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基于ColdFire的评估系统的设计与实现 中文摘要 I 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、x

86、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 μCLinux 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,μCLinux 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 chip '

s 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 μClinux to SDEVB5271. Keywords: Evaluation System, ColdFire, MCF5271, Cross-Compiler, Linker, BDM, μCLinux 目录

第一章 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 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 ColdFire 系列 BDM 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 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 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 μClinux 的板级移植

62 5.3.1 bootloader 开发与移植

63 5.3.2 μClinux 的移植.64 5.4 本章小结.66

第六章 总结与展望.68 6.1 总结.68 6.2 展望.68 参考文献

70 附录 A MCF5271 相关资料.73 A.1 MCF5271 模块框图

73 A.2 MCF5271 芯片引脚图

74 附录 B SDEVB5271 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 C BDM 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

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第一章 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[1][2] . 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 25MIPS@33MHz(0.8μm 工艺)提高到 610MIPS@333MHz(0.13μm 工艺).目前 ColdFire 已........