（机械电子工程专业论文）基于arm9的嵌入式移动机器人远程控制的研究.pdf

摘要 摘要 计算机技术、微电子技术、网络技术的快速发展，推动机器人技术飞速发展。当前 随着网络应用的不断普及，嵌入式应用在社会的各个领域越来越广泛和重要，尤其在远 程医疗、安防等方面嵌入式系统充分显示了其优越性。 在基于使机器人经济化、小型化，灵活化、可靠化、智能化的思想前提下，本文选 取a r m 9 嵌入式处理器作为硬件平台核心，以嵌入式l i n u x 操作系统为软件平台，采 用软硬件协同设计的方法，实现了嵌入式移动机器人远程控制。 本文先从总体上介绍了嵌入式系统的概念和a r m 系列嵌入式处理器的特点及应用 领域。详细介绍了$ 3 c 2 4 1 0 a 芯片的结构及特性，给出了f l a s h 、s d r a m 、u s b 、网卡 等具体器件的选型，并从嵌入式系统资源受限的特点讲述如何建立嵌入式移动机器人开 发平台本文从嵌入式平台的特点和移动机器人远程控制的功能出发，提出了基于 a r m 9 处理器和l i n u x 操作系统的嵌入式移动机器人远程控制的方案着重研究了移动 机器人底层设备在l i n u x 系统中的驱动和移动机器人与远程p c 间的网络通讯，实现了 p c 通过以太网对机器人的远程控制。 最后，本文通过实验对移动机器人远程控制进行了测试，测试结果表明机器人运行 稳定，验证了移动机器人远程控制的可行性和正确性。 关键字：移动机器人远程控制网络嵌入式系统a r ml i n u x a b s t r a c t r o b o t i c st e c h n o l o g ye v o l v e dd r a m a t i c a l l y ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e r t e c h n o l o g y , m i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g ya n dn e t w o r k i n gt e c h n o l o g y i nr e c e n ty e a r s ，t h e e m b e d d e ds y s t e mi sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti nv a r i o u sa ! e a so fs o c i e t y , b e c a u s e o ft h ew i d cs p r e a do fn e t w o r k i n ga p p l i c a t i o n s i t ss t r e n g t hh a sb e e nd e m o n s t r a t e di nm a n y i n d u s t r ya p p l i c a t i o n ss u c ha sr e m o t em e d i c a lt r e a t m e n ta n ds a f e t y i nl i g h to fm a k i n gr o b o tm o r ec o s t - e f f e c t i v e , m i n i a t u r e ，f l e x i b l e ，s t a b l ea n di n t e l l i g e n t , t h er e m o t ec o n t r o lo fm o b i l er o b o ti si m p l e m e n t e db yt h ec o - d e s i g nm e t h o d o l o g yo fs o f t w a r e a n dh a r d w a r e ；t h ea r m 9e m b e d d e dp r o c e s s o ra s t h ec o r eo fh a r d w a r ep l a t f o r ma n dt h e e m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e ma st h es o f t w a r ep l a t f o r m f i r s t l y t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o n c e p to fe m b e d d e ds y s t e m t h cc h a r a c t e r i s t i c sa n d a p p l i c a t i o no ft h ea r m s e r i e se m b e d d e dp r o c e s s o ra r ea l s or e v i e w e d s e c o n d l y , t h i sp a p e r i n t r o d u c e st h es t r u c t u r eo fs 3 c m i o a , i t sa p p l i c a t i o n si nd e t a i la n dt h ec h o i c eo ff l a s h 、 s d r a m 、u s b 、n e t w o r kc a r da n do t h e rt y p eo fs p e c m cd e v i c e w i t ht h ec o n s i d e r a t i o no ft h e l i m i t e dr e s o u r c ea v a i l a b l ei ne m b e d d e ds y s t e m ，t h ep a p e rd i s c u s s e sh o wt ob u i l de m b e d d e d m o b i l er o b o td c v e l o p m c a tp l a t f o r m i nl i g h to ft h ef e a t u r eo fe m b e d d e ds y s t e ma n dt h e f u n c t i o no fr e m o t ec o n t r o lt ot h em o b i l er e b u t t h ep a p e rp r e s e n t st h ec o m p l e t es o l u t i o no f r e m o t ec o n t r o lt ot h em o b i l er o b o tb a s e do ra r m 9 p r o c e s s o ra n d l i n u x o p e r a t i o ns y s t e m 融p a p e re m p h a s i z e sm o b i l er o b o td e v i c ed r i v e r si nl i n u xo p e r a t i o ns y s t e ma n d c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm o b i l er o b o tw i t hr e m o t ep ct h r o u g hi n t e r a c t a tl a s t , t h et e s t i n go fr e s u l ti nt h i sp a p e rd e m o n s t r a t e st h em o b i l em b o tb a s e do na r m 9 e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o rc a nm o v es t a b l y , a n dp r o o ft h ef c a s i b i l i t ya n dc o r r c c t n 嘲o ft h e r e m o t ec o n t r 0 1 k e yw o r d s ：m o b i l em b o t r e m o t ec o n t r o ln e t w o r ke m b e d d e ds y s t e ma r m l i n u x 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗墨墨盘堂 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：磊俊杰 签字日期：z # 0 7 $j 月7 孑日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津理工大学有关保留、使用学位论文 的规定。特授权天津理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：岔缓多一 导师签名： 劫孛是 签字日期：枷7 年月厂彦日签字目期：勿扩7 年月，了日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究目的和意义 1 9 6 2 年，美国万能自动化( u n i m a t i o n ) 公司的第一台机器人u n i m a t e 在美国通 用汽车公司( g e n e r a lm o t o r s ) 投入使用，这标志着第一代机器人的诞生【1 1 从机器 人诞生到上世纪舳年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。到了9 0 年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到 飞速发展。当前国际机器人界都在加大科研力度，朝着智能化和多样化方向发展【2 】， 智能移动机器人，尤其是微小型智能移动机器人，其在民用和国防军事中都具有极 其重要的意义f 3 j 对于民用而言，自1 9 9 5 年以来，移动机器人作为柔性制造系统中 的物料自动传送装置已经逐渐得到应用不需要人工操作就能沿预定路线行驶，具 有自动装载功能和充分的安全保护，它是现代物流系统中的关键设备；对于国防军 事而言，美国发表的t 2 1 世纪战略技术认为：。2 0 世纪地面作战的核心武器是坦 克，2 1 世纪则很可能是军用机器人。”未来的战争是高科技主导的战争，智能移动 机器人将成为未来战争的重要武器。 在基于使机器人更加经济化、小型化、灵活化、可靠化、快速化，智能化、网 络化的思想前提下，提出。基于a r m 9 的嵌入式移动机器人远程控制”嵌入式 i n t e r n e t 是近几年发展起来的一项新兴概念和技术，是指设备通过嵌入式模块而非 p c 系统直接接入h 钯m 酣，以i n t e r n e t 为介质实现信息交互的过程，通常又称为非 p c h t c m 矾接入。其典型应用是：智能家居( 家电上网) 、工业远程监控与数据采集 等。从嵌入式系统的概念以及其特点可以看到，其可以十分完美的解决现代移动机 器人的若干问题 。基于a r m 9 的嵌入式移动机器人远程控制”，采用嵌入式控制结构使得移动 机器人的本体十分小巧，满足机器人快速性、灵活性的要求，同时又可以克服机器 人控制系统采用单板机功能过于单一的缺陷。利用嵌入式系统提供的通信模块功能， 可以实现移动机器人遥控及监控功能。 近年来网络技术飞速发展，日新月异。网络的普及为各种传统技术提供了发展 的舞台，将原有技术同网络通信技术相结合成为各领域的新的研究方向，如网络医 疗就是一个充满希望的发展领域。基于i n t e r n e t 的机器人遥操作也是这些研究中引 人注目的一个热点，它将传统的机器人遥操作技术迁移到因特网上来，构筑基于 t c p i p 的网络控制系统，使得机器人控制延伸到世界的各个角落f 4 】 本课题的研究成果可以应用于机器人控制的诸多领域，从而革命性的改变现有 机器人控制系统过于笨重的缺点。嵌入式系统的应用，不仅可以使得移动机器人向 小型化、微型化方向发展，而且开创性的改变了现在移动机器人的控制结构，提高 了移动机器人控制的灵活性、开放性和实时性无线网络控制可以应用于污染区域 第一章绪论 的有害物质清除，复杂她质环境勘查以及物流等领域特别是核污染和化学污染区 域，其环境特征可能是无法预知的，这些地域不适合人工作业，在这种情况下无线 网络监控技术的移动机器人便更能显示其实用价值i 甜。 1 2 国内外研究现状 2 0 世纪年代美国国防高级研究计划局( d a 脚a ) 专门立项，制定地面无人 作战平台的战略计划，从而在世界范围内掀开了全面研究移动机器人的序幕，如 d a r p a 的。战略计算机”计划中的自主地面车辆( a l v ) 计划，能源部制定的机 器人和智能系统计划( r 口s ) 及后来的空间机器人计划，日本通产省组织的极限环 境下作业的机器人计划，欧洲尤里卡中的机器人计划等 1 9 7 9 年，h i l a r e 成为第一个应用多传感器信息( 视觉、声音、激光测距) 创 建的可移动机器人，实现了在人造未知环境中的稳定工作。d a r p a 的a l v 由m a n i n m a r i e t t a 设计制造，其作为一种检验自主车辆理论的试验平台，从1 9 8 5 年起先后用 于寻路和自主导航。1 9 9 7 年牛津大学机器人研究小组采用分布式滤波及局部智能控 制代理的系统模式，利用卡尔曼滤波方法融合来自摄像机、激光测距，声纳的数据 信息，设计出了在已知或未知的工厂环境下工作的移动机器人o x f o u l a g v s 。美国 国家航空和宇宙航行局( m a s a ) 资助研制的。丹蒂”作为能实现远程探险的高 性能移动机器人，于1 9 9 4 年在斯珀火山的火山口进行了成功的表演美国n a s a 研制的火星探测机器人。s o j o u r n e r ”于1 9 9 7 年登上了火星，达到了可移动机器人技 术的颠峰日本本田( h o n d a ) 公司设计的仿人机器人p 3 最快每小时可走2 k m ，成 为世界上功能最强的双足移动机器人美国d a r p a 从1 9 9 8 年开始的为期4 年的战 术移动机器人计划的目的是研发出许多小的、低价的、半自主的移动机器人组成的 机器人团队多机器人系统( m a l 塔) ，在发生战斗情况下为部队提供支持随着 研究的深入，科研人员越来越关注自主式移动机器人在结构化和非结构化环境下的 导航、壁障等问题，这标志着第二代远程控制机器人系统开发的开始，典型的代表 是美国卡内基一梅隆大学的“x a v i e r ，x a v i e r 是由r e i ds i m m o n s 教授和他的科研小 组在1 9 9 5 年开发的，它是世界上第一个基于 n t e r n e t 的自主式移动机器人州。 2 0 0 4 年纽约大学研制了基于d s p 具有全方位视觉系统的移动机器人平台，如 图1 - 1 所示，该机器人使用了先进的嵌入式技术，选择t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 芯片作为 它的控制中枢川。 第一章绪论 图1 1m o b i l er o b o tp l a t o r mw i t hd s p - b a s e dc o n t m i k ru de m n i d i r e c t i o n a lv i s i o ns y s t e m 国内移动机器人的研究起步较晚，大多数研究目前尚处于某个单项研究阶段， 主要研究工作有：1 9 9 4 年通过鉴定的清华大学智能移动机器人，涉及到基于地图的 全局路径规划、基于传感器信息的局部路径规划、路径规划的仿真、传感数据信息 融合等技术；哈尔滨工业大学研制的轮式智能服务机器人能无缆行走、自动避障、 识别语音并能与人对话、用语服务场合的导游导购等；用于瓷砖及玻璃壁面清洗作 业的壁面清洗爬壁机器人也在哈尔滨工业大学研制成功，实现了高层建筑清洗作业 的自动化另外还有近几年在全国高校当中迅速发展起来的足球机器人比赛，都标 志着我国的移动机器人技术正处在迅速发展当中 当今机器人技术的发展趋势主要有两个突出的特点：一个是在横向上，机器人 的应用领域在不断扩大，机器人的种类日趋增多；另一个是在纵向上，机器人的性 能不断提高，并逐步向智能化方向发展 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应 用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系 统的迅猛发展，使其在工业机器人、医药设备、电话系统、卫星、飞行系统、数字 娱乐设备等方面得到了广泛的应用但其在移动机器人方面的应用，国内尚属空白， 即使在国外，其应用研究也尚处在初始阶段。 无线技术不仅仅是无线互联网接入，其还包括w i f i 定位、自动监测、通用控 制器、个人服务器、通用通信器和数字家庭等无线连接技术【8 】在网络通信功能方 面，日本y a s k a w a 和德国k u k a 公司的最新机器入控制器已实现了与c a n b u s 、 p r o f i b u s 总线及一些网络的联接，使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了 一大步，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展。 第一章绪论 1 3 本文工作 论文最终所实现的是一款小型智能移动机器人，小巧、灵活，便于安装。本文 研究对嵌入式操作系统剪裁、移植，p c 机开发平台的建立以及网络通信同时完成对 底层硬件驱动的实现。在研究工作中，硬件环境是基于a r m 的高性能芯片$ 3 c 2 4 1 0 嵌入式微处理器，软件环境是嵌入式l i n u x 操作系统，其是著名的、源代码公开的 实时内核。 论文共分九章，各章内容如下： 第一章对机器人历史和发展进行综述，说明了本论文所研究课题的目的和意 义 第二章描述了嵌入式系统的发展历史，特点及其概况包括嵌入式系统的概念、 特点，并从嵌入式系统硬件、软件等各个方面，研究了当前该领域的最基本的技术 第三章介绍了a r m 嵌入式微处理器体系结构、应用领域及特点，描述了r i s c 与c i s c ，s 3 c 2 4 1 0 a 硬件资源与结构。 第四章基于嵌入式操作系统的移动机器人设计方案 第五章对嵌入式移动机器人开发平台的建立进行了研究，包括建立开发环境、 l i n u x 内核编译与移植和n f s 辅助开发环境建立 第六章嵌入式移动机器人运动控制的实现。 第七章嵌入式移动机器人接入i n t e r n e t 第八章系统实验结果 第九章总结与展望。 4 第二章嵌入式系统概述 第二章嵌入式系统概述 2 1 嵌入式系统的定义 嵌入式系统大多被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可 裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系 统。唧 电气工程师协会的定义似乎更权威一些：嵌入式系统是用来控制或者监视机器、 装置、工厂等大规模系统的设备。1 1 川 北京航天航空大学的何立民教授是这样定义嵌入式系统的：。嵌入到对象体系中 的专用计算机系统”。嵌入性”、。专用性”与。计算机系统”是嵌入式系统的三个 基本要素 ， 事实上，在大多数情况下，嵌入式系统是真正的被嵌入，即它们是。系统中的 系统”嵌入式系统在功能上是独立的系统，例如网络路由器是独立的嵌入式系统， 它由特殊的通信处理器，内存、许多网络端口以及实现包的路由算法的特殊软件组 成 嵌入式系统的最大特点是其所具有的目的性或针对性，即每一套嵌入式系统的 开发设计都有其特殊的应用场合与特定功能，这也是嵌入式系统与通用的计算机系 统最主要的区别另外，嵌入式技术与实时性有着天然的联系：由于嵌入式系统是为 特定的目的而设计的，且常常受到空间、成本、存储、带宽等条件的限制，因此， 它必须最大限度地在硬件上和软件上。量身定做”以提高效率，这样的结果最终导 致了实时性的增强。 2 2 嵌入式系统的特点 在硬件方面，嵌入式系统要针对用户的具体需求，对系统配置进行裁剪和添加 才能达到理想的性能，甚至根据用户的特殊需要，设计不同的系统以面向的不同的 用户。 在软件方面，求代码高质量、高可靠性，要求程序编写和编译工具的质量要高， 以减少程序二进制代码长度、提高执行速度、节省宝贵的存储空间。 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及上层应用 软件系统等组成，它是集软硬件于一体的可独立工作的系统。有以下特点： 1 ) 面向用户、面向产品、面向应用 和通用计算机不同，嵌入式系统的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能 5 第二章嵌入式系统概述 力、电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约，如果独立于应用自行发展，则会失 去市场。 2 ) 高效性、高可靠性 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在 同样的成本下实现更强的性能，这样才能在具体应用的选择面前更具有竞争力 3 ) 相对稳定性 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步 进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期嵌入式系统中的 软件，一般都固化在只读存储器中，而不是以磁盘为载体，可以随意更换，所以嵌 入式系统的生命周期也和嵌入式产品一样长另外，各个行业的应用系统和产品， 和通用计算机软件不同，很少发生突然性的跳跃，嵌入式系统中的软件也因此更强 调可继承性和技术衔接性，发展比较稳定嵌入式微处理器的发展也体现出稳定性， 一个体系一般要存在8 - 1 0 年的时间一个体系结构及其相关的片上外设、开发工具、 库函数、应用产品是一套复杂的知识系统，用户和半导体厂商都不会轻易地放弃一 种处理器。 4 ) 软件要求固态化存储 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯 片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 5 ) 系统软件( o 研一般要求较高的实时性 一 在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是 保证每个任务及时执行的关键，单纯通过提高处理器速度是无法完成和没有效率的， 这种任务调度只能由优化编写的系统软件来完成，因此系统软件的实时性是基本要 求。 2 3 嵌入式的发展 l ，嵌入技术的早期阶段： 以功能简单的专用计算机或单片机为核心的可编程控制器的形式存在，具有监 测、伺服、指示等功能。这种系统大部分应用于各类工业控制和飞机、导弹等武器 装备中，早期系统中一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接 控制。这一阶段系统的主要特点是：系统结构和功能都相对单一，处理效率较低， 存储容量较小，几乎没有用户接口，比较适合于各类专用领域中。 2 、以嵌入式c p u 和嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统： 这一阶段系统的主要特点是：出现了高可靠、低功耗的嵌入式微处理器，如 6 第二章嵌入式系统概述 p o w e r p c ， 蹦等，各类商业嵌入式操作系统开始出现并得到迅速发展。嵌入式操 作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好：操作系统内核精巧、效率高， 并具备高度的模块化和扩展性：具备文件和目录管理、多种设备支持、多任务、网络 支持、图形窗口以及用户界面等功能：具备大量的应用程序接口( a p i ) ，开发应用程序 简单；嵌入式应用软件丰富。f 1 1 l 3 、以芯片技术和i n t e r n e t 技术为标志的嵌入式系统： 微电子技术发展迅速。s o c ( 片上系统) 使嵌入式系统越来越小，功能却越来越 强。目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e r a c t 之外，但随着i n t e r n e t 的发展以及i n t e m e t 技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式技术与l n m m c t 技术的结 合正推动嵌入式技术的快速发展，近几年嵌入式系统的技术发展有了以下显著的变 化：i q i l l 习 1 ) 新的处理器越来越多，一方面，嵌入式操作系统自身结构的设计更易于移植， 以便在短时间内支持更多种微处理器；另一方面，系统应能使用驱动程序开发与配置 环境，造就一个新的璐p ( 板级支持包) 和驱动程序结构，以适应微处理器不断升级 变化所产生的需求 2 ) 开放源码之风已波及嵌入式操作系统厂家数量相当多的嵌入式操作系统厂 家出售产品时，就附加了源程序代码并含生产版税。 3 ) 后p c 时代更多的产品使用嵌入式操作系统，它们对实时性要求并不高，如 手持设备等。微软公司的w m c ep a l mo s ，j a v ao s 等产品就是顺应这些应用而开发 出来的值得注意的是随着i n t e r n e t 及芯片技术的快速发展，消费电子产品的需求 日益扩大，原来只关注实时操作系统市场的厂家纷纷进军消费电子产品市场，推出 了各自的解决方案，使嵌入式操作系统市场呈现出相互融合的趋势 4 ) 电信设备、控制系统要求的高可靠性，对嵌入式操作系统提出了新的要求 5 ) 各类通用机上使用的新技术、新观念正逐步移植到嵌入式系统中，如移动数 据库、移动代理等，嵌入式操作系统也出现了基于面向对象的分布式技术，如实时 c o r b a 、嵌入式c o r b a ，嵌入式软件平台正逐步形成。 6 ) 各种嵌入式l i n u x 操作系统正迅速发展，已经形成了能与w i n d o w sc e 等嵌 入式操作系统进行有力竞争的局面。嵌入式i a n u x 操作系统的迅速崛起，主要由于 人们对自由软件的渴望与嵌入式系统应用的特制性，要求提供系统源码层次上的支 持，而嵌入式l i n u x 正适应了这一需求，它具有开放源代码，系统内核小、效率高、 内核网络结构完整等特点，裁减后的系统很适于如信息家电等嵌入式系统的开发。 7 ) 面向定制趋势，在系统级整合改造并支持应用特制的性能，即在定制的或商 品化的硬件上提供高性能和高可靠性系统服务，将操作系统的功能和内存需求定制 成每个应用所需的系统，这同时也对嵌入式系统的设计提出了挑战。 8 ) 嵌入式系统的多媒体化和网络化方向趋势，特别是i n t e r n e = t 与无线网络的结 7 第二章嵌入式系统概述 合。 9 ) 基于知识的嵌入式系统也已开始出现 上述变化预示嵌入式系统将进入一个快速发展时期，在不久的将来，嵌入式系 统应用将越来越多样化，它不仅仅局限于传统的控制领域，将广泛应用于信息家电、 工业、农业、商业、服务业等各行业，而且将渗透到社会和家庭的各个角落。 是 第三章a 跚嵌入式微处理器概述 3 1a r m 简介 第三章a r m 嵌入式微处理器 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以认 为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。 1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前， 采用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理器，即我们通常所说的a r m 微处理器， 已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品 市场，基于a r m 技术的微处理器应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的 市场份额，a r m 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面0 4 1 a 跚公司是专门从事基于r i s c 技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供 应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯 片，世界各大半导体生产商从a r m 公司购买其设计的a r m 微处理器核，根据各自 不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的a r m 微处理器芯片进入 市场i 嘲 3 2a r m 微处理器的应用领域及特点 3 2 1 跚微处理器的应用领域 到目前为止，a r m 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域：1 1 6 l l 、工业控制领域：作为3 2 的r i s c 架构，基于a r m 核的微控制器芯片不但 占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领 域扩展，a r m 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8 位1 6 位微控制器提出 了挑战。 2 、无线通讯领域：目前已有超过8 5 的无线通讯设备采用了a r m 技术，a r m 以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。 3 、网络应用：随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l 芯片正逐步获得 竞争优势。此外，a r m 在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持，也对d s p 的应用领域提出了挑战。 4 、消费类电子产品：a r m 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒 和游戏机中得到广泛采用。 5 、成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用a r m 技 术。手机中的3 2 位s i m 智能卡也采用了a r m 技术。 除此以外，a r m 微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取得 9 第三章a r m 嵌入式微处理器概述 更加广泛的应用。 3 2 2a r m 微处理器的特点 采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点： 1 ) 体积小、低功耗、低成本、高性能； 2 ) 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位 器件； 3 ) 大量使用寄存器，指令执行速度更快； 4 ) 大多数数据操作都在寄存器中完成： 5 ) 寻址方式灵活简单，执行效率高； 6 ) 指令长度固定； 3 3a r m 微处理器系列 删微处理器目前包括下面几个系列，以及其它厂商基于a r m 体系结构的处 理器，除了具有a r m 体系结构的共同特点以外，每一个系列的a 跚微处理器都有 各自的特点和应用领域。 a 蹦7 系列 啪系列 a 舳e 系列 删1 0 e 系列 s e c u r c o r e 系列 i n t e r 的x s c a l e i n t e r 的s t r o n g a r m 其中，a r m 7 、a r m 9 、a i 瑚g e 和a p 瑚i o 为4 个通用处理器系列，每一个系列提 供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求s e c u r c o r e 系列专门为安全 要求较高的应用而设计 介绍和本课题相关的a r 姻微处理器系列。 a 跚9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能，具有以下 特点： 1 ) 5 级整数流水线，指令执行效率更高。 2 ) 提供1 1 m i p s 删z 的哈佛结构。 3 ) 支持3 2 位a 跚指令集和1 6 位t h u m b 指令集。 4 ) 支持3 2 位的高速a 粕a 总线接口。 5 ) 全性能的舢，支持w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等多种主流嵌入式操 作系统。 6 ) m p u 支持实时操作系统。 7 ) 支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力。 a r m 9 系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、 l o 第三章a 剃嵌入式微处理器概述 高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。 a p - $ 1 9 系列微处理器包含a p - 潮9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 和a 啪4 0 t 三种类型，以适用于 不同的应用场合 3 4a r m 微处理器结构 r i s e 体系结构： 传统的c i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，复杂指令集计算机) 结构有其固有的缺点，即随着计算机技术的发展而不断引入新的复杂的指令集， 为支持这些新增的指令，计算机的体系结构会越来越复杂，然而，在c i s c 指令 集的各种指令中，其使用频率却相差悬殊，大约有2 0 的指令会被反复使用， 占整个程序代码的8 0 而余下的8 0 的指令却不经常使用，在程序设计中只 占2 0 ，显然，这种结构是不太合理的 基于以上的不合理性，1 9 7 9 年美国加州大学伯克利分校提出了r i s e ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，精简指令集计算机) 的概念，r i s c 并 非只是简单地去减少指令，而是把着眼点放在了如何使计算机的结构更加简单合 理地提高运算速度上r i s e 结构优先选取使用频最高的简单指令，避免复杂指 令；将指令长度固定，指令格式和寻地方式种类减少；以控制逻辑为主，不用或 少用微码控制等措施来达到上述目的。 到目前为止，r i s c 体系结构也还没有严格的定义，一般认为，r i s e 体系结 构应具有如下特点： 采用固定长度的指令格式，指令归整、简单、基本寻址方式有2 3 种。 使用单周期指令，便于流水线操作执行。 大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载存储指令 可以访问存储器，以提高指令的执行效率 除此以外，a 雕体系结构还采用了一些特别的技术，在保证高性能的前提下 尽量缩小芯片的面积，并降低功耗： 所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，从而提高指令的执行 效率。 可用加载存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率。 可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理。 在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。 当然，和c i s c 架构相比较，尽管r i s e 架构有上述的优点，但决不能认为 r i s e 架构就可以取代c i s c 架构，事实上，r i s e 和c i s c 各有优势，而且界限并 不那么明显。现代的c p u 往往采用c i s c 的外围，内部加入了r i s e 的特性，如超 长指令集c p u 就是融合了r i s e 和c i s e 的优势，成为未来的c p u 发展方向之一 a r m 微处理器的寄存器结构 a 删处理器共有3 7 个寄存器，被分为若干个组( b a n k ) ，这些寄存器包括： 1 1 第三章a r m 嵌入式微处理器概述 3 1 个通用寄存器，包括程序计数器( p c 指针) ，均为3 2 位的寄存器。 6 个状态寄存器，用以标识c p u 的工作状态及程序的运行状态，均为3 2 位， 目前只使用了其中的一部分 同时，a r m 处理器又有7 种不同的处理器模式，在每一种处理器模式下均有 一组相应的寄存器与之对应。即在任意一种处理器模式下，可访问的寄存器包括 1 5 个通用寄存器( r 0 r 1 4 ) 、一至二个状态寄存器和程序计数器。在所有的寄 存器中，有些是在7 种处理器模式下共用的同一个物理寄存器，而有些寄存器则 是在不同的处理器模式下有不同的物理寄存器 关于a r m 处理器的寄存器结构，在后面的相关章节将会详细描述。 a 蹦微处理器的指令结构： a r m 微处理器的在较新的体系结构中支持两种指令集：a r m 指令集和t h u m b 指令集。其中，a 蹦指令为3 2 位的长度，t h u m b 指令为1 6 位长度。t h u m b 指令 集为a r m 指令集的功能子集，但与等价的a 跚代码相比较，可节省3 0 4 0 以上的存储空间，同时具备3 2 位代码的所有优点 3 5a r m 微处理器的选型 从前面所介绍的内容可知，a r m 微处理器包含一系列的内核结构，以适应 不同的应用领域。a r m 9 2 0 t 是a r m 9 t d m i 系列微处理器之一，具有哈佛缓存 结构，主要用于：存储器管理、高性能和低功率都重要的多道程序应用。a r m 9 2 0 t 支持a r m 调试结构，包含硬件调试和软件调试的辅助逻辑，并支持协处理器， 能输出跟随简单握手信号的指令和数据总线。 基于本课题需要嵌入l i n u x 操作系统，所以选择带有m m u ( m e m o r y m a n a g e m e n tu n i t ) 功能的a r m 9 2 0 t 内核在所有a r m 处理器中，a r m 7 2 0 t 微处理器属于中端产品，应用也十分广泛选用内嵌a r m 9 2 0 t 的三星公司的 3 2 位$ 3 c 2 4 1 0 a 处理器s 3 c 2 4 1 0 a 是3 2 位低功耗r i s c 宏单元，其工作频率 为2 0 3 m h z 。同时支持t h u m b l 6 位压缩指令集，从而能以较小的存储空间需求， 获得3 2 位的系统性能。c p u 内部集成有1 6 k b 的指令缓存和数据缓存、l c d 控 制器( 可支持s t n 和t f r ) 、n a n df l a s hb o o tl o a d e r 、系统管理器( 片选逻辑 和s d r a m 控制器) 、3 路u a r t 、4 路d m a 、4 路p w m 和1 个内部时钟控 制器、8 路l o 位a d c 和触摸屏接口、可编程的通用i o 口、以及j c 和j s 总 线接口、u s bh o s t u s bd e v i c e 接口等等，并带有s dh o s t 和多媒体卡 ( m u l t i - m e d i ac a r d ) 接口，有着非常丰富的片内外围，极大地简化了系统的设 计。1 1 7 1a r m 9 2 0 t 功能框图如下： 第三章a 脚嵌入式微处理器概述 第四章基于嵌入式操作系统的移动机器人设计方案 第四章基于嵌入式操作系统的移动机器人设计方案 4 1 嵌入式移动机器人的硬件框架 核心板：c p u 采用三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 a ；6 4 m bn a n df l a s h ，所用芯片为 k 9 f 1 2 0 8 , 用于固化l i n u x 内核、根文件系统以及启动代码；6 4 m b s d r a m ，所用芯片为k 4 s 5 6 1 6 3 2 ：2 0 针j t a g 接口接硬件仿真器对程序在线 调试。 扩展板：键盘用于移动机器人系统的基本操作；液晶屏提供了更好的人机交 互界面；s p i 接口用于连接机器人底部直流伺服电机；以太网接口可以使机器人 系统接入互联网，从而使远程p c 对机器人进行控制；其它的外围电路还包括 s m c 卡接口，s d 卡接口等 图4 - 1 机器人硬件框图 4 2 嵌入式移动机器人硬件系统 4 2 1c p u 介绍 $ 3 c 2 4 1 0 a 是利用a r m 的a r m 9 2 0 t 内核，采用o 1 8 微米标准c m o s 技 术制造的。它的小巧低功耗全静态设计特别适合于价格和功耗敏感的系统。它采 1 4 第四章基于嵌入式操作系统的移动机器人设计方案 用了一种全新的总线设计，即a m b a ( a d v a n c e dm i c r o c o n t r o l l e rb u s a r c h i t e c t u r e ) 。 a r m 9 2 0 t 内核实现了m m u ，a m b a 总线和h a r v a r d 高速缓冲体系结构，这一 结构具有独立的1 6 k b 指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e 。 提供完整的系统外围使得s 3 c 2 4 1 0 a 能够尽可能的减少系统的整体成本和 减少另外的设备组件。集成在片上的功能包括： 内核1 8 v 供电，3 3 v 外部u o 接口及存储器供电； 1 6 k b 的指令c a c h e 和1 6 k 8 的数据c a c h e u ： 外部存储器控制器( s d r a i 控制器和外部片选信号产生逻辑) ； l c d 控制器并有一个通道的d k a 能支持高达4 k 的s t n 和2 5 6 k 的t f t ； 4 通道带有外部请求引脚的d w a ； 3 通道的d a r t 和2 通道的s p i ： 1 通道的多主，2 c 总线和l 通道的i i s 总线控制器； s d 存储器控制接口； 2 个u s b 主口和一个通道的u s b 从口； 4 通道的p w m 定时器和一个通道的内部定时器； 带有看门狗定时器： 1 1 7 个通用i o 口和2 4 个外部中断源； 4 种电源模式：一般模式、低速、休眠、掉电； 内部a d c ，8 通道1 0 位； 触摸屏接口； 片上p l l 时钟发生器。 4 2 2n a n df i a s h 存储器 在嵌入式系统领域中，f l a s h 存储器作为一种安全、快速的存储体，具有体 积小、容量大、成本低、掉电数据不丢失等一系列优点。目前已经逐步取代其它 半导体存储元件，成为嵌入式系统中主要数据和程序载体而目前的主流f l a s h 可分为弛谢dh a s h 和n o rf l a s h 两种众所周知。以往在嵌入式微处理器上使 用的f l a s h r o m 都是n o r 架构的，这种n o r 架构的f 1 a s h m e m o r y 技术是由i n t e l 公司在1 9 鼹年首先开发成功。而紧接着，1 9 8 9 年t o s h i b a 公司发表了n a n d f l a s h 结构，强调降低每b i t 的成本，更高的性能，并且象磁盘一样可以通过接口轻松 升级。至今，这两种f l a s h 技术在市场上占有主导地位。两者各有优缺点，操作 f l a s h 需要注意以下几点：必须以几k 至几十k 的块为单位进行数据的操作：擦除 操作耗时较多，应减少擦除操作；尽量避免频繁地对同一地址操作，以免造成局 部单元提前损坏。n a n d 结构提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并 且写入和擦除的速度也很快。应用n a n d 的困难在于h a s h 的管理需要特殊的系 统接口。 $ 3 c 2 4 1 0 a 内部集成了一个n a n dh a s h 控制器，c p u 可以直接由n a n d f l a s h 启动。与n o r f l a s h 相比，n a n df l