（计算机应用技术专业论文）嵌入式家用路由器的设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 随着i n t e r n e t 的飞速增长以及宽带技术的不断出现，越来越多的用户 使用高速的宽带接入；越来越多的小型办公室和家庭使用一台以上的个人 计算机。作为i n t e m e t 的网际互联的核心设备路由器有了更大的需求，路 由器技术的研究和开发就成为一个热门的话题。 本论文研究和设计了一种基于三星s 3 c 4 5 1 0 b 芯片及r t l 8 3 0 5 s b 五口 交换芯片为核心的五口s o h o 路由器( 一个w a n 口，四个l a n 口) ，在 此硬件基础上实现了p p p 宽带网拨号、基于i p t a b l e 防火墙以及动态网页 的b o aw e b 服务器等功能，能满足用户的需要。 论文首先介绍了路由器的硬件系统设计。路由器硬件系统主要由三部 分组成。其一是a r m 处理器硬件系统，它以$ 3 c 4 5 1 0 b 为中心，扩展了 d r a m 和f l a s h 。d r a m 作为嵌入式操作系统内核及应用程序运行的内存 空间。f l a s h 作为内核镜像的存储，并在嵌入式操作系统启动时加载系统内 核及程序。其二是以太网数据交换电路，它以r t l 8 3 0 5 s b 五口交换芯片 为中心，提供四个1 0 m 1 0 0 ml a n 口和一个w a n 接口。其三是以太网数 据交换电路与a r m 处理器的通信接口电路。 论文还研究和设计了路由器的软件系统，主要就是基于u c l i n u x 嵌入 式操作系统，进行p p p 宽带网拨号、基于i p t a b l c 防火墙以及动态网页的 b o aw e b 服务器等软件的开发。 关键宇：路由器；a r m ；五口交换：u c l i n u x ；b o aw e b 服务； 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 j 页 a b s ；t r a c t w i t ht h ef l y i n gd e v e l o p m e n to fi n t e m c ta n di n c e s s a n ta p p e a r a n c eo fw i d e b a n d ，m o r ea n dm o r eu s e r sa p p l yt h eh i g h - s p e e dw i d eb a n d ，t h es a m e w i t ht h e s m a l lo f f i c ea n d f a m i l yu s i n g o n em o r cp c n 峙r o u t e ri sd e m a n d e df u r t h e ra st h e k e ye q u i p m e n t o fw e b n e t t h ea r t i c l ei sa b o u tt h es o h or o u t e r w i t hf 加ep o r t s ( o n ew a n ，f o u rl a n s ) b a s e do nt h ec o r eo fs a n s u ms 3 c 4 5 l o bc h i pa n dr t l 8 3 0 5 s bs w i t c hc h i pw i t h f i v ep o r t s i t sc o m p o s e dm o s t l yb ys t r u c t u r ed e s i g na n di m p l e m e n t sc o r r e l a t i v e t e c h n o l o g yo f h a i d w a x ea n ds o f t w a r es y s t e m t h es t r u c t u r ed e s i g ni nh a r d w a r es y s t e mi sm o s t l ym a d eu po ft w op a r t s b e g i n n i n g w i t ht h ea r m p a r t ，i nt h ec e n t e ro f $ 3 c 4 5 1 0 b ，d r a m a n df l a s hi s e x p a n d e d t w oh y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h c 玎o f4 x 1 m x l 6 b i t s c o m p o s e t h ea r m s d k a m ，a st h ei n t e r n a lm e m o r ys p a c eo ft h ec o r eo fe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m a n dr u n n i n gt h ep r o g r a m s f l a s h ，a st h es t o r a g eo fi m a g eo ft h eo sk e r n e l ，i s m a d eu po fo n es s 乃9 v f l 6 0 ，1 m x l 6b i t ，e i t h e rs t o r e dt h es y s t e m i cc o n f i g u r e s a n d p r o g r a m s t h es e c o n di ss w i t c hp a r t i nt h ec e n t e ro ft h er t l 8 3 0 5 s bs w i t c h c h i pw i t h f i v e p o r t s ，f o u r i o m i o o ml a na n do n ew a na r e o f f e r e d m i i ( m e d i a i n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ) i su s e d t oc o m m u n i c a t ew i t ht h ea r m p a r t t h es o f t w a r es t r u c t u r ed e s i g ni nt h ea r t i c l ei s m o s t l ya b o u tt h eu c l i n u x e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m o nt h eb a s eo ft h a t ，s o m e t h i n gi si m p l e m e n t e dt h a t p ipb r o a d - b a n dd i a l u p ，i p t a b l ef i r e w a l la n db o aw e bs e r v e rw i t hd y n a m i c h t m i ， k e y w o r d s ：r o u t e r , a r m ，5p o r t ss w i c h ，u c l i n u x ，b o a w e bs e r v e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 路由器的应用和普及随着宽频上网的普及和价格的下降，越来越多的中 小企业和家庭使用a d s l 或c a b l em o d e m 来上网。在此情况下，为使企业或 家中多台电脑组成的小型局域网接入互联网，使用路由器是最佳选择。路由 器可配置为d h c p 服务器，路由器内建的防火墙还可以抵御黑客的入侵。 1 1 本论文研究的背景 随着嵌入式设备的不断普及，嵌入式开发的发展，开发工具的成熟。成 本的降低；加上宽带接入的增加带动宽带路由器的需求增加，本文在此背景 下对嵌入式宽带路由器的进行研究和设计。 一、嵌入式设备的广泛应用及嵌入式开发的发展 目前，在嵌入式设备不断深入我们的日常生活方方面面。嵌入式设备是 指具有计算机功能，但又不称为计算机的设备或器材，它几乎包括了我们周 围的所有电器设备：p d a 、手机、机顶盒、汽车、微波炉、电梯、安全系统、 自动售货机、医疗仪器、立体音响、自动取款机等。 据湖南省嵌入计算与系统重点实验室的一个调查，2 0 0 3 年我国嵌入式系 统应用产品经济总量达1 0 0 0 亿元，其中嵌入式处理器芯片约为1 0 0 亿。2 0 0 4 年我国嵌入式微处理器销售总量约为1 0 2 亿片，4 位m c u 占2 6 亿片、8 位 约占6 6 亿片，3 2 位m p u 占o 7 5 亿片。另外，据有关机构预测分析，今年 中国大陆市场8 位m c u 的需求量会增长1 5 - 2 0 左右：3 2 位m p u 的需求 量继续以1 0 0 的速度增长。 由此可以看出，8 位m c u 市场已逐步趋向稳定，3 2 位m p u 代表着嵌入 式技术的发展方向，正在加速发展。在3 2 位嵌入式微处理器市场上，基于 a r m 内核的徽处理器在市场上处予绝对的领导地位，因此追踪a r m 技术的 发展趋势显得尤为重要。 随着嵌入式系统的日益复杂化以及开发周期越来越短，开发和调试手段 也发生了很大的改变。硬件方面由于q f p 和b o a 封装的逐渐普及，使得以 探针方式为主的b d m ( 背景调试模式) 力不从心；以边界扫描接口( j 删为基 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 础的在电路仿真调试手段正在普及，更为先进的片上实时跟踪( t r a c e ) 技术也 已浮出水面。软件方面，因为软件规模不断扩大，必须采用嵌入式操作系统 来管理软、硬件资源，同时传统的c 语言和汇编语言混合编程的模式也因为 引入面向对象思想以及c + + 和j a v a 语言而发生了很大改变。面向对象语言更 适合大规模应用和平台级开发，代码复用和移植交得更简单。 二、宽带网络的发展与路由器需求增大 互联网己成为部分人生活中不可或缺的一部分，影响到他们生活的方方 面面。宽带接入特别是a d s l 技术，2 0 0 3 年走上了“快车道”，现在是以每 年翻番的速度发展，多少有些像1 0 年前的“装电话”热，所以有些厂商称之 为“第二固网”也有一定的道理。宽带接入的迅速发展快速消耗了城域网与 骨干网带宽，每年骨干网路由器截面需求超过1 0 0 g b i t s ，甚至使人们忘记了 几年前的“光带宽泡沫”。 互联网是依靠路由器连接起来的，路由器是互联网或者说口网络的核心 设备。宽带接入的不断增长，带动了路由器的需求不断增加。 1 2 本论文研究的国内外现状 本论文设计路由器的操作系统为u c l i n u x ，是l n u x 操作系统的一个分 支，下文中将对嵌入式l i n u x 操作系统现状进行介绍。本论文设计路由器为 小型路由器，下文中将对其现状进行介绍。 一、嵌入式l i n u x 操作系统的现状 嵌入式l i n u x 是近年来国际上的一个开发热点，韩国三星公司已经率先 推出了采用嵌入式l i n u x 的掌上计算机的概念样机。如今，国内外纷纷开展 嵌入式l i n u x 的研究，由美国新墨西哥理工学院开发的基于l i n u x 的嵌入式 操作系统r t l i n u x ，已成功地应用于航天飞机的空间数据采集、科学仪器测 控、电影特技图像处理等领域。由嵌入式l i n u x 行业的厂商l i n c o 推出的 e m b c d i x ，提供了超过2 5 种的l i n u x 系统服务。由美国网虎公司推出的x l i n u x ， 是世界上比较小的嵌入式l n u x 系统。 在国内，广州博利思软件公司也在致力予嵌入式l i n u x 操作系统的研究， 它的产品可适应个人p d a 、机顶盒等广泛的智能信息产品。中软总公司推出 的嵌入式l i n u x 3 0 不仅满足了数控机床的需求，同时也可以应用于其他工业 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 控制领域。红旗l i n u x 把工控盒信息家电作为主要的发展领域。可见，无论 国内外，嵌入式l i n u x 的研究都是比较热的，而且取得的效益也是可观的。 二、小型s o h 0 路由器的现状 大量小型s o h o ( s m a l l o f f i c eh o m e o f f i c e ) 公司的出现，这些公司或者只 有很少的人员，或者大部分人员都在家办公。这些人员有一个共同特点，就 是无论在何种地点办公，他们都需要方便、快捷地接入因特网，及时获得大 量有效的数据信息。 目前很多家庭中有不止一台电脑，需要上网获取信息、收发邮件等。 这些小型公司和家庭网络用户计算机的数目一般不多，网络结构不复杂。功 能和带宽的要求不高。出于提高网络性能、共享有限婵地址或节省上网费用 等原因，这些用户迫切需要具有较高性价比的小型路由器。我们把这种小型 路由器称为s o h o 路由器。 某些小单位或家庭为了实现共享上网，单独设置一台计算机运行 w i n g a t e 等路由软件，充当路由器的角色，这种方式虽然节省了购置专用路 由器的费用，但缺点很多，例如浪费计算机资源、配置复杂、工作不稳定、 安全无法保障及耗电大等。 因此，就出现了对具有共享口地址等功能的s o h o 路由器的巨大需求， 目前市场上也出现了各种这类低端路由器。由于a r m 7 系列芯片价格便宜。 非常适合嵌入式系统使用。目前市场上的s o h o 路由器大多采用a r m 7 系列 处理器。不过由于技术的发展，a r m 9 系列的专用路由芯片的路由器也逐渐 普及。 1 3 本论文研究的意义 由于嵌入式系统这种多芯片、多操作系统共存的格局，世界上没有那个 软硬件厂商可以垄断。我国的软硬件厂商应抓住机遇，开发具有自主知识产 权的嵌入式c p u 和操作系统，形成我们自己的软硬件生产体系。防止国外产 品成为实事的标准，使我国在后p c 时代的竞争中立于不败之地。 与微软的w i n d o w s 等别的商用操作系统不同，l i n u x 源代码开放，任何 人都可以免费获得，并可以根据自己的需要对代码进行修改；同时l i n u x 又 是一个功能强大的操作系统，在网络功能和稳定性等方面都有上佳表现。对 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 l i n u x 这一免费的宝贵资源加以充分研究和利用，不仅有助于形成自我品牌 的操作系统，免受微软的控制，而且在平常的产品开发中加以借鉴和利用， 还可以降低开发成本，提高开发效率。 路由器所需数据包过滤转发、n a t 、路由表、防火墙等功能在l i n u x 操 作系统中有相应的功能模块，l i n u x 对新协议、新接口的支持也比别的专用 操作系统快的多。从网上获得l i n u x 源代码后，所需做的工作是针对硬件和 路由器的应用，对l i n u x 内核进行配置和改动，添加相关外设驱动。虽然仍 然有不少的工作要做，但相对于从头开始开发路由器软件，l i n u x 在开发成 本上还是有很大优势。 1 4 本论文研究的主要工作及目标 典型路由器应该具备以下功能： 支持p p p o e ，固定口上网 d h c p 动态主机配置协议 网络地址转换( n a t ) 技术 根据t c p , u d p 的端1 ：3 号( ( p o r tn u m b e r ) ，口的p r o t o c o ln u m b e r ，以及对口 地址进行简单过滤的防火墙 虚拟服务主机，端口映射( p o r tf o r w a r d i n g ) 技术 支持一定数量的特殊应用程序 本论文的研究目标：在完成嵌入式宽带路由器硬件设计的基础上，实现 以上典型路由器的功能。 本论文的主要做了以下几方面的工作： 一、硬件方面 l 、完成家用小型路由器( 一个w a n 接口，四个l a n 接口) 的硬件原 理设计。 2 、实现硬件电路板设计，完成电路布线设计，并对元件焊接，通过硬件 板的调试。 二、软件方面 1 、在分析u c l i n u x 内核源代码的基础上，完成了u c l i n u x 操作系统的内 核裁剪。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 2 、完成了b o a w e b 服务器的配置，并对c g i 脚本进行了设计，完成了 动态网贞的功能。 3 、对p p p o e 的拨号说明了原理，并给出了具体的配置实现。 4 、对l i n u x 内核防火墙原理进行了说明，并对i p t a b l c 工具进行防火墙 规则操作进行了说明。 整个论文分为四章，分别介绍如下： 第1 章绪论，论述本文的研究背景及意义。 第2 章嵌入式路由器的硬件系统设计，对路由器的硬件各部分组成电路 进行分析。 第3 章u c l i n u x 系统，详细分析了路由器所使用的操作系统。 第4 章嵌入式路由器的软件系统设计，分析路由器的软件源代码配置和 基本功能实现。 最后对全文作出总结，提出对未来工作的展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章嵌入式路由器硬件系统 2 1 路由器基本原理 要实现网络中通信节点彼此之间的通信，首先必须给每个节点分配一个 唯一的i p 地址。路由器应该至少有两个网络端口，分别连接i a n 或者w a n 子网上，每个端口必须具有一个唯一的口地址，并且要求与所连接i p 子网 的网络号相同。不同的端口有不同的网络号，对应不同的球子网，这样各子 网中的主机才能通过自己子网的口地址把要求发出去的i p 数据报送到路由 器上。 当路由器收到一份m 数据报后，首先要对该报文进行判断，然后根据判 断的结果做进一步的处理。如果数据报是有效或正确的，路由器就根据数据 报的目的口地址转发该报文：否则就把报文丢弃。如果这个数据报的目的口 地址与路由器直接相连的一个子网上，路由器会通过相应的接口把报文转发 到目的子网上去；否则会把它转发到下- - 跳( h o p ) 路由器。 为了完成上述的操作，每台路由器必须维护一个路由表。把对应不同目 的地的最佳路径存放在路由表中，这就是路由策略( r o u t i n gp o l i c y ) l h 题。路 由表反映网络的拓扑结构，一般一条表项应该包含数据报的目的口地址f 通 常是目的主机所在网络的地址) 、下一跳路由器的地址和相应的网络接口等， 在网络拓扑发生变化的时候，路由表也应该做相应的变动。所以路由器必须 能够生成并更新路由表。 选路机制实际上就是如何查找路由表，通过查询路由表来决定向哪个方 向转发数据。一般来说，路由器首先搜索匹配的主机地址：如果没有，再搜 索匹配的网络地址：最后搜索默认路由。一旦查到匹配的表项，路由器就会 把数据从相应的接口发送出去。 路由器具备了上述各要素后，就可以完成数据转发任务了。另外，路由 器不仅负责对i p 包的转发，还要负责与别的路由器进行联络，共同确定互联 网的路由选择和路由表的更新维护。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 2s o h o 路由器原理 当内部计算机要与外部l n e m e t 网络进行通信时，各内部间通过私有口 地址进行通信的计算机必须把私有i p 地址转换成合法i p ，这种鸭络地址转换 技术称为n a t ( n e t w o r k a d d r e s st r a n s l a t i o n ，网络地址转换) 。 在一个实际的私有网络中。n a t 功能通常内建在路由器、防火墙或独立 的n a t 设备之上，网络中的主机将这些设备作为自己的默认网关。通过这样 的配置，每一台内部主机发送往i n t c m e t 的数据报就会送到具有n a t 功能的 设备中进行转换。 n a t 是s o h o 路由器的必备功能，它是为解决邛v 4 地址不够分配的矛 盾而产生的一个简单高效的解决方案。它能将任何两个地址域的地址进行转 换，使私有网络中多台主机共享一个合法疋地址访问i n t e m e t 2 3 硬件系统总体结构 交换式宽带路由器的硬件设计如图玉1 所示。图中主要分为两部分： a r m 4 5 1 0 b 部分和交换芯片r t l 8 3 0 5 部分，前者主要见2 1 图的上半图，后 者为下半图。还有电源及各自的复位电路。 a r m 4 5 1 0 b 部分中，中央处理芯片为带有网络接口的s 3 c a 5 1 0 b 一1 6 3 2 位r i s c 微控制器，根据嵌入式操作系统的运行需要，扩展了s d r a m 存储 器和f l a s h 存储器。s d r a m 存储器由两片4 x 1 m x l 6 位的h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h g t 组成，作为嵌入式操作系统内核及应该程序运行的内存空间。f l a s h 存储器由 一片1 m x l 6 位的s s t 3 9 v f l 6 0 组成，作为内核映像的存储，并在嵌入式操 作系统启动时加载系统内核及程序，根据调试程序及烧写f l a s h 存储器的需 要，引出t a g 接口。根据显示调试和运行信息的需要，提供了r s 2 3 2 接口。 交换芯片r t l 8 3 0 5 部分中，提供4 个i a n 口( p o r t 0 p o r t 3 ) 通过一 四口的网络隔离变压器连接一个四口i u 4 5 口，每个口可连接到1 0 1 0 0 b a s e t 以太网，各端口之间有交换功能：还有一个w a n 接口( p o r t 4 ) 通过一单口 的隔离变压器连接r j 4 5 口。根据显示连接速度、状态和电源等需要，接出 l e d 灯进行显示。根据交换芯片的管理需要，提供串行e e p r o m2 4 c 0 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 电路接口。根据交换芯片的主电源为2 5 v ，提供一个3 3 v 到2 5 v 的转换器。 中央处理芯片通过m i i ( 独立媒体接口) 接口与交换芯片r t l 8 0 3 5 s b 的 p o r t 4 的m i i 接口相联，将交换芯片的p o r t 4 配置为物理层接收器。 2 4 硬件系统的设计 图2 - 1 硬件总结构框图 2 4 1a r m 处理器系统设计 一、$ 3 c 4 5 1 0 b 概述 s a m s u n g 公司的$ 3 4 5 1 0 b 是基于以太网应用系统的高性价比的1 6 3 2 位 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 r i s c 微控制器，内含一个由a r m 公司设计的1 6 3 2 位的a r m 7 t d m ir i s c 处理器核。a r m t t d m i 为低功耗，高性能的1 6 3 2 位核。 除了a r m t t d m i 外，该芯片还有一些片内外围功能模块，： 主要为：内部r a m ( 8 k - b y t e u n i f i e dc a c h e s r a m ) 、1 2 c 接口电路( 1 2 c i n t e r f a c e ) 、以太网控件器( e t h e m e tc o n t r o l l e r ) 、i - i d l c 、g d m a 、串口( u 削殳t ) 、 时$ 十( t i m e r s ) 、可编程v o 口( p r o g r a m m a b l ei ，o p o r t s ) 及中断控件器( i n t e r r u p t c o n t r o l l e r ) 等。 $ 3 c 4 5 1 0 b 结构框图如图2 2 所示。在设计中主要用到的部分为：以太网 接口及串口部分，前者用于收发以太包，后者主要作为操作系统调试接口， 两者主要特征描述如下： l 。a 。t m 。 。 r 。d m 。i 。 l i c i s - l 。 li j盘_ar i。目u i n t 蜊j 睡 。r _ _ _ _ _ ， “8 徽口wi 4a u - n k m o l h + i l 勰l 一 lc - 口h l i 黑想。j 一| 紫l ib mi 一网垦一 l n u r l d i t l r i i b r o u r ，l u i s o l 一 ：| i 屯沁+ 叫毪勰黔 一一 0 j 一 q n - c f q + 一 - l e 自n h i p a mi + _ + e 自眦c 瑚目 r ：t 1 | i 2 - d ；k 1 r c l t lb d m a l lm m j 咄m w 扣 f 揣弑1 - + i u a r t 0 1 l 4- - - 一1 n 器描i i # m r 咎m 啪镕 lc m ( i z , 睇时5 i 蕊。o e t 撕计饥l + + 1 g d m a 0 1 l + in ，省篙驰矗一 。匪 im m a 6 时l + i f i l l l ! 1 ： p c 口椭i - i 甘j t 0 i 图2 - 2 $ 3 c 4 5 1 0 b 结构框图 1 、e t h e m e t 控制器的特征： 带猝发模式的d m a 引挚； d m a 发送，接收缓冲区( 2 5 6 字节发送，2 5 6 字节接收) l 【 ：； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 数据对准逻辑：支持端模式变换： l o m j l o o m b p s 的工作速率； 与m e e 8 0 2 3 标准完全兼容； 提供m i i ( m e d i a i n d e p e n d e n c e i n t e r f a c e ) ： 站管理信号生成： 片内c a m ( 可达2 1 个目的地址) ； 带暂停特性的全双工模式； 支持长，短包模式； 包拆装p d a 生成。 2 、串口( u a r t ) 口的特征： 2 个可工作于d m a 方式各中断方式的u a r t 模块； 支持5 、6 、7 、8 位的串行数据发送和接收： 波特率可编程； 1 位或2 位停止位； 奇，偶校验； 间隔信号的生成和检测； x 1 6 时钟模式； 支持红外发送和接收； 二、s 3 c 4 5 1 0 b 的引脚分布及分析 $ 3 c 4 5 1 0 b 共有2 0 8 脚，如图2 - 3 所示，采用q f p 封装。尽管引脚较多， 但根据功能分布得很有规律。 首先，电源和地引脚“根，还有2 2 根地址线、3 2 根数据线、1 8 根通用 i ，o 口及其它专用模块接日，如：u a r t ，i i c ，i - i d l c ，m a c 等，剩下的为 控制信号引脚，硬件设计是要认真对待。在后面的单元电路设计中会详细说 明。 本设计中$ 3 c 4 5 1 0 b 的主要控制信号如下： l i t t l e ( p i n 4 9 ) ：大小端模式选择引脚。高电平= 小端模式；低电平= 大 端模式；该引脚在片内下拉，系统默认为大端模式，本设计中采用的为小端 模式，该引脚接上拉电阻。在大端模式下，外部存储器低字节放在高位上( i n b i g e n d i a nm o d e ，t h em o s t s i g n i f i c a n tb y t eo ft h ee x t e r n a lm e m o r yd a t ai ss t o r e d a tt h el o w e s tn u m b e r e d b y t e a n dt h el e a s ts i g n i f i c a n tb y t ea tt h eh i g h c s tn u m b e r e d 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 b y t e 1 3 1 ) f i l t e r ( p i n 5 5 ) ：如何使用p l l 倍频电路( 可使用系统采用的频率为c p u 外接晶振的五倍) ，应该在引脚与地主间接8 2 0 p f 的电容。在实际中有设计采 用1 0 m 晶振加p l l 电路组成5 0 m 主频输入的方案；不过为了设计简单，本 设计中采用5 0 m 外接晶振直接输入。 t c k 、t m s 、t d i 、t d o 、n t r s t ( p i n 5 8 一p i n 6 2 ) ：j t a g 接口g l 脚。t c k 为j t a g 测试时钟；t m s 为测试模式选择；t d i 为测试数据输入；t d o 测试 数据输出；n t r s t 为i t a g 复位。按照i e e e 标准，t c k 应下拉，t m s 、t d i 和n t r s t 应上拉。s 3 c 4 5 1 0 b 已经按此标准在片内做了连接，设计时直接相 连即可。 b o s i z e 1 ：0 ( p i n 7 3 ，p i n 7 4 ) ：b a n k 0 数据宽度选择。0 1 - - - - - 8 位，0 1 = 1 6 位，1 1 = 3 2 位，0 0 = 系统保留。在本设计，由于外围s d r a m 及 f l a s h 扩展地址线为1 6 位宽，所以选用1 6 位方式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 图2 3s 3 c 4 5 l o b 的引脚分布图 三、a r m 处理器系统电源电路和复位电路设计 1 、电源电路： 在本系统主要使用3 3 v 电源，本设计中采用5 v 的直流电源输入，由电 源转换器l m l l 7 完成3 3 v 。电路图如图2 - 4 所示，直流电源输入采用5 v 8 0 0 r n a 普通直流电源，由l m l l 7 转换电平，并由分别由一对大小电容前后 放置，组成一个n 型滤波，输出较好波形的电压。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 图2 - 4 系统电源电路 2 、复位电路： 电路设计如图2 5 所示：系统采用的是一个比较简单的r c 电路，如下 图左边部分所示，经使用证明，是可靠的。 该电路工作原理：在系统上电时，通过r 1 3 8 向电容c 1 3 0 充电，当c 1 3 0 两端的电压未达到高电平的门限电压时，r e s e t 输出为低电平，系统处于复位 状态；当c 1 3 0 充电达到高电平的门限电时，系统处于正常工作状态。 当用户按下按钮s 2 时，c 1 3 0 的电荷被泻放掉，r e s e t 输出低电平，系统 进入复位状态，重复以上的充电过程，系统进入正常工作状态。 用一个7 4 0 8 门电路连接j t a g 板的复位线，使j t a g 在调试时，让系统 复位。在电源与地之间接两个0 1 u f 的去藕电容c 1 2 5 ，c 1 2 6 。 西南交通大学硕士研究生学位论文一一 第1 4 页 v c c 图2 5 电源复位电路 四、a r m 处理器与f i a s h 存储器接口电路 本设计中采用f l a s h 芯片s s t 3 9 v f l 6 0 作为b o o t l o a d e r 程序、操作系统 内核映像文件及系统运行中相关配置文件的存储设备。 s s t 3 9 v f l 6 0 是1 mx1 6 位c m o s 工艺制造的f l a s h 存储器。无论是读 操作还是擦除和写操作，该芯片都较一般f l a s h 省电。由于p l a s h 所记忆的信 息不易丢失，因此特别适合应用于嵌入式系统。f l a s h 主要用于替代r o m 。 器件操作的具体时序可以查找相关资料。这里主要介绍f l a s h 的写操作和擦 除操作。 擦除操作主要分为s e c t o r b l o c k c h l p 三种模式擦除。根据制造工艺s e c t o r 为一块2 k x l 6 位的存储空间。b l o c k 代表3 2 k x l 6 位存储空间。c h i p 则代 表整个存储芯片。擦除时按照命令时序首先写入初始化时序，然后在笫六个 写操作时，写入擦除命令和擦除地址。这时芯片内部就进行擦除操作。在擦 除操作时，任何其他操作都无效。当芯片处于内部状态时( 擦除和写入) ，d q 6 的电平将会在每个读周期中不停的交替变换，可以通过d q 6 来检测擦除和写 入过程是否结柬。电路图如图2 - 6 所示。 s s t 3 9 v f l 6 0 的擦除和写入的命令步骤如表2 - 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 u 1 2 a d d r d2 5 a 0d 0 2 9x d a t a 0 a d d r l2 4 a 1d 1 3 lx d a t a l a d d r 22 3 a 2d 2 3 3x d a t a 2 a d d r 32 2 a 3d 3 3 5x d a t a 3 a d d r 42 l a 4d 4 3 8x d a t a 4 a d d r 52 0 a 5d 5 4 nx d t a 5 a d d r 61 94 2x d a t a 6 a d d r 71 8 a 6d 6 4 47 冀d 1 奎0 a d d r 88 且7d 7 3 0x d a t a 8 a d d r 97 a 8d 8 3 2x d a t a 9 a d d r l 0 6 a 9d 9 a d d r l i5 a 1 0d i 0 3 4x d a t a l 0 3 6x d t a l l a d d r l 24 a 3 9x d a t a l 2 a d d r l 33 azuz 4 1x d t a l 3 a d d r l 42 a3d3 a d d r l 51 a4d4 4 3x d a t a l 4 a d d r l d4 8 a5d5 4 5x d a t a l 5 a d d r l 71 7 a f o a d d r l 81 6 a7 2 n c a8 ； n c a d d r l 99 n c n c a9 、，4 7 n c n r c s 02 6 4 6 一 i n o e2 8 e ev s s 2 7tl o ev s s f f w b e 0 l l 3 7 _ w ev d d t i 2 - 6 f l a s h 接口电路 表2 - 1s s t 3 9 v f l 6 0 的操作步骤 i c o m m a n d1 t b l 4 12 n d b u s3 r db u $ 4 t h b u s缸h b i j i it hb u s a u n c w d t oc y c l ew r i t ec y c l ew r i t ec y o l o w d t oc y d w d t $ c y c l ew r i t ec y c l e a d d r ld t a d d r td s t a 2a d d r ld _ t 一 刚d u t l 2 d d d l t l za d d r ld l t a z w e r d - p r o g r a m5 5 5 5 ha a h2 a a h5 5 h5 5 a o hw a 3d h s e a 0 鼬轴5 5 5 5 ha a h 2 a a a h5 5 h5 5 5 5 h8 0 h5 5 5 5 hm h2 a h 5 5 hs 一3 0 h b d c i 一e r 8 $ 1 5 5 5 5 ha a h2 a a a h 5 5 h5 5 5 5 h8 0 h5 5 5 5 hm h2 m h弱h b a x 45 0 h c h i p - e r a s es 5 5 5 ha a h2 a a a h5 5 5 5 5 5 h8 0 h 5 5 5 5 hm h2 a a a h5 5 h5 5 5 5 h1 0 h s o f t w o r ei de n t r y s 5 5 , 5 5 ha a h2 a a h5 5 5 h h c f iq u e r ye n t 一 5 5 5 5 h a a h 2 a a a h5 5 h5 5 5 5 hh s o f t w a r hi de x i t r x x hf o h c f ie x i t $ o f t w o r ei de t ；t5 5 5 5 ha a h2 a a a h5 5 h5 5 5 5 hf o h c 引e x i t 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 五、ar m 处理器与s d r n 接口电路设计 与f l a s h 存储器相比，s d r a m 不具有掉电保持数据的特性，但其存储速 度大大高于f l a s h 存储器，且具有读写属性。因此s d r a m 在系统中主要用 于程序的运于空间、数据及堆栈。当系统启动时，c p u 首先从复位地址0 x 0 片读取启动代码，在完成系统的初始化后，程序代码调入s d r a m 中运行， 以提高系统的运行速度。 s d r a m 具有单位空间存储量大和价格便宜的特点，广泛用于各种嵌入 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 了避免数据丢失，必须定时刷新( 充电) 。因此，在系统中使用s d r a m ，就 要求微处理器有刷新的控制逻辑或者在系统中另外加刷新控制逻辑电路。 $ 3 c 4 5 1 0 b 在片内具有独立的s d r a m 刷新控制逻辑，可以方便的与s d r a m 接口。 图2 7s d r a m 存储器电路图 本系统中采用h y v 6 4 1 6 2 0 芯片，引脚分布参看其用户手册。 h y v 6 4 1 6 2 0 存储容量为4 组1 mx 1 6 位( 8 m 字节) ，工作电压为3 3 v 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 封装为5 4 脚t s o p ，支持自动刷新( a u t o r e f r e s h ) 及自刷新( s e l f - r e f r e s h ) ， 1 6 位数据线宽度。 根据系统需要，选用两片h y v 6 4 1 6 2 0 并联构成3 2 位的s d r a m 系统， 共1 6 m s d r a m 空间，可满足嵌入式操作系统各种较复杂算法的运行要求。 电路图如图2 - 7 所示，与f l a s h 存储器相比，s d r a m 的控制线较多，连 接也相对复杂。图中没有画出每片7 个共1 4 个，连接电源和地之间的o 1 u f 去藕电容。 六、ar m 处理器串行接口电路设计 几乎所有的微控件器，p c 都提供串行接口，使用美国电子工业协会( e i a ) 推荐的r s 2 3 2 c 接口标准，这是一个很常用的串行数据传输总线接口标准。 早期被用于计算机和终端通过电话线和m o d e m 进行远距离的数据传输，随 着微型计算机和微控制器的发展，不仅在远距离，近距离也采用了该通信方 式。在近距离的通信中不采用电话线和m o d e m ，而是直接进行端到端的连 接。 r s 2 3 2 c 标准采用的是9 芯或是2 5 芯的d 型插头，以9 芯为例，各引 脚定义如表2 2 所示： 表2 - 2r s 2 3 2 c 引脚定义和描述 引脚名称功能描述 1d c d数据载小检测 2i 数据接收 3t x d数据发送 4d t r 数据终端准备好 5g n d接地 6d s r数据设各 7r t s请求发送 8c r s清除发送 9r i振铃指示 要完成基本的串行通信功能，只需要r x d 、t x d 和g n d 即可，由于 r s 2 3 2 c 标准所定义的高、低电平和$ 3 c 4 5 1 0 b 系统的i m 电路所定义 的高、低电平信号完全不同，i 舢，的标准逻辑“1 ”对应2 - 3 3 v 电平，标 准逻辑“0 ”对应0 o 4 v 电平，雨r s 2 3 2 - c 标准采用负电平逻辑方式，标 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 准逻辑“l ”对应3 v 1 5 v 电平，标准逻辑“0 ”对应+ 3 1 5 v 电平。两者通 信就必须通过电平转换，一般采用m a x 2 3 2 。 设计中的电路图如图2 - 8 所示，因为本设计中，只需要一个串行口，为 了以后的扩展方便也将另一串口线引出。因此图中串口0 ( u a r t o ) 部分采 用m a x 2 3 2 电平转换后引出a 串口1 ( u a r t i ) 部分直接引出。 v c c t l c l 上u 1 5v c c - 1 6 1 = = c 1 2 0士c l 1 0 43 civ+ 2 l 1 0 u a 册0 1 1 t l it 1 0 1 4r x d o u a r x d 0 1 2 r i or l i 1 31 x d o n 咖豫d1 0 t 2 it 2 0 7d s r n i7 a d s r 09 r 2 0r i 8d 豫 4 c 2 +v - 6 = 上c 1 2 151 5 = 上c 1 1 0 4 c2-gnd 。 l o j 2 o i l趴m a x 2 3 2i亨 d s r6 u 、 r x d o2 u v c cj i 珥 o 一 u a t x d i t x d 03 v u a i l x d i= l 8 o2 e l2 2 n u a d t r i ： 4 v 1 0 4 试i a d s r l= 3 d t r9 o4 5 - = = = o l _ 5 5 d b 9 图2 8 r s 2 3 2 接口电路 七、a r m 处理器j t a g 接口电路设计 j t a g ( j o i n tt e s t a c t i o ng r o u p ，联合测试行动小组) 是一种国际标准测试 协议，主要用于芯片内部测试及系统进行仿真、调试。j t a g 是一种嵌入式 调试技术，它在芯片内部封装了t a p ( t e s t a c c e s sp o r