計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)    嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器是為自動(dòng)抄表系統(tǒng)電能測(cè)量單元的數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)上共享，以及遠(yuǎn)程控制提供一個(gè)平臺(tái)，硬件上要在原來(lái)的嵌入式設(shè)備上增加網(wǎng)絡(luò)接口。嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器作為自動(dòng)抄表系統(tǒng)核心，與一些監(jiān)測(cè)、服務(wù)、指示設(shè)備配合實(shí)現(xiàn)其相應(yīng)的功能，其一端作為數(shù)據(jù)接口接收數(shù)據(jù)，另一端接入Internet實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和共享。發(fā)送到Internet的數(shù)據(jù)以TCP/IP包的形式經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)，可通過(guò)多臺(tái)瀏覽器查看，經(jīng)過(guò)HTTP協(xié)議解析，最終以網(wǎng)頁(yè)的形式呈現(xiàn)在瀏覽器上35。其在網(wǎng)絡(luò)中的連接結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。2.2自動(dòng)抄表系統(tǒng)的硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu) 

2、;   本實(shí)驗(yàn)采用英蓓特公司的EMBEST ARM EDVKIT II教學(xué)試驗(yàn)平臺(tái)。EMBEST ARMEDVKIT II教學(xué)試驗(yàn)平臺(tái)是一款功能強(qiáng)大的32位的嵌入式開(kāi)發(fā)板，里面采用了SAMSUNG公司的以ARM7TDMI-S為內(nèi)核的處理器S3C44B0X，同時(shí)可以兼容S3C2410，具有JTAG調(diào)試等功能。板上提供了一些鍵盤、LED和串口等一些常用的功能模塊，并且具有IDE硬件接口，CF存儲(chǔ)卡接口、以太網(wǎng)接口和SD卡接口等等，對(duì)用戶在32位ARM嵌入式領(lǐng)域進(jìn)行開(kāi)發(fā)試驗(yàn)非常方便。該教學(xué)試驗(yàn)平臺(tái)的功能特點(diǎn)36：嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器InternetWeb瀏覽器Web瀏覽器Web瀏覽器

3、Web瀏覽器圖2-1嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Figure 2-1 System Structure of Embedded Web Server電能采集芯片電能采集芯片電能采集芯片電能采集芯片10使用CPU擴(kuò)展接口，可以使用SAMSUNG公司的S3C44B0X和S3C2410；系統(tǒng)核心板包括SDRAM、CPU、核心電壓模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、系統(tǒng)跳線、系統(tǒng)時(shí)鐘、核心板接口等；SDRAM用量與CPU有關(guān)，2410采用64MB，44B0X采用8/16MB兼容芯片，為HY57V561620或HY57V641620；完全自主設(shè)計(jì)的軟硬件系統(tǒng)，可以支持JTAG仿真技術(shù)，支持ADS、STD和IDE等集成環(huán)境開(kāi)發(fā)；

4、具有2/4MB兼容的Nor Flash和8/16/32/64/128MB兼容的Nand Flash;兩個(gè)以太網(wǎng)口，一個(gè)為44B0X和4510專用，另外一個(gè)為MII接口的CPU專用，用到的芯片分別為CS8900A和RTL8201；具有USB接口電路；具有串行口2個(gè)，可以跟上位機(jī)進(jìn)行通訊；內(nèi)部包含采用UDA1341TS芯片的音頻電路模塊，方便進(jìn)行音頻調(diào)試試驗(yàn)；內(nèi)部包含IIC器件，采用支持IIC的EEPROM-AT24C08；顯示部分包括STN/TFT兼容接口的彩色LCD、LED指示燈和6個(gè)數(shù)碼管；采用變阻器形式的ADC數(shù)據(jù)采集電路；提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘控制電路；4×4鍵盤，可以擴(kuò)展至64鍵，使用

5、芯片SD7218；用PWM控制的蜂鳴器電路，可以發(fā)出不同頻率的聲音；提供具有I/O控制的跑馬燈試驗(yàn)；提供由MAX485控制的RS422和RS485接口電路；提供CAN接口電路，方便組裝現(xiàn)場(chǎng)總線；具有IDE硬盤接口，CF存儲(chǔ)卡接口，SD卡接口和PS2接口；WDT控制電路，提供SPI接口；包含紅外線接口模塊；具有采用擴(kuò)展子板形式的GPRS模塊電路和GPS模塊電路；EMBEST ARM EDVKIT II教學(xué)試驗(yàn)平臺(tái)主要功能模塊如圖2-2。2.3關(guān)鍵器件的選擇與介紹 S3C44B0X處理器    本論文在設(shè)計(jì)中采用的是ARMTDMI核的S3C44BOX處理器。該芯片是1

6、6/32位精簡(jiǎn)指令結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)(RISC)處理器，具有很高的性價(jià)比，目前在市場(chǎng)上占有率很高37。該芯片接口十分豐富，價(jià)格也比較低廉，特別適合做低端路由器等網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。下面介紹一下ARM7TDMI核和該芯片。11(1)ARM7TDMI處理器的簡(jiǎn)介以太網(wǎng)接口LED驅(qū)動(dòng)CAN控制器LED顯示NAND FLASHCF CARD接口PCI接口以太網(wǎng)控制器USB控制器RS232驅(qū)動(dòng)器PS2接口USB控制器UART接口IIS控制器IIS控制器PCDL電源電源開(kāi)關(guān)復(fù)位PLDC試調(diào)口接DEI口接ANC口接BUZZER AIN輸入VGABUFERFS3C44B0X_PACKCDL口接2STP口接CDL口接1TJ

7、GA試調(diào)接口DCA口接PSI口接DSACDR口接盤鍵口接圖2-2 EMBEST ARM EDVKIT II教學(xué)試驗(yàn)平臺(tái)主要功能模塊Figure2-2 Major Function Modules of EMBEST ARM EDVKIT IITeaching&Testing Platform12ARM7TDMI處理器是ARM通用32位微處理器家族成員之一，ARM處理器具有優(yōu)異的性能，但功耗卻很低36。它是基于精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)(RISC)原理而設(shè)計(jì)的。ARM7TDMI處理器使用流水線來(lái)增加處理器指令流的速度，這樣可使幾個(gè)操作同時(shí)進(jìn)行并使處理和存儲(chǔ)器系統(tǒng)連續(xù)操作。流水線使用3個(gè)階段，因此指

8、令分取指，譯碼，執(zhí)行三個(gè)階段執(zhí)行，如圖2-3所示。ARM7TDMI處理器使用馮·諾依曼(Von Neumann)結(jié)構(gòu)，指令和數(shù)據(jù)共用32位總線，只有裝載存儲(chǔ)和交換指令可以對(duì)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)38。ARM7TDMI處理器有兩個(gè)指令集：32位ARM指令集和16位Thumb指令集。Thumb指令集是最通用的ARM指令的子集，Thumb指令長(zhǎng)度為16位，每條指令都對(duì)應(yīng)一條32位ARM指令。Thumb指令使用標(biāo)準(zhǔn)的ARM寄存器配置進(jìn)行操作，這樣，ARM和Thumb狀態(tài)之間具有極好的互用性。在執(zhí)行方面，Thumb具有32位內(nèi)核所有的優(yōu)點(diǎn)：32位地址空間，32位寄存器，32位移位器和算術(shù)邏輯單

9、元(ALU),32位存儲(chǔ)傳輸。(2)S3C44BOX結(jié)構(gòu)介紹S3C44BOX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。它提供了豐富的內(nèi)置模塊，包括8KB高性能緩存，LCD控制器，2通道UART，4通道DMA，系統(tǒng)管理器(片選邏輯，F(xiàn)P/EDO/SDRAM控制器)，帶PWM功能的5通道定時(shí)器，8通道10位ADC，IIC總線控制器，IIS總線控制器，SIO接口和PLL倍頻器38,39。S3C44BOX采用了0.25m工藝的CMOS標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲(chǔ)編譯器。適用于低成本和低功耗應(yīng)用。它的內(nèi)核是由ARM公司設(shè)計(jì)的ARM7TDMI,主頻66MHZ。S3C44BOX具有多個(gè)通用的片上

10、外設(shè)，可以大大減少芯片外圍的元器件，從而使系統(tǒng)簡(jiǎn)化。這些片內(nèi)模塊包括：2.5V ARM7TDMI核，帶8KB高速緩存、外部存儲(chǔ)器控制器、LCD控制器、2通道通用DMA、2通道外設(shè)DMA、2通道UART、1通道SIO、1通道多主IIC總線控制器、1通道IIS總線控制器、5個(gè)PWM定時(shí)器和1通道內(nèi)部定時(shí)器、看門狗定時(shí)器、71個(gè)通用IO圖2-3指令流水線執(zhí)行PC-8 PC-4從寄存器組中讀出寄存器執(zhí)行器和ALU操作寄存器寫回到寄存器組PC-4 PC-2譯碼對(duì)指令使用的寄存器進(jìn)行譯碼PC PC取指指令從存儲(chǔ)器中取出ARMThumbFigure2-3 Instruction Streaming Line

11、13口/8通道內(nèi)部定時(shí)器、8通道10位ADC、具有日歷功能的RTC和帶PLL的片上時(shí)鐘發(fā)生器40。以太網(wǎng)接口電路    S3C44B0、S3C2410等CPU本身并沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)接口，但是，通過(guò)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)接口的模式，提供了一個(gè)cs8900a10MB的網(wǎng)絡(luò)接口。為兼容其它CPU型號(hào)，主板上還設(shè)計(jì)了一個(gè)與MII接口對(duì)接的網(wǎng)絡(luò)芯片RTL8201，為10/100MB兼容。本實(shí)驗(yàn)采用板上的CS8900A芯片。以太網(wǎng)接口CS8900A芯片是由美國(guó)CIRRUSLOGIC公司生產(chǎn)的以太網(wǎng)控制器，由于其優(yōu)良的性能，低功耗及低廉的價(jià)格，使其在市場(chǎng)上10Mbps嵌入式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中占有相當(dāng)?shù)谋壤?/p>

12、CS8900A主要性能41為：(1)符合Ethernet II與IEEE802.(10Base5、10Base2、10BaseT)標(biāo)準(zhǔn)；(2)全雙工，收發(fā)可同時(shí)達(dá)到10Mbps的速率；(3)內(nèi)置SRAM，用于收發(fā)緩沖，降低對(duì)主處理器的速度要求；(4)支持16位數(shù)據(jù)總線，4個(gè)中斷申請(qǐng)線以及三個(gè)DMA請(qǐng)求線；(5)8個(gè)I/O基地址，16位內(nèi)部寄存器，I/O BaseMemory Map方式訪問(wèn)；(6)支持UTP、AUI、BNC自動(dòng)檢測(cè)，還支持對(duì)10BaseT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的自動(dòng)極性修正；(7)LED指示網(wǎng)絡(luò)激活和連接狀態(tài)；(8)100腳的LQFP封裝，縮小了PCB。CS8900A的連接電路圖412-4所

13、示。14 專用電能芯片CS5460A介紹    單相雙向功率/能量芯片CS5460A是美國(guó)Cirrus Logic公司研制生產(chǎn)的片上電表芯片，帶有四線串行接口，與處理器接口簡(jiǎn)單。利用該芯片作為采集電能量的核心器件將提高數(shù)據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確性，同時(shí)也簡(jiǎn)化了測(cè)量?jī)x器硬件電路。CS5460A是具有能量計(jì)算引擎的CMOS單片功率測(cè)量芯片。CS5460A包含了一個(gè)增益可編程放大器、兩個(gè)S調(diào)制器、兩個(gè)高速濾波器、系統(tǒng)校準(zhǔn)和功率計(jì)算功能模塊，用來(lái)計(jì)算電能、IRMS、VRMS和瞬時(shí)功率。CS5460A是一塊高度集成的S模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。CS5460A把2個(gè)SADC、高速功率計(jì)算功能

14、和串行接口組合在一塊芯片上。CS546()A可以使用低成本的分流器或互感器測(cè)量電流，使用分壓電阻或變壓器測(cè)量電壓。CS546DA具有與微控制器通信的雙向串口和與能量成正比的頻率可編程的脈沖輸出。CS5460A具有方便的片上AC/DC系統(tǒng)校準(zhǔn)功能。CS546()A的主要特性有：(l)電能數(shù)據(jù)線性度高，在1000：1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)線性度為0.1%；圖2-4 CS8900A的連接電路圖Figure2-4 Connection Circuit of CS8900A15(2)集成片上功能，可以計(jì)算電能、瞬時(shí)功率、IRMS和VRMS；(3)符合IEC68711036規(guī)范；(4)具有AC和DC系統(tǒng)校準(zhǔn)，相位補(bǔ)償功能；(5