嵌入式系統(tǒng)已成為IT行業(yè)研發(fā)熱點,，但基于嵌入式系統(tǒng)的二次開發(fā)應用卻存在很多難點,，難以真正地將嵌入式系統(tǒng)投入到實際應用中,。武漢中科院巖土力學所智能儀器室對基于ARM9的嵌入式系統(tǒng)進行二次開發(fā),，采用ARM9微處理器取代原有的51單片機實現(xiàn)對SY5聲波檢測儀" title="檢測儀">檢測儀^[2]的控制。其中高速微處理器與現(xiàn)有低速設備接口及在配套的操作系統(tǒng)中就SY5聲波檢測儀原有功能設計相應驅(qū)動是本文研究的重點,。同時提出了可行的硬件調(diào)試方法,，為今后基于ARM9微處理器的硬件開發(fā)提供了思路。
1 系統(tǒng)構成
1.1 高性能的ARM9嵌入式微處理器
　　本設計選擇Cirrus Logic公司2004年7月推出的EP93XX系列中的高端產(chǎn)品EP9315,。該微處理器是高度集成的片上系統(tǒng)處理器,，擁有先進的200MHz ARM920T處理器并支持Linux、WindowsCE和其他許多嵌入式操作系統(tǒng)的存儲器管理單元(MMU),。它具有ARM920T內(nèi)核所有的優(yōu)異性能,。與其他ARM9微處理器相比，EP9315具有以下特性：MaverickCrunch^TM數(shù)學運算引擎,支持浮點、整數(shù)和信號處理指令,；豐富的集成外設接口,，包括PCMCIA、接口圖形加速器,、可接兩組設備的EIDE,、1/10/100Mbps以太網(wǎng)MAC、3個2.0全速HOST USB,、專用SDRAM通道的LCD接口,、觸摸屏接口、SPI串行外設接口,、AC97接口,、6通道I²S接口、8×8鍵盤掃描接口,；支持4組32位SDRAM的無縫連接等,。
　　配合Windows CE.net嵌入式操作系統(tǒng)，系統(tǒng)開發(fā)效率高,、運行穩(wěn)定,，為工業(yè)控制提供了可靠的系統(tǒng)平臺?；诙ㄖ频腤inCE操作系統(tǒng)實現(xiàn)工業(yè)控制中應用模塊的專用驅(qū)動,，提高了嵌入式系統(tǒng)的通用性。
1.2 系統(tǒng)主體結(jié)構
　　EP9315嵌入式系統(tǒng)總體結(jié)構如圖1所示,。整個系統(tǒng)分為嵌入式系統(tǒng),、應用模塊(聲波檢測儀)和轉(zhuǎn)換模塊三部分。Cirrus logic公司為用戶提供了基于該處理器的全功能開發(fā)板,。該開發(fā)板擴展了EP9315的所有功能,，并可根據(jù)實際需求將全功能開發(fā)板的硬件進行裁減，從而降低成本,。該開發(fā)板預留了標準PC104接口，可方便用戶開發(fā)應用,。應用模塊也預留標準PC104接口,，其中的I/O" title="I/O">I/O控制信號、數(shù)據(jù)線,、地址線與EP9315嵌入式系統(tǒng)的PC104接口一一對應,。而系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換模塊可保證嵌入式系統(tǒng)和應用模塊連接的穩(wěn)定性。

　　EP935嵌入式系統(tǒng)主要由電源,、32MB/64MB內(nèi)存,、LCD接口、警示LED、主USB,、面板按鍵,、CF卡接口、以太網(wǎng)接口和標準PC104接口組成,。其中電源提供5V,、3.3V、1.8V三種電壓輸出,，分別給應用模塊,、外設、CPU內(nèi)核供電,。內(nèi)存為操作系統(tǒng)提供運行空間,。其中嵌入式系統(tǒng)與應用模塊的I/O控制信號、數(shù)據(jù)線和地址線都引到標準PC104插座上,，經(jīng)轉(zhuǎn)換模塊處理后相接,。采用PC104總線標準實現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的各種應用目標。液晶顯示屏用于人機交互,，警示LED直觀地顯示電源狀況,。主USB支持U盤和USB鼠標鍵盤，CF卡作為大容量存儲器存放應用模塊的數(shù)據(jù),，用戶通過面板按鍵實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制,。
1.3 嵌入式系統(tǒng)板與應用模塊的連接方案
　　系統(tǒng)外接的應用模塊(SY5聲波檢測儀)采用51系列單片機控制數(shù)字模擬電路實現(xiàn)特殊功能。整個數(shù)字電路部分均為5V供電,，模擬部分由5V及正負12V供電,，采樣數(shù)據(jù)通過RS232串口傳給上位機進行數(shù)據(jù)處理。而EP9315,、I/O口及外圍電路均為3.3V供電,，管腳承受的最大電壓不超過3.6V。
　　考慮到每個管腳的驅(qū)動能力有限,，用電平轉(zhuǎn)換" title="電平轉(zhuǎn)換">電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動芯片74LVXC4245實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換,。其作用如下：
　　(1)改善信號的質(zhì)量。某些對時延比較敏感,、且在系統(tǒng)內(nèi)又相距較遠或者較分散的信號,，信號線的寄生電容會損害信號的特性。采用74LVXC4245驅(qū)動芯片進行隔離,，會改善系統(tǒng)的性能,。
　　(2)抗干擾。增加74LVXC4245這樣的有源緩沖器可以有效地減少干擾,。
　　(3)電平轉(zhuǎn)換,。3.3V到5V和5V到3.3V雙向電平轉(zhuǎn)換,。
　　74LVXC4245是8通道電壓轉(zhuǎn)換器，最大可提供200mA的驅(qū)動電流,。與專用模塊接口時,，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)線、地址線,、I/O信號,、中斷信號等的單/雙向電平轉(zhuǎn)換。
　　地址線的電平轉(zhuǎn)換方向設置為3.3V到5V,。I/O,、中斷信號的電平轉(zhuǎn)換方向可設置為單向轉(zhuǎn)換，3.3V到5V或5V到3.3V片選可接地,。
　　數(shù)據(jù)線是雙向信號,，電平轉(zhuǎn)換時要特別注意其方向信號和片選信號的設計。設計不合理會造成總線沖突,，系統(tǒng)無法啟動,。數(shù)據(jù)線電平轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

　　由圖2可見,，方向信號使用讀信號的反向信號#RD,，保證讀操作時數(shù)據(jù)線由5V到3.3V，寫操作時數(shù)據(jù)線由3.3V到5V,，防止了總線沖突,。使能信號OE可接地或接片選信號。
　　EP9315在WinCE操作系統(tǒng)下主頻達到200MHz,，總線頻率為100MHz,，外設時鐘為50MHz，硬件調(diào)試環(huán)境必須與操作系統(tǒng)完全吻合,。而應用模塊多采用74系列芯片,，工作頻率一般為幾兆赫茲。頻率不匹配造成了EP9315發(fā)出的讀寫及使能信號脈寬不足50ns,，對由74系列芯片組成的專用模塊不能實現(xiàn)正確的讀寫操作,。因此，系統(tǒng)的存儲空間采用了如圖3所示的分配,，應用模塊地址空間為CS7：0X7000_0000-0X7FFF_FFFF,。

　　為給低速設備提供足夠脈寬的總線信號，設置應用模塊地址空間存儲空間讀寫特性寄存器SMCBCR7中等待時間位WST1和WST2：
　　總線讀取等待時間=(WST+1)×總線時鐘
　　連續(xù)讀取等待時間=(WST+1)×總線時鐘
　　調(diào)試代碼如下：
　　//總線時鐘為200MHz
　　　ClkSet1=0x02A4A3D7,；
　　//設置cs7數(shù)據(jù)寬度為8,，讀寫脈寬為150ns
　　　temp=SMCBCR7,；
　　　temp=temp& 0xcfffffff,；
　　　temp=temp | 0xffef；
　　　SMCBCR7=temp；
　　這種設置使得SDRAM等高速外設和低速外設擁有不同的總線頻率,，具有很大的靈活性,。
2 系統(tǒng)軟件
2.1 嵌入式操作系統(tǒng)下的驅(qū)動程序類型
　　由于Windows CE.net開發(fā)工具好學易用，沒有目標設備時可以在PC上仿真測試,，因此基于Windows CE.net的嵌入式開發(fā)日益普及,。但要在操作系統(tǒng)下控制應用模塊就要為應用模塊編寫驅(qū)動。本質(zhì)上,，Windows CE的設備驅(qū)動程序都是一些動態(tài)鏈接庫(.dll文件),，這些dll向內(nèi)核提供了入口函數(shù),使設備管理模塊可以通過這些函數(shù)與具體的硬件設備進行通信。由于應用模塊功能的不同,，微軟沒有提供相應的驅(qū)動,，所以只能自行開發(fā)測試。開發(fā)過程中采用單層驅(qū)動結(jié)構,。
2.2 驅(qū)動程序開發(fā)
2.2.1 應用模塊初始化
　　應用模塊的初始化在標準流接口函數(shù)DEV_Init( )中完成,，在內(nèi)核加載驅(qū)動時調(diào)用該函數(shù)，其中DEV為設備文件名的前綴,，Windows CE使用其識別與特殊流接口驅(qū)動程序相對應的特殊設備,。初始化的基本步驟為：
　　(1)檢查應用模塊硬件信息的正確性。
　　(2)用Windows CE中的API函數(shù)為應用模塊驅(qū)動中用到的數(shù)據(jù)結(jié)構分配緩沖區(qū),。
　　hDev=LocalAlloc(LPTR,，sizeof(Dev_INFO))；
　　其中：pDev為包含設備必要信息的結(jié)構體指針,，Dev_INFO為該結(jié)構體類型,。
　　(3)設置應用模塊的默認參數(shù)，如應用模塊在系統(tǒng)中分配的物理地址空間的基地址,。
　　PHYSICAL_ADDRESS phyAddr,；//64_bit地址
　　phyAddr.LowPart=hDev-＞dwIOBaseAddr；//32_bit物理基地址
　　phyAddr.HighPart=0,；//高32_bit地址
　　(4)通過HalTranslateBusAddress( )和MmIoSpace( )映射I/O地址,，提供直接訪問設備的虛擬地址。
　　if(!HalTranslateBusAddress(Isa,，0,，phyAddr，0,，&phyAddr)) return FALSE,；
　　hDev-＞lpMappedBaseAddr=(LPBYTE)MmMapIoSpace(phyAddr，size,，F(xiàn)ALSE),；
　　if(!hDev-＞lpMappedBaseAddr) return FALSE,；
　　如果分配內(nèi)存或映射虛擬地址失敗，則返回FALSE,，退出初始化程序,。
　　(5)初始化應用模塊的讀寫屬性和共享模式。
2.2.2 應用模塊數(shù)據(jù)接收與發(fā)送
　　應用模塊數(shù)據(jù)的傳遞在流接口函數(shù)Dev_Write( )和Dev_Read( )中完成,。
　　DEV_Write(＜由應用程序" title="應用程序">應用程序傳入的設備句柄＞,，＜寫入數(shù)據(jù)指針＞，＜寫入數(shù)據(jù)位數(shù)＞)
　　{//每寫1字節(jié)調(diào)用一次WRITE_PORT_UCHAR( ),；}
　　DEV_Read(＜由應用程序傳入的設備句柄＞,，＜存放數(shù)據(jù)指針＞，＜讀入數(shù)據(jù)位數(shù)＞)
　　{//每讀1字節(jié)調(diào)用一次READ_PORT_UCHAR( ),；}
　　其中：WRITE_PORT_UCHAR( )和READ_PORT_UCH-
　　AR( )中傳遞的地址為經(jīng)過MmMapIoSpace( )映射過的虛擬地址,。
2.2.3 建立應用程序和設備驅(qū)動的聯(lián)系
　　操作系統(tǒng)中的應用程序與驅(qū)動中的流接口函數(shù)一一對應。其關系如圖4,。