嵌入式開發(fā)教程之基于ARM核嵌入式微處置器的以太網(wǎng)應用專題培訓課件

隨著微電子技術和計算機技術的發(fā)展，嵌入式技術得到廣闊的發(fā)展空間，特別是進入20世紀90年代以來，嵌入式技術的發(fā)展和普及更為引人注目，已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)控制、通信類和消費類產(chǎn)品發(fā)展的方向，在通信領域，眾多網(wǎng)絡設備如VOIP，WirelessLAN，ADSL等都包含有大量嵌入式技術的成份，廣播電視在向數(shù)字化的趨勢發(fā)展，DVB，DAB技術也逐漸在全面推廣起來，個人消費類產(chǎn)品，如PDA、數(shù)碼ARM以太網(wǎng)應用相機、MP3播放器等產(chǎn)品都離不開嵌入式技術的支持，嵌入式技術在ATM、可視電話、汽車的ABS等產(chǎn)品中也都有大量的應用，此外，軍事領域之中也處處可見嵌入式技術的身影，如單兵信息終端，便攜式保密機，戰(zhàn)場指揮系統(tǒng)等，可以說，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)滲透到人們?nèi)粘rm以太網(wǎng)應用生活以至國家安全防御體系之中。1引言嵌入式技術發(fā)展的核心是嵌入式微控制芯片技術的ARM以太網(wǎng)應用發(fā)展，當今微控制芯片功能變得越來越強，種類更為繁多，如MIPS，PowerPC，X86，ARM，PIC等，但這些嵌入式處理器受到價格以及兼容性等因素要求的限制，應用狀況有所不同，MIPS和PowerPC處理器市場定位較高，對于成本敏感的應用并不合適，而x86系列處理器要與8068、286、386等保持兼容性，使用相同的指令集，從而限制了CPU系統(tǒng)性能的提高，當今嵌入式領域中使用ARM以太網(wǎng)應用最為廣泛的是基于ARM體系結(jié)構的嵌入式處理器，其占據(jù)了80％以上的32位嵌入式處理器市場份額，從發(fā)展之初至今，ARM公司已經(jīng)推出ARM7，ARM9，ARM9E，ARM10，SecurCore以及Intel的StrongARM和Xscale等一系列的產(chǎn)品。這些不同版本的處理器內(nèi)核，雖一脈相承，但應用背景ARM以太網(wǎng)應用不同，例如，ARM7系列處理器針對功耗和陳本要求比較苛刻的應用而設計的；而arm9系列處理器主要應用于下一代的無線設備；SecurCore則是專為安全設備而定制的[1]。嵌入式開發(fā)教程技術的發(fā)展要與實際應用相結(jié)合，才能體現(xiàn)出技術ARM以太網(wǎng)應用進步的價值，嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展正如日中天，基于ARM核嵌入式微處理器的以太網(wǎng)的嵌入式控制實現(xiàn)也正在國內(nèi)外如火如荼的展開，以太網(wǎng)在實時操作、可靠傳輸、標準統(tǒng)一等方面的卓越性能及其便于安裝、維護簡單、不受通信距離限制等優(yōu)點，已經(jīng)被國內(nèi)外很多arm以太網(wǎng)應用監(jiān)控、控制領域的研究人員廣泛關注，并在實際應用中展露出顯著的優(yōu)勢。嵌入式開發(fā)教程迄今為止，ARM體系一共定義了6個版本，版本號為1－6，從版本1到版本6，ARM體系的指令集功能不斷增強，同時，各版本中還有一些變種，這些變種定義了該版本指令集ARM以太網(wǎng)應用中不同的功能。如支持Thumb指令集、支持長乘法指令集、增量型DSP指令集、JAVA加速器、媒體功能擴展指令等。這些變種的指令都是針對不同的應用而產(chǎn)生的，ARM處理器系列中的各種處理器，由于采用的實現(xiàn)技術各不相同，性能差別很大，應用的場合也有所不同，這必然引出應用程序代碼的可重用性問題，例如：一段在SAMSUNG公司的ARM處理器上運行良好的代碼，如果把處理器換成了ATMEL公司的ARM處理器，是否也可以穩(wěn)定可靠地ARM以太網(wǎng)應用工作呢？答案就是只要處理器支持相同的arm體系版本，基于他們的應用軟件將是兼容的。2嵌入式開發(fā)教程之ARM處理器體系arm以太網(wǎng)應用的結(jié)構ARM處理器目前包括下面幾個系列的處理器ARM以太網(wǎng)應用產(chǎn)品：ARM7系列、ARM9系列，ARM9E系列、ARM10系列，SecurCore系列，Intel的Xscale和StrongARM，ARM9系列處理器是新近推出且性能比較穩(wěn)定的一個系列，包括ARM920T，ART922T，ARM940T三種類型，適用不同需求的市場，本課題所選用的S3C2410X嵌入式處理器就是以arm920T為核心的。

ARM9系列處理器主要特點如下：支持32位ARM指令集arm以太網(wǎng)應用和16位Thumb指令集；5級流水線；單一的32位AMBA總線接口；MMU支持WindowsCE。PalmOS，SymbianOS，Linux等，MPU支持實時操作系統(tǒng)，包括Vxworks；統(tǒng)一的數(shù)據(jù)Cache和指令Cache[2]。嵌入式開發(fā)教程在arm存儲系統(tǒng)中，使用內(nèi)存管理單元(MMU)實現(xiàn)arm以太網(wǎng)應用虛擬地址到實際物理地址的映射。利用MMU，可把SDRAM的地址完全映射到0x0起始的一片連續(xù)地址空間，而把原來占據(jù)這片空間的FLASH或者ROM映射到其他不相沖突的存儲空間位置。例如，F(xiàn)LASH的地址從0x00000000～0x00ffffff，而SDRAM的地址范圍ARM以太網(wǎng)應用是0x30000000～Ox3lffffff，則可把SDRAM地址映射為0x00000000～Oxlfffffff而FLASH的地址可以映射到Ox90000000～Ox90ffffff(此處地址空間為空閑，未被占用)。映射完成后，如果處理器發(fā)生異常，假設依然為IRQ中斷，PC指針指向Oxl8處的地址，而這個時候PC實際上是從位于物理地址的Ox30000018處讀取指令。通過MMU的映射，則可實現(xiàn)程序完全運行在SDRAM之中。在實際的應用中．可能會把兩片不連續(xù)的物理地址空間分配給SDRAM。而在操作系統(tǒng)中，習慣于arm以太網(wǎng)應用把SDRAM的空間連續(xù)起來，方便內(nèi)存管理，且應用程序申請大塊的內(nèi)存時，操作系統(tǒng)內(nèi)核也可方便地分配。通過MMU可實現(xiàn)不連續(xù)的物理地址空間映射為連續(xù)的虛擬地址空間。操作系統(tǒng)內(nèi)核或者一些比較關鍵的代碼，一般是不希望被用戶應用程序訪問。通過MMU可以控制地址空間的訪問權限，從而保護這些代碼不被破壞。嵌入式開發(fā)教程MMU的實現(xiàn)過程，實際上就是一個查表映射ARM以太網(wǎng)應用的過程。建立頁表(translatetable)是實現(xiàn)MMU功能不可缺少的一步。頁表是位于系統(tǒng)的內(nèi)存中，頁表的每一項對應于一個虛擬地址到物理地址的映射。每一項的長度即是一個字的長度(在ARM中，一個字的長度被定義為4B)。頁表項除完成虛擬地址到物理地址的映射arm以太網(wǎng)應用功能之外，還定義了訪問權限和緩沖特性等。MMU的映射分為兩種，一級頁表的變換和二級頁表變換。兩者的不同之處就是實現(xiàn)的變換地址空間大小不同。一級頁表變換支持1M大小的存儲空間的映射，而二級可以支持64kB，4kB和1kB大小地址空間的映射[3]。MMU的一級映射圖如圖1所示。嵌入式開發(fā)教程一個系統(tǒng)必然以硬件平臺為依托．設計嵌入式系統(tǒng)時，要從全局arm以太網(wǎng)應用以及今后的發(fā)展角度出發(fā)考慮硬件平臺的整體設計，不能以簡單功能實現(xiàn)作為設計的最終目標。在設計過程中，主要需要考慮以下幾個方面：3嵌入式開發(fā)教程之嵌入式處理器的選型要選擇通用性強、功能完備、穩(wěn)定可靠ARM以太網(wǎng)應用的芯片。當今的很多處理器芯片，多為基于SoC結(jié)構，內(nèi)置很多通用接口控制器，使用簡單且可極大地降低成本；要選擇具有代表性的芯片，市場上的某些芯片只是作為過渡產(chǎn)品銷售，用于原理性、市場性驗證，當芯片功能趨于穩(wěn)定、市場需求較大時，通常會推出一款代表性芯片。對于設計人員來說，需要了解什么型號是具有代表性的，以保證可靠的貨源供應。不同的應用場合，對芯片的級別要求arm以太網(wǎng)應用不同，盡可能選擇符合更高標準的芯片，以保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[4]。3.1嵌入式開發(fā)教程之芯片選擇系統(tǒng)在運行的情況下，常會遇到不可預測的外部事件，這就要求系統(tǒng)具有處理突發(fā)事件的能力．如利用看門狗、軟復位措施保證系統(tǒng)遇到非期望事件后可以重新啟動運行。同時系統(tǒng)設計也要考慮到硬件擴展以及升級的能力，如，在設計存儲器結(jié)構時，要考慮電路結(jié)構可兼容不同容量的存儲器甚至于不同廠家的arm以太網(wǎng)應用芯片；如使用可編程邏輯器件CPLD或者FPGA時，宏單元要有盈余等。3.2嵌入式開發(fā)教程之電路設計上要有處理突發(fā)事件的能力并易于功能arm以太網(wǎng)應用擴展嵌入式系統(tǒng)的軟件升級要比硬件升級更容易，且在開發(fā)過程中，軟件調(diào)試一般不會對硬件造成物理上的損壞。在滿足實時性的前提下，盡可能地用軟件代替硬件。不僅可減小硬件arm以太網(wǎng)應用電路的開銷和電路板的尺寸，同時又方便調(diào)試，減小了硬件損壞的可能，并進一步降低成本。3.3嵌入式開發(fā)教程以軟件代硬件嵌入式處理器工作在幾百兆的頻率下已是很常見arm以太網(wǎng)應用的事情了，在高頻電路板設計時，要注意電路的布局和信號線的走向，高頻信號要盡量遠離其他信號，盡量減小地彈、串擾等干擾，以及電路中的電磁干擾和熱設計等。目前，世界上各大芯片生產(chǎn)商紛紛推出自己的ARM芯片，其專注的應用背景不同，各有自己的特色。ARM7和ARM9是目前ARM處理器中應用較多、技術成熟的兩大系列ARM芯片。相比較而言，ARM9系列處理器無論從處理速度、外設接口以及應用范圍等方面都更勝一籌。Intel的Xscale系列處理器，雖然各方面性能比較突出，但是其較高的定位，并不適合于大多數(shù)應用場合。而ATMEL公司生產(chǎn)的AT91RM9200處理器，定位于工業(yè)過程控制，外設接口不夠arm以太網(wǎng)應用齊全。3.4嵌入式開發(fā)教程之布局布線本文選擇了SAMSUNG公司的SS3C2410X作為系統(tǒng)的嵌入式處理器。這是一款以ARM920T為核心的嵌入式處理器，面向低端應用，價格低廉。該芯片具有較高的處理速度，通過內(nèi)部的鎖相環(huán)，最高可在200MHz的系統(tǒng)時鐘下運行。并且，S3C2410X具有極低的功耗。核電壓為1.8V供電，外圍I/O口使用3.3V的電壓，具有3種低功耗控制方式，甚至可以把CPU中除了喚醒邏輯之外的所有功能都關閉，極大地降低了功耗。與其他的ARM芯片相比，S3C2410X在片上集成了更多外設接口。例如：外部存儲器控制器；LCD，DMA，USB1.1，SD，MMC卡控制器，UART，SPI接口；I2C總線控制器和IIS總線控制器，PWM定時器，看門狗，117個外部I/O口，24個外部中斷源，ADC和觸摸屏接口，實時時鐘以及片上PLL的時鐘arm以太網(wǎng)應用產(chǎn)生等。使用集成的接口，可方便地進行功能擴展。嵌入式開發(fā)教程S3C2410X另一個優(yōu)點是具有小巧的外形，嵌入式應用希望硬件尺寸越小越好S3C2410X采取了uBGA封裝，整個芯片大小僅為14mm×14mm，相當于普通人拇指指甲的大小。雖然在如此小的體積上，集成了如此之多的功能，但其價格與普通處理器相當。從各種方面考慮，S3C2410X具有極高的性價比以及應用價值，且易于開發(fā)和功能擴展，因此很適合作為嵌入式系統(tǒng)的中央處理器。嵌入式開發(fā)教程S3C2410X本身并無網(wǎng)絡控制器，實現(xiàn)以太網(wǎng)接入需增加獨立的以太網(wǎng)控制器。以太網(wǎng)控制器芯片選用CIRRUS公司的CS8900a。他是一個真正的單芯片，全雙工以太網(wǎng)解決方案。本身集成了由MAC層到PHY層所有的邏輯功能，包括了一個以太網(wǎng)電路所必需的所有的模擬和數(shù)字電路。芯片可以自動檢查連接狀態(tài)，單獨進行載波偵聽、沖突檢測、錯誤重傳以及自動填充、CRC校驗等功能。對于處理器來說，對網(wǎng)絡芯片的訪問和控制，如同一段內(nèi)存arm以太網(wǎng)應用空間或者是分配的幾個I/O空間一樣。集成了一個4kB的片上存儲器，用于臨時保存發(fā)送和接收到的物理幀以及內(nèi)部寄存器的值，從而減輕了CPU的負擔，簡化了軟件的復雜度。CS8900A還支持軟件復位，當由于某些預料之外的事件發(fā)生，致使芯片功能紊亂網(wǎng)絡通信阻斷，可通過軟件復位重新啟動網(wǎng)絡通信功能，保證網(wǎng)絡通信的健壯性。4嵌入式開發(fā)教程以太網(wǎng)模塊實現(xiàn)以太網(wǎng)與CPU的示意性連接如圖2所示，CS8900A與CPU可以arm以太網(wǎng)應用使用DMA，I/O以及Memory方式通信。為了提高與處理器間的訪問速度，圖中把CS8900A設計為Memory模式。CS8900A復位默認方式為I/O模式，雖可通過E2PROM將其配置為Memory模式，但處于降低成本考慮，把電路設計為I/O，Memory兼容的連接方式，由軟件將其設置為Memory模式。相對于S3C2410X的訪問周期來說，CS8900A響應時間大于其訪問周期，屬慢速設備。可通過nWait信號延長處理器的訪問周期。使用全局復位信號作為芯片的復位信號，利用高電平觸發(fā)中斷，通知CPU事件的發(fā)生。嵌入式開發(fā)教程隨著電路中信號頻率的提高，嵌入式系統(tǒng)中高速電路板設計已經(jīng)成為沒計人員非常關心的問題了。因此在系統(tǒng)設計過程中，還要考慮當信號速度高，端接元件的布局不正確或者高速信號的錯誤布局等引起的信號