基于ARM和CPLD的可扩展嵌入式系统设计
摘要
进入20世纪90年代后，随着全球信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式系统技术获得了前所未有的发展空间。
嵌入式系统的最大特点之一是其所具有的目的性或针对性，即每一套嵌入式系统的开发设计都有其特殊的应用场合与特定功能，这也是嵌入式系统与通用的计算机系统最主要的区别。由于嵌入式系统是为特定的目的而设计的，且常常受到体积、成本、功能、处理能力等各种条件的限制。因此，如果可以最大限度地提高应用系统硬件上和软件上的灵活性，就可以用最低的成本，最少的时间，快速的完成功能的转换。
本课题的目的在于提出并设计一种基于ARM(Advanced RISC Machines)和CPLD(Complex Programmable Logic Device)的可扩展功能嵌入式系统平台，并完成了系统的硬件设计和PCI(Peripheral Component Interconnect)桥的固件设计。设计过程中采用美国ALTIUM公司的ALTIUM DESIGNER 6.0 EDA软件开发了系统的硬件部分。在整个硬件开发环节中，充分采用高速PCB(Printed Circuit Board)的设计原则，并进行全面的电路仿真试验，保证了硬件系统的高度可靠性。本系统承袭了ARM7系列处理器高性能、低功耗、低成本的优点，并充分考虑到用户的需要，扩展了多种常用的外部设备接口以及蓝牙无线接口等，为将来各种可能的应用提供了完善的硬件基础。概括总结起来本文具体工作如下：
1．完全自主设计了具有高扩展性的基于LPC2292嵌入式处理器的嵌入式系统应用开发平台。基于该硬件平台，可以实现许多基于ARM架构处理器的嵌入式应用而无需对硬件系统作出大的改变，如多协议转换器、CAN(Control Area Network)总线网关、以太网关、各种工业控制应用等。并在具体的设计实践中，总结出了嵌入式系统硬件平台的设计原则及设计方法。
2．完成了基于CPLD的PCI桥接芯片的固件设计，在ARM硬件平台上成功扩展了PCI设备，成功解决了ARM处理器和PCI从设备之间通讯的问题。
3．完成了对所开发的嵌入式系统硬件平台的测试工作，完成了基于AT89C51的PCI测试卡软硬件设计。基于此测试卡，可以实现对系统中的PCI通讯功能进行有效测试，以保证整个硬件系统正常、高效、稳定地运行。本系统的设计完成，使其可以作为嵌入式应用的二次开发或实验平台，用于工业产品开发及高校相关专业的实践教学。
After the 1990s,with the development of information industry and INTERNET, embeddedsystem technology abstained almost unlimited space for development.
The purpose of my project is to arise and design an extensible embedded application systemplatform based on ARM and CPLD. Hardware of the system is developed with the ALTIUMDESIGNER 6.0 EDA software. Design regulation on high speed PCB is adopted to ensure stabilityof the system. With the BLUETOOTH module, the system provides the customers with an perfectapplication solution for most possible usages, the specific works of the research topic is as below:
1. An integrated platform for multifunctional embedded system is designed with LPC2292embedded processor. Based on this platform, many embedded applications can be easily realizedwithout any modification on hardware, such as Ethernet gateway、CAN gateway、industryapplications and so on. Within the designment practice, the rules and the method to design anembedded system hardware platform are successfully summarized.
2. PCI bridge firmware is successfully designed and tested, the PCI devices is successfully attachedon the ARM hardware platform, so the communication problem existing between ARM and PCIslave devices is perfectly solved.
3. Designment of the PCI test card based on AT89C51 single chip machine is completed, the testcard can effectly test the PCI communication functions of the system hardware platform and by thisway to ensure normality and stability of the system when operating. The system can also beadopted as an experiment platform to cultivate the concerned students in university.
嵌入式系统的最大特点之一是其所具有的目的性或针对性，即每一套嵌入式系统的开发设计都有其特殊的应用场合与特定功能，这也是嵌入式系统与通用的计算机系统最主要的区别。由于嵌入式系统是为特定的目的而设计的，且常常受到体积、成本、功能、处理能力等各种条件的限制。因此，如果可以最大限度地提高应用系统硬件上和软件上的灵活性，就可以用最低的成本，最少的时间，快速的完成功能的转换。
本课题的目的在于提出并设计一种基于ARM(Advanced RISC Machines)和CPLD(Complex Programmable Logic Device)的可扩展功能嵌入式系统平台，并完成了系统的硬件设计和PCI(Peripheral Component Interconnect)桥的固件设计。设计过程中采用美国ALTIUM公司的ALTIUM DESIGNER 6.0 EDA软件开发了系统的硬件部分。在整个硬件开发环节中，充分采用高速PCB(Printed Circuit Board)的设计原则，并进行全面的电路仿真试验，保证了硬件系统的高度可靠性。本系统承袭了ARM7系列处理器高性能、低功耗、低成本的优点，并充分考虑到用户的需要，扩展了多种常用的外部设备接口以及蓝牙无线接口等，为将来各种可能的应用提供了完善的硬件基础。概括总结起来本文具体工作如下：
1．完全自主设计了具有高扩展性的基于LPC2292嵌入式处理器的嵌入式系统应用开发平台。基于该硬件平台，可以实现许多基于ARM架构处理器的嵌入式应用而无需对硬件系统作出大的改变，如多协议转换器、CAN(Control Area Network)总线网关、以太网关、各种工业控制应用等。并在具体的设计实践中，总结出了嵌入式系统硬件平台的设计原则及设计方法。
2．完成了基于CPLD的PCI桥接芯片的固件设计，在ARM硬件平台上成功扩展了PCI设备，成功解决了ARM处理器和PCI从设备之间通讯的问题。
3．完成了对所开发的嵌入式系统硬件平台的测试工作，完成了基于AT89C51的PCI测试卡软硬件设计。基于此测试卡，可以实现对系统中的PCI通讯功能进行有效测试，以保证整个硬件系统正常、高效、稳定地运行。本系统的设计完成，使其可以作为嵌入式应用的二次开发或实验平台，用于工业产品开发及高校相关专业的实践教学。
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The purpose of my project is to arise and design an extensible embedded application systemplatform based on ARM and CPLD. Hardware of the system is developed with the ALTIUMDESIGNER 6.0 EDA software. Design regulation on high speed PCB is adopted to ensure stabilityof the system. With the BLUETOOTH module, the system provides the customers with an perfectapplication solution for most possible usages, the specific works of the research topic is as below:
1. An integrated platform for multifunctional embedded system is designed with LPC2292embedded processor. Based on this platform, many embedded applications can be easily realizedwithout any modification on hardware, such as Ethernet gateway、CAN gateway、industryapplications and so on. Within the designment practice, the rules and the method to design anembedded system hardware platform are successfully summarized.
2. PCI bridge firmware is successfully designed and tested, the PCI devices is successfully attachedon the ARM hardware platform, so the communication problem existing between ARM and PCIslave devices is perfectly solved.
3. Designment of the PCI test card based on AT89C51 single chip machine is completed, the testcard can effectly test the PCI communication functions of the system hardware platform and by thisway to ensure normality and stability of the system when operating. The system can also beadopted as an experiment platform to cultivate the concerned students in university.
引文
北京理工大学ASIC研究所．1999．VHDL语言100例详解．清华大学出版社．272～280
季昱，林俊超．2005．ARM嵌入式应用系统开发典型实例．中国电力出版社．83～92
赖麒文．2002．8051单片机C语言彻底应用．科学出版社．162～169
李朝青．2000．PC机及单片机数据通信技术．北京航空航天大学出版社．95～99
刘文涛．2006．Altium Designer 6.0易学通．人民邮电出版社．2～5
李洪伟，袁斯华．2006．基于Quartus Ⅱ的FPGA／CPLD设计．电子工业出版社
李华．1993．MCS-51系列单片机实用接口技术．北京航空航天大学出版社．135～137
李景华，杜玉远．2000．可编程逻辑器件与EDA技术．东北大学出版社．207～213
李正军．2005．现场总线及其应用技术．机械工业出版社．157～158
李贵山，陈金鹏．2003．PCI局部总线及其应用．西安电子科技大学出版社．8～53
刘文涛．2006．ARM7易学通．人民邮电出版社．18～20
马建仓，罗亚军，赵玉亭．2003．蓝牙核心技术及应用．科学出版社．9～11
马忠梅，马广云等．2002．ARM嵌入式处理器结构与应用基础．北京航空航天大学出版社
齐洪喜，陆颖．2004．VHDL电路设计实用教程．清华大学出版社．16～19
史久根，张培仁，陈真勇．2004。CAN现场总线系统设计技术．国防工业出版社．48～64
孙红波，陶品．2006．ARM与嵌入式技术．电子工业出版社．92～101
王诚，吴继华．2005．Altera FPGA／CPLD设计(基础篇)．人民邮电出版社．2～11
王诚，吴继华．2005．Altera FPGA／CPLD设计(高级篇)．人民邮电出版社
徐志军，徐光辉．2002．CPLD／FPGA的开发与应用．电子工业出版社．127～153
徐爱钧，彭秀华．2001．单片机高级语言C51 Windows环境编程与应用．电子工业出版社．47～49
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尹勇，李宇．2005．PCI总线设备开发宝典．北京航空航天大学出版社．65～73
禹帆．2002．蓝牙技术．清华大学出版社．1～6
张弘．2002．USB接口设计．西安电子科技大学出版社．1-5
周立功．2003．ARM微控制器基础与实战．北京航空航天大学出版社．258～276
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