嵌入式微處理器EP9315二次開(kāi)發(fā)

武漢中科院巖土力學(xué)所智能儀器室對(duì)基于ARM9的嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，高速微處理器與現(xiàn)有低速設(shè)備接口及在配套的操作系統(tǒng)中就SY5聲波檢測(cè)儀原有功能設(shè)計(jì)相應(yīng)驅(qū)動(dòng)是本文研究的重點(diǎn)。同時(shí)提出了可行的硬件調(diào)試方法，為今后基于ARM9微處理器的硬件開(kāi)發(fā)提供了思路。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 高性能的ARM9嵌入式微處理器

本設(shè)計(jì)選擇Cirrus Logic公司2004年7月推出的EP93XX系列中的高端產(chǎn)品EP9315。該微處理器是高度集成的片上系統(tǒng)處理器，擁有先進(jìn)的200MHz ARM920T處理器并支持Linux、WindowsCE和其他許多嵌入式操作系統(tǒng)的存儲(chǔ)器管理單元(MMU)。它具有ARM920T內(nèi)核所有的優(yōu)異性能。與其他ARM9微處理器相比，EP9315具有以下特性：MaverickCrunchTM數(shù)學(xué)運(yùn)算引擎,支持浮點(diǎn)、整數(shù)和信號(hào)處理指令;豐富的集成外設(shè)接口，包括PCMCIA、接口圖形加速器、可接兩組設(shè)備的EIDE、1/10/100Mbps以太網(wǎng)MAC、3個(gè)2.0全速HOST USB、專用SDRAM通道的LCD接口、觸摸屏接口、SPI串行外設(shè)接口、AC97接口、6通道I2S接口、8×8鍵盤掃描接口;支持4組32位SDRAM的無(wú)縫連接等。

配合Windows CE.net嵌入式操作系統(tǒng)，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)效率高、運(yùn)行穩(wěn)定，為工業(yè)控制提供了可靠的系統(tǒng)平臺(tái)?；诙ㄖ频腤inCE操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制中應(yīng)用模塊的專用驅(qū)動(dòng)，提高了嵌入式系統(tǒng)的通用性。

1.2 系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)

EP9315嵌入式系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)分為嵌入式系統(tǒng)、應(yīng)用模塊(聲波檢測(cè)儀)和轉(zhuǎn)換模塊三部分。Cirrus logic公司為用戶提供了基于該處理器的全功能開(kāi)發(fā)板。該開(kāi)發(fā)板擴(kuò)展了EP9315的所有功能，并可根據(jù)實(shí)際需求將全功能開(kāi)發(fā)板的硬件進(jìn)行裁減，從而降低成本。該開(kāi)發(fā)板預(yù)留了標(biāo)準(zhǔn)PC104接口，可方便用戶開(kāi)發(fā)應(yīng)用。應(yīng)用模塊也預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)PC104接口，其中的I/O控制信號(hào)、數(shù)據(jù)線、地址線與EP9315嵌入式系統(tǒng)的PC104接口一一對(duì)應(yīng)。而系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換模塊可保證嵌入式系統(tǒng)和應(yīng)用模塊連接的穩(wěn)定性。

EP935嵌入式系統(tǒng)主要由電源、32MB/64MB內(nèi)存、LCD接口、警示LED、主USB、面板按鍵、CF卡接口、以太網(wǎng)接口和標(biāo)準(zhǔn)PC104接口組成。其中電源提供5V、3.3V、1.8V三種電壓輸出，分別給應(yīng)用模塊、外設(shè)、CPU內(nèi)核供電。內(nèi)存為操作系統(tǒng)提供運(yùn)行空間。其中嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用模塊的I/O控制信號(hào)、數(shù)據(jù)線和地址線都引到標(biāo)準(zhǔn)PC104插座上，經(jīng)轉(zhuǎn)換模塊處理后相接。采用PC104總線標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的各種應(yīng)用目標(biāo)。液晶顯示屏用于人機(jī)交互，警示LED直觀地顯示電源狀況。主USB支持U盤和USB鼠標(biāo)鍵盤，CF卡作為大容量存儲(chǔ)器存放應(yīng)用模塊的數(shù)據(jù)，用戶通過(guò)面板按鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制。

1.3 嵌入式系統(tǒng)板與應(yīng)用模塊的連接方案

系統(tǒng)外接的應(yīng)用模塊(SY5聲波檢測(cè)儀)采用51系列單片機(jī)控制數(shù)字模擬電路實(shí)現(xiàn)特殊功能。整個(gè)數(shù)字電路部分均為5V供電，模擬部分由5V及正負(fù)12V供電，采樣數(shù)據(jù)通過(guò)RS232串口傳給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。而EP9315、I/O口及外圍電路均為3.3V供電，管腳承受的最大電壓不超過(guò)3.6V。

考慮到每個(gè)管腳的驅(qū)動(dòng)能力有限，用電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)芯片74LVXC4245實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。其作用如下：

(1)改善信號(hào)的質(zhì)量。某些對(duì)時(shí)延比較敏感、且在系統(tǒng)內(nèi)又相距較遠(yuǎn)或者較分散的信號(hào)，信號(hào)線的寄生電容會(huì)損害信號(hào)的特性。采用74LVXC4245驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行隔離，會(huì)改善系統(tǒng)的性能。

(2)抗干擾。增加74LVXC4245這樣的有源緩沖器可以有效地減少干擾。

(3)電平轉(zhuǎn)換。3.3V到5V和5V到3.3V雙向電平轉(zhuǎn)換。

74LVXC4245是8通道電壓轉(zhuǎn)換器，最大可提供200mA的驅(qū)動(dòng)電流。與專用模塊接口時(shí)，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)線、地址線、I/O信號(hào)、中斷信號(hào)等的單/雙向電平轉(zhuǎn)換。

地址線的電平轉(zhuǎn)換方向設(shè)置為3.3V到5V。I/O、中斷信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換方向可設(shè)置為單向轉(zhuǎn)換，3.3V到5V或5V到3.3V片選可接地。

數(shù)據(jù)線是雙向信號(hào)，電平轉(zhuǎn)換時(shí)要特別注意其方向信號(hào)和片選信號(hào)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)不合理會(huì)造成總線沖突，系統(tǒng)無(wú)法啟動(dòng)。數(shù)據(jù)線電平轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

由圖2可見(jiàn)，方向信號(hào)使用讀信號(hào)的反向信號(hào)#RD，保證讀操作時(shí)數(shù)據(jù)線由5V到3.3V，寫操作時(shí)數(shù)據(jù)線由3.3V到5V，防止了總線沖突。使能信號(hào)OE可接地或接片選信號(hào)。

EP9315在WinCE操作系統(tǒng)下主頻達(dá)到200MHz，總線頻率為100MHz，外設(shè)時(shí)鐘為50MHz，硬件調(diào)試環(huán)境必須與操作系統(tǒng)完全吻合。而應(yīng)用模塊多采用74系列芯片，工作頻率一般為幾兆赫茲。頻率不匹配造成了EP9315發(fā)出的讀寫及使能信號(hào)脈寬不足50ns，對(duì)由74系列芯片組成的專用模塊不能實(shí)現(xiàn)正確的讀寫操作。因此，系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間采用了如圖3所示的分配，應(yīng)用模塊地址空間為CS7：0X7000_0000-0X7FFF_FFFF。

為給低速設(shè)備提供足夠脈寬的總線信號(hào)，設(shè)置應(yīng)用模塊地址空間存儲(chǔ)空間讀寫特性寄存器SMCBCR7中等待時(shí)間位WST1和WST2：

總線讀取等待時(shí)間=(WST+1)×總線時(shí)鐘

連續(xù)讀取等待時(shí)間=(WST+1)×總線時(shí)鐘

調(diào)試代碼如下：

//總線時(shí)鐘為200MHz

ClkSet1=0x02A4A3D7;

//設(shè)置cs7數(shù)據(jù)寬度為8，讀寫脈寬為150ns

temp=SMCBCR7;

temp=temp 0xcfffffff;

temp=temp | 0xffef;

SMCBCR7=temp;

這種設(shè)置使得SDRAM等高速外設(shè)和低速外設(shè)擁有不同的總線頻率，具有很大的靈活性。

2 系統(tǒng)軟件

2.1 嵌入式操作系統(tǒng)下的驅(qū)動(dòng)程序類型

由于Windows CE.net開(kāi)發(fā)工具好學(xué)易用，沒(méi)有目標(biāo)設(shè)備時(shí)可以在PC上仿真測(cè)試，因此基于Windows CE.net的嵌入式開(kāi)發(fā)日益普及。但要在操作系統(tǒng)下控制應(yīng)用模塊就要為應(yīng)用模塊編寫驅(qū)動(dòng)。本質(zhì)上，Windows CE的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序都是一些動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(.dll文件)，這些dll向內(nèi)核提供了入口函數(shù),使設(shè)備管理模塊可以通過(guò)這些函數(shù)與具體的硬件設(shè)備進(jìn)行通信。由于應(yīng)用模塊功能的不同，微軟沒(méi)有提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)，所以只能自行開(kāi)發(fā)測(cè)試。開(kāi)發(fā)過(guò)程中采用單層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。