嵌入式系統(tǒng)硬件體系結構設計

1、一、嵌入式計算機系統(tǒng)體系結構體系主要組成包括：1. 硬件層硬件層中包含嵌入式微處理器、存儲器（SDRAM、ROM、Flash等）、通用設備接口和I/O接口（A/D、D/A、I/O等）。在一片嵌入式處理器基礎上添加電源電路、時鐘電路和存儲器電路，就構成了一個嵌入式核心控制模塊。其中操作系統(tǒng)和應用程序都可以固化在ROM中。2. 中間層硬件層與軟件層之間為中間層，也稱為硬件抽象層（Hardware Abstract Layer，HAL）或板級支持包（Board Support Package，BSP），它將系統(tǒng)上層軟件與底層硬件分離開來，使系統(tǒng)的底層驅動程序與硬件無關，上層軟件開發(fā)人員無需關心底層硬

2、件的具體情況，根據(jù)BSP 層提供的接口即可進行開發(fā)。該層一般包含相關底層硬件的初始化、數(shù)據(jù)的輸入/輸出操作和硬件設備的配置功能。3. 系統(tǒng)軟件層系統(tǒng)軟件層由實時多任務操作系統(tǒng)（Real-time Operation System，RTOS）、文件系統(tǒng)、圖形用戶接口（Graphic User Interface，GUI）、網絡系統(tǒng)及通用組件模塊組成。RTOS是嵌入式應用軟件的基礎和開發(fā)平臺。4. 功能層功能層主要由實現(xiàn)某種或某幾項任務而被開發(fā)運行于操作系統(tǒng)上的程序組成。一個嵌入式系統(tǒng)裝置一般都由嵌入式計算機系統(tǒng)和執(zhí)行裝置組成，而嵌入式計算機系統(tǒng)是整個嵌入式系統(tǒng)的核心，由硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層

3、和應用軟件層組成。執(zhí)行裝置也稱為被控對象，它可以接受嵌入式計算機系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，執(zhí)行所規(guī)定的操作或任務。硬件的設計本網關硬件環(huán)境以單片機S3C2440芯片和DM9000以太網控制芯片為主，實現(xiàn)RJ45接口和RS232接口的數(shù)據(jù)傳輸。內容包括硬件環(huán)境的初始化，數(shù)據(jù)的收發(fā)控制，封包解包設計，操作系統(tǒng)的移植等。硬件框圖硬件框圖是簡單的將每個功能模塊列出，也是一個基本的模塊組合，可以簡潔的每個模塊的功能體現(xiàn)出來。其中包括了電源模塊，處理模塊，串口模塊以及網口模塊。電源模塊主要的用途是負責給整塊開發(fā)板進行供電，保證每個模塊都可以正常工作。處理模塊主要的用途是負責協(xié)議的轉換，數(shù)據(jù)的處理等，以保障通信的

4、暢通。串口模塊以及網口模塊主要的用途是負責各網絡相關數(shù)據(jù)信息的收發(fā)。處理模塊串口模塊MAX3232CDM9000S3C2440芯片電源模塊網口模塊RJ45MAX3232CRS232RS232硬件框圖硬件功能框圖時下嵌入式和以太網的結合正是一個熱點關注問題，而嵌入式以太網技術的主要應用領域便是工業(yè)控制網絡，即工業(yè)以太網，具有以太網接口的各種智能化儀器儀表正逐步取代傳統(tǒng)的測控設備。元件介紹1、嵌入式處理器芯片S3C2440Samsung 公司推出的 16/32 位 RISC 處理器 S3C2440 為手持設備和一般類型應用提供了高性價比和高性能的微控制器解決方案。為了降低成本，S3C2440 提供

5、了豐富的內置部件，包括：16KB 指令cache和16KB數(shù)據(jù)cache，外部存儲控制器 SDRAM，LCD 控制器（最大支持4K色STN和256K色TFT），提供1通道LCD專用DMA，帶4通道DMA并帶有外部請求引腳，3通道UART（IrDA1.0，64字節(jié)Tx FIFO，和64字節(jié)Rx FIFO），2通道SPI，1通道IIC-BUS接口（多主支持）。1.2V內核供電，1.8V/2.5V/3.3V存儲器供電，3.3V外部I/O供電，具備16K的I-Cache和16KDCache/MMU微處理器。 ARM920T系統(tǒng)結構圖S3C2440采用了 ARM920T 內核，擁有強大的指令集，0.13

6、um 工藝的 CMOS 標準宏單元和存儲編譯器以及一種新的總線結構它采用了新的總線架構，Advanced Micro controller Bus Architecture（AMBA）。它的低功耗精簡和出色的全靜態(tài)設計特別適用于對成本和功耗敏感的應用。S3C2440的杰出特性是它的CPU核，是由ARM公司設計的16/32位ARM920T RISC處理器（400MHZ）。它通過提供全面的、通用的片上外設，大大減少了系統(tǒng)電路中除處理器以外的元器件配置，從而最小化系統(tǒng)的成本。ARM920T 是ARM920TDMI系列中一款通用性的微處理器，由內核、高速緩存和內存管理單元（MMU）組成。支持字節(jié)（8位

7、）、半字（16位）、字（32位）3種數(shù)據(jù)類型，其中，字需要4字節(jié)對齊，半字需要2字節(jié)對齊。工作于ARM狀態(tài)時，處理器執(zhí)行32位的，字對齊ARM指令。ARM920T體系結構將存儲器看做是從零地址開始的字節(jié)的線性組合。從0字節(jié)到3字節(jié)存放第一個存儲的字數(shù)據(jù)，從4字節(jié)到7字節(jié)存放第二個存儲的字數(shù)據(jù)，依次類推。作為32位的微處理器，ARM920T體系結構所支持最大的尋址空間是4GB（2332字節(jié)），有2種方法存儲字數(shù)據(jù)：大端格式和小端格式。大端格式中字數(shù)據(jù)的高字節(jié)存儲在低地址，字數(shù)據(jù)的低字節(jié)存放在高地址；與大端存儲格式相反，小端存儲格式中，低地址中存放的是字數(shù)據(jù)的低地址，高地址存放的是字數(shù)據(jù)的高字節(jié)。

8、S3C2440內部結構：S3C2440內部結構2、以太網控制器DM9000DM9000是一款完全集成的和符合成本效益的，單芯片快速以太網MAC控制器。它有一個一般處理接口，一個10/100M自適應的PHY和4K DWORD值的SRAM。它的目的是在低功耗和高性能進程的3.3V與5V的支持寬容，DM9000還提供了介質無關的接口，來連接所有提供支持介質無關接口功能的家用電話線網絡設備或其他收發(fā)器。該DM9000支持8位，16位和32 -位接口訪問內部存儲器，以支持不同的處理器。DM9000物理協(xié)議層接口完全支持使用10MBps下3類、4類、5類非屏蔽雙絞線和100MBps下5類非屏蔽雙絞線。這是

9、完全符合IEEE 802.3u規(guī)格。它的自動協(xié)調功能將自動完成配置以最大限度地適合其線路帶寬。還支持IEEE 802.3x全雙工流量控制。這個工作里面DM9000是非常簡單的，所以用戶可以容易的移植任何系統(tǒng)下的端口驅動程序。 DM9000是一款完全集成的和符合成本效益單芯片快速以太網MAC控制器與一般處理接口，一個10/100M自適應的PHY和4K DWORD值的SRAM 。它的目的是在低功耗和高性能進程的3.3V與5V的支持寬容。DM9000內部可分為遠程 DMA接口、本地 DMA接口、MAC（介質訪問控制）邏輯、數(shù)據(jù)編碼解碼邏輯和其他端口。遠程 DMA接口是指單片機對DM9000

10、內部 RAM進行讀寫的總線，即 ISA總線的接口部分。單片機收發(fā)數(shù)據(jù)只需對遠程 DMA操作。本地 DMA接口是把 DM9000與網線的連接通道，完成控制器與網線的數(shù)據(jù)交換。MAC（介質訪問控制）邏輯完成以下功能：當單片機向網上發(fā)送數(shù)據(jù)時，先將一幀數(shù)據(jù)通過遠程 DMA通道送到DM9000中的發(fā)送緩存區(qū)，然后發(fā)出傳送命令；當 DM9000完成了上幀的發(fā)送后，再開始此幀的發(fā)送。DM9000接收到的數(shù)據(jù)通過MAC比較、CRC校驗后，由 FIFO存到接收緩沖區(qū)；收滿一幀后，以中斷或寄存器標志的方式通知主處理器。FIFO邏輯對收發(fā)數(shù)據(jù)作 16字節(jié)的緩沖，以減少對本地 DMA請求的頻率。 網絡控制器DM90

11、00選用DAVICOM公司的快速以太網控制處理器，合成了MAC，PHY，MMU。該處理器配備有標準10 M /100M 自適應，16K 大容量的FIFO，4 路多功能GPIO，掉電，全雙工工作等功能。物理層支持以太網接口協(xié)議。由于數(shù)據(jù)有時是以猝發(fā)形式收到的，因此，DM9000 還集成有接收緩沖區(qū)，以便在接收到數(shù)據(jù)時能把數(shù)據(jù)放到這個緩沖區(qū)中，然后由數(shù)據(jù)鏈路層直接從該緩沖區(qū)里取走數(shù)據(jù)。鏈路層通常包括操作系統(tǒng)中的設備驅動程序和計算機中對應的網絡接口卡，它們一起處理與電纜的物理接口細節(jié)數(shù)據(jù)，它的緩沖區(qū)可用來暫時存儲要發(fā)送或接收的幀。它完全支持IEEE802.3u 規(guī)格，支持IEEE802.3x 全雙工

12、的流控制。網絡驅動功能層次如圖3.6。DM9000網絡驅動程序（struct net device）數(shù)據(jù)包發(fā)送功能子模塊（函數(shù)dm9000_start_xmit()等）中斷處理函數(shù)功能子模塊（用于數(shù)據(jù)包的接受，函數(shù)dm9000_rx()等）DM9000以太網控制芯片接口操作相關的接口寄存器，如中斷控制寄存器等。網絡設備接口層網絡驅動功能層硬件設備媒體層DM9000網絡驅動的功能層次DM9000還提供了介質無關的接口，來連接所有提供支持介質無關接口功能的家用電話線網絡設備或其他收發(fā)器。該DM9000支持8位，16位和32 -位接口訪問內部存儲器，以支持不同的處理器。對DM9000讀寫操作,首先對

13、DM9000正確尋址。AEN(地址允許)是輸入引腳片選信號。SA4SA9是地址總線49位,當AEN低且SA9和SA8高,而SA7、SA6、SA5、SA4為低時,則DM9000被選中。DM9000默認I/0基地址為300H。CMD引腳用于設置COMMAND模式,CMD為高時,選擇數(shù)據(jù)端口。CMD為低時,選地址端口。數(shù)據(jù)端口和地址端口的地址碼由下式決定:DM9000地址端口=高位片選地址+300H+0H；DM9000數(shù)據(jù)端口=高位片選地址+300H+4H；DM9000芯片電路引腳見圖：DM9000芯片電路引腳圖 二、系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)流程由現(xiàn)場總線端通過RS232口發(fā)送數(shù)據(jù)到以太網的數(shù)據(jù)流向，事先約定好HDLC的幀格式和數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈省?shù)據(jù)通過串口緩沖區(qū)和以太網控制芯片緩沖區(qū)發(fā)送到網上，經過了HDLC解幀，單片機控制封包，添加以太網傳輸時所需的信息等處理。反之則經過以太網芯片處理，單片機控制解包，HDLC封幀等步驟。最終實現(xiàn)通信可能。系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)流圖如下:以太網HDLC協(xié)議數(shù)據(jù)以太網控制芯片中處理以太網信息單片機控制實現(xiàn) UDP