（电磁场与微波技术专业论文）双核处理器接口的研究和启动引导的实现.pdf

摘要 电子产品的智能化、集成化的高速发展，推动了嵌入式系统的发展。我们的 生活中已经渗透了各种嵌入式产品，但是来自于工业生产和消费心理的需求，向 i t 行业提出了更高的要求。 本文着重研究了基于t i 公司的d s p 和a r m 双核芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 7 1 所搭 建的a r m 1 x c l i n u x 系统的平台，并论述了实际的硬件接1 2 设计和嵌入式引导实 现过程。 开篇着力介绍了当今的主流技术，系统选型的成因，以及技术发展与应用走 向，并确定了本课题所需解决的关键问题双核芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 7 1 的实际 应用，其外围接1 5 1 的实际连接和调试。本课题通过口电话这一实例模型，按照 存储系统、电源系统、显示系统、以太网接口、编解码这几个模块系统，确定了 模块的接口结构和设置，详细论述了c p u 的接口设计过程和应用；同时，结合 本题的实际应用环境对软件核心p c l i n u x 平台的裁减和移植进行了介绍。针对系 统调试，本题论述了调试环境和必备工具，对启动引导的方案进行了详细论述， 并详细介绍了实施流程和验证方法，最后说明了调试的过程。 本题选用的d s p + a r m 双核芯片，能同时完成高速运算和系统控制功能， 其完善的功能接口和计算能力使实际的应用得以全面覆盖，在实际研究中丰富了 a r m - “c l i n u x 系统的应用，并且进一步体现了智能化集成化的优势和趋势。 关键词：t m s 3 2 0 v c 5 4 7 1 接口双核芯片启动引导嵌入式 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ei n t e l l e c t u a lt e c h n o l o g ya n dt h ec i r c u i ti n t e g r a t i o n ， t h ee m b e d d e ds y s t e mh a sb e e np u s h e dt oa l la d v a n c e ds t e p e m b e d d e dp r o d u c t sh a v e e m b e d d e di no u rd a i l yl i f e ，b u tah i g h e rr e q u i r e m e n tc o m e so u tf r o mt h ei n d u s t r ya n d t h ec o n s u m p t i o na r e a t h i sd i s s e r t a t i o ng i v e sar e s e a r c h o fa r m - i x c l i n u xp l a t f o r mb a s e do nt h e d u a l k e r n e lc h i pt m s 3 2 0 v c 5 4 71f r o mt i t h eh a r d w a r ei n t e r f a c ed e s i g na n ds y s t e m b o o t i n ga r eg i v e ni nt h i st h e s i s t h em a i n l yt e c h n o l o g yr e f e r r e da n dt h ea p p l i c a t i o nt r e n di sf n s t l yi n t r o d u c e di n t h et h e s i s t h e nt h ek e yp o i n to ft h i st h e s i st or e s o l v ei ss e t t l e dd o w n ，w h i c hi st h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h et m s 3 2 0 v c 5 4 7 1a n dt h ep e r i p h e r a li n t e r f a c es e t t i n ga n d t h ed e b u g g i n g b a s e do nt h ei pp h o n em o d e l ，t h ep l a t f o r mi sc o n s t i t u t e db yf u n c t i o n a l m o d u l e sa sm e m o r y , p o w e r , d i s p l a y , e t h e m e t ，c o d e c t h ed e t a i la r c h i t e c t u r eo fe a c h b l o c ki sd e f m e da f t e rr e s e a r c h a l s o ，t h ei n t e r f a c ef r a m ea n dt h ei n t e r f a c ea p p l i c a t i o n b a s e do nt h ed e s i g ng u i d e l i n ea r eg i v e n m e a n w h i l e ，c o m b i n e dt i g h t l yw i t ht h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o ne n v i r o m e n t ，t h e r ei sa ni n t r o d u c t i o na b o u tt h er e d u c t i o na n d p o r t i n go fi t c l i n u xs y s t e m a g a i n s tt os y s t e md e b u g g i n g ，t h i st h e s i si n t r o d u c e st h e e n v i r o n m e n ta n dt h et o o l s ，a n dt h ed e t a i l so fb o o t i n gi sg i v e na l s o a f t e rd e s c r i p t i n g 也ef l o wa n dp r o c e s so fb o o t l o a d e r , t h em e t h o do ft e r r i f i c a t i o na b o u ts u c c e s sb o o t i n g i sn o t e d l a s t l y , t h es y s t e md e b u g g i n gp r o c e s si sg i v e n t h ed u a l - k e r n e ld s p + a r mc h i pw o r k i n gi nt h ep r o j e c tp e r f o r m ss i m u l t a n e o u s l y w e l lo nh i g hs p e e dc a l c u l a t i n ga n ds y s t e mc o n t r 0 1 i t si n t e g r a t e di n t e r f a c ea n d p r o c e s s i n ga b i l i t yc o v e r sa l lt h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t so fa p p l i c a t i o n i nt h i sp r o j e c t t h ea p p l i c a t i o no fa r m 一 - t c l i n u xp l a t f o r mh a sb e e np r o m o t e d ，a n dt h ed u a l - k e r n e l a p p l i c a t i o nr e f l e c t st h et r e n da n da d v a n t a g ei ni n t e g r a t i o na n di n t e l l i g e n t k e yw o r d s ：t m s 3 2 0 v c 5 4 71 ，i n t e r f a c e ，d u a l k e m w l ，b o o t l o a d e r , e m b e d d e d s y s t e m 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘鲎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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：7 年月弓d 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕鲞盘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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：7 弓集 导师签名： 茹雾痧 签字日期：斯7 年，月弓。日签字日期：z 7 年月；p 日 第一章绪论 1 1 课题背景知识 第一章绪论 本课题是基于1 r i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 7 1 ( 以下简称v c 5 4 7 1 ) 双核处理器进 行v o l p 电话的终端设计。v o l p 电话，即v o i c eo v e ri n t e m e tp r o t o c o l ，即基于网 络协议传输语音。使用v o p ，呼叫方通过互联网基础设施直接拨打电话，并通 过计算机上的相同d 包数据流接听电话。我国目前v o i p 主要的商业运作模式有 两种，一是完全依赖于i n t e m e t 的虚拟v o d ，主要业务形式是语音聊天室和即时 通讯的语音聊天功能；二是以电信网为基础的传统v o l p ，主要业务形式是电信 运营商提供的口电话业务。而本文所研究的v o p 终端，是用户可以直接实现 p h o n e - - - - p h o n e 这样的语音传输。在政策开放之后，这样的产品将拥有广阔的市 场。 在三网融合的政策导向逐步推进之下，口电话和口t v 的方案和产品已逐渐 出现并开始试行推广。通过互联网传输语音和图像数据成为现代通信重要特点。 v o l p 终端使得语音传输通过以太网接口实现，不需要再借助p c 机。同时，t i 公司推出的双核芯片在控制以运算领域具有很大的实际意义。这种控制+ 运算的 双核模式，既满足了嵌入式系统中实施控制的需要，又满足了数据高速传输的需 求。双核系统的功效，远大于两个单核系统。本文主要论述嵌入式系统中v c 5 4 7 1 和外围芯片的接口电路和启动引导的实现部分。 1 2 嵌入式系统概述 关于嵌入式系统的准确定义，各有说词，但它不外乎就是基于计算机系统控 制的有特定应用功能的系统，并且用户不可自行更改程序。特定的应用功能，决 定了嵌入式系统开发过程中“面向应用，以应用为中心 的特点，这也是它飞速 发展的原因晦需求转化为工业产品。同时它的计算机系统又不同于通用计算 机。作为现代计算机两大分支之一，嵌入式系统与通用计算机系统有着完全不同 的技术和发展方向。相对于后者高速海量的处理筛选信息能力，前者着重于对象 的智能化控制以及可靠性。目前所有微处理器中，有2 用于制造p c ， 9 8 用 于制造嵌入式c p u 。嵌入式系统的发展使得更多的细节在人们的掌握之中。同 第一章绪论 时，它也在工业机器入、医药设备、电话系统、卫星、飞行系统等领域扮演了一 个更为重要的角色。 1 2 1 发展现状 嵌入式的发展，是由逻辑控制器件和计算机两个体系的迅速发展而最终推动 的产物。一方面，工艺的改进，使逻辑控制器件的集成度大大提高，计算机风潮 的普及，也推动了人们观念的进步，于是，从单片机到片上系统，从电路集成到 系统集成，从8 位到6 4 位，嵌入式进入全速发展时期，各厂商也在片上系统上 加大研发力量，为嵌入式系统的发展不断铺平道路。 嵌入式产品的特点主要是面向对象，系统可裁减，功耗低。嵌入式系统有多 种分类方法，而根据实时特性可分为三类：非实时系统，软实时系统，硬实时系 统。非实时系统要求可靠性，最终处理任务得到正确结果即可；软实时系统容许 一定的延时，比如自动取款机；硬实时系统要求及时响应，比如汽车上的诸多自 动控制应用。根据这些不同的对象特性，开发的系统时候，要求也有所不同。 目前主要的嵌入式处理器技术提供厂商有a r m 、m i p s 、p o w e r p c 、s p a r c 。 其中a r m 公司的主要方向是设计先进的数字产品核心应用技术，其应用领域涉 及：无线、网络、消费娱乐、影像、汽车电子、安全应用及存储装置。a r m 提 供广泛的产品，包括：1 6 3 2 位r i s c 微处理器、数据引擎、三维图形处理器、 数字单元库、嵌入式存储器、外设、软件、开发工具以及模拟和高速连接产品。 m i p s 技术公司则是一家设计制造高性能、高档次及嵌入式3 2 位和6 4 位处理器 的厂商。在通用方面，m i p s 的r 系列微处理器用于构建s g i 的高性能工作站、 服务器和超级计算机系统。在嵌入式方面，m i p sk 系列微处理器是目前仅次于 a r m 的用得最多的处理器之一( 1 9 9 9 年以前m i p s 是世界上用得最多的处理器) ， 其应用领域覆盖游戏机、路由器、激光打印机、掌上电脑等各个方面。p o w e r p c 最初由m o t o r o l a 与m m 联手打造的用于苹果机的p c 处理器，现在其嵌入 式产品主要为家庭娱乐、游戏、w e b 应用和自助信息亭解决方案的开发人员提供 一些经济灵活的方式，用于开发高性能系统。s p a r c 处理器是由s u n 和t i 公 司合作开发的，它最突出的特点就是它的可扩展性，这是业界出现的第一款有可 扩展性功能的微处理。 在嵌入式处理器厂商的i p 授权之下，第三方厂商也致力基于i p 核推出自己 进行设计的芯片和产品。藉由采用i p 授权取得技术的方式来研发产品，就成了 这几年逐渐崛起的一种新的设计思维。a r m 和m i p s 就分别于2 0 0 2 和2 0 0 5 进 入中国市场，与国内厂商开展广泛合作，a r m 的i p 核已授权华为、大唐、中兴、 珠海炬力已获得m i p s 的技术授权。各路厂商，协同市场需求，在推动嵌入式系 第一章绪论 统的大力发展。 应用了嵌入式系统的电子产品，我们称为嵌入式设备。当代嵌入式系统的应 用范围之广，让我们以一个登山者为例，在他进行“攀登”这样一种远离现代文 明的偏远山区进行的活动中，他所要用到的嵌入式设备，如此之多：夜间行进的 头灯，用于联络的对讲机，测量海拔高度和气压的手表，攀登时进行定位的g p s 定位系统，卫星电话，雪崩信号发生器。下面，我们就来分析一下嵌入式系统和 嵌入式产品的体系结构。 1 2 2 体系结构 嵌入式系统将将嵌入了软件的计算机硬件作为其最重要的一部分系统。作为 专用于某个应用或者某个产品的计算机系统，它可以是一个独立的系统，也可以 是一个大系统的子系统。嵌入式系统通常由3 部分构成： 1 硬件 2 主应用软件 3 。实时操作系统 下图是嵌入式系统的硬件结构图。由于对智能控制的升级，通过网络进行数 据传输或者远程操作，同时国家也对三网融合的规划大力促进，网络接口已成为 嵌入式系统的重要组成部分。 电源 复位 晶振电路 用户界面 微控制器网络接口 存储模块 图1 1嵌入式硬件框图 嵌入式应用软件是针对特定应用领域，基于某一固定的硬件平台，用来达到 用户预期目标的计算机软件。由于用户任务可能有时间和精度上的要求，因此有 些嵌入式应用软件需要特定嵌入式操作系统的支持。嵌入式应用软件和普通应用 软件有一定的区别，它不仅要求其准确性、安全性和稳定性等方面能够满足实际 应用的需要，而且还要尽可能地进行优化，以减少对系统资源的消耗，降低硬件 成本。 实时操作系统( r t o s ) 用来管理应用软件，并提供一种机制，使得处理器在 第一章绪论 一次进程调度时运行一个进程，并在各个进程( 任务) 之间进行上下文切换。r t o s 定义了系统工作的方式，它将对资源访问组织称为系统的任务序列。同时，它按 照计划控制延迟并满足最后期限，从而调度任务的执行。在这里，延迟是指运行 一项任务的各段代码之间，以及任务发生所需要的等待周期。它在执行运用软件 的过程中制定规则。小型嵌入式系统可能不需要操作系统，但是目前智能化的应 用，使得操作系统的使用日益普及。操作系统的主要功能是：进程管理，存储管 理，设备管理，文件系统管理，用户界面。 1 2 3 嵌入式系统的分类 基与以上嵌入式系统的组成，嵌入式系统可分为以下几类： 1 ，小型嵌入式系统 这些系统采用一个8 位或者1 6 位的微控制器实现核心控制，硬件和软件复 杂度很小，需要进行板极设计。它们甚至可以是电池驱动的。当为这些系统开发 嵌入式软件时，主要的编程工具是所使用微控制器或者微处理器的专用编辑器， 汇编器和交叉编译器。通常用c 语言或者汇编语言来开发这些系统。汇编语言 对于直接控制接口方便快捷，可直接放到存储器中。c 语言被编译为汇编程序， 然后将可执行代码存放到系统存储器适当位置。为了满足系统连续运行时的功耗 限制，软件必须放置在存储器中。 2 中型嵌入式系统 这些系统是采用1 6 位或者3 2 位的微控制器、d s p 或者精简指令集计算机 ( 砒s c ) 设计的，硬件和软件的复杂度都比较大。对于复杂的软件设计，可使 用如下编程工具：r t o s 源代码设计工具，模拟器，调试起和集成开发环境( i d e ) 。 软件工具还提供了硬件复杂性的解决办法。汇编器此时作为编程工具来说，用处 不大。这些系统可以利用处理器厂商提供的技术来解决一些问题，例如总线接口， 加密，解密，离散余弦变换和逆变换，t c p i p 协议栈和网络连接功能，这些功 能对于目前嵌入式系统的开发来说非常重要。当然这些功能有些需要硬件电路的 辅助配置以及软件的配置完成。本文主要完成基于这种嵌入式系统的一种具体应 用。 3 复杂嵌入式系统 复杂嵌入式系统的软件和硬件都很难，需要可升级的处理器或者可配置的处 理器和可编程的逻辑阵列。它们用于边缘应用，在这些应用中，需要软件协同硬 件进行设计，并且都集成到最终的系统中，然后它们却都受到硬件单元所提供的 处理器速度的限制。为了更好的提高运行速度从而更好地运用实时性，可以在硬 件中实现一定的软件功能，例如加密和解密算法，离散余弦变换和逆变换，t c p i p 第一章绪论 协议和网络驱动功能。系统中某些硬件的功能也可以用软件来实现。这些系统的 开发工具要么十丹昂贵，要么根本不存在。有时候，必须为这些系统开发编译器 或者开发可重定目标的编译器。重定目标编译器即一种可以根据系统中给定的 目标配置进行配置的编译器。 1 0a r m u c l i n u x a r m ”1 处理器是世界先进的处理器技术提供商，3 2 位a r m 嵌入式处理器具 有高性能、低轼耗的特性，己被广泛应用于消费电子产品、无线通信和网络通信 等领域。g c l i n u x 是专门为无m m u 处理器设计的嵌入式操作系统，支持a r m 、 m o t o r o l a 等微处理器。日前国内外采用a r m u c l i n u x 作为嵌入式系统非常普遍。 本课题亦基于双核处理器芯片的应用提出了这种嵌入式系统设计方案。下面将要 讨论的a r m 推出的技术可以支持并简化l _ 23 节中提到的中型嵌入式统的部分 设计功能。 1 3 1a r m 处理器及新技术 目前的主流的嵌入式系统，阻8 位和1 6 3 2 位为主，作为s o c 的典型应用， 移动电话、机顶盒、数码像机、g p s 、个为数字助理以及因特网设备等产品的市 场需求越来越太。目前，基于a r m 的处理器以其高速度、低功耗等诸多优异的 性能而成为上述各类产品中选用较多的处理器。在e n d c h i n a 2 0 0 5 年的调查 报告中，对于嵌入式开发者的调查中。他们所选择芯片构架调查结果如下图所示。 图1 - 2 e d n c h i n a 调查报告 a r m 公司是主要的嵌 式处理技术提供商，技术上的不断突破和开发，使 a r m 能够保持市场份额的根本原因。在下表中我们来回顾一下a r m 的技术发 m ? 晰 第一章绪论 展过程。 表1 1a r m 处理器技术发展年表 1 9 9 1首个r i s c 3 2 位嵌入式核心a r m 6 1 9 9 3提出删7 处理器 1 9 9 5在1 6 位系统上执行3 2 位r i s c 1 9 9 6 a r m 8 1 0 处理器发布 1 9 9 8提出删9 1 0 9 2 0 方案针对、聃n c e 2 0 0 0针对j a 、，a 提出j a z e l l e 技术 2 0 0 1发布a r m v 6 构架 2 0 0 2发布a r m l l 2 0 0 3a m b a 3 0 ( a x i ) 技术发布 2 0 0 4c o r t e x m 3 发布并开创一个新系列c o r t e x 2 0 0 5 c o r t e x - a 8 发布并当选2 0 0 5 最佳处理器 2 0 0 6a i 蝴l17 6 j z f s 处理器突破7 5 0 m a r m 推出的最新产品c o r t e x 系列，展示了其为需要强大的数字信号处理以及 控制能力的下一代手机、媒体播放器以及全新便携式设备提供的先进技术。 c o r t e x a 8 处理器中所运用的各种技术，代表了a 1 w 公司在技术开发上的方向， 以及未来嵌入式产品的设计和应用方向。这些关键技术包括，t h u m b 2 指令集的 推出，j a z e l l e 技术的完善，t m s t z o n e 的广泛推行，n e o n 技术和a x i 总线技术的 开发。 t h u m b - 2 完全可以代替t h u m b 和a r m 指令集。它有些类似a r c o m p a c t 或摩 托罗拉的6 8 k ，可以无需模式切换就运行1 6 位与3 2 位混合代码，原先t h u m b 模式的限制再也没有了。总的来说，t h u m b 2 提供的代码压缩效率要略差，但其 性能损失也较小。 j a z e l l er c t 是a r m 推出的第三代j a v a j 3 f l 速技术，是为了最佳化j a v a 在影片、 图像档案上的特长所开发。该技术主要应用在j a v a 手机及消费电子等多项产品之 中，其中最大特点在于对实时( t ) 和动态调适编译( d a c ) 提供最优化，同 时减少内存占用空间高达三倍。从而减少了存储器与处理器之间传送数据的次 数，降低了功耗。 t r u s t z o n e 是一种关键授权技术，主要是针对诸如移动电话、p d a 、机顶盒 等运行开放操作系统的电子消费品。此技术在同一个系统中为安全数据作上标签 然后进行划分，并且在硬件上对安全信息和非安全信息进行清晰的区分。这一区 分使得安全的代码和数据不需要再被编译就可以在操作系统中进行执行，同时不 第一章绪论 容易受到攻击。 n e o n 技术一种新的媒体信号处理技术。该技术是6 4 1 2 8 位单指令多数据 流指令集，支持8 位、1 6 位、3 2 位、6 4 位整数及单精度浮点s i m d 操作，并且 该技术有指令集，独立寄存器和可独立执行的硬件，可灵活地实现多种视频编 解码、三维图像、语音处理、音频解码、图像处理和基带功能。通过独立流水线 和寄存器操作，该结构是无缝结合的最理想结构。 a x i 总线是一种多通道传输总线，将地址、读数据、写数据、握手信号在不 同的通道中发送，不周的访问之间顺序可以打乱。主设备在没有得到返回数据的 情况下可发出多个读写操作。a r m 原来的处理器结构中使用的a h b 总线是双 向总线，有两套数据线，但它并没有充分利用这两套数据线来同时传输数据，以 提升总线带宽。但a x i 总线就充分利用了总线的带宽，理论上使总线带宽提高 了一倍。 1 3 2p c l i n u x l i n u x 是在9 0 年代初出现，近几年渐受欢迎的操作系统，其最大特点是开 放源代码。它原本被设计为桌面系统，现在广泛应用于服务器领域。而在嵌入式 系统的领域中，l i n u x 逐渐成为新的热点。 i _ t c l i n u x 即是目前嵌入式l i n u x 中最流行的一种。i t c l i n u x 是m i c r o - - c o n t r o l l i i l u x 的缩写，字面上的理解就是“针对微控制领域而设计的l i n u x 系统”，它 和标准的l i n u x 的区别，也即l a c l i n u x 的小型化体现在以下几点： 首先，i _ t c l i n u x 不支持m m u ( 内存管理单元) ，这是它最显著的特征。i - t c l i n u x 采用实存储器管理策略进行存储器的分页管理，这有别于标准l i n u x 使用的虚拟 存储器技术，从易用性上来说是一种倒退，因为这对开发人员提出了更多的要求。 但是m m u 需要相应的硬件支持，而在嵌入式系统中出于成本和应用的考虑，许 多微控制器并没有相应支持m m u 的硬件，所以没有m m u 并不影响许多嵌入式 系统选择i t c l i n u x 操作系统。 其次，i t c l i n u x 默认文件系统为r o m f s ，相对于标准l i n u x 一般采用的e x t 2 文件系统要求更少的空间，这主要体现在两个方面，一是内核支持r o m f s 文件系 统所需的代码相对更少；二是r o m f s 本身比较简单，在建立文件系统超级块时所 需存储空间较小。但是r o m f s 不支持动态擦写保存。 再次，i _ t c l i n u x 重写了程序库，对标准l i n u x 日益庞大的应用程序库和驱动 程序库做了相应的删改。值得提的是，i - t c l i n u x 对程序库采用静态连接的形式， 这是由l a c l i n u x 内存管理形式决定的。 由此，l a c l i n u x 的容量有了大幅度的减小，整个操作系统的代码甚至小于9 0 0 第一章绪论 k 。即使如此，l l c l i n u x 仍然保持了l i n u x 的主要优点，如稳定性，强大的网络 功能和出色的文件系统支持等。l l c l i n u x 已经成功移植到大部分嵌入式处理器 中。 1 4 双核芯片 双核芯片是指在同一个芯片上面，有两个同时运行的独立处理器。双内核技 术意味着单一芯片可以负载更多工作，其计算能力要比单内核芯片强大得多。在 单一芯片上，可以不断提高其主频来获取强大的计算能力，但是功耗和散热等多 重问题难以解决。随着功耗的上升，超快单核芯片的冷却代价成本也越来越高， 它要求采用更大的散热器和更有力的风扇，以保持其工作温度。相对来说，利用 双核方案，既可以继续改善处理器性能，又可以暂时避开功耗和散热难题，双核 处理器的吞吐量也要高于一个速度略快的单核处理器。 m m 于2 0 0 1 年推出第一款双核芯片p o w e r 4 ，但是它是基于非x 8 6 系列的， 被用于m m 的r i s c 服务器中。随后，s u n 和惠普( 皿) 都先后推出了基于双核架 构的u 1 t m s p a r c 以及p a 王u s c 芯片。只不过由于这些产品都是基于u n i x 架构， 同时价格高昂，所以没有能够大范围进入普及应用。从2 0 0 4 年开始，a m d 和i n t e l 宣布了双核计划，并陆续推出产品。以上这些产品基本上都是基于p c 的应用， 它们的特点是由于受到两个核之间共享资源的拖累，双核处理器性能只能够达到 单核的1 4 1 8 倍。 在嵌入式的应用中，t i 公司很早就将d s p + m c u 架构应用于数字手机基带 处理，并以之为核心成功推出g s m 芯片组。除了拥有p c 上的双核芯片的低功 耗和大吞吐量的特点，这种双核结构不单单是两个处理器的集成，而是突出了他 们各自的特点和用途：数字处理和控制管理。本题所选用的t m s 3 2 0 v c 5 4 7 1 芯 片就属于这种构架：d s p 完成语音压缩编码的工作，a r m 完成控制部分的工作。 在下面的章节，会对此结构以及双核芯片的资源共享进行详细的介绍。 1 5 嵌入式发展趋势 近十年来，嵌入式操作系统得到飞速的发展：微处理器从8 位到1 6 位、3 2 位甚至6 4 位；从支持单一品种的c p u 芯片到支持多品种的；从单一内核到双核 到除了内核外还提供其他功能模块，如文件系统，t c p i p 网络系统，窗口图形系 统等；并形成包括嵌入式操作系统、中间平台软件在内的嵌入式软件体系。硬件 技术的进步，推动了嵌入式系统软件向运行速度更快、支持功能更强、应用开发 第一章绪论 更便捷的方向不断发展。处理速度的增加，功能模块的进一步集成，是嵌入式的 发展趋势之一。 随着i p v 6 研究的进展，将会给越来越多的设备的网络连接提供了可操作i p 地址，使得嵌入式设备的网络接入的研究和应用，具有强大的实际意义。基于嵌 入式系统开发出的标准通信接口将日益普及。 s o c 技术是微电子技术发展的一个新的里程碑，并已成为当今超大规模i c 的 发展趋势，为i c 产业提供前所未有的广阔市场和难得的发展机遇。迅猛发展的 s o c 工业再次地推进了嵌入式软件与硬件系统进一步融合嵌入，嵌入式软件是其 灵魂与核心。s o c 技术的出现，改变了传统嵌入式系统的设计观念，基于p 构件 库的设计技术将成为嵌入式系统设计的主流，具体可参见1 1 2 节关于嵌入式i p 提供商的论述。 总之，如1 3 1 节中提到的a r m 新技术，更低的功耗、更强大的功能、更 便捷的操作、更方便于携带，是嵌入式的发展趋势。而本题所研究的基于双核芯 片的终端设计，均体现出了这些方面，所以在实际的应用上具有参考价值和代表 方向。下面，具体介绍本课题主要完成的任务以及章节安排。 1 6 本文主要工作以及内容安排 本系统主要介绍了本人对基于使用1 r i 公司t m s 3 2 0 v c 5 4 7 1 双核芯片的 a r m - 肛c l i n u x 嵌入式系统的v 0 口电话终端设备的研究开发工作。主要内容包 括：在前人工作的基础上，对已初步完成模块设计的p c b 板进行了进一步的测 试和完善，并对网络变压器、电源稳压等模块的连接进行了改进；对v c 5 4 7 1 的 接口进行了深入地研究并针对本系统进行了相应的设置和大量仿真调试工作；接 下来的工作是对实现系统功能的软件平台的修改调试以及对功能实现流程的梳 理；最后，通过对硬件接口和系统资源的合理配置，完成了操作系统的移植并成 功实现了系统的启动引导。 下面各章将依次介绍系统硬件平台及对应模块的处理器接口；软件平台及启 动引导的实现；仿真调试过程。 第二章a r m g c l i n u x 的硬件平台及接1 2 1 设置 第二章a r m g c l i n u x 的硬件平台及接口设置 v o i p 电话终端功能的基本运行过程为：( 人机交互) 语音输入一编码一发送 i p 数据包一网络传送一接收数据包一解码输出( 人机交互) 。根据功能实现和 实际调试的需要以及1 2 2 节嵌入式结构的基本构造，本系统分为如下几个功能 模块。 图2 1i p 电话终端结构 为了使上述系统功能均能得到实时处理，综合考虑a r m 处理器流水结构和 d s p 处理器的强大数据处理功能，t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 7 l 【2 】芯片采用 a r m + d s p 双核处理器芯片，具有速度高、功耗低( 在1 0 0 m i p s 时为6 0 r o w ) 等 特点，满足i p 电话终端的需要，因此选用此芯片作为本系统的核心处理器。片 内集成一个基于t m s 3 2 0 c 5 4 x 3 1 系列架构的d s p 子系统内核和一个基于 t m s 4 7 0 r l x 系列架构的a r m 7 t d m i 子系统内核。双核处理器中，a r m 7 t d m i 核担当微控制器的功能，处理从按键输入到显示等工作：d s p 核负责编码、解码、 纠错、回音消除及诸如此类的工作。1 6 位宽的d s p 核运行速度可达1 0 0 m h z ， 3 2 位宽的a r m 核运行速度可达4 7 5 m h z 。下面先简要分析t m s 3 2 0 v c 5 4 7 1 的 内部结构。如图2 2 所示，v c 5 4 7 1 体系结构是基于一个双内核处理器和一些应 用外设建立起来的，这些应用外设以存储映射的方式映射到a r m 存储器空间中。 v c 5 4 7 1 自带的接口模块1 4 1 将为外围电路的搭建提供便利，对于接口和外围电路 的设计，以及针对本系统的应用对接口寄存器的配置，本章后面会作详细介绍。 圆 圈囤 第二章 r m - n c l 抽的硬件平台及接口设置 f 蛔i - b n w 蕊一 n 篇一m a c m m a “c h i n e c 。l e j 图2 2t m s 3 2 0 v c 5 4 7 1 内部结构 2 1 存储模块及其接口设置 一 h ， 一 ， 存储模块提供数据和程序运行和存储的空间。而对于不同的功能，所需要的 存储芯片的性能不同，下面针对本系统用到的几种存储器作详细介绍。v c 5 4 7 1 没有内部r o m 选用s i l i c o ns t o r a g et e c h n o l o g y 公司的s s t 3 9 v f l 6 0 8 作为操 作系统存储空问，用于装载裁减过的内核和启动引导程序。s s t 3 9 v f l 6 0 是一个 i m x l 6 b 的f l a s h 器件，单电压的读和写操作，电压范围3o 一36 v 。本系统选用 其4 8 脚t s o p 封装形式。而v c 5 4 7 1 有3 2 位数据总线d a t a 0 一d a t a 3 i 2 3 位地址总线a d d 0 一a d d 2 2 ，为得到位宽3 2 b i t 的数据总线，系统需要用两片 s s t 3 9 v f l 6 0 并联，一片作为低位的1 6 b i t ，一片作为高位的1 6 b i t 分别与v c 5 4 7 1 对应的数据总线相连。 在本系统中，内核被装载后，系统上电时，会从o x 0 0 0 0 地址开始执行程序， 实现f l a s h 中的启动引导程序功能。然后操作系统开始工作。但是由于f l a s h 中 的存取速度不能满足系统的需要，需要将操作系统搬移至s d r a m 中运行。本系 统选用的s d r a m 芯片为4 m x l 6 b 的h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 t ”，为了得到3 2 位的数据， 此芯片也需要两片并联。与f l a s h 存储器相比较，s d r a m 不具有掉电保存数据 的特性，但其存取速度大大高于f l a s h 存储器，且具有读写的属性。因此，s d r a m * 叫嚣：盹 三 】l | 第二章a g m - c l i n u x 的硬件平台及接口设置 在系统中主要用于程序的运行空间、数据交换区及堆栈区。s d r a m 具有单位空 间存储容量大价格便宜的优点，已广泛应用在各种嵌入式系统中。v c 5 4 7 1 有专 门的s d r a m 接口，它是一个功能独立的模块，在2 1 2 节会作详细介绍。 而对于d s p 芯片要完成的编解码功能，通过其自带r a m 完成，1 6 k 的 d a r a m 可实现一个机器周期双读写存取。出于数据任务量的考虑，扩展6 4 k 1 6 b i t 的d s p 程序空间，以芯片h y 6 2 u f l 6 1 0 1 c t 7 】实现。 本系统中存储模块的实际引脚连接图如2 3 所示。 uc p u c p u s c h d o c 图2 - 3 存储模块的连接 对于三种存储芯片的操作时间，作如下比较： f l a s hs s t 3 9 v f l 6 0 快速读访问时间：7 0 n s 9 0 n s 第二章a r m p c l i n u x 的硬件平台及接口设置 s d r a mh y 5 7 v “1 6 2 0 突发模式读写：2 0 n s s r a mh y 6 2 u f l 6 1 0 15 5 1 0 0 i l s 由以上对比可以看出，s d r a m 在其高达1 0 0 m 的工作频率下，可以配合 a r m 完成高速控制处理的需要，s 洲可以胜任与d s p 协同处理编解码过程。 下面将根据处理器接口和内部构造，具体讲解存储模块的连接和功能的实现过 程，以及在系统初始化时需要进行的设置。 2 1 1a r m 存储器接口与f l a s h 的连接与设置 如图2 2 中所示，v c 5 4 7 1 结构中的a r m 部分的m e m i n t 是a r m 子系统 存储器接口，与它相连的是2 片f l a s h 。如图2 3 ，f l a s h 的低位片写使能w e 与 v c 5 4 7 1 的字节使能输出控制b e 。相连，高位片写使能w e 与v c 5 4 7 1 的字节使 能输出控制b e ，相连。两片f l a s h 的片选信号c e 均与v c 5 4 7 1 的片选信号c s 。相 连，使能信号控制端o e 与v c 5 4 7 1 的o e 端相连。a o 2 1 和d 0 3 1 是a r m 子系统的地址线和数据线。在前文已说明了对f l a s h 选型的原因，下面针对本系 统所搭建的平台，介绍m e m i n t 模块负责管理的事务和需要进行的寄存器设置： 1 管理外部a r m 存储器的存取，即两片s s t 3 9 v f l 6 0 根据存储器宽度自适应地调整a r m 读和写访问的字宽。v c 5 4 7 1 的a r m 子系统采用的是3 2 位的a r m 指令集，于是地址需要采用字对准，即每条指令 占4 个字节，取下一条指令时p c 指针加4 。 控制a r m 的访问周期( 插入等待状态) 以便与慢速的存储器设备连接。 这解决了本系统中f l a s h 的9 0 n s 的访问速度与v c 5 4 7 1 的2 0 n s 的机器周期之间 的访问速度匹配。 用5 个片选信号产生存储器的控制信号c s 。s 。，每个片选信号对应 8 m b 的地址范围。地址映射分布如表2 1 所示。 在本系统中，v c 5 4 7 1 的2 3 条地址线可寻址22 3 = 8 m 字节空间，其中c s 。与 f l a s h 的片选信号相连，将f l a s h 的地址映射到a r m 内核从o x 0 0 0 0 0 0 0 0 到 0 x 0 0 3 f f f f f 的4 m 字节的地址空间。地址信号c s 。和c s ，未用，悬空。 c s ，r o m s i z e 和c s 。b i g e n d 在本设计的复位系统中作为配置引脚，决定系 统的工作模式。c s ，r o m s i z e 决定v c 5 4 7 1 访问f l a s h 时的位宽，该引脚为低 时为1 6 b i t ，高时为3 2 b i t ，由2 1 节中对f l a s h 选型的论述知，本系统中此引脚置 为高。c s 。b i g e n d 决定存储器的存储方式，低电平时为小端存储格式，低地 址中存放的是字数据的低字节；高地址中存放的是字数据的高字节；高电平时， 为大端格式，与之存放的高低字节相反。本系统选用小端模式进行设计，c s 。置 为低电平。在复位信号r e s e t 的上升沿，v c 5 4 7 1 会对c s ，和c s 。进行采样， 第二章删一p c l i n u x 的硬件平台及接口设置 从而获得硬件设置，检验相应寄存器中的设置。 表2 1 内存地址映射 n a m es t a r ta d d r e s s s t o pa d d r e s s s i z e i nb y t e sd a l aa c c e s s c s oo d o b o 00 0 7 f ：f f - - =8 p 8 1 6 改 商o c o o o o。：f ：f ；f f8 m 町1 6 舰 c s 20 1 0 0 ：0 0 0 0 0 1 t f ：f f f 。8 m 8 ，1 6 7 3 2 c s 30 18 0 ：0 0 0 = ： = f f8 8 1 6 l 3 2 c s 4 0 2 0 0 ：o o o o0 2 7 ff f ：8 梯8 ，1 6 兄2 r e s e r v e d0 2 舳：0 0 0 08 f f f ：f f f f s d r a mc s1 0 0 0 ：龇 1 1 f f ：f f f f 3 2 m8 j 1 6 3 2 r e s e w e d 2 0 0 ：0 0 f f b ff f f f i n t e f f l a i s r a mf f c 0 0 0 0 cf f c o3 f f =1 6 k8 1 1