基于MC9328MX1嵌入式最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引言

    嵌入式系統(tǒng)是以實(shí)際應(yīng)用為核心，對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，隨著嵌入式系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)功能越來越強(qiáng)，應(yīng)用接口更加豐富，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要設(shè)計(jì)出特定的嵌入式最小系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)，是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)具備的能力，由于ARM嵌入式體系的結(jié)構(gòu)的一致性以及外圍電路的通用性，采用ARM內(nèi)核的嵌入式最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)方法基本相同，本文基于MC9328MX1芯片介紹ARM嵌入式最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法。

1 MC9328MX1概述

    MC9328MX1是Motorola公司基于ARM920T的龍珠（Dragon Ball）MX1處理器，MC9328MX1內(nèi)含ARM公司設(shè)計(jì)的16/32bit ARM920T微處理器內(nèi)核，采用RISC架構(gòu)的ARM微處理器具有體積小、功耗低、性價(jià)比高的特點(diǎn)，主要應(yīng)用于高級信息處理設(shè)備、智能電話、網(wǎng)頁瀏覽器、數(shù)字多媒體播放器、基于流行的Palm OS操作平臺的手提計(jì)算機(jī)和無線通信發(fā)射、接收設(shè)備等。

    MC9328MX1的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    MC9328MX1的體系結(jié)構(gòu)如下：全16/32bit RISC架構(gòu)，內(nèi)含效率高、功耗強(qiáng)大的ARM920T的處理器核，支持16bit Thumb和32bit ARM指令集的高性能RISC引擎，支持大、小端模式，內(nèi)部架構(gòu)為大端模式，外部存儲(chǔ)器可分為大、小端模式，基于JTAG接口的方案，邊界掃描接口，用于嵌入式多媒體應(yīng)用集成系統(tǒng)。

    MC9328MX1的系統(tǒng)關(guān)系特性為：一體化的16KB指令Cache及16KB數(shù)據(jù)Cache，支持虛擬地址轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)器管理單元（VMMU），支持ROM/SRAM、Flash存儲(chǔ)器、DRAM和外部I/O以8/16/32bit的方式操作，支持EDO/常規(guī)或SDRAM存儲(chǔ)器，使用ARM先進(jìn)的微控制器總線結(jié)構(gòu)（AMBA），即SoC多主總線接口，利用精簡先進(jìn)的高性能總線（R-AHB）與速度較慢的片上外圍設(shè)備進(jìn)行通信，可同時(shí)連接15個(gè)外部設(shè)備。

    盡管嵌入式處理器芯片種類多，引腳繁雜，但根據(jù)它們各自的功能特點(diǎn)，因該分布是有規(guī)律的，在嵌入式最小硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要注意區(qū)分處理器芯片引腳的類型，仔細(xì)分析研究關(guān)鍵引腳作用，才能保障最小系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

    MC9328MX1采用MAPBGA封裝，共有256引腳，MC9328MX1的引腳可分為電源、接地、輸入（I）、輸出（O）、輸入/輸出（I/O）5類。除了電源和接地線有近40根，以及地址總線，數(shù)據(jù)總線和通用I/O接口端，專用模塊SPI、UART、I2C、LCD等接口，需要認(rèn)真仔細(xì)研究的引腳不是很多，電源和接地端是保障系統(tǒng)正常工作最基本的條件之一，輸入類型的有些引腳在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須認(rèn)真仔細(xì)對待，因?yàn)橛行╇娖叫盘栔苯佑绊懙組C9328MX1的正常工作，輸出類型的引腳主要用于對外設(shè)的控制或通信，由MC9328MX1主動(dòng)發(fā)出，對MC9328MX1自身的運(yùn)行不會(huì)有太大的影響，輸入/輸出類型引腳是MC9328MX1與外設(shè)的雙向數(shù)據(jù)傳輸通道。

2 嵌入式最小系統(tǒng)

    以ARM內(nèi)核嵌入式微處理器為中心，具有完全相配接的Flash電路、SDRAM電路、JTAG電路、電源電路、晶振電路、復(fù)位信號電路和系統(tǒng)總線擴(kuò)展等，保證嵌入式微處理器正常運(yùn)行的系統(tǒng)，可稱為嵌入式最小系統(tǒng)。

    嵌入式最小系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

    嵌入式最小系統(tǒng)硬件功能如下：

    微處理器：MC9328MX1是系統(tǒng)工作和控制中心；

    電源電路：為MC9328MX1核心部分提供所需的1.80V工作電壓，為部分外圍芯片提供3.0V的工作電壓；

    晶振電路：為微處理器及其他電路提供工作時(shí)鐘，及系統(tǒng)中MC9328MX1芯片使用32KHz或32.768KHz無源晶振；

    Flash存儲(chǔ)器：存放嵌入式操作系統(tǒng)、用戶應(yīng)用程序或者其他在系統(tǒng)掉電后需要保存的用戶數(shù)據(jù)等；

    SDRAM：作為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的主要區(qū)域，系統(tǒng)及用戶數(shù)據(jù)、堆棧均位于該存儲(chǔ)器中；

    串行接口：用于MX1系統(tǒng)與其他應(yīng)用系統(tǒng)的短距離雙向串行通信；

    JTAG接口：對芯片內(nèi)部所有部件進(jìn)行訪問，通過該接口對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試、編程等；

    系統(tǒng)總線擴(kuò)展：引出地址總線、數(shù)據(jù)總線和必須的控制總線，便于用戶根據(jù)自身的特定需求，擴(kuò)展外圍電路。

3 最小系統(tǒng)硬件的選擇和單元電路的設(shè)計(jì)

3.1 電源電路設(shè)計(jì)

    電源電路是整個(gè)系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)的電源電路必須滿足系統(tǒng)對該電路性能指標(biāo)的要求。MC9328MX1核心部分需1.80V工作電壓，部分外圍芯片需3.30V工作電壓，根據(jù)要求輸入5V直流電壓經(jīng)DC-DC變換，分別為系統(tǒng)提供1.80V和3.30V的工作電壓，不同系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際功耗，選擇器件設(shè)計(jì)電源電路，電源電路如圖3所示。

3.2 晶振電路與復(fù)位電路設(shè)計(jì)

    晶振電路為微處理器及其他電路提供工作時(shí)鐘，是系統(tǒng)必須的重要電路，MC9328MX1使用32KHz無源晶振，32KHz晶振頻率輸入MC9328MX1后，經(jīng)PLL（鎖相環(huán)）倍頻后達(dá)到16.384MHz，并輸入系統(tǒng)PLL及MCU PLL。MCU PLL將輸入的16.384MHz倍頻到最高192MHz，提供給ARM內(nèi)核使用，系統(tǒng)晶振電路如圖4所示。

    復(fù)位電路主要完成系統(tǒng)的上電復(fù)位和系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)用戶的按鍵復(fù)位功能，本系統(tǒng)采用較簡單的RC復(fù)位電路，復(fù)位電路如圖5所示。

3.3 Flash存儲(chǔ)器接口電路設(shè)計(jì)

    Flash存儲(chǔ)器在系統(tǒng)中通常用于存放程序代碼、常量表以及一些在系統(tǒng)掉電后需要保存的數(shù)據(jù)等。Flash接口電路是最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的電路。

    常用的Flash存儲(chǔ)器為8bit/16bit數(shù)據(jù)寬度，工作電壓一般為3.3V，主要生產(chǎn)廠商為Intel、Atmel、Hyundai等，他們生產(chǎn)的同類器件一般具有相同的電氣特性和封裝形式，可根據(jù)需要選用。

    為了充分發(fā)揮32bit MC9328MX1性能優(yōu)勢，直接采用1片32bit數(shù)據(jù)寬度的Flash存儲(chǔ)器芯片，也可采用2片16bit數(shù)據(jù)寬度的Flash存儲(chǔ)器芯片并聯(lián)構(gòu)建32bit的Flash存儲(chǔ)器系統(tǒng)，16bit Flash存儲(chǔ)器系統(tǒng)的構(gòu)建方法與32bit Flash存儲(chǔ)器系統(tǒng)相似，本系統(tǒng)使用2片28F320J3A組成32bit Flash存儲(chǔ)器32bit Flash存儲(chǔ)器系統(tǒng)如圖6所示。

    2片28F320J3A，其中一片為高16bit，另一片為低16bit，作為整體配置到MC9328MX1外圍接口模塊CS0空間，將MC9328MX1的#CS接至2片28F320J3A的CE0端，CE1、CE2接地；2片28F320J3A的地址總線[A21-A1]均與MC9328MX1的地址總線[A22-A01]相連，低16bit片的數(shù)據(jù)總線與MC9328MX1的低16bit數(shù)據(jù)總線[D15-D00]連接，高16bit片的數(shù)據(jù)總線與MC9328MX1的高16bit數(shù)據(jù)總線[D31-D16]連接；2片28F320J3A的RP#端接VCC；2片28F320J3A的OE端接MC9328MX1的#OE；2片28F320J3A的WE端接MC9328MX1的#EB；2片28F320J3A的BYTE均上拉，使之工作在字模式。

3.4 SDRAM接口電路設(shè)計(jì)

    與Flash存儲(chǔ)器相比較，SDRAM雖然不具有掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)的特性，但其存取速度大大高于Flash存儲(chǔ)器，并且具有讀/寫屬性，SDRAM在系統(tǒng)中主要用作程序的運(yùn)行空間、數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)。因此，SDRAM接口電路在最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須高度重視。

    目前常用的SDRAM為8bit/16bit數(shù)據(jù)寬度、工作電壓一般為3.3V，主要生產(chǎn)廠商為Samsung、HYUNDAI、Winbond等，若同類器件具有相同的電氣特性和封裝形式可通用。但在使用SDRAM時(shí)要注意ARM芯片是否具有獨(dú)立的SDRAM的刷新控制邏輯，若有可直接與SDRAM接口，若無則不能直接與SDRAM連接。

    根據(jù)系統(tǒng)的需求，可構(gòu)建16bit或32bit的SDRAM存儲(chǔ)器系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用2片K4S281632并聯(lián)構(gòu)建32bit的SDRAM存儲(chǔ)器系統(tǒng)，單片K4S281632為16bit數(shù)據(jù)寬度、容量16MB，2片容量共32MB的SDRAM空間，可滿足嵌入式操作系統(tǒng)及各種較復(fù)雜運(yùn)行的運(yùn)行需求，使用2片K4S281632構(gòu)建32bit的SDRAM系統(tǒng)電路如圖7所示。

    2片K4S281632，其中一片為高16bit，另一片為低16bit。2片K4S281632作為一整體配接到DRAM/SDRAM的CSD0，將MC9328MX1的#CSD接至2片K4S281632的CS端，2片K4S281632的CLK端接MC9328MX1的SDCLK端，2片K4S281632的CLE端接MC9328MX1的SDCKE端；2片K4S281632的RAS、CAS、WE端分別接MC9328MX1的RAS、CAS、SDWE端，2片K4S281632的地址總線[A08-A00]接MC9328MX1的[A10-A02]；2片K4S281632的地址總線[A10-A09]接MC9328MX1的[MA11-MA10]；2片K4S281632的地址總線[A11]接MC9328MX1的[A12]；2片K4S241632的BA1、BA0接MC9328MX1的地址總線[A14-A13]；高16bit片的[DQ15-DQ0]接MC9328MX1的數(shù)據(jù)總線[D31-D16]、低16bit片的[DQ15-DQ0]接MC9328MX1的數(shù)據(jù)總線[D15-D0]；高16bit片的UDQM、LDQM分別接MC9328MX1的DQM3、DQM2，低16bit片的UDQM、LDQM分別接MC9328MX1的DQM1、DQM0。

3.5 串行接口電路設(shè)計(jì)

    MC9328MX1提供了串行接口，使用RS-232標(biāo)準(zhǔn)接口，近距離通信系統(tǒng)中可直接進(jìn)行端對端的連接，但由于MC9328MX1系統(tǒng)中LVTTL電路的邏輯電平與RS-232標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平不相匹配，二者間要進(jìn)行正常的通信必須經(jīng)過信號電平轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)使用MAX3221電平轉(zhuǎn)換電路，以RS-232標(biāo)準(zhǔn)9芯D型接口為例，要完成最基本的串行通信功能，只需要RXD（數(shù)據(jù)接收）、TXD（數(shù)據(jù)發(fā)送）和GND（地）端即可。串行接口電路如圖8所示。

3.6 JTAG接口電路設(shè)計(jì)

    JTAG技術(shù)是一種嵌入式調(diào)試技術(shù)，芯片內(nèi)部封裝了專門的測試電路TAP（測試訪問口），通過專用的JTAG測試工具對內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測試和控制，目前大多數(shù)ARM器件支持JTAG協(xié)議，標(biāo)準(zhǔn)JTAG接口是4線；TMS（測試模式選擇）、TCK（測試時(shí)鐘）、TDI（測試數(shù)據(jù)串行輸入）、TDO（測試數(shù)據(jù)串行輸出）。JTAG接口的連接有兩種標(biāo)準(zhǔn)，即14針JTAG接口與MC9328MX1連接電路。