摘要：為了實現(xiàn)以CortexM3為內(nèi)核制作一個實驗開發(fā)板，用于教學(xué)、競賽、工控開發(fā)，通過一系列的模擬仿真和研究分析，設(shè)計了開發(fā)板的電路原理圖，分析了以太網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、原理、初始化過程，USBOTG的設(shè)計思路、電路原理圖和初始化過程以及SD卡驅(qū)動電路的設(shè)計過程，并制作了可實際使用的電路板。整個開發(fā)板主要能夠為學(xué)生的課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計、創(chuàng)新活動提供良好平臺。

關(guān)鍵詞：CortexM3；LPC1768；以太網(wǎng)驅(qū)動電路；USBOTG驅(qū)動電路；SD卡驅(qū)動電路

中圖分類號：TN91934文獻標識碼：A文章編號：1004373X（2012）18001903

ARMCortexM3處理器是一款具有極高運算能力和中斷響應(yīng)能力的處理器內(nèi)核，能夠?qū)崿F(xiàn)8位和16位處理器級數(shù)的代碼存儲密度。該內(nèi)核體積很小，從而使它的封裝更為小型，成本更為低廉，應(yīng)用更為廣泛。NXP（恩智浦半導(dǎo)體）公司的LPC1700系列ARM是基于CortexM3內(nèi)核的微控制器，是為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用而設(shè)計的高性能、低功耗的32位微處理器，適用于儀器儀表、工業(yè)通信、電機控制、燈光控制、報警系統(tǒng)等領(lǐng)域。它的操作頻率高達120MHz，采用3級流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，帶獨立的本地指令和數(shù)據(jù)總線，代碼執(zhí)行速度高達1.25MIPS/MHz，同時包含1個支持隨機跳轉(zhuǎn)的內(nèi)部預(yù)取指單元[1]。本文設(shè)計了以LPC1768為控制器核心的開發(fā)板，完成了以太網(wǎng)、USBOTG、SD卡驅(qū)動等控制電路設(shè)計及程序驅(qū)動設(shè)計。

1以太網(wǎng)驅(qū)動電路的設(shè)計

以太網(wǎng)模塊包含一個功能齊全的10Mb/s或100Mb/s以太網(wǎng)MAC（媒體訪問控制），以太網(wǎng)MAC通過使用DMA硬件加速功能來優(yōu)化其性能。以太網(wǎng)模塊具有大量的控制寄存器組，可以提供：半雙工/全雙工操作、流控制、控制幀、重發(fā)硬件加速、接收包過濾以及LAN上的喚醒等。利用分散集中式（ScatterGather）DMA進行自動的幀發(fā)送和接收操作，減輕了CPU的工作量[2]。

以太網(wǎng)模塊是一個AHB主機，驅(qū)動AHB總線矩陣。通過矩陣，它可以訪問片上所有的RAM存儲器。建議以太網(wǎng)使用RAM的方法是專門使用其中一個RAM模塊來處理以太網(wǎng)通信。那么該模塊只能由以太網(wǎng)和CPU，或許GPDMA進行訪問，從而獲取以太網(wǎng)功能的最大帶寬[3]。

以太網(wǎng)模塊使用簡化的媒體獨立接口（RMII）協(xié)議和片上媒體獨立接口管理（MIIM）串行總線、還有管理數(shù)據(jù)輸入/輸出（MDIO）來實現(xiàn)與片外以太網(wǎng)PHY之間的連接。本設(shè)計以太網(wǎng)PHY所采用的芯片是KSZ8041TL[4]。

在以太網(wǎng)模塊的初始化過程中，軟件需完成：

（1）將軟件復(fù)位條件從MAC中移除；

（2）通過MAC的MIIM接口配置PHY；

（3）選擇RMII模式；

（4）配置發(fā)送和接收DMA引擎，包括描述符數(shù)組；

（5）配置MAC中的主機寄存器（MAC1，MAC2等等）；

（6）使能接收和發(fā)送數(shù)據(jù)通道[5]。

軟件通過對MAC的MCFG，MCMD，MADR寄存器進行編程來讀寫PHY寄存器。寫數(shù)據(jù)應(yīng)該寫入MWTD寄存器，讀數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息可以從MRDD和MIND寄存器中讀取。以太網(wǎng)模塊支持RMIIPHY。在初始化過程中，軟件必須通過對命令寄存器進行設(shè)置來選擇RMII模式[7]。

在切換到RMII模式之前，默認的軟件復(fù)位（MAC1寄存器的位15）必須失效。在該操作過程中需要運行phy_ref_clk，且將其內(nèi)部連接上。

設(shè)備驅(qū)動軟件通過分配存儲器中的“描述符數(shù)組”和“狀態(tài)數(shù)組”來完成對發(fā)送和接收DMA引擎的初始化。發(fā)送和接收功能各自都有專門的描述符和狀態(tài)數(shù)組。這些數(shù)組的基址需在TxDescriptor/TxStatus和RxDescriptor/RxStatus寄存器中編程。數(shù)組中描述符的數(shù)目要與數(shù)組中狀態(tài)的數(shù)目相等[8]。

以太網(wǎng)控制器的初始化代碼如下：

2USBOTG驅(qū)動電路設(shè)計

對于OTG功能，必須將OTG收發(fā)器連接到LPC1700系列CortexM3微控制器設(shè)備，使用USB信號的內(nèi)部USB收發(fā)器，并僅使用OTG功能的外部OTG收發(fā)器（見圖1）。該選項在VP/VM模式下使用內(nèi)部收發(fā)器。

電路給出了構(gòu)建OTG功能時需要在基礎(chǔ)USB外設(shè)上添加的電路，電路中的通用串行總線控制器可以是LPC1768和USBSIE（串口引擎）；為總線提供電源的外部設(shè)備需要一路3.3V穩(wěn)壓輸出供電電壓，以便為邏輯電路和連接在D+，D—引腳的1500Ω電阻提供電源。通過D+，D—引腳上的上拉電阻可向主機發(fā)出設(shè)備已連接的信號，并指示設(shè)備的工作速度。電阻上拉至D+表示全速運行，電阻上拉至D—表示低速運行。其他端點（包括D+和D—的15kΩ下拉電阻）用于檢測上拉電阻的狀態(tài)。由于USB設(shè)計需要提供熱插拔功能。因此，其ESD保護電路主要用于為D+，D—和VBUS引腳提供保護[8]。

以下是OTG設(shè)備控制器的初始化，包含以下幾個步驟：

（1）通過置位寄存器PCONP中的PCUSB位來使能設(shè)備控制器。

（2）配置并使能USBPLL或主PLL，以獲得設(shè)備時鐘48MHz（USBCLK）和期望的CCLK頻率。為了使設(shè)備控制器同步邏輯能正確操作，CCLK的最小頻率應(yīng)為18MHz。

（3）通過置位USBClkCtrl寄存器的CLK_EN位來使能期望的控制器時鐘。輪詢USBClkCtrl寄存器的CLK_EN位直至它置位。

（4）通過寫對應(yīng)的PINSEL寄存器來使能指定的USB引腳功能。

（5）按照“USB設(shè)備控制器初始化”小節(jié)中的步驟對設(shè)備控制器進行初始化。

（6）按照OpenHCI規(guī)范中給出的步驟對主機控制器進行初始化。

3SD卡驅(qū)動電路

SD卡支持2種總線方式，即SD方式與SPI方式。其中SD方式采用6線制，使用CLK，CMD，DAT0～DAT3進行數(shù)據(jù)通信；SPI方式采用4線制，使用CS，CLK，DataIn，DataOut進行數(shù)據(jù)通信。SD方式時的數(shù)據(jù)傳輸速度比SPI方式要快，由于LPC1768不具備SD卡專用接口，因此對SD卡進行讀寫時一般采用SPI模式。SD卡的SPI通信接口使其可以通過SPI通道進行數(shù)據(jù)讀寫。從應(yīng)用的角度來看，采用SPI接口的好處在于，很多單片機內(nèi)部自帶SPI控制器，不光給開發(fā)上帶來方便，同時也降低了開發(fā)成本。它不好的地方在于失去了SD卡的性能優(yōu)勢。SPI接口的選用是在上電初始時向其寫入第一個命令時進行的。