ARM9微控制器LPC3180的軟硬件平臺設(shè)計

嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計包括硬件平臺和軟件平臺兩部分。前者是以嵌入式微控制器/微處理器為核心的硬件系統(tǒng)；后者則是圍繞嵌入式操作系統(tǒng)構(gòu)建的軟件系統(tǒng)。兩者在設(shè)計上是密不可分的，并且需要在設(shè)計之間進(jìn)行權(quán)衡優(yōu)化，根據(jù)實際應(yīng)用進(jìn)行外擴(kuò)和裁剪。

基于arm926ejs內(nèi)核的lpc3180內(nèi)部集成了豐富的外設(shè)資源，為嵌入式系統(tǒng)構(gòu)建提供了很大的設(shè)計空間。本文結(jié)合筆者開發(fā)lpc3180嵌入式平臺的實際經(jīng)驗，將具體介紹該系統(tǒng)的實現(xiàn)、結(jié)構(gòu)組成和實驗結(jié)果。

1 lpc3180芯片特性介紹

lpc3180是philips公司新推出的一款arm9微控制器。它采用90 nm工藝技術(shù)，片內(nèi)集成arm9ejs處理器內(nèi)核，具有高計算性能、低功耗的特性，這使得在很多對功耗敏感的嵌入式應(yīng)用場合中仍能使用高性能的arm9微控制器。lpc3180內(nèi)核正常工作電壓為1.2 v，在低功耗模式下可降至0.9 v；同時，lpc3180作為一款新型的32位微控制器，其新特性還包括：

◆ 片內(nèi)集成向量浮點(vfp)協(xié)處理器。lpc3180的浮點運算單元有3條獨立的流水線，支持并行單精度或雙精度浮點加/減、乘/除以及乘累積運算，完全兼容ieee754標(biāo)準(zhǔn)，適用于高速浮點運算場合?！　?br>
◆ 片內(nèi)集成usb otg控制模塊，同時支持與便攜usb主設(shè)備或usb外設(shè)相連，可用于與pda、讀卡器和打印機(jī)等設(shè)備直接相連，而無需pc機(jī)介入?！　?br>
◆ lpc3180采用多層的ahb總線系統(tǒng)，為各個主模塊提供獨立的總線，包括cpu的指令總線和數(shù)據(jù)總線、2套dma控制器數(shù)據(jù)總線以及1套u(yù)sb控制器數(shù)據(jù)總線。

lpc3180的內(nèi)部架構(gòu)如圖1

2 硬件平臺設(shè)計

以lpc3180為核心的硬件平臺設(shè)計框架如圖2所示。

nand flash存儲器。通過lpc3180內(nèi)部集成的mlc/slc nand控制器直接外接多級或單級nand flash器件。本系統(tǒng)選用st nand256r3a，其32 mb存儲空間可滿足存放系統(tǒng)引導(dǎo)程序、嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核和文件系統(tǒng)的大小要求。

sdram存儲器。系統(tǒng)選用2片16位micron sdram，并聯(lián)構(gòu)建32位sdram存儲器系統(tǒng)。32 mb sdram空間，可滿足嵌入式操作系統(tǒng)以及上層應(yīng)用程序的運行要求。

sd卡插槽。系統(tǒng)通過lpc3180內(nèi)部集成的sd卡接口，提供sd卡插槽，可用于sd存儲卡外擴(kuò)，作為外部存儲空間。

（2） 外圍通信接口

uart接口。lpc3180內(nèi)部集成了標(biāo)準(zhǔn)uart模塊和高速uart模塊，符合550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)外擴(kuò)了uart1/7、uart2和uart5，用于實現(xiàn)基本的串行通信功能；同時，uart5可用于系統(tǒng)啟動時的外部程序下載。

usb接口。lpc3180內(nèi)部集成了usb host、usb device以及usb otg控制器，通過外部usb收發(fā)模塊philips isp1301外擴(kuò)usb host接口a、usb device接口b以及usb otg接口ab。

（3） 其他外圍模塊

系統(tǒng)通過i2c接口外擴(kuò)了一個簡易的字符型lcd顯示模塊，用于應(yīng)用程序運行結(jié)果顯示；同時，為了簡化硬件系統(tǒng)設(shè)計，系統(tǒng)的以太網(wǎng)模塊通過usb host接口a以軟件方式實現(xiàn)外擴(kuò)。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵模塊設(shè)計

3.1 nand flash存儲器模塊

lpc3180內(nèi)部集成了mlc/slc nand控制器，通過外部引腳可直接外接多級或單級nand flash器件，如圖3所示。需要注意的是mlc和slc nand控制器通過引腳復(fù)用，使用相同的接口與nand flash相連，且同一時刻只允許開啟其中一個控制器，因此在系統(tǒng)上電后必須通過配置flash_ctrl寄存器選擇要使用的nand控制器。在閑置狀態(tài)時，也可通過寫寄存器關(guān)閉nand控制器，以降低功耗。nand flash存儲器模塊是整個系統(tǒng)主要的靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲空間，用于存儲系統(tǒng)啟動過程中的加載程序，因此在lpc3180系統(tǒng)設(shè)計中是必不可少的。

lpc3180內(nèi)部集成usb控制模塊，但不包括usb物理層，系統(tǒng)通過外接usb收發(fā)模塊isp1301實現(xiàn)usb的物理層接口。圖4是usb接口連接圖。lpc3180內(nèi)部通過ahb從設(shè)備總線配置usb控制器，可工作在全速(12 mb/s)和低速(1.5 mb/s)兩種模式下。

軟件系統(tǒng)組成包括系統(tǒng)引導(dǎo)程序bootloader，嵌入式操作系統(tǒng)以及上層應(yīng)用程序。其中bootloader是運行于操作系統(tǒng)之前的引導(dǎo)程序，主要任務(wù)是完成系統(tǒng)啟動之前必要的硬件初始化和操作系統(tǒng)加載；操作系統(tǒng)是整個嵌入式平臺的核心程序，主要功能是高效地管理和分配底層硬件資源，并為上層應(yīng)用程序提供與硬件細(xì)節(jié)無關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用接口。

軟件系統(tǒng)設(shè)計必須與硬件平臺緊密結(jié)合。lpc3180采用nand flash作為整個系統(tǒng)的程序存儲區(qū)域，在系統(tǒng)啟動時通過片上rom的bootstrap程序,從nand flash加載并執(zhí)行外部引導(dǎo)程序來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的啟動步驟。因此，整個軟件系統(tǒng)采取了圖5所示的設(shè)計結(jié)構(gòu)。

由于啟動過程首先從片內(nèi)的bootstrap程序開始，因此系統(tǒng)采取二級bootloader設(shè)計，包括第一級sibl和第二級u?boot。

其中sibl是bootstrap加載并執(zhí)行的第一個引導(dǎo)程序，在程序大小上受到bootstrap加載的限制，因此設(shè)計上盡量做到了小型化和功能專一。它除了完成最基本的硬件初始化以外，主要功能是實現(xiàn)其他程序(包括u?boot)從nand flash的加載，完成下一級bootloader運行之前的內(nèi)存地址空間分布。

第二級bootloader采用功能強(qiáng)大的sourceforge開源軟件uboot。uboot的主要功能是完成嵌入式操作系統(tǒng)啟動前的底層硬件初始化，并為linux內(nèi)核提供啟動參數(shù)，最終引導(dǎo)操作系統(tǒng)linux內(nèi)核啟動。另外,為了實現(xiàn)程序鏡像文件編程寫入nand flash，u?boot嵌入了一個nand子系統(tǒng)，通過u?boot的用戶命令行實現(xiàn)對nand flash的讀/寫操作，可將程序鏡像寫入nand flash指定的地址空間。

（2） 嵌入式操作系統(tǒng)

lpc3180內(nèi)部集成了arm926ejs處理器內(nèi)核，帶存儲器管理單元mmu，支持多數(shù)主流嵌入式操作系統(tǒng)。系統(tǒng)通過編寫板級支持代碼，移植了linux2.6.10作為平臺操作系統(tǒng)，利用穩(wěn)定的linux2.6內(nèi)核實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度、進(jìn)程管理、內(nèi)存管理等功能，同時，針對linux的可配置性，對內(nèi)核進(jìn)行裁剪和硬件驅(qū)動代碼添加，系統(tǒng)實現(xiàn)了一個小型但功能強(qiáng)大的內(nèi)核程序，適應(yīng)了嵌入式系統(tǒng)存儲資源相對緊缺的狀況。 5 系統(tǒng)啟動流程分析

由上面的軟件結(jié)構(gòu)組成分析可知，整個系統(tǒng)啟動流程分為3個步驟：

① 系統(tǒng)上電后，首先從片上rom固化的bootstrap程序執(zhí)行。bootstrap用于完成外部引導(dǎo)程序下載并跳入執(zhí)行。bootstrap運行過程首先讀輸入引腳gpio_01。如果gpio_01置為高，則從nand flash下載程序引導(dǎo)系統(tǒng)啟動；如果置為低，則依次檢測usb接口和uart5接口，通過外部連接下載引導(dǎo)程序。系統(tǒng)通過設(shè)置gpio_io跳線來控制bootstrap啟動過程，本例將gpio_01置為高，從nand flash下載程序?！　、?系統(tǒng)啟動的第二階段是運行bootstrap下載的引導(dǎo)程序sibl。sibl完成系統(tǒng)必要的初始化后，從nand flash加載鏡像程序到指定的sdram空間。鏡像程序在起始位置添加了64字節(jié)的頭信息，用于sibl識別和加載，頭信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

struct image_header {　　uint32_tih_magic;/*鏡像頭信息同步字，sibl通過該字識別程序*/　　uint32_tih_hcrc;/*鏡像頭信息crc校驗碼*/　　uint32_tih_time;/*存儲鏡像創(chuàng)建時間*/　　uint32_tih_size;/*鏡像數(shù)據(jù)大小*/　　uint32_tih_load;/*鏡像加載地址*/　　uint32_tih_ep;/*鏡像入口地址*/　　uint32_tih_dcrc;/*鏡像數(shù)據(jù)crc校驗碼*/　　uint8_tih_os;/*操作系統(tǒng)信息*/　　uint8_tih_arch;/*cpu體系結(jié)構(gòu)類型*/　　uint8_tih_type;/*鏡像類型*/　　uint8_tih_comp;/*壓縮類型*/　　uint8_tih_name[32];/*鏡像名稱*/}

sibl從nand flash起始地址開始搜索。如果讀到鏡像同步字ih_magic，則識別鏡像程序，并根據(jù)偏移地址讀取程序大小ih_size和加載地址ih_load，將程序加載到指定的sdram空間；加載完成后根據(jù)crc校驗碼ih_dcrc對sdram數(shù)據(jù)進(jìn)行crc檢測；最后根據(jù)鏡像類型ih_type判斷鏡像是否可執(zhí)行，若可執(zhí)行，則跳入鏡像入口地址ih_ep，否則sibl繼續(xù)搜索nand flash鏡像程序。

鏡像程序使用u-boot提供的工具mkimage添加頭信息，命令格式如下：

mkimage-a arch-o os-t type-c comp-a addr-e ep-n name-d data_file image

6 系統(tǒng)性能分析

系統(tǒng)構(gòu)建提供了一個完整的lpc3180嵌入式軟硬件平臺，下面對lpc3180浮點運算能力進(jìn)行測試和分析。測試方法是使用一個浮點運算密集的算法，用ads編譯器分別編譯使能硬件vfp和軟浮點運算兩個版本的測試程序，并在不同的cpu時鐘頻率下比較運行時間，結(jié)果如表1所列。

分析實驗數(shù)據(jù)，可以得出結(jié)論： vfp協(xié)處理器在相同時鐘頻率下，提高了5倍左右的浮點運算性能。因此，lpc3180平臺結(jié)合vfp協(xié)處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的浮點運算密集算法。在微控制器中集成硬件浮點運算單元，這使得微控制器的數(shù)據(jù)處理能力大大提高，能夠勝任多數(shù)的數(shù)字信號處理應(yīng)用。

本文介紹了以lpc3180微控制器為核心的嵌入式軟硬件平臺的設(shè)計與實現(xiàn)，并測試、驗證了lpc3180的浮點運算性能。該平臺對于lpc3180的應(yīng)用開發(fā)具有借鑒意義。目前l(fā)pc3180在醫(yī)療器械、工業(yè)控制、pos機(jī)、數(shù)字信號處理等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。