基于嵌入式微處理器EP9315的二次開發(fā)技術(shù)

嵌入式系統(tǒng)已成為IT行業(yè)研發(fā)熱點(diǎn)，但基于嵌入式系統(tǒng)的二次開發(fā)應(yīng)用卻存在很多難點(diǎn)，難以真正地將嵌入式系統(tǒng)投入到實(shí)際應(yīng)用中。武漢中科院巖土力學(xué)所智能儀器室對(duì)基于ARM9的嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)，采用ARM9微處理器取代原有的51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)SY5聲波檢測(cè)儀^[2]的控制。其中高速微處理器與現(xiàn)有低速設(shè)備接口及在配套的操作系統(tǒng)中就SY5聲波檢測(cè)儀原有功能設(shè)計(jì)相應(yīng)驅(qū)動(dòng)是本文研究的重點(diǎn)。同時(shí)提出了可行的硬件調(diào)試方法，為今后基于ARM9微處理器的硬件開發(fā)提供了思路。
1 系統(tǒng)構(gòu)成
1.1 高性能的ARM9嵌入式微處理器
　　本設(shè)計(jì)選擇Cirrus Logic公司2004年7月推出的EP93XX系列中的高端產(chǎn)品EP9315。該微處理器是高度集成的片上系統(tǒng)處理器，擁有先進(jìn)的200MHz ARM920T處理器并支持Linux、WindowsCE和其他許多嵌入式操作系統(tǒng)的存儲(chǔ)器管理單元(MMU)。它具有ARM920T內(nèi)核所有的優(yōu)異性能。與其他ARM9微處理器相比，EP9315具有以下特性：MaverickCrunch^TM數(shù)學(xué)運(yùn)算引擎,支持浮點(diǎn)、整數(shù)和信號(hào)處理指令；豐富的集成外設(shè)接口，包括PCMCIA、接口圖形加速器、可接兩組設(shè)備的EIDE、1/10/100Mbps以太網(wǎng)MAC、3個(gè)2.0全速HOST USB、專用SDRAM通道的LCD接口、觸摸屏接口、SPI串行外設(shè)接口、AC97接口、6通道I²S接口、8×8鍵盤掃描接口；支持4組32位SDRAM的無縫連接等。
　　配合Windows CE.net嵌入式操作系統(tǒng)，系統(tǒng)開發(fā)效率高、運(yùn)行穩(wěn)定，為工業(yè)控制提供了可靠的系統(tǒng)平臺(tái)?；诙ㄖ频腤inCE操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制中應(yīng)用模塊的專用驅(qū)動(dòng)，提高了嵌入式系統(tǒng)的通用性。
1.2 系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)
　　EP9315嵌入式系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)分為嵌入式系統(tǒng)、應(yīng)用模塊(聲波檢測(cè)儀)和轉(zhuǎn)換模塊三部分。Cirrus logic公司為用戶提供了基于該處理器的全功能開發(fā)板。該開發(fā)板擴(kuò)展了EP9315的所有功能，并可根據(jù)實(shí)際需求將全功能開發(fā)板的硬件進(jìn)行裁減，從而降低成本。該開發(fā)板預(yù)留了標(biāo)準(zhǔn)PC104接口，可方便用戶開發(fā)應(yīng)用。應(yīng)用模塊也預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)PC104接口，其中的I/O控制信號(hào)、數(shù)據(jù)線、地址線與EP9315嵌入式系統(tǒng)的PC104接口一一對(duì)應(yīng)。而系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換模塊可保證嵌入式系統(tǒng)和應(yīng)用模塊連接的穩(wěn)定性。

　　EP935嵌入式系統(tǒng)主要由電源、32MB/64MB內(nèi)存、LCD接口、警示LED、主USB、面板按鍵、CF卡接口、以太網(wǎng)接口和標(biāo)準(zhǔn)PC104接口組成。其中電源提供5V、3.3V、1.8V三種電壓輸出，分別給應(yīng)用模塊、外設(shè)、CPU內(nèi)核供電。內(nèi)存為操作系統(tǒng)提供運(yùn)行空間。其中嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用模塊的I/O控制信號(hào)、數(shù)據(jù)線和地址線都引到標(biāo)準(zhǔn)PC104插座上，經(jīng)轉(zhuǎn)換模塊處理后相接。采用PC104總線標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的各種應(yīng)用目標(biāo)。液晶顯示屏用于人機(jī)交互，警示LED直觀地顯示電源狀況。主USB支持U盤和USB鼠標(biāo)鍵盤，CF卡作為大容量存儲(chǔ)器存放應(yīng)用模塊的數(shù)據(jù)，用戶通過面板按鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制。
1.3 嵌入式系統(tǒng)板與應(yīng)用模塊的連接方案
　　系統(tǒng)外接的應(yīng)用模塊(SY5聲波檢測(cè)儀)采用51系列單片機(jī)控制數(shù)字模擬電路實(shí)現(xiàn)特殊功能。整個(gè)數(shù)字電路部分均為5V供電，模擬部分由5V及正負(fù)12V供電，采樣數(shù)據(jù)通過RS232串口傳給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。而EP9315、I/O口及外圍電路均為3.3V供電，管腳承受的最大電壓不超過3.6V。
　　考慮到每個(gè)管腳的驅(qū)動(dòng)能力有限，用電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)芯片74LVXC4245實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。其作用如下：
　　(1)改善信號(hào)的質(zhì)量。某些對(duì)時(shí)延比較敏感、且在系統(tǒng)內(nèi)又相距較遠(yuǎn)或者較分散的信號(hào)，信號(hào)線的寄生電容會(huì)損害信號(hào)的特性。采用74LVXC4245驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行隔離，會(huì)改善系統(tǒng)的性能。
　　(2)抗干擾。增加74LVXC4245這樣的有源緩沖器可以有效地減少干擾。
　　(3)電平轉(zhuǎn)換。3.3V到5V和5V到3.3V雙向電平轉(zhuǎn)換。
　　74LVXC4245是8通道電壓轉(zhuǎn)換器，最大可提供200mA的驅(qū)動(dòng)電流。與專用模塊接口時(shí)，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)線、地址線、I/O信號(hào)、中斷信號(hào)等的單/雙向電平轉(zhuǎn)換。
　　地址線的電平轉(zhuǎn)換方向設(shè)置為3.3V到5V。I/O、中斷信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換方向可設(shè)置為單向轉(zhuǎn)換，3.3V到5V或5V到3.3V片選可接地。
　　數(shù)據(jù)線是雙向信號(hào)，電平轉(zhuǎn)換時(shí)要特別注意其方向信號(hào)和片選信號(hào)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)不合理會(huì)造成總線沖突，系統(tǒng)無法啟動(dòng)。數(shù)據(jù)線電平轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

　　由圖2可見，方向信號(hào)使用讀信號(hào)的反向信號(hào)#RD，保證讀操作時(shí)數(shù)據(jù)線由5V到3.3V，寫操作時(shí)數(shù)據(jù)線由3.3V到5V，防止了總線沖突。使能信號(hào)OE可接地或接片選信號(hào)。
　　EP9315在WinCE操作系統(tǒng)下主頻達(dá)到200MHz，總線頻率為100MHz，外設(shè)時(shí)鐘為50MHz，硬件調(diào)試環(huán)境必須與操作系統(tǒng)完全吻合。而應(yīng)用模塊多采用74系列芯片，工作頻率一般為幾兆赫茲。頻率不匹配造成了EP9315發(fā)出的讀寫及使能信號(hào)脈寬不足50ns，對(duì)由74系列芯片組成的專用模塊不能實(shí)現(xiàn)正確的讀寫操作。因此，系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間采用了如圖3所示的分配，應(yīng)用模塊地址空間為CS7：0X7000_0000-0X7FFF_FFFF。

　　為給低速設(shè)備提供足夠脈寬的總線信號(hào)，設(shè)置應(yīng)用模塊地址空間存儲(chǔ)空間讀寫特性寄存器SMCBCR7中等待時(shí)間位WST1和WST2：
　　總線讀取等待時(shí)間=(WST+1)×總線時(shí)鐘
　　連續(xù)讀取等待時(shí)間=(WST+1)×總線時(shí)鐘
　　調(diào)試代碼如下：
　　//總線時(shí)鐘為200MHz
　　　ClkSet1=0x02A4A3D7；
　　//設(shè)置cs7數(shù)據(jù)寬度為8，讀寫脈寬為150ns
　　　temp=SMCBCR7；
　　　temp=temp& 0xcfffffff；
　　　temp=temp | 0xffef；
　　　SMCBCR7=temp；
　　這種設(shè)置使得SDRAM等高速外設(shè)和低速外設(shè)擁有不同的總線頻率，具有很大的靈活性。
2 系統(tǒng)軟件
2.1 嵌入式操作系統(tǒng)下的驅(qū)動(dòng)程序類型
　　由于Windows CE.net開發(fā)工具好學(xué)易用，沒有目標(biāo)設(shè)備時(shí)可以在PC上仿真測(cè)試，因此基于Windows CE.net的嵌入式開發(fā)日益普及。但要在操作系統(tǒng)下控制應(yīng)用模塊就要為應(yīng)用模塊編寫驅(qū)動(dòng)。本質(zhì)上，Windows CE的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序都是一些動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(.dll文件)，這些dll向內(nèi)核提供了入口函數(shù),使設(shè)備管理模塊可以通過這些函數(shù)與具體的硬件設(shè)備進(jìn)行通信。由于應(yīng)用模塊功能的不同，微軟沒有提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)，所以只能自行開發(fā)測(cè)試。開發(fā)過程中采用單層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。
2.2 驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)
2.2.1 應(yīng)用模塊初始化
　　應(yīng)用模塊的初始化在標(biāo)準(zhǔn)流接口函數(shù)DEV_Init( )中完成，在內(nèi)核加載驅(qū)動(dòng)時(shí)調(diào)用該函數(shù)，其中DEV為設(shè)備文件名的前綴，Windows CE使用其識(shí)別與特殊流接口驅(qū)動(dòng)程序相對(duì)應(yīng)的特殊設(shè)備。初始化的基本步驟為：
　　(1)檢查應(yīng)用模塊硬件信息的正確性。
　　(2)用Windows CE中的API函數(shù)為應(yīng)用模塊驅(qū)動(dòng)中用到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分配緩沖區(qū)。
　　hDev=LocalAlloc(LPTR，sizeof(Dev_INFO))；
　　其中：pDev為包含設(shè)備必要信息的結(jié)構(gòu)體指針，Dev_INFO為該結(jié)構(gòu)體類型。
　　(3)設(shè)置應(yīng)用模塊的默認(rèn)參數(shù)，如應(yīng)用模塊在系統(tǒng)中分配的物理地址空間的基地址。
　　PHYSICAL_ADDRESS phyAddr；//64_bit地址
　　phyAddr.LowPart=hDev-＞dwIOBaseAddr；//32_bit物理基地址
　　phyAddr.HighPart=0；//高32_bit地址
　　(4)通過HalTranslateBusAddress( )和MmIoSpace( )映射I/O地址，提供直接訪問設(shè)備的虛擬地址。
　　if(!HalTranslateBusAddress(Isa，0，phyAddr，0，&phyAddr)) return FALSE；
　　hDev-＞lpMappedBaseAddr=(LPBYTE)MmMapIoSpace(phyAddr，size，F(xiàn)ALSE)；
　　if(!hDev-＞lpMappedBaseAddr) return FALSE；
　　如果分配內(nèi)存或映射虛擬地址失敗，則返回FALSE，退出初始化程序。
　　(5)初始化應(yīng)用模塊的讀寫屬性和共享模式。
2.2.2 應(yīng)用模塊數(shù)據(jù)接收與發(fā)送
　　應(yīng)用模塊數(shù)據(jù)的傳遞在流接口函數(shù)Dev_Write( )和Dev_Read( )中完成。
　　DEV_Write(＜由應(yīng)用程序傳入的設(shè)備句柄＞，＜寫入數(shù)據(jù)指針＞，＜寫入數(shù)據(jù)位數(shù)＞)
　　{//每寫1字節(jié)調(diào)用一次WRITE_PORT_UCHAR( )；}
　　DEV_Read(＜由應(yīng)用程序傳入的設(shè)備句柄＞，＜存放數(shù)據(jù)指針＞，＜讀入數(shù)據(jù)位數(shù)＞)
　　{//每讀1字節(jié)調(diào)用一次READ_PORT_UCHAR( )；}
　　其中：WRITE_PORT_UCHAR( )和READ_PORT_UCH-
　　AR( )中傳遞的地址為經(jīng)過MmMapIoSpace( )映射過的虛擬地址。
2.2.3 建立應(yīng)用程序和設(shè)備驅(qū)動(dòng)的聯(lián)系
　　操作系統(tǒng)中的應(yīng)用程序與驅(qū)動(dòng)中的流接口函數(shù)一一對(duì)應(yīng)。其關(guān)系如圖4。

　　當(dāng)應(yīng)用程序準(zhǔn)備對(duì)某個(gè)設(shè)備進(jìn)行讀寫時(shí)，系統(tǒng)必須先執(zhí)行CreateFile( )函數(shù)打開這個(gè)設(shè)備，得到的設(shè)備句柄即為底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)中Dev_Open( )的返回值。應(yīng)用程序通過CloseHandle( )調(diào)用設(shè)備驅(qū)動(dòng)中的Dev_Close( )。執(zhí)行完該函數(shù)后驅(qū)動(dòng)程序引用的設(shè)備將不再有效。當(dāng)一個(gè)流接口驅(qū)動(dòng)程序被打開后，應(yīng)用程序使用ReadFile( )對(duì)這個(gè)設(shè)備進(jìn)行讀操作，驅(qū)動(dòng)程序中Dev_Read( )響應(yīng)該操作；同樣應(yīng)用程序使用WriteFile( )對(duì)該設(shè)備進(jìn)行寫操作，驅(qū)動(dòng)程序中Dev_Write( )響應(yīng)此操作。另外，應(yīng)用程序還可以使用DeviceIOControl()通知操作系統(tǒng)調(diào)用流接口驅(qū)動(dòng)中的DEV_IOControl( )去通知驅(qū)動(dòng)程序要執(zhí)行的操作。這些操作用戶可用Windows CE提供的API函數(shù)CTL_CODE自定義。
　　筆者在Windows CE.net操作系統(tǒng)下，已實(shí)現(xiàn)了基于EP9315嵌入式系統(tǒng)對(duì)武漢中科院巖土力學(xué)所設(shè)計(jì)的SY5聲波儀的控制，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。與原來由51單片機(jī)搭建的SY5聲波儀相比，該系統(tǒng)功耗降低、體積變小、穩(wěn)定性增強(qiáng)、成本降低，更適合工業(yè)控制中的運(yùn)用。
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