基于arm的嵌入式系統應用開發(完整版)

　　

【正文】 比較容易購買。 除此以外 ,ARM微處理器及技術還應用到許多不同的領域 ,并會在將來取得更加廣泛的應用。 3. ARM的處理器模式 ARM處理器支持 7種運行模式，有如下幾種： (1) 用戶模式 (usr)： ARM處理器正常的程序執行狀態 (2) 快速中斷模式 (fiq)：用于高速數據傳輸或通道處理 (3) 外部中斷模式 (irq)：用于通用的中斷處理 (4) 管理模式 (svc)：操作系統使用的保護模式 (5) 數據訪問終止模 式 (abt)：當數據或指令預取終止時進入該模式，可用于虛擬存儲及存儲保護。這樣，處理器在執行指令時，必須先從存儲器中取出指令進行譯碼，再取操作數執行運算。通常來說前兩三年大部分手機基帶部分的應用處理器基本上都以 ARM7 為主。又由于程序和數據存儲器在兩個分開的物理空間中，因而取指和執行能完全重疊。目前主流的 ARM9 內核是 ARM920T、 ARM922T、ARM940。其系統時鐘高達 300MHz 時鐘，指令 Cache 和數據 Cache 分別為 32KB，數據寬度為 64 位，能夠支持多種商用操作系統，適用于下一代高性能手持式因特網設備及數字式消費類應用。目前市場上的大部分智能手機的核心處理器就是 XScale 系列處理器。 (5) 兩個帶有握手協議的 UART,1 個 SIO (6) 1 個多主的 IIC 總線控制器 (7) 1 個 IIS 總線控制器 (8) 5 個 pwm 定時器及 1 個內部定時器 (9) 看門狗定時器 (10) 71 個通用控制器可編程 I/O 口， 8 個外部中斷源 (11) 功耗控制模式：正常、低、休眠和停止 (12) 8 路 10bitADC (13) 具有日歷功能的 RTC (14) PLL 時鐘發生器。由于一般通用計算機擁有非常豐富的系統資源、使用方便的集成開發環境和調試工具等，而嵌入式系統的資源非常緊缺，沒有相關的編譯工具，因此，嵌入式系統的開發需要借助宿主機來編譯出目標機的可執行代碼。 (1) 調試器和被調試進程運行在不同的機器上，調試器運行在 PC 機上或者工作站上，而被調試的進程則 運行在各種專業調試板上。 JTAG 是 JIONT TEST ACTION GROUP 的簡稱， JTAG 標準就是由該組織最初提出源程序 目標模塊 可供調試或固化的可執行程序 庫文件 編輯器 交叉編譯器 交叉鏈接器 湖南工程學院畢業設計 (論文 ) 21 JTAG 小板 調試器 的 IEEE 標準，最終由 IEEE 批準并且標準化，主要用于芯片內部的測試及對系統進行仿真、調試。 當芯片處于調試狀態的時候，這些邊界掃面寄存器將芯片和外圍的輸入輸出設備隔離。其原理圖如圖 所示： 目標機 宿主機 圖 JTAG 調試原理圖 Windows 開發平臺 ADS 概述 在 Windows 下主要使用 ADS 來編寫各種程序，然后結合 JTAG 調試工具、網絡下載工具 TFTP 和 Flash 燒寫工具進行調試和下載。很多 ARM 開發軟件（例如 Keil）也是借用的 ADS 的編譯器。因此，在嵌入式世界中建立一個 通用的 Bootloader 幾乎是不可能的。 3． Bootloader 的啟動過程分為單階段和多階段 通常多階段的 Bootloader 能提供更為復雜的功能，以及更好的可移植性。工作于這種模式下的 Bootloader 通常都會向它的終端用戶提供一個簡單的命令行接 口。這種模式是嵌入式產品發布的通用模式。除了依賴于 CPU 的體系結構， Bootloader 實際也依賴于具體的嵌入式板級設備的配置。超級終端的配置如圖 所示。 ADS 包括三種調試器 ARMeXtended Debugger， AXD 向下兼容的 ARMDebugger for Windows/ARM Debugger forUNIX 和 ARM 符號調試器。這樣，邊界掃描寄存器 便提供了一個便捷的方式用以觀測和控制所需要調試的芯片。因而，是開發調試嵌入式系統的一種簡潔而高效的手段。也可能是某些專門的調試軟件。在常見軟件開發過程中，調試器與被調試的程序往往運行在同一臺計算機上，調試器是一個單獨運行的進程，它通過操作系統提供的調試接口來控制被調 試的進程。編譯的主要工作就是在將程序轉化成運行該程序的 CPU 所能識別的機器代碼。 ARM7 開發板詳細介紹 本文所使用的是三星公司的 S3C44BOX 型號的開發板，其中集成了 ARM7TDM1湖南工程學院畢業設計 (論文 ) 17 核，采用 工藝制造，并在 ARM7TDM1 核基本功能的基礎上集成了豐富的外圍功能模塊，便于低成本設計嵌入式應用系統。采用軟內核技術，以提供最大限度的靈活性，以及防止外部對其進行掃描探測，提供面向智能卡的和低成本的存儲保護單元 MPU，可以靈活地集成用戶自己的安全特性和其他的協處理器，目前含有 SC100、 SC1 SC200、SC210 4 種產品。 3. ARM10E 處理器 ARM10E 處理器采用 ARMVST 體系結構，可以分為六級流水處理，采用指令與數據分離的 Cache 結構，平均功耗 1000mW，時鐘速度為 300MHz，每條指令平均執行 個時鐘周期。 ARM9 處理器同時也配備 Thumb 指令擴展、調試和 Harvard 總線。其主要特點是程序和數據存儲在不同的存儲空間中，即程序存儲器和數據存儲器。同時，它還利用嵌入式 ICE 調試技術來簡化系統設計，并用一個 DSP 增強擴展來改進性能。以下將對各個系列的 ARM 處理器作簡要介紹。 (1) 第一種為 ARM的狀態，此時處理器執行 32位的字對齊的 ARM指令。 (2) 無線通訊領域 :目前已有超過 85% 的無線通訊設備采用了 ARM技術。 S：表示可綜合的軟核 softcore。 D：表示支持 Debug，說明該內核中放置了用于調試的結構，通常它為一個邊界掃描鏈 JTAG，可使 CPU 進入調試模式，從而方便地進行斷點設置、單步調試。現在用得比較多的如 TI 公司的 OMAP，達芬奇系列大部分是含有 ARM+DSP 雙核處理器的產品。 (7) 固化代碼 。而且很多的嵌入式操作系統還支持 POSIX 規范，如 Nucleus、Vxworks、 OSE、 RTlinux 等，這樣在 Linux 或 Unix 上編寫的應用程序可直接移植到目標板上。 嵌入式操作系統除具備一般操作系統最基本的功能，如任務調度、 同步機制、中斷處理、文件處理等外，還有下面幾個特點 ： (1) 可裁剪 。 嵌入式操作系統從嵌入式 發展的第 3 階段開始引入的。 (6) 嵌入 式系統 本身不具備自舉開發能力，即使設計完成以后用戶通常也是不能對其中的程序功能進行修改的，必須有一套開發工具和環境才能進行開發。軟件部分包括操作系統軟件 (需要實時和多任務操作 )和應用程式編程。最后對本文做出總結。這方面的要求使得嵌入式軟件設計者要在圖形界面，多媒體技術上痛下苦功。傳統的單片機對于網絡支持不足，而新一代的嵌入式處理器已經開始內嵌網絡接口，除了支持 TCP／ IP 協議，還有的支持 IEEE139 USB、CAN、 Bluetooth 或 IrDA 通信接口中的一種或者幾種，同時也需要提供相應的通信組網協議軟件和物理層驅動軟件。目前很多廠商已經充分考慮到這一點，在主推系統的同時，將開發環境也作為重點推廣。 今天嵌入式系統帶來的工業年產值已超過了 1 萬億美元， 1997 年來自美國嵌入式系統大會 (Embedded System Conference)的報告指出，未來 5 年僅基于嵌入式計算機系統的全數字電視產品，就將在美國產生一個每年 1500 億美元的新市場。而且巨大的市場需求給我們提供了學習研發的資金和技 術力量。由于嵌入式設備具有自然的人機交互界面， GUI 屏幕為中心的多媒體界面給人很大的親和力。 進入 20 世紀 90 年代，嵌入式技術全面展開，目前已成為通信和消費類產品的共同發展方向。 90 年代以后，隨著對實時性要求的提高，軟件規模不斷上升，實時核逐漸發展為實時多任務操作系統（ RTOS），并作為一種軟件平臺逐步成為目前國際嵌入式系統的主流。 最早的單片機是 Intel 公司的 8048， 它出現在 1976年。而嵌入式開發系統的啟動引導技術是 嵌入式 系統開發的一個難點。嵌入式系統主要由硬件和軟件組成，而且軟件與硬件是緊密集成在一起。 本文 對 嵌入式系統的特點和工作 原理進行 研究，介紹了 ARM 的體系結構， 研究和開發 Linux 操作系統內核程序， 進行交叉編譯和交叉調試， 建立交叉開發環境 , 實現嵌入式 uClinux 系統內核編譯和移植 ，通過應用程序的設計實例，梳理了基于 ARM 的嵌入式系統板級設計的原理和關鍵技術。本文闡述的原理和方法對于各種嵌入式系統的開發和應用具有通用性。硬件以嵌入式處理器為核心，集成存儲器和系統專有的輸入 /輸出設備；軟件包括初始化代碼及驅動、嵌入式操作系統及應用程序等組成。系統啟動引導的成功與否決定了應用程序的運行環境是否能正確構建，即系統啟動成功是應用正確運行的前提。 Motorola同時推出了 68HC05，Zilog 公司推出了 Z80 系列，這些早期的單片機均含有 256 字節的 RAM、 4K 的 ROM、4 個 8 位并口、 1 個全雙工串行口、兩個 16 位定時器。這時候更多的公司看到了嵌入式系統的廣闊發展前景，開始大力發展自己的嵌入式操作系統。在通信領域，數字技術正在全面取代模擬技術。手寫文字輸入、語音撥號上網、收發電子郵件以及彩色圖形、圖像已取得初步成效。 從軟件方面講，也有相當部分的成熟軟件系統。美國汽車大王福特基于 ARM 的嵌入式系統應用開發 6 公司的高級經理也曾宣稱， “福特出售的 ?計算能力 ?已超過了 IBM”，由此可以想見嵌入式計算機工業的規模和廣 度。比如三星在推廣ARM7， ARM9 芯片的同時還提供開發板和版及支持包（ BSP）， 而 WindowCE 在主推系統時也提供 Embedded VC＋＋作為開發工具，還有 Vxworks 的 Tonado 開發環境，DeltaOS 的 Limda 編譯環境等等都是這一趨勢的典型體現。軟件方面系統系統內核支持網絡模塊，甚至可以在設備上嵌入 Web 瀏覽器，真正實現隨時隨地用各種設備上網。手寫文字輸入、語音撥號上網、收發電子郵件以及彩色圖形、圖像都會使使用者獲得自由的感受。 基于 ARM 的嵌入式系統應用開發 8 第 2 章 嵌入式系統簡介 嵌入式系統概述 嵌入式系統一般指非 PC 系統，有電腦功能但又不稱之為電腦的設備或器材。應用程式控制著系統的運作和行為；而操作系統控制著應用程式編程和硬件的交互作用。 嵌入式系統的體系結構 嵌入式系統作為一類特殊的計算機系統，一般包括以下 3 個方面：硬件設備、嵌入式操作系統和應用軟件。嵌入式操作系統不僅具有通用操作系統的一般功能，如向上提供對用戶的接口，向下提供與硬件設備交互的接口，管理復雜的系統資源，同時，它還在系統實時性、硬件依賴性、軟件固化性以及應用專用性等方面，具有鮮明的特點。 嵌入式操作系統可以根據產品的需求進行裁剪。 (4) 操作方便、簡單、提供友好的圖形用戶界面 GUI。 在嵌入式系統中，嵌入式操作系統和應用軟件被固化在嵌入式系統的 ROM 中。 Actel 公司的帶 M7 標識的 ProASIC3E 系列芯片則是 FPGA+ARM7 的 SOC 系統芯片。 M：表示 Multiplier，說明處理器內部帶有 8 位乘法器。 ARM 處理器的特點及應用領域 ARM 處理器的特點 ARM處理器具有如下特點： (1) 處理速度快 : A R M 是 R I S C 結構的處理器。 (3) 網絡應用 :隨著寬帶技術的推廣 ,采用 ARM技術的 A D S L 芯片正逐步獲得競爭優勢。 (2) 第二種為 Thumb狀態，此時處理器執行 16位的、半字對齊的 Thumb指令。 1. ARM7 處理器 ARM7 處理器采用了 ARMV4T（馮 ARM7 體系結構是小型、快速、低能耗、集成式的 RISC 內核結構。它們是兩個相互獨立的存儲器，每個存儲器獨立編址、獨立訪問。在生產工藝相同的情況下，性能是 ARM7TDMI 處理器的兩倍之多。 ARM10TDMI 與所有 ARM 核在二進制級代碼中兼容，內帶高速 3216 MAC，預留 DSP 協處理器接口。 5. StrongARM 處理器 StrongARM 處理器采用 ARMV4T 的五級流水體系結構。 ARM7 開發板的實物圖如圖 所示： 圖 ARM7 開發板實物圖 片上集成的功能 片上集成的主要功能如下： (1) 在 ARM7TDM1 的基礎上增加了 8KB 的 Cache。由于不同的體系結構有不同的不同的指令系統，因此，不同的 CPU需要有相應的編譯器，而交叉編譯就如同編譯一樣，把相同