基于S3C2410A處理器的嵌入式計算機平臺系統硬件研究

劉曉菲

（山東萬杰醫(yī)學院,淄博,255213）

0 引言

隨著計算機技術和電子技術的高速發(fā)展，嵌入式系統由于具備體積小、成本低、耗能少等優(yōu)點在很多領域得到了廣泛應用，應用嵌入式系統之后增強了設備的實時性和處理能力、可擴展性和智能化[1]。嵌入式系統的核心是微控制器，Advanced RISC Machines（ARM）生產的32位RISC處理器，具備功能強、特有16/32位雙指令集等性能，成為嵌入式解決方案中應用最廣泛的處理器[2]。嵌入式計算機系統由三部分組成：一是，軟件體系；二是，處理核心（處理器、存儲器）；三是根據系統的實際需要選擇的輸入/輸出、通信接口[3，4]。本文基于ARM9芯片S3C2410A，對嵌入式系統硬件部分進行了研究。

1 嵌入式技術的發(fā)展過程

最初的嵌入式系統是為了工業(yè)計算機而設計，Whirlwind是第一臺支持實時操作的計算機。隨著微電子工藝水平的提高，集成電路制造商開始把嵌入式應用所需要的微處理器I/O 接口、A/D、D/A轉換串行接口以及RAM、ROM通通集成到一個VLSI中，制造出面向I/O 設計的微控制器（單片機）。并根據各種不同的應用要求不斷改進工藝，提高運行速度，降低功耗。在微處理器出現的初期，為了保障嵌入式軟件的時間、空間效率，軟件也只能用匯編語言編寫。這樣嵌入式系統的開發(fā)只能由非常專業(yè)的計算機人才，用原始的工具來完成，其效率低、周期長。當前，由于微電子技術的進步，人們可以以微型硅組件為基礎，發(fā)展出許多可編程邏輯和微處理/控制器，搭配特定的操作系統或用戶接口，可以實現許多新的應用。

2 S3C2410A微處理器

S3C2410A性價比很高，是一款16/32位ARM9系列微處理器，內含一個16/32位ARM920T RISC處理器核，最高工作頻率可達266MHz[2]。它的內部還集成了很多資源，可以降低應用系統的設計成本。S3C2410A具備：LCD控制器（帶有DMA功能）；外部存儲控制器；2通道SPI和3通道UART；4通道DMA并帶有外部請求引腳；一個USB Device口，2個USB Host口；有24個外部中斷源，117位通用I/O口；8通道10位ADC和觸摸屏接口；1通道多主機ⅡC總線和1通道ⅡS總線控制器。

3 S3C2410A處理器技術的嵌入式計算機

由于嵌入式系統應用在不同的設備中，其必須具備較高的信息處理能力和數據通信的加密解密功能。計算機主機的信息處理能力除了具備CPU之外，還要具備存儲器。速度和容量適當的內存可以為嵌入式計算機最大處理能力的發(fā)揮提供支持。具備合適接口和容量的外存可以盡量縮小系統的體積，擴大嵌入式系統的存儲空間。所以，嵌入式計算機主機的內存可以根據需要選擇SRAM和SDRAM，外存可以選擇體積較小的硬盤驅動器或者是FLASH存儲器。此外，嵌入式系統硬件部分還應該具備多種接口，如USB接口、JTAG接口、以太網接口、串口等。在滿足計算機控制、計算、存儲等要求時，還應該具備重量輕、體積小、可移動性好、低功耗等特性，盡量降低系統復雜性，達到節(jié)能和可靠的目的。

圖1 基于S3C2410A處理器的嵌入式計算機主機開發(fā)版劃分

圖2 嵌入式計算機主機功能模塊

通過以上分析可知，基于S3C2410A處理器的嵌入式計算機平臺系統硬件開發(fā)版如圖1所示。

由上述的嵌入式系統硬件部分開發(fā)版可知，嵌入式系統硬件部分的功能模塊分為：核心處理模塊、I/O 設備與接口模塊、PCI模塊、電源管理模塊和時鐘模塊，具體如圖2所示。

4 嵌入式系統硬件部分的電路設計

4.1 電源部分設計

由于電源電路、復位電路和晶振電路比較簡單，連接之后即可正常進行工作。在本文設計的嵌入式計算機系統采用外部電源輸入直流9V，系統的供電比較復雜，需要不同等級的電壓。通過DC-DC將輸入的9V電源分別轉換成1.8V、3.3V和5V電壓，3.3V和1.8V為S3C2410微處理器和存儲電路等提供電源，5V和3.3V為LCD、以太網等接口提供電源。

4.2 FLASH接口電路調試

當前Nand Flash存儲器的性價比較高，因此主機中采用64 M Nand Flash存儲器。S3C2410A具備了一個“Steppingstone”內部SRAM緩沖器，可以從Nand Flash上執(zhí)行、引導程序。系統啟動時，Nand Flash存儲器開始進行存儲，自動將前面4KByte字節(jié)存入到Steppingstone中且系統自動執(zhí)行這些引導代碼。通常這4K的引導代碼先拷貝將Nand Flash中程序內容至SDRAM中，拷貝完畢之后跳轉到SDRAM執(zhí)行。通過S3C2410A的ECC功能可以實現Nand Flash數據的有效性檢測。

圖3 復位監(jiān)控電路

4.3 SDRAM電路

SDRAM由多個banks (體)組成,每個bank都是由存儲體按行、列排列組成的一塊存儲區(qū)。需要指定bank、行、列三部分地址才能選定芯片內某一指定的存儲單元[5]。SDRAM采用電容充放電的方式來保存數據信息,保存的數據會因為電容的漏電而導致丟失,因此SDRAM需要不斷刷新才能確保不丟失數據。本系統中采用兩片HY57V561620型號的SDRAM，構建32位的SDRAM存儲系統。

當系統啟動時，主機部分的微處理器S3C2410A在復位地址0x0先對代碼進行自動讀取，系統完成初始化，正常啟動，將程序代碼調至SDRAM中，這樣可以降低系統的負荷，提高系統運行速度，SDRAM中還能存儲一些系統的運行數據。HY57V561620容量為4Bank×4M×16Bit，兼容LVTTL電平。HY57V561620的A0-A12分別和S3C2410A地址線的A2-A14相連接。S3C2410A的LnGCS6和片選線CS相連接，控制線中WE和LnWE相連接，基址為0x0c000000。段選引腳BA0用ADDR24、BA1用ADDR25來控制。另外，它還需要行/縱地址命令RAS/CAS，S3C2410分別用Ln SRAS/Ln SCAS來控制它們。HY57V561620還有兩條控制線UDQM和LDQM，它們的作用是對讀寫緩沖進行控制。在讀模式下，UDQM和LDQM控制輸出緩沖，當它們?yōu)榈碗娖綍r，使能相應緩沖字節(jié)，為高電平時，輸出呈高阻態(tài)；在寫模式下，LDQM和UDQM控制輸入緩沖，低電平使能，數據能被寫入存儲器，高電平時數據被屏蔽，不能被寫入。

4.4 以太網電路

由于S3C2410A內部不具備以太網控制器，所以，需要采用專門的以太網控制器對其進行控制，實現控制電路。在設計的嵌入式計算機主機中以太網電路的控制由三部分組成：以太網芯片、RJ45接口和網絡隔離器。以太網芯片選擇DM9000AEP，該芯片可以提供通用的處理器接口，它內部集成了PHY和MAC，能夠提供10/100Mbps的PHY接口。它提供的內部存儲數據訪問接口有8位和16位，并且其內部還含有4K的Dword SRAM。嵌入式計算機主機中選擇的隔離變壓器芯片為HR601680。

DM9000AEP的RX-、RX+和TX-、TX+都是差分信號引腳，RX-、RX+用來接收信號，TX-、TX+用來發(fā)送信號。這些引腳和隔離變壓器的相對應引腳相互連接，通過隔離變壓器變換后再和RJ45端口的相對應引腳相連，這樣就實現了以太網的物理層通路。

4.5 復位電路和時鐘電路

各個單元模塊進入正常的工作狀態(tài)，需要進行可靠復位，復位分為手動復位和上電復位。如果電源電壓不穩(wěn)定，計算機主機就會進行非正常復位，此時，因為復位時間不充足可能會造成一些錯誤，嚴重時出現死機，因此，需要設計復位監(jiān)控電路。復位監(jiān)控電路如圖3所示。

時鐘電路用來向CPU和其他的電路提供工作時鐘，S3C2410A需要兩路時鐘輸入，一路為RTC提供電路，另一路是CPU工作時鐘輸入。根據S3C2410A的PLL電路工作方式和最高工作頻率，選擇的無源晶振為12MHz。經過RAM片內的PLL電路倍頻，晶振頻率可達到需求的頻率。此外，片內的PLL電路還具備提純信號和放大頻率的功能，所以嵌入式計算機主機可以通過較低的外部時鐘信號得到比較高的工作頻率，這樣高速開關時鐘形成的高頻噪聲會降低。

4.6 串口連接總線

在嵌入式計算機系統的實際應用中，串口具備非常重要的作用，比如控制一些外圍設備、調程序，向Flash中寫鏡像文件等，還可對其進行擴展形成紅外接口。S3C2410A UART（Universal Asynchronous Receiver and Transmitter）可以提供3個相互獨立的異步串口，都可以在DMA模式或者是中斷模式中應用。支持的最高數據傳輸率可以達到115.2K bps。串口連接電路采用兩個MAX3232C芯片，一邊和標準串口插座相接，另一邊和S3C2410A相連的數據線和控制線等相接。需要注意的是在芯片的連線中串聯一些電阻，用來做阻抗匹配，并相應的降低傳輸線路的Q值。

5 嵌入式計算機的應用前景

隨著嵌入式系統的應用越來越廣泛，對其研究也越來越重視。本文以S3C2410A處理器為核心，研究了嵌入式系統硬件部分，并提出了比較完整的方案，設計了電源部分，同時系統擴展了FLASH和SDRAM及各部分電路、接口，使用時可以對其進行適當的裁剪，完成需要的系統。

隨著信息化和網絡化的發(fā)展，本文研制的嵌入式計算機系統將會有更加寬廣的應用前景和發(fā)展空間。當前，嵌入式計算機的應用數量顯著高于各種通用計算機，僅一臺通用計算機的外部設備中包含的嵌入式微處理器的數量就高達5-10千個。嵌入式計算機未來的應用領域將包括：網絡、過程控制、制造工業(yè)、軍事裝備、航空、船舶、航天、消費類產品、儀器、汽車、儀表、通訊等。比如在工業(yè)方面，嵌入式技術可以提高機器人的自動化程度，嵌入式技術和數據處理技術、傳感技術、遙控技術相結合，可以提高機器人的勞動強度、處理速度和反應速度等，未來的工廠將會應用很多工業(yè)生產機器人取代昂貴的人力資源。在軍事方面，應用嵌入式計算機系統未來可以實現最小的最容易攜帶的最小化作戰(zhàn)單元和士兵應用的智能識別系統。美國曾經宣布，在2015年陸地作戰(zhàn)中全部使用應用嵌入式技術的機器人。在消費電子方面，應用計算機嵌入式系統將會逐漸形成有助于實現人機互動的家庭網絡總線，所有家用設備和總線相連接，通過家中的電腦或者智能的控制終端對其進行控制，在未來，人們可以實時控制空調的運行狀態(tài)和電飯鍋煮飯的進度等很多事根據自己的意愿隨時進行操控。

參考文獻

[1]李伯成．單片機及嵌入式．北京：清華大學出版社，2008．09，l-5．

[2]李巖，韓勁松，孟曉英等．基于ARM嵌入式系統接口技術．北京：清華大學出版社，2009．01，325-354．

[3] 程昌南，方強． ARM Linux入門與實踐[ M].北京：北京航空航天大學出版社,2008.

[4]王宇行.A R M 程序分析與設計[M]．北京：北京航空航天大學出版社， 2008．

[5]劉彥文.嵌入式系統原理及接口技術[M].清華大學出版社,2011:169-171.