基于ARM9内核的软硬件平台设计

　　嵌入式应用系统设计包括硬件平台和软件平台两部分。前者是以嵌入式微控制器/微处理器为核心的硬件系统;后者则是围绕嵌入式操作系统构建的软件系统。两者在设计上是密不可分的，并且需要在设计之间进行权衡优化，根据实际应用进行外扩和裁剪。

　　基于ARM926EJS内核的LPC3180内部集成了丰富的外设资源，为嵌入式系统构建提供了很大的设计空间。本文结合笔者开发LPC3180嵌入式平台的实际经验，将具体介绍该系统的实现、结构组成和实验结果。

　　1 LPC3180芯片特性介绍

　　LPC3180 是Philips公司新推出的一款ARM9微控制器。它采用90nm工艺技术，片内集成ARM9EJS处理器内核，具有高计算性能、低功耗的特性，这使得在很多对功耗敏感的嵌入式应用场合中仍能使用高性能的ARM9微控制器。LPC3180内核正常工作电压为1.2V，在低功耗模式下可降至0.9 V;同时，LPC3180作为一款新型的32位微控制器，其新特性还包括：

　　◆ 片内集成向量浮点(VFP)协处理器。LPC3180的浮点运算单元有3条独立的流水线，支持并行单精度或双精度浮点加/减、乘/除以及乘累积运算，完全兼容IEEE754标准，适用于高速浮点运算场合。

　　◆ 片内集成USB OTG控制模块，同时支持与便携USB主设备或USB外设相连，可用于与PDA、读卡器和打印机等设备直接相连，而无需PC机介入。

　　◆ LPC3180采用多层的AHB总线系统，为各个主模块提供独立的总线，包括CPU的指令总线和数据总线、2套DMA控制器数据总线以及1套USB控制器数据总线。

　　LPC3180的内部架构如图1所示。

　　图1 LPC3180内部架构

　　LPC3180的其他特性包括： 内部集成MLC/SLCNAND控制器、SDR/DDR SDRAM控制器、SD卡接口，UART、SPI、I2C外围通信模块，以及高速/毫秒定时器、RTC、看门狗定时器、10位ADC等其他功能模块。

　　2 硬件平台设计

　　以LPC3180为核心的硬件平台设计框架如图2所示。

　　图2 LPC3180硬件平台设计框图

　　(1) 存储器系统

　　NAND Flash存储器。通过LPC3180内部集成的MLC/SLC NAND控制器直接外接多级或单级NAND Flash器件。本系统选用ST NAND256R3A，其32 MB存储空间可满足存放系统引导程序、嵌入式操作系统内核和文件系统的大小要求。

　　SDRAM存储器。系统选用2片16位MICRON SDRAM，并联构建32位SDRAM存储器系统。32 MB SDRAM空间，可满足嵌入式操作系统以及上层应用程序的运行要求。

　　SD卡插槽。系统通过LPC3180内部集成的SD卡接口，提供SD卡插槽，可用于SD存储卡外扩，作为外部存储空间。

　　(2) 外围通信接口

　　UART接口。LPC3180内部集成了标准UART模块和高速UART模块，符合550工业标准。系统外扩了UART1/7、UART2和UART5，用于实现基本的串行通信功能;同时，UART5可用于系统启动时的外部程序下载。

　　USB接口。LPC3180内部集成了USB host、USB device以及USB OTG控制器，通过外部USB收发模块Philips ISP1301外扩USB host接口A、USB device接口B以及USB OTG接口AB。

　　(3) 其他外围模块

　　系统通过I2C接口外扩了一个简易的字符型LCD显示模块，用于应用程序运行结果显示;同时，为了简化硬件系统设计，系统的以太网模块通过USB host接口A以软件方式实现外扩。

　　3 系统关键模块设计

　　3.1 NAND Flash存储器模块

　　LPC3180 内部集成了MLC/SLC NAND控制器，通过外部引脚可直接外接多级或单级NAND Flash器件，如图3所示。需要注意的是MLC和 SLC NAND控制器通过引脚复用，使用相同的接口与NAND Flash相连，且同一时刻只允许开启其中一个控制器，因此在系统上电后必须通过配置 FLASH_CTRL寄存器选择要使用的NAND控制器。在闲置状态时，也可通过写寄存器关闭NAND控制器，以降低功耗。NAND Flash存储器模块是整个系统主要的静态数据存储空间，用于存储系统启动过程中的加载程序，因此在LPC3180系统设计中是必不可少的。

　　图3 NAND Flash接口连接图

　　3.2 USB接口模块

　　LPC3180 内部集成USB控制模块，但不包括USB物理层，系统通过外接USB收发模块ISP1301实现USB的物理层接口。图4是USB接口连接图。 LPC3180内部通过AHB从设备总线配置USB控制器，可工作在全速(12 Mb/s)和低速(1.5 Mb/s)两种模式下。

　　图4 USB接口连接图

　　4 软件系统设计

　　软件系统组成包括系统引导程序Bootloader，嵌入式操作系统以及上层应用程序。其中Bootloader是运行于操作系统之前的引导程序，主要任务是完成系统启动之前必要的硬件初始化和操作系统加载;操作系统是整个嵌入式平台的核心程序，主要功能是高效地管理和分配底层硬件资源，并为上层应用程序提供与硬件细节无关的系统调用接口。

　　软件系统设计必须与硬件平台紧密结合。LPC3180采用NAND Flash作为整个系统的程序存储区域，在系统启动时通过片上ROM的bootstrap程序,从NAND Flash加载并执行外部引导程序来实现整个系统的启动步骤。因此，整个软件系统采取了图5所示的设计结构。

　　图5 软件系统结构框图

　　(1) 系统引导程序Bootloader

　　由于启动过程首先从片内的bootstrap程序开始，因此系统采取二级Bootloader设计，包括第一级Sibl和第二级Uboot。