（检测技术与自动化装置专业论文）基于s3c44b0 x的jpeg图像解码及lcd显示的实现.pdf

摘要 摘要 题目：基于s 3 c 4 4 b o x 的j p e g 图像解码及l c d 显示的实现 专业：检测技术与自动化装置 研究生：蒙智明 导师：屈百达教授 j p e g 标准是一项成熟的图像编码技术，其压缩比例高，失真小，运行速度快， 易于实现且适用范围广。已于近年被列为国际标准，得到了广泛的推广和应用。同时 随着嵌入式技术的发展，该技术也越来越多的用在多媒体手机、数码相机、高性能扫 描仪等多媒体系统中。目前，j p e g 编解码多采用专用集成电路来实现，但这种方法 成本高，升级拓展困难。本文提出一种新的解决方案，基于高性能的a r m 处理器， 采用优化算法实现j p e g 编解码功能，通过软件升级来实现系统更新和功能拓展。这 种方案具有高度的灵活性，较强的适应性且成本较低。 该方案充分利用a r m 的硬件资源，采用软件编程方法实现j p e g 图像解码和显 示。首先，基于s a m s u n g 公司的a r m 处理器s 3 c 4 4 b o x 及其外围电路构建j p e g 图像解码和显示的硬件处理平台，编制并调试了相关引导程序、底层驱动程序、解码 程序和显示模块程序，为实现j p e g 图像解码做好软硬件准备。其次，根据j p e g 标 准，编写j p e g 解码程序。解码过程主要由五个部分组成：标记码信息处理、熵解码、 反量化、反离散余弦变换和色彩空间转换。其中对最耗时的i d c t 部分采用了采用行 列分解法，使处理效率大大提高，该算法先将8 * 8 的二维d c t 转换成8 点的一维 i d c t ，再利用一维快速算法来实现。然后，设计了解码显示系统，使解码图像显示 于l c d 终端。最后，从s 3 c 4 4 b o x 的硬件特性和c 语言程序结构方面对系统的解码 和显示程序做了进一步优化。 解码速度和图像恢复质量的测试结果表明：解码程序执行效率较高，能满足实时 性要求；图像还原质量良好，具有较高的峰值信噪比。该方案可应用于数码相机、数 字手持设备等多媒体系统中的静态图像处理，对于m - j p e g 、m p e g 、m p e g i i 、h 2 6 x 的研究也有较高的参考价值。 关键词；j p e g ，a r m ，解码，l c d ，s 3 c 4 4 b o x a b s t r a c t t o p i c ：t h ei m p l e m e n t a t i o no fj p e gi m a g ed e c o d i n ga n dl c dd i s p l a yb a s e do n $ 3 c 4 4 b o x m a j o r ：c h e c k i n gt e c h n o l o g ya n d a u t o m a t i o nd e v i c e c a n d i d a t e ：m e n gz h i m i n g s u p e r v i s o r ：p r o f q ub a i d a j p e gs t a n d a r di sam a t u r ei m a g ec o d i n gt e c h n o l o g y , w h i c hi sf e a t u r e dw i t hh i g h c o m p r e s sr a t e , l i 仕l ed i s t o r t i o nr a t ea n dh i g hr u n - t i m es p e e d a n dw h a t sm o r e i ti s c o n v e n i e n tt or e a l i z e a d a p t e da sa l li n t e m a t i o n a ls t a n d a r d , i th a sb e e na p p l i e di nm a n y f i d d s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e dt e c h n o l o g y , j p e gi m a g ec o d c et e c h n i q u eh a s b e e nu s e di nm a n ym u l t i m e d i as y s t e m s s u c ha sm u l t i m e d i am o b i l ep h o n e , d i g i t a lc a m e r a , a n dp a l m t o ph i g h - p e r f o r m a n c es c a n n e re t c a tp r e s e n t , t h es p e c i a li c sa r ee m p l o y e dt o r e a l i z ej p e gi m a g ec o d e c b u ti t sc o s ti sh i g ha n di ti sd i 衔c u l t 幻u p g r a d ea n de x p a n d i n t h i sp a p e r , j p e gi m a g ee o d e ei sr e a l i z e db ye m p l o y i n go p t i m i z a t i o na l g o r i t h m sb a s e do n h i 曲- p e r f o r m a n c ea r mp r o c e s s o r i tm a k e st h es y s t e mu p g r a d ea n de x p a n de a s i l y ；i th a sa h i 吐e l f l e x i b i l i t y , a d a p t a b i l i t ya n dl o w e rc o s ts i m u l t a n e o u s l y t h ei m p l e m e n t a t i o no f j p e gi m a g ed e c o d i n ga n dd i s p l a yi sm a i n l yb a s e do ns o f t w a r e p r o g r a m m i n gi nm y s c h e m e w h i c hm a k e sf 1 1 l lu s eo fa r mh a r d w a r ep l a t f o r m f i r s t l y , a h a r d w a r ep r o c e s s i n gp l a t f o r mi sc o n s t r u c t e do nt h eb a s i so fs a m s u n g ss 3 c 4 4 b o x a r m p r o c e s s o r , f u r t h e r m o r e , b o o t l o a d e rc o d e ，b o t t o md r i v e ra n dd i s p l a ym o d u l ep r o g r a m h a v eb e e nd e v e l o p e do nt h i sp r o c e s s o r , w h i c hf a c i l i t a t e st h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ef o r r e a l i z i n gt h ee m b e d d e di m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt oj p e gs t a n d a r d d e c o d i n gp r o g r a m sa r ed e s i g n e d n ep r o c e s so fd e c o d i n gc o n s i s t so f f i v ep a r t s ：t a gc o d e i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g , e n t r o p yd e c o d i n g , i n v e r s e dq u a n t i z a t i o n ，i n v e r s e dd i s c r e t ec o s i n e t r a n s f o r l la n dc o l o rs p a c ec o n v e r t e r a st o c tw h i c hn e e d sal o to ft i m ei nt h ep r o c e s s o fd e c o d i n g am e t h o dn a m e dr o w - c o l u m nd e c o m p o s i t i o ni sa d a p t e d ，w h i c hd e c o m p o u n d s t h e8 * 8t w o d i m e n s i o n a li n t or o w sa n dc o l u m n sw i t h1 _ d t h e l lp r o c e e d sw i t hf a s t a l g o r i t h mo fl d t h ee f f i c i e n c yo fi d c tp r o g r a m m i n gc o u l di n c r e a s eg r e a t l y t h i r d l y , d i s p l a yp r o c e s s i n gs y s t e mi sd e v e l o p e dt op e r f o r md i s 讪vo nl c dt e r m i n a l f i n a l l y , t h e f u r t h e ro p t i m i z a t i o nh a sb e e nd o n ef o rt h ed e c o d i n gp r o g r a mo nt h ea s p e c t so fh a r d w a r e c h a r a c t e r i s t i co fs 3 c 4 4 8 0 xa n dc p r o g r a ms t r u c t u r e al o to ft e s t sh a v eb e e nd o n eo nt h ed e c o d i n gs p e e da n dt h ep i c t u r eq u a l i t y t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o g r a mc a np e r f o r me f f i c i e n t l ya n di se n o u g ht om e e tt h er e a l t i m e q u a l i f i c a t i o n t h eq u a l i t yo f r e v e r t i n gp i c t u r e si se x c e l l e n tw i t hah i g h e rs nr a t i o i tm a k e s t h es c h e m ea p p l yt ot h es t a t i ci m a g ep r o c e s s o re a s i l ya n dw i d e l yi nt h ed i g i t a lc a m e r a s ， p d ae t c ，i na d d i t i o n a l 。i th a sa l li m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u et ot h er & do f m j p e g m p e g ， m p e g i i 。a n dh 2 6 x ， k e y w o r d s ：j p e g ；a r m ；d e c o d i n g ；l c d ；s 3 c 4 4 b o x i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本 人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 砷月9e t 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：趣堕导师签名：i 丝 日期：加7 年莎月5 - e l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 j p e g 概述 j p e g 是“j o i n tp h o t o g r a p h i ce x p e r t sg r o u p ，是联合摄影专家组”的缩写，是适 用于黑白及彩色照片，传真和印刷等方面的静止图像编码的标准i lj 。j p e g 主要存储 颜色变化的信息，特别是亮度的变化。在常用的模式中，用有损压缩方式去处冗余的 图像和色彩数据，在获得极高的压缩率的同时能展现十分丰富、生动的图像，可以用 较少的磁盘空间得到较好的图像质量。j p e g 还是一种灵活的格式，具有调节图像质 量的功能，允许采用不同的压缩比例对文件进行压缩。和具有相同图像质量的其他文 件格式( 如b m p 、g i f 、t i f f ) 相比，j p e g 是目前静态图像中压缩率比较高的。正是 由于这种高压缩比使得j p e g 格式的文件尺寸较小，下载速度快。使得网页能以较短 的下载时间提供大量的美观图像，所以目前各类浏览器都支持j p e g 图像格式，使得 它广泛的用于多媒体和网络程序中。 1 1 1j p e g 运行方式 由于j p e g 是适用范围很广、通用性很强的技术，所以把算法的功能分为有四种 运行方式【2 】： 1 ) 基本d c t ( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ) 顺序：由8 * 8 像素组成的像块，从左到右 进行编码处理并按照从上到下顺序进行扫描。编码处理是由二元d c t 系数的量化和量 化系数的熵编码组成的。基本d c t 顺序运行需要基本d c t 的缓冲条件最小，因而实现 的费用最低。 2 ) 基于d c t 的扩展( 渐进模式) ：该模式对图像按照由粗到细进行编码，图像重现 时由模糊到清晰，处理的顺序及编码处理的基本构成与d c t 顺序模式相同，扫描的的 顺序也是从上到下，从左到右，但需要对图像进行多次处理扫描。当对图像进行解码 时，在第一次扫描后先得到一幅分辨率较低的粗略的图像轮廓，然后在后续的扫描处 理后逐渐提高画面质量，得到清晰的图像，直到解码完成。渐进模式传输时间较长， 接收端收到的图像是多次扫描由粗糙到清晰的累进过程。 3 ) 无损模式：无损编码方法能保证解码后精确的回复原图像的采样值，其压缩 比低于有损压缩编码方法。使用二维差分脉冲编码调制技术的空间预测算法，可处理 较大范围的输入像素精度。由于不使用d c t 变换，对接近像素间的差别进行熵编码， 从而不产生图像的失真，可以保证重建图像与原始图像完全相同。 4 ) 分层模式：组合上面三种方式，做成具有多种空间分辨率图像的金字塔结构。 适用于对原始图像的滤波和划分像素，依次做成减少空间分辨率的图像时的图像数据 结构称为金字塔。因为按空间分辨率由高到低的顺序累积起来是金字塔的形状，所以 称为金字塔结构。由低品质图像向高品质图像阶段传送时，使用该方法。图像在多个 空间分辨率进行编码，在信道传送速率低，接收端显示器分辨率也不高的情况下，只 需要做低分辨率图像解码，不必进行高分辨率解码。 江南大学硕士学位论文 1 1 2j p e g 编码系统 j p e g 算法有两种不同的压缩方式，一种是基于差分脉冲代码调制的压缩方式 d p c m ( d i f f c r c n t i a lp u l s ec o d em o d u l a t i o n ) ，它是一种可逆的无失真的编码方式；另一 种是基于d c t 的压缩方式，该方式是有失真的不可逆的编码。j p e g 标准中定义了3 种编码系统 1 1 ： 1 1 基于d c t 的基本顺序系统：采用基于d c t 的顺序编解码算法实现有损图像压 缩。重建图像质量达到人眼难以辨别出损失的要求。采用8 * 8 像素自适应d c t 算法、 量化及h u f f m a n 型的熵编码器。 2 ) 基于d c t 的扩展系统：为了满足更为广泛的通信要求，j p e g 算法中除了具有 基本功能外，还具有扩展功能，其代表性的扩展功能就是累进显示。此外，在扩展功 能中还应设置有多种可选择的功能。扩展编码系统使用累进工作方式，采用自适应算 术的编码或者h u f f m a n 编码过程。 3 ) 无失真系统：无失真系统是一种完全能恢复原图像的可逆系统。由于d c t 编 码会产生一定的信息丢失，不适宜用于无失真系统。在j p e g 算法中，通过用d p c m 脉冲调制代码调制方式实现无失真系统的可逆编码。这是一种有别于d c t 的独立的压 缩编码方式，有时又称为独立功能。为保证重建图像数据与原始图像数据完全相同， 无失真系统采用预测编码及h u f f r a a n 或算术编码。 在j p e g 的三种编码系统中，基于d c t 的基本顺序系统是j p e g 最基本的压缩系统， j p e g 标准的软硬件编码、解码都支持这个过程。另两个系统本课题不再做讨论，本 课题所讨论和实现的就是最常用的基于d c t 的基本顺序系统。 1 2 课题的意义及研究内容 2 l 世纪的人类社会将是信息化社会，以信息技术为主要标志的高新技术产业在 整个经济中的比重不断增长，多媒体技术及产品是当今世界计算机产业发展的新领 域。世界上很多国家，对多媒体技术的研究和应用都给予了极大的重视，并投入了大 量的人力、物力开发先进的多媒体信息技术及相关产品，试图占领庞大的多媒体市场。 多媒体技术是使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频的能力，它以形象丰富 的声、文、图像信息和方便的交互性，极大地改善了人机界面，改变了使用计算机的 方式，从而为计算机进入人类生活和生产的各个领域打开了方便之门，给人们的工作、 生活和娱乐带来深刻的变化【3 】。 随着多媒体技术在各个应用领域不断普及，用户对新产品的期望越来越高，希望 它具有更大的图像容量、更高的图像质量和更快的图像处理速度，这些都为图像的存 储和处理提出了更高的要求。在数字图像处理可视电话通信、数字电视等应用中，遇 到的首要难题就是数据量过大，导致图像传输和存储成问题，单纯靠增加存储器容量， 提高信道带宽以及计算机的处理速度等方法来解决这个问题是不现实的，这时最好的 解决办法就是对图像进行压缩编码。近十年来，数字图像和数字视频的压缩技术取得 2 第一章绪论 了突破性进展，目前主要有三种方式：其一是纯硬件方式，即采用专用芯片编码，编 码速度快，但灵活性差，系统成本造价高；其二是用纯软件方式实现解码算法，解码 速度慢，但灵活性好，算法易更新升级，并且造价较低；其三是基于高性能处理器( 如 a r m 、d s p 等) 的软件实现，此种方式利用处理器的高速信号处理能力，使软件实现 的算法在其上运行时间大大缩短，同时该方案易升级，算法易更新。本课题就是利用 第三种方法，在a r m ( a d v a n e e dr i s cm a c h i n e s ) 平台上建立一个高性能的j p e g 解码 及显示系统。 近年来，伴随着因特网和消费电子的兴起，j p e g 标准广泛地应用于消费类电子、 网络、军事、工业控制、生物医学、遥感、模式识别和机器人视觉等领域。图像压缩 是一个很有发展前途的研究领域，这一领域的突破对于通信和多媒体事业的发展将有 深远的影响。 网络、通信、多媒体和信息家电时代的到来，无疑为以a r m 系列处理器为首的 3 2 位嵌入式系统应用提供了空前巨大的发展空间。嵌入式系统就是以应用为中心， 以计算机技术为基础，软硬件可裁减，适合应用系统对功能、可靠性、成本、体积及 功耗严格要求的专用的计算机系统；它是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧 密耦合在一起的计算机系统1 4 。a r m 微处理器具有性能高、成本低和能耗低的特点， 适用于工业控制、消费电子、多媒体、成像技术等多种领域。所以在a r m 开发平台 上研究j p e g 解码具有相当重要的价值和意义。 本文将在深入研究j p e g 图像压缩标准的基础上，以s a m s u n g 公司的高端处 理器s 3 c 4 4 b o x 为核心的开发板做为嵌入式硬件平台，构建嵌入式系统，讨论j p e g 解码及其l c d 显示的实现，并针对实际的需求，进一步从硬件和软件方面探讨了对 整个系统的优化。 1 3j p e g 的国内外研究现状 数据压缩是个非常活跃的领域，总是不断出现与实践新的方法、思想和技术。 j p e g 在图像压缩领域有着广泛的应用，但并不完善。对一个8 * 8 像素块进行d c t 便 换有时会导致重建图像中出现块效应胪】。文献 6 】为解决量化噪声带来的块效应，提出 了通过增加获得不规则图像碎片编码提高量化质量，从而提高解码图像的重构质量。 文献 7 】，【8 】实践了j p e g 的加密、解密与隐藏技术，加密、解密与隐藏技术是近几 年j p e g 研究的另一个方向。 目前，国内外在嵌入式编解码方面的应用更是异彩纷呈，文献【9 给出了j p e g 编 码在s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 上的实时实现，它是为数码相机而设计的，j p e g 图像通过 c m o s 图像传感器获得。文献 1 0 】根据长途汽车对上车人员进行记录的应用要求， 开发了一套基于e z - u s b 的低端图像数据采集存储及传输系统，采用o m n i v i s i o n 公 司的c m o s 图像传感器o v 7 6 2 0 作为采集芯片，z o r a n 公司的z r 3 6 0 6 0 作为数据压 缩芯片，c y p r e s s 的带u s b 接口的单片机a n 2 1 3 1 q c 作为总控制芯片和u s b 数据传 输芯片。文献 1 i 】中，松下电器产业公司开发出的s o c 能够进行j p e g 、m p e g - - 2 和 3 江南大学硕士学位论文 m p e g - - 4 等标准的编解码，它配备了支持s d 卡、d v d 、硬盘和u s b 等设备的接口 电路，上述编解码处理由对多媒体处理进行了优化的可扩展信号处理器“u n i p h i e r 处 理器”执行。文献 1 2 】在基于m o t o r o l a 公司的c o l d f i r e 系列的3 2 位d s p 处理器 m c f 5 2 7 2 上实现j p e g 解码算法的设计与实现。文献 1 3 1 在d s p 开发板上实现了 j p e g 图像压缩编码算法。其中的二维d c t 部分采用行列分解法，一维d c t 部分 使用d f t 系数方法实现。文献 1 4 】采用以t i 公司的高速d s p 芯片t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 为 核心的开发板做为图像压缩器的硬件平台，通过自行开发的压缩程序，实现了图像的 实时压缩。文献 1 5 1 利用f u j i t s u 公司生产的f r l 0 0 0 作为嵌入式系统的多核处理器，将 j p e g 图像划分为4 个部分，分别在4 个处理器核上进行解码，实现了j p e g 图像的 实时解码；f r l 0 0 0 将4 个处理器核集成在1 枚芯片上，各个处理器核之间共享内存 和其它外部设备。文献 1 6 】在f u j i t s uf r l 0 0 0 v d k 开发环境下，实现了一个可在多处 理器嵌入式系统环境下运行的j p e g 解码的f a r m w a r e 软件产品。 另外，随着可编程逻辑器件技术的发展，人们在利用f p g a 来实现图像的编解码 芯片方面也进行了研究。文献 1 7 1 利用a l t e r a 公司的c y c l o n ef p g a 芯片实现了j p e g 图像的高速编码。文献【1 8 利用硬件描述语言v h d l 、a l t e r a 公司的 q u a n t u s i i2 0e a d 工具平台及上海t r a i n s i l l c o n 公司的o p e n f p g a 4 0 开发板上 实现了j p e g 的编解码。 上面介绍的j p e g 编解码的实现方法，主要都是利用硬件的方法实现的，其成本 较高，比较专一，系统升级比较困难，而且系统不容易拓展；另一方面，随着a r m 技术的不断发展，a r m 处理器的速度在不断提高，其对数据处理的能力也越来越强， 价格也在不断降低。因此我们利用以a r m 公司的s 3 c 4 4 b o x 微处理器为核心的开发 板设计出了一个成本较低、系统易于升级且容易拓展的嵌入式j p e g 解码系统。 1 4 论文组织结构 论文全文共由六部分组成： 第一章为绪论，介绍了j p e g 标准相关内容，课题的意义及研究内容，j p e g 的 国内外研究现状。 第二章介绍了基于a r m 的硬件平台，s 3 c 4 4 b o x 及外围相关电路及接口。 第三章以j p e g 标准为依据，分析了j p e g 图像编解码的基本原理和方法，详细 论述了图像压缩中所使用的一些关键技术。 第四章着重阐述了软件系统的基础构建与设计。包括运行环境a d s l 2 的介绍， 系统启动引导程序b o o t l o a d e r 的裁减、实现，底层驱动程序和l c d 的驱动程序的设 计编写等。 第五章给出了解码芯片总体方案的设计，详细论述了在p c 机上实现j p e g 解码 的步骤，其次讲解了软件到硬件平台上的移植，然后从软件和硬件角度讲解了优化， 最后对解码时间和图像重建质量进行了讨论，最后给出了实验结果。 第六章对论文的全部工作进行了总结和展望。 4 第二章a 明处理器及外围电龉 第二章a r m 处理器及外围电路 在实现解码之前，首先了解一下系统的硬件知识。硬件是指计算机系统中的各种 物理装置，包括控制器、运算器、内存储器、i o 设备以及外存储器等，它是计算机 系统的物质基础。没有硬件，谈不上应用计算机。硬件是软件赖以工作的物质基础。 所以，掌握a r i v l 处理器结构及外围电路是必要的。 2 1a 瑚微处理器概述和a r m 7 的特点 a r m ( a d v a n c e d r i s cm a c h i n e s ) 既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对 一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。1 9 9 1 年a r i v l 公司成立于英国 剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处 理器，即我们通常所说的a r m 微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信 系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于a r i v l 技术的微处理器应用大约占 据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额，a r m 技术正在逐步渗入到我们生活 的各个方面。其中r i s c ( r e x t u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 为精简指令集计算机。 a r m 微处理器目前包括下面几个系列：a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、 a r m l 0 e 系列、s e c u r c o r e 系列、i n t e r 的x s c a l e 、i n t e r 的s t r o n g a r m 。 其中，a r m 7 ，a r m 9 ，a r m 9 e 和a r m l 0 e 为4 个通用处理器系列，每一个系列 提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。s e c u r c o r e 系列专为安全需要 而设计，提供了完善的3 2 位r i s c 技术的安全解决方案。x s c a l e 处理器是基于 a r m v 5 t e 体系结构的解决方案。s t r o n g a r m 是采用a r m 体系结构高度集成的3 2 位r i s c 微处理器。 a r m 7 系列微处理器为低功耗的3 2 位r i s c 处理器，最适合用于对价位和功耗 要求较高的消费类应用，具有如下特斜”1 ： 1 ) 具有嵌入式i c e r t 逻辑，调试开发方便。 2 ) 极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品。 3 ) 能够提供0 9 m i p s m h z 的三级流水线结构。 4 ) 代码密度高并兼容1 6 位的t h u m b 指令集。 5 ) 对操作系统的支持广泛，包括w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等。 6 ) 指令系统与a r m 9 系列、a r m 9 e 系列和a r m l 0 e 系列兼容，便于用户的产 品升级换代。 7 ) 主频最高可达1 3 0 m i p s ，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用。 a r m 7 系列微处理器的主要应用领域为：工业控制、i n t e r n e t 设备、网络和调制解 调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。 a r m 7 系列微处理器包括如下几种类型的核：a r m 7 t d m i ，a r m 7 t d m i s ， a r m 7 2 0 t , a r m 7 e j 。其中，a r m 7 t m d i 是目前使用最广泛的3 2 位嵌入式r i s c 处 理器，本文使用的就是a r m 7 t m d i 系列。t d m i 的基本含义为： 江南大学硕士学位论文 t ：支持1 6 位压缩指令集t h u m b ： d ：支持片上d e b u g ： m ：内嵌硬件乘法器( m u l t i p l i e r ) ； i ：嵌入式1 c e 支持片上断点和调试。 2 2s 3 c 4 4 b o x 芯片概述 2 2 1s 3 c 4 4 b o x 芯片简介1 1 9 1 s 3 c 4 4 b o x 是s a m s u n g 公司推出的1 6 3 2 位r i s c 处理器，为手持设备和一般类型应 用提供了高性价比和高性能的微控制器解决方案。 s 3 c 4 4 b o x 使用a r m 7 t d m i 内核，采用0 2 5 t t mc m o s 工艺制造。它的低功耗 和全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感的应用。同时，s 3 c 4 4 b o x 还采用了一种 新的总线结构，即s a m b a i i ( 三星a r mc p u 嵌入式微处理器总线结构) 。s 3 c 4 4 b o x 的另一个出色特性是它的c p u 内核，是由a r m 公司设计的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i r i s c 处理器，它集成了t h u m b 代码压缩器和一个3 2 位的硬件乘法器，同时还支持 i c e 断点调试，其主频可达6 6 m h z 。其他特点如下； 2 5 v a r m 7 t d m i 内核，带有8 k bc a c h e ： 可选的内部s r a m ： 外部存储器控制器( f p e d o s d r a m 控制，片选逻辑) ； l c d 控制器( 最大支持2 5 6 色s t n ，l c d 具有专用d m a ) ： 2 通道通用d m a 。2 通道外设d m a 并具有外部请求引脚； 2 通道u a r t 带有握手协议； 5 个p w m 定时器和1 通道内部定时器； 看门狗定时器； 7 1 个通用i 0 口； 8 个外部中断源； 8 通道1 0 位a d c ： 具有日历功能的r t c ； 片上p l l 时钟产生器。 2 2 2s 3 c 4 4 b o x 的系统框图 s 3 c 4 4 b o x 的系统框图如图2 1 所示。 2 3 核心电路模块设计 2 3 1 系统硬件组成 本系统是以a r m 7 为主要硬件平台，基于s a m s u n g 公司的s 3 c 4 4 b o x 处理器 而设计的开发板。它包括s 3 c 4 4 b o x 处理器、8 位l c d 连接器接口、2 m b 的f l a s h 、 6 第= 章a 蹦处理器及外围电路 8 m b 的s d r a m 、1 0 m h z 外部时钟，2 个r s 一2 3 2 串行口、一个j t a g 接口、一个并 行调试接口、一个r t c 、一个1 0 1 0 0 m b s 网络接口、一个u s b 接口、一个具有扬声 器和麦克的音频接口、i d e ( i n t e g r a t e dd r i v ee l e c t r o n i c s ) 硬盘扩展接口等。图2 2 是 a r m 开发板实物图。 h2 j m j 苣d m a 卜 1c a c h e 刊i i c 总线 + 1 ( 8 k b ) s 3 0 4 4 8 0 x 核 h 咖 一i i s 总线 叫u a r t 2p 6 6 m h z l 电源控制单元 o 写缓冲 + 叫l c d 控制器l l 总线p自由器i f 看门狗定时器 o-叫中断控制器l l 5 p w m 定时器h+ 刮8 a d c l o 位 系统总线控制 i ，o 口控制器h 系统总线控制总线仲裁 一 r t c 内部定时器h 总线接口 l 存储控制器l“p l l i 付钟 图2 - 1s 3 c 4 4 b o x 系统框图 图2 - 2a r m 开发板实物图 2 3 2 电源、时钟、复位电路 采用d c 7 5 v 稳压电源进行供电，电源输入后经过板上三个稳压芯片分别产生 3 3 、2 5 v 和1 8 v 的电压，3 3 v 给s 3 c 4 4 b o x 的f o 端口供电，2 5 v 给a r m 内核供 江南大学硕士学位论文 电。 系统时钟源可以由晶体和外部时钟提供，它的选择控制由o m 3 ：2 1 ( 在n r e s e t 上升沿锁定) 来决定。本系统采用1 0 m h z 晶体作为时钟源，o m 3 ：2 = 0 0 。o m 3 ：2 可 以选择时钟源，o m 3 ：2 = 0 0 表示选择晶振时钟，o m 3 ：2 = 0 1 表示选择外部时钟。 e x t c l k - 、_ r d d i o 一3 3 v 。e ) 【t c l k 引脚表示选择外部时钟时的外部时钟输入信号线， 不用时必须接3 3 v 。图2 3 为系统时钟电路。 = 图2 - 3 系统时钟电路 系统采用r c 复位电路，具体电路如图2 - 4 所示，该复位电路的工作原理如下： 在系统上电时，通过电阻r 2 6 向电容c 4 6 充电，当c 4 6 两端的电压未达到高电平的 门限电压时，r e s e t 端输出为低电平，系统处于复位状态；当c 4 6 两端的电压达到高 电平的门限电压时，r e s e t 端输出为高电平，系统进入正常工作状态。 当用户按下按钮s 5 时，c 4 6 放电，r e s e t 端输出为低电平，系统进入复位状态， 再重复以上的充电过程，系统进入正常工作状态。两级或门电路用于去按钮引起的抖 动和波形整形。通过调整r 2 6 和c 4 6 的参数，可调整复位状态的时间。 7 图2 - 4 系统复位电路 2 3 3 存储电路 存储系统使用一片1 m * 1 6 b i t 的f l a s h ( s s t 3 9 v f l 6 0 1 ) 乘1 - - 片4 m * 1 6 b i t 的 s d r a m ( h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h g ) 。 8 第二章a 础处理器及外国电路 f l a s h 连接电路如图2 5 所示，处理器通过片选n g c s 0 与片外f l a s h 芯片连接。 由于是1 6 b i t 的f l a s h ，所以用c p u 的地址线趾a 2 0 来分别和f l a s h 的地址线a o a 1 9 连接。地址空间为0 x o - - 0 x 1 f f f f f 其中0 x _ 0 x 3 f f f f 用来存放系统的启动引 导程序代码，o x 4 0 0 0 0 - - o x 4 f f f f 存放启动程序的参数，o x 5 0 0 0 0 _ - 0 x 1 f f f f f 为用户 程序区。 a ( 2 0 - 1 )a ( 1 9 0 1 d ( 1 5 一o )i ) q ( 1 5 0 1 n g c s on c e n o e n o e n w e - 1 w e $ 3 c 4 4 8 0 xf l a s h 图2 - 5f l a s h 连接电路 a ( 1 6 - 1 ) a ( 1 5 - 0 ) d ( 1 5 - o ) d q ( 1 5 - 0 ) n s r a sn r a s n s c a s1 c a s n s c s g n c s n o en w e d q m el d q m d q m iu d q m a 2 l = 重r l - - 一 b a 0 a 2 2 a 2 3 r 4 j b a l s 3 c 4 4 b o xs d r a m 图2 6s d r a m 连接电路 s d r a m 连接电路如图2 - 6 所示，s d r a m 分成4 个b a n k ，每个b a n k 的容量 为1 m 1 6 b i t 。b a n k 的地址由b a l 、b a 0 决定，0 0 对应b a n k 0 ，0 1 对应b a n k l ， l o 对应b a n k 2 ，1 1 对应b a n k 3 。在每个b a n k 中，分别用行地址脉冲选通r a s 和 列地址脉冲选通c a s 进行寻址。行、列地址线复用，行地址线为a 0 1 1 】，列地址线 为a 0 7 1 ，地址空间为o x o c 0 0 0 0 0 0 0 x 0 c 7 f f f f f 。 2 4 串行接口u r a t 串口电路如图2 7 所示，系统设计两个串口c o r a t 0 和u r a t i ) 与外部通信。 p o r t c l 0 p o r t c l 5 分别作为n r t s l 、n c t s l 、t x d l 、r x d l 、n r t s 0 和n c t s 0 9 信号，g p e l 和g p e 2 作为t x d 0 和r x d 0 信号。两个串行接口都采用m a x 2 3 2 进行 电平转换。 ( e l +v c c 淼 cl-v+ 孙，f 口v ： 。毛 6 og n d 。，下奄i i i o - - - - 7 1 4 l i 。 7 r l ( = q n 3 m1 3 t l o u r们n 呵 1 1t x i ) 0 3 lt x d lm 7 i n日o u r 1 2r x d 0 t 2 0 l r r1 丑n 1 0t x d i 8j a r l s o m1 ) c i ) 2 m8 r 2 r 2 0 u r o - -t 一 o 、：， 3 d n n b (丁1 0 r d b 9 u 2v o c p 2 c l +v o c ：t 釜盈 露 l r 一 o - , - - 1 霄，如im 7 l i c t s lm e1v+ 3 盯( d 2 m 鼢v - 8 n i h s l m t - - - l n o t s 字 = l c l 6 l2 百一 cgnd 1 5l 0 1 u f i l i 5 、= ，l l - e o n n e c i _ 0 r d 旧9 1 1n r i s 0 t l o u rt l 玎q r 1 i n r l o l 糟 1 2n c t 、s 0 t 2 0 u tt h n 1 0n i u 苫l r 删r 2 ) u t 9n c “l m a x 2 3 2 图2 - 7 u a r t 接口电路 2 5l c d 显示模块 s 3 c 4 4 b o x 中内置l c d 控制器可以支持4 级灰度、1 6 级灰度的黑白l c d 和2 5 6 级颜色的彩色l c d 屏；支持3 种l c d 驱动器：4 位双扫描，4 位单扫描，8 位单扫 描显示模式。内置l c d 控制器的作用是将定位在系统存储器( s d r a m ) 中的显示缓冲 区中的l c d 图像数据传送到外部l c d 驱动器，并产生必须l c d 控制信号【2 0 】。图2 8 为l c d 控制器内部结构框图。其中