基于DSP E1—16XS的硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)
引 言
嵌入式系統(tǒng)硬件的核心是各種類型的嵌入式處理器,目前全世界嵌入式處理器的品種已經(jīng)超過(guò)1000多種,流行體系結(jié)構(gòu)有30多個(gè)系列。嵌入式處理器一般可以分為嵌入式微處理器、嵌入式微控制器、嵌入式DSP處理器和嵌入式片上系統(tǒng)。
與標(biāo)準(zhǔn)微處理器相比,嵌入式微處理器只保留了和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的功能,并且為了滿足嵌人式應(yīng)用的特殊要求,在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面都做了各種增強(qiáng)。
DSP嵌入式系統(tǒng)是DSP系統(tǒng)嵌人到應(yīng)用電子系統(tǒng)中的一種通用系統(tǒng)。這種系統(tǒng)既具有DSP器件在數(shù)據(jù)處理方面的優(yōu)勢(shì),又具有應(yīng)用目標(biāo)所需要的技術(shù)特征。在許多嵌人式應(yīng)用領(lǐng)域,既需要在數(shù)據(jù)處理方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的DSP,也需要在智能控制方面技高一籌的微處理器(MCU);因此,將DSP與MCU融合在一起的雙核平臺(tái),將成為DsP技術(shù)發(fā)展的一種新潮流。德國(guó)Hyperstone公司是真正把DSP成功嵌入32位微處理器的廠商之一,尤其是它的E1一XS系列更是這方面的佼佼者。
1 E1-16XS微處理器結(jié)構(gòu)概述
Hyperstone RISC/DSP架構(gòu)框圖如圖1所示。
Hy—perstone內(nèi)核是專為RISC和DSP功能的集成而設(shè)計(jì)的,但它不是兩個(gè)不同內(nèi)核在單個(gè)芯片上的簡(jiǎn)單組合,而是一個(gè)集成的內(nèi)核和指令集。這一全集成的內(nèi)核基于單處理器模式,帶有單指令流。RISC和DSP單元間簡(jiǎn)單且高效的通信由1個(gè)96路的32位內(nèi)部寄存器實(shí)現(xiàn),在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可以執(zhí)行3條指令的操作。所以在100 MHz的頻率下可以達(dá)到3。O MOPS這樣優(yōu)秀的性能。
Hyperstone E1-16xS是一款O.25μm CMOS工藝的微處理器。它結(jié)合了高性能的RISC微處理器和DSP處理器,利用簡(jiǎn)潔高效的指令,使嵌入式DSP處理器的實(shí)時(shí)性得以充分的發(fā)揮。
該處理器主要具有如下的特點(diǎn):
①32位RISC/DSP處理器,ALU、DSP單元和LoaoI/Store單元并行處理,內(nèi)部集成硬件乘法器。
?、?6根數(shù)據(jù)線,22根地址線,4個(gè)外部存儲(chǔ)體(Mem—oryr Bank)選擇信號(hào)。
?、? GB內(nèi)存地址空間,I/O空間和存儲(chǔ)空間分開(kāi)尋址,存儲(chǔ)器和DSP連接無(wú)需附加邏輯電路。
?、芷瑑?nèi)集成16 KB RAM和片上指令高速緩存。⑤具有全面的DRAM和DMA控制器,所有的總線時(shí)序可編程。
?、奁螾LL、CPU最高頻率可達(dá)180 MHz。
⑦中斷服務(wù)程序可在7個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)啟動(dòng)。除內(nèi)部中斷外,還有7個(gè)外部中斷可用。
?、?個(gè)可編程I/O引腳除了可配置成輸入輸出外,還可以配置成外部中斷輸入使用。
⑨32位定時(shí)器和看門狗定時(shí)器;用戶可利用hyRTK內(nèi)核訪問(wèn)154個(gè)獨(dú)立的“虛擬”定時(shí)器,僅需很少的處理開(kāi)銷。
2 嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示
電源電路:輸入5 V,經(jīng)過(guò)DC-DC變換,分別給微處理器提供2.5 V和3.3 V的電壓。
晶振電路:16 MHz有源晶體振蕩器經(jīng)過(guò)倍頻,分別為Hyperstone內(nèi)核/系統(tǒng)提供128/64 MHz的時(shí)鐘頻率。
復(fù)位電路:可選用簡(jiǎn)單的RC復(fù)位電路,考慮到系統(tǒng)復(fù)位的可靠性和掉電監(jiān)控,建議使用專門的復(fù)位IC,例如MAX706。
微處理器:即E1-16XS,是系統(tǒng)的工作和控制中心。
Flash:可存放Boot監(jiān)控程序、嵌入式操作系統(tǒng)、用戶應(yīng)用程序或其他在系統(tǒng)掉電后需要保存的數(shù)據(jù)。
SDRAM:系統(tǒng)代碼運(yùn)行和數(shù)據(jù)變量存儲(chǔ)的空間。
JTAG接口:通過(guò)該接口可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行在線調(diào)試和程序下載。
I/O擴(kuò)展接口;引出數(shù)據(jù)總線、地址總線和必需的I/0控制總線,便于用戶根據(jù)自身的特定需求,擴(kuò)展外圍電路;DSP可以通過(guò)該擴(kuò)展總線對(duì)其他板卡進(jìn)行控制,或者其他板卡可以通過(guò)該接口對(duì)開(kāi)發(fā)板進(jìn)行操作。
2.2 系統(tǒng)主要硬件單元電路設(shè)計(jì)
不同的DSP處理器在與DRAM、Flash連接時(shí)通常會(huì)有些差異,所以下面著重分析存儲(chǔ)器接口電路的工作原理和設(shè)計(jì)方法。
(1)Flash接口電路
由于Flash存儲(chǔ)器具有低功耗,大容量,可整片或分扇區(qū)快速燒寫、擦除,掉電后信息不丟失等特點(diǎn),在各種嵌入式系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。
本系統(tǒng)中,F(xiàn)lash存儲(chǔ)器采用Hynix的HY29LV160。它是16位數(shù)據(jù)寬度,存儲(chǔ)容量為16 Mb(2 MB),可以在2.7~3.6 V電壓范圍內(nèi)進(jìn)行讀、編程(燒寫)和擦除操作。
在大多數(shù)系統(tǒng)中,選用1片16位的Flash存儲(chǔ)器芯片(單片容量有1 MB、2 MB、4 MB、8 MB等)構(gòu)建16位的Flash存儲(chǔ)系統(tǒng)已經(jīng)足夠。在此采用1片HY29LV160構(gòu)建16位的Flash存儲(chǔ)器系統(tǒng)。圖3為16位模式Flash與處理器E1—16XS的基本接法。
Flash存儲(chǔ)器在系統(tǒng)中通常用于存放程序代碼、系統(tǒng)上電或復(fù)位后從此獲取指令并開(kāi)始執(zhí)行。因此,應(yīng)將存有程序代碼的Flash存儲(chǔ)器配置到Bank3,即將E1—16XS的CS3接至HY29LV160的片選端CE。輸出使能端面OE接E1- 16XS的OE;寫使能端WE接E1—16XS的WEl模式選擇BYTE上拉,使HY29LV160工作在16位數(shù)據(jù)模式;RY/BY(就緒/忙)指示HY29LV160編程或擦除操作的工作狀態(tài)。
HY29LV160地址總線A[19~O]與E1-16XS的地址總線A[20~1]相連;16位數(shù)據(jù)總線D[15~0]與El一16XS的16位數(shù)據(jù)總線D[15~o]相連。此時(shí)應(yīng)將E1—16XS的B00TB置為O,即選擇外部F1ash為16位工作方式。
(2)DRAM接口電路
與Flash存儲(chǔ)器相比較,動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器DRAM雖然不具有掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)的特性,但其存取速度大大高于Flash存儲(chǔ)器,在系統(tǒng)中主要用作程序的運(yùn)行空間。
E1-16XS內(nèi)部的DRAM控制器支持DRAM的各種形式,例如Fast—Page Mode,、EDO和SDRAM,都可以直接和處理器無(wú)縫連接。存儲(chǔ)器存取的總線時(shí)序刷新控制等可由總線控制寄存器(BCR)設(shè)定。這里以目前嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中常用的SDRAM說(shuō)明電路的具體連接。
系統(tǒng)中SDRAM選用IS42S16100一7T。它的存儲(chǔ)容量為2 BatLks×512 K×16位(2 MB),工作電壓為(3.3±0.3)V,16位數(shù)據(jù)寬度。如果用戶需要運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)及各種相對(duì)較復(fù)雜的功能,可以考慮增加SDRAM的容量。E1—16XS最大支持128 MB。
圖4為IS42S16l。
0—7T SDRAM存儲(chǔ)器和El一。16XS的連接框圖。將該SDRAM配置到系統(tǒng)存儲(chǔ)器的Bank0,即將E1—16XS的DP0(SDRAM選擇信號(hào))接至IS42S16100的CS端。表l可以清晰地反映出El一16XS和IS42S16100的連接情況。
(3)I/O擴(kuò)展
由于DSP本身的I/O口相對(duì)比較少,在很多應(yīng)用場(chǎng)合下,需要進(jìn)行I/O擴(kuò)展。E1 16XS內(nèi)部I/O總線控制寄存器提供了6位作為芯片選擇用,也就是可以連接64個(gè)周邊器件;另外還有3位作為I/O器件內(nèi)部寄存器地址尋址用,9位用來(lái)設(shè)定讀寫訪問(wèn)的總線時(shí)序設(shè)置,例如地址建立時(shí)間和保持時(shí)間等。這樣可以降低對(duì)外設(shè)的訪問(wèn)速度,適應(yīng)低速外設(shè)的要求。一般對(duì)外設(shè)I/O的訪問(wèn)連接如圖5所示。
圖5中,IORD和IOWR為I/O訪問(wèn)時(shí)的讀控制信號(hào)和寫控制信號(hào),分別連接到I/O設(shè)備的讀和寫控制端;I/0設(shè)備的中斷輸出信號(hào)INT連接到DSP的中斷輸入信號(hào)INTn。E1—16XS提供了最多7個(gè)外部中斷輸入可供連接。
3 PCB板設(shè)計(jì)要點(diǎn)
設(shè)計(jì)好電路圖后,就可以設(shè)計(jì)PCB板了。在系統(tǒng)中,E1-16XS的片內(nèi)工作頻率可以達(dá)到150 MHz以上,系統(tǒng)總線頻率也接近1OOMHz,因此,在PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中,應(yīng)該遵循高頻電路設(shè)計(jì)的基本原則。首先應(yīng)注意電源的質(zhì)量與分配,其次要注意信號(hào)線和時(shí)鐘線的分布。
(1)電源質(zhì)量與分配
在設(shè)計(jì)PCB板時(shí),給各個(gè)單元電路提供高質(zhì)量的電源,會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性大幅度提高。一般應(yīng)在電源進(jìn)入印刷電路板的位置和靠近各器件的電源引腳處加上幾十~幾百μF的電容,以濾除電源噪聲。還要注意在器件的電源和地之間加上0.0l μF~O.1μF左右的電容,用來(lái)濾除元器件工作時(shí)產(chǎn)生的高頻噪聲。由于雙面PCB板電源采用電源總線的方式,受到電路板面積的限制,一般存在較大的直流電阻,所以為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,通常采用多層板。一般專門拿出兩層,作為電源層和地層,而不在其上布信號(hào)線。低阻抗的電源層也可以像地層一樣作為高頻信號(hào)的返回通路,可以有效地降低噪聲。
(2)同類型信號(hào)線的分布
在設(shè)計(jì)PCB時(shí),對(duì)于處理器的輸入輸出信號(hào)中的數(shù)據(jù)線、地址線等相同類型的線應(yīng)該成組、平行分布,并保持它們之間的長(zhǎng)短差異不要太大。采用這種方式布線,既可以減少干擾,增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性,還可以簡(jiǎn)化布線,使PCB板的外觀美觀。
(3)時(shí)鐘信號(hào)線的分布
較高頻的時(shí)鐘信號(hào)是電路板的關(guān)鍵信號(hào),頻率越高的時(shí)鐘其布線要求也越高。布線時(shí)應(yīng)使時(shí)鐘源到負(fù)載的連線盡量短,線應(yīng)盡量寬。不同時(shí)鐘之間、時(shí)鐘與其他信號(hào)之間避免平行走線。信號(hào)負(fù)載較多時(shí),在一個(gè)驅(qū)動(dòng)器上不要驅(qū)動(dòng)其他時(shí)鐘信號(hào),保證時(shí)鐘信號(hào)的質(zhì)量良好。
結(jié) 語(yǔ)
該精簡(jiǎn)開(kāi)發(fā)板具有最小化的功能,用戶僅僅需要在Flash里預(yù)先燒寫B(tài)oot監(jiān)控程序,就可以進(jìn)行應(yīng)用程序的調(diào)試和下載。該開(kāi)發(fā)板具有良好的擴(kuò)展性,通過(guò)I/O擴(kuò)展接口為用戶的硬件擴(kuò)展提供了很大的便利。用戶可以在不更改Boot監(jiān)控程序的前提下對(duì)該精簡(jiǎn)開(kāi)發(fā)板進(jìn)行硬件功能(串口、USB、可編程器件等)的擴(kuò)充。
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