刘晓菲

（山东万杰医学院,淄博,255213）

0 引言

随着计算机技术和电子技术的高速发展，嵌入式系统由于具备体积小、成本低、耗能少等优点在很多领域得到了广泛应用，应用嵌入式系统之后增强了设备的实时性和处理能力、可扩展性和智能化[1]。嵌入式系统的核心是微控制器，Advanced RISC Machines（ARM）生产的32位RISC处理器，具备功能强、特有16/32位双指令集等性能，成为嵌入式解决方案中应用最广泛的处理器[2]。嵌入式计算机系统由三部分组成：一是，软件体系；二是，处理核心（处理器、存储器）；三是根据系统的实际需要选择的输入/输出、通信接口[3，4]。本文基于ARM9芯片S3C2410A，对嵌入式系统硬件部分进行了研究。

1 嵌入式技术的发展过程

最初的嵌入式系统是为了工业计算机而设计，Whirlwind是第一台支持实时操作的计算机。随着微电子工艺水平的提高，集成电路制造商开始把嵌入式应用所需要的微处理器I/O 接口、A/D、D/A转换串行接口以及RAM、ROM通通集成到一个VLSI中，制造出面向I/O 设计的微控制器（单片机）。并根据各种不同的应用要求不断改进工艺，提高运行速度，降低功耗。在微处理器出现的初期，为了保障嵌入式软件的时间、空间效率，软件也只能用汇编语言编写。这样嵌入式系统的开发只能由非常专业的计算机人才，用原始的工具来完成，其效率低、周期长。当前，由于微电子技术的进步，人们可以以微型硅组件为基础，发展出许多可编程逻辑和微处理/控制器，搭配特定的操作系统或用户接口，可以实现许多新的应用。

2 S3C2410A微处理器

S3C2410A性价比很高，是一款16/32位ARM9系列微处理器，内含一个16/32位ARM920T RISC处理器核，最高工作频率可达266MHz[2]。它的内部还集成了很多资源，可以降低应用系统的设计成本。S3C2410A具备：LCD控制器（带有DMA功能）；外部存储控制器；2通道SPI和3通道UART；4通道DMA并带有外部请求引脚；一个USB Device口，2个USB Host口；有24个外部中断源，117位通用I/O口；8通道10位ADC和触摸屏接口；1通道多主机ⅡC总线和1通道ⅡS总线控制器。

3 S3C2410A处理器技术的嵌入式计算机

由于嵌入式系统应用在不同的设备中，其必须具备较高的信息处理能力和数据通信的加密解密功能。计算机主机的信息处理能力除了具备CPU之外，还要具备存储器。速度和容量适当的内存可以为嵌入式计算机最大处理能力的发挥提供支持。具备合适接口和容量的外存可以尽量缩小系统的体积，扩大嵌入式系统的存储空间。所以，嵌入式计算机主机的内存可以根据需要选择SRAM和SDRAM，外存可以选择体积较小的硬盘驱动器或者是FLASH存储器。此外，嵌入式系统硬件部分还应该具备多种接口，如USB接口、JTAG接口、以太网接口、串口等。在满足计算机控制、计算、存储等要求时，还应该具备重量轻、体积小、可移动性好、低功耗等特性，尽量降低系统复杂性，达到节能和可靠的目的。

图1 基于S3C2410A处理器的嵌入式计算机主机开发版划分

图2 嵌入式计算机主机功能模块

通过以上分析可知，基于S3C2410A处理器的嵌入式计算机平台系统硬件开发版如图1所示。

由上述的嵌入式系统硬件部分开发版可知，嵌入式系统硬件部分的功能模块分为：核心处理模块、I/O 设备与接口模块、PCI模块、电源管理模块和时钟模块，具体如图2所示。

4 嵌入式系统硬件部分的电路设计

4.1 电源部分设计

由于电源电路、复位电路和晶振电路比较简单，连接之后即可正常进行工作。在本文设计的嵌入式计算机系统采用外部电源输入直流9V，系统的供电比较复杂，需要不同等级的电压。通过DC-DC将输入的9V电源分别转换成1.8V、3.3V和5V电压，3.3V和1.8V为S3C2410微处理器和存储电路等提供电源，5V和3.3V为LCD、以太网等接口提供电源。

4.2 FLASH接口电路调试

当前Nand Flash存储器的性价比较高，因此主机中采用64 M Nand Flash存储器。S3C2410A具备了一个“Steppingstone”内部SRAM缓冲器，可以从Nand Flash上执行、引导程序。系统启动时，Nand Flash存储器开始进行存储，自动将前面4KByte字节存入到Steppingstone中且系统自动执行这些引导代码。通常这4K的引导代码先拷贝将Nand Flash中程序内容至SDRAM中，拷贝完毕之后跳转到SDRAM执行。通过S3C2410A的ECC功能可以实现Nand Flash数据的有效性检测。

图3 复位监控电路

4.3 SDRAM电路

SDRAM由多个banks (体)组成,每个bank都是由存储体按行、列排列组成的一块存储区。需要指定bank、行、列三部分地址才能选定芯片内某一指定的存储单元[5]。SDRAM采用电容充放电的方式来保存数据信息,保存的数据会因为电容的漏电而导致丢失,因此SDRAM需要不断刷新才能确保不丢失数据。本系统中采用两片HY57V561620型号的SDRAM，构建32位的SDRAM存储系统。

当系统启动时，主机部分的微处理器S3C2410A在复位地址0x0先对代码进行自动读取，系统完成初始化，正常启动，将程序代码调至SDRAM中，这样可以降低系统的负荷，提高系统运行速度，SDRAM中还能存储一些系统的运行数据。HY57V561620容量为4Bank×4M×16Bit，兼容LVTTL电平。HY57V561620的A0-A12分别和S3C2410A地址线的A2-A14相连接。S3C2410A的LnGCS6和片选线CS相连接，控制线中WE和LnWE相连接，基址为0x0c000000。段选引脚BA0用ADDR24、BA1用ADDR25来控制。另外，它还需要行/纵地址命令RAS/CAS，S3C2410分别用Ln SRAS/Ln SCAS来控制它们。HY57V561620还有两条控制线UDQM和LDQM，它们的作用是对读写缓冲进行控制。在读模式下，UDQM和LDQM控制输出缓冲，当它们为低电平时，使能相应缓冲字节，为高电平时，输出呈高阻态；在写模式下，LDQM和UDQM控制输入缓冲，低电平使能，数据能被写入存储器，高电平时数据被屏蔽，不能被写入。

4.4 以太网电路

由于S3C2410A内部不具备以太网控制器，所以，需要采用专门的以太网控制器对其进行控制，实现控制电路。在设计的嵌入式计算机主机中以太网电路的控制由三部分组成：以太网芯片、RJ45接口和网络隔离器。以太网芯片选择DM9000AEP，该芯片可以提供通用的处理器接口，它内部集成了PHY和MAC，能够提供10/100Mbps的PHY接口。它提供的内部存储数据访问接口有8位和16位，并且其内部还含有4K的Dword SRAM。嵌入式计算机主机中选择的隔离变压器芯片为HR601680。

DM9000AEP的RX-、RX+和TX-、TX+都是差分信号引脚，RX-、RX+用来接收信号，TX-、TX+用来发送信号。这些引脚和隔离变压器的相对应引脚相互连接，通过隔离变压器变换后再和RJ45端口的相对应引脚相连，这样就实现了以太网的物理层通路。

4.5 复位电路和时钟电路

各个单元模块进入正常的工作状态，需要进行可靠复位，复位分为手动复位和上电复位。如果电源电压不稳定，计算机主机就会进行非正常复位，此时，因为复位时间不充足可能会造成一些错误，严重时出现死机，因此，需要设计复位监控电路。复位监控电路如图3所示。

时钟电路用来向CPU和其他的电路提供工作时钟，S3C2410A需要两路时钟输入，一路为RTC提供电路，另一路是CPU工作时钟输入。根据S3C2410A的PLL电路工作方式和最高工作频率，选择的无源晶振为12MHz。经过RAM片内的PLL电路倍频，晶振频率可达到需求的频率。此外，片内的PLL电路还具备提纯信号和放大频率的功能，所以嵌入式计算机主机可以通过较低的外部时钟信号得到比较高的工作频率，这样高速开关时钟形成的高频噪声会降低。

4.6 串口连接总线

在嵌入式计算机系统的实际应用中，串口具备非常重要的作用，比如控制一些外围设备、调程序，向Flash中写镜像文件等，还可对其进行扩展形成红外接口。S3C2410A UART（Universal Asynchronous Receiver and Transmitter）可以提供3个相互独立的异步串口，都可以在DMA模式或者是中断模式中应用。支持的最高数据传输率可以达到115.2K bps。串口连接电路采用两个MAX3232C芯片，一边和标准串口插座相接，另一边和S3C2410A相连的数据线和控制线等相接。需要注意的是在芯片的连线中串联一些电阻，用来做阻抗匹配，并相应的降低传输线路的Q值。

5 嵌入式计算机的应用前景

随着嵌入式系统的应用越来越广泛，对其研究也越来越重视。本文以S3C2410A处理器为核心，研究了嵌入式系统硬件部分，并提出了比较完整的方案，设计了电源部分，同时系统扩展了FLASH和SDRAM及各部分电路、接口，使用时可以对其进行适当的裁剪，完成需要的系统。

随着信息化和网络化的发展，本文研制的嵌入式计算机系统将会有更加宽广的应用前景和发展空间。当前，嵌入式计算机的应用数量显著高于各种通用计算机，仅一台通用计算机的外部设备中包含的嵌入式微处理器的数量就高达5-10千个。嵌入式计算机未来的应用领域将包括：网络、过程控制、制造工业、军事装备、航空、船舶、航天、消费类产品、仪器、汽车、仪表、通讯等。比如在工业方面，嵌入式技术可以提高机器人的自动化程度，嵌入式技术和数据处理技术、传感技术、遥控技术相结合，可以提高机器人的劳动强度、处理速度和反应速度等，未来的工厂将会应用很多工业生产机器人取代昂贵的人力资源。在军事方面，应用嵌入式计算机系统未来可以实现最小的最容易携带的最小化作战单元和士兵应用的智能识别系统。美国曾经宣布，在2015年陆地作战中全部使用应用嵌入式技术的机器人。在消费电子方面，应用计算机嵌入式系统将会逐渐形成有助于实现人机互动的家庭网络总线，所有家用设备和总线相连接，通过家中的电脑或者智能的控制终端对其进行控制，在未来，人们可以实时控制空调的运行状态和电饭锅煮饭的进度等很多事根据自己的意愿随时进行操控。

参考文献

[1]李伯成．单片机及嵌入式．北京：清华大学出版社，2008．09，l-5．

[2]李岩，韩劲松，孟晓英等．基于ARM嵌入式系统接口技术．北京：清华大学出版社，2009．01，325-354．

[3] 程昌南，方强． ARM Linux入门与实践[ M].北京：北京航空航天大学出版社,2008.

[4]王宇行.A R M 程序分析与设计[M]．北京：北京航空航天大学出版社， 2008．

[5]刘彦文.嵌入式系统原理及接口技术[M].清华大学出版社,2011:169-171.