（信号与信息处理专业论文）基于μcosⅡ操作系统的arm7控制平台的设计与实现.pdf

内蒙古大学硕士学位论文 基于i t c o s i i 操作系统的a r m 7 控制平台的设计与实现 摘要 当前，嵌入式技术逐渐成为- - i - j 流行的计算机技术，嵌入式系统己经随着 信息技术的发展和数字产品的普及而得到广泛应用。相应的嵌入式系统的应用 与开发也越来越受到重视。 本文正是以此为出发点，设计实现了一个功能完备，价格低廉，技术流行 的嵌入式系统控制平台。本设计选用目前流行的a r m 核处理器s 3 c 4 4 b o x 作为 系统核心，在此基础上扩展基本的硬件资源，实现了启动加载程序b o o t l o a d e r ， 完成了i t c o s i i 操作系统在该硬件平台上的移植。本文详细介绍了整个系统平 台的研究开发和设计实现过程。分为系统硬件平台设计与实现、b i o s 程序设计 与实现、操作系统移植三部分。系统硬件平台设计与实现部分介绍了c p u 系统 核心设计和接口电路设计；b i o s 程序设计与实现部分介绍了b i o s 系统的功能 和b o i s 程序的设计；操作系统移植部分介绍了i _ t c o s i i 的结构及其移植到 s 3 c 4 4 b o x 的过程和方法。 最后，总结了论文的主要工作及存在的问题，并对以后的工作提出了建议。 本论文对于广大嵌入式系统的初学者和开发人员来说具有很高的参考价值，可 以帮助他们尽快掌握嵌入式系统基本的软硬件设计。 关键词：嵌入式系统，a r m ，b o o t l o a d e r ，j _ t c o s - i i 内蒙古大学硕r 上学位论文 t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n o ft h ea r m 7co n t r o lp l a t f o r m b a s e do n j j l c o s - i i a b s t r a c t n o w a d a y s ，e m b e d d e dt e c h n o l o g y i sb e c o m i n go n eo ft h em o s tp o p u l a r c o m p u t e rt e c h n o l o g i e s ，a tt h es a m et i m e ，e m b e d d e ds y s t e mi sw i d e l yu s e di nv a r i o u s f i e l d sw i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ew i d eu s a g eo f d i g i t a l p r o d u c t s a sar e s u l t ，t h ea p p l i c a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e mh a v e b e e no b t a i n e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n t h i sd e s i g n ，w h i c hc o n s i d e r si ta sap o i n to f d e p a r t u r e ，r e a l i z e sa ne m b e d d e d s y s t e mc o n t r o lp l a t f o r mo ff u l l - f e a t u r e d ，l o wc o s t ，a n dp o p u l a rt e c h n o l o g i e s t h e m c us 3 c 4 4 b o x ，w h i c hi sap o p u l a rc o r ep r o c e s s o ro f a r m ，i sa d o p t e da sac o r eo f t h i sp l a t f o r m i na d d i t i o n ，t h eb a s i ch a r d w a r er e s o u r c e sa r ee x p a n d e d ，t h eb o o tl o a d e r i ss t a r t e du pa n dl o a d e d ，a n d t c o s - i ii st r a n s p l a n t e di n t ot h ep l a t f o r m t h i s d i s s e r t a t i o nd e s c r i b e st h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h ew h o l es y s t e mp l a t f o r ma n d i ta l s oi n t r o d u c e si t sp r o c e s s e so f d e s i g na n dr e a l i z a t i o n i tm a i n l yi n c l u d e st h r e ep a r t s ： t h ed e s i g na n di m p l e m e n to fh a r d w a r e ，t h ei m p l e m e n ta n dl o a do fb i o s ，t h es y s t e m i i 内蒙古人学硕士学位论文 t r a n s p l a n t t h ef i r s tp a r ti n c l u d e st h ed e s i g no fc p uc o r es y s t e m ，t h ed e s i g no ft h e i n t e r f a c ec i r c u i t s t h es e c o n dp a r ti sa b o u tt h ef u n c t i o no ft h es y s t e mb i o sa n dt h e d e s i g no fb o i sp r o g r a m s t h et h i r dp a r tt a l k sa b o u tt h es t r u c t u r eo fp c o s - i ia n di t s p r o c e s sa n dm e t h o do ft r a n s p l a n t i n gi n t os 3 c 4 4 b o x t h ee n do ft h i sd i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e st h em a i nt a s k sa n dt h ee x i s t e n t q u e s t i o n s a d d i t i o n a l l y , i tp u t sf o r w a r ds o m ea d v i c e sa n df o r e c a s t sf o rf u t u r ew o r k t h ed i s s e r t a t i o ni sv e r yu s e f u lt ot h o s ef r e s h e ra n dd e v e l o p e r so ne m b e d d e ds y s t e m ， w h i c hc a nh e l pt h e mr a p i d l yg r a s pt h em a i nf e a t h e r sa n dt h ek e yp l a c e so fe m b e d d e d s y s t e mw h a t e v e ri nt h ed e s i g no f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，a r m ，b o o t l o a d e r ，p c o s i i i i i 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究：r ：作及取得的研究成 果。除本文已经注明引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得内墓直态堂及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：郭选 指导教师签名： e l 期：趁地址 日 期：9 啤丛塑 在学期间研究成果使用承诺书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：内蒙古大学有权将 学位论文的全部内容或部分保留并向国家有关机构、部门送交学位论文的复印件和磁盘，允 许编入有关数据库进行检索，也可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编学位论文。 为保护学院和导师的知识产权，作者在学期间取得的研究成果属于内蒙古大学。作者今后 使用涉及在学期间主要研究内容或研究成果，须征得内蒙古大学就读期间导师的同意；若用 于发表论文，版权单位必须署名为内蒙古大学方可投稿或公开发表。 学位论文作者签名：都磋 指导教师签名： 日 期：也四j 日 期：色卑g 鱼 内蒙古大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) ，是嵌入到对象体系中的专用计算机系统。以嵌入式计算 机为核心的嵌入式系统是继r r 网络技术之后，又一个新的技术发展方向。根据电气工程师协 会的定义，嵌入式系统是用来控制或监视机器、装置或工厂等大规模系统的设备。国内一般 定义为：以计算机技术为基础，软硬件可裁减，从而能够满足实际应用中对功能、可靠性、 成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。 嵌入式系统通常由嵌入式处理器、相关支撑硬件、支持程序、嵌入式操作系统和应用软 件等几大部分组成。它是具有特定功能或用途的、可独立工作的计算机软硬件集合体。它具 有软件代码小、执行速度快，专用紧凑、性能强、功耗低、可靠性高以及面向行业应用等突 出性特征。目前已经被广泛的应用于国防、消费电子、网络通信、工业控制等各领域，具有 庞大的市场前景。随着半导体技术、计算机技术以及通信技术的不断发展，嵌入式系统的研 究与开发也有着越来越重要的意义。 1 1 2 嵌入式系统的发展及现状 进入2 0 世纪9 0 年代，嵌入式技术全面展开，目前已成为通信和消费类产品的共同发展 方向。在通信领域，数字技术正在全面取代模拟技术。在广播电视领域，美国已开始由模拟 电视向数字电视转变，欧洲的d v b ( 数字电视广播) 技术已在全球大多数国家推广。所有上 述产品中都离不开嵌入式系统技术。进入2 1 世纪后其应用越来越广泛，在日常生活中，数码 相机、手机、m p 3 、p d a 、电视机，甚至电饭锅、手表、玩具等里面都有嵌入式系统的身影。 硬件方面，不仅有各大公司的微处理器芯片，还有用于学习和研发的各种配套开发包。 目前底层系统和硬件平台经过若干年的研究，已经相对比较成熟，实现各种功能的芯片应有 尽有，而且巨大的市场需求给我们提供了学习研发的资金和技术力量。 在国内，虽然嵌入式产品已广泛应用，但该领域技术研发相对来讲起步较晚。近年来， 业界对嵌入式技术人员需求日益聚增。由此可见，嵌入式系统技术发展的空间比较大。 内蒙古大学硕j ：学位论文 1 2 课题的内容及意义 基于上述情况，设计实现一个功能完备、价格低廉、技术流行的嵌入式控制系统，能够 满足嵌入式系统实验的需要，同时也可作为嵌入式产品开发平台。本文完成了一款以 a r m 7 t d m i 处理器为内核的嵌入式控制系统。 主要内容包括：系统硬件平台的设计与实现、b o o t l o a d e r 程序设计与实现和g c o s i i 操 作系统移植三大部分。 1 硬件平台是以a r m t 7 d m i 为内核的3 2 位处理器作为系统c p u ，扩展出的硬件资源有： 键盘、数码管、触摸屏、彩色液晶屏、j t a g 、以太网接口等资源。 2 b o o t l o a d e r 程序设计包括上电后对系统进行自检和引导用户程序两部分。 3 1 a c o s 。i i 操作系统移植。 2 内蒙古大学硕士学位论文 第二章总体方案设计 2 1 硬件方案设计 由于嵌入式系统应用需求的多样性，市场上基于r s i c ( 精简指令集) 结构的嵌入式微处 理器也日渐增多。而现在比较流行的控制平台是基于s 3 c 4 4 b o x 的a r m 处理器，而且该芯 片集成了丰富的外围功能模块。故本系统选用a r m 7 内核微处理器s 3 c 4 4 b o x 作为系统硬件 平台的核心，在此基础上扩展外围电路。由系统功能需求分析确定硬件结构框图如图2 1 所 示。 图2 1 系统硬件结构框图 f i g 2 1s y s t e mh a r d w a r es t r u c t u r ef r a m e 3 内蒙古大学硕上学位论文 2 2 软件方案设计 2 2 1a r m 7 的b o o t l o a d e l 装载设计 在嵌入式系统中，b o o t l o a d o f 用来引导程序。它是操作系统内核和用户应用程序运行之 前的- d , 段程序。通过运行该程序，可以初始化硬件设备，建立内存空间的映射图( 有的c p u 没有内存映射功能，如s 3 c 4 4 b o x ) ，以便最终调用操作系统内核或用户应用程序，进而完成 启动加载功能。 在本文中，b o o t l o a d o f 实现的功能是对系统进行初始化后从f l a s h 中读取应用程序代码 到s d r a m 中并将系统控制权交给用户程序。 2 2 2 嵌入式操作系统选择 嵌入式操作系统g c o s i i 是一个可移植、可固化、可裁剪的剥夺型实时多任务内核，提 供了信号量、互斥型信号量、事件标志、消息邮箱、消息队列、任务管理等系统服务。g c o s i i 具有高度的稳定性和可靠性，并且具有源代码公开、可读性强、移植方便等优点。因此本系 统选择它作为操作系统移植到s 3 c 4 4 b o x 上。 以下各章节将详细讨论上述系统方案的实现。 4 内蒙古大学硕l ：学位论文 第三章系统硬件电路设计 3 1c p u 系统核心设计 本系统选用s a m s u n g 公司的a r m 7 芯片s 3 c 4 4 b o x 作为系统核心芯片。s 3 c 4 4 b o x 是 国内应用广泛的基于a r m 7 t d m i 内核( 6 6 m h z ) 的s o c 。该芯片片上功能强大，是s a m s u n g 公司为手持式设备等应用提供的高性价比解决方案。 s 3 c 4 4 b o x 提供了丰富的外围功能模块，包括：8 k bc a c h e 、内部s r a m 、l c d 控制器、 带自动握手的2 通道u a r t 、4 通道d m a 、外部存储控制器、5 通道p w m 定时器、i o 端口、 具有日历功能的r t c ( 实时时钟) 、8 通道1 0 位a d c 、i i c b u s 接口、i i s b u s 接口、7 1 个 通用i o 口、8 通道外部中断源、同步s i o 接口和p l l 倍频器。s 3 c 4 4 b o x 结构框图如图3 1 所示。 图3 1s 3 c 4 4 b o x 结构框图 f i g 3 1s t r u c t u r ef r a m eo fs 3 c 4 4 b o x 5 内蒙古人学硕叶：学位论文 s 3 c 4 4 b o x 共有1 6 0 个引脚，采用q f p 和b g a 封装。 s 3 c 4 4 b o x 的主要控制引脚信号描述如下： n g c s 7 ：0 - 通用片选，当存储器地址在每个b a n k 的地址区域时被激活。 o m i ：0 i ：设置s 3 c 4 4 b o x 测试模式和决定n g c s 0 的总线宽度，逻辑电平在复位期间由 这些管脚的上拉下拉电阻确定。0 0 ：8 位；0 1 ：1 6 位；1 0 ：3 2 位；1 1 ：测试模式。 n w e ：写允许信号，指示当前的总线周期为写周期。 n 0 e ：读允许信号，指示当前的总线周期为读周期。 e n d i a n ：确定数据类型是小端大端模式，逻辑电平在复位期间由该引脚的上拉下拉电 阻确定。o ：小端；l ：大端。 n r e s e t ：复位信号。在电源打开已经稳定时，n r e s e t 必须保持低电平至少4 个m c l k 周期系统才能复位。 o m l 3 ：2 1 ：确定时钟模式。0 0 ：由晶振的x t a l o ，e x t a l 0 和p l lo n 决定；o l ：由e x t c l k 和p l lo n 决定；1 0 ，1 1 ：芯片测试模式。本设计采用第一种模式，外接6 m h z 晶振。 x t a l 0 、e x t a l 0 ：系统时钟内部振荡电路的晶振输入输出脚，本设计中接6 m h z 晶振。 p l l c a p ：接系统时钟的环路滤波电容( 7 0 0 p f ) 。 x t a l l 、e x t a l l ：实时时钟的晶体输入输出脚，本设计中接3 2 7 6 8 k h z 晶振。 c l k o u t ：时钟输出信号。 n t r s t 、t m s 、t c k 、t d i 、t d o ：j t a g 接口引脚。 s 3 c 4 4 b o x 的其余引脚为电源线、接地线、数据总线、地址总线和其他功能模块的输入 输出线，具体连接参见其他接口电路。 3 2 接口电路设计 3 2 1 电源电路与复位电路 s 3 c 4 4 b o x 芯片的电源有两种：内核电源( v d d 2 5 ) 和i o 电源( v d d 3 3 ) 。其中，i o 电源电压要求为3 0 - - - 3 6 v ，推荐为3 3 v 。为了由实际常用的5 v 电源得到删7 芯片需要的电 源，需要使用电源转换芯片。本系统选用了a m s l1 1 7 3 3 电源转换芯片完成5 v 到3 3 v 的电压 转换，电路图如图3 2 所示，其中1 j 1 是电源开关，用来控制5 v 电源通断。5 v 到2 5 v 转换电路 同样是由电源转换芯片实现的，与3 3 v 电压转换电路相似，在此不作详述。 6 内蒙古人学硕十学位论文 = 图3 23 3 v 电源电路 f i g 3 2p o w e rc i r c u i to f3 3 v 为了提高电路的可靠性并保证在上电的瞬间s 3 c 4 4 b o x 芯片能够可靠复位，本系统中的 复位电路没有采用常规的阻容式复位电路，而是采用专用的复位芯片i m p 8 1 1 t 完成的。该芯 片在上电的时候可以给出稳定的低电平复位信号，并可通过m r 引脚手动复位。系统复位部 分电路如图3 3 所示。 n 础驾盯2 m 西e l r 用吸 l 厂一 6 n dw c _ - e l o _ 二lr 盥= 士= 。= 图3 3 系统复位电路 f i g 3 3r e s e tc i r c u i to fs y s t e m 3 2 2 存储器电路 s 3 c 4 4 8 0 x 外部扩展存储控制器的寻址空间被划分为8 个存储b a n k ，并支持可编程的 8 1 6 3 2 位数据总线宽度。在8 个b a n k 中，从b a n k 0 - b a n k 7 ，每个b a n k 可寻址3 2 m b 空间，共可 寻址2 5 6 m b 空间。其中b a n k 0 , - 一b a n k 5 可支持r o m 和s r a m ，起始地址和空间大小都是固定的。 b a n k 6 和b a n k 7 可支持s r o m 、d r a m 和s d r a m 等。其中b a n k 6 的起始地址是固定的，空间可 配置为2 4 8 1 6 3 2 m b ；b a i l l ( 7 的空间大小和b a n k 6 - - 样是可变的，也可配置为2 4 8 1 6 3 2 m b 。 通过对b a n k 大小寄存器b a n k s i z e 进行设置来决定b a n k 6 和b a n k 7 存储区的大小。b a n k 大小寄 存器b a n k s i z e 如表3 1 所示。 7 内蒙古人学硕十学位论文 表3 ib a n k 大小寄存器 t a b l e 3 1t h eb a n ks i z eo f r e g i s t e r 位位名称描述 4 】 s c l k e n0 = 普通s c l k1 = 低功耗s c l k 【3 】 r e s e r v e d 保留 b a n l ( 6 7 存储器映射： 【2 ：0 】 b k 7 6 m a p0 0 0 = 3 2 m b 3 2 m b10 0 = 2 m b 2 m b 10 1 = 4 m b 4 m b1 10 = - 8 m b 8 m b 1 11 = 1 6 m b 1 6 m b s 3 c 4 4 b o x 复位后的存储器地址分配图如图3 4 所示。 0 如2 0 】口d l c 0 s r o m i d r a m l i s d r 脚m ( n o c s t ) ? n 2 啪 紊 s r o m j d r a m i s d r a m 赢瞄删bj 萎 ( n g c s 6 ) 1 s r o m ( a g e s 5 ) 3 2 m b j s l t 0 m ( 1 0 c s 4 ) 3 2 m b 1 lou，uj舶lvids a 瞳7 明j s r o m 3 2 m b可访阎区域 ( a o c s 3 ) j s r 。m 3 2 m b ( a o c s 2 ) s r o m 3 2 m b ( n o c s d1 l ， 枷b 特殊功能寄存器 j l r s r o m 篮m b ( n g c s 0 ) 1r 1 图3 4s 3 c 4 4 b o x 复位后的存储器地址分配图 f i g 。3 4t h es t o r a g ea d d r e s sd i s t r i b u t i o no fs 3 c 4 4 b o x 1 、f l a s h 存储器a m 2 9 【，v 1 6 0 b 和k 9 f 2 8 0 8 u 8 内蒙古大学硕上学位论文 本系统采用了a m d 2 公司生产的1 6 位、共2 m b 的c m o sf l a s h 芯片a m 2 9 l v l 6 0 b 作为系 统启动存储器。在该存储器中存放系统的启动加载程序b o o t l o a d e r 。当系统复位的时候， s 3 c 4 4 b o x 的程序指针被设置成0 ，使程序跳转到0 地址处开始执行，该地址对应的是b a n k 0 。 在本系统中将a m 2 9 l v l 6 0 b 芯片作为启动加载程序r o m 被放置在空f b b a n k 0 ( 0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 - - - 0 x 0 0 1f f f f 0 处。 s 3 c 4 4 b o x 芯片通过i 0 1 2 1 和外部硬件连接，而该芯片的i 0 1 2 1 通常都和其它功能引脚复 用，当需要使用s 3 c 4 4 b o x 芯片的功能引脚时，通常都要对其内部的与存储器控制器相关的寄 存器进行适当的配置。s 3 c 4 4 b o x 共有7 1 个可编程的多功能输入输出引脚，可分为以下7 类端 口： 两个9 位输入输出端口( p o r t e 和p o r t f ) ； 两个8 位输入输出端口( p o r t d 和p o r t g ) ； 一个1 6 位输入输出端口( p o r t c ) ； 一个l o 位输入输出端口( p o r t a ) ； 一个1 1 位输入输出端口( p o r t b ) 。 部分i o 端口设置如表3 2 所示。 表3 2i o 端口设置 t a b l e 3 2i op o r ts e t t i n g 端口功能1功能2功能3功能4 p o r t ap a 9 p a l o u t p u to n l y a d d r 2 4 - 一a d d rl6 p a 0 o u t p u to n l y a d d r o p b l 0 - 一p b 6 o u t p u to n l y n g c s 5 - - - n g c sl p b 5 o u t p u to n l yn w b e 3 ：n b e 3 ：d q m 3 p b 4 o u t p u to n l yn w b e 2 ：n b e 2 ：d q m 2 p o r t b p b 3 o u t p u to n l y n s r a s ：n c a s 3 p b 2 o u t p u to n l y n s c a s ：n c a s 2 p b l o u t p u to n l y s c l k p b o o u t p u to n l y s c k e s 3 c 4 4 b o x 内部有端口配置寄存器( p c o n a 一- g ) 和端口数据寄存器( p d a t a g ) ， 通过对这些寄存器进行设置实现如表3 2 所示的i o 端口的各种功能。在存储器电路中，使用到 9 内蒙古大学硕_ l ：学位论文 端1 3 a 的功能2 地址总线与f l a s h 的地址总线相连，故设置端k i a 的控制寄存器值为 p c o n a = 0 x 0 11 11 11 111 。端口a 控制寄存器如表3 3 所示。 表3 3 端口a 控制寄存器 t a b l e 3 3t h ec o n t r o lr e g i s t e ro f p o r ta 寄存器位位名称描述 配置寄存器 9 1 】 p a 9 p a l o = o u t p u t l = a d d r 2 4 - - - a d d r l6 ( p c o n a ) 0 】 p a o 0 = o u t p u t 1 = a d d r 0 当端口配置为输出口时，对应脚的状态和 数据寄存器 9 o 】 p a 9 - - p a 0该位的值相同；当配置为功能引脚时，读 ( p d a t a ) 该位的值将是一个不确定的值 根据s 3 c 4 4 b o x 芯片说明，对于1 6 位数据总线其地址线从a 1 开始。因此，在本电路中 f l a s h 的地址总线 a 1 9 - - a 0 与s 3 c 4 4 b o x 的地址总线 a d d r 2 0 - - 一a d d r l 相连，1 6 位数据总 线 d q l 5 - - d q 0 与s 3 c 4 4 b o x 低1 6 位数据总线 d a t a l 5 - - , d a t a 0 相连，由b a n k 0 的选通信号 n g c s 0 控制f l a s h 的片选端c e ，f l a s h 的复位端r e s e t 接系统复位信号，输出允许端o e 接至s 3 c 4 4 b o x 的n o e 端，写使能端w e 接至s 3 c 4 4 b o x 的n w e 端。在设计中还需要注意的是 总线宽度引脚o m 1 ：o 】及大小端引脚e n d i a n 的接法。电路中f l a s h 芯片使用1 6 位数据宽度， 所以o m 1 ：o 】为0 1 ，a 1 0 m 1 下拉接地，o m 0 上拉接v d d 3 3 。通常在实际系统中小端模式符 合使用习惯，因此e n d 认n 引脚下拉接地。图3 5 为a m 2 9 l v l 6 0 b 存储器电路。 d 3 3 0 3 v ) s 3 c 4 4 8 0 x a m 2 9 l _ v 1 6 0 b -、la 1 1 9 = o 】 1 0 k a d d r 2 0 ：i 】 f 删o 】 d 删1 5 ：o 】 d 1 5 ：0 】 、 c e b y t e l o m 1 n a 嚣 o e 帆 1 0 k l 】w e ， f n r e s f r 压 _ e s e i i 图3 5a m 2 9 l v l 6 0 b 连接电路 f i g 3 5t h ec o n n e c t i n gc i r c u i to f a m 2 9 l v l 6 0 b l o 3 3 0 3 v ) 塑鍪直奎兰堡土堂垡笙奎 k 9 f 2 8 0 8 u 是一片1 6 m bn a n df l a s h 芯片，电源电压是3 3 v ，可以与a r m 7 芯片直接相 连。该芯片支持一万次的擦写周期，数据可以保持1 0 年以上。它的编程、擦除只需向其命令 寄存器写入标准的微处理器指令，具体操作由内部嵌入的算法实现，并可以通过查询特定的 引脚或状态寄存器的状态位监控操作是否完成。典型的块擦除时间为2 m s ，页编程时间为 2 0 0 u s 。 k 9 f 2 8 0 8 u 芯片的主要引脚定义如表3 4 所示。 表3 4k 9 f 2 8 0 8 u 芯片引脚定义 t a b l e 3 4t h ep i i ld e f r u i t i o no fk 9 f 2 8 0 8 u 管脚功能 i o o i 0 7用于提供列地址和写操作时的数据的输入及读操作时的数据输出 c l e 使输入的命令发送到命令寄存器 a l e 控制地址输入到片内的地址寄存器中 c e 低电平使能芯片 r e控制读功能 w e 控制写功能 r b 反映当前器件的工作状态 由于k 9 f 2 8 0 8 u 芯片具有存储容量大和非易失性等优点，本系统中选用它作为存放用户程 序的海量存储器。该芯片被映射到s 3 c 4 4 8 0 x 的b a n k 2 上，由s 3 c 4 4 b o x 芯片的端口c 的1 0 、l1 和1 5i o 口与f l a s h 的a l e 、c l e 和c e 弓i 脚相连。电路如图3 6 所示。其中为了避免对该芯片操 作时与a m 2 9 l v l 6 0 b 芯片相冲突，s 3 c 4 4 b o x 输出允许端n o e 和写使能端n w e 分别与n g c s 2 引脚相与后接至k 9 f 2 8 0 8 u 芯片的r e 和w e 端。 内蒙古火学硕士学位论文 图3 6k 9 f 2 8 0 8 u 连接电路 f i g 3 6t h ec o n n e c t i n gc i r c u i to fk 9 f 2 8 0 8 u 2 、s d r a m 存储器h y 5 7 v 6 4 16 2 0 s d r a m 是易失性的存储器，掉电以后数据消失，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。在完成系统的初始化之后，程序代码一般应调入s d r a m 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，以供 快速的读写。s 3 c 4 4 b o x 本身就提供了与s d r a m 进行接口的解决方案，因此不需要通过编程 来实现它们所需的接口时序，而只需对与存储器控制器相关的寄存器进行适当配置以便使用 相关的i o 端口的复用功能即可。对寄存器的配置和前面所述的端i ：i a 寄存器设置类似，在此 不作详细概述。本系统使用h y n i x 公司的h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 芯片作为运行程序的存储器，它是一 款8 m bs d r a m ，具有存储密度大和带宽高等特点。 本系统中s d r a m 芯片的片选端由s 3 c 4 4 b o x 的n g c s 6 引脚控制，映射至u b a n k 6 上。存储 空间为：0 x o c 0 0 0 0 0 0 - - 0 x o c 7 f f f f f 其中前5 1 2 k b y t e l 拘空间划分出来，作为系统的l c d 显示缓 冲区使用( 更新其中的数据，就可以更新l c d 的显示) 。系统的程序存储空间从0 x c 0 8 0 0 0 0 开始。也就是当引导系统的时候，需要把程序代码复制到0 x c 0 8 0 0 0 0 开始的地址空间，把p c 指针指向0 x c 0 8 0 0 0 0 。这里需要将表3 1 的b a n k s i z e 寄存器的值设置为0 x 1 0 11 0 ，使b a n k 6 存 储区的大小为8 m b 。 图3 7 是h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 与微处理器s 3 c 4 4 b o x 具体连接的电路图，其中该芯片的地址总线 【a 1l a o 】与s 3 c 4 4 8 0 x 地址总线 a d d r l 2 一a d d r l 连接，组地址选择b a 0 、b a l 分别连接 1 2 堕鍪壹盔堂堡主兰垡笙茎 s 3 c 4 4 8 0 x 的地址总线 a d d r 2 2 a d d r 2 1 】；h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 的时钟输入信号c k l 和时钟使能 信号c k e 分别与s 3 c 4 4 b o x 的存储器时钟输出信号s c l k 和时钟使能信号s c k e 连接； h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 的行列地址锁存信号n r a s 、n c a s 和写使能信号n w e 分别接s 3 c 4 4 b o x 的 n s r a s 、n s c a s 和n w e 。 s 3 c 4 4 8 0 x 骶5 7 v 6 4 1 6 2 0 a d d r t z ：i 】 、 a 1 1 ：0 】， a d d r 2 2 ：2 11 b a i ：0 】一， d a t a 1 5 ：0 】 、o d 1 5 ：0 】 c l k s c l k 一， n g c s 6 u c s n s r a s 1 1 r a s n s c a s i i c a s n w - e l l ，e i l 、b e 0 l d q m 1 1 w - b e l u d q m s c k e 、 s c k e 一， 图3 7s d r a m 连接电路 f i g 3 7t h ec o n n e c t i n gc i r c u i to fs d r a m 3 2 3s i o 通信、键盘、数码管电路 1 、a r m 7 的同步串口( s i o ) s 3 c 4 4 b o x a r m 7 芯片提供了个同步输入输出串行接口( s i o ) ，该接口具有波特率可 编程、时钟源可选择等优点。s i o 能以一定的频率发送或接收8 位串行数据，可以用于与其它 各种类型的串行接口器件通信。 s i o 有正常操作和d m a 操作两种工作模式，在正常操作模式下，发送与接收同时进行。 串行输出数据来自一个串行输入引脚s i o r x d ，通过一个串行输出引脚s i o t x d 输出，并同时 被串行时钟引脚s i o c k 同步。当一个字节数据被写入到s i o d a t 数据寄存器时，如果s i o 运行 位设置和发送模式使能，贝l j s i o 开始发送数据。如果使能中断，则传送或接收数据后，将产生 s i o 中断请求。s i o 接口框图如图3 8 所示。 1 3 内蒙古大学硕上学位论文 s 1 0 c k m c l k 数据总线 图3 8s i o 接口框图 f i g 3 8t h ef r a m eo fs l oi n t e r f a c e 研o m r r 电路中使用a r m 7 的同步串口( s l o ) 与z l g 7 2 8 9 a 实现通信，共用到的引脚有4 个， 分别为串行数据输出引脚s i o t x d 、串行数据输入引脚s i o r x d 、串行时钟引脚s i o c k 和外 部中断引脚e x l n t 4 。 2 、智能显示驱动芯片z l g 7 2 8 9 a z l g 7 2 8 9 a 是一片具有串行接口的可同时驱动8 位共阴极数码管或6 4 只独立l e d 的智能显 示驱动芯片。无需外围元件可直接驱动数码显示管。各位数码显示管可以独立控制译码不译 码及消隐和闪烁等属性，并且提供循环左移右移显示等指令。z l g 7 2 8 9 a 具有段寻址指令， 可以方便独立地控制各个数码管。该芯片同时还可连接多达6 4 键的键盘矩阵，键盘控制器内 含去抖动电路。单片即可完成l e d 显示和键盘接口的全部功能。z l g 7 2 8 9 a 具有片选信号，一 个系统中可接入多个同样的芯片，方便地实现多于8 位的数码管显示或多于6 4 键的键盘接口。 z l g 7 2 8 9 a 的控制指令结构有三种类型：( 1 ) 宽度为8 b i t 的不带数据的纯指令，即微处 理器需发送8 个c l k 脉冲。( 2 ) 宽度为1 6 b i t 的带有数据的指令，即微处理器需发送1 6 个c l k 脉冲。( 3 ) 宽度为1 6 b i t 的读取键盘数据指令，前8 个为微处理器发送到z l g 7 2 8 9 a 的指令， 后8 个为返回的键盘代码，执行此指令时z l g 7 2 8 9 a 的d a t a 端在第9 个脉冲的上升沿变为输出 状态，并在第1 6 个脉冲的下降沿恢复为输入状态，等待接收下一个指令。通过向z l g 7 2 8 9 a 发送这些控制指令，可以实现相应的功能，如复位、读键盘数据等功能。 本设计中用到的部分引脚功能如下： c s ：片选输入，为低电平时可向z l g 7 2 8 9 a 芯片发送指令和读取键盘数据。 1 4 内蒙古大学硕上学位论文 c l k ：同步时钟输入，向芯片发送数据或读取键盘数据时，该引脚在电平上升沿时数据 有效。 d a t a ：串行数据输入输出，芯片接收指令时为输入端，读取键盘数据时该引脚在读指 令最后一个时钟的下降沿变为输出端。 k e y ：有效按键的指示信号引脚，当检测到按键时输出低电平。 s g - s a ：段g 一段a 驱动输出。 d i g 0 d i g 7 ：数字o 数字7 驱动输出。 3 、接口电路设计 z l g 7 2 8 9 a 智能芯片用于驱动键盘和数码管显示的典型电路如图3 9 所示。 l l 晤k 蓝面画囱幽画画瞳 - _ - ：i i 一j l _ _ _ _ 。 一 j111d l 螽蓁蓁藿羹垂 j 毫圣；爵 ir 口 皇l 一ti 瓤m埔 一 j壁l 盥一r e6 - r o 扣冉、冉声、 r 一& r 舟舟 一：l一：k生k 玎 盥一f o 扣 p- 产阳产p 一l r - ：l一些l 一 lf o ”r o 一扣 一一和f 口p i r ：k垡。 垒一f 口扣一 f o f o 卜厂p舟冉冀 一 一警 r e - k冉冉，气k 坤 i 皓 璺一r o 0 - - - = 誓k = l 广o 冉f o 扣厂o 一 一 矿：k k冉冉r eo - -冉 堑一r o t 4 一f l lp c 产v舟vv荸v葶v苦。 1 1 图3 9z l g 7 2 8 9 a $ 动键盘和数码管显示典型电路 f i g 3 9t h et y p i c a lc o n n e c t i n gc i r c u i to fz l g 7 2 8 9 a 其中z l 0 7 2 8 9 a 芯片循环扫描键盘，当有键盘被按下时，k e y 引脚输出低电平，此时如 果该芯片接收到读键盘指令，z l g 7 2 8 9 a 将输出所按下键的代码并在数码管上显示。 本设计 z l g 7 2 8 9 a 采用串行方式与s 3 c 4 4 b o x 通信，数据从串行数据输出引脚s i o t x d 送a , 至u z l g 7 2 8 9 a 芯片，并由c l k 端同步。当片选信号变为低电平后，s i o t x d 弓i 脚上的数据 在c l k 引脚的上升沿被写) z l g 7 2 8 9 a 的缓冲寄存器中。在该电路中s i 盯r x d 和s i o r x d 通过 1 5 内蒙古大学硕上学位论文 7 4 h c l 2 5 与z l g 7 2 8 9 a 的d a t a 弓i 脚连接，组成了的双向接口电路，由g p f 2 来控制三态门的 开启，从而控制数据传输的方向。对于s 3 c 4 4 b o x 而言，g p f 2 = 0 的时候为输出，g p f 2 = i 的时 候为输入。 s i o 通信、键盘、数码管电路图如图3 1 0 所示。 写= 图3 1 0s i o 通信、键盘、数码管电路 f i g 3 10t