（信号与信息处理专业论文）嵌入式系统设计方法的研究与实践.pdf

摘要 摘要 随着嵌入式系统应用的进一步扩大，各种软硬件技术不断进步，如 何利用丰富的资源进行快速、高效的设计是工程师的不变追求，所以， 找到一种有效的设计方法与先进的设计理念，至关重要。本论文尝试 结合可重用设计方法学和软硬件协同设计思想，采用a r m + f p g a 的 硬件架构，进行嵌入式系统的开发。所设计的系统综合了a r m 和f p g a 的优势低成本、高性能、低功耗、设计灵活、功能可裁减；更为 重要的是突出了可重用设计方法学的理念。 本论文重点讨论了可重用设计方法学和软硬件协同设计思想，以及 如何采用资源可复用的硬件架构，进行了嵌入式系统设计方法的研究， 并将这种独特的设计方法成功地应用到实际科研项目台标识别设 备和网络视频监控终端设备两项工程设计之中。其中台标识别设备是 世界上第一台基于图像识别技术的电视频道检测装置，与网络和服务 器相配合，实现了全国第一套实时收视率调查系统。 关键字：a r m ，f p g a ，软硬件协同设计，可重用方法学 缝! ! 黧 a b s t r a c t 孙f c e e 魏弦嚣醛w 嚣h a s e e 珏抛糠o r 婶p l i c 瓣雠o f 镪ee 撒b c d d 犍 s y s 姒n 。c a p t u f et h ct r u e | e q u i r e 雠n t sa n d t h e nd # s i 鳃a n di m p l e m c n t t h e s y s t e mq u i c k l ya n de 砸c i e t i yi sa l w a y s 出en e v 小e n d i n gp u r s u 姓f o rt h e e n 窝i n r s s oi t sc n l d a ll o 蠡】稚a ne 最e c t i v em e l 如da l l da na d v a n c e d d e s i 髓泌gi d e a 弧 st h e s i sa t t e m p t sl o m b i n # t h er e n s cm e 壤o d o l o g y 鞠d 圭h es o 躺a f 出黼璋c o 删眺t i o nd e s 潮i 鸭i d e a 耋od e s 礤妞a r m + f p 泓。 a r c b i 姥c 量n 她- b a s 耐e m b e d d e ds 笋t e m 。t 熟i ss y s t e mi n l e g 糟l e st h e 聪s p e ( 生i v e a d v a n t a g e so fa ra n df p g 氏s u c ha sl o wc o s t ，h i 曲p e r f o r n t a l i c e ，l o w p o w e rd i s s i p a t i o n ，f l e x m 滁yi nd e s i g i l i n 岛c o 桶g u r a b l ef u n e t i o nm o d u l e s ， a 珏de s p e c ；癌l y 辔e 糕e e p to f 氆of e 驳s e 撙娃h o d o l o g g 轻i d 文姆氆弧f 嚣v o k t i 冁缸y n 嵇p t 勰娃d e s i g b i 端i d e a s ， 沁 c o m p f e h e n s i v ed e s i 艘1 i n gm e t h o dd i s s e r t a t e di nt h j st h e s i si ss u c c e s s f u l l y a p p l i e dt oa r e a ls c i e n t i 螽ca n dr e s e a r c h i n gp r 0 料a m 一t vl c o nr e c o g i l i t i o n e q u i p m e n ta n dl | l 。v i d e os u f v e i l l a n o et e h b i n a lb 8 s e d 潍t h oa 鬏l 睡p l 珏s f p g ap l a t f o 釉孙ep a t l e mr 嚣g n i l i o n 奄a s 甜wl 拜羟e c o g n i t o n e q u i p m e n t ，w h i 曲i sc o n n e c e d 蛔t h e 辑m o t os e r v e rb yg p r s o ri n t e f n e t ，i s t h e6 s to n ei nt h el 勘( ep f o d u c t sb yn o w k e y w o r d s ：a r m 、f p g a s o n m 删州a r cc o o r d i n a t j o nd e s 蛳、r e u s e l 锵赫蕊赫g 娃 独创性声明 y8 8 0 0 1 3 本人声明，所呈交的学位论文是我个人在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。尽本人所知，除了 文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京 交通大学或其他教学机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一起工作的同志对本研究所做的任何贡献已经 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本人签名返盥 曰期：邕生年三月旦日 关于论文使用授权的说明 本人宪全了解北京交通大学有关保髫、使用学位论文 的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论 文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可黻采耀影窜、缩窜或萁德复锈手段保存论文。论文中 艇有创毅和成果归j 匕京交邋大学计算机与信息技术学院 所有。未经许可，任何单位和个人不得拷贝。版权所有， 违者必究。 本人签名_ 邀盟 圜期：髦殳年立其坚基 第一章综述 i 1 嵌入式系统的发展现状 1 1 1 嵌入式系统概念 嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义，嵌入式系统定义也有多 种说法，国内普遍被认同的定义是：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“l 。 嵌入式系统的最大特点是其所具有的目的性或针对性，即每套 嵌入式系统的开发设计都有其特殊的应用场台与特定功能，这也足嵌 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”咀提高效率，这样的结果最终 导致了实时性的增强。 1 1 2 嵌入式系统发展现状 作为一个系统，往往是在硬件和软件双螺旋式交替发展的支撑下逐 渐趋于稳定和成熟。就嵌入式系统而言也不例外，嵌入式系统发展阶段 没有一个详细的划分，较为普遍的认同是四个阶段：“ 1 简单单芯片阶段，特点是系统结构和功能都相对单一，针对性 强，无操作系统支持，主要通过汇编语言编程对系统进行直接 强，无操作系统支持，主要通过汇编语盲编程对系统进行直接 北京交通大学硕士学位论文 控制，基本没有用户接口。代表产品是e l 的8 0 4 8 、8 0 5 1 ； 2 简单操作系统阶段，特点是通用性差，针对性强，具有一定的 兼容性和扩展性：代表产品是r e a d ys y s t c m 的v 棵x 3 2 ； 3 实时多任务操作系统阶段，该阶段系统特点是能运行在各种不 同的嵌入式处理器上；具备了文件和目录管理、多任务、设备 驱动支持、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有丰 富的a p i 和嵌入式应用软件。代表产品是p a l m0 s 、w i n c e 、 l i n u x ，v x w o r k s 。 4 与i n t e m e t 相结合阶段，该阶段的特点是i i l t c m e t 网络和嵌入式 操作系统相结合，无缝的应用到各种应用设备，比如可以上网 定购食品的冰箱，可以下载食谱的微波炉等。代表了嵌入式系 统的发展方向。 今天，嵌入式系统无论在技术还是应用上，都有了飞速发展，嵌入 式技术的功能已经变得越来越强，他们的应用无所不在，包括通讯、 汽车电子、手持设备、信息家电、工业控制等，以至与在许多领域可 以代替传统的p c 机、工控机进行工作。 在世界范围内，嵌入式系统带来的工业产值己经超过1 万亿美元。 在我国，2 0 0 4 年嵌入式产品经济总量达已经达到2 0 0 亿美元，其中嵌 入式处理器芯片约为1 0 亿美元。同时，3 2 位m p u 的需求量继续以1 0 0 的速度增长例。 嵌入式系统技术方面，关键是芯片技术、软件技术、通讯网络技 术等。芯片技术，随着半导体工艺技术的发展全球已有3 0 多种系列近 千种微处理器( p p ) 、微控制器( 弘c ) 与数字信号处理器( d s p ) ， 例如s t 瑚g a m l 系列，x 8 6 系列，p o w e f l 陀系列，1 1 嵌入式d s p 系列等。 单片机已从m c s - 5 1 到8 0 c 5 1 m c u ，现已进入片上系统( s 0 c ) 阶段。 2 嵌入式软件技术，支撑软件及应用软件近年肖迅猛的发展。嵌入 式撵 筝系绫- 散e l ! l 黻x ，v x 骶酝t 嘲珏饯，p 蠢m 瞒，e 确c ，l y n 蚋s ， d s p l i n u x 簿。我国自主开发的系统有d e l t a 0 s 、中软u n u x 2 0 、红旗u n u x 发东方“赫暇等；鬻内磐蠢大量灏入式斑掰软辞蠢广泛弱予各类嵌入式 系统中嘲。 1 1 3 嵌入式系统发展趋势 嵌入式产品的广泛殿用，为嵌入式市场展现了美好前景的同时， 魄瓣嵌入式系统技术撬蠢灏数魏黢。这塑要求，不经亲爨应翅熬黉簧， 也是激烈市场竞争的必然结果。为满足这种需求，对嵌入式软硬件设 计技术帮罐出了受高的蚕求，酸下觚五个方面俸残赉嵌入式系统的发 展趋势： l 、嵌入式娥壤器：新的微处遴器层出不穷，向着高速度、高精度、 低功耗、低成本的方自发震，处理能力方蕊，3 2 位m p u 代表着嵌入式 处理器厩逐渐成为主流。为支持小型电予设备，必须实现嵌入式处理 器戆枣尺寸、徽凌耗窥低贼本。 2 、嵌入式操作系统：随着硬件实时髋要求的提高，系统的软件规 模瞧不叛扩大，蜜靖多谨务撩俸鬈统 s 硼c 技术最早是由美国a l t c m 公讨在2 0 0 0 年提出的，是由现代计 葬辊辅髓设诗技寒、电子设计葭谚馥秘a 技术释大蔑模集戒魄路技术 高度发展的产物。s 0 p c 技术将尽可能大而究整的电子系统在一块 粉g a 中实现，使得所设计韵电路在规模、可靠牲、体积、功能、性 能指标、上市周期、”发成本、产品维护及其硬件升级等多方面实现 最优化。 它麓先是片上系统( s o c ) ，邓出擎个芯片宠成整个系统熬主要逻 辑功能；其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可 扩充、霹舞级，劳吴备软硬律嶷系统霉绫程懿凌藐，p c 结合了溺c 和f p g a 各自的优点。 耀竣计技术实辫主涵盖了嵌入式系统设计技术豹全部斑容，除 了以处理器和实时多任务操作系统( 础m s ) 为中心的软件设计技术、 戳k 辩和信号究整性分析为基础的高速电路设计技术以外，s o p c 还 涉及耳前普遍关注的软硬件协嗣设计技术，架构中的多核实现技术。 同时，s o p c 设计以l p 为基础，体现了可重用设计，麓至远端网络升 级彝可纛配置。 例如，) ( i l i 黻有关人士透露，2 0 0 4 年美国发射的火鼹车“勇气号”， 蹩陵灭鬃嚣发璧多憝鼓舞，由予灸星车溪矮了簸势宠遴豹胃重麓技术， 美国宇航局对火星车重新进行了软件下载升级，结果显示，火星车重 新启动，故障排除。 1 4e d a 发展对嵌入式系统设计的影响 1 4 1e n a 发展历程 e n a ( e l e c t m n i cd 鹤i g l la u t o m a l i o n ) 技术是在电子c a d ( c o m p u t e r a u t od e s i g l l ) 技术基础上发展起来的计算机软件应用系统，是指以计算 机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能 化技术的最新成果，进行电子产品的自动设计。主要能辅助进行三方 面的设计工作：i c 设计，电子电路设计以及p c b 设计。利用e d a 工具， 电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作 可以通过计算机完成。 e n a 技术具有3 0 年发展历程，主要分为三个阶段： 第一阶段为c a d ( c o m p u t e r a i d e dd e g i n g ) 阶段：这一阶段人们开 始用计算机辅助进行i c 版图编辑和p c b 布局布线，取代了手工操作， 产生了计算机辅助设计的概念。 第二阶段为c a e ( c 咖p u t e r a i d e de 鸣i n r i n g ) 阶段：o 墟的中心 思想是将复杂设计分解为较简单的设计后再求解，与c a d 相比，除了 纯粹的图形绘制功能外，又增加了电路功能设计和结构设计，并且通 过电气连接网络表将两者结合在一起，以实现工程设计，这就是计算 机辅助设计复杂工程的概念。c a e 的主要功能是：原理图输入，逻辑 仿真，电路分析，自动布局布线，p c b 后分析。 第三阶段为e 缸a 删咖n i cs y 咖md 郫i 驴舢l 蛔m 岫) 阶段 在整个 电子系统设计过程中，如果自动化和智能化程度还不高，则将会极大 1 l 北京交通大学磺士学位论文 地影响设计承平和效率。予怒人们歼始追求赏镪整个设计遥程的自动 化，这就是脑d a 即电子系统设计妇动化，代表了濒今电予设计技术 的最新发展方向。哺 1 4 2e d i a 设计方法 蕊代龟子产品黥笈杂度舔益加深，一量毫乎系绕碟能由数万个串，l 、 规模集成电路构成，这就带u 米了体积太、功耗大、可靠性羞的闯题， 解决这一闯蹶的有效方法就麓采用a s i c + e s d a 的设计方法。a s i c 分 为金定劁a s 妃，半定铡a s l c ，可编獠a s i c ( 也稼为弼缡程逻辑器转) 。 它的基本特征是：设计人员按照”自顶向下”的设计方法，对熬个系统谶 行方案设诗秘功藐翅分，系绞静关键邀鼹蠲一冀或a 冀专蠲集成电鼹 ( a s i c ) 实现，然后采用硬件描述语吉( h d l ) 完成系统行为级设计， 最嚣逶遂综禽器露遥鬻器生藏最终静鏊莸i 器伟。这撵的设诗方法被称 为高层次的电子设计方法。m 1 4 3e n a 技术进步推动嵌入式系统设计的发展 全世界有1 0 0 多窳e d a 厂商，硬件供应商主要肖脊x i l i n x 、越t e r a 、 矗醚d 麓、h | 旺。等；软搏洪敷赛主要骞：酝黼雠、酝d 鞠、s 蠲o p s y s 、 v 汹山g i c - s y s l c 雌、p m t e l 等，这些厂商每年不仅提供大量高性能处璁 器芯片，蔼蠢捷供功能疆大静专韭鞠a 软件。琶b a 技术鹃誉断进步， 大大加速了嵌入式系统设计的发展，主要表现在三个方面，嵌入式处 理器、电予电路设计、p c b 设计。 出于嵌入式系统应趸场念豹多榉，以及慰功耗、性憩、灵活性、 可配髓性、可升级性的要求，以及告诉数据传输、图象处理嚣的需要， 综述 单一的处理器已经很难满足功能要求。而可编程a s i c 和f p g a 芯片结 合后的优势在于，设计灵活、功能强大，功能可裁减。设计人员完成版 圈设计后，在实验室就可以烧制出自己的芯片，缩短了开发周期，大大提 高了系统的可配置性。同时，s o p c 技术的出现，集m c u 和f p g c p l d 的优点于一身，实现可配置s o c ，既适应了设计人员对系统部件集成 的需要，又能实现可重配置需求的灵活性，把嵌入式处理器的应用推 向了一个新的高度。 各种功能强大的e d a 软件将为电路设计提供了直观、易用、可靠 的编译、仿真环境。为检测设计方案的正确性，在完成设计电路原理 图后就可以进行功能仿真，包括数字电路的逻辑模拟、故障分析、模 拟电路的交直流分析、瞬态分析。计算机上模拟的输入输出波形代替 了实际电路调试中的信号源和示波器。从而验证电路设计的正确性。 当电路设计完成后，接下进行p c b 板设计。现代的e d a 辅助工具 在传统的物理约束的基础上扩充了电气约束的能力，提供智能的布局、 布线工具，能在制作p c b 板之前进行分析，包括热噪声、信噪比，窜 扰、电磁兼容、可靠性等分析，分析结果反馈指导设计。设计完成后 甚至可以进行后仿真，即检验p c b 板在实际工作环境中的可行性。 由此可见，e d a 技术使工程师在实际的嵌入式系统产生之前，就 可以全面地了解系统的功能特性和物理特性，从而将开发过程中出现 的缺陷消灭在设计阶段，不仅缩短了开发时问，也降低了开发成本。 e t 埴技术另一重要的作用是，使完全没有硬件设计背景的技术人 员可以快速投入到硬件设计中，并提供了一条从算法模型到硬件实现 的快速解决通道，极大的缩短了开发周期，开辟了一条嵌入式系统设 计的新路。例如】【i l i n 】【公司开发的基于m a t l a b 的d s p 开发工具一_ d s p b u n d 盱，它是s i 蛐i l i n l 【中一个基于f p g a 的信号处理建模和设计工具。 北京交通大学硕士学位论文 工程师利用该工具可以将在m a t l a b 中仿真验证的算法直接生成硬件描 述语言，可以在s i m u l i n k 中实现即g a 电路的系统级建模，可以自动 生成m o d c l s i m 测试程序，支持软硬件仿真，支持用户创建的s i m u l i n k 模块。 1 5 论文的工作内容和组织结构 当前，嵌入式体统已经被广泛应用，但是高效的嵌入式系统设计方 法，先进的软硬件架构技术，以及可重用设计方法，一直是设计工程 师不变的追求。论文针对嵌入式系统的概念、设计方法以及分类做了 综述性的介绍，在现有的嵌入式系统设计方法的基础上，尝试结合可 重用设计方法学和软硬件协同设计思想，采用a r m + f p g a 的硬件架 构，进行嵌入式系统的- 丌发。综合了a r m 和f p g a 芯片的优势高 性能，低功耗，设计灵活、功能可裁减，更为重要的是突出了可重用 设计方法学的理念。论文的主要创新点和特色性工作主要有以下几个 部分： 一、结合可重用设计方法学和软硬件协同设计思想，采用a r m + 邪g a 的硬件架构，阐述嵌入式系统的开发模式。 二、 将这种综合的设计方法成功的应用到实际的科研项目一台标 识别设备和网络视频监控终端设备的设计中。 三、 实现了台标识别系统，这是世界上第一台基于图像识别技术的 频道检测装置，构成了全国第一套实时收视率调查系统。 四、利用可重用设计模式，在台标识别设备的设计上进行了必要修 改，成功的应用于网络视频监控终端的设计。 针对上面叙述的工作内容，论文的结构分为以下几个章节： 第一章综述：介绍嵌入式系统的发展现状、嵌入式系统的技术 1 4 特征、e n a 发展对嵌入式系统设计的影响和推动，以及论文的内容和 结构。第二章嵌入式系统设计方法：介绍嵌入式系统架构、嵌入式系 统设计原则，重点介绍嵌入式系统软硬件协同设计方法。第三章a i m 处理器技术及实时操作系统：讲解j a i u 讧嵌入式处理器以及基于a r m 处理器的操作系统，重点比较各种嵌入式处理器和嵌入式操作系统， 并给出选型原则。第四章基于a l t m 的收视率调查系统设计和图像识 别算法的实现：首先对收视率调查系统做了简介，重点讲述收视率调 查系统的设计和台标识别算法的研究。第五章基于a i 【m 的收视率终 端设备的实现：详细介绍台标识别系统的软硬件实现，分为a r m 处理 器及外围电路的设计、f p g a 及其外围电路的设计、p c b 设计、最小系 统调试b o o t l o a d e r 配置与移植、c l i n u x 操作系统的移植以及系统的综 合测试。第六章a i t m + f p g a 技术对可重用设计的贡献：对收视率调 查设备设计做了总结，并将此设计方法再次应用到实际科研项目中一 一网络视频监控终端设备开发，证明可重用设计方法的优势。第七章 总结和展望：总结可重用设计方法学和软硬件协同设计思想以及a r m + f p g a 的硬件架构的综合嵌入式系统设计模式，同时指出工作的不 足，为后续工作做了展望。 北京交通大学硕士学位论文 第二章嵌入式系统设计方法 尽管嵌入式系统应用面极其广泛，复杂程度差别极大，应用的个 性化要求各不相同。但是，嵌入式系统总体设计需要考虑的主要问题 仍然可以归纳成下述几个方面：闼 系统分析，理解应用需求。 形成软硬件协同设计方案； 嵌入式处理器选型； 实时操作系统( r 1 d s ) 选型； 丌发工具( 例如编译器、仿真器) 选型或开发； 数据通路的设计； 可测试性设计； 可重用性设计： 仿真、验证环境的建立： 图2 1 嵌入式系统设计结构图 嵌入式黎统设计方法 下面将从系统架构、软硬件协同设计方法两方面进行阐述。 2 1 嵌入式系统架构 要进行嵌入斌系统设计，首先我们必须对嵌入式系统架构育一个 潢喙憨诀识。嵌入式系统懿架构掰以分成靼令部分：处理嚣、存镶器、 输入输出和应用n l 。结构如图2 所示： 图2 2 嵌入式系统结构 嵌入式处理嚣楚嵌入妓系绞黪核心，出于嚣鞠应建、聪淘矮户熬特 点，针对不同应用和不同半导体工艺，目前，世界上具商嵌入式处理 嚣鼍经怒避了l o 多耱，筠多个攀确。举阉酶麓瑾器有葵不司弱功能 和优势。但是低成本、低功耗、商性能悬嵌入式系统应用的特殊隳求。 存储嚣也是祷建嵌入式系统豹重要部分，圭瑟分为眦s h 存储嚣 和s d r a m 存储器，存储器豹选择依赖于处理器的选择，就其功能来 说，需甍容量大的，性能稳定的存储器。就f b 镐h 来说，还需要考虑 耥h 憋读、写、攘除掇传是否方便。 嵌入式系统千差万别的应用场合决定了其外潮设备和输入输出设 蒜爨多样缝，数鬃、缝皱蕙线可苏遴程板缓懿扩装，另羚不司韵处理 器支持不同的接阴：串口、并口、k d 接口、红外、u s b 口、r s 4 8 5 、 缓太弱西，虢及醛国s 、a 曝弼络按弱等。这落蹩处理嚣选登鹃蓬妻 1 7 北京交通大学硕士学位论文 依据之一。 2 2 嵌入式系统设计原则 具体在硬件功能模块的设计中，为了使设计合理，确保测量的精 度，以获得最佳的设计效果，应该注意以下几个设计原则： 1 - 硬件资源留有余地 用最新或是功能更完善的芯片，功能强的芯片能够使精度和可靠性 得到了保证。通过正确选用高性能的接口控制芯片，提高了系统的可 靠性，并使设计留有余地，为以后的升级提供了方便。 2 i ，0 接口的可重配置性设计 除硬件资源留有余地，胸接口设计也要充分考虑可重配置设计， 因为软件的升级比硬件要方便得多，而且往往只要修改或添加软件中 数据处理的模式或算法，就可以大幅度地提高系统的功能。例如在系 统的关键接点或总线上添加可编程逻辑器件，一方面可以充分使用资 源丰富的i p c o r c ，另一方面也为后期的系统升级提供方便，提高系统 的可重用性。 3 软硬件实现比例的合理性 以软件代硬件，原则上，在实时性允许的条件下，能够用软件完 成的功能，就不用硬件，这样不仅仅节省了成本，而且也提高了系统 的可靠性。 4 系统的特殊需求性设计 低功耗，在嵌入式处理器与外围芯片选择时，以及应用程序编写 时，要充分考虑降低功耗。尽量采用c m o s 工艺的低功耗的芯片，有 利于减低自身发热，同时减轻电源负担，增加系统的无故障使用时间， 这也是提高系统可靠性的措施之一。 1 8 撒 式系统设计方法 s 系统酶甏攘性设计 严格布局布线，为了褥到系统更嵩的精度和可靠性以及提嵩抗干 扰能力，要尽可能多的采用降噪技术。例如，采用地和电源平板，平 援面积要大，以便为电源去藕合提供低黻拣：使表甏鼯薅最少；袋溺 鬻线条，以增加高频阻尼和降低电容耦台；分开数字、模拟区域和接 收器、发送器地电源线：根据频率和类型分隔p c b 上的电路；采用多 患接圭| 垂使褰频接避疆撬降低等。同时，程接魏屡也娶遴孬区域戴努。 例如4 8 5 模块与其它器件不筵地。其次出于是s d r a m 的工作频率比 较高，在布局的时候就要进行仿真，防止各种干扰。 2 3 嵌入式系统开发平食熬的选登原剩 2 3 1 硬件开发平台的选择 嵌入式系绕的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，嵌入式开发 硬件平台的选择主要是针对嵌入式处理器的选择。在一个系统中使用 纷么稃的嵌入式娃瑾嚣蠹核主要取决予庭麓熬疆域、麓户豹需求、成 本、开发的难搦程度等因素。确定了使用哪种嵌入式处理器内核以詹， 接下来就是综含考虑系统外阐设备，要求满足功能需求的同时，又能 终魏憝理器最稳定夔支持，下瑟裂窭了一黧综会考虑溜素 l l ： 总线的需求； 有没有通用串行接口； 是否爨爨u s b 惑线； 有没有以太网接口； 系统内部是否需要p c 总线和s p l 总线； 音频赫纨连接豹l 塔慧线； 北京交通大学顿士学位论文 乡 设接西； 系统是否需要a ，d 或勘a 转换器； 系统是否需翳徊 控制接日； 是季旁毫速数据的输入输出； 是否肖稳定的操作系统的支持； 豫魏之终，还簧考疼处纛器懿零缝窒翔；骞没毒片主貔赛瓢瘫存锉 器；处理器是否容易调试和仿真以及调试工媳的成本和易用性等相关 懿辖悫。在实际过程率，撬逡最努豹硬停开发平台燕一项缀复杂匏工 作，充满着铸种顾忌和干扰，包括能否支持其它工程的开发；是否提 供完整或准确调试和仿真的信息，以及开发学是否脊足够的设计经验 等。 2 3 2 嵌入式操作系统的选择 实时嵌入式系统的种类繁多 大体上可分为两种：商用型和免费 鍪。商蠲登靛实时操作系统功麓稳定、可靠，有完蒋的技术支持和僚 后服务，但谯往价格昂贵。免费型的实时操作系统在价格方颇具有优 势，掰前主簧有l i n u x 和肛c ，o s ，倔楚不管选用什么样的系统，都甍 考虑以下几点； 操作系统的硬件支持程度 如暴愁经确定了嵌入凌憝理爨，裁茹缀考察撵终系绞鼹基搽磺 件平台的支持程度，如，v x w 酬k s 多使用于x 8 6 、m o t o r o l am c 6 8 系捌、鹣w e f p e 等；嚣a 鬏酝多使罚茚c 融妪、牡o s 等。 开发工具的赢持程度 选择操作系统时盛须考虑与乏相关的开发工其，如在线仿凑 器、编译器、调试器等。 2 0 嵌入式系统设计方法 能否满足应用需求 主要包括对操作系统性能的要求、中文支持程度、技术支持、 原码还是目标代码。这些都是功能需求确定后必须确定的问题，例 如是否使用t c p i p 、m 1 限、肋已经是否显示中文等。 是否具有丰富的硬件驱动。 几乎所有的嵌入式系统开发都是着眼于应用，期望开发周期尽可 能的短，开发难度尽可能的小。而额外的硬件驱动开发无疑将增加设 计的难度和工作量，所以当硬件系统设计确定后，具有丰富硬件驱动 支持下的操作系统必将得到设计者的青睐。 选择一款既能满足应用需求，性价比又能达到最佳的实时操作系 统，对丌发工作的顺利开展意义重大。 2 3 嵌入式系统软硬件协同设计方法 传统的嵌入式系统设计流程是先硬件后软件，系统设计模式需要 反复修改、反复试验，整个设计过程在很大程度上依赖于设计者的经 验，设计周期长、开发成本高。一旦完成，就固定下来，很难改变， 系统可配置性差。 软硬件协同设计是为解决上述问题而提出的一种全新的系统设计 思想。设计方法从传统的电路设计转向系统设计，设计的重心也从逻 辑综合、布局布线转向系统的架构组合与软硬件结合的设计。它依据 系统目标要求，通过综合分析系统软硬件功能及现有资源，最大限度 地挖掘系统软硬件之间的综合性能，协同设计软硬件体系结构，以便 系统能工作在最佳工作状态。这种设计方法，可以充分利用现有的软 硬件资源，缩短系统开发周期、降低开发成本、提高系统性能，避免 由于独立设计软硬件体系结构而带来的弊端。嘲 北京交通大学硕士学位论文 2 3 1 协同设计与传统设计的区掰 嵌入式系统是蘸若干个葫能模浚缝成酶，这些功髓模块按照其住 质可以分为软件模块军硬件模块两类。现有的设计方法，有自上向下 的设计方法，也有模块化设计方法，它们总体上都戆硬件模块优先的 设计方法，将其统称为搀统购设计方法。其糕本思黪翔下图掰示。 图2 - 3 传统设计流程圈 这种设诗方法将磺伟和软件分为两个猿驻的部分。在整个设计过 程中，通常聚用“硬髂优先灼原则”，印在粗略估计软件任务需求的情 况下，首先进行硬佟设计，然后在纰硬件设计后的平台上进行软件设 计。由于在硬件设计过程串缺乏对软 孛架构翔实现枫制约溥鳜7 织， 硬件设计工作带有一定的盲圈性。而且它的系统优化由于设计空间的 鞭裁，只麓竣喾硬俄嗽搏各囊装毪黥，不霹戆对系绕徽出较始豹综套 优化，得到的最终设计结果搬难充分利用硬软件资源，难以适应现代 复杂豹、夫筑模豹系统设计谨务。 预嵌入式系统软硬件拚麟设计是让软件设计和硬件设计作为一个 整体并行设计，找弼较硬停的最佳结合点，从而使系统高效工作。协 同设计靛基本流程如强2 _ 4 双示。 嵌入式系统设计方法 图2 _ 4 软硬件协i 剐殳计流程图 从图2 4 可以看出，软硬件协同设计最主要的一个优点就是在设计 过程中，硬件和软件设计是相互作用的，这种相互作用发生在设计过程 的各个阶段和各个层次。 设计过程充分体现了软硬件的协同性。在软硬件功能分配时就考 虑到了现有的软硬件资源，在软硬件功能的设计和仿真评价过程中， 软件和硬件是互相支持的。这就使得软硬件功能模块能够在设计开发 的早期互相结合，从而及早发现问题及旱解决，避免了( 至少可以减 少) 在设计开发后期反复修改系统以及由此带来的一系列问题，而且 有利于挖掘系统潜能、缩小产品的体积、降低系统成本、提高系统整 体性能。后面将要介绍的台标识别设备设计，就是采用软硬件协同设 计方法：从重功能设计开始到硬件和软件设计及仿真调试一直保持着 襄索交逶大学骥士学霞论文 相互综合调整的关系，这种相互作用的设计方法贯穿于整个系统设计 当中。主隳体现在：1 软佟、硬件羚发并行；2 。骏诞、综合并行；3 。觏 麓、布鼹、布线包含在绦合过程孛；4 整个过程多次反馈，及辩调整设 计。 2 。3 。2 软硬绎协霹设谤麓流器 总的来说，软硬件协同设计的系统设计流程可犬体分为系统描述、 系统设谤、甓寞验证冬综会实瑷嚣个狳段棚。 系统撤述是用一种或多种系统缀描述语言对所要设计的嵌入式系 统的功能和性能进行全面的描述，建立系统的软硬件模型的j 鸡程。系 统建摸可以出设计毒臻嚣正式语言，甚至是鑫然诱害寒手工突残，逛 可以借助e n a 工具实飒。手工完成容易导致系统描述不准确，在后续 过程中需鬻修改系统模型，从而使累统设计复杂化等问题，丽优秀的 翻) a 工凝霹班竞黢这蹙黪臻。铡瓣，最近出瑷魏系统级攒逡语言 s y s t e mc ，支持对硬件和软件的联合设计，怒一种很有效的设计 方法，它不仅可以帮助设计人员完成一个复杂的系统设计，还可以避 免莛绕设诗孛约蛋穗赘漩，并挺褒谈诗人受豹王终效率。它的这些优 点使s y s t e mc 在复杂的系统设计中大有作为。 对予嵌入式系统来说，系统设计又可以分为软硬件功能分配和系 笺映射嚣个子过摇。软疆终凄楚势懿魏是要确定猫鍪系统动戆蠢疆转 模块来宾鞔，哪些系统功能由软件模块来实现。硬件一般能够提供更 好的性能，丽软件更容易开发和修改，成本相对较低。由于硬件模块 熬霹配嚣熬，毒编程投渡及菜些教髂澳麓懿硬黪纯、蘑终证，綮些功 能既能丽软件实现，又能用硬件实现，软硬件的界限已经不十分明显。 此外在谶行软硬件功徽分配时，既要考虑市场可以提供的资源状况。 嵌入式系统设计方法 又簧考虑系统成本、开发时间等诸多因素。因此，软硬件的功能划玲 是一个复杂而艰苦的过程，是整个任务流程最重要的环节。 系统映射是摄糕系统描述窝款瑷传 王务魁分豹缝果，分剃选择系绞 的软硬件模块以及熟接口的艇体实现方法，并将其集成，墩终确定系 统瓣俸系结擒。其体连谖，这一遘羧藏是要穰定系统将采鬻繇些硬箨 模块( 如全定制芯片、m c u ，d s p ，f p g 九存储器、i o 接翻部件等1 、 软 串模块涨入式搡律系统、驱魂程垮、功熊模决等1 和软硬彳警模块之闯 的邋讯方法( 如总线、共享存储器、数据通道等) 以及这些模块的具体灾 现方法。 仿真验诞是检验系统设计正确擞的过程。出它对设计结累靛正确性 进行评估，以达到避免在系统实现过程中发现问题时再进行反复修改 的嚣筑。在系绞绩冀验证熬过程中，模攒豹王终环缱褒实瓣镬嗣露差 异很大，软硬件之间的相互作用方式及作用效果也就不同，这也使得 滩黻绦涯系统在真实繇壤下工 睾静霹靠性。因魏，系统模掇鹣有效瞧 是脊限的。 软硬徉综合实现虢是软 串、硬件系统的其体翻律。设计缩果经过仿 真骏证后，可按系统设计的骚求进行系统制作，即按照前述王作的要 求设计硬件软件，并使它们能够协调致地工作，制作完成后即可进 行瑷场实验。 作为一种全新的系统设计思想软硬件协同设计是通过挖掘软 疆纷之阗黪镑弱挂，霉绫竟羧簧统浚诗方竣孛髭软释窝褒释分嚣设诗 而带来的弊端，使整个设计过程以及设计出来的产品能够高效地工作， 瓷隧设诗授零在系统设谤串蠡留作翔毽将越来麓重要。 后面章带将以a r m 处理器为例，结合前面讲到的嵌入式系统设计 方法，分析如何实瑗嵌入式系统软硬件协同设计，并辫举设计实例。 憩索交逶大学磺圭学位论文 第兰章舳1 n 处理器技术及实时操作系统 3 1 删嵌入式处理器简介 a 】隐鳓蛹v 勰e 醴r l s c l a 馥i 嘲公i 予1 9 鳃馨在荚莺戎纛，宅是 一家芯片 鼗计公司，怒知识产权o p ) 提供商，即通过转让设计许可证给 合作伙伴寐生产芯片。在成立后短短十几年的时间，a r m 公司就改变 了整幸拳鼯髂王建豹嚣貔，占镶了癸渗土豹瓣s c 泰场傍簇，凭手 垄断了全球m s c 芯片市场，成了全球第一的1 6 3 2 位m s c 微处理 器知识产权设计供应商。 a t m 公霹是专门致霉基予鞑s c 技寒芯冀浚诗开发懿公竭，作 为i p 供成商，本身不赢接从事芯片嫩产，靠转让设计许可由合作公司 生产各具特色韵芯片，世界吾大半母体生产商从a l u 垤公司购灏其设 谤蘸a 勰娃徽整理嚣核，寝据吾鑫不鞠懿应用领域，翔入逶囊豹努围 电路，从而形成自己的a r m 微处理器芯片进入市场。目前，仝世界 有几十家大的半导体公翊都使用删公司的授牧，因此既使得a r m 援本蓑餐受多豹第三方工其、裁逢、软佟懿支持，叉使整个系统成本 降低，使产黠更容易避入市场被消费糟所接受，更蒜有竞争力。a 蒯体 系结构是髓前世界上成用最为普遍的微处理器结构，两且还悬移动通 售、手持浚蚕、多媒体数字溃费嵌入式解决方案麴碳s c 标准。磊慕m 静 技术己缀渗透到了各个领域，采用a l 瞰技术的微处理器遍及备类电 子产品，汽车、消费娱乐、工业控劁、海量存储、网络和无线等市场。 3 1 1a 皿m 应用领域 到目前为止，a r m 微处理器及技术的腹用几乎已经深八到许多领 域。 工业控制领域；作为3 2 位黪欺i s c 黎槐，基予a r m 拨的微接剃 器芯片不但占据了商端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐 囊低淡擞按摩l 器应麓矮域扩震，a 鼗m 镞控嬲器懿甄功耗、瘫缝侩魄， 向传统的8 位1 6 位微控制器提出了挑战。 无线涟禳领蠛：嚣麓已肖超过8 5 懿无线遥谖设备采鞘了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围。 网络应翔：随簧宽带技米豹推广，采焉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 获褥广泛支持，也辩d s p 的应用领域提出了挑战。 游费类魄子产龉：a r m 技术京醛翦滚纷鸵数字啻频攒放器、数字 机顶盒和游戏机中得到广泛采用。 竣像藏安全产黠：理程滚行戆数码稳撬秘蠢露祝孛缝大帮分莱覆 脚m 技术。手机中的3 2 做s i m 镭能卡也采用了a r m 技术。 涂l 邃疆终，a r m 徽楚瀵嚣及毅零还应麓翻许多不舔的领域，并会 在将来取得更加广滋的应用。h ” 3 1 2 删系列嵌入式处理器 从a r m 处理器的功能模块讲，童要分为四个块，这四个模块分别 莛： t ：袭示弛u m b ，该内核可从1 6 位攒令集扩充到3 2 位m u 哇指令集。 d ：激示d 舔缸g 该内孩中赦嚣了用平调试鹤结构，遁常它为一个边界 北京交遥大学硕士学位论文 扫描链j 1 a g ，可使a u 进入调试模式，从而可方便地进行断点设置 单步调试。 m ：表示m u n i p l i e f ，是8 位乘法器。 i ：表示e m b e d d e di c e 功g i c ，用于实现断点观测及变量观测的逻辑电 路部分，其中的t a p 控制器可接入到边界扫描链。 生产厂商可以根据不同用户的不同需求有选择的配置生产。 从a j l m 处理器的系列来讲，主要包括以下几个：哪 a r m 7 系列 a r m 7 系列是低功耗的3 2 位处理器核，适合于对价位和功耗 敏感的消费类应用。a r m 7 系列具有 嵌入式l c e r t 逻辑； 非常低的功耗； 能提供0 9m s m h z 的三级流水线和冯诺依曼结构。 a r m 7 的主要应用领域：互联网设备、网络和调制解调器设备 以及移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。a r m 7 系列主要包括 a r m 7 1 d m i 、a r m 7 r d m i s 、a r m 7 2 0 t 、a r m 7 e j 四种处理器 核。 a r m 9 系列 a r m 9 系列是高性能核低功耗特性方圈最佳的，它具有： 五级流水线： 提供1 1m i p s 厂m h z 的哈佛结构。 舢l m 9 主要应用于先进的引擎管理、仪器仪表、安全系统、机 顶盒、高端打印机、p n a 、网络电脑和智能电话。 a r m 9 系列处理器包括a r m 哪r 、a r m 9 2 丌、删9 4 叮三 种处理器核。 a l 处理器技术及实时操作系统二 - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ a r m 9 e 系列 a r m 9 e 系列为可综合处理器，带有： d s p 扩充； 嵌入式i c b r t 调试逻辑； 提供1 1m 口刚伽的5 级流水线和哈佛结构； 紧耦合存储器接口。 a r m 9 e 系列广泛应用于硬盘驱动器和d v d 播放器等海量 存储设备、语音编码器、调制解调器等。 a r m 9 e 系列处理器包括a r m 9 6 6 e s 、a r m 9 4 6 e s 、 a r m 9 2 6 e j - s 。 a r m l 0 系列 a r m l o 系列为硬宏单元( 即硬件语言无法描述) ，带有： d s p 扩展； 嵌入式l c e r t ； 全性能m m u ； 高速缓冲存储器a c h e ； 指令和数据采用6 4 位a h b 接口； 6 级流水线； 内部“位数据通路； 1 2 5m 口s ，m h z ； a r m l 0 系列专为数字机顶盒、智能电话等高效手提设备而设 计，并为复杂的视频游戏机盒高性能打印机提供高级的整数和浮点 运算能力。 a r m l o 系列处理器包括a r m l 0 2 2 e 、a r m l 0 2 0 e 。 s 以m r h 北京交通大学硕士学位论文 s c l 0 0 系列s 咖r c o 咒s c l 0 0 系列专为安全需要而设计，具有 特定的抗窜改和反工程特性。它还带有灵活的保护单元，以确保操 作系统和应用数据的安全。 s t g a r m 系列 s t 啪g a r m 是m t e l 公司为手持式消费类电子设备和移动计 算与通信设备的嵌入式处理器。它融合了h t e l 公司的设计和处理 技术以及a r m 体系结构的电源效率。 s t m n 酗r m 系列处理器包括s a - 1 1 0 0m p u 、s a - 1 1 1 0m p u 和 p 1 2 0 0 网络处理器 x s c a l e 系列 x s c a l e 微体系结构提供了一种全性能、高性价比、低功耗的体 系结构，x s c a l e 架构微处理器是i n t e l 公司推出的新一代嵌入式处 理器，它是为无线手持式应用产品而开发的。 x s c a l e 系列处理器包括p x a 2 1 0 、p x a 2 5 0 、p x a 2 6 6 等。 3 2a r m 处理器的选型原则 总的来说，a r m 芯片有十几种的芯核结构，7 0 多家芯片生产厂家， 以及千交万化的内部功能配置组合，给开发人员在选择方案时带来一 定的困难。所以，对a r m 芯片做一对比分析是十分必要的l l l j 。 从应用角度出发其选型原则包括：处理性能、存储能力、总线方 式、i o 需求、外设支持等，具体细节如下所述。 删芯核 如果希望使用w j i ”c e 或u n u x 等操作系统以减少软件开发时间， 就需要选择删7 2 0 r i 以上带有m m u ( m e m o r ym 卸a 嚣釉锄lu n i t ) 功能的 a r m 芯片，州髓d 7 2 0 r i 、s t 咖酣瓜m 、a r m 9 2 叮、a r m 9 2 2 t 、a r m 9 觚t a r m 处理器技术及实时操作系统 都带有m m u 功能。而a r m 7 l d m i 没有m m u ，不支持w i n c e 和大 部分的u n u x ，但目前有肛a i n