（电路与系统专业论文）嵌入式led显示屏控制系统的研究与实现.pdf

摘要 近年来，l e d 显示屏作为一种高科技显示产品日益引起人们的重视。l e d 显示屏具有 响应速度快、亮度高、显示稳定且寿命长等多种优点，被广泛地应用于商业广告、体育比赛、 交通等诸多领域。l e d 显示技术涵盖了微机控制、视频、光学、机械和数字图像处理等多 种技术。针对现有l e d 显示系统数据传输和显示存在的问题，本文介绍了一种基于嵌入式 系统和可编程逻辑器件l e d 显示系统方案。 本系统的主控部分采用了a r m + l i n u x 架构的嵌入式开发平台。a r m 芯片采用先进的 r i s c 体系架构，配以一定容量的c a c h e ，使得指令执行速度比普通单片机高一个数量级， 采用s d r a m 作为系统内存提高运行速度，提供多种外设接口增强系统设计的灵活性。嵌入 式操作系统的使用，可以更有效的管理系统资源的分配，通过其高效的调度算法，使得整个 系统的软件设计可以采用多任务的方式来实现，极大的提高了系统的运行速度和可靠性。嵌 入式系统可以在运行速度、存储容量、通讯方式和单任务程序低效性等方面很好的提高系统 的性能。系统的l e d 显示屏扫描部分选用可编程逻辑器件来实现。可编程逻辑系统具有高 集成度、高速度、高可靠性、在线编程( i s p ) 等优点，适合用于实现显示屏的扫描驱动。 本文首先介绍了构建嵌入式开发平台的主要硬件电路设计，主要包括以太网接口电路和 c f 卡接口电路等。然后详细的介绍了嵌入式l i n u x 操作系统在a r m 微处理器上的移植过 程。接着，本文讨论了嵌入式l i n u x 下基于t c p 协议的网络传输的软件开发和嵌入式串口 程序开发。由于l i n u x 内核不含c f 卡驱动程序，本文研究了l i n u x 下c f 卡设备驱动程序 的实现方法。接着，本文介绍了基于f p g a 的2 5 6 级灰度扫描实现方案，并对l e d 大屏幕 显示系统中的扫描算法进行了有意义的探索。最后，文章针对整个系统设计，予以了总结和 展望。 关键词：l e d 显示屏嵌入式系统l i n u x 网络传输c f 卡灰度实现 a b s t r a c t l e dp a n e ls y s t e m sg a i n sr a p i dd e v e l o p m e n ti nt h ed e s i g n ，m a c h i n ea n da p p l i c a t i o nf r o m n i n e t i e sa g e s i tw e n tt h r o u g hf r o ms i n g l ec o l o ra n dt w oc o l o r st oi m a g el e dp a n e l a sah i g h t e c h n o l o g yp r o d u c t i o n , l e dp a n e lc a nr e a l i z er e a l t i m ea n ds e q u e n t i a ld i s p l a y i n gt e x t u r e ，g r a p h i c a n di m a g e s l e dp a n e lh a sm a n ys p e c i a lf e a t u r e ss u c ha sh i g hr e l i a b i l i t y , l o n gl i f e ，h i g h p e r f o r m a n c e ，l o wc o s ta n d s oo n m o r e o v e r ，w i t ht h e q u i c kd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y , l e dp a n e li fw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s t h ep a p e r sr e s e a r c ho b j e e ti sl e dp a n e la s y n c h r o n o u sc o n t r o ls y s t e m t h ea d v a n c e d e m b e d d e dc o m p u t e rt e c h n o l o g yw a sa p p l i e di nt h ed e s i g no fl e dc o n t r o ls y s t e m o nh a r d w a r e ，i t h a sm a n ye x c e l l e n c e si nc o m p u t e ra r c h i t e c t u r e ( r i s c ) ，c a p a c i t yo fm e m o r yp r o c e s s i n gs p e e da n d a d v a n c e dc o m m u n i c a t i o nm e t h o de t e a n dt h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mc a na d m e a s u r et h e s y s t e mr e s o u r g em o r ee f f i c i e n c y , s ot h er u n n i n gs p e e da n dt h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e mc a nb e h i 曲l yi m p r o v e d t h ed e s i g no f2 5 6g r a y - g r a d ei m a g ed i s p l a y i n gc o n t r o ls y s t e mw a si n t r o d u c e di nd e t a i l i n c l u d i n gt h eh a r d w a r ed e s i g n ，e m b e d d e ds o f t w a r ed e s i g na n dt h ea c h i e v e m e n to f2 5 6g r a y g r a d e l e dd i s p l a yp a n e lb a s e do nf p g a k e y w o r d s ：l e dd i s p l a yp a n e l ，e m b e d d e ds y s t e m ，l i n u x , c fc a r d ，2 5 6g r a y - g r a d ei m a g ed i s p l a y d e s i g n 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： 第一章绪论 第一章绪论 1 1l e d 显示技术的应用和现状 2 1 世纪是信息大爆炸的时代，人们随时都面临着浩如烟海的大量信息。据研究表明，人 们从外界获得的信息中，视觉所获得的信息占有6 0 0 , 4 以上。显示技术就是一种把反映外界客 观事物的各种信息( 光学的、电学的、声学的、化学的等) ，经过变换处理为视觉信息，以适 当的形式( 图像、图形、数码、字符等) 加以显示，供人观看、分析、利用的一种技术。现代 显示技术，又称电子信息显示技术，是建立在光学、化学、电子学、机械学、声学、网络技 术、计算机等科学技术基础上的综合性技术。 l e d ( l i g h t e m i t t i n gd i o d e ) 的产生最早可以追述到1 9 2 3 年0 w l e s s e w 所观察到的s i c 单晶注入型发光现象。到2 0 世纪6 0 年代，单晶生产技术的产生，给二极管的制作奠定了坚实 的基础。1 9 8 0 年以后，随着情报信息化社会的高速发展，光情报处理技术得到了迅速的发展， l e d 在扩大发光波长范围和性能方面大大提高，并迅速进入批量化和实用化发展，进而开始 形成平板显示产品h p l e d 显示屏。 发光二极管( l e d ) 作为一种半导体显示器件是在二十世纪六十年代末才发展起来的。七 十年代，随着半导体材料合成技术、单晶制造技术和p - n 结形成技术的研究进展，发光二 极管在发光颜色、亮度等性能得以提高并迅速进入批量化和实用化进入八十年代后，l e d 在发光波长范围和性能方面大大提高，并开始形成平板显示产品即l e d 显示屏。在使用l e d 技术设计和制造大尺寸显示屏幕这一领域，s a c o s m a r t v i s i o n 公司处于世界领先地位。 该公司推出的l e d 显示屏采用数百万个分散的红、绿、蓝l e d 制造而成，提供的分辨率和 观察视角要远远好于任何一种投射或者层叠大尺寸显示器。该公司为纽约时代广场制造的纳 斯达克全彩屏最为闻名，这台超级显示屏面积为1 2 0 英尺9 0 英尺，由1 9 0 万只超高亮度 的蓝、绿、红色l e d 组成，该屏不仅具有巨大的尺寸，而且具有良好的分辨率和多功能胜。 在高亮度大屏幕视频显示技术方面，j u m b o t r o n 系统被公认为是世界的领先者。j u m b o t r o n 的技术特点在于采用了独特的图像控制器，确保了图像的高清晰度i l 】。 我国l e d 显示屏的发展可以说基本上与世界水平同步，国内的l e d 显示屏发展经历 了三个阶段1 2 1 ： ( 1 ) 形成时期。1 9 9 0 年以前是l e d 显示屏的成长形成时期。一方面，受l e d 材料器 件的限制，l e d 显示屏的应用领域没有广泛展开，另一方面，显示屏控制技术基本上是通 讯控制方式，客观上影响了显示效果。这一时期的l e d 显示屏在国外应用较广，国内很少， 产品以红、绿双基色为主，控制方式为通讯控制，灰度等级为单点4 级调灰，产品的成本比 较高。 ( 2 ) 发展时期。1 9 9 0 1 9 9 5 年是l e d 显示屏的发展时期。进入九十年代，全球信息产 业高速增长，信息技术各个领域不断突破，l e d 显示屏在l e d 材料和控制技术方面也不断 出现新的成果。蓝色l e d 晶片研制成功，全彩色l e d 显示屏进入市场：电子计算机及微电 子领域的技术发展，在显示屏控制技术领域出现了视频控制技术，显示屏灰度等级实现1 6 级灰度和“级灰度调灰，显示屏的动态显示效果大大提高。l e d 显示屏在平板显示领域的 主流产品局面基本形成，l e d 显示屏产业成为新兴的高科技产业。 ( 3 ) 完善时期。1 9 9 5 年以来，l e d 显示屏的发展进入一个总体稳步提高产业格局调整 完善的时期。在这个时期l e d 显示屏产品价格大幅回落，应用领域更为广阔，产品在质量、 标准化等方面出现了一系列新的问题，有关部门对l e d 显示屏的发展予以重视并进行了适 当的规范和引导，目前这方面的工作正在逐步深化。随着信息化社会的形成，信息领域愈加 东南人学烦i j 学位论文 j “泛，l e d 显示屏的虑刚前景更为广阔。 1 2l e d 电子显示屏的发展趋势 目前l e d 电子显示屏的显示向更高亮度、更高耐气候性、更高的发光均匀比、更高的 可靠性、全色化、多媒体方向发展，系统的运行，操作与维护也向集成化、网络化、智能化 方向发展。二十一世纪的显示技术将是平板显示的时代，l e d 显示屏作为平板显示的主导 产品之一将有更大的发剧驯。 ( 1 ) 标准化、规范化 材料、技术的成熟及市场价格基本均衡之后，l e d 显示屏的标准化和规范化将成为l e d 显示屏发展的一个趋势。近几年业内的发展中，几番价格回落调整达到基本均衡后，产品质 量、系统的可靠性等将成为主要的竞争因素，这就对l e d 显示屏的标准化和规范化有了较 高的要求。行业规范和标准体系的形成，1 5 0 9 0 0 系列标准的应用，使l e d 显示屏行业的发 展趋于有序。 ( 2 ) 高亮度、全彩化 蓝色及绿色超高亮度l e d 产品出现以来，成本逐年快速降低，使l e d 全彩色显示屏产 品成本下降，推广速度加快。同时，随着控制技术的发展和屏体稳定性的提高，使全彩色 l e d 显示屏的亮度、色彩、白平衡均达到比较理想的效果，完全可以满足户外全天候的环 境条件要求。 ( 3 ) 结构多样化 随着信息化社会的形成，信息领域愈加广泛，l e d 显示屏的应用前景更为广阔。预计 大型或超大型l e d 显示屏为主流产品的局面将会发生改变，适合于服务行业特点和专业性 要求的小型l e d 显示屏会有较大提高，面向信息服务领域的l e d 显示屏产品门类和品种体 系将更加丰富，部分潜在市场需求和应用领域将会有所突破，如公共交通、停车场、餐饮、 医院等综合服务方面的信息显示屏需求量将有更大的提高，大批量、小型化的标准系统l e d 显示屏在l e d 显示屏市场总量中将会占有多数份额。 总之，在l e d 大屏幕材料研制方面，单色、多色l e d 点阵模块产品已经很成熟，目前 的发展方向为全彩色l e d 显示屏；在产品方面大屏幕朝标准化、大型化和小型化的方向发展 1 3 1 。 1 3a r m 和嵌入式技术概述 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司名字，也可以认为是对一类处 理器的统称，还可以认为是一中技术的名字 4 1 。 目前，采用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理器，即我们通常所说的a r m 微处理 器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场， 基于a r m 技术的微处理器应用约占据了3 2 为r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额，a r m 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。 采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点。 ( 1 )体积小、低功耗、低成本、高性能； ( 2 ) 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件； ( 3 )大量使用寄存器，指令执行速度更快； ( 4 )大多数数据操作都在寄存器中完成； 2 第一章绪论 ( 5 ) 寻址方式灵活简单，执行效率高： ( 6 ) 指令长度同定。 电气工程师协会对嵌入式系统的定义如下1 5 l ：嵌入式系统是片j 来控制或者监视机器、装 置、工厂等大规模系统的设备。但在大多数网站和j i s 籍资料中，对嵌入式系统的定义是这样 的：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系统。嵌入式系统一般由嵌入 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4 个部分组成，用于实现 对其它设备的控制、监视或管理功能。任何嵌入式系统都包括硬件和软件两个方面。硬件包 括微处理器、存储器、i o 端口和图形控制等。软件包括操作系统和应用软件。下面介绍嵌 入式系统的软硬件特性1 6 j 。 1 硬件特性 嵌入式系统总是面向特定应用的，与通用p c 的硬件系统相比，它的硬件系统具有以下 特性： 体积小，集成效率高。嵌入式系统总是去除冗余，力争用最小的系统完成目标功能， 特别在一些手持设备中更是这样。 面向特定应用的特性。具体嵌入式系统只能适合某一特定应用，针对另一应用就需 重新设计硬件系统。 低功耗，电磁兼容性好，能在恶劣环境下工作，即使死机也要求能够快速重启。 总之，嵌入式系统在价格、功能、体积、重量、能耗等方面都有严格限制。 2 软件特性 软件是一个应用系统的灵魂，对于嵌入式软件部分，它具有以下特点； 嵌入式软件的研发与硬件紧密相关。由于嵌入式软件的开发是针对具体硬件平台进 行的，它往往牵涉硬件驱动方面的一些软硬结合部分，这就要求开发人员必须具备 相关的硬件知识。 软件代码要求高效率和高可靠性。由于嵌入式系统中软件运行空间有限，内存空间 非常宝贵，在软件的编程中必须时刻考虑软件的运行效率，同时选用高质量的编译 工具。在实时系统中，处理器必须严格处理异步发生的各种任务，这对程序的算法 设计提出了更高的要求。另外，嵌入式软件系统还应该具有异常处理、快速复位等 特点。 嵌入式软件一般固化在f l a s h 和r o m 中。为了提高执行速度和系统的可靠性， 同时缩短系统复位时间，一般在嵌入式软件调试好后，会下载固化到目标板中的 f l a s h 或r o m 中。目标板启动时，再运行其中的代码，而不是想p c 那样从硬盘 存储器中读取程序。 1 4 课题的目的、意义及主要研究内容 l e d 显示屏是随着计算机及相关的微电子、光电子技术的迅速发展而形成的一种电子 广告媒体，它越来越广泛地应用到工业、交通、金融及信息广告等各行业。如今，l e d 显 示屏的应用越来越向面积大和分辨率高两个方向发展，进而增加了传输和存储的数据量。而 目前，各种大屏幕l e d 显示屏的控制常采用的是8 位或1 6 为的微处理器，由于这些微处理 器的运行速度慢、寻址能力和功耗等问题，已很难满足显示区域较大、显示内容切换频繁的 相对较复杂的嵌入式应用场合。同时，目前的l e d 显示系统一般作为一个独立的系统存在， 或通过r s 2 3 2 、r s 4 8 5 方式与p c 机进行近距离通信，不能满足远距离控制的使用要求。 本课题针对目前大屏幕l e d 显示系统中存在的问题，结合当今先进的微处理器产品、 3 东南人学硕i j 学位论文 控制技术和通信技术，实现高性能、低成本、低功耗、小体积的人屏幕l e d 控制器。为实 现上述目的，采用基于a r m 9 内核的3 2 为嵌入式r i s c 微处理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 组成控制系 统。l e d 显示屏的驱动则采用a l t e r 公司的c y c l l o n e 系列的f p g a 。 网络传输是近年来数据传输的热点，利用网络传输可以很好的解决数据传输的问题。它 不仅具有传输速度快、距离长、传输的数据可靠性高等优点，而且给产品的安装以及维护带 来了巨大的方便。基于以太网和t c p i p 协议的技术标准，可提供模块化、分布式、可重用 的自动化方案。由于8 位1 6 位单片机速度不够快且内存不够大，很难满足嵌入式设备的上 网要求，而基于3 2 位微处理器的嵌入式设备能满足网络传输要求。本系统采用的a r m 微 处理器，具有强大运算能力和丰富的片内外围，可将l e d 显示屏方便的接入以太网络，每 一个l e d 显示屏控制器均可作为一个网络节点，方便的组成基于以太网的多个l e d 显示屏 控制系统，以满足更高、更复杂的使用要求。 本论文的研究内容如下： ( 1 ) 根据收集的资料和已有的设计方案对l e d 显示屏的控制系统进行改进和进一步设 计。 ( 2 ) 根据系统的总体方案，进行基于3 2 为a r m 微处理器( a r 9 l r m 9 2 0 0 ) 的l e d 显示屏控制系统的硬件设计，主要包括a r m 微处理器的外围系统配置，网络接口电路设计 等。 ( 3 ) 构建嵌入式系统及应用软件设计。主要包括u b o o t 、l i n u x 操作系统及根文件系 统的移植，应用软件主要包括l i n u x 下串口程序设计以及网络编程。 ( 4 ) 基于f p g a 的l e d 显示屏灰度图像实现。 4 第_ 二章系统硬件设计 2 1 系统整体结构 第二章系统硬件设计 本系统以实现网络远程数据接收，高速、大容量图像数据处理和大容量数据存储为主要 设计目的。系统整体结构如图2 1 所示，该系统以a r m 9 微处理器a r 9 1 r m 9 2 0 0 和基于f p g a 的灰度扫描系统为核心，a r 9 1 r m 9 2 0 0 主要承担百兆以太网的传输控制和数据图像存储、 组织，特技运算等任务，随后将数据传输给f p g a ，以f p g a 完成硬件灰度扫描和图像处理， 驱动后上屏【2 。 p c i 卜基于a r m 9 的卜基于f p g a 的 卜 l e d 显示屏 控制系统 扫描系统 图2 1 系统整体结构 控制系统的具体结构如下图所示： 图2 - 2 控制系统结构 2 2a t 9 1 i m 9 2 0 0 芯片介绍 嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心，本系统选用a t m e l 公司的a t 9 1 r m 9 2 0 0 为核 心构建系统。a t 9 1 r m 9 2 0 0 是基于当前流行的a r m 9 2 0 t 内核的一款3 2 位r s i c 微处理器， 工作频率1 8 0 1 v l h z ，运算速度高于2 0 0 m i p s ，专门针对系统控制、通信领域的应用。 a t 9 1 r m 9 2 0 0 内部集成了丰富的系统外围和用户外围及标准接口，从而为低功耗、低成本、 高性能的计算机宽范围应用提供了一个单片解决方案【7 1 。 5 东南人学硕i j 学位论文 图2 - 3a t 9 i r m 9 2 0 0 内部结构 a 眄1 l m l 9 2 0 0 包括一个高速片上s r a m 工作区及一个低等待时间的外部总线接口 ( e b i ) ，以完成应用所要求的片外存储器和内部存储器映射外设配置的无缝连接。e b i 有 同步d r a m ( s d r a m ) 、b u r s tf l a s h 及静态存储器的控制器，并设计了专用电路以方便与 s m a r t m e d i a 、c o m p a c t f l a s h 及n a n df l a s h 连接。 高级中断控制器( a i c ) 通过多向量，中断源优先级划分及缩短中断处理传输时间来提 高a r m 9 2 0 t 处理器的中断处理性能。 外设数据控制器( a i c ) 向所有的串行外设提供d m a 通道，使其与片内或片外存储器 传输数据时不用经过处理器。这就减少了传输连续数据流时处理器的开销。包含双指针的 6 第二章系统硬件设计 p d c 控制器极人的简化了a t g lr m 9 2 0 0 的缓冲器链接。 并行i o ( p i o ) 控制器与作为通用数据的i o 复用外设输入输出1 3 线，以最大程度上 适应器件的配置。每条口线上包含有一个输入变化中断、开漏能力及可编程上拉电阻。 电源管理控制器( p m c ) 通过软件控制有选择的使能禁用处理器及各种外设来使系 统的功耗保持最低。它用一个增强的时钟产生器来提供包括慢时钟( 3 2 k h z ) 在内的选定时 钟信号，以随时优化功耗与性能。 a t 9 1 r m 9 2 0 0 集成了许多标准接口，包括u s b2 o 全速主机和设备端口及多数外设和 网络层广泛使用的1 0 1 0 0b a s e t 以太网媒体访问控制器( m a c ) 。此外，它还是提供一系 列符合工业标准的外设，可在音频、电信、f l a s h 卡、红外线及智能卡中使用。 为完善性能，a t 9 1 r m 9 2 0 0 集成了包括j t a g i c e 、专门u a r t 调试通道( d b g u ) 及 嵌入式的实时追踪的一系列的调试功能。这些功能使得开发、调试所有的应用特别是受实时 性限制的应用成为可能。 2 3 以太网接口电路 a t 9 1 r m 9 2 0 0 内部集成了以太网媒体访问接口( m a c ) 。以太网m a c 是o s i 参考模 型物理层( p h y ) 与逻辑链路层( l l c ) 间m a c 子层的硬件工具。它使用以太网i e e e8 0 2 3 u 数据帧格式控制在主机与p h y 层间的数据交换。以太网m a c 包括所需逻辑与d m a 管理 的发送与接收f i f o 。此外，它通过m d i o m d c 引脚连接来对p h y 层进行管理。以太网 m a c 根据引脚输出位置不同，可使用独立媒体接口( m e d i ai n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ，m i i ) 和 简化独立媒体接e l ( r e d u c em e d i ai n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ，r m i i ) 来传输数据。 以太网控制芯片通常主要包括m a c 控制器和物理层接口( p h y 及媒体收发器) 两部分。 a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器内部集成了m a c 控制，因此，外部仅需通过r m l l 接口连接物理层芯 片即可实现5 类双绞线以太网接口。本设计的a r m 系统与以太网连接的物理层接口选用 d a v i c o m 公司生产的以太网物理层收发器d m 9 1 6 1 。d m 9 1 6 1 芯片是较高性能的以太网物 理层控制器，需要满足高可靠性、很高的实时性要求以及通信协议的要求来完成以太网网络 的数据收发功能。其主要特点如下i m ： d m 9 1 6 1 内部集成了嵌入式1 0 1 0 0 m b p s 的m a c 、p h y 以及支持标准双绞线的数据收 发接口；完全支持i e e e8 0 2 3 8 0 2 3 u1 0 b a s e t 1 0 0 b a s e t x f x 标准；可选择收发器模式和 节点模式；在f x 模式发送远端出错信号；可选择双绞线模式输出和光纤模式输出：可选择 全双工模式和半双工工作方式；可选独立媒体接口和简化媒体接口；三个l e d 状态输出指 示正在链接t 作状态。图2 _ 4 为a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器实现以太网接口的框图。 7 东南人学顾l j 学位论文 处理器r m i i 接u物理层以太网控制器 d m 9 1 6 l a 数据线 1卜 温绞线差分蓓 电压隔离器 t l + f x i 之d 9 r x f x r d 砌4 5 接口 1 t x + t x r d +1卜 r 刀 粘制缝 卜 t x 厂r x r d m 9 2 o 0 中断信号1 外围电路 一 图2 - 4 以太网接口框图 e a i ：i d 图2 5 处理器与d m 9 1 6 1 接口 a 啊l l 洲9 2 0 0 的片上以太网卡端口和网络物理层芯片d m 9 1 6 1 的r m i i 接口通信，通过 片上以太网端口控制物理层芯片收发数据。a t g l r m 9 2 0 0 的r m i i 功能选择由专用e m d c 管脚完成，管理时钟信号e m d c 和管理数据输入输出信号e m d i o 用来实现芯片控制参数 的写入和读取。将d m 9 1 6 1 的m d c 管脚与处理器e m d c 管脚相连，系统上电后检查逻辑 状态检查，逻辑0 低电平代表r m i i 端口使能。 r m i i 用缩减的引脚数来代替i e e e8 0 2 3 um i i 。它使用2 位进行发送( e t x 0 与e t x i ) ， 2 位进行接收( e r x 0 与e r x i ) 。收发数据线数目减少一半的同时，为保证数据传输速度， 需将参考频率提高一倍至5 0 m h z 。d m 9 1 6 1 的c o l 脚接高电平表示芯片工作在r m i i 模式。 具体接口如图2 5 所示。具体主要r b i h 信号说明如下l 7 】： e r e f c k ：参考时钟，5 0 m ，由有源晶振导入； e r x 0 e r x i ：2 位接收数据； e r x e r ：发送数据； 8 第二帝系统硬件设计 e t x e n ：发送使能； e t x o e t x i ：2 位发送数据。 2 3 存储器接口电路 2 3 1 存储器选择 系统的存储器主要分为三部分。首先是系统的内存，作为程序的运行空间、临时数据的 存储，是系统的核心之一。目前外存通常由s d r a m 构成，因其具有功耗小、容量大、成 本低、集成度高等优点。除s d r a m 外，程序还必须固化在本系统中，通常采用可直接在 系统进行读写的非易失性存储芯片f l a s h 。f l a s h 闪存有两种，一种是n a n df l a s h ，另一种 是n o rf l a s h 。本设计中采用n o rf l a s h 。本系统还需大容量的非易失性存储器来保存图像 数据。c f 卡采用闪存( f l a s h ) 技术，是一种稳定的存储解决方案。对所保存的数据来说， c f 卡比传统的磁盘驱动器安全性和保护性更高。且c f 卡的用电量仅为小型磁盘驱动器的 5 。这些优异的性能使得多数嵌入式系统选择c f 卡作为其大容量存储介质。 a t 9 1 r m 9 2 0 0 内部集成了外部总线接口( e b i ) ，支持包括s d r a m 、s r a m 、b u r s tf l a s h 、 c o m p tf l a s h 及n a n df l a s h 等外部大容量存储器，大大简化了存储其接1 3 电路的设计。 2 3 2 存储器接口电路设计 1 s d r a m 存储器接口电路 a t 9 1 r m 9 2 0 0 内部只有1 6 k b 的s r a m ，远不能满足应用程序的要求。为了能运行嵌 入式操作系统和运用程序的要求，需要扩展外部s d r a m 。本系统选用两片现代公司 ( h y n l x ) 的1 6 位数据总线、容量为2 5 6 m 位的s d r a m 芯片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 。两片s d r a m 共计“m 字节，采用拼接数据总线的方式实现3 2 位的总线宽度，将数据总线的吞吐能力发 挥到最大。 h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 的工作电压为3 3 v ，存储容量为4 组x 4 m 1 6 b i t ( 3 2 m 字节) 1 6 位数 据位宽。将两片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 作为一个整体配置到s d r a mb a n k 0 ，即将a t 9 1 r m 9 2 0 0 的 s d c s ( n c s l ) 接至两片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 的c s 端。两片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 的芯片时钟输入端 c l k 接a t 9 1 r m 9 2 0 0 的s d c k 端；两片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 的时钟使能c k e 端接处理器 a t 9 1 r m 9 2 0 0 的s d c k e 端；两片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 的行地址锁存接r a s 、列地址锁存c a s 、 写使能端w e 分别接a t 9 1 r m 9 2 0 0 的r a s 端、c a s 端、s d w e 端；两片s d r a m 的地址 总线a 1 2 - a 0 接a t 9 1 r m 9 2 0 0 的地址总线a 1 7 a 2 ；两片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 的组地址选择b a 0 、 b a l 分别接a t 9 l r m 9 2 0 0 的a 1 6 、a 1 7 ：两片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 的数据总线分别接a t 9 1 r m 9 2 0 0 数据总线的低1 6 位d 1 5 - d 0 和数据总线的高1 6 位d 3 1 d 1 6 1 高1 6 位的h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 的 数据i o 屏蔽u d q m 、l d q m 分别接a t 9 1 r m 9 2 0 0 的n b s 3 、n b s 4 ( a 1 ) ，低1 6 位 h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 的u d q m 、l d q m 分别接a t 9 1 r m 9 2 0 0 的n b s l 、n b s 2 ( a 0 ) 。图2 石为 两片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 构建的3 2 位s d r a m 存储器接口原理图【l o j ： 9 东南人学硕j j 学位论义 = 匕二v 、 霉咖峭霉廊 d 2 呻 朋 2 3 虻 静鳕劈鋈 址 d i42 4 ”、2 4 、 腿5 dq2 d4、登 4、 d 17 呻 3 2 6 ”、2 6 ”、 m82 9a f l、 旷l o d o l 肌 l i 呷 3 l ，、8、3 la 8、 d 71 3咒 9、3 2a 9、 蹦4 2 嘎卫矗 ”、3 3 - i、 眇4 4 dcp9 n l l、 d45 0 0 0m 艟 芷、i m 、 m l l 、 d l l 4 7” b ” 1 3 d 1 24 8 3 6 m、 3 6a w、 d f ，0 d w ，l d 黔” b加 b da，b呻 略1 9 呐 2 l f、 b 2 la 玎 r s1 8 西 ua 0l ，a l ( w 、1 7 百f踩 口n 目、 髓 必e 垃l 弼 。 皿c x 【3 7 - 餮剥 袭 g “月 更 j 占k l q x ) 翰甥昀 n c f l l k 昭翰甥翰翰功翰 瞰 葛掣一 删一 s d r a m 善一 图2 - 6 s d r a m 接口电路 2 n o rf l a s h 存储器接口电路 f l a s h 存储器又称闪速存储器，是2 0 世纪8 0 年代末逐渐发展起来的一种新型半导体不 挥发存储器。它兼有r a m 和r o m 的特点，既可以在线擦除、改写，又能够在掉电和保持 数据不丢失。n o rf l a s h 是f l a s h 存储器中最早出现的一个品种，n o rf l a s h 存储器具有可 靠性高、随机读取速度快，可以单字节或单字编程，运行c p u 直接从芯片中读取代码执行 等优点。因此，n o rf l a s h 在嵌入式系统应用开发中占用非常重要的地位，通常作为程序代 码存储器。 由于a r m 处理器的体系结构支持8 位1 6 位3 2 的存储系统，对应可以构建8 位f l a s h 存储系统、1 6 位f l a s h 存储系统和3 2 位f l a s h 存储系统。8 位的存储系统目前已很少使用。 3 2 位的存储系统有较高的性能，而1 6 位的存储系统则在成本及功耗方面占有优势，因此， 本系统选用1 6 位的f l a s h 存储系统。s s t 3 9 v f 6 4 0 1 是s s t 公司推出的一种基于s u p e rf l a s h 技术的n o rf l a s h 存储器，适用于需要程序在线写入或大容量、非易失性数据重复存储场合。 容量为1 6 m 字节i j 。 n o r f l a s h 存储器中保存的是系统程序代码，系统上电或复位后从此处获取指令并开始 执行。因此，应将存有程序代码的f l a s h 存储器配置到r o m s r a m f l a s hb a n k o ，即将 a t 9 1 r m 9 2 0 0 的n c s o 接到s s t 3 9 v f 6 4 0 1 的c e 端。具体n o rf l a s h 存储器接口电路如图 2 7 所示： 1 0 第f 二章系统硬件设计 主控制 接口 黼l l 一 n 8 ” 一n 1 7 s r 黑1 2 s 爹r s tp麓lll 1 6a 1 9 9a 扣 j oa 卫 n ( e2 8 让 1 3a 恐 诱a 2 1 3 7 珊 f 2 7 v $ ! 芝。， v墨nc f n o rf l a s h 图2 7 n o r f l a s h 接口电路 2 4c f 卡接口电路 图2 - 8 c f 卡内部结构框图 c f ( c o m p a c tf l a s h ) 卡最早由美国s a n d i s k 公司在1 9 9 4 年推出，以其良好的兼容性和 便携性迅速成为存储卡的首选。c f 卡包括两个基本组成部分：片内的芯片控制器和片内的 存储模块。片内的存储模块集成了多片f l a s hm e m o r y 存储芯片，片内的芯片控制器为主机 接口提供a t a 协议接口，实际上，控制器起到了一种协议转换的作用，将f l a s hm e m o r y 存 储芯片的读写转化成对a t a 协议控制器的访问，芯片控制器内设立了双缓冲器，缓冲器大 小为5 1 2 字节，外部设备与c f 卡的数据交换通过数据缓冲器完成，芯片控制器管理数据存 东南人学硕 j 学位论文 储、数据读取、纠错、故障处理及诊断、电源管理和时钟控制等。c f 卡内部结构框图如图 2 8 所示l j 2 】。 c f 卡主要有三种工作模式：p cc a r di o 模式、p cc a r dm e m o r y 模式、t r u ei d e 模式。 p cc a r d 模式与p c m c i a 标准兼容，t r u ei d e 模式与a t a a t a p i 4 兼容。上电时，如果o e 引脚接地，则进入t r u ei d e 模式，在此模式下只可以存取任务组寄存器。另外两种模式的 选择需要通过设置配置寄存器，上电缺省模式为p cc a r dm e m o r y 模式。不同模式下引脚定 义不同，p cc a r dm e m o r y 模式下引脚定义如表2 1 所示1 1 3 1 。 表2 1c f 卡引脚定义 信号名引脚号方向引脚定义 8 ，1 0 ，11 ，1 2 ，1 4 ，1 5 ，1 6 ，1 7 ， a l m o 输入地址线 18 ，1 9 ，2 0 31 , 3 0 ，2 9 ，2 8 ，2 7 ，4 9 ，4 8 ，4 7 ， d 1 5 删输脯出数据线 6 ，5 ，4 ，3 ，2 ，2 3 ，2 2 ，2l b v d i ，b v d 2 4 6 4 5输出 置高电平，不需电池 - c d l , - c d 2 2 6 2 5 输出卡探测引脚，接地 - c e i ，- c e 2 7 ，3 2输入片选和数据总线选择 c s e l3 9 输入未用 g n dl ，5 0地 d p a c k4 3 输出未用 - l o r d , - i o w r3 4 ，3 5 输入未用 o e9输入 读信号 l u ) y - b s y3 7 输出准备好，忙信号 r e g4 4 输入存储空间选择信号 r e s e t4 1 输入复位信号，高电平有效 v c c 1 3 ，3 8电源，+ 3 3 v 或+ 5 0 v - v s l , - v s 23 3 ，4 0 输出 电压检测信号 - w a i t 、v p 4 2 ，2 4输出未用 、肫3 6 输入写信号 c f 卡在m e m o r y 模式下能够最快地响应操作命令。该模式能较好的满足嵌入式系统的 实时性要求，而且在此模式下c f 卡插槽结构简单，设计成本低1 1 4 1 。因此，本系统选择c f 卡工作在m e m o r y 模式。c f 卡的空间译码如表2 - 2 所示： 表2 2c f 卡空间译码 o ew e- r e gi o r di o 、v r 意义 0ll1l 读通用存储空间 1 0l l 1 写通用存储空间 ol011 读属性存储空间 l oo 1 1 写卡配置寄存器 1 1l 0 l 无效 1li10 无效 llo01 读i o 空间 1l01o 读i o 空间 c f 卡的注意功能引脚包括数据线d 0 一d 1 5 、地址线a 0 a 9 ，片选及数据选择c e i 、c e 2 ， 读写控制端o e 、w e ，寄存器选择- r e g ，卡读写忙判断i n t r q 、r e s e t 等。c f 卡工作与 1 2 第_ 二章系统硬件设计 m e m o r y 模式下，上电时，c f 卡读信号o e 引脚不为低电平，缺省模式即为m e m o r y 模式， 不需设置。将c f 卡的o e 引脚接到a t 9 1 r m 9 2 0 0 的c f o e 端。c f ，g - ：r 作于1 6 位数据访问 模式，片选信号一c e i 和c e 2 分别和a t 9 1 r m 9 2 0 0 的c f 卡控制端c f c e l 和c f c e 2 相连。 c f 卡与外部数据交换通过任务寄存器组，在m e m o r y 模式下，任务寄存器组位于通用存储 空间，- l 地g 信号一直位高电平，因此将r e n 引脚接高电平。m e m o r y 模式下，访问c f 卡 任务寄存器只需要4 根地址线a o a 3 ，将a o a 3 与a t 9 1r m 9 2 0 0 的地址总线a 队a 3 相连。 c f 卡的数据总线d o - d1 5 与a t 9 1 r m 9 2 0 0 的数据总线d o - d 1 5 相连。c f 卡的1 0 r d 引脚、 一i o w r 在m e m o r y 模式下未用，悬空不接。- c d i