基于arm的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計碩士學(xué)位論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 嵌入式微控制器又稱單片機， 從 20 世紀 70 年代就出現(xiàn)到今天 。 嵌入式微控制 器一般以某一種 微處理器內(nèi)核為核 心，芯片內(nèi)部集成 ROM/EPROM、 RAM、總線 、定時 /計 數(shù)器、 WatchDog、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸 出、 A/D、 D/A、 Flash RAM、 EEPROM 等各種必要 功能和 外設(shè) 。為適 應(yīng)不同 的應(yīng)用 需求， 一般 一個系列的單片機 具有多 種衍 生產(chǎn)品 ，每種 衍生產(chǎn) 品的處 理器 內(nèi)核都是一樣的， 不同的 是存 儲器和 外設(shè)的 配置及 封裝。 這樣 可以使單片機最大 限度地 和應(yīng) 用需求 相匹配 ，功能 不多不 少， 從而減少功耗和成 本。微 控制 器的片 上外設(shè) 資源一 般比較 豐富 ，適合于控制，因 此稱 為 微控 制器。 嵌入式 微控制 器目前 的品 種和數(shù)量最多，比較 有代表 性的通 用系列包 括 5 AVR、 P IC、 MC68K等。目前 MCU 占嵌入式系統(tǒng)約 60％的市場份額。 ? 嵌入式 DSP 處理器 (Digital Signal Processor, DSP) DSP 處理器對系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)和指令進行了特 殊設(shè)計，使其適合于執(zhí)行 DSP 算法，編譯效 率較高，指令執(zhí)行 速度也較高。在數(shù)字濾波、 FFT、譜分析等方 面 DSP 算法正在大 量進入嵌入式領(lǐng)xx 大學(xué)碩士學(xué)位論文 5 域， DSP 應(yīng)用正從在通用 單片機中以普通 指令實現(xiàn) DSP 功 能，過渡到采用嵌入式 DSP 處理器。推動嵌入式 DSP 處理器發(fā)展的另一個因 素是嵌 入式 系統(tǒng)的 智能化 ，例如 各種帶 有智 能邏輯的消費類產(chǎn)品，生物信息識別 終端，帶有加 解密 算法的鍵盤， ADSL接入、實 時語音 壓解 系統(tǒng)， 虛擬現(xiàn) 實顯示 等。這 類智 能化算法一般都是運算量較大，特別是向量運算、指針線性尋址等較多，而這些正是 DSP 處理器的 長處所在。嵌入 式 DSP 處理器比較有代表性的產(chǎn)品是 Texas Instruments 的 TMS320 系列和 Motorola 的 DSP56000 系列 。 ? 嵌入式微處理器 (Microprocessor Unit, MPU) 嵌入式微處理器的基礎(chǔ)是通用計算機中的 CPU。在應(yīng)用中，將微 處理器 裝配 在專門 設(shè)計的 電路板 上，只 保留 和嵌入式應(yīng)用有關(guān) 的母板 功能 ，這樣 可 以大 幅度減 小系統(tǒng) 體積 和功耗。為了滿足 嵌入式 應(yīng)用 的特殊 要求， 嵌入式 微處理 器雖 然在功能上和標(biāo)準 微處理 器基 本是一 樣的， 但在工 作溫度 和工 業(yè)控制計算機相比 ，嵌入 式微 處理器 具有體 積小、 重量輕 、成 本低、可靠性高 的優(yōu)點 ，嵌 入式處 理器 目前主 要有 Power PC、 68000、MIPS、 ARM 系列等。 ? 嵌入式片上系統(tǒng) (System On Chip) 隨著 EDA 的推廣和 VLSI 設(shè)計的普及化，及半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展，在一個硅片上實現(xiàn)一 個更為復(fù)雜的系 統(tǒng)的時代已來臨，這就是 System On Chip(SOC)。各種通用 處理器 內(nèi)核將作為 SOC 設(shè)計公司的標(biāo)準庫，和許多其它嵌入式系統(tǒng)外設(shè)一樣，成為 VLSI設(shè)計中一種標(biāo)準的器件，用標(biāo)準的 Verilog 等 語言描述，存儲在器件庫 中。用 戶只 需定義 出其整 個應(yīng)用 統(tǒng)，仿 真通 過后就可以將設(shè)計 圖交給 半導(dǎo) 體工廠 制作樣 品。這 樣整個 嵌入 式系統(tǒng)大部分均可 集成到 一塊 或幾塊 芯片中 去，應(yīng) 用系統(tǒng) 電路 板將變得很簡潔， 對于減 小體 積和功 耗、提 高可靠 性非常 有利 。 目前常見的 SOC 架構(gòu) 包括 TriCore、 MCore、 ARM、 Neuron 等 系列 。特別需要提出的是 ARM 系列的應(yīng)用最為廣闊。 xx 大學(xué)碩士學(xué)位論文 6 ARM 處理器簡介 ARM 嵌 入式 處理器是一 種高性能、低功 耗的 32 位 RISC 系列芯片。它是英國先 進 R ISC 機器公司的產(chǎn)品 。 ARM 公司只出售芯片技術(shù) IP 授權(quán) ，購買 授權(quán)的公司將 ARM 內(nèi)核嵌入到 芯片中，通過總線將自己的外設(shè)和模塊加入其中 。 目前 A RM 芯片 廣泛應(yīng)用于無線產(chǎn)品、 PDA、 GPS、網(wǎng) 絡(luò)、消費電子產(chǎn)品、 STB 及 智能卡。 采用 RISC架構(gòu)的 ARM 微處理器三大特點歸納如下： ? 體積小、低功耗、低成本、高性能 ? 支持 Thumb（ 16 位） /ARM（ 32 位）雙指令集； 指令執(zhí)行速度更快；尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高 ? 全球眾多的合作伙伴， 擁有最完整的產(chǎn)業(yè)鏈 目前 非 常流 行的 ARM 核有 ARM7TDMI、 ARM720T、 ARM9TDMI、ARM920T、 ARM940T、 ARM946T、 AR M10T D MI、 AR M1156T 和 XSC A LE等。 ARM7 適 合于中 低端的 網(wǎng)絡(luò)設(shè) 備、終端 、各種 通用型 的嵌入式應(yīng)用和工業(yè)控制等領(lǐng)域。 ARM9 適合于 智能手機、 PDA 和先進的控制管理和儀 器儀表 應(yīng)用。 Intel XSCALE 系列 產(chǎn)品提 供了高 性能價格比、低功 耗、適用 于智能 無線終 端、 PDA、家庭網(wǎng) 絡(luò)和網(wǎng) 絡(luò)存儲器設(shè)備等應(yīng)用。 此外， A RM 芯片還獲得了許多實時操作系統(tǒng)（ RTOS）供應(yīng)商的支持，比較出名的 有 Wi ndow s CE、 181。C Li nux、 p SOS、 VxWor ks、181。C/OS 和 Palm OS 等。 采用 AR M 核的嵌入式處理 器具有低功耗、低 成本等卓越性能和顯著優(yōu)點，越來越多的芯片廠商早已看好 A R M 的前 景 。 ARM 處理器核得到了眾多半導(dǎo)體廠家和整機廠商的大力支持，在 32 位嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域獲得了巨大的成功，如 INTEL、 MOTOROLA、 NS、 ATMEL、PHILIPS、 NEC、 SONY 等世界 上幾乎 所有知 名的半 導(dǎo)體公 司都獲得了 ARM 公司的授權(quán)，開發(fā)具有自己特色的嵌入式系統(tǒng)芯片。 AR M 公 司具有 完整的 產(chǎn)業(yè)鏈， 其全球 合 作伙 伴主要 為半導(dǎo)體和系統(tǒng)伙伴、操作系統(tǒng)伙伴、開發(fā)工具伙伴、應(yīng)用伙伴和 A RM 技xx 大學(xué)碩士學(xué)位論文 7 術(shù)共享計劃伙伴。 AR M 公 司的緊密合作伙伴 已發(fā)展為 1 22 家半導(dǎo)體和系統(tǒng)合作伙伴、 50 家操作系統(tǒng)合 作伙伴、 35 家技術(shù)共享合作伙伴，并于 2020 年在上海成立中國全資子公司。 目前， 80%的 GSM 手 機， 99%的 CDMA 手機 ，以及未來 3G 手 機也都是采用 基于 ARM 核的嵌 入式處 理器。提 供研究 分析信 息的機構(gòu)Gartner Inc, 早在 1999 年， A R M 核就已突 破 1. 5 億個，市場份額超過嵌入式處理器的 50%。而最新的市 場調(diào)查表明， 在 2020 年度， ARM 占據(jù) 了整個 32 位和 64 位嵌入式微 處理器市場的 7 5%；2020 年度，占據(jù)了 %。全世界已 使用 20 多億個 AR M 核。 2020年 6 月份統(tǒng)計， 2020 年 ARM 在全球半導(dǎo) 體 IP 供應(yīng)商中排 名第一，占市場份額的 %，銷售收入達 億美圓，比 2020 年增長 10%。 目前，除了像 TI OMAP, Intel 的 Xscale 和 Motorola 的 iMX 系列這樣的移動終端處理器采用 ARM 核外，也 還有象 Samsung, Atmel, Sharp, OKI 和 Philip 等半導(dǎo)體公司設(shè)計一些通用 ARM 核的處理器，可以廣泛應(yīng) 用 在 各 種 嵌 入 式 系 統(tǒng) ， 現(xiàn) 在 市 場 上 看 到 比 較 多 的 有Philip 的 LPC 系列、 Samsung 的 S3C44B0、 45 2410, Atmel 的AT91 系列和 Intel PXA255 等。 AR M 公司已經(jīng)成為業(yè)界的龍頭老大，“每個人口袋中都裝著AR M”是 毫不夸張 的，應(yīng)為 幾乎所 有的手機 、移動設(shè) 備、 P DA 幾乎都是用具有 ARM 核的系統(tǒng)芯片開發(fā)的。 本 文 主 要 研 究 的問 題背 景和 內(nèi)容 本 文 主 要 研 究 的問 題背 景 從上面的闡述可以看出嵌入式系統(tǒng)的需求量很大，特別是在未來 10年嵌入式的需求量達到了巔峰。 從 IT產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)的發(fā) 展來看，國內(nèi)設(shè) 備開發(fā)商有從眾心理，為了可靠性，都去用別人用過的比較成熟的產(chǎn)品，但是這 些產(chǎn)品往往價格 昂貴，而且技 術(shù)核心都掌握在別人手里，長期受制于人，不利于自身的發(fā)展和成長。 由于嵌入式系統(tǒng)不同于以往 PC市場 ，硬件和軟件已 經(jīng)不可能出xx 大學(xué)碩士學(xué)位論文 8 像一家壟斷的情況。實際上對硬件及軟件的選擇來說，主要因素是由應(yīng)用決定的，國內(nèi)應(yīng)該抓住這個機會加入到這個競爭行列中來。 ARM微處理 器因其 卓越的 低功耗 、高性能 在 32位 嵌入式 應(yīng)用中已位居世界第一 ，是高性能 、低功耗嵌入 式處理器的代名 詞。為了順應(yīng)當(dāng)今世界技術(shù)革新的潮流，了解、學(xué)習(xí)和掌握嵌入式技術(shù)，就必然 要學(xué) 習(xí)和掌握 以 ARM微 處理器 為核心 的嵌入式 開發(fā)環(huán) 境和開發(fā)流 程 ， 這 對 于研 究 和 開 發(fā)高 性 能 微處 理 器 、 DSP以 及 開 發(fā)基 于 SOC芯片設(shè)計及應(yīng)用系統(tǒng)是非常必要的。作為電子信息專業(yè)的本科 、 研究生很有必要了解和掌握 32位嵌入式應(yīng)用 的開發(fā)技術(shù) 。通過對嵌入式的學(xué)習(xí)使學(xué)生具有較強的綜合素質(zhì)，成為具有良好的實際操作能力設(shè)計能力符合社會需求的開拓性電子應(yīng)用人才。 所以，針對這一緊迫 的問題，就 特別需要在大專院 校開設(shè)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的實驗課程。本文所涉及的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，就是為了給高年級本科生、研究生提供一個可擴展的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計平臺。 本 文 主 要 內(nèi) 容 描述 和安 排 本 文 以 上 述 的 設(shè)計 實 現(xiàn) 為 背景 ， 對 嵌 入式 系 統(tǒng) 的 總體 開 發(fā) 流程、功能論證、設(shè)計 原則、平臺選 型和技術(shù)難點進行 探討，不僅涉及嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)的一般方法，而且也對項目本身的細節(jié)進行了詳細的描述。 與通用 PC系統(tǒng)相比，嵌入式系統(tǒng)于硬 件的關(guān)系更為密 切，因而每個設(shè)計都有自己特定的硬件平臺。本文將以筆者進行項目開發(fā)時設(shè)計的實驗板為例子，介紹嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要使用的基本軟硬件模 塊 ：、 LED、 IIC、 SPI/SSP、 VIC、 A/D、 WDT、 UART、 GPIO、 RTC和低功耗等。 就嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的工作量而言，系 統(tǒng)開 發(fā)的重點在于軟 件，而 其 中 操 作 系統(tǒng) 內(nèi) 核 的移 植 往 往是 整 個 設(shè)計 最 關(guān) 鍵也 是 難 度最 大的部分。所以，我們在簡要介紹基 于 ARM核的 LPC2136芯片的啟動程序后，重點介紹 181。C/OSII的移植過程這個部分。 論文通過對比研究，歸納、總結(jié)出嵌入式系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)過程xx 大學(xué)碩士學(xué)位論文 9 中所必需面對的問題、難點及其解決辦法，以及在實際應(yīng)用中，對嵌入式系統(tǒng)進行構(gòu)建的諸多決定因素。 第二章 嵌入式系統(tǒng)總體設(shè)計 本章介紹當(dāng)前流行的嵌入式設(shè)計流程，并針對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺這一具體的項目功能要求，從硬件和軟件兩個角度分別進行分析，闡述嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的總體設(shè)計 方案。 嵌 入 式 系 統(tǒng) 設(shè) 計方 法討 論 在設(shè)計過程中，一個 好的學(xué)習(xí)方法可 以事半功倍，同樣在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中，一個 合理、科學(xué)的 設(shè)計方法可以令 設(shè)計在規(guī)定的時間內(nèi)很容易達到性能指標(biāo)。 傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)在開發(fā)應(yīng)用中，是按照瀑布式的流程進行的。其工作模式簡單，任務(wù)的劃分協(xié)調(diào)、人員安排及物質(zhì)材料的分配管理都比較簡單。如圖 21 所示，全部開發(fā)都按流水線式進行。 圖 21 瀑布式開發(fā)過程 這種開發(fā)采用的是軟件開發(fā)與硬件開發(fā)分離的模式，雖然可以各部分獨立進行，但不一定是系統(tǒng)綜合 性能達到最佳 。各自部分的用戶需求 硬件制作 硬件調(diào)試 軟件編程 軟件調(diào)試 最終產(chǎn)品 出錯 出錯 xx 大學(xué)碩士學(xué)位論文 10 修 改 和 缺 陷 很容 易 導(dǎo) 致系 統(tǒng) 集 成出 現(xiàn) 問 題， 這 些 問題 不 但 難于 定位，而且更重要的是 ，對它們的修 改往往會涉及整 個軟件結(jié)構(gòu)或硬件配置的改動。顯然，這是災(zāi)難性的。 為避免上述問題， 20 世紀 90 年代，國外有些 學(xué)者提出了一種新的開發(fā)方式 — 軟硬件協(xié) 同設(shè)計方法 。首先，應(yīng)用 獨立于任何硬件和軟件 的功 能性 規(guī)格 方法對 系統(tǒng) 進行 描述 ，其 作用是 對硬 件 /軟件統(tǒng)一表示，便于 功能的劃分和綜 合；然后 ，從系統(tǒng) 的功能要求和限制條件出發(fā)對硬件 /軟件 進行劃分， 即對硬件 /軟件的 功能模塊進行分配，同時需要 對劃分的結(jié)果做 出性能評估 、指令參數(shù) 評 估。如果評估結(jié)構(gòu)不滿足要求，說明劃分方案選擇不合理，需要重新劃分；以上重復(fù)直到獲得一個滿意的硬件 /軟件實現(xiàn)為止 。圖 22 就是該方法的框圖。 圖 22 軟硬件協(xié)同設(shè)計方法 這種方法的特點在協(xié)同設(shè)計、協(xié)同測試和協(xié)同驗證上，充分考慮了軟硬件的關(guān)系，并在涉及的每個層次上給以驗證，使得盡早發(fā)現(xiàn)和解決問題。顯然，對 于具體應(yīng)用系統(tǒng) 而言，這 種方法很容易獲得滿足綜合性能指標(biāo)的最佳解決方案。所以，我們的項目也是按照這種方法設(shè)計。 系統(tǒng)功能描述 硬件 /軟件