ARM9微控制器LPC3180的軟硬件平臺設計

摘要 介紹以Philips LPC3180微控制器為核心的嵌入式軟硬件平臺設計；對系統(tǒng)設計的硬件部分和軟件部分進行詳細的分析，并針對LPC3180芯片特性著重討論了其軟件系統(tǒng)構(gòu)建以及系統(tǒng)啟動流程。實驗結(jié)果表明，LPC3180嵌入式系統(tǒng)平臺結(jié)合片內(nèi)硬件浮點運算單元，具有高性能的浮點運算處理能力，可滿足復雜的嵌入式應用場合的要求。 

關鍵詞 LPC3180 ARM9 軟硬件平臺 

　　嵌入式應用系統(tǒng)設計包括硬件平臺和軟件平臺兩部分。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)。兩者在設計上是密不可分的，并且需要在設計之間進行權衡優(yōu)化，根據(jù)實際應用進行外擴和裁剪。 

　　基于ARM926EJS內(nèi)核的LPC3180內(nèi)部集成了豐富的外設資源，為嵌入式系統(tǒng)構(gòu)建提供了很大的設計空間。本文結(jié)合筆者開發(fā)LPC3180嵌入式平臺的實際經(jīng)驗，將具體介紹該系統(tǒng)的實現(xiàn)、結(jié)構(gòu)組成和實驗結(jié)果。
      
1  LPC3180芯片特性介紹 

　　LPC3180是Philips公司新推出的一款ARM9微控制器。它采用90nm工藝技術，片內(nèi)集成ARM9EJS處理器內(nèi)核，具有高計算性能、低功耗的特性，這使得在很多對功耗敏感的嵌入式應用場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，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(VFP)協(xié)處理器。LPC3180的浮點運算單元有3條獨立的流水線，支持并行單精度或雙精度浮點加/減、乘/除以及乘累積運算，完全兼容IEEE754標準，適用于高速浮點運算場合。 

◆ 片內(nèi)集成USB OTG控制模塊，同時支持與便攜USB主設備或USB外設相連，可用于與PDA、讀卡器和打印機等設備直接相連，而無需PC機介入。 

◆ LPC3180采用多層的AHB總線系統(tǒng)，為各個主模塊提供獨立的總線，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) {{分頁}}
      　　
    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/毫秒定時器、RTC、看門狗定時器、10位ADC等其他功能模塊。
      
2  硬件平臺設計 

     以LPC3180為核心的硬件平臺設計框架如圖2所示。

　　圖2  LPC3180硬件平臺設計框圖 

（1）  存儲器系統(tǒng) 

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

　　SDRAM存儲器。系統(tǒng)選用2片16位MICRON SDRAM，并聯(lián)構(gòu)建32位SDRAM存儲器系統(tǒng)。32 MB SDRAM空間，可滿足嵌入式操作系統(tǒng)以及上層應用程序的運行要求。
      　　
　　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存儲卡外擴，作為外部存儲空間。
      
（2）  外圍通信接口 

　　UART接口。LPC3180內(nèi)部集成了標準UART模塊和高速UART模塊，符合550工業(yè)標準。系統(tǒng)外擴了UART1/7、UART2和UART5，用于實現(xiàn)基本的串行通信功能；同時，UART5可用于系統(tǒng)啟動時的外部程序下載。
      　　
　　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USB host接口A、USB device接口B以及USB OTG接口AB。 {{分頁}}
      
（3）  其他外圍模塊 

     系統(tǒng)通過I2C接口外擴了一個簡易的字符型LCD顯示模塊，用于應用程序運行結(jié)果顯示；同時，為了簡化硬件系統(tǒng)設計，系統(tǒng)的以太網(wǎng)模塊通過USB host接口A以軟件方式實現(xiàn)外擴。
      
3  系統(tǒng)關鍵模塊設計
      
3.1  NAND Flash存儲器模塊 

    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或單級NAND Flash器件，如圖3所示。需要注意的是MLC和SLC NAND控制器通過引腳復用，使用相同的接口與NAND Flash相連，且同一時刻只允許開啟其中一個控制器，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，也可通過寫寄存器關閉NAND控制器，以降低功耗。NAND Flash存儲器模塊是整個系統(tǒng)主要的靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲空間，用于存儲系統(tǒng)啟動過程中的加載程序，因此在LPC3180系統(tǒng)設計中是必不可少的。

　　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 {{分頁}}
     
4  軟件系統(tǒng)設計 

　　軟件系統(tǒng)組成包括系統(tǒng)引導程序Bootloader，嵌入式操作系統(tǒng)以及上層應用程序。其中Bootloader是運行于操作系統(tǒng)之前的引導程序，主要任務是完成系統(tǒng)啟動之前必要的硬件初始化和操作系統(tǒng)加載；操作系統(tǒng)是整個嵌入式平臺的核心程序，主要功能是高效地管理和分配底層硬件資源，并為上層應用程序提供與硬件細節(jié)無關的系統(tǒng)調(diào)用接口。
      　　
    軟件系統(tǒng)設計必須與硬件平臺緊密結(jié)合。LPC3180采用NAND Flash作為整個系統(tǒng)的程序存儲區(qū)域，在系統(tǒng)啟動時通過片上ROM的bootstrap程序,從NAND Flash加載并執(zhí)行外部引導程序來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的啟動步驟。因此，整個軟件系統(tǒng)采取了圖5所示的設計結(jié)構(gòu)。

　　圖5  軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
     
（1）  系統(tǒng)引導程序Bootloader

     由于啟動過程首先從片內(nèi)的bootstrap程序開始，因此系統(tǒng)采取二級Bootloader設計，包括第一級Sibl和第二級Uboot。

     其中Sibl是bootstrap加載并執(zhí)行的第一個引導程序，在程序大小上受到bootstrap加載的限制，因此設計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，主要功能是實現(xiàn)其他程序(包括Uboot)從NAND Flash的加載，完成下一級Bootloader運行之前的內(nèi)存地址空間分布。
      　　
     第二級Bootloader采用功能強大的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)啟動前的底層硬件初始化，并為Linux內(nèi)核提供啟動參數(shù)，最終引導操作系統(tǒng)Linux內(nèi)核啟動。另外,為了實現(xiàn)程序鏡像文件編程寫入NAND Flash，Uboot嵌入了一個NAND子系統(tǒng)，通過Uboot的用戶命令行實現(xiàn)對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)通過編寫板級支持代碼，移植了Linux2.6.10作為平臺操作系統(tǒng)，利用穩(wěn)定的Linux2.6內(nèi)核實現(xiàn)任務調(diào)度、進程管理、內(nèi)存管理等功能，同時，針對Linux的可配置性，對內(nèi)核進行裁剪和硬件驅(qū)動代碼添加，系統(tǒng)實現(xiàn)了一個小型但功能強大的內(nèi)核程序，適應了嵌入式系統(tǒng)存儲資源相對緊缺的狀況。
     
5  系統(tǒng)啟動流程分析

   由上面的軟件結(jié)構(gòu)組成分析可知，整個系統(tǒng)啟動流程分為3個步驟：
      　　
　?、?nbsp; 系統(tǒng)上電后，首先從片上ROM固化的bootstrap程序執(zhí)行。bootstrap用于完成外部引導程序下載并跳入執(zhí)行。bootstrap運行過程首先讀輸入引腳GPIO_01。如果GPIO_01置為高，則從NAND Flash下載程序引導系統(tǒng)啟動；如果置為低，則依次檢測USB接口和UART5接口，通過外部連接下載引導程序。系統(tǒng)通過設置GPIO_IO跳線來控制bootstrap啟動過程，本例將GPIO_01置為高，從NAND Flash下載程序。
      　　
　?、?nbsp; 系統(tǒng)啟動的第二階段是運行bootstrap下載的引導程序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通過該字識別程序*/
      　　uint32_tih_hcrc;/*鏡像頭信息CRC校驗碼*/
      　　uint32_tih_time;/*存儲鏡像創(chuàng)建時間*/
      　　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*/
      }{{分頁}}
      　　
    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校驗碼ih_dcrc對SDRAM數(shù)據(jù)進行CRC檢測；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)啟動過程內(nèi)存空間分布圖
      　　
　?、?nbsp;  完成Sibl加載后，內(nèi)存空間分布如圖6所示，系統(tǒng)進入啟動流程的第三階段U-boot。U-boot完成Linux內(nèi)核鏡像的解壓縮和操作系統(tǒng)啟動前的初始化，最終跳入內(nèi)核入口地址，完成對Linux的引導。
      
6  系統(tǒng)性能分析 

    系統(tǒng)構(gòu)建提供了一個完整的LPC3180嵌入式軟硬件平臺，下面對LPC3180浮點運算能力進行測試和分析。測試方法是使用一個浮點運算密集的算法，用ADS編譯器分別編譯使能硬件VFP和軟浮點運算兩個版本的測試程序，并在不同的CPU時鐘頻率下比較運行時間，結(jié)果如表1所列。 

   分析實驗數(shù)據(jù)，可以得出結(jié)論：VFP協(xié)處理器在相同時鐘頻率下，提高了5倍左右的浮點運算性能。因此，LPC3180平臺結(jié)合VFP協(xié)處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)復雜的浮點運算密集算法。在微控制器中集成硬件浮點運算單元，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)字信號處理應用。

　　表1  浮點運算結(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的設計與實現(xiàn)，并測試、驗證了LPC3180的浮點運算性能。該平臺對于LPC3180的應用開發(fā)具有借鑒意義。目前LPC3180在醫(yī)療器械、工業(yè)控制、POS機、數(shù)字信號處理等領域有著廣泛的應用。
      
參考文獻 

[1]  LPC3180 User Manual. http://standardics.philips.com. 
[2]  ISP1301 User Manual. http://semiconductors.philips.com.