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1、千锋千锋3G3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.org www.mobiletrain.org嵌入式嵌入式ARMARM开发教程之开发教程之ARM9ARM9微控制微控制器器LPC3180LPC3180的软硬件平台设计的软硬件平台设计摘要摘要1LPC31801LPC3180芯片特性介绍芯片特性介绍22硬件平台设计硬件平台设计（1）存储器系统（2）外围通信接口（3）其他外围模块33系统关键模块设计系统关键模块设计3.1NANDFlash存储器模块3.2USB接口模块44软件系统设计软件系统设计（1）系统引导程序Bootloader（2）嵌
2、入式操作系统5 5 系统启动流程分析系统启动流程分析66系统性能分析系统性能分析结语结语千锋千锋3G3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.org www.mobiletrain.org介绍以PhilipsLPC3180微控制器为核心的嵌入式软硬件平台设计；对系统设计的硬件部分和软件部分进行详细的分析，并针对LPC3180芯片特性着重讨论了其软件系统构建以及系统启动流程。实验结果表明，LPC3180嵌入式系统平台结合片内硬件浮点运算单元，具有高性能的浮点运算处理能力，可满足复杂的嵌入式应用场合的要求。摘要摘要千锋千锋3G3G嵌入式移动互
3、联网技术研发培训中心嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.org www.mobiletrain.org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。嵌入式嵌入式ARMARM开发教程开发教程千锋
4、千锋3G3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.org www.mobiletrain.orgLPC3180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0.9V；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，
5、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。嵌入式嵌入式ARMARM开发教程开发教程1LPC31801LPC3180芯片特性介绍芯片特性介绍千锋千锋3G3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.org www.mobiletrain.org片内集成USBOTG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
6、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。嵌入式嵌入式ARMARM开发教程开发教程千锋千锋3G3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.org www.mobiletrain.org嵌入式嵌入式ARMARM开发教程开发教程图1LPC3180内部架构 千锋千锋3G3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.org www.mobiletrain.orgLPC3180的其他特性包括：内部集成MLC/SLCNAND控制器、SDR/DDRSDRAM
7、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。嵌入式嵌入式ARMARM开发教程开发教程千锋千锋3G3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.org www.mobiletrain.org以LPC3180为核心的硬件平台设计框架如图2所示。嵌入式嵌入式ARMARM开发教程开发教程22硬件平台设计硬件平台设计图2LPC3180硬件平台设计框图千锋千锋3G3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.org w
8、ww.mobiletrain.orgNANDFlash存储器。通过LPC3180内部集成的MLC/SLCNAND控制器直接外接多级或单级NANDFlash器件。本系统选用ST NAND256R3A，其32MB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MICRONSDRAM，并联构建32位SDRAM存储器系统。32MBSDRAM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。嵌入式嵌入式ARMARM开发教程（开发教
9、程（1 1）存存储储器系统器系统千锋千锋3G3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.org www.mobiletrain.orgUART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USBhost、USBdevice以及USBOTG控制器，通过外部USB收发模块PhilipsISP1301外扩USBhost接口A、USBdevice接口
10、B以及USBOTG接口AB。嵌入式嵌入式ARMARM开发教程开发教程千锋千锋3G3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.org www.mobiletrain.org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USBhost接口A以软件方式实现外扩。嵌入式嵌入式ARMARM开发教程开发教程3 3）其他外围模块其他外围模块千锋千锋3G3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.org www.mobi
11、letrain.org3.1NANDFlash存储器模块LPC3180内部集成了MLC/SLCNAND控制器，通过外部引脚可直接外接多级或单级NANDFlash器件，如图3所示。需要注意的是MLC和SLCNAND控制器通过引脚复用，使用相同的接口与NANDFlash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。NANDFlash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。嵌入式嵌
12、入式ARMARM开发教程开发教程33系统关键模块设计系统关键模块设计千锋千锋3G3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.org www.mobiletrain.org嵌入式嵌入式ARMARM开发教程开发教程图3NANDFlash接口连接图千锋千锋3G3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.org www.mobiletrain.orgLPC3180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。
13、LPC3180内部通过AHB从设备总线配置USB控制器，可工作在全速(12Mb/s)和低速(1.5Mb/s)两种模式下。嵌入式嵌入式ARMARM开发教程开发教程3.2USB3.2USB接口模块接口模块千锋千锋3G3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.org www.mobiletrain.org嵌入式嵌入式ARMARM开发教程开发教程图4USB接口连接图千锋千锋3G3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.org www.mobiletrain.org软件系统组成包括系统引导程序
14、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NANDFlash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NANDFlash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。嵌入式嵌入式ARMARM开发教程开发教程4
15、4软件系统设计软件系统设计千锋千锋3G3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.org www.mobiletrain.org嵌入式嵌入式ARMARM开发教程开发教程图5 软件系统结构框图千锋千锋3G3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.org www.mobiletrain.org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Uboot。其中Sibl是bootstrap加载并执行的第一个引导程序，在程序大
16、小上受到bootstrap加载的限制，因此设计上尽量做到了小型化和功能专一。它除了完成最基本的硬件初始化以外，主要功能是实现其他程序(包括Uboot)从NAND Flash的加载，完成下一级Bootloader运行之前的内存地址空间分布。嵌入式嵌入式嵌入式嵌入式ARMARMARMARM开发教程（开发教程（开发教程（开发教程（1 1 1 1）系统引导程序系统引导程序系统引导程序系统引导程序BootloaderBootloaderBootloaderBootloader千锋千锋3G3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.org www.mo
17、biletrain.org第二级Bootloader采用功能强大的sourceforge开源软件Uboot。Uboot的主要功能是完成嵌入式操作系统启动前的底层硬件初始化，并为Linux内核提供启动参数，最终引导操作系统Linux内核启动。另外,为了实现程序镜像文件编程写入NANDFlash，Uboot嵌入了一个NAND子系统，通过Uboot的用户命令行实现对NAND Flash的读/写操作，可将程序镜像写入NANDFlash指定的地址空间。嵌入式嵌入式ARMARM开发教程开发教程千锋千锋3G3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.or
18、g www.mobiletrain.orgLPC3180内部集成了arm926EJS处理器内核，带存储器管理单元MMU，支持多数主流嵌入式操作系统。系统通过编写板级支持代码，移植了Linux2.6.10作为平台操作系统，利用稳定的Linux2.6内核实现任务调度、进程管理、内存管理等功能，同时，针对Linux的可配置性，对内核进行裁剪和硬件驱动代码添加，系统实现了一个小型但功能强大的内核程序，适应了嵌入式系统存储资源相对紧缺的状况。嵌入式嵌入式ARMARM开发教程（开发教程（2 2）嵌入式操作系统嵌入式操作系统千锋千锋3G3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心嵌入式移动互联网技术研发培训中心ww
19、w.embedtrain.org www.mobiletrain.org由上面的软件结构组成分析可知，整个系统启动流程分为3个步骤：系统上电后，首先从片上ROM固化的bootstrap程序执行。bootstrap用于完成外部引导程序下载并跳入执行。bootstrap运行过程首先读输入引脚GPIO_01。如果GPIO_01置为高，则从NANDFlash下载程序引导系统启动；如果置为低，则依次检测USB接口和UART5接口，通过外部连接下载引导程序。系统通过设置GPIO_IO跳线来控制bootstrap启动过程，本例将GPIO_01置为高，从NAND Flash下载程序。系统启动的第二阶段是运行b
20、ootstrap下载的引导程序Sibl。Sibl完成系统必要的初始化后，从NANDFlash加载镜像程序到指定的SDRAM空间。镜像程序在起始位置添加了64字节的头信息，用于Sibl识别和加载，头信息数据结构如下：嵌入式嵌入式ARMARM开发教程开发教程5 5 系统启动流程分析系统启动流程分析千锋千锋3G3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.org www.mobiletrain.orgstruct image_header uint32_tih_magic;/*镜像头信息同步字，Sibl通过该字识别程序*/uint32_tih_hc
21、rc;/*镜像头信息CRC校验码*/uint32_tih_time;/*存储镜像创建时间*/uint32_tih_size;/*镜像数据大小*/uint32_tih_load;/*镜像加载地址*/uint32_tih_ep;/*镜像入口地址*/uint32_tih_dcrc;/*镜像数据CRC校验码*/uint8_tih_os;/*操作系统信息*/uint8_tih_arch;/*CPU体系结构类型*/uint8_tih_type;/*镜像类型*/uint8_tih_comp;/*压缩类型*/uint8_tih_name32;/*镜像名称*/嵌入式嵌入式ARMARM开发教程开发教程千锋千锋3G
22、3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.org www.mobiletrain.orgSibl从NAND Flash起始地址开始搜索。如果读到镜像同步字ih_magic，则识别镜像程序，并根据偏移地址读取程序大小ih_size和加载地址ih_load，将程序加载到指定的SDRAM空间；加载完成后根据CRC校验码ih_dcrc对SDRAM数据进行CRC检测；最后根据镜像类型ih_type判断镜像是否可执行，若可执行，则跳入镜像入口地址ih_ep，否则Sibl继续搜索NANDFlash镜像程序。镜像程序使用U-boot提供的工具mkimag
23、e添加头信息，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嵌入式嵌入式ARMARM开发教程开发教程千锋千锋3G3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.org www.mobiletrain.org嵌入式嵌入式ARMARM开发教程开发教程图6系统启动过程内存空间分布图千锋千锋3G3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.org www.mobiletrain.org完成Sib
24、l加载后，内存空间分布如图6所示，系统进入启动流程的第三阶段U-boot。U-boot完成Linux内核镜像的解压缩和操作系统启动前的初始化，最终跳入内核入口地址，完成对Linux的引导。嵌入式嵌入式ARMARM开发教程开发教程千锋千锋3G3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.org www.mobiletrain.org系统构建提供了一个完整的LPC3180嵌入式软硬件平台，下面对LPC3180浮点运算能力进行测试和分析。测试方法是使用一个浮点运算密集的算法，用ADS编译器分别编译使能硬件VFP和软浮点运算两个版本的测试程序，并在不
25、同的CPU时钟频率下比较运行时间，结果如表1所列。分析实验数据，可以得出结论：VFP协处理器在相同时钟频率下，提高了5倍左右的浮点运算性能。因此，LPC3180平台结合VFP协处理器，能够实现复杂的浮点运算密集算法。在微控制器中集成硬件浮点运算单元，这使得微控制器的数据处理能力大大提高，能够胜任多数的数字信号处理应用。嵌入式嵌入式ARMARM开发教程开发教程66系统性能分析系统性能分析千锋千锋3G3G嵌入式移动互联网技术研发培训中心嵌入式移动互联网技术研发培训中心www.embedtrain.org www.mobiletrain.org本文介绍了以LPC3180微控制器为核心的嵌入式软硬件平台的设计与实现，并测试、验证了LPC3180的浮点运算性能。该平台对于LPC3180的应用开发具有借鉴意义。目前LPC3180在医疗器械、工业控制、POS机、数字信号处理等领域有着广泛的应用。结语结语