（计算机应用技术专业论文）自学习遥控嵌入式系统平台设计.pdf

摘要 摘要 随着人们生活水平的提高和科学技术的发展，嵌入式系统的应用越来越多， 嵌入式系统几乎包括了人们日常生活中的所有电器设备，如掌上p d a 、移动计 算设备、电视机顶盒、手机上网、数字电视、多媒体、微波炉、数字相机、空调 等。同时这些产品中，需要遥控器也越来越多，如前面提到的多数设备，现在均 配有遥控器。本文的工作就是设计一个带有自学习遥控功能的p d a 平台。同时 在此平台上，可以开发更多更丰富的功能。 由于嵌入式系统平台架构设计的好坏很大程度上决定了一个嵌入式系统的 扩展性、可维护性、执行效能等重要指标，所以本文就着重讲述了一个非常好的 嵌入式平台。本文首先对自学习遥控p d a 平台的设计目标进行了分析，并在此 基础上提出了以m p c 8 2 3 为核心处理器的设计方案。该平台合理利用了m p c 8 2 3 的内部资源和特性，采用优化结构设计，并且提供了很好的扩展性。在完成系统 硬件平台设计的基础上，本文也讨论了自学习遥控的原理和实现的流程。本文同 时对于软件实现，也做了简单阐述。 本文将结合作者本人参加的带自学习遥控器功能的家用手持系统的开发实 例，阐述在嵌入式系统开发中，对硬件平台的设计思路及实现方法。最后对于实 例进行分析，总结在嵌入式系统开发中硬件平台设计及技术经验。 关键词：嵌入式系统、p o w e rp c 、p d a 、自学习遥控 a b s t r a c t w i $ t h ed w d o p m e n to fp e o p l e sl i f ea n dt e c h n o l o g y , t h e 印p l i c a f i o n so f 蜘由e d m 姐s 3 ，9 1 t e ma r em o r ea n dm o r ei m p l e r a e n t e d e m b c d d e ds y s t e mh a si n c l u d e d a l m o s ta l le l 枷o a le q 脚p 芏n t so fo l l rl i v e s ，f o re x a m p l e s ：p d a 、m o b i l ec o m p m e r d o v i 、s e t - t o pb o x 、m o b i l ep h o n e 、m u l t i m e d i a d e f i c e s 、m i c r o w a v es t o v e s 、d i g i t a l c a m e r a 、a i rc o n d i t i o n ，e t c a n da tt h es a l t i ct i m e 。t h er e m o t ec o n 虹0 1 l e r so fn l e s e d c v i c 鹤a r em o r e q i l i r e d m e go f m ea ：b o v ed e v i c e sh a v ew i r e l e s sr c m o t ec o n t r o l l e r s t h i sp 印盯、v i nd e s i 乒ap d a p l a t f o r m 、v i ms d f l e a m i n gr c m o t e 蛐lf u n c f i o n a n da l s ow ec a nd e v e l o pal o to f u s e 如lf u n c t i o no rt h i sp l a t f o r m a st h ep e r f o r m 蛆c eo f 觚e m b e d d e ds y s t e ms t r u c t u r ed e t e r m i n 船t h ee x t e n s i b i l i t ) r o fas y s t e m ，m a i n t a i n a b i 岘i m p l e m e n te f f i c i 吼e ge 1 c t h i sp e rd e s c r i b e sav e r y n i e a l i a e d d e dp l a t f o r m f k s tw ea n a l y z es et a r g e to ft h i ss e l l e a m i n gr c m o t c c o n t r o h 艇p 矗ap 蛐o r ma n d 也e np r o f i d et h es o l u t i o nb 船e do nm p c 8 2 3 t h i s p l a t f o r mm a k e sg o o d 璐eo f t h er e u r c e sa n ds p c c i a l i t i e so fm p c 8 2 3 ，叩t i m i z e st h e o a 脚女嘲a n dp r o v i d e sg o o de x t a 衄i b m 吼a n da l s ot h i sp a p c rd i 璐s e s h e 也e o r yo f l f 1 | 烟i i 翦喀r e m o t e c o n t r o la n di m p l c m 曲f i o nf l o w t h i s p a p 盯t e l l s t h e i m p l m c a t a t i o no f s o f l w a m a l s o t h i s 辨p 睇w i nm 璐吼et h et h i n k i n ga n dr e a l i z a f i o no fh a r d w 盯ep l a t f o r mi 1 1 日n b e d d e ds y s t a nd e v e l o p i n gb 龉e do nt h ep m j c c to fh o m ep d aw i ms d f - l e a m i n g r e m o t e n t r 0 1 a n d1w i l le x p l a i nt h i sb 硒e do nm y p r o j e c tt os t t m r i z et l l ee m b e d d e d 科葛觚h | 目翻哪d 鹤i g na n de x p c r i e i l c c 鬣哪啊o r 凼：e m b e d d e ds y s t e m 、p o w e rp c 、p d a 、s e f f - l e a 胁gr 哪o t ee o n 打o l i i 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得玉洼太堂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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位敝储雠凶嘞签字吼一年朋 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云潼太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼太堂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 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者魏朗 导师签名： ，一， 签字日期l 2 扩舛l 月弦日签字日期：易，盯年r z - - 户 “日 第一章绪论 第一章绪论 随着知识经济时代科技的迅猛发展，嵌入式系统的应用越来越多，正在日益 影响着人们工作和生活，同时嵌入式系统也是计算机发展的重要方向之一。本文 设计的就定一个嵌入式平台，本章将对嵌入式系统作一个简单介绍。 1 1 嵌入式系统简介 嵌入式系统一般指非计算机系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备 或器材。嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪， 适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的应用系统。它一般由嵌 入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分 组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 简单地说，嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体，类似于p c 中b i o s 的工作方式，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要 求实时和多任务的体系。 嵌入式系统它是可独立工作的“器件”，包括硬件和软件，硬件主要包括嵌 入式处理器、相关支撑硬件，软件主要由嵌入式操作系统及应用软件系统等组成： 1 嵌入式系统的硬件部分，包括处理器微处理器、存储器及外设器件和i o 端 口、图形控制器等。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像 硬盘那样大容量的存储介质，而大多使用e p r o m 、e e p r o m 或闪存 f l a s hm e m o r y 作为存储介质。 2 嵌入式系统软件部分包括操作系统软件( 要求实时和多任务操作) 和应用程序 编程。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程 与硬件的交互作用。 由于嵌入式系统有着体积小、功能集中、可靠性高等优点，已经被广泛的应 用到现代日常生活的各个方面，如移动通信、工业控制、医疗器械、家用电器等 等。近年来，随着网络技术特别是移动通讯技术的发展和信息家电普及，嵌入式 系统越来越成为人们生活中的寻常之物。嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电 1 第一章绪论 器设备，如掌上p d a 、移动计算设备、电视机顶盒、手机上网、数字电视、多 媒体、汽车、微波炉、数字相机、家庭自动化系统、电梯、空调、安全系统、自 动售货机、蜂窝式电话、消费电子设备、工业自动化仪表与医疗仪器等 1 2 嵌入式系统的发展 嵌入式系统的发展经历了4 个比较明显的阶段。 第一阶段是无操作系统的嵌入算法阶段，是以单芯片为核心的可编程控制器 形式的系统，同时具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。这种系统大部分 应用于一些专业性极强的工业控制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编 语言编程对系统进行直接控制，运行结束后清除内存。这一阶段系统的主要特点 是：系统结构和功能都相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户 接口由于这种嵌入式系统使用简便、价格很低，以前在国内工业领域应用较为 普遍，但是已经远远不能适应高效的、需要大容量存储介质的现代化工业控制和 新兴的信息家电等领域的需求。 笫二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。 这一阶段系统的主要特点是：c p u 种类繁多，通用性比较差；系统开销小，效 率高；一般配备系统仿真器，操作系统具有一定的兼容性和扩展性；应用软件较 专业，用户界面不够友好；系统主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。 第三阶段是通用的嵌入式实时操作系统阶段，是以嵌入式操作系统为核心的 嵌入式系统。这一阶段系统的主要特点是：嵌入式操作系统能运行于各种不同类 型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核精小、效率高，并且具有高度的模块 化和扩展性；具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以 及用户界面等功能；具有大量的应用程序接口( a p d ，开发应用程序简单；嵌入 式应用软件丰富 第四阶段是以基于i n t 睨 a e t 为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的 阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t o m c t 之外，但随着h t a a e t 的发展以 及i n t a m e t 技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与i n t e r a c t 的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。 2 第一章绪论 1 3 嵌入式系统的特点 嵌入式系统的应用虽然有很多，但是通常具有以下特点： 1 嵌入式系统通常是面向特定应用的 嵌入式c p u 与通用型的最大不同就是嵌入式c p u 大多工作在为特定用 户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、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，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来 越紧密 2 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业 的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、 资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 3 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余， 力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处 理器的选择更具有竞争力 4 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产 品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，就具有较长的生命周 期。 5 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存 储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 6 嵌入式系统本身不具各自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是 不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进 行开发。 1 4 自学习遥控功能 随着科技和经济的快速发展，人们生活水平的得到了很大提高，普通家庭里 的家电越来越多，随着家电种类的增加，各种功能也变得越来越复杂，为了实现 各种功能的操作方便，普遍的家电都带有无线遥控器。如：电视，空调，风扇， 3 第一章绪论 d v d 播放器，音响，机顶盒 一 同时随着房地产的发展，人们对住宅需求的提高，现代化的住宅正向着智能 化、自动化、多功能网络化的”智能住宅”发展。也产生了很多无线的遥控器，如 灯光，电器，窗帘，温度湿度，安防报警 越来越多的遥控器使得人们无所适从，而且一旦丢失往往带来很多不便。人 们往往都有这样的经验：家里没有任何东西比遥控器更容易丢，不管是电视还是 空调，当你想改变其运行状态的时候总会发现遥控器这东西比房间的任何其他东 西更加难觅踪迹。遥控器的丢失往往还有如下规律：与其配套的电器停止运转之 时，遥控器就会莫名其妙地现身。总之，寻找遥控器成为每天让人头疼的几件事 情之一。 现在市场上还没有一款比较合适的自学习遥控器产品。我们所能见到的智能 遥控器，还是基于普通的遥控器硬件，其所有的按键已经固定。最多支持3 种遥 控模式，而且按键不能定义。同时所有按键又必须有丝印，这样几乎所有按键都 是不可选择的。在使用中也很不方便灵活，用户很难切换和操作，界面也非常不 友好 所以本文所设计的产品，实现自学习遥控器，使得所有的遥控器集成的一个 遥控器上，实现了对所有具有遥控功能的家用电器进行全功能的控制或者远程控 制，各种遥控器不用再换来换去，不用再担心丢失遥控器之后的麻烦，给人们带 来很大的方便。 1 5 本论文的主要工作 本项目的目标是设计一个通用手持系统平台，可以在此平台上开发多种功能 和应用，特别是通讯方面的应用。通过该手持平台可以实现通用p d a 的功能， 而且可以提供自学习遥控器的功能、i r d a 传输。 具体地讲，本论文要完成的主要工作如下： 1 根据系统性能指标，完成系统的总体方案设计，包括系统所选用的硬件平 台和软件处理流程； 4 第一章绪论 2 实现系统的硬件构架，包括核心处理器、信息存储、自学习遥控以及完整 的电源方案； 3 在硬件平台上实现系统实时显示与处理功能； 4 在硬件平台上实现自学习遥控功能； 5 在硬件平台上实现i r d a 程6 输功能。 本人在此项目中负责系统硬件平台的设计，系统方案的设计，设计底层驱动， 并辅助软件人员实现系统所需功能。根据p d a 所要实现的功能，并且与软件人 员讨论运行软件所需要的硬件基础，及可扩展性，架构硬件平台，选择合适的元 件，并且设计硬件电路，p c b 布线，焊接制造样品，编写硬件驱动程序，与软 件人员一起合作，调试硬件平台的功能及性能，并且进行优化。本论文将结合作 者本人参加的带自学习遥控器功能的家用手持系统的开发实例，阐述在嵌入式系 统开发中，对硬件平台的设计思路及实现方法，最后对于实例进行分析，总结在 嵌入式系统开发中硬件平台设计及技术经验。 5 第二章系统总体设计 第二章系统总体设计 在设计系统硬件平台的时候，通常我们需要以下步骤： 1 项目准备及需求收集 2 项目分析及方案选择 3 架构及软硬件接口定义 4 项目实施 5 项目测试及调整 6 项目收尾 本文设计了一款家用p d a 平台，并且在此平台上提供了自学习遥控和i r d a 数据传输的功能。 本章中将就系统平台的总体设计做一个介绍和说明，使读者对本平台有一个 总体的了解。 2 1 。系统性能指标 为了实现该手持平台的功能，该手持系统应该包括以下部分； 1 ) 支持图形及文字液晶显示； 2 ) 利用触摸屏液晶显示系统，作为人机接口； 3 ) 利用外部存储器，存储多种应用程序和用户信息； 4 ) 利用i r d a 收发器，作为大容量无线数据收发，可以和计算机等高端 设备进行数据交互； 5 ) 可以作为自学习遥控器，代替各种遥控器设备； 6 ) 利用串口作为与外界交互信息接1 ：3 。 作为手持系统，而且能够进行无线遥控和数据传输，就要求系统的抗干扰能 力强，同时要求产品体积小，重量轻，携带方便。 6 第二章系统总体设计 对用户来讲揉作简单实用也是非常重要的。 作为便携式的产品，功耗低也是非常关键的因素。 2 2 系统功能 2 2 1 自学习遥控功能 一般的红外遥控系统是由红夕卜遥控信号发射器、红外遥控信号接收器和微控 制器及其外围电路等三部分构成的。在红外遥控系统中，解码的核心是c p u 。 用户按下按键后，遥控器的红外信号发射器就向外发出红外信号，接收设备的红 外信号接收器感应红外信号，并解析成串行信号，然后c p u 接收解调出的串行 二进制码，在内部根据本系统的遥控信号编码格式将串行码对应成遥控器上的按 键。 在本文所设计的自学习遥控器中，我们只利用一般红外遥控系统中的遥控发 射器、遥控接收头，利用自行设计的解码电路直接对遥控接收头解调出的遥控编 码脉冲进行解码，就可以得到原始的按键信息。遥控信号发射器用来产生遥控编 码脉冲，驱动红外发射管输出红外遥控信号，遥控接收头完成对遥控信号的放大、 检波、整形、解调出遥控编码脉冲。遥控编码脉冲是一组组串行二进制码，对于 红外遥控系统，将此串行码输入到微控制器，由c p u 完成对遥控指令解码，并 执行相应的遥控功能。 本文通过实现自学习遥控功能，使得用户摆脱了对多个遥控器的依赖，使得 所有的遥控器集成于一个p d a 中。该产品相比于用普通的遥控器作为智能遥控， p d a 的界面友好而且性能优良，简单实用，而且数据容易备份，为用户带来更 大的方便。 2 2 2 h i ) a 功能 h d a 是i n f i a r e d d a t a a s s o c i a t i o n 的英文缩写，即红外线数据标准协会，成 立于1 9 9 3 年。是个致力于建立无线传播连接的国际标准非营利性组织。目前在 全球拥有1 6 0 个会员，参与的厂商包括计算机及通信硬件、软件及电信公司等。 7 第二章系统总体设计 简单地讲，i r d a 是一种利用红外线进行点对点通信的技术，其相应的软件 和硬件技术都已比较成熟。 它在技术上的主要优点有： 1 ) 无需专门申请特定频率的使用执照。这一点，在当前频率资源匮乏，频 道使用费用增加的背景下是非常重要的。 2 ) 具有移动通信设备所必需的体积小、功率低的特点。h p 公司目前已推 出结合模块应用的约从2 5 8 0 x 2 9 立方毫米到5 3 1 3 0 x 3 8 立方毫米的 专用器件，与同类技术相比，耗电量也是最低的。 3 ) 传输速率在适合于家庭和办公室使用的微微网( p i c on e t ) 中是最高的， 由于采用点到点的连接，数据传输所受到的干扰较少，速率可以达到 1 6 m b 8 。 除了在技术上有自己的技术特点外，i r d a 的市场优势也是十分明显的。目 前，全世界有5 0 0 0 万台设备采用i r d a 技术，并且仍然每年以5 0 的速度增长。 有9 5 的手提电脑安装了i r d a 接口。在成本上，红外线l e d 及接收器等组件 远较一般r f 组件来得便宜，i r d a 端口的成本在5 美元以内，如果对速度要求不 高甚至可以低到1 5 美元以内，相当于日前蓝牙产品的十分之一 i r d a 的局限性主要表现在： 1 i r d a 是一种视距传输技术，也就是说两个具有i r d a 端口的设备之间如 果传输数据，中间就不能有阻挡物，这在两个设备之间是容易实现的， 但在多个电子设备间就必须彼此调整位置和角度等； 2 i r d a 设备中的核心部件红外线l e d 不是一种十分耐用的器件，对于不 经常使用的扫描仪、数码相机等设备虽然游刃有余，但如果经常用装配 i r d a 端口的手机上网，可能很快就不堪重负了。 i r d a 除了传输速率由原来的f 瓜( f a s ti n 丘a r e d ) 的4 m b s 提高到最新v f 取 的1 6 m b 8 标准；接收角度也由传统的3 0 度扩展到1 2 0 度。 8 第二章系统总体设计 本产品通过实现i r d a 传输功能，可以实现p d a 与计算机的数据传输。这 样无论是自学习遥控功能所存的数据，还是用户自己编写的通讯录，备忘录以及 字典，游戏等应用功能和需要备份的数据，就很容易的和计算机实现交互。这样 就更加有利于用户的操作使用。当然i r d a 的功能不仅仅局限于此，可以在物理 层功能实现的基础上，做更多的红外传输功能的开发。 2 2 3 通用p d a 功能 随着通用的p d a 已经在现实生活中得到了广泛的应用，很多功能已经成为 人们生活中不可缺少的部分，现在彼多家庭中也已经使用了p d a 。这是因为p d a 采用移动嵌入式处理平台，可以随身携带，给用户带来更多的方便和更大的自由 度。 而本文把自学习遥控器的功能集成到p d a 上，则更加方便了人们在家中进 行操作。本文采用p d a 作为移动平台，不但使得人们抛弃了到处找遥控器的困 境而且可以在家中实现很多强大功能，如计算器，便签，提示，词典，记事本， 游戏，通讯录通过这些灵活的应用功能，给人们带来更多的方便和自由， 由于通用的p d a 功能，多是软件应用，本论文侧重于硬件的平台，和底层 软件驱动，所以应用功能将不作重点介绍。通常实现这些功能，在硬件上只需要 核心处理器，动态内存，和静态f l a s h 存储即可。本文使用的是m p c 8 2 3 ，3 2 m s d r a l 和8 mf i 。a s h 。 2 3 系统总体设计方案 通常在做系统结构设计时，我们要充分考虑要实现多少功能，首先从物理层 面对需求进行分析，确定系统的基本要求，然后软件根据要实现所有功能，需要 多少开销，要求多少资源，配合分析。 根据上文讲述的系统的性能指标和功能要求，我们需要实现自学习遥控功 能，所以红外收发器是必须的，要实现i r d a 收发功能，所有i r d a 收发器是必 须的，作为p d a ，触摸屏是人机界面不可少的。同时软件处理也需要动态和静 态存储器。 9 第二章系统总体设计 据此，我们设计了如下系统的结构框架图，如图2 一l 所示： 图2 一l 系统结构框图 图2 1 系统结构框图描述了本系统的基本结构本系统主要包含电源处 理，时钟处理，核心处理器，动态存储器，静态存储器，u 触摸屏，i r d a 收 发器，红外自学习遥控以及r s 2 3 2 。 在本系统里，我们选用高性能的p o w e r p c8 2 3 作为核心的处理器，来实现主 要的功能处理，在m p c 8 2 3 系统资源的基础上，进行外部功能扩展。m p c 8 2 3 是 双内核结构，其通讯处理内核专门处理通讯功能，因而其通讯处理功能非常强大 灵活，本文在其基础上开发了h d a ，r s 2 3 2 尤其是红外自学习遥控功能。当然 其功能还不尽于此，我们可以做更多的开发，甚至g s m ，g p s 等等。 本系统采用8 m 的f l a s h 作为程序和数据的存储设备，实现灵活的参数配置 及其存储。采用3 2 ms d r a m 作为动态存储器，实现程序的动态运行，系统的调 度，应用程序等等多种功能。 本系统采用了4 m i - i z 的外部有源晶振，作为系统时钟的晶振。内部通过倍频， 1 0 第二章系统总体设计 提高到4 8 m h z ，实现系统的高速运算处理。 本系统采用3 2 0 x 2 4 0 的触摸屏作为人机接口界面，使得用户可以方便快捷的 实现各种操作。 自学习遥控硬件处理流程归结如图2 2 所示。 图2 2 系统处理流程 图2 2 系统处理流程描述了自学习遥控的物理过程，即：普通遥控器发出 红外信号，p d a 的红外接收头接收红外信号，并且进行解码；然后系统把码值 存入f l a s h 中，该码值将与触摸屏某一个键对应，这就完成了学习的过程。遥控 的过程是p d a 从f l a s h 读取码值到内存中，经过编码之后通过串口发到红外发 射器的管脚，再经过红外发射器变成红外信号发到要控制的设备，如电视，d v d 等；这样就实现了遥控的功能。本系统就是通过这个物理过程来实现自学习遥控 功能的。 2 4 开发工具简介 在本项目的开发中，主要使用的开发工具有： p r o t e l 9 9 - - 硬件原理图及p c b 绘制工具 v i s i o n i c e 2 - - 在线调试工具 c o d e w a r r i o r - - 软件代码编译器 第二章系统总体设计 t d s 2 0 0 0 示波器 2 5 本章小结 本章根据系统的性能指标和功能要求，给出了系统的整体设计方案，并且介 绍了自学习遥控功能实现的基本流程。我们最终的目标是实现一个功能强大，使 用灵活方便，易于扩展的一个便携式硬件平台。 以下各章，将逐一对具体模块进行分析与讨论。 第三章主要元器件介绍 第三章主要元器件介绍 上文对系统的总体设计做了说明，本章将介绍本嵌入式系统中所用的主要元 器件。 3 1 系统核心处理器m p c 8 2 3 本体统采用的是m o t o r o l a 公司的p o w 盯p c 系列产品中的一款，型号是 m p c 8 2 3 。由于这是本项目的核心处理器，所有的功能都是基于该处理器，下面 将对p o w 口p c 和m p c 8 2 3 作一个重点介绍。 3 1 1 呼c 8 2 3 本系统的核心运算处理器为一片m o t o r o l a 公司的p o w e r p c - - m p c 8 2 3 。其结 构图如图3 - - 1 m p c 8 2 3 结构图所示。 图3 一i m p c 8 2 3 结构图 第三章主要元器件介绍 本项目选用的m p c 8 2 3 微处理器是一个通用的单片集成微处理器和外设组 合，可用于各种便携式电子产品。是移动视频图像终端的首选。m p c 8 2 3 是 m p c 8 2 1 微处理器的低费用版，除了其增强了附加的通讯和显示能力之外。尤 其是，其支持通用串行总线( u s b ) 和视频显示系统以及m p c 8 2 1 器件中已有的 l c d 接口。 m p c 8 2 3 微处理器特别优于低功率、便携式、图像捕获、及个人通讯产品。 图3 - - i m p c 8 2 3 结构图给出了m p c 8 2 3 内部的结构，从结构图我们可以明 确的看到该处理器的双内核结构- - p o w e r p c 内核和通讯处理器，以及各个内核 内部所包含的模块。 其集成了高性能的嵌入式p o w e r p c t m 内核，带有使用图像和通讯用的的专用 r i s c 处理器的通讯处理器模块。通讯处理器模块能执行嵌入式信号处理功能， 图像压缩和解压缩；并且支持6 个串行通道一1 个串行通讯控制器、2 个串行 管理控制器、1 个您c 端口、1 个通用串行总线通道、以及1 个串行外设接口。 由于通讯处理器模块免除了内核在图像和通讯等方面的外设责任，此双处理器结 构比传统结构在功耗方面效率更高。 3 1 2 嵌入式p o w c r p c 内核 本文所选择的m p c 8 2 3 其内核不同于传统的i n t e l x 8 6 或者5 l 内核。p o w e r p c 内核符合标准的p o w e r p c 结构。其全静态设计由下列3 个功能块组l 莸整数块、 硬件乘法器，除法器、装存储块。此内核支持3 2 位内部数据通道和3 2 位算术 硬件的整数操作。其与内部和外部总线的接口均为3 2 位。此内核采用双指令装 入存储队列、4 指令预取队列和6 指令历史缓存器。其执行带条件预取但不带条 件执行的分支f o l d i n g 和分支预测。用单总线周期，内核可工作在3 2 位外部操作 数、在多总线周期工作在c r i t i c a l - w o r d - f i r s t 。p o w 骶p c 整数块支持3 2x3 2 位定点 通用寄存器并可在每个时钟周期执行1 条整数指令。 p o w e r p c 内核集成了存储管理单元、指令c a c h e 、数据c a c h e 。存储管理单元 ( m m u s ) 提供了8 - e n u y , 全a s s o c i a t i v e 指令和数据t l b s ，带4 k ( 1 k 保护) 、1 6 k 、 5 1 2 k 、8 m 的多页大小。其支持1 6 个虚拟地址空间和1 6 个保护组。专用寄存器 1 4 第三章主要元嚣件介绍 支持软件t a b l e w a l k 和更新。 指令c a c h e 是带物理寻址的2 k 、双向、成组相连的。其允许命中时单周期 存取，脱靶时不增加等待时间。其为每线4 个字且支持b u r s t 线用l r u 替代算法 填充。c a c h e 能以线为基础锁存矗”应用c r i t i c a l 例程。数据c a c h e 是带物理寻址 的1 k 、双向、成组相连的。其允许命中时单周期存取，脱靶时1 个增加时钟等 待时间。其有4 个每线4 个字且支持b u r s t 线用l r u 替代算法填充。c a c h e 能以 线为基础锁存矗) r 应用c r i t i c a l 数据，并可编程为支持通过存储管理单元拷回或 透写模式。 每个m m u 页都可编程为c a c h e 禁止模式。在5 0 m h z ( 用d h r y s t o n e2 1 1 或 1 1 5 k d h r y s t o n o s 的情况下，假定9 4 的c a s h e 命中速率，每个时钟周期可发出1 条指令，则带指令和数据c a c h e 8 的p o w e r p c 内核可大约传递6 6m i p s 。 3 1 3 m p c 8 2 3 的系统接口单元 m p c 8 2 3 的系统接口单元支持传统的6 8 k b i g 铷d i m 存储器系统和p o w e r p c m n a l l - e n d i a a 存储器系统。其还提供电与电源、管理功能、复位控制、p o w e r p c 减量计数器、p o w e r p c 时基、实时时钟。尽管p o w e r p c 内核为内部3 2 位器件， 但仍可配置成工作在8 位、1 6 位、3 2 位数据总线。不管系统总线大小都支持动 态总线大小调整，允许8 位、1 6 位、3 2 位外设和存储器共存在3 2 位系统总线上。 m p c 8 2 3 的存储控制器负责控制最多8 个存储器b a n k ，共享1 个通用片选机 和2 个用户可编程机。它支持与s r a m 、e p r o m 、f l a s he p r o m 、正规d r a m 器件、自刷新d r a m 、扩展数据输出d r a m 器件、s d r a m 以及其它外设的无 粘结接口支持外部地址多路复用、周期定时器、用于与d r a m 器件无粘结接 口的行地址和列地址选通的定时产生。周期定时器允许在地址多路复用提供行列 地址时启动刷新周期。 用户可定义不同的定时模式用于管理存储器器件的控制信号。这些模式定义 外部控制信号在读访问、写访问、b u r s t 读访问、或b u r s t 写访问请求时是如何 工作的。用户可定义外部控制信号在周期定时器达到刷新操作的最大编程值时如 何触发。存储控制器框图如图3 2 存储控制器结构图所示。 第三章主要元器件介绍 图3 2 存储控制器结构图 存储器控制器提供3 2 k 到2 5 6 k 可交块大小。存储器控制器对每个b a n k 存 储器存取可有0 - 2 0 个等待状态。其为可变宽度的器件提供4 个字节允许信号、1 个输出允许信号、1 个复位时用的自举片选信号。 d r a m 接口支持8 位、1 6 位、3 2 位端口，并用可编程状态机来支持几乎所 有的存储器接口。对于所有接口大小，存储器b a n k 可以在下列深度：2 5 6 k 、5 1 2 k 、 1 6 第三章主要元器件介绍 1 m 、2 m 、4 m 、8 m 、1 6 m 、3 2 m 、6 4 m 此外对8 位存储器，存储器深度可定 义为6 4 k 和1 2 8 k ；对3 2 位存储器，可定义为1 2 8 m 和2 5 6 m 。d r a m 控制器支 持在b u r s t 内顺序传送的内页模式存取。当外部缓存器要为附加存储器b a n k 所用 时，m p c 8 2 3 支持与1b a n k 的d r a m 的无粘结接口。在外部复位( 禁止刷新模式) 期间，在可编程刷新定时器r a s 刷新有效之前，刷新单元提供c a s ，且可持续最 大为7 个刷新周期。 系统接口单元在本系统的设计中占有非常重要的地位。其中动态存储器和静 态存储器的设计，均来自与此。包括自学习遥控和i r d a 传输的所有的应用都要 通过系统接口单元来实现，在下面介绍s d r a m 和f l a s h 设计的部分，我们将会做 进一步的阐述。 3 1 4 m p c 8 2 3 的通讯处理器模块 m p c 8 2 3 的通讯处理器模块( c p m ) 的特色可使m p c 8 2 3 很好地用于图像、通 讯、低功率应用。这可分成3 部分： d s p 处理 通讯处理 1 2 个串行d m a 通道和2 个独立的d 1 雌通道 m p c 8 2 3 的嵌入式d s p 功能允许通讯处理器模块与p o w e r p c 内核并行地执 行图像处理算法，以达到用极小的功率完成最大的性能。d s p 可在每个时钟周期 执行1 个1 6 x 1 6m a c 。其具有可编程的滤波功能，如f i r 、m o d 、d e m o d 、r 、 以及可下载的用于j p e g 图像压缩和解压缩的图像处理功能。这些功能也可用于 m o d e m 和语音识别程序。 m p c 8 2 3 的健壮通讯特点来自通讯处理器模块。这些特点包括1 个带m u l t i p l y a c c u m u l a t e ( m a c ) 硬件的r i s e 微控制器、1 个串行通讯控制器( s c c ) 、2 个串行 管理控制器( s m c s ) 、1 个串行通用总线c o s b ) 用的专用串行通道、内部集成电路 0 2 c ) 端口、1 个串行外设接i ：l ( s p i ) 、8 k 双端口r a m 、中断控制器、1 个时隙分 配器、4 个独立的波特率发生器。 第三章主要元器件介绍 1 2 个串行d m a 通道支持s c c 、s m c s 、u s b 通道、s p i 、1 2 c 控制器。独 立的d m a 给出2 个通用d m a 通道。它们提供高速传送、3 2 位数据传送、缓存 器链接、独立的请求和应答逻辑。r i s c 微控制器是可以直接存取i d m a 寄存器 的唯一模块。c p u 只能通过缓存器描述符间接的存取它们。 本系统的自学习遥控，i r d a 数据传输，r s 2 3 2 串口等都是来自于m p c 8 2 3 的通讯处理模块。由于m p c 8 2 3 的通讯功能非常强大，本设计中并没有完全利 用，这也为将来做更多的扩展和应用提供了更大的灵活性和可能性。 3 1 5 m p c 8 2 3 的视频l c d 控制器 m p c 8 2 3 有一个共享普通双端口存储器的双用途视频l c d 控制器。但一次 只能运行一个控制器。本设计中我们采用的是l c d 控制器。 m p c 8 2 3 的l c d 控制器提供了对8 位彩色、单色、4 1 6 级灰度、彩色t f t ( 1 2 位，4 x 3r g b ) 、无源彩色( x s t n 9 4 s 位数据等多种l c d 的极其多样的支持。该 l c d 控制器支持4 位单扫描、8 位双扫描、2 + 2 位双扫描、4 + 4 位双扫描。帧速 率、每行像素数、每帧行数都是可编程的通过在通讯处理器模块程序实现的对 比度工作周期调整，屏电压是可编程的。先是数据保存在自己的存储器空间，并 用d m a 通道传送到控制器中。由于这些特点，使得我们选择l c d 触摸屏的时 候，有了更多灵活性。 本系统采用的是l c d 触摸屏作为人机接口，所以使用的是m p c 8 2 3 的l c d 控制器。这对于l c d 设计和应用来说是非常方便和灵活的。 3 1 6 m p c 8 2 3 的电源管理 m p c 8 2 3 支持各种电源管理功能，包括正常高、正常低、瞌睡、睡眠、深度 睡眠、下电模式。在正常高模式，m p c 8 2 3 的所有内部单元都工作在全速全功率 下。除了工作在低得多的频率下之外，正常低模式与正常高模式相同。由时钟 除法器决定的瞌睡模式允许操作系统减小处理器的工作频率。 在瞌睡模式，除时基、减量计数器、p u 。、存储器控制器、实时时钟、l c d 控制器、通讯处理器模块之外的核功能单元均被禁止。睡眠模式是一种低功率模 第三章主要元嚣件介绍 式，其禁止除实时时钟、时基、减量计数器、周期中断定时器之外的所有工作， 留下p l l 有效以便能快速唤醒。深度睡眠模式微低功率而禁止p i 工，因此为慢 速唤醒。下电模式，除了重新启动器件所需的最少逻辑之外禁止处理器的所有逻 辑工作其节省了大部分功率但需要最长的唤醒时间。 m p c 8 2 3 还提供1 组分开的电源管脚用于器件的内部逻辑。这些电源管脚在 c p u 工作在2 5 m i - i z 或更低频率时，可用来提供2 2 v 电源电压。这使得器件的 功耗再减少另外的3 0 由于本产品是便携式的产品，对于功耗的要求就非常高，m p c 8 2 3 提供了如 此丰富的电源管理操作方式，对于便携式产品降低功耗，提高使用时间是非常有 利的。 3 2 h y 5 7 v 2 8 1 6 2 0 a 我们选用的内存芯片是h y 5 7 v 2 8 1 6 2 0 a 。该芯片是一个1 3 4 ，2 1 7 ，7 2 8 位自镰 c m o ss d r a m ，非常适合需要大容量和高带宽的应用中使用。h y 5 7 v 2 8 1 6 2 0 a 有4 个b a n k 组成，每个b a n k 有2 , 0 9 7 ，1 5 2 x 1 6 b i t 。该芯片的操作是随着时钟的上 升沿同步进行的。所有的输入输出操作与时钟输入的上升沿同步。所有的输入输 出电平与i 舢，兼容。 3 2 1 h y 5 7 、，2 8 1 6 2 0 a 的特点 单3 3 o 3 v 电源供电 所有管脚与i 1 ，兼容 j e d e c 标准的4 0 0 r a i lt s o p - - i i 封装 所有输入输出参考系统时钟的上升沿 u d q m 或l d q m 数据m a s k 内部4 b a a k 操作 自动刷新 1 9 第三章主要元器件介绍 每6 4 m s 有4 0 9 6 个刷新周期 可编程的b u r s t 长度和b u r s t 类型 可编程的c a s 时间 3 2 2 h y 5 7 v 2 8 1 6 2 0 a 的功能模块图 3 3 i n t e l 2 8 f 6 4 0 图3 - 3h y 5 7 v 2 8 1 6 2 0 a 的功能模块图 2 8 f 6 4 0 是h t e l 公司的高密度存储器( s w a t a f l a s h t m ) 家族中的一员，它可 以8 b i t 或者1 6 b i t 来访问。6 4 m b i t 的存储器有6 4 个1 2 8 k 字节( 1 3 1 ，0 7 2b y t e s ) 的可 擦写块。内存表可以参见图3 - 4m e m o r y m a p 。 2 0 第三章主要元器件介绍 3 3 1 2 8 f 6 4 0 特点 一个通用闪存接口( c o m m o n f l a s h i n t e r f a c e ，c f i ) 可以使得软件非常 容易的应用到所有本闪存家族。 一个命令用户接口( c o m m a n d u s e r i n t e r f a c e , c u i ) 是一个系统处理器和 设备内部操作接口。通过写入有效命令字，可以自动初始化闪存。个 内部写状态机( w r i t es t a t em a c h i n e ，w s m ) 会自动执行必要的算法和 时序，实现擦除，读写操作。 块擦除操作可以擦除整个1 2 8 - k b y t e 的块，典型操作可在1 秒钟完成块 擦除。每个块可以被擦除1 0 0 ，0 0 0 次。 闪存集成了一个3 2 b y t e s ( 1 6w o r d s ) 的写缓冲区，这就可以得到最佳的 编程性能。通过写缓冲区的这个特性，系统编程速度会提高2