《基于ARM的嵌入式图像处理系统设计.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于ARM的嵌入式图像处理系统设计.pdf（68页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、摘要 随着计 算机、电 子技术的 迅猛发展，计算机己 迈入了另 一个充满机遇的后 P C时 代。人们开始越来越多地 接触到一个新的 概念一嵌入式系统。本文 讨论了 基于A R M 为核心的 嵌入式处 理器和嵌 入式实时操作系统对图像信 息的采 集、存储及处理方法。硬件 部分，我们建立了以A R M 处理 器为核 心的 开发板，通过C M O s 摄像头实时 采集图像信息并通过液晶显 示器显示。操 作系统部分实现了实时 嵌 入 式 操 作 系 统 的 开 发 和 移 植，并 在 系 统 上 扩 展 了 文 件 系 统 模 块，使之支持图 像信息的 存储 和更为广泛的 应用开发。图 像算法部分实现
2、了图像采集、B M P编码、图像存储，以及 对所生成的数 字图 像进行数字处理等功能。本系统 经过测试运行稳定，即 可以 作为基础平台 研究数字图像处理领域的 复杂 算法，也可适用于更为 广泛的 嵌入式 操作系统方面的 研究。关键词:嵌入式系统驱动开发图像处理ABS T R ACT Wi 由血 d e v e l o p m e n t o f t h e c o m p u te r a n d e l e c t r i c t e c h n o l o g y,T h ec o m p u t e r h a s s t e p p e d i n t o a p o s t-P C
3、e r a fi r l l o f o p p o r tu n i t i e s.M o re a n d m o rep e o p l e h a s 画d a t t e n t i o n t o a n e w c o n c e p t E m b e d d e d S y s t e m.T h i s c o n t e x td i s c u s s e s a b o u t t h e I m a g e s c o l l e c t i o n,s t o r a g e a n d i m a g e s p r o c e s s i n g 比吨s u
4、 b j e c t t o E m b e d d e d O p e r a t i o n S y s t e m a n d E m b e d d e d p r o c e s s o r w h i c h a r eb a s e d o n ARM c o re.I n t h e p a r t o f h a r d w a re,w e b u i l d a n e m b e d d e d b o a r d.W e u s e C MO S。.”。.l e n s c o ll e c t i n g i m a g e s a n d d i s p l a
5、y i m a g e s b y L C D d e v i c e.I n t h e p a rto f o p e r a t i o n s y s te m,w e d e v e l o p a n d r e p o t a r e a l t i m e o p e r a t i o n s y s t e m,a n de x t e n d 出。fi l e m a n a g e m e n t s y s t e m,t o s u p p o rt i m a g e s t o r a g e a n d s u s t a i ne x t e n s i v
6、 e a p p li c a t i o n a n d d e v e l o p m e n t.玩t h e p a r t o f i m a g e a r i t h m e t i c,Ir e a l i z e t h e f u n c t i o n o f i m a g e s c o ll e c t i o n,B M P U n i c o d e,i m a g e s s t o r a g e a n dt h e p r o c e s s i n g o f d i g i t a l i m a g e w h i c h h a s b e e
7、n p r o d u c e d.T h i s s y s t e m h a s b e e n t e s t e d r u n n i n g s t a b l y,w h i c h a re a p p li e d n o t o n l yi n b a s i c p l a t f o r m t o re s e a r c h c o m p l i c a t e d a r i t h m e t i c o f d i g it a l i m a g e s.o p e r a t i o n,b u t a l s o i n r e s e a r c
8、 h f o r m o re e x t e n s i v e e m b e d d e d o p e r a t i o n叮川 翔 吐K e y w o r d.二 E mb e d d e d S y s t e m D r i v e r D e v e l o p me n t I ma g e P r o c e s s长春理工大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明:所呈交的硕士学位论文，基 于A R M的 嵌入式图像处理系统设计 是本 人在指导教师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已 经注明引用的内 容外，本论 文不包含任何其他个 人或集体已 经发 表或
9、撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的 个人和集体，均已 在文中以明 确方式标明。本人 完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。作 者 签 名:主 A-L 2 o r全年 立月 笠日长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教 师完全了解“长春理工大学硕士、博 士学位论文版权 使用规定”，同意长春理工大学保留并向 国家有关部门或 机构送交学位论文的复印件和电 子版，允 许论文被查阅和 借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的 全部 或部分内 容编入 有关数 据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。作者签名:指导导师签名车年 单 月 毕日又
10、年 立月 L日第一章绪论 当 今计算机的 发展 进入了 后P C 时代，越来越多的嵌入式设备 渗透到了 我们的日 常生 活，嵌入 式系统涵盖了 智能家电、消费电 子、通讯 设备、军事等各个领 域，发挥 着其它 计算机不可替 代的 作用。基于嵌入式技术的图像处理系 统可 用于工业控制、智能 交通、小区监 控等领域。互 1.1论文应用背景及目的 本论文基于 汽车车轮 轮毅识别项目，目 前在车 轮轮毅生 产过程中，由于生产过程的 复杂，单个车轮往往要 经过几 十道工序才能 完成，在这个过程中无 法实时准确的 统计每个流水线单位 时间内 处理的 工件数目，其次，对生 产过程中 产生的不合格产品也大多
11、利用人眼 进行检测，产品质量不容易 控制。本论文的目 的是:基于嵌入式处理 器和嵌 入式系 统，建立车轮轮毅图像处理系统，对各个流水线上车轮图像进行采集、显示并存储，进 而完成图 像的 统计、识别等功能。目前对图像信息采集和处理方式主要有两种:1)利用C C D 摄像机和图像采集卡，将模拟信号 转换成数字信号，经P C I 或其它总线由 上位机 进行图 像处理。这种方法 虽然利用了P C 机硬件资源丰富、软 件易于 开发的特点，但会导致整个系统硬 件连 接复杂，不 利于小型化，而且系统稳定性不高，需要专业人员定期维护。2)采 用C C D 或C M O s 摄像 机采集图 像，利用D S P+
12、F P G A 进行处理，这种方法利 用D S P 的 高速数 字信号 处理能 力和F P G A 支持外设的能力，实现数字图像 的采集和 处理。这种方式确实可以 实现高速视频采集和处理的要求，它的 弊端 就是软硬件往 往针对于 专用型号 处理器和项目 而开发，应用软件不容易 移植，并且 研发周 期较长，软硬 件成本 都很高，不利于对图像处理 速度、功能要求相 对较 低的项目 采用。针对这两 种情况，我们利用嵌入式处理器和 实时 操作系统，构建了图像处理系统，实 现了图像的 采集、显示、处理等功能。圣 1.2俄入式系统的 特点 1)专用 性强，面向 特定 应用。这是嵌 入式 系统与 通用型 系
13、统的最大区别。嵌入 式系统的 个性 化很强，软、硬件结 合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植。2)系 统精简。嵌入式系统的软件代码要求高质量，高可靠性，由于嵌入式系 统设备 所处的 环境往往是长期无人值守或条件恶劣的 情况，因此，其代码 有很高的 要求.3)嵌入 式系统大多采 用实时 操作系统，而且软件要求固态 存储，以提高速度。4)嵌入 式系统需要 专用的 开发工具和环境，由 于其本身不 具备自主开发能力，即使设计 完成以 后，用户通常也不能对其中的程序功能 进行修改，必须有 一套开 发工具和环境 才能进行开发。嵌入式系统开 发时有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目 标机作为最后
14、的执行机，采用交叉编译的方式开发应用程序。5)嵌入 式系统的 硬件驱动程序必须定制，并 且和嵌 入式操作系统以 及应用程序完全绑定 在一起构成一个不可分割的 整体。因此，不同的嵌入式产品在开发时必须设计符合自己系统的设备驱动程序。互 1.3嵌入式开发与传统式开发的区别 首先，嵌入式处理器与其它处理器相比集成了丰富的硬件控制器，既不需要像D S P 一样扩展 众多的 硬件控制芯片，也 不需要F P G A自 主设 计门电路，嵌入 式处 理器通过内部 集成的硬件控制器可以 轻易扩展多 种类型的存储设备、图 像声音 采集设 备、显示设备等，简化了硬件之间的 连接，这样就降 低了 开发成 本，有助于提
15、高 系统的整体稳定性。并 且随着嵌入式系统的 普及，嵌入式处理器价格已 经非常便宜，以 我们采用的A R M 9 4 0 T 核心的 嵌入式处理 器来说，单颗成本低于5 美金。其次，它不需要像 传统 系统开 发一样让设计 者关注系统运行的每 个细节，在操作 系统稳定运行 后，设 计人员就可以更多的关注应用功能的实现，系统硬 件由 操作系统自 行管理，此外，操作系统还管理内 存资 源的分配回收、多任务的 协同 运 行、任务的 建立删除、系统的异常处理 等。再次，在嵌入式开发中除了 与系 统启动相关的一部分代码采用汇编语言编写 外，大部分的操作 系统代 码和应用程序代码由 高级语言C 或C+编写，
16、高 级语言 可以 实现更复 杂的 算法和控制。本论文讨论的 N u c l e u s操作系统 Fn.%的 代码都 用 C 语言编写，非常 容易 进行移植和剪裁，这样也提高了软 件代码的重 用性。而 且嵌 入式开发中的编译、调试环 境成熟稳定，有利于 模块化设计 和团 队协作开 发。典型嵌入式系统开发的流程可以描述如下:图1.1 嵌入 式系统的 开发流程互 1.4本论文主要工作及研究意义 本论文完成了 系统硬件平台的搭 建和大部分的软件设计。硬件方面的主要工作 是:建立了A R M 处 理器为核心的嵌入式开发板，设计图 像采集模块、显示模块和 存储模块。软 件部分完成了:引导装载程序的编 写、
17、嵌入式操作系统的移 植和配置、以及 对轮毅图 像的 采集、显示、存储、及简单 数字图 像处理等 功能。基于本论文构建的嵌入式图像处理系统运行稳定，可以满足车轮轮毅图像 采集、显示、存 储的 要求，并且硬件体积小巧、成本低廉，软 件可重用性高。本系统除了 在本项目 中 应用外，软件稍做改动即可 用在智能小区监控，智能交 通等需要对图像 信息进行采集、处理的 应用 领域，也可作为 基础平台研究图 象压缩算法或 数字图 象处理的 相关算法。第二章系统的工作原理及总体设计方案荟 2.1功能需求根据项目需求，我们要实现的图像处理系统应具有如下功能:1.高可靠性，由 于工厂的 生产环境比 较恶劣，因此要求
18、系 统具有高 可靠性和连续工作能力。2.高 性能，设计时 应尽量减少 操作系统中不必要的模块、优化图 像 算 法，使系统在 对硬件的依赖 性上做到最低。3，实 现对车轮轮毅图 像的实时 采集。4.实 现对轮毅图 像的 显示功能，便于实时监控。5.将图 像以B M P 编 码格式保 存成文件形式，以便于对图像的 后期处 理及查看，此功能计 划采用大容量的F l a s h 存储芯片 和文件系统 实现。5.采集图像的质量 应该 满足后期数字图像处理的要求。鑫 2.2系统工作原理 如图 2.1 所示，本系 统主要由 硬件平台、嵌入式操作系 统、图像处理算法三个部分组成。硬件部 分以A R M 核的
19、嵌入式处 理器为核心并扩展了 大容量S D R A M 存储器，系统通过图像 采集模块实时 采集车轮轮毅图 像，在采集图 像的同时使用显示模块实现图像 信息的显示，并以 大容量的F L A S H 存储 器作为轮毅图 像的 存储设备。嵌入式操作系统为底层硬 件提供驱动支持、内 存管理、中断 管理以及图像处理任务管理等，系统 启动后首先通过引导程序启动 操作 系统完成硬件的 初始化，然后通过 操作系 统提供的任务管理模块建 立图 像采集任务，分配内 存、将图像采 集模块采集到的图像信息存储在存储器的视频缓冲区中，再 通过软 件算法 将显示缓冲区的图像信息写入 L C D 缓冲区中，完成对图像的实
20、时 显示，最后 通过数字图 像处理算 法将缓 冲区中的指定图 像进行 编码、存储及 数字图 像处 理功能。9)v 软 件 匕 一图像处理算法-.-，.-.-.-.，-.-.:一1一，1.weesesJ，1.J一文件系统图形用户接口嵌入式操作系统 嵌入式操作系统内核(if务管理、内存管理、时钟管理等)底层驱动模块11 -。-1。;-1-.一 匣 亚 片 井 瓜 vSDRAM W A A;I)E#一仁 耀 iA 一万(ARM940T)图2.1 嵌入 式图 像处理系统的组成互 2.3系统软硬件规划互 2.3.1硬件部分 硬件部分包括嵌入式处理器、图像存储模块、模块等。嵌入式处理器是整个嵌入式系统的核
21、心部分。图像采集模块、显示目前，世界上的嵌入式处理器己 经超过了 1 0 0 0 种，3 0 多个系 列。不同的处理器有其不同的功能和优势。低成本、低功耗、高性能是嵌入式应用的首要要求。A R M公司是专门从事 R I S C技术芯片设计开发的公司，作为知 识产权核(I P)供应商，再 心 公司 本身不直接从事芯片生 产，靠转让设计许可由 合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导 体生产商都从A R M 公司购买其设计的A R M 微处理 器核，根据各自 不同的 应 用领 域，加入适当的外围电 路，从而形成 自己的A R M 微处理器芯片进入市场。A R M 9 系列处理器是A R M 公司
22、近年来主推的 系列，采用A R M v 4 T 指令集，5 级流水线结构的哈 佛结构，主频2 0 0 M H z，处 理功能 强大，性价比极高，已 经广泛用于消费电 子，工业监控 等各个方面。我们 选择以A R M 9 4 0 T处理器为核心的T O C 7 6 1 处理器作为嵌入式处理器。在图像采集方面，我们选择了C M O S 摄像头作为图像采集模块，选择C M O S摄像头的 原因 是 C M O S 摄像头可以 直接输出数字信号，方便我 们对图像的采集和处理，在短时间内完成系统功能设计。其次，C M O S 摄像头成本低廉，并且采集速度和效果可以达到要求，降低了硬件成本。外 围设备是嵌
23、入式系统中完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的部件。A R M 9 系列处理 器已 经集成了 丰富的硬 件控制器，这样我们 就可以 在其之上直接扩展硬件设 备。根据需求我 们扩展了 大容量 F l a s h 存储器作为图像信息存储介质及程序固化设备、S D R A M芯片作为系统内 存及显示缓冲、并扩展了液晶显示器作为显示设备。互 2.3.2 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统不仅具有通用操作系统的功能，如向下提供与硬件交互的接口，管理复杂的硬件资源，向 上提供对用户的 接口(如图 形界面、库函数A P I 等)，同时还在系 统实时 性、硬件依赖性、软件固化性 及应用专用性等方面具有自己的特点
24、。常见的嵌入式操作系统 有 L i n u x,W i n C E,V x W o r k s 等。L i n u x是 源码完全开放的操作系 统，可以支 持x 8 6,A R M,M I P S 等二十几种平台，L i n u x的源代码由全世界的 L i n u x爱好者共同研究开发并维护，L i n u x系统的优点是内核稳定、驱动支持广泛，缺点是内核系统结构复杂，目前最新的2.6.2 0 核心已 经超过了 七百 万行代码，庞大的内核 不便于我们的 项目应用。W i n C E 是微软开发的嵌 入式 操作系统，它继承了，i n d o or s 友好的图像界面和开 发环境，但是使 用 W
25、 i n C E 系统要交纳高昂 的版权费用，并且，W i n C E 对硬件要求很高，至少需 要6 4 M B 的 程序存储 器和6 4 M B 内 存才能顺利运行。V x W o r k s是一款高实时性的嵌入式操作系统，它是源码不开放的，多用于航空航天等对实时性 要求较高的 环境。典型的嵌入式操作系统由以下几部分组成:1。底层驱 动模块 底层驱动程序提供对硬件的直接管理以及为操作系统和硬件的连接提供接口，复杂的嵌入式操作系 统己 经提供了对 大多 数硬件的有效支持，如L i n u x,W i n C E 可以容易的 扩展大多数的硬件设备。驱动的 编写包 括对寄存器的管理，中断管理、时钟
26、设置、配置地址映射空间等等。2.任务管理模块 任务也称为线程，是一 个简单的程序，该 程序可以 认为 C P U完全只属于该程序自己，在操作系统中的任何 操作都 要申 请任务，执行完后要释放任务所占内存，任务通常有五种状态，即运行态、睡眠态、就绪态、等待态、中 断态。下图表示了 任务 在这几种状态 之间的 变化过程:等特状态 s，C R:一 i fil#R -Mr#Rs火 /一 一/一/一火 一/图2.2 任务状态图 任务管理包 括任务的建立、删除、挂起、恢复以及 任务切换、改变任务的优先级等，任务管理是操作系统提供的最基本的功能之一。任务管理模块是否成熟完善也直接决定了 操作系统的实时性、稳
27、定 性，以 及操作系统的应用范围。3.任务 通信模块 此模块提供了任务与任务之间 通信的方式，任务之间传递信息的方 式通常有两种，一种是通过全局变量传递，另一种是发 消息给另一 个任 务，在使用全局变量时，必须保证每 个任务 或中断 服务子程序独享该变 盆，中断服务中保证独享的唯一办法就是开关中断，嵌入式操作系统大 多使用消息邮 箱和消息队列的手段来 保证任务 之间的 同 步。4.内 存管理模块 此模块提供对系统内存资源的管理和配置，包括内 存资源的分配，收回 等。嵌入式操作系统为了 保证内 存在 使用中不产 生碎片、滋出，通 常提供一个内存 控制块结构体对内 存 进行管理。结构 体一般包括内
28、 存的起始地址指针、指向下 一个空余块的 指针、内存 大小、分区内内 存块的数量等。有些嵌入式处理器内 部集成了内 存管 理单元(M M U)，利用内 存管理单元可以 对程序存储器及系统资 源提供更 有效的 保护。对内存的有效利用直接决定了 操作 系统是否 能够稳定长 期的运行。5.时钟管理 操作系统需要周期性的信号 源来实 现时间 延时和确 认超时、以 及给操作系统的各个任务提供定时中断。时钟节拍的实际频率是根据应用程序的需要指定的，时钟节拍的频率越高，系统负荷越重。6.文件系统 文件系统完成对用户数据的管理，文件系统可以在存储设备上完成对各种不同 格式数据的 存储，如图 像文件、文本 文件
29、、视频文件等，也可以实现对文件的 管理，如:新建文件、删除、重命名等。此部分对于我们图像处理系统中图像信息的保存、编码及后期处理是十分必要的，我们按照F A T 文件系统的 思想构建系统的图 像存储方 式。我们最终选择的 是开放源码的 N u c l e u s操作 系统，此系统具有高实时性、多任务、内核代码量小、易于移植等特点，我们在此系统的基础上进行扩展和移植，满足了图像处理系统的需要。第四 章将深入讨论N u c l e u s 系 统各 个 组 成 部 分 及 实 现 方 式.万 2.3.3应 用程序 应用程序是针对需求编写的只适 用于本操作系 统的专 用程序，由于有操作系 统的 支持
30、，在应用程序的开 发过程中开发 者只需要关注软件功能的 实现，而不用注意具体的 硬件细节。如果 操作系统相同，应用程序可以很容易移植到其它硬件环境。根 据需 求，本系统的应用程序开发主 要是对图 像采集任务和图像处理算法的 研究，包括两部分:首先是 利用建立的嵌入式 平台 和操作系统实现对图 像信息的采集、显示、编码、存储以 生成数字图 像文件，其次，对生成的数 字图像文件进行处理，包括 灰度化、二值化、边缘检测等。鉴 3.1嵌入式处理器组 3.1.1 T C C 7 6 1 的体系结构 我们 选用的 嵌入式处理器是基于 A R K 9 4 0 T核 心的T C C 7 6 1 处理器。T C
31、 C 7 6 1 处 理器除了 集成 A R M 9 核心外，还集 成了 常用的硬 件控制器，它的 体系结构如下图:图3.3 T O C 7 6 1 功能框图主要包括以下部分:1)3 2/1 6 位结 构体系 和A R M v 4 T 指令 集体系2)独 立4 K B 指令和4 K B 数据缓存的哈 佛结构，主频可达2 0 0 M H z3)4 K B y t e s 的B O O T R O M 空间和6 4 K b y t e s 的内 部S R A M 存储器 4)丰富 的片上设备，包括:存储 器控制器、U S B 控制器、L C D控制 器、I T总 线控制器、2 通道D M A,J
32、T A G 调试等。5)A R M 高 速系 统总 线(A H B)和外设 总线(A P B)6)中 断控制器 提供两种模式，通用中断模式(I R Q)和快速中 断模式(F I Q).F I Q 可以中 断I R Q 以 保证 系统的实时性，共 1 9 级中 断 源包括:4 个定时器中 断，1 个看门 狗中断、2 个D M A 中断、1 个I t中 断等。互 3.1.2 T C C 7 6 1 的运行模式 和大多 数的A R M 9 核处理器一样，T C C 7 6 1 支持7 种运行 模式，如表3.1，大部分的 应用程序运行在用户模式下，当 处理器运行在 用户模 式下时，某些被保护的系统资源
33、不能被访问。除了用户模式外，其余的所有六种模式成为非用户模式，或特权模式:其中除去用户模式和系统模式以 外的 5 种模式 又称为 异常模式，常 用于处 理中断或异 常以 及需 要访问受保护的系统资 源等情况。系统产生异常后，会跳到相应的 异常中 断向量表的相应处理程序。可以通 过修改 状态寄 存器(P S R)的低5 位来改 变处理器的 运行模式，也可以通过外部中断或异常处理改变。表3.1处理器的 运行模式名称功能用户模式(U S R)A R M 处理器 正常的 程序 执行状态快速中 断 模式(F I Q)用于高速数据传输的中断处理请求通用中 断 模式(I R Q)通用的中断处理请求管理模式(
34、S V C)操作系统使用的保护模式数据 访问 终止模式(A B T)当数据或指令预取终止时进入该模式，可用于虚拟存储及存储保护系统模式(S Y S)运行具有特权的操作系统任务未定义模式(U N D)当未定义的指令执行时进入该模式，用于支持硬件协处理器的软件仿真互 3.1.3 T C C 7 6 1 的工作状态 从编程 的角度 看，T C C 7 6 1 处理器的工 作状态有 两种，并可以 在两种状态之间切换:1.第 一种为A R M 状态，此时处 理器执 行3 2 位的字 对齐的A R M 指令。2.第二 种为T h u m b，此时处理器执行1 6 位的、半字 对齐的T h u m b 指令
35、。在程序 的执行 过程中，微处理 器可以 随时在 两种工 作状态之间切换，并且状态的 转变并不 影响处理器的运行 模式和相应寄 存器中的内 容。芬 3.1.4 T C C 7 6 1 的地址分配 在A R M 体系结构中，系统上电 或复位 后，处理器 将从地址0 x 0 处取得第一条指 令。因 此上电 时，0 x 0 地 址处必须是非 易失性的R O M。但是为了 加快操作系统内 核运行速度，我们需要 把中 断向 量 表及系统内 核复 制到 S D R A M中去，然后把 S D R A M的地址基址重新映射到0 x 0 处，这就是地址重映射过 程(R e m a p)。在处理器的 存储器 控
36、制器中有 专门 的控制器 来进行地址重映 射的 切换。T C C 7 6 1 处理器采 用存储空间和 控制器统一 编址的方式，其地 址分 配如下，0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 一 O x O F F F F F F F如 果R e m a p 位为0，由R O M 占 用，如果 R e m a p 为1，分配给其它 存储设备，如 果任何设备都不占用此区域，则分配给 内部S R A M占用 0 x 2 0 0 0 0 0 0 0一 O x 2 F F F F F F F S D R A M 存储器占用 0 x 3 0 0 0 0 0 0 0一 O x 3 F F F F F F F内部
37、S占用 0 x 4 0 0 0 0 0 0 0 一 O x 4 F F F F F F F外部S R A M 占 用，由 片 选n c S O 决定 0 x 5 0 0 0 0 0 0 0 一。x 5 F F F F F F F I D E 设备占 用，由 片 选n c s i 决定.0 x 6 0 0 0 0 0 0 0 一 O x 6 F F F F F F F F l a s h 设 备占 用，由 片选n C S 2 决 定 0 x 7 0 0 0 0 0 0 0一 O x 7 F F F F F F F R O M占 用，由片选 n C S 3 决定 0 x 8 0 0 0 0 0 0
38、 0一 O x 8 F F F F F F F硬件 控制器使 用 O x E 0 0 0 0 0 0 C一 O x E F F F F F F F B o o t R O M 占用 O x F 0 0 0 0 0 0 0一 O x F F F F F F F F S D R A M 控制器占用 硬件控 制器的寻址 基址是0 x 8 0 0 0 0 0 0 0，表3.2 显示了 我们 用到的 硬件控制器偏 移地 址分配，其它申口、U S B,E C C 等 控制器由 于 本系统未使用，在 本论文中 暂不讨论。表 3.2 外设硬件控制器地址分配地址偏移设备名称0 x 1 0 0一 O x l F
39、F中断控制器0 x 2 0 0一 O x 2 F F计数器0 x 3 0 0一 O x 3 F FI/00 x 4 0 0一O x 4 F F时钟和电源控制器0 x 8 0 0一O x 8F F1 2 C控制器O x B0 0 一O x B F F摄像头控制器O x E 0 0 一O x E F FD M A控制器O x F 0 0 一O x F F FL C D控制器互 3.1.5 T C C 7 6 1 的启动 处理器的 启动模式分为五种，通过外部跳 线选择，分别是:U S B模式、N A N D F l a s h 启动模式、N O R F l a s h 启动模式、刀A G模式、N O
40、 R F l a s h不加密 启动 模式。我们在调试时使 用J T A G 模式 进行操作系统的 远程下载调试及仿真。使用这 种模式时，处理器关闭 指令缓 存(I-C a c h e)、数据缓存(D-C a c h e)和 B U F F E R，用户可以 对处理器内的 保护区域享有访问和修改权限。在用J T A G 调试完操作系统内核 后，需要 将目 标程序固 化到F l a s h中以实现系统的独立运行，这时候可以将跳线设置为 N A N D F l a s h启动模式或N O R启动模式完成系统的独立运行。图3.4 描述了T C C 7 6 1 启动时需要的时 序。n R E S E
41、T 拉高 后，启动的模式由G P I O B 2 4,2 2,2 1 选择。_ D 0 0 0 0(工 0 0 0 0 0(一 汉 不，一 0 4.1l，画1 尸B卜 q一x ta d g b th e a pp fca ttmt B B 启动需要保持的时间。最小 l O n st B S 设置启动模式需要保持的时间。最小 I o n st R S T电派重启动需要保持的时间。根据晶振，典型的是1 0 P s 图3.4 处理器的启动时 序奋 3.1.6 T C C 7 6 1 的内部存储器 T C C 7 6 1 内部有6 4 K b y t e s 的S R A M 存储器，可作为通 用内
42、存使用，S R A M的空间被映射在 B a n k 3(O x 3 0 0 0 0 0 0 0-O x 3 F F F F F F F)地址段，如果R e m a p 后没有任何 存储设 备占 用B a n k O(0 x 0-O x O F F F F F F F)段地 址空间，则 将SR映 射在B a n k O 段。处理 器还集成了4 K b y t e s 的R O M 存储 器，可用来引导 操作系统初始化。B o o t R O M 被映射在B a n k E(O x E O O O O 0 0 0-O x E F F F F F F F)地址段，系统复 位后，M C F G 寄存
43、器的R e m a p 标志位将 清0,此时，处理器将 R O M映射在 B a n k O地址段，地址重映射过程后，处理器会将 B a n k O 地址段分配给其它 存储器，完成操作系统的引 导。系统 所有的存储器资源都由处理器的存储器控制器控制。互 3.1.7 T C C 7 6 1 的 存储器控制器 T O C 7 6 1 处理器通过存储器控制 器来管理不同 类型的 存储设备，可以支持的 外部 存储器类型包括 F l a s h(N A N D,N O R)、R O M,S R A M 等。存储 器控制器的 地址基址是O x F 0 0 0 0 0 0 0 0 系统通过 M C F G寄
44、存器完成对外部存储器的配置，M d i G的地址是，O x F 0 0 0 0 0 0 8。如表3.3,M C F G 用低 1 6 位来完成对 存储设备的初始配 置。表3.3 M C F G 控制器3 1 1”，1 2 8 1 2 7 1 2 6 1 2 5 2 4 2 3 L 2 2-1 21 1 2 o ”1 8 1 1 7 1 1 6盖 书 沉 x网 网幼1 2 1 11 0 ，I。7I I国冈 团2m团画 网X日 W EH刃W劝了 1 公圃劝 SS R F冈 n 在操作系 统启动前，就 要配置此寄存器，包括:配置S D R A M 使能标志位(S D E N)和内 存总线宽 度(B
45、M)位为1 6 位、配置数据总 线模式为输入模式，在系统 调式时要打开J T A G 标志位等，可以 通过改 变此寄 存器的 重映射标志位(R M)来完成地址 重映射 过程。此外，处理器还提供了 专用的寄存器组，完成对相关存储 器控制器的配置，这些寄存器在下面部分详细讨论.石 3.2 S D R A.存储器扩展络 3.2.1 动态随机存储器概述 动态随机存储器(D R A M)是易失性存储器，掉电后数据消失，不能长久保存，但与R O M 不同的 是，它的随机读写 速度非常快，写入 数据之前也不需要进行擦除。我们采 用的S D R A M 芯片 是K 4 S 2 8 1 6 3 2 F，具有 1
46、 6 M B y t e s的 存储空间，空间组织结 构是2 M X l 6 6 i t X 2 B a n k，所有的 输入和输出 操作和时钟上升沿同步。在嵌 入式系统中，系 统启动后会将系统内 核 放在S D R A M 中 运行，也包括数据 区、堆栈区、显示 缓冲区、图 像缓冲区 等，以供快 速读写的儒要。调试 时为了调试方便，我们将编译好的 二进制内 核文件 直接下载到S D R A M 中 进 行仿真调试，调 试成功后再烧录在R O M 中。在芯片连接方面，如图 3.5,S D R A M数据线 D Q 0:1 5 分别和处理器的X D 0:1 5 相连;地址 线A 0:1 幻分别和
47、处理器的 地址线X A 0:1 幻相连;B A O,B A l 分 别接X A 2 2 和 X A 2 3 来 选择2 个 B a n k 地址:时 钟和时钟使能分别连接S D C L K 和S D C S;通 过 L D Q M 和U D Q M 在读模式中 控制输出缓冲器和在写模式 下输入数据。通 过行地址选通 R A S、列地址选 通 C A S 和写允许信号死，来选择内存单 元阵列中的某个具体地址 进行读写操作。尽管D D R A M 以1 6 位为存储单元，由 于L 阅 M 和UD Q M 信号的 作用，系 统仍可以按字节的方式访问。图 3.5%4 S 2 8 1 6 3 2 F与T
48、 C C 7 6 1 的连接图互 3.2.2 D D R A M 控制器 T C C 7 6 1 处理器内部集成了D D R A M内存控制器，可以提供S D R A M的定时刷新逻辑，D D R A M 控制器通过 S D C F G,S D C M D,C L K C F G 等寄存管理，控制器可以支 持1 6 M 到5 1 2 M 容量的D D R A M 存储芯 片。S D C F G 控制器的 地址是 O x F 0 0 0 0 0 0 0，系统调式阶 段，由 于要把目 标文件(操作系统内核)直接下载到 D D R A M中完成系统启动，因此在B o o t L o a d e r
49、启 动完成后手动将S D B A S E 位的地址映 射在B a n k O 地址 段内，也就是修改S D B A S E 位。在设 置此寄存器的 任何控制位之前，要注意DR A M使能位ME N，在改变 参数的 时候应该先禁 止S D E N，然后改变寄 存器的值，再打开S D E N 位。S D C F G 寄 存器的 标志位如 表3.4.表3.4 S D C F G寄存器冈 冈 四 湘 刀 邓!乃1 2 4刀!刀1 u 加”场1 7 :同 冈汉义 肚今 5 E犷获 印叫s 11 s网 1 3 12 1 1 1 0，I.7 5 冈 团 团1 0丽即研.J.石阴网，在实际 系统中，我们将S
50、D R A M 的 参数配置成以 下值:C A S L a t e n c y二2 c y c l e s C A S W i d t h二9 b i t 以S W i d t h二 1 2 b i t B u s W i d t h=1 6 b i t S D B A S E=0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 t 即 二7 c y c l e s t R C D=2 c y c l e s t R D=2 c y c l e s t R P=7 c y c l e s R e f r e s h=(5 1 2+1 5)c y c l e s S D C M D是S D R A M 指令