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1 FreeARM7 IP核简介
FreeARM微处理器的ARM7系列（简称FreeARM7）首发于www.socvista.com，由Freearm联合其他ARM爱好者基于ARMv4架构开发而成。整个IP核代码采用可综合的Verilog HDL描述，接口简单，描述精炼，全部代码不超过2000行。在整体设计上，采用了三级流水线和哈佛结构，全面兼容各种中断和操作指令（除Thumb和协处理器指令）。经过评估可知，该IP核基于FPGA和SMIC工艺库都有很好的实现结果。
FreeARM7接口定义如表1所列，概括起来可分为4类：
◆ 系统接口，提供系统控制信号；
◆ 中断源，提供ARM架构需要的5个中断信号；
◆ ROM接口，与提供指令的ROM之间的接口；
◆ 单口RAM接口，与单口RAM和外设之间数据交互的接口。
其中，单口RAM接口可以实现两类用途：一、 挂接单口RAM，使得FreeARM7能够正确地读写数据；二、 挂接外设，使得FreeARM7能够正确操作外设。
表1 FreeARM7接口定义
2 微处理器改进与逻辑扩展
基于FreeARM7的微处理器改进与逻辑扩展的结构如图1所示。预期的实现目标是：在主机上编写嵌入式程序汇编成机器码后，经过USB1.1设备控制器传输至双端口RAM中，在微处理器代码下载模式下，代码下载控制逻辑将双端口RAM中的机器代码装载至ROM中，之后启动微处理器正常工作模式，微处理器执行ROM中的嵌入式代码，接收主机通过USB传送来的参数值，并将运行结果通过USB返回至主机。
图1 微处理器改进与逻辑扩展
基于Cyclone II FPGA具体实现时，ROM、 RAM和双端口RAM都是利用Quartus II软件中MegaWizard PlugIn Manager工具[2]例化相应的存储模块，而其他硬件逻辑的扩展都是以IP核（Verilog描述）的形式出现。
2.1 微处理器IP核改进
FreeARM7 IP核是微处理器的核心部分，不能直接作为微处理器使用，其原因是数据总线需要读取ROM内的数据、本文选择Philips公司32位ARM7微处理器LPC2101作为原型设计。LPC2101带有适当的存储资源，内嵌2 KB片内静态RAM和8 KB的Flash存储器，且软件可移植性好，工作可靠。参考LPC2101工作原理，当FreeARM7的输出信号ram_addr的最高4位为4'b0时，表示数据总线需要读取ROM的数据。为解决该问题，新增一个wrap文件lpc2101_arm.v完成该功能。它的作用是：当ram_addr[31:28]==4'b0时，该逻辑直接从rom_en、rom_addr、rom_data的接口中读取ROM数据，送入ram_rdata。
图2 USB设备控制器IP核结构
2.2 USB1.1设备控制器
本文选用的USB设备控制器是课题组早期项目之一，它是由Opencores网站[3]提供的初级开源版本改进而成，其结构如图2所示。IP核支持低速和全速模式，共有1个控制传输端点（EP0）、7个其他可配置端点，且缺少微处理器也能响应主机对设备的枚举。收发器电路主要完成模/数信号转换，即在OUT事物中将模拟信号D+和D-转换成串行接口引擎模块可识别的数字信号rxd、rxdp和rxdn，在IN事物中将数字信号txdp和txdn在使能信号txoe的控制下转换成模拟信号D+和D-；串行接口引擎模块主要完成收发包，根据传输方向可分为接收和发送，主要包括总线检测、同步检测、时钟恢复、不归零反向编码和解码、位填充及位去除、数据的串/并转换；协议层包括协议引擎态机、组包、解包、FIFO控制器；端点0控制器主要负责响应主机标准请求；描述符RAM存储了设备的各种描述符；其他端点控制器及FIFO提供了配置接口，目的是预留给开发者进行IP核移植。
2.3 代码下载控制逻辑
该逻辑主要功能是在代码下载模式下，将双端口RAM中的汇编程序转移到ROM中，其主要任务是产生读双端口RAM使能信号和地址信号，以及写ROM的使能信号和地址信号。在硬件逻辑中通过计数器实现。当系统复位或退出代码下载模式时，计数器rom_wr_cnt清零，否则当USB接收完一个包（64字节）后，置计数器使能信号cnt_vld有效，rom_wr_cnt开始计数。cnt_vld直接作为读双端口RAM的使能信号，cnt_vld两级缓存后作为写ROM的使能信号。同时，rom_wr_cnt的低8位直接作为读双端口RAM的地址信号，rom_wr_cnt计算结果经过两级缓存后作为写ROM的地址信号。当64字节转移完毕后，置cnt_vld无效，此时rom_wr_cnt锁存当前值，等待下一个包接收完毕后再次置cnt_vld有效，代码下载控制逻辑就将下一个包的数据追加到ROM中，反复进行就完成了代码经由USB接口下载至ROM中。
3 嵌入式代码的开发
3.1 μVision3.63环境设置
利用μVision3.63新建一个工程，选择器件类型为NXP(founded by Philips)系列的LPC2101，在默认工程环境的基础上做如下确认：
① 在“output”选项卡中选中“Create HEX File”，确保产生可供下载的机器码。
② 在“Target”选项卡中选择Code Generation为“ARMMode”，确保以ARM指令集为依据产生机器码。
③ 在“C/C++”和“Asm”选项卡中分别去选“Enable ARM/Thumb Interworking”，确保生成的代码只包含ARM指令。
3.2 Bootloader的设置
Bootloader启动一般分为两个阶段。第一阶段主要包含依赖于微处理器的体系结构硬件初始化的代码，设置堆栈并跳转到第二阶段的C程序入口点，通常采用汇编语言来实现。第二阶段通常用C语言完成[4]，以便实现更复杂的功能，也使程序有更好的可读性和可移植性。在μVision3.63软件自带的示例工程“Hello”中，通过下面3行代码实现了两个阶段的工作交接：
IMPORT__main
LDRR0, =__main
BXR0
由于本文讨论的微处理器只是在FreeARM7基础之上做了一些基本的扩展，微处理器的体系结构硬件单一，因此第一阶段主要是对堆栈位置和大小进行设置。对USB接口的初始化在第二阶段的C程序中进行，初始化程序如下：
#define USB_FLAG *(volatile unsigned char *) 0xe0000000
#define USB_CUR_ADDR *(volatile unsigned long *) 0xe0000004
#define USB_CUR_DATA *(volatile unsigned long *) 0xe0000008
void UsbSend (char *send){//写双端口RAM
int i;
USB_CUR_ADDR = 0;
for(i=0; i<64; i++){
USB_CUR_DATA = send;
USB_FLAG |= 0x01; //写使能有效
USB_CUR_ADDR++;
}
while(USB_FLAG & 0x03)
USB_FLAG &= 0xfa;//标志位、写使能清零
}
void UsbReceive (char *receive){//读双端口RAM
int i=0;
USB_CUR_ADDR = 0;
while (USB_FLAG & 0x02);{
receive[i++] = USB_CUR_DATA;
USB_CUR_ADDR++;
if(i==64) break;
}
USB_FLAG &=0xfd; //标志位清零
}
int main(){//主函数入口
……
USB_FLAG=0;
USB_CUR_ADDR=0;
USB_CUR_DATA=0;
……
}
4 微处理器的功能验证
在完成前面的工作之后，借助FPGA对微处理器进行了功能验证。选用Altera公司DE2开发板作为硬件逻辑的实现载体，微处理器IP核工作时钟为开发板上27 MHz晶振输入，USB控制器IP核工作时钟为27 MHz晶振倍频至48 MHz。功能验证流程如图3所示，在主机上利用μVision3.63编写、编译验证程序后，微处理器进入下载模式接收主机对设备的代码下载，之后进入用户模式接收主机端传送的验证程序参数值，在运行代码后将执行结果返回至主机，通过与主机软件模拟结果比较达到验证微处理器运行结果的目的。
图3 功能验证流程
4.1 验证程序开发
数据加密标准（DES）是著名的对称密钥分组密码，它由美国标准FIPS 462定义[5]。基于ARM7指令系统，DES的C语言实现难度不大，但它是对IP核工作能力的一次综合检验。将DES算法分解为密钥生成算法和加解密算法，对应验证程序中两个子函数，其最终的代码实现框架如下：
void DES_key(void *kval, void *key){
……
}
void DES(const void *i_blk, void *o_blk, void *key, char ed){
……
}
int main{
……
unsigned long kval[2]; //初始密钥
unsigned long in[2]; //明文
unsigned long out[2]; //密文
unsigned long key[32];//工作密钥
unsigned char temp[64];//USB收发临时变量
UsbReceive(temp);//接收明文和密钥
……//由temp向kval和in赋值
DES_key(kval, key); //初始密钥生成工作密钥
DES(in, out, key, e); //DES加密
……//由out向temp赋值
UsbSend(temp);//发送加密结果至主机
DES(out, in, key, d); //DES解密
……//由in向temp赋值
UsbSend(temp);//发送解密结果至主机
……
}
4.2 主机驱动与通信软件开发
Windows驱动程序模型（Windows Driver Model, WDM）旨在提供一种灵活的方式来简化各种驱动程序的开发，实现对新硬件的支持，降低驱动程序开发的复杂度。基于WDM采用Driver Studio开发USB驱动程序，会自动生成一个驱动程序框架，在此基础上添加读写管道即可完成驱动程序的开发[6]。
USB通信软件采用MFC编写，主要功能有：将.hex文件以十六进制的形式发送至USB；接收USB返回的数据，并以十六进制的形式显示。采用DES程序标准测试向量，其中初始密钥K=1A624C89520DEC46，明文P=748502CD38451097，密文C=DD0CFEB783CF3FDE，在通信软件中代码下载及验证数据的收发如图4所示。按照上述原理，还编写了其他若干验证程序并下载至ROM中，微控制器的执行结果均正确。
图4 代码下载及验证数据的收发 |
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