第五章 嵌入式系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計( 第1次課)

1、5C H A P T E R嵌入式系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計5.2 LPC2214綜述5.1嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計5.3 LPC2214存儲器尋址5.4 LPC2214系統(tǒng)控制模塊5.5 LPC2214引腳連接模塊5.6 LPC2214外部存儲器控制器5.7 LPC2214通用I/O模塊5.8 LPC2214向量中斷控制器5.9 LPC2214定時器模塊5.10 LPC2214 A/D轉(zhuǎn)換模塊5.11 LPC2214看門狗定時器 內(nèi)容組織一、嵌入式系統(tǒng)的軟硬件框架5.1 嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計嵌入式微處理器SDRAMROMI/OA/DD/A人機(jī)交互接口通用接口實時操作系統(tǒng)(RTOS)圖形用戶接口BSP/

2、HAL 板極支持包/硬件抽象層文件系統(tǒng)應(yīng)用程序嵌入式系統(tǒng)硬件層OS層驅(qū)動層應(yīng)用層軟件硬件串口、并口、USB、以太網(wǎng)等LED、LCD、觸摸屏、鼠標(biāo)、鍵盤等Linux、uCLinux、uC/OS-II等二、嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)步驟三、嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)步驟系統(tǒng)需求分析：確定設(shè)計任務(wù)和目標(biāo)，并提煉出設(shè)計規(guī)格說明書，作為正式設(shè)計指導(dǎo)和驗收的標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)的需求一般分功能性需求和非功能性需求兩方面。功能性需求是系統(tǒng)的基本功能，如輸入輸出信號、操作方式等；非功能需求包括系統(tǒng)性能、成本、功耗、體積、重量等因素。體系結(jié)構(gòu)設(shè)計：描述系統(tǒng)如何實現(xiàn)所述的功能和非功能需求，包括對硬件、軟件和執(zhí)行裝置的功能劃分以及系統(tǒng)的軟件、硬

3、件選型等。一個好的體系結(jié)構(gòu)是設(shè)計成功與否的關(guān)鍵。硬件/軟件協(xié)同設(shè)計：基于體系結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)的軟件、硬件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。為了縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，設(shè)計往往是并行的。系統(tǒng)集成：把系統(tǒng)的軟件、硬件和執(zhí)行裝置集成在一起，進(jìn)行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)單元設(shè)計過程中的錯誤。系統(tǒng)測試：對設(shè)計好的系統(tǒng)進(jìn)行測試，看其是否滿足規(guī)格說明書中給定的功能要求。例：工業(yè)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控和管理系統(tǒng)工業(yè)數(shù)據(jù)的采集，監(jiān)控，管理系統(tǒng)。用戶可以在工業(yè)現(xiàn)場和遠(yuǎn)程對數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控與對工業(yè)設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場和遠(yuǎn)程控制。良好的人機(jī)交互界面?；诙喾N通信鏈路。工業(yè)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控和管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊 Data Acquisition - DAQ控制模塊 Control

4、System 系統(tǒng)管理模塊 System Management System - SYSM用戶接口模塊 User Interface - UI數(shù)據(jù)采集模塊 DAQ傳感器 采集待監(jiān)控物理量。熱電偶、力傳感器、加速度計、線性差動變壓器。測量溫度、機(jī)械應(yīng)力、加速度以及位移。信號處理階段。信號放大、縮小、過濾及隔離處理。數(shù)據(jù)采樣、存儲以及分析。結(jié)果上報，異常報警。接收SYSM發(fā)送的命令，包括取樣率、分析參數(shù)等命令，并執(zhí)行。數(shù)據(jù)采集模塊 DAQ中型嵌入式系統(tǒng)。對時間有嚴(yán)格的要求，需要使用搶占式系統(tǒng)內(nèi)核。通過Ethernet或其他工業(yè)級聯(lián)網(wǎng)接口，如：RS485、DeviceNet、ARCnet、Modbu

5、s、Profibus或Interbus。使用CompactFlash或固有的flash設(shè)備引導(dǎo)，使用RAM磁盤或CRAMFS存儲數(shù)據(jù)。使用固定IP地址。 控制模塊 Control將SYSM發(fā)送的命令送達(dá)控制的硬件，并監(jiān)控硬件對命令的反應(yīng)。向SYSM報告目前硬件的工作狀態(tài)。中型嵌入式系統(tǒng)具有可以控制硬件的接口。從CompactFlash或CFI Flash設(shè)備引導(dǎo)，使用RAM磁盤或CRAMFS存儲數(shù)據(jù)。對時間有嚴(yán)格的要求，需要使用搶占式系統(tǒng)內(nèi)核。具有固定IP地址。系統(tǒng)管理模塊 SYSM整個系統(tǒng)的控制管理中心。在A鏈路上，SYSM模塊從DAQ模塊取回數(shù)據(jù)，存儲全部或部分?jǐn)?shù)據(jù)。對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

6、根據(jù)分析的結(jié)果和過程控制的現(xiàn)行狀態(tài)，對控制模塊下達(dá)控制命令。在B鏈路上，提供DHCP服務(wù)，讓各個UI模塊啟動時可以申請到IP地址；將適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)送至UI模塊以便顯示，接收UI模塊的控制命令，命令分為兩類：一類控制SYSM自己，比如發(fā)送或停止發(fā)送特定的數(shù)據(jù)給UI。另一類控制數(shù)據(jù)采集或控制模塊。SYSM解析并轉(zhuǎn)發(fā)這類命令給相應(yīng)的目標(biāo)。 對外部網(wǎng)絡(luò)提供HTTPS和SSH服務(wù)。HTTPS服務(wù)讓外部且經(jīng)過認(rèn)證的用戶通過網(wǎng)頁及表單，設(shè)定或監(jiān)控整個系統(tǒng)。SSH服務(wù)讓維護(hù)人員能夠從遠(yuǎn)程登陸系統(tǒng)進(jìn)行問題排除以及升級，可以同時降低設(shè)備制造商和客戶的維護(hù)費用。系統(tǒng)管理模塊 SYSM大型嵌入式系統(tǒng)。具有三個網(wǎng)絡(luò)接口：一

7、個用在DAQ和控制模塊上，即控制鏈路A；一個用在用戶接口上，即控制鏈路B；一個用在外部網(wǎng)絡(luò)上。使用硬盤引導(dǎo)，并且具有傳統(tǒng)工作站或服務(wù)器全部的特性，包括交換的功能。對時間有嚴(yán)格的要求，需要使用搶占式系統(tǒng)內(nèi)核。外部訪問需要加密和認(rèn)證，可以考慮使用SSL/TLS協(xié)議。具有固定IP地址。用戶接口模塊 UI通過SYSM定時或非定時取回感興趣的數(shù)據(jù)。如果收到緊急事件會立刻顯示。發(fā)送用戶的控制命令給SYSM。小型嵌入式系統(tǒng)。通過flash設(shè)備引導(dǎo)或通過網(wǎng)絡(luò)引導(dǎo)。地址動態(tài)通過DHCP協(xié)議獲得。需要經(jīng)過認(rèn)證UI才能注冊到SYSM中。嵌入式微處理器SDRAMROMI/OA/DD/A人機(jī)交互接口通用接口實時操作系統(tǒng)

8、(RTOS)圖形用戶接口BSP/HAL 板極支持包/硬件抽象層文件系統(tǒng)應(yīng)用程序嵌入式系統(tǒng)硬件層OS層驅(qū)動層應(yīng)用層軟件硬件5.2 LPC2214綜述基于16/32位ARM7TDMI-S微控制器，LQPF144封裝。256K字節(jié)的FLASH和16K字節(jié)的SRAM，獨特的加速模塊可實現(xiàn)高達(dá)60MHz的時鐘頻率。固化在芯片內(nèi)的BootLoader程序可實現(xiàn)在系統(tǒng)編程（ISP）和在應(yīng)用編程（IAP），F(xiàn)lash編程可實現(xiàn)512字節(jié)/ms，整片擦除只需0.4s。Embedded ICE-RT可實現(xiàn)斷點和觀察點。當(dāng)使用片內(nèi)Real Monitor軟件對前臺任務(wù)進(jìn)行調(diào)試時，中斷服務(wù)程序可繼續(xù)運行。8路10位A

9、/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間低至2.44微秒。一、芯片特性2個32位定時器（各帶4路捕獲通道和4路比較通道），6路PWM輸出，實時時鐘和看門狗定時器?？膳渲脙?yōu)先級和向量地址的向量中斷控制器，最多可有32個中斷源。多個串行接口，包括2個UART、快速I2C接口和2個SPI接口。多達(dá)112個可承受5V電壓的通用I/O口，且有4個可邊沿觸發(fā)或電平觸發(fā)的外部中斷引腳。片內(nèi)晶體振蕩器頻率為130MHz，并內(nèi)嵌可編程鎖相環(huán)PLL。通過外部存儲器接口可外部擴(kuò)展4個存儲器組，每個存儲器組可訪問16M字節(jié)空間，數(shù)據(jù)總線寬度可編程選擇為8位、16位或32位。具有2個低功耗模式：空閑模式和掉電模式?？赏ㄟ^外部中斷將處理器從

10、掉電模式中喚醒。雙電源供電： -CPU操作電壓范圍：1.65V1.95V； -I/O操作電壓范圍：3.0V3.6V。二、結(jié)構(gòu)框圖VPB外設(shè) AHB外設(shè) 小端模式 ARM7局部總線AMBA高性能總線（AHB）VLSI外設(shè)總線（VPB，ARM AMBA總線的兼容集） LPC2214具有144個引腳，其中電源引腳占28個、1個外部復(fù)位引腳、2個晶振的輸入輸出引腳、112可多功能復(fù)用引腳和1個暫時不用的引腳。三、引腳說明P0口：P0口是一個32位雙向I/O口，每位的方向可單獨控制，功能取決于管腳連接模塊的管腳功能選擇。P0.26和P0.31未用。P0.042OTxD0UART0發(fā)送輸出端OPWM1脈寬

11、調(diào)制器輸出1P0.149IRxD0UART0接收輸入端OPWM3脈寬調(diào)制器輸出3IEINT0外部中斷0輸入P2口：P2口是一個32位雙向I/O口，每位的方向可單獨控制，功能取決于管腳連接模塊的管腳功能選擇。 一般用作外部擴(kuò)展存儲器用的數(shù)據(jù)總線。P3口：P3口是一個32位雙向I/O口，每位的方向可單獨控制，功能取決于管腳連接模塊的管腳功能選擇。 一般用作外部擴(kuò)展存儲器用的地址總線及片選信號等。其他引腳：電源引腳、晶振引腳、復(fù)位引腳。P1口：P1口是一個32位雙向I/O口，每位的方向可單獨控制，功能取決于管腳連接模塊的管腳功能選擇。P1.2P1.15未用。 5.3 LPC2214存儲器尋址LPC2

12、214具有256K字節(jié)的FLASH、16K字節(jié)的SRAM、VPB外設(shè)和AHB外設(shè)，并且可通過外部存儲器控制器擴(kuò)展4個16M字節(jié)空間的存儲器組，那么這些存儲器或者片內(nèi)外設(shè)的地址映射究竟是怎樣的呢？ 1、存儲器映射16KB的片內(nèi)SRAM，可用作代碼和/或數(shù)據(jù)的存儲，可讀可寫，支持8位、16位和32位訪問。256KB的片內(nèi)Flash，可用于代碼和數(shù)據(jù)的存儲，可采用以下幾種方法對其編程：通過內(nèi)置的JTAG口、通過在系統(tǒng)編程或通過在應(yīng)用編程?？赏ㄟ^外部存儲器控制器對外部存儲器進(jìn)行擴(kuò)展，以存放用戶代碼和/或數(shù)據(jù)，總線寬度可編程設(shè)定為8位、16位和32位。AHB外設(shè)：向量中斷控制器和外部存儲器控制器VPB外

13、設(shè)：系統(tǒng)控制模塊、A/D模塊、引腳連接模塊等。二、異常向量表完整的嵌入式系統(tǒng)必須具備異常處理能力。當(dāng)異常產(chǎn)生時，微控制器在硬件驅(qū)動機(jī)制下跳轉(zhuǎn)到預(yù)先設(shè)定的存儲器單元中，取出相應(yīng)的異常處理程序的入口地址，并根據(jù)該入口地址進(jìn)入異常處理程序。這個保存有異常處理程序入口地址的存儲器單元就是通常所說的“異常入口”，單片機(jī)系統(tǒng)中也叫“中斷入口”。實際的嵌入式系統(tǒng)有多種類型的異常，CPU設(shè)計人員為了簡化芯片設(shè)計，一般將所有的異常入口集中起來置于非易失性存儲器中，并在系統(tǒng)上電時映射到一個固定的連續(xù)地址空間上。位于這個地址空間上的異常入口集合就是“異常向量表”。異常入口地址異常類型0 x00000000復(fù)位0 x

14、00000004未定義指令0 x00000008軟件中斷0 x0000000C預(yù)取指中止（從存儲器取指出錯）0 x00000010數(shù)據(jù)中止（數(shù)據(jù)訪問存儲器出錯）0 x00000014保留0 x00000018IRQ0 x0000001CFIQLPC2214是一款基于ARM7的微控制器，其異常向量表位置為：0 x00000000 0 x0000001C。 EXPORT Vectors CODE32 AREA StartUp,CODE,READONLY ENTRYVectors LDR PC, ResetAddr LDR PC, UndefinedAddr LDR PC, SWI_Addr LDR

15、 PC, PrefetchAddr LDR PC, DataAbortAddr DCD 0 xb9205f80 LDR PC, PC, #-0 xff0 LDR PC, FIQ_AddrResetAddr DCD ResetUndefinedAddr DCD UndefinedSWI_Addr DCD SoftwareInterruptPrefetchAddr DCD PrefetchAbortDataAbortAddr DCD DataAbortnouse DCD 0IRQ_Addr DCD IRQ_HandlerFIQ_Addr DCD FIQ_HandlerEND異常向量表：三、Boot

16、 Loader 程序 Boot裝載程序完成芯片復(fù)位后的初始化操作，并提供實現(xiàn)Flash編程的方法，它存儲于目標(biāo)平臺的非易失性存儲器中。Boot裝載程序可啟動對空片的編程、已編程器件的擦除和再編程（在系統(tǒng)編程ISP），以及在運行的系統(tǒng)中由應(yīng)用程序?qū)lash進(jìn)行編程（在應(yīng)用編程IAP）。但從用戶角度來看，Boot裝載程序就是用來加載用戶程序或操作系統(tǒng)。LPC2214在芯片出廠前，已往片內(nèi)FLASH的頂端固化了Boot裝載程序和64字節(jié)的異常向量表，其大小為8KB，地址范圍為：0 x0003E0000 x0003FFFF。為方便討論，我們稱這部分Flash塊為Boot Block。 LPC2214

17、 BootLoader實現(xiàn)的功能：四、存儲器重映射 代碼可能運行的空間：Boot Block、片內(nèi)Flash、片內(nèi)RAM（可動態(tài)的修改異常向量表）和片外存儲器。為了實現(xiàn)在不同的模式下都可以處理異常，需要對位于異常向量表和額外的32個字節(jié)進(jìn)行重新映射，將地址范圍0 x000000000 x0000003F重新映射到對應(yīng)的物理存儲器塊。整個Boot Block已由廠家固化到片內(nèi)Flash頂端的8K字節(jié)，為了與將來的器件兼容，這個Boot Block需要被重新映射到片內(nèi)存儲器的頂端（系統(tǒng)復(fù)位后由處理的內(nèi)部硬件邏輯執(zhí)行完成）。已重映射區(qū)域和可重映射區(qū)域的片內(nèi)存儲器空間 34五、存儲器映射控制 存儲器映

18、射控制用于改變起始于地址0 x00000000的異常向量表的映射，以允許運行在不同的存儲器塊的代碼對異常的控制。在LPC2214存儲器映射控制寄存器（MEMMAP）控制著存儲器的映射。存儲器映射控制寄存器（MEMMAP0 xE01FC040，R/W） MEMMAP選擇從片內(nèi)Flash、Boot Block、外部存儲器或片內(nèi)RAM中映射異常向量表，低2位有效，高6位保留，屬性為可讀可寫。MEMMAP功能描述復(fù)位值1:0MAP1:000：Boot裝載程序模式。中斷向量從Boot Block重新映射； 01：用戶Flash模式。中斷向量不重新映射，位于片內(nèi)Flash中；10：用戶RAM模式。中斷向量

19、從片內(nèi)靜態(tài)RAM重新映射； 11：用戶外部存儲器模式。中斷向量從外部存儲器重新映射。07:2保留不可軟件寫入0，讀出值未定義未定義在LPC2214中BOOT1：0引腳控制著系統(tǒng)的引導(dǎo)。程序一般都是存放在低速的非易失性存儲器當(dāng)中。對由LPC2214構(gòu)成的系統(tǒng)，由于LPC2214具有外部存儲器接口，那么就有可能從片內(nèi)Flash中引導(dǎo)程序執(zhí)行，或者從片外的存儲器中引導(dǎo)執(zhí)行。當(dāng) 為低電平期間，通過合理的設(shè)置BOOT1：0引腳的電平就可以選擇正確的引導(dǎo)方式。BOOT1BOOT0MAP1：0引導(dǎo)方式0011由CS0控制的8位存儲器0111由CS0控制的16位存儲器1011由CS0控制的32位存儲器1101