（计算机科学与技术专业论文）通信设备的通用测试平台的研究与实现.pdf

通信设备的通用测试平台的研究与实现 摘要 互联网的飞速发展给网络通信设备带来了巨大的发展机遇。网络 对通信设备的需求，使得市场上出现了各种各样的通信设备。各种通 信设备的大量出现使得相应设备的测试仪器也相继出现。随着半导体 技术的飞速发展、嵌入式技术的日趋成熟，使得嵌入式的通信设备测 试平台的研究成为可能。本课题即研究了一种基于a r m 和嵌入式操作 系统的通信设备的通用测试平台。 该测试平台包括硬件和软件两大部分。硬件部分选用了a r m 处 理器为主控制芯片即s a m s u n g 公司的s 3 c 4 5 1 0 b 微处理器，设计了以 该处理器为核心的硬件平台。该硬件平台包括2 m 的f l a s h 、1 6 m 的s d r a m 、两个r s 2 3 2 u a r t 接口、一个s 3 c 4 5 1 0 b 内嵌以太网接 口、两个扩展的以太网接口和其它一些外围电路。软件方面，完成了 基于该硬件系统的b o o tl o a d e r 的编写、移植了嵌入式操作系统 u c l i n u x 并编写了该系统的网络接口的驱动程序。建立了基于u c l i n u x 软件开发环境，结合上层的测试软件完成对通信设备的测试功能。 关键宇：a r m 处理器，p r o t e l ，u c l i n u x 操作系统，网络驱动程序 t h er e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no f u n i v e r s a lt e s tp l a t f o r mf o r t e l e c o m m u n i c a t i o ne q u l p m e n t a b s t r a c t t h er 印i dd e v e l 叩m e n to fi n t e m e tb r i n g st h e 叩p o r t u n i t i e st ot h e n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n se q u i p m e n t s t h ea p p e a r a n c eo fv 积e t i e so f n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n se q u i p m e n t sm e e t sm en e e d st om en e 铆o r k c o n s t m c t i o n ， a n dt h e c o r r e s p o n d i n gt e s t i n ge q u i p m e n t s f o r c o m m u n i c a t i o n s e q u i p m e n t s c o m e u p w i t ht t l e c o m m u n i c a t i o n s e q u i p m e n t s a p p e a r a n c e i ti sp o s s i b l et od ot h er e s e a r c ho nt 1 1 et e s t i n g p i a t f o mu s i n gt h ee m b e d d e dt e c h l l o l o g yw h e nt h eg r e a t e rp r o g r e s sw a s m a d ei nt 1 1 ef i e l do fs e m i c o n d u c t o r s t h es u b j e c to ft h i sp a p e ri st o r e s e a r c h ak i n d p fg e n e r a lt e s t i n gp l a t f 0 加 f o rn l en e t w o r k c o m m u n i c a t i o n se q u i p m e n tb a s e do nt h ea r ma n dt h eo p e r a t i n gs y s t e m u s i n gt h ee m b e d d e dt e c h n o l o g y t h i st e s t i n gp l a t f o r mi b c l u d e st w op a n st l a ta r eh a r d w a r ea n d s o r 、v a r er e s e a r c h i nt h eh a r d w a r ep h a s e ，t h ep l a t f o mt a k e st l l ea r m p m c e s s o r ，s 3 c 4 5 1o bm i c m p m c e s s o rp r o d u c e db ys a m s u n gc o m p a n y ， f o rm em a i nc o n t r o l l e r t h i sp l a t f o n i lc o n t a i n s2 mf l a s h ，l6 m s d r a m ，t w or s 2 3 2 一u a r ti n t e 嘲c e s ，as 3 c 4 5l o be m b e d d e de t h e m e t i m e r f a c eo r i g i n s ，t w oe x p a j l d e de t h e m e ti n t e r f a c e sa n ds o m ec i r c u i t s o u t s i d e 1 l 把p a no fs o f h a r er e s e a r c h ，t h ep r o g r a m 时b o o tl o a d e r b a s e do nt 1 1 i s s y s t e m 粕dm ew o d ( f o rt r a i l s p l a n t i n g t l eu c l i n u x e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mt ot h i sp l a t f o m l h a sb e e nd o n e m o r e o v e r ，t h e d r i v e rp r o g r 锄f o rt h en e t w o r ki n t e r f a c ei nt h i ss y s t e mh a sf i n i s h e d f i n a l l y ， t h i s t e s t i n gp i a t f o m e s t a b l i s h e das o r w a r e d e v e l o p m e n t e n v i f o n m e n tb a s e do nu c l i n u x w i t ht h ee n v i r o n m e n ta n dt h e c o m b i n a t i o no fu p p e r t e s ts o r w a r ef o rc o m m u n i c a t i o n se q u i p m e n t ，t h i s t e s t i n gp l a t f o n l lc a nc o m p l e t et h et e s t 如n c t i o n k e yw o r d s ： a n n ，p r o t e l ，u c l i n u x ，n e t w o r ki n t e r f a c ed r i v e r i i i 独创住( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育枧构的学位或证书丽使用过的材料。与我一屑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。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名：奎壬：垃 本人承担一切相关责任。 日期：趔! ：墨。五( 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定， 即：研究生在校攻读学位期 日j 论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学 校有权保塑并向国家有关部f 1 或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论 文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用 影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密 后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 品期：兰翌! ：三：垤 同期：吐5 近 第一章绪论 1 1 本课题研究的内容和意义 无所不在的网络给网络通信设备带来了巨大的发展机遇。随着网络通信市场 的迅速增长，出现了多种多样的适合特定领域的通信设备。各种通信设备的大量 出现使得相应设备的测试仪器也相继出现。验证通信设备是否良好地发挥着作用 是测试仪器需要完成的问题。测试设备要完成测试功能需要硬件和软件方面的支 持。硬件方面需要测试设备具有多个测试接口( 串口、网卡等) ，软件方面需要 测试设备为测试软件提供一个软件平台( 操作系统、网络支持) ，使得上层的测 试软件可以在测试设备的软硬件支持下，完成对设备的测试功能。随着半导体技 术的飞速发展，高性能的处理器和成熟的嵌入式操作系统使得嵌入式产品功能越 来越强大，使得可以搭建一个具有多个测试接口、支持嵌入式操作系统的嵌入式 的测试平台。本课题研究了一种基于a i t m 和u c l i n l i ) ( 的通用测试平台系统，该 系统由硬件和软件两大部分组成。硬件平台具有多接口、体积小、功能全的特点， 在嵌入式操作系统的支持下，可以结合不同的上层测试软件完成对多种通信设备 的测试。川 1 2 嵌入式系统概述 本课题的目标是要搭建一个基于a r m 和操作系统的嵌入式通用测试平台。 该通用平台可以配合特定的上层测试软件完成对特定通信设备的测试。该测试平 台是基于a r m 的嵌入式系统，下几节将介绍一下嵌入式系统的相关概念。 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是当今最热门的概念之一，从军用到民用， 从工业产品到家用电器都可以找到嵌入式系统的踪迹。嵌入式系统是一个比较模 糊的定义，目前国内对嵌入式系统的一个普遍认同的定义是：以应用为中心，以 计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统，对功能、可靠性、成本、 体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。【2 l 嵌入式系统一般由硬件和软件两大部分组成。硬件包括处理器微处理器， 存储器，外设器件和i ，o 端口等。软件部分包括系统软件( 0 s ) 和应用软件等。下 面将介绍本系统中使用到的嵌入式微处理器和嵌入式操作系统。 1 嵌入式处理器 嵌入式处理器是各种面向用户、面向产品、面向应用的嵌入式系统的核心部 件，其功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等方面均受到 应用要求的制约。不同的嵌入式处理器面向不同的用户，可能是一般用户，行业 用户或单一用户。 嵌入式处理可以分成下面几类：i ” 嵌入式微处理器e m p u ( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s ru n i t ) 嵌入式微控制器m c u ( m i c r o c o m r o l l e ru n m 嵌入式d s p 处理器e d s p ( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a ip r o c e s s o r ) 嵌入式片上系统s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 目前，嵌入式处理器主要有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c - 4 0 0 、p o w e r p c 、 m o t o r o l a 6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m 系列等。3 2 位嵌入式处理器市场主要有m o t o r o l a ， a r m ，m i p s ，t l ，h i t a c h i 等公司，有些生产通用微处理器的公司，像i n t e l 、s l l | l 和i b m 等，也生产嵌入式的微处理器。本系统中使用的嵌入式处理器为a r m 公 司的嵌入式微处理器，因此，下文将对a r m 微处理器做重点介绍。川 1 ) a r m 处理器简介 1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前， 采用a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 技术知识产权( i p ) 核的微处理器，即通 常所说的a r m 微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络 系统、无线系统等各类产品市场，基于a r m 技术的微处理器应用大约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额，a r m 技术正在逐步渗入到我们生活的 各个方面。 2 ) a r m 处理器的特点聊6 l 采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点： 体积小、低功耗、低成本、高性能； 支持n l u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件； 大量使用寄存器，指令执行速度更快； 大多数数据操作都在寄存器中完成； 寻址方式灵活简单，执行效率高； 指令长度固定； 3 )a r m 处理器系列1 7 j l q a r m 微处理器目前包括下面几个系列，这些基于a l t m 体系结构的处理器， 除了具有a r m 体系结构的共同特点以外，每一个系列的a r m 微处理器都有各 自的特点和应用领域。a r m 微处理器系列如下： 一a i t m 7 系列 一a r m 9 系列 一a r m 9 e 系列 一a r m l o e 系列 一s e c u 疋o r c 系列 一1 1 1 t e r 的x s c a l e i n t e r 的s t m n g a r m 每一个系列都提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。其中， a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 和a r m l o e 为4 个通用处理器系列，而a r m 7 系列微 处理器为低功耗的3 2 位r j s c 处理器，最适合用于对价位和功耗要求较高的消 费类应用。a r m 7 系列微处理器具有如下特点： 具有嵌入式l c e r t 逻辑，调试开发方便。 极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品。 能够提供o 9 m i p s ，m h z 的三级流水线结构。 代码密度高并兼容1 6 位的n u m b 指令集。 对操作系统的支持广泛，包括w i n d o w sc e 、l i n l l ) 【、p a l m0 s 等。 指令系统与a r m 9 系列、a r m 9 e 系列和a r m l o e 系列兼容，便于用户 的产品升级换代。 主频最高可达1 3 0 m i p s ，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应 用。 a r m 7 系列微处理器包括如下几种类型的核：a r m 7 t d m i 、a r m 7 t d m i s 、 a r m 7 2 0 t 、a r m 7 e j 。其中，a r m 7 t m d i 是目前使用最广泛的3 2 位嵌入式r i s c 处理器，属低端a r m 处理器核。t d m l 的基本含义为： t ：支持1 6 位压缩指令集t h 啪b ； d ：支持片上d e b u g ： m ：内嵌硬件乘法器( m u l t i p l | e r ) i ：嵌入式i c e ，支持片上断点和调试点； 2 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统是嵌入式系统的灵魂，而且在同一个硬件平台上可以嵌入不 同的嵌入式操作系统。从2 0 世纪8 0 年代开始，市场上出现了各种各样的商用嵌 入式操作系统，这些操作系统大部分都是为专有系统开发的，从而逐步演化成了 多种形式的商用嵌入式系统百家争鸣的局面。这些操作系统有v x w o f l 【s 、p s o s 、 n e c u l c u s 、q n x 、l i n l l ) 【和w i n d o w sc e 等。m 在所有的操作系统中，l i n u x 是发展最快、应用最广泛的。l i n u x 本身的种 种特性使其成为嵌入式开发的首选。另一种常用的嵌入式l i 加x 是u c l i n u x ，它 去掉了l i n u x 中的内存管理单元，主要用于没有内存管理单元的处理器。本系统 中使用的微处理器没有内存管理单元，所以使用的嵌入式操作系统就是u c l i n l l ) 【。 关于u c l i n u x 将在第四章作详细介绍。1 1 o j 【1 ” 1 3 论文的主要内容和组织结构 本论文主要内容是搭建一个嵌入式的系统平台，主要包括硬件和软件两大部 分。第二章将介绍一下该系统的整体框架，第三章和第四章是论文的重点，分别 从系统的硬件和软件两个方面对系统的设计与实现作详细介绍，第五章是论文的 结束语。 第二章系统整体方案 本论文所研究的系统是用于通信设备测试的嵌入式系统平台，嵌入式系统通 常由嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件等几大 部分组成。1 2 1 嵌入式处理器和嵌入式外围设备构成系统的硬件平台，嵌入式操 作系统和嵌入式应用软件构成系统的软件系统。本课题所研究的系统的整体框架 如下图2 。l 所示： 应用软件 l 系统软件 l 硬件平台 图2 1 本系统的硬件平台是以a r m 为核心搭建的功能齐全的硬件系统平台，软件 系统是维持硬件系统正常使用的所有相关软件，如硬件板的b 0 0 tl o a d e r 、加载 的操作系统和文件系统、应用软件等。 1 1 硬件方案 2 1 1 硬件整体方案 嵌入式系统中的硬件平台是由嵌入式处理器、嵌入式外围设备组成的。嵌入 式处理器是嵌入式系统的核心部件，嵌入式外围设备是指在一个嵌入式硬件系统 中，除了中心控制部件以外的完成存储、通信、保护、调试、显示等辅助功能的 其它部件。本系统的硬件框架图如下图2 2 所示： f s d r a mp 蚓网络接口 微处 f l a s h b f l a s h f l a s h 存储器是一种可在系统( i n s y s t e m ) 进行电擦写，掉电后信息不丢 失的存储器。它具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编程 ( 烧写) 、擦除等特点，并且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作，因而在各 种嵌入式系统中得到了广泛的应用。作为一种非易失性存储器，f l a s h 在系统 中通常用于存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据 等。根据系统对f l a s h 容量的要求，本系统选用了h y 2 9 l ，v 1 6 0 作为f l a s h 芯 片。这是一块1 6 m e g a b i t ( 2 m 8 b 甜1 m 1 6 b i t ) 的工作电压为3 v 的存储芯片。 可以通过设置s 3 c 4 5 l o b 的b o s i z e 【l ：o 】来选择f l a s h 的位工作方式。该芯片 的特点与用法将在下章电路设计时详细介绍。 s d r a m 与f l a s h 存储器相比较，s d r a m 不具有掉电保持数据的特性，但其存取 速度大大高于f l a s h 存储器，且具有读写的属性，因此，一般s d r a m 在嵌入 式系统中主要用作程序的运行空间，数据及堆栈区。当系统启动时，c p u 首先 从复位地址o x 0 处读取启动代码，在完成系统的初始化后，程序代码一般应调入 s d r a m 中运行，以提高系统的运行速度，同时，系统及用户堆栈、运彳亍数据也 都放在s d r a m 中。本系统中采用h y 5 丁v 6 4 1 6 2 0 作为系统的s d r a m 扩展芯片。 h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 是存储容量为4 组1 6 m 位( 8 m 字节) 工作电压为3 3 v 的c m o s s d r a m 。根据系统需求，可构建1 6 位或3 2 位的s d r a m 存储器系统，本系统采 用的是两块h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 芯片分别负责数据总线的高1 6 位和低1 6 位，组成3 2 位的4 m 3 2 b i t 的存储系统。 网络接口芯片 目前存在的所有接口在嵌入式领域中都有其广泛的应用，但是其中应用最为 广泛的是r s 一2 3 2 接口( 串口) 和e t h e m c t ( 以太网接口) ，本嵌入式系统的目的 是完成对通信设备的测试，因此以太网口是必不可少的，因为本系统选用的微处 理器s 3 c 4 5 1 0 b 芯片已经内嵌了以太网的控制器，所以只需要在外围添加以太网 的物理层接口芯片即可实现一个以太网口。本系统采用的是a c l o l t f 芯片。由 于s 3 c 4 5 l o b 片内已有带m i l 接口的m a c 控制器，而a c l o l t f 也提供了m i l 接口，各种信号的定义也很明确，因此a c l o l t f 与s 3 c 4 5 l o b 的连接比较简单。 由于本系统是要作为通信设备的测试平台，所以还需要扩展多个以太网口。扩展 的以太网接口芯片本系统选用的是r e a l t e k 公司生产的以太网控制芯片 i 盯l 8 0 1 9 a s a s ，该芯片具有功能强大、成本低、应用广泛的优点，是一款性价 比较高的网络控制芯片。该芯片的特点与用法将在下章详细介绍。 串口芯片 r s 2 3 2 串行芯片采用的是m a x 2 3 2 。这块芯片是3 v 供电、带自动关闭功 能的串行通讯接口芯片。该芯片采用贴片式封装，体积小，电路简单。 以上仅提供了各个部分的电路的芯片选择方案，具体的芯片介绍、各部分电 路的调试情况将在第三章中做详细介绍。 2 。2 软件方案 软件系统是维持硬件系统j 下常使用的所有相关软件，如系统板的b o o t l o a d e r 、加载的操作系统和文件系统、上层测试软件等。软件框图如下图2 3 所 示： j ：膝测试软l ，l ： 1 f 文鞭：系绶 1 f 操作系统 1 f b o o tl o a d e r 图2 3 在本项目中选择的微处理器是s a m s u n g 公司的s 3 c 4 5 l o b 。这是一款内核不 带存储管理单元的处理器，而u c l i n u x 正好是专门针对没有m m u 的c p u 而设 计的，u c l i n u x 在标准的l i n u x 基础上进行了适当的裁剪和优化，形成了一个高 度优化的、代码紧凑的嵌入式l i n u x 。虽然u c i i n u x 的体积很小，但仍然保留了 l i n u x 的大多数的优点：稳定、良好的移植性、优秀的网络功能、完备的对各种 文件系统的支持、以及标准丰富的a p t 等。因此，经过分析和比较，本系统采 用了u c l i n u x 作为应用软件运行的操作系统平台。( ”l f ”1 本系统把软件系统内容分为三个部分，b 0 0 tl o a d e r 的编写、操作系统和文 件系统的移植、网络接口驱动程序的编写。 b o o tl o a d e 一1 4 】 简单地说，b o o tl 0 a d e r 就是在操作系统内核运彳亍之前运行的一段小程序。 通过这段小程序，可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的 软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环 境。通常，b 0 0 tl o a d e r 是严重地依赖于硬件而实现的，特别是在嵌入式世界。 因此，在嵌入式世界罩建立一个通用的b 0 0 tl o a d e r 几乎是不可能的。所以在本 系统中，要编写依赖于本硬件系统的b o o tl o a d e r 。 操作系统和文件系统的移植 总体上说，移植的工作就是要修改操作系统底层和硬件相关的部分，让操作 系统可在指定的硬件平台上运行。操作系统和文件系统的移植，首先需要在进行 开发的计算机上建立交叉编译的环境，然后对嵌入式操作系统的内核进行修改和 裁剪，编译出二进制代码，烧入系统的f l a s h 中。同时还必须在交叉编译的环 境中，生成文件系统的二进制代码，也烧入f l a s h 中。基于u c l i 眦x 操作系统 的应用开发环境一般是由目标系统硬件开发板和宿主p c 机所构成。目标硬件开 发板用于运行操作系统和系统应用软件，而目标板所使用到的操作系统的内核编 译、应用程序的开发和调试则需要通过宿主p c 机来完成。 网络接口驱动程序的编写” 操作系统的主要功能之一就是为用户应用程序提供访问外部设备的接口函 数。这个接口即为设备驱动程序，它是介于硬件和u c l i n 畎内核之白j 的软件接口。 通常对设备驱动程序的使用有两种方式可供选择。第一种方式是将设备驱动程序 作为可加载的模块动态加载到内核。模块是内核的一部分，但其本身是作为一个 独立的个体存在，没有被编译到内核里面去。它们仅仅是被编译成目标文件，而 不是链接。这些目标文件可以插入到正在运行的内核，也可以从内核中移走。第 二种方式是将设备驱动程序作为内核代码的一部分编译到内核中去，以内核模式 运行。当内核被编译时，被编译到内核的设备驱动程序是可配置的。在本系统中， 网络接口的驱动程序采用了第一种方式。 以上软硬件方案的具体设计将在后续章节详细介绍。 第三章系统硬件的设计与实现 3 1 硬件整体框架 在第二章中对硬件平台的整体框架和芯片选型作了简要的介绍，本章将在上 章基础上详细介绍电路设计，其中包括关键芯片的详细介绍、电路图设计等。硬 件系统的整体框架如下图3 1 所示： 3 2 最小系统的实现 三叵 囤匡囝 厂 s d r a m i，。、一 厂 l f l a s h 匿圈 啊丽丽陌历丽 f 网络隔离变压嚣il 网络膈离变压器l 图3 1 基于s 3 c 4 5 l o b 的最小系统是指让芯片运行起来的一些必要电路以及调试 最小系统的调试接口电路，包括微处理器、电源、晶振、复位电路和f l a s h 、 s d r a m 接口电路及调试专用的j t a g 电路。f 1 6 l 【”1 曰习习圈踊一 3 2 1 主控制芯片s 3 c 4 5 l o b s a m s u n g 公司的s 3 c 4 5 1 0 b 是基于以太网应用系统的高性价比1 6 3 2 位r j s c 微控制器，该处理器专为以太网通信系统设备而设计，内含一个由a r m 公司设 计的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i r l s c 处理器核，a r m 7 t 工) m i 为低功耗、高性能的1 6 3 2 位核，最适合用于对价格及功耗敏感的应用场合。除了a r m 7 t d m i 核以外， s 3 c 4 5 1 0 b 比较重要的片内外围功能模块包括： 2 个带缓冲描述符( b u 仃e rd e s 甜p t o r ) 的h d l c 通道 2 个u a r t 通道 2 个g d m a 通道 2 个3 2 位定时器 1 8 个可编程的i 0 口。 片内的逻辑控制电路包括： 中断控制器 d r a m s d r a m 控带0 器 r o m s r a m 和f l a s h 控制器 系统管理器 一个内部3 2 位系统总线仲裁器 一个外部存储器控制器。 s 3 c 4 5 l o b 结构框图如图3 2 所示： 图3 2 s 3 c 4 5 l o b 微处理器的系统管理器( s y s t e mm 锄g e r ) 在整个系统工作中起 到至关重要作用，只有清楚的了解系统管理器在系统中的作用及工作原理，才能 进行程序设计和系统开发。s 3 c 4 5 1 0 b 微处理器的系统管理器具有以下功能： 基于固定的优先级，仲裁来自几个主功能模块的系统总线访问请求。 为访问外部存储器提供必需的存储器控制信号。例如d m a 控制器或 c p u 要访问d r a m 组的某地址，则系统管理器的d r a m 控制器就会产 生必需的n o 咖a l e d o 或s d r a m 访问信号。可由s y s c f g 【3i 】设定访 问n o m a l e d o 或s d r a m 的信号。 为s 3 c 4 5 1 0 b 和r o m s r a m ，以及外部i o 组之间的总线通信提供必 需的信号。 为外部存储器的数据总线和内部数据总线之间的数据流协调总线宽度 的差别。 对外部存储器和i o 设备，s 3 c 4 5 l o b 同时支持小端模式和大端模式的 访问方式。 通过产生外部总线请求信号，外设可访问s 3 c 4 5 l o b 的外部总线。另外， s 3 c 4 5 l o b 可通过插入等待周期( 、a i t 信号) 访问低速外设。w a i t 信号由外 设产生，可延长c p u 的存储器访问周期。 系统管理器使用一组专用的特殊功能寄存器来控制外部存储器的读写操 作，通过对该组特殊功能寄存器编程，可以设定： 存储器的类型 外部数据总线宽度及访问周期 定时的控制信号( 例如r a s 和c a s ) 存储器组的定位 存储器组的大小 在标准系统配置中访问外设必需的控制信号、地址信号和数据信号，系统管 理器通过设置特殊功能寄存器的值来控制其产生和处理。特殊功能寄存器也被用 于控制对r o m s r a m f l a s h 组的访问，同时还能控制对多达四个d r a m 组和 四个外部i o 组以及一个特殊功能寄存器映射区域的访问。 每个存储器组在组内通过基指针( b a s ep o i n t e r ) 寻址，其寻址范围是6 4 k b ( 1 6 位) ，而基指针本身为1 0 位。因此s 3 c 4 5 l o b 的最大可寻址范围是2 2 6 = 6 4 m b ( 或1 6 m 字) 。 在进行系统存储器映射时，注意两个相连的存储器组的地址空间决不能重 叠。下图3 3 为s 3 c 4 5 1 0 b 系统存储器映射。 图3 3 关于s 3 c 4 5 1 0 b 系统存储器映射，以下是几个应当注意的重点： 1 ) s 3 c 4 5 l o b 采用统一编址的方式，将系统的片外存储器、片内存储器、 特殊功能寄存器和外部的i ，0 设备，都映射到6 4 m b 的地址空间，同时， 为便于管理，又将地址空间分为如图3 3 所示的若干个存储器组，可以 通过配置包含基指针( b a p o i n t e r ) 和尾指针( e n dp o i n t e r ) 的特殊功 能寄存器，设定每个存储器组的大小和位置。用户可利用基指针和尾指 针设置连续的存储器映射。具体操作如下：即把某个存储器组的基指针 的地址设置为前一个存储器组的尾指针的地址。请注意在设定存储器组 的控制寄存器时，每两个相连的存储器组的地址空间决不能重叠，即使 这些组被禁用。 2 ) 四个外部m 组被定义在一个连续的地址空间中。只需要将基指针分配 给外部i ，0 组o ，外部组l 的起始地址就等于外部i o 组o 的起始地 址+ 1 6 k b 。同理，外部i ，0 组2 的起始地址就等于外部i ，o 组o 的起始 地址+ 3 2 k b ，外部i ，o 组3 的起始地址就等于外部i 0 l 组o 的起始地址 + 4 8 k b 。因此，四个外部组的总的连续的可寻址范围被定义在外部功0 组o 的起始地址+ “k b 的地址空白j 。在整个可寻址的地址空白j 中，外部 i ，0 组的起始地址并没有被固定。通过设定组的基指针，可以设定一个 具体的组起始地址，但总的地址空问是连续的6 4 k b 。 3 ) 每个组的起始物理地址为“基指针左移1 6 位”，每组末尾的物理地址为 “尾指针左移1 6 位一l ”。 在上电或系统复位后，所有组的地址指针寄存器都被初始化到其缺省值。这 时，所有的组指针( r o m s r a m f l a s h 组o 和特殊功能寄存器组除外) 都被清 零。这意味着：除r o m s r a m f l a s h 组o 和特殊功能寄存器组以外，所有其 它组在系统启动时都是未被定义的。这一点很重要，用户在进行程序设计时，一 般总是要首先通过配置相应寄存器，定义系统的存储空间。 r o m s r a m f l a s h 组o 的尾指针和基指针的复位值分别为o x 2 0 0 和o x 0 。 这意味着系统复位后将自动定义r o m s r a m f l a s h 组0 的地址空| 日j 为3 2 m b ， 实际地址范围为o x 0 0 0 0 ，0 0 0 0 0 x 0 2 0 0 ，o o o o l 。r o m s r a m 伊l a s h 组o 的这种 初始化定义使得系统在上电或复位后，将系统的控制权交给了由用户编写的启动 代码，当然这些启动代码应存放在外部r o m 中的，并映射到r o m s r a m f l a s h 组o 。当启动代码执行时，它执行各种系统初始化任务，并根据应用系统的外部 存储器和设备的实际情况来重新配置系统的存储器映射。 特殊功能寄存器组的基址针在系统复位时被初始化为0 x 3 f f 0 0 0 0 ，一般不再 改动。下面的图3 4 是在系统启动或复位时的系统存储器映射。 图3 4 - 1 5 - 3 2 2 电源电路与晶振电路 在该系统中，需要使用5 v 和3 3 v 的直流稳压电源，其中，s 3 c 4 5 1 0 b 及部 分外围器件需3 3 v 电源，另外部分器件需5 v 电源。为简化系统电源电路的设 计，要求整个系统的输入电压为高质量的5 v 直流稳压电源。因此系统中需要 d c d c 转换器来完成5 v 到3 3 v 的转换，本系统选用a s 2 8 3 0 来完成这个功能。 具体的电路图如下图3 5 所示： 图3 5 晶振电路用于向c p u 及其他电路提供工作时钟。在该系统中，根据 s 3 c 4 5 1 0 b 的最高工作频率以及p l l 电路的工作方式，选择l o m h z 的有源晶振， l o m h z 的晶振频率经过s 3 c 4 5 l o b 片内的p l l 电路倍频后，最高可以达到 5 0 m h z 。片内的p l l 电路兼有频率放大和信号提纯的功能，因此，系统可以以 较低的外部时钟信号获得较高的工作频率，以降低因高速开关时钟所造成的高频 噪声。电路图如下图3 6 所示： 1 6 j 黔 f i 。 f吐4 一 蹦 一 一f7#。 3 2 3 复位电路 图3 6 在系统中，复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行时用户的按键复 位功能。复位电路可由简单的r c 电路构成，也可使用其他的相对较复杂，但功 能更完善的电路。本系统采用较简单的r c 复位电路，经使用证明，其复位逻辑 是可靠的。复位电路如下图3 7 所示： 3 2 4 f l a s h 接口电路 圈3 7 该系统中使用的f l a s h 存储器为h y 2 9 l v l 6 0 ，简要描述一下该f l a s h 存 储器的基本特性：9 1 a 【1 9 ：0 jd 0 【7 ：0 1 c e 枣 d o l l 4 ：8 l o e #d 01 5 ，a 1 w e 聋 r y ，b y 毒 r e s e t 聋 b y t e 毒 图3 8 h y 2 9 l 、7 1 6 0 的单片存储容量为1 6 m 位( 2 m 字节) ，工作电压为2 7 v 3 6 v ， 采用4 8 脚t s o p 封装或4 8 脚f b g a 封装，1 6 位数据宽度，可以以8 位( 字节 模式) 或1 6 位( 字模式) 数据宽度的方式工作。 h y 2 9 l v l 6 0 仅需要3 v 电压即可完成在系统的编程与擦除操作，通过对其 内部的命令寄存器写入标准的命令序列，可对f l a s h 进行编程( 烧写) 、整片 擦除、按扇区擦除以及其他操作。 h y 2 9 【1 6 0 的逻辑框图、引脚分布分别如图3 8 、图3 9 所示，更具体的内 容可参考h 1 2 9 l v l 6 0 的用户手册。 【i 砷 i l l i 越 【i 越 l l 卜哪 f 郫 钟 l l 创 h c 牲； s e r # 精c r y e v l 卜钟 l l 研 f l 1 6 l 捧l 剐 ： 【3 ； i ! 1 l i ，6 l b y f t v l i5 i i - l l o o l 7 l d o l i l l o o l q 0 。l i 副 d 0 1 5 l d o i l2 i o 。1 4 l 口0 1 3 】 l lo | b 。i 2 l o 口l 甜 d 0 l ij 0 0 l 嘲 0 0 l 。j 0 e 。 v “ c # 州 圈3 9 由于a r m 微处理器的体系结构支持8 位1 6 位3 2 位的存储器系统，对应的 可以构建8 位的f l a s h 存储器系统、1 6 位的f l a s h 存储器系统或3 2 位的 f l a s h 存储器系统。3 2 位的存储器系统具有较高的性能，1 6 位的存储器系统则 在成本及功耗方面占有优势，而8 位的存储器系统现在已经很少使用。在大多数 的系统中，选用一片1 6 位的f l a s h 存储器芯片( 常见单片容量有l m b 、2 m b 、 4 m b 、8 m b 等) 构建1 6 位的f l a s h 存储系统已经足够，在本系统中采用一片 h y 2 9 l v l 6 0 构建1 6 位的f l a s h 存储器系统，其存储容量为2 m b 。下图为1 6 位 f l a s h 存储器系统的实际应用电路图如下图3 1 0 所示： 图3 1 0 f l a s h 存储器在系统中通常用于存放程序代码，系统上电或复位后从此获 取指令并丌始执行，因此，应将存有程序代码的f l a s h 存储器配置到 r o m s r a m 腰l a s hb a n k o ，即将s 3 c 4 5 1 0 b 的n r c s ( p i n 7 5 ) 接至h y 2 9 l v l 6 0 的c e # 端。 h y 2 9 l v l 6 0 的r e s e t # 端接系统复位信号； 0 e # 端接s 3 c 4 5 1 0 b 的n 0 e ( p i n 7 2 ) ； w e # 端接s 3 c 4 5 l o b 的n w b e ( p i n l o o ) ； b e # 上拉，使h y 2 9 l ，v 1 6 0 工作在字模式( 1 6 位数据宽度) ； r y b y 撑指示h y 2 9 i ，v 1 6 0 编程或擦除操作的工作状态，但其工作状态也可 通过查询片内的相关寄存器来判断，因此可将该引脚悬空； 地址总线 a 1 9 a o 与s 3 c 4 5 1 0 b 的地址总线【a d d r l 9 a d d r 0 】相连； 1 6 位数据总线【d q l 5 d q o 】与s 3 c 4 5 l o b 的低1 6 位数据总线 【) ( d a l n a l 5 x d a r a o 】相连。 注意此时应将s 3 c 4 5 1 0 b 的s l z e 1 ：0 】置为1 0 ，选择 r o m s r a m f l a s hb a l l i 【o 为1 6 位工作方式。 3 2 5 s d i u m 接口电路 s d r a m 具有单位空间存储容量大和价格便宜的优点，已广泛应用在各种嵌 入式系统中。s d r a m 的存储单元可以理解为一个电容，总是倾向于放电，为避 免数据丢失，必须定时刷新( 充电) 。因此，要在系统中使用s d r a m ，就要求 微处理器具有刷新控制逻辑，或在系统中另外加入刷新控制逻辑电路。s 3 c 4 5 l o b 及其他一些a r m 芯片在片内具有独立的s d r a m 刷新控制逻辑，可方便的与 s d r a m 接口。p 0 1 目静常用的s d r a m 为8 位1 6 位的数据宽度，工作电压一般为3 3 v 。主要 的生产厂商为h y u n d a i 、w i n b o n d 等。他们生产的同型器件一般具有相同的电 气特性和封装形式，可通用。本系统中使用了两块h y 5 7 v “1 6 2 0 来构建3 2 位 的s d r a m ，简要描述一下h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 的基本特性及使用方法： h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 存储容量为4 组1 6 m 位( 8 m 字节) ，工作电压为3 3 v ，常 见封装为5 4 脚t s o p ，兼容l v t t l 接口，支持自动刷新( a u t o r e 触s h ) 和自 刷新( s e l f r e f r e s h ) ，1 6 位数据宽度。 h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 引脚分布及信号描述分别如图