基于ARM920T設(shè)計(jì)的SMC接口研究與PC/104總線(xiàn)仿真

摘要：通過(guò)分析920T核ARM 處理器的高速片上系統(tǒng)總線(xiàn)AHB時(shí)序及其靜態(tài)存儲(chǔ)控制器SMC接口模型，研究IBM PC／AT和IEEE PC／104總線(xiàn)規(guī)范，提出一種在ARM 平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)兼容PC／104總線(xiàn)的方案．深入探討兩種平臺(tái)體系在存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)及總線(xiàn)時(shí)序等方面的巨大差異，給出了克服這些差異并實(shí)現(xiàn)總線(xiàn)功能兼容的方法．該兼容總線(xiàn)解決了在ARM 平臺(tái)上無(wú)法使用標(biāo)準(zhǔn)PC／104模板的難題，采用該方案有利于在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中兼取ARM 處理器和PC／AT體系的優(yōu)勢(shì)．         

引 言

     PC／104 是一種專(zhuān)門(mén)為嵌入式應(yīng)用而定義的工業(yè)控制總線(xiàn)規(guī)范．以IBM PC／AT總線(xiàn)規(guī)范為基礎(chǔ)的個(gè)人計(jì)算機(jī)及其外圍設(shè)備在應(yīng)用上取得了巨大的成就，IEEE一996稱(chēng)之為ISA(工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)：Industry Standard Architecture)總線(xiàn)．PC／104是ISA標(biāo)準(zhǔn)的延伸，定義在IEEE-P996．1中，稱(chēng)為兼容PC嵌入式模塊標(biāo)準(zhǔn)．PC／104實(shí)質(zhì)上是一種緊湊型的ISA，其信號(hào)定義和Pc／AT基本一致，但電氣和機(jī)械規(guī)范卻完全不同，是一種優(yōu)化、小型、堆疊式結(jié)構(gòu)的嵌入式總線(xiàn)系統(tǒng)．PC／104總線(xiàn)來(lái)自于實(shí)踐發(fā)展的需要，同時(shí)得益于PC技術(shù)的迅速發(fā)展，由于其開(kāi)發(fā)環(huán)境友好、兼容芯片豐富、標(biāo)準(zhǔn)支持廣泛等優(yōu)勢(shì)，受到了眾多從事嵌入式產(chǎn)品生產(chǎn)商和系統(tǒng)集成商的歡迎，盡管現(xiàn)在ISA設(shè)備已不常見(jiàn)，但PC／104在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域卻仍是通行的標(biāo)準(zhǔn)．

ARM是當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中的熱門(mén)技術(shù)．由于ARM處理器的卓越性能、較低的價(jià)格以及業(yè)內(nèi)半導(dǎo)體廠商的廣泛支持，在嵌入式環(huán)境中有廣泛的應(yīng)用．ARM 公司創(chuàng)造了CHIPLESS模式，該公司通過(guò)將高效的ARM 內(nèi)核授權(quán)給半導(dǎo)體公司，由半導(dǎo)體公司根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用情況加上各種外圍的功能電路來(lái)構(gòu)成一塊完整的芯片，這種模式使半導(dǎo)體廠商得以有能力生產(chǎn)功能強(qiáng)大的各種專(zhuān)用處理器芯片．AR M在設(shè)計(jì)上基于SoC思想，優(yōu)先考慮對(duì)每一個(gè)具體應(yīng)用使用最大可能集成周邊設(shè)備的單一芯片，但在板極擴(kuò)展方面仍然缺乏能被廣泛接受的新工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)．

1 PC／AT模型和PC／104總線(xiàn)

1．1 總線(xiàn)信號(hào)

   PC／104_4 ]是一種16位總線(xiàn)，但可向前兼容8位XT模式，典型總線(xiàn)時(shí)鐘為8 MHz，4個(gè)時(shí)鐘脈沖可完成一次完整的總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)，必要時(shí)可插入一個(gè)額外的等待周期以適應(yīng)低速外設(shè)．在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中常用以下信號(hào)．

1．1．1 地址和數(shù)據(jù)信號(hào)線(xiàn)

  BALE總線(xiàn)地址鎖存使能信號(hào)線(xiàn)，由平臺(tái)CPU驅(qū)動(dòng)．當(dāng)ISA擴(kuò)展卡或DMA控制器占用總線(xiàn)時(shí)，它也被置為邏輯1．

SA~19：O>：低2O根地址信號(hào)線(xiàn)，由當(dāng)前總線(xiàn)的擁用者驅(qū)動(dòng)．

LAd 23：17> ：鎖存地址信號(hào)線(xiàn)，用來(lái)訪(fǎng)問(wèn)16MB的存儲(chǔ)器地址空間．由當(dāng)前總線(xiàn)擁有者或DMA控制器驅(qū)動(dòng)．

SD<15：0> ：數(shù)據(jù)信號(hào)線(xiàn)．

1．1．2 總線(xiàn)周期控制信號(hào)線(xiàn)

MEMR#：存儲(chǔ)器讀信號(hào)線(xiàn)．

MEMW #：存儲(chǔ)器寫(xiě)信號(hào)線(xiàn)．

IOR#：I／O I／O讀信號(hào)線(xiàn)．

IOW #：I／O I／O寫(xiě)信號(hào)線(xiàn)．

1．1．3 中斷和DMA(Direct Memory Access)信號(hào)線(xiàn)

IRQx：中斷請(qǐng)求信號(hào)線(xiàn)．

DRQx：DMA請(qǐng)求信號(hào)線(xiàn)．

DACKx#：DMA應(yīng)答信號(hào)線(xiàn)．

1．2 地址空間

    PC／AT系統(tǒng)使用不同的指令訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器空間和IO端I：1空間，訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器空間時(shí)PC／104總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)MEMR#和MEMW#信號(hào)，訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器空間時(shí)PC／104總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)IOR#和IOW #信號(hào)．兩個(gè)空間使用同一套地址線(xiàn)，但是由于端口空間只有64K有效，所以進(jìn)行IO 端口訪(fǎng)問(wèn)時(shí)地址線(xiàn)上只有SA<15：O>是有效的．

    PC／AT系統(tǒng)有專(zhuān)門(mén)的端口訪(fǎng)問(wèn)指令用于實(shí)現(xiàn)端口訪(fǎng)問(wèn)，Linux用戶(hù)程序只需以root權(quán)限調(diào)用ioperm()指定需操作的端口地址范圍，之后即可自由訪(fǎng)問(wèn)這些端口．由于用于訪(fǎng)問(wèn)端口的一組宏實(shí)際上直接對(duì)應(yīng)CPU的端口訪(fǎng)問(wèn)指令，所以存取效率很高．

1．3 PC／104總線(xiàn)周期

PC／104總線(xiàn)周期分為CPU驅(qū)動(dòng)和DMA控制器驅(qū)動(dòng)兩大類(lèi)，在嵌入式應(yīng)用中較常用的是CPU驅(qū)動(dòng)的IO讀／IO寫(xiě)周期．

 

 

圖1中采用8 MHz時(shí)鐘的標(biāo)準(zhǔn)PC／104總線(xiàn)￡Rd大于300 ns，tAF應(yīng)大于250 ns，tRDpw約為500 ns。[!--empirenews.page--]

2 EP9315(ARM920T)體系

2．1 存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)和地址空間

     EP9315是Cirrus Logic公司生產(chǎn)的典型ARM 920 TDM I(Thumb，Debug，M ultiply，Em—bedded ICE macrocel1)32位哈佛結(jié)構(gòu)處理器．EP9315有一個(gè)通用存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)接口，支持SDRAM，SRAM，ROM，及FLASH(包括N0R FLASH)等不同形式的存儲(chǔ)器，各種存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)均共享數(shù)據(jù)總線(xiàn)DA[3l：O]和地址總線(xiàn)AD[Z5：o]，使用統(tǒng)一的訪(fǎng)問(wèn)控制邏輯 。

    與X86模型不同，ARM 平臺(tái)只實(shí)現(xiàn)一個(gè)物理地址空間，在Bo0T成功后只擁有一個(gè)唯一的虛地址空間，CPU不設(shè)立專(zhuān)門(mén)的外設(shè)I／O指令，訪(fǎng)問(wèn)外設(shè)I／O端口和內(nèi)存單元使用相同的指令．

   引腳CSn[7：6]和CSn[3：O]用于存儲(chǔ)器芯片的選通，除發(fā)生時(shí)間略有差異之外(圖2)，基本上可視為地址總線(xiàn)的高位線(xiàn)．

2．2 AHB總線(xiàn)時(shí)序和SRAM 接口

   AHB(Advanced High-Speed Bus)是EP93 1 5內(nèi)部920T核與存儲(chǔ)器、DMA，存儲(chǔ)器等設(shè)備實(shí)現(xiàn)高速互聯(lián)的系統(tǒng)總線(xiàn)．EP9315的AHB具有完善的多主控沖突仲裁能力，其典型工作頻率可達(dá)100 MH。

靜態(tài)存儲(chǔ)控制器SMC(Static Memory Controller)與920T核心通過(guò)AHB互聯(lián)，支持存儲(chǔ)器的8／16／32位訪(fǎng)問(wèn)方式．SMC最多可提供8個(gè)組，每個(gè)組均可支持SRAM，ROM，F(xiàn)LASH EPROM 等存儲(chǔ)器的訪(fǎng)問(wèn)，各組可以對(duì)數(shù)據(jù)總線(xiàn)寬度和速度等參數(shù)獨(dú)立配置．圖2描述了SRAM 讀操作時(shí)序．

 

 

圖中f刪為CSn到RDn的延遲，最大值為3 ns；tDAs是RDn無(wú)效前的數(shù)據(jù)總線(xiàn)建立時(shí)間，最小值為12+tHcI tRDD 是RDn有效時(shí)間，典型值為t HcI K×(W ST1+ 2)。

HCLK是AHB總線(xiàn)的工作頻率，該頻率的高低直接影響系統(tǒng)全局性能，因此通常配置為上限100 MHz，此時(shí)相應(yīng)周期￡脅 為10 ns．WSTI用于控制sMc對(duì)SRAM／R0M 的訪(fǎng)問(wèn)速度，寄存器SMCBCR0—3， SMCBCR6-7 (地址0x80080000—0x8008001C)的第5-9位分別為相應(yīng)各組的WST1．WST1的默認(rèn)值為0xlF，即默認(rèn)情況下SMC使用

最低的訪(fǎng)問(wèn)速度，顯然fRDD 為330 ns，小于PC／104總線(xiàn)中的500 ns(圖1)．

3 PC／104總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)

3．1 總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)

    在EP9315支持的各類(lèi)總線(xiàn)接口邏輯中，SMC提供的SRAM／ROM 時(shí)序與PC／104總線(xiàn)最為接近．將外部設(shè)備所需的PC端口空間和存儲(chǔ)器空間均映射至統(tǒng)一的虛擬空間中即可實(shí)現(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)．

  注意到PC／104總線(xiàn)使用標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平，而EP9315的處理器是3．3 V器件，在極端負(fù)載情況下無(wú)法保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作．TI的雙電源總線(xiàn)收發(fā)器1T45，2T45，16T245等可用于實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，圖3是1T45的引腳邏輯圖．

 

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地址總線(xiàn)及訪(fǎng)問(wèn)控制信號(hào)均由CPU驅(qū)動(dòng)，外部設(shè)備始終處于被動(dòng)接收狀態(tài)，正確設(shè)定數(shù)據(jù)流向即可．

數(shù)據(jù)總線(xiàn)信號(hào)是時(shí)分雙向傳輸?shù)?，為遍免出現(xiàn)總線(xiàn)沖突，必須保證除非CPU 透過(guò)該收發(fā)器對(duì)外設(shè)進(jìn)行讀訪(fǎng)問(wèn)，否則收發(fā)器的CPU 側(cè)應(yīng)始終處于高阻狀態(tài)．為此，16T245等具有輸出使能端的器件只需使輸出無(wú)效即可，而對(duì)于無(wú)使能端的收發(fā)器則應(yīng)使CPU側(cè)處于輸入狀態(tài)(高阻)．

確認(rèn)CPU 已向兼容PC／104總線(xiàn)發(fā)起讀操作的有效方法是檢查RDn的下降沿是否發(fā)生．一旦RDn下降，應(yīng)立即將收發(fā)器置成從外設(shè)流向CPU方向，且輸出使能有效，并至少保持至RDn上升沿之后，以保證可靠讀取．

3．2 端口映射

    SMC的存儲(chǔ)器分組片選信號(hào)CSn可作為高位地址線(xiàn)參加這址譯碼．任取CSi和CSj組用于兼容總線(xiàn)，即可分別實(shí)現(xiàn)O-0x3FFFFFF的獨(dú)立存儲(chǔ)器地址和IO端口地址．可用地址數(shù)量已經(jīng)遠(yuǎn)超出XT系統(tǒng)中的1 M(存儲(chǔ)器)和1 K(IO端口)．

    在Linux系統(tǒng)中，io．h文件中聲明了函數(shù)iore—map()，用于將兼容總線(xiàn)上外部資源的物理地址映射到核心虛地址空間中．iounmap()函數(shù)用于取消ioremap()所做的映射．上述操作都應(yīng)在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中執(zhí)行．在外部資源成功映射到核心虛地址后，使用指向核心虛地址的指針就可訪(fǎng)問(wèn)相應(yīng)設(shè)備資源，但顯然這種訪(fǎng)問(wèn)方式與在X86平臺(tái)下差異較大．

    將兼容總線(xiàn)視為一個(gè)獨(dú)立的字符設(shè)備，為其編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)指定偏移地址的讀寫(xiě)函數(shù)，此處的偏移地址即對(duì)應(yīng)PC／104總線(xiàn)中的物理地址 ．

    對(duì)inb()，outb()等X86平臺(tái)下的常見(jiàn)的底層端口操作函數(shù)，可用宏替換的方式轉(zhuǎn)由驅(qū)動(dòng)中的相應(yīng)讀寫(xiě)函數(shù)實(shí)現(xiàn)．

3．3 總線(xiàn)時(shí)序控制

    綜合前文所述，盡管SMC的SRAM 訪(fǎng)問(wèn)時(shí)序非常接近PC／lO4總線(xiàn)，但是要實(shí)現(xiàn)高兼容性的PC／lO4，仍有兩方面問(wèn)題需要解決，一是SMC驅(qū)動(dòng)的SRAM 讀寫(xiě)速度遠(yuǎn)高于PC／104總線(xiàn)，二是為解決電平兼容問(wèn)題引入的總線(xiàn)收發(fā)器，其數(shù)據(jù)流向和輸出使能需要適當(dāng)?shù)目刂疲?/p>

    以下VHDL代碼根據(jù)SMC輸出的RDn和WRn設(shè)置EIOR和EIOW 時(shí)序，并適時(shí)輸出信號(hào)EXIDR，EXOE控制收發(fā)器數(shù)據(jù)流向和輸出使能．

ECLK是頻率為27 MHz是時(shí)鐘脈沖．

If ECLK’EVENT and ECLK一‘1’then

if(⋯ )then __地址無(wú)效

EXoE< 一：1’；

EXDlR< 一‘1’；

EIOR< 一‘1’；

rdreg< 一0；

else

if rdreg< 1 l then

rdreg< 一rdreg+ 1；

EXOE< 一‘0’；

else

rdreg< 一0；

EXDIR< 一‘1’；

EXoE< 一‘1’；[!--empirenews.page--]

end if；

if rdreg< 2 or rdreg> 6 then

EIOR< 一‘1’；

EIOW < 一‘1’；

elsif rdreg一2 or rdreg= 3 then

if RDn一‘1’then

EIOR< 一‘1’；

EXDIR< 一‘1’；

elsif W Rn一‘1’then

EIOW < 一‘0’；

EXDIR< 一‘1’；

end if；

end if；

上述代碼適當(dāng)延遲了關(guān)閉雙電源收發(fā)器的輸出使能和數(shù)據(jù)流向重設(shè)時(shí)間，保證數(shù)據(jù)總線(xiàn)穩(wěn)定，使CPU 和外設(shè)有足夠的時(shí)間進(jìn)行輸入輸出操作．

圖4中曲線(xiàn)2是兼容PC／104地址空間內(nèi)任意地址信號(hào)經(jīng)收發(fā)器緩沖后的譯碼結(jié)果，曲線(xiàn)1和曲線(xiàn)3是對(duì)該地址進(jìn)行讀操作時(shí)的RDn和IOR信號(hào)．

圖4中RDn由EP9315直接驅(qū)動(dòng)，原始邏輯電平為3．3 V，實(shí)驗(yàn)電路對(duì)該信號(hào)電平進(jìn)行了無(wú)時(shí)延的處理．

目前主流元器件在速度上都已能兼容PCI總線(xiàn)，因此盡管SMC驅(qū)動(dòng)的SRAM 讀寫(xiě)速度高于標(biāo)準(zhǔn)PC／104總線(xiàn)，但只要保證各控制信號(hào)問(wèn)關(guān)系清晰(圖4b)，是不會(huì)造成總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)失敗的．

4 結(jié)束語(yǔ)

    利用ARM 系統(tǒng)成本較低，功耗更小，啟動(dòng)速度快，指令效率高的的特點(diǎn)，兼取PC／AT系統(tǒng)和PC／104總線(xiàn)設(shè)備在產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)方面的優(yōu)勢(shì)，在ARM平臺(tái)上構(gòu)建PC／104總線(xiàn)，有助于利用現(xiàn)有資源，保護(hù)已有投資．由于ARM 與PC／AT模型在處理器架構(gòu)上有本質(zhì)性的差異，在ARM 平臺(tái)上構(gòu)建的PC／104總線(xiàn)在所有的具體應(yīng)用中要做到與標(biāo)準(zhǔn)PC/104規(guī)范完全兼容幾乎是不可能，但是在特定的應(yīng)用需求及確定的操作系統(tǒng)下這種努力是完全可行并且有效的。對(duì)于特定的應(yīng)用而言，通常只需顧及PC/104總線(xiàn)時(shí)序的一個(gè)子集，這就大大降低了系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)的難度。兼容PC/104總線(xiàn)在使用遵守ISAPnP(Plug and Play)規(guī)范的設(shè)備時(shí)有較多的困難。另外在使用包含中斷請(qǐng)求和DMA需求的設(shè)備時(shí)也需要專(zhuān)門(mén)的考慮。