基于ARM的USB转存系统的设计

山东建筑大学信电学院课程设计说明书11设计目的本设计要求实现一个能将采集的数据通过USB接口转存的系统。该系统的ARM负责数据的采集和运算处理，采集数据可以根据自己的需要假定（如温度、流速等），处理结果通过USB口送计算机显示分析。通过USB送计算机的方式自己选择，可以使通过U盘转存，也可以是使ARM系统本身就是一个USB从设备，之际接到计算机的USB主机接口上进行通信。根据设计题目的要求，选择确定ARM芯片型号、USB控制芯片型号，完成系统硬件设计，实现数据转存。山东建筑大学信电学院课程设计说明书22设计要求根据所给出的已知参数，对输入信号特征进行分析，同时进行需求分析，跟据分析的结果，选择确定ARM芯片，USB控制器芯片型号，完成系统硬件设计。画出原理图后，根据硬件设计的结果设计系统的软件流程。山东建筑大学信电学院课程设计说明书33设计内容31ARM与USB的特点311ARM的特点嵌入式系统是一种“完全嵌入到受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统”。一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成，嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成。执行装置也称为被控对象，它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操作或任务。ARM（ADVANCEDRISCMACHINES）处理器是ACORN计算机有限公司面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器。更早称作ACORNRISCMACHINE）。当前ARM体系结构的扩充包括1、THUMB16位指令集，为了改善代码密度；2、DSPDSP应用的算术运算指令集；3、JAZELLER允许直接执行JAVA字节码。4、ARM处理器系列提供的解决方案有；5、无线、消费类电子和图像应用的开放平台；6、存储、自动化、工业和网络应用的嵌入式实时系统；7、智能卡和SIM卡的安全应用。ARM处理器的三大特点是耗电少功能强、16位/32位双指令集和合作伙伴众多。具体如下1、体积小、低功耗、低成本、高性能2、支持THUMB（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16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；5、寻址方式灵活简单，执行效率高；6、指令长度固定。312USB的特点USB通用串行总线协议是一些PC大厂商为了解决日益增加的PC外设与有限的主板插槽之间的矛盾而制定的一种串行通信标准。USB接口是一个快速的、山东建筑大学信电学院课程设计说明书4双向的、同步的、低成本的、动态的串行连接接口，支持主机和并发存取外设之间的数据交换。所连的外设通过主机调度和基于令牌的协议共享USB带宽。USB的主要优点有1、传输速度快，USB11总线协议规定的最高传输速度为12MB/S，比一般的PC机外置端口都快，而在USB20总线协议里，定义的最高传输速度已经达到了480MB/S，可以满足包括视频设备在内的多种外部设备数据传输的需要；2、设备配置和安装容易，所有的USB设备支持热拔插，系统对其进行自动配置；3、能够采用总线供电，总线可以提供最多500MA的电源，对于一般的小型外设可以通过总线供电，不需要外部电源；4、易于扩展；5、使用灵活，USB共有4种传输模式控制传输、同步传输、中断传输、块传输，以适用不同的设备的需要；6、容错性强，USB协议规定了对各种可能遇到的错误的处理和恢复机制，保证了数据传输的正确性，同时，对设备的热拔插处理迅速且不影响系统的正常工作；7、实现成本低，USB对系统与PC的集成进行了优化，适合于开发低成本的外设。不同的USB传输速率有不同的应用，其具体应用如下表所示类别应用特性低速交互设备1020KBPS键盘，鼠标，游戏杆低价格，热拔插，易用性全速电话、音频、压缩视频500KBPS12MBPSISDN、PEX、POIS低价格、热拔插、易用性、限定带宽和延迟高速视频、磁盘音视频处理、磁盘高带宽、限定延迟、易用性山东建筑大学信电学院课程设计说明书525480MBPS32接口方案设计利用ARM的强大的数据处理功能,可以将采集到的数据经过ARM进行快速复杂的处理,传输给USB控制器,接着由后者驱动USB接口以将数据传给外部器件；USB控制器通过USB接口接收外部器件传来的信息,然后再把它们转发给信号处理系统。结构框图如图1所示。控制系统ARMUSB控制器USB接口外部器件图1信号处理系统的USB接口扩展框图33各部分芯片选择与设计331USB控制器芯片1、芯片选择此次设计为基于ARM的USB数据转存系统的设计，根据实验设计的各项参数与设计要求，我们选择SL811HS为这次设计中所要用的USB接口控制器。2、芯片性能SL811HS是一个嵌入式的主/从设备控制器，可以全速或低速与USB设备通信。SL811HS可以接微处理器，微控制器，DSP，或者直接接到多种总线上，如ISA,PCMCIA和其它。SL811HS主机控制器遵从USB协议11，嵌入式USB主/从设备控制器SL811HS把USB串行接口和内部全速低俗合为一体。SL811HS支持和运转在USB12MBPS的全速模式下，或者在15MBPS的低速模式下，SL811HS的数据口微处理器接口提供8BIT位数的I/O或者双向的DMA，山东建筑大学信电学院课程设计说明书6通过终端允许简单接口到标准的微处理器或控制器，如摩托罗拉，英特尔CPU或者其它。SL811HS的内部，包含一个256字节用于控制寄存器和数据缓冲的随机存储器。可用的封装有28针的PCLL封转和48针的TQFP封装。两者都运行在33伏的电压下。I/O接口的逻辑兼容5伏电压SL811HS能工作与两种模式主或从。SL811HS在软件控制下运行为单个USB主或从设备，主机或从设备模式都有15MBPS的低速，12MBPS的全速，CPU自动识别低速和全速设备。SL811HS微处理器接口提供8位双向数据通道，并用适合的控制下连到外部处理器或控制器。控制线，芯片选择，读/写和一个单独的地址线，A0，以及8位数据线，支持I/O程序编写和存储器映射到I/O的设计。存储器的存取和控制寄存器的控制是两个简单过程，需要一条地址线写A00，接下来当设A01时，周期内寄存器/存储器读/写。另外，在从模式下，DMA双向接口通过握手信号可以作用，握手信号如DREQ,ACK,WR,RD,CS和INTR。当NWR或NCS处于非活动时，SL811HS写或读操作终止。对于连接到SL811HS的装置，选择在写NWR之前选通NCS是芯片不活动，从NCS上实时测量的数据与指定的值相同。SL811HS的中断控制器提供一个输出信号，它能激活一系列事件使USB活动起来。通过地址为0X0D的状态寄存器可以清除中断。SL811HS有256字节的内部缓冲寄存器，前面16字节的空间是用来编程I/O运转的控制和状态寄存器。其余的空间用作数据缓冲区。3、SL811HS的硬件设计SL811HS对一个接入的USB设备的启动过程为1SL811HS检测到有外部USB设备接入；2对这个USB设备进行RESET操作，检测该USB设备是高速设备还是低速设备，并设置好SL811HS中对应的寄存器位；3通过0号端点读取该USB设备的描述符信息如厂商ID、产品ID、设备类、设备子类、设备协议，选取对应的子程序；4SL811HS固件驱动程序对该USB设备进行初始化读取该USB设备的设备描述符，为该设备指定地址，读取该设备的配置描述符信息、接口描述符山东建筑大学信电学院课程设计说明书7信息、端点描述符信息，为该USB设备设置选择配置描述符；5对该USB设备的初始化完成后，按照应用要求与该设备进行通信。对SL811HS进行设置的初始化程序，这部分程序在系统复位后就立即执行；发现USB设备接入的子程序，并判断该设备是高速设备还是低速设备；对该USB设备进行ENUMERATE即初始化操作，并指定其USB地址的子程序；用于其他数据通信的子程序，利用该部分程序完成指定的应用要求。初始化部分需要根据SL811HS数据手册的要求对各个控制寄存器进行设置。把SL811HS控制寄存器2地址0X0F设置为0XAE，以使能SL811HS的全部功能；把控制寄存器1地址0X05设置为0；把SOFCOUNTLOW寄存器地址0X0E设置为0XE0，让SL811HS每1MS自动产生SOF。此外还要对SL811HS中断使能寄存器进行设置，以使能设备插入/移去中断。在对SL811HS的初始化完成以后，所选ARM芯片上的固件程序进入等待设备插入的阶段。当SL811HS以中断方式通知ARM现在有设备接入时，固件程序进入发现USB设备接入子程序。需要注意的是，USB设备接入后应首先对其进行复位操作，且复位时间不少于10MS，否则USB设备将不能启动。USB设备在正常使用前，还需要由固件程序对它进行配置，即对USB设备进行初始化。该部分涉及资源的分配、选择合适的驱动程序、设置USB地址等。这些功能的完成都需要控制传输。根据应用需要，如果要支持USBHUB类型的设备接入时，需要对前面的程序作适当的调整和考虑，尤其注意在跨过HUB与一个低速USB设备通信时要先发一个前导包。如果支持多个USB设备的接入，通过对SL811HS内部SOFCOUNTLOW寄存器和SOFCOUNTHIGH寄存器的分析，来确定能否满足当前接入设备的带宽要求。每次事务传输完成，都应该读取SL811HS内部USBSTATUS寄存器的值，以确定该次事务传输是否成功、是否超时等异常情况的发生，以保证程序的稳健性。332ARM控制芯片1、芯片选择在这次设计中，我们要基于ARM进行设计，这次设计可以用的芯片有很多，山东建筑大学信电学院课程设计说明书8如S3C4510B，S3C2410X等等，其中S3C2410具有极为出色的性能。它具有如下特点（1）采用核心板和底板分离的设计思想，用户可以方便的使用COREBOARD进行二次开发,核心板和底板采用稳固DIMM144标准PCI插槽接口。（2）COREBOARD集成了ARM最小系统，包括CPU、内存、NANDFLASH、NORFLASH、RTC核心部件。特别是NORFLASH的集成使ARM最小系统进一步完整，NORFLASH的集成让用方便地调试VXWORK等软件。（3）3、S3C2410支持两种启动模式一种是从NANDFLASH启动；一种是从外部NGCS0片选的NORFLASH启动，用户可以在两个操作系统间进行选择。（4）WIGGLE和JTAG二合一调试板内置WIGGLE和JTAG功能。二者合一让用户方便地写和调试程序。根据设计参数、设计要求以及老师的要求，这次设计中我们选用S3C2410芯片作为设计的主芯片。2、S3C2410的电路系统S3C2410的电路系统如图二所示山东建筑大学信电学院课程设计说明书9图2S3C2041电路系统3、系统电源供给系统采用5V直流变压器供电，经过稳压块把电压稳定到33V和18V，分别供给CPU处理器的I/O及外围与处理器核。其中18V电压采用两路独立的电源给CPU的核供电。这是为了使CPU能工作于断电模式（POWEROFFMODE）。在断电模式中，一个18V电源供给唤醒逻辑，另外一个则供给其他逻辑，包括CPU的核本身。第二个电源可以被唤醒逻辑控制通断以方便CPU对工作模式的切换。系统工作于断电模式时，耗电量非常低，这一功能对手提设备来说是非常有用的。系统还为实时时钟电路设计了后备锂电池，可使其在系统断电之后仍然能够正常工作。系统电源供给电路如图3所示山东建筑大学信电学院课程设计说明书10图3系统电源电路4、系统时钟系统主时钟如图本系统可以使用有源晶体（X101，未安装）或无源晶体（X103）作为系统PLL和USBPLL的基准输入时钟源总线时钟，经内部PLL产生CPU的工作时钟和USB的工作时钟。尽管系统时钟MPLL在CPU复位之后就开始工作，但是MPLL的输出直到软件向MPLLCON寄存器写入有效值之后才真正作为系统的主时钟。在此之前，系统时钟直接从外部晶体频率或者EXTCLK获得。因此尽管用户想仍然保留原来的时钟设置，也应该在CPU复位之后重新将MPLLCON原来的值写入MPLLCON寄存器。用户可通过对CPU的OM32脚的跳线来选择时钟。时钟电路如图4所示山东建筑大学信电学院课程设计说明书11图4系统时钟电路5、JTAG接口及复位逻辑开发板的JTAG接口可支持多种仿真器，只要把相应跳线设置一下就可以了。电路图如下。系统的复位信号NRESET必须保持低电平4个时钟周期才能保证可靠复位，一旦外部复位信号被CPU确认，它将使CPU内部复位信号变低电平，并且保持128个时钟周期。JAAG接口及复位电路如图5所示山东建筑大学信电学院课程设计说明书12图5JAAG接口及复位电路6、系统存储器英蓓特公司S3CEB40开发板上的存储器包括SDRAM和FLASH。系统配置了两片32MB的三星SDRAM；一片INTELSTRATAFLASH（16MB），一片ATMEL的AT49LV1614A，2MBNORFLASH可兼容AMD的AM29LV160DB/320DB，另外还配置了SD卡座和SMC卡座。用户可通过跳线来选择FLASH启动芯片（BOOTROM）。开发板采用两片半字（HALFWORD）SDRAM器件共同组成一个32位数据宽度的SDRAM系统，提高了其与CPU的通信效率。更好的发挥S3C2410X01芯片的潜能。系统存储器如图6所示山东建筑大学信电学院课程设计说明书1312345678ABCD87654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEA3DATE3JUL2011SHEETOFFILEF习习2410习习习习ARMCPUPARTAANDCDDBDRAWNBYVDD33R20010KVDD33RNBNFRENFCECLEALENFWEVDD33VDD33ADDR24ADDR25DATA17DATA18DATA19DATA20DATA21DATA22DATA23DATA24DATA25DATA26DATA27DATA28DATA29DATA30DATA31DATA16NWBE0NWBE1NWBE2NWBE3SCKESCKESCLK0SCLK1NGCS6NSCASNSRASNWENGCS6NSCASNSRASNWEADDR025DATA031ADDR2ADDR3ADDR4ADDR5ADDR6ADDR7ADDR8ADDR9ADDR10ADDR11ADDR12ADDR13ADDR14ADDR2ADDR3ADDR4ADDR5ADDR6ADDR7ADDR8ADDR9ADDR10ADDR11ADDR12ADDR13ADDR14ADDR24ADDR25DATA8DATA9DATA10DATA11DATA12DATA13DATA14DATA15DATA9DATA2DATA10DATA3DATA12DATA5DATA6DATA7DATA0DATA1DATA2DATA3DATA4DATA5DATA6DATA7VDD33NFWPDATA15DATA14DATA13DATA4DATA1DATA8DATA0DATA11A023A124A225A326A4293036A631A732A833A934A10/AP22A1135BA121WE16RAS18CS19CAS17LDQM15UDQM39CKE37CLK38VDD27VDD14DQ02DQ14DQ25DQ37DQ48DQ510DQ611DQ713DQ842DQ944DQ1045DQ1147DQ1248DQ1350DQ1451DQ1553VDDQ3VSS54VSS41VSS28VSSQ52VSSQ46VSSQ12VSSQ6BA020VDD1VDDQ49VDDQ43VDDQ9A1236B1K4S561632AA023A124A225A326A4293036A631A732A833A934A10/AP22A1135BA121WE16RAS18CS19CAS17LDQM15UDQM39CKE37CLK38VDD27VDD14DQ02DQ14DQ25DQ37DQ48DQ510DQ611DQ713DQ842DQ944DQ1045DQ1147DQ1248DQ1350DQ1451DQ1553VDDQ3VSS54VSS41VSS28VSSQ52VSSQ46VSSQ12VSSQ6BA020VDD1VDDQ49VDDQ43VDDQ9A1236B2K4S561632A图6系统存储器34系统软件设计软件部分主要包括DSP数据处理,USB固件程序等,这里只用VISIO画出ARM最主要部分的软件流程图,如图7所示程序入口ARM初始化JTAG初始化山东建筑大学信电学院课程设计说明书14重新等待中断重新等待中断发出中断判断中断读取数据存入地址数据处理向USB发送中断中断允许后发送数据根据计算机传来的命令调用程序处理数据分析计算机传来的命令山东建筑大学信电学院课程设计说明书15总结与致谢本次设计的系统具有结构简洁,数据处理能力较强等特点,较其他类型的USB转存系统具有成本控制适当,布线简单的优点。这次课程设计中我收获了很多。在设计中，我对课本内容有了更多的了解，对S3C2410芯片的应用有了实际的操作，对基于S3C2410的设计有了全面的了解。从设计中我了解到了实践的重要性，以往从课本中所学到的知识，在没有经过实践之前，就不能全面的了解它，更不要说应用，只有有了经验，我们才能更好的在以后的工作学习中利用所学知识。这点对我们日后的工作学习有着很重要的意义。这次课程设计中