（计算机应用技术专业论文）基于arm9的视频终端的研究与设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 近年来，随着嵌入式系统、网络以及图像处理等技术的飞速发展，嵌入 式网络与视频相结合的数据通信手段成为一个发展热点，它可以充分利用现 有网络资源，方便地接入到1 伽l o 嘣以太网中，从而部分取代早期采用的 c a n 总线、r s 一2 3 2 或r s - 4 8 5 总线组网方式。目前，以太网的覆盖范围越来越 广，以太网用户越来越多，网络视频以其直观、方便、信息内容丰富的特点 广泛应用于多种场合。 选择在a r m 处理器移植支持网络的嵌入式操作系统是视频终端的一种典 型解决方案。 本论文研究和设计了一种基于a t 9 1 r m 9 2 0 0 芯片和嵌入式l i n u x 的视频终 端系统，包括系统硬件板的设计、u - b o o t 的编译与移植，k i n u x 操作系统的 移植等软件开发。该系统可以满足用户对远程设备控制和简单信息读取的需 要。 论文首先进行了系统的硬件系统设计。硬件系统主要由两部分组成，首 要部分是a t 9 1 1 w 9 2 0 0 及其存储器部分，包括必要的辅助电路。存储器部分包 括6 4 m bs d r a m 、8 鹏的f l a s h 和2 m b 的d a t a f l a s h 。s d r a m 作为操作系统内核 及应用程序运行的空间，f l a s h 用作存储引导程序( b o o t r o m ) 、l i n u x 操作系 统映像和应用程序等。其他部分是外围接口电路，包括串口电路、m c i 接口 电路、u s b 接口电路、以太网数据交换电路、j t a g 接口电路、音频和显示接 口电路等。 论文还研究了a t 9 l 跚9 2 0 0 的启动过程和l i n u x 内核，并移植了u - b o o t 和l i n u x 操作系统，建立了q t e m b e d d e d 交叉开发平台，移植了m p l a y e r 。 关键字a r m | l i n u x ：a t 9 1 r m 9 2 0 0 ；q t e m b e d d e d 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a l o n gw i t he m b e d d e ds y s t e m , n e t w o r ka sw e l la sp i c t u r e p r o c e s s i n gr a p i dd e v e l o p m e n t ，e m b e d d e dn e t w o r k c o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dt h e v i d e ou n i f i e dt ob e c o m ead e v e l o p m e n th o ts p o t i tm a yf u l l yu s et h ee x i s t i n g n e t w o r kr e s o r l c o $ ，c o n v e n i e n t l yt u r n so ni nt h e1 0 m 1 0 0 me t h e m e t ，t h u sp a r t i a l l y s u b s t i t u t e sf o rt h ec a nm a i nl i n e r s 2 3 2o rt h er s - 4 8 5 m a i ni i n en e t w o r kw a y w h i c ht h ee a r l yt i m eu s e s a tp r e s e n t , e t h e m e tc o v e rs c o p em o r ea n dm o r er a n g e , e t h e r n e tu s e rm o r ea n dm o r ef r e q u e n t l y , t h en e t w o r kv i d e ob yi t sd i r e c t - v i e w i n g ， i sc o n v e n i e n t , t h ei n f o r m a t i o nc o n t e n tr i c hc h a r a c t e r i s t i cw i d e l ya p p l i e st ot h e m a n yk i n d so f s i t u a t i o n s t h ec h o i c eo ft r a n s p l a n t si nt h ea r mp r o c e s s o re m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mi s t h en e t w o r kv i d e oo n ek i n do fm o d e ls o l u t i o n t i i i st h e s i ss t u d i c da n dh a sd e s i g n e do n el ( i n dn e t w o r kv e d i ot e r m i n a t ew i t h e m b e d d e dl i n u xb a s e do nt h ea = r 9 1 r m 9 2 0 0c h i p i n c l u d i n gs y s t e mh a r d w a r e b o a r dc l e s i g n , u b o o tc o m p i l ea n dt r a n s p l a n t , l i n u xo p e r a t i n gs y s t e ms o f t , r a r e d e v e l o p m e n ta n ds oo nt r a n s p l a n t t h i ss y s t e mm a ys a t i s f yt h eu s e rt h en e e d w h i c hr e a d st ot h er e m o t ed e v i c ec o n t r o la n dt h es i m p l ei n f o r m a t i o nt a k e s 1 1 1 ep a p e rf i r s ti n t r o d u c e dt h es y s t e mh a r d w a r es y s t e md e s i g n 1 1 1 eh a r d w a r e s y s t e mm a i n l yi sc o m p o s e db yt w op a r t s ，m o s ti m p o r t a n tp a r t i a li sa t 9 1 r m 9 2 0 0 a n di t sm e m o r yp a r t , i n c l u d i n gt h ee s s e n t i a la u x i l i a r yc i r c u i t m e m o r yp a r tc o n c h 6 4 m bs d r a m 、8 m bf l a s ha n d2 m bd a t a f l a s h s d r a mt o o kt h eo p e r a t i n g s y s t e me s s e n c ea n dt h ea p p l i c a t i o np r o c e d u r em o v e m e n ts p a c e ，f l a s hs e r v e sa st h e m e m o r yv e c t o r i n gp r o c e d u r e ( b o o t r o m ) ，l i n u xd o c u m e n t sa n ds oo no p e r a t i n g s y s t e mi m a g ea n da p p l i c a 埴o np r o c e d u r e 1 1 1 eo t h e rp a r t s a r e t h ep e r i p h e r y i n t e r f a c ee l e c t r i cc i r c u i t s ，i n c l u d i n gs e r i a lp o n se l e c t r i cc i r c u i t ，m c ic i r c u i t ，u s b i n t e r f a c ec i r c u i t ，e t h e m e td a t ae x c h a n g ec i r c u i t , j t a gc i r c u i t , a u d i oi n t e r f a c e c i r c u i t ：v e d i oi n t e r f a c oc i r c u i ta n ds oo n n 坨p a p e rh a sa l s os t u d i e dt h ea ：r 9 l r m 9 2 0 0b o o tp r o c e s sa n dt h el i n u x k e r n e l ，t r a n s p l a n t e du - b o o ta n d t h e l i n u xo p e r a t i n gs y s t e m ，b u i l tt h e q t e m b e d d e dc r o s s i n gd e v e l o p m e n tp l a t f o r m 。t r a n s p l a n t e dm p l a y e r k e y w o r d s ：a r m , l i n u x , a t 9 1 r m 9 2 0 0 ，q t e m b e d d e d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 嵌入式视频终端系统的研究背景 1 1 1 嵌入式系统的广泛应用及嵌入式技术的发展 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， 适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算 机系统。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。 嵌入式技术的发展大致经历了四个阶段，第一阶段是以单芯片为核心的 可编程控制器系统：第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核 心的嵌入式系统；第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统；第四 阶段是以i n t e r n e t 为标志的嵌入式系统。在嵌入式系统中，处理器是系统 的核心。 嵌入式系统的商品化操作系统在7 0 年代后期才出现，许多是用汇编语言 写成的，并且只能用于特定的处理器，更换新处理器，它的操作系统就必须更 新以适应新的系统。当c 语言出现时，操作系统编写的效率、稳定性、可移 植性都有了很大的提高。这一点在管理上立刻表现出来，它为微处理器被淘 汰时保护软件投资带来了希望。对于市场来说这是一个好消息。用c 语言写 成的操作系统今天越来越普遍。一般来说，可重复使用的软件已经占了主导 地位并越做越好。 目前，嵌入式设备几乎涉及到了生活的角角落落，包括电子玩具m p 3 、 m p 4 、s o h o 路由器、p d a 、手机、机顶盒、汽车电子、电磁炉、数码相机等。 这些嵌入式应用以独立应用为主，不需要建立控制器网络。但一些嵌入式应 用，如各种i c 卡收费系统、r s 2 3 2 或r s 4 8 5 总线组网，需要单独布线。不能 利用现有以太网网络资源。 1 1 2 嵌入式系统的特点 嵌入式系统最本质的特点有三个：嵌入性、专用性和计算机体系。嵌入 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 式系统的特点可总结为以下5 点：”1 1 ) 、嵌入式系统是面向特定应用的：在嵌入式领域罩，有集成了众多通 信接口的通信处理器、有集成了音视频接口用于摄影摄像的专用处理器、有 低功耗的手机处理器。几乎每一特定功能，都会有特别的嵌入式处理器与之 对应，而不象p c 领域上只有a 岫和i n t e l 两大品牌( 以前还有c y c r i x ) 。 2 ) 、嵌入式系统的软件相对固定：因为嵌入式的专用性，所以嵌入式系统 中使用的软件常常都是针对特定系统的特定功能而专门开发的。 3 ) 、嵌入式系统的实时性：虽然并不是所有的嵌入式系统都具有实时性， 也不是所有的嵌入式系统都应该具有实时性，但是，许多嵌入式系统尤其是 工业领域的嵌入式系统对实时性有着严格的要求。 4 ) 、嵌入式系统的特殊要求：嵌入式系统因为被应用到不同的领域，对 嵌入式系统的特殊要求也有所不同。如：手持设备的嵌入式系统要求系统中 所有芯片功耗必须足够低；用于汽车的嵌入式系统要求系统中所有芯片在低 温( 一4 0 ，甚至更低) 环境中能正常工作；用于工业的嵌入式系统可能会要求 在电磁噪声非常恶劣的条件下能正常工作，而用在导弹和卫星上的则要求更 加苛刻。 5 ) 、嵌入式系统的“嵌入式性”：很多嵌入式系统用户截面不够友好，甚 至没有。这是因为某些嵌入式系统不需要和用户进行数据交互就能完成相关 任务。 1 1 3 嵌入式设备的联网技术 随着现场总线技术的发展，尤其是工业以太网的同渐兴起，嵌入式设备 能够直接上网并接受控制成为技术发展的一种必然趋势，加上以太网的广泛 覆盖和接入点的不断增长，利用以太网网络资源实施远程监控也成为可能。 目前实现嵌入式控制设备联网的方案有啪： ( 1 ) 将一个小的w e b 服务器作为r t o s ( 嵌入式实时多任务操作系统) 的一 部分，使现场设备具有w e b 功能。 ( 2 ) 采用高速微处理器，如d s p 等，在单片机系统上实现w e b 功能。 ( 3 ) 片上系统s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 是当前电子技术发展热点，也是嵌入 式系统发展的一种最新形式。 1 1 4 嵌入式视频终端国内外现状 具有网络接口的视频终端可以应用在远程监控、远程数据采集等。远程 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 监控是国内外研究的前沿课题，国内外都展开了积极的研究。斯坦福大学和 麻省理工学院合作开发基于i n t e r n e t 的下一代远程监控诊断示范系统，这个 系统得到了制造业、计算机业和仪器仪表业的s u n 、h p 、b o e i n g 、i n t e l 、f o r d 等1 2 家大公司的热情支持和通力配合，最后这些公司共同推出了一个实验性 的系统t e s t b e d 。t e s t b e d 用嵌入式w e b 组网、用实时j a v a 和b a y e s i a nn e t 初步形成在i n t e r n e t 范围内的信息监控和诊断推理。 许多大公司也在他们的产品中加入了i n t e r n e t 的功能，如b e n t l e y 公司 的计算机在线设备运行监测系统d a t a l a n a g e r 2 0 0 ，可以通过网络动态数据交 换( n e t 叻e ) 的方式向远程终端发送设备运行状态信息； n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司也在它的产品l a b w i n d o w s c v l 以及l a b v i e w 中 加入了网络通讯处理模块，因而可以通过_ i r 啊、f t p 、e m a i l 方式在网络范围 内进行监控数据的传送“1 。 目前国内嵌入式和视频相关的研究正处于快速成长期。虽然目前市场上 也有不少产品，如网络摄像机，网络视频服务器，d v r 等，适合于较大的企 业和学校等单位使用，但能够以较低的成本和较低的功耗走入千家万户还需 要很长的时间，用户对嵌入式产品的网络化的要求还处于初级阶段，用户需 求不够迫切。 1 2 嵌入式视频终端研究的意义 随着互联网的大面积覆盖，视频终端已经渗透到教育、政府、娱乐场所、 医院、酒店、运动场馆、城市治安、家庭等多种领域。带有网络视频终端已 经显示出它独有的优势： 凡是有网络的地方就能构建，从而节省了布线、线路维护费用。 可直接通过i n t e r n e t i n t r a n e t ( 企业内部网) 进行网络通信、数据交 换，实现远程组态、参数修改等。， 减少了诸如网关、代理服务器等中间环节，降低了安装的难度。 对于使用者来说，网络监控还不受时空的限制。 现场设备通信速率和通信信道的利用率大大提高。 1 3 系统设计的目标及主要工作 本论文的研究目标： 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 研究设计并制作a t 9 1 r m 9 2 0 0 硬件系统，这是研究的基础，在系统的研究 中有着很重要的地位：在成功调试硬件系统的基础上，移植u - b o o t 和嵌入式 l i n u x ，建立q t e m b e d d e d 交叉编译环境，移植应用程序。 系统设计中的主要工作： 1 3 1 硬件方面 独立完成a t 9 1 r m 9 2 0 0 系统的硬件原理设计( 包括以太网接口，串口， 1 2 c 接口、串口d a t a f l a s h 、s d 卡接口、音频、视频接口) 。 完成扩展硬件模块的设计与调试。 实现硬件的p c b 板设计，独立完成电路布线设计，元件焊接，硬件 板的各接口的调试。 1 3 2 软件方面 在分析a t 9 1 舳2 0 0 启动的基础上，移植u - b o o t 。 在对l i n u x 系统内核实时调度进行分析的基础上，完成了嵌入式 l i n u x 操作系统的内核裁剪和移植，并完成了初始盘与l i n u x 内核的 整合。 完成了o t e m b e d d e d 的交叉编译环境的建立。 完成了m p l a y e r 在a r m 9 上的移植。 1 3 3 论文内容简介 整个论文分为6 章，分别介绍如下： 第l 章绪论，论述本文的研究背景、意义、及毕业论文的工作和目标。 第2 章系统硬件设计和调试，阐述系统的各硬件电路模块的设计，并进 行了分析与测试，提供了测试信息。 第3 章u - b o o t 移植，在分析了a t 9 1 r m 9 2 0 0 的启动机制的基础上移植了 u - b o o t ，并提供了测试信息。 第4 章l i n u x 的移植，在比较了几种嵌入式操作系统后，对所选用的 l i n u x 作了较详细的介绍和分析，完成了l i n u x 的内核配置和i n i t r d 盘的制 作、内核和i n i t r d 盘的整合，并给出了整合后的内核在目标板上的运行信息。 第5 章应用程序的移植嵌，主要介绍了o t e m b e d d e d 交叉开发环境的建 立和m p l a y e r 在a r h 9 上的移植。 第6 章全文总结，介绍设计中的未尽事宜，并介绍未来工作的研究方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章系统硬件设计和调试 2 1 主控芯片的选择 应用系统的设计。一是尽最大可能满足系统的需求，二要考虑到应用系 统的性能和成本。系统关键不在于如何确定这个系统的结构组成，而在于如 何高效快速地实现各个功能模块：对用户来说不仅能满足需求还要有较高的 性价比，对开发商来说要有竞争力就必须开发周期短、上市快、成本低。具 体到某个设计，需要根据用户需求选择各个功能模块的最佳核心芯片、系统 的最佳存储方式和最佳控制方式，尤其是主控芯片和重要外设芯片的选择。 这是设计阶段要走的第一步，也是最重要的一步。如果这一步没走好，那么 很可能导致后面的工作特别麻烦。为了提高主控芯片与外围芯片的接口性能， 最好选用与主控芯片同一生产厂家的外围芯片l 州。 本系统中的主控芯片通常需要具备以下几个基本条件： 高速处理能力 高速数据通道 网络接口 专用的或可直接外接的音视频接口 为满足以上条件，系统采用了a t m e l 公司生产的a r m 9 芯片 a t 9 1 r m 9 2 0 0 。该芯片具有以下特性o 】： 融合了a r m 9 2 0 ta r mt h u m b 处理器 一工作于1 8 0 删z 时性能高达2 0 0m i p s ，存储器管理单元 一1 6 - k 字节的数据缓存，1 6 - k 字节的指令缓存，写缓冲器 一含有调试信道的内部仿真器 一中等规模的嵌入式宏单元结构( 仅针对2 5 6b g a 封装) 低功耗：v d d c o r e 电流为3 0 4i i l a 待机模式电流为3 1i l l a 附加的嵌入式存储器 一s r a m 为1 6 k ；r o m 为1 2 8 k 外部总线接口( e b i ) 一支持s 豫枷，静态存储器，b u r s tf l a s h ，无缝连接的c o m p a c t f l a s h 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 s m a r t m e d i a 及n a n df l a s h 提高性能而使用的系统外设： 一增强的时钟发生器与电源管理控制器 一两个有双p l l 的片上振荡器 一低速的时钟操作模式与软件功耗优化能力 一四个可编程的外部时钟信号 一包括周期性中断、看门狗及第二计数器的系统定时器 一有报警中断的实时时钟 一调试单元、两线u a r t 并支持调试信道 一有8 个优先级的高级中断控制器，独立的可屏蔽中断源，伪中断保 护 一7 个外部中断源及1 个快速中断源 一有1 2 2 个可编程i o 口线的四个3 2 位p i o 控制器，各线均有输入 变化中断及开漏能 一2 0 通道的外设数据控制器( d 姒) 1 0 1 0 0b a s e - t 型以太网卡接口 一独立的媒体接口( m i i ) 或简化的独立媒体接口( 跚i i ) 一对于接收与发送有集成的2 8 字节f i f o 及专用的d i i a 通道 u s b2 0 全速( 1 2 哺比特秒) 主机双端口 一双片上收发器( 2 0 8 引脚p q f p 封装中仅为一个) 一集成的f i f o 及专用的d m a 通道 u s b2 0 全速( 1 2m 比特秒) 器件端口 一片上收发器，2 一k 字节可配置的集成f i f o 多媒体卡接口( m c i ) 一自动协议控制及快速自动数据传输 一与m m c 及s d 存储器卡兼容，支持两个s d 存储器 3 个同步串行控制器( s s c ) 一每个接收器与发送器有独立的时钟及帧同步信号 一支持1 2 s 模拟接口，时分复用 一3 2 比特的高速数据流传输能力 4 个通用同步异步接收发送器( u s a r t ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 一支持i s 0 7 8 1 6t o t 1 智能卡 一硬软件握手 一支持r s 4 8 5 及高达1 1 5k b p s 的i r d a 总线 一u s a r t l 为全调制解调控制线 主机从机串行外设接口( s p i ) 一8 1 6 位可编程数据长度，可连接4 个外设 两个3 通道1 6 位定时计数器( t c ) 一3 个外部时钟输入，每条通道有2 个多功能i o 引脚 一双p w m 产生器，捕获波形模式，上加下减计数能力 两线接口( t 1 r i ) 一主机模式支持，所有两线a t m e le e p r o m 支持 所有数字引脚的i e e e1 1 4 9 1j t 6 边界扫描 2 2 系统的结构与原理 本设计的系统是基于a t 9 1 r m 9 2 0 0 的网络终端系统，具有多个扩展接口， 可以根据实际需求和使用环境灵活地选用适合的接口进行操作，综合起来本 系统具有以下一些外围接口： 图2 - l 系统结构框图 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1 ) 、1 个i o i o o m 以太网口 2 ) 、2 个串口 3 ) 、u s bh o s t 接口 4 ) 、u s bd e v i c e 接口 5 ) 、d a t a f l a s h m l c 接口 6 ) d a c 3 5 5 0 a 音频输出接口 7 ) e p s o ns l d l 3 8 0 6 显示接口 其系统结构框图如图2 - 1 所示。 2 3 最小系统设计 为了避免模块问的相互干扰，尽可能地减少返工带来的工作量，同时也 为了保证系统设计的可靠性，本设计采取由简单到复杂的设计思路对整个系 统进行硬件上的设计。首先完成最小系统的设计，然后根据图2 1 的系统结 构图，按照从简单到复杂的顺序实现对外部设备接口的设计。 最小系统是指包括主控a r m 9 芯片在内的能使系统正常工作的最简电 路，具体由电源电路模块、复位电路模块、s d r a m f l 鼬h 存储器电路模块、 j t a g i c e 仿真模块块这几部分组成，而不包含其他外围设备电路。 2 3 1 电源电路设计 在本系统的绝大多数芯片使用3 3 v 电源，如a r 9 1 r m 9 2 0 0 ，d m 9 1 6 1 e ， h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 等，但有部分电路用到5 0 v ( u s b 部分和显示接口部分) 和 1 8 v ( a t 9 1 r m 9 2 0 0 核电压) 。本设计中采用6 v 9 v 的直流电源输入，由电源 转换器s c l l l 7 - 5 产生5 o v 的稳定电压输出，再由b m l l l 7 3 3 稳压管得到 3 3 v 的稳定电压输出，c x i l l 7 1 8 稳压管得到1 8 v 的稳定电压输出。一个 电源指示灯和3 个发光二极管分别表示电压输入正常、5 o v 电压、3 3 v 电压、 1 8 v 电压正常。一个大电容l o o u f 和一个小电容1 0 4 ( 0 1 u f ) 并联起来使用， 大电容抑制低频干扰，小电容抑制高频干扰，以得到较稳定的线性电压输出， 分别表示输入电压如图2 - 2 ( 图中设计芯片为l m i l 7 ，实际使用的为前所述) 所 示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图2 - 2 系统电源模块电路原理图 2 3 2 复位电路设计 a t 9 1 r m 9 2 0 0 有两个独立的复位输入线：n r s t 与n t r s t ，它们均为 低电平有效，在a t 9 l r m 9 2 0 0 0 异步复位逻辑。在正常操作期间，n r s t 有 效须保持一个最小的延迟时间以保证工作正确，见表2 - 1 与图2 3 。与n r s t 信号一样，在激活时必须有一个最小延迟时间。可见a t 9 1 r m 9 2 0 0 复位时间 要求比较长，故用专用芯片i m p 8 1 l 【7 】来实现，其电路图如图2 _ 4 。 表2 1 最小复位脉冲宽度 l 符号 参数最小脉宽单位 i i r s t l n r s t 最小脉宽 9 2i is i 图2 - 3 n r s t 裁决 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 图2 - 4 夏位电路 2 3 3f l a s h 存储器a t 4 9 b v 6 4 1 6 接口电路设计 f l a s h 是一种可以通过指令序列在系统可编程的( i n s y s t e m p r o g r a m a b l e ) 存储器，掉电后信息不丢失，目前市场上有两种主要的非易失闪 存技术，分别是n o r 型和n a n d 型，n o r 型存储容量较小，n a n d 型容量 较大，由于n o r 的特点是二进制代码直接在闪存芯片内可执行( x i p , e x e c u t e i np l a c e ) ，这样不必把代码读到系统r a m 中，适合存放b o o tl o a d e r 映像。在 本应用系统中选择了1 6 位的a r 4 9 b v 6 4 1 6 嗍芯片，容量是4 m x1 6 位( s m 字 节) ，工作电压2 7 v 一3 1 v ：采用4 8 脚t s o p 封装。这里的f l a s h 接口对应于 e b i 引脚的b f c i o 接口线，主芯片a o 引脚不支持，a 1 对应于f l a s h 芯片的 a 0 引脚，a 2 a 2 2 对应于f l a s h 的a l a 2 1 ，其接口电路如图2 5 所示。 口 y ，i f ，ld 1 ? ，d o ) + d 7 1 n r r z “一目 ，d i n 口订- 铺，寥。- j ! e 鼻兰 wcq矗r 书产0 醋峭。 1 二t k 自目 上 圈2 - 5 a t 4 9 b v 6 4 1 6 与a t 9 1 r m 9 2 0 0 的接口电路 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 3 4s d r a m 存储器h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 接口电路设计 本系统要移植r 1 d s ，r 1 d s 在引导开始执行后，程序代码需要在r a m 中运行以提高运行的速度，系统及用户堆栈和运行的数据也都放在s d r a m 中，本系统中采用两片1 6 位的h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 i g l 组成3 2 位的s d r a m 存储器 系统，h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 为4 b a n k 4 m 1 6 8 i t ( 3 2 m 字节) ，支持自动刷新 ( a u t o r e f r e s h ) 和自刷新( s e l f - r e f r e s h ) ，可以在电压3 3 v 下面工作，与c p u 的连接如图2 6 所示，n b s 0 n b s 3 分别对应2 片s d r a m 的d q m ( l h ) 上，因为3 2 为s d r a m 以4 b 存储，访问时自动忽略a 0 和a 1 地址线，所 以主芯片a 2 接s d r a m 的a 0 ，其他类推。要访问非4 b 整数倍的偏移，就 要使用d q m ( d a t am a s k ) 信号，在使用s d r a m 时，9 2 0 0 的a 0 和a l 复用为 n b s 0 和n b s 2 ；s d a i o 接a i o ；a 1 6 ，a 1 7 接b a 0 ，b a i ，其他信号线对应相 接就行了。 图2 - 6h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 与a t 9 2 r m 9 2 0 0 的连接电路图 2 3 5a 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 ta 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【lo 】，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 t ，测试访问接口) ， 通过专用的几a g 测试工具对内部节点进行测试。标准的n a g 接口是四线： t m s 、t c k 、t d i 、t d o ，分别为测试模式选择、测试时钟、测试数据输入、 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 测试数据输出。 j 堰m 9 1 d m i 通过i c e ，j t a g 端口支持内置仿真器。它通过i c e 接口 与主计算机连接。使用内置a r m 9 2 0 t 的a r m 9 t d m i 内核执行调试。 a r m 9 2 0 t 内部状态是通过i c e j t a g 端口检测的，可不使用外部数据总线将 指令串行插入内核流水线。因此，在调试状态时批量存储指令( s t m ) 可以 插入指令流水线中。将输出a r m 9 t d m i 寄存器中的内容。该数据能在不影 响系统其它部分的情况下串行移出。当j 1 a g s e l 为低时选择内置i c e 模 式。不能在i c e 与j 1 a g 操作间直接切换。j t a g s e l 改变后必须执行芯 片复位( n r s t 与n t r s t ) 。单独提供内置i c e0 q t r s t ) 测试复位输入以便 于对引导程序的调试。j t a ( 以c e 接口电路如图2 7 所示。 州。饵弋妞 3 y l i 髫马m ! 1 8 墨! 口。= 一 图2 - 7j t a g f l c e 接口电路原理图 2 4 外围电路设计 进行外围电路设计的时候，首先要选择相关的外围芯片。随着近些年来 电子行业的迅猛发展，大多数常用的外围芯片都拥有不止一个生产厂家。但 为了使系统中各芯片之间能够更好地匹配，原则上尽量采用与c p u 同厂家生 产的芯片。其次，要考虑各个芯片接口的电平是否一致。如不一致则要进行 电平转换。 在进行外围电路的设计以前，有必要先介绍一下1 2 c 总线。因为 a t 9 1 r m 9 2 0 0 与外围设备如显示芯片，音频芯片等，都有1 2 c 总线参与连接 和通信的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 2 4 11 2 c 总线 i e c ( i n t e r i n t e r g r a t e d c i r c u i t ，l i c ) 总线协议f l l 】是p h i l i p s 公司推出的一种 用于i c 器件之间连接的2 - w i r e 制串行扩展总线，它通过2 根信号线( s d a ： 串行数据线，s c l ：串行时钟线) 在连接到总线上的器件之间传送数据，根 据地址来识别每个器件，每个器件都有一个唯一的地址。所有连接于总线上 的i 2 c 器件都可以工作于发送方式或接受方式。1 2 c 总线上数据的传输速率在 标准模式下可达1 0 0 k b p s ，在快速模式下可达4 0 0 k b p s ，在高速模式下可达 3 4 m b p s 。 s d a 和s c l 都是双向线路，必须通过上拉电阻连接到正电源，当总线 空闲时，这两条线都是高电平。s d a 线上的数据必须在s c l 为高电平时保 持稳定，数据线的高低电平状态只有在s c l 是低电平时才能改变。1 2 c 总线 的起始条件是s c l 为高电平时，s d a 引脚上产生的一个下降沿( 见图2 8 ) ， 紧跟在起始位后面的是7 b i t 地址信息( a d d r ) ，它决定着由2 - w i r e 总线上 的哪个设备来接收数据，r w 表示数据传输的方向，被读写的设备识别该地 址后，通过在第9 个时钟周期期间将s d a 电平拉低，来作为对数据发送端的 响应( a c k ) 。然后进行1 个字节( 8 b i t ) 的数据传输，在下一次第9 个时钟 周期再对数据发送端发送响应，直到所有的数据都传送完毕。停止的条件是 当s c l 为高电平时，s d a 上产生一个上升沿。要结束一次数据传输有两种 方式：在数据字节接收响应信号a c k 后，主机在s d a 上产生一个停止信 号来终止数据传输；接收器在收到数据字节后，不再第9 个s c l 周期产生 响应信号a c k ，迫使主机产生一个停止信号或传送起始信号。在1 2 c 总线的 数据传输过程中，发送到s c l 信号线上的每个字节都必须为8 - b i t ，起始条件 和停止条件一般都由主机产生，响应时钟脉冲也由主机产生。 芹芹广几 s c 币1 同开厂w 盯 。 ： 矧1 i 圈竺壬丑坐习型仁 l j l j 图2 - 82 - w i r e 控制时序图【1 2 】 2 4 2 两线接口( t w i ) 两线接口( t w i ) 由一根时钟线及一根传输速度达到4 0 0k b s 的数据 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 线组成，以字节为单位进行传输。它适用于任何的a m - t e l 两线总线串行 e e p r o m 中。t 帆可编程作为主机进行连续或单字节访问。 可配置波特率发生器允许输出数据速率在内核时钟频率的一个宽范围内 进行调整。t w i 主要特性如下： 与标准两线串行存储器兼容 l 、2 ，3 字节从机地址 连续读写操作 由于系统支持从t w i 上启动，所以使用了a t 2 4 c 5 1 2 1 1 3 1 芯片，它是a u n e l 公司生产的6 4 k b 串行电可擦的可编程存储器，内部有5 1 2 页，每一页为1 2 8 字节，任一单元的地址为1 6 位，地址范围为0 0 0 0 0 f f f f h 。它采用8 引脚 封装，具有结构紧凑、存储容量大等特点，可以在2 线总线上并接4 片芯片， 特别适用于具有大容量数据存储要求的数据采集系统，因此在测控系统中被 大量采用。其与a t 9 1 r m 9 2 0 0 的接口电路图如图2 - 9 所示，在从t w i 启动时、 需要将a o 、a l 为低电平，在悬空状态时缺省为低电平。这里接了个跳线， 可以在启动后设置a 0 , a l ，通过i = c 协议访问器件。 图2 9a t 9 1 r m 9 2 0 0 与a t 2 4 c 5 1 2 接口电路图 2 4 3 串行外设接口( s p i ) 串行外设接口( s p d 电路是同步串行数据链接，在主机或从机模式下提 供于外部器件的特性。若外部处理器与系统连接，它还使能处理器问通信。 串行外设接口实质上是一个将串行传输数据位发送到其它s p i 的移位寄 存器。数据传输时，一个s p i 系统作为“主机”控制数据流，其它s p i 作 为“从机”，主机控制数据的移入与移出。不同的c p u 可轮流作为主机( 多 主机协议与单主机协议不同，单主机协议中只有一个c p u 始终作为主机， 其它c p u 始终作为从机) 且一个主机可同时将数据移入多从机。但只允许 单从机将其数据写入主机。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 当主机插入n s s 信号时，选定一个从机。若有多从机存在，主机对每 个从机产生一个独立的从机选择信号( n p c s ) 。 s p i 系统包括两条数据线及两条控制线： 主机输出从机输入( m o s d ：该数据线将主机输出数据作为从机输入移 入。主机输入从机输出( m i s o ) ：该数据线将从机输出作为主机输入。传 输时，只有单从机传输数据。 串行时钟( s p c k ) ：该控制线由主机驱动，用来调节数据流。主机传输 数据波特率可交；每传输一位，产生一个s p c k 周期。 从机选择( n s s ) ：该控制线允许硬件开关从机。 s p i 主要特性如下： 支持与串行外设器件通信 有外部解码器的4 个片选，最多可与1 5 个外设通信；串行存储器， 如d a t a f l a s h 及3 线e e p r o m ；串行外设，如a d c ，d a c 、l c d 控制器、c a n 控制器及传感器；外部协处理器。 主机或从机串行外设总线接口 每个片选线，8 到1 6 位可编程数据长；每个片选线，可编程相位与极 性；每个片选线，连续传输时或时钟与数据问的可编程发送延迟 与p d c 通道连接以优化数据传输 发送器与接收器各一个通道；支持下一级缓冲器 p b l 0 v a f 一r r 1 ，w 和t 嚣连 p a 3f d p c $ 0t e i l 玎 死逦_ j _ 1 镄扩魂b f 面 。1 巧丽气而而 l 以汪矿丽。面f 再 r d y ，b u sy r e s l 叮 w p n c n c v c c g n d l 佗 n c k c s s c l s i s o 图2 1 0a t g l r m 9 2 0 0 与a t 4 5 d b l 6 1 b 的接口电路图 本系统中使用了具有s p i 接口的d a t a f l a s h 器件a t 4 5 d b l 6 1 b 1 4 1 ，它是 掳一”一孙一拈一孔一一砣一n一一悖一璩一 胛k盯眦托毗乳舵舵kk舭眦k 蒯 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 一种工作电压可低至2 7 v ，并具有串行接口的数据快闪存储器( f l a s h m e m o r y ) 。它的主存储区容量为1 6 兆位，分为4 0 9 6 页，每页5 2 8 字节。除 了主存储区外，a t 4 5 d b l 6 1 b 还带有2 个5 2 8 字节的s r a m 数据缓存。与 a t 9 1 r m 9 2 0 0 的接口电路如图2 1 0 所示。 2 4 4 串行接口电路 几乎所有的微控制器，p c 都提供串行接口，使用美国电子工业协会( e 队) 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，9 针串口各个引脚 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 ld c d 数据载波检测 2r x d数据接收 3t x d 数据发送 4m 数据终端准备好 5g n d接地 6 d s r 数据设备 7r t s 请求发送 8 c t s 清除发送 9 r 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a t 9 1 r m 9 2 0 0