S3C2410A芯片及其应用(嵌入式大作业)

论文题目：S3C2410A芯片及其应用

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论文要求：针对某一个或一类嵌入式芯片，提出以其为核心的嵌入式系统完整开发方案。

论文结构要求: 1 相应控制器芯片介绍

2 硬件开发平台选择与介绍

3 软件开发平台选择与介绍

4 典型应用实例介绍

5 相关参考文献

摘要

随着计算机技术和通信技术的迅速发展以及Internet的不断扩展，嵌入式系统得到了越来越广泛的应用，成为当前IT产业的焦点之一，呈现出巨大的市场需求。但同时大量的嵌入式应用也对嵌入式设备的性能和功能提出了更高的要求。ARM(Advanced RISC Machines)公司的32位RISC处理器，以其高速度、低功耗、低成本、功能强、特有16/32位双指令集等诸多优异的性能，己成为移动通信、手持计算、多媒体数字消费等嵌入式解决方案中的首选处理器。随着国内嵌入式应用领域的发展，ARM芯片也必然会获得广泛的重视和应用。在各种嵌入式操作系统中，Linux凭借其在结构清晰、源代码开放等方面的优势，成为了基于监控系统、手持设备等嵌入式系统领域应用中的技术热点。

本文基于ARM9芯片S3C2410A，详细介绍了其芯片功能和结构特点，提出了其硬件开发平台设计方案和软件开发平台设计方案。并结合智能家居数据采集系统设计实例，重点阐述了利用S3C2410A功能，完成数据采集、数据显示、数据存储以及数据传输（网络控制）的任务。

关键词：嵌入式系统；S3C2410A；开发平台；数据采集

1 S3C2410A芯片介绍

S3C2410A，是韩国Samsung公司推出的16/32位RISC处理器，它是一颗主频高达203MHz，基于ARM920T内核的高性能微处理器，独立的16KB指令cache和16KB数据cache，MMU虚拟内存管理单元，使得程序运行以及数据存储更加高效，并可以支持https://www.360docs.net/doc/3d1191784.html,，Linux和uCOS-II等多种业内主流的操作系统。它的低功耗、精简和出色的全静态设计特别适合于低成本和功耗敏感的应用。同样它还采用了一种叫做Advanced Microcontroller Bus Architecture(AMBA)新型总线结构。其内部功能原理图如图1所示。

图1 S3C2410A内部功能原理图

此外S3C2410A还集成了以下片上外设:

(1) LCD控制器(支持STN和TFT)

(2) NAND Flash控制器

(3) SDRAM控制器等系统管理单元

(4) 3通道UART

(5) 4通道DMA

(6) 4通道具备PWM功能的定时器

(7) I/O口

(8) 4通道16位定时器/PWM发生器

(9) RTC(实时时钟)

(10) 8通道l Obit精度ADC和触摸屏控制器(内置切换MOS管)

(11) IIC总线接口

(12) IIS数字音频总线接口

(13) USB主机/USB设备

(14) SD/MMC卡控制器

(15) 2通道SPI

(16) PLL数字锁相环

通过这一系列完整的系统外围设备，大大减少了整个系统的成本，消除了为系统配置额外器件的需要[1]。

在时钟方面S3C2410A也有突出的特点，该芯片集成了具有日历功能的RTC和具有PLL(MPLL和UPLL)的芯片时钟发生器。MPLL产生主时钟，能够使处理器工作频率最高达到203MHz。这个工作频率能够使处理器轻松运行https://www.360docs.net/doc/3d1191784.html,, Linux等操作系统以及进行较为复杂的信息处理。UPLL产生实现主从USB功能的时钟。

S3C2410A将系统的存储空间分成8组(Bank)，每组的大小是128MB，共1GB。Bank0到Bank6都采用固定的Bank起始寻址，用于ROM或SRAM。Bank7具有可编程的Bank 的起始地址和大小，用于ROM, RAM或SDRAM.所有的存储器Bank都具有可编程的操作周期，支持外部等待信号延长总线周期。

S3C2410A支持从NAND Flash启动，NAND Flash具有容量大、比NOR Flash价格低等特点。若系统采用NAND Flash与SDRAM相组合的方式，可以获得非常高的性价比。可以将引导代码和操作系统镜像存放在外部的NAND Flash中，并从NAND Flash启动。当

S3C2410A在这种模式下上电复位时，内置的NAND Flash控制器将访问控制接口，将NAND Flash存储器里4K大小的引导代码自动加载到S3C2410A内部的SRAM缓冲器中运行，这个4K的引导代码需将NAND Flash里的操作系统镜像加载到SDRAM中，在引导代码执行完毕后跳转到SDRAM执行，这样操作系统就能够在SDRAM中运行了。

S3C2410A对于片内的各个部件采用了独立的电源供给方式:内核采用1.8V供电，存储单元和I/O采用3.3V供电[2]。

2 硬件开发平台介绍

硬件开发平台的设计重点在于其通用性，即在此开发平台基础上客户能迅速地开展各种基于ARM的嵌入式产品的设计，因此需要有足够的外围扩展接口，同时考虑到应用的领域、用户的需求、成本问题和应用的环境等因素，并充分利用S3C2410A强大的扩展功能和高效的处理速度，本设计中平台集成了以下接口电路。图2所示为平台硬件系统的功能框图。

图2 硬件开发平台系统框图

各部分功能如下:

(1) FLASH: 闪存，用来存放操作系统、系统引导程序和其它在系统掉电后需要保存的用户数据。

(2) SDRAM: 主要用来存放执行代码和变量，是系统启动之后主要进行存取操作的存储器，具有容量大、存取速度快、成本低的特点，因而广泛应用到微机处理系统中。

(3)时钟电路: S3C2410A的外部12MHz时钟输入，经内部PLL倍频至200MHz来提供工作时钟，还有32.768kHz的RTC时钟输入。

(4)复位电路: 可完成系统上电复位和在系统工作时用户按键复位。

(5)串口: 用于S3C2410A系统与其它应用系统的短距离双向串行通信。

(6) USB接口: 通用串行总线，分为USB HOST和DEVICE两个接口。

(7) LCD接口: S3C2410A内部有LCD控制器可以支持STN和TFT屏。

(8) JTAG接口: 联合测试行动小组(Joint Test Action Group)，即IEEEl149.1协议，借助边界扫描的方式对芯片内部部件进行访问，可对系统进行调试、编程等(2110

(9)以太网接口: 为系统提供以太网接入的物理通道，通过该接口系统可以以10Mbps或100Mbps的速率接入以太网.

(10)系统总线扩展接口: 引出了数据总线、地址总线和必要的控制总线，便于以后根据系统的特定需求，扩展外围电路。

(11)电源管理系统: ARM处理器核心工作电压为1.8V, I/O工作电压3.3V，同时考虑到其它元器件的工作电压，还准备了5V电源。

3 软件开发平台介绍

3. 1 操作系统选型——嵌入式Linux简介

嵌入式操作系统是嵌入式应用软件的基础和开发平台，在嵌入式系统中扮演着“灵魂”的角色。嵌入式系统中的应用程序必须在极少人工介入的情况下完成高度专业化和实时的工作，这就要求嵌入式操作系统能为之提供高效的服务和有力的支持。嵌入式系统的硬件资源环境一般比较苛刻，嵌入式微处理器和微控制器的内存一般都不大，要在紧张的资源下完成复杂的功能，要求嵌入式系统软件必须尽量的小巧、稳定和高效。

因此，一个好的嵌入式操作系统除了具有标准操作系统所具有的功能外，还应具有如下特点：

(1)可裁减性高，以支持嵌入式操作系统的个性化开发。

(2)开发工具全，好的工具可加快开发进度。

(3)可移植性好，避免重复应用开发。

(4)使用成本低，降低产品的总成本。

(5)占用资源少，适应系统资源限制。

嵌入式Linux操作系统是将日益流行的Linux操作系统进行裁剪、修改，使之能在嵌入式系统上运行的一种操作系统。其功能强大的内核，性能高效、稳定、易定制、易裁减、硬件支持广泛、多任务的特点，完善的网络通讯、图形、文件管理机制和大小、功能都可定制的内核等优点，结合其所独具的免费、开放源代码等特征使其在嵌入式开发领域稳步发展。今天的Linux操作系统己经在全球范围内掀起了一股愈演愈烈的Linux风暴，并逐渐渗透到了所有与IT产业相关的领域，直接威胁到了Windows等商业操作系统的市场地位。正是基于Linux以上特点，本设计选择了嵌入式Linux操作系统[3,4]。

3.2 编译器的选型和交叉开发环境的建立

本芯片编译器选择ADS Debugger。ADS(ARM Developer Suite)是为嵌入式ARM设计的一整套软件开发工具，支持包括Windows和LTNIX/Linux在内的多种操作系统。ADS主要模块包括:ANSI C编译器(armcc和tcc), ISO/嵌入式C++编译器(armcpp和tcpp)、ARM/Thumb 汇编器(armasm)、链接器(armlink), Windows集成开发环境（CodeWarrior),调试器(AXD)、格式转换器(fromelf)、库管理器(armar)、C和C++库[5]。

ADS支持多种格式，如ARMulator（指令级仿真)、Mufti-ICE(JTAG调试)和串口方式调试。ADS可以在Windows下直接使用，非常方便，效率也很高.基于以上特点，本设计编译器选择ADS。

嵌入式系统的开发一般采用交叉开发的方法。就是说用于开发的主机(简称Host)与目标主机(简称Target)采用不同体系结构的硬件与软件系统.本芯片可选用墓于Intel x86体系结构的PC机作为开发主机，开发软件包括编译器、链接器和其它工具等均运行于Windows操作系统下;同时，ARM硬件平台作为目标主机，来进行系统的开发和调试。

4 典型应用实例介绍

4.1 应用背景与系统要求

基于S3C2410A芯片的智能家居数据采集系统设计。

各个业主将自己的基本信息(主要包括电度表、水度表、气压表等的读数)、室内情况( 主要包括温度、含天然气浓度等) 通过信息采集、处理与分析，完成单个业主的控制,并传输到物业管理中心，提供给物业管理人员使用以及供广大业主参考。必须满足的基本要求如下：能对业主家各类传感设备兼容,即能实现多路模拟和数字信号的采集。采集的时间间隔在

30s～2min。具有业主控制功能,能实现数据传输、处理和控制。当通信网络一旦出现故障，各节点能依据历史数据和当前采集的信息,实现报警功能。实时接收由管理中心发来的信息，并能做出相应的显示,提醒业主自己当前的情况。通信接口丰富(具有TCP/ IP通信接口、RS232/ USB接口等) , 内存空间较大。数据采集系统的组成原理如图3所示。

图3 数据采集系统组成原理

4.2 系统设计

4.2.1 节点的硬件组成

考虑到各业主间的完全独立的特殊性,前端设备采用嵌入的设计方法,其硬件组成结构如图4所示。

图4 系统硬件组成框图

节点作为控制的一部分，要完成对各业主的控制功能。控制的实现利用采集的各种数据和中心发布的协调控制指令，通过节点处理后完成。所以，一个节点由数据采集、传输、控制三个功能单元组成。这些功能的实现通过嵌入式系统来完成。

按其功能要求其数据流有：一是从各个传感器采集的数据,通过中间处理过程进行处理后,显示在业主面前；二是从信息采集系统中取来的数据，通过中间处理过程进行处理后，上传到物业管理中心，存储在数据库中；三是管理中心发布系统协调控制的命令或处理的结果在业主家显示。

4.2.2 数据的采集

物业管理数据的采集主要功能是将各业主的水表、电表、媒气表等原始数据通过各类检测器送到节点进行预处理。常用传感器技术包括干簧管传感器、霍尔传感器、红外线传感器、IC卡控制器和电子传感器等。本系统采用电子传感器[6], 在普通水表、气表的计数机构中对应于刻度盘的下面安装电子传感器,使传感器与计数齿轮同步转动,电子传感器得到的电子信息与机械读数完全同步，形成一定的函数关系，经A/ D 转换后，分别得到水表、煤气表读数的数字信息，电表的读数则可以采用电子式智能电表[7]得到。通过RS232接口传送到微处理器中。摄像头数据通过USB接口与处理器通信。主要用于业主外出时，开启摄像设备，可以对客厅或其他重要地方进行监控。

4.2.3 数据的预处理

节点数据的预处理,其主要功能将各类检测器采集的异样数据进行过滤,去掉非法、无

效的数据,对故障数据进行恢复,将有效、合法的数据按照标准进行格式化处理，并将其封装、利用TCP/ I P 协议，通过通信网络发送到测控中心指定的数据通道或数据库，提供给物业管理中心。采集得到的数据经预处理后的实时检测交通数据效果更好，更符合实际情况的需要，并有效地节省了计算机存储的工作量。

4.2.4 数据的显示、存储及传输

节点控制机将各种检测器采集的交通流信息用来控制该节点的交通，同时又要经处理机进行预处理,一方面利用LCD液晶显示，使各业主很方便知道自已各种费用；另一方面，利用通信接口，通过TCP/ I P 协议，保证采集到的数据安全性、可靠性、有效性传输到控制中心，用于整个系统协调控制和管理。

4.3 系统实现

4.3.1 硬件结构

节点处理机要执行繁重的通信和算法处理，对处理器的通信和运算速度有很高的要求,传统的单片机处理器性能有限无法满足节点的要求。因此采用处理器芯片S3C2410，它具有灵活的特性和强大的性能,在嵌入式系统中得到了广泛的应用。在处理器丰富资源的基础上,还进行了相关的配置和扩展，平台配置了16 MB 16位的FLA SH和64 MB32位的SDRA M。通过以太网控制器芯片DM9161 扩展了一个网口,另外引出了一个HUSTUSB接口。硬件平台如图5所示。主要包括数据采集、数据显示、数据存储以及数据传输(网络控制) 。这里主要介绍数据显示和数据传输的实现。

图5 系统硬件平台

4.3.2 显示接口的实现

在该显示系统的硬件电路中, S3C2410与LCD模块的连接是关键。S3C2410内部自带一个LCD驱动控制器(STN & TFT) ,可以支持规格为每像素2 位(4级灰度) 或每像素4位(16级灰度)的黑白LCD。也可以支持每像素8 位( 256 级颜色) 的彩色LCD屏。通过编程可以支持不同LCD屏的要求[8]。本系统除了显示用户水、电、煤气的用量，还要显示时间和室内摄像的图像。因此,选用夏普公司生产的图形点阵256 色STN 液晶模块

LM057QC1T01，它的分辨率为320 × 240 ,由于它具有接口简单、工作稳定和便于操作等特点, 在嵌入式系统有比较广泛的应用。LM057QCT0要求其电源电VDD为5 V ,并且LCD 数据和控制信号的高电平输入电压VIH 在3 . 8～5 . 25 V范围内,低电平输入电压价则在0～1 . 5 V范围内，故可以直接与S3C44B0 X0相连，而液晶显示所需的偏转电压(27V)可由外电路接入到VEE (第7管脚) ,其电路原理图如图6所示。

图6 显示接口原理图

4.3.3 网络通信接口的实现

对于以太网接口,S3C2410内嵌了两个以太网控制器，在全双工模式下支持IEEE 802 . 3 MAC控制层协议,但未提供物理层接口,需外接一片物理层芯片以提供以太网的接入通道。本系统中选用DM9161作为物理层芯片，由于信号定义很明确，连接比较简单。信号的发送和接收应通过网络隔离变压器和网络水晶接头RJ45接口接入以太网。DM9161 是高集成度、低功耗的100Base 2TX和10Base2T物理层收发芯片，只需要连接很少外围元件就可以实现以太网数据的物理层收发，提供完全IEEE 802. 3u中定义的100Ba se2TX所有的物理层功能。使用非屏蔽双绞线( UTP5/ UTP3 ) 作为传输媒质，为MAC层设备提供MII。MII 是IEEE 802. 3u标准( Clause22) 中定义的接口规范。其目的是提供一个简单的、易于实现的MAC子层和物理层的接口。MII接口使得不同的传输媒质和物理层接口模块可以通过统一的接口与MAC子层进行数据交互。图7为网络通讯接口电路原理图[9]。

图7 网络通讯接口电路原理图

4.4 系统软件

系统操作系统采用Linux操作系统，Linux内核是一种源码开放的操作系统,采用模块化的设计。在此只保留了必需的功能模块, 删除了冗余的功能模块, 并对内核重新编译,从而使系统运行所需的硬件资源显著减少。最重要的一点是，Linux自诞生之日起就与网络密不可分，Linux系统内核集成了大量的网络应用程序,支持全部的标准因特网协议和几乎所有的联网技术,这使Linux很适合基于网络的应用开发, 用户编写的程序代码可以直接建立在这些网络应用程序的基础之上，从而大大缩短开发周期。因此将其应用于智能家居控制器的设计，具有代码量小、运行消耗系统资源少、可靠性高、开发周期短等优点，适应智能家庭数据采集控制器对于操作系统的要求。

4.5 应用软件

应用软件主要有协议软件、数据采集模块、通信处理模块、用户接口管理等。这里主要介绍数据显示模块和通信处理模块的实现。

4.5.1 数据显示

LCD 的显示包括LCD初始化、LCD显示和LCD清屏三个模块。采用S3C2410的PO RTC和P PORTD作为LCD驱动接口，因此需设置它们的工作在第3功能状态。

4.5.2 通信软件模块

本系统采用TCP/ I P 协议，信过程采用客户2服务器模式，其具体流程图如图8所示。

图8 通讯软件流程图

5 总结

S3C2410A芯片功能强大，可扩展性强，可用于众多嵌入式产品的二次开发。并且不论从功能、价格、还是前景这些方面来讲，都比目前基于单片机或其它嵌入式微处理器的平台系统有着一定优势。本文主要介绍了芯片功能、结构特点和开发平台，并结合智能家居数据采集系统设计实例，重点阐述了利用S3C2410A功能，完成数据采集、数据显示、数据存储以及数据传输（网络控制）的任务。

参考文献

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[5] 田泽. 嵌入式系统开发与应用教程[M]. 北京:北京航空航天大学出版社，2005.

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