（计算机应用技术专业论文）基于xscale处理器的嵌入式硬件平台设计及引导程序研究.pdf

摘要 本论文的主要工作是在研究了基于a r m 体系结构的i n t e l x s c a l ep x a 2 5 5 处理 器的基础上，以该处理器为核心，加上存储器等器件设计完成了一个嵌入式硬件 系统平台。 论文对x s c a l ep x a 2 5 5 处理器的总体结构和特性进行了仔细分析，对芯片引 脚的要求做了详细的记录，使电路芯片间的联接符合规定。设计了电源及复位电 路，存储器电路，外设接口电路：包括串口电路、j t a g 接口电路、以太网接口 电路、触摸屏接口电路和l c d 接口电路。设计本系统使用了p m t e ld x p 软件设计 电路原理图，p o w e r p c b 5 o 软件设计印制电路板图，并且应用了高速p c b 设计方 法绘制印制电路板。 嵌入式系统引导程序用于初始化硬件和加载操作系统内核，本论文对引导程 序b o o t l o a d e r 的移植进行了研究。对b o o t l o a d e r 的地址规划、模式、程序代码等进 行了分析，对于其设计环境的搭建和下载等过程做了比较深入地了解：最后实现 了一个适合我们设计的平台的b o o t l o a d e r 。 本系统满足实验室建设的需求，可以运行l i n u x ，并且可以进行一些常用接口 实验。 关键词：嵌入式系统硬件平台删 x s c a l ep x a 2 5 5b t l o a d e r a b s t r a c t 1 1 1 em a i nw o r k0 ft l l ep a p e ri sd e s i g n i n ga ne m b e d d e dh a r d w a r es y s t e ma f t e r s t u d y j n gi n t e lx s c a l ep x a 2 5 5p r o c e s s o fw h j c hb a s eo na r ma r c h i t e c t u r e ，t h es y s t e m t a k ei n t e lx s c a l ep ) 【a 2 5 5p r o c e s s o ra st h ec o r e ，t h e na d d i n gs o m ec o m p o n e n t ss u c ha s m e m o r ya ns 0 0 n t 1 l ep a p e ra n a l y s i z e sx s c a l ep x a 2 5 5p f o c e s s o r ss t n l c t u r ea i l dc h a r a c t e f j s t i c s c a r e f u l ly ，t h e nm a k e sad e t a i l e dr c c o r dt ot h er e q u e s to fa l lp i n s ，c a u s e si h ej o i n tb e t w e e n t h ec h i p st 0c o n f 0 珊t ot h es t i p u l a t i o n t h ep a p e rd e s i g n sp o w e ra n dr e s e tc i r c u i t ， m e m o r yc i r c u i t ，p e r i p h e r yi n t e r f a c ec i r c u i t ：i n c l u d e i n gs e r i a l i n t e r f a c ec i r c u i t 、j 1 a g i n t e i f a c ec i r c u i t 、e t h e n e ti n t e r f a c ec i r c u i t 、t o u c h s c r e e ni n t e r f a c ec i r c u i ta n dl c d i n t e r f a c ec i r c u i t w eu s ep m t e ld x pt od e s j g nc i r c u i ts c h e m a t i cd i a g r a ma n du s e p o w e r p c b 5 o t od e s j g np c bw i t hh i g hs p e e dp c b d e s i 印i n gl e c h n i q u e e m b e d d e ds y s t e mb o o t i n gp r o c e d u r ei sf o ri n i t i a l i z j n gh a r d w a r ea n dl o a d j n go s k e me l t h ep 印e rc o n d u c t sar e s e a r c ht ot h et r a l l s p l a 芏l to fb o o t l o 甜e r ，a n dc o n d u c t i n ga i l a n a l y s i st ob o o t l o a d e r sa d d t e s sl a ) r o u t 、m o d e 、p r o g r 咖c o d ea n ds oo n ；a l s 0 ，t h ep a p e r d i s c u s s e sh o wt ob u i l dt h ed e v e l o p i n ge i i i d n m e n to fb o o t l o a d e fa n dh o wt o d o w n l o a di t ；f i n a l l yi m p l e m e n t sab o o t l o a d e rw h i c hf i t so u fp l a t f b 肋 t 1 i es y s t e mf i t st h er c q u 打e m e to fl a bb u i l d i n g ，c a nm nl i n u x ，a l s oc a l ld os o m e c o m m o ni n t e r f a c ec x d e r i m e n t s k e y w o r d s ：h 由吐王日d s 曲n 响聊腑r 响咖删) 囟圈k 玢0 气2 器b c 棚喊h 创新性声明 y8 5 9 0 3 7 本人声明所呈交的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中所罗列的内容外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电子科技大学或其 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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在 解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。 本人签名 导师签名：i 虱鱼 日期：垫! ! ：兰：三z 日期：竺! ：三：兰z 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本论文研究工作的意义 嵌入式系统可以说是无所不在，小至电子体温计，大到飞机的自动导航系统。 而嵌入式系统的开发离不开开发平台；开发平台分为硬件平台和软件平台，本文 的主要工作就是搭建一个嵌入式硬件平台。其意义在于：该平台采用功能强大的 高端嵌入式处理器x s c a l ep x a 2 5 5 ，大容量的存储器以及当前应用较为广泛的触摸 屏、液晶显示屏、以太网接口等，并留有一个扩展接口，方便以后对系统进行扩 展。它为今后开发应用系统提供了很好的起点，基本能满足教学的需求。 1 2 嵌入式系统研究的国内外发展状况 嵌入式系统已广泛应用于生活的方方面面。今天，移动电话、手表、电子游 戏机、p d a 、电视、冰箱、空调等民用电子与通信产品，电动机车、船舶以及飞 机等交通工具和军事装备等等，无不与嵌入式系统息息相关。随着后p c 时代的来 临，数码相机、新一代手机、信息家电、机顶盒以及将来出现的智能房间等等， 都离不开嵌入式系统的核心技术。【1 3 】 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器。随着微处理器的产生， 价格低廉、结构小巧的c p u 和外设连接提供了稳定可靠的硬件架构，据不完全统 计，目前全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1 0 0 0 多种，流行体系结构有3 0 几个系列。上市的c p u 供应商，m o t o r o l a 、i n t e l 、a m d 很有名气，一些小的公司， 如q e d ，也生产出很优秀的微处理器。a r m 、m i p s 等厂商，只设计但并不生产 c p u ，他们把生产权授予世界各地的半导体制造商。a r m 是近年来在嵌入式系统 方面有影响力的微处理器制造商，a r m 的设计非常适用于小的电源供电系统。 a p p l e 在n e w t o n 手持计算机中使用a r m ，另外有几款数字无线电话也在使用 a r m 。 但是软件是限制嵌入式系统发展的瓶颈。尽管从八十年代末开始，陆续出现 了一些嵌入式操作系统，比较著名的有v x w o r k 、p s o s 和w i n d a w sc e ，但这些都 是商业化产品，价格高昂而且源代码封闭。目前，嵌入式操作系统主要有p a l m0 s 、 w i n d o w sc e 、u c o s 、l i n u x 、i y n x 等。高端嵌入式系统要求许多高级的功能，如 图形用户界面和网络支持。嵌入式i j n u x 操作系统以价格低廉、功能强大又易于移 植而正在被广泛采用，成为新兴的力量。主要厂商有u a i n u x 、d e b i a i l 和r c dh a t 。 2 基于x s c a l e 处理器的嵌入式硬件平台设计和引导程序研究 目前，基于嵌入式的“n u x 内核已经发展到了2 6 1 1 。 国内从事嵌入式技术研究比较晚，但发展很快。到目前为止，处理器方面： 3 2 位嵌入式处理器已呈现出群体突破的态势，方舟一号、方舟二号、龙芯等一大 批3 2 位嵌入式处理器陆续问世，但是开发工具、生产能力等问题还未解决，阻碍 了它们的推广应用；而操作系统方面有自主知识产权的产品很少，一般都使用的 是开放源码的操作系统；嵌入式产品方面：主要还是应用国外芯片和软件技术进 行产品的设计和开发，产品有联想的p d a 、机顶盒等。但产品的种类较少，价格 较高，实用性不是很强。大部分涉足嵌入式开发的公司还处在起步阶段，它们主 要生产面向高校的实验开发板，如：北京中科智控科技有限公司、北京博创兴业 科技有限公司，它们的产品大都是基于a r m 核的低端产品。很多产商已经看到了 嵌入式产品的巨大市场潜力并加入到对嵌入式系统的研究和开发中来，如：蓝点 软件、中科红旗、中软等公司都已经将嵌入式系统的开发和应用确立为公司的主 要发展方向之一。 基于以上嵌入式系统在未来发展中的地位，尽快开展对嵌入式系统主流芯片 应用的研究和对源代码开放的操作系统的研究，是十分必要的。 1 3 本论文的工作和内容安排 本论文的选题来自学院的学科建设和教学工作需要。本论文的工作是在掌握 a r m 处理器体系结构的基础上，研究了基于a r m 体系结构的h l t e lx s c a l ep x a 2 5 5 处理器，以该处理器为核心，加上存储器芯片、以太网控制器c s 8 9 0 0 a 、触摸屏 控制器a d s 7 8 4 6 等器件设计完成了一个嵌入式硬件系统平台。 首先，根据嵌入式系统发展的状况以及现有条件，选用i n t e l 公司的x s c a l e p x a 2 5 5 芯片作为我们平台的处理器，围绕它搭建一个最小系统：最小系统板实现 了较为常用的多种接口电路，如l c d 液晶显示接口、触摸屏接口、以太网接口、 串口、j 1 ：c 口等。 接下来，以实验室的嵌入式开发板x h y p e r 2 5 5 b 的软件部分为基础，对其引 导程序b o o t l o a d e r 进行分析和修改，得到一个适合最小系统的b o o t l o a d e r 将其移 植到最小系统上。 论文研究的主要内容有下面几个部分： 1 研究x s c a l ep x a 2 5 5 处理器的体系结构 2 进行原理图设计，构建基于x s c a kp x a 2 5 5 处理器的最小系统 3 应用高速p c b 设计技术设计一块6 层p c b 电路板 4 引导程序b o o t l o a d e r 的分析与设计实现 5 实现b 0 0 t l o a d e r 的下载和运行 第二章嵌入式系统概述 3 第二章嵌入式系统概述 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器，它的类型很多，所以对嵌入式系统的 研究，不仅需要了解基本概念、基本原理，还需要研究特定的处理器类型，本章 介绍了目前应用最为广泛、也是本论文工作中使用的a r m 处理器的体系结构；由 于本论文的重点是嵌入式硬件系统的开发研究，所以对嵌入式操作系统只做了简 要介绍。 2 1 嵌入式系统基本概念 2 1 1 嵌入式系统的定义及特点 “嵌入式系统”是“嵌入式计算机系统”的简称。对于它的定义，目前国内普遍认 同的一个是：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机系统，主 要用于实现对其它设备的控制、监视和管理等功能，通常嵌入在主要设备中运行。 嵌入式系统是集软件、硬件于一体的高可靠性系统。它麻雀虽小，五脏俱全。 软件除操作系统外，还需有完成嵌入式系统功能的应用软件；硬件除了c p u 外， 还需有外部电路支持，微处理器、微控制器、d s p 已构成嵌入式系统硬件的基础。 嵌入式系统的特点： “嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。这三个要 素决定了嵌入式系统的特点。 与“嵌入性”相关的特点：由于是嵌入到对象系统中，必须满足对象系统的环境 要求，如物理环境( 小型) 、电气环境( 可靠) 、成本( 低廉) 等要求； 与“专用性”相关的特点：软、硬件的可裁剪性，满足对象要求的最小软、硬件 配置等； 与“计算机系统”相关的特点：嵌入式系统必须是能满足对象系统控制要求的计 算机系统。与上两个特点相呼应，这样的计算机必须配置有与对象系统相适应的 接口电路。 4 基于x s c a l c 处理器的嵌入式硬件平台设计和引导程序研究 2 1 2 嵌入式系统的应用及发展趋势 嵌入式系统的应用可以说涵盖了国民经济建设的各个方面。主要包括以下领 域：工业控制、武器控制、环境监测、机器人、消费类电子设备、汽车电子、家 电等。 近几年来，计算机、通信、消费电子的一体化趋势日益明显，嵌入式技术已 成为一个研究热点：并且，随着多媒体技术的发展，视频、音频信息的处理水平 越来越高，嵌入式系统的多媒体化将变成现实；它在网络环境中的应用也已是不 可抗拒的潮流，并将占领网络接入设备的主导地位：最后，嵌入式系统与人工智 能、模式识别技术的结合，将开发出各种更具人性化、智能化的嵌入式系统。 2 2 a r m 体系结构简介 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 是目前在嵌入式领域里应用最广泛的r i s c 微 处理器结构，以其低成本、低功耗、高性能的特点占据了嵌入式系统应用领域的 领先地位。a r m 公司的i p 核也由a r m 7 、a r m 9 发展到今天的a r m l l 版本。此 外a r m 公司的合作伙伴，例如i i l t e l 也提供基于x s c a l e 微体系结构的相关处理器 产品。所有的a r m 处理器都共享a r m 通用的基础体系结构，所以开发者在不同 的a r m 处理器上做操作系统移植时，将可以节省工作量，这无疑将大大降低软件 开发成本。 在a r m 7 中，将a r m 体系结构完全扩展到3 2 位( 原来的a r m 处理器只有 2 6 位的地址空间) ，并将主频提升到4 0 m h z ，另外还集成了一个8 k b 的c a c h e 。 此外，a r m 7 支持一种称为”t h u m b ”的模式，可以运行新的1 6 位指令。这主要是 通过在a r m 7 芯片的指令预取阶段增加一个硬件，完成n u m b 指令到正常的3 2 位r i s c 指令的转换来达到目的的。通过引入t h u m b 模式，只需要付出很少的硬 件代价，就可以将代码的密度提升大约2 5 _ 3 5 ，并使得应用的运行更为迅速。 a r m 9 使用了a r m 9 1 d m i 处理器内核，a r m 9 e 系列处理器使用单一的处 理器内核，提供了微处理器d s p 应用系统的解决方案；而a r m 9 e j 是a r m 9 e 在 j a v a 支持上的增强版本。它采用了类似1 1 l 岫b 的机制，通过很少的硬件代价，使 大多数j a v a 虚拟机字节码可以加速执行，更为复杂的j a v a 虚拟机字节码可以通过 软件的方式执行。这样，使得j a v a 虚拟机字节码的执行速度提升了大约8 倍左右。 这对于嵌入式场合的j a v a 应用无疑是极其有效的。 a r m l 0 e 系列处理器有高性能和低功耗的特点。它采用的新的体系，提供了 6 4 位的读取写入( 1 0 a d s t o r c ) 体系；支持包括向量操作的满足i e e e 7 5 4 的浮点运算 第二章嵌入式系统概述 5 协处理器，系统集成更为方便。 a r m l l 囊括了t h u m b 2 、c o r e s j g i l t 、1 m s z o n e 等众多业界领先技术，例如： 提高安全性能的r i m s t z o n e 技术和进一步降低功耗的智能能量管理( m m ) 技术， 同时也是第一个使用了a m b a 3 a x i 协议宽带系统接口的处理器。a r m l l 平台将 1 m s t z o n e 和i e m 技术带来的益处拓展到了系统的其他部分，并提供了一个可高速 互联的高性能可配置平台，同时由单一的处理器内核向多核发展，为高端的嵌入 式应用提供了强大的处理平台。 a r m 的成功在于它极高的性能以及极低的能耗，使得它能够与高端的m i p s 和p o w e r p c 嵌入式微处理器相抗衡。另外，根据市场需要进行功能的扩展，也是 a r m 取得成功的一个重要因素。随着更多厂商的支持和加入，可以预见，在将来 一段时间之内，a r m 仍将主宰3 2 位嵌入式微处理器市场。【1 4 】 2 3 嵌入式操作系统简介 操作系统是连接计算机硬件与应用程序的系统程序。嵌入式操作系统负责嵌 入式系统的全部软、硬件资源的分配、调度工作，并且控制、协调并发活动。它 必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。 目前，已推出一些应用比较成功的嵌入式操作系统产品系列。随着i n t e m e t 技术的 发展、信息家电的普及应用以及嵌入式操作系统的微型化和专业化，它开始从单 一的弱功能向高专业化的强功能方向发展。嵌入式操作系统在系统实时高效性、 硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。 嵌入式操作系统除具备了一般操作系统最基本的功能，如任务调度、同步机制、 中断处理、文件功能等外，还有以下特点： ( 1 ) 可装卸性。开放性、可伸缩性的体系结构。 ( 2 ) 强实时性。嵌入式操作系统实时性一般较强，可用于各种设备控制当中。 ( 3 ) 统一的接口。提供各种设备驱动接口。 i4 、燥佟方便、简单，提供友好钓硎1 ，追求易学易用。 f 5 ) 提供强大的网络功能，提供t c p u d p i p p p p 协议支持及统一的m a c 访问层接口，为各种移动计算设备预留接口。 ( 6 ) 强稳定性，弱交互性。嵌入式系统旦开始运行就不需要用户过多的干预， 这就要求负责系统管理的嵌入式操作系统具有较强的稳定性。嵌入式操作系统的 用户接口一般不提供操作命令，它通过系统调用命令向用户程序提供服务。 m 固化代码。在嵌入式系统中，嵌入式操作系统和应用软 牛被固化在嵌入式 系统计算机的r o m 中。辅助存储器在嵌入式系统中很少使用，因此，嵌入式操作 系统的文件管理功能应该能够很容易地拆卸，而使用各种内存文件系统。 6 基于x s c a l e 处理器的嵌入式硬件平台设计和引导程序研究 f 8 1 更好的硬件适应性，也就是良好的移植性。 国际上用于信息电器的嵌入式操作系统有4 0 种左右。现在，市场上非常流行 的嵌入式操作系统产品，包括3 c o m 公司下属子公司的p a l mo s ，全球占有份额达 5 0 ，m j c r o s o f t 公司的w i n d o w sc e 不过2 9 。在美国市场，p a l m0 s 更以8 0 的占有率远超w i n d o w sc e 。开放源代码的i j n u x 很适于做信息家电的开发。比如： 中科红旗软件技术有限公司开发的红旗嵌入式l j n u x 和美国网虎公司开发的基于 i n u x 的嵌入式操作系统“夸克”。“夸克”是目前全世界最小的l i n u x ，它有两个 很突出的特点，就是体积小和使用g c s 编码。 下面简要介绍嵌入式l i n u x 操作系统： u n u x 是一个类似于u n i x 的操作系统。它起源于芬兰一个名叫“n u st o r v a l d s 的人的业余爱好，但是现在已经是最为流行的一款开放源代码的操作系统。l j n u x 从1 9 9 1 年问世到现在，短短十几年的时间内已发展成为一个功能强大、设计完善 的操作系统，伴随网络技术进步而发展起来的u n u x 操作系统已成为m i c r o s o f t 公 司的w i n d o w s 系列的强劲对手。u n u x 系统不仅能够运行于p c 平台，还在嵌入式 系统方面大放光芒，在各种嵌入式“n u x 操作系统迅速发展的状况下，它逐渐形 成了可与、i n d o w sc e 等操作系统进行抗衡的局面。目前正在开发的嵌入式系统 中，4 9 的项目选择l i n u x 作为操作系统。 u n u x 正在成为许多嵌入式设备厂商的首选。在不到一年的时间内，中科红旗 软件技术有限公司先后推出了p d a 、机顶盒、交换机等专用的嵌入式i j n u x 系统， 并且投入了实际应用。现以红旗嵌入式“n u x 为例来讲解嵌入式l i n u x 操作系统的 特点： ( 1 ) 精简的内核，高性能，稳定，多任务。 ( 2 1 适用于不同的c p u 。支持多种体系结构，如x 8 6 、a r m 、m i p s 、a h a ， s 队r c 等。 ( 3 ) 能够提供完善的嵌入式g u i 以及嵌入式xw i n d o w s 。 f 4 1 提供嵌入式测览器、邮件程序、m p 3 播放器、m p e g 播放器、记事本等应 用程序。 ( 5 、提供完整的开发工具和s d k ，同时提供p c 上的开发版本。 ( 6 ) 用户可定制。提供图形化的定剖和配置工具。 ( 7 1 常用嵌入式芯片的驱动程序，支持大量的周边硬件设备，驱动丰富。 ( 8 ) 针对嵌入式的存储方案，提供实时版本和完善的嵌入式解决方案。 ( 9 ) 完善的中文支持，强大的技术支持，完整的文档。 n 0 1 开放源码，丰富的软件资源，广泛的软件开发者的支持，价格低廉，结构 灵活，适用面广。 第三章嵌入式最小系统的硬件设计 7 第三章嵌入式最小系统的硬件设计 3 1x s c a l ep x a 2 5 5 处理器介绍 3 1 1x s c a l e 微处理器架构简介 x s c a l e 微处理器架构是一种全新的、高性价比、低功耗且基于a r m v 5 t e 体系结构的解决方案。这种微构架在a r m 核的周围提供了指令与数据 存储器管理单元，指令、数据和微小数据c a c h c ，写缓冲、全缓冲、挂起 缓冲和分支目标缓冲器，电源管理，性能监控、调试和j t a g 单元以及协 处理器接口，m a c 协处理器和内核存储总线。 3 1 2x s c a l ep x a 2 5 5 处理器的结构及特性 i n t e lx s c a l ep x a 2 5 5 微处理器芯片采用3 2 位的i n t e lx s c a l e 处理器 核。除此之外，它还内部集成了多通信信道、l c d 控制器、增强型存储 控制器和p c m c i a c f 控制器以及通用i 0 口等模块；其内核工作频率高 达4 0 0 m h z 。x s c a l ep x a 2 5 5 应用处理器的结构框图如图3 1 所示。 8 基于x s c a l e 处理器的嵌入式硬件平台设计和引导程序研究 图3 1 x s c a l ep x a 2 5 5 应用处理器结构框图 下面对照其结构框图，详细说明其中一些主要的模块及其特性。 ( 1 ) 系统控制模块 - g p l 0 ：每个都可单独编程为输出或输入，有些具有第2 功能，可用于各种外 围功能。 中断控制器：所有中断可置为内核的i r q 或f i q 中断，并有屏蔽寄存器。 ( 2 ) 时钟和电源管理器 3 2 7 6 8 k h z 振荡器：用来驱动系统控制模块。系统控制模块包括：实时时钟、 电源管理器、中断控制器等。 t 3 6 8 6 4 m h z 振荡器：具有核p u ，和外围p l l ，可产生各种工作频率。用来驱 动a r mc p u 内核和高速外设。 电源管理器：可控制快速运行、空闲和睡眠工作方式。 ( 3 ) 存储器接口 1 0 0 m h z 存储器总线，支持多至6 个区的静态存储器( s r a m 、h a s h 、r o m 、 v u o ) 和4 个区的动态存储器( 1 6 或3 2 位s d r a m ) 。 第三章嵌入式最小系统的硬件设计 9 支持2 个p c m c n 卡或c o m p a c tf l a s h 卡存储器接口。 ( 4 ) 外围控制模块 d m a 控制器：具有1 6 个有优先级的通道，可为内部外设和外部芯片提供服 务。 l c d 控制器：支持被动( d s t n ) 和主动( n 可) l c d 显示，最大分辨率 8 0 0 6 0 0 1 6 ，2 个专用d m a 通道，允许l c d 控制器支持单层或双层显示。 - a c 9 7 控制器：支持a c 9 7v 2 oc o d e c ，c o d e c 的采样频率可达4 8 k h z ，包含 独立的立体声p c m 输入、输出，m o d e m 输入、输出和单声道话筒输入的通道。 l i s 控制器：可串行连接至数字立体声的标准i i sc 0 d e c ，支持普通的i i s 和 m s b 调整的i i s 格式。 ( 5 ) 串行通信口： 通用异步串行口( u a r t ) ：p x a 2 5 5 有3 个u a r t _ 一全功能u 舢玎、蓝牙u a r t 、 标准u a r t ：每个均有慢速红外接口功能。 同步串行口控制器( s s p c ) ：提供全双工同步串行接口。 u s b 从机模块：支持u s bv 1 1 ，共有1 6 个端点，具有内部产生的4 8 m h z 时钟。1 2 】 3 2 系统设计概述 根据实验室应用要求，设计的最小系统板要可以运行a r ml i n u x ； 具有输入、输出接口，可以实现一些接口实验，并且通过外接不同的扩 展板来实现不同的实验。最小系统板命名为l h a s a ( 以下统称l h a s a 板1 。 l h a s a 板由以下部分组成： i n t e lx s c a l ep x a 2 5 5 处理器 - 3 2 m bf l a s hr o m 6 4 m bs d r a m 2 个u a r t 接口：f f u a r t 和b t u a r t 一个液晶显示器接口 一个触摸屏接口 一个1 0 m 以太网接口 6 针j t a g 接口 - 2 0 针标准j 1 a g 接口 3 2 个l e d 灯：用于软件调试 3 个轻触式按键：其中2 个可供用户程序使用，另一个用于g p i o 重 1 0基于x s c a l e 处理器的嵌入式硬件平台设计和引导程序研究 启。 2 个8 0 脚的扩展信号插槽 地址空间分配：为了方便指令访问，本平台把各部分设备都映射到内存空间。 具体的地址分配情况见下表。 设备 地址范围 空间大小对应片选信号 s d r a mo x a o o o0 0 0 0 d ) ( a 3 f ff f f f6 4 m bs d c s 0 f l a s hr o mo x 0 0 0 0o o o o 一0 x 0 1 f ff n l f3 2 m bs t a t i cc s o 以太网i o 空间 o x 0 4 0 00 0 0 0 一o x 0 4 0 00 0 0 f1 6 bs t a t j cc s l c p u 内部寄存器空间 o x 4 0 0 00 0 0 0 o x 4 b f ff f f f 1 9 2 m b 表3 1 硬件平台的地址分配 剩余地址空间保留，用于系统扩展。 3 3 1 电源电路 3 3 电源及复位电路 在l h a s a 板中需要5 v 、3 3 v 和1 3 v 的直流稳压电源- 其中，5 v 电源作 为液晶显示屏的背光灯电源，x s c a l ep x a 2 5 5 芯片和所有外围器件都需要3 3 v 的 电源；另外，x s c a l ep x a 2 5 5 芯片还需要1 3 v 的核心电源。 由于系统需求的电源质量较高，所以设计电源时应充分考虑电源噪声问题。首 先，选择商质量的d c ，d c 转换器，完成5 v 郅3 3 v 的转换，在此选用了低压降、 低噪声的l i n e a ft e c h n 0 1 0 9 y 公司的i _ = r 1 0 8 5 芯片。该芯片的典型应用就是5 v 到 3 3 v 的电压转换，并且它能提供3 安培的电流输出，足以满足系统的需求。对于 系统中的各个器件，在它们的v c c 引脚和地之间都要加上o ，1 微法的去耦电容- 以消除元器件工作时产生的高频噪声。 系统的电源电路如图3 2 所示。 第三章嵌入式最小系统的硬件设计 图3 2系统电源电路 原理图说明： 1 电容e 3 、e 4 、e 5 是钽电解电容，用于消除电源入口及出口处的低频噪声。 2 l e d 是电源指示灯，r 3 7 是限流电阻。 另外，x s c a l ep x a 2 5 5 芯片还需要1 3 v 的核心电源。我们选择了m i c r e l 公司的m i c 5 2 1 9 电源芯片，该芯片能提供5 0 0 m a 的电流，具有一个使能端，低于 1 的输出电压误差，并且具有超低噪声的输出，能满足x s c a l ep x a 2 5 5 芯片的需 求。核心电源电路如图3 3 所示。 图3 3 核心电源电路 原理图说明： 1 由m i c 5 2 1 9 的技术手册，v o u t = 1 2 4 2 ( 1 + r 4 0 瓜3 8 ) = 1 3 6 v ；满足系统要求。 2 x s p w r _ e n ：p x a 2 5 5 的外部电源允许引脚( 高有效) ，簧o 时将关闭核心电 1 2 基丁x s c a l e 处理器的嵌入式硬件平台设计和引导程序研究 源，c p u 进入睡眠状态。 3 电容e 6 、e 7 用于滤除低频噪声，其值选择根据m l c 5 2 1 9 技术手册。 3 3 2 复位电路 复位电路实现c p u 的手动复位，可以由简单的r c 电路构成，但是为了消除 抖动，实现安全的复位，选用了专用复位芯片搭建复位电路。 系统复位芯片采用了m i c r e l 公司的m i c 8 1 1 t u 芯片，该芯片的输出信号 r e s e t 在输入信号为低的时候一直保持低电平，并且在输入信号变高以后继续保 持1 4 0 m s 的低电平输出然后变高，保证了复位信号的完整性。复位电路如图3 1 4 所示。 i d i 图3 4 系统复位电路 原理图说明： 输入信号m r 通过r 1 上拉是为了使开关未按下时引脚也有个确定状态 防止其i 翌噪声干扰误触麓，而导致系统复位。 3 4 1 简介 3 4 系统存储器接口设计 x s c a l ep 蛇5 5 芯片的外部存储器接口支持多种存储器芯片，包括：同步动态 存储器( s d r a m ：1 0 0 m h z ，3 3 v 或2 5 v ) 、同步和异步f 1 a s h 、同步掩膜r o m ( s m r o m ) 、s r a m 、v u o ( 可变延迟怕) 、p c 卡、c f 卡等等。它们能通过对 “存储器接口设置寄存器”编程来与应用处理机接口。总的来说，这些存储器可分为 第三章嵌入式最小系统的硬件设计 1 3 4 类：s d r a m 、静态存储器、v l l 0 、卡存储器。( 0 与s r a m 相似，区别在 于：v l i o 允许使用“准备好”信号( r d y ) ，从而在读或写时都能插入可变长度的 等待状态。r d y 一般是电平触发，高电平时加器件准备好数据传送。) 【2 】 p x a 2 5 5 的存储器接口示意图如图3 5 所示。其中，s d r a m 有4 块区域，静 态存储器和v u o 共6 块，卡空间有两块。 图3 5 n 队2 5 5 通用存储器接口设置1 2 3 】 3 4 2s d r a 芯片接口电路 s d m w 不具有掉电保持数据的特性，但其存取速度很快，且具有可读写特 性。因此，s d r a m 在系统中主要用作程序的运行空间、数据及堆栈区。当系统启 动时，c p u 首先从地址o x 0 0 0 0 0 0 0 0 处读取启动代码，在完成系统的初始化后，程 序代码一般调入s d r a m 中运行，以提高系统的运行速度。1 3 j x s c a l ep x a 2 5 5 支持4 个1 6 位或3 2 位宽的s d 免a m 块( b a n k 0 b a n k 3 ) 每 个块最大6 4 m b ，实际大小取决于s d r a m 设置。 由于p x a 2 5 5 芯片内部集成了s d r a m 控制模块，所以不需要外加s d r a m 控 1 4 基于x s c a l c 处理器的嵌入式硬件平台设计和引导程序研究 制器，相关信号直接与s d r a m 存储芯片连接即可。p 屹5 5 的s d r a m 控制器包 括下列信号： 4 个块选择器( n s d c s 【3 ：o 】) ； 4 个字节选择( d q m 【3 ：0 】) ：用来分辨3 2 位数据线中的4 个字节； 】5 个多路块行列地址信号( m a 2 4 ：1 0 】) ； 1 个写允许( n w e ) ； 1 个列地址选通( n s d c a s l ： 1 个行地址选通( n s d r a s ) ： - 1 个时钟允许( s d c k e l ) ； 2 个时钟( s d c l k 【2 ：1 】) ； 3 2 位数据( m d 【3 1 ：0 】) 。 u a s a 板的设计使用了2 片三星公司的k 4 s 5 6 1 6 3 2 c t c 7 5 芯片并联构建3 2 位的s d r a m 存储器系统，其中一片为高1 6 位，另一片为低1 6 位。每片规格为 4 m 1 6 b i t 4 b a n k ( b a n k 的选择由b a 0 、b a l 信号控制) ，所以一共是6 4 m b 的 内存。k 4 s 5 6 1 6 3 2 c t c 7 5 芯片支持的最高的总线频率为1 3 3 m h z ，可以满足系统 的需求。可将两片k 4 s 5 6 1 6 3 2 c 作为一个整体配置到s d r a mb a i l k o b a n k 3 的任 一位置，一般配置到s d m mb a n k o ，即将x sn s d c s o 连接到两片k 4 s 5 6 1 6 3 2 c 的c s 端。 s d r a m 芯片与系统连接的电路原理图如图3 6 所示。 图3 6k 4 s 5 6 1 6 3 2 c 芯片连接电路图 第三章嵌入式最小系统的硬件设计 1 5 原理图说明： 1 s d r a m 的主要特点是：行列地址复用其地址线，c p u 需要分两个时钟周 期分别送出行地址、列地址。 2 k 4 s 5 6 1 6 3 2 c 的行地址为a o a 1 2 ，列地址为a 0 a 8 ；通过a o a 1 2 及b a o 、 b a l 信号，能够寻址到s d r a m 的具体地址空间。 3 r a s ( r o w a d d r e s ss t m b e ) ：行地址选通，c p u 在发送行地址前将其置为有 效；c a s ( c o l u m n a d d r e s ss t r o b e ) ：列地址选通，c p u 在发送列地址前将其置为 有效。 4 c k e ：时钟允许：l d q m 和u d q m ：用来分辨1 6 位数据中的高低字节。 5 地址线的连接按照p 墟5 5 的技术手册。 3 4 3f 1 a s h 芯片接口电路 f l a s h 存储器是一种可在系统( i n s y s t e m ) 进行电擦写，掉电后信息不丢失的 存储器。它具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编程、擦 除等特点。作为一种非易失性存储器，f 1 a s h 在系统中通常用于存放程序代码、常 量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据。1 3 】 x s c a l e p ) 队2 5 5 的静态存储器及可变延迟w i 接口具有6 个片选信号( n c s 【5 ：0 1 ) 和2 6 个字节地址( m a 【2 5 ：o 】) ，可访问6 个区的多至6 4 m b 存储器。 l h a s a 板选用了h l t e l 公司的e 2 8 f 1 2 8 j 3 a 芯片。e 2 8 f 1 2 8 j 3 a 的单片存储容 量为1 2 8 m 位( 1 6 m 字节) ，工作电压为2 7 v 3 6 v ，采用5 6 脚t s o p 封装。采 用两片e 2 8 f 1 2 8 j 3 a 并联的方式构建3 2 位的f l 蝇h 存储器系统，其中一片为高 1 6 位，另一片为低1 6 位，将两片e 2 8 f 1 2 8 j 3 a 作为一个整体配置到一个块，既将 p x a 2 5 5 的x s _ n c s 0 连接到两片e 2 8 f 1 2 8 j 3 a 的c e 端。f 1 a s h 芯片与系统连接的 电路原理图如图3 7 所示。 1 6 基于x s c a 】e 处理器的嵌入式硬件平台设计和引导程序研究 图3 7e 2 8 f 1 2 8 j 3 a 芯片连接电路图 原理图说明： 1 ，啪：8 位模式，本设计不使用该模式，故接高。 2 a 0 ：用于8 位模式时选择高、低字节，1 6 位模式时不用，接地。 3 瓜p ：( r e s e t p o w e r d o w n ) 复位和休眠控制端；将它接p x a 2 5 5 的外部电 源允许引脚x sp w re n ( 高有效) 。 4 v p e n ：( v o l t a g ep i o 伊a me n a b l e ) ，始终允许擦除、编程操作，故接高电平。 5 地址线的连接：因为数据线3 2 位，每次读4 个存储单元，所以a 2 是第1 个变化的，必须将c p u 的a 2 接n a s h 的最低有效位( 此时是a 1 ) ，其余的依次 连接。 3 5 1 串口电路 3 5 系统板的外设接口设计 x s c a l ep ) 【a 2 5 5 一共有3 个通用异步收发口：一个最高速率2 3 0 k b p s 的全功 能f f u 触，一个最高速率9 2 1 k b p s 的蓝牙b t u a r t 和一个标准s t u 剐玎；u n s a 板上一共引出来了2 个串口：蓝牙b 1 m 斌r 和全功能f f u a r t 。标准s t u a r t 跟 高速红外通信口( f i c p ) 共用管脚，在扩展接口中引出。 第三章嵌入式最小系统的硬件设计 1 7 f f u a r t 一共有8 根信号线，我们只驱动了最常用的r x d 和t x d 信号；同样，b t u a r t 也只引出这两个信号线，其它的信号线全部引到 扩展接口。 r s 2 3 2 收发器选用的是工作电压+ 3 v 至+ 5 5 v 的m a x 3 2 2 3 芯片，采用了2 0 p i n 的t s s o p 封装。m a x 3 2 2 3 可同时驱动2 路串口信号，电路连接原理图如图3 8 所 示。 图3 8m a x 3 2 2 3 电路连接图 原理图说明： 1 四个电容供芯片内部变压器使用，这些变压器输出r s 2 3 2 传输所 需的+ 1 2 v 和1 2 v 电压。电容值的选择参照芯片的技术手册。 2 s h d n ：( s h u t