（测试计量技术及仪器专业论文）具有b类设备接口功能的lxi仪器通用接口模块的设计与实现.pdf

摘要 l x i 总线旨在将已发展成熟的以太网技术应用到自动测试领域，从而更便于构 建分布式测试系统。对于b 类l x i 仪器，其重点是在已实现网络通信功能的c 类 仪器基础上嵌入i e e e l 5 8 8 精密时钟同步协议，用来弥补以太网实时能力不足的缺 陷，提高测试仪器与系统的时间精度指标，增强网络化仪器系统的同步与触发能 力。 本论文设计并实现了一个基于3 2 位嵌入式系统的b 类l x i 硬件接口模块，称 为l x i 模块开发平台v 1 0 。在本文中详细介绍了平台v 1 0 中的电源功能模块、处 理器核心控制模块、存储器模块、r s 2 3 2 串行通信接口模块、网络通信接口模块、 u s b 接口模块、g p i b 接口模块、j t a g 仿真接口模块八个硬件功能模块的设计方 法。以及平台软件系统中实现平台v 1 o 的正常启动与加载用户代码功能的 b o o t l o a d e r 模块、实现平台v 1 0 的网络通信功能的网络t c p i p 协议栈模块、实现 多任务调度与运行功能的i t c o si i 嵌入式r t o s 模块、实现远程通过平台v 1 o 与 仪器通信功能的s c p i 命令翻译器模块和实现网络时钟校准与同步功能的 i e e e l 5 8 8 时钟同步协议模块五个软件模块的设计与实现方法。并基于该硬件平台 构建了一个t c p i p 协议栈+ p c o s + s c p i 命令翻译器+ i e e e l 5 8 8 的软件框架体 系。后续的完善和新功能的实现可在此体系下完成。 本论文介绍了该系统目前已完成的情况，并对值得改进的地方和后续需要完 成的部分提出了设想和计划。 关键词：l x it c p i p 协议栈s 3 c 4 4 8 0s c p ii e e e l 5 8 8 a b s t r a c t l x ii si n t e n d e df o rt h ea p p l i c a t i o no fd e v e l o p e de t h e r n e tt e c h n o l o g yi na u t o t e s t f i e l d ，s ot 1 1 a td i s t r i b u t e dm e a s u r e m e ma n dc o n t r o ls y s t e m sc a nb ee a s i l yc o n s t r u c t e d f o rb c l a s sl x id e v i c e s ，t h ep o i n ti st h a ti e e e158 8p r o t o c o ls h o u l db ee m b e d d e dw i t h t h ep r e c o n d i t i o nt h a te t h e m e tc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o nh a sa l r e a d yb e e nr e a l i z e da u s c c l a s sd e v i c e sd e m a n d ，w h i c hm e a n st os u p p l yt h eg a po fw e a kt i m i n ga b o u te t h e m e t ， t h u st h ep r e c i s i o no ft e s ti n s t r u m e n ta n ds y s t e mc a nb ei m p r o v e dt oe n h a n c et h ea b i l i t y o fs y n c h r o n i z a t i o na n dt r i g g e r i n gf o rn e t w o r k i n s t r u m e n ts y s t e m t h i sp a p e rd e s i g n e da n dr e a l i z e dab c l a s sl x ii n t e r f a c em o d u l eb a s e do n3 2 b i t e m b e d d e ds y s t e mw h i c hi sn a m e da f t e rl x im o d u l ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mv1 0 i n t h i sp a p e r , t h ee i g h th a r d w a r em o d u l e so fp o w e rm o d u l e 、c o r em o d u l e 、m e m o r y m o d u l e 、r s 2 3 2m o d u l e 、e t h e r n e tm o d u l e 、u s bm o d u l e 、g p i bm o d u l ea n dj t a g m o d u l ea r ei n t r o d u c e dd e t a i l e d l y , a sw e l la st h ef i v es o f t w a r em o d u l e s b a s e do nt h i s e i g h t m o d u l eh a r d w a r ep l a t f o r m ，as o f t w a r es t r u c t u r e o ft c p i p + l ac o s + s c p i t r a n s l a t o r + i e e e l5 8 8w a sb u i l t t h ef u t u r ep e r f e c t i o na n dr e a l i z a t i o no fn e wf u n c t i o n s c a nb ec a r r i e do u tu n d e rt h i ss o f t w a r es t r u c t u r e t h i sp a p e rp r e s e n t e dt h ei m p l e m e n t a t i o ns c h e d u l i n go ft h i ss y s t e m ，a n dp u t f o r w a r dt h ep l a na n da s s u m p t i o no ft h eu n f i n i s h e dp a r ta n dt h ef i n i s h e dp a r tw o r t h yo f p e r f e c t i o n k e y w o r d ：l x i t c p i ps 3 c 4 4 8 0s c p ii e e e l 5 8 8 西安电子科技大学 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 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； 也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明 并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：睾莹日期“立2 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布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论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：建盗 导师签名：丝红建 日期j 堕牡 日期兰! ：! ：2 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源 本论文课题是以测控技术与仪器教研中心曾申报的国家自然科学基金项目 基于嵌入式系统的l x i 仪器关键技术研究为背景和选题来源。目标是完成l x i 仪器通用接口模块的设计与实现，并在其中实现嵌入式操作系统v c o si i 和 t c p i p 协议的移植以及s c p i 程控命令集翻译器的设计，以及实现l x i 仪器b 类 设备接口功能。 所以，本课题是嵌入式系统在新型仪器总线l x i 领域的一个应用研究。 1 2 课题相关技术简介 由1 1 小节可知，本课题是l x i 总线技术、仪器技术与嵌入式系统的一个有机 结合。关于嵌入式系统的相关资料尤为丰富，这里不再花篇幅介绍，只需要牢记 两点： l 、嵌入式系统是软件和硬件的综合体。 2 、嵌入式系统以应用为中心、以计算机技术为基础、且软、硬件可裁剪。 l x i 是一个比较崭新的总线，下面对l x i 技术及其发展前景作一个简要的介 绍，具体的内容还是要去研究l x i 标准，目前l x i 标准已经更新到l 。2 版本，1 2 版本和最初的1 0 版本的大部分差异集中在第五部分即l x i 硬件触发这一章，其中 有些内容的调整与新增。 1 2 1l x i 技术简介 2 0 0 4 年9 月，l x i 协会成立。成立一年之后即2 0 0 5 年9 月2 8 日，a g i l e n t 公 司和v x i 科技公司联合推出了新一代基于l a n 的模块化平台标准一l x i ( l a n e x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 仪器总线标准，并发布了第一版l x i 标准【2 j 。它建 立在i o 标准i e e e8 0 2 3 和i e e e1 5 8 8 之上，是继g p i b 、v x i 、p x i 等传统仪器 之后的新一代基于以太网l a n 的自动测试系统模块化构架平台标准，基于l x i 总 线标准的仪器设备称为l x i 仪器1 2 1 。 l x i 仪器技术旨在将已发展成熟的以太网技术应用到自动测试领域，从而使得 未来的自动测试系统在网络的协助下变得更强大，更方便控制。换句话说，l x i 技术其实是以太网技术在测试自动化领域的应用与拓展。 具有b 类设备接口功能的l x i 仪器通用接口模块的研究与实现 l x i 的仪器分为a 类、b 类和c 类三个等级。c 类仪器具有通过l a n 的编程 控制能力，可作为一个节点处在一个局域网上和其它的网络节点通信；b 类仪器具 有c 类仪器的所有功能，且支持i e e e1 5 8 8 精密时钟同步协议；a 类仪器又具备b 类仪器的所有功能，同时具备硬件触发能力。可以看出高一个等级是建立在必须 具备低一个等级所有功能的基础上。 1 2 2l x i 发展前景 测试总线历经了7 0 年代的g p i b 总线，8 0 年代的v x i 总线，9 0 年代的p x i 总 线，总线技术在工业、军事、航空航天的测试领域中的作用越来越重要，被应用 的范围也越来越广，因此对总线技术的研究与发展从来没有间断过，2 0 0 4 年发布 的新一代总线标准l x i 标志着总线发展上了一个新台阶t 7 】。 且随着信息技术的发展，被测对象也发生了很大的改变。总的来说，现在的 测试对象有如下几个共同点：测试对象具有不同等级的分布式特性，大到分布在 几百上千公里的范围内，小到分布在几十米的范围内；测试对象越来越复杂，测 试数据量大，为了完成测试任务，需要大量测试设备，如对3 g 通信网络的测试需 要成百上千台测试设备；对于某些测试任务，要求某些测试设备具有协同操作的 特性，如某些工业自动化的动作控制部分要求l o o n s 的时钟同步性能；某些测试对 象需要远程测试和控制。 用传统的g p i b 、v x i 、p x i 等总线构建自动化测试系统时测试节点数受限， 且成本较高，这些总线自身不能构建分布式测试系统。因此传统的测试总线由于 自身的缺陷不能满足分布式和复杂系统的测试需求，向分布式体系结构的转变被 看作是解决问题的必然选择。 安捷伦科技电子测量事业部系统仪器的亚太地区市场开发经理饶骞认为：“无 论是相对g p i b 、v x i 还是p x i ，l x i 都将是未来的总线技术发展趋势。 目前已经 得到绝大多数仪器行业厂家的支持，主要原因是： ( 1 ) 以太网、标准p c 和软件在测试行业中广泛使用，技术已非常成熟，而 且得到众多计算机厂家不断的研发投入和升级支持； ( 2 ) i e e e1 5 8 8 网络同步标准的实施，可以在实验室环境中得到纳秒级的时 钟同步误差； ( 3 ) 标准的网络接口已经极为普遍； 在如今这个网络高速发展的形势下，l x i 测试总线技术将成为未来仪器总线发 展的必然趋势。从l x i 联盟建立到l x i 标准出台，短短几年里，l x i 总线已得到 国内外几十个厂家的支持，其中包括美国国防部，北京航天测控技术开发公司也 加入了l x i 总线联盟。从标准推出至今，一些大的仪器厂商陆续推出了1 0 0 多种 第一章绪论 l x i 总线仪器，l x i 总线技术的诸多优势必然要在工业、军事、航空航天等众多 领域中发挥不可估量的作用。 1 3 1 课题简介 1 3 课题描述 本课题在基于a r m 7 核的s 3 c 4 4 b o x 处理器的嵌入式硬件平台上对嵌入式操 作系统l a c o si i 和t c p i p 的移植方法和b 类设备中i e e e l 5 8 8 精密时钟协议的实 现方法进行研究和开发，并在此基础上研究具有b 类仪器接口功能的通用型接口 模块的设计方法。 本课题的研究意义：( 1 ) 目前使用和生产的仪器大部分是基于g p i b ，r s 2 3 2 传 统仪器总线，直接将其改造成网络仪器成本高且不容易实现，本接口模块可以通 过扩展r s 2 3 2 、g p i b 接口，实现传统仪器接口与l a n 通信，对于将传统仪器改 造成网络化仪器具有重要的意义。( 2 ) 从仪器发展的趋势来看，基于l a n 的仪器 总线将成为未来网络化仪器的主导，l x i 的b 类仪器研究和设计国内开展的尚不 深入。但是，该类仪器作为l x i 系列中应用频度最高的仪器种类，其应用前景十 分广阔。( 3 ) l x i 仪器的主体包括测试功能模块和网络接口模块，测试功能模块与 传统仪器技术是一致的，所以对l x i 接口模块的技术研究可以为以后研制具有自 主知识产权的l x i 仪器夯实基础。( 4 ) b 类仪器中的i e e e l 5 8 8 精密时钟的管理和 实现方式是b 类仪器设计中的关键，最终将成为判断是否是b 类仪器的标准。 1 3 2 硬件平台综述 本课题所采用的硬件平台属自主设计，目前为第一个初级版本，称为l x i 模 块开发平台v 1 o 。平台v 1 0 上提供了l a n ，u s b ，r s 2 3 2 和g p i b 常用通信接口。 首先保证各接口的正常通信与工作，从而建立一个多接口的l x i 仪器平台。然后 在该平台上扩展其它功能。 本平台基于三星公司的一款a r m 7 芯片s 3 c 4 4 b o x 。之所以采用该芯片是因 为其丰富的片内外设以及较稳定的工作性能。后续会对该芯片作详细介绍。 采用s 3 c 4 4 b o x 的另外一个原因是因为考虑到开发成本，该芯片的性价比较 高；但正是因为价格相对比较低廉，所以其内部不带存储器件。因此除了一些接 口芯片，还需要外扩r a m 、r o m 芯片。这在一定程度上增加了开发的软硬件难 度。 整个硬件开发平台主要由八大模块构成： 电源功能模块； 4 具有b 类设备接e l 功能的l x i 仪器通用接口模块的研究与实现 处理器核心控制模块； 存储模块； r s 2 3 2 串口通信模块； 网络通信模块； u s b 接口模块； g p i b 接口模块； j t a g 仿真接口模块。 具体各个模块会在后续章节详细介绍。目前微处理器s 3 c 4 4 b o x 没有用到的 的引脚资源都通过排针引出来，方便以后的扩展。 1 3 3 软件平台综述 本平台的软件调试基于a r m 最常用的i d e a d s 集成开发环境。a d s 集 代码编辑器，编译器、调试器于一体。调试器a x d 中提供了丰富的调试手段，比 如寄存器查看、内存查看、w a t c h 界面、调用栈查看等。 除了a d s ，要在线硬件调试，还需要代理软件的支持。本系统采用了博创公 司提供的u a r m j t a g 。u a r m j t a g 除了编程器的功能，还提供了一个a n g e l 工具，a d s 就是通过调用a n g e l 工具来完成高层协议与下位机指令的转换，从而 实现在线调试。 编码环境采用s o u r c ei n s i g h t3 5 ，其查看较为庞大且结构复杂的代码比较方便。 基于1 3 2 小节中所述的硬件平台编写程序，软件代码的编写也是按照模块来 设计和完成的。目前平台v 1 0 的软件主要由五大模块组成： b o o t l o a d e l 网络通信模块； 操作系统模块； s c p i 命令翻译器模块； i e e e l5 8 8 同步时钟算法模块 后续在介绍完硬件各大模块后会对软件各模块分章详细介绍。 1 3 4 课题具体要做的工作 综合以上提到软硬件平台的内容，从开题到最终完成该课题，需要做的具体 工作有： ( 1 ) 、了解a r m 微处理器，完成硬件平台v 1 0 的原理图及p c b 设计； ( 2 ) 、了解以太网通信相关知识，熟悉t c p i p 协议。完成t c p i p 协议栈的移 植，在已完成硬件平台上加载调试，实现以太网通信； 第一章绪论 ( 3 ) 、完成串口与网口之间的通信接口转换； ( 4 ) 、了解1 tc o si i 嵌入式r t o s ，并完成1 tc o si i 的移植，在已完成硬件平 台上加载调试，实现多任务切换与调度； ( 5 ) 、了解s c p i 命令集相关知识，完成s c p i 翻译器的设计，在已完成硬件平 台上加载调试，实现对标准s c p i 命令的解析与处理； ( 6 ) 、了解i e e e l 5 8 8 相关内容，实现以太网通信精密时钟同步： 第二章l x i 模块开发平台v i 0 硬件设计与实现7 第二章l x i 模块开发平台v 1 0 硬件设计与实现 我们知道，嵌入式系统是硬件和软件的结合体。所以，要实现该系统的整体 功能首先要基于一个合适的硬件开发平台。所谓硬件开发平台的概念，可以将其 想像成一个精简版的微型p c 裸机开发平台必须有自己独立的c p u 、时钟来 源、电源供给、接口电路等。并且，如果所采用处理器内部没有足够的存储单元， 还需外扩存储器件；其次，如果要向外界显示一定信息，还必须扩展l c d 或l e d 显示屏：同样的，如果要向该平台输入信息，就需要扩展键盘电路了。 该开发平台包括了以上提到的部分功能模块，整个硬件系统的设计借鉴了北 京博创科技有限公司的u p 4 4 8 0 开发板，对其进行了硬件裁剪，并扩充了若干功 能，称为l x i 模块开发平台v 1 0 。该硬件系统为后续的功能软件模块设计提供了 可靠的硬件平台。 本章内容主要是完成对本平台的原理图及p c b 设计，整个硬件系统由八大模 块组成，接下来将对各个功能模块逐一作详细介绍。 2 1 硬件资源综述 平台v 1 0 有丰富的硬件资源，包括微处理器，存储资源，接口资源等，以下 是该平台的基本配置： 1 c p u - a r n 卜一s 3 c 4 4 8 0 x 2 ra 4 ：8 ms d r a m 卜h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 3 b i o s 存储器：2 mn o rf l a s h a m 2 9 l v l 6 0 b 4 d i s k 存储器：16 mn a n df l a s h _ k 9 f 2 8 0 8 u 5 u a r t 双串口：似3 2 3 2 6 e t h e m e t 网卡：r t l 8 0 1 9 a s 和i l l 4 5 接口 7 u s b ：p d i u s b d l 2 芯片和标准u s b 四线接口 8 k e y 两个功能按键叫i o s 按键和手动复位按键 9 r t c 实时钟电路：板载3 0 v 纽扣电池，可保持系统时间。 1 0 j t a g 接口：1 4 针接口 1 1 扩展插座：处理器所有未用资源和可复用资源都已引出，后续可以随意 扩展其他电路。包括i i s 总线，l c d 总线，a d c 输入等。 8 具有b 类设备接1 2 1 功能的l x i 仪器通用接口模块的研究与实现 2 1 1c p u 介绍 平台v 1 0 的核心处理器采用了三星公司的一款a r m 芯片s 3 c 4 4 b o x ，关于 a r m 微处理器的书籍资料很多，这里不再大篇幅介绍，仅对本平台采用的 s 3 c 4 4 8 0 x 芯片作简要描述。 s 3 c 4 4 b o x 是由s a m s u n g 公司推出的1 6 3 2 位r i s c 处理器，采用a r m 7 t d m i 内核，因此其属于a r m 7 系列。 s 3 c 4 4 b o x 提供了全面、通用的片上外设，大大减少了系统电路中除处理器以 外的元器件配置，从而达到系统成本最小化。下面大致介绍一下该芯片的片上功 能：【l 】 2 5 va r m 7 t d m i 内核，带有8 k b 的高速缓存器( s a m b ai i 总线体系结 构，主频高至6 6 m h z ) 。i o 及外设工作电压均为3 3 v 。 外部存储器控制器( 具备f p e d o s d r a m 控制器和片选逻辑) 。 l c d 控制器( 最大支持2 5 6 色s t n ，l c d 具有专用d m a ) 。 2 通道通用d m a 、2 通道外设d m a ，并具有外部请求引脚。 2 通道u a r t 带有握手协议( 支持i r d a l 0 ，具有1 6 字节f i f o ) 和l 通 道s i o 。 1 通道多主1 2 c 总线控制器。 1 通道1 2 s 总线控制器。 5 个p w m 定时器和1 通道内部定时器。 看门狗定时器。 7 1 个通用i o 口8 通道外部中断源。 功耗控制具有普通，慢速，空闲和停止模式。 8 通道1 0 位a d c 。 具有日历功能的r t c 。 具有p l l 的片上时钟发生器。 关于s 3 c 4 4 b o x 的详细特性，寄存器资源，片内外设工作方式等可参考 s 3 c 4 4 b o x 的p d f 手册。 2 1 2f l a s h 芯片介绍 因为s 3 c 4 4 b o x 自身不带r o m ，所以为了要存储掉电后仍需要保存的代码和 数据，需要外扩非易失性存储器件。闪速存储器( f l a s hm e m o r y ) 具有非易失性， 并且可轻易擦写。f l a s h 技术结合了o t p 存储器的成本优势和e e p r o m 的可再 编程性能，因此，得到越来越广泛的使用【1 1 。 平台v 1 0 外扩了两片f l a s h ：一片1 6 m 的n a n df l a s hk 9 f 2 8 0 8 u 和一片 第二章l x i 模块开发平台v 1 0 硬件设计与实现 9 2 m 的n o rf l a s h a m 2 9 l v l 6 0 。至于为什么要扩展两片f l a s h ，以下首先对n a n d f l a s h 和n o rf l a s h 作一个简要介绍。 n o r 和n a n d 是目前市场上两种重要的非易失闪存技术。n o rf l a s h 存储器 的容量较小，写入速度较慢，但因其随机读取速度快，因此在嵌入式系统中，常 应用在程序代码的存储中。n o rf l a s h 存储器的内部结构决定它不适合朝大容量发 展；而n a n df l a s h 存储器结构则能提供极高的单元密度，可以达到很大的存储容 量，并且写入和擦除的速度也很快。但n a n df l a s h 存储器需要特殊的接口来操 作，因此它的随机读取速度不及n o rf l a s h 存储器。二者以其各自的特点，在不 同场合中发挥着各自的作用i 。 由于n a n df l a s h 存储器内部结构不同于大家熟悉的n o rf l a s h 存储器，对它 的读写操作也有较大的区别。s 3 c 4 4 b o x 中没有像支持s d r a m 一样提供直接与 n a n df l a s h 存储器的接口，读写的过程要靠软件编程来完成。 综上所述，n a n df l a s h 只能存储数据，但不适合于运行，而n o rf l a s h 既可 以存储，又可以运行。但是n a n df l a s h 又可以做到大容量。下面具体说明为什么 平台v 1 0 采用两片f l a s h 。 我们采用n o rf l a s ha m 2 9 l v l 6 0 作为系统启动f l a s h ( 即b o o tf l a s h ) 。平台 v 1 0 的b o o t l o a d e r 存放在n o rf l a s ha m 2 9 l v l 6 0 中，系统启动时先运行 a m 2 9 l v l 6 0 中的b o o t l o a d e r ( b o o t l o a d e r 即相当于p c 机中的b i o s ，是我们上电 开机后系统运行的第一段代码，关于b o o t l o a d e r 的定义这里不作介绍) ，然后由 b o o f l o a d e r 加载存储在n a n df l a s hk 9 f 2 8 0 8 u 中的用户代码( b o o t l o a d e r 加载 n a n df l a s h 中的代码其实就是将其拷贝到快速的r a m 中去执行) 。 当然，在用户代码体积不会很大的前提下，也可以将b o o t l o a d e r 和用户代码 放在一起编译得到一个b i n 文件，将这一个b i n 文件直接加载到b o o tf l a s h a m 2 9 l v l 6 0 中运行。 之所以分开编译是考虑到以后扩展叫o rf l a s h 的工艺决定了其不能做到 大容量，如果以后用户代码比较庞大的话，必然需要n a n df l a s h 来完成掉电后的 暂时保存。 平台v 1 o 用到的a m 2 9 l v l 6 0 和k 9 f 2 8 0 8 u 均可稳定工作于3 3 v 电压，和 c p us 3 c 4 4 b o x 的工作电压一致，所以省去了另外提供电源以及电平转换诸类麻 烦。 2 1 3s d 洲芯片介绍 上一节中提到平台v 1 0 中外扩了两片f l a s h ，快速的n o rf l a s ha m 2 9 l v l 6 0 用于存储启动代码b o o t l o a d e r ，也可存储用户c 代码。但是，n o rf l a s h 的读写速 1 0 具有b 类设备接口功能的l x i 仪器通用接口模块的研究与实现 度和高速c p u 相比毕竟还是有一定差距。并且，如果用户代码庞大，随机数据量 较大，必须用到n a n df l a s h 来存储时，b o o t l o a d e r 要将n a n df l a s h 中的用户代 码加载到快速的存储器件中执行，所以，就有必要用到r a m 器件了。但是， s 3 c 4 4 b o x 中只有8 k b 的s r a m ，因此系统还需要扩展r a m 器件。平台v 1 0 扩 展了一片s d r a m h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 。下面对r a m 器件作一个简要描述。 随机存取存储器r a m 是易失性的存储器，在掉电以后数据即消失，不能够长 久保存。但与r o m 器件不同的是，它的随机读写速度非常快，写入数据之前也不 需要进行擦除，这些特性使它成为嵌入式系统中必不可少的存储设备之一。在嵌 入式系统中，通常将数据区和堆栈区放在r a m 中，供快速地读、写【l 】。 常用的r a m 分为s r a m 和d r a m 两种类型，s 3 c 4 4 b o x 芯片本身提供了与 d r a m 和s d r a m 进行直接接口的解决方案，因此，不需要通过编程来实现它所 需的接口时序，而只须对与存储器控制器相关的寄存器进行适当配置。这个配置 工作一般在启动代码中完成，系统在每次上电后但还未开始执行c 语言程序之前， 配置好s d r a m 的特性参数，然后再进入c 程序运行。 2 1 4 网卡芯片介绍 l x i 仪器的核心点就在于网络，所以该平台除了处理器核心控制模块最关键的 部分就是网络通信模块了。 以太网通常使用专门的网络接口卡或通过系统主电路板上的电路实现。以太 网使用收发器与网络媒体进行连接。收发器可以完成多种物理层功能，其中包括 对网络碰撞进行检测。收发器可以作为独立的设备通过电缆与终端站连接，也可 以直接被集成到终端站的网卡中【3 】。 平台v i 0 采用r t l s 0 1 9 芯片作为其网络模块的核心。 r t l s 0 1 9 芯片是高度集成的以太网控制器，为即插即用式n e 2 0 0 0 兼容网络器 提供了简易的解决方案。 8 条i r q 总线和1 6 条基本地址总线为大资源情况下提供了宽松的环境。 r t l s 0 1 9 a s 支持1 6 k 3 2 k ，和6 4 k 字节b r o m 和闪存接口。它仍然提供页 面模式功能，这种功能能支持在仅1 6 k 字节内存系统空间下的4 m 字节的b r o m 此外，b r o m 的无用命令被用来释放b r o m 内存空间。 r t l 8 0 1 9 a s 用1 6 k 字节s r a m 设计在单片芯片上，它的设计不仅提供了更 多友好的功能，而且节省了s r a m 存储资源。 平台对r t l 8 0 1 9 芯片的主要操作是对其寄存器及端口的访问和写入，r t l 8 0 1 9 共有3 2 个输入输出地址，对应地址偏移量为0 0 h - - 1 f h ，其中0 0 h - - 一0 f h 的1 6 个地 址即为寄存器地址；1 0 h - - 1 7 h 的8 个地址，为数据读写端口地址。这几个地址都 第二章l x i 模块开发平台v 1 0 硬件设计与实现 i i 是一样的，每个都可以用来做数据读写端口，只要用其中一个就可以了。1 8 h 1 f h 的8 个地址，为复位端口。这8 个地址的功能也都是一样的，只用其中的一个就 可以了。但需要注意，实际上只有1 8 h 、1 a h 、1 c h 、1 e h 这几个复位端口是有效 的，其他不要使用，因为有些兼容卡不支持1 9 h 、l b h 、l d h 等奇数地址的复位。 关于r t l 8 0 1 9 的寄存器详细各个位的信息可参考其p d f 手册。 2 1 5u s b 接口芯片介绍 u s b ( 通l 用串行总线) 设备最大的特点就是即插即用，再加上其高的数据传输 率，u s b 接口被用于多种嵌入式系统设备的数据通信中，如移动硬盘、数码相机、 p d a 等。目前应用最广泛的是u s b 2 0 ，但现在u s b 3 0 技术已经被开发出来，最 高数据传输速率可达到5 g b p s ，只是还不是很成熟，未被广泛应用。关于u s b 标 准相关内容，这里不作介绍，在设计和编码中主要以接口芯片的d a t as h e e t 为核心。 平台v 1 0 采用了p h i l i p s 公司生产的p d i u s b d l 2 接1 ：3 芯片作为u s b 接口控 制器，该芯片是一个具有集成的s i ef i f o 存储器、发送器和电压调整器的高性能 u s b 接口芯片，同时还支持d m a 逻辑传输形式。 关于p d i u s b d l 2 芯片有以下主要特性： ( 1 ) 符合通用串行总线u s b i 1 版规范； ( 2 ) 高性能u s b 接口器件集成了s i ef i f o 存储器、收发器以及电压调整器： ( 3 ) 符合大多数器件的分类规格； ( 4 ) 可与任何外部微控制器微处理器实现高速并行接口2 m b y t e s ； ( 5 ) 完全自治的直接内存存取d m a 操作； ( 6 ) 集成3 2 0 字节多结构f i f o 存储器； ( 7 ) 主端点的双缓冲配置增加了数据吞吐量并轻松实现实时数据传送； ( 8 ) 在批量模式和同步模式下均可实现1 m b y t e s 的数据传送速率； ( 9 ) 具有良好e m i 特性的总线供电能力； ( 1 0 ) 在挂起时可控制l a z yc l o c k 输出； ( 1 1 ) 可通过软件控制与u s b 的连接： ( 1 2 ) 采用g o o d l i n k 技术的连接指示器，在通信时使l e d 闪烁； ( 1 3 ) 可编程的时钟频率输出： ( 1 4 ) 符合a c p i 、o n n o w 和u s b 电源管理的要求； ( 1 5 ) 内部上电复位和低电压复位电路； ( 1 6 ) 双电源操作3 3 0 3 v 或扩展的5 v 电源，范围为3 6 - - 5 5 v ； ( 1 7 ) 多中断模式实现批量和同步传输。 其它关于该芯片具体命令、端点描述等信息参考p d i u s b d l 2 的p d f 手册。 1 2具有b 类设备接口功能的l x i 仪器通用接1 2 1 模块的研宣与实现 2 1 6g p i b 芯片介绍 g p i b 通用接口总线的目的是用一种外部手段把各测量设备连成一个测试系 统。 g p i b 总线主要由8 条数据线、3 条挂钩线和5 根接口管理线构成。它还包括 五种基本接口功能：源方和受方挂钩功能、讲者和听者功能、控者接口功能。为 了实现g p i b 的这些接口功能，一般都是采用现成的集成电路芯片来实现。 本系统采用t i 公司的t m s 9 9 1 4 作为g p i b 控制器，采用t i 的s n 7 5 1 6 0 和 s n 7 5 1 6 1 作为总线收发器，两者配合使用。 t m s 9 9 1 4 是t i 公司生产的可编程g p i b 控制器，完全兼容i e e e 4 8 8 a 标准， 传输速率可达3 6 0 k b s 以上，支持讲者和听者功能。在本平台上c p u 可通过配置 t m s 9 9 1 4 内部8 位寄存器来实现i e e e 4 8 8 a 标准的各种功能( 讲者、听者、控者) 2 2 1 。s n 7 5 1 6 0 和s n 7 5 1 6 1 是符合g p i b 协议的8 通道双向收发器，具有低功耗、 高输入阻抗。这两个收发器将输入的信号驱动到g p i b 母线所需要的驱动电流，并 且控制信号传送的方向，它们的输出直接接到g p i b 的母线上。其中s n 7 5 1 6 0 驱 动g p i b 数据线，s n 7 5 1 6 1 驱动g p i b 控制线和挂钩线。s n 7 5 1 6 0 是非转换型的收 发器，只控制方向，对输入输出的数据不进行变换，即其输入输出数据是一样的。 s n 7 5 1 6 1 的s c 信号线接高电平时，表示可实现系统控者，否则无效，设计中这个 引脚的一个上拉电阻接高电平2 3 1 1 2 4 。 关于g p i b 总线的具体内容，相关资料比较多，这里不再花篇幅介绍。 2 2 平台v 1 0 各模块设计 l x i 模块开发平台v 1 o 采用了最常见的模块化设计方法，通过各个模块的相 互耦合工作，在一定程度上实现了系统预计要实现的功能。整个系统由以下八大 模块构成： 电源功能模块 处理器核心控制模块 存储模块 r s 2 3 2 串行口通信模块 网络通信模块 u s b 接口模块 g p i b 接口模块 j t a g 仿真接口模块 如下图所示即为l x i 模块开发平台v 1 0 的硬件系统实现框图，具体各模块内 苎= 兰! 苎! 堡堡茎垄! 鱼! ：! 堡丛壁生兰壅墨 1 3 容在后续2 2 1 228 节中会逐一详细介绍。 2 2 1 电源功能模块 凹2 1 平台v l0 模块结构幽 嵌入式系统的正常工作离不丌合适的工作电压，平台v 10 的电源供给分为三 部分：33 v ，25 v 和5 v 。 对于核心处理器s 3 c 4 4 b o x ，其内核工作电压为25 v ，i o 口工作电压为33 v 。 所以有两个电源输入。我们采用5 v 的电源输入，经过a s 1 1 7 33 稳压芯片稳压 输出一个33 v 给s 3 c 4 4 b o x ，如下图所示：其中左边v c c 端即为外界电源输入， 模块中的四个电容为退耦电容可以滤除电源端引入的外界噪声。 翻2233 v 电源电路原理图 至于2 5 v 的内核电压输入采用了一枚3 0 v 的纽扣电池和33 v 的电压协同 工作经过开关二极管4 1 4 8 产生压降，输出25 v 左右的电压给s 3 c 4 4 b o x 内核； 如图23 所示： 5 v 的电压是供给网卡芯片r t l s 0 1 9 和g p i b 模块电路的。直接采用板子上5 v 1 4 具有b 类设备接口功能的l x i 仪器通用接1 3 模块的研究与实现 输入电源，即图2 2 中的v c c ，没有再经过5 v 的稳压芯片；因此在选稳压电源时 尽量选择性能比较好的，保证网卡芯片和g p i b 模块可以稳定工作。 、r dd 3j i 一 l 一一 一 u ：孓 l + c 卜 一h h_-，ji i 】, 1 4 4 8 互7e 2 17 - _ ” _ _h dlk v 】dr ic 。 - t t】0 uf叭 l n 1 1 qs 厂 i h i i ，| i ： ! l kid h _ h d i 厂i 1 】 一一一k h+ b 1 l 干 - 3 ： 一 l 2 2 2 处理器核心控制模块 图2 32 5 v 电源电路原理图 我们采用s 3 c 4 4 b o x 作为核心处理器，除了正常的电源供给，s 3 c 4 4 b o x 还 需要一些正确的周边硬件电路配置才可以正常工作。如复位电路、时钟电路、大 小端配置等。 如图2 4 所示为平台v 1 o 的复位电路，因为系统中用到很多需要正常复位才 可以正常工作的集成芯片，有的芯片是高电平复位，比如：r t l 8 0 1 9 。其余均是低 电平复位。所以系统中同时要有高、低电平的复位信号。 本系统采用了片i m p 8 1 1 芯片。如图2 4 ：右边引脚3 为复位输入端，左边 引脚2 输出低电平的复位信号n r e s e t ，n r e s e t 用于低电平复位的芯片。同时 n r e s e t 经过门电路7 4 h c 0 4 反相输出一个高电平复位信号r e s e t ，用于高电平 复位的芯片。 u 占譬2 nr e譬rr2 r e s 盯m r 3 a l4 ， g n dv c c 扫 1 7a c t t 订l j l m p 8l l 弋r dd 3 3 t ll c l v ， 、 n r e s e l 1 3 、l ，、 1 2re s l 丁 卅 f ，碍n o 口 图2 4 复位电路原理图 第二章l x i 模块开发平台v 1 0 硬件设计与实现 1 5 s 3 c 4 4 b o x 的时钟电路分为两部分，采用两个不同频率的晶体振荡器，分别为 3 2 7 6 8 h z 和6 m h z ，3 2 7 6 8 h z 用于s 3 c 4 4 b o x 内部实时时钟r t c 的时钟输入； 6 m h z 经过s 3 c 4 4 8 0 x 内部的p l l 模块倍频锁频产生稳定的高速时钟给 s 3 c 4 4 b o x 。平台v 1 。0 中软件设置使整个芯片系统工作于6 7 5 m h z 。时钟电路如 图2 5 所示： x t a j _ di c 1 薯 上 2 2 产i ：z 2 p f 图2 5 时钟电路原理图 除了以上的配置，s 3 c 4 4 b o x 还有几个重要的配置引脚：o m 0 o m 3 和 e n d i a n 引脚，如图2 6 所示为平台v 1 0 这几个引脚的配置： 图2 6 中配置表示映射在b a n k 0 的b o o tf l a s h 工作于1 6 位模式，且采用晶体 振荡器输入，p l l 模块处于打开状态中；以及整个系统采用小端模式( 至于大、 小端模式的具体含义及内容可参考s 3 c 4 4 b o x 的d a t a s h e e t 或相关书籍) 。 i 未影l 聪z q 双 八 ，测瓢黧飘k 嶙觯幽艘一 扯g 戈趔幽也 图2 6s 3 c 4 4 b o x 周边其它配置 除了以上提到的配置，还需要提到的一点是s 3 c 4 4 b o x 的b a n k 映射机制： s 3 c 4 4 b o x 的寻址空间一共有2 5 6 m b ，分为8 个b a n k ，每个b a n k 为3 2 m b ，前6 个b a n k 可以映射为r o m ，s r a m 等其它外设；最后2