基于ARM的最小应用系统设计与开发

基于ARM的最小应用系统设计与开发桑兴民1王晓明姚新文许丽（兰州交通大学光电技术与智能控制教育部重点实验室，甘肃兰州730070）摘要：采用RISC（ReducedInstructionSetComputer，精简指令集计算机）架构的32位ARM（AdvancedRISCMachines）微控制器，具有低功耗（内核工作电压一般在1.8V）、高性能、执行速度快（一般以MIPS为单位）、执行效率高等特点。本文采用Atmel公司的ARM920T内核的32位ARM微控制器AT91RM9200，实现其最小应用系统的硬件设计及软件开发；并且完成该系统的调试和仿真。关键词：嵌入式系统；增强型精简指令集计算机；片上系统；AT91RM9200ADesignandDevelopmentoftheLeastApplicationSystemaboutARMSANGxing-min，WANGxiao-ming(KeyLaboratoryofOpto-electronicTechnologyandIntelligentControl(LanzhouJiaotongUniversity),MinistryofEducation;730070;LanzhouGansu,China)Abstract:ByusingRISC（ReducedInstructionSetComputer）construction,ARM(AdvancedRISCMachines)of32bitsMicrocontrollertakesonlow-lossandlow-consume(VDDCOREsupplyvoltageis1.8V),highcapability,highexecutingspeed(theunitisMIPS).Thispaperuse32bitsMicrocontrollerAT91RM9200ofAtmelCompany,achieveadesignoftheleastapplicationsystem,includinghardwaredesignandsoftwareprogram,achievethedebugandassemblyofthissystem.Keywords:EmbeddedSystem;ARM（AdvancedRISCMachines）;SOC;AT91RM92000引言嵌入式系统具有可靠性高，实时性强，系统内核小和系统配置要求低等特点，使其在工业过程控制、信息家电、交通管理以及机器人制造等研究生产领域中得到了广泛应用。与8/16位单片机相比，32位ARM微控制器具有更高的性价比，更低的功耗，执行速度更快，性能更高等特点[1，4]。本文采用Atmel公司的ARM920T内核的32位ARM微控制器AT91RM9200，在外围扩展了64MB（32MB*2）32位SDRAM存储器，16MB16位FLASH存储器，并实现其初始化；通过DEBUGUSART和JTAG两个调试口，实现此应用系统的调试与仿真。1AT91RM9200Atmel公司生产的AT91RM9200，是完全围绕ARM920T内核构建的系统。采用RISC架构，支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件[1，3]；它有丰富的系统与应用外设的标准接口，包括总线接口(EBI)；EBI支持SDRAM、BurstFlash及静态存储器的控制器，并设计了专用的电路以方便与SmartMedia、CompactFlash及NandFlash连接；USB2.0主机和设备端口；UART串口、SPI、调试通道(DBGU)。此外，还有高级中断控制器(AIC)、外设数据控制器(PDC)，JTAG-ICE口，支持所有数字引脚实现IEEE1149.1JTAG边界扫描[1]；内置的10/100Base-T以太网媒体访问控制器(MAC)，可实现系统主机与PHY（OSI参考模型物理层）的数据交换[1]。项目基金号：2GS045-B52-016，甘肃省科技攻关计划项目作者简介：桑兴民1（1981-），男，山东寿光，兰州交通大学硕士研究生，交通信息控制及工程；王晓明（1953-），男，甘肃白银，兰州交通大学教授，博士生导师。姚新文，男，(1979-)，河南济源，兰州交通大学硕士研究生，许丽，女，(1980-)，湖北天门，兰州交通大学硕士研究生。Authorintroduction:SANGxing-min:male,(1981-),Shandongshouguang,graduatestudentoflanzhoujiaotonguniversity,studyfieldistrafficinformationengineeringandcontrol；WANGxiao-ming:male,(1953-),Gansubaiyin,professoroflanzhoujiaotonguniversity,doctortutor.YAOxin-wen,male,(1979-),Henanjiyuan,graduatestudentoflanzhoujiaotonguniversity;XUli:female(1980-),Hubeitianmen,graduatestudentoflanzhoujiaotonguniversity.2扩展FLASH硬件设计与软件初始化FLASH存储器作为一种非易失性存储器，在系统中通常用于存放程序代码，常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据等[3]。本文FLASH存储芯片使用的是INTEL公司的16位FLASH存储器TE28F128J3C150（16MB）。该芯片工作电压仅为3V，通过配置其内部命令寄存器，可对FLASH进行编程（烧写），擦除以及其它操作。2.1硬件设计由于ARM微控制器的系统支持8/16/32位的存储器系统，32位的存储器系统具有较高的性能，而16位的存储器系统则在成本及功耗等方面占有很大优势[3]，本设计FLASH存储器的配置系统即采用16位存储器系统。其硬件连线为，DQ0-DQ15接数据线D0-D15；A1-A24接地址线A1-A24，A0接地；输出使能OE，写使能WE分别接ARM控制信号CFOE-NOE-NRD，和CFWE-NEW-NER0；擦除/编程/块时钟使能VPEN和复位/掉电引脚RP#一并接NRST，片选使能信号CE0接BFCS-NCS0。2.2软件实现，初始化FLASH初始化FLASH，要求配置EBI接口的片选任务寄存器EBI_CSA，和EBI配置寄存器EBI_CFGR。使其片选寄存器EBI_CSA配置为CS0=FLASH。配置完成时，还要通过配置SMC（静态存储控制器）的片选寄存器0（SMC_CS0）来启动FLASH。3扩展SDRAM硬件设计与软件初始化与FLASH存储器相比较，SDRAM不具有掉电保持数据的特性，但其存储速度大大的高于FLASH存储器，且具有读写属性，因此SDRAM在系统中主要用作程序的运行空间，数据及堆栈区。同时，系统及用户堆栈，运行数据也都在SDRAM中。3.1硬件设计：本文SDRAM存储器采用的是MICRON公司的16位MT48LC16M16A2（32MB）；两片MT48LC16M16A2（32MB*2）并联构建32位的SDRAM存储器系统。其中一片为高16位，另一片为低16位，系统将这两片MT48LC16M16A2作为一个整体配置到片选线NCS1。两片地址复用，A0-A9接地址线A2-A11，A10接SDA10，A11，A12分别接地址线A13，A14，BA0，BA1接A16，A17；SDRAM的时钟CLK和时钟使能CKE接ARM控制线SDCK和SDCKE。DQM的高低控制线DQML和DQMH，用来区分高，低16位；低16位芯片DQML接地址线A0，DQMH接CFIOR-NBS1-NER1；高16位芯片DQML接地址线A1，DQMH接CFIOW-NBS3-NER3；低16位芯片DQ0-15接数据线D0-D15，高16位DQ0-15接数据线D16-D31。3.2软件实现，初始化SDRAM初始化SDRAM，NORFLASH都要求配置EBI接口的片选任务寄存器EBI_CSA，还要配置EBI配置寄存器EBI_CFGR，不同之处是在与SDRAM为动态RAM，而FLASH为静态存储器，配置这两个寄存器的参数是不同的。同时，SDRAM配置模式寄存器MR时，要发送“刷新”命令；而在发送“刷新”命令之前要首先发送“所有组预充电”命令，此后发送“载入模式寄存器命令”；在配置刷新定时寄存器时要根据所选的SDRAM的型号定义刷新频率。程序流程图，如图1所示图1初始化SDRAM程序流程图4最小应用系统的硬件设计与软件实现4.1最小应用系统的硬件设计AT91RM9200支持JTAG-ICE仿真，DEBUGUSART调试，在芯片外部设计了20针的JTAG接口，与USART兼容的一个调试信道DEBUGUSART口。供电电源；内核为1.8V，外围IO为3.3V；提供时钟为慢时钟32.768KHz，和主时钟18.432MHz（由内部PLL倍频至209MHz）。其系统硬件结构图，如图2所示；图2系统硬件结构图4.2，系统的初始化程序1），初始化时钟，包括主时钟，PLLA时钟，PLLB时钟：程序流程为，首先检测主时钟，检查PLLA，PLLB两个时钟是否在正确的范围内。在定义时钟时，配置PMC的时钟发生器PLLA和PLLB寄存器，即CKGR_PLLAR，CKGR_PLLBR，定义PLLA，PLLB两个时钟。通过配置PMC主时钟寄存器PMC_MCKR，定义主时钟。特别注意的是在定义主时钟频率，即在配制主时钟寄存器PMC_MCKR时，要先写一个慢时钟的参数，再在下一步写主时钟的参数。2),初始化程序，包括初始化时钟，初始化SDRAM，FLASH，初始化DEBUGUSART。图3系统主程序流程图5最小应用系统的调试与仿真5.1仿真和调试工具的选择ADS（ARMDeveloperSupport）是ARM公司推出的集成编辑，编译和调试工具，ADS主要包括三个部分组成：Multi-iceServer（配置工具，用于配置ARM内核）；CodeWarrior（集成编辑，编译和链接工具）和AXD（调试工具）[2,3]。Magic-ICE是一个硬件仿真器，一端是并口，连接主机；另一端是JTAG接口，连接目标板[2,3]。5.2系统调试与仿真本文在不采用嵌入式操作系统的情况下，利用ADS1.2和Magic-ICE仿真调试该系统。连接好系统的调试信道DEBUGUSART与主机的串口COM1，打开主机的超级终端，设置串口参数如下：波特率设置为115200；位数据位为8；无奇偶校验位；1位停止位；数据流控制选择无，然后点击“确定”。上电目标板，在远程终端输出字符“C”，运行系统初始化程序，在串口程序中输出相应的字符。在ADS环境下，运行系统初始化程序，调试各个扩展芯片，待初始化完毕。此时，基于AT91RM9200的最小应用系统已经实现。6结束语随着信息电子技术的迅猛发展，8位单片机无论是在速度，功能以及功耗上都与32位的ARM微控制器无法比拟。而本文采用Atmel公司的32位ARM微控制器AT91RM9200，核心供电电压为1.8V，工作频率在180MHz时可达200MIPS，比8/16位单片机更具优越性。通过外扩SDRAM，NORFLASH，扩展了ARM芯片的存储单元，实现其最小应用系统的硬件设计及软件开发，对32位微控制器的开发与应用都具有重要的意义。参考文献：[1]ARM920TTMbasedMicrocontrollerAT91RM9200datasheet[2]AndrewSloss.ARM嵌入式系统开发：软件设计与优化[M].沈建华,等译.北京:北京航天航空大学出版社,2005.[3]李驹光.ARM应用系统开发详解——基于S3C4510B的系统设计[M].北京:清