????半導體后封裝工藝中關鍵設備劃片機" title="劃片機">劃片機是通過主軸高速旋轉、y向精密分度定位、x向導軌高速運動、θ向多角度旋轉實現對多個芯片圖形劃分加工的設備?？捎糜诠杓呻娐?、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產品的硬件技術已經實現，但PC結構中仍存在諸多因素影響劃片機的實際使用，如硬盤可能出現的機械故障、風扇帶來的不穩定因素、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）應用于半導體設備的問題之一。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結構模式，主CPU為ARM處理器。精密劃片機控制主體由3個單元構成：監控管理單元、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測晶圓劃切過程；監控管理單元主要功能是監測設備運行、設置加工參數等；四軸運動控制單元是采用專用運動控制芯片，接收S3c2510傳遞的參數來直接控制電機完成運動控制。

????視覺采集系統基于的PCI總線具備32Bit數據總線，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需要，設計的核心板擴展2個PCI插槽。嵌入式設備需編寫PCI設備的驅動程序將現有的PCI設備應用到嵌入式主板中。

????劃片機的視覺采集系統由光學照明系統、CCD攝像器件、圖像處理軟件等部分構成，視覺系統構成見圖1。
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2?硬件電路設計

????根據PCI系統的總線拓撲結構設計了劃片圖像采集系統的硬件結構。其中的攝像頭，根據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" title="圖像采集模塊">圖像采集模塊。

????系統主處理器采用三星公司的S3C25lO，考慮到S3C2510內置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。系統框圖見圖2。

????芯片為ARM?940T內核，最高運行頻率可達200?MHz，芯片內置的SDRAM控制器、PCI控制器、USB控制器和10M/100M以太網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個內置倍頻率器，設置引腳 CLKMOD0、CLKMODl、CPU_?FREQl、BUS_?FREQ0為高；設置引腳CPUFREQ0、CPU_FREQ2、 BUS_FREQl、BUS_?FREQ2為低，使系統內核運行頻率為133MHz，PCI設備運行頻率為66?MHz，USB設備運行頻率為 48?MHz。圖3是S3C2510的PCI插槽圖。

????系統上電后，PCI插槽上圖像采集模塊將等待CCD攝像頭模擬信號的輸入，當圖像采集模塊得到模擬數據后便對模擬數據進行編碼，處理后的數據通過 S3C2510內部AHB總線傳輸到SDRAM，主控管理單元利用主板上嵌入式Linux系統中的視頻服務程序使用解碼播放器即可對晶圓監測劃切。

????S3C2510?ARM處理器，內部PCI（MINI-PCI）&PC?Card控制器符合PCI總線規范2.2版本，將S3C2510 的PCI（MINI-PCI）&PC?Card控制器設置為PCI?Host工作模式（見表1），具有32bit地址/數據復用總線，支持非線性傳輸和突發傳輸，最高數據傳輸速度可以達到264?MB/s及66?MHz（132?MB/s及33?MHz）。而且帶有地址變換機制，可以將內部的 PCI總線地址映射到內存或者外圍設備。在設計中設定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，能夠滿足數據的快速傳輸。系統利用時鐘反饋來彌補PCI的時鐘延遲。

????當PCI控制器工作在PCI?HOST、模式下時，其時鐘源是由系統內部提供的，S3C2510有3個PCI時鐘輸出信號 PCICLK1，PCICLK2和PCILK3，將PCI設備診斷寄存器PCIDIAG0的DC3位設置為l，即將PCICLK3設置為輸出無效，此時 PCICLK1與PCICLK3相連，通過PCICLK3將時鐘信號反饋給處理器內核，這樣可以使外部PCI設備與PCI時鐘保持一致，從而彌補時鐘延遲。

????系統以及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閉中斷，即設置PCIINTEN=0。然后設置PCI控制和狀態寄存器PCICON[ARB，ATS，SPL，IOP，MMP]，某些需要的情況下還要設置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置。然后要對與基地址有關的寄存器PCIBAM0～l和PCI-BATPA0～2進行設計，設置完之后要配置有關PCI重啟和時鐘的寄存器，其中關鍵的一步是設置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控制器偵測外圍設備并初始化外圍設備的寄存器時，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）使能外部設備" title="外部設備">外部設備并激活總線。
????以上配置都是在PCI圖像采集模塊的驅動中完成的，因為已經把驅動程序加載到了ARM?Linux的內核中，所以系統啟動之后，操作系統會自動配置PCI外部設備。

3?ARM?Linux移植和設備驅動" title="設備驅動">設備驅動實現

3．1?Boot?Loader的移植

????Boot?Loader是和硬件緊密連接的，系統是通過Boot?Loader。來調用操作系統內核并最終運行操作系統。本系統采用了U- Boot（Universal?Boot?Loader）作為。Boot?Loader，U-Boot相當于一個小型的Linux系統，其工作涉及到硬件系統的初始化、存儲空間分配等，在設計過程中主要完成了以下工作，相關的程序編寫根據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，主要包括中斷設置函數代碼interrupts9c，系統入口函數start.S，CPU相關代碼文件cpu.c以及串口初始化代碼相關文件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配置，大部分工作是參考S3C25l0的數據手冊來進行的；
（5）編寫flash.c文件，根據使用的AMD的NOR?Flash來編寫Flash的驅動，包括flash芯片的型號，打印信息，容量大小，flash擦除函數等；
（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。其大小是根據實際應用中SDRAM的大小來確定；
（7）修改串口參數文件serial.C。主要是設置串口波特率，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試。

3.2?ARM?Linux設備驅動編寫

????Linux的內核是由設備管理、進程管理、文件系統和內存管理一起組成，Linux設備驅動可以分為字符類設備，網絡接口類設備，塊類設備和其他非標準驅動。PCI設備被看作是字符型設備。每個PCI外設都由一個總線號、一個設備號和一個功能號來標示，共有3個訪問空間，即I/O" title="I/O">I/O端口、內存空間和配置寄存器。PCI配置空間由256個字節組成，且每個設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中的地址。

????添加系統的PCI設備驅動主要步驟：

（1）創建1個PCI設備，命令：mknod?pci_dev?c247?0，其中c表示字符設備，247表示主設備號，0代表次設備號。

（2）初始化外部設備，將函數pci_?dev_?init（）添加到ARMlinux/linux/drivers/chal/mem.c文件的 chr?_dev_?init（）中，chr?_dev?_init（）將在系統啟動時被調用，會完成設備驅動的初始化工作：

（3）設備驅動文件pci__dev.c的編寫。設備注冊接口函數，中斷處理函數等構成了PCI設備驅動主要代碼。即file_operationgs根據S3C2510的PCI配置寄存器所給定的基址來讀寫數據。PCI定義的I/O空間是32位地址空間，內存和I/O可使用相同的配置接口。

（4）PCI設備的加載。ARMlinux不支持設備驅動的動態加載，因此需要把驅動編譯到ARM?Linux內核中，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系統內核時以便對這個設備進行選擇。最后在目標系統的makefile中添加設備節點：pci?_dev，C，247，0這樣在配置Linux 內核時就可以選擇pci_dev?install，然后進行編譯，這樣PCI設備驅動就加載到了ARM?Linux系統中。

4?主控單元圖像采集編程

????內核針對數碼攝像頭等視頻設備提供V4L函數接口，V4L提供針對視頻設備進行基本的I/O操作的接口函數如：open、read、write、 close，中斷處理，內存映射及I/O通道的控制ioctl等，并定義在struct?file_operations數據結構體中。當應用程序對設備進行諸如open、read、Write、close等系統調用操作時，內核將通過file_operation結構訪問驅動程序提供的函數接口．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（）內存映射。read（）通過內存緩沖區來讀取數據；而mmap（）通過把設備內存映射到用戶進程地址空間中，繞過內核緩沖區，所以mmap（）方式加速I/O訪問。另外mmap（）系統調用使用進程間通過映射同一文件實現共享內存，各進程可像訪問普通內存一樣對文件訪問。訪問時只需要指針而不用調用文件操作函數．因此用mmap（）采集圖像。初始化函數（camera_pict_init，canera_mmap?_init．camera_get_mbuf和采集圖像函數（camera_grap- image）介紹如下：

5?結語

????高速實時圖像數據的處理和傳輸是劃片自動化的基礎和精度效率的重要保證?；谕獠吭O備互連PCI總線嵌入式視覺系統，選用了高性能的ARM處理器，嵌入可配置ARMLINUX操作系統，可高效的完成劃切要求。整個系統具有高可靠性，擴展能力強，避免傳統工控機的病毒、補丁、死機等不便利因素。