基于ARM的最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

1、基于ARM的最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)桑興民項(xiàng)目基金號：2GS045-B52-016，甘肅省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目作者簡介： 桑興民 （1981-），男，山東壽光，蘭州交通大學(xué)碩士研究生，交通信息控制及工程；王曉明 （1953-），男，甘肅白銀，蘭州交通大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。姚新文，男，(1979-)，河南濟(jì)源，蘭州交通大學(xué)碩士研究生，許麗，女，(1980-)，湖北天門，蘭州交通大學(xué)碩士研究生。Author introduction :SANG xing-min: male,(1981-),Shandong shouguang, graduate student of lanzhou jiaotong

2、university , study field is traffic information engineering and control；WANG xiao-ming: male,(1953-), Gansu baiyin, professor of lanzhou jiaotong university ,doctor tutor.YAO xin-wen, male,(1979-),Henan jiyuan, graduate student of lanzhou jiaotong university ;XU li:female (1980-),Hubei tianmen, grad

3、uate student of lanzhou jiaotong university. 王曉明姚新文許麗（蘭州交通大學(xué)光電技術(shù)與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 ）摘要：采用RISC（Reduced Instruction Set Computer，精簡指令集計(jì)算機(jī)）架構(gòu)的32位ARM（Advanced RISC Machines）微控制器，具有低功耗（內(nèi)核工作電壓一般在1.8V）、高性能、執(zhí)行速度快（一般以MIPS為單位）、執(zhí)行效率高等特點(diǎn)。本文采用Atmel公司的ARM920T內(nèi)核的32位ARM微控制器AT91RM9200，實(shí)現(xiàn)其最小應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及軟件開發(fā)；并且完成該系統(tǒng)的調(diào)試和

4、仿真。關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；增強(qiáng)型精簡指令集計(jì)算機(jī)；片上系統(tǒng)；AT91RM9200A Design and Development of the Least Application System about ARM SANG xing-min，WANG xiao-ming (Key Laboratory of Opto-electronic Technology and Intelligent Control (Lanzhou Jiaotong University), Ministry of Education;Lanzhou Gansu, China)Abstract: By using R

5、ISC（Reduced Instruction Set Computer）construction , ARM (Advanced RISC Machines) of 32 bits Microcontroller takes on low-loss and low-consume (VDDCORE supply voltage is 1.8V),high capability, high executing speed (the unit is MIPS).This paper use 32 bits Microcontroller AT91RM9200 of Atmel Company,

6、achieve a design of the least application system , including hardware design and software program ,achieve the debug and assembly of this system.Key words: Embedded System; ARM（AdvancedRISCMachines）;SOC;AT91RM92000 引言嵌入式系統(tǒng)具有可靠性高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，系統(tǒng)內(nèi)核小和系統(tǒng)配置要求低等特點(diǎn)，使其在工業(yè)過程控制、信息家電、交通管理以及機(jī)器人制造等研究生產(chǎn)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。與8/16位單

7、片機(jī)相比，32位ARM微控制器具有更高的性價(jià)比，更低的功耗，執(zhí)行速度更快，性能更高等特點(diǎn)1，4。本文采用Atmel公司的ARM920T內(nèi)核的32位ARM微控制器AT91RM9200，在外圍擴(kuò)展了64MB（32MB*2）32位SDRAM存儲器，16MB 16位FLASH存儲器，并實(shí)現(xiàn)其初始化；通過DEBUG USART和JTAG兩個調(diào)試口，實(shí)現(xiàn)此應(yīng)用系統(tǒng)的調(diào)試與仿真。1 AT91RM9200 Atmel公司生產(chǎn)的AT91RM9200，是完全圍繞ARM920T內(nèi)核構(gòu)建的系統(tǒng)。采用RISC架構(gòu)，支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件1，3；它有豐富的系統(tǒng)與應(yīng)

8、用外設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)接口，包括總線接口(EBI)；EBI支持 SDRAM、 BurstFlash 及靜態(tài)存儲器的控制器，并設(shè)計(jì)了專用的電路以方便與SmartMedia、CompactFlash 及NandFlash連接；USB 2.0主機(jī)和設(shè)備端口；UART串口、SPI、調(diào)試通道(DBGU)。此外，還有高級中斷控制器(AIC) 、外設(shè)數(shù)據(jù)控制器(PDC) ，JTAG-ICE口，支持所有數(shù)字引腳實(shí)現(xiàn)IEEE 1149.1 JTAG邊界掃描1；內(nèi)置的10/100 Base-T 以太網(wǎng)媒體訪問控制器(MAC)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主機(jī)與PHY（OSI參考模型物理層）的數(shù)據(jù)交換1。2擴(kuò)展FLASH硬件設(shè)計(jì)與軟件初始化F

9、LASH存儲器作為一種非易失性存儲器，在系統(tǒng)中通常用于存放程序代碼，常量表以及一些在系統(tǒng)掉電后需要保存的用戶數(shù)據(jù)等3。本文FLASH存儲芯片使用的是INTEL公司的16位FLASH存儲器TE28F128J3C150（16MB）。該芯片工作電壓僅為3V，通過配置其內(nèi)部命令寄存器，可對FLASH進(jìn)行編程（燒寫），擦除以及其它操作。2.1 硬件設(shè)計(jì)由于ARM微控制器的系統(tǒng)支持8/16/32位的存儲器系統(tǒng)，32位的存儲器系統(tǒng)具有較高的性能，而16位的存儲器系統(tǒng)則在成本及功耗等方面占有很大優(yōu)勢3，本設(shè)計(jì)FLASH存儲器的配置系統(tǒng)即采用16位存儲器系統(tǒng)。其硬件連線為， DQ0-DQ15接數(shù)據(jù)線D0-D15

10、；A1-A24接地址線A1-A24，A0接地；輸出使能OE，寫使能WE分別接ARM控制信號CFOE-NOE-NRD，和CFWE-NEW-NER0；擦除/編程/塊時(shí)鐘使能VPEN和復(fù)位/掉電引腳RP#一并接NRST，片選使能信號CE0接BFCS-NCS0。2.2 軟件實(shí)現(xiàn)，初始化FLASH初始化FLASH，要求配置EBI接口的片選任務(wù)寄存器EBI_CSA，和EBI配置寄存器EBI_CFGR。使其片選寄存器EBI_CSA配置為CS0=FLASH。配置完成時(shí)，還要通過配置SMC（靜態(tài)存儲控制器）的片選寄存器0（SMC_CS0）來啟動FLASH。3 擴(kuò)展SDRAM硬件設(shè)計(jì)與軟件初始化與FLASH存儲器

11、相比較，SDRAM不具有掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)的特性，但其存儲速度大大的高于FLASH存儲器，且具有讀寫屬性，因此SDRAM在系統(tǒng)中主要用作程序的運(yùn)行空間，數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)。同時(shí)，系統(tǒng)及用戶堆棧，運(yùn)行數(shù)據(jù)也都在SDRAM中。3.1 硬件設(shè)計(jì)：本文SDRAM存儲器采用的是MICRON公司的16位MT48LC16M16A2（32MB）；兩片MT48LC16M16A2（32MB*2）并聯(lián)構(gòu)建32位的SDRAM存儲器系統(tǒng)。其中一片為高16位，另一片為低16位，系統(tǒng)將這兩片MT48LC16M16A2作為一個整體配置到片選線NCS1。兩片地址復(fù)用，A0-A9接地址線A2-A11，A10接SDA10，A11，A12分別接

12、地址線A13，A14，BA0，BA1接A16，A17；SDRAM的時(shí)鐘CLK和時(shí)鐘使能CKE接ARM控制線SDCK和SDCKE。DQM的高低控制線DQML和DQMH，用來區(qū)分高，低16位；低16位芯片DQML接地址線A0，DQMH接CFIOR-NBS1-NER1；高16位芯片DQML接地址線A1，DQMH接CFIOW-NBS3-NER3；低16位芯片DQ0-15接數(shù)據(jù)線D0-D15，高16位DQ0-15接數(shù)據(jù)線D16-D31。3.2 軟件實(shí)現(xiàn)，初始化SDRAM初始化SDRAM， NOR FLASH都要求配置EBI接口的片選任務(wù)寄存器EBI_CSA，還要配置EBI配置寄存器EBI_CFGR，不同

13、之處是在與SDRAM為動態(tài)RAM，而FLASH為靜態(tài)存儲器，配置這兩個寄存器的參數(shù)是不同的。同時(shí)，SDRAM配置模式寄存器MR時(shí)，要發(fā)送“刷新”命令；而在發(fā)送“刷新”命令之前要首先發(fā)送“所有組預(yù)充電”命令，此后發(fā)送“載入模式寄存器命令”；在配置刷新定時(shí)寄存器時(shí)要根據(jù)所選的SDRAM的型號定義刷新頻率。程序流程圖，如圖1所示 圖1 初始化SDRAM程序流程圖4最小應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與軟件實(shí)現(xiàn)4.1 最小應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)AT91RM9200支持JTAG-ICE仿真，DEBUG USART調(diào)試，在芯片外部設(shè)計(jì)了20針的JTAG接口，與USART兼容的一個調(diào)試信道DEBUG USART口。供電電源；

14、內(nèi)核為1.8V，外圍IO為3.3V；提供時(shí)鐘為慢時(shí)鐘32.768KHz，和主時(shí)鐘18.432MHz（由內(nèi)部PLL倍頻至209MHz）。其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示；圖2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖4.2，系統(tǒng)的初始化程序1），初始化時(shí)鐘，包括主時(shí)鐘，PLLA時(shí)鐘，PLLB時(shí)鐘：程序流程為，首先檢測主時(shí)鐘，檢查PLLA，PLLB兩個時(shí)鐘是否在正確的范圍內(nèi)。在定義時(shí)鐘時(shí)，配置PMC的時(shí)鐘發(fā)生器PLLA和PLLB寄存器，即CKGR_PLLAR ，CKGR_PLLBR ，定義PLLA，PLLB兩個時(shí)鐘。通過配置PMC主時(shí)鐘寄存器PMC_MCKR，定義主時(shí)鐘。特別注意的是在定義主時(shí)鐘頻率，即在配制主時(shí)鐘寄存器PMC_

15、MCKR時(shí)，要先寫一個慢時(shí)鐘的參數(shù)，再在下一步寫主時(shí)鐘的參數(shù)。2), 初始化程序，包括初始化時(shí)鐘，初始化SDRAM， FLASH，初始化DEBUG USART。 圖3 系統(tǒng)主程序流程圖5 最小應(yīng)用系統(tǒng)的調(diào)試與仿真5.1 仿真和調(diào)試工具的選擇ADS（ARM Developer Support）是ARM公司推出的集成編輯，編譯和調(diào)試工具，ADS主要包括三個部分組成：Multi-ice Server（配置工具，用于配置ARM內(nèi)核）；CodeWarrior（集成編輯，編譯和鏈接工具）和AXD（調(diào)試工具）2,3。Magic-ICE是一個硬件仿真器，一端是并口，連接主機(jī)；另一端是JTAG接口，連接目標(biāo)板2

16、,3。5.2 系統(tǒng)調(diào)試與仿真本文在不采用嵌入式操作系統(tǒng)的情況下，利用ADS1.2和Magic-ICE仿真調(diào)試該系統(tǒng)。連接好系統(tǒng)的調(diào)試信道DEBUG USART與主機(jī)的串口COM1，打開主機(jī)的超級終端，設(shè)置串口參數(shù)如下：波特率設(shè)置為；位數(shù)據(jù)位為8；無奇偶校驗(yàn)位；1位停止位；數(shù)據(jù)流控制選擇無，然后點(diǎn)擊“確定”。上電目標(biāo)板，在遠(yuǎn)程終端輸出字符“C”，運(yùn)行系統(tǒng)初始化程序，在串口程序中輸出相應(yīng)的字符。在ADS環(huán)境下，運(yùn)行系統(tǒng)初始化程序，調(diào)試各個擴(kuò)展芯片，待初始化完畢。此時(shí)，基于AT91RM9200的最小應(yīng)用系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。6 結(jié)束語隨著信息電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，8位單片機(jī)無論是在速度，功能以及功耗上都與32

17、位的ARM微控制器無法比擬。而本文采用Atmel公司的32位ARM微控制器AT91RM9200，核心供電電壓為1.8V，工作頻率在180MHz時(shí)可達(dá)200MIPS，比8/16位單片機(jī)更具優(yōu)越性。通過外擴(kuò)SDRAM，NOR FLASH，擴(kuò)展了ARM芯片的存儲單元，實(shí)現(xiàn)其最小應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及軟件開發(fā)，對32位微控制器的開發(fā)與應(yīng)用都具有重要的意義。參考文獻(xiàn)：1 ARM920TTM based Microcontroller AT91RM9200 data sheet /literature 2005.2 Andrew Sloss. ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)：軟件設(shè)計(jì)與優(yōu)化M

18、.沈建華, 等譯. 北京: 北京航天航空大學(xué)出版社, 2005.3 李駒光. ARM應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)詳解基于S3C4510B的系統(tǒng)設(shè)計(jì)M. 北京:清華大學(xué)出版社, 2003.4 桂肖敏等 嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks在ARM芯片上的應(yīng)用J. 微計(jì)算機(jī)信息,2006年第3-2期, P101-1035 周立功. ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程M. 北京: 北京北京航天航空大學(xué)出版社, 2005.本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：現(xiàn)在流行的嵌入式系統(tǒng)仍然是以8/16位單片機(jī)為主流，但是隨著功耗，性能，運(yùn)算速度等要求， 32位ARM微控制器具有更高的性價(jià)比，更低的功耗，執(zhí)行速度更快，性能更高等特點(diǎn)。本文采用Atmel公司的ARM920T內(nèi)核的32位ARM微控制器AT91RM9200，實(shí)現(xiàn)其最小應(yīng)