（测试计量技术及仪器专业论文）基于arm的嵌入式测控平台的设计及实现.pdf

上海大学硕十学位论文 摘要 嵌入式测控系统和测控装置在工业生产过程控制、仪器仪表及自动化系统、 智能楼宇监控等方面得到广泛的应用。由于嵌入式测控系统监控对象的多样性， 因此通用性不是很强，传统的设计方法都是从底层的硬件设计开始，再设计专 用的软件，导致设计周期长，重复工作多，成本增加。微电子技术和计算机技 术的飞速发展，使得微处理器的性能和功能得到极大的提高，为通用型测控平 台的构建奠定了基础。 本文提出了一种嵌入式测控平台的设计思路。采用主板和扩展板相结合的 模块化设计，使嵌入式测控系统可以在一个标准化平台上进行构建。平台主板 选用基于3 2 位a r m 7 t d m i s 内核的微控制器l p c 2 2 9 2 作为核心，加上以太网 芯片、c p l d 以及其它外围电路，构成了一个维持系统正常运行的最小系统。 扩展功能模块包括z i g b e e 无线通信、u s b 、a d 、d a 、液晶触摸屏等模块， 通过层叠式结构与主板连接。测控开发平台在功能、电路、结构上实现了可裁 剪、可扩展，能满足大多数嵌入式测控系统的需求。 在实现嵌入式测控开发平台硬件设计的基础上，嵌入式测控平台引入了 n u c l e u sp l u s 实时操作系统来完成系统资源的管理和任务的调度。文中提出了启 动代码模版的概念，简化了移植操作系统的工作，提高了效率。 基于a r m 的嵌入式测控开发平台为开发各种智能化、小型化现代测控系 统提供了可重用、高性能、图形化、网络化软硬件基础平台和高效的开发模式。 从而，大大缩短了软、硬件开发的周期，具有十分重要的意义。 作为在测控开发平台的基础上构建测控系统的实例，研制了气门弹簧负荷 计算机自动分选系统的现场级控制器。 关键词：a r m ，c p l d ，测控开发平台，n u c l e u sp l u s v | ：海大学硕上学位论文 a b s t r a c t e m b e d d e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mi sw i d e l yu s e di ni n d u s t r i a lp r o c e s s c o n t r o l ， i n s t r u m e n t a t i o na n da u t o m a t i o n s y s t e m s a n d i n t e l l i g e n tb u i l d i n g m o n i t o r i n g b e c a u s eo ft h em o n i t o r i n go b j e c td i v e r s i t y , e a c he m b e d d e d m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mw a su s u a l l yd e s i g n e df o ro n ea p p l i c a t i o n t h e t r a d i t i o n a ld e s i g ns t e pb e g a nf r o mt h eu n d e r l y i n gh a r d w a r ed e s i g nt ot h ed e d i c a t e d s o f t w a r ed e s i g n ，w h i c hl e dt ol o n gd e s i g nc y c l e ，d u p l i c a t ee f f o r ta n di n c r e a s e dc o s t s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i c sa n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h e p e r f o r m a n c ea n df u n c t i o n a l i t yo ft h em i c r o p r o c e s s o ra r eg r e a t l yi m p r o v e d ，t h a tl a y t h ef o u n d a t i o nf o rt h eu n i v e r s a le m b e d d e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lp l a t f o r m t h i sp a p e ri n t r o d u c e sak i n do fd e s i g ni d e ab a s e do nt h ea b o v ep l a t f o r m u s i n g t h em o d u l a rd e s i g nm e t h o d ，w h i c hc o m b i n e st h em a i n b o a r da n dt h ee x t e n d e db o a r d ， t h ee m b e d d e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mc a nb ec o n s t r u c t e do nas t a n d a r d p l a t f o r m m a i n b o a r di st h em i n i m u ms y s t e mt om a k et h ep l a t f o r mw o r kn o r m a l l y a n dt h ec o r ei sam i c r o c o n t r o l l e rc h i pb a s e do n3 2 - b i t sa r m 7 t d m i s l p c 2 2 9 2 i na d d i t i o n ，e t h e r n e tc h i p ，c p l da n do t h e rp e r i p h e r a lc i r c u i t sa r ea l s ot h ep a r t so f m a i n b o a r d t h ee x t e n d e db o a r dc o n s i s t so ft h em o d u l eo fz i g b e ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n ，u s b ，a d ，d a ，l c d & t o u c hs c r e e ne r e ，w h i c ha r ec o n n e c t e dt o t h em a i n b o a r db yc a s c a d ec o n s t r u c t i o n t h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ld e v e l o p m e n t p l a t f o r mc o u l db er e d u c e do re x t e n d e do nf u n c t i o n ，c i r c u i ta n dc o n s t r u c t i o na n d c o u l dm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h em o s te m b e d d e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m o nt h eb a s i so fh a r d w a r ed e s i g no ft h ee m b e d d e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l d e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，t h er e a l t i m eo p e r a t i o ns y s t e mn u c l e u sp l u si sd e l i v e r e dt o t h ep l a t f o r mt om a n a g et h es y s t e mr e s o u r c ea n dt a s ks c h e d u l i n g t h i sp a p e rp r e s e n t s ac o n c e p to fb o o t c o d et e m p l a t e ，w h i c hs i m p l i f i e st h em i g r a t i o no f o p e r a t i n gs y s t e m ， a n di m p r o v e se f f i c i e n c y t h ee m b e d d e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ld e v e l o p m e n tp l a t f o r mb a s e do na r m p r o v i d e s ar e u s a b l e ，h i g h p e r f o r m a n c e ，g r a p h i c s ，i n t e m e t b a s e dh a r d w a r ea n d v i 上海大学硕上学位论文 s o f t w a r ep l a t f o r mf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h ei n t e l l i g e n ta n dm i n i a t u r i z e dm o d e m m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hs i g n i f i c a n t l yr e d u c e st h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ed e v e l o p m e n tc y c l ea n di so fg r e a ts i g n i f i c a n c e f i e l dl e v e lc o n t r o l l e r sf o rt h ev a l v es p r i n gl o a dc o m p u t e ra u t o m a t i cs e p a r a t i o n s y s t e ma r ed e v e l o p e da st h ee x a m p l e so fe m b e d d e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l s y s t e m sc o n s t r u c t e do nt h eb a s i so ft h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m k e y w o r d s ：a r m ，c p l d ，m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ld e v e l o p m e n tp l a t f o r m ， n u c l e u sp l u s v i i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：赴日期：述墨! 多 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：珐日期：基翌墨主! 堕 i i 上海大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 分布式测控系统是工业现场控制、城市市政管理( 给排水处理，电网监测管 理，交通监测管理等) 、智能楼宇监控等方面应用最广泛的系统。目前，国内广 泛应用的测控系统存在着种种的问题： 多以传统的8 位或1 6 位单片机为平台设计，数据处理能力有限。 通信接口种类比较少，多为传统的r s 2 3 2 、r s 4 8 5 接口，数据交换速度 慢，不能满足日益增长的数据传输需求。 可移植性和可扩展性较差。市场上的测控系统往往都是专用并独立开发 的，为此，开发人员必须逐一开发，投入了大量重复性劳动。 面对上述的问题，拥有友好的交互界面、网络互连功能、智能化的软件、实 时的数据处理能力几乎成了现代实时测控系统的共同需求。因此，以嵌入式系统 为平台的测控系统应运而生。 目前国内对嵌入式系统普遍认可的定义是：以应用为中心，计算机技术为基 础，软硬件可裁剪，适应于特定应用系统，对功能、可靠性，成本、体积、功耗 有严格要求的专用计算机系统【l 】。嵌入式测控系统具有以下特点： ( 1 ) 可靠性高：嵌入式系统大都是芯片等部件，与计算机系统的硬盘、扩展 卡相比，具有防震、防尘等优点。其程序一般固化在f l a s h r o m 中，不 易被破坏，使系统整体可靠性大大提高。 ( 2 ) 体积小：由于高端微处理器，特别是s o c 的应用，使得嵌入式系统的体 积不断减小，从而直接影响到测控系统的体积，形成便携式系统，便于 携带和使用。 ( 3 ) 易扩展、功能强：嵌入式测控系统很容易扩展出输入输出( t o ) 接口，实 现各种功能。 ( 4 ) 开发周期短、成本低：嵌入式测控系统，相比于传统的测控系统，其开 发周期短、成本低，具有无可比拟的优势。 e 海大学硕士学位论文 考虑到传统的设计方案大多以被测对象为目标来设计专门的测控系统，系统 的灵活性和可扩展性往往不尽如人意。当一个系统按用户的要求设计后，若要升 级或修改测控功能，一般要进行硬件修改，设计周期变长，成本增加。因此，设 计一个通用的测控平台，预留多种方式的测控通道不失为提高系统灵活性的有效 手段。 综上所述，最终选用基于3 2 位a r m 嵌入式微处理器的片上系统一一 l p c 2 2 9 2 芯片为核心，并扩展丰富的接口来设计一个嵌入式测控平台。这样，与 传统的8 位或1 6 位单片机平台相比，数据处理能力得到了很大的提升。同时， 采用类似p c i 0 4 的层叠式结构，将测控系统的各个功能模块化，使整个测控系 统呈现“主板扩展板”的硬件结构，从而在结构上实现了可裁剪、可扩展的功 能。 1 2 课题研究的目的和意义 本课题的总体目标是利用基于高性能、低功耗3 2 位r i s c ( 精简指令集计算 机) 结构的a r m 内核处理器的嵌入式片上系统，采用类似p c i 0 4 的层叠式结构， 将有线( 包括以太网、c a n 总线等) 通信和无线( 基于i e e e 8 0 2 1 5 4 协议的z i g b e e 技术) 通信方式与a d 、d a 、液晶触摸屏等模块有机地结合，通过加入基于 n u c l e u sp l u s 内核的嵌入式实时多任务操作系统，实现了一个网络化、智能化、 高性能、可裁剪、可扩展、人机交互界面优良的实时测控系统开发平台。在设计 并实现测控平台的基础之上，课题还将给出一个测控平台的应用实例气门弹 簧负荷计算机自动分选系统。 基于a r m 核的测控系统平台的开发不仅采用了有线和无线通讯方式的混合 传输模式，弥补了采用单一有线联结的分布式测控系统的局限性；而且使用户能 充分利用高级语言的优势，在多任务操作系统的基础上，添加友好的人机交互界 面、图形化界面、网络等各种通信接口驱动；为开发各种智能化、小型化现代测 控系统提供了可重用、高性能、图形化、网络化软硬件基础平台和高效的开发模 式。从而，大大缩短了软、硬件开发的周期，具有十分重要的现实意义。 2 上海大学硕士学位论文 1 3 国内外研究概况 1 3 1 国内研究概况 嵌入式系统是当今最热门的概念之一，目前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【。 作为全球信息产业高速增长的热点之一，在我国嵌入式系统市场同样得到快 速发展，围绕嵌入式系统展开的研究和开发也就成为计算机软硬件技术发展的最 活跃的方向之一。目前用于工程领域的嵌入式测控系统开发平台比较成熟的产品 几乎没有，虽然北京博创、深圳英蓓特和广州周立功公司的嵌入式系统开发平台 早已推出，但他们设计的主导思想是大而全，在一块主板上几乎提供所有需要的 接口，实现了所有的功能，并且不是针对工程测控应用而设计的。这样工程研究 人员只能在此平台上进行一些应用软件的开发，对于硬件的增减以及资源的重新 分配依然无能为力，同时不同的工程对硬件资源的要求不同，这些嵌入式系统开 发平台的在一定程度上造成资源的浪费，提高了产品的成本，因此目前这些相对 成熟的产品还只停留在教学运用的阶段。由此可见，针对工程项目的特点，开发 一个集多种传输方式和接口模块于一体，且硬件资源增减的灵活性和可扩展性俱 佳的硬件平台就显得尤为重要，本课题的目的和意义也就在此了。 1 3 2 国外研究概况 提到嵌入式系统就必然要提到a r m 。a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ) 是 英国a r m 公司设计开发的一种高性能、低功耗的3 2 位r i s c 微处理器核心，其 主要优势在于简单的设计和高效的指令集。a r m 微处理器家族在嵌入式系统、 掌上电脑、智能卡和g s m 终端控制器等领域获得了广泛的应用，几乎占据了嵌 入式处理器的半壁江山【2 j 。 国际上，几乎所有大的嵌入式系统设计和生产厂家都使用基于a r m 核的处 理器，包括i n t e l 、m o t o r o l a 、t i 、n e c 、日立、3 c o m 的p a l m 等都有采用a r m 处理器的产品。从目前市面上几种基于a r m 的s o c 芯片结构可以看出，构成 一卜海大学硕士学位论文 类似于p a d 的系统，只需要增加r a m f l a s h 存储器、显示和输出设备( 典型 的是触摸屏) 、电源和p c b 基板、接口接插件、外壳等器件就可以了，这也正是 s o c 芯片极具竞争力的原因之一。同时，由于a r m 得到几乎所有微处理器生产 大户的支持，可以预计，基于a r m 的产品将会越来越多。 总的来说，a r m 内核处理器具有高性能、低功耗、低成本、低开发难度等 系列优点，是测控系统由8 位机升级到3 2 位机的理想选择。a r m 核结构是全 球应用最为广泛的1 6 3 2 位嵌入式r i s c 解决方案。2 0 0 0 年世界r i s cc p u 的出 货量中a r m 独占7 7 。 1 4 本次设计的主要研究内容和创新点 基于a r m 的嵌入式测控平台采用了模块化设计的思想，为用户提供了一个 有线与无线通信方式相结合，具有多种测控手段的通用测控平台。该测控平台是 电工电子、计算机软硬件以及网络通信等多方面技术的有机组合体，以智能化、 网络化、交互性为特征，结构比较复杂，其研究内容主要包括以下几个部分： 1 测控平台总体方案的确定 基于目前工程应用中的测控要求，对测控平台的硬件资源进行总体规划和设 计。在设计中采用模块化的思想，采用主板和扩展板层叠式设计的方案，提高系 统的灵活性。同时，测控平台总体方案的确定中还包括：嵌入式微处理器的选择 和嵌入式操作系统的引入，前期需要大量的调研工作。 2 测控平台硬件电路的设计 确定了测控平台的总体方案后，分别对系统的- 丰板硬件电路和各扩展模块的 接口电路进行设计。包括主板上的电源、晶振、复位电路、c p l d 单元、总线驱 动等部分的电路设计，以及主板与z i g b e e 无线通信、以太网、c a n 总线、键盘 等模块的接口电路设计。为整个系统搭建起所需的硬件平台。整个硬件电路设计 的关键点就是硬件资源的合理分配。 3 n u c l e u sp l u s 在l p c 2 2 9 2 上的移植、启动代码模版的设计 n u c l e u sp l u s 代码复杂，有上百个文件，移植难度不小，但通过对内核的 分析，处理器在启动之初，必定需要一段初始化程序 3 】( 即启动代码) 。该初始 4 l 二海大学硕十学位论文 化程序与硬件密切相关，是移植操作系统的一个关键点。测控平台启动代码设计 的主要任务是采用模块化思想设计一个启动代码模版。 5 气门弹簧负荷计算机自动分选系统的设计 在设计并实现测控平台的基础上，研制气门弹簧负荷计算机自动分选系统的 现场级控制器。将设计方案应用到工控现场实际项目中去，体现课题的应用价值。 6 测控平台的硬件调试 本次设计的技术创新点在于： 1 本文提出了一种嵌入式测控平台的设计思路。采用主板和扩展板相结合 的模块化设计，使嵌入式测控系统可以在一个标准化平台上进行构建。在平台的 主板上仪仅包括了c p u 及其相关外围电路，形成一个精简的最小系统，减小了 系统的体积，提高了系统稳定性。系统的测控功能通过扩展模块的形式加入到平 台中，各扩展模块以层叠式结构连接到主板上，使用户可以根据不同的测控需要 添加所需扩展板，实现了系统可裁剪可扩展的特性，使整个平台能适应不同的测 控需求。 2 系统的设计方案中加入c p l d 器件，采用c p l d 器件控制系统的中断资 源和各扩展模块的片选信号。在系统的研制阶段，由于设计错误或任务的变更而 修改设计的事经常发生。使用不可编程的器件时，修改设计就要更换或增减器件， 这是一件相当麻烦的事，有时还不得不更换印刷线路板。使用可编程器件后，由 于器件具有i s p 功能，因此，只需要对该器件进行再编程即可。这样当测控平台 现有的资源需要扩充或裁剪时，只需对可编程逻辑器件进行再编程，就能实现中 断和片选信号的重新分配。 3 移植n u c l e u sp l u s 的过程中，提出了肩动代码模版的概念，简化了移植 操作系统的工作，提高了效率。用户使用测控平台来开发相关设备和装置时，移 植操作系统的工作将大大简化，具有很重要的实用意义。 1 5 文章的编排 本论文共分七章，以作者攻读硕士学位期间承担课题的工作为基础。 第一章为绪论，阐述了课题研究的目的、意义、国内外研究概况以及本课题 上海大学硕十学位论文 的主要研究内容和创新点。 第二章介绍了测控平台的总体设计方案，包括嵌入式微处理器的选型、嵌入 式操作系统的引入以及测控平台的功能规划和总体设计方案。 第三章详细介绍了测控平台的硬件电路设计，包括测控平台主板硬件电路、 主板与扩展模块的接口电路以及部分扩展功能模块的设计。 第四章介绍了n u c l e u sp l u s 在l p c 2 2 9 2 上的移植，重点在于启动代码模版 的设计。 第五章在实现测控平台的基础上，给出一个测控平台的应用实例气门弹 簧负荷计算机自动分选系统。然后从硬件和软件两个方面对该实例进行介绍。 第六章介绍了开发工具k e i lu v i s i o n 3 及其使用要点，嵌入式测控平台硬件调 试情况。 第七章为全文总结与展望。 1 6 本章小结 本章从测控系统的发展现状入手，给出了嵌入式系统的定义，论述了以嵌入 式系统为平台设计测控系统的意义，并对嵌入式测控系统的国内外发展现状作了 分析。接着在充分调研的基础上，介绍了本课题研究的主要内容及技术创新点。 最后介绍了本文各章节的编排。 6 上海大学硕士学位论文 第二章系统总体设计方案 2 1 嵌入式微处理器的选型 2 1 1 常用嵌入式微处理器 据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1 0 0 0 多种，流行 体系结构有3 0 几个系列。嵌入式处理器有许多种流行的处理器核，芯片生产厂 家一般都基于这些处理器核生产不同型号的芯片。本节主要介绍以下几种嵌入式 处理器 4 】【5 1 。 ( 1 ) m i p s m i p s 是m i c r o p r o c e s s o r w i t h o u ti n t e r l o c k e dp i p e l i n es t a g e s 的缩写，是一种处 理器内核标准，它由m i p s 技术公司开发的。m i p s 技术公司是一家设计制造高 性能、高档次嵌入式3 2 位和6 4 位处理器的厂商，在r i s c 处理器方面占有重要 地位。m i p s 公司设计r i s c 处理器始于8 0 年代初，从1 9 8 6 年推出r 2 0 0 0 处理 器之后，陆续推出r 3 0 0 0 ，r 4 0 0 0 ，r 8 0 0 0 等。之后m i p s 公司的战略发生变化， 把重点放在嵌入式系统。1 9 9 9 年，m i p s 公司发布了m i p s 3 2 和m i p s 6 4 架构标 准，集成了原来所有的m i p s 指令集，并且增加了许多更强大的功能。此后m i p s 公司又陆续开发了高性能、低功耗的3 2 位和6 4 位处理器内核。 m i p s 的定位很广，在高端和低端均有它的产品，而且被广泛应用在便携式 计算系统、数字消费产品、工业控制等领域。 ( 2 ) p o w e r p c p o w e r p c 是早期m o t o r o l a 和i b m 联合为a p p l e 的m a c 机开发的c p u 芯片， 其架构的特点是可伸缩性好，方便灵活。p o w e r p c 处理器品种很多，既有通用的 处理器，又有嵌入式控制器和内核，应用范围非常广泛，从高端的工作站、服务 器到桌面计算机系统，从消费类电子产品到大型通信设备等各个方面。 目前p o w e r p c 独立微处理器与嵌入式处理器的主频从2 5 m h z 一7 0 0 m h z 不 等，它们的能量消耗、大小、整合程度、价格差异悬殊。 7 ：海大学硕士学位论文 ( 3 ) x 8 6 x 8 6 起源于i n t e l 架构的8 0 8 0 ，再发展到2 8 6 、3 8 6 、4 8 6 ，直到后来的p e n t i u m 4 、 a t h l o n 和a m d 的6 4 位处理器h a m m e r 。从嵌入式市场来看，8 0 8 0 是第一款主 流的处理器。今天的p e n t i u m 和当初的8 0 8 0 使用相同的指令集，这可以保持兼 容性，但是同时也限制了c p u 性能的提高。 ( 4 ) 6 8 k c o l d f i r e m o t o r o l a6 8 0 0 0 ( 6 8 k ) 是出现得最早的一款嵌入式处理器，6 8 k 采用的是 c i s c 结构与现在的p c 指令集保持了二进制兼容。后来，m o t o r o l a 推出了基于 r i s c 结构的6 8 k c o l d f i r e 系统微处理器，例如：m c f 5 2 7 x ，它基于第二代 c o l d f i r e v 2 核心，在6 6 m h z 操作速度为6 3d h r y s t o n e 2 1 m i p s ，它是6 8 k 系列产 品的重要补充。目前基于c o l d f i r e v 3 、c o l d f i r e v 4 核心的高端微处理器都已推出。 ( 5 ) a r m a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ) 是英国a r m 公司设计开发的一种高性能、 低功耗的3 2 位r i s c 微处理器核心，其主要优势在于简单的设计和高效的指令 集。a r m 微处理器核技术广泛应用于便携式通信产品、手持运算、多媒体数字 消费等嵌入式解决方案等领域，已成为r i s c 标准。关于a r m 的详细介绍见下 一节。 2 1 2a r m 概述 a p d v l 即a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写，是一种高性能、低功耗的3 2 位 r i s c 微处理器核心。a r m 公司白1 9 9 0 年正式成立以来，在3 2 位r i s cc p u 开 发领域不断取得突破。由于a r m 公司自成立以来，一直以i p ( i n t e l l i g e n c ep a t e n t ) 提供者的身份向各大半导体制造商出售知识产权，而自己从不介入芯片的生产销 售；加上其设计的芯核具有功耗低，成本低等显著优点，因此获得众多的半导体 厂家和整机厂商的大力支持，在3 2 位嵌入式应用领域获得了巨大的成功，目前 己经占有7 0 以上的3 2 位嵌入式产品市场【6 】。在低功耗，低成本的嵌入式应用 领域确立了市场领导地位。 a r m 的设计实现了非常小但高性能的结构。a r m 处理器结构的简单使 上海大学硕i 上学位论文 a r m 的内核非常小，这样使器件的功耗也非常低。a r m 集成了非常典型的r i s c 结构特性：【刀 一个大的、统一的寄存器文件； 加载存储结构，数据处理的操作只针对寄存器的内容，而不直接对存储器 进行操作； 简单的寻址模式，所有加载存储的地址都只由寄存器的内容和指令域决定； 统一和固定长度的指令域，简化了指令的译码。 此外，a r m 体系结构还提供： 每一条数据处理指令都对算术逻辑单元( a 叫) 和移位器进行控制，以实现对 a l u 和移位器的最大利用； 地址自动增加和自动减少的寻址模式实现了程序循环的优化； 多寄存器加载和存储指令实现了最大数据吞吐量； 所有指令的条件执行实现了最快速的代码执行。 这些在基本r i s c 结构上增强的特性使a r m 处理器在高性能、低代码规模、 低功耗和小的硅片尺寸方面取得了良好的平衡。 a r m 微处理器目前包括下面几个系列： 一 a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、a r m l 0 e 系列、s e c u r c o r e 系列、 i n t e l 的x s c a l e 、i n t e l 的s t r o n g a r m 等。 其中，a r m 7 t d m i 微处理器系列应用最广，采用a r m t t d m i 微处理器作 为内核生产芯片的公司最多，同时其性能价格比也是最高的。 2 1 3 系统g p u 芯片的选型 测控系统开发平台设计中一个重要的内容就是：微处理器的选型。 随着嵌入式系统技术的发展，芯片成本的不断降低，系统的功能越来越复杂， 作为嵌入式系统的核心，嵌入式微处理器采用3 2 位已成为丰流。而在3 2 位处 理器家族中，由于a r m 芯片成本较低、性能高、低功耗，而且供货厂家较多， 符合嵌入式系统发展趋势；a r m 是目前世界上应用最多的r i s c 体系结构，被 广泛应用在工业控制、无线通讯、消费电子、网络应用、成像和安全产品等领域。 9 上海大学硕十学位论文 与a r m 7 相比，应该说a r m 9 在性能和功能方面有很大提高；但是，a r m 9 体 系复杂，更适合作高端产品的开发平台，并不适合作为工程测控平台。 面对a r m 7 微处理器多达十几种的内核结构，几十个芯片生产厂家，以及千 变万化的内部功能配置组合，对a r m 7 芯片做一些对比研究是十分必要的。以下 从应用的角度出发，对在选择a r m 微处理器时所应考虑的主要问题做一些简要 的探讨。 ( 1 ) a r m 微处理器内核的选择 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，用户如果希 望使用w i n c e 或标准l i n u x 等操作系统以减少软件开发时间，就需要选择 a r m 7 2 0 t 以上带有m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ) 功能的a r m 芯片，例如： a r m 7 2 0 t 、a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 、a r m 9 4 6 t 、s t r o n g a r m 都带有删u 功能。而a r m 7 t d m i 则没有m m u ，不支持w i n d o w sc e 和标准l i n u x ，但目前有n u c l e u s 、u c l i n u x 等 不需要m m u 支持的操作系统可运行于a r m 7 t d m i 硬件平台之上。 ( 2 ) 系统的工作频率 系统的工作频率在很大程度上决定了a r m 微处理器的处理能力。a r m 7 系列 微处理器的典型处理速度为o 9 m i p s m h z ，常见的a r m 7 芯片系统主时钟为 2 0 m h z - 1 3 3 m h z ，a r m 9 系列微处理器的典型处理速度为1 1 m i p s m h z ，常见的a r m 9 的系统主时钟频率为1 0 0 m h z 一2 3 3 m h z 。不同芯片对时钟的处理不同，有的芯片只 需要一个主时钟频率，有的芯片内部时钟控制器可以分别为a r m 核和u s b 、u a r t 、 d s p 、音频等功能部件提供不同频率的时钟。 ( 3 ) 芯片内存储器的容量 大多数的a r m 微处理器片内存储器的容量都不太大，需要用户在设计系统 时外扩存储器，但也有部分芯片具有相对较大的片内存储空间，如a t m e l 的 a t 9 1 f 4 0 1 6 2 就具有高达2 m b 的片内程序存储空间，用户在设计时可考虑选用这 种类型，以简化系统的设计。 ( 4 ) 片内外围电路的选择 除了a r m 微处理器核以外，几乎所有的a r m 芯片均根据各自不同的应用领 域，扩展了相关外设功能模块，并集成在芯片之中。如u s b 接口、a d 或者d a 1 0 上海大学硕士学位论文 转换器等。设计者应分析系统的需求，尽可能采用片内外围电路完成所需的功能， 这样既可简化系统的设计、降低成本、减小系统体积，同时还能提高系统的可靠 性。 根据以上选型因素，测控系统开发平台采用了3 2 位a r m 7 t d m i 核的 p h i l i p sl p c 2 0 0 0 系列芯片，作为微处理器。该芯片是目前国内使用最为广泛的 a r m 芯片，非常适合工程测控和教学应用，充分体现嵌入式系统对资源、成本、 可靠性有严格需要的特点。l p c 2 0 0 0 系列微控制器基于a r m 7 t d m i sc p u 内核。 支持a r m 和t h u m b 指令集，芯片内集成丰富外设，而且具有非常低的功率消耗。 使该系列微控制器特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和p o s 机等场合。 l p c 2 0 0 0 系列微控制器器件信息如表2 1 所示。 根据测控平台的总体设计思想扩展性能良好，最小系统也能适用于多种 工程测控，再根据表2 1 比较，因此决定选用带外部存储器接口，片内f l a s h 容量较大的l p c 2 2 9 2 芯片。l p c 2 2 9 2 l p c 2 2 9 4 芯片的主要区别是c a n 控制器 的数量，其余资源几乎一模一样，所以以上两款芯片几乎可以通用。本课题所选 用芯片为l p c 2 2 9 2 。 表2 1l p c 2 0 0 0 系列器件信息 1 0 位a d 通 c a n 器件型号引脚数片内r a m片内f l a s h备注 道数 控制器 l p c 2 1 1 46 41 6 k b1 2 8 k b4 l p c 2 1 2 46 41 6 k b2 5 6 k b4 l p c 2 2 1 0 1 4 41 6 k b8 l p c 2 2 1 2 1 4 41 6 k b1 2 8 k b8 带外部存储器 l p c 2 2 1 41 4 41 6 k b2 5 6 k b8 接口 l p c 2 1 1 96 41 6 k b1 2 8 k b42 l p c 2 1 2 96 41 6 k b2 5 6 k b42 l p c 2 1 9 46 41 6 k b2 5 6 k b 44 l p c 2 2 9 01 4 41 6 k b82 l p c 2 2 9 21 4 41 6 k b2 5 6 k b82 带外部存储器 l p c 2 2 9 41 4 41 6 k b2 5 6 k b84 接口 l p c 2 1 3 16 48 k b3 2 k b 8 l p c 2 1 3 26 4 1 6 k b 6 4 k b 8 l p c 2 1 3 46 41 6 k b1 2 8 k b 双8 路 带1 路d a c l p c 2 1 3 66 41 6 k b2 5 6 k b 双8 路 l p c 2 1 3 86 43 2 k b5 1 2 k b 双8 路 i ：海大学硕士学位论文 2 1 4l p 0 2 2 9 2 微处理器简介 l p c 2 2 9 2 是基于一个支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i sc p u 的 微控制器。它带有2 5 6 k 字节( 1 ( b ) 嵌入的高速f l a s h 存储器。1 2 8 位宽度的存储器 接口和独特的加速结构使3 2 位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有 严格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式将代码规模降低超过3 0 ，而性能的损 失却很小。由于l p c 2 2 9 2 2 2 9 4 的1 4 4 脚封装、极低的功耗、多个3 2 位定时器、 8 路1 0 位a d c 、2 4 ( l p c 2 2 9 2 l p c 2 2 9 4 ) 路c a n 、p w m 通道以及多达9 个外部 中断使它们特别适用于汽车、工业控制应用以及医疗系统和容错维护总线。 l p c 2 2 9 2 2 2 9 4 包含7 6 ( 使用了外部存储器) 11 2 ( 单片) 个g p i o 口。由于内 置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器以及其它 各种类型的应用 8 1 。 l p c 2 2 9 2 包括如下资源，如图2 1 所示【8 】： 1 6 3 2 位1 4 4 脚a r m 7 t d m i - s 微控制器。 1 6k b 片内静态r a m 和2 5 6 k b 片内f l a s h 程序存储器。1 2 8 位宽接n ；o n 速器 可实现高达6 0 m h z 的工作频率。 通过片内b o o t 装载程序实现在系统编程( i s p ) 和在应用编程( i a p ) 。5 1 2 字节行编程时间为l m s 。单扇区或整片擦除时间为4 0 0 m s 。 e m b e d d e d i c e r t 和嵌入式跟踪接口使用片内r e a l m o n i t o r 软件对任务进行实 时调试并支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪。 2 4 ( l p c 2 2 9 2 2 2 9 4 ) 个互连的c a n 接口，带有先进的验收滤波器。多个串行 接口，包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t 、高速1 2 c 接口( 4 0 0k b i t s ) 和2 个s p i 接口。 8 路1 0 位a d 转换器，转换时间低至2 4 4us 。 2 个3 2 位定时器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、p w m 单元( 6 路输出) 、 实时时钟和看门狗。 1 2 上海大学硕士学位论文 图2 1l p c 2 2 9 2 功能框图 向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。 通过外部存储器接口可将存储器配置成4 组，每组的容量高达1 6 m b ，数据宽 度为8 1 6 3 2 位。 多达1 1 2 个通用i o 口( 可承受5 v 电压) ，9 个边沿或电平触发的外部中断 引脚。 通过片内p l l 可实现最大为6 0 m h z 的c p u 操作频率 片内晶振频率范围：1 - 3 0m h z 。 2 个低功耗模式：空闲和掉电。 上海大学硕士学位论文 通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒。 可通过个别使能禁止外部功能来优化功耗。 双电源： - - c p u 操作电压范围：1 6 5 1 9 5v ( 1 8v o 1 5v ) ； 一i o 操作电压范围：3 0 - - 3 6v ( 3 3v 0 3 v ) ，可承受5 v 电压。 2 2 嵌入式操作系统的引入 2 2 1 嵌入式操作系统概述 以往的嵌入式应用程序所控制的外围设备和执行的任务不多，用一个主循环 加上几个顺序调用的子程序模块即可满足要求。随着应用的复杂化，特别是在测 控领域，一个测控系统可能要同时控制和监视多个外设，要求系统具有实时响应、 实时处理的能力，能控制多任务并保证任务间通信通畅。基于上述原因，操作系 统的概念应运而生。操作系统是最基本的系统软件，是嵌入式系统的控制核心， 它掌控系统的所有资源并提供应用程序开发的基础，它的主要功能之一就是将资 源控制的复杂化隐藏起来，有效地组织多个任务的运行，并为程序员的工作提供 更为方便的一套指令和良好的工作环境，达到使用方便、资源分配合理、安全可 靠等的目的【9 1 。 目前嵌入式应用领域多采用实时多任务操作系统( r t o s ，r e a lt i m e o p e r a t i o ns y s t e m ) 。实时操作系统是一段在嵌入式系统肩动后首先执行的背景程 序，用户的应用程序是运行于r t o s 之上的各个任务，r t o s 根据各个任务的要 求，进行资源( 包括存储器、外设等) 管理、消息管理、任务调度、异常处理等工 作。在r t o s 支持的系统中，每个任务均有一个优先级，r t o s 根据各个任务 的优先级，动态地切换各个任务，保证对实时性的要求。 2 2 2