基于ARM9內(nèi)核的軟硬件平臺設(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)計之間進行權(quán)衡優(yōu)化，根據(jù)實際應(yīng)用進行外擴和裁剪。

　　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90nm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1.2V，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標準，適用于高速浮點運算場合。

　　◆ 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、讀卡器和打印機等設(shè)備直接相連，而無需PC機介入。

　　◆ 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USB控制器數(shù)據(jù)總線。

　　LPC3180的內(nèi)部架構(gòu)如圖1所示。

　　圖1 LPC3180內(nèi)部架構(gòu)

　　LPC3180的其他特性包括： 內(nèi)部集成MLC/SLCNAND控制器、SDR/DDR SDRAM控制器、SD卡接口，UART、SPI、I2C外圍通信模塊，以及高速/毫秒定時器、RTC、看門狗定時器、10位ADC等其他功能模塊。

　　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。

　　圖2 LPC3180硬件平臺設(shè)計框圖

　　(1) 存儲器系統(tǒng)

　　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，作為外部存儲空間。

　　(2) 外圍通信接口

　　UART接口。LPC3180內(nèi)部集成了標準UART模塊和高速UART模塊，符合550工業(yè)標準。系統(tǒng)外擴了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。

　　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。

　　圖3 NAND Flash接口連接圖

　　3.2 USB接口模塊

　　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。

　　圖4 USB接口連接圖

　　4 軟件系統(tǒng)設(shè)計

　　軟件系統(tǒng)組成包括系統(tǒng)引導程序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)。

　　圖5 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　(1) 系統(tǒng)引導程序Bootloader

　　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。