ARM9單片機LPC3180的軟硬件平臺設計

　　嵌入式應用系統設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；后者則是圍繞嵌入式操作系統構建的軟件系統。兩者在設計上是密不可分的，并且需要在設計之間進(jìn)行權衡優(yōu)化，根據實(shí)際應用進(jìn)行外擴和裁剪。

　　基于ARM926EJS內核的LPC3180內部集成了豐富的外設資源，為嵌入式系統構建提供了很大的設計空間。本文結合筆者開(kāi)發(fā)LPC3180嵌入式平臺的實(shí)際經(jīng)驗，將具體介紹該系統的實(shí)現、結構組成和實(shí)驗結果。

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)，片內集成ARM9EJS處理器內核，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用場(chǎng)合中仍能使用高性能的ARM9微控制器。LPC3180內核正常工作電壓為1.2 V，在低功耗模式下可降至0.9 V；同時(shí)，LPC3180作為一款新型的32位微控制器，其新特性還包括：

　　◆ 片內集成向量浮點(diǎn)(VFP)協(xié)處理器。LPC3180的浮點(diǎn)運算單元有3條獨立的流水線(xiàn)，支持并行單精度或雙精度浮點(diǎn)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(diǎn)運算場(chǎng)合。
　　◆ 片內集成USB OTG控制模塊，同時(shí)支持與便攜USB主設備或USB外設相連，可用于與PDA、讀卡器和打印機等設備直接相連，而無(wú)需PC機介入。
　　◆ LPC3180采用多層的AHB總線(xiàn)系統，為各個(gè)主模塊提供獨立的總線(xiàn)，包括CPU的指令總線(xiàn)和數據總線(xiàn)、2套DMA控制器數據總線(xiàn)以及1套USB控制器數據總線(xiàn)。

　　LPC3180的內部架構如圖1所示。

圖1 LPC3180內部架構

　　LPC3180的其他特性包括： 內部集成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(shí)器、RTC、看門(mén)狗定時(shí)器、10位ADC等其他功能模塊。

2 硬件平臺設計

　　以L(fǎng)PC3180為核心的硬件平臺設計框架如圖2所示。

圖2 LPC3180硬件平臺設計框圖

（1） 存儲器系統

　　NAND Flash存儲器。通過(guò)LPC3180內部集成的MLC/SLC NAND控制器直接外接多級或單級NAND Flash器件。本系統選用ST NAND256R3A，其32 MB存儲空間可滿(mǎn)足存放系統引導程序、嵌入式操作系統內核和文件系統的大小要求。

　　SDRAM存儲器。系統選用2片16位MICRON SDRAM，并聯(lián)構建32位SDRAM存儲器系統。32 MB SDRAM空間，可滿(mǎn)足嵌入式操作系統以及上層應用程序的運行要求。

　　SD卡插槽。系統通過(guò)LPC3180內部集成的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。系統外擴了UART1/7、UART2和UART5，用于實(shí)現基本的串行通信功能；同時(shí)，UART5可用于系統啟動(dòng)時(shí)的外部程序下載。

　　USB接口。LPC3180內部集成了USB host、USB device以及USB OTG控制器，通過(guò)外部USB收發(fā)模塊Philips ISP1301外擴USB host接口A(yíng)、USB device接口B以及USB OTG接口A(yíng)B。

（3） 其他外圍模塊

　　系統通過(guò)I2C接口外擴了一個(gè)簡(jiǎn)易的字符型LCD顯示模塊，用于應用程序運行結果顯示；同時(shí)，為了簡(jiǎn)化硬件系統設計，系統的以太網(wǎng)模塊通過(guò)USB host接口A(yíng)以軟件方式實(shí)現外擴。

3 系統關(guān)鍵模塊設計

3.1 NAND Flash存儲器模塊

　　LPC3180內部集成了MLC/SLC NAND控制器，通過(guò)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(guò)引腳復用，使用相同的接口與NAND Flash相連，且同一時(shí)刻只允許開(kāi)啟其中一個(gè)控制器，因此在系統上電后必須通過(guò)配置FLASH_CTRL寄存器選擇要使用的NAND控制器。在閑置狀態(tài)時(shí)，也可通過(guò)寫(xiě)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(gè)系統主要的靜態(tài)數據存儲空間，用于存儲系統啟動(dòng)過(guò)程中的加載程序，因此在LPC3180系統設計中是必不可少的。

圖3 NAND Flash接口連接圖

3.2 USB接口模塊

　　LPC3180內部集成USB控制模塊，但不包括USB物理層，系統通過(guò)外接USB收發(fā)模塊ISP1301實(shí)現USB的物理層接口。圖4是USB接口連接圖。LPC3180內部通過(guò)AHB從設備總線(xiàn)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 軟件系統設計

　　軟件系統組成包括系統引導程序Bootloader，嵌入式操作系統以及上層應用程序。其中Bootloader是運行于操作系統之前的引導程序，主要任務(wù)是完成系統啟動(dòng)之前必要的硬件初始化和操作系統加載；操作系統是整個(gè)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，并為上層應用程序提供與硬件細節無(wú)關(guān)的系統調用接口。

　　軟件系統設計必須與硬件平臺緊密結合。LPC3180采用NAND Flash作為整個(gè)系統的程序存儲區域，在系統啟動(dòng)時(shí)通過(guò)片上ROM的bootstrap程序,從NAND Flash加載并執行外部引導程序來(lái)實(shí)現整個(gè)系統的啟動(dòng)步驟。因此，整個(gè)軟件系統采取了圖5所示的設計結構。

圖5 軟件系統結構框圖

（1） 系統引導程序Bootloader

　　由于啟動(dòng)過(guò)程首先從片內的bootstrap程序開(kāi)始，因此系統采取二級Bootloader設計，包括第一級Sibl和第二級U?boot。

　　其中Sibl是bootstrap加載并執行的第一個(gè)引導程序，在程序大小上受到bootstrap加載的限制，因此設計上盡量做到了小型化和功能專(zhuān)一。它除了完成最基本的硬件初始化以外，主要功能是實(shí)現其他程序(包括U?boot)從NAND Flash的加載，完成下一級Bootloader運行之前的內存地址空間分布。

　　第二級Bootloader采用功能強大的sourceforge開(kāi)源軟件U?boot。U?boot的主要功能是完成嵌入式操作系統啟動(dòng)前的底層硬件初始化，并為L(cháng)inux內核提供啟動(dòng)參數，最終引導操作系統Linux內核啟動(dòng)。另外,為了實(shí)現程序鏡像文件編程寫(xiě)入NAND Flash，U?boot嵌入了一個(gè)NAND子系統，通過(guò)U?boot的用戶(hù)命令行實(shí)現對NAND Flash的讀/寫(xiě)操作，可將程序鏡像寫(xiě)入NAND Flash指定的地址空間。

（2） 嵌入式操作系統

　　LPC3180內部集成了ARM926EJS處理器內核，帶存儲器管理單元MMU，支持多數主流嵌入式操作系統。系統通過(guò)編寫(xiě)板級支持代碼，移植了Linux2.6.10作為平臺操作系統，利用穩定的Linux2.6內核實(shí)現任務(wù)調度、進(jìn)程管理、內存管理等功能，同時(shí)，針對Linux的可配置性，對內核進(jìn)行裁剪和硬件驅動(dòng)代碼添加，系統實(shí)現了一個(gè)小型但功能強大的內核程序，適應了嵌入式系統存儲資源相對緊缺的狀況。

5 系統啟動(dòng)流程分析

　　由上面的軟件結構組成分析可知，整個(gè)系統啟動(dòng)流程分為3個(gè)步驟：

　?、?系統上電后，首先從片上ROM固化的bootstrap程序執行。bootstrap用于完成外部引導程序下載并跳入執行。bootstrap運行過(guò)程首先讀輸入引腳GPIO_01。如果GPIO_01置為高，則從NAND Flash下載程序引導系統啟動(dòng)；如果置為低，則依次檢測USB接口和UART5接口，通過(guò)外部連接下載引導程序。系統通過(guò)設置GPIO_IO跳線(xiàn)來(lái)控制bootstrap啟動(dòng)過(guò)程，本例將GPIO_01置為高，從NAND Flash下載程序。
　?、?系統啟動(dòng)的第二階段是運行bootstrap下載的引導程序Sibl。Sibl完成系統必要的初始化后，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字節的頭信息，用于Sibl識別和加載，頭信息數據結構如下：

struct image_header {
　　uint32_tih_magic;/*鏡像頭信息同步字，Sibl通過(guò)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(shí)間*/
　　uint32_tih_size;/*鏡像數據大小*/
　　uint32_tih_load;/*鏡像加載地址*/
　　uint32_tih_ep;/*鏡像入口地址*/
　　uint32_tih_dcrc;/*鏡像數據CRC校驗碼*/
　　uint8_tih_os;/*操作系統信息*/
　　uint8_tih_arch;/*CPU體系結構類(lèi)型*/
　　uint8_tih_type;/*鏡像類(lèi)型*/
　　uint8_tih_comp;/*壓縮類(lèi)型*/
　　uint8_tih_name[32];/*鏡像名稱(chēng)*/
}

　　Sibl從NAND Flash起始地址開(kāi)始搜索。如果讀到鏡像同步字ih_magic，則識別鏡像程序，并根據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CRC校驗碼ih_dcrc對SDRAM數據進(jìn)行CRC檢測；最后根據鏡像類(lèi)型ih_type判斷鏡像是否可執行，若可執行，則跳入鏡像入口地址ih_ep，否則Sibl繼續搜索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

圖6 系統啟動(dòng)過(guò)程內存空間分布圖

　?、?完成Sibl加載后，內存空間分布如圖6所示，系統進(jìn)入啟動(dòng)流程的第三階段U-boot。U-boot完成Linux內核鏡像的解壓縮和操作系統啟動(dòng)前的初始化，最終跳入內核入口地址，完成對Linux的引導。

6 系統性能分析

　　系統構建提供了一個(gè)完整的LPC3180嵌入式軟硬件平臺，下面對LPC3180浮點(diǎn)運算能力進(jìn)行測試和分析。測試方法是使用一個(gè)浮點(diǎn)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(diǎn)運算兩個(gè)版本的測試程序，并在不同的CPU時(shí)鐘頻率下比較運行時(shí)間，結果如表1所列。

　　分析實(shí)驗數據，可以得出結論： VFP協(xié)處理器在相同時(shí)鐘頻率下，提高了5倍左右的浮點(diǎn)運算性能。因此，LPC3180平臺結合VFP協(xié)處理器，能夠實(shí)現復雜的浮點(diǎn)運算密集算法。在微控制器中集成硬件浮點(diǎn)運算單元，這使得微控制器的數據處理能力大大提高，能夠勝任多數的數字信號處理應用。

表1 浮點(diǎn)運算結果

結語(yǔ)

　　本文介紹了以L(fǎng)PC3180微控制器為核心的嵌入式軟硬件平臺的設計與實(shí)現，并測試、驗證了LPC3180的浮點(diǎn)運算性能。該平臺對于LPC3180的應用開(kāi)發(fā)具有借鑒意義。目前LPC3180在醫療器械、工業(yè)控制、POS機、數字信號處理等領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用。