嵌入式系统(第5章嵌入式系统硬件平台与接口设计)

嵌入式系统设计 ARM与 C OS 第5章基于ARM的嵌入式硬件结构设计 嵌入式系统的软 硬件框架 3 嵌入式系统的设计步骤 1 需求分析阶段 分析用户的需求确定硬件软件检查需求分析的结果确定项目的约束条件概要设计 需求分析 罗列用户的需求 1 系统用于什么任务 2 系统从用户或其他源接收什么输入 3 系统从用户或其他源输出什么 4 用户想要如何同系统打交道 5 系统的重量和体积如何 6 系统连接何种外设 7 系统是否需要运行某些现存的软件 8 系统处理哪种类型的数据 9 系统是否要与别的系统通讯 10 系统是单机还是网络系统 需求分析 罗列用户的需求 11 系统的响应时间是多少 12 需要什么安全措施 13 系统在什么样的环境下运行 14 外部存储媒介和内存需要多大 15 系统的可拆装性 可靠性和牢固性的期望值是什么 16 如何给系统供电 17 系统如何向用户通报故障 18 是否需要任何手动或机械代用装置 19 系统是否将具有远程诊断或更正问题的功能 20 其他问题 2 体系结构设计 决定因素系统是硬实时系统还是软实时系统操作系统是否需要嵌入物理系统的成本 尺寸和耗电量是否是产品成功的关键因素选择处理器和相关硬件其他 3 详细设计阶段 硬件与软件划分 决定哪些用硬件实现 哪些用软件实现 例如 浮点运算网络通信控制器实现的功能软调制解调器 硬调制解调器软件压缩解压 硬件压缩解压图像 详细设计阶段 硬件设计 设计硬件子系统 top down方法分成模块设计框图例 CPU子系统 存储器子系统等定义硬件接口I O端口硬件寄存器共享内存硬件中断存储器空间分配处理器的运行速度 详细设计阶段 软件设计 设计软件子系统总体设计 模块设计定义软件接口模块接口 函数接口 详细设计阶段 检查设计 小项目自己审查设计文档中等项目拿给同事朋友并向他们解释你的设计大型项目 审查会设计者应作一个更正式的报告 由于这是一个设计审查会 召集一群人 主要由工程师组成 并尽可能包括一些对项目有不同看法角度的成员 如做市场的人员 最终用户 4 系统集成把系统的软件 硬件和执行装置集成在一起 进行调试 发现并改进设计过程中的错误 5 系统测试对设计好的系统进行测试 看其是否满足给定的要求 嵌入式系统的硬件体系结构 基于ARM和FPGA的嵌入式系统可重构设计 S3C2410的内部结构 2410的存储器系统 可通过软件选择大小端 地址空间 每个Bank128Mbytes 总共1GB 共8个banks6个Bank用于控制ROM SRAM etc 剩余的两个Bank用于控制ROM SRAM SDRAM etc 除bank0 16 32 bit 外 所有的Bank都可以通过编程选择总线宽度 8 16 32 bit 7个Bank固定起始地址 最后一个Bank可调整起始地址 最后两个Bank大小可编程 所有Bank存储周期可编程控制 S3C2410的存储器配置 实验平台的体系结构 基于ARM的嵌入式系统硬件结构设计 主要介绍基于ARM7的嵌入式硬件开发平台的设计方法 包括结构 主要接口 存储器选用方案以及外设 显示等方面的内容 嵌入式硬件开发平台的体系结构外围存储器接口设计方法键盘 LCD等人机交互接口的设计触摸屏的设计以太网设计 基于ARM的嵌入式硬件平台体系结构 ARM实验平台与PC机连接关系框图 嵌入式开发板与PC机的串行通讯 嵌入式开发板和PC机的通讯电缆可以按照如图所示的方式连接 ARM架构的处理器有的带有指令快存和数据快存 但是片内都不带有RAM和ROM 系统所需的RAM和ROM 包括闪存 都通过总线外接 快存 Cache 是一种小容量 高速度的存储器 用于处理器与主存之间存放当前被使用的主存内容 以减少访问主存的等待时间 25 高速缓冲存储器工作原理 存储系统的构成分析 以基于S3C44B0X的存储系统为例 支持数据存储的大 小端选择 通过外部引脚和程序进行选择 地址空间 具有8个存储体 每个存储体可达32Mb 总共可达256MB 对所有存储体的访问大小均可进行改变 8位 16位 32位 8个Bank中 Bank0 Bank5可支持ROM SRAM Bank6 Bank7可支持ROM SRAM和EDO SDRAM等 典型系统中存储体的分配情况 系统的存储空间分配 Bank0 1片2MBNORFlash 放置系统引导程序 系统上电复位后 PC指针自动指向Bank0的第一个单元 进行系统自举 以便从硬盘中将系统文件和用户应用程序复制到SDRAM内存中执行 Bank1 非线性寻址 Bank1上接16MNANDFlash 当做系统硬盘使用 可以构造文件系统 存放海量数据 用SDRAM当作系统内存 只有Bank6 Bank7能支持SDRAM 所以将SDRAM接在Bank6上 Bank2 PDIUSBD12 USB设备端接口芯片 占用系统外部中断0 8位数据总线 Bank5 RTL8019AS ISA总线兼容的10M以太网 PHY MAC层 控制芯片 占用系统外部中断1 16位数据总线 扩展IO口Bank6 SDRAM 起始地址为0 xC000000 在SDRAM中 前512Kbyte的空间划分出来 作为系统的LCD显示缓冲区使用 更新其中的数据 就可以更新LCD的显示 系统的程序存储空间从0 xC080000开始 也就是 引导系统的时候 需要把system bin文件复制到0 xC080000开始的地址空间 把PC指针指向0 xC080000 3 BootLoader的任务 BootLoader是系统加电后首先运行的一段代码 完成整个系统的加载启动任务 它首先完成系统硬件的初始化 包括时钟的设置 存储器的映射等 并设置堆栈指针 然后跳转到操作系统内核入口 如系统在加电或复位时通常从地址0 x00000000处开始执行 而在这个地址处安排的通常就是系统的BootLoader程序 每种嵌入式微处理器体系结构都有不同的BootLoader 通常 BootLoader只有几十KB的大小 其作用相当于普通pc机的BIOS 是在系统复位后执行的第一段代码 BootLoader的操作模式 启动加载模式 Autonomous BootLoader从目标机的固体存储设备上将操作系统加载到RAM中运行 整个过程并没有用户的介入 这种模式是BootLoader的正常工作模式 因此在嵌入式产品发布的时侯 BootLoader显然必须工作在这种模式下 下载模式 目标机中的BootLoader通过串口或网络连接等通信手段从宿主机上下载文件 如操作系统的内核映像和根文件的映像等 从宿主级上下载的文件通常首先被BootLoader保存到目标机的RAM中 然后再被BootLoader写到目标机的Flash中 这种模式通常在第1次安装操作系统内核和根文件系统时被使用 另外系统更新时也会使用这种方式 4 存储管理单元MMU 虚拟内存管理占用了相当一部分系统资源 因此在系统资源非常有限的嵌入式系统中可不采用虚拟内存管理 使用不带有MMU的微处理器 这样要采用动态内存管理方式 即当程序的某一部分需要使用内存时 利用操作系统提供的分配函数来处理 一旦使用完毕 可通过释放函数来释放所占用的内存 这样内存就可以重复使用 但在具有MMU的ARM系统中 存储管理单元MMU主要完成工作 虚拟存储空间到物理存储空间的映射 在ARM中采用了页式虚拟存储管理 存储器访问权限的控制 设置虚拟存储空间的缓冲的特性 2410的UART S3C2410A的UART UniversalAsynchronousReceiverandTransmitter 提供了三个独立的异步串行I O口 每一个都可以工作在中断模式或DMA模式 即UART可以产生中断或DMA请求以在CPU和UART之前传送数据 使用系统时钟 UART最高可以支持230 4Kbps的位传输率 如果采用外部带时钟的UART 则UART可以实现更度速度的传输 每个UART包括2个16Byte的接收 发送FIFO UART控制框图 异步串行通讯简介 在一条传输线上完成单向传输 将传输数据的字符一位接一位的传送 接收方对于同一条线上的一连串连续数学信号 首先将其分割成位 再按位组成字符 每个字符需要确定起始位和结束位 字符与字符间还可能有长度不定的空闲时间 因此传输效率较低 字符串行输出格式 发送前 线路处于空闲状态 连续发送 1 开始发送 首先 发送一位起始位 0 然后 发送连续的二进制位 数据位可以为5 6 7 8随后 紧跟一位奇偶校验位 可选择奇 偶 无校验 最后 发送停止位 1 可以有1位 1 5位或2位停止位 串行通讯硬件规范及连接方法 EIARS 232C物理特征 DB 25DB 15DB 9信号连线 保护地 TXD RXD RTS CTS DCD DSR DTR R1电平规定 5V 15V之间的电平表示逻辑 1 5V 15V之间的电平表示逻辑 0 UART的操作 串口初始化 发送数据 接收数据 人机交互接口 嵌入式开发板与PC机的串行通讯 嵌入式开发板和PC机的通讯电缆可以按照如图所示的方式连接 人机交互接口 LCD显示模块液晶显示是一种被动的显示 它不能发光 只能使用周围环境的光 它显示图案或字符只需很小能量 液晶显示所用的液晶材料是一种兼有液态和固体双重性质的有机物 它的棒状结构在液晶盒内一般平行排列 但在电场作用下能改变其排列方向 LCD有三种显示方式 LCD有三种显示方式 反射型 透射型和透反射型 1 反射型LCD的底偏光片后面加了一块反射板 它一般在户外和光线良好的办公室使用 2 透射型LCD的底偏光片是透射偏光片 它需要连续使用背光源 一般在光线差的环境使用 3 透反射型LCD是处于以上两者之间 底偏光片能部分反光 一般也带背光源 光线好的时候 可关掉背光源 光线差时 可点亮背光源使用LCD 反射型LCD的结构 LCD显示方式还分正性和负性 正性LCD呈现白底黑字 在反射和透反射型LCD中显示最佳 负性LCD呈现黑底白字 一般用于透射型LCD 加上背光源 字体清晰 易于阅读 LCD通常有两种方式 一种是带有驱动芯片的LCD模块 基本上属于半成品如果有需要 也可以直接使用芯片上的内置LCD控制器来构造显示模块 它可以支持彩色 灰度 单色三种模式 灰度模式下可支持4级灰度和16级灰度 彩色模式下最多支持256色 嵌入式处理器与LCD的连接 嵌入式处理器 LCD模块 数据总线 寄存器选择 使能信号 键盘模块 键盘模块可以用来输入数字型数据或者选择控制设备的操作模式 键盘有两种方案 一是采用现有的一些芯片实现键盘扫描 再就是用软件实现键盘扫描 嵌入式控制器的功能很强 能允分利用这一资源 简单键盘电路 按键抖动 一个瞬时接触开关 按钮 放置在每一行与线一列的交叉点 矩阵所需的键的数目显然根据应用程序而不同 每一行由一个输出端口的一位驱动 而每一列由一个电阻器上拉且供给输入端口一位 A1A2A3 A1A2A3 键盘扫描过程就是让微处理器按有规律的时间间隔查看键盘矩阵 以确定是否有键被按下 每个键被分配一个称为扫描码的唯一标识符 应用程序利用该扫描码 根据按下的键来判定应该采取什么行动 触摸屏设计 触摸屏分类 电阻式触摸屏表面声波触摸屏红外式触摸屏电容式触摸屏 电阻式触摸屏 电阻技术触摸屏是一种对外界完全隔离的工作环境 故不怕灰尘 水汽和油污 可以用任何物体来触摸 比较适合工业控制领域及办公室内使用 分为四线电阻和五线电阻触摸屏 四线电阻触摸屏原理 测量原理 在触摸点X Y坐标的测量过程中 测量电压与测量点的等效电路图所示 图中P为测量点 X V Y Y ARMJTAG调试 什么是JTAG JTAG是JointTestActionGroup的缩写 是IEEE1149 1标准JTAG的建立使得集成电路固定在PCB上 只通过边界扫描便可以被测试在ARM7TDMI处理器中 可以通过JTAG直接控制ARM的内部总线 IO口等信息 从而达到调试的目的 几种常用的调试方法 指令集模拟器一种利用PC机端的仿真开发软件模拟调试的方法 驻留监控软件驻留监控程序运行在目标板上 PC机端调试软件可通过并口 串口 网口与之交互 以完成程序执行 存储器及寄存器读写 断点设置等任务JTAG仿真器通过ARM芯片的JTAG边界扫描口与ARM核进行通信 不占用目标板的资源 是目前使用最广泛的调试手段在线仿真器 In CircuitEmulator ICE 使用仿真头代替目标板上的CPU 可以完全仿真ARM芯片的行为 但结构较复杂 价格昂贵 通常用于ARM硬件开发中 ARM的JTAG调试结构 Angel JTAG 宿主机调试器 宿主机调试器通过固定的协议控制下位机 协议转换器 比如 SDT中通过Angel协议或者第三方调试器所提供的协议宿主机调试器只发送宏观的命令 比如 程序运行 终止 读内存 ARM寄存器等通讯的介质可以是串口 并口 以太网 USB等 JTAG与Angel JTAG调试 协议转换器解释上位机传送过来的命令 通过JTAG控制ARM执行 Angel调试 协议转换器可以直接做为目标板的Firmware 固件 的一部分 直接执行从宿主机传送过来的调试命令 并回送相应的数据 Angel可以节省专门的JTAG仿真器 但是 它需要软件 或者是嵌入式操作系统的支持 做不到完全的实时仿真 而JTAG仿真是通过硬件和控制ARM的EmbeddedICE实现的 可以做到实时仿真 实验二讲解 键盘及LED驱动实验 一 实验目的1 学习键盘及LED驱动原理 2 掌握zlg7289芯片的使用方法 二 实验内容通过zlg7289芯片驱动12键 3x4 的键盘和8个共阴极LED 将按键值在LED上显示出来 ZLG7289A的指令分为三种类型 纯指令 带有数据的指令和读键盘数据指令 复位指令WriteSDIO 0 xA4 测试指令WriteSDIO 0 xBF 左移指令WriteSDIO 0 xA1 右移指令WriteSDIO 0 xA0 ZLG7289纯指令 单字节指令 双字节指令 长度为16位 分两次传送 写数据指令 方式0译码 WriteSDIO 0 x8 指定位 即在第几个数码管上显示 开发板最左边管为No 1 依次类推 见下表WriteSDIO 是欲显示的数字 0 9 写数据指令 方式1译码 WriteSDIO 0 xC WriteSDIO 含义同上条指令消隐指令WriteSDIO 0 x98 WriteSDIO 0 x 中的每一个二进制位均对应着一个数码管 0 消隐 1 显示 闪烁指令WriteSDIO 0 x88 WriteSDIO 0 x 中的每一个二进制位均对应着一个数码管 0 闪烁 1 不闪 需要动手编写的内容 在zlg7289 c中7289驱动函数 Zlg7289复位子函数流程图 从7289读取键值流程图 ZLG7289 ENABLE ZLG7289 DISABLE 读取键制值ReadSDIO 发送读取键值命令WriteSDIO 0 x15 main c中主函数流程图 main c中主函数流程图 7289命令字定义 DEF h中定义的数据类型 defineU32unsignedint defineBOOLint defineU16unsignedshort defineS32int defineS16shortint defineU8unsignedchar defineS8char defineu32unsignedint defineu16unsignedshort defines32int defines16shortint defineu8unsignedchar defines8char 嵌入式以太网设计 以太网接口的基本知识 1 传输编码曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码 以太网协议 以太网MAC层物理传输帧 IEEE802 3 PR 同步位 收发双方的时钟同步 也指明传输的速率 10M 100M SD 分隔位 表示下面跟着的是真正的数据 而不是同步时钟DA 目的地址 以太网的地址为48位地址 如果为都为F 则是广播地址SA 源地址 48位 表明该帧的数据是哪个网卡发的 即发送端的网卡地址TYPE 类型字段 表明该帧的数据是什么类型的数据 如 0800H表示数据为IP包 0806H表示数据为ARP包 814CH是SNMP包 8137H为IPX SPX包DATA 数据段 该段数据不能超过1500字节 PAD 填充位 以太网帧传输的数据包最小不能小于60字节 当数据段不足46字节时 后面补000000 当然也可以补其它值 FCS 32位CRC数据校验位 该校验由网卡自动完成 以太网的数据传输特点 PR SD PAD FCS这几个数据段是由网卡自动产生的 只需要理解DA SA TYPE DATA四个段的内容所有数据位的传输由低位开始 传输的位流使用曼彻斯特编码 以太网的冲突退避算法是由硬件自动执行的DA SA TYPE DATA PAD最小为60字节 最大为1514字节以太网卡可以接收三种地址的数据 一个是广播地位 一个是多播地址 在嵌入式的环境中一般不用 一个是它自已的地址任何两个网卡的物理地址都是不一样的 是世界上唯一的 网卡地址由专门机构分配 嵌入式的以太网方案 嵌入式处理器 网卡芯片 RTL8019 对嵌入式处理器没有特殊要求 通用性强处理器和网络数据交换通过外部总线 速度慢 不适合于100M网络带有以太网络接口的嵌入式处理器处理器面向网络应用处理器和网络数据交换通过内部总线 速度快 RTL8019的原理框图 嵌入式网络接口的特点 与常规的网卡设计思路不同的是 在嵌入式系统中 系统的精简一直是个主要的原则 RTL8019AS作为网卡 时需要一片EEPROM作为配置存储器 来确定通讯的端口地址 中断地址 网卡的物理地址 工作模式 制造厂商等信息 而在嵌入式系统中 可以使用RTL8019AS的默认配置和一些管脚作为网卡的初始化方法 这样可以节省配置存储器 减小嵌入式硬件平台的体积 基于RTL8019在嵌入式以太网设计 1RTL8019AS的初始化RTL8019支持即插即用模式和非即插即用模式 在嵌入式系统中 网卡的外设通常是不经常插拔的 所以 为了系统的精简 配置RTL8019为非即插即用模式 有着固定的中断 有着固定的端口地址 假设是端口是0 x300 这里的端口是相对于ISA总线来说的端口 对于ARM的总线 需要重新计算地址 这些配置可以通过RTL8019的外部管脚 在系统上电复位的时候 自动配置起来 关于RTL8019的RAM RTL8019含有16K字节的RAM 地址为0 x4000 0 x7fff 指的是RTL8019内部的存储地址 而不是ISA总线的地址 是RTL8019工作用的存储器 可以通过远程DMA访问 每256个字节称为一页 共有64页 页的地址就是地址的高8位 页地址为0 x40 0 x7f 这16k的ram的一部分用来存放接收的数据包 一部分用来存储待发送的数据包 2通过RTL8019AS发送数据 作为一个集成的以太网芯片 数据的发送校验 总线数据包的碰撞检测与避免是由芯片自己完成的 我们只需要配置发送数据的物理层地址的源地址 目的地址 数据包类型以及发送的数据就可以了 3 通过RTL8019AS接收数据 在RTL8019的初始化程序中已经设置好了接收缓冲区的位置 并且配置好了中断的模式 当有一个正确的数据包到达的时候 RTL8019会产生一个中断信号 在ARM中断处理程序中 接收数据 数据的接收比较简单 即通过远端DMA把数据从RTL8019的RAM空间读回ARM中处理 TCP IP协议的层次 嵌入式以太网中主要处理的协议 ARP AddressResolationProtocol 地址解析协议ICMP InternetControlMessagesProtocol 网络控制报文协议IP InternetProtocol 网际协议TCP TransferControlProtocol 传输控制协议UDP UserDatagramProtocol 用户数据包协议 ARP地址解析协议 网络层用32bit的IP地址来标识不同的主机 而链路层使用48bit的物理 MAC 地址来标识不同的以太网接口 只知道目的主机的IP地址并不能发送数据帧给它 必须知道目的主机网络接口的MAC地址才能发送数据帧 ARP的功能是实现从IP地址到对应物理地址的转换 源主机发送一份包含目的主机IP地址的ARP请求数据帧给网上的每个主机 称作ARP广播 目的主机的ARP收到这份广播报文后 识别出这是发送端在寻问它的IP地址 于是发送一个包含目的主机IP地址及对应的MAC地址的ARP回答给源主机 每台主机上都有一个ARP高速缓存 存放最近的IP地址到硬件地址之间的映射记录 通常每一项的生存时间为20分钟 ICMP网络控制报文协议 IP层的附属协议 IP层用它来与其他主机或路由器交换错误报文和其他重要控制信息 ICMP报文是在IP数据包内部被传输的 两个实用的网络诊断工具 Ping和Traceroute Tracert 都是利用该协议工作的 IP网际协议 IP工作在网络层 是TCP IP协议族中最为核心的协议 所有的TCP UDP ICMP以及IGMP数据都以IP数据包格式传输 IP数据包最长可达65535字节 其中报头占32bit的数目 包含各32bit的源IP地址和目的IP地址 在嵌入式应用中 简化设计 IP数据包长度等于数据链路层的数据长度 TCP传输控制协议 TCP是一个面向连接的可靠的传输层协议 TCP为两台主机提供高可靠性的端到端数据通信 主要包括 发送方把应用程序交给它的数据分成合适的小块 并添加附加信息 TCP头 包括顺序号 源 目的端口 控制 纠错信息等字段 称为TCP数据包 并将TCP数据包交给下面的网络层处理 接受方确认接收到的TCP数据包 重组并将数据送往高层 UDP协议 UDP是一种无连接不可靠的传输层协议 把应用程序传来的数据加上UDP头 包括端口号 段长等字段 作为UDP数据包发送出去 但是并不保证它们能到达目的地 可靠性由应用层来提供 就象发送一封写有地址的一般信件 却不保证它能到达 关于端口 TCP和UDP采用16位的端口号来识别上层的TCP用户 即上层应用协议如FTP TELNET等 常见的TCP IP服务都用1 255之间的端口号 例如FTP服务的TCP端口号都是21 Telnet服务的TCP端口号都是23256 1023之间的端口号通常都是提供一些特定的Unix服务TCP IP临时端口分配1024 5000之间的端口号 基于ARM和uCOS II的TCP IP协议 向ARM和uC OS移植一个TCP IP协议栈采用uC OS自带的TCP IP协议栈 移植TCP IP协议栈需要注意的问题 字节对齐问题代码A 代码B struct A packedstruct B unsignedchartime unsignedchartime unsignedintdata unsignedintdata A B 结构体A是成员4字节的存储方式 sizeof structA 8 结构体B是成员非4字节的存储方式 sizeof structB 5 在内存中的存储结构 如图6 35所示 BSD套接字 BSDSockets BSDSockets使用的最广泛的网络程序编程方法 主要用于应用程序的编写 用于网络上主机与主机之间的相互通信UNIX Linux VxWorks均支持BSDSockets Windows的Winsock基本上是来自BSDSocketsSocket分为StreamSockets和DataSocketsStreamSockets是可靠性的双向数据传输 使用TCP协议DataSockets是不可靠连接 使用UDP协议 套接字的使用 UDP服务器端和一个UDP客户端通信的程序过程创建一个SocketsFd socket AF INET SOCK DGRAM 0 把Socket和本机的IP UDP口绑定bind sFd structsockaddr serverAddr sockAddrSize 循环等待 接收 recvfrom 或者发送 sendfrom 信息关闭Socket 通信终止close sFd CAN总线设计 CAN总线概述 ControllerAreaNetwork 控制器局域网 现场总线之一 是一种多主方式的串行通讯总线 基本设计规范要求有高的位速率 高抗电磁干扰性 而且能够检测出产生的任何错误 主要应用于汽车电控制系统 电梯控制系统 安全监控系统 医疗仪器 纺织机械 船舶运输等方面CiA CANinAutomation 为全球应