1．引言
        PC/104 是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线，1992 年被IEEE 协会定义为 IEEE-P996.1，其信号定义和ISA 总线一致，但电气规范和机械规范却完全不同， 是一种 优化的小型、堆栈式结构的嵌入式总线标准。与ISA 相比，PC/104 具有小尺寸结构（96 mm ×90 mm）、堆栈式连接、较低的总线驱动电流一些独特的功能。
        PC/104 凭借紧凑的外形，成熟的标准体系结构，高可靠性，大量应用于工业设备、仪 器、医疗设备、通信设备等嵌入式应用场合，而这些应用场合既需要软硬件环境，又要求模 块化、标准化、小型化和低功耗，而本文设计的以ARM 处理器和Linux 操作系统相结合 的嵌入式系统恰恰具有这些特点，与传统X86 系列处理器模块相比，硬件方面采用ARM 处 理器，具有低成本、低功耗、散热小等特点。软件方面采用嵌入式Linux 操作系统，具有开 发周期短、通用性强等特点。
        2．PC/104 处理器模块设计
        2.1 ARM 处理器的特点
        ARM(Advanced RISC Machines)处理器是一种低功耗高性能32 位RISC 处理器，本设计 的处理器就是采用ARM9 系列处理器。该系列处理器是目前主流的嵌入式处理器，主要包 括ARM9TDMI 和ARM9E-S 等系列。采用5 级流水线，指令执行效率较ARM7 有较大提高， 而且带有MMU 功能，这也是与ARM7 的重要区别。同时，该系列的处理器支持指令Cache 和数据Cache，因而具有更高的数据处理能力。
        2.2 系统设计
        目前典型的 ARM9 处理器中，AT91RM9200 具有更高性价比的特点，可以为智能控制 领域嵌入式系统提供优秀的解决方案。而PC/104 的小尺寸结构，需要根据应用场合对处理 器模块上的AT91RM9200 处理器资源进行取舍，也可以通过PC/104 总线进行扩展模块的设 计。鉴于对通常的工业现场需求的考虑，系统结构框图如图1 所示。

        其中，SDRAM 采用两片HY57V561620T、NorFlash 采用一片AM29LV320DB，NAND FLASH 采用一片K9F1208。其余的外设接口有：1 个10/100M 以太网接口，1 个USB Host， 2 个RS232 接口、实时时钟、1 个JTAG 调试接口。
        2.3 PC/104 总线信号
        PC/104 总线按其引脚功能可分为四类信号：
        (1)地址和数据信号：20 位地址总线A[19:0]，16 位数据总线D[15:0]，地址使能信号AEN。
        (2)周期控制信号：存储器读信号MEMR#，存储器写信号MEMW#，系统存储器读信号 SMEMR#，系统存储器写信号SMEMW#，IO 读信号IOR#，IO 写信号IOW#，IO 通道就绪 信号IOCHRDY。
        (3)总线控制信号：复位信号RESET，系统总线时钟信号BCLK，时钟信号OSC。
        (4)中断信号：中断信号IRQ2～7，IRQ10～15。
        2.4 PC/104 总线接口电路设计
        分析上述信号和AT91RM9200 处理器的特点后，选用CPLD 来实现PC/104 总线和 AT91RM9200 之间的逻辑电路。系统的结构框图如图2 所示。

        (1) 存储器和IO 读写信号的产生
        将 AT91RM9200 的NCS6、NCS7 分别划分为PC/104 总线上的存储器空间和IO 空间， 通过CPLD 实现片选信号和AT91RM9200 读写信号(NRD、NWR0)的或逻辑来分别产生存储 器读写信号(MEMR#、MEMW#)和IO 的读写信号(IOR#、IOW#)。当寻址空间大于1MB 时， 系统存储器读写信号有效，将AT91RM9200 的高位地址线A20 与上述存储器读写信号相或 即可产生SMEMR#、SMEMW#。
        (2) 地址使能信号AEN 的产生
        对于 AT91RM9200 来说，访问PC/104 存储器空间和IO 空间时，片选信号NCS6、NCS7 有效，所以通过CPLD 对NCS6 和NCS7 两个片选信号的进行相与逻辑后产生的信号即能达 到地址使能信号AEN 的功能。
        (3) 复位信号RESET 的产生
        PC/104 总线的复位信号RESET 是高电平有效，所以需要将AT91RM9200 的复位信号 取反后得到控制工程网版权所有，该取反逻辑在CPLD 中实现。
        (4) 系统总线时钟信号BCLK 和时钟信号OSC 的产生
        PC/104 总线时钟信号BCLK 的频率6MHz-8MHz，而AT91RM9200 有四个可编程时钟 输出PCK0-PCK3，每个输出信号可由1 到64 间2 的幂次进行分频，这完全可以满足频率的 要求。对于频率为14.31818MHz 的时钟信号OSC 可使用有源晶体振荡器产生，也可使用 CPLD 分频得到。
        (5) 中断信号的产生
        AT91RM9200 具有32 个独立可屏蔽向量中断源，其中中断源0 定义为FIQ，中断源1 定义为系统中断，中断源2 到31 可与内置的用户外设或外部中断线连接，所以将PC/104 总线的中断信号分配到中断源2 到31 上，当有中断产生时，最终通过GPIO 的状态来判断 中断源的位置。
        (6) 3.3V 和5V 的电平转换电路
        PC/104 总线信号的逻辑高、低电平都与对应的ISA 信号一致，即5V 电平标准，而 AT91RM9200 正常工作电压是3.3V，为了使其完全兼容PC/104 总线电平标准，必须进行电 平转换。系统采用3.3V/5V 转换芯片74LVC164245，该芯片为16 位总线宽度www.cechina.cn，可正常工作 在3.3V 和5V 两种电压下，这样地址总线、数据总线和控制总线经过转换电路后即可满足 PC/104 总线的电平标准。
        3．LINUX 操作系统的移植
        嵌入式 linux 系统包含引导程序(Bootloader)、内核(由内存管理、进程管理和事务处理 构成)以及初始化进程。作为本系统的应用场合还应该包括根文件系统，TCP/IP 网络支持， 必要的工具和驱动程序等。下面从嵌入式linux 系统的各个组成部分出发，分别讲述移植过 程。
        3.1 U-Boot 构建系统的引导装载程序
        U-Boot 作为通用的Bootloader 可以方便移植到其它硬件平台上，最新版的源代码可以 在Sourcefoge 网站上下载。由于U-Boot 支持AT91RM9200 处理器，只需对相应的文件修改 使U-Boot 支持本系统即可。下面简要介绍一下U-Boot 1.1.4 修改过程：
        (1) flash.h 文件定义了所有的flash 的属性，如果没有系统使用的flash 型号，需要在此 文件中添加flash 的属性。
        (2) 修改编译入口地址TEXT_BASE 使其在系统RAM 寻址空间中。
        (3) 修改at91rm9200dk.h 文件中FLASH 和SDRAM 大小为系统存储空间大小。
        (4) 修改flash.c 文件中读写flash 的函数使其能烧写系统使用的flash 型号。
        3.2 Linux 2.6 内核配置和编译
        Linux 2.6 相对以前的Linux 内核在很多方面有重大的改进CONTROL ENGINEERING China版权所有，尤其是在内核的可配置性 和实时性方面的改进，支持更多的微处理器，更好的内核互动性以及响应性，驱动模式的改 变，sys 文件系统的引入等。所以本设计选用稳定的Linux 2.6.15 内核版本。
        内核配置过程如下：首先在系统类型(system type)下选择处理器的类型，文件系统(File system)配置选中要用到的文件类型以及自动加载选项，在块设备(Block devices)中支持随后 建立的RAM disk 文件系统，设置initrd 参数为文件系统映像的起始地址，以便在启动的时 候内核通过此参数可以正确地加载RAM disk 文件系统。在字符设备(Character devices)中选 中支持AT91RM9200 串口和虚拟终端选项。建立交叉编译环境建立好之后，修改内核主目 录下Makefile 文件中ARCH 和CROSS_COMPILE，在PATH 环境变量中添加交叉编译器路 径，运行make bzImage 命令编译内核为压缩方式，并将内核的镜像下载到nor flash 中就可 以通过U-Boot 引导。
        3.3 驱动程序的开发
        驱动程序作为系统内核的一部分，它工作在内核态，而应用程序工作在用户态。也就是 不能直接通过指针，把用户空间的数据地址传递给内核。限于篇幅有限，只介绍在应用程序 完成对PC/104 总线空间的访问方法：可以通过copy_from_user，copy_to_user 等函数完成应 用程序与驱动程序之间的传递数据；也可以通过remap_page_range 函数将物理地址直接映 射到用户空间，应用程序对该用户空间的地址访问相当于直接对物理地址的访问。相比较而 言，后者比前者的读写速度快，本系统的PC/104 总线的驱动程序就是采用这种方法。
        3.4 用BusyBox 建立RAMdisk 根文件系统
        BusyBox 是一个很成功的开源软件，它集成了一百多个最常用的Linux（如cp, sh, ls, init, gzip 等）和工具软件，甚至集成了一个http 服务器和一个telnet 服务器，并且支持Glibc 和 uGlibc，用户可以非常方便地在BusyBox 中定制所需的应用程序。几乎所有的嵌入式Linux 都使用BusyBox 作为工具。
        RAM disk 是存在于RAM 中并且功能犹如块设备，由于其上的内容断电不保护，所以 RAM disk 通常会从经压缩的磁盘文件系统(例如ext2)加载其内容。具体的创建过程如下： 为根文件系统建立一个空的文件系统映像并对其初始化，建立文件系统并且安装它，将根文 件系统复制到RAM disk 后卸载它，使用gzip 命令压缩文件系统产生一个经压缩的RAM disk。
        4．结束语
        本文给出了一种基于 ARM9 处理器的PC/104 总线解决方案，硬件采用以ATMEL 公司 的AT91RM9200 为核心的处理器模块很好地实现了PC/104 总线接口，软件上完成了Linux 操作系统的移植。该方案完全符合PC/104 规范，充分体现了模块化、标准化、小型化和低 功耗等特性，与传统X86 为核心的PC/104 模块相比，突出的特点是低成本、散热小和灵活 性好。目前该模块在智能控制预测工程应用中运行稳定，可以完全取代传统的PC/104 处理
        器模块，并且经过进一步的模块扩展即可以完成特殊场合的定制需要。
        本文作者创新点：本文给出了一种以ARM9 为核心的PC/104 处理器模块完整解决方案， 为其他的应用PC104 处理器的场合提供了可选方案。
        参考文献：
        [1] PC/104 Specification [M]. Version 2.5. PC/104 Embedded Consortium, November 2003
        [2] AT91RM9200 datasheet[M ]. Atmel Corporation, 2005.
        [3] Alessandro Rubini. Linux 设备驱动程序[M ]. 第2 版. 北京:中国电力出版社,2003.
        [4] 喻强www.cechina.cn,戴晓明,徐峥.基于Intel815E 芯片组的PCI-104CPU 模块设计[J].微计算机信 息,2006CONTROL ENGINEERING China版权所有,14: 35-36