|
1 嵌入式系統的概念與特點 嵌入式系統結合微處理器或微控制器的系統電路與其專屬軟件，達到系統操作效率的最高比，這里把嵌入式系統定義為一個體積較小的計算機系統（與PC機相比），由于其體積較小，因此軟硬件結構和應用范圍與PC機相比有較大的不同，其特性可歸納為下列四項： （1）通常執行特定功能； （2）以微電腦與外圍構成核心； （3）嚴格的時序與穩定性要求； （4）全自動操作循環。 嵌入式系統具有目的性或針對性，其開發是圍繞著產品和產品的特定功能來進行的。它必須最大限度的在硬件和軟件上"量身訂作"以提高效率，本文設計的嵌入式系統主要用于金融和稅務類產品。 2 總體設計 2.1 CPU的選擇 本文采用的是Cirrus Logic公司的嵌入式處理器EP9312。 EP9312是一款ARM9系列的處理器，ARM9系列是高性能和低功耗特性方面最佳的硬宏單元，它具有五級流水線，并提供1.1MI/s/MHz的哈佛結構，而其前代產品ARM7系列處理器則具有嵌入式ICE-RT邏輯，功耗非常低，并提供0.9MI/s/MHz的三級流水線和馮.諾依曼結構。因為本主要用于開發先進的計算機終端，機頂盒、高端打印機等產品，所以需要較快的運算速度，而ARM7主要用于對價位和功耗敏感的消費類產品，并且其運算速度相對較慢，所以本設計系統選擇ARM9系列，在ARM9系列CPU中還有EP9307和EP9315。EP9307與EP9312的功能構造基本相同，只少了1個IDE接口，但多了圖形加速的功能，由于金融稅務類產品大多需要較多的GPIO，而與EP9307相比，EP9312可以很容易地設計出較多的GPIO。EP9315在EP9312擁有的功能上再增加了PCMCIA接口和圖形加速功能，但這并不是金融稅務類產品所必需的功能，綜合考慮之后，本系統選擇了EP9312。 2.2 技術指標 經過系統調研并基于產品成本考慮，嵌入式系統的技術指標如下所述： Cirrus Logic公司的EP9312作為主處理器； 32MB Flash使用NOR Flash； 64MB SDRAM； 顯示格式：西文：24×12點陣，中文：24×24點陣，26行，80列，或者西文：16×8點陣，中文：16×16點陣，26行，80列； 800×600×16bpp、1024×768×16bpp多種TFT顯示模式，支持單掃描或雙掃描； 1個并口； 5個串口； 2個PS/2端口； 1個1/10/100Mb/s為的以太網接口，支持TCP/IP協議； 1個USB Host和1個USB Slave接口。 2.3 系統組成 EP9312已經集成了嵌入式系統所需的許多功能，為了使本設計滿足金融稅務類產品的要求，還增加了如下硬件：Super I/O器件（包含2個UART、1個并口、2個PS/2產品控制器），網絡PHY接口器件、接口電平轉換器、Flash、SDRAM等，PCB板采用4層板，表層為信號層，其中的電源線路層和地線層深埋在主板的內層，不易受到電源雜波的干擾，尤其是高頻電路，可以獲得較好的抗干擾能力，系統的基本結構如圖1所示。 [/table][table] 3 模塊功能描述 3.1 CPU EP9312的內核是ARM920T，其主頻為200MHz，100MHz內部總線，有16KB的指令Cache和16KB的數據Cache，內部集成了很多功能模塊，其中主要包括：LCD控制器，3個USB Host控制器，3個串口控制器，Ethernet MAC、EIDE、AC97接口等，EP9312內含MMU，支持TCP/IP協議，也為開發各種字符圖形功能提供了快捷的方法。本設計充分利用了這些內部集成功能，減少了外圍器件。 3.2 RESET模塊 系統的RESET模塊為系統提供啟動及復位信號，是系統運行的開端。 本系統采用MAX708CSA作為復位器件，設計成用戶重啟的按鈕控制。發出RESET信號送給CPU的RSTOn引腳、Flash模塊、JATG模塊等。另采用一片MAX708CSA作為系統上電的按鈕控制，發出POR信號發給CPU的PRSTn引腳，如圖2所示。 系統時鐘模塊的作用是產生20個獨立的時鐘頻率來滿足EP9312不同獨立邏輯部分的要求，所以這些時鐘頻率都來源于外部的一個低頻晶體振蕩器。這樣處理器速率、總線速率、視頻速率就可以不同而且互不影響。 EP9312提供兩個接口外接晶體振蕩器，其頻率分別為32KHz（實時時鐘）和14.7456MHz。 為了獲得足夠高的時鐘頻率，EP9312同時提供兩個PLL，將32KHz和14.7456MHz頻率提升到足夠高（14.756MHz，最大頻率可為400MHz）。 3.4 調試端口（JATG）模塊 EP9312提供了JTAG調試接口，它有6條測試掃描鏈，這個接口通過5個外部控制信號實現調試功能； TDO-測試數據輸出，TDI-測試數據輸入，TMS-測試模式選擇，TCK-測試時鐘，nTRST-測試復位。 由于EP9312集成了這些JTAG信號，因此引出這些信號線在板上擴展出JTAG口，即可與JTAG測試器進行通信。 3.5 存儲器 EP9312內含SDRAM控制器，它提供了一個高速存儲接口給多種存儲裝置，包括SDRAM，Synchronous Flash和Synchronous ROM等。 CPU中已有SDRAM控制器，因此系統不需要外加SDRAM控制器，只要采用合適的SDRAM存儲器，與EP9312的專用SDRAM信號線相連接即可。 本系統采用2片IS4216400B的16位數據總線SDRAM器件組合構成了一個32位數據總線的16MB存儲系統。今后如有需要，只需要16MB器件代替8MB的器件，即可方便地擴容至32MB SDRAM的系統。 本系統所用的Flash器件是Intel公司的TE28F320J3D-75，該器件采用56引腳TSOP封裝，32MB的存儲空間由32個128KB的擦除塊組成，該Flash采用25根地址線和16位數據線，可以通過BYTE信號來選擇是8位還是16位方式訪問。本系統采用16位方式訪問，因此該信號線接高電平，同時AO地址線接地，OE/WE是讀寫信號，由EP9312的讀寫控制線直接控制，系統中將Flash的片選信號CE2、CE1信號接地，CEO由EP9312的兩根片選信號CS0和CS6通過跳線來控制，如圖3所示。 3.6 PS/2、串口和并口 通過Super-I/O進行擴展，如圖1所示，Super-I/O選擇Winbond公司的W83977ATF。該器件提供兩個串口、一個并口、PS/2鍵盤鼠標接口和23個GPIO，通過EP9312的WAITn延時等待信號來匹配ISA總線與存儲總線的速度問題。連同CPU提供的3個串口控制器，系統總共具有5個串口。 3.7 網絡 EP9312內部含有一個Ethernet的MAC，只需要一個PHY并通過VT6103L即可實現。 3.8 顯示電路 要根據不同的顯示屏來決定顯示電路設計，本系統設計成共支持五種屏幕，包括TFT、CSTN、DSTN、LVDS、VGA。EP9312輸出的是數字信號，分別為1位數據、場頻、行頻、時鐘、亮度控制幾類信號。對于TFT、CSTN、可以直接與EP9312的內置接口相連，但要注意CSTN在初始化彩色查找表時，將R.B色碼互換，接TFT屏要加電平轉換器，對于DSTN來說，本系統選用的屏幕為夏普公司的LM121VB1T02，該屏為單色屏，上下每時鐘周期4個象素，每個信號對應一個象素點，查閱EP9312的輸出象素轉換表后發現，雙掃描每時鐘周期4個象素的模式并不適用于該屏，所以本系統在設計中選用了雙掃描每時鐘周期8個象素的模式，并從中挑選出適合的信號來驅動該屏，同時也要加電平轉換器，在目前的市場上，TFT接口的屏并不是主流，相對來說LVDS接口的屏使用更廣，對LVDS接口的設計，本系統采用DS90C383MTD轉換器來構建，對于彩色CRT要加三個D/A轉換器和電平轉換器，單色CRT只要一個D/A轉換器和電平轉換器，接VGA屏要加專用器件，如ADV7123，顯示電路模塊圖如圖4所示。 EP9312需要4個不同的電源：RVDD（3.3V）、CVDD（1.8V）、VDD_PLL（1.8V）和VDD_ADC（3.3V）。板上其他元件除了3.3V供電的以外，還有5V供電的，整個系統的輸入電壓為12V，通過變壓器件變成5V，再通過LT176ET-3.3轉換器件把+5V轉變為3.3V的系統電壓，通過LT176ET-1.8轉換器件把+3.3V轉變為1.8V的EP9312內核電壓。 3.10 GPIO分配 EP9312有16個具有中斷能力的增強型通用I/O，由于金融稅務類嵌入式系統的產品通常不需要IDE接口，因此IDE接口的I/O設計成GPIO，連同其他一些設計，總共增加了49個可選通用I/O。 3.11 Bootloader Bootloader是系統加電啟動運行的第一段軟件代碼，整個系統的加載啟動任務就完全由Bootloader來完成。簡單的說，Bootloader就是在操作內核或用戶應用程序運行之前運行的一段小程序，通過這段小程序，可以初始化硬件設備，建立內存空間的映射圖，從而將系統的軟硬件環境帶到一個合適的狀態，以便為最終調用操作系統內核或用戶應用程序準備好正確的環境，EP9312提供了20種Bootloader的方式，分別經過EECLK、EEDAT、LBOOTI、LBOOTO、ASDO、CSn[7：6]的跳線組合來選擇。 本系統在調試和生產時，采用16-bit Serial boot的啟動方式，對應的EECLK、EEDAT、LBOOTI、LBOOTO、ASDO、CSn[7：6]選擇方式分為為：1、1、0、X、0、1。此時，CPU通過片內已經固化的4KB程序進行啟動，初始化CPU和串口，并通過串口把用戶程序下載到Flash中，當系統正常工作時，則直接通過Flash啟動，直接在Flash中讀取程序代碼運行。 本設計利用前者把操作系統和應用程序寫入Flash中，用后者進行嵌入式系統的正常工作開啟。 4 結束語 本文介紹了一種基于EP9312的銀稅類嵌入式系統的硬件設計方案，經過測試，系統各部分都能正常工作，實現了預定的功能。 與以前的嵌入式系統平臺相比，本系統集成度高、主板面積小、外圍接口多、成本低、運行速度快、是一款性價比很高的產品，能為嵌入式產品的開發提供一個良好的平臺，主要面向計算機終端、存折打印機、補登機、POS機等嵌入式產品。 |
