ARM9微控制器LPC3180的軟硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

摘要 介紹以Philips LPC3180微控制器為核心的嵌入式軟硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)；對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件部分和軟件部分進(jìn)行詳細(xì)的分析，并針對(duì)LPC3180芯片特性著重討論了其軟件系統(tǒng)構(gòu)建以及系統(tǒng)啟動(dòng)流程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，LPC3180嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)結(jié)合片內(nèi)硬件浮點(diǎn)運(yùn)算單元，具有高性能的浮點(diǎn)運(yùn)算處理能力，可滿足復(fù)雜的嵌入式應(yīng)用場(chǎng)合的要求。 
關(guān)鍵詞 LPC3180 ARM9 軟硬件平臺(tái) 

      嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)兩部分。前者是以嵌入式微控制器/微處理器為核心的硬件系統(tǒng)；后者則是圍繞嵌入式操作系統(tǒng)構(gòu)建的軟件系統(tǒng)。兩者在設(shè)計(jì)上是密不可分的，并且需要在設(shè)計(jì)之間進(jìn)行權(quán)衡優(yōu)化，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行外擴(kuò)和裁剪。 

      基于ARM926EJS內(nèi)核的LPC3180內(nèi)部集成了豐富的外設(shè)資源，為嵌入式系統(tǒng)構(gòu)建提供了很大的設(shè)計(jì)空間。本文結(jié)合筆者開發(fā)LPC3180嵌入式平臺(tái)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，將具體介紹該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)組成和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
      
1  LPC3180芯片特性介紹 
     LPC3180是Philips公司新推出的一款A(yù)RM9微控制器。它采用90nm工藝技術(shù)，片內(nèi)集成ARM9EJS處理器內(nèi)核，具有高計(jì)算性能、低功耗的特性，這使得在很多對(duì)功耗敏感的嵌入式應(yīng)用場(chǎng)合中仍能使用高性能的ARM9微控制器。LPC3180內(nèi)核正常工作電壓為1.2V，在低功耗模式下可降至0.9 V；同時(shí)，LPC3180作為一款新型的32位微控制器，其新特性還包括： 

◆  片內(nèi)集成向量浮點(diǎn)(VFP)協(xié)處理器。LPC3180的浮點(diǎn)運(yùn)算單元有3條獨(dú)立的流水線，支持并行單精度或雙精度浮點(diǎn)加/減、乘/除以及乘累積運(yùn)算，完全兼容IEEE754標(biāo)準(zhǔn)，適用于高速浮點(diǎn)運(yùn)算場(chǎng)合。 
◆ 片內(nèi)集成USB OTG控制模塊，同時(shí)支持與便攜USB主設(shè)備或USB外設(shè)相連，可用于與PDA、讀卡器和打印機(jī)等設(shè)備直接相連，而無需PC機(jī)介入。 
◆ LPC3180采用多層的AHB總線系統(tǒng)，為各個(gè)主模塊提供獨(dú)立的總線，包括CPU的指令總線和數(shù)據(jù)總線、2套DMA控制器數(shù)據(jù)總線以及1套USB控制器數(shù)據(jù)總線。
      　　
    LPC3180的內(nèi)部架構(gòu)如圖1所示。

圖1  LPC3180內(nèi)部架構(gòu)
      　　
    LPC3180的其他特性包括： 內(nèi)部集成MLC/SLCNAND控制器、SDR/DDR SDRAM控制器、SD卡接口，UART、SPI、I2C外圍通信模塊，以及高速/毫秒定時(shí)器、RTC、看門狗定時(shí)器、10位ADC等其他功能模塊。
      
2  硬件平臺(tái)設(shè)計(jì) 
     以LPC3180為核心的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)框架如圖2所示。

        圖2  LPC3180硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)框圖 

（1）  存儲(chǔ)器系統(tǒng) 

NAND Flash存儲(chǔ)器。通過LPC3180內(nèi)部集成的MLC/SLC NAND控制器直接外接多級(jí)或單級(jí)NAND Flash器件。本系統(tǒng)選用ST NAND256R3A，其32 MB存儲(chǔ)空間可滿足存放系統(tǒng)引導(dǎo)程序、嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核和文件系統(tǒng)的大小要求。 

SDRAM存儲(chǔ)器。系統(tǒng)選用2片16位MICRON SDRAM，并聯(lián)構(gòu)建32位SDRAM存儲(chǔ)器系統(tǒng)。32 MB SDRAM空間，可滿足嵌入式操作系統(tǒng)以及上層應(yīng)用程序的運(yùn)行要求。
      　　
SD卡插槽。系統(tǒng)通過LPC3180內(nèi)部集成的SD卡接口，提供SD卡插槽，可用于SD存儲(chǔ)卡外擴(kuò)，作為外部存儲(chǔ)空間。
      
（2）  外圍通信接口 
UART接口。LPC3180內(nèi)部集成了標(biāo)準(zhǔn)UART模塊和高速UART模塊，符合550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)外擴(kuò)了UART1/7、UART2和UART5，用于實(shí)現(xiàn)基本的串行通信功能；同時(shí)，UART5可用于系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的外部程序下載。
      　　
USB接口。LPC3180內(nèi)部集成了USB host、USB device以及USB OTG控制器，通過外部USB收發(fā)模塊Philips ISP1301外擴(kuò)USB host接口A、USB device接口B以及USB OTG接口AB。 
      
（3）  其他外圍模塊 
     系統(tǒng)通過I2C接口外擴(kuò)了一個(gè)簡(jiǎn)易的字符型LCD顯示模塊，用于應(yīng)用程序運(yùn)行結(jié)果顯示；同時(shí)，為了簡(jiǎn)化硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的以太網(wǎng)模塊通過USB host接口A以軟件方式實(shí)現(xiàn)外擴(kuò)。
      
3  系統(tǒng)關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)
      
3.1  NAND Flash存儲(chǔ)器模塊 
    LPC3180內(nèi)部集成了MLC/SLC NAND控制器，通過外部引腳可直接外接多級(jí)或單級(jí)NAND Flash器件，如圖3所示。需要注意的是MLC和SLC NAND控制器通過引腳復(fù)用，使用相同的接口與NAND Flash相連，且同一時(shí)刻只允許開啟其中一個(gè)控制器，因此在系統(tǒng)上電后必須通過配置FLASH_CTRL寄存器選擇要使用的NAND控制器。在閑置狀態(tài)時(shí)，也可通過寫寄存器關(guān)閉NAND控制器，以降低功耗。NAND Flash存儲(chǔ)器模塊是整個(gè)系統(tǒng)主要的靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，用于存儲(chǔ)系統(tǒng)啟動(dòng)過程中的加載程序，因此在LPC3180系統(tǒng)設(shè)計(jì)中是必不可少的。

圖3  NAND Flash接口連接圖
      
3.2  USB接口模塊 
    LPC3180內(nèi)部集成USB控制模塊，但不包括USB物理層，系統(tǒng)通過外接USB收發(fā)模塊ISP1301實(shí)現(xiàn)USB的物理層接口。圖4是USB接口連接圖。LPC3180內(nèi)部通過AHB從設(shè)備總線配置USB控制器，可工作在全速(12 Mb/s)和低速(1.5 Mb/s)兩種模式下。


圖4  USB接口連接圖
     
 4  軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 
     軟件系統(tǒng)組成包括系統(tǒng)引導(dǎo)程序Bootloader，嵌入式操作系統(tǒng)以及上層應(yīng)用程序。其中Bootloader是運(yùn)行于操作系統(tǒng)之前的引導(dǎo)程序，主要任務(wù)是完成系統(tǒng)啟動(dòng)之前必要的硬件初始化和操作系統(tǒng)加載；操作系統(tǒng)是整個(gè)嵌入式平臺(tái)的核心程序，主要功能是高效地管理和分配底層硬件資源，并為上層應(yīng)用程序提供與硬件細(xì)節(jié)無關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用接口。
      　　
    軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須與硬件平臺(tái)緊密結(jié)合。LPC3180采用NAND Flash作為整個(gè)系統(tǒng)的程序存儲(chǔ)區(qū)域，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)通過片上ROM的bootstrap程序,從NAND Flash加載并執(zhí)行外部引導(dǎo)程序來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的啟動(dòng)步驟。因此，整個(gè)軟件系統(tǒng)采取了圖5所示的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

圖5  軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
     
（1）  系統(tǒng)引導(dǎo)程序Bootloader
     由于啟動(dòng)過程首先從片內(nèi)的bootstrap程序開始，因此系統(tǒng)采取二級(jí)Bootloader設(shè)計(jì)，包括第一級(jí)Sibl和第二級(jí)U?boot。

     其中Sibl是bootstrap加載并執(zhí)行的第一個(gè)引導(dǎo)程序，在程序大小上受到bootstrap加載的限制，因此設(shè)計(jì)上盡量做到了小型化和功能專一。它除了完成最基本的硬件初始化以外，主要功能是實(shí)現(xiàn)其他程序(包括U?boot)從NAND Flash的加載，完成下一級(jí)Bootloader運(yùn)行之前的內(nèi)存地址空間分布。
      　　
     第二級(jí)Bootloader采用功能強(qiáng)大的sourceforge開源軟件U?boot。U?boot的主要功能是完成嵌入式操作系統(tǒng)啟動(dòng)前的底層硬件初始化，并為L(zhǎng)inux內(nèi)核提供啟動(dòng)參數(shù)，最終引導(dǎo)操作系統(tǒng)Linux內(nèi)核啟動(dòng)。另外,為了實(shí)現(xiàn)程序鏡像文件編程寫入NAND Flash，U?boot嵌入了一個(gè)NAND子系統(tǒng)，通過U?boot的用戶命令行實(shí)現(xiàn)對(duì)NAND Flash的讀/寫操作，可將程序鏡像寫入NAND Flash指定的地址空間。
     
（2）  嵌入式操作系統(tǒng)
     LPC3180內(nèi)部集成了ARM926EJS處理器內(nèi)核，帶存儲(chǔ)器管理單元MMU，支持多數(shù)主流嵌入式操作系統(tǒng)。系統(tǒng)通過編寫板級(jí)支持代碼，移植了Linux2.6.10作為平臺(tái)操作系統(tǒng)，利用穩(wěn)定的Linux2.6內(nèi)核實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度、進(jìn)程管理、內(nèi)存管理等功能，同時(shí)，針對(duì)Linux的可配置性，對(duì)內(nèi)核進(jìn)行裁剪和硬件驅(qū)動(dòng)代碼添加，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)小型但功能強(qiáng)大的內(nèi)核程序，適應(yīng)了嵌入式系統(tǒng)存儲(chǔ)資源相對(duì)緊缺的狀況。
     
5  系統(tǒng)啟動(dòng)流程分析
   由上面的軟件結(jié)構(gòu)組成分析可知，整個(gè)系統(tǒng)啟動(dòng)流程分為3個(gè)步驟：
      　　
①  系統(tǒng)上電后，首先從片上ROM固化的bootstrap程序執(zhí)行。bootstrap用于完成外部引導(dǎo)程序下載并跳入執(zhí)行。bootstrap運(yùn)行過程首先讀輸入引腳GPIO_01。如果GPIO_01置為高，則從NAND Flash下載程序引導(dǎo)系統(tǒng)啟動(dòng)；如果置為低，則依次檢測(cè)USB接口和UART5接口，通過外部連接下載引導(dǎo)程序。系統(tǒng)通過設(shè)置GPIO_IO跳線來控制bootstrap啟動(dòng)過程，本例將GPIO_01置為高，從NAND Flash下載程序。
      　　
②  系統(tǒng)啟動(dòng)的第二階段是運(yùn)行bootstrap下載的引導(dǎo)程序Sibl。Sibl完成系統(tǒng)必要的初始化后，從NAND Flash加載鏡像程序到指定的SDRAM空間。鏡像程序在起始位置添加了64字節(jié)的頭信息，用于Sibl識(shí)別和加載，頭信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：
      struct image_header {
      　　uint32_tih_magic;/*鏡像頭信息同步字，Sibl通過該字識(shí)別程序*/
      　　uint32_tih_hcrc;/*鏡像頭信息CRC校驗(yàn)碼*/
      　　uint32_tih_time;/*存儲(chǔ)鏡像創(chuàng)建時(shí)間*/
      　　uint32_tih_size;/*鏡像數(shù)據(jù)大小*/
      　　uint32_tih_load;/*鏡像加載地址*/
      　　uint32_tih_ep;/*鏡像入口地址*/
      　　uint32_tih_dcrc;/*鏡像數(shù)據(jù)CRC校驗(yàn)碼*/
      　　uint8_tih_os;/*操作系統(tǒng)信息*/
      　　uint8_tih_arch;/*CPU體系結(jié)構(gòu)類型*/
      　　uint8_tih_type;/*鏡像類型*/
      　　uint8_tih_comp;/*壓縮類型*/
      　　uint8_tih_name[32];/*鏡像名稱*/
      }
      　　
    Sibl從NAND Flash起始地址開始搜索。如果讀到鏡像同步字ih_magic，則識(shí)別鏡像程序，并根據(jù)偏移地址讀取程序大小ih_size和加載地址ih_load，將程序加載到指定的SDRAM空間；加載完成后根據(jù)CRC校驗(yàn)碼ih_dcrc對(duì)SDRAM數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC檢測(cè)；最后根據(jù)鏡像類型ih_type判斷鏡像是否可執(zhí)行，若可執(zhí)行，則跳入鏡像入口地址ih_ep，否則Sibl繼續(xù)搜索NAND Flash鏡像程序。
      　　
    鏡像程序使用U-boot提供的工具mkimage添加頭信息，命令格式如下：
  
mkimage-A arch-O os-T type-C comp-a addr-e ep-n name-d data_file image

圖6  系統(tǒng)啟動(dòng)過程內(nèi)存空間分布圖
      　　
③   完成Sibl加載后，內(nèi)存空間分布如圖6所示，系統(tǒng)進(jìn)入啟動(dòng)流程的第三階段U-boot。U-boot完成Linux內(nèi)核鏡像的解壓縮和操作系統(tǒng)啟動(dòng)前的初始化，最終跳入內(nèi)核入口地址，完成對(duì)Linux的引導(dǎo)。
      
6  系統(tǒng)性能分析 
    系統(tǒng)構(gòu)建提供了一個(gè)完整的LPC3180嵌入式軟硬件平臺(tái)，下面對(duì)LPC3180浮點(diǎn)運(yùn)算能力進(jìn)行測(cè)試和分析。測(cè)試方法是使用一個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算密集的算法，用ADS編譯器分別編譯使能硬件VFP和軟浮點(diǎn)運(yùn)算兩個(gè)版本的測(cè)試程序，并在不同的CPU時(shí)鐘頻率下比較運(yùn)行時(shí)間，結(jié)果如表1所列。 

   分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得出結(jié)論：VFP協(xié)處理器在相同時(shí)鐘頻率下，提高了5倍左右的浮點(diǎn)運(yùn)算性能。因此，LPC3180平臺(tái)結(jié)合VFP協(xié)處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的浮點(diǎn)運(yùn)算密集算法。在微控制器中集成硬件浮點(diǎn)運(yùn)算單元，這使得微控制器的數(shù)據(jù)處理能力大大提高，能夠勝任多數(shù)的數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用。

       表1  浮點(diǎn)運(yùn)算結(jié)果


結(jié)語 
      本文介紹了以LPC3180微控制器為核心的嵌入式軟硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并測(cè)試、驗(yàn)證了LPC3180的浮點(diǎn)運(yùn)算性能。該平臺(tái)對(duì)于LPC3180的應(yīng)用開發(fā)具有借鑒意義。目前LPC3180在醫(yī)療器械、工業(yè)控制、POS機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
      
參考文獻(xiàn) 
[1]  LPC3180 User Manual. http://standardics.philips.com. 
[2]  ISP1301 User Manual. http://semiconductors.philips.com.