一、引言

　　目前，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)滲透到各個(gè)領(lǐng)域：工業(yè)控制，軍事國(guó)防，消費(fèi)類電子產(chǎn)品，網(wǎng)絡(luò)通信等，但大部分領(lǐng)域的應(yīng)用都是基于國(guó)外各大廠商的嵌入式處理器。嵌入式系統(tǒng)是"控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機(jī)器和設(shè)備運(yùn)行的裝置"（devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。從中可以看出嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機(jī)械等附屬裝置。目前國(guó)內(nèi)一個(gè)普遍被認(rèn)同的定義是：以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。在嵌入式領(lǐng)域使用國(guó)產(chǎn)芯片，走國(guó)產(chǎn)化道路已經(jīng)成為一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。

　　本設(shè)計(jì)采用了龍芯系列的GS32I SoC處理器，SoC的定義多種多樣，由于其內(nèi)涵豐富、應(yīng)用范圍廣，很難給出準(zhǔn)確定義。一般說(shuō)來(lái)， SoC稱為系統(tǒng)級(jí)芯片，也有稱片上系統(tǒng)，意指它是一個(gè)產(chǎn)品，是一個(gè)有專用目標(biāo)的集成電路，其中包含完整系統(tǒng)并有嵌入軟件的全部?jī)?nèi)容。同時(shí)它又是一種技術(shù)，用以實(shí)現(xiàn)從確定系統(tǒng)功能開始，到軟/硬件劃分，并完成設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程。探討并設(shè)計(jì)如何構(gòu)造一個(gè)小型嵌入式硬件系統(tǒng)，同時(shí)兼顧科研與應(yīng)用兩方面的要求，在該平臺(tái)的基礎(chǔ)上可以連接各種外設(shè)進(jìn)行嵌入式算法的實(shí)驗(yàn)。該系統(tǒng)經(jīng)簡(jiǎn)單修改能方便地應(yīng)用在軍事、工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域。

　　二、芯片簡(jiǎn)介

　　目前龍芯系列微處理器有龍芯1號(hào)，龍芯2號(hào)微處理器。龍芯2號(hào)集成了橋芯片，采用分離的32位地址/數(shù)據(jù)總線，因此本設(shè)計(jì)采用基于龍芯2號(hào)的GS32I SoC處理器。

　　GS32I高集成系統(tǒng)設(shè)備，提供了高帶寬的存儲(chǔ)總線，一個(gè)100/125MHz SDRAM控制器和一個(gè)SRAM/Flash EPROM控制器；EPROM（Erasable Programmable ROM,可擦除可編程ROM）芯片可重復(fù)擦除和寫入，解決了PROM芯片只能寫入的弊端。EPROM芯片有一個(gè)很明顯的特征，在其正面的陶瓷封裝上，開有一個(gè)玻璃窗口，透過(guò)該窗口，可以看到其內(nèi)部的集成電路，紫外線透過(guò)該孔照射內(nèi)部芯片就可以擦除其內(nèi)的數(shù)據(jù)，完成芯片擦除的操作要用到EPROM擦除器。SDRAM:Synchronous Dynamic Random Access Memory,同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，同步是指 Memory工作需要同步時(shí)鐘，內(nèi)部的命令的發(fā)送與數(shù)據(jù)的傳輸都以它為基準(zhǔn)；動(dòng)態(tài)是指存儲(chǔ)陣列需要不斷的刷新來(lái)保證數(shù)據(jù)不丟失；隨機(jī)是指數(shù)據(jù)不是線性依次存儲(chǔ)，而是自由指定地址進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。48個(gè)GPIO口，其中22個(gè)專用，可以多路復(fù)用，以便在需要的時(shí)候能提供額外的功能；33/66MHz、32位PCI控制器（兼容PCI2.2）；兩個(gè)10/100M以太網(wǎng)控制器；通用串行總線（USB）主機(jī)及裝置控制器，兩個(gè)通用異步收發(fā)器，一個(gè)AC97控制器，一個(gè)PCMCIA控制器。GS32I提供了強(qiáng)健的電源管理，有空閑和睡眠兩種省電模式，還提供有EJTAG接口，用于系統(tǒng)連續(xù)檢查。

　　三、小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　龍芯GS32I SoC處理器是專門針對(duì)嵌入式領(lǐng)域研制的一款處理器。GS32I處理器是基于MIPS32指令集的高性能，低功耗的片上系統(tǒng)（SoC），主頻可達(dá) 500MHz,工作頻率在400MHz時(shí)功耗小于0.7w,使用了0.18uS的制造工藝。龍芯GS32I開發(fā)板以GS32I處理器為，內(nèi)部集成橋芯片，集成了嵌入式產(chǎn)品所需的大量外設(shè)，包括系統(tǒng)外設(shè)、高速/低速外設(shè)、存儲(chǔ)器接口、DMA等。由于龍芯GS32I優(yōu)越的性能，低功耗，高集成度，目前已成功的應(yīng)用于瘦客戶機(jī)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。GS32I總線采用系統(tǒng)總線（SBUS）與存儲(chǔ)器和外部設(shè)備通信。SBUS是GS32I處理器內(nèi)部的36位物理地址和32位數(shù)據(jù)地址總線。需要高帶寬或者需要離CPU近的設(shè)備連到SBUS總線，包括存儲(chǔ)器控制器（SDRAM, FLASH/SRAM）、32位PCI總線接口控制器、DMA 控制器、USB1.1控制器和以太網(wǎng)控制器。PBUS設(shè)備包括電源控制單元、中斷控制器、時(shí)鐘定時(shí)器、通用I/O、UART、AC97控制器。

　　1. 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　小系統(tǒng)硬件功能框圖如圖1所示：

　　圖1  總體框圖

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括CPU啟動(dòng)和復(fù)位電路以及外部I/O設(shè)備的地址擴(kuò)展； 包括FLASH和SRAM在內(nèi)的存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；RS232串口；用于人機(jī)交互的4×4小鍵盤和4位LED數(shù)碼管，另外還提供了八路開關(guān)量的輸入/輸出、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器以及用來(lái)實(shí)驗(yàn)和測(cè)試的EJTAG接口等。

　　2. 系統(tǒng)的啟動(dòng)與復(fù)位

　　龍芯GS32I支持16位和32位啟動(dòng)。管腳 ROMSEL和ROMSIZE的狀態(tài)決定了CPU啟動(dòng)ROM的寬度和類型，此表如下所示：

　　表1:

　　基于系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化的需求，使用開放源代碼的Linux操作系統(tǒng)便于實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。為了方便其嵌入，本系統(tǒng)設(shè)置為32位FLASH啟動(dòng)，即把ROMSEL和ROMSIZE都置為低電平。啟動(dòng)時(shí)，若ROMSEL為低電平，則RCSO#缺省設(shè)置為有效，并且對(duì)Ox0 1FCO 0000使能，CPU從物理地址Ox0 1FCO 0000地址開始執(zhí)行程序。因此，F(xiàn)LASH或ROM的起始地址應(yīng)該通過(guò)RCS0#映射到此處。系統(tǒng)復(fù)位模塊提供GS32I處理器的硬件復(fù)位和軟復(fù)位。當(dāng)管腳VDDXOK和RESETP#都有正電平跳變時(shí)，硬件復(fù)位有效，這一般在系統(tǒng)加電時(shí)產(chǎn)生。

　　若電源供電正常，且VDDXOK保持，當(dāng)RESETP#發(fā)生正電平跳變時(shí)，軟件復(fù)位有效。這種復(fù)位對(duì)一些寄存器，特別是系統(tǒng)控制塊寄存器沒(méi)有影響。復(fù)位芯片采用可監(jiān)視供電電源的低功耗芯片MAX811SU,電路原理如下圖所示：

　　圖2  RESET電路

　　3. 存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　GS32I提供了高帶寬的存儲(chǔ)總線，一個(gè)100/125MHz SDRAM控制器和一個(gè)SRAM/Flash EPROM控制器。SRAM/Flash EPROM控制器可以支持FLASH 、SRAM、LCD 、PCMCIA和外部I/O設(shè)備等。

　　針對(duì)存儲(chǔ)容量要求比較低的小型嵌入式系統(tǒng)，SRAM設(shè)計(jì)為16M bit,FLASH設(shè)計(jì)為64M bit,已能夠滿足應(yīng)用需求。SRAM/Flash EPROM控制器有四個(gè)可編程的片選信號(hào)RCS0#~RCS3#,本文將RCSO#,RCS1#用于FLASH和SRAM,RCS2#用做對(duì)外部I/O設(shè)備的地址擴(kuò)展。

　　本設(shè)計(jì)采用了2片Intel公司的28F320C3 FLASH,作為系統(tǒng)ROM區(qū)，存放操作系統(tǒng)和用戶應(yīng)用程序；兩片ISSI公司的IS61LV51216 SRAM,作為系統(tǒng)RAM區(qū)，存放系統(tǒng)數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)。其中RCS0#用于FLASH的片選信號(hào)，與FLASH的CS#連接，RCS1#用于SRAM的片選信號(hào)。關(guān)于存儲(chǔ)器的硬件設(shè)計(jì)示意圖如圖所示：

　　圖3  存儲(chǔ)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)示意圖

　　⑴  FLASH接口設(shè)計(jì)及相關(guān)寄存器的設(shè)計(jì)

　　28F320C3 FLASH的存儲(chǔ)容量為2M×16 bit.由于SRAM/Flash EPROM控制器設(shè)置為32位總線寬度，使用兩片28F320C3 FLASH擴(kuò)展為32位總線寬度，地址線連接至GS32I地址總線的RAD2~RAD22,每次讀取四個(gè)字節(jié)； GS32I復(fù)位后起始地址是 0x0 1FC0 0000,FLASH的地址被裝載到此處，每個(gè)片選信號(hào)的地址映射范圍是通過(guò)設(shè)置片選地址寄存器mem_staddr0來(lái)實(shí)現(xiàn)的，片選地址寄存器mem_staddr0的格式如下所示：

　　當(dāng)E位置為1并且滿足條件"（physical_addr&CSMASK）==CSBA"時(shí)，片選信號(hào)將變?yōu)橛行Аhysical_addr是內(nèi)部系統(tǒng)總線作為輸出的實(shí)際的36位物理地址，CSBA用來(lái)指定這個(gè)片選信號(hào)的物理基地址的31:18位，CMASK用來(lái)指定CSBA的哪些位被用來(lái)譯碼片選信號(hào)。本系統(tǒng)中，mem_stcfg0寄存器的DTY域設(shè)置為3,則對(duì)應(yīng)的高四位35:32位的值為0000B,CSBA設(shè)置為0x07F0,CMASK設(shè)置為0x3FF0這樣FLASH的地址就被映射到0x0 1FC0 0000-0x0 1FFF FFFF.

　　FLASH快讀取速度為70ns, CPU系統(tǒng)總線周期為10ns（100MHz），因此在讀取FLASH時(shí)需要插入等待狀態(tài)，通過(guò)設(shè)置靜態(tài)時(shí)序寄存器mem_sttime0來(lái)插入等待周期。靜態(tài)時(shí)序寄存器mem_sttime0的格式為：

　　Ta域?yàn)閿?shù)據(jù)有效時(shí)片選信號(hào)要求插入的周期數(shù)，考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，根據(jù)FLASH的讀取參數(shù)，插入7個(gè)等待周期，因此Ta域設(shè)置為7.Ta域默認(rèn)值為29,在選取啟動(dòng)ROM芯片時(shí)，若芯片讀取參數(shù)需要插入的等待周期超過(guò)29,則這種芯片不可用。Tcsh域用來(lái)指定在兩次訪問(wèn)期間片選信號(hào)保持的時(shí)鐘周期數(shù)，這里設(shè)置為0.

　　⑵ SRAM接口設(shè)計(jì)及相關(guān)寄存器的設(shè)計(jì)

　　SRAM的存儲(chǔ)容量設(shè)計(jì)為512K×32位，可使用兩片IS61LV51216 SRAM（512K×16）通過(guò)位擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)。將RCS1#連接到SRAM的片選信號(hào)CS#上，地址線連接至GS32I地址總線的RAD2~RAD20,地址范圍是通過(guò)設(shè)置片選地址寄存器mem_staddr1來(lái)映射的，設(shè)置方法與mem_staddr0的實(shí)現(xiàn)相同。

　　SRAM時(shí)序與CPU的配合是通過(guò)設(shè)置靜態(tài)時(shí)序寄存器mem_sttime1來(lái)完成的，mem_sttime1的格式與的mem_sttime0相同。IS61LV51216 SRAM的讀寫速度快為10ns, 片選信號(hào)RCS1#插入一個(gè)等待周期，Ta域設(shè)置為1,Tcsh域設(shè)置為0.對(duì)于SRAM的寫入，與其相關(guān)的域有Twcs,用來(lái)指定寫脈沖RWE#后片選信號(hào)RCS1#保持的時(shí)鐘周期數(shù)， Tcsw用來(lái)指定片選信號(hào)RCS1#有效后的幾個(gè)時(shí)鐘周期插入RWE#,Twp用來(lái)指定RWE#持續(xù)的時(shí)鐘周期數(shù)。根據(jù)SRAM的參數(shù)和SRAM的讀寫時(shí)序。設(shè)置完成后，SRAM的讀寫時(shí)序如下圖所示：

　　圖4  SRAM讀寫時(shí)序圖

　　4.其他外部設(shè)備的設(shè)計(jì)

　　GS32I處理器提供48個(gè)GPIO口，其中22個(gè)專用，48個(gè)GPIO中的32個(gè)由主GPIO塊控制，另外16個(gè)是次級(jí)GPIO口。每個(gè)GPIO口可以被配置作為輸入或輸出，并且能夠連接到內(nèi)部中斷控制器對(duì)輸入的信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)中斷。本設(shè)計(jì)中采用GPIO管腳作為外設(shè)的數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)。

　　（1）串口的設(shè)計(jì)

　　RS232收發(fā)器使用MAXIM公司的MAX3232,采用簡(jiǎn)單的三線制接法，即地、接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)三腳相連，原理圖如下所示：

　　圖5 串口電路原理圖

　　（2）鍵盤驅(qū)動(dòng)和數(shù)碼顯示驅(qū)動(dòng)

　　4×4鍵盤和四位LED顯示用于人機(jī)交互。4×4小鍵盤采用專用的鍵盤譯碼芯片74C922,中斷方式連接，通過(guò)GPIO1觸發(fā)中斷。顯示模塊是四位共陰極LED七段數(shù)碼管，段碼通過(guò)共陰極數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)器74LS248驅(qū)動(dòng)，位碼用74LS373寄存器送數(shù)據(jù)。這個(gè)設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，限于篇幅，略去原理圖。

　　（3）A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)

　　A/D 和D/A使用封裝小，功耗低，且能滿足高速采樣系統(tǒng)的串行轉(zhuǎn)換器，這樣適合嵌入式系統(tǒng)的要求。串行A/D和D/A轉(zhuǎn)換器發(fā)送與接收數(shù)據(jù)是通過(guò)GS32I的GPIO口來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本設(shè)計(jì)中用次級(jí)GPIO口作為串行數(shù)據(jù)的輸入輸出，主GPIO產(chǎn)生中斷。A/D模塊采用流水線結(jié)構(gòu)的12位模-數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），內(nèi)部由流水線ADO、基準(zhǔn)電壓源、控制邏輯、FIFO、緩沖器、采樣保持器和多路器切換開關(guān)等組成。其功能有：片選信號(hào)CS,低電平有效，設(shè)置片選信號(hào)，以便與各種處理器連接，轉(zhuǎn)換時(shí)鐘或啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)，單次轉(zhuǎn)換時(shí)為啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，連續(xù)轉(zhuǎn)換時(shí)是時(shí)鐘輸入信號(hào)。

　　A/D轉(zhuǎn)換器使用的是AD公司的高速12 位A/D 轉(zhuǎn)換器AD7896, 轉(zhuǎn)換速率為100kHz, 單電源供電（2.7V~ 5.5V ）。首先通過(guò)八選一開關(guān)74HC4351輸入模擬量，通過(guò)GPIO口GPIO2O2寫CVRT#W為低電平，開始模數(shù)轉(zhuǎn)換。由于CVRT#信號(hào)要求至少保持40ns,所以GPIO2O2通過(guò)74LS123展寬為40ns后再輸入至CVRT#.轉(zhuǎn)換完成后，通過(guò)GPIO0信號(hào)觸發(fā)中斷，CPU通過(guò)GPIO口的GPIO201串行接收數(shù)據(jù)，整個(gè)轉(zhuǎn)換周期只需10us.

　　D/A轉(zhuǎn)換器采用12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD8300,GS32I通過(guò)GPIO口串行發(fā)送數(shù)據(jù)到AD8300.由于AD8300接收12位數(shù)據(jù)要求CS#至少保持720ns,所以提供片選的GPIO207通過(guò)74LS123后再接至AD8300的CS#端

　　此外，GS32I根據(jù) MIPS EJTAG 2.5規(guī)范實(shí)現(xiàn)了EJTAG,并提供其外部接口。從而實(shí)現(xiàn)調(diào)試和執(zhí)行調(diào)試能力的軟硬件子系統(tǒng)。

　　四、結(jié)束語(yǔ)

　　對(duì)于使用國(guó)產(chǎn)芯片開發(fā)嵌入式產(chǎn)品的研究在我國(guó)還是剛剛起步，可以借鑒的開發(fā)資料和經(jīng)驗(yàn)還不多見，希望本文所介紹的基于龍芯GS32I小系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)可以對(duì)使用國(guó)產(chǎn)芯片進(jìn)行嵌入式研究的人員具有一定的參考價(jià)值。嵌入式系統(tǒng)就是針對(duì)特定領(lǐng)域的專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它融合了計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)，通信技術(shù)，半導(dǎo)體微電子技術(shù)，它隨著單片機(jī)的發(fā)展逐漸成熟的。目前，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)滲透到各個(gè)領(lǐng)域：工業(yè)控制，軍事國(guó)防，消費(fèi)類電子產(chǎn)品，網(wǎng)絡(luò)通信等，但大部分領(lǐng)域的應(yīng)用都是基于國(guó)外各大廠商的嵌入式處理器，在嵌入式領(lǐng)域使用國(guó)產(chǎn)芯片，走國(guó)產(chǎn)化道路已經(jīng)成為一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)的芯片主要有星光系列、神威系列、青鳥嵌入式芯片、方舟系列、龍芯系列，這些芯片各有自己的特點(diǎn)。