基于EP9312的銀稅類嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案
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1 嵌入式系統(tǒng)的概念與特點(diǎn)
嵌入式系統(tǒng)結(jié)合微處理器或微控制器的系統(tǒng)電路與其專屬軟件，達(dá)到系統(tǒng)操作效率的最高比，這里把嵌入式系統(tǒng)定義為一個(gè)體積較小的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（與pc機(jī)相比），由于其體積較小，因此軟硬件結(jié)構(gòu)和應(yīng)用范圍與pc機(jī)相比有較大的不同，其特性可歸納為下列四項(xiàng)：
（1）通常執(zhí)行特定功能；
（2）以微電腦與外圍構(gòu)成核心；
（3）嚴(yán)格的時(shí)序與穩(wěn)定性要求；
（4）全自動操作循環(huán)。
嵌入式系統(tǒng)具有目的性或針對性，其開發(fā)是圍繞著產(chǎn)品和產(chǎn)品的特定功能來進(jìn)行的。它必須最大限度的在硬件和軟件上"量身訂作"以提高效率[1]，本文設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)主要用于金融和稅務(wù)類產(chǎn)品。
2 總體設(shè)計(jì)
2.1 cpu的選擇
本文采用的是cirrus logic公司的嵌入式處理器ep9312[1]。
ep9312是一款arm9系列的處理器，arm9系列是高性能和低功耗特性方面最佳的硬宏單元，它具有五級流水線，并提供1.1mi/s/mhz的哈佛結(jié)構(gòu)，而其前代產(chǎn)品arm7系列處理器則具有嵌入式ice-rt邏輯，功耗非常低，并提供0.9mi/s/mhz的三級流水線和馮.諾依曼結(jié)構(gòu)。因?yàn)楸局饕糜陂_發(fā)先進(jìn)的計(jì)算機(jī)終端，機(jī)頂盒、高端打印機(jī)等產(chǎn)品，所以需要較快的運(yùn)算速度，而arm7主要用于對價(jià)位和功耗敏感的消費(fèi)類產(chǎn)品，并且其運(yùn)算速度相對較慢，所以本設(shè)計(jì)系統(tǒng)選擇arm9系列[2]，在arm9系列cpu中還有ep9307和ep9315。ep9307與ep9312的功能構(gòu)造基本相同，只少了1個(gè)ide接口，但多了圖形加速的功能，由于金融稅務(wù)類產(chǎn)品大多需要較多的gpio，而與ep9307相比，ep9312可以很容易地設(shè)計(jì)出較多的gpio。ep9315在ep9312擁有的功能上再增加了pcmcia接口和圖形加速功能，但這并不是金融稅務(wù)類產(chǎn)品所必需的功能，綜合考慮之后，本系統(tǒng)選擇了ep9312。
2.2 技術(shù)指標(biāo)
經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)研并基于產(chǎn)品成本考慮，嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)如下所述：
cirrus logic公司的ep9312作為主處理器；
32mb flash使用nor flash；
64mb sdram；
顯示格式：西文：24×12點(diǎn)陣，中文：24×24點(diǎn)陣，26行，80列，或者西文：16×8點(diǎn)陣，中文：16×16點(diǎn)陣，26行，80列；
800×600×16bpp、1024×768×16bpp多種tft顯示模式，支持單掃描或雙掃描；
1個(gè)并口；
5個(gè)串口；
2個(gè)ps/2端口；
1個(gè)1/10/100mb/s為的以太網(wǎng)接口，支持tcp/ip協(xié)議；
1個(gè)usb host和1個(gè)usb slave接口。
2.3 系統(tǒng)組成
ep9312已經(jīng)集成了嵌入式系統(tǒng)所需的許多功能，為了使本設(shè)計(jì)滿足金融稅務(wù)類產(chǎn)品的要求，還增加了如下硬件：super i/o器件（包含2個(gè)uart、1個(gè)并口、2個(gè)ps/2產(chǎn)品控制器），網(wǎng)絡(luò)phy接口器件、接口電平轉(zhuǎn)換器、flash、sdram等，pcb板采用4層板，表層為信號層，其中的電源線路層和地線層深埋在主板的內(nèi)層，不易受到電源雜波的干擾，尤其是高頻電路，可以獲得較好的抗干擾能力，系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。
3 模塊功能描述
3.1 cpu
ep9312的內(nèi)核是arm920t，其主頻為200mhz，100mhz內(nèi)部總線，有16kb的指令cache和16kb的數(shù)據(jù)cache，內(nèi)部集成了很多功能模塊，其中主要包括：lcd控制器，3個(gè)usb
host控制器，3個(gè)串口控制器，ethernet mac、eide、ac97接口等，ep9312內(nèi)含mmu，支持tcp/ip協(xié)議，也為開發(fā)各種字符圖形功能提供了快捷的方法[3]。本設(shè)計(jì)充分利用了這些內(nèi)部集成功能，減少了外圍器件。
3.2 reset模塊
系統(tǒng)的reset模塊為系統(tǒng)提供啟動及復(fù)位信號，是系統(tǒng)運(yùn)行的開端。
本系統(tǒng)采用max708csa作為復(fù)位器件，設(shè)計(jì)成用戶重啟的按鈕控制。發(fā)出reset信號送給cpu的rston引腳、flash模塊、jatg模塊等。另采用一片max708csa作為系統(tǒng)上電的按鈕控制，發(fā)出por信號發(fā)給cpu的prstn引腳，如圖2所示。
3.3 系統(tǒng)時(shí)鐘模塊系統(tǒng)時(shí)鐘模塊的作用是產(chǎn)生20個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘頻率來滿足ep9312不同獨(dú)立邏輯部分的要求，所以這些時(shí)鐘頻率都來源于外部的一個(gè)低頻晶體振蕩器。這樣處理器速率、總線速率、視頻速率就可以不同而且互不影響。
ep9312提供兩個(gè)接口外接晶體振蕩器，其頻率分別為32khz（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）和14.7456mhz。
為了獲得足夠高的時(shí)鐘頻率，ep9312同時(shí)提供兩個(gè)pll，將32khz和14.7456mhz頻率提升到足夠高（14.756mhz，最大頻率可為400mhz）。
3.4 調(diào)試端口（jatg）模塊
ep9312提供了jtag調(diào)試接口，它有6條測試掃描鏈，這個(gè)接口通過5個(gè)外部控制信號實(shí)現(xiàn)調(diào)試功能；
tdo-測試數(shù)據(jù)輸出，tdi-測試數(shù)據(jù)輸入，tms-測試模式選擇，tck-測試時(shí)鐘，ntrst-測試復(fù)位。
由于ep9312集成了這些jtag信號，因此引出這些信號線在板上擴(kuò)展出jtag口，即可與jtag測試器進(jìn)行通信。
3.5 存儲器
ep9312內(nèi)含sdram控制器，它提供了一個(gè)高速存儲接口給多種存儲裝置，包括sdram，synchronous flash和synchronous rom等。
cpu中已有sdram控制器，因此系統(tǒng)不需要外加sdram控制器，只要采用合適的sdram存儲器，與ep9312的專用sdram信號線相連接即可。
本系統(tǒng)采用2片is4216400b的16位數(shù)據(jù)總線sdram器件組合構(gòu)成了一個(gè)32位數(shù)據(jù)總線的16mb存儲系統(tǒng)。今后如有需要，只需要16mb器件代替8mb的器件，即可方便地?cái)U(kuò)容至32mb sdram的系統(tǒng)。
本系統(tǒng)所用的flash器件是intel公司的te28f320j3d-75，該器件采用56引腳tsop封裝，32mb的存儲空間由32個(gè)128kb的擦除塊組成，該flash采用25根地址線和16位數(shù)據(jù)線，可以通過byte信號來選擇是8位還是16位方式訪問。本系統(tǒng)采用16位方式訪問，因此該信號線接高電平，同時(shí)ao地址線接地，oe/we是讀寫信號，由ep9312的讀寫控制線直接控制，系統(tǒng)中將flash的片選信號ce2、ce1信號接地，ceo由ep9312的兩根片選信號cs0和cs6通過跳線來控制，如圖3所示。
本系統(tǒng)的flash需要設(shè)計(jì)成2mb、4mb、8mb均支持的電路，只需要焊接不同容量的器件即可，這樣做可以滿足不同用戶的需求，如：使用cf卡的用戶只要2mb
flash即可，此時(shí)，需要對flash和sdram的型號進(jìn)行細(xì)致的選擇，并對地址總線和數(shù)據(jù)總線進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)。3.6 ps/2、串口和并口
通過super-i/o進(jìn)行擴(kuò)展，如圖1所示，super-i/o選擇winbond公司的w83977atf。該器件提供兩個(gè)串口、一個(gè)并口、ps/2鍵盤鼠標(biāo)接口和23個(gè)gpio，通過ep9312的waitn延時(shí)等待信號來匹配isa總線與存儲總線的速度問題[3]。連同cpu提供的3個(gè)串口控制器，系統(tǒng)總共具有5個(gè)串口。
3.7 網(wǎng)絡(luò)
ep9312內(nèi)部含有一個(gè)ethernet的mac，只需要一個(gè)phy并通過vt6103l即可實(shí)現(xiàn)。
3.8 顯示電路
要根據(jù)不同的顯示屏來決定顯示電路設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)成共支持五種屏幕，包括tft、cstn、dstn、lvds、vga。ep9312輸出的是數(shù)字信號，分別為1位數(shù)據(jù)、場頻、行頻、時(shí)鐘、亮度控制幾類信號。對于tft、cstn、可以直接與ep9312的內(nèi)置接口相連，但要注意cstn在初始化彩色查找表時(shí)，將r.b色碼互換，接tft屏要加電平轉(zhuǎn)換器，對于dstn來說，本系統(tǒng)選用的屏幕為夏普公司的lm121vb1t02，該屏為單色屏，上下每時(shí)鐘周期4個(gè)象素，每個(gè)信號對應(yīng)一個(gè)象素點(diǎn)，查閱ep9312的輸出象素轉(zhuǎn)換表后發(fā)現(xiàn)，雙掃描每時(shí)鐘周期4個(gè)象素的模式并不適用于該屏，所以本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中選用了雙掃描每時(shí)鐘周期8個(gè)象素的模式，并從中挑選出適合的信號來驅(qū)動該屏，同時(shí)也要加電平轉(zhuǎn)換器，在目前的市場上，tft接口的屏并不是主流，相對來說lvds接口的屏使用更廣，對lvds接口的設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)采用ds90c383mtd轉(zhuǎn)換器來構(gòu)建，對于彩色crt要加三個(gè)d/a轉(zhuǎn)換器和電平轉(zhuǎn)換器，單色crt只要一個(gè)d/a轉(zhuǎn)換器和電平轉(zhuǎn)換器，接vga屏要加專用器件，如adv7123[4]，顯示電路模塊圖如圖4所示。
3.9 電源ep9312需要4個(gè)不同的電源：rvdd（3.3v）、cvdd（1.8v）、vdd_pll（1.8v）和vdd_adc（3.3v）。板上其他元件除了3.3v供電的以外，還有5v供電的，整個(gè)系統(tǒng)的輸入電壓為12v，通過變壓器件變成5v，再通過lt176et-3.3轉(zhuǎn)換器件把+5v轉(zhuǎn)變?yōu)?.3v的系統(tǒng)電壓，通過lt176et-1.8轉(zhuǎn)換器件把+3.3v轉(zhuǎn)變?yōu)?.8v的ep9312內(nèi)核電壓。
3.10 gpio分配
ep9312有16個(gè)具有中斷能力的增強(qiáng)型通用i/o，由于金融稅務(wù)類嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)品通常不需要ide接口，因此ide接口的i/o設(shè)計(jì)成gpio，連同其他一些設(shè)計(jì)，總共增加了49個(gè)可選通用i/o。
3.11 bootloader
bootloader是系統(tǒng)加電啟動運(yùn)行的第一段軟件代碼，整個(gè)系統(tǒng)的加載啟動任務(wù)就完全由bootloader來完成。簡單的說，bootloader就是在操作內(nèi)核或用戶應(yīng)用程序運(yùn)行之前運(yùn)行的一段小程序，通過這段小程序，可以初始化硬件設(shè)備，建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核或用戶應(yīng)用程序準(zhǔn)備好正確的環(huán)境[5]，ep9312提供了20種bootloader的方式，分別經(jīng)過eeclk、eedat、lbooti、lbooto、asdo、csn[7：6]的跳線組合來選擇。
本系統(tǒng)在調(diào)試和生產(chǎn)時(shí)，采用16-bit serial boot的啟動方式，對應(yīng)的eeclk、eedat、lbooti、lbooto、asdo、csn[7：6]選擇方式分為為：1、1、0、x、0、1。此時(shí)，cpu通過片內(nèi)已經(jīng)固化的4kb程序進(jìn)行啟動，初始化cpu和串口，并通過串口把用戶程序下載到flash中，當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，則直接通過flash啟動，直接在flash中讀取程序代碼運(yùn)行[6]。
本設(shè)計(jì)利用前者把操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序?qū)懭雈lash中，用后者進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)的正常工作開啟。
4 結(jié)束語
本文介紹了一種基于ep9312的銀稅類嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過測試，系統(tǒng)各部分都能正常工作，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的功能。
與以前的嵌入式系統(tǒng)平臺相比，本系統(tǒng)集成度高、主板面積小、外圍接口多、成本低、運(yùn)行速度快、是一款性價(jià)比很高的產(chǎn)品，能為嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)提供一個(gè)良好的平臺，主要面向計(jì)算機(jī)終端、存折打印機(jī)、補(bǔ)登機(jī)、pos機(jī)等嵌入式產(chǎn)品。
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