基于ARM架构的通信控制器设计

高承志

（中国电子科技集团公司第二十八研究所）

1 引言

随着网络与通信技术的发展，嵌入式系统已经在很大程度上改变了人们的生活、工作和娱乐方式。同时这项系统也已经在很多产业中得到广泛的应用（例如通信、家用电器等产业），并逐步改变着这些产业[1]。与嵌入式系统相关的设备研究是当前的研究热点。本文介绍了一种基于ARM体系架构的通信控制器的设计。

2 应用场景

该通信控制器的典型应用场景如图1所示。

图1 通信控制器典型应用场景

节点的业务数据经过通信控制器处理后，经过通信网络传到了数据处理中心。在此过程中，通信控制器主要完成数据编解码、用户认证、线路测试等功能。

3 硬件组成

该通信控制器采用 LPC2214作为微处理器，LPC2214为基于ARM7TDMI内核的16/32位RISC处理器，内置PLL锁相环可以设置CPU的工作频率达60MHz，内部带256kB FLASH和16kB RAM。

该通信控制器的硬件平台组成示意图如图 2所示。

图2 通信控制器硬件平台示意图

ARM 是该通信控制器的控制中心，主要功能包括：通过与FPGA交互完成数据编解码的控制；从片外FALSH中读取状态信息；完成对指示灯、智能卡和噪声源的控制；读取拨码开关的值。用户可以通过串口对ARM发送指令从而完成对通信控制器的参数配置、线路测试等功能。ISP(in-system programming)接口用来对ARM芯片内的程序进行插除等操作。

FPGA负责数据传输的编码和解码，映射在ARM外部存储空间的BANK0；片外FLASH主要用来存储状态信息，重新加电后不会丢失，映射在ARM外部存储空间的BANK3。

指示灯主要用于反映通信控制器的当前工作状态。拨码开关主要提供某些工作参数给用户进行手动设置通信控制器的。智能卡主要用来进行用户身份验证。噪声源主要用来产生随机数。

4 软件设计

针对使用的ARM7系列微处理器LPC2214，结合ADS1.2开发环境，通信控制器的软件采用C语言编写。程序根据函数功能不同，分成不同的文件，采用模块化设计。

4.1 ADS1.2开发环境

ADS集成开发环境是ARM公司推出的ARM核微控制器开发工具，开发使用较为成熟的版本ADSl.2。

ADSl.2由六个部分组成，分别是：代码生成工具、集成开发环境、调试器、指令模拟器、ARM 开发包和 ARM 应用库[2]。用户一般直接操作的是CodeWarrior IDE集成开发环境和AXD调试器。

4.2 软件总体架构

通信控制器的软件总体架构如图3所示。

处理器的启动程序负责ARM 处理器的初始化，初始化完成后进入用户主程序。用户主程序的功能主要包括设备参数初始化及外设控制等。当有外部中断或者定时器中断产生时，根据处理器启动程序的设置，会自动调用相应的函数进行处理。

图3 通信控制器软件总体架构

4.3 ARM处理器的启动程序

为了能够进行ARM处理器初始化，采用一个汇编文件作启动代码是最常用的做法，它可以实现向量表定义、堆栈初始化、系统变量初始化、中断系统初始化、i／o初始化、外围初始化、地址重映射等操作。

在本系统软件开发中，使用了 LPC2214专用工程模板，该工程模板使用了ADS的分散加载机制，只要编辑相应的分散加载描述文件，即可将代码段、数据段分别定位到指定地址上。ARM处理器复位后，如果处于正常启动模式，模板中的启动代码部分即可被自动运行，执行ARM处理器的初始化并进入用户主函数。

4.4 用户主函数

用户主函数主要完成对外设的初始化及自检，系统参数的设置等功能。主函数包含的主要内容如下：

4.4.1 片外FLASH的使用

本系统中使用的片外FLASH总大小为4M字节，每扇区大小为4k字节，数据长度也是16位。按照芯片的使用规则，必须首先对要写入的地址所在扇区进行擦除操作，然后写入相应的数据才有效。擦除扇区数据的示例程序如下：

写入数据步骤的前两个周期相同，第三个周期向地址0x5555写入数据0xA0A0，第四个写周期则可以向相应地址写入有效数据。从片外FLASH中读数据时对相应的地址进行读取即可。

4.4.2 指示灯控制

通信控制器前面板的每个指示灯具有两种颜色，分别由LPC2214芯片的两个GPIO引脚来控制。使用GPIO引脚来控制指示灯时需要先配置引脚为输出状态，然后控制GPIO引脚输出高电平点亮指示灯。对指示灯操作的示例程序如下：

4.4.3 智能卡

对智能卡的操作利用LPC2214芯片的I2C接口来实现。

首先需要对I2C接口进行初始化，示例程序如下：

接着需要设置I2C中断允许。LPC2214的向量中断控制器具有32个中断请求输入，可以将其编程分为3类：FIQ、向量IRQ和非向量IRQ。快速中断请求（FIQ）具有最高优先级，向量IRQ中断具有中等优先级，非向量IRQ中断的优先级最低。中断设置示例程序如下：

然后当I2C中断发生时，可以通过判断I2C状态寄存器I2STAT的情况来进行相应的操作，比如读取I2C数据寄存器I2DAT中的内容，从而读取到智能卡中的信息。

4.4.4 噪声源

噪声源芯片的原理是当CLK引脚输入符合要求的时钟信号时，DATA引脚随机输出高低电平。实际使用中将LPC2214芯片的PWM5输出引脚接到噪声源的CLK输入引脚上，DATA引脚接到GPIO（P0.22）上。脉宽调制器初始化的示例程序如下：

4.4.5 拨码开关

拨码开关分别连接到了LPC2214芯片的GPIO引脚上。可以通过设置GPIO引脚为输入状态，然后读取引脚的值来获取拨码开关的当前值。示例程序如下：

4.4.6 与FPGA交互数据

由于 FPGA映射在 ARM 外部存储空间的BANK0,因此对FPGA的操作只需要对BANK0中对应的地址进行读写即可。需要注意的是FPGA的数据长度为16位，所以每次操作FPGA的数据长度也为16位。

4.4.7 串口功能

利用LPC2214芯片的UART0接口实现了通过串口对ARM进行控制。UART0接口的初始化示例程序如下：

接着需要设置UART0对应的中断向量。

当UART0收到数据时，会产生中断，然后启动中断服务程序读取接收缓存寄存器 U0RBR中的数据。UART0发送数据可以通过向发送器保持寄存器U0THR写入数据来实现。

4.4.8 定时器和外部中断

LPC2214芯片包含两个定时器。定时器对外设时钟（pclk）周期进行计数，根据4个匹配寄存器的设定，可设置为匹配时产生中断或执行其他动作。可以利用定时器产生中断定期对通信控制器进行操作。

此外 LPC2214还提供了 4个外部中断接口（ENT0～ENT4），外围设备可以通过连接到外部中断接口产生中断来通知ARM处理发生的事件。

4.5 编译调试

编写完用户程序后可以在CodeWarrior IDE集成开发环境中进行编译连接。如果编译连接通过，可以使用 JTAG仿真器连接到通信控制器上的 LPC2214芯片，然后使用AXD调试器调试。

调试通过的程序就可以通过JTAG接口或者使用ISP功能固化到LPC2214的片内FLASH中使用了。

5 结束语

随着嵌入式系统的发展，嵌入式微处理器的应用也越来越广泛。ARM 体系架构的嵌入式处理器以其明显的性能优势、丰富的接口、较高的性价比、较低的功耗等特点，在通信技术领域以及物联网、个人电子消费品等新兴技术领域均得到了广泛的应用。

[1]周立功等.ARM 嵌入式系统基础教程[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2005:30.

[2]周立功等.ARM 嵌入式系统实验教程（一）[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2004:31.