嵌入式系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、一、嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)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(chǔ)器（SDRAM、ROM、Flash等）、通用設(shè)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(chǔ)上添加電源電路、時(shí)鐘電路和存儲(chǔ)器電路，就構(gòu)成了一個(gè)嵌入式核心控制模塊。其中操作系統(tǒng)和應(yīng)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(jí)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(qū)動(dòng)程序與硬件無關(guān)，上層軟件開發(fā)人員無需關(guān)心底層硬

2、件的具體情況，根據(jù)BSP 層提供的接口即可進(jìn)行開發(fā)。該層一般包含相關(guān)底層硬件的初始化、數(shù)據(jù)的輸入/輸出操作和硬件設(shè)備的配置功能。3. 系統(tǒng)軟件層系統(tǒng)軟件層由實(shí)時(shí)多任務(wù)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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及通用組件模塊組成。RTOS是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺(tái)。4. 功能層功能層主要由實(shí)現(xiàn)某種或某幾項(xiàng)任務(wù)而被開發(fā)運(yùn)行于操作系統(tǒng)上的程序組成。一個(gè)嵌入式系統(tǒng)裝置一般都由嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和執(zhí)行裝置組成，而嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)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(yīng)用軟件層組成。執(zhí)行裝置也稱為被控對(duì)象，它可以接受嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，執(zhí)行所規(guī)定的操作或任務(wù)。硬件的設(shè)計(jì)本網(wǎng)關(guān)硬件環(huán)境以單片機(jī)S3C2440芯片和DM9000以太網(wǎng)控制芯片為主，實(shí)現(xiàn)RJ45接口和RS232接口的數(shù)據(jù)傳輸。內(nèi)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(shè)計(jì)，操作系統(tǒng)的移植等。硬件框圖硬件框圖是簡單的將每個(gè)功能模塊列出，也是一個(gè)基本的模塊組合，可以簡潔的每個(gè)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(wǎng)口模塊。電源模塊主要的用途是負(fù)責(zé)給整塊開發(fā)板進(jìn)行供電，保證每個(gè)模塊都可以正常工作。處理模塊主要的用途是負(fù)責(zé)協(xié)議的轉(zhuǎn)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(wǎng)口模塊主要的用途是負(fù)責(zé)各網(wǎng)絡(luò)相關(guān)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(wǎng)口模塊RJ45MAX3232CRS232RS232硬件框圖硬件功能框圖時(shí)下嵌入式和以太網(wǎng)的結(jié)合正是一個(gè)熱點(diǎn)關(guān)注問題，而嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域便是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，即工業(yè)以太網(wǎng)，具有以太網(wǎng)接口的各種智能化儀器儀表正逐步取代傳統(tǒng)的測控設(shè)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(shè)備和一般類型應(yīng)用提供了高性價(jià)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(nèi)置部件，包括：16KB 指令cache和16KB數(shù)據(jù)cache，外部存儲(chǔ)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(qǐng)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(nèi)核供電，1.8V/2.5V/3.3V存儲(chǔ)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(jié)構(gòu)圖S3C2440采用了 ARM920T 內(nèi)核，擁有強(qiáng)大的指令集，0.13

6、um 工藝的 CMOS 標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲(chǔ)編譯器以及一種新的總線結(jié)構(gòu)它采用了新的總線架構(gòu)，Advanced Micro controller Bus Architecture（AMBA）。它的低功耗精簡和出色的全靜態(tài)設(shè)計(jì)特別適用于對(duì)成本和功耗敏感的應(yīng)用。S3C2440的杰出特性是它的CPU核，是由ARM公司設(shè)計(jì)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(shè)，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(nèi)核、高速緩存和內(nèi)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(duì)齊，半字需要2字節(jié)對(duì)齊。工作于ARM狀態(tài)時(shí)，處理器執(zhí)行32位的，字對(duì)齊ARM指令。ARM920T體系結(jié)構(gòu)將存儲(chǔ)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(gè)存儲(chǔ)的字?jǐn)?shù)據(jù)，從4字節(jié)到7字節(jié)存放第二個(gè)存儲(chǔ)的字?jǐn)?shù)據(jù)，依次類推。作為32位的微處理器，ARM920T體系結(jié)構(gòu)所支持最大的尋址空間是4GB（2332字節(jié)），有2種方法存儲(chǔ)字?jǐn)?shù)據(jù)：大端格式和小端格式。大端格式中字?jǐn)?shù)據(jù)的高字節(jié)存儲(chǔ)在低地址，字?jǐn)?shù)據(jù)的低字節(jié)存放在高地址；與大端存儲(chǔ)格式相反，小端存儲(chǔ)格式中，低地址中存放的是字?jǐn)?shù)據(jù)的低地址，高地址存放的是字?jǐn)?shù)據(jù)的高字節(jié)。

8、S3C2440內(nèi)部結(jié)構(gòu)：S3C2440內(nèi)部結(jié)構(gòu)2、以太網(wǎng)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(wǎng)MAC控制器。它有一個(gè)一般處理接口，一個(gè)10/100M自適應(yīng)的PHY和4K DWORD值的SRAM。它的目的是在低功耗和高性能進(jìn)程的3.3V與5V的支持寬容，DM9000還提供了介質(zhì)無關(guān)的接口，來連接所有提供支持介質(zhì)無關(guān)接口功能的家用電話線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或其他收發(fā)器。該DM9000支持8位，16位和32 -位接口訪問內(nèi)部存儲(chǔ)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(dòng)協(xié)調(diào)功能將自動(dòng)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(gè)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(qū)動(dòng)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(wǎng)MAC控制器與一般處理接口，一個(gè)10/100M自適應(yīng)的PHY和4K DWORD值的SRAM 。它的目的是在低功耗和高性能進(jìn)程的3.3V與5V的支持寬容。DM9000內(nèi)部可分為遠(yuǎn)程 DMA接口、本地 DMA接口、MAC（介質(zhì)訪問控制）邏輯、數(shù)據(jù)編碼解碼邏輯和其他端口。遠(yuǎn)程 DMA接口是指單片機(jī)對(duì)DM9000

10、內(nèi)部 RAM進(jìn)行讀寫的總線，即 ISA總線的接口部分。單片機(jī)收發(fā)數(shù)據(jù)只需對(duì)遠(yuǎn)程 DMA操作。本地 DMA接口是把 DM9000與網(wǎng)線的連接通道，完成控制器與網(wǎng)線的數(shù)據(jù)交換。MAC（介質(zhì)訪問控制）邏輯完成以下功能：當(dāng)單片機(jī)向網(wǎng)上發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先將一幀數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)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(dāng) 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(yàn)后，由 FIFO存到接收緩沖區(qū)；收滿一幀后，以中斷或寄存器標(biāo)志的方式通知主處理器。FIFO邏輯對(duì)收發(fā)數(shù)據(jù)作 16字節(jié)的緩沖，以減少對(duì)本地 DMA請(qǐng)求的頻率。 網(wǎng)絡(luò)控制器DM90

11、00選用DAVICOM公司的快速以太網(wǎng)控制處理器，合成了MAC，PHY，MMU。該處理器配備有標(biāo)準(zhǔn)10 M /100M 自適應(yīng)，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(wǎng)接口協(xié)議。由于數(shù)據(jù)有時(shí)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(shí)能把數(shù)據(jù)放到這個(gè)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(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和計(jì)算機(jī)中對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口卡，它們一起處理與電纜的物理接口細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)，它的緩沖區(qū)可用來暫時(shí)存儲(chǔ)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(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)功能層次如圖3.6。DM9000網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)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(wǎng)控制芯片接口操作相關(guān)的接口寄存器，如中斷控制寄存器等。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口層網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)功能層硬件設(shè)備媒體層DM9000網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)的功能層次DM9000還提供了介質(zhì)無關(guān)的接口，來連接所有提供支持介質(zhì)無關(guān)接口功能的家用電話線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或其他收發(fā)器。該DM9000支持8位，16位和32 -位接口訪問內(nèi)部存儲(chǔ)器，以支持不同的處理器。對(duì)DM9000讀寫操作,首先對(duì)

13、DM9000正確尋址。AEN(地址允許)是輸入引腳片選信號(hào)。SA4SA9是地址總線49位,當(dāng)AEN低且SA9和SA8高,而SA7、SA6、SA5、SA4為低時(shí),則DM9000被選中。DM9000默認(rèn)I/0基地址為300H。CMD引腳用于設(shè)置COMMAND模式,CMD為高時(shí),選擇數(shù)據(jù)端口。CMD為低時(shí),選地址端口。數(shù)據(jù)端口和地址端口的地址碼由下式?jīng)Q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(wǎng)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(wǎng)控制芯片緩沖區(qū)發(fā)送到網(wǎng)上，經(jīng)過了HDLC解幀，單片機(jī)控制封包，添加以太網(wǎng)傳輸時(shí)所需的信息等處理。反之則經(jīng)過以太網(wǎng)芯片處理，單片機(jī)控制解包，HDLC封幀等步驟。最終實(shí)現(xiàn)通信可能。系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)流圖如下:以太網(wǎng)HDLC協(xié)議數(shù)據(jù)以太網(wǎng)控制芯片中處理以太網(wǎng)信息單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn) UDP