基于A(yíng)RM9內核的軟硬件平臺設計

　　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90nm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1.2V，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。