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_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刚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，为将米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刚而无需对硬什系统作出大的改变，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桥接芯片的同什设计，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。

目录

文摘

英文文摘

声明

1引言

1.1本课题研究的目的和意义

1.2国内外嵌入式系统发展现状和趋势

1.3嵌入式处理器家族简介

1.4本课题的来源及主要工作

2系统的总体设计方案

2.1嵌入式系统的设计方法

2.2系统的设计原则

2.3系统的功能需求

2.4系统功能规划

3 ARM和CPLD体系结构概述

3.1 ARM技术介绍

3.2 LPC2292体系结构

3.2.1概述

3.2.2主要特性

3.3 CPLD器件概述

3.3.1 CPLD简介

3.3.2 CPLD的基本结构

3.4 EPM7128体系结构

3.4.1 EPM7128的技术性能特点

3.4.2 EPM7128器件内部结构

3.5 EPM7128器件的编程

4硬件开发工具与PCB设计方法

4.1硬件系统设计工具Altium Designer 6.0

4.2 PCB高可靠性设计原则

5 PCI桥固件与PCI测试卡设计

5.1 PCI总线简介

5.2 PCI测试卡硬件设计

5.3 PCI测试卡软件设计

5.3.1项目开发流程

5.3.2 PCI测试卡软件简要框图

5.4 Quartus Ⅱ软件简介

5.5 CPLD的设计流程

5.6 VHDL硬件描述语言概述

5.7 VHDL语言程序结构

5.8 PCI桥固件设计

5.8.1 PCI桥设计原理

5.8.2 CPLD中的有限状态机

5.8.3有限状态机功能

5.8.4有限状态机状态转换图

6系统硬件设计

6.1系统时钟电路

6.2系统复位电路

6.3 JTAG接口电路

6.4 I2C存储器扩展

6.5静态存储器扩展

6.6串行通信接口扩展

6.7 CAN总线扩展

6.8 USB接口扩展

6.9实时时钟电路扩展

6.10蓝牙模块扩展

6.11独立式键盘扩展

6.12测温芯片扩展

6.13 PWM D/A输出接口扩展

6.14 PCI桥扩展

6.15系统实验过程与实验结果

7结论

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的学术论文