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文档简介

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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的地方外,论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同恚对本研究所傲的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名: 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外,允许论文被查 阅和借阅,可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名:童章导师签名: 摘要 摘要 题目:嵌入式系统应用平台的研究 姓名:王宝海 导师:周斌 学校:东南大学 正文: 今天,嵌入式系统己经无处不在,从汽车、家用微波炉、p d a 、电视机,到工控生产 现场、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装各、消费类产品等方面,都 能发现嵌入式系统的踪影。嵌入式系统从诞生以来经历了一个从无到有,从弱到强、从少 到多的发展过程。而生产嵌入式系统的开发工具却越来越落后于实际的需要,并逐步成为 嵌入式系统进一步发展的瓶颈。 嵌入式系统应用平台的研究正是基于这样的背景,它使得开发人员或企业不需要和以 往一样从零开发一个产品的硬件和软件,可以直接在现成的嵌入式平台上进行产品的开发, 大大缩短了开发周期,而且经过长期应用,嵌入式平台的稳定性得到加强,又会促进基于 该平台的产品稳定性提高。这样通过嵌入式平台开发出的产品。不仅开发周期短,而且稳 定性高,提高了产品的市场竞争力。 本论文的主题就是设计一个嵌入式系统应用平台。为其他嵌入式应用提供便利。 论文的第一部分主要介绍了课题研究的背景和意义、嵌入式系统的基本知识,包括嵌 入式系统发展的历史和现状、嵌入式系统的结构、特点、开发流程等,然后介绍了本论文 的结构安排。第二部分主要是实现系统硬件平台的建立,首先介绍了系统平台中所使用的 a r m 微处理器,然后就系统的基础模块、存储系统、人机界面、数据传输接口和下载调 试接口分别进行了设计和分析。第三部分就系统的软件设计和调试进行了研究,实现了系 统软件开发的整个流程,从系统启动加载代码的设计和实现,到底层硬件驱动和实现,到 实时操作系统的分析和移植,到系统应用程序的实现,最后完成了系统的调试工作。第四 部分是基于实验平台的一个应用,实现了一个商业终端,从中获取了大量的商业数据。针 对商业数据的特点,选用了关联规则进行数据挖掘,期望从大量的商业数据中获得对企业 有价值的关联规则。论文对关联规则的经典算法进行了分析,提出了改进算法,并对改进 算法进行了分析和优化。 关键词:嵌入式系统,应用平台,a r m ,l p c 2 2 1 4 ,数据挖掘,关联规则 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t 缸i e :r e 辩a r c ho f e m b e d d e ds y 甜e mb a s e d 帆p l a t f b n r l n a m e :w 柚gb h a i s n p e r v l r :p r o z h o ub m s c b l :s 0 u t h e a s tu n i v e 幅时 1 h t : n d w a d a y s ,e m b e d d c ds y s t e mi sf o u n dc v e r y w h e r e y b uc 衄f i n di ti nc a 撂,m i c r o w a v co v 饥 p d a ,t v ni sa l s ov e 呵u s e 似i nt t i e 靶a f e 勰:i n d u 蜘 a lc o 峨口i ,c o m 姗曲i c a t o 珥a v 谧i 蚰, i n g 恬u m e 娃c o 惦啪p t i o np r o d u c t s 卸de l c t h e 鲫b c d d e ds y s t e m i s c o m i n gt h r o u g ha d e v c j o p i n gc o u r s ef 融ns i m p l et oc 啪p l e xb m w t i l ed e “s i n gt o o i so f 鲫b e d d e ds y s 蛔ni s s t i nf 打b c h i n dt ot h ep 嘲i c a i 鹏e d ,a f l dn l i ss i n 娜i o ni sb e c o m i n gm o mo b s 诅c l e mt i l e d e v c i o p i n gr o a do f e m 洲e ds y s t e m 0 l i it h sb a c k g r o u n d ,d e v e l o p i n gap l 鲥- o mb a s e do nc m b e d d e ds y s t c mh a sb e p t l t f b 州a r d r e s f c l e f 甜c o m p a n yc 锄t a l 【ca d v 锄协g eo ft h i sp l 确加;恤i 拶d o n tn e e dd e v e l 印 州i 佗h a r d w a r e 锄ds o f h 柏把o fe m b e d d c ds y s t e m n 锄r e d u c em ep e r i o do f e x p i o i t i n ga 船w 哪b e d d c ds y s t e m ,a n dt h ep i 施n n 、v i nb e c o m em o 他s t a m et l l | 佻g hl 跚| g i i m c 印p l i c a t i o i l c o n v e 鼬l yt h es t a b l cp i 戤f 0 饿l l e a d st o 啪b e d d e da p p l i c a t i b 邪c d t 1 1 i sp l a t f o n l ls t a b l e t h 啪e t 1 1 i sp a p e r i s t od e s i 印卸dc n e 蹴ap i a t f b 哪b 越矧o i i 哪b e d d e ds y s c e l l l ,锄d p r o v i d ec o n 啪i e n f b fo 山盯e m b e d d e da p p l i c a t i o 地 t h ef i r s tp a no ft h i sp a p e rm a i n l yi n 仃0 d u b a c k g r o d 锄ds 懈o f t h i sp a p e b 鹊i c l c i l o w i e d g eo f e m b e d d e ds ) ,s t e m i n c l u d i n gt i l eh i s 咖_ y 锄d 脚t n d 砌彻o f 鲫b e d d 酣s y s 栅i l 曲es “1 l c t l l r ea n dc h 嘲c t e fo f e m b e d d e ds y s t e m ,锄d 0 1 1 t h e 辩c o n dp a r t 卸dt 1 1 i r dp a r t 硝m i s p a p 盯i r i 仃d d u c c sm ep r o c 鹳so fc 删i n gn l eh a r d w a r ea n ds o f h 惴p l a t f b 肿,w h i c hc o n t a i m 佗 d i 印i n gm c t i o d 卸de l a b o r 啦彻t e c h n o l o g yd e 叫l s f i n a l i yt l l i sp a p c ra c c o m p “s h 酷柚 a p p l i c a t i o nb a s e do nt h ep l 甜b n l l ,f b r n lm ca p p l l c a t i 咖w ca c q u r cac o i d e i 曲l eo f 血i a t l l 即 d od a t am i n i n go nn l ec o m m e r c i a id a t a k e y w o r d s :e m b e d d e ds y s t e i i l a p p i i c a l i o np l 缅哪,a r m ,l p c 2 2 1 4 ,d a t am i n i n 吕 a s s o c i a t i o nr u i 酷 2 东南大学硕士学位论文 1 1 嵌入式系统简介 1 1 1 嵌入式系统的定义 第一章绪论 根据i e e e 的定义,嵌入式系统是“控制、监视或辅助设备、机器和车间运行的装置”, 上述定义全面概括了嵌入式系统,但是对于我们了解嵌入式系统需要有更确切和贴近的定 义,目前国内一个普遍被认同的定义是:以应用为中心,以计算机技术为基础,软、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。 1 1 2 嵌入式系统发展的历史与现状 1 9 6 9 年,日本b u s i c o m 公司委托i n t e l 为其一个计算器研制一套程序控制器,4 0 0 4 便 是i n t e l 的回应,i n t e l 提出了通用型处理芯片的概念,即它可以被用于各种计算器,而不是 只是为某种特定的计算器设计的硬件。这种通用处理器被设计成可以读取并执行存储于外 部存储器中的指令和软件,i n t e l 的设计思想是软件赋于各种计算器独特的特征。 微处理器一夜成名,并且微处理器的各种应用在过去的几十年中稳定地增长。早期的 嵌入式应用包括无人太空探测,交通灯,航天飞机控制系统。二十世纪八十年代,嵌入式 系统进入了微型计算机时代,个人电脑走进了我们的生活,现在p c 甚至成了我们工作、 生活不可或缺的一部分。 随着社会信息化的日益加强。计算机和网络已经全面渗透到日常生活的每一个角落, 对于人们来说,需要的已经不仅仅是普通意义上的“电脑”了。任何一个人都可能拥有大 小不一,形状各异。包含了嵌入式技术的电子产品。小到m p 3 ,手机等微型数字产品,大 到车载电子设备,智能家电,网络家电等。可见从每个人每天都在使用的手机到现在热炒 的“d i g j t a lh o m e ”都离不开嵌入式系统。 1 1 3 嵌入式系统结构 嵌入式系统通常由嵌入式微处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统以及嵌入式应 用软件等几大部分组成。 嵌入式微处理器是一个嵌入式系统的核心,嵌入式技术发展的核心是嵌入式微处理器 技术的发展,当今微处理器功能越来越强大,种类更为繁多,如m i p s ,p o m r p c ,x 8 6 , a r m ,p l c 等,其中使用最为广泛的是基于a r m 体系结构的嵌入式微处理器。 嵌入式外围设备根据应用的不同有不同的选择,但一个通用的应用主要包括显示设备、 存储设备以及各种接口。随着嵌入式系统功能变得越来越复杂,嵌入式操作系统也成为嵌 入式系统中的一个基本部件,为开发应用软件提供支持。而在嵌入式应用中对时间的要求 一般较高,所以所用的嵌入式操作系统又多为实时系统,目前应用和研究较多的当属 u c i i n u x 和u c o s 。 嵌入式应用软件是针对特定领域、基于相应的嵌入式硬件平台,完成用户功能的软件, 6 第一章绪论 有些需要嵌入式操作系统的支持,也有些应用场合无需专门的操作系统。 嵌入式系统的结构可以用圈1 1 来表示: l1 4 嵌入式系统特点 i i 嵌入式系统应用软件 竹 l 嵌入式实时操作系统 n i嵌入式硬件平台 图l - l 嵌入式系统结构图 由于嵌入式系统是针对特定的应用而设计的计算机系统,它和通用计算机系统有着不同 的要求和特点。 通用计算机并不是用来完成某个特定的功能,它能够完成很多不同的事,你可以把通用 计算机看成一张“白纸”,生产商并不知道用户将要利用它来做什么,用户可能利用它来做 一个服务器,也可能利用它来玩电脑游戏,还可能用它来编写程序,撰写论文。总之通用计 算机提供一个通用的平台,你可以用它来做你想做的切。 嵌入式系统则实现一些特定的功能,通常作为一个更大的系统的构件。事实上通用计算 机就是由很多嵌入式系统构成的,通用计算机包含的键盘,鼠标、显卡、声卡、网卡和硬盘, 它们都是嵌入式系统,它们都包含一个嵌入式微处理器并有相应的软件来完成特定的功能。 由于嵌入式系统面向用户、面向产品、面向特定的应用,一般都要求具有实时性。嵌入 式系统的硬件和软件都必须高效率地设计,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。嵌入式软件一般都固化在存储器芯片中,而不是存储于磁盘等介质中。这 样做是为了提高执行速度和系统可靠性。 1 。2 嵌入式系统开发 通常,嵌入式系统中的系统程序和应用程序是浑然一体的,这些程序被编译连接成一个 可以执行的二进制映像文件,这个二进制映像文件被固化在系统中,在系统复位后自动执行。 嵌入式系统的开发系统和实际运行的系统并不相同,需要交叉编译系统和适当的调试系统。 嵌入式系统的开发一般采用主机一目标机模型,集成开发环境运行在主机上,开发主机 大都是p c 机,运行的操作系统多为u n i x - i n d o w s 等工具丰富,界面友好的系统平台。目 标机是指开发者建立的嵌入式硬件平台。主机和目标机通过串行口、以太网和j t a g 或其他 通信手段相联系。用户的所有开发工作在主机开发环境f 完成,包括编码、编译、链接等工 作。生成目标代码后下载到目标机,应用程序在目标机上执行,用户可以使用主机开发环境 提供的调试工具在线调试运行在目标机上的应用程序。 集成开发环境集成了必要的项目管理、编辑、编译、链接、下载、软件模拟、在线调试 7 东南大学硕士学位论文 等工具,并以用户熟悉的窗口方式提供友好的交互界面。这样开发者就可以方便地完成软件 开发的整个过程,a 删a d s l 2 就是a 跚公司提供的针对a 跚芯片的一个集成开发环境,所 有的a 肼芯片都可以在这个集成开发环境下完成软件开发。 1 3 论文研究内容 嵌入式系统面向特定的应用,而且是软件和硬件的综合体。现在的嵌入式系统开发基本 都从无到有的开发,即每个应用专门设计硬件,然后根据硬件再编写软件。由于可能使用不 同的硬件环境,导致硬件设计人员需要不断地学习,以适应新的硬件环境。而嵌入式系统中 软件的编写又是和硬件密切相关的,所以软件的编写工作也会受到更换硬件的影响。这样就 会使得嵌入式系统开发周期长、难度大、效率低、出错率商,而成本也居高不下。 基于这样的情况,本文提出了嵌入式系统应用平台的概念,以期通过建立一个通用的嵌 入式系统应用平台,为其他的嵌入式系统应用提供便利,使得其他的应用不必再从零开始进 行开发,而是通过适当调整本平台的硬件和软件完成产品的开发。 本论文中建立了一个以a 蹦微理器l p c 2 2 1 4 为核心的嵌入式系统应用平台,从硬件到软 件,详细描述了该平台的整个开发过程。 本论文针对已建立的平台实现了一个商业应用,对其中获得的大量商业数据进行了数据 挖掘。由于商业数据的特点,选用了关联规则挖掘,讨论了关联规则中的经典算法( a p r i o r i 算法) ,提出了改进算法,并对改进算法进行了分析和优化。 l - 4 论文结构安排 本论文共分为五章:第一章,介绍嵌入式系统、嵌入式系统研究的现状与发展、本文的 结构。第二章,介绍系统的硬件平台,详细介绍a r m 体系结构、l p c 2 2 1 4 ,以及各外围模 块。第三章,首先介绍了嵌入式系统软件的设计思路。并根据嵌入式系统软件的开发步骤详 细阐述了嵌入式系统软件开发的整个流程。第四章,给出了一个基于该平台的应用,并就该 平台获得的大量商业数据用关联规则进行数据挖掘。第五章,给出了系统的特点和需要完善 的地方。 1 5 本章小结 本章首先给出了嵌入式系统的定义,然后就嵌入式系统的发展历程、结构和特点进行了 简单的介绍,并介绍了嵌入式系统开发的流程,最后介绍了本论文的结构安排。 8 第二章系统硬件平台 第二章系统硬件平台 嵌入式系统开发必然是软,硬件相互结合的,所以开发嵌入式系统首先要熟悉嵌入式微 处理器的特点、指令结构等,其次还要了解它的外围器件。 2 1 a r m 处理器概述 a r m 微处理器是一种高性能、低功耗的r i s c 芯片。它由英国a r m 公司设计,世界上 几乎所有的主要半导体厂商都生产基于a r m 体系结构的通用芯片。目前a r m 芯片广泛应 用于无线产品、p d a 、g p s 、网络、消费电子产品及智能卡。 基于a r m 体系结构的处理器有多个系列:a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 e 、s e c u r c o 旭 以及i n c e l 的x s c a l e 和s t r o n g a r m 。而a r m 7 又可以分为以下四种类型:a r m 7 1 d m i 、 a r m 7 t d m i s 、a r m 7 e j - s 和a r m 7 2 0 t 。 2 2 a 蹦处理器特征 a r m 芯片具有r j s c 体系的一般特点,如: 1 具有大量的寄存器。 2 绝大多数操作在寄存器中进行,通过l o a d ,s t o r e 的体系结构在内存和寄存器之间传递数 据。 3 采用固定长度的指令格式。 另外,a r m 体系还采用一些特别的技术,在保证高性能的同时尽量减小芯片体积。减 低芯片的功耗。这些技术包括: 1 所有指令都可以条件执行,根据前面指令的执行结果决定是否执行。提高了指令执行的 效率。 2 在同条数据处理指令中包含算术逻辑处理单元处理和移位处理。 3 i 蒯 s t o f e 指令可以批量传输数据,从而提高数据传输的效率。 a r m 处理器具有1 6 位3 2 位双指令集,a r m 指令长度为3 2 位,1 札m b 指令长度为1 6 位,使用t h u m b 指令集可以得到密度更高的代码。指令执行时采用三级流水线。 a r m 体系采用单一的平板地址空间,该地址空间的大小为2 ”个8 位字节寻址方式 分为三种:按字节寻址( 8 位) ,按半字寻址( 1 6 位) ,按字寻址( 3 2 位) 。a r m 存储器有 两种存储格式:大端( b i g - e n d i ) 格式和小端( 1 i n l e - e n d i 鳓) 格式。 2 3 系统硬件结构 实验中所建立的平台旨在提供一个通用的硬件平台,它包含一些常用的硬件模块实际 应用中可以根据需要进行增减。系统中的嵌入式微处理器采用l p c 2 2 1 4 ,外部使用3 9 v f 3 2 0 ( n o rf l a s h ) 作为备用的程序存储器,s r a m 采用i s 6 1 l v 3 2 1 6 ,使用一片k 9 f 5 6 0 8 u o a ( n a n df l a s h ) 作为数据存储器,u s b 接口使用c h 3 7 5 。而网络接口则采用了c s 8 9 0 0 , 另外与外围接口系统配置了6 8 的键盘,8 位的l e d 和2 5 6 + 1 2 8 的【c d ,图2 1 是整个系 统的结构图: 9 东南大学硕士学位论文 图2 - l 系统硬件结构图 2 3 1 嵌入式微处理器l p c 2 2 1 4 本系统中使用的嵌入式微处理器是p h l l i p s 的l p c 2 2 1 4 ,它使用a r m 7 t 【) m i ,s 核心。 内部拥有1 6 k b 的s i 认m 和2 5 6 k b 的f l a s h ,可以利用片内的b o o “o a d e r 进行在系统编 程( i s p ) 和在应用编程( i a p ) 。外部端口包括两个串口,一个1 2 c 接口、两个s p i 接口和 四个可配置的外部存储器接口,每个外部存储器最大可达1 6 m b ,数据宽度可配置为8 位、 1 6 位或3 2 位 l p c 2 2 1 4 通过a r m 7l o c a lb t i s 和内部的s r a m 及f l a s h 通信,通过一条先进高性能 总线( a d v 锄c e dh i g l l p e r f o n n 卸c eb t l s ) 和中断控制器及外部的存储器控制器进行通信,其 他的系统功能模块通过集成电路外设总线( v l s ip 嘶p h e r a ib u s ) 与系统进行通信。 2 3 2 系统基础模块 2 3 2 1 电源模块 l p c 2 2 1 4 内核和i o 分别使用1 8 v 电压和3 3 v 电压,而系统电源又分为数字电源和模 拟电源,所以需要四路电源供电。由于本系统中没有使用l p c 2 2 1 4 的a d 功能。模拟电源 和数字电源就没有单独供电。外部利用开关电源提供5 v 电源,再通过低压差稳压器( l d o ) 分别提供1 8 v 电压和3 3 v 电压。l 【) o 芯片选用了s p x l l l 7 由于系统i o 口是3 3 v 电压, 以下各个模块在选择器件应该尽量选择3 3 v 的器件。 2 3 2 2 复位电路 为确保嵌入式系统稳定可靠地工作,复位电路是必不可少的一部分。复位电路的第一功 能是上电复位。由于嵌入式系统是时序数字电路,它需要稳定的时钟信号,因此在电源上电 时,只有v c c 超过规定的电压以及晶体振荡器稳定工作时,嵌入式系统才能正常工作。 1 0 第二章系统硬件平台 图2 - 2 系统复位电路 早期用分立元件构建复位电路,但存在着不够稳定,而且占用系统面积等缺点,现在大 多采用复位芯片作为系统的复位电路。本系统中使用了s p 8 0 9 ,作一般应用只需要一个复位 信号就足够了系统如果需要提供手动复位。可以选用s p 7 0 8 ,有些复位芯片还提供e e p r o m 存储器和看门狗电路,这可以降低系统成本和缩小产品体积,减少元件数量也有利于系统的 稳定性。 复位芯片的选择主要是选择合适的复位门槛,一般应当选择微控制器的i o 口供电电压 范围为标准。l p c 2 2 1 4 的供电电压范围为3 0 v 3 6 v ,所以选择复位门槛电压为2 9 3 v ,即 电源电压低于2 9 3 v 时产生复位信号。 2 3 2 3 晶振电路 l p c 2 2 】4 支持的晶振范围从l m h z 到3 0 m h z ,通过p l l 功能可使得系统频率达到 1 0 m h z 到6 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时所造成的高频噪声。 本系统中使用外部1 1 0 5 9 2 m h z 的晶振,电路如图2 3 所示。用1 1 0 5 9 2 瑚z 的原因是 使串口波特率更精确,同时能支持l p c 2 2 1 4 的内部p l l 及i s p 功能。 卿a e l x t a l 2 h 詹 一上o _ r g 1 ii ll 1 :西5 9 2 蛳“ i _ 芝o 2 0 图2 - 3 系统晶振电路 东南大学硕士学位论文 2 3 3 存储系统设计 l p c 2 2 1 4 拥有四个可配置的外部存储器接口,本系统中,分配情况 如下: 2 3 3 1n o rf l a s h c s 8 9 0 0 n a n d 、u s b 、l c d s r a m n o r f j 部山 图2 4 系统存储体映射图 b 捌1 k 3 b a f i k 2 b a n k l b m 脚 有的a r m 芯片并没有内部f l h 。那么程序存储器就是必须的了。u c 2 2 1 4 片上有 2 5 6 k b 的f l a s h ,完全可以不用n o r ,这里使用n o r 只是为系统扩展用,也为那些不带 有内部程序存储器的a r m 芯片提供一种构建系统的方法。 本系统中使用的n o rf l 器h 是s s t 3 9 v f 3 2 0 ,它的存储组织为2 m + 1 6 b i t ,具有扇区擦除 和块擦除的能力,可以锁存地址和数据。n o rf l 嬲h 采用标准总线与l p c 2 2 1 4 接口对它 的读写不需要任何特殊的代码,但需要在硬件上设定b o o t o 和b o o t l 。 当系统启动时,b 0 0 t d 和b o o t l 决定了系统的b o 。t r o o m ,b o r o 和b 0 0 t 1 的 设定情况如表2 1 : b o o t lb o o t ob o o tr 0 0 m 0 0 b a f l k o 上的8 位存储器 0 l b a l i k o 上的1 6 位存储器 1 0 b a l l k o 上的3 2 位存储器 1 1 内部f l h 表2 1b o o t r o o m 设定 一一k d 1 。一r d 2 6 r 一 - _- n f ljlf i l 薪l | d 2 7 1 1 1 1 n rj n: i q ii 一了p l u 严号2 峄 图2 s 系统b 0 0 t r o m 设定原理图 1 2 第二章系统硬件平台 为了兼容系统从内部f i a s t l 或外部的s s t 3 9 v f 3 2 0 启动,设计时将b o o t l 通过一个开 关连接到地,这样当接通开关时,系统从n o rf j h 启动,开关断开时,系统从内部的f l 雒h 启动。s s t 3 9 v f 3 2 0 和l p c 2 2 1 4 的接口电路如图2 - 6 所示: 一0 2 s 牛一 删l ttt _ 丁 r 1 f t d 重3 1 d q oa 0 2 箩一狐f 莎 d z 33 d q l a 1 2 4 2 d 33 5 d q 2a 2 2 3 :a 3 d 4 【 3 8 : d q 3a 3 2 2i a 4 l d 5 4 0 d q 4a 4 2 la 5 沙 d 64 2 d q 5 a 5 2 0a 矗j d 7 4 4 d q 6a 6 1 9 ;a 7 沙 d 83 0 d q 7 a 7 1 8a 8l d 9 3 2 d q 8a 8 8 ;a 9l d 1 03 4 d q 9a 9 7 a 1 0 ; d 1 136+ d q l o a 1 0 ,6a 1 1i d 1 23 9 d q l l a 1 l ;5a j 2 d 1 3 4 1 d q l 2 a 1 2 4a 1 31 d 1 4 4 3 d q l 3a 1 3 :3 。a 】4 ; d 1 545 d q l 4 a 1 4 z 1 0 d q l 5 a 1 5 la 1 61 w e + 1 羞一下一 1 7 2 8 1 7 1 8i 2 6 】8 1 9 工9 a j r 4 茜一r a 2i r c c f s f 3 2 0 s t 3 9 v f 3 2 0 与l p c 2 2 1 4 接口电路 9 v f 3 2 0 的数据总线是1 6 位的,而l p c 2 2 1 4 是按字节寻址的,所以要将l p c 2 2 1 4 的地线“左移”l位,即用lpc2214的a1a2l和sst39vf320的ao_a20相连。 ssvf320的片选和ncso相连,是为了适应系统用它做bootroom而设计的。 232n a nf 1 a h 统中数据存储一般不使用硬盘,因为硬盘功耗大、对环境要求高( 不能震动) , 价格且体积大。嵌入式系统中一般都使用n a n df l 硒来完成数据存储。n a n df l a h具有特点: 单位进行读和编程操作,k 9 f 5 6 0 8 u 0 a 每页为5 1 2 + 1 6 b v 蕾e : 为单位进行擦除操作,k 9 f 5 6 0 3 u o a 每块大小为1 6 k 十5 1 2 b y 赋 尺寸小,引脚少,是位成本最低的固态存储器: 中有坏块,需要用冗余块替代坏块。 f l a h 分为页和块的结构特点类似于硬盘的扇区和簇的概念。所以在构建f a t l 6 文件时比较方便。nandf l a h 没有地址总线,通过c l e 和a l e 这两个信号来区分总 线上据类别。nand f l 硒的接口本质上是一个i o 接口,系统对n a n df i 雒设备数据 访问需要先向nand发出相应的命令和参数,然后执行相应的操作。k9f5608uoa和 l p 2 1 4 的接口电路如图2 7 所示:1 3 东南大学硕士学位论文 图2 - 7 k 9 f 5 6 0 8 和l p c 2 2 1 4 接口电路 系统将n a n df l a s h 映射到l p c 2 2 1 4 的b 锄k 2 中,同时为了软件操作的方便,用地址 线a l 、a 2 分别来控制n a n d 的c l e 和a l e 信号。这样向n a n d 写入命令的地址映射为 o x 8 2 0 0 0 0 0 2 ,向n a n d 写入地址的地址为映射为o x 8 2 0 0 0 0 0 4 ,n a n d 和l p c 2 2 1 4 进行数 据读写的地址映射为o ) 【8 2 0 0 0 0 0 0 。由于系统在b a n k 2 中挂接了多个器件,片选不能直接 用n c s 2 ,而是通过i o 口配合n c s 2 来控制挂接在b a n k 2 中的器件。 l p c 2 2 1 4 根据p 0 5 口来判断n a n d 的操作状态。设计时p o 5 口用一个l o k 电阻上拉, 这样确保n a n d 在没有操作时,n a n d 的操作状态是准备好的状态。,、p 实现写保护的功 能,一般可以不用,程序中可以直接设置为高电平,即没有写保护。 2 3 3 3s i t a m s r a m 是静态存储器,具有极高的读写速度,在嵌入式系统中常用来作变量或数据的 缓冲,或者将程序复制到s r a m 上运行,以提高系统的性能。不过s r a m 属于易失性存储 器,电源掉电后s r a m 中的数据将会丢失,所以不可能直接使用s r a m 引导程序运行 嵌入式系统中由于嵌入式微处理器自带的s r a m 都较小,大多数应用都需要扩展 s r a m ,在本系统中,使用了n a n d f l a s h 用作数据存储器,在对n 筒q d f l 笛h 中已有数据 的空间进行编程时首先要进行块的擦除,而为了保存该块中不需要编程空问中的内容,要将 该块先用r a m 进行缓存。k 9 f 5 6 0 8 u o a 每块的大小为1 6 k ,这就必然要求一个1 6 k 的缓冲 区,而l p c 2 2 1 4 内置s r a m 的大小为1 6 k 。n a n df i 雒h 所需的缓冲区加上系统所需的堆 栈以及运行操作系统所需的r a m 必然会大于1 6 k ,这就要求系统进行s r a m 的扩展。 本系统中选用的s r a m 是i s s i 的l s 6 l 【j v 3 2 1 6 ,它的存储组织为3 2 ”1 6 b i t 对它的操 作是纯静态的,无需时钟和刷新。i s 6 1 l v 6 4 1 6 采用标准接口和l p c 2 2 1 4 接口,所以系统扩 1 4 第二章系统硬件平台 展十分方便,由于i s 6 1 l v 3 2 1 6 也是1 6 位的数据总线,l p c 2 2 1 4 在和它接口时也要将地址 总线“左移”l 位。另外i s 6 1 l v 3 2 1 6 提供了n u b 和n l b ,使得系统可以单独访问它的高低 字节。l s 6 l l ,v 3 2 1 6 与l p c 2 2 1 4 的接口电路如图2 - s 所示: 忑4 - u 5 lj 旧斗一u d 0 一0 触 4 3 a o i ,o o 灿i4 2 : a 1u o l 8d 1 a 42 7 : a 2i ,0 2 9d 2 添 2 6 i ,0 3 10d 3 _ a 6 | 2 5 a 40 4 l1 3l d 4 : a z 2 4 a 5i ,0 5 1 4d 5 : a 82 1 a 6u 0 6 1 5d 6 a 920 a 7i ,0 7 1 6 ; d 7 a 1 0 ;1 9 f l 暑f 0 8 2 9 d 8 a 1 1 1 8l a9】y09 30d 9 a 1 2l5 ; 舡oz ,0 1 0 ;3 1d 1 0 : a 1 3 4 a 1 1i ,0 1 1 32d 1 1 : m 4 3 a 1 2i ,0 1 2 35d 1 2 ; a 1 62 a13工,013 36d 1 3 a 1 6;1 a 1 4v 0 1 4 3 7fd 1 4 j3 8d 1 5 d s l 一毫十一 1 5 i ,0 1 5 n o e ;4 1 c ev c c l1 l 。 l v 毒3 ; n w e17 o ev c c 3 3 一 一专飞 n b l s 0 3 9 v 旧 1 2 一1 二+ n b l s l 4 d l ba n d 3 4 l 【 i u ba 圣 li lllll s 6 1 i 硼4 l 忐;lll ll llli f i ;ll lill 图2 gi s 6 1 l v 6 4 1 6 与l p c 2 2 1 4 的接口电路 选用1 6 位的s r a m ,是因为这样可以提高系统数据处理的效率,而之所以没有选用3 2 位的器件,是因为考虑到系统扩展的需要,保留部分外围器件所需的i o 口。选择“k 字节 容量的s r a m ,是因为市面上 6 位的s r a m 中容量最小的就是6 4 k 字节的容量,两它也 已经能满足本系统的应用要求。 这里器件选择时,都要考虑的一点是数据总线位数的选择,至于容量的确定要根据具体 的应用进行分析。这里设计时有一个小的技巧,有些相同系列的器件引脚是一致的,可以按 照其中容量最大的器件设计,在使用其他容量的器件时无需更改p c b ,可以直接更换器件- 并在软件访问时根据相戍的容量进行访问。当然在设计前要仔细阅读器件文档,确定引脚的 一致性如果引脚不一致,那么在后期将无法进行器件的更换。 2 3 4 系统输入输出 嵌入式系统一般都会提供与用户进行信息交互的接口,一个输入接口用来向系统输入信 息,通常会是矩阵式键盘、通用键盘或者触摸屏,一个输出接口用来向用户提供系统信息。 通常是l c d 或者l e d ,由于l e d 能够提供的信息有限,一般的嵌入式系统都使用l c d , 当然在配置了l c d 的基础上也有不少系统另外提供了l e d 。在本系统中就是这样。 2 3 4 1 矩阵式键盘 矩阵式键盘使用最为简单,而且也是一般系统输入接口的典型,本系统中采用了一个 8 6 的矩阵式键盘。在键盘设计时考虑到本系统中还使用了l e d 。而h d 叮2 7 9 a 是一款专用 的智能键盘和l e d 的控制芯片,可以用单片来控制矩阵式键盘和l e d ,同时它和系统之间 东南大学硕士学位论文 采用串行接口,占用口线少,非常适合在本系统中应用。 2 3 4 2l c d l c d 作为与用户交互信息的“窗口”,在很多嵌入式系统中都可以见到它的身影。嵌入 式系统中使用的l c d 可以简单地分为字符型l c d 和图形点阵式l c d 。图形点阵式l c d 一 般是s t n 或是1 1 可型的l c d ,这类l c d 构造比较复杂,楣应参数也比较多,它们大多用 于有图形显示要求的场合,简单的应用可以选择字符型l c d ,本系统中就选择了一款字符 型l c d ,它是由深圳耀宇科技有限公司生产的,分辨率为2 4 0 + 1 2 s 。该l c d 内部集成有 t 6 9 6 3 c 的控制器,而对外则提供了常用的几个信号,我们在使用时,只要将l c d 提供的那 些对外的接口线连接好就可以了。 该l c d 采用8 位数据总线接口与微控制器连接,内部集成了d c ,d c 电路,使用时只 要提供单5 v 电源,该l c d 和l p c 2 2 1 4 的接口电路如图2 - 9 所示: l h h | q 甲!l ll c d l | b d i i i蝴p : 剜撇 l ; iill f g l l “ ; i 丘 镪 一h 一悻“! ,。 腽牟4 1 孽上 f s 4 一 + i i 肆i 女 耋参l | q 4 一】廿r 缸l b 卜 i j j 一 o u t 一 1 7 0i 一 、 d o 可?啦1 1 d d ld 1 5j a d b l ld 24 3 2 d b 2 ! d a2l 1 3 d d 4 8l 1 耳 d 斟 门d 5 :s ;j 5 d 船 刀d 6l | 3 矗 d 筋 id 7 :2 l 牙 嘲 3 r 0 9 4 7 0 巷 # mr 4 0 4 7 0 匹 w r i!lml 珥l , ,up 勋 l ; l 曲盘ll lp c e jil ; lfl ll i 图2 9 l c d 与u ,c 2 2 1 4 接口电路 l f c 2 2 1 4 的片外存储器只有4 个b a n k ,而我们扩展的n o rf l 嬲h 和s r a m 分别占用 了b a n i ( o 和b a n k l ,其他外围器件只能映射到另外的2 个b a n k ,这时外围器件的片选 如果用n c s 2 或n c s 3 直接片选,那么要求其他控制信号能进行地址的映射,并且不能将所 对应的地址位全部占用,否则其他器件就无法映射到该b a n k 了。比如这里的l c d ,如果 系统设计时直接用n c s 2 作片选,而地址线a 3 控制c d ,那么当a 3 为高电平时,控制l c d 的命令操作,当a 3 为低电平时,控制l c d 的数据操作,这样当选择其他映射在b a n k 2 中的器件时,无论a 3 的电平是离电平还是低电平,都将对l c d 进行操作。所以这时不能 用n c s 2 直接用作l c d 的片选,可以用其他的地址线配合n c s 2 作片选,系统设计时保留了 部分l o 口配合f l c s 2 片选映射到b a n l q 中的器件,同时为了减少逻辑器件的使用,使用 了一片g a l 来完成逻辑功能,这样系统的可靠性得到提高,逻辑上更加清晰,而且更符合 模块化设计的思想。 系统设计时采用的g a l 芯片是g a l l 6 v 8 。它最多可包含1 6 个输入和s 个输出,g a l 器件在使用时,先生成j e d 文件,然后用g a l 编程器件将厄d 文件下载到g a l 芯片中就 1 6 第二章系统硬件平台 可以了。其中j e d 文件的生成是这样的:在p r o t e l 中编写p l d 文件,然后编译生成j e d 文件。本系统中g a l 的输出包含:l c d 的片选l c d c s 、n a n d 的片选n a n d c s 。事实上 一片g a l l 6 、,8 最多有s 路输出,这也意味着系统最多可以通过g a l 扩展8 路器件,应该 说系统的扩展性还是非常强的。 l c d 的片选由g a l 的输出信号l c d c s 控制,c ,d 由系统地址线a 3 控制。它的数据 操作地址为o x 8 2 0 0 0 0 0 6 ,命令操作地址为o ) ( s 2 0 0 0 0 0 b 2 3 4 3l e d 在有的嵌入式系统中还使用l e d 与用户进行信息的交互,l e d 的控制可以使用分立器 件,也可以使用控制芯片。前面提到本系统中采用了h d 口2 7 9 a 来控制l e d 。h d 7 2 7 9 采用 串行接口和系统连接,它和系统的连接只有四根信号线:片选、时钟、数据以及按键输出标 志。图2 1 0 显示了h d 7 2 7 9 和l p c 2 2 1 4 的接口电路 图2 1 0h d 7 2 7 9 与l p c 2 2 1 4 的接口电路 在使用h d 7 2 7 9 时需要注意,h d 7 2 7 9 需要一外拉的r c 振荡电路以供系统工作,它的 器件手册上有典型值,在设计电路时直接用其典型值就可以了。在p c b 布扳时,应该使得 振荡电路的元件尽量靠近h d 7 2 7 9 ,电路的连线也要尽量短一点。 2 3 5 数据传输接口 2 3 5 1 传统数据传输接口 早期的嵌入式系统中与外界进行数据通讯时,一般都使用串口或者并口。嵌入式微处理 器大多都自带至两个串口,所以嵌入式系统中串口使用最多,l p c 2 2 1 4 拥有两个u a r t , 本系统无需进行扩展,只需要通过两片s p 3 2 3 2 进行电平转换,就可以通过这

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