板卡状态或协议芯片控制 信息。 4 . 通信板卡控制及p c机接口 逻辑芯片负责产生通信板卡器件所需的控制 信号和实现p c机总线接日逻辑的转换。 p c机总线访问信号通过接口逻辑转换 为随机存储器访问信号，从而达到p c机存取协议数据的目 的。另外通信板卡 控制逻辑提供板卡其他器件的辅助控制信号，如存储器的读/ 写信号等。 通信板卡器件型号及技术指标将在第三章中介绍，设计方案的具体实现细 节见第四章。 2 .2系 统软 件 组成 通信板卡系统软件按运行平台不同可以分为两个部分:运行在通信板卡上 的通信板卡应用程序和运行在p c机上的应用程序。 由 于通信板卡采用了嵌入式系统硬件结构， 故通信板卡应用程序结构分为 系统引导程序和通信控制程序两部分。系统引导程序是通信板卡应用程序执行 入口， 它负责通信板卡的硬件初始化并为上层数据控制程序建立必要运行环境。 在引导程序结束后通信板卡执行通信控制程序， 这时通信板卡进入正常协议通 信工作状态。 p c机上的应用程序大致可以 分为两个层次:硬件驱动程序和用户应用程 序。硬件驱动程序主要为用户应用程序提供读写通信板卡存储器的接口函数， 并且这些具体读写规则是与通信板卡应用程序事先约定好了的。对于用户应用 程序来说这些读写操作是透明的。 通信板卡系统的软件组成由图2 - 2 所示。 西北工 业大学硕士研究生论文 3 . 通信板r - 的非易失存储器保存微处理器运行程序。 其存储非易失性保证 通信板卡每次上电或复位后，微处理器可以从这里读取代码进行系统初始化。 通信板卡的随机存储器用于缓冲保存接收和发送的协议数据;另外它还提供微 处理器和p c机之间的信箱通信机制，用于传递通信板卡状态或协议芯片控制 信息。 4 . 通信板卡控制及p c机接口 逻辑芯片负责产生通信板卡器件所需的控制 信号和实现p c机总线接日逻辑的转换。 p c机总线访问信号通过接口逻辑转换 为随机存储器访问信号，从而达到p c机存取协议数据的目 的。另外通信板卡 控制逻辑提供板卡其他器件的辅助控制信号，如存储器的读/ 写信号等。 通信板卡器件型号及技术指标将在第三章中介绍，设计方案的具体实现细 节见第四章。 2 .2系 统软 件 组成 通信板卡系统软件按运行平台不同可以分为两个部分:运行在通信板卡上 的通信板卡应用程序和运行在p c机上的应用程序。 由 于通信板卡采用了嵌入式系统硬件结构， 故通信板卡应用程序结构分为 系统引导程序和通信控制程序两部分。系统引导程序是通信板卡应用程序执行 入口， 它负责通信板卡的硬件初始化并为上层数据控制程序建立必要运行环境。 在引导程序结束后通信板卡执行通信控制程序， 这时通信板卡进入正常协议通 信工作状态。 p c机上的应用程序大致可以 分为两个层次:硬件驱动程序和用户应用程 序。硬件驱动程序主要为用户应用程序提供读写通信板卡存储器的接口函数， 并且这些具体读写规则是与通信板卡应用程序事先约定好了的。对于用户应用 程序来说这些读写操作是透明的。 通信板卡系统的软件组成由图2 - 2 所示。 西北工旅大学硕士研究生论文 【 图2 - 2 】 通信板卡系统软件组成 通信板卡上电或复位后， 两部分程序是并行运行的。 但为了 通信板卡的正 确启动， 两部分程序在特定地方需要同 步。当 微处理器进行a r i n c 4 2 9 协议芯 片初始化前，必需得到p c机写入的有效控制字，确保用户对协议芯片的正确 初始化。如果p c机应用程序没有写入有效的控制字，通信板卡应用程序应一 直等待。 在另一边， p c 机应该得到通信板卡写入的 有效状态字表示板卡进入正 常通信状态后，才可以对通信板卡进行协议数据装入或读取操作，以 确保数据 的有效性和完整性。 通信板卡系统使用的 控制字和状态字格式及内容需要双方 事先约定好。软件部分的具体实现细节见第五章。 西北工业大学硕 1 丁 研究生论文 第三章 板卡器件及应用技术 由于课题涉及嵌入式微处理器、a r inc 4 2 9 航空总线、p c i 总线等多方面 知识及技术，在研制开发过程中运用了交叉嵌入式开发调试手段和工具。所以 用本章介绍通信板卡所使用主要器件型号及性能指标，以 及课题使用的嵌入式 开发调试环境和工具。 3 . 1通信板卡微处理器 在本课题通信板卡中微处理器占重要地位，它管理整个通信板卡系统，负 责协议通信控制， 数据存储，以 及与p c 机进行信息交换。 所以 微处理器性能 的高低直接影响通信板卡的运行效率。下面对课题使用的微处理器基本功能和 内部结构做总体介绍。 3 . 1 . 1微处理器选型 随着嵌入式微处理器技术的发展，出 现了种类繁多的嵌入式微处理器，如 a r m系列、 m6 8 k / c o i .d f i r e系列、 mi p s , p o we r p c , s h a r c等等。 摩托 罗拉公司的c o l d f i r e 系列微处理器拥有高集成度、 高效率、 高稳定性等突出 特点。 该系列产品是新一代3 2 位变长r i s c指令集微处理器， 其内核是在m 6 8 k 内 核基 础上开发出 来的， 完全兼容m 6 8 k指令i 。由 于m 6 8 k系列处理 器经过 长 期实际应用，已 是发展非常成熟的3 2 位处理器， 具有较高的稳定性。 这使得 c o l d f i e r系列处理器不但具有高性能，且具有高稳定性。并且第三方软件工 具也普遍支持该系列处理器， 拥有丰富的技术资源3 。 基于以 上原因课题选择 摩托罗拉的c o l d f i r e 系列微处理器mc f 5 2 0 6 。以下介绍其内部结构和技术 指标。 3 . 1 .2 mc f 5 2 0 6 结构及技术指标 mc f 5 2 0 6 微处理器内部模块主要包括:c o l d f i r e处理器内核，d r a m 控制 器， 定时 模块， 通用i / o 端口 ， 护 c 总线模块，串 行端口， b d m / j t a g调 试模块和系统集成模块s i m等。 西北工业大学硕 1 丁 研究生论文 第三章 板卡器件及应用技术 由于课题涉及嵌入式微处理器、a r inc 4 2 9 航空总线、p c i 总线等多方面 知识及技术，在研制开发过程中运用了交叉嵌入式开发调试手段和工具。所以 用本章介绍通信板卡所使用主要器件型号及性能指标，以 及课题使用的嵌入式 开发调试环境和工具。 3 . 1通信板卡微处理器 在本课题通信板卡中微处理器占重要地位，它管理整个通信板卡系统，负 责协议通信控制， 数据存储，以 及与p c 机进行信息交换。 所以 微处理器性能 的高低直接影响通信板卡的运行效率。下面对课题使用的微处理器基本功能和 内部结构做总体介绍。 3 . 1 . 1微处理器选型 随着嵌入式微处理器技术的发展，出 现了种类繁多的嵌入式微处理器，如 a r m系列、 m6 8 k / c o i .d f i r e系列、 mi p s , p o we r p c , s h a r c等等。 摩托 罗拉公司的c o l d f i r e 系列微处理器拥有高集成度、 高效率、 高稳定性等突出 特点。 该系列产品是新一代3 2 位变长r i s c指令集微处理器， 其内核是在m 6 8 k 内 核基 础上开发出 来的， 完全兼容m 6 8 k指令i 。由 于m 6 8 k系列处理 器经过 长 期实际应用，已 是发展非常成熟的3 2 位处理器， 具有较高的稳定性。 这使得 c o l d f i e r系列处理器不但具有高性能，且具有高稳定性。并且第三方软件工 具也普遍支持该系列处理器， 拥有丰富的技术资源3 。 基于以 上原因课题选择 摩托罗拉的c o l d f i r e 系列微处理器mc f 5 2 0 6 。以下介绍其内部结构和技术 指标。 3 . 1 .2 mc f 5 2 0 6 结构及技术指标 mc f 5 2 0 6 微处理器内部模块主要包括:c o l d f i r e处理器内核，d r a m 控制 器， 定时 模块， 通用i / o 端口 ， 护 c 总线模块，串 行端口， b d m / j t a g调 试模块和系统集成模块s i m等。 西北工业大学硕十研究生论文 c o l d f i r e处理器内核基于变长r i s c的思想( i l ， 把传统3 2 位精简指令集 和变长指令集有机的结合起来。使代码密度 ( 指令的 “ 组装效率” 和寄存器、 缓冲器及片内存储器的操作数)极大化。代码密度提高意味着能更有效地使用 系统内存，降低了对片外存储器的需求;从另一方面来看，由于存储器是设计 中 最昂贵的因素， 减少它的 使用又促进了 成本的降 低(3 m c f 5 2 0 6 为了减少程序执行时间，在片内 提供能进行单周期访问的指令 c a c h e 和用于存放重要数据的s r a m。 定时模块使用两个1 6 位计数器提供定 时输入、 输出信号。为了对嵌入式系统提供保护， mc f 5 2 0 6 提供了一个可编程 1 6 位软件看门狗和一个总线监视器。 m c f 5 2 0 6 的片内调试模块， 能支持后台调试、 实时跟踪和实时调试。 调试 模块为c o l d f i r e处理器家族内 成员提供共同 接口 ( b a c k g r o u n d d e b u g m o d e l 接口)。 这种内部调试能力使开发者在代码执行过程中的 任意点上都能对内 部 寄存器进行直接观察， 简化和加速了 产品开发测试。内 部整体结构如图3 - 1 所 不 。 黔 急 味 膨 二 人 叫 导 忿 飞 只 洲 刀 犷笙 笋 f 声 或 e 笔 淤 沪 sel s c r * 人 花哭 别岔 岔 乡 沁芍 e 义 飞 毛 孙 ; 丸 彝二 笋 多 井 服l 日 i v兰 井 - .a c 三 台 或 ; 彝l 犷三 典 ; 汽 忿 任 酬 织 今 奋 疥 导 心 粼 s 哪 wi s p w e 姑 召 忿 1 黝 很 鉴 黄 事 % .c 【 图3 - 1 1 mc f 5 2 0 6 功能框图 mc f 5 2 0 6 主要技术指标包括: c o l d f i r e内核 凡 西北工业大学硕十研究生论文 一 变长指令r i s c 一 3 2 位内部地址总线与2 8 位外部地址总线 一 3 2 为数据总线 一 1 6 个用户态3 2 位寄存器 一 用于重定位外部向量表的向量基址寄存器 一 用于系统保护引入核心态和用户态两种运行模式 一 在3 3 m h z 时钟频率下吞吐量为1 7 m i p s 5 1 2 字节片内指令 c a c h e , 5 1 2 字节片内s r a m 一 单指令周期访问 d r a m控制器 一 可编程刷新定时器 一 支持页式d r a m和同步扩展数据输出 ( e d o ) d r a m 一 允许外部总线主设备访问 双向通用同步/ 异步收发器 d u a r t ) 一 全双工 一 波特率产生器 一 中断处理器能力 1 6 位通用定时器 一 3 0 n s 分辨率 一 输入输出定时器引脚 一 中断处理器能力 系统接口 一 为d r a m, s r a m, r o m和i / o设备提供8 , 1 6 , 3 2 位不粘接总线 接口 一 8 个独立可编程片选信号 一 可编程的端口尺寸和等待状态 一 允许外部总线主设备访问片选 一 看门狗提供系统保护 一 可编程中断控制器 一 i e e e 1 1 4 9 . 1 检测 u t a g )支持 一 8 位通用1 / 0接口 系统调试支持 一 实时跟踪 一 背景调试接口b d m 9 西北工业大学硕士研究生论文 直流5 v工作电压 1 6 0 引脚四方扁平封装 3 . 1 .3 mc f 5 2 0 6 程序寄存器组 m c f 5 2 0 6 处理器供用户程序使用的寄存器组有两类: 用户态寄存器组， 核 心态寄存器组2 1 。 在用户态下应用程序只可访问 用户态寄存器组，而在核心态 下应用程序可以访问 两组寄存器。处理器这两种运行状态是通过设置在状态寄 存器 ( s r )中的处理器状态位来转换的。 用户态寄存器组主要包括: 3 2 位程序记数器 ( p c ) 1 6 个通用3 2 位寄存器， 8 个数据寄存器 ( d o - d 7 )，8 个地址寄存器 ( a o - a 7 )。 其中a 7 为栈指针寄存器 ( s p )。当程序进行函数调用时，微处 理器把p c值和函数返回 值存入堆栈， 当处理异常和中断时还要将s p 的 值也保 存到栈中。 8 位条件码寄存器 ( c c r )，用于表示指令操作结束后的结果。 b i t 4一 x位为扩展 b i t 3一 n位表示操作结果是否为负数 b i t 2一 z位表示操作结果是否为0 b i t i一 v位表示操作结果是否溢出 b t c o一 c位表示操作数最高位条件满足 核心态寄存器为系统程序在核心态下实 现i / o控制，内 存管理和调用系统 函数。核心态寄存器组包括: 1 6 位状态寄存器 ( s r )， 其中 低8 位为c c r 。 它标志了当 前处理 器所 处状态:跟踪状态、核心态t 用户态、中断优先级屏蔽位。 向 量表基址寄存器 v b r ) ， 它用于重定位中断向 量表在地址空间的 位 置。 在用户初始化微处理器时， m c f 5 2 0 6 主要通过内 部各个模块寄存器向 用户 程序提供灵活的可编程 性。 所有这 些配置寄 存器被 组织成系统集成 模块s i m管 理。 系统集成模块s i m负责控制内 部和外部总线操作控制， 提供m c f 5 2 0 6 与 周边和外部设备的接口 ，中断控制和系统保护功能。 s i m的起始地址由 模块基 址寄存器m b a r指定。 mc f 5 2 0 6 把这些寄存器统一 映射到地址空间中， 应用 程序可以 象访问内 存单元一样访问这些寄 存器。 通过修改m b a r的值， 就可以 把s i m模块映射到地址空间中 任何以1 k b为模的 地方。 s i m中的各个寄 存器 西北工业大学硕士研究生论文 直流5 v工作电压 1 6 0 引脚四方扁平封装 3 . 1 .3 mc f 5 2 0 6 程序寄存器组 m c f 5 2 0 6 处理器供用户程序使用的寄存器组有两类: 用户态寄存器组， 核 心态寄存器组2 1 。 在用户态下应用程序只可访问 用户态寄存器组，而在核心态 下应用程序可以访问 两组寄存器。处理器这两种运行状态是通过设置在状态寄 存器 ( s r )中的处理器状态位来转换的。 用户态寄存器组主要包括: 3 2 位程序记数器 ( p c ) 1 6 个通用3 2 位寄存器， 8 个数据寄存器 ( d o - d 7 )，8 个地址寄存器 ( a o - a 7 )。 其中a 7 为栈指针寄存器 ( s p )。当程序进行函数调用时，微处 理器把p c值和函数返回 值存入堆栈， 当处理异常和中断时还要将s p 的 值也保 存到栈中。 8 位条件码寄存器 ( c c r )，用于表示指令操作结束后的结果。 b i t 4一 x位为扩展 b i t 3一 n位表示操作结果是否为负数 b i t 2一 z位表示操作结果是否为0 b i t i一 v位表示操作结果是否溢出 b t c o一 c位表示操作数最高位条件满足 核心态寄存器为系统程序在核心态下实 现i / o控制，内 存管理和调用系统 函数。核心态寄存器组包括: 1 6 位状态寄存器 ( s r )， 其中 低8 位为c c r 。 它标志了当 前处理 器所 处状态:跟踪状态、核心态t 用户态、中断优先级屏蔽位。 向 量表基址寄存器 v b r ) ， 它用于重定位中断向 量表在地址空间的 位 置。 在用户初始化微处理器时， m c f 5 2 0 6 主要通过内 部各个模块寄存器向 用户 程序提供灵活的可编程 性。 所有这 些配置寄 存器被 组织成系统集成 模块s i m管 理。 系统集成模块s i m负责控制内 部和外部总线操作控制， 提供m c f 5 2 0 6 与 周边和外部设备的接口 ，中断控制和系统保护功能。 s i m的起始地址由 模块基 址寄存器m b a r指定。 mc f 5 2 0 6 把这些寄存器统一 映射到地址空间中， 应用 程序可以 象访问内 存单元一样访问这些寄 存器。 通过修改m b a r的值， 就可以 把s i m模块映射到地址空间中 任何以1 k b为模的 地方。 s i m中的各个寄 存器 西北工业大学硕士研究生论文 的使用将在第三章使用时介绍， 这里仅对s i m的基址寄存器m b a r结构作介 绍。 mb a r寄存器是3 2 位只写的核心态控制寄存器，只能在核心态下用 mo v e c指令进行写入。它的物理地址为$ c o f ，并且 在系统启动后要首先对它 进行正确初始化，才能对其他模块进行配置。m b a r各位段功能如下: i . b i t 3 1 : 1 0 一s i m模块 基址 这个位段把s i m寄存器组映射到地址空间任何1 k b为模的地址上。 2 . b it 4 : 1 一 s c , s d , u c , l td 地址 空间 屏 蔽 位 屏蔽位用于对s i m寄存器组做必要的保护， 这样就可以保证用户程序不会 破坏s i m寄存器内 容。 s c =核心态代码地址空间 s d二核心态数据地址空间 u c二用户态代码地址空间 u d二用户态数据地址空间 以上各位，为1 表示禁止在该种地址空间中 访问s i m寄存器， 0 表示对该 地址空间不屏蔽。 3 . b i t o 一 有效使能位 在初始化mb a r时要对该位置1 ，才能使写入m b a r 系统重启后该为被清0 ，表示m b a r为无效状态口 中各位段有效。在 3 1 . 4 mc f 5 2 0 6 异常处理 mc f 5 2 0 6 微处理器为了提高异常处理的速度和效率使用向量表基址寄存 器v b r提高向量表的重定址能力， 使用固定长度异常堆栈帧格式简化处理器上 下文保存的难度。异常处理状态从异常条件被检测开始，直到处理异常函数的 第一条指令被取到指令缓冲f i f o中结束。接下来处理器进入正常执行状态， 直到异常处理函数结束返回被中断的应用程序。异常处理由四组成: i . 处理器把s r的值压入堆栈，并通过改变s r中的s 位使处理器进入核 心态。 中断异常发生时还要清零主状忽中断状态位， 表示处理器进入中断状态。 2 . 对于所有内 部异常中断， 处理器通过判断异常发生类型计算出中断向量 数;对于外部中断，处理器可通过中断响应总线周期从外部器件取得向量数， 也可编程自 动产生。 3 . 处理器在系统堆栈上组织一个异常栈帧用于保存当前上下文。 而且处理 器对所有异常处理都使用固定长度 ( 2 个1 6 位字)的堆栈帧来简化保存过程。 1 1 西北工业大学硕士研究生论文 的使用将在第三章使用时介绍， 这里仅对s i m的基址寄存器m b a r结构作介 绍。 mb a r寄存器是3 2 位只写的核心态控制寄存器，只能在核心态下用 mo v e c指令进行写入。它的物理地址为$ c o f ，并且 在系统启动后要首先对它 进行正确初始化，才能对其他模块进行配置。m b a r各位段功能如下: i . b i t 3 1 : 1 0 一s i m模块 基址 这个位段把s i m寄存器组映射到地址空间任何1 k b为模的地址上。 2 . b it 4 : 1 一 s c , s d , u c , l td 地址 空间 屏 蔽 位 屏蔽位用于对s i m寄存器组做必要的保护， 这样就可以保证用户程序不会 破坏s i m寄存器内 容。 s c =核心态代码地址空间 s d二核心态数据地址空间 u c二用户态代码地址空间 u d二用户态数据地