基于ARM的串行通信系统设计

1、目录1 引言（或绪论） . 12 系统的主要功能 . 13 硬件电路设计及描述 . 23.1 S3C2410与串口通信概述 . 23.1.1 S3C2410处理器概述 . 23.2 方案设计 . 63.3 电路设计 . 73.3.1 电源设计 . 73.3.2晶振电路 . 83.3.3 复位电路 . 83.3.4 JTAG接口 . 93.3.5 存储器设计 . 93.3.6串口电路 . 114 软件设计流程及描述 . 125 实验步骤 . 146 源程序代码 . 157 课程设计体会 . 368 参考文献 . 36一 引言（或绪论）本课题以嵌入式系统设计原理和实际应用为核心，从理论上和技术方法

2、上开展了一系列研究。主要工作有:1、全面系统地概述了嵌入式系统的发展过程和分类，及其在各个领域内的应用，以及嵌入式系统的发展方向；2、基于嵌入式系统设计原理的嵌入式开发平台的设计的总体方案，从硬件和软件两个方面讲述了嵌入式系统的设计思想和方法，及其可行性的论证；3、嵌入式系统硬件平台的设计与调试，着重叙述了硬件平台的整体设计方案，包括模块的选型与接口电路的设计；总之，本文完成了嵌入式系统的硬件平台构架、实时嵌入式操作系统的移植，为今后嵌入式系统的后继开发提供了一个嵌入式平台。基于嵌入式系统设计原理的嵌入式开发平台的设计的总体方案，从硬件和软件两个方面讲述了嵌入式系统的设计思想和方法，及其可行性

3、的论证。嵌入式系统硬件平台的设计与调试，着重叙述了硬件平台的整体设计方案，包括各个设计模块的选型与接口电路的设计。随着世界科技水平的发展，嵌入式系统以其小型、专用、易携带、可靠性高的特点，已经在各个领域得到了广泛的应用，如军事国防、消费电子、通信设备、工业控制等。随着嵌入式系统软硬件技术的飞速发展，其应用领域必将更为广阔，嵌入式系统的研究将会有非常广泛的前景。本课题既可以使电子专业学生对ARM920T的嵌入式串口通信系统的实际应用有深入的了解，更重要的是培养了学生的软硬件动手能力，是对学生所学专业知识、理论、技能和培养学生独立完成基本科研任务能力的一个综合检验，具有一定的效果和意义。二 系统的

4、主要功能2.1串行数据的输入和输出、显示、存储；2.2显示当前时间日期、输入和输出数据的显示和存储、串行传输；2.3参数设置：传输字符长度、存储位置；2.4菜单功能：如开始、结束、暂停、设置环境参数等；2.5 文件操作：读文件、写文件等1实验周说明书三 硬件电路设计及描述3.1 S3C2410与串口通信概述3.1.1 S3C2410处理器概述ARM微处理器结构1）RISC体系结构RISC结构优先选取使用频率最高的简单指令，避免复杂指令；将指令长度固定，指令格式和寻址方式种类减少；以控制逻辑为主，不用或少用微码控制等措施来达到上述目的。到目前为止，RISC体系结构也还没有严格的定义，一般认为，R

5、ISC体系结构应具采用固定长度的指令格式，指令归整、简单、基本寻址方式有23种； 使用单周期指令，便于流水线操作执行；大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载/存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率等特点。2）ARM微处理器的寄存器结构ARM处理器共有37个寄存器，被分为若干个组（BANK）, 同时，ARM处理器又有7种不同的处理器模式，如下表22在每一种处理器模式下均有一组相应的寄存器与之对应。表1 ARM处理器的7种处理器模式3）ARM微处理器的指令结构ARM微处理器的在较新的体系结构中支持两种指令集：ARM指令集和Thumb指令集。其中，ARM指令为32位的长度，T

6、humb指令为16位长度。Thumb指令集为ARM指令集的功能子集，但与等价的ARM代码相比较，可节省3040以上的存储空间，同时具备32位代码的所2实验周说明书有优点。S3C2410是Samsung公司基于A RM 920T内核的嵌入式微处理器.本文以S3C2410为核心，配置了最基本外围电路构成了最小的嵌入式系统，并在ADS上开发了启动程序，完成硬件初始化，配置运行环境，串日调试功能。Samsung 公司推出的16/32位RISC处理器S3C2410A，为手持设备和一般类型应用提 供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案。为了降低整个系统的成本， S3C2410A提供了以下丰富的内

7、部设备：分开的16KB的指令Cache和16KB数据Cache， MMU虚拟存储器管理，LCD控制器（支持STN&TFT），支持NAND Flash系统引导，系统 管理器（片选逻辑和SDRAM控制器），3通道UART，4通道DMA，4通道PWM定时器，I/O 端口，RTC，8通道10位ADC和触摸屏接口，IIC-BUS接口，IIC-BUS接口，USB主机，USB 设备，SD主卡&MMC卡接口，2通道的SPI以及内部PLL时钟倍频器。S3C2410A采用了ARM920T内核，0.18um工艺的CMOS标准宏单元和存储器单元。 它的低功耗、精简和出色的全静态设计特别适用于对成本和功

8、耗敏感的应用。同样它还采用 一种叫做Advanced Microcontroller Bus Architecture(AMBA)新型总线结构。S3C2410A的显著特性是它的CPU核心，是一个由Advanced RISC Machines（ARM） 有限公司设计的16/32位ARM920T RISC处理器。ARM920T实现了MMU，AMBA BUS和 Harvard高速缓冲体系结构。这一结构具有独立的16KB指令Cache和16KB数据Cache，每 个都是由8字长的行（line）构成。3.1.2串口通信串口通信的概念，即串口按位（bit）发送和接收字节通信协议是指通信双方按照约定的数据格

9、式、同步方式、传送速度、传送步骤等规程来进行数据传输本次采用异步通信 ，其特点是通信双方以一个字符(包括特定附加位)作为数据传输单位，且发送方传送字符的间隔时间是不定的。在传输一个字符时总是从起始位开始，以停止位结束。如图1所示：3实验周说明书图1.1 串行数据帧格式S3C2410的UART提供3个独立的异步串行通信端口，每个端口可以基于中断或者DMA进行操作。换句话说，UART控制器可以在CPU和UART之间产生一个中断或者DMA请求来传输数据。UART在系统时钟下运行可支持高达230.4K的波特率，如果使用外部设备提供的UEXTCLK，UART的速度还可以更高。每个UART通道各含有两个1

10、6位的接收和发送FIFO。S3C2410的UART包括可编程的波特率，红外 接收/发送，一个或两个停止位插入，5-8位数据宽度和奇偶校验。每个UART包括一个波特率发生器、一个发送器、一个接收器和一个控制单元，如图11-1所示。波特率发生器的输入可以是PCLK或者UEXTCLK。发送器和接收器包含16位的FIFO和移位寄存器，数据被送入FIFO，然后被复制到发送移位寄存器准备发送，然后数据按位从发送数据引脚TxDn输出。同时，接收数据从接收数据引脚RxDn按位移入接收移位寄存器，并复制到FIFO。特性 RxD0, TxD0, RxD1, TxD1, RxD2, 和TxD2基于中断或者DMA操作

11、 UART Ch 0, 1, 和 2 具有 IrDA 1.0 & 16 字节 FIFO UART Ch 0 和 1 具有 nRTS0, nCTS0, nRTS1, 和 nCTS1 支持发生/接收握手2串行接口的物理层标准4实验周说明书1）EIA RS232C它在一种25针插件（DB25）上定义了串行通信的有关信号。在实际异步串行通信中，并不要求用全部的RS-232C信号，许多PC/XT兼容机仅用15针接插件（DB-15）来引出其异步串行I/O信号，而PC中更是大量采用9针接插件（DB-9）来担当此任。图1.3 DB-25和DB-9引脚定义表2 引脚说明2）信号电平规定RS-232C规定

12、了双极性的信号逻辑电平，它是一套负逻辑定义：-3V到-25V之间的电平表示逻辑“1”。+3V到+25V之间的电平表示逻辑“0”。以上标准称为EIA电平。PC/XT系列使用的信号电平是-12V和+12V，符合EIA标准，但在计算机内部流动的信号都是TTL电平，因此这中间需要用电平转换电路。常用专门的RS-232接口芯片，如SP3232、SP3220等，在TTL电平和EIA电平之间实现相互转换。PC/XT系列以这种方式进行串行通信时，在波特率5实验周说明书不高于9600bps的情况下，理论上通信线的长度限制为15米。3S3C2410串行口控制器S3C2410自带3个异步串行口控制器，每个控制器有1

13、6字节的FIFO（先入先出寄存器），最大波特率115.2Kbps。每个UART有7种状态：溢出错误，校验错误，帧错误，暂停态，接收缓冲区准备好，发送缓冲区空，发送移位缓冲器空，这些状态可以由相应的UTRSTATn或UERSTATn寄存器表示，并且与发送接收缓冲区相对应的有错误缓冲区。串行接口：波特率的大小由一个专用的UART波特率分频寄存器（UBRDIVn）控制，计算公式如下：UBRDIVn =（int）MCLK/（bps×16）-1其中：MCLK是系统时钟，UBRDIVn的值必须在1（216-1）之间.例如：在40MHz的情况下，当波特率取115200时，UBRDIVn = （in

14、t）40000000/（115200×16） -1= （int）（21.7）-1= 21 -1 = 203.2 方案设计本系统是以嵌入式芯片S3C2410为核心的最小嵌入式系统构建方法，给出了S3C2410的复位电路、调试接口、电源电路、存储器电路和串口电路等硬件组成。6实验周说明书图1.5 通信系统的组成框图3.3 电路设计3.3.1 电源设计S3C2410工作时内核需要1. 8 V电压，I/ O端口和外设需要3. 3 V电压. VDDi/VDDiarm引脚口是供S3C2410内核的1. 8 V电压;VDDalive引脚是功能复位和端口状态寄存器电压. M12引脚RTCVDD是RT

15、 C模块的1. 8 V电压，用电池供电保证系统的掉电后保持实时时钟.VDDOP引脚是I/ O端口3. 3V电压;V DDM OP引脚是存储器I/ O端口电压;还有一系列VSS引脚需要接到电源地上.3. 3 V电压从SV用A M S 1117- 3. 3转换;1.8V从3. 3 V通过MIC5207-1. 8转换得到。7实验周说明书图1.6 电源电路3.3.2晶振电路S3C2410内部有时钟管理模块，有2个锁相环，其中M PLL能够产生CPU卞频FCLK,AHB总线外设时钟HCLK和APB总线外设时钟PCLK; UPLL产生USB模块的时钟。OM3,OM2都接地时，主时钟源和U SB模块时钟源都

16、由外接晶振产生。在XTIpll和XTOpll之间连接主晶振，可以选择12 MHz品振，通过内部寄存器的设置产生不同频率的FOLK, H CLK和PCLK;在XT Irtc和XTOrtc上需要接32.768 kHz的晶振供RTC模块使用.同时在MPLLCAP和UPLLCAP上也要外接5pF的环路滤波电容。图 1.7 晶振电路8实验周说明书3.3.3 复位电路S3C2410的J12引脚为nRESET复位引脚，nRESET上给4个FOLK时间的低电平后就可以复位.可以设计如图5所小的复位电路，其中上电复位是靠RC电路特性完成，开关二极管1N4148在手动复位时对电容起快速放电的作用，因此可以把复位电

17、平快速拉到OV。反响门74H C 14可以起到延时作用，保证有足够的复位时间。图1.8 复位电路3.3.4 JTAG接口S3C2410有标准的JTAG接口，TCI(H6)为测试时钟输入；TDI(J1)为测试数据输入；TDO(JS)为测试数据输出；TMS(J3)为测试模式选择，TMS用来设置JTA G接日处于某种特定的测试式；nTRST ( H 5)为测试复位，输入引脚，低电平有效。其nTRST,TMS,TCK,TDI需要接10K的上拉电阻。通过，JTAG日可以完成芯片测试或在线编程。3.3.5 存储器设计S3C2410有32根数据线和27根地址线，因此地址线的寻址范围为128 M；但是S3C2

18、4109实验周说明书还有8根存储器芯片片选信号线nGCSO- nGCS7，因此总的寻址空间为128M * 8= 1G。Nand Flash启动模式下复位时S3C2410的存储器映射。如当访问物理地址Ox08000000- 0x10000000内的地址则nGCSl自动为低电平，以此类推。可知SDRAM只能连接在nGCS6和nGCS7片选引脚上。S3C2410提供了SDRAM的接口，其中包括nSRAS：行信号锁存；nSCAS：列信号锁存；nSCS(就是nGCS 6 )：片选信号；表 3DQM3:0:数据屏蔽 ； SCLI 1: 0；时钟；SCKE：时钟有效；nBE 3: 0：高/低字节有效；nWB

19、E 3:0：写有效。MT48LC16M16A2P是4块16位32M的SDRAM存储器。MT48LC16M16A2P的行地址13位为A 0-A 12，列地址9位为CAO- CA8，行和列地址是复用的。MT48LC16M16A2P包括4个块，通过BA0,BA1的组合选择块。MT48LC16M16A2P是16位存储器，因此数据线为 DQO-DQ15，还有CS片选，CLK时钟，CKE时钟使能，RAS行锁存，CAS列锁存，WE写使能等引脚.MT48LC16M16A2P和S3C2410的连接方法，其中BA0, BA1需要连接ADD24和 A DDR25，通过S3C2410的说明可知，因为内存总大小是64M

20、因此块选择信号必须使用A DDR24和ADDR25。S3C2410内部有NAND Flash控制器，支持从NADN Flash启动.K9F1208 64M Flash芯片和S3C2410的连接方式.S3C2410采用一组内部寄存器来完成NAND Flash的操作.10实验周说明书图 1.9 存储器连接电路3.3.6串口电路S3C2410的DART提供了二个同步串行IO日，COMO的连接方式。串口数据的收发有查询方式、中断方式和DMA方式等，这些可以在UCONO寄存器中设置。UTXH0把要发送的数据写入此寄存器。URXH0读此寄存器获得串日接收的数据。串日一般可以用程序运行信息的输出和程序调试。

21、图 1.10 串口连接电路11实验周说明书四 软件设计流程及描述串口在嵌入式系统中是一个重要的资源，常用来做输入输出设备，在后续的实验中也将使用串口的功能。串口的基本操作有三个：串口初始化、发送数据和接收数据，这些操作都是通过访问上节中描述的串口控制寄存器进行，下面将分别说明：1）串口初始化程序MMU_Init（）; /初始化内存管理单元/设置系统时钟ChangeClockDivider（1,1）; / 1：2：4ChangeMPllValue（0xa1,0x3,0x1）; / FCLK=202.8MHzPort_Init（）; /初始化I/O口Uart_Init（0,115200）; /初始

22、化串口Uart_Select（0）; /选择串口02）发送数据while（!（rUTRSTAT0&0x2）; /等待发送缓冲空rUTXH0=data; /将数据写到数据端口3）接收数据while（rUTRSTAT0&0x1=0x0）; /等待数据data=rURXH0; /读取数据(三)设计步骤硬件连接；2 新建工程UART.mcp，编辑并添加以下三类文件：1）.s文件：2410init . s，2410slib . s；2）.h文件：def. h，option.h，2410addr.h，2410lib.h，2410slib.h， mmu.h；3）.c（C）文件：2410lib

23、.c，Main.C， mmu.c；* 文件说明：2410init.s初始化cpu、内存等状态，完成后跳转到C语言入口；2410swis.s软中断处理相关；2410slib.s库中内存管理等函数的调用；def.h宏定义；option.h定义时钟、地址、总线宽度等；2410addr.h寄存器地址状态定义；12实验周说明书2410lib.h ， 2410lib.c（C语言）前者声明函数库变量，后者定义库中常用函数（如串口函数）；2410slib.h ， 2410slib.s(汇编语言) 前者声明函数库变量，后者定义库中常用函数（如内存管理等）；mmu.h ， mmu.c内存管理单元的声明和函数定义；

24、test.c ， Main.c , *.c定义系统运行方式（*.c表示以工程名命名的c文件以及其他可能用到的c文件）；*3修改工程设置，如图1.11、1.12所示：图1.1113实验周说明书图1.124.编译UART；5运行超级终端，选择正确的串口号，并将串口设置为：波特率（115200）6运行程序，在超级终端中输入的数据将回显到超级终端上。五 实验步骤1. 本实验使用实验教学系统的CPU板，串口。在进行本实验时，LCD电源开关、音频的左右声道开关、AD通道选择开关、触摸屏中断选择开关等均应处在关闭状态。2在PC机并口和实验箱的CPU板上的JTAG接口之间，连接仿真调试电缆。使用串口线连接PC

25、机串口1和实验箱CPU板的串口，使用直连线连接底板串口2和PC机上的串口2之间的电缆。3打开超级终端，配置串口的属性（如COM1），配置波特率为115200，校验位无，数据位为8，停止位为1，数据控制流为无；检查连接是否可靠，可靠后，接入电源线，系统上电，同时按住“空格”键，进入VIVI状态。4打开ADS1.2开发环境，从里面打开实验程序HARDWAREADS实验八uart.mcp项目文件，进行编译。5编译通过后，进入ADS1.2调试界面，加载实验程序HARDWAREADS实验八UART_DataDebug中的映象文件程序映像UART.axf。14实验周说明书6再打开一个超级终端1，进行设置（

26、115200，8位数据，1位停止位，无奇偶校验）；7在ADS调试环境下，全速运行映象文件。激活超级终端0，敲键盘，观察超级终端0，超级终端1的内容显示！所敲键盘的字符应该在两个超级终端上显示出来。实验的原理就是把键盘敲击的字符通过PC机的串口发送给实验箱上的ARM的CPU板的串口0，ARM的CPU板上的串口得到字符后，通过ARM把它送给CPU板上的串口0输出给PC，以及通过底板上的串口1，送给PC机。这样，就完成了串口间的收发数据。六 源程序代码#include <string.h>#include <math.h>#include <stdarg.h>#i

27、nclude <stdlib.h>#include <stdio.h>#include <ctype.h>/*- 函数名称 : void MMU_Init(void)- 函数说明 : MMU的初始化- 输入参数 : 无- 输出参数 : 无*/void MMU_Init(void)int i,j;MMU_DisableDCache();MMU_DisableICache();/如果使用回写，则应该清除DCache。for(i=0;i<64;i+)for(j=0;j<8;j+)MMU_CleanInvalidateDCacheIndex(i<&

28、lt;26)|(j<<5);MMU_InvalidateICache();#if 0MMU_EnableICache();#endifMMU_DisableMMU();MMU_InvalidateTLB();MMU_SetMTT(0x00000000,0x07f00000,0x00000000,RW_CNB); / bank0MMU_SetMTT(0x08000000,0x0ff00000,0x08000000,RW_CNB); / bank1MMU_SetMTT(0x10000000,0x17f00000,0x10000000,RW_NCNB); / bank2MMU_SetMT

29、T(0x18000000,0x1ff00000,0x18000000,RW_NCNB); / bank3MMU_SetMTT(0x20000000,0x27f00000,0x20000000,RW_NCNB); / bank4MMU_SetMTT(0x28000000,0x2ff00000,0x28000000,RW_NCNB); / bank515实验周说明书MMU_SetMTT(0x30000000,0x30f00000,0x30000000,RW_CB); / bank6-1MMU_SetMTT(0x31000000,0x33e00000,0x31000000,RW_NCNB); / b

30、ank6-2MMU_SetMTT(0x33f00000,0x33f00000,0x33f00000,RW_CB); / bank6-3MMU_SetMTT(0x38000000,0x3ff00000,0x38000000,RW_NCNB); / bank7MMU_SetMTT(0x40000000,0x5af00000,0x40000000,RW_NCNB); / SFR+StepSram MMU_SetMTT(0x5b000000,0xfff00000,0x5b000000,RW_FAULT); / not usedMMU_SetTTBase(_MMUTT_STARTADDRESS);MMU

31、_SetDomain(0x55555550|DOMAIN1_ATTR|DOMAIN0_ATTR);MMU_SetProcessId(0x0);MMU_EnableAlignFault();MMU_EnableMMU();MMU_EnableICache();MMU_EnableDCache(); /DCache should be turned on after MMU is turned on. /*- 函数名称 : void ChangeRomCacheStatus(int attr)- 函数说明 : 改变cache内访问存储器的属性状态, attr = RW_CB,RW_CNB,RW_N

32、CNB,RW_FAULT- 输入参数 : int attr- 输出参数 : 无*/void ChangeRomCacheStatus(int attr)int i,j;MMU_DisableDCache();MMU_DisableICache();/如果使用回写，则应该清除DCache。for(i=0;i<64;i+)for(j=0;j<8;j+)MMU_CleanInvalidateDCacheIndex(i<<26)|(j<<5);MMU_InvalidateICache();MMU_DisableMMU();MMU_InvalidateTLB();MM

33、U_SetMTT(0x00000000,0x07f00000,0x00000000,attr); /bank0MMU_SetMTT(0x08000000,0x0ff00000,0x08000000,attr); /bank1MMU_EnableMMU();MMU_EnableICache();MMU_EnableDCache();/* - 函数名称 : void MMU_SetMTT(int vaddrStart,int vaddrEnd,int paddrStart,int attr)- 函数说明 : 设定转换表内虚拟，物理地址，访问属性16实验周说明书- 输入参数 : int vaddrS

34、tart,int vaddrEnd,int paddrStart,int attr- 输出参数 : 无*/ void MMU_SetMTT(int vaddrStart,int vaddrEnd,int paddrStart,int attr)U32 *pTT;int i,nSec;pTT = (U32 *)_MMUTT_STARTADDRESS+(vaddrStart>>20);nSec = (vaddrEnd>>20)-(vaddrStart>>20);for(i=0;i<=nSec;i+)*pTT+=attr |(paddrStart>&g

35、t;20)+i)<<20);/*- 程序段说明 : 以下函数为各异常模式服务子程序。设成死循环是为调试用，一旦发生此类异常，程序便跳入异常模式服务 子程序，终止程序运行。*/void HaltUndef(void)Uart_Printf("Undefined instruction exception.n");while(1);void HaltSwi(void)Uart_Printf("SWI exception.n");while(1);void HaltPabort(void)Uart_Printf("Pabort excep

36、tion.n");while(1);void HaltDabort(void)Uart_Printf("Dabort exception.n");while(1);/*- 程序段说明 : 以下函数均为初始化函数 */static int delayLoopCount = FCLK/10000/10;17实验周说明书void Delay(int time)/ time=0: adjust the Delay function by WatchDog timer./ time>0: the number of loop time/ resolution of t

37、ime is 100 i,adjust=0;if(time=0)time = 200;adjust = 1;delayLoopCount = 400;/PCLK/1M,Watch-dog disable,1/64,interrupt disable,reset disable rWTCON = (PCLK/1000000-1)<<8)|(2<<3);rWTDAT = 0xffff; /for first updaterWTCNT = 0xffff; /resolution=64us any PCLKrWTCON = (PCLK/1000000-1)<&

38、lt;8)|(2<<3)|(1<<5); /Watch-dog timer start for(;time>0;time-)for(i=0;i<delayLoopCount;i+);if(adjust=1)rWTCON = (PCLK/1000000-1)<<8)|(2<<3); /Watch-dog timer stopi = 0xffff - rWTCNT; /1count->64us, 200*400 cycle runtime = 64*i usdelayLoopCount = 8000000/(i*64); /200*400:64*i=1*x:100 -> x=80000*100/(64*i)/*- 函数名称 : Port_Init(void)- 函数说明 : 端口初始化- 输入参数 : 无- 输出参数 : 无*/void Port_Init(void)rGPACO