（信号与信息处理专业论文）基于at91rm9200的嵌入式系统设计.pdf

太原理i 。人学硕士研究牛学何论文 基于a t 9 1r m 9 2 0 0 的嵌入式系统设计 摘要 在信息技术迅速发展的今天，人们的生活和工作都越来越要求电子设 备具有较强的智能化和网络化功能。本人硕士学位论文的研究工作围绕基 于a t 9 i r m 9 2 0 0 嵌入式系统开发平台的设计与实现展开。 本文先对嵌入式系统的原理与构建进行叙述，在详细分析嵌入式微处 理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 的结构特点和功能的基础上，介绍了基于a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器的嵌入式开发板的硬件设计、调试、底层b o o tl o a d e r 程序的开发和 l i n u x 操作系统移植的过程。具体阐述了电源模块、复位模块、以太网接口、 调试接口、音频接口、视频接口等外围接口和s d r a m 、f l a s h 、c f 卡等 存储模块的设计，以及各模块底层测试程序的编写流程和要点，详细介绍 了利用d b u g 串口进行基于a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器的嵌入式系统开发平台的 硬件调试过程。此系统经测试稳定可靠。 本开发板使用的a t 9 1 r m 9 2 0 0 是2 0 8 引脚q f p 封装的高速集成电路， 所以必须要在设计硬件电路的时候对布线的抗于扰性需给以足够的考虑。 在实际设计实现中，为提高系统软、硬件整体稳定性和可靠性，使用 了以下几种方法：( 1 ) 低电压复位、多电容滤波、抗电源抖动能力等技术； ( 2 ) 多层p c b 设计，线路板结构紧凑，电源部分采用数字5 v 、3 3 v 、1 8 v 和模拟3 3 v 多电源供电；( 3 ) 选用表面贴和q f p 封装的器件；( 4 ) 按照软 件工程的要求进行系统分析，规划系统框图、流程分析、模块划分，减小 了不同模块的相关性，从而最大限度避免了错误的发生。然后在没计并实 现的基础上对系统的改进提出了一些新的方法和建议。 关键词：a r m ，嵌入式系统，a t 9 1 r m 9 2 0 0 ，l i n u x ，b o o tl o a d e r 太原理i 。大学硕 一研究生学位论文 d e s ! g no ft h ee m b e d d e ds y s t e m b a s e d o na t 9 lr m 9 2 0 0 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yt o d a y ，i n t e l l i g e n ta n d e t h e m e tf u n c t i o no fe l e c t r o n i cd e v i c e si sm u c hn e e d e di np e o p l e sl i f e t h i s p a p e rm a i n l yd i s c u s s e sa b o u tt h ed e s i g n i n ga n dd e b u g g i n go ft h ee m b e d d e d d e v e l o p m e n tp l a t f o r mb a s e d o na t 91r m 9 2 0 0 i ti n t r o d u c e st h et h e o r ya n ds t r u c t u r eo fe m b e d d e ds y s t e ma tf i r s t a f t e r e x p l i c i t l ya n a l y s i s t h ef e a t u r ea n df u n c t i o no fe m b e d d e d p r o c e s s o r a t 91r m 9 2 0 0 ，t h i sp a p e rd i s c u s s e sd e s i g n i n g ，d e b u g g i n g ，b o o t l o a d e r d e v e l o p m e n ta n dl i n n xo sp o r t i n go ft h ee m b e d d e dd e v e l o p m e n tb o a r db a s e d o na t 9 1r m 9 2 0 0 s p e c i f i c a l l y , i te x p l a i n sa b o u tt h ed e s i g no fp o w e rm o d u l e ， r e s e tm o d u l e ，e m a ci n t e r f a c e ，d b u gu a r t , a u d i oi n t e r f a c e ，v i d e oi n t e r f a c e ， s d r a m ，f l a s ha n dc fc a r de t c a l s o ，t h em a i np r o c e d u r ea n dk e yp o i n t so f m o d u l et e s tp r o g r a ma n dh a r d w a r ed e b u g g i n gw i t ht h eh e l po fd e b u gu a r t i sd e l i v e r e d a f t e ra l l ，t h ep l a t f o r mb a s e do na t 91r m 9 2 0 0h a sb e e nt e s t e do f s t a b l er u n n i n g a t 91r m 9 2 0 0u s e di nt h i sd e v e l o p m e n tb o a r di sa2 0 8p i n sh i g hs p e e di c w i t hq f pp a c k a g e s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt og i v ef u l l yc o n s i d e r a t i o no ft h e a n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t yw h e nr o u t i n g t oi m p r o v et h es t a b i l i t yo fs y s t e ms o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，w ei n t r o d u c e s t h ef o l l o w i n gm e t h o d s ：l o w p o w e rr e s e t ，m u l t i - c a p a c i t yf i l t e r i n g ，a n t i f l u c t u a t e p o w e re t c ；m u l t i l a y e rp c bd e s i g nm a k e sac o m p a c ts t r u c t u r e ，m u l t i 。p o w e r s u p p l yi n c l u d ed i g i t a l5 7 , 3 3 7 , 1 8 va n da n a l o g3 3 v ；u s i n gq f pp a c k a g e d c h i p sa n ds u r f a c em o u n tc o m p o n e n t s ；a n a l y s i st h es y s t e ma c c o r d i n gt os o f t w a r e 太原理_ 大学硕士研究生学位论文 e n g i n e e r i n g b l o c kd i a g r a mp l a n n i n g ，f l o wc h a r ta n a l y s i s ，m o d u l ec u t t i n ga n d s o m eo t h e rm e a s u r e sa r ea l s oi n t r o d u c e dt od e c r e a s et h ec o r r e l a t i o no fd i f r e r e n t m o d u l e sa n dg r e a t l yr e d u c et h eh a p p e n i n go fe r r o rc o n d i t i o n s a tl a s t ，s o m en e w i m p r o v i n gm e t h o d a n da d v i c ei sp r o p o s e d k e yw o r d s ：a r m ，e m b e d d e ds y s t e m ，a t 9 1r m 9 2 0 0 ，l i n u x ，b o o tl o a d e r 1 1 1 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：，兰垒骛日期：丝呸：掣 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名： 导师签名： 强攀一魄= k 乒 太原理上= 人学硕十研究生学衍论文 0 1 本课题研究的目的与意义 日l j 高 从使用角度可以把计算机分为两类：一类是独立使用的计算机系统，如个人计算机 ( p c ) 、工作站等：另一类是嵌入式计算机系统。嵌入式系统并不独立使用，而是作为 板级模块或者芯片存在于应用系统( 诸如信息家电、远程医疗设备、工业控制设备等) 中承担中央控制及计算任务。嵌入式设备与i n t e r a c t 的结合在未来若干年将是市场潜力巨 大的领域。 本课题研究的主要目的在于：基于a t 9 1 r m 9 2 0 0 的嵌入式系统的设计与实现。本 系统采用a t m e l 公司a t 9 1 r m 9 2 0 0 芯片( 1 6 3 2 b i t a r m 9 2 0 t 内核) ，本开发扳除带有大 容量的s d r a m 和f l a s h 以外，还扩展了1 0 1 0 0 m b p s 以太网接口、u s bh o s t 、u s b s l a v e 、u a r t 接口等。主要针对基于a r m 9 体系结构之上的应用程序开发和那些要求 外设资源丰富、功耗低、工作严格稳定的工业控制方面设计。 本课题的意义在于：超大规模集成电路技术的发展使得在单硅片上实现功能复杂的 嵌入式微处理器己经成为现实。它通常嵌入许多计算机模块来实现需要的计算和控制功 能，诸如信息家电、医疗器械、工业控制设备等应用系统。而随着国内外业界掀起从8 位单片机转入1 6 3 2 位高性能c p u 开发的新轮高潮，已经有足够的能力和资源在操作 系统和相关函数的支持下开展嵌入式网络系统的研究工作。 嵌入式系统广泛用在日常生活的各个领域中，并且带来了日新月异的变化和经济效 益，我们开发的基于a t 9 1r m 9 2 0 0 的嵌入式系统可作为其他应用程序开发的开发板或广 泛应用于工业控制领域。 0 2 论文完成的工作 在关于基于a t 9 1 r m 9 2 0 0 的嵌入式系统的设计与实现的研究中，本论文主要做了以 下工作： 1 有效利用3 2 位高端微处理器的处理能力，提出了该系统完整的设计方案。 2 实现本系统的硬件平台。独立完成芯片选型，系统的原理图设汁，多层p c b 设 计和调试，并编写外围设备的测试程序，为移植嵌入式操作系统进行了尝试和准备。 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 进行了嵌入式操作系统l i n u x 向a t 9 1 r m 9 2 0 0 的移植。 0 3 本论文的组织 第一章讨论了嵌入式系统的原理与构成；第二章详细介绍了a t 9 1 r m 9 2 0 0 芯片的结 构特性和功能；第三章提出了系统硬件的设计方案；第四章讨论了丌发平台的硬件测试 程序设计：第五章论述系统的b o o tl o a d e r 程序设计：第六章讨论了l i n u x 操作系统在 开发平台上的移植。最后，对本论文的工作进行总结，提出了本系统可改进之处并对今 后从事的嵌入式系统的开发、研究与应用提出展望。 太原理= 大学硕十：研究生学付论文 1 1 嵌入式系统概述 第一章嵌入式系统 嵌入式计算机系统( 简称嵌入系统) 与商用、家用计算机类似，由嵌入式 软、硬件构成。但嵌入系统一般并不独立使用，而是作为板级模块或者芯片存在于 应用系统( 诸如信息家电、远程医疗设备、工业控制设备等) 中，承担中央控制及科学 计算任务。嵌入式系统【1 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、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式设 备与i n t e m e t 的结合在未来若干年将是市场潜力巨大的领域。目前，基于i p 的因特网 无处不在。未来几年，1 0 0 0 m 网和无线接入技术将使基于i p 的通信量超过传统 的电信网业务。嵌入式系统技术已成为通信和消费类产品的共同发展方向。手 持嵌入设备无论在个人领域( 如个人数字助理p d a 、i p 电话、移动上网等) 或 企业应用( 如物流管理、条码扫描等) 都是炙手可热的产品。远程医疗、硬盘 录像、数字监控等网络音、视频流媒体终端更是产值巨大的工业项目。基于i p 的嵌入式产品的研制、开发与评估，都离不歼嵌入式系统集成开发环境的支持。 典型的嵌入式系统由两部分组成：以嵌入式处理器为核心的硬件设计和基 于嵌入式实时多任务操作系统的软件开发。其中硬件部分还包括了存储器及外 设器件和i o 端口、图形控制器等。嵌入式软件与p c 软件一样，也分为操作系 统和应用软件。应用程序控制系统的目杯行为和运作：嵌入式操作系统用来支 持应用程序编程与硬件的交互作用。实时多任务操作系统强调任务执行和切换 的确定性，一般需要一个很小的实时内核，负责提供最基本的系统服务。利用 实时多任务操作系统和实时内核对系统进行扩展，可以开发输入输出管理器、 网络、语言接口库等操作系统服务软件包。目静的嵌入式操作系统主要包括 v x w o r k s 、p s o s 、v r t x 、q n x 、n u c l e u s 、l y n x o s 、c m x 等以及一些类l i n u x 的操作系统。在嵌入式领域的应用软件主要足辅助开发工具，包括t c p i p 协议 族、v o l p 、n o 7 、i r d a 、b l u e t o o t h 等多种协议产品。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 嵌入式系统的特点 嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点 2 1 ： 1 面向特定应用 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。把通用c p u 中许多由板卡完成的任务能够集成在芯 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，与网络 的耦合也越来越紧密。 2 科技含量高 嵌入式系统是将先进计算机技术、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。嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率 地没计，量体裁农、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具有竞争力。 3 产品利润丰厚 嵌入式系统和具体应用有机地结合在起，它的升级换代也是和具体产品 | - j 步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。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或嵌入式 处理器芯片中，不易盗版。这些特点为嵌入式系统提供了丰厚的产品利润。 4 应用前景广阔 嵌入式系统的技术发展与其广阔的应用密切相关。嵌入式系统本身不具备 自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也不能对其中的程序功能进行修改， 必须有一套开发工具和环境才能进行开发。于是，由电子工程师、软件工程师 和应用领域专家组成的嵌入式系统研发设计行业应运而生。这就保证了嵌入式 系统的任何技术创新会很快转化为应用成果。 1 3 嵌入式处理器 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器。目前据不完全统计， 全世界嵌入式处理器已经超过1 0 0 0 多个品种，流行体系结构有3 0 几个系列。 越来越多的公司有自己的处理器设计部门，几乎每个半导体制造商都生产嵌入 太原理f ：大学硕上研究生学仿沦文 式处理器。嵌入式处理器的寻址空间一般从1 6 k b 到1 6 3 2 m b ，处理速度为 0l 2 0 0 0 m i p s ，常用封装从8 个引脚到1 4 4 个引脚。根据其现状，可以分成下 向儿类。 1 嵌入式微处理器 嵌入式处理器的基础是通用计算机中的c p u 。在应用中，将微处理器装配 在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的功能，这样可以大幅度减 小系统体积和功耗。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重 量轻、成本低、可靠性高的优点。但是在电路板上必须包括r o m 、r a m 、总线 接口、各种外设等器件，也称为单板计算机。嵌入式微处珲器目前主要有3 8 6 e x 、 s c 一4 0 0 、p o w e r p c 、6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m 等系列。 2 嵌入式微控制器 嵌入式微控制器又称单片机，它将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌 入式微控制器一般以某一种微处理器为内核核心，片内集成r o m 、e p r o m 、 e 2 p r o m 、r a m 、f l a s hr a m 、总线、总线逻辑、定时汁数器、w a t c h d o g 、i o 、 串行口、脉宽调制输出p w m 、a d 、d a 等各种必要功能和外设。微控制器是 目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于 控制，因此称之为微控制器。为适应不同的应用要求，一般一个系列的单片机 具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器 和外设的配置和封装。与嵌入式微处理器相比，嵌入式微控制器的最大特点是 单片化，体积大大减小。 3 嵌入式d s p 处理器 d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算法， 编译效率较高，指令执行速度也较快。在数字滤波、f f t 、谱分析等方面的应用 正在大量进入嵌入式领域。嵌入式d s p 处理器有两个发展趋势，一是d s p 处理 器经过单片化、e m c 改造、增加片上外没形成嵌入式处理器，t i 的 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 等属于此范畴：二是在通用单片机或s o c 中增加d s p 协 处理器，例如i n t e l 的m c s 2 2 9 6 和s i e m e n s 的t r i c o r e 。推动嵌入式d s p 处理器 发展的另一个因素是嵌入式系统的智能化，例如各种带有智能逻辑的消费类产 品，生物信息识别终端，带有加解密算法的键盘，a d s l 接入、实时语音压解 系统等。这类智能化算法一般都是运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻 太原理工大学硕士研究生学位论文 址等较多，而这些正是d s p 处理器的长处。 4 嵌入式片上系统 随着e d a 的推广和v l s i 设计的普及化，半导体工业得到迅速发展，在一 个硅片上实现一个更为复杂的系统，称为片上系统( s o c ：s y s t e mo nc h i p l 。各种 通用处理器内核将作为s o c 公司的标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样， 成为v l s i 设计中一种标准的器件，用标准的v h d l 等语言描述，存贮在器件 库中。用户只需给出应用系统的定义，仿真后可先在f p g a 上实现样品。定型 后再将设计图交给半导体工厂批量制作。这样除个别无法集成的器件外，嵌入 式系统的大部分可集成到一块或几块芯片中。 1 4 嵌入式系统的发展趋势 以信息家电为代表的互联网时代嵌入式产品，不仅为嵌入式市场展现了美好前景， 注入了新的生命，同时也对嵌入式系统技术，特别是软件技术提出新的挑战。这主要包 括：支持日趋增长的功能密度、灵活的网络连接、轻便的移动应用和多媒体的信息处理， 此外，当然还需应付更加激烈的市场竞争。 1 嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持。 嵌入式电子设备的功能不再单一，电气结构也更为复杂。为了满足应用功能的升级， 设计师们一方面采用更强大的嵌入式处理器如3 2 位、6 4 位r t s c 芯片或信号处理器d s p 增强处理能力；同时还采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术柬控制功能复杂 性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。 2 ，联网成为必然趋势。 随着因特网技术的成熟、带宽的提高，i c p 和a s p 在网k 提供的信息内容日趋丰富、 应用项目多种多样。为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，面向2 l 世纪的嵌入 式系统要求配备标准的一种或多种网络通信接口，相应需要t c p i p 协议软件支持；由 于家用电器相互关联( 如防盗报警、灯光能源控制、影视设备和信息终端交换信息) 及 实验现场仪器的协调工作等要求，新一代嵌入式设备还需具备i e e e l3 9 4 、u s b 、c a n 、 b l u e t o o t h 或i r d a 通信接口，同时也需要提供相应的通信组网协议软件斥u 物理层驱动软 件。 3 提供精巧的多媒体人机界面。 嵌入式设备之所以为亿万用户乐于接受，重要因素之一是它们与使用者之间的亲和 6 太原理1 大学硕十研究生学位论文 力乖1 自然的人机交互界面。 上时纪8 0 年代初p c 机的出现，曾经蟊：、i t 界引起一场关丁二p c 机足订会最终取代小 型机的争论。如果说，微型计算机经过二 年发展l 使这场争论乍珍，髯；芒，那么不久的 将来，嵌入式系统町否取代p c 机的地位，人们j j ：拭r 以待。 7 太原理：【：大学硕士研究生学付论文 第二章a t 9 1 r m9 2 0 0 的结构特点与功能 2 1a t 9 1 r m 9 2 0 0 芯片概述 a t 9 1 r m 9 2 0 0 是a t m e l 公司针对系统控制以及通信领域推出的基于a r m 9 2 0 t 内 核( 1 6 3 2 一b i tr i s cc p u ) 的新微型控制器【l j 。它是完全围绕a r m 9 2 0 t 内核构建的系统。 它有丰富的系统与应用外设及标准的接口，从而为低功耗、低成本、高性能等计算机广 泛领域应用提供单芯片解决方案。 它具有独立的1 6 k 指令c a c h e 和1 6 k 数据c a c h e ，内存管理单元( m m u ) ，一个 高速片上s r a m 工作区及一个低等待时i 日j 的外部总线接口( e b i ) 。e b i 有s d r a m 、b u r s t f l a s h 及静态存储器等控制器，并设计了专用电路以方便与s m a r tm e d i a 、c o m p a c tf l a s h 及f l a s h 等的连接。它还带有两个片内振荡器，4 个可编程的外部时钟信号( 定时中断、 看门狗、秒计数器的系统定时器) ，实时时钟，中断控制器，7 个外部中断源和1 个快 速中断源，4 个3 2 位的i o 控制器，2 0 通道外围数据控制器( p d c 或d m a ) 。 a t 9 1 r m 9 2 0 0 集成了许多标准接口控制器，包括u s b 2 0 主机、设备端【j 和以太网 媒体访问控制器( m a c ) 等。此外，它还提供一系列符合工业标准的外设，可在音频、 网络、f l a s h 卡、红外线及智能卡中使用。还带有2 个多媒体# 接口控制器( 兼容 m u l t i m e d i a 卡和s d 卡) ，3 个同步串行口s s c 控制器，4 4 通用同步异步串行端r ju a s r t ， 1 个主从串行设备接口s p i 。为完善性能，a t 9 1 r m 9 2 0 0 集成了包括j t a g i c e 和专用 u a r t 调试通道( d b g u ) 等一系列调试功能。 2 2 主要模块简介 2 2 1 电源控制器( p m c ) a t 9 1 r m 9 2 0 0 的电源控制器( p m c ) 集成了两个振荡器( 一个主振荡器及一个3 2 7 6 8 k h z 的慢时钟振荡器) 和两个锁相环( p l l ) ，用来产生系统所有的时钟。提供处理器时 钟p c k 、主时钟m c k 、u s b 时钟、多达3 0 个的外设时钟、4 个可编程时钟。并支持普通、 空闲、慢时钟及待命工作模式。图2 一l 是时钟发生器框图。 电源管理控制器可以提供下列时钟】： 慢时钟( s l c k ) ：系统内唯一不变的时钟，频率为3 2 7 6 8 k h z 。 太原理i 大学硕上研究生学位论文 主机时钟( m c k ) ：编程范围从几百h z 到器件最大工作频率。它有利于模块的长期 运行，0 n a i c 及存储拧制器。 处婵嚣f l f 钟：孳f a r m 7 系统彤jj 机时钟，基十a r m 9 系统的，陕透时钟，当进入窄 刚模式时关闭。 外设时钟：典型频率为m c k 频率，提供给内置外设( u s a r t 、s s c 、s p i 、t w i 、 t c 、m c l 等) 并独立可控。 u d p 时钟( u d p c k ) ：典型频率为4 8 m h z ，用于u s b 设备端口工作。 u h p 时钟( u h p c k ) ：典型频率为4 8 m h z ，用于u s b 主机端口工作。 可编程时钟输出( p c k 0 蛩j p c k 3 ) ：可在p c k 0 多j p c k 3l 脚上驱动。 慢时钟 s c l k 主时钟 p l l a 时钟 p l l b 时钟 f i g u r e2 1c l o c kg e n e r a t o rb l o c kd i a g r a m 2 2 2 外部总线接口( e bi ) 外部总线接口( e b i ) 可以确保多个外设和存储控制器| j 的正确数据传输。外部总 线接口集成了3 个外部存储控制器：静态存储控制器、s d r a m 控制器和b u r s tf l a s h 控制 器。外部总线接口通过集成电路支持c o m p a c tf l a s h 与s m a r tm e d i a 协议从而极大地降低了 对外部组件的需求。此外，e b i 有8 个片选信号( n c s 7 ：0 1 ) ，可处理多达8 个外设的数据 传输，数据通过1 6 位或3 2 位数据总线传输，地址总线为2 6 位，可对6 4 m 字节空间寻址。 图2 2 给出了外部总线接口结构图。 外部总线接口的片选分配设定如下： 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 n c s 0 上为b u r s tf l a s h 控制器或静态存储控制器 n c s i 上为s d r a m 控制器或静态存储控制器 n c s 3 上为静态存储控制器，可选支持s m a r tm e d i a n c s 4 一n c s 6 上为静态存储控制器，可支持c o m p a c tf l a s h n c s 7 上为静态存储控制器 d 【1 5 ：0 】 a s b _ 叫s d r a mi a 0 巾u b s o a 1 n w r 2 ，n b a 1 5 ：2 】，a 2 2 ：1 ： a 】6 b a o 控制器l a 1 7 b a l 0 i x n c s o b f c s n c s l s d c s 静态存储 复n c s 2 1 器控制器 用s d c k 存储器 逻 拧制器 爿訾s m a r t 辑i ) 1 3 i p i o a 【2 z 一_ n c s i 地址i 鸟卦 一 _ -+ n c s 一_ + n c ! 一 _ - n c ! 一+ b f c 倒 7 l 厅选l 一 p + b m 1 分配l 一+ + 用户接口卜 t 上 a p b 图2 - 2 外部总线接口结构 f i g u r e2 - 2o r g a n i z a t i o no f t h ee x t e m a lb u si n t e r f a c e 2 2 2 1 静态存储控制器 静态存储控制器( s m c ) 产生信号来控制外部静态存储器或外设的访问。s m c 可编 程地址达5 1 2 m 字节。它有8 个片选及一个2 6 位地址总线。1 6 位数据总线能配置与8 位或 1 6 位外部器件连接。独立的读写控制信号允许存储器与外设直接连接。 表2 一l 列出了静态存储控制器的信号线及其说明。 太原理i ：人学颂十研究生学位论文 袁2 1 静态存储控制器的引脚说明 t a b l e2 - 1t h es t a t i cm e m o r yc o n t r o l l e rp i nd e s c r i p t i o n 名称说明梦掣f i 效电平 n c s 7 ：0 】静态以储拧制器j j 进线 输出怄 n r l ) ，n o e 凄输出使能信号输出低 n w r 0 ，n w e 写0 写使能信号输出低 n w r l ，n u b 写1 高字节选择信号 输出低 a 0 n l b 地址位o ，低字节选择信号 输出低 a 2 5 ：1 】 地址总线输山 d 【1 5 ：0 】 数据总线i o输入，输峭 n w a l t外部等待信号输入低 2 2 2 2s d r a m 控制器( s d r a m c ) s d r a m 控制器是非常重要的存储控制器，几乎所有的嵌入式开发板都需要外接 s d r a m 。s d r a m 控制器通过向外部1 6 位或3 2 位s d r a m 提供接口来扩展芯片存储能力。 支持的页范围从2 0 4 8 到8 1 9 2 ，列数由2 5 6 至j 2 0 4 8 。它支持字节( 8 位) ，半字( 1 6 位) 及 字( 3 2 位) 访问。 表2 2 列出了s d r a m 控制器的信号线及其说明。 表2 - 2s d r a m 控制器的引脚说明 t a b l e2 - 2s d r a mc o n t r o l l e rp i nd e s c r i p t i o n 名称说明 类掣 有效电平 s d c ks d r a m 时钟输出 s d c k e s d r a m 时钟使能 输出高 s d c s s d r a m 控制器片选 输出低 b a 1 ：o 】 分组选择信号 输出 r a s 行信号 输出低 c a s 列信号 输出低 s d w e s d r a m 写使能 输出低 n b s | 3 ：o 】 数据屏蔽使能信号 输出低 a f l 2 ：0 】 地址总线输出 d 3 ：o 】 数据总线 输入输j 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 2 3b u r s tf l a s h 控制器( b f c ) b u r s tf l a s h 控制器( b f c ) 向外部1 6 位b u r s tf l a s h 器件提供接口，可寻址的地址空间 为2 5 6 m 字节。它支持字节、半字和字访问，最高可访问3 2 m 字节b u r s t f l a s h 器件。b f c 还支持数据总线与地址总线复用。 表2 - 3b u r s tf l a s h 控制器的引脚说明 t a b l e2 - 3b u r s tf l a s hc o n t r o l l e rp i nd e s c r i p t i o n 名称说明类型有效电平 b f c k b u r s tf l a s h 时钟 输出 b f c sb u r s tf l a s h 片选输出低 b f a v db u r s tf l a s h 地址有效输出低 b f b a ab u r s tf l a s h 增强地址输出低 b f o eb u r s tf l a s h 输出使能输出低 b f w e b u r s tf l a s h 写使能 输出低 b f r d yb u r s tf l a s h 就绪输出吊 a 2 4 ：0 】 地址总线 输出 d 【1 5 ：0 】 数据总线输入输出 2 2 3 以太网控制器 以太网m a c 是o s i 参考模型物理层( p h y ) 与逻辑链路层( l l c ) f f i m a c 子层的硬 件工具。它使用以太网i e e e8 0 2 3 u 数据帧格式控制在主机与p h y 层白j 的数据交换。以太 网m a c 包括所需逻辑与d m a 管理的发送与接收f i f o 。此外，它通过与m d l 0 ，m d c 引脚 连接来对p t t y 层进行管理。 以太网m a c | = 1 据引脚输出配置不同，可使用独立媒体接口( m i i ) 或简化独立媒体 接口( r m i i ) 来传输数据。e m a c 有一条与高级中断控制器( a i c ) 连接的中断线，处理 e m a c 中断请求，所以在配置e m a c 前要对a i c 编程。 e m a c 与i e e e8 0 2 3 以太网标准完全兼容。它管理帧的发送与接收，包括冲突检测、 报头产生与检测、c r c 控制与产生及发送帧的填充。m a c 功能为：帧封装与解封、错误 检测和媒体访问管理( m i i 、r m i i ) 。以太网控制器方框图见图2 3 。 太原理i ：大学硕士研究生学位论文 e m a c 中断 图2 - 3 以太网控制器方框图 f i g u r e2 - 3e t h e m e tc o n t r o l l e rb l o c kd i a g r a m 2 2 4 高级中断控制器( m c ) 高级中断控制器( a i c ) 是一个有8 个优先级，独立可屏蔽的向量中断控制器，最高可 处理3 2 个中断请求。8 级优先级控制器允许用户对每个中断源优先级进行定义，允许高 优先级中断在低优先级中断服务期间先行处理。中断源0 为快速中断输入( f i q ) ，中断 源1 为系统外设( s t 、r t c 、p m c 、d b g u ) ，中断源2 到中断源3 1 控制多达3 0 个内部或 者外部中断。a i c 详细框图见图2 - 4 。 孕旦而 i r q o i r q ni 控制器 外部 输入 内外 输入 中断控制器 焉 用户接u 唤 a r m n f l q n l r q 时钟l 匝最 a r b 图2 - 4 高级中断控制器框图 f i g u r e2 - 4a i cd e t a i l e db l o c kd i a g r a m 2 2 5 两线接口( t w i ) 两线接口( t w i ) 由一根时钟线( t w c k ) 和一根传输速度达至l j 4 0 0 k b s 的数据线 ( t w i ) 组成，且以字节为单位进行传输。它适用于任何的a t m e l 公司生产的两线总线 串行e e p r o m 中，也可用作1 2 c 总线的信号。t w i 可编程进行连续或单字节访问，可配置 太原理工大学硕士研究生学位论文 波特率发生器，允许输出数据速率根据内核时钟频率调整。t w d 与t w c k 为双向线，通 过上拉电阻连接。当总线空闲时，两线均为高。表2 4 是两线接口的引脚说明。图2 5 给 出了两线接口的方框图。 表2 4 两线接口引脚说明 t a b l e2 - 4t w o - w i r ei n t e r f a c ep i ni n t r o d u c t i o n 引脚名称引脚说明类型 t w d 两线串行数据 输入输出 t w c k两线串行时钟输入，输山 两线 接口 图2 - 5 两线接口框图 f i g u r e2 - 5t w ib l o c kd i a g r a m 1 4 奎垦望e 盔兰堡! ：塑塞笙兰生堡苎 第三章基于at 9 1r m 9 2 0 0 嵌入式开发平台的硬件设计 3 i 器件建库设计 本系统用到的大多数芯片都是采用新型表贴封装，而常用的电路设计软件都没有现 成的原理图库和p c b 库，需要根据资料所标尺寸自己创建。由于资料中标明的是管脚 尺寸和外形尺寸，为了方便焊装，在设计p c b 中的焊盘尺寸和外形尺寸对，焊盘应该 比管脚外伸0 5 1 g r a m 。 3 2 硬件电路的实现 本设计的系统硬件框图如图3 - 】所示： 显示控制器 液晶显示屏 c r t 显示器 时钟发生器 闻曛习l 曛习瓜翮严 a t 9 l r m 9 2 0 0 晶振、复位音频模块 仿真调试 r s 2 3 2 串口i 图3 - 1 系统硬件设计框图 f i g u r e3 - 1s y s t e mh a r d w a r ed e s i g nb l o c kd i a g r a m 本系统主要由以下几大部分组成：电源模块、复位模块、以太网物理层接口电路、 存储模块、调试模块、音频接口模块、显示模块、c f 卡模块等。下面分别作详细介绍。 3 2 ，1 电源模块 在本系统设计的电压有1 8 v 和3 3 v 哆其中a r m 核心电压为1 8 v ，而外围i o 和仿真器电压为3 3 v 。我们直接从外部输入5 v 直流电压，再采用t i 公司的r e g l l l 7 3 3 芯片将5 v 电压降至3 3 v ，再利用r e g l l l 7 一1 8 芯片将3 3 v 电压降至1 8 v 。图3 2 是 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 电源模块原理图。在这部分电路中，我们用了一些大电容滤波，达到了很好的滤波效果。 同时在得到所需的电压后，我们在后续电路中还需要加上很多的小电容来滤波，以减少 毛刺，稳定电压。 ( 谢u3 7 3 州u 图3 - 2 电源模块原理图 f i g u r e3 - 2p o w e rm o d u l es c h e m a t i c 3 ，2 2 复位模块 复位模块，尤其是上电复位模块在系统设计中有重要的作用。系统复位电路必须考 虑两种复位请求类型：上电序列中的冷复位和用户复位请求。事实上，冷复位必须覆盖 系统启动时间。系统上电后，a t 9 1 r m 9 2 0 0 必须执行一个上电复位( 也称为冷复位) 。 在过渡状态下，它强制保持复位信号为低，直到电源达到：【作标称电压，而且振荡器工 作频率稳定为止。复位延迟的选择是由低频率振荡器启动时间确定的。n r s t 也可在除 上电序列外的其它序列中出现，例如一个手动命令。休眠与掉电时同样会出现n r s t 信 号。在正常操作期间，n r s t 有效须保持个最小的延迟时问以保证工作正确。在 a t 9 1 r m 9 2 0 0 中，n r s t 最小脉宽为9 21 u s 。图3 3 是复位电路原理图。在图中我们可以 通过改变c 9 1 和r 3 8 的值，就可以改变上电复位时间。 图3 - 3 系统复位电路图 f i g u r e3 - 3s y s t e mr e s e tm o d u l es c h e m a t i c 1 6 太原理工大学硕i 研究生学位论文 3 2 3 以太网物理层接口电路 该电路是本系统的重要部分，属于以太网物蝉联接r 电路。由于a t 9 l r m 9 2 0 0 处理 器禾身足款i 一、j k 级处理器，所以这p 也选川l 、i k 级的1 。x 3 、9 7 2 a 芯片和网络隔离变压 嚣l t r 6 0 1 6 8 0 ，从f 百叮以保证性能以适j 世较l 岛的，f 发应h m 、境。以太刚接口设计的重要 意义在于可以通过网络接口快速下载代码，以及实现操作系统的多方式肩动等。m i i 引 脚定义及功能见表3 1 。 表3 - 1m i i 引脚定义及功能 t h b l e3 1m i ip i nd e f i n i t i o na n df u n c t i o n 名称类型功能 t x d o t x d 3 输入发送数据：时钟同步并行发送数据 t xe n 输入发送使能：t x d 管脚发送数据使能 t xc l k 输出 发送时钟：1 0 m b p s 时为2 5 m h z ；1 0 0 m b p s 时为2 5 m h z t xe r 输入 发送错误：指示发送错误，同步丁t x c l k r x d o r x d 3 输出 接收数据：同步于r x c l k 的弗行接收数据 r xd v 输出在r x d 上输出数据时指示接收数锯有效，与r x