龍芯嵌入式系統軟硬件平臺設計

符意德

畢業於西安交通大學。現為南京理工大學電腦科學與工程學院副教授、碩士生導師。長期從事本科生教學及教學方法研究，主講過“微機原理及接口”“數字信號處理”“嵌入式系統”“硬件課程設計 II”等課程。教學成果顯著：獲得南京理工大學教學成果二等獎，獲批教 育部產學合作協同育人項目一項；指導本科生參加第三屆“龍芯杯”大學生電腦系統能力培養大賽，並在總決賽中獲二等獎一項、三等獎一項。編著的《嵌入式系統設計原理及應用（第 2 版）》入選普通高等教育“十一五”國 家級規劃教材，還主編了《嵌入式系統軟硬件協同設計教程 基於Xilinx Zynq-7000》。

前言　xvii

第01章　嵌入式系統簡介

1.1 嵌入式系統設計的特徵 002

1.1.1 什麼是嵌入式系統 002

1.1.2 嵌入式系統的設計要求 003

1.1.3 嵌入式系統設計需考慮的問題 004

1.2 嵌入式系統的發展及應用 005

1.2.1 嵌入式系統硬件發展階段 005

1.2.2 嵌入式系統軟件平臺 008

1.2.3 嵌入式系統應用領域 012

1.3 嵌入式系統的設計方法 015

1.3.1 需求分析與規格說明 016

1.3.2 體系結構設計 017

1.3.3 構件設計 018

1.3.4 系統集成 019

1.4 嵌入式系統的開發工具 019

1.4.1 LoongIDE簡介 020

1.4.2 LoongIDE的操作界面 021

1.4.3 LoongIDE工具中的項目基本操作 026

1.4.4 LoongIDE工具中的項目編譯和調試 033

第02章 硬件平臺一：核心板設計

2.1 核心板的組成結構 041

2.1.1 核心板的硬件總體結構 041

2.1.2 電源電路 042

2.1.3 時鐘電路 043

2.1.4 復位電路 044

2.1.5 調試接口電路 044

2.2 龍芯1B微處理器體系結構 048

2.2.1 龍芯微處理器芯片的系列及特點 048

2.2.2 龍芯1B芯片的總體結構 049

2.2.3 龍芯1B芯片的處理器核寄存器組 050

2.2.4 龍芯1B微處理器的中斷機制 055

2.3 板級總線 060

2.3.1 總線的基本功能 060

2.3.2 龍芯1B芯片的信號引腳 061

2.3.3 板級總線標準 062

2.4 存儲器芯片分類及接口電路設計 063

2.4.1 存儲器芯片分類 064

2.4.2 SROM類存儲器接口電路設計方法 066

2.4.3 DRAM類存儲器接口電路設計方法 069

2.4.4 NAND Flash類存儲器接口電路設計方法 071

2.4.5 DDR類存儲器接口電路設計方法 073

第03章 硬件平臺二：常用接口設計

3.1 接口部件的基本原理 076

3.1.1 接口的控制方式 077

3.1.2 接口的尋址方式 079

3.2 GPIO部件 081

3.2.1 龍芯1B芯片的GPIO 081

3.2.2 GPIO的應用示例 084

3.3 UART部件 086

3.3.1 異步串行通信的概念 086

3.3.2 異步串行通信協議 087

3.3.3 龍芯1B芯片的UART部件 090

3.3.4 UART部件的應用示例 094

3.4 SPI部件 095

3.4.1 SPI基本原理 095

3.4.2 龍芯1B芯片的SPI部件 096

3.5 I2C部件 098

3.5.1 I2C總線協議結構 098

3.5.2 龍芯1B芯片的I2C部件 100

3.6 定時部件 103

3.6.1 定時部件的工作原理 103

3.6.2 PWM部件 104

3.6.3 RTC部件 105

3.6.4 看門狗部件 107

第04章 硬件平臺三：人機接口設計

4.1 鍵盤接口設計 110

4.1.1 按鍵的識別方法 110

4.1.2 鍵盤接口設計示例 112

4.2 LED顯示器接口設計 115

4.2.1 LED顯示器控制原理 115

4.2.2 LED顯示器接口設計示例 118

4.3 LCD接口設計 122

4.3.1 LCD顯示器的基本原理 123

4.3.2 龍芯1B芯片中的LCD控制器 124

4.4 OLED顯示器接口設計 126

4.4.1 OLED工作原理 126

4.4.2 OLED顯示器接口設計示例 129

第05章 軟件平臺一：匯編編程及啟動引導程序

5.1 匯編程序的編寫規範 134

5.1.1 龍芯1B芯片的匯編指令集 134

5.1.2 匯編的偽指令及指示符 137

5.1.3 匯編程序示例 139

5.2 嵌入式系統應用軟件結構 142

5.2.1 應用軟件復雜度 142

5.2.2 應用軟件結構 143

5.3 啟動引導程序 146

5.3.1 啟動引導程序架構 146

5.3.2 龍芯1B芯片的啟動 147

5.3.3 PMON介紹 149

5.3.4 PMON的代碼解析 150

5.3.5 PMON的編譯與燒寫 162

5.4 其他啟動引導程序 164

第06章 軟件平臺二：操作系統移植及驅動設計

6.1 操作系統概述 166

6.1.1 操作系統的功能組成 166

6.1.2 實時操作系統的概念 167

6.1.3 單內核與微內核 170

6.1.4 內核移植 172

6.2 RT-Thread操作系統 173

6.2.1 RT-Thread概述 173

6.2.2 RT-Thread的架構 175

6.2.3 RT-Thread移植 176

6.3 RT-Thread的驅動編程 182

6.3.1 設備驅動程序原理 183

6.3.2 驅動編程的任務 183

6.3.3 RT-Thread驅動的架構 184

6.3.4 RT-Thread驅動編程示例 187

第07章 綜合示例

7.1 示例的需求描述 191

7.1.1 系統需求 191

7.1.2 規格說明 192

7.2 示例系統體系結構設計 195

7.2.1 軟件結構 195

7.2.2 硬件結構 197

7.3 示例系統構件設計 197

7.3.1 硬件構件設計 197

7.3.2 軟件構件設計 199

7.4 示例系統集成 202

7.4.1 系統工程建立 202

7.4.2 測試及調試 216

附錄 UML元素、關系、符號和圖

A.1 UML元素 218

A.2 UML關系 218

A.3 UML符號 218

A.4 UML的圖 219