基于PXA270的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘  要：PXA270是Intel公司生產(chǎn)的一款基于XScale架構(gòu)的高集成度高性能的優(yōu)秀嵌入式處理器。本文討論了以PXA270為平臺(tái)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的有關(guān)硬件設(shè)計(jì)以及ARM嵌入式系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)了基于PXA270的嵌入式系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：PXA270 ，嵌入式系統(tǒng) ，ARM ，Windows 

0          引言

隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，產(chǎn)品功能與功耗越來(lái)越成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)所要考慮的重要方面。僅僅實(shí)現(xiàn)了豐富的功能而電量消耗大的產(chǎn)品并不能滿足人們的需求。基于Intel XScale架構(gòu)的PXA270處理器，集成了存儲(chǔ)單元控制器、時(shí)鐘和電源控制器、DMA控制器、LCD控制器、AC97控制器、I2S控制器、快速紅外線通信 (FIR)控制器等外圍控制器，可以實(shí)現(xiàn)豐富的外圍接口功能。其低電源運(yùn)行模式以及動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)可以有效的降低電源的功耗。基于這些優(yōu)點(diǎn)，使得PXA270廣泛的應(yīng)用于智能手機(jī)、PDA、Web記事本、遠(yuǎn)程通信、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。

1   PXA270處理器簡(jiǎn)介

PXA270是Intel公司開發(fā)的基于XScale架構(gòu)的處理器，內(nèi)核采用ARMv5TE，外圍控制器眾多。內(nèi)置了Intel的無(wú)線MMX技術(shù)，能夠顯著的提升多媒體性能，此外PXA270也包含了Intel的SpeedStep技術(shù)，能夠根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)節(jié)CPU的性能，真正實(shí)現(xiàn)了低功耗，高性能。同其他XScale處理器一樣，支持多種嵌入式操作系統(tǒng)，如Linux、Windows、WinCE、Nucleus、Palm OS、VxWorks、Java等。

2   系統(tǒng)硬件組成

整個(gè)系統(tǒng)以PXA270處理器為核心，以音頻輸入輸出接口，紅外接口，10/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)口，觸摸屏接口等為外圍接口，通過(guò)寬溫高亮度LCD實(shí)現(xiàn)視頻輸出。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.1   Intel XScale PXA270處理器的系統(tǒng)存儲(chǔ)器接口

Intel XSclae PXA270處理器集成了存儲(chǔ)單元控制器，其外部的存儲(chǔ)總線接口支持：SDRAM、FLASH、ROM、SRAM、PC卡等。

2.1.1  SDRAM電路的設(shè)計(jì)

SDRAM選用Hynix的HY57V561620C，其組織形式為4 Banks x 4M x 16Bit，單片容量

 圖1 系統(tǒng)硬件組成框圖

為32MB，采用3.3±0.3V單電源供電，封裝形式為標(biāo)準(zhǔn)54引腳TSOP-II，屬于16位的數(shù)據(jù)總線寬度，選用兩片并聯(lián)的方式，使SDRAM的總線寬度達(dá)到32位。兩片SDRAM的32條數(shù)據(jù)線分別連到PXA270的高16位地址和低16位地址上。HY57V561620C的時(shí)鐘頻率分了100MHz~166MHz四個(gè)檔，這里選用133MHz這一檔的芯片。

2.1.2  FLASH電路的設(shè)計(jì)

嵌入式應(yīng)用程序一般直接存在板子上的Flash芯片中，根據(jù)應(yīng)用的不同可選用不同容量和速度的芯片，在這里選用的是Intel的同步FLASH 28F256L18，單片容量為32MB，采用1.8V 單電源供電，封裝形式為標(biāo)準(zhǔn)79腳的VF BGA，選用兩片并聯(lián)的方式，使FLASH的總線寬度達(dá)到32位。兩片F(xiàn)LASH的32條數(shù)據(jù)線分別連到PXA270的高16位地址和低16位地址上。

2.2   系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用TPS65020為PXA270供電，此解決方案除了高效率之外還可以提供業(yè)界最佳的瞬態(tài)響應(yīng)，且不會(huì)影響靜態(tài)電源電流和效率，是便攜設(shè)備處理器電源的理想解決方案。

2.2.1 TPS65020芯片簡(jiǎn)介

TPS65020是德州儀器推出的一款電源轉(zhuǎn)換芯片，該器件可以滿足基于XScale的多媒體設(shè)備的電源需要。TPS65020電源管理單元集成了高性能模擬構(gòu)建塊，可幫助由單節(jié)鋰離子(Li-ion)電池供電的應(yīng)用支持多種電壓。該器件帶有三個(gè)具備集成FET的同步降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器、三個(gè)線性穩(wěn)壓器(LDO)以及一個(gè)I2C通信接口，可實(shí)現(xiàn)全面的可編程性與內(nèi)核電壓的動(dòng)態(tài)縮放。

2.2.2 TPS65020供電原理

TPS65020包含的三個(gè)同步降壓轉(zhuǎn)換器在大負(fù)載電流時(shí)，一般運(yùn)行在1.5MHZ固定頻率的脈寬調(diào)制。在輕負(fù)載電流時(shí)，轉(zhuǎn)換器自動(dòng)進(jìn)入電源省電模式，并運(yùn)行在脈沖頻率調(diào)制。VDCDC1轉(zhuǎn)換器能傳送1.2A的輸出電流，VDCDC2轉(zhuǎn)換器能傳送1A的電流，VDCDC3轉(zhuǎn)換器能傳送800mA的電流。三個(gè)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓是由DEFDCDC1，DEFDCDC2，DEFDCDC3三個(gè)管腳分別來(lái)設(shè)置。本設(shè)計(jì)中將DEFDCDC1,DEFDCDC2,DEFDCDC3一并連接到VCC上，所以，VDCDC1,VDCDC2,VDCDC3的電壓分別為3.3V，2.5V，和1.55V。

LDO1默認(rèn)設(shè)置電壓是1.3V，LDO2默認(rèn)設(shè)置電壓是1.1V。它們分別為PXA270處理器的VCC-PLL和VCC-SRAM管腳提供電壓。PXA270處理器供電的典型配置如圖2所示。

圖2 Intel  PXA270處理器供電的典型配置

2.3   系統(tǒng)音頻輸入輸出設(shè)計(jì)

UCB1400是飛利浦半導(dǎo)體公司推出的專為液晶顯示器手持設(shè)備開發(fā)的混合信號(hào)音頻解碼/編碼芯片。在一個(gè)芯片上集成了音頻解碼/編碼功能、一個(gè)觸屏控制器和功率管理接口，UCB1400與英特爾音頻解碼/編碼器97 (AC'97) 元件規(guī)格2.1版本完全兼容，可與眾多嵌入式處理器的AC-Link主機(jī)控制器通信，如英特爾基于XScale微結(jié)構(gòu)的各系列處理器。

　　本系統(tǒng)采用PHILIPS公司生產(chǎn)的編/解碼芯片UCB1400與PXA270通過(guò)AC-LINK連接，輸出的信號(hào)通過(guò)芯片LM4800放大，再通過(guò)耳機(jī)實(shí)現(xiàn)音頻輸出設(shè)計(jì)。

2.4   系統(tǒng)10/100M自適應(yīng)網(wǎng)口設(shè)計(jì)

采用SMSC公司的LAN91C111自適應(yīng)以太網(wǎng)控制器芯片與PXA270通過(guò)控制總線，地址總線，和數(shù)據(jù)總線相連。

LAN91C111是專為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，其外圍相對(duì)比較簡(jiǎn)單，它與PXA270以及電磁耦合變壓器 TG110-S050N2、 RJ-45接口構(gòu)成嵌入式以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)10/100M自適應(yīng)網(wǎng)口設(shè)計(jì)。

2.5   系統(tǒng)觸摸屏設(shè)計(jì)

采用PHILIPS公司生產(chǎn)的UCB1400芯片與PXA270的AC97控制器連接，即可實(shí)現(xiàn)觸摸屏功能。

基于ARM核的 Intel XScale微體系結(jié)構(gòu)的處理器 PXA270中的AC97控制器與UCB1400通訊，可以實(shí)現(xiàn)觸摸屏上筆觸點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集。PXA270對(duì)UCB1400寄存器的地址進(jìn)行了映射，這樣可以通過(guò)PXA270的地址直接訪問(wèn) UCB1400的寄存器，讀取存在其中的筆觸點(diǎn)的各類數(shù)據(jù)值，整個(gè)實(shí)現(xiàn)過(guò)程簡(jiǎn)單、方便。

2.6   系統(tǒng)紅外接口設(shè)計(jì)

    PXA270的標(biāo)準(zhǔn)UART口集成有符合IrDA 1.0協(xié)議的紅外編、解碼器，將其與安捷倫SIR標(biāo)準(zhǔn)型紅外收發(fā)器HSDL-3600連接便可組成串口紅外通信系統(tǒng)。

2.7   系統(tǒng)視頻輸出設(shè)計(jì)

PXA270內(nèi)部集成了功能較強(qiáng)的LCD控制器，、驅(qū)動(dòng)器及輸入輸出緩沖。支持STN或TFT顯示，支持單色或幾種彩色像素格式，支持單或雙掃描面板顯示，支持每象素點(diǎn)18位、19位、24位和25位（bpp）。推薦的最大顯示分辨率是800x600?？删幊虥Q定插入等待狀態(tài)是在行首或者行末，可在52MHz－25.4KHz范圍內(nèi)編程顯示每象素點(diǎn)的時(shí)鐘頻率，也可編程設(shè)置幀時(shí)鐘、行時(shí)鐘和使能信號(hào)的極性。當(dāng)LCD功能不使能時(shí)，所有的輸入輸出管腳都可做為普通的I/O口來(lái)使用。

本系統(tǒng)通過(guò)寬溫高亮度LCD實(shí)現(xiàn)視頻輸出，把液晶屏的數(shù)據(jù)線與CPU的相應(yīng)引腳相連即可。采用北京技博科技有限公司生產(chǎn)的6.4寸寬溫高亮液晶顯示器（嵌入式）。分辨率：VGA（640×480），亮度：1200nits，工作溫度－40—70℃。

3    軟件實(shí)現(xiàn)

PXA270支持多種嵌入式操作系統(tǒng)，如Linux、Palm OS、Windows CE等。其中Windows CE是一個(gè)全新開發(fā)的模塊化的圖形用戶界面。支持多任務(wù)操作，支持多種 CPU，擁有良好通信能力。是一款高性能、高效率的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

Windows CE.net的開發(fā)主要包括兩個(gè)重要的方面，一個(gè)是內(nèi)核定制，一個(gè)是應(yīng)用程序的開發(fā)，Microsoft 公司提供了Microsoft Windows CE Platform Builder作為嵌入式操作系統(tǒng)定制的集成開發(fā)環(huán)境。Platform Builder集成開發(fā)環(huán)境（IDE）提供了所有進(jìn)行設(shè)計(jì)、創(chuàng)建、編譯、測(cè)試和調(diào)試Windows CE.net操作系統(tǒng)平臺(tái)的工具。它運(yùn)行在桌面Windows下，本系統(tǒng)所用的CPU為PXA270，選擇Platform Builder 5.0來(lái)開發(fā)。先通過(guò)交互式的環(huán)境來(lái)設(shè)計(jì)和定制內(nèi)核、選擇系統(tǒng)特性，然后進(jìn)行編譯和調(diào)試。也可以用Platform Builder來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)和應(yīng)用程序項(xiàng)目的開發(fā)等。Windows CE.net操作系統(tǒng)的開發(fā)步驟如下圖3所示。

圖3 Windows CE.net操作系統(tǒng)的開發(fā)步驟

4   結(jié)論

基于Intel XScale PXA270處理器與寬溫高亮度LCD技術(shù)相結(jié)合的嵌入式系統(tǒng)，運(yùn)行速度快，性能穩(wěn)定，功能擴(kuò)展方便，功耗低。

本文創(chuàng)新點(diǎn)：1.采用寬溫高亮度LCD實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的視頻輸出，可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)控制、航空、航海等領(lǐng)域以及超低溫等惡劣環(huán)境。2．系統(tǒng)采用TI的TPS65020電源管理芯片為處理器供電，完全解決了PXA270的供電問(wèn)題，是嵌入式處理器電源的理想解決方案之一。

 

參考文獻(xiàn)

[1] 魏雄，王仁波，林剛勇，付萍．基于PXA255的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2005，9：2420-2450。

[2] 周志敏，周紀(jì)海．開關(guān)電源軟啟動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］．電源世界，2004，12：29-45。

[3] 孔祥洪，李新慧，孫玉強(qiáng)．嵌入式系統(tǒng)中觸摸屏交互功能模塊設(shè)計(jì)［J］．微計(jì)算機(jī)信息，2006，12：15-17。

[4] 傅曦，陳黎，董磊，石衛(wèi)華．Windows CE 嵌入式開發(fā)入門——基于XScale 架構(gòu)［M］．人民郵電出版社，2006，99-127。