第五章 嵌入式系统硬件平台设计( 第1次课)

1、5C H A P T E R嵌入式系统硬件平台设计5.2 LPC2214综述5.1嵌入式系统体系结构设计5.3 LPC2214存储器寻址5.4 LPC2214系统控制模块5.5 LPC2214引脚连接模块5.6 LPC2214外部存储器控制器5.7 LPC2214通用I/O模块5.8 LPC2214向量中断控制器5.9 LPC2214定时器模块5.10 LPC2214 A/D转换模块5.11 LPC2214看门狗定时器 内容组织一、嵌入式系统的软硬件框架5.1 嵌入式系统体系结构设计嵌入式微处理器SDRAMROMI/OA/DD/A人机交互接口通用接口实时操作系统(RTOS)图形用户接口BSP/

2、HAL 板极支持包/硬件抽象层文件系统应用程序嵌入式系统硬件层OS层驱动层应用层软件硬件串口、并口、USB、以太网等LED、LCD、触摸屏、鼠标、键盘等Linux、uCLinux、uC/OS-II等二、嵌入式系统的开发步骤三、嵌入式系统的开发步骤系统需求分析：确定设计任务和目标，并提炼出设计规格说明书，作为正式设计指导和验收的标准。系统的需求一般分功能性需求和非功能性需求两方面。功能性需求是系统的基本功能，如输入输出信号、操作方式等；非功能需求包括系统性能、成本、功耗、体积、重量等因素。体系结构设计：描述系统如何实现所述的功能和非功能需求，包括对硬件、软件和执行装置的功能划分以及系统的软件、硬

3、件选型等。一个好的体系结构是设计成功与否的关键。硬件/软件协同设计：基于体系结构，对系统的软件、硬件进行详细设计。为了缩短产品开发周期，设计往往是并行的。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，发现并改进单元设计过程中的错误。系统测试：对设计好的系统进行测试，看其是否满足规格说明书中给定的功能要求。例：工业数据采集监控和管理系统工业数据的采集，监控，管理系统。用户可以在工业现场和远程对数据进行监控与对工业设备进行现场和远程控制。良好的人机交互界面。基于多种通信链路。工业数据采集监控和管理系统数据采集模块 Data Acquisition - DAQ控制模块 Control

4、System 系统管理模块 System Management System - SYSM用户接口模块 User Interface - UI数据采集模块 DAQ传感器 采集待监控物理量。热电偶、力传感器、加速度计、线性差动变压器。测量温度、机械应力、加速度以及位移。信号处理阶段。信号放大、缩小、过滤及隔离处理。数据采样、存储以及分析。结果上报，异常报警。接收SYSM发送的命令，包括取样率、分析参数等命令，并执行。数据采集模块 DAQ中型嵌入式系统。对时间有严格的要求，需要使用抢占式系统内核。通过Ethernet或其他工业级联网接口，如：RS485、DeviceNet、ARCnet、Modbu

5、s、Profibus或Interbus。使用CompactFlash或固有的flash设备引导，使用RAM磁盘或CRAMFS存储数据。使用固定IP地址。 控制模块 Control将SYSM发送的命令送达控制的硬件，并监控硬件对命令的反应。向SYSM报告目前硬件的工作状态。中型嵌入式系统具有可以控制硬件的接口。从CompactFlash或CFI Flash设备引导，使用RAM磁盘或CRAMFS存储数据。对时间有严格的要求，需要使用抢占式系统内核。具有固定IP地址。系统管理模块 SYSM整个系统的控制管理中心。在A链路上，SYSM模块从DAQ模块取回数据，存储全部或部分数据。对获得的数据进行分析。

6、根据分析的结果和过程控制的现行状态，对控制模块下达控制命令。在B链路上，提供DHCP服务，让各个UI模块启动时可以申请到IP地址；将适当的数据送至UI模块以便显示，接收UI模块的控制命令，命令分为两类：一类控制SYSM自己，比如发送或停止发送特定的数据给UI。另一类控制数据采集或控制模块。SYSM解析并转发这类命令给相应的目标。 对外部网络提供HTTPS和SSH服务。HTTPS服务让外部且经过认证的用户通过网页及表单，设定或监控整个系统。SSH服务让维护人员能够从远程登陆系统进行问题排除以及升级，可以同时降低设备制造商和客户的维护费用。系统管理模块 SYSM大型嵌入式系统。具有三个网络接口：一

7、个用在DAQ和控制模块上，即控制链路A；一个用在用户接口上，即控制链路B；一个用在外部网络上。使用硬盘引导，并且具有传统工作站或服务器全部的特性，包括交换的功能。对时间有严格的要求，需要使用抢占式系统内核。外部访问需要加密和认证，可以考虑使用SSL/TLS协议。具有固定IP地址。用户接口模块 UI通过SYSM定时或非定时取回感兴趣的数据。如果收到紧急事件会立刻显示。发送用户的控制命令给SYSM。小型嵌入式系统。通过flash设备引导或通过网络引导。地址动态通过DHCP协议获得。需要经过认证UI才能注册到SYSM中。嵌入式微处理器SDRAMROMI/OA/DD/A人机交互接口通用接口实时操作系统

8、(RTOS)图形用户接口BSP/HAL 板极支持包/硬件抽象层文件系统应用程序嵌入式系统硬件层OS层驱动层应用层软件硬件5.2 LPC2214综述基于16/32位ARM7TDMI-S微控制器，LQPF144封装。256K字节的FLASH和16K字节的SRAM，独特的加速模块可实现高达60MHz的时钟频率。固化在芯片内的BootLoader程序可实现在系统编程（ISP）和在应用编程（IAP），Flash编程可实现512字节/ms，整片擦除只需0.4s。Embedded ICE-RT可实现断点和观察点。当使用片内Real Monitor软件对前台任务进行调试时，中断服务程序可继续运行。8路10位A

9、/D转换器，转换时间低至2.44微秒。一、芯片特性2个32位定时器（各带4路捕获通道和4路比较通道），6路PWM输出，实时时钟和看门狗定时器。可配置优先级和向量地址的向量中断控制器，最多可有32个中断源。多个串行接口，包括2个UART、快速I2C接口和2个SPI接口。多达112个可承受5V电压的通用I/O口，且有4个可边沿触发或电平触发的外部中断引脚。片内晶体振荡器频率为130MHz，并内嵌可编程锁相环PLL。通过外部存储器接口可外部扩展4个存储器组，每个存储器组可访问16M字节空间，数据总线宽度可编程选择为8位、16位或32位。具有2个低功耗模式：空闲模式和掉电模式。可通过外部中断将处理器从

10、掉电模式中唤醒。双电源供电： -CPU操作电压范围：1.65V1.95V； -I/O操作电压范围：3.0V3.6V。二、结构框图VPB外设 AHB外设 小端模式 ARM7局部总线AMBA高性能总线（AHB）VLSI外设总线（VPB，ARM AMBA总线的兼容集） LPC2214具有144个引脚，其中电源引脚占28个、1个外部复位引脚、2个晶振的输入输出引脚、112可多功能复用引脚和1个暂时不用的引脚。三、引脚说明P0口：P0口是一个32位双向I/O口，每位的方向可单独控制，功能取决于管脚连接模块的管脚功能选择。P0.26和P0.31未用。P0.042OTxD0UART0发送输出端OPWM1脉宽

11、调制器输出1P0.149IRxD0UART0接收输入端OPWM3脉宽调制器输出3IEINT0外部中断0输入P2口：P2口是一个32位双向I/O口，每位的方向可单独控制，功能取决于管脚连接模块的管脚功能选择。 一般用作外部扩展存储器用的数据总线。P3口：P3口是一个32位双向I/O口，每位的方向可单独控制，功能取决于管脚连接模块的管脚功能选择。 一般用作外部扩展存储器用的地址总线及片选信号等。其他引脚：电源引脚、晶振引脚、复位引脚。P1口：P1口是一个32位双向I/O口，每位的方向可单独控制，功能取决于管脚连接模块的管脚功能选择。P1.2P1.15未用。 5.3 LPC2214存储器寻址LPC2

12、214具有256K字节的FLASH、16K字节的SRAM、VPB外设和AHB外设，并且可通过外部存储器控制器扩展4个16M字节空间的存储器组，那么这些存储器或者片内外设的地址映射究竟是怎样的呢？ 1、存储器映射16KB的片内SRAM，可用作代码和/或数据的存储，可读可写，支持8位、16位和32位访问。256KB的片内Flash，可用于代码和数据的存储，可采用以下几种方法对其编程：通过内置的JTAG口、通过在系统编程或通过在应用编程。可通过外部存储器控制器对外部存储器进行扩展，以存放用户代码和/或数据，总线宽度可编程设定为8位、16位和32位。AHB外设：向量中断控制器和外部存储器控制器VPB外

13、设：系统控制模块、A/D模块、引脚连接模块等。二、异常向量表完整的嵌入式系统必须具备异常处理能力。当异常产生时，微控制器在硬件驱动机制下跳转到预先设定的存储器单元中，取出相应的异常处理程序的入口地址，并根据该入口地址进入异常处理程序。这个保存有异常处理程序入口地址的存储器单元就是通常所说的“异常入口”，单片机系统中也叫“中断入口”。实际的嵌入式系统有多种类型的异常，CPU设计人员为了简化芯片设计，一般将所有的异常入口集中起来置于非易失性存储器中，并在系统上电时映射到一个固定的连续地址空间上。位于这个地址空间上的异常入口集合就是“异常向量表”。异常入口地址异常类型0 x00000000复位0 x

14、00000004未定义指令0 x00000008软件中断0 x0000000C预取指中止（从存储器取指出错）0 x00000010数据中止（数据访问存储器出错）0 x00000014保留0 x00000018IRQ0 x0000001CFIQLPC2214是一款基于ARM7的微控制器，其异常向量表位置为：0 x00000000 0 x0000001C。 EXPORT Vectors CODE32 AREA StartUp,CODE,READONLY ENTRYVectors LDR PC, ResetAddr LDR PC, UndefinedAddr LDR PC, SWI_Addr LDR

15、 PC, PrefetchAddr LDR PC, DataAbortAddr DCD 0 xb9205f80 LDR PC, PC, #-0 xff0 LDR PC, FIQ_AddrResetAddr DCD ResetUndefinedAddr DCD UndefinedSWI_Addr DCD SoftwareInterruptPrefetchAddr DCD PrefetchAbortDataAbortAddr DCD DataAbortnouse DCD 0IRQ_Addr DCD IRQ_HandlerFIQ_Addr DCD FIQ_HandlerEND异常向量表：三、Boot

16、 Loader 程序 Boot装载程序完成芯片复位后的初始化操作，并提供实现Flash编程的方法，它存储于目标平台的非易失性存储器中。Boot装载程序可启动对空片的编程、已编程器件的擦除和再编程（在系统编程ISP），以及在运行的系统中由应用程序对Flash进行编程（在应用编程IAP）。但从用户角度来看，Boot装载程序就是用来加载用户程序或操作系统。LPC2214在芯片出厂前，已往片内FLASH的顶端固化了Boot装载程序和64字节的异常向量表，其大小为8KB，地址范围为：0 x0003E0000 x0003FFFF。为方便讨论，我们称这部分Flash块为Boot Block。 LPC2214

17、 BootLoader实现的功能：四、存储器重映射 代码可能运行的空间：Boot Block、片内Flash、片内RAM（可动态的修改异常向量表）和片外存储器。为了实现在不同的模式下都可以处理异常，需要对位于异常向量表和额外的32个字节进行重新映射，将地址范围0 x000000000 x0000003F重新映射到对应的物理存储器块。整个Boot Block已由厂家固化到片内Flash顶端的8K字节，为了与将来的器件兼容，这个Boot Block需要被重新映射到片内存储器的顶端（系统复位后由处理的内部硬件逻辑执行完成）。已重映射区域和可重映射区域的片内存储器空间 34五、存储器映射控制 存储器映

18、射控制用于改变起始于地址0 x00000000的异常向量表的映射，以允许运行在不同的存储器块的代码对异常的控制。在LPC2214存储器映射控制寄存器（MEMMAP）控制着存储器的映射。存储器映射控制寄存器（MEMMAP0 xE01FC040，R/W） MEMMAP选择从片内Flash、Boot Block、外部存储器或片内RAM中映射异常向量表，低2位有效，高6位保留，属性为可读可写。MEMMAP功能描述复位值1:0MAP1:000：Boot装载程序模式。中断向量从Boot Block重新映射； 01：用户Flash模式。中断向量不重新映射，位于片内Flash中；10：用户RAM模式。中断向量

19、从片内静态RAM重新映射； 11：用户外部存储器模式。中断向量从外部存储器重新映射。07:2保留不可软件写入0，读出值未定义未定义在LPC2214中BOOT1：0引脚控制着系统的引导。程序一般都是存放在低速的非易失性存储器当中。对由LPC2214构成的系统，由于LPC2214具有外部存储器接口，那么就有可能从片内Flash中引导程序执行，或者从片外的存储器中引导执行。当 为低电平期间，通过合理的设置BOOT1：0引脚的电平就可以选择正确的引导方式。BOOT1BOOT0MAP1：0引导方式0011由CS0控制的8位存储器0111由CS0控制的16位存储器1011由CS0控制的32位存储器1101