基于arm的嵌入式系統應用開發(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 若干年的研究，已經相對比較成熟，實現各種功能的芯片應有盡有。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。 從軟件方面講，也有相當部分的成熟軟件系統。國外商品化的嵌入式實時操作系統，已進入我國市場的有 WindRiver、 Microsoft、 QNX 和 Nuclear 等產品。我國自主開發的嵌入式系統軟件產品如科銀 (CoreTek)公司的嵌入式軟件開發平臺 DeltaSystem，中科院推出的 Hopen 嵌入式操作系統（雖然還不夠完善）。同時由于是研究熱點，所以我們可以在網上找到各種各樣的免費資源，從各大廠商的開發文檔，到各種驅動，程序源代碼，甚至很多廠商還提供微處理器的樣片。這對于我們從事這方面的研發，無疑是 個資源寶庫。對于軟件設計來說，不管是上手還是進一步開發，都相對來說比較容易。這就使得很多生手能夠比較快的進入研究狀態，利于發揮大家的積極創造性。 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。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。 1998 年 11 月在美國加州舉行的嵌入式系統大會上，基于RTOS 的 Embedded Inter 成為一個技術新熱點。在國內， “維納斯計劃 ”和 “女鍋計劃 ”一度鬧得沸沸揚揚，機頂盒、信息加電這兩年更成了 IT 熱點，而實際上這些都是嵌入式系統在特定環境下的一個特定應用。據調查，目前國際上已有兩百多種嵌入式操作系統，而各種各樣的開發工具、應用于嵌入式開發的儀器設備更是不可勝數。在國內，雖然嵌入式應用、開發很廣，但該領域卻幾乎還是空白，只有三兩家公司和極少數人員在從事這方面工作。由此可見，嵌入式系統技術發展的空間 真是無比廣大。 嵌入式系統的發展前景 信息時代，數字時代使得嵌入式產品獲得了巨大的發展契機，為嵌入式市場展現了美好的前景，同時也對嵌入式生產廠商提出了新的挑戰，從中我們可以看出未來嵌入式系統的幾大發展趨勢： (1) 嵌入式開發是一項系統工程，因此要求嵌入式系統廠商不僅要提供嵌入式軟硬件系統本身，同時還需要提供強大的硬件開發工具和軟件包支持。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。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。當然，這也是市場競爭的結果。 (2) 網絡化、信息化的要求隨著因特網技術的成熟、帶寬的提高日益提高，使得以往單一功能的設備如電話、手機、冰箱、微波爐等功能不再單一，結構更加復雜。這就要求芯片設計廠商在芯片上集成更多的功能，為了滿足應用功能的升級，設計師們一方面采用更強大的嵌入式處理器如 32 位、 64 位 RISC 芯片或信號處理器 DSP 增強處理能力，同時增加功能接口，如 USB，擴展總線類型，如 CAN BUS，加強對多媒體、圖形等的處理，逐步實施片上系統（ SOC）的概念。軟件方面采用實時多任務編程技術和交叉開發工具技術來控制功能復雜性，簡化應用程序設計、保障軟件質量和縮短開發周期。 (3) 網絡互聯成為必然趨勢。未來的嵌入式設備為了適應網絡發展的要求，必然要求硬件上提供各種網絡通信接口。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。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。 湖南工程學院畢業設計 (論文 ) 7 (4) 精簡系統內核、算法，降低功耗和軟硬件成本。未來的嵌入式產品是軟硬件緊密結合的設備，為了減低功耗和成本，需要設計者盡量精簡系統內核，只保留和系統功能緊密相關的軟硬件，利用最低的資源實現最適當的功能，這就要求設計者選用最佳的編程模型和不斷改進算法，優化編譯器性能。因此，既要軟件人員有豐富的硬件知識，又需要發展 先進嵌入式軟件技術，如 Java、 Web 和 WAP 等。 (5) 提供友好的多媒體人機界面 。 嵌入式設備能與用戶親密接觸，最重要的因素就是它能提供非常友好的用戶界面。圖像界面，靈活的控制方式，使得人們感覺嵌入式設備就象是一個熟悉的老朋友。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。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。目前一些先進的 PDA 在顯示屏幕上已實現漢字寫入、短消息語音發布，但一般的嵌入式設備距離這個要求還有很長的路要走。 本文主要 的工作和章節安排 本文以當下嵌入式熱點為背景，研究嵌入式系統的關鍵技術和應用移植。重點介紹了嵌入式開發平臺的搭建，包括交叉編譯、交叉調試等，以及 RTC（實時日歷時鐘）模塊的設計。 本文章節安排如下：第 2 章為嵌入式系統的介紹，包括嵌入式系統的特點、體系結構以及嵌入式操作系統的特點；第 3 章為 ARM 處理器及開發板介紹，主要包括 ARM的介紹和此次使用的 S3C44BOX 的介紹；第 4 章為嵌入式開發平臺的搭建，主要介紹交叉編譯和交叉調試， ADS 開發平臺和 Bootloader。第 5 章為 uClinux 操作系統的移植。第 6 章為 RTC 模塊的設計。最后對本文做出總結。 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。他是以應用為中央，軟件和硬件可裁減的，適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴格需要的專用電腦系統。簡單地說，嵌入式系統集系統的應用軟件和硬件于一體，類似于 PC 中 BIOS 的工作方式，具備軟件代碼小、高度自動化、響應速度快等特點，特別適合于需要實時和多任務的體系。嵌入式系統主要由嵌入式處理器、相關支撐硬件、嵌入式操作系統及應用軟 件系統等組成，他是可單獨工作的 “器件 ”。 嵌入式系統幾乎包括了生活中的任何電器設備，如掌上 PDA、移動計算設備、電視機頂盒、手機上網、數字電視、多媒體、汽車、微波爐、數字相機、家庭自動化系統、電梯、空調、安全系統、自動售貨機、蜂窩式電話、消費電子設備、工業自動化儀表和醫療儀器等。 嵌入式系統的硬件部分，包括處理器 /微處理器、存儲器及外設器件和 i/o端口、圖像控制器等。嵌入式系統有別于一般的電腦處理系統，他不具備像硬盤那樣大容量的存儲介質，而大多使用 EPROM、 EEPROM 或閃存 (Flash Memory)作為存儲介質。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。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。 嵌入式系統的特點 嵌入式計算機系統同通用型計算機系統相比具有以下特點 ： (1) 嵌入式系統 通常是面向特定應用的 嵌入式 CPU 與通用型的最大不同就是嵌入式 CPU 大多工作在 為特定用戶群設計的系統中，它通常都具有低功耗、體積小、集成度高等特點，能夠把通用 CPU 中許多由板卡完成的任務集成在 芯片 內部，從而有利于嵌入式系統 設計趨于小型化，移動能 力大大增強，跟網絡的耦合也越來越緊密。 (2) 嵌入式系統 是將先進的計算機技術、 半導體 技術和電子技術與各個行業的具體應用相結合后的產物。這一點就決定了它必然是一個技術 密集、資金密集、高度分散、不斷創新的知識集成系統。 (3) 嵌入式系統 的硬件和軟件都必須高效率地設計，量體裁衣、去除冗余，力爭在同樣的硅片面積上實現更高的性能，這樣才能在具體應用中對處理器的選擇更具有競爭力。 (4) 嵌入式系統 和具體應用有機地結合在一起，它的升級換代也是和具體產品同步進行，因此 嵌入式系統 產品一旦進入市場，具有較長的生命周期。 湖南工程學院畢業設計 (論文 ) 9 (5) 為了提高執行速度和系統可靠性， 嵌入式系統 中的軟件一般都固化在存儲器 芯片 或單片機本身中，而不是存貯于磁盤等載體中。 (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。 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。它們之間的關系如圖 所示。 圖 嵌入式系統各部分之間的關系 硬件設備包括嵌入式處理器和外圍設備。其中嵌入式處理器是嵌入式系統的核心部分，它與 通用處理器最大的區別在于，嵌入式處理器大多工作在為特用戶群所專門設計的系統中，它將通用處理器中許多由板卡完成的任務集成到芯片內部，從而有利于嵌入式系統在設計時趨于小型化，同時還具有很高的效率和可靠性。如今，全世界嵌入式處理器已經超過 1000 多種，流行的體系結構有 30 多個系列，其中以 ARM、 PowerPC、MC68000、 MIPS 等使用得最為廣泛。 外圍設備是嵌入式系統中用于存儲、通信、調試、顯示燈輔助功能的其他部件。目前常用的嵌入式設備按功能可以分為存儲設備、通信設備和顯示設備 3 類。 嵌入式操作系統從嵌入式 發展的第 3 階段開始引入的。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。 應用軟件是針對特定應用領域，基于某一固定的硬件平臺，用來達到用戶預期目標應用軟件 嵌入式操作系統 硬件設備 嵌入式處理器 外 圍 設備 基于 ARM 的嵌入式系統應用開發 10 的計算機軟件。由于嵌入式系統自身的特點，決定了嵌入式應用軟件不僅要求做到準確性、安全性和穩定性等方面需要，而且還要盡可能地進行代碼優化，以減少對系統資源的消耗，降低硬件成本。 嵌入式操作系統的特點 嵌入 式操作系統（ realtime embedded operating system ， RTOS 或 EOS）是一種能在確定時間內執行其功能，并對外部的異步事件做出響應的計算機系統。它實際是硬件和應用之間的一層軟件，負責管理整個系統，同時將嵌入式硬件和應用隔離開來，為應用提供更容易理解和高效的程序設計接口。它的關鍵特性之一是允許實時應用作為一系列獨特的任務來運行，任務有各自的線程及系統資源。它一般由內核、嵌入式 TCP/IP網絡系統和嵌入式文件系統組成。 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 。 嵌入式操作系統可以根據產品的需求進行裁剪。也就是說，某產品可以只使用很少的幾個系統調用，而另一個產品則可能使用了幾乎所有的系統調用。這樣可以減少操作系統內核所需的存儲器空間（ RAM 和 ROM）。 (2) 強實時性 。 多數嵌入式操作系統都是硬實時的操作系統，搶占式的任務調度機制。 (3) 統一的接口 。 針對不同的 CPU，如 ARM、 PowerPC、 x86 等，嵌入式操作系統都提供了統一接口。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。 (4) 操作方便、簡單、提供友好的圖形用戶界面 GUI。 多數嵌入式操作系統操作方便、簡單，并提供友好的圖形用戶界面 GUI。 (5) 提供強大的網絡功能 。 一般商用的嵌入式操作系統都帶有網絡模塊，可以支持TCP/IP 協議及其他協議，如 Nucleus Net，而且這些網絡模塊都是可裁剪的，尺寸小、性能高。 (6) 穩定性，弱交互性 。 嵌入式系統一旦開始運行就不需要用戶過多的干預，這就要負責系統管理的嵌入式 操作系統具有較強的穩定性。嵌入式操作系統的用戶接口一般不提供操作命令，它通過系統的調用命令向用戶程序提供服務。 (7) 固化代碼 。 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。輔助存儲器在嵌入式系統中很少使用。 湖南工程學院畢業設計 (論文 ) 11 (8) 良好的移植性 。 嵌入式操作系統能移植到絕