ARM9微控制器的软硬件平台设计

嵌入式应用系统设计包括硬件平台和软件平台两部分。前者是以嵌入式微控制器/微处理器为核心的硬件系统；后者则是围绕嵌入式操作系统构建的软件系统。两者在设计上是密不可分的，并且需要在设计之间进行权衡优化，根据实际应用进行外扩和裁剪。       

       基于ARM926EJS内核的LPC3180内部集成了丰富的外设资源，为嵌入式系统构建提供了很大的设计空间。本文结合笔者开发LPC3180嵌入式平台的实际经验，将具体介绍该系统的实现、结构组成和实验结果。       

       1  LPC3180芯片特性介绍      
       LPC3180是Philips公司新推出的一款ARM9微控制器。它采用90nm工艺技术，片内集成ARM9EJS处理器内核，具有高计算性能、低功耗的特性，这使得在很多对功耗敏感的嵌入式应用场合中仍能使用高性能的ARM9微控制器。LPC3180内核正常工作电压为1.2V，在低功耗模式下可降至 0.9 V；同时，LPC3180作为一款新型的32位微控制器，其新特性还包括： 

       ◆  片内集成向量浮点(VFP)协处理器。LPC3180的浮点运算单元有3条独立的流水线，支持并行单精度或双精度浮点加/减、乘/除以及乘累积运算，完全兼容IEEE754标准，适用于高速浮点运算场合。 

       ◆ 片内集成USB OTG控制模块，同时支持与便携USB主设备或USB外设相连，可用于与PDA、读卡器和打印机等设备直接相连，而无需PC机介入。 

       ◆ LPC3180采用多层的AHB总线系统，为各个主模块提供独立的总线，包括CPU的指令总线和数据总线、2套DMA控制器数据总线以及1套USB控制器数据总线。       　　    

       LPC3180的内部架构如图1所示。         　　   

                                                                 图1  LPC3180内部架构

       LPC3180的其他特性包括： 内部集成MLC/SLCNAND控制器、SDR/DDR SDRAM控制器、SD 卡接口，UART、SPI、I2C外围通信模块，以及高速/毫秒定时器、RTC、看门狗定时器、10位ADC等其他功能模块。       

       2  硬件平台设计      

          以LPC3180为核心的硬件平台设计框架如图2所示。         

                                                       图2  LPC3180硬件平台设计框图

       （1） 存储器系统 

       NAND Flash存储器。通过LPC3180内部集成的MLC/SLC NAND控制器直接外接多级或单级 NAND Flash器件。本系统选用ST NAND256R3A，其32 MB存储空间可满足存放系统引导程序、嵌入式操作系统内核和文件系统的大小要求。 

       SDRAM存储器。系统选用2片16位MICRON SDRAM，并联构建32位SDRAM存储器系统。 32 MB SDRAM空间，可满足嵌入式操作系统以及上层应用程序的运行要求。       　　

       SD卡插槽。系统通过LPC3180内部集成的SD卡接口，提供SD卡插槽，可用于SD存储卡外扩，作为外部存储空间。       

       （2）  外围通信接口 

       UART接口。LPC3180内部集成了标准UART模块和高速UART模块，符合550工业标准。系统外扩了UART1/7、UART2和UART5，用于实现基本的串行通信功能；同时，UART5可用于系统启动时的外部程序下载。       　　

       USB接口。LPC3180内部集成了USB host、USB device以及 USB OTG控制器，通过外部USB收发模块Philips ISP1301外扩 USB host接口A、USB device接口B以及USB OTG接口 AB。       

       （3）  其他外围模块      

       系统通过I2C接口外扩了一个简易的字符型LCD显示模块，用于应用程序运行结果显示；同时，为了简化硬件系统设计，系统的以太网模块通过 USB host接口A以软件方式实现外扩。       

       3  系统关键模块设计       

       3.1  NAND Flash存储器模块     

       LPC3180内部集成了MLC/SLC NAND控制器，通过外部引脚可直接外接多级或单级NAND Flash 器件，如图3所示。需要注意的是MLC和SLC NAND控制器通过引脚复用，使用相同的接口与 NAND Flash相连，且同一时刻只允许开启其中一个控制器，因此在系统上电后必须通过配置FLASH_CTRL寄存器选择要使用的NAND控制器。在闲置状态时，也可通过写寄存器关闭NAND控制器，以降低功耗。NAND Flash存储器模块是整个系统主要的静态数据存储空间，用于存储系统启动过程中的加载程序，因此在LPC3180系统设计中是必不可少的。

                                                         图3  NAND Flash接口连接图       

       3.2  USB接口模块     

       LPC3180内部集成USB控制模块，但不包括USB物理层，系统通过外接USB收发模块ISP1301实现USB的物理层接口。图4是USB接口连接图。LPC3180内部通过AHB从设备总线配置USB控制器，可工作在全速(12 Mb/s)和低速 (1.5 Mb/s)两种模式下。

                                                              图4  USB接口连接图       

       4  软件系统设计     

       软件系统组成包括系统引导程序Bootloader，嵌入式操作系统以及上层应用程序。其中Bootloader是运行于操作系统之前的引导程序，主要任务是完成系统启动之前必要的硬件初始化和操作系统加载；操作系统是整个嵌入式平台的核心程序，主要功能是高效地管理和分配底层硬件资源，并为上层应用程序提供与硬件细节无关的系统调用接口。       　　    

       软件系统设计必须与硬件平台紧密结合。LPC3180采用NAND Flash作为整个系统的程序存储区域，在系统启动时通过片上 ROM的bootstrap程序,从NAND Flash加载并执行外部引导程序来实现整个系统的启动步骤。因此，整个软件系统采取了图5所示的设计结构。

                                                    图5  软件系统结构框图                                                         

       （1）  系统引导程序 Bootloader     

       由于启动过程首先从片内的bootstrap程序开始，因此系统采取二级Bootloader设计，包括第一级Sibl和第二级 U?boot。    

       其中Sibl是bootstrap加载并执行的第一个引导程序，在程序大小上受到bootstrap加载的限制，因此设计上尽量做到了小型化和功能专一。它除了完成最基本的硬件初始化以外，主要功能是实现其他程序(包括U?boot)从NAND Flash的加载，完成下一级Bootloader运行之前的内存地址空间分布。      　　    

       第二级Bootloader采用功能强大的sourceforge开源软件U?boot。U?boot的主要功能是完成嵌入式操作系统启动前的底层硬件初始化，并为Linux内核提供启动参数，最终引导操作系统Linux内核启动。另外,为了实现程序镜像文件编程写入 NAND Flash，U?boot嵌入了一个NAND子系统，通过U?boot的用户命令行实现对NAND Flash的读/写操作，可将程序镜像写入NAND Flash指定的地址空间。     

       （2）  嵌入式操作系统     

       LPC3180内部集成了ARM926EJS处理器内核，带存储器管理单元MMU，支持多数主流嵌入式操作系统。系统通过编写板级支持代码，移植了 Linux2.6.10作为平台操作系统，利用稳定的Linux2.6内核实现任务调度、进程管理、内存管理等功能，同时，针对Linux的可配置性，对内核进行裁剪和硬件驱动代码添加，系统实现了一个小型但功能强大的内核程序，适应了嵌入式系统存储资源相对紧缺的状况。     

       5  系统启动流程分析   

       由上面的软件结构组成分析可知，整个系统启动流程分为3个步骤：      　　

       ①  系统上电后，首先从片上ROM固化的bootstrap程序执行。bootstrap用于完成外部引导程序下载并跳入执行。bootstrap运行过程首先读输入引脚GPIO_01。如果GPIO_01置为高，则从NAND Flash下载程序引导系统启动；如果置为低，则依次检测USB接口和UART5接口，通过外部连接下载引导程序。系统通过设置GPIO_IO跳线来控制 bootstrap启动过程，本例将GPIO_01置为高，从NAND Flash下载程序。      　　

       ②  系统启动的第二阶段是运行bootstrap下载的引导程序Sibl。Sibl完成系统必要的初始化后，从NAND Flash加载镜像程序到指定的SDRAM空间。镜像程序在起始位置添加了64字节的头信息，用于Sibl识别和加载，头信息数据结构如下：

      　　   

       Sibl从NAND Flash起始地址开始搜索。如果读到镜像同步字ih_magic，则识别镜像程序，并根据偏移地址读取程序大小ih_size和加载地址 ih_load，将程序加载到指定的SDRAM空间；加载完成后根据CRC校验码ih_dcrc对SDRAM数据进行CRC检测；最后根据镜像类型 ih_type判断镜像是否可执行，若可执行，则跳入镜像入口地址ih_ep，否则Sibl继续搜索NAND Flash镜像程序。      　　   

       镜像程序使用U-boot提供的工具mkimage添加头信息，命令格式如下：  

       mkimage-A arch-O os-T type-C comp-a addr-e ep-n name-d data_file image        　　

       ③   完成Sibl加载后，内存空间分布如图6所示，系统进入启动流程的第三阶段U- boot。U-boot完成Linux内核镜像的解压缩和操作系统启动前的初始化，最终跳入内核入口地址，完成对Linux的引导。

                                                   图6  系统启动过程内存空间分布图

       6  系统性能分析     

       系统构建提供了一个完整的LPC3180嵌入式软硬件平台，下面对LPC3180浮点运算能力进行测试和分析。测试方法是使用一个浮点运算密集的算法，用 ADS编译器分别编译使能硬件VFP和软浮点运算两个版本的测试程序，并在不同的CPU时钟频率下比较运行时间，结果如表1所列。    

       分析实验数据，可以得出结论：VFP协处理器在相同时钟频率下，提高了5倍左右的浮点运算性能。因此，LPC3180平台结合VFP协处理器，能够实现复杂的浮点运算密集算法。在微控制器中集成硬件浮点运算单元，这使得微控制器的数据处理能力大大提高，能够胜任多数的数字信号处理应用。      

       结语       

       本文介绍了以LPC3180微控制器为核心的嵌入式软硬件平台的设计与实现，并测试、验证了LPC3180的浮点运算性能。该平台对于LPC3180的应用开发具有借鉴意义。目前LPC3180在医疗器械、工业控制、POS机、数字信号处理等领域有着广泛的应用。       



参考文献：
[1]  LPC3180 User& nbsp;Manual. http://standardics.philips.com. 
[2]  ISP1301 User Manual. http://semiconductors.philips.com.