基于ARM嵌入式系統(tǒng)的PC／104總線設(shè)計(jì)

當(dāng)前已經(jīng)進(jìn)入嵌入式系統(tǒng)全面應(yīng)用時(shí)代，基于ARM處理器和嵌入式Linux的嵌入式系統(tǒng)以其設(shè)計(jì)靈活、軟硬件可裁剪、性能優(yōu)越、成本低等特點(diǎn)和優(yōu)勢，倍受設(shè)計(jì)者和使用者青睞。

        其在低功耗、低成本應(yīng)用領(lǐng)域確立了其市場領(lǐng)導(dǎo)地位;同時(shí)隨著x86架構(gòu)的不斷成熟和x86處理器的應(yīng)用范圍越來越廣，人們逐步開始認(rèn)識(shí)到其本身架構(gòu)的限制，在工業(yè)控制領(lǐng)域嵌入式ARM處理器將有望取代傳統(tǒng)的X86處理器。
　　

        PCI04總線是一種近年來在國際上廣泛流行的專門為嵌入式系統(tǒng)而定義的工業(yè)控制總線，被IEEE協(xié)會(huì)定義為IEEE-P996，該系列產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于通信設(shè)備、車輛導(dǎo)航、工程控制等各種領(lǐng)域。由于PC或PC/AT的主板和擴(kuò)展卡的尺寸及功耗標(biāo)準(zhǔn)都太大，。ISA總線不能滿足嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展的需要。PC/104作為從。ISA總線轉(zhuǎn)變而來的接口總線，主要是為了適應(yīng)嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的需要，但是這種早期的總線結(jié)構(gòu)是建立在Intel的x86架構(gòu)之上的，在ARM體系結(jié)構(gòu)下，還沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)可以提供對(duì)PC/104總線的支持，因?yàn)锳RM在體系架構(gòu)、總線時(shí)序、電氣性能等方面和x86都有很大的區(qū)別。本文將提出一種在ARM處理器上支持PC/104總線的解決方案。

　　l 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的工作原理：PC/104總線上的1/O和Memory各16 MB空間用nGCS2和nGCS3選通，分別映射到的S3C24lO存儲(chǔ)空間Bank2和Bank3的ROM/SRAM上。由于S3C24：10和CPLD在電平模式、制造工藝上都和PC/104總線標(biāo)準(zhǔn)有差異，故選用器件74LVHl62245做3.3～5 V電平轉(zhuǎn)換器Buffer的方式來調(diào)整電氣特性，進(jìn)行TTL電平和LVTTL電平的轉(zhuǎn)換，并增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力。PC/104總線上的8個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)IRQ[3：11]經(jīng)bairer直接連接到S3C：2410的EINT[O：7];將S3C2410地址線SAddr[1：23]通過Buffer直接連接到Pc/104總線的Addr[1：19]和LAddr[17：23]，.Addr0由控制器給出，當(dāng)總線為8位數(shù)據(jù)傳輸時(shí)有效。由于復(fù)雜可編程器件CPLD的集成度高，與專用集成電路相比，具有設(shè)計(jì)靈活、開發(fā)周期短、設(shè)計(jì)制造成本低、大大節(jié)省了硬件資源優(yōu)點(diǎn)，可選用他來做PC/104總線的控制器，主要是完成S3C2410讀寫時(shí)序向PC/104總線讀寫時(shí)序的轉(zhuǎn)換，對(duì)輸入控制信號(hào)譯碼，提供PC/104總線和S3C2410處理器的控制信號(hào)，同時(shí)產(chǎn)生PC/104所需要的時(shí)鐘信號(hào)。S3C2410數(shù)據(jù)總線D[O：15]經(jīng)CPLD輸出到Buffer(Buffer上的數(shù)據(jù)傳輸方向由控制信號(hào)Data dir控制)，連接到PC/104的數(shù)據(jù)總線上。因此總線控制設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是保證控制器CPLD的時(shí)序的正確。其原理框圖如圖1所示。

2 PC/104總線控制器的實(shí)現(xiàn)

　　2.1 PC/104總線簡介

　　PC/104模塊具有獨(dú)特的堆疊式總線擴(kuò)展方式、體積小、功耗低、可靠性高等特點(diǎn)，由J1/P1，64針單列雙排插針或插孔，和J2/P2，40針單列雙排插針或插孔組成，總共104根總線信號(hào)，PCI04因此得名;標(biāo)準(zhǔn)模塊的機(jī)械尺寸是3.6X3.8 in，即96X90 lnln。當(dāng)總線工作在16位的數(shù)據(jù)模式下，兒/P1和J2/P2引腳的信號(hào)都應(yīng)有效，在8位數(shù)據(jù)模式下，只有J1/P1引腳信號(hào)有效，J2/P2上的信號(hào)無效。104個(gè)引腳的組成：20根地址線;7根鎖存地址線;16根數(shù)據(jù)線;11個(gè)中斷請(qǐng)求;32根控制線;14跟地和電源線;2個(gè)key;1個(gè)8 MHz的BCLK和1個(gè)14 MHz的OSC;總線的工作電壓為5 V。PC/104總線的I/O讀寫時(shí)序如圖2所示。

2.2 ARM$3C2410處理器簡介

　　S3C2410是韓國三星電子公司的一款基入ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC嵌入式處理器，主要面向手持設(shè)備及高性價(jià)比、低功耗的應(yīng)用，最高工作頻率為203 MI-Iz。ARM920T核由ARM920TDMI、存儲(chǔ)管理單元(MMU)和高速緩存3部分組成。其中MMU可以管理虛擬內(nèi)存，高速緩存由獨(dú)立的16 kB地址和16 kB數(shù)據(jù)高速Cache組成，他支持嵌入式Linux，Windows ce等嵌入式操作系統(tǒng)。S3C2410將系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間分成8組(Bank)，每組的大小為128 M，共1 G。Bank0～Bank5的開始地址固定，用于ROM/SREM。Bank7的開始地址是Bank6的結(jié)束地址，靈活可變，其主要用于ROM/SRAM/SDRAM。S3C2410采用nGCS[7：0]8個(gè)通用的片選信號(hào)來選則這些組。讀寫時(shí)序圖如圖3所示。

2.3 PC/104總線控制器的設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)采用。Xilinx公司XC95144XL的CPLD，共144個(gè)引腳，其中可編程的引腳數(shù)117個(gè)，滿足PC/104總線控制器上輸入輸出控制信號(hào)數(shù)目的要求;器件正常工作電壓3.3 V，I/O端口的負(fù)載電流可達(dá)24 mA，延遲時(shí)間tpD=5 ns，工作頻率f=178 MHz，可與S3C2410的AHB總線的時(shí)鐘頻率HCLK匹配。VHDL是電子設(shè)計(jì)的主流硬件描述語言，具有很強(qiáng)的電路描述和建模的能力，從而大大簡化了硬件設(shè)計(jì)的任務(wù)，提高了設(shè)計(jì)的效率和可靠性，并在語言的易讀性和層次化結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方面，表現(xiàn)了強(qiáng)大的生命力和應(yīng)用潛力。Max+PlusⅡ界面友好，使用便捷。因此選擇用VHDL語言編寫有限狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)PC/104總線控制器，通過Max+P1usⅡ開發(fā)工具進(jìn)行邏輯波形驗(yàn)證。

　　2.3.1 控制器內(nèi)部狀態(tài)圖

　　在PC/104總線的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是總線控制器的實(shí)現(xiàn)，能否完成PC/104總線驅(qū)動(dòng)，關(guān)鍵在于控制器能否正常運(yùn)行。PC/104總線控制器的工作流程：控制器等待選通信號(hào)有效，如果nGCS有效則鎖存地址并保持ARM總線狀態(tài)，然后進(jìn)行讀寫操作判斷，最后把數(shù)據(jù)和相應(yīng)得控制信號(hào)加在PC/104總線上，完成操作后釋放ARM總線。其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖4所示。

2.3.2 I/o空間讀寫邏輯仿真波形

　　本設(shè)計(jì)的有限狀態(tài)機(jī)采用VHDL語言設(shè)計(jì)，主要完成PC/104總線控制器的狀態(tài)圖轉(zhuǎn)換，從邏輯仿真波形上看：ARM讀操作時(shí)，n0E信號(hào)有效(低電平)，從總線上讀人數(shù)據(jù)，同時(shí)使總線控制信號(hào)有效;寫操作時(shí)，nWE信號(hào)有效(低電平)，把數(shù)據(jù)直接寫到總線上，同時(shí)也使總線控制信號(hào)有效，圖5的仿真波形基本符合本設(shè)計(jì)的S3C24lO和PC/104總線讀寫時(shí)序要求。

　　3嵌入式Linux下的驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)

　　為了在Linux 2.6操作系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)本文所述的功能，必須為總線控制器提供一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序。在Linux中，所有的硬件設(shè)備都像常規(guī)文件一樣看待，他們可以使用和操作文件相同的，標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)行打開、關(guān)閉和讀寫。用戶程序通過相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用來訪問硬件設(shè)備，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的作用正是為這些系統(tǒng)調(diào)用提供接口。為了能對(duì)PC/104總線上的地址空間進(jìn)行隨機(jī)、連續(xù)訪問，把PC/104總線設(shè)計(jì)成塊設(shè)備。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序本質(zhì)上說就是一組相關(guān)函數(shù)的集合。在驅(qū)動(dòng)程序模塊化編程中，首先需要調(diào)用入口函數(shù)im-modLde()完成設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的初始化工作：利用函數(shù)

在系統(tǒng)中注冊(cè)和PC/104相關(guān)的幾個(gè)中斷，關(guān)聯(lián)中斷服務(wù)例程，并設(shè)置中斷等級(jí);利用函數(shù)setexternal irq(int irq，int edge，int pulIup)設(shè)置中斷的觸發(fā)模式，和是否利用處理器的內(nèi)部上拉;其中最重要的一個(gè)工作就是向內(nèi)核注冊(cè)設(shè)備，調(diào)用函數(shù)

注冊(cè)成功后，該設(shè)備獲得系統(tǒng)分配的主設(shè)備號(hào)、自定義的次設(shè)備號(hào)，并建立起與文件系統(tǒng)的關(guān)聯(lián);在本應(yīng)用中只需要定義write()、read()兩個(gè)文件操作，因此文件系統(tǒng)接口可定義為：

最后驅(qū)動(dòng)程序卸載時(shí)調(diào)用出口函數(shù)Clearnup rood-ule()，通過函數(shù)

放相應(yīng)的資源。

　　4 結(jié) 語

　　本文重點(diǎn)描述對(duì)PC/104控制器的設(shè)計(jì)，從滿足系統(tǒng)的時(shí)序要求出發(fā)，采用CPLD器件和VHDL語言完成對(duì)PC/104總線上信號(hào)的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)在嵌入式Linux環(huán)境下編寫驅(qū)動(dòng)程序，提供了一套完整的基于ARM嵌入式系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)PC/104總線的方案，該方案將在實(shí)踐應(yīng)用中進(jìn)一步驗(yàn)證和完善。本文成功地把工業(yè)控制計(jì)算機(jī)技術(shù)中的嵌入式PC/104總線結(jié)構(gòu)在S3C2410處理器上實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)具有體積小、功耗低，克服了傳統(tǒng)PC機(jī)的缺點(diǎn);采用CPLD通過VHDL語言實(shí)現(xiàn)PC/104總線控制器，縮短開發(fā)的成本和周期，提高了開發(fā)的靈活性。