(2007)基于ColdFire的评估系统的设计与实现[1].pdf

基于ColdFire的评估系统的设计与实现 中文摘要 I 中文摘要中文摘要 嵌入式系统发展的日新月异，芯片制造技术的不断革新，迅速扩展了 32 位微处理器的应用领域。目前 32 位微处理器种类繁多，主要有 ARM、x86、PowerPC、68K/ColdFire 和MIPS 等。ColdFire 是 Freescale 公司在68K的基础上推出的高性价比、高集成度 32 位微处理器，并且该系列还不断有新产品推出。芯片的推广应用离不开功能强大的开发工具。本课题设计并实现了一套基于ColdFire 的评估系统，它由硬件评估板和配套的软硬件开发工具组成，可以解决目前国内开发工具严重依赖进口、开发资料较少等一系列问题，为用户提供了一种功能完备、操作简单、价格低廉、能满足学习和开发双重需求的实验平台。本课题开发了针对 ColdFire 系列微处理器的 BDM 调试头以及 Windows 平台上的 SdIDE for ColdFire 嵌入式集成开发环境。文中以 MCF5271 为例，设计并制作了SDEVB5271 评估板，将开发工具成功 地运 用在该评估 板之上，构建了整套的SDEVB5271 评估系统，可提供性能评估、应用开发等功能。文中详细阐述了整个开发的流程，可以对开发其他 ColdFire 型号芯片的评估系统以及类似的嵌入式产品提供借鉴和参考。本文首先给出了 SDEVB5271 的硬件设计、各硬件模块的原理框图以及硬件测试流程；其次分析了 ColdFire 的 BDM 工作原理并给出 BDM 调试头的硬件设计和底层驱动程序的编写；然后阐述了软件设计中使用的关键技术，包括编译、连接脚本的编写，代码的下载与执行；最后给出了嵌入式应用程序的基础知识和一个 IO 口的实验程序，同时还给出了 CLinux 在 SDEVB5271 上的移植实例。关键词：评估系统，ColdFire，MCF5271，交叉编译器，连接器，BDM，CLinux ABSTRACT Design and Implementation of an Evaluation System based on ColdFire II ABSTRACT The rapid development of embedded system and the continual renovation of manufacturing process enlarges the fields of 32-bit microprocessor.There are many kinds of 32-bit processors,mainly including ARM,x86,PowerPC,68K/ColdFire and MIPS.Derived from 68K,ColdFire is a kind of 32-bit microprocessor having the aggressive price/performance and the high integrity.The chips applications need powerful development tools.Thus,an evaluation system for ColdFire is designed and implemented,which consists of the hardware evaluation board and the related development tools.So that,a serial of problems such as too much dependency on import tools and lacking of development documents can be well solved.Additionally,an evaluation system with all-purpose,simple operation,low-price meets the needs of both study and development for all users.A BDM cable for ColdFire CPUs and an IDE named SdIDE for ColdFire running on windows platform is developed.Taking MCF5271 as an example,this paper has designed an evaluation board SDEVB5271,applied the new development tools to it，constructed the whole evaluation system of SDEVB5271 which can be used to evaluate and develop applications.The paper describes the flow of the whole development in detail,which can provide reference for the development of other ColdFire chips and other embedded productions.First,this paper shows the hardware design,the theory block diagram of each hardware module and the test flow of them.Second,the paper analyses the work theory of the ColdFire BDM and gives the hardware design of BDM cable and the way to write the drivers.Third,it realizes the key technology of the software design such as how to write makefile and linkfile and the download and execution of the code.At last,it gives the basic knowledge of an embedded application and an experiment on I/O port.At the same time,the paper even gives a real example of porting Clinux to SDEVB5271.Keywords:Evaluation System,ColdFire,MCF5271,Cross-Compiler,Linker,BDM,CLinux 目目 录录 第一章第一章 概述概述.1 1.1 ColdFire 系列微处理器.1 1.2 课题背景.2 1.2.1 常见的 32 位微处理器及其应用.2 1.2.2 ColdFire 系列微处理器的开发工具及评估板.3 1.3 设计思路.4 1.4 课题意义.5 1.5 本文工作和论文结构.6 1.5.1 本文工作.6 1.5.2 论文结构.6 第二章第二章 评估板硬件设计评估板硬件设计.8 2.1 硬件选型.8 2.1.1 CPU 的选取.8 2.1.2 外围器件的选取.9 2.2 芯片简介.9 2.2.1 MCF5271 微处理器.9 2.2.2 存储器件.12 2.2.3 输入输出类器件.14 2.3 硬件评估板设计.14 2.3.1 电源.15 2.3.2 CPU 支撑电路.16 2.3.3 Flash.17 2.3.4 SDRAM.18 2.3.5 以太网模块.21 2.3.6 串口.22 2.3.7 A/D转换.22 2.3.8 与扩展板接口.23 2.4 硬件评估板测试流程及体会.23 2.4.1 测试方法.23 2.4.2 测试流程.24 2.4.3 测试体会.25 第三章第三章 ColdFire 系列系列 BDM 调试头的设计与实现调试头的设计与实现.27 3.1 芯片调试技术.27 3.2 ColdFire 微处理器的 BDM 调试模式.28 3.2.1 ColdFire 调试模块概述.28 3.2.2 不同 BDM 接口的比较.29 3.3 BDM 调试头的硬件设计.30 3.3.1 BDM 的串行通信时序分析.30 3.3.2 XC9536XL 芯片介绍.31 3.3.3 BDM 调试头硬件实现.32 3.4 BDM 调试头驱动程序的设计.34 3.4.1 BDM 的数据通信格式.34 3.4.2 BDM 的串行通信实现.35 3.4.3 BDM 的调试命令.37 3.5 本章小结.39 第四章第四章 软件设计软件设计.40 4.1 SdIDE 通用模块介绍.40 4.1.1 SdIDE 简介.40 4.1.2 SdIDE 通用模块.41 4.2 交叉编译器.42 4.2.1 关于交叉编译器.42 4.2.2 构建嵌入式开发的 GCC 工具链.43 4.2.3 Makefile.46 4.3 连接器.48 4.3.1 目标文件格式.48 4.3.2 连接脚本.49 4.4 代码的写入及运行.52 4.4.1 烧写 Flash.52 4.4.2 程序在 SDRAM 中运行.54 4.4.3 监控程序.55 4.5 本章小结.56 第五章第五章 评估板应用编程示例评估板应用编程示例.57 5.1 嵌入式应用程序设计的基本知识.57 5.1.1 硬件系统初始化.57 5.1.2 应用程序初始化.58 5.2 通用 IO 口的编程实例.59 5.2.1 编程基础.60 5.2.2 编程步骤.61 5.2.3 程序测试与固化.62 5.3 Clinux的板级移植.62 5.3.1 bootloader 开发与移植.63 5.3.2 Clinux 的移植.64 5.4 本章小结.66 第六章第六章 总结与展望总结与展望.68 6.1 总结.68 6.2 展望.68 参考文献参考文献.70 附录附录 A MCF5271 相关资料相关资料.73 A.1 MCF5271 模块框图.73 A.2 MCF5271 芯片引脚图.74 附录附录 B SDEVB5271 硬件原理图硬件原理图.75 B.1 电源电路及扩展接口电路.75 B.2 MCF5271 支撑电路.76 B.3 存储扩展电路.77 B.4 CPU 配置电路及 BDM 接口.78 B.5 以太网接口.79 附录附录 C BDM 调试头原理图调试头原理图.80 C.1 BDM 调试头硬件原理图.80 C.2 XC9536XL 内部程序原理图.81 基于ColdFire的评估系统的设计与实现 第一章 概述 1 第一章第一章 概述概述 嵌入式系统是当前最热门最有发展前途的 IT 应用领域之一。它除了在传统的工业控制、电信设施中发挥巨大的作用，还在家用电器、医疗保健设备、数码相机、多媒体播放设备、手机、PDA、网络设备等各个领域扮演着重要的角色。嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。目前，嵌入式系统中使用的处理器主要有：8 位、16 位、32 位、64 位嵌入式处理器和数字信号处理器(DSP)，而 32 位嵌入式处理器已成为主流。本章首先介绍了Freescale公司(原摩托罗拉半导体部)的ColdFire系列微处理器的基本特性，接着分析了当前 ColdFire 系列微处理器开发工具的现状，然后给出了基于ColdFire 评估系统的设计思路及课题意义，最后为本文的工作和组织结构。1.1 ColdFire 系列微处理器 Freescale 32 位微处理器分为 PowerPC 系列、ColdFire 系列以及 Dragon Ball 系列等。ColdFire 系列是重要的组成部分之一，它可以应用于工业控制、仪器仪表、民用产品、网络产品等领域。ColdFire 源于 Freescale 的传统 68K 指令集架构(ISA)，最初是在 20 世纪 80 年代末开发的，在计算和嵌入式应用中得到了广泛使用。由于 68K 属复杂指令流(CISC)类 CPU，不容易做得很小，速度上不去，ColdFire CPU 采用指令长度可变的精简指令流(RISC)技术，精简掉部分 68K 的指令，又与 68K 指令集兼容，并使多数指令可以在 1 个周期内完成，使 CPU 内核可以做得很小，速度可以达到 400MIPS，成本可以降到很低，更适用于嵌入式应用12。ColdFire CPU 的应用领域不断扩大从工业自动化系统到喷墨打印机和 MP3播放器提供片上功能，满足特定嵌入式应用的需求。ColdFire 系列目前已推出 50多种型号的芯片，而且还不断有新产品推出。为了适应市场对更多连接的需求，Freescale 推出了多种 ColdFire 连接选择，包括 10/100 以太网、USB2.0、PCI、CAN和其它串行口；为了适应市场对工业应用进行复杂、实时控制的需求，Freescale 又在ColdFire 架构产品上集成了增强型时间处理单元(eTPU)；为了适应市场对安全性的要第一章 概述 基于ColdFire的评估系统的设计与实现 2 求，Freescale 在 ColdFire 设备上提供了加密加速器，作为可选模块。ColdFire系列产品由最初的Version 2(包括第一款ColdFire 微处理器 MCF5206以及 MCF52xx)发展到 Version 3(MCF5307)、Version 4(MCF54xx)，直到最新版的超流水线结构的 Version 6，其指令执行速度也相应的由 25MIPS33MHz(0.8m 工艺)提高到610MIPS333MHz(0.13m 工艺)。目前 ColdFire 已经推出了采用 V2、V3、V4 核心的芯片，V5、V6 为后续版本。各个版本之间的比较如下3：V2 核心-两个独立的、解耦(Decoupled)的两级流水线；-单周期局部总线，具有统一的 Cache、RAM 和 ROM。V3 核心-两个独立的、解耦的四级指令获取流水线和两级指令执行流水线；-两级流水线局部总线，具有统一的 Cache、RAM 和 ROM。V4 核心-两个独立的、解耦的四级指令获取流水线和五级指令执行流水线；-哈佛结构的指令和数据分开的高速缓冲存储器，可获得更宽的带宽；-指令分支加速结构。V5 核心-和 V4 基本相同的流水线组织；-双执行流水线和大容量分支 Cache。V6 核心-V6 为超流水线结构。1.2 课题背景 1.2.1 常见的 32 位微处理器及其应用 目前，在嵌入式领域 得到广泛应用的 32 位嵌入式微处理器主要有 Intel 开发的嵌入式 x86 处理器，采用 ARM 公司 ARM 核心的 ARM7、9、10 等系列，Freescale 和IBM 等公司生产的采用 PowerPC 内核的 PowerPC 系列，MIPS 公司开发的 MIPS 系列以及 68K/ColdFire 系列等。基于ColdFire的评估系统的设计与实现 第一章 概述 3 x86 系列 CPU 性价比较高，软件兼容性好，开发资源丰富，开发平台简单，主要应用在工业场合和部分民用市场(例如机顶盒等)，相对来讲耗电较大。ARM 因其低功耗以及 ARM CORE 的快速设计发展，在手持设备领域(PDA、手机等)取得了领导地位。PowerPC 和 MIPS 则以其在网络通信处理方面的高速、高可靠性等特点主要应用于数据通信领域。68K/ColdFire 凭借其优异的性价比、丰富的外围设备控制接口，在智能家电领域、低端网络设备(远程监控、Internet 网络通话等)、数据安全加密设备、以太网集线器、服务器类应用、销售点终端打印机甚至家用路由器等方面得到广泛应用45。1.2.2 ColdFire 系列微处理器的开发工具及评估板 Freescale 推荐的 ColdFire 开发工具为 Metrowerks 公司的 CodeWarrior，它是专门面向 Freescale 所有 MCU 与 DSP 嵌入式应用开发的软件工具。这类商业的嵌入式开发软件，提供 Windows 平台上的开发方式，有相当完善的功能，但是这些软件一般价格昂贵，而且界面和帮助文档都是英文，购买和技术支持也不方便，不适合国内用户使用。相对于商用软件的高昂价格，使用开源的、免费的 GCC 工具链进行嵌入式开发也是不错的选择。GCC(GNU C Compiler)是 GNU 推出的在 Linux 或 UNIX 环境下运行的功能强大、性能优越的多平台交叉编译器，主要用于对 C 语言，包括 C、C+、Object C 等的交叉编译。GCC 交叉编译器几乎可以支持所有的 32 位 CPU，也支持像Atmel 的 AVR单片机，Freescale MC68HC11/12 这样的 8 位、16 位 MCU6。由于 GCC是Linux下的编译器，使用GCC一般要求用户装有Linux操作系统。GCC沿用了Linux的命令行方式，且由于其功能强大，命令参数选项特别多，对于初学者来说，要花费相当多的时间来学习如何使用。采用这种开发方式，显然没有那些专门面向某种 CPU的商用软件那样方便，特别是所有的操作都是基于命令行的，没有 Windows 平台下集成开发环境的那种简单、易操作性。要进行某种 CPU 的开发，除了有相应的软件开发工具，一般还需要有一块针对该 CPU 的硬件评估板。使用评估板，可以让用户在进行项目分析初期就可以完成测试，开发，评估，软件升级，产品功能演示等一系列功能，使用户不必制作 PCB 板就可以熟悉该芯片的指令系统，编程框架，实际性能等，以缩短用户的研发周期。第一章 概述 基于ColdFire的评估系统的设计与实现 4 Freescale 对于 ColdFire 系列的每种型号都提供相应的评估板，其功能完善，外围接口丰富，而且还带有硬件调试工具(如 BDM 调试头)，但价格昂贵，基本在 300900 美元之间。而国内主要的嵌入式产品提供商如深圳英蓓特、复旦金海博、上海存思等主要针对 ARM 市场，提供 ARM 的开发板产品。目前，只有作为 Freescale 半导体全球设计联盟成员之一的华恒科技推出了 ColdFire 的评估板，但其品种较少(只有针对 MCF5213/MCF5249 的)，而且开发资料不够全面，价格也相对较高。对于国内的开发者来说，国外的软硬件价格昂贵，购买、技术支持不方便；国内的嵌入式产品提供商提供的评估板种类少，可选择性差，而且开发工具均使用 Linux环境下的 GCC，入门门槛较高。这在一定程度上限制了 ColdFire 系列 CPU 在国内的推广与应用，同时也导致开发板价格相对较高、学习资料缺乏等问题。1.3 设计思路 本课题着眼于 ColdFire系列 CPU 在国内的推广与应用，将构建一套基于 ColdFire的评估系统，这套系统具有操作简单，价 格低廉，技术 资料全面，可扩展性强等特点。整个评估系统由软件开发环境，硬件开发工具，硬件评估板以及一些示例程序组成。软件开发环境是一套在 Windows平台的 IDE(集成开发环境)，它以工程的方式组织源文件，方便用户编辑。IDE 的编译器调用 GCC，和Linux 下在命令行中使用 GCC不同，IDE 提供了图形化的使用方式，用 户只需要点击鼠标就可以完成编译选项配置、Makefile 生成、后台调用 GCC 编译等工作，并将编译的信息以友好的界面呈现给用户。同时，IDE 还提供代码写入、执行、固化等功能。硬件开发工具主要是指编程、调试工具。代码生成后，要通过某种方式下载到目标板上才能执行。ColdFire 系列 CPU 内部没有任何的监控程序，因此要完成代码的下载，必须要有相应的硬件开发工具。ColdFire 系列一般带有 BDM(背景调试模式)调试模块，为此，本课题将制作针对 ColdFire 系列的 BDM 调试头。有了软硬件开发工具，还要有这些工具的应用对象硬件评估板。ColdFire 系列目前已推出 50 多种具体型号的芯片，本课题 将从中选取一款 CPU 制作一套硬件评估板。硬件评估板一般要具有一些常用的对外接口，丰富的外围设备以及引出一些CPU 引脚以便以后扩展。最后，编写一些实验程序，来测试软硬件开发工具及评估板硬件各个模块。基于ColdFire的评估系统的设计与实现 第一章 概述 5 虽然本课题中以 ColdFire 的一款芯片为例设计了一块硬件评估板，但所有的软硬件开发工具却是通用的。BDM 调试头提供了 Freescale 的 BDM 标准接口；编译模块可以通过传递芯片型号，实现对不同芯片的编译优化；写入模块可以根据 CPU 类型及 Flash 型号进行程序的下载、固化。整个评估系统为用户进行 ColdFire 的开发提供了方便、简单的开发模式。1.4 课题意义 嵌入式系统在我国已逐渐形成产业，其在生产研发、高校教学等方面得到了大力推广。研究基于 ColdFire 的评估系统具有如下现实意义：为广大嵌入式爱好者提供一套良好的学习平台。目前国内外嵌入式开发人才稀缺。一方面，是因为这一领域的门槛较高，不仅要懂较底层软件，而且必须懂得硬件的工作原理，所以非专业 IT 人员很难切入这一领域；另一方面，是因为这一领域较新，目前发展太快，很多软硬件技术出现时间不长或正在出现(如 ARM 处理器、嵌入式操作系统、无线传感网络等)，掌握这些新技术的人很少。嵌入式人才稀少，根本原因可能是进行嵌入式开发需要相应的开发板和软硬件开发工具，大多 数人无条件接触这一领域。本评估系统的推出，正好可以满足这一需求。为广大嵌入式产品研发人员提供一套廉价实用的工具。目前比较流行的 32位微处理器主要是 Freescale 的 ColdFire 和 ARM。ColdFire 系列处理器在工业控制中占有绝对地位；而 ARM 处理器是当今最流行的嵌入式处理器内核，它在家电和通信行业中应用十分广泛。目前市场上针对 ARM 的开发工具特别多，而 ColdFire 的却很少。ColdFire 不仅具有 32 位微处理器的高性能，而且还具有 8 位微控制器的简单、易用等特性，正被越来越多的人所使用。为研发类似的嵌入式产品提供不可多得的借鉴和经验。本课题详细介绍了整个系统的开发流程及技术细节。文中给出了在 Windows平台上执行 GCC 的方法，交叉工具的构建，Makefile 的书写技巧以及连接器的使用都适合开发其他 CPU 架构的集成开发环境。硬件评估板的设计、测试方法也可在设计其他电路时借鉴。第一章 概述 基于ColdFire的评估系统的设计与实现 6 1.5 本文工作和论文结构 1.5.1 本文工作 本文的主要工作安排如下：(1)制作硬件评估板 硬件模块划分 芯片选型 了解和确定各硬件模块的外围电路 硬件评估板原理图设计 绘制 PCB，联系厂家制作 元件采购 焊接、测试、完成调试(2)制作硬件开发工具 分析 ColdFire 处理器中 BDM 调试模块的原理 设计并制作 BDM 调试头 编写 BDM 驱动程序，实现对目标 CPU 操作的常用命令(3)软件设计与调试 SdIDE 集成开发环境的总体设计 SdIDE 集成开发环境通用部分实现 准备 ColdFire 的交叉开发工具 了解连接器的工作原理，编写芯片初始化代码和连接脚本文件 完成 SdIDE 对 ColdFire 的支持，并编写用于代码写入的外部程序 SdIDE 集成开发环境的编程实例 移植 CLinux 到评估板(板级移植)总结整个开发过程 1.5.2 论文结构 本文第一章介绍了基于 ColdFire 的评估系统的课题背景、意义以及设计思路；基于ColdFire的评估系统的设计与实现 第一章 概述 7 第二章详述了 SDEVB5271 的硬件设计和现实，介绍了评估板采用的各种芯片的主要特性及电路图，最后还给出了硬件测试流程及测试心得；第三章首先分析了 ColdFire 微处理器中 BDM 调试模块的工作原理，然后阐述了BDM 调试头的硬件设计以及驱动程序的编写；第四章是软件的详细实现，包括交叉开发工具的使用方法以及程序的下载；第五章给出了在 SDEVB5271 的应用实例，包括裸机程序的编写以及 CLinux 的移植；最后对全文进行了总结与展望。第二章 评估板硬件设计 基于ColdFire的评估系统的设计与实现 8 第二章第二章 评估板硬件设计评估板硬件设计 SDEVB5271 硬件评估板采用了 MCF5271 高性能微处理器，包括 64K 的内部SRAM、16M SDRAM、2M Flash、2 个串口、1 个以太网口等，可以运行 C/OS、CLinux等嵌入式操作系统。本章讲述了 SDEVB5271 设计的详细过程，包括芯片选型原则，各模块使用的芯片介绍，硬件评估板与各模块的电路连接。最后给出了硬件测试方法以及测试体会。2.1 硬件选型 2.1.1 CPU 的选取 一般来说，CPU 是一个嵌入式系统的核心。一切外围电路的设计都是围绕 CPU的特性来考虑的。因此，选择一个合适的处理器是一件相当重要的事情。选择处理器时，除了技术方面的因素，非技术原因也占了很大成分，其主要原因见表 2-13。表 2-1 选择处理器需要考虑的几个问题 序号 影响因素 原因 1 价格 在产量和成本约束相当严格的场合，价格是非常重要的因素。在一般的嵌入式系统中，十几美元的 CPU 算是比较昂贵的 2 性能 仔细评估 CPU 的性能能否满足系统的处理需求(满负荷运行时)，最好使用评估板评估一下实际的处理能力。有的 CPU 内部有 MAC 单元，运算密集时应优先选用这样的 CPU 3 封装 目前，QFP、BGA 的封装较多。BGA 焊接要求严格，必须使用机器焊接，可测试性差 4 功耗 对于电池供电的产品，需要非常重视 CPU 的功耗问题 5 指令集 RISC的主频高，但代码密度和运行效率稍低。CISC有时也是不错的选择 6 EMC 应优先选用对 EMC(电磁兼容)作过优化设计的 CPU 7 总线形式 最好能与大多数外围器件实现无缝连接 8 MMU MMU 内存管理单元对于有些操作系统是必需的 9 生命周期 选用一种处理器之前，要对它的 Roadmap 有很清楚的了解。尽量选用生命周期较长的产品 10 工具支持 包括编译、调试环境、操作系统支持等 11 市场定位 了解芯片的定位，低端还是高端，消费电子还是工业用 本课题的设计目的是设计一套基于 ColdFire 的评估系统，因此只能从 ColdFire系列微处理器中选取一款合适的 CPU。由于通用低端外设的联接扩展和网络市场空间的飞速发展，需要高性能、低价位的解决方案。Freescale 推出的 MCF527x 系列微基于ColdFire的评估系统的设计与实现 第二章 评估板硬件设计 9 处理器就是针对这种需求而设计的，其综合性能较以前的产品有了大幅度提高，而功耗及价格却更低，为用户提供了更多的选择。第二代 ColdFire V2 内核的工作性能也上了一个新台阶，可在 166 MHz的时钟频率下提供高达 159 MIPS 的处理能力(Dhrystone 2.1)7。考虑到本实验室的实际情况，决定选用该系列中的 MCF5271，它有 QFP 和 BGA 两种封装，可以选择较易焊接的 QFP 的封装形式，而且其样片可以直接从 Freescale 网站申请。2.1.2 外围器件的选取 外围器件决定着 CPU 能否完成其相应的功能扩展，外围器件的选择原则如下：能否完成系统的要求。在选择时，一定要仔细阅读芯片的参考手册以及一些应用实例，充分了解器件的性能及应用场合。接口电压与形式。外围器件的电压最好能够从电路板上直接获取，避免为此新增多余的电压转换芯片，最好能选用与系统总线无缝接口的芯片。尽量选用标准产品。选用引脚、封装、功能兼容的产品会降低采购的风险。根据以上原则，本硬件评估板根据功能需求，选择了以下芯片，如表 2-2 所示。表 2-2 各模块芯片选型 设备类型 模块名 备注 Flash AMD29LV160DB，2Mbyte 存储 SDRAM HY57V641620HG，8Mbyte*2 以太网 DM9161，物理层芯片 串口 MAX3232，2 路串行口 输入/输出 A/D转换 TLC2543，11路输入 10 位精度 2.2 芯片简介 2.2.1 MCF5271 微处理器(1)MCF5271 微处理器主要性能 MCF5271 微处理器是 Freescale 半导体公司于 2004 年推出的一款高性能、低成本的 32 位微处理器。该芯片 采用 ColdeFire V2 内核，内部集成了 10/100Mbps 快速以太网控制模块 FEC；具有硬件 DES/3DES/AES 加密功能；队列式串行外围接口 QSPI、I2C 接口、增强乘法加法运算单元 eMAC；具有 64KB 的片内 SRAM，8KB 的可配置第二章 评估板硬件设计 基于ColdFire的评估系统的设计与实现 10 cache；32 位的 SDRAM 控制器8。其引脚图和内部功能模块框分别参见附录 A.1 和附录 A.2。(2)快速以太网控制器 FEC 简介 MCF5271集成的快速以太网控制器(FEC)支持10Mbps和100Mbps的以太网和符合 IEEE802.3 协议的网络，该模块具有如下特性：支持三种不同的以太网标准物理接口：10Mbps IEEE 802.3 MII 接口、100Mbps IEEE 802.3 MII 接口和 10Mbps 7 线接口(工业标准)；IEEE 802.3 全双工流量控制；在 50MHz 的系统时钟下即可支持全双工操作(200Mbps 吞吐量)，在 25MHz的系统时钟下即可支持半双工操作(100Mbps 吞吐量)；如果检测到冲突则无需经过处理器总线，直接从发送 FIFO 缓冲区进行数据重传；自动刷新接收 FIFO 缓冲区以去除冲突碎片，同时自动进行地址识别，无需利用处理器总线。图 2-1 FEC模块图 FEC 模块的内部结构如图 2-1 所示。图中描述符控制器是一个 RISC 结构的控制器，该控制器具有以下功能：初始化 DMA 传输，对 DMA 通道进行高层控制；从机接口 总线 控制器 描述符控制器(RISC+微代码)控制和状态寄存器 CSRMII MIB计数器 输入输出 引脚 MDO MDEN MDI RAM RAM 接口 FIFO 控制器 发送 DMA 接收 FEC 总线 ETXEN ETXD3:0 ETXER ETCLK ECRS ECOL ERXCLK ERXDV ERXD3:0 ERXER EMDC EMDIO 基于ColdFire的评估系统的设计与实现 第二章 评估板硬件设计 11 解释缓冲块描述符；对接收到的以太帧进行地址识别；生成用于发送冲突补偿定时器的随机数。图中的 MII 模块功能为对外部的网络物理层设备进行控制和读取状态，与 标准含义的 MII 接口不同。其中 EMDC 为数据管理时钟，EMDIO 为串行输入输出引脚，所有的物理设备控制信号和状态信号都从该引脚输入输出。标准 MII 接口中的数据发送和接收引脚位于图中的发送和接收模块。DMA 模块提供了多个数据传输通道，通过这些通道，FEC 模块中的数据发送/接收、描述符发送/接收就可以独立运行，互不干扰。需要注意的是这里的 DMA 是指快速以太网控制模块的 DMA 引擎，该DMA 引擎只负责对快速以太网的数据进行传输，与通用含义的 DMA 不相同。MCF5271 微处理器中的 FEC 模块使用了缓冲块描述符的概念。以太网最大的数据帧长度可以达到 1518 个字节，而且可能短时间内收到多个以太帧，如果仅仅使用FEC 模块中的存储器来存储显然是不够的，所以 FEC 模块的以太帧数据必须暂存在FEC 外部的存储器中，这其中可能存在的一种情况是一帧的数据存放在多个缓冲块中。为了对这种以太帧进行处理，必须有一种方法将这些缓冲块联系起来，缓冲块描述符(Buffer Descriptors)就是起这个作用的。缓冲区描述符包含起始地址(32 位对齐的指针)、数据长度和状态/控制信息，DMA 引擎根据缓冲区描述符发送数据。(3)队列式串行外设接口 QSPI 简介及内部逻辑功能 串行外设接口 SPI 是 Freescale 公司提出的同步串行外设接口，它允许 CPU 与各种外设接口器件以串行方式进行通信和交换信息9。MCF5271 芯片提供队列式串行外围接口(Queued Serial Peripheral Interface)，称其为队列式 SPI，是因为该模块可以提供可编程传输队列，允许同时有 16 个用户排队等候数据传输，而且在传输时不需要 CPU 参与。该模块具有如下特性：无需用户干预，可编程队列最多支持 16 个传输；支持从 8 位到 16 位的传输长度；4 个外设片选信号，最多可以控制 15 个外围设备；在主频 75MHz 的情况下，可以设置的波特率从 147.1Kbps 到 18.75Mbps；可编程控制传输前后的延时时间；第二章 评估板硬件设计 基于ColdFire的评估系统的设计与实现 12 可编程 QSPI 时钟相位和极性；对于连续传输，提供环绕模式。MCF5271 使用 80 个字节的静态 RAM 执行队列操作，这部分 RAM 是 QSPI 和CPU 可以共同访问的静态 RAM 空间，它分为以下 3 部分，16 个命令控制字节(简称命令 RAM)，16 个数据发送字(简称发送 RAM)和 16 个数据接收字(简称接收 RAM)。这 80 个字节被组织成 16 个队列项，每个队列项包含 1 个指令控制字节、2 个数据发送字节和 2 个数据接收字节。需要进行数据通信时，用户首先要进行 QSPI 初始化操作：将命令队列写入命令RAM，将待发送的数据写入发送 RAM，然后允许 QSPI 数据传输。QSPI 执行队列中的命令并通过 QSPI 中断寄存器 QIR 的 SPIF 标志位指示命令已经执行完毕。当 QSPI数据传输结束后，QDLYR寄存器中的 SPE 位自动清零。此时可以读取接收 RAM 中收到的数据。2.2.2 存储器件(1)Flash 由于成本和制造工艺等原因，很多 32 位微处理器无法集成足够大的 Flash 存储器模块，甚至没有 Flash 模块，这就大大限制了 32 位微处理器优越的控制和计算功能的发挥。解决这个瓶颈的有效而简单的方法就是对 32 位微处理器进行 Flash 存储器扩展。由于 32 位微处理器的应用场合较为复杂，所以一般都要架设嵌入式操作系统。Flash 存储器的扩展主要目的是对代码存储空间的扩充。通常需要满足以下要求1：应用程序可以不需要调入 RAM 而直接在 Flash 上运行；可以对 Byte Word 单位存储单元进行直接操作；扩展方便，所需额外硬件，软件少；数据存储可靠性高。在选择 Flash 存储芯片时，主要考虑容量和类型两个因素。对于 32 位微处理器，常用的嵌入式操作系统核心小于 1MB，16M 位的 Flash 芯片能完全满足嵌入式操作系统及应用程序的需要。Flash 存储器主要有 NOR 型和 NANR 型，它们的性能比较如表 2-3 所示。基于ColdFire的评估系统的设计与实现 第二章 评估板硬件设计 13 由表 2-3 中 NOR 型和 NAND 型 Flash 的性能比较可知，NOR 型 Flash 存储器主要用来存储代码，如系统代码空间的扩展。NAND 型 Flash 则适合于大量数据存储，如 MP3 文件管理等10。本设计采用 16M 位的 NOR 型 Flash 存储器扩展方案。硬件板采用 AMD 公司生产的 AM29LV1