1 引言 半導(dǎo)體后封裝工藝中關(guān)鍵設(shè)備劃片機是通過主軸高速旋轉(zhuǎn)、y向精密分度定位、x向?qū)к壐咚龠\動、θ向多角度旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)對多個芯片圖形劃分加工的設(shè)備。可用于硅集成電路、SAW器件、Ga/As、鈮酸鋰、銻化鉍、厚膜電路、磷化銦等特種材料和脆硬材料晶片的劃切分片。 a鑒于在精密劃片機檢測系統(tǒng)的檢測速度和精度上的要求，需要分辨率較高的CCD攝像機對劃切圖像進行快速提取。PC-Based產(chǎn)品的硬件技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)，但PC結(jié)構(gòu)中仍存在諸多因素影響劃片機的實際使用，如硬盤可能出現(xiàn)的機械故障、風(fēng)扇帶來的不穩(wěn)定因素、抗震性能指標，抗干擾指標等等，這些因素依然是制約IPC（PC工控機）應(yīng)用于半導(dǎo)體設(shè)備的問題之一。通過引入嵌入式硬件方案解決了這個難題，同時也大大降低了成本。 基于嵌入式硬件平臺的精密劃片機硬件部分采用主從式雙CPU結(jié)構(gòu)模式，主CPU為ARM處理器。精密劃片機控制主體由3個單元構(gòu)成：監(jiān)控管理單元、四軸運動控制單元和劃片機視覺單元。劃片機視覺單元是通過對圖像實時采集來監(jiān)測晶圓劃切過程；監(jiān)控管理單元主要功能是監(jiān)測設(shè)備運行、設(shè)置加工參數(shù)等；四軸運動控制單元是采用專用運動控制芯片，接收S3c2510傳遞的參數(shù)來直接控制電機完成運動控制。 視覺采集系統(tǒng)基于的PCI總線具備32Bit數(shù)據(jù)總線，時鐘頻率可達66 MHz，最快傳輸速率達到264 MB/s，能夠滿足劃片機視覺系統(tǒng)需要，設(shè)計的核心板擴展2個PCI插槽。嵌入式設(shè)備需編寫PCI設(shè)備的驅(qū)動程序?qū)F(xiàn)有的PCI設(shè)備應(yīng)用到嵌入式主板中。 劃片機的視覺采集系統(tǒng)由光學(xué)照明系統(tǒng)、CCD攝像器件、圖像處理軟件等部分構(gòu)成，視覺系統(tǒng)構(gòu)成見圖1。 2 硬件電路設(shè)計 根據(jù)PCI系統(tǒng)的總線拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計了劃片圖像采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。其中的攝像頭，根據(jù)劃片機視覺的要求選用35萬像素的PCI接口的圖像采集模塊。 系統(tǒng)主處理器采用三星公司的S3C25lO，考慮到S3C2510內(nèi)置PCI控制器，擴展的2塊PCI接口可分別和四軸嵌入式運動控制芯片MCX314As和圖像采集模塊連接。系統(tǒng)框圖見圖2。 芯片為ARM 940T內(nèi)核，最高運行頻率可達200 MHz，芯片內(nèi)置的SDRAM控制器、PCI控制器、USB控制器和10M/100M以太網(wǎng)控制器等一系列接口控制器。滿足精密劃片機的實時控制要求，主板的外部時鐘源為10 MHz，通過S3C2510的4個內(nèi)置倍頻率器，設(shè)置引腳CLKMOD0、CLKMODl、CPU_ FREQl、BUS_ FREQ0為高；設(shè)置引腳CPUFREQ0、CPU_FREQ2、BUS_FREQl、BUS_ FREQ2為低，使系統(tǒng)內(nèi)核運行頻率為133MHz，PCI設(shè)備運行頻率為66 MHz，USB設(shè)備運行頻率為48 MHz。圖3是S3C2510的PCI插槽圖。 系統(tǒng)上電后，PCI插槽上圖像采集模塊將等待CCD攝像頭模擬信號的輸入，當(dāng)圖像采集模塊得到模擬數(shù)據(jù)后便對模擬數(shù)據(jù)進行編碼，處理后的數(shù)據(jù)通過S3C2510內(nèi)部AHB總線傳輸?shù)絊DRAM，主控管理單元利用主板上嵌入式Linux系統(tǒng)中的視頻服務(wù)程序使用解碼播放器即可對晶圓監(jiān)測劃切。 S3C2510 ARM處理器，內(nèi)部PCI（MINI-PCI）&PC Card控制器符合PCI總線規(guī)范2.2版本，將S3C2510的PCI（MINI-PCI）&PC Card控制器設(shè)置為PCI Host工作模式（見表1），具有32bit地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線，支持非線性傳輸和突發(fā)傳輸，最高數(shù)據(jù)傳輸速度可以達到264 MB/s及66 MHz（132 MB/s及33 MHz）。而且?guī)в械刂纷儞Q機制，可以將內(nèi)部的PCI總線地址映射到內(nèi)存或者外圍設(shè)備。在設(shè)計中設(shè)定PCI總線的時鐘頻率為66 MHz，因此主板上PCI總線的最高傳輸速度可以達到264 MB/s，能夠滿足數(shù)據(jù)的快速傳輸。系統(tǒng)利用時鐘反饋來彌補PCI的時鐘延遲。 當(dāng)PCI控制器工作在PCI HOST、模式下時，其時鐘源是由系統(tǒng)內(nèi)部提供的，S3C2510有3個PCI時鐘輸出信號PCICLK1，PCICLK2和PCILK3，將PCI設(shè)備診斷寄存器PCIDIAG0的DC3位設(shè)置為l，即將PCICLK3設(shè)置為輸出無效，此時PCICLK1與PCICLK3相連，通過PCICLK3將時鐘信號反饋給處理器內(nèi)核，這樣可以使外部PCI設(shè)備與PCI時鐘保持一致，從而彌補時鐘延遲。 系統(tǒng)以及PCI控制器的啟動順序如圖4所示。其中在對PCI控制器的特殊功能寄存器進行配置時需要首先關(guān)閉中斷，即設(shè)置PCIINTEN=0。然后設(shè)置PCI控制和狀態(tài)寄存器PCICON[ARB，ATS，SPL，IOP，MMP]，某些需要的情況下還要設(shè)置PCI診斷寄存器，這個寄存器是針對測試功能的，在PCMCIA Host工作模式下不需要進行設(shè)置。然后要對與基地址有關(guān)的寄存器PCIBAM0～l和PCI-BATPA0～2進行設(shè)計，設(shè)置完之后要配置有關(guān)PCI重啟和時鐘的寄存器，其中關(guān)鍵的一步是設(shè)置PCI重啟和時鐘寄存器PCIRCC[MSK]=0，這是為了防止重啟信號和時鐘信號的沖突。 在PCI控制器偵測外圍設(shè)備并初始化外圍設(shè)備的寄存器時，需要完成以下工作： （1）讀取所有的配置寄存器值，包括PCIHID，PCIHSC，PCIHSSID等； （2）檢查BAR（Backup Address Register）的范圍并一一分配空間； （3）使能外部設(shè)備并激活總線。 以上配置都是在PCI圖像采集模塊的驅(qū)動中完成的，因為已經(jīng)把驅(qū)動程序加載到了ARM Linux的內(nèi)核中，所以系統(tǒng)啟動之后，操作系統(tǒng)會自動配置PCI外部設(shè)備。 3 ARM Linux移植和設(shè)備驅(qū)動實現(xiàn) 3．1 Boot Loader的移植 Boot Loader是和硬件緊密連接的，系統(tǒng)是通過Boot Loader。來調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核并最終運行操作系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用了U-Boot（Universal Boot Loader）作為。Boot Loader，U-Boot相當(dāng)于一個小型的Linux系統(tǒng)，其工作涉及到硬件系統(tǒng)的初始化、存儲空間分配等，在設(shè)計過程中主要完成了以下工作，相關(guān)的程序編寫根據(jù)U-Boot提供的例程來完成： （1）修改Makefile配置文件，添加針對目標板的編譯命令行； （2）在CPU目錄下建立arm940t目錄，主要包括中斷設(shè)置函數(shù)代碼interrupts9c，系統(tǒng)入口函數(shù)start.S，CPU相關(guān)代碼文件cpu.c以及串口初始化代碼相關(guān)文件serial.c等； （3）在Board目錄下建立S3C2510目錄，主要包括FLASH初始化代碼flash.c，連接器文件u-boot.1ds，內(nèi)存分配代碼memsetup.S等； （4）編寫配置文件，即：include/configs/s3c25 l0.h，對寄存器的定義等系統(tǒng)配置，大部分工作是參考S3C25l0的數(shù)據(jù)手冊來進行的； （5）編寫flash.c文件，根據(jù)使用的AMD的NOR Flash來編寫Flash的驅(qū)動，包括flash芯片的型號，打印信息，容量大小，flash擦除函數(shù)等； （6）修改SDRAM的大小，修改配置文件in-clude/configs/s3c25 10.h 中 的 #define PHYS _SDRAM_ SIZE值。其大小是根據(jù)實際應(yīng)用中SDRAM的大小來確定； （7）修改串口參數(shù)文件serial.C。主要是設(shè)置串口波特率，波特率計算公式為：RUBRDIVO=（（int）（MCLK/16．/（gd_>baudrate）+0.5）-1）； （8）修改start.S文件，一個可執(zhí)行的Image必須有一個入口點并且只能有一個唯一的全局入口，修改start.S中的．globl _start _start：使其放在Rom（flash）的0×0地址。編譯U-Boot，通過Jtag口下載到目標板進行調(diào)試。 3.2 ARM Linux設(shè)備驅(qū)動編寫 Linux的內(nèi)核是由設(shè)備管理、進程管理、文件系統(tǒng)和內(nèi)存管理一起組成，Linux設(shè)備驅(qū)動可以分為字符類設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)接口類設(shè)備，塊類設(shè)備和其他非標準驅(qū)動。PCI設(shè)備被看作是字符型設(shè)備。每個PCI外設(shè)都由一個總線號、一個設(shè)備號和一個功能號來標示，共有3個訪問空間，即I/O端口、內(nèi)存空間和配置寄存器。PCI配置空間由256個字節(jié)組成，且每個設(shè)備功能都有一個配置空間，用于決定PCI器件的工作方式和映射到系統(tǒng)中的地址。 添加系統(tǒng)的PCI設(shè)備驅(qū)動主要步驟： （1）創(chuàng)建1個PCI設(shè)備，命令：mknod pci_dev c247 0，其中c表示字符設(shè)備，247表示主設(shè)備號，0代表次設(shè)備號。 （2）初始化外部設(shè)備，將函數(shù)pci_ dev_ init（）添加到ARMlinux/linux/drivers/chal/mem.c文件的chr _dev_ init（）中，chr _dev _init（）將在系統(tǒng)啟動時被調(diào)用，會完成設(shè)備驅(qū)動的初始化工作： （3）設(shè)備驅(qū)動文件pci__dev.c的編寫。設(shè)備注冊接口函數(shù)，中斷處理函數(shù)等構(gòu)成了PCI設(shè)備驅(qū)動主要代碼。即file_operationgs根據(jù)S3C2510的PCI配置寄存器所給定的基址來讀寫數(shù)據(jù)。PCI定義的I/O空間是32位地址空間，內(nèi)存和I/O可使用相同的配置接口。 （4）PCI設(shè)備的加載。ARMlinux不支持設(shè)備驅(qū)動的動態(tài)加載，因此需要把驅(qū)動編譯到ARM Linux內(nèi)核中，首先需修改makefile文件，添加下行：obj_$（CONFIG_ PCI_ DEV）+=pci _dev.o接著修改config.in， 添 加 ：bool＇pci _dev install＇CONFIGPCI DEV，添加這行的目的是為了在配置目標板Linux系統(tǒng)內(nèi)核時以便對這個設(shè)備進行選擇。最后在目標系統(tǒng)的makefile中添加設(shè)備節(jié)點：pci _dev，C，247，0這樣在配置Linux內(nèi)核時就可以選擇pci_dev install，然后進行編譯，這樣PCI設(shè)備驅(qū)動就加載到了ARM Linux系統(tǒng)中。 4 主控單元圖像采集編程 內(nèi)核針對數(shù)碼攝像頭等視頻設(shè)備提供V4L函數(shù)接口，V4L提供針對視頻設(shè)備進行基本的I/O操作的接口函數(shù)如：open、read、write、close，中斷處理，內(nèi)存映射及I/O通道的控制ioctl等，并定義在struct file_operations數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體中。當(dāng)應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備進行諸如open、read、Write、close等系統(tǒng)調(diào)用操作時，內(nèi)核將通過file_operation結(jié)構(gòu)訪問驅(qū)動程序提供的函數(shù)接口．具體的采集程序如下： PCI接口視頻采集流程如圖5所示。 V4L為視頻采集圖像提供兩種方案①：read（）直接讀取，②：mmap（）內(nèi)存映射。read（）通過內(nèi)存緩沖區(qū)來讀取數(shù)據(jù)；而mmap（）通過把設(shè)備內(nèi)存映射到用戶進程地址空間中，繞過內(nèi)核緩沖區(qū)，所以mmap（）方式加速I/O訪問。另外mmap（）系統(tǒng)調(diào)用使用進程間通過映射同一文件實現(xiàn)共享內(nèi)存，各進程可像訪問普通內(nèi)存一樣對文件訪問。訪問時只需要指針而不用調(diào)用文件操作函數(shù)．因此用mmap（）采集圖像。初始化函數(shù)（camera_pict_init，canera_mmap _init．camera_get_mbuf和采集圖像函數(shù)（camera_grap-image）介紹如下： 5 結(jié)語 高速實時圖像數(shù)據(jù)的處理和傳輸是劃片自動化的基礎(chǔ)和精度效率的重要保證?；谕獠吭O(shè)備互連PCI總線嵌入式視覺系統(tǒng)，選用了高性能的ARM處理器，嵌入可配置ARMLINUX操作系統(tǒng)，可高效的完成劃切要求。整個系統(tǒng)具有高可靠性，擴展能力強，避免傳統(tǒng)工控機的病毒、補丁、死機等不便利因素。