（通信与信息系统专业论文）嵌入式linux+ip播放器的硬件设计及驱动设计.pdf

摘要 嵌入式1 山xi p 播放器的硬件设计及驱动设计 作者简介：赖武刚，男，1 9 8 2 年6 月出生，2 0 0 5 年9 月师从于成都理工大 学郭勇教授，于2 0 0 8 年6 月获硕士学位。 摘要 本文主要介绍一种基于嵌入式技术和网络技术的音频播放器的系统设计和 实现。系统采用主频为4 0 0 m h z 的a r m 9 芯片s 3 c 2 4 4 0 a 作为嵌入式微处理器， 结合现代接口技术，以嵌入式l i n u x 作为操作系统为软件平台，利用m i n g u i 开发图形界面，实现了音频播放、网络传输与控制、多种存储方式、彩色液晶显 示和键盘输入等功能，该系统主要用于体育场馆的音频播放控制系统、广播播放 系统和公众场合的音频播放系统中。 嵌入式l i n u x 口播放器的包括嵌入式硬件设计和嵌入式软件设计。本文详细 的介绍了设计过程。嵌入式硬件设计包括a l 蝴9 芯片s 3 c 2 4 4 0 a 核心板的原理 图设计和六层高速p c b 的绘制；s 3 c 2 4 4 0 a 与t f t 液晶、u 盘、s d 卡、 1 0 m l o o m 网络、i d e 硬盘、串口、i i s 、i i c 等外围接口电路设计。本文中给出 了各个外围电路设计方法和设计原理图。嵌入式系统软件设计在嵌入式硬件设 计的基础上，包括b 0 0 t l o a d e rv i v i 的移植、嵌入式1 i 肌x 内核的剪裁与移植， 并制作嵌入式l i l l u x 的根文件系统，完成设备驱动程序的编写与调试。在系统 集成后，对播放器系统进行了硬件和软件功能性和稳定性的测试。 该系统具有特殊的两路音频系统、多种存储方式可选、设备接口丰富、网络 传输控制、硬件易扩展、音质效果好、图形用户界面美观友好，运行稳定可靠等 特点。此播放器系统在音频播放场合中具有很强的适用性，具有良好的应用前景， 具有很好的实用价值和经济效益。 关键词：嵌入式系统s 3 c 2 4 4 0 al i n l l 】【播放器 成都理工大学硕士学位论文 h a r d w a r ea n dd e 订c ed r i v e rd e s i g ni ne m b e d e d l i n u xi pa u d i op l a y e rs y s t e m i n 乜0 d u c t i o no fa u m o r ：l a i w u g a i l g ，m a l e ，b o mi nj 蚰eo fl9 8 2 ，w 嬲伊a 1 1 t e dt h e m a s t e r 舶mc h e n g d u u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yw h o s e t u t o rw a sp 硒f e s s o rg u o y o n g a bs t r a c t t t l i sp a p e rm a i l l l yi n t r o d u c ed e s i 盟a i l di m p l e n l e l l t a t i o no faa u d i op l a y e rs y s t 锄 b a s e do ne l b e d d e dt e c _ h n o l o g ya n dn e t 、) l ，o r kt e c h n o l o g y 1 1 1 es y s t e mu s e sa 舭q u e n c y o f4 0 0m h z c h i ps 3 c 2 4 4 0 aa u st h ea i 己m 9e 1 1 曲e d d e dm i c r o p r o c e s s o r ，c o m b i n e dw i m m o d e n li n t e m c et e c i l i l 0 1 0 9 y ，u s i l l gl i n u xa st h eo p e r 撕n gs y s t 锄f o re i i l b e d d e d s o 脚a r ep l a t f o ma n dm i n g u ia sg r a p l l i c a li n t e r f a c ed e v e l o p m e n t i nt h i ss y s t e m ，m e 卸d i op l a y e r s ，n e 帆o r k 仃a n s m i s s i o na 1 1 dc o n 缸o l ，av 撕e t yo fs t o r a g e ，c o l o rl c d d i s p l a ya l l dk e y b o a r di n p u t ，a n do t h e r 如n c t i o n si si m p l e m e n t e d 1 1 1 es y s t e mi sm a i n l y u s e df 0 rs p l o r t sv a m e sa u d i op l a ) 7 e rc o n t r o ls y s t 锄，f a d i ob r o a d c a s ts y s t e m 锄dp u b l i c p l a c e si nt h ea u d i os y s t e m e m b e d d e d1 i n _ 1 1 ) 【i pp l a y e r ss y e t e md e s i 印i sc o m 埘s eo f 蹦1 b e d d e dh 州1 w a r ea n d 锄b e d d e ds o f t v l ，a r ed e s i 弘1 l l i sp a p e rd e t a i l e di n 仃o d u c t i o no ft l l ed e s i 笋p r o c e s s h 冰l w a r ed e s i 弘i sc o m 砸s c do fs 3 c 2 4 4 0 ac o r eb o a r d ss c h 锄a t i ca i l ds i x l l i 咖s p e e dp c bd e s i 铲d r a w i n g ；t h ec i r c u i to f t f t l c d ，u s b ，s dc 矾，10m 10 0 m n e 觚o r k ，i d eh a r d ，s e r i a l ，i i s ，i i c ，a l l ds oo n t 1 1 ep a p e ro f j f 盯t h ev 撕o u se x t e n l a l c i r c u i ts d l 锄a t i c s e m b e d c l e di nm ee i l l b e d d e ds y s t e ms o r w a r ed e s i g no nt l l eb a u s i so f h a r d w a r ed c s i 印，i n c l u d i l l gt l l e 仃a i l s p l a n t a t i o nb o o t l o a d e rv i v i ，e m b e d d e dl i n u ) 【 k 锄e lo fm ec r o pa n dt r a n s p l a n t a t i o na n dm a _ l 【i n go fe 1 1 m e d d e dl i n u xt l l er o o tf i l e s y s t 锄t h ed e s i g na 1 1 di l e b u go fd e v i c ed r i v e r si sc o m p l e t i 。d t h es y s t 锄h a r d w a r e a i l ds o f t w a r e 矗j t u r e sa n ds ta _ b i l i t ) ro ft l l et e s to ft h ep l a y e ri sc o m p l e t e d t h es y s t 锄h a sas p e c i a lt 、) l ，o w a ya u d i os y s t e m ，av a r i e t yo fs t o r a g eo p t i o n s ，d c h i n t e r f a c ee q u i p m e n t ，n e t w o r kt r a i l s m i s s i o nc o n t r 0 1 ，h a r d w a r ee a s yt oe x p a i l d ，s o 蚰d e 仃e c t s ，a n db e a u t i 缸1a i l d 衔e n d l y 黟a p h i c a l u s e ri n t e 嘞c e ，s t a b l ea n dr e l i a b l e o p e r a t i o n ，a n do m e rc h a r a c t 舒s t i c s t l l i sp l a y e rs y s t e ma p p l i c a t e di nt h ea u d i op l a y e r s h a sag o o dp r o s p e c t ，h a sa9 0 0 dp r a c t i c a lv a l u ea n de c o n o m i cb e l l e f i t s k e y w o r d ：e m b e d e ds y s t 锄s 3 c 2 4 4 0 al i n u xp l a y e r l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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，也不包含为获得盛都理至太堂或其他教 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 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 拖认叫 力略年j 月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 盛都理王太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛都理王太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 学位论文作者导师签 脚g 年 j 月l 多日 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1嵌入式l i n u ) 【i p 播放器的设计目的及意义 随着信息化、网络化、智能化技术的发展，嵌入式系统己经成为通讯和消 费产品的共同发展方向，嵌入式系统是当今最热门的概念之一，各种各样的嵌 入式系统设备在应用数量上己经大大超过了通用计算机，使用嵌入式技术的数 字机床、智能工具、工业机器人、服务机器人等日益增多。同时数字音频技术 在我们社会生活中的应用也己经非常广泛，w a v 、m p e g 、w m a 和m p 3 等相 继出现。结合嵌入式系统的数字音频技术研究有着广阔的前景，基于嵌入式的 数字音频设备以其高性价比、功耗低、集成度高、可扩充能力强、日新月异的 发展速度等优点受到世界各国的广泛关注，结合市场发展需要，研制出嵌入式 系统的数字音频播放设备，有着广阔的发展前景【1 】。 1 2 课题现状 当今国内市场上的数字音频播放器根据生产厂商的不同主要分为国内和国 外两种。其中国内厂商生产的数字音频播放器大多数出于对成本的考虑，在中 央处理器只是使用了一些简单的单片机或专用的单片机处理芯片，解码芯片也 是使用中低端解码芯片，这种设计使得产品的功能简单、效果不佳；而国外厂 商生产的数字音频播放器一般定位在高端产品，大多数使用昂贵的专用处理芯 片，采用高端解码芯片，这样虽然使得产品的整体性能有较大的提高，但昂贵的 价格导致了产品成本增高。 1 3 嵌入式系统简介 嵌入式系统是指非通用计算机系统，集应用软件与硬件于一体，具有软件 代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体 系l z 儿引。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应 用软件系统等组成，它是可独立工作的“器件”。现在，嵌入式计算机在应用数 量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计算机的外部设备中就包含了5 至 1 0 个嵌入式微处理器，键盘、鼠标，软驱、硬盘、显示卡、网卡、m o d 哪、声 卡、打印机、扫描仪、数字相机、u s b 集线器等均是由嵌入式处理器控制的。 由此可见，嵌入式处理器技术的出现是给现代工业控制领域带来了一次新的技 成都理工大学硕士学位论文 术革命。由嵌入式处理器组成的系统，最明显的优势就是可以嵌入到任何微型 或小型仪器、设备中。换言之，一个嵌入式系统就是一个计算机硬件和软件的 集合体，也许还包括其它一些机械部件，它是为完成某种特定功能而设计的。 1 3 1 嵌入式系统的定义 嵌入式系统1 4 1 ( e m b e d d e ds y s t e m ) 从广义上讲，凡是不用于通用目的的可编 程计算机设备，就可以算是嵌入式计算机系统。最典型的嵌入式系统如手机、 可视电话等；狭义上讲，嵌入式系统是指以应用为核心，以计算机技术为基础， 软硬件可裁剪，对功能、可靠性、成本、体积和功耗严格要求的专用计算机系 统。嵌入式系统应该具备以下4 个特性： ( 1 ) 执行特定的功能； ( 2 ) 以微处理器与外围设备构成核心； ( 3 ) 需要严格的时序与稳定性； ( 4 ) 全自动操作 1 3 2 嵌入式系统的组成 由于嵌入式系统是计算机体系结构中的一个分支，所以它在硬件上的组成 与通用的计算机类似，其中最重要的部分也是微处理器。嵌入式系统一般有3 个主要的组成部分【5 1 ： ( 1 ) 硬件。图1 1 给出了嵌入式系统的硬件组成。其中，处理器是系统运行 的核心；存储器( r o m 、删) 用来保存可执行代码，以及中间结果；输入输出 设备完成与系统外部的信息交换；其他部分辅助系统完成功能。 图1 1 嵌入式系统的硬件组成 ( 2 ) 操作系统。由于功能单一的小型的嵌入式系统可能只完成一个任务， 因此不需要操作系统。而复杂的嵌入式系统一般会利用操作系统来减少开发的 工作量，并提高产品的可靠性。 2 第1 章绪论 ( 3 ) 应用软件，应用软件是完成系统功能的主要软件，它可以由单独的一 个任务来实现，也可以由多个并行的任务来实现。 1 3 3 嵌入式系统的特征 ( 1 ) 完成单一或一组紧密相关的特定功能 嵌入式系统产生某种动作，以响应外部事件的要求。为了完成这个功能， 嵌入式系统在软件的控制下通过硬件来高速地获取数据，并进行处理，而后产 生响应动作。整个过程是在严格的时间和可靠性的约束下进行的。由于这些约 束相当苛刻，嵌入式系统通常只用于满足单方面的应用。 ( 2 ) 具有高性能和实时的要求，甚至这些需求要放到第一位 实时特征是嵌入式系统的主要特征。与实时系统一样，可以根据对响应时 间要求的不同分为硬实时和软实时。硬实时要求响应时间范围很严格，而软实 时的时间限制稍宽。 ( 3 ) 软硬件紧密融合 在嵌入式系统中，硬件操作需要特定软件控制，软件运行需要特定硬件环 境支持。在嵌入式系统软件，硬件体系结构内部，各层次模块之间的耦合度也 要比通用计算机系统强。 ( 4 ) 系统的可靠性和安全性 尽管所有的系统都要求可靠，但嵌入式系统在可靠性、重启动和故障恢复 方面有更特殊的要求。对于可靠性要求特别高的场合，往往采用冗余备份方式。 ( 5 ) 效率优先 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率的设计，在保证稳定安全可靠的基 础上量体裁衣，取出冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能。 ( 6 ) 功率消耗比较少 在嵌入式系统中，能耗起着决定性作用。耗能大的元器件一般发热量比较 大，那么就需要风扇之类的装置来降温，而使用风扇将降低这个系统的使用寿 命。并且嵌入式系统一般使用电池作为主要电源，如果能耗很大的话，很快就 会将电池耗尽1 6 j 。 1 3 4 嵌入式系统的应用领域 嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景，其应用领域可以概括为【7 】： ( 1 ) 工业控制：目前已经有大量的基于8 、1 6 、3 2 位嵌入式微控制器的自动 化工业设备在应用中。为了提高工业生产中的生产效率和产品质量、减少人力 资源，提高生产过程的自动化将是主要途径。 ( 2 ) 交通管理：在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，嵌入式 3 成都理工大学硕士学位论文 系统技术已经获得了广泛的应用，内嵌g p s 模块、g s m 模块的移动定位终端 已经在各种运输行业获得了成功的使用。 ( 3 ) 信息家电：这将成为嵌入式系统最大的应用领域，冰箱、空调等的网络 化、智能化将引领人们的生活步入一个崭新的空间。嵌入式技术的应用将使你 可以通过电话线、网络远程控制你的家电。在这些设备中，嵌入式系统将大有 用武之地。 ( 4 ) p o s 网络及电子商务：公共交通无接触智能卡发行系统，公共电话卡发 行系统，自动售货机，各种智能a t m 终端已经全面走入人们的生活。 ( 5 ) 环境工程与自然：水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、堤坝安 全，地震监测网，实时气象信息网，水源和空气污染监测。在很多环境恶劣， 地况复杂的地区，嵌入式系统将实现无人监测。 1 4 论文所做工作和论文结构 1 4 1 论文所做的工作 首先进行需求分析，明确系统功能。基于项目的目的、用途和资金投入等 主要因素，选择硬件产品，对系统进行总体设计，包括系统的硬件结构和相应 的软件功能模块。为了进一步完善本系统的功能、降低成本，本文对现有的嵌 入式系统的工作原理进行了总结和分析，参考了多种设计思想，最终实现嵌入 式1 i n u xi p 播放器。首先，硬件系统的设计与调试，经过实验和多方面考虑， 最终确定了以删9 处理器s 3 c 2 4 4 0 a 为基础的开发目标，并绘制了s 3 c 2 4 4 0 a 的最小系统板的原理图，制成六层高速p c b 板；对接口电路的设计与调试，包 括：t f tl c d 、u s bh o s t 、i i s 、i i c ，1 0 m 1 0 0 m 网络、串口接口、s p i ，s dc a r d 、 i d e 硬盘等等接口电路的设计。其次，在所设计硬件系统上进行嵌入式系统软 件的开发，完成嵌入式l i n u x 系统的b o o t l o a d e rv i 的移植和嵌入式1 i n u x 内核 的剪裁与移植，并制作嵌入式l i n u x 的根文件系统。为了提高接口电路驱动程 序的开发效率，首先在a d s l 2 完成编写与调试硬件接口程序，然后在硬件的 基础上和操作系统的平台上，进行嵌入式系统软件的开发并利用a d s l 2 完成 编写与调试硬件接口程序，在此基础上完成各个硬件接口的嵌入式l i n u x 驱动程 序的编写与调试。最后对系统进行了集成，对硬件和软件的稳定性和可靠性做 了详细的测试。 1 4 2 论文结构 本论文共分七章。 4 第l 章绪论 第一章( 本章) 是绪论部分，对论文的背景、课题来源以及作者所做的工作 进行简略的介绍。 第二章介绍了嵌入式1 i n u xi p 播放器的总体设计方案，主要是对系统进行 模块的划分，从而建立起一个整体的概念，并给出系统设计框图，本章对系统 的开发和编程都具有了一定的指导意义。 第三章主要在详细介绍了嵌入式硬件的设计，包括：s 3 c 2 4 4 0 a 核心板的设 计与制作，包括和s 3 c 2 4 4 0 a 核心板调试；系统功能底板接口电路的设计与硬 件调试，包括：t f tl c d 、u s bh o s t 、i i s 、i i c ，l o o m 网络、串口接口、s p i 、 s dc a r d 、i d e 硬盘等等接口电路的设计与制作。并对硬件系统中用到的各个 主要芯片的电气特性进行了比较详细的介绍，同时给出了s 3 c 2 4 4 0 a 与这些芯 片的接口原理图。 第四章分三个方面进行讲述：首先，b o o t l o a d e r v l 的修改并对操作系统 的剪裁和移植做了详细的说明；其次，嵌入式1 i n u x 操作系统的剪裁和移植；然 后，根据系统的要求制作了嵌入式l i n u x 的根文件系统。 第五章介绍了嵌入式l i n u x 操作系统的驱动模型。并对各个驱动模块的核心 程序的进行了解释。 第六章分别介绍了系统硬件和软件调试，列出了测试方法和结果。 第七章结论和展望总结了取得成果，以及系统需要改进的地方。 成都理工大学硕士学位论文 第2 章系统总体设计方案 在嵌入式l i 彻x 口播放器设计前期，我们主要是根据客户的需求来制定的系 统总体设计方案。客户提出了嵌入式1 i n u x 口播放器主要功能和要求： ( 1 ) 支持m p 3 、w 斛的播放格式； ( 2 ) 2 个音频输出通道，可以分别监听不同的乐曲。 ( 3 ) 友好的用户图形界面； ( 4 ) 支持多种存储方式：u 盘、s d 卡和d e 硬盘； ( 5 ) 高亮彩色液晶显示。 ( 6 ) 常规播放按键，以及多个功能键； ( 7 ) 具有网络传输和控制功能。 嵌入式l i n u x 口播放器的设计主要分为硬件设计和软件设计，在硬件上采用 了三星公司的a r m 9s 3 c 2 4 4 0 a 为核心来设计，软件上使用了嵌入式l i 讯操 作系统其高度模块化和可移植性，提高了系统的开发效率【s 】。 2 1 硬件系统原理框图 根据嵌入式l i n u x 口播放器的功能和硬件要求，选择了s 3 c 2 4 4 0 a 作为系统 微处理器，在设计硬件的时候采用了核心板加底板。核心板是s 3 c 2 4 4 0 a 的最 小系统板，包括了s 3 c 2 4 4 0 a 、时钟电路、s 3 c 2 4 4 0 a 电源部分、存储器( s d 删， n a n d f l a s h ) 。底板主要是接口电路，包括t f tl c d 、u s bh o s t 、i i s 、i i c ， 1 0 0 m 网络、串口接口、s p i 、s dc a r d 、i d e 硬盘接口电路。 in a n 。f l a s 卜叫时钟电l i s 。r a m 卜 s 3 c 2 4 4 0 叫电源电i 图2 1硬件系统原理框图 6 冒冒 ，一一。 !_ l 一 一啄一 _ ；- 一 一 j _ i 一 一 一e 一 一 一 ；u 一 一匀一 一 一 - 一系一 一 _ -：面板一一竺茜_j 一 - 一 一 一 王一 一 一 一 一 一o 一 - 一眨h r 上挖一 一 - g 一 - _ 1 _ i ，一西 日日 第2 章系统总体设计方案 2 2 软件方案设计 根据项目的需求，结合嵌入式l 照的开源、可移植性强，强大的网络功 能、应用软件丰富的特点，本系统采用了嵌入式“n u 】【作为操作系统。整个软件 部分包括嵌入式l i 陬操作系统的构建、设备驱动程序编写、调试和测试和应 用程序设计。具体内容如下： ( 1 ) 嵌入式l i n u x 内核移植，包括：引导加载程序( b 0 0 t l o a d e r ) v i 的移植、l i n u x 内核的移植和根文件系统制作。 ( 2 ) 设备驱动程序编写，包括：t f tl c d 、u s bh o s t 、i i s 、i i c ，1 0 m 1 0 0 m 网络、串口接口、s p i ，s dc 触m 、i d e 硬盘等设备驱动编写与测试。 ( 3 ) 由于系统地庞大，本文没有涉及到应用程序的设计。 7 成都理工大学硕士学位论文 第3 章嵌入式l m u xi p 播放器的硬件设计 系统整体设计确定以后，就要根据各个部分的具体功能进行硬件的选型和 设计，主要包括嵌入式微控制器的选择、液晶的选择，输入设备的选择，双声 卡的选择，网络的选择、存储器的选择及地址分配等等。下面就这些问题进行 讨论。 3 1s 3 c 2 4 4 0 a 核心板设计 3 1 1s 3 c 2 4 4 0 a 芯片介绍 s 3 c 2 4 4 0 a 是韩国三星公司的一款基于a r m 9 2 0 t 内核的1 6 3 2 位r i s c 嵌入式微处理器，主要面向手持设备以及高性价比，低功耗的应用。运行的频 率可以达到4 0 0 m h z 。a r m 9 2 0 t 核由a r m 9 t d m i ，存储管理单元( m m u ) 和高速缓存三部分组成。其中m m u 可以管理虚拟内存，高速缓存由独立的 1 6 k b 地址和1 6 k b 数据高速c a c h e 组成。a r m 9 2 0 t 有两个协处理器：c i p l 4 和c p l 5 。c p l 4 用于调试控制，c p l 5 用于存储系统控制、以及测试控制。 s 3 c 2 4 4 0 a 的资源包括： 1 个l c d 控制器( 支持s t n 和t f t 带有触摸屏的液晶显示屏) 。 s d r a m 控制器 3 个通道的u 创 汀。 4 个通道的d m a 。 4 个具有p w m 功能的计时器和一个内部时钟。 8 通道的l o 位a d c 。 触摸屏接口。 i i s 总线接口。 2 个u s b 主机接口，1 个u s b 设备接口。 2 个s p i 接口。 s d 接口和m m c 卡接口。 看门狗计数器。 1 1 7 位通用i o 口和2 4 位外部中断源。 8 通道1 0 位a d 控制器。 摄像头接口 s 3 c 2 4 4 0 a 集成了一个具有日历功能的r t c 和具有p l l ( m p l l 和u p l l ) 第3 章嵌入式l i m l x 口播放器的硬件设计 的芯片时钟发生器。m p l l 产生主时钟，能够使处理器工作频率最高达到 4 0 0 m h z 。 3 1 2 存储器选择 s 3 c 2 4 4 0 a 为a r m 9 2 0 t 内核，采用3 2 位地址总线，所有的地址为字节地 址，地址总线提供4 g b 的线性寻址空间。s 3 c 2 4 4 0 a 的内存总共分8 个b a n k ( n g c s o n g c s 7 ) ，每个b a n k 最大容量为1 2 8 m b ，总容量为l g ，其中 b a n k o b a n k 5 可以与r o m 与s r a m 接口，b a n k 6 、b a n k 7 可以与r o m 、 s l 认m 和s d 洲接口。s 3 c 2 4 4 0 a 内存映射图9 1 如图3 1 所示。 _ m 阿- - 咀坤 - 疃肿_ - _ 电4 - 吨算 _ _ e 芦4 - l 吃呻 自a 口嘲 翟辫群抽6 c 研麓篇翟鬈鬻 ，! 燮， 鞫南蔫甄并l 越s r o m 噶瞻埘 盈霸日目y 啊 为a 目m h 日n a 糖 t 鼠笃肆 佃g 渊 嗣柏s r 渊 z _ 却。嘲嵋c s 磅 s r _ 8 _ b 1 即g 删翱6 刚 h h 心踟 j e t 地 s s r 烈 r 咖 螬曲靠 却6 c s 钾6 恻 s 日嘲s r 翻 t _ 翱。嘲翱g 嘲 r 喇s r _ t _ 蜘。咖朋6 c m i s 秘d t m b 舯g 嘲 陆d t ， s r 翔 埘瞄 图3 1 s 3 c 2 4 4 0 ar e s e t 后内存映射 3 1 3f l a s h 存储器选择 f l a s h 是一种可进行电擦写，掉电后信息不丢失的存储器。它具有低功耗、 大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编程等特点，并且可由内部嵌入 的算法完成对芯片的操作，因而在各种嵌入式系统中得到了广泛的应用。f 1 a s h 主要有n o r f l a s h 和n a n d f l a s h 两种。 n o l 强l a s h 的特点是芯片内执行，这样应用程序可以直接在f l a s h 内运 行，不必再把代码读到系统r a m 中。n o r f l a s h 的传输效率很高，在1 4 m b 的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的 性能。 n a n d f l a s h 结构能提供极高的存储单元密度，并且写入和擦除的速度也 很快。n a n d f l a s h 的单元尺寸几乎是n o r f l a s h 的一半，由于生产过程更 为简单，n a n d f l a s h 结构可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量，也就 9 成都理工大学硕士学位论文 相应地降低了成本。另外从耐用性来看，n a n d f l a s h 中每个块的最大擦写 次数是一百万次，而n o r f l a s h 的擦写次数是十万次，因此n a n d f l a s h 更 具优势。但n a n d f l a s h 也受到位反转和坏块( 由各种原因而引起存储器中的 某块不能被读写) 的影响，所以需要e c c 算法、标记坏快来对这些现象进行相 应处理。n o r f l a s h 主要用来存储程序代码，而n a n d f l a s h 适合于数据 存储。由于本系统选取s 3 c 2 4 4 0 a 芯片作为应用处理器，成本较低的 n a n d f l a s h 就成为该系统f l a s h 的首选。但由于程序不能在n a n d f l a s h 中直接运行，所以需要s d r a m 配合。 f l a s h 存储器是用于装载系统的b o o t l o a d e r 程序、操作系统、数据和应用 程序的核心。本系统中选用了三星公司的n a n d f l a s hk 9 f 1 2 0 8 u o m ，该芯 片的单片存储容量为6 4 m 宰8 位，工作电压为2 7 v 3 6 v 。 ( 1 )s 3 c 2 4 4 0 a 的n a n d f l a s h 控制器与外部的接口信号如下所示： d 7 ：o 】：数据命令地址输入输出端口( 与数据总线共享) c l e ：命令锁存使能 a l e ：地址锁存使能 n f c e ：n a n d f l a s h 片选 l l f r e ：n a n d f l a s h 读使能 n f w e ：n a n d f l a s h 写使能 ( 2 ) k 9 f 1 2 0 8 各引脚的功能介绍： i o 7 ：0 ：数据输入输出端，芯片未选中为高阻态。 v c c ：电源端。 v s s ：地端。 c l e ：命令锁存使能。高电平时，在册e 上升沿将命令发送到命令寄存器。 a l e ：地址锁存使能。高电平时，在胛e 上升沿将地址输入到地址寄存器中。 c e ：芯片选择控制。低电平时器件有效。 瓜e ：数据输出控制；低电平有效时数据送到i o 总线上，列值加l 。 删e ：写使能；i o 口的命令、地址、数据在其上升沿被锁存。 愚伊：写保护。低电平有效，当它有效时，内部的高压生成器将会复位。 刚b ：指示器件的状态。o 为忙，1 为闲：开漏输出。 图3 2 是k 9 f 1 2 0 8 u o m 的接口连接图。 l o 第3 章嵌入式l m x d 播放器的硬件设计 u 7 n c腿 n en c n e ，n c n c n ei 幻6 r f b7 扶 ，诗匠i 烈 撒 n e 、n c n cn c v 贸v 卯落1 昭s n 0 ，n c 艇 b 脏i 伤 栅i 舰 l 溺伊u m ，l 幻口 n e ，n c 磁瞰 n e n cn e 图3 - 2k 9 f 1 2 0 8 u 删的接口连接图 3 1 4s d 洲接口电路设计 与f l a s h 存储器相比较，s d r a m 不具有掉电保持数据的特性，但其操作都 是由时钟作为同步，存取速度大大高于f l a s h 存储器，数据吞吐量更大，且具 有读写的属性。s d r a m 在系统中主要用作程序的运行空间，当系统启动时， m c u 首先从复位地址0 x o 处读取启动代码，在完成系统的初始化后，程序代码 调入s d 洲中运行，以提高系统的运行速度。同时，系统及用户堆栈、运行 数据也都放在s d r a m 中。 s d ra m 具有单位空间存储容量大和价格便宜的优点，已广泛应用在各种嵌 入式系统中。s d 洲的存储单元可以理解为一个电容，总是倾向于放电，为 避免数据丢失，必须定时刷新( 充电) 。因此，要在系统中使用s d 洲，就要求 微处理器具有刷新控制逻辑，或在系统中另外加入刷新控制逻辑电路。 s 3 c 2 4 4 0 a 芯片在片内具有独立的s d r a m 刷新控制逻辑，可方便的与s d r a m 接口。目前常用的s d r a m 为8 位1 6 位的数据宽度，工作电压一般为3 3 v 。 本系统使用的s d r a m 芯片型号是h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 ，存储容量为 4 b a i l k 丰4 m 奉1 6 位，每个b a l l l 【为4 m 字节，b a n k 之间可以通过b a i l k 地址来选 择。封装形式为5 4 脚t s o p ，兼容l v t t l 接口，支持自动刷新和自刷新，1 6 位数据宽度【1 uj 。h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 单片容量为3 2 m b ，系统选用的两片 h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 并联构建3 2 位的s d r a m 存储器系统，共6 4 m b n e 的s d r a m 空间，可满足各应用软件代码的运行要求。图3 3 是s 3 c 2 4 4 0 a 与两片 h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 的接口电路图。 成都理工大学硕士学位论文 a d d r 【14 ：2 】 b a s 3 c 2 4 4 0 a d a t a 【3l ：o 】 s c l k n g c s 6 n c a s 3 n s r a s n c a s 2 h s c a s n w e n w b e 【3 ：o 】d q m 【3 ：o 】 敛2 m 】 d 【1 5 ：0 】 c l k n c sl y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 n s r a s n c r a s n w e l d q m ，u d q m 甜2 m 】 d 【1 5 ：o 】 c l k n c sh y 5 7 v 5 6 16 2 0 n s r a s n c r a s n w e l d q m u d q m 图3 3s 3 c 2 4 4 0 与s d r a m 的接口电路 从图中可以看出，s d r a m 芯片的a 0 脚并没有接在处理器的a 0 地址线上， 这是因为在处理器的存储空间中，字节是表示存储容量的唯一单位。而s d i u m 为3 2 位的时候，它的每一个存储单元都包含4 字节。因此，s d i 认m 的a o 接 到s 3 c 2 4 4 0 a 的a 2 上，其他数据线依此类推。s d r a m 的b a 脚选中内部存储 的块区，其实就是s d r a m 地址的最高位，接到s 3 c 2 4 4 0 a 的a 2 5 a 2 4 上，即 b a o a d d r 2 4 、b a i a d d r 2 5 。 由于3 2 位带宽存储单元的s d r a m 以4 字节为寻址单位，内存访问会忽略 a o 、a l 地址。如果需要访问某偏移量为0 1 ，0 2 ，0 3 的字节单元，就需要借助 d q m ( d a t a m a s k ) 信号的帮助。这2 个引脚接到s 3 c 2 4 4 0 a 的n w b e 线上。 3 1 5 时钟电路设计 时钟电路用于向c p u 及其它电路提供工作时钟。s 3 c 2 4 4 0 a 需要两路时钟 输入：一路是c p u 工作时钟输入，另一路提供给实时时钟l 盯c 电路。根据 s 3 c 2 4 4 0 a 的最高工作频率以及p l l 电路的工作方式，s 3 c 2 4 4 0 a 外部由 1 6 9 3 4 4 m 时钟输入，经内部p l l 倍频到4 0 0 m h z ，同时片内p l l 电路兼有信 号放大和提纯的功能。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所造成的高频噪声。实时时钟r t c 采用通用的 3 2 7 6 8 l 出z 时钟输入。s 3 c 2 4 4 0 a 的工作时钟和实时时钟输入电路原理图如图 3 4 1 2 第3 章嵌入式l i 肿x i p 播放器的硬件设计 1 5 p f 图3 4s 3 c 2 4 4 0 a 时钟电路图 3 1 6 核心板电源电路设计 s 3 c 2 4 4 0 a 核心板的电压需求是1 3 v ( v d d a l i v e ) 和1 3 v ( v d d i 、v d d i a m 、 v d d m p l l 和v d d u p l l ) 和3 3 v 。n a d n f l a s h 和s d r a m 的3 3 v 的供电 直接由地板供给。s 3 c 2 4 4 0 a 芯片的电源配置如图3 5 所示，其中1 3 v 是有电 压转换芯片l t c 3 4 0 4 提供。 由般s v 珏w 3 3 v 1 稿k v 图孓5s 3 c 2 4 4 0 a 的电源配置 s 3 c 2 4 4 0 a 芯片两路1 3 v 电压由采用高效率1 4 m h z 同步降压型稳压器 l t c 3 4 0 4 。l t c 3 4 0 4 是凌力尔特公司( “n e a rt e c l u l 0 1 0 9 yc o 叩o r a t i o n ) 推出 l t c 3 4 0 4 塑封m s 0 p 8 版本。该器件是高效率、1 4 m h z 同步降压型稳压器， 采用恒定频率、电流模式架构。在电压低至o 8 v 时可以提供高达6 0 0 i l 认的 连续输出电流。l t c 3 4 0 4 采用2 6 5 v 至6 v 的输入电压工作，非常适用于单 节锂离子电池或镍氢金属电池应用。l t c 3 4 0 4 具有高达9 5 的效率和仅为 1 0 u a 的静态电流，是需要电池工作时间尽可能长的手持式应用的理想选择。 l t c 3 4 0 4 性能概要： 高效率：高达9 5 非常低的静态电流：工作时仅为1 0 u a 1 3 成都理工大学硕士学位论文 v i n = 3 3 v 时输出电流为6 0 0 i n a 输入电压范围为2 6 5 v 至6 v 以1 4 m h z 恒定频率工作 无需肖特基二极管 低压差工作：1 0 0 占空比 从l m h z 到1 7 m h z 可同步 可选突发模式( b u r s tm o d e ) 工作或脉冲跳跃模式 0 8 v 基准允许低输出电压 停机模式消耗 = 5 ) 输入接口：t t l 6 b i tr g b 2 0 第3 章嵌入式l i n u x 口播放器的硬件设计 供电电压： 3 3 v 背光： 1 c c f l 响应时间( 仃+ t d ) ： 8 + 2 1 m s 工作温度： 3 8 0 存储温度： 3 8 0 显示尺寸( h ： 1 1 5 2 8 6 4 n n 外形尺寸：1 4 4 0 1 0 4 6 1 2 3 i l l l n s 3 c 2 4 4 0 a 内部已经集成了l c d 控制器，因此可以很方便地去控制各种类 型的l c d 屏，例如：s t n 和t f t 屏。s 3 c 2 4 4 0 al c d 控制器的特性： 支持单色、4 级灰度、2 5 6 色的调色板显示模式 支持6 4 k 和1 6 m 色非调色板显示模式 支持分辩率为6 4 0 幸4 8 0 ，3 2 0 宰2 4 0 及其它多种规格的l c d 对于控制t f t 屏来说，除了要给它送视频资料( v d 2 3 ：0 】) 以外，还有以 下一些信号是必不可少的，分别是： v s y n c ( v f r a m e )：帧同步信号 h s y n c ( v l i n e )：行同步信号 v c l k ：像数时钟信号 v d e n ( v m )：数据有效标志信号 图3 1 2 是t f t 屏的典型时序。其中v s y n c 是帧同步信号，v s y n c 每发 出1 个脉冲，都意味着新的1 屏显示信息开始发送。而h s y n c 为行同步信号， 每个h s y n c 脉冲都表明新的1 行显示信息开始发送。而v d e n 则用来标明显 示信息的有效，v c l k 是用来锁存显示信息的像数时钟。并且在帧同步以及行 同步的头尾都必须留有回扫时间，例如对于v s y n c 来说前回扫时间就是 ( v s p w + 1 ) + ( v b p d + 1 ) ，后回扫时间就是( v f p d + 1 ) ；h s y n c 亦类同。 2 l 成都理工大学硕士学位论文 硐粼： 自翻嘲暖 期麟 一 niiin _ - _ - o _ _ _ _ _ _ - _ j _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ - _ _ _ - _ - _ _ _ _ - _ _ _ l - _ _ - ；_ _