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梁軍兵 、 趙鴻嗚 、金建祥
摘要 PC／104是一種專門為嵌入式應(yīng)用而定義的總線 。本文介紹的是一種基LPC2129 ARM處理器的PC／104模塊 ，介紹了利用ARM處理器開發(fā)PC／104處理模塊的基本結(jié)構(gòu)、總線技術(shù)、串行通信接口以及驅(qū)動(dòng)程序 ，為ARM處理器在PC／104領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一種新 的思路 。
PC／104是一種專門為嵌入式應(yīng)用而定義的總線 ，lEEE會(huì)將它定義IEEE—P996 1，信號(hào)定義和PC／AT基本一致 ，但氣和機(jī)械規(guī)范卻完全不同，是一種優(yōu)化的、小型 、堆棧式結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng) 。基于PC／104結(jié)構(gòu)的模塊由于開發(fā)方便 、品種富、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢(shì)在工業(yè)控制領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
ARM(Advanced RISC Machine)公司成立于 1990年月，是蘋果電腦 ，Acorn電腦集團(tuán)和 VLSI Technology的合資業(yè) 。ARM首創(chuàng)了CHlPLESS的模式 ，該公司只設(shè)計(jì)出高效ARM內(nèi)核，通過將 ARM內(nèi)核授權(quán)給半導(dǎo)體公司 ，由半導(dǎo)體公根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用情況加上各種外圍的功能比如Flash、串RTC等構(gòu)成一塊完整的芯片。
本文主要介紹基于ARM的 PC／104模塊的結(jié)構(gòu) ，并給出總線模擬 、串行通訊接口以及驅(qū)動(dòng)程序的相關(guān)內(nèi)容。 更多內(nèi)容請(qǐng)查詢：
1 PC／104處理器模塊的要求
在工業(yè)控制和數(shù)據(jù)采集中 ，PC／104模塊的總線 、串口功是必不可少的，而硬盤接口、并行口、鍵盤口等 lO 口卻很少用 ，因此在選用另外的CPU代替x86作為PC／104模塊的處器首先要求能夠兼容原有的 PC／104總線 ，使得符合PC／規(guī)范的數(shù)字量輸入／輸出模塊 、模擬量輸入／輸出模塊以及針PC／104系統(tǒng)開發(fā)的各個(gè)系統(tǒng)能夠正常使用 ；其次該處理器須具有 2個(gè)串行接 口，以適應(yīng)大部分場合的串行通訊需要三 ，必須具有可以滿足足夠的程序空間和空間為用戶的序和數(shù)據(jù)使用；第四，必須具有 RTC(Real Time Clock)，并能斷 電時(shí)保持系統(tǒng)時(shí)間不變；第五 ，友好的開發(fā)環(huán)境 ，以適應(yīng)現(xiàn)系統(tǒng)開發(fā)的需要 。
2 基于 Inte1386SX的 PC／104模塊的缺點(diǎn)
首先 ，基于386SX 的 PC／104處理器模塊的成本比較386SX／40的控制模塊的價(jià)格在千元以上 ；第二，功耗較大瓦的功耗給電源供應(yīng)、散熱的設(shè)計(jì)帶來一系列的問題，并且不合某些低功耗要求的環(huán)境中應(yīng)用 ；第三 ：程序燒寫繁瑣 ，基x86的PC／104的理器模塊一般采用 DOC (Disk On Ch或者 DOM(Disk On Module)作為程序存儲(chǔ)器，由于DOC用燒寫工具比較昂貴 ，所以實(shí)際生產(chǎn)時(shí)多采用人工燒錄方法括格式化、復(fù)制多個(gè)步驟 ，每燒一塊芯片需要斷電 、重新啟動(dòng)器數(shù)次 ，效率低下 、操作繁瑣 ；第四，系統(tǒng)啟動(dòng)速度慢 ，從上電開始執(zhí)行用戶程序一般需要 2—5秒時(shí)間，WDT溢出時(shí)恢復(fù)時(shí)間較長，容易遺漏一些重要的事件。第五 ，開發(fā)環(huán)境不夠友好，基于386SX 的 PC／104處理器模塊的程序一般在 DOS環(huán)境下開發(fā)，開發(fā)工具一般為TURBO C或者BORLAND C，開發(fā)環(huán)境比較落后，編程 、調(diào)試非常的不方便。
3 ARM處理器的特點(diǎn)
首先速度快 ，ARM是一種基于 RISC架構(gòu)的處理器 ，運(yùn)行在44MHz的ARM的處理器的處理能力可大40MlPS，遠(yuǎn)大于基于CISC架構(gòu) 386SX／40的13MIPS；其次 ，功耗非常低 ，例 LPC2129的內(nèi)核耗電僅為 30mA (供 電電壓為 1．8V，時(shí)鐘 為 60MHz)，功耗為 54mW，不到 386SX的十分之一 ；第三，集成度高、功能強(qiáng)大 ，很多世界著名的半導(dǎo)體廠家都購買 了 ARM的內(nèi) 核，并根據(jù)市場的需要推出了集成豐富外圍功能包括 SRAM、 RTC，CAN接口、串行口、以太網(wǎng)接口等等的芯片 ，在很多應(yīng)用場合，一塊ARM芯片可以滿足所有的需要；第四，價(jià)格低廉，ARM芯片生產(chǎn)廠家很多，在工業(yè)控制和民用產(chǎn)品中的應(yīng)用也非常廣泛 ，芯片價(jià)格非常低廉 ，帶128KFLASH的PHILIPS LPC2104的市場價(jià)格僅為50元人民幣。
4 CPU的選擇
經(jīng)過80186、X51、ARM、DSP等多種CPU 比較后最終確定采用ARM作為 PC104處理器模塊的替代處理器 ，為了兼容原 有的基于 PC／104設(shè)計(jì)的板卡。經(jīng)過多家 ARM產(chǎn)品的比較，最 終確定采用 PHILIPS LPC2129作為本次開發(fā)的 PC／104處理 器模塊 的 CPU。LPC2129是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的 16／32位 ARM7TDMl—S CPU，并 內(nèi)置 256K字節(jié)(KB)的高速 Flash存儲(chǔ)器。128位寬度的存儲(chǔ)器接 口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使 32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率(60MHz)下運(yùn)行。LPC2129采 用很小的 TQFP一64封裝 、具有極低的功耗 、2個(gè)串口、多個(gè) 32 位定時(shí)器 、4路10位ADC、2路CAN、PWM通道 、46個(gè) GPlO 以及多達(dá) 9個(gè)外部中斷使它特別適用于工業(yè)控制領(lǐng)域CPU模塊的開 發(fā) 。
5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
基于ARM的PC／104系統(tǒng)主要由處理器 、總線接口 、 Flash、實(shí)時(shí)時(shí)鐘 、復(fù)位電路 、通訊接口、調(diào)試接口、電源幾個(gè)部分組成 ，如圖 1所示。
6 硬件設(shè)計(jì)
6 1總線部分
本模塊開發(fā)的關(guān)鍵之一是 PC／104總線的接口，包括控制總線 、地址總線和數(shù)據(jù)總線 ，采用專用的 3 3V／5V電平轉(zhuǎn)換芯片74LVC4245以保證不同電平電路的高速互連 ，74LVC4245是一塊A3 8位的總線收發(fā)器 ，并可以在5V和3．3V系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換 。
地址總線 、數(shù)據(jù)總線 、控制總線可以采用 PHILIPS的LPC2292等帶擴(kuò)展總線ARM處理器的總線 ，也可以采用 LPC2192 ARM 處理器電平轉(zhuǎn)換收發(fā)器的P0口、P1口的空閑引腳行模擬。在總線模擬時(shí)，由于P0口引腳和擴(kuò)展功能的復(fù)用 ，因地址總線 、數(shù)據(jù)總線很難選用連續(xù)的IO引腳，在編寫總線驅(qū)程序時(shí)只能通過CPU的移位指令靈活的處理：
void outportb(unsigned int portAdd ress，unsigned char value)
{
addr=(portAddress<<1O)： ／／將地址 向右移 1O位
a=(value << 21)： ／／利用兩次移位，合成一個(gè) 8位數(shù)據(jù)
b=(value<<23)．
a=(a＆ Ox01eO0000)； ／／屏蔽無關(guān)位
b=(b＆ O×78OOOOOO)：
data=(a I b)：
}
6_2 串口通訊
串口通訊是工業(yè)控制中的一個(gè)非常重要的通訊方式 ，原的x86 PC／104處理器模塊包含兩個(gè)帶Modem接口的RS23接口，由于在實(shí)際應(yīng)用中很少用到全功能的Modem接口，所在開發(fā)中省略RS232接口中的與 Modem通訊握手相關(guān)的號(hào) ，包括RTS、DCD、CTS、RI、DTR、DSR六個(gè)通訊握手的信號(hào)只保留 RXD、T×D、GND三個(gè)信號(hào) 。在接口上仍舊采用雙排針的插座 ，引腳排列也按照 DTE(Digital Terminal Equipmen的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置，以達(dá)到和原有的 386S×／40的PC／104處理器塊的充分兼容。
由于省略了 Modem通訊握手的相關(guān)信號(hào) ，使得采用 1TTL／RS232的電平轉(zhuǎn)換芯片 MAX3232實(shí)現(xiàn)兩個(gè)串口的接口成為可能 ，并在實(shí)際的使用中得到了驗(yàn)證。
6．3 驅(qū)動(dòng)程序
為了兼容已有的系統(tǒng)減少軟件移植的工作量 ，因此在編寫底層驅(qū)動(dòng)程序時(shí)已充分考慮和 DOS開發(fā)環(huán)境的底層驅(qū)動(dòng)程序兼容 ，伯比侶如仃在編垤寫¨總”線驅(qū)動(dòng)程序時(shí)編寫了 unsigned char in portb(unsigned int portAddress)和void outportb(unsigned int portAddress．unsigned char value)兩個(gè)函數(shù)： void outportb(unsigned int portAddress，unsigned char value)
{
}：
unsigned char inportb(unsigned int portAddress)
{ll_
}
這樣原有在Dos下開發(fā)的程序源代碼不需要修改 ，只需要在ARM 的開發(fā)平臺(tái)上重新編譯一下即可。
7 結(jié)束語
采用ARM處理器替代386SX的PC／104處理器模塊后 ， 首先成本大幅降低 ，該模塊在某公司的環(huán)形線圈車輛檢測器中投用后 ，產(chǎn)品的單位生產(chǎn)成本大幅降低 ，同時(shí)也最大限度的利用了以前的開發(fā)成果。第二 ，功耗大幅降低 ，CPU模塊的功耗從原來8W 降低到現(xiàn)在的1W；第三，程序燒錄方便 ，可以通過JTAG口或者串El直接下載程序 ，非常方便。第四，啟動(dòng)速度加快 ，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間小于0、5秒 ，遠(yuǎn)小于基于 386SX的 PC／104處理器的 2—4秒 ；第五，執(zhí)行速度加快 ，全部任務(wù)執(zhí)行完畢的時(shí)間從 2ms縮短為 0．5ms，速度提高了約4倍 ；第六 ，開發(fā)平臺(tái)更加友好 ，基于 386SX的PC／104模塊的開發(fā)在 D0S下進(jìn)行，開發(fā)工具一般用 TURBO C或者 BORLAND C，ARM 開發(fā)則采用 WlND0WS 下的 ADS(ARM Developer Suite)進(jìn)行開發(fā) ，而且可以非常方便地在線跟蹤和調(diào)試 。
采用LPC2129CPU的PC／104處理器的車輛檢測器在國 家“十五”科技攻關(guān)lTS專項(xiàng)杭州市智能交通系統(tǒng)示范工程的西湖隧道 、九曜山隧道中成功的投入使用 ，準(zhǔn)確 、及時(shí)、可靠的采集了隧道的車速 、流量 、車道占有率等道路交通信息 ，取得了良好的社會(huì)效益 。
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