基于嵌入式微處理器EP9315的二次開發技術
摘要：簡述了高性能ARM9微處理器EP9315的集成特點及結構框圖，介紹了片上系統的主體結構及嵌入式系統與應用模塊的硬件連接方案。在所構建的硬件平臺上開發了Windows CE的驅動程序，實現了在嵌入式操作系統下對應用模塊的控制。
關鍵詞：嵌入式系統EP9315微處理器接口電路驅動開發
嵌入式系統已成為IT行業研發熱點，但基于嵌入式系統的二次開發應用卻存在很多難點，難以真正地將嵌入式系統投入到實際應用中。武漢中科院巖土力學所智能儀器室對基于ARM9的嵌入式系統進行二次開發，采用ARM9微處理器取代原有的51單片機實現對SY5聲波檢測儀的控制。其中高速微處理器與現有低速設備接口及在配套的操作系統中就SY5聲波檢測儀原有功能設計相應驅動是本文研究的重點。同時提出了可行的硬件調試方法，為今后基于ARM9微處理器的硬件開發提供了思路。
1 系統構成
1．1 高性能的ARM9嵌入式微處理器
本設計選擇Cirrus Logle公司2004年7月推出的EP93XX系列中的高端產品EP9315。該微處理器是高度集成的片上系統處理器，擁有先進的200MHz ARM92OT處理器并支持Linux、Windows CE和其他許多嵌入式操作系統的存儲器管理單元(MMU)。它具有ARM920T內核所有的優異性能。與其他ARM9微處理器相比，EP9315具有以下特性：MaverickCrunchTM數學運算引擎，支持浮點、整數和信號處理指令；豐富的集成外設接口，包括PCMCIA、接口圖形加速器、可接兩組設備的EIDE、1/10/100Mbps以太網MAC、3個2.O全速HOST USB、專用SDRAM通道的LCD接口、觸摸屏接口、SPI串行外設接口、AC97接口、6通道TS接口、8×8鍵盤掃描接口；支持4組32位SDRAM的無縫連接等。
配合Windows CE.net嵌入式操作系統，系統開發效率高、運行穩定，為工業控制提供了可靠的系統平臺。基于定制的WinCE操作系統實現工業控制中應用模塊的專用驅動，提高了嵌入式系統的通用性。
1．2 系統主體結構
EP9315嵌入式系統總體結構如圖l所示。整個系統分為嵌入式系統、應用模塊(聲波檢測儀)和轉換模塊三部分。Cirrus Logic公司為用戶提供了基于該處理器的全功能開發板。該開發板擴展了EP9315的所有功能，并可根據實際需求將全功能開發板的硬件進行裁減，從而降低成本。該開發板預留了標準PC104接口，可方便用戶開發應用。應用模塊也預留標準PC104接口，其中的I/O控制信號、數據線、地址線與EP9315嵌入式系統的PCl04接口一一對應。而系統中的轉換模塊可保證嵌入式系統和應用模塊連接的穩定性。
EP935嵌入式系統主要由電源、32MB/64MB內存、LCD接口、警示LED、主USB、面板按鍵、CF卡接口、以太網接口和標準PCI04接口組成。其中電源提供5V、3.3V、1.8V三種電壓輸出，分別給應用模塊、外設、CPU內核供電。內存為操作系統提供運行空間。其中嵌入式系統與應用模塊的I/O控制信號、數據線和地址線都引到標準PC104插座上，經轉換模塊處理后相接。采用PC104總線標準實現了嵌入式系統的各種應用目標。液晶顯示屏用于人機交互，警示LED直觀地顯示電源狀況。主USB支持U盤和USB鼠標鍵盤，CF卡作為大容量存儲器存放應用模塊的數據，用戶通過面板按鍵實現對整個系統的控制。
1．3 嵌入式系統板與應用模塊的連接方案
系統外接的應用模塊(SY5聲波檢測儀)采用5l系列單片機控制數字模擬電路實現特殊功能。整個數字電路部分均為5V供電，模擬部分由5V及正負12V供電，采樣數據通過RS232串口傳給上位機進行數據處理。而EP9315、I／O口及外圍電路均為3.3V供電，管腳承受的最大電壓不超過3.6V。
考慮到每個管腳的驅動能力有限，用電平轉換驅動芯片74INXC4245實現電平轉換。其作用如下：
(1)改善信號的質量。某些對時延比較敏感、且在系統內又相距較遠或者較分散的信號，信號線的寄生電容會損害信號的特性。采用74LVXC4245驅動芯片進行隔離，會改善系統的性能。
(2)抗干擾。增加74VXC4245這樣的有源緩沖器可以有效地減少干擾。
(3)電平轉換。3.3V到5V和5V到3.3V雙向電平轉換。
74LVXC4245是8通道電壓轉換器，最大可提供200mA的驅動電流。與專用模塊接口時，主要實現數據線、地址線、I/O信號、中斷信號等的單/雙向電平轉換。
地址線的電平轉換方向設置為3.3V到5V。I/O、中斷信號的電平轉換方向可設置為單向轉換，3.3V到5V或5V到3.3V片選可接地。
數據線是雙向信號，電平轉換時要特別注意其方向信號和片選信號的設計。設計不合理會造成總線沖突，系統無法啟動。數據線電平轉換電路如圖2所示。
由圖2可見，方向信號使用讀信號的反向信號#RD，保證讀操作時數據線由5V到3.3V，寫操作時數據線由3.3V到5V，防止了總線沖突。使能信號OE可接地或接片選信號。
EP9315在WinCE操作系統下主頻達到200MHz，總線頻率為1OOMHz，外設時鐘為50MHz，硬件調試環境必須與操作系統完全吻合。而應用模塊多采用74系列芯片，工作頻率一般為幾兆赫茲。頻率不匹配造成了EP9315發出的讀寫及使能信號脈寬不足50ns，對由74系列芯片組成的專用模塊不能實現正確的讀寫操作。因此，系統的存儲空間采用了如圖3所示的分配，應用模塊地址空間為CS7：0X7000_0000_OX7FFF_FFEF。
為給低速設備提供足夠脈寬的總線信號，設置應用模塊地址空間存儲空間讀寫特性寄存器SMCBCR7中等待時間位WST1和WST2：
總線讀取等待時間=(WST+1)×總線時鐘
連續讀取等待時問=(WST+1)×總線時鐘
調試代碼如下： 
這種設置使得SDRAM等高速外設和低速外設擁有不同的總線頻率，具有很大的靈活性。
2 系統軟件
2．1 嵌入式操作系統下的驅動程序類型
由于Windows CE.net開發工具好學易用，沒有目標設備時可以在PC上仿真測試，因此基于Windows CE.net的嵌入式開發日益普及。但要在操作系統下控制應用模塊就要為應用模塊編寫驅動。本質上，Windows CE的設備驅動程序都是一些動態鏈接庫(.dll文件)，這些dll向內核提供了入口函數，使設備管理模塊可以通過這些函數與具體的硬件設備進行通信。由于應用模塊功能的不同，微軟沒有提供相應的驅動，所以只能自行開發測試。開發過程中采用單層驅動結構。
2．2 驅動程序開發
2．2．1 應用模塊初始化
應用模塊的初始化在標準流接口函數DEV_Init()中完成，在內核加載驅動時調用該函數，其中DEV為設備文件名的前綴，Windows CE使用其識別與特殊流接口驅動程序相對應的特殊設備。初始化的基本步驟為：
2．2．2 應用模塊數據接收與發送
應用模塊數據的傳遞在流接口函數Dev_Write( )和Dev_Read()由完成。
DEV_Wnte(<由應用程序傳入的設備句柄>，<寫入 數據指針>，<寫入數據位數>)
{//每寫l字節調用一次WRITE_PORT_UCHAR()；}
DEV_Read(<由應用程序傳入的設備句柄>，<存放數據指針>，<讀入數據位數>)
{//每讀1字節調用一次READ_PORT_UCHAR()；}
其中：WRITE_PORT_UCHAR()和READ_PORT_UCH-AR()中傳遞的地址為經過MmMapIoSpace()映射過的虛擬地址。
2．2．3 建立應用程序和設備驅動的聯系
操作系統中的應用程序與驅動中的流接口函數一一對應。其關系如圖4。
當應用程序準備對某個設備進行讀寫時，系統必須先執行CreateFile()函數打開這個設備，得到的設備句柄即為底層設備驅動中Dev_Open()的返回值。應用程序通過CloseHandle()調用設備驅動中的Dev_Close( )。執行完該函數后驅動程序引用的設備將不再有效。當一個流接口驅動程序被打開后，應用程序使用ReadFile()對這個設備進行讀操作，驅動程序中Dev_Read()響應該操作；同樣應用程序使用WriteFile()對該設備進行寫操作，驅動程序中Dev_Write()響應此操作。另外，應用程序還可以使用DeviceIOControl()通知操作系統調用流接口驅動中的DEV_IOControl()去通知驅動程序要執行的操作。這些操作用戶可用Windows CE提供的API函數CTL_CODE自定義。
筆者在Windows CE.net操作系統下，已實現了基于EP9315嵌入式系統對武漢中科院巖土力學所設計的SY5聲波儀的控制，設備運行穩定。與原來由51單片機搭建的SY5聲波儀相比，該系統功耗降低、體積變小、穩定性增強、成本降低，更適合工業控制中的運用。
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