基于EP9312的銀稅類嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計方案

　　1 嵌入式系統(tǒng)的概念與特點

　　嵌入式系統(tǒng)結(jié)合微處理器或微控制器的系統(tǒng)電路與其專屬軟件，達到系統(tǒng)操作效率的最高比。這里把嵌入式系統(tǒng)定義為一個體積較小的計算機系統(tǒng)(與PC機相比)，由于其體積較小，因此軟硬件結(jié)構(gòu)和應(yīng)用范圍與PC機相比有較大的不同。其特性可歸納為下列四項：

　　(1)通常執(zhí)行特定功能;

　　(2)以微電腦與外圍構(gòu)成核心;

　　(3)嚴格的時序與穩(wěn)定性要求;

　　(4)全自動操作循環(huán)。

　　嵌入式系統(tǒng)具有目的性或針對性，其開發(fā)是圍繞著產(chǎn)品和產(chǎn)品的特定功能來進行的。它必須最大限度地在硬件和軟件上“量身定做”以提高效率。本文設(shè)計的嵌入式系統(tǒng)主要用于金融和稅務(wù)類產(chǎn)品。

　　2 總體設(shè)計

　　2.1 CPU的選擇

　　本文采用的是Cirrus LogIC公司的嵌入式處理器EP9312。

　　EP9312是一款A(yù)RM9系列的處理器，ARM9系列是高性能和低功耗特性方面最佳的硬宏單元。它具有五級流水線，并提供1.1 MI/s/MHz的哈佛結(jié)構(gòu)。而其前代產(chǎn)品ARM7系列處理器則具有嵌入式ICE-RT邏輯，功耗非常低，并提供0.9MI/s/MHz的三級流水線和馮·諾依曼結(jié)構(gòu)。因為本系統(tǒng)主要用于開發(fā)先進的計算機終端、機頂盒、高端打印機等產(chǎn)品，所以需要較快的運算速度，而ARM7主要用于對價位和功耗敏感的消費類產(chǎn)品，并且其運算速度相對較慢，所以本設(shè)計系統(tǒng)選擇ARM9系列。在ARM9系列CPU中還有EP9307和EP9315。EP9307與EP9312的功能構(gòu)造基本相同，只少了1個IDE接口，但多了圖形加速的功能。由于金融稅務(wù)類產(chǎn)品大多需要較多的GPIO，而與EP9307相比，EP9312可以很容易地設(shè)計出較多的GPIO。EP9315在EP9312擁有的功能上再增加了PCMCIA接口和圖形加速功能，但這并不是金融稅務(wù)類產(chǎn)品所必需的功能。綜合考慮之后，本系統(tǒng)選擇了EP9312。

　　2.2 技術(shù)指標

　　經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)研并基于產(chǎn)品成本考慮，嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)指標如下所述：

　　Cirrus Logic公司的EP9312作為主處理器;

　　32MB Flash使用NOR Flash;

　　64 MB SDRAM;

　　顯示格式：西文：24x12點陣，中文：24x24點陣，26行，80列。或者西文：16x8點陣，中文：16x16點陣，26行，80列;

　　800x600x16bpp、1024x768x16bpp多種TFT顯示模式，支持單掃描或雙掃描;

　　1個并口;

　　5個串口;

　　2個PS/2端口;

　　1個1/10/100 Mb/s的以太網(wǎng)接口。支持TCP/IP協(xié)議;

　　1個USB Host和1個USB Slave接口。

　　2.3 系統(tǒng)組成

　　EP9312已經(jīng)集成了嵌入式系統(tǒng)所需的許多功能，為了使本設(shè)計滿足金融稅務(wù)類產(chǎn)品的要求，還增加了如下硬件：SuperI/0器件(包含2個UART、1個并口、2個PS/2接口控制器)、網(wǎng)絡(luò)PHY接口器件、接口電平轉(zhuǎn)換器、Flash、SDRAM等。PCB板采用4層板，表層為信號層，其中的電源線路層和地線層深埋在主板的內(nèi)層，不易受到電源雜波的干擾，尤其是高頻電路，可以獲得較好的抗干擾能力。系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖l所示。

　　3 模塊功能描述

　　3.1 CPU

　　EP9312的內(nèi)核是ARM920T，其主頻為200MHz，100 MHz內(nèi)部總線。有16 KB的指令Cache和16 KB的數(shù)據(jù)Cache，內(nèi)部集成了很多功能模塊，其中主要包括：LCD控制器、3個USB Host控制器、3個串口控制器、Ethernet MAC、EIDE、AC’97接口等。EP9312內(nèi)含MMU，支持TCP/IP協(xié)議，也為開發(fā)各種字符圖形功能提供了快捷的方法。本設(shè)計充分利用了這些內(nèi)部集成的功能，減少了外圍元件。

　　3.2 RESET模塊

　　系統(tǒng)的RESET模塊為系統(tǒng)提供啟動及復位信號，是系統(tǒng)運行的開端。

　　本系統(tǒng)采用MAX708CSA作為復位器件，設(shè)計成用戶重啟的按鈕控制。發(fā)出RESET信號送給CPU的RSTOn引腳、Flash模塊、JATG模塊等。另采用一片MAX708CSA作為系統(tǒng)上電的按鈕控制。發(fā)出POR信號送給CPU的PRSTn引腳，如圖2所示。

　　3.3 系統(tǒng)時鐘模塊

　　系統(tǒng)時鐘模塊的作用是產(chǎn)生20個獨立的時鐘頻率來滿足EP9312不同獨立邏輯部分的要求，所有這些時鐘頻率都來源于外部的一個低頻晶體振蕩器。這樣處理器速率、總線速率、視頻速率就可以不同而且互不影響。

　　EP9312提供兩個接口接外部晶體振蕩器，其頻率分別為32 kHz(實時時鐘)和14.7456 MHz。

　　為了獲得足夠高的時鐘頻率，EP9312同時提供兩個PLL，將32 kHz和14.7456MHz頻率提升到足夠高(14.7456 MHz，最大頻率可為400 MHz)。

　　3.4 調(diào)試端口(JATG)模塊

　　EP9312提供了JTAG調(diào)試接口，它有6條測試掃描鏈。這個接口通過5個外部控制信號實現(xiàn)調(diào)試功能：

　　TDO--測試數(shù)據(jù)輸出;TDI--測試數(shù)據(jù)輸入;

　　TMS--測試模式選擇;TCK--測試時鐘;nTRST--測試復位。

　　由于EP9312集成了這些JTAG信號，因此引出這些信號線在板上擴展出JTAG口，即可與JTAG調(diào)試器進行通信。

　　3.5 存儲器

　　EP9312內(nèi)含SDRAM控制器，它提供一個高速存儲接口給多種存儲裝置，包括SDRAM，Synchronous Flash和Synchronous ROM等。

　　CPU中已有SDRAM控制器，因此系統(tǒng)不需外加SDRAM控制器，只要采用合適的SDRAM存儲器，與EP9312的專用SDRAM信號線相連接即可。

　　本系統(tǒng)采用2片IS4216400B的16位數(shù)據(jù)總線SDRAM器件組合構(gòu)成了一個32位數(shù)據(jù)總線的16 MB存儲系統(tǒng)。今后如有需要，只需用16 MB器件代替8 MB的器件，即可方便地擴容至32 MBSDRAM的系統(tǒng)。

　　本系統(tǒng)所用的Flash器件是Intel公司的TE28F320J3D-75。該器件采用56引腳TSOP封裝，32 MB的存儲空間由32個128KB的擦除塊組成。該Flash采用25根地址線和16位數(shù)據(jù)線，可以通過BYTE信號來選擇是8位還是16位方式訪問。本系統(tǒng)采用16位方式訪問，因此該信號線接高電平，同時，AO地址線接地。OE/WE是讀寫信號，由EP9312的讀寫控制線直接控制。系統(tǒng)中將Flash的片選信號CE2、CEl信號接地，CEO由EP9312的兩根片選信號CSO和CS6通過跳線來控制，如圖3所示。

　　本系統(tǒng)的Flash需要設(shè)計成2 MB、4 MB、8 MB均支持的電路，只需要焊接不同容量的器件即可。這樣做可以滿足不同用戶的需求，如：使用CF卡的用戶只要2 MB Flash即可。此時，需要對Flash和SDRAM的型號進行細致的選擇，并對地址總線和數(shù)據(jù)總線進行相應(yīng)的設(shè)計。

　　3.6 PS/2、串口和并口

　　通過Super-I/O進行擴展，如圖1所示。Super-I/O選擇Winbond公司的W83977ATF。該器件提供兩個串口、一個并口、PS/2鍵盤鼠標接口和23個GPIO，通過EP9312的WAITn延時等待信號來匹配ISA總線與存儲總線的速度問題。連同CPU提供的3個串口控制器，系統(tǒng)總共具有5個串口。

　　3.7 網(wǎng)絡(luò)

　　EP9312內(nèi)部含有一個Ethernet的MAC，只需要一個PHY并通過VT6103L即可實現(xiàn)。

　　3.8 顯示電路

　　要根據(jù)不同的顯示屏來決定顯示電路設(shè)計，本系統(tǒng)設(shè)計成共支持五種屏幕，包括TFT、CSTN、DSTN、LVDS、VGA。EP9312輸出的是數(shù)字信號，分別為18位數(shù)據(jù)、場頻、行頻、時鐘、亮度控制幾類信號。對于TFT、CSTN，可以直接與EP9312的內(nèi)置接口相連，但要注意CSTN在初始化彩色查找表時，將R，B色碼互換。接TFT屏要加電平轉(zhuǎn)換器。對于DSTN來說，本系統(tǒng)選用的屏幕為夏普公司的LMl21VBlT02，該屏為單色屏，上下每時鐘周期4個像素，每個信號對應(yīng)一個像素點。查閱EP9312的輸出像素轉(zhuǎn)換表后發(fā)現(xiàn)，雙掃描每時鐘周期4個像素的模式并不適用于該屏，所以本系統(tǒng)在設(shè)計中選用了雙掃描每時鐘周期8個像素的模式，并從中挑選出合適的信號來驅(qū)動該屏，同時也要加電平轉(zhuǎn)換器。在目前的市場上.TFT接口的屏并不是主流，相對來說LVDS接口的屏使用更廣，對LNDS接口的設(shè)計，本系統(tǒng)采用DS90C383MTD轉(zhuǎn)換器來構(gòu)建。對于彩色CRT要加三個D/A轉(zhuǎn)換器和電平轉(zhuǎn)換器，單色CRT只要一個D/A轉(zhuǎn)換器和電平轉(zhuǎn)換器，接VGA屏要加專用器件，如ADV7123。顯示電路模塊圖如圖4所示。

　　3.9 電源

　　EP9312需要4個不同的電源：RVDD(3.3 V)、CVDD(1.8 V)、VDD_PLL(1.8 V)和VDD_ADC(3.3V)。板上其他元件除了3.3 V供電的以外，還有5V供電的，整個系統(tǒng)的輸入電壓為12 V，通過變壓器件變成5 V，再通過LTl76ET-3.3轉(zhuǎn)換器件把+5 V轉(zhuǎn)變?yōu)?.3 V的系統(tǒng)電壓，通過LT176ET-1.8轉(zhuǎn)換器件把+3.3V轉(zhuǎn)變?yōu)?.8V的EP9312內(nèi)核電壓。

　　3.10 GPIO分配

　　EP9312有16個具有中斷能力的增強型通用I/0，由于金融稅務(wù)類嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)品通常不需要IDE接口，因此把IDE接口的I/O設(shè)計成GPIO，連同其他一些設(shè)計，總共增加了49個可選通用I/O。

　　3.11 Bootloader

　　Bootloader是系統(tǒng)加電啟動運行的第一段軟件代碼。整個系統(tǒng)的加載啟動任務(wù)就完全由Bootloader來完成。簡單地說，Bootloader就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核或用戶應(yīng)用程序運行之前運行的一段小程序。通過這段小程序，可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核或用戶應(yīng)用程序準備好正確的環(huán)境。EP9312提供了20種Boot-loader的方式，分別經(jīng)過EECLK、EEDAT、LBOOTI、LBOOTO、ASDO、CSn[7：6]的跳線組合來選擇。

　　本系統(tǒng)在調(diào)試和生產(chǎn)時，采用16-bit serial boot的啟動方式。對應(yīng)的EECLK、EEDAT、LBOOTI、LBOOTO、ASDO、CSn[7：6]選擇方式分別為：l、1、0、X、0、1。此時，CPU通過片內(nèi)已經(jīng)固化的4 KB程序進行啟動，初始化CPU和串口，并通過串口把用戶程序下載到Flash中。當系統(tǒng)正常工作時，則直接通過Flash啟動。直接在Flash中讀取程序代碼運行。

　　本設(shè)計利用前者把操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序?qū)懭隖lash中，用后者進行嵌入式系統(tǒng)的正常工作開啟。

　　4 結(jié)束語

　　本文介紹了一種基于EP9312的銀稅類嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案。經(jīng)過測試，系統(tǒng)各部分都能正常工作，實現(xiàn)了預(yù)定的功能。

　　與以前的嵌入式系統(tǒng)平臺相比，本系統(tǒng)集成度高、主板面積小、外圍接口多，成本低，運行速度快，是一款性價比很高的產(chǎn)品，能為嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)提供一個良好的平臺。主要面向計算機終端、存折打印機、補登機、POS機等嵌入式產(chǎn)品。