嵌入式课设基于ARM9的模拟输入输出接口驱动程序的设计.docx

摘 要
串行通信的设计在嵌入式系统开发中是一个非常重要的部分，基本原理是使用一片缓冲芯片74LS244来把CPU外面的输入数据写入CPU的并行总线上，并行总线上的数据被一片数据锁存芯片74LS273保留，CPU通过选中锁存芯片，并读取预先设给锁存器地址内的内容，就可以把数据读出，来确定外面的数据的高低。
通过这样的设计来实现模拟输入输出接口驱动程序的设计，设计中涉及到串口的输入和输出。

关键词 嵌入式系统；串口通信；驱动程序

ii

沈阳理工大学课程设计专用纸
目录
一．设计目的 1
二．设计思路 1
2.1 主要内容 1
2.2 硬件原理 1
2.3 实验系统的硬件资源总揽 2
2.4 实现PC机与EL-ARM-830开发系统的串行通讯 3
三．关键技术 3
3.1 模拟输入输出驱动程序的关键技术 3
3.2 ARM9处理器 4
3.3 核心板资源的具体介绍 5
3.4 嵌入式C语言开发技术 6
四．程序流程 7
五．主要代码 9
六．运行结果及结论 11
总结 12
参考文献 12

一．设计目的
1. 学习模拟输入输出接口的原理
2. 掌握接口程序实现的基本方法
二．设计思路
2.1 主要内容
（1）基于ARM9微处理器的串行接收驱动程序设计
①　初始化程序设计
②　串行接收程序设计
（2）基于ARM9微处理器的串行发送驱动程序设计
①　初始化程序设计
②　串行发送程序设计
（3）基于ARM9微处理器的串行接收发送驱动程序设计
①　初始化程序设计
②　串行接收发送程序设计
2.2 硬件原理
硬件原理如图所示，U2 MAX232是RS-232C的接口电路，实现电平转换作用。能将来自S3C44B0X一侧的0V～3.3V正逻辑电平转换为符合EIA标准的负逻辑电平输出，既当S3C44B0X发出0V电平时，经过MAX232转换为3V～15V电平，当S3C44B0X发出3.3V电平时，经过MAX232转换为-3V～-15V电平；能将来自PC机一侧的标准RS-232电平，转换为TTL电平输出，既当MAX232接收到3V～15V电平时，能转换为0V电平传向S3C44B0X一侧，当MAX232接收到-3V～-15V电平时，能转换为5V电平传向S3C44B0X一侧。通过这种电平转换，实现S3C44B0X与标准RS-232C设备通讯。R1、R2是限流电阻，起保护作用。原因是，MAX232向S3C44B0X一侧的电平信号是0～5V，而S3C44B0X仅能发出/接收0～3.3V电平，逻辑高电平不匹配，通过限流电阻，简单实现两种电平的接口。

图1 串行通讯原理图
2.3 实验系统的硬件资源总揽
☆　CPU单元：内核ARM920T，芯片三星的S3C2410，工作频率最高202MHz；
☆　动态存储器：64MB，芯片HY57V561620；
☆ 海量存储器：32MB，芯片K9F5608；
☆ USB单元： 1个主接口，两个设备接口，芯片PDIUSBD12；
☆ 网络单元： 10/100M以太网，芯片AX88796；
☆ UART单元： 2个，最高通信波特率115200bps；
☆ 语音单元： IIS格式，芯片UDA1341TS，采样频率最高48KHz；
☆ LCD单元： 5.7寸，256色，320X240像素；
☆ 触摸屏单元： 四线电阻屏，320X240，5.7寸；
☆ SD卡单元： 通信频率最高25MHz,芯片W86L388D，兼容MMC卡；
☆ 键盘单元： 4X4键盘，带8位LED数码管；芯片HD7279A；
☆ 模拟输入输出单元：8个带自锁的按键，及8个LED发光管；
☆ A/D转换单元：芯片自带的8路10位A/D，满量程2.5V；
☆ 信号源单元： 方波输出；
☆ 标准键盘及PS2鼠标接口；
☆ 标准的IDE硬盘接口；
☆ 达盛公司的Tech_V总线接口；
☆ 达盛公司的E_Lab总线接口；
☆ 调试接口： 20针JTAG；
☆ CPLD单元；
☆ 电源模块单元。
2.4 实现PC机与EL-ARM-830开发系统的串行通讯
具体通讯方式与内容：
(1) 帧格式：正常模式,无奇偶校验,一个停止位,8个数据位
(2）串行发送：每过一定时间，隔2行发送字符串“HOW ARE YOU！”，通过PC机的串口调试助手接收。
(3) 串行接收：将接收到的5个字符存储到以0XC300000为首地址的SDRAM中,通过串口调试助手发送字符.
（4）当接收到串口调试助手界面发送的“1”，发送第1屏信息；当接收到串口调试助手界面发送的“2”，发送第2屏信息；当接收到串口调试助手界面发送的“3”，发送第3屏信息
三．关键技术
3.1 模拟输入输出驱动程序的关键技术
74LS244: 74LS244为3态8位缓冲器，一般用作总线驱动器。没有锁存的功能。地址锁存器就是一个暂存器，它根据控制信号的状态，将总线上地址代码暂存起来。
8086/8088数据和地址总线采用分时复用操作方法，即用同一总线既传输数据又传输地址。当微处理器与存储器交换信号时，首先由CPU发出存储器地址，同时发出允许锁存信号ALE给锁存器，当锁存器接到该信号后将地址/数据总线上的地址锁存在总线上，随后才能传输数据。
锁存器是一个很普通的时序电路。一般的，它在时钟上升沿或者下降沿来的时候锁存输入，然后产生输出，在其他的时候输出都不跟随输入变化，这就是所谓边缘触发的D触发器。当然也有电平触发的D触发器，具体使用哪种，得看你使用得总线配置。通常用作单片机的地址锁存器的芯片有74LS373、8282、74LS273等。74LS373和8282是带三态输出的8位锁存器，它们的结构和用法类似。以74LS373为例，共有8个输入端D1—D8及8个输出端—Q8。当三态端OE为有效低电平，74LS373的G端为输人选通端，使能端G为有效高电平时，输出跟随输入变化；当G＝1时，锁存器处于透明工作状态，即锁存器的输出状态随数据端的变化而变化，即脚1=Di(I=1，2，„，8)。当G端由1变0时，数据被锁存起来，此时输出端Qi不再随输入端的变化而变化，而一直保持锁存前的值不变。G端(或STB端)可直接与单片机的锁存控制信号端ALE相连，在ALE的下降沿进行地址锁存。
3.2 ARM9处理器
在核心CPU板上包括下列单元和芯片，32位ARM920T的处理器，即三星的S3C2410芯片，两片动态存储器，每片32M字节，一片32M字节的NAND_flash存储器，一个USB主接口，一个USB从接口，一个10/100M的以太网控制芯片，完成网络访问功能，一个UART接口，完成串口通信，最高波特率率为115200bps, 一个RTC实时时钟，一个5V转3.3V和1.8V的电源管理模块，一个20针的JTAG调试接口。
表1 具体元器件

芯片名称
数量
功能
板上标号
S3C2410
1
ARM920T，中央处理器
S3C2410X
HY57V561620
2
动态存储器（SDRAM），32MB/片
HY57V561620
K9F5608
1
海量存储器，32MB
K9F5608U
AX88796
1
10/100M以太网控制器
AX88796
AS1117-3.3
1
5V转3.3V
AS1117-3.3
AS1117-1.8
1
5V转1.8V
AS1117-1.8
MAX3232
1
RS232转换

IMP811-S
1
复位
IMP811

表2 核心板上各LED指示灯的意义

标号
名称
功能
PWR
LED灯
电源指示灯
LED1
LED灯
GPI/O 口G口的第8位指示
LED2
LED灯
GPI/O 口G口的第9位指示

表3 核心板上的晶振单元

标号
名称
功能
12MHz
CPU主时钟晶振
外接12MHz
32KHz
RTC时钟晶振
外接32.768KHz
25MHz
网络时钟晶振
外接25MHz
表4 具体的单元、跳线

标号
名称
功能
JP1
JTAG复位单元
控制nRESET与nTRST是否接通
AREF SEL
模拟参考电压选择
短接后连接到VDD33，否则接地
3S/4S
3Step与4Step选择
设置Nand Flash的运行模式，选择NCON（CPU引脚）与3Step、4Step连接
RESET
复位键
系统复位按键
P．S
电源插座
电源插座，接5V电源
SW
电源开关
拨向EXT接通，拨向INT断开电源
USB-HOST
主USB单元
主USB
UART0(CROSS/F)
串口0单元
和S3C2410的串口0通信
USB-DEVICE
从USB单元
USB设备
RJ45
网络单元
访问以太网
ARM-JTAG
JTAG插座
20针JTAG插座，用于与宿主机通信
INTERFACE C
功能单元

INTERFACE B
数据、地址单元

INTERFACE A
功能单元

3.3 核心板资源的具体介绍
电源模块：
在S3C2410 CPU板上由于其内核采用1.8V，I/O接口采用3.3V供电，因此需要将通用的5V转换成1.8V和3.3V。图1-1-2为使用LM1117电源转换芯片把5V转成3.3V和1.8V的转换电路。

图2 电源模块图
NAND_FLASH海量存储器单元:
该存储单元在板卡上标号为K9F5608U，选用32MB字节的K9F5608U，8位数据总线，该芯片由S3C2410的相关引脚直接控制， CPU分配给它的地址空间为0x0000 0000—0x01ff ffff。启动代码部分则放在从0x0000 0000开始的地址空间内。系统将CPU的引脚OM[1:0]设置成00b，当核心板上电复位时，系统首先将Nand_Flash开始的0~4K的程序映射到SteppingStone区，然后从那里开始执行。Nand_Flash可以存放数据和程序，但需要特定的指令进行读写。
RS232串口单元：
该存储单元在板卡上标号为UART0(CROSS/F)，选用了MAX3232电压转换芯片，进行PC机与CPU板的串口通讯。它采用收、发、地，三线连接，无握手信号。通过S3C2410内部的串口0控制器进行控制。

3.4 嵌入式C语言开发技术
ARM使用C语言编程是大势所趋在应用系统的程序设计中，若所有的编程任务均由汇编语言来完成，其工作量巨大，并且不易移植。由于ARM的程序执行速度较高，存储器的存储速度和存储量也很高，因此，C语言的特点充分发挥，使得应用程序的开发时间大为缩短，代码的移植十分方便，程序的重复使用率提高，程序架构清晰易懂，管理较为容易等等。因此，C语言的在ARM编程中具有重要地位。
ARM 9中C语言程序的基本规则：
在ARM程序的开发中，需要大量读写硬件寄存器，并且尽量缩短程序的执行时间的代码一般使用汇编语言来编写，比如ARM的启动代码，ARM的操作系统的移植代码等，除此之外，绝大多数代码可以使用C语言来完成。
C语言使用的是标准的C语言，ARM的开发环境实际上就是嵌入了一个C语言的集成开发环境，只不过这个开发环境和ARM的硬件紧密相关。在使用C语言时，要用到和汇编语言的混合编程。当汇编代码较为简洁，则可使用直接内嵌汇编的方法，否则，使用将汇编文件以文件的形式加入项目当中，通过ATPCS的规定与C程序相互调用与访问。ATPCS，就是ARM、Thumb的过程调用标准（ARM/Thumb Procedure Call Standard），它规定了一些子程序间调用的基本规则。如寄存器的使用规则，堆栈的使用规则，参数的传递规则等。在C程序和ARM的汇编程序之间相互调用必须遵守ATPCS。而使用ADS的C语言编译器编译的C语言子程序满足用户指定的ATPCS的规则。但是，对于汇编语言来说，完全要依赖用户保证各个子程序遵循ATPCS的规则。具体来说，汇编语言的子程序应满足下面3个条件：
(1) 在子程序编写时，必须遵守相应的ATPCS规则；
(2) 堆栈的使用要遵守相应的ATPCS规则；
(3) 在汇编编译器中使用-atpcs选项。
汇编程序调用C程序：
汇编程序的设置要遵循ATPCS规则，保证程序调用时参数正确传递。在汇编程序中使用IMPORT伪指令声明将要调用的C程序函数。在调用C程序时，要正确设置入口参数，然后使用BL调用。
C程序调用汇编程序：
汇编程序的设置要遵循ATPCS规则，保证程序调用时参数正确传递。在汇编程序中使用EXPORT伪指令声明本子程序，使其他程序可以调用此子程序。
在C语言中使用extern关键字声明外部函数（声明要调用的汇编子程序）。在C语言的环境内开发应用程序，一般需要一个汇编的启动程序，从汇编的启动程序，跳到C语言下的主程序，然后，执行C程序，在C环境下读写硬件的寄存器，一般是通过宏调用，在每个项目文件的Startup2410/INC目录下都有一个2410addr.h的头文件，那里面定义了所有关于2410的硬件寄存器的宏，对宏的读写，就能操作2410的硬件。
四．程序流程
程序设计流程如图所示：

图3 发送程序流程图

图4 收发程序流程图

图5 接收程序流程图
五．主要代码

//函数说明 : 得到串口的键值

char Uart_GetKey(void)
{
if(whichUart==0)
{
if(rUTRSTAT0 & 0x1) //Receive data ready
return RdURXH0();
else
return 0;
}
else if(whichUart==1)
{
if(rUTRSTAT1 & 0x1) //Receive data ready
return RdURXH1();
else
return 0;
}
else if(whichUart==2)
{
if(rUTRSTAT2 & 0x1) //Receive data ready
return RdURXH2();
else
return 0;
}else
return 0;
}

//函数说明 : 等待发送转换寄存器空

void Uart_TxEmpty(int ch)
{
if(ch==0)
while(!(rUTRSTAT0 & 0x4)); //Wait until tx shifter is empty.

else if(ch==1)
while(!(rUTRSTAT1 & 0x4)); //Wait until tx shifter is empty.

else if(ch==2)
while(!(rUTRSTAT2 & 0x4)); //Wait until tx shifter is empty.
}

//函数说明 : 串口打印字符

void Uart_Printf(char *fmt,...)
{
va_list ap;
char string[256];

va_start(ap,fmt);
vsprintf(string,fmt,ap);
Uart_SendString(string);
va_end(ap);
}

//函数说明 : 选择接收数据就绪的串口

char Uart_Getch(void)
{
if(whichUart==0)
{
while(!(rUTRSTAT0 & 0x1)); //Receive data ready
return RdURXH0();
}
else if(whichUart==1)
{
while(!(rUTRSTAT1 & 0x1)); //Receive data ready
return RdURXH1();
}
else if(whichUart==2)
{
while(!(rUTRSTAT2 & 0x1)); //Receive data ready
return RdURXH2();
}
else
return 0;
}
六．运行结果及结论

图6 运行结果图
本实验为一个嵌入式C环境模拟输入输出接口驱动的应用实例。LCD上有图形显示后，按下带锁键值，观察8个LCD灯的亮灭情况，以及LCD上的显示情况。移位寄存器选中接下来的四个LED显示子块，同时控制存储器送入下一个数据在按照上面的相同的方式处理，这样第二个数据便显示在第一个字的后面，以后的数据都这样处理。
通过这样的操作，实现模拟输入输出接口驱动程序的设计。
总结
这次课设使我了解嵌入式的基本知识，了解嵌入式在生活应用的广泛性，从书中找到相关的内容并加以实践。我在遇到问题时，努力去分析问题，如何找出自己设计中的不足，解决问题，在老师的知道和小组同学的集体努力下，顺利的完成了这次的课程设计。
通过这次课设，让我对于ARM9有了一个全新的认识。查阅了很多资料，实现模拟输入输出接口驱动程序的设计。
参考文献
1、 于忠德,林敏,申华 嵌入式系统基础教程 国防工业出版社
2、 熊光泽,罗蕾 Linux嵌入式软件技术的现状与发展动向 计算机应用
3、 李江,常葆林 Linux嵌入式操作系统中的I/O驱动软件 计算机工程
4、 桑楠 嵌入式系统原理及应用开发技术 北京航空航天大学出版社
5、 袁志勇，王景存 嵌入式系统原理与应用技术 北京航空航天大学出版社
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