（信号与信息处理专业论文）基于嵌入式linux的手持数据终端的设计与应用.pdf

摘要 摘要 随着信息技术和计算机技术的飞速发展，手持设各已经渗透到人们生活的方 方面面，各种手持数据终端被广泛应用于移动通信、消费电子和信息采集等领域。 因此，如何高效地开发低成本的手持数据终端成为业界关注的焦点。 本文以手持数据终端的设计与应用为背景，在分析了各种制约因素后，提出 了a r m + l i n u x 的嵌入式系统设计方案。在众多的嵌入式处理器中，a r m 处理器 以低成本、低功耗和高性能等优点成为了嵌入式系统的嵌入式解决方案的r i s c 标 准。而l i n u x 操作系统凭借其稳定、高效、易定制、硬件支持广泛、网络功能强大 等特点，结合其所独具的免费、开放源代码等特征，成为嵌入式系统的设计趋势。 文章始终以嵌入式系统的设计为主线。在讨论了系统的选型与构成之后，详 细描述了系统的硬件设计和软件平台的构建。嵌入式微处理器是嵌入式系统的核 心，而嵌入式操作系统是嵌入式系统灵魂。本文在介绍了a r m 处理器的体系结构 与编程模型后，描述了存储器、通信接口、人机接口等主要部分的电路设计。接 着，在介绍了嵌入式l i n u x 操作系统的组成之后，本文详细描述了构建嵌入式l i n u x 系统软件平台的各个步骤，包括建立交叉开发环境、移植引导装载程序、移植l i n u x 内核和制作文件系统，并对系统的启动过程进行了分析。其中，移植嵌入式l l a u x 内核是本课题的难点，也是本文论述的重点。 最后，在上述所建立起来的手持数据终端平台的基础之上，本文针对手持数 据终端在电能表抄表中的应用，通过编写相关硬件部分的驱动程序和应用程序， 完成了从红外型电能表上读取数据和保存数据等操作，实现了红外抄表功能。 嵌入式技术与手持设备相结合，拓展出许多新的应用领域。可以预见，在市 场和技术进步的双重推动下，基于嵌入式技术手持数据终端必将成为信息产业新 的经济增长点。 关键词：手持数据终端嵌入式系统a r ml i n u x 红外移植 a b s 打a c t a b s t r a c t w i t hg r e a t d e v e l o p m e n t o fi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y a n dc o m p u t e r s c i e n c e ， h a n d h c l dd e v i c e sh a v eb e e nb r o u g h ti n t oe v e r ya s p e c to fo u il i v e s ，a n dp l a yi m p o r t a n t r o l e i nm a n yf i e l d s ，s u c ha sm o b i l ec o m m u n i c a t i o n , c o n s u m e re l e c t r o n i c sa n d i n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n ，e r e t h e r e f o r e ，t h ep r o b l e mi sh o wt od e v e l o pl o wc o s th a n d h e l d d e v i c e se f f i c i e n t l y b a s e do nt h eb a c k g r o u n d t h i ss t u d yp u tf o r w a r da l la r mp l u sl i n u xw a ys o l u t i o n a f t e rc o n s i d e r i n gt h er e s t r i c t i o ni ne m b e d d e ds y s t e m w i t ht h ef e a t u r e so fc o s t e f f e a i v e ， l o w p o w e ra n dh i g h - p e r f o r m a n c e ，a r mp r o c e s s o ri ss u p e r i o rt oo t h e r s ，a n db e c o m e s t h es t a n d a r ds o l u t i o no fd e s i g n i n gh a n d h e l dd e v i c e s l i n u xi ss t a b l e ，e f f i c i e n t ， c u s t o m i z a b l e a n dc a ns u p p o r ta l ls o r t so fh a r d w a r e l i n u xi sf r e ea n di t ss o n r c ec o d ei s o p e n , w h i c hi si t sg r e a t e s ta d v a n t a g e s o ，h n u xb e c o m e st h ef i e n di nt h ed e s i g no f h a n d h e i dd e v i c e s t h i ss t u d yd e s c r i b e st h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ef u re m b e d d e ds y s t e mi n d e t a i l e i ti n t r o d u c e sm a i np a r t si nt h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ec i r c u i t , i n c l u d i n gm e m o r y , c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ea n dh u m a ni n t e r f a c e a f t e rt h i s ，i td e s c r i b e st h es t e p so f c o n s t r a c t i n gs o f t w a r ep l a t f o r mf o rt h es y s t e m ，s u c ha sc o n s t r u c t i n gg l o s sd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t ，p o r t i n gb o o t l o a d e r , p o r t i n gl i n u xk e r n e la n dm a k i n gr o o tf i l es y s t e m m o r e o v e r , i ta n a l y z e st h es t a r u pp r o c e d u r eo f t h ek e r n e l f i n a l l y , t h i ss t u d yd i s c u s s e st h ea p p l i c a t i o no fo u rs y s t e mi ni n f r a r e dp o w e rm e t e r r e a d e r i n g 1w r o t et h ed r i v e ra n da p p l i c a t i o np r o g r a mf o r t h es y s t e m ，a n di m p l e m e n t e d r e a d i n ga n ds a v i n gd a t af r o mt h ei n f r a r e dp o w e rm e t e r t h ec o m b i n a t i o no fe m b e d d e ds y s t e ma n dh a n d h e l dd e v i c e sd e v e l o p e sm a n yn e w a p p l i c a t i o n s ，a n dw i l lb r i n ge c o n o m i cg a i nf u rt h ei n f o r m a t i o ni n d u s t r yi nf u t u r e k e y w n r d s ：h a n d h e l dd e v i c e s e m b e d d e ds y s t e ma r ml i n u xi n f r a r e d p o r t i n g 一- 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 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技大学或其它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 确的说明并表示谢意。 签名：幺蜀型日期：幻。| 7 年月玎臼 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技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，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：毯重型导师签名：王也 日期：加7 年j 月矿日 第一章绪论 第一章绪论 在当前日益信息化的社会中，计算机技术和网络技术获得了空前的发展，其 应用己渗透到社会生产、生活的各个方面。伴随着计算机技术与行业应用的紧密 结合，通用计算机已经不再是信息产业的主角，嵌入式计算机系统，正逐渐成为 计算机时代的后起之秀一计算机技术开始进入后p c 时代。 在这一时期，人们需要的已经不再仅仅是那种放在桌上处理文档，进行工作 管理和生产控制的计算机“机器”，取而代之的是各种各样新型嵌入式系统设备。 任何人都可能拥有从大到小的各种包含了嵌入式技术的电子产品，例如4 , nm p 4 ， p d a 等手持终端设备产品，大到网络家电，智能家电，车载电子设备等。而在工 业和服务领域中，使用嵌入式技术的数字机床，智能工具，工业机器人，服务机 器人也正改变着传统的工业生产和服务方式。 在2 0 世纪末和2 1 世纪初，嵌入式技术与手持设备相结合，拓展出许多新的 应用领域。可以预见，在市场和技术进步的双重推动下，基于嵌入式技术手持设 备必将成为信息产业新的经济增长点。 1 1 嵌入式l i n u x 系统的发展概述 1 1 1 嵌入式系统的历史与发展趋势 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、功耗等方面有严格要求的专用计算机系 统。用于实现对其它设备的控制、监视或管理功能1 1 1 。 嵌入式系统的组成一般分为两部分：嵌入式硬件平台和嵌入式软件系统，如 图1 - 1 所示。其中，嵌入式硬件平台由嵌入式微处理器、存储器和外围设备组成； 嵌入式软件系统由嵌入式操作系统和应用程序构成【2 】。 目前，嵌入式系统被广泛应用于消费电子、通信网络、工业控制、汽车电子、 医疗仪器、信息家电、航空航天、军事国防等众多领域。微处理器和微控制器年 产量达到几亿到1 0 多亿片，而在全球工作的计算机中有9 5 以上都是嵌入式计算 机，已经远远超过通用计算机。因此，可以说嵌入式系统无处不在。 电子科技大学硕士学位论文 嵌入式应用软件 荔 羹 鬟 嵌入式操作系统嚣 懋 篓 黛 嵌入式硬件平台 霾 罐 微处理器存储器 霪 外围设备 霪 爹 图1 - 1 嵌入式系统的组成 嵌入式系统这一概念实际上很久以前就已经存在了。早在上世纪六十年代， 它就被用于对电话交换进行控制，当时被称为“存储式过程控制系统”( s t o r e d p r o g r a mc o n t r o ls y s t e m ) 。真正意义上的嵌入式系统是在上世纪七十年代出现的， 发展至今已经有3 0 多年的历史，它大致经历了以下四个发展阶段【4 l 。 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器系统，同时具有检测、伺服、指 示设备相配合的功能。这一类型的系统大部分用于专业性较强的工业控制系统中， 其主要特点是：结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小，通过汇编 语言进行编程，几乎没有操作系统和用户接口支持。由于这种嵌入式系统使用简 单、价格较低，因此在以往的工业领域中应用较为普遍。但是，它们已经远远不 能适应现代化工业控制和新兴信息家电等领域的要求。 第二阶段是以嵌入式处理器( c p u ) 为基础，以简单操作系统为核心的嵌入 式系统。这一阶段系统的主要特点是：c p u 种类繁多，通用性较弱；系统开销小， 效率高；操作系统只具有低度的兼容性和扩展性；应用软件较为专业，用户界面 不够友好。这种嵌入式系统的主要任务是用来控制系统负载，以及监控应用程序 的运行。 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统，呈现低功耗、小型化等 特点。这一阶段系统的主要特点是：嵌入式操作系统能够运行于各种不同类型的 处理器之上，兼容性好；操作系统内核精巧、效率高，并且具有高度的模块化和 扩展性；具有文件和目录管理、支持多任务处理、支持网络操作、具备图形窗口 和用户界面等功能；具有大量的应用程序接口，开发程序简单；嵌入式应用软件 丰富。然而，在通用性、兼容性和扩展性方面仍不理想。 第四阶段是以i n t e m e t 为标志的嵌入式系统，呈现智能化的特点。这是一个正 在迅速发展的阶段。目前大多数嵌入式系统还处在i n t e m e t 范围之外，但随着 2 第一章绪论 i n t e r a c t 的发展以及i n t e r a c t 与信息家电、工业控制等领域的结合日益密切，嵌入 式设备与i n t e r a c t 的结合将代表着嵌入式技术的未来。 可以预见，嵌入式系统今后将继续向低功耗、小型化和智能化的方向发展， 并进一步与i n t e r n e t 融合。信息化社会的建设对嵌入式系统市场提出巨大需求，嵌 入式计算机必将是信息产业新的经济增长点。 1 1 2 嵌入式l i n u x 操作系统的发展现状 在所有的操作系统中，l i n u x 是一个发展最快、应用最为广泛的操作系统。l i n u x 本身的种种特性使其成为嵌入式开发的首选。在进入市场的头两年，嵌入式l i n u x 的设计通过广泛应用获得了巨大成功。随着嵌入式l i n u x 的成熟，提供更小的代码 尺寸和更多类型的处理器支持，并从早期的试用阶段迈进到嵌入式市场的主流， 根据i d c ( i n t e r a c td a t ac e n t e r ) 的报告，l i n u x 已经成为全球第二大操作系统。目 前，主流的嵌入式l i n u x 操作系统有以下几种主要 3 11 5 1 ： 1 卢c l i n u , x u c l i n u x 起源于“针对无内存管理单元处理器的l i n u x 内核“计划，发展至今 已经成为支持众多处理器架构的一款开源嵌入式操作系统 7 1 。, u c l i n u x 重写了标准 l i n u x 的内存管理模块，采用平板式内存模型来去除对m m u 的依赖，即其通过实 地址模式来访问内存，而无需经过m m u 进行地址映射。此外，该项目还开发了 运用于z c l i n u x 的c 函数库g c l i b c 。 由于采用实地址模式访问内存，因此m c l i n u x 不提供内存保护。但z c l i n u x 的内核远小于标准的l i n u x 内核，同时保持了l i n u x 操作系统几乎所有的优秀特性， 包括稳定、强大的网络功能和出色的文件系统支持，且不需要m m u 的支持，使 h c l i n u x 在低成本的嵌入式市场上大受欢迎。 2 r t - l i n u x r t - l i n u x 是由美国新墨西哥矿业科技学院开发的一款实时操作系统。由于具 有优异的“实时”性能，r t - l i n u x 被成功地应用于航天飞机的空间数据采集、科 学仪器测控和电影特技图像处理等领域，甚至n a s a ( 美国国家宇航局) 将装有 r t - l i n u x 的设备放在飞机上，以测量g e o r a g e 飓风的风速。 r t - l i n u x 开发者并没有针对实时操作系统的特性而重写l i n u x 的内核，而是 提供了一个精巧的实时内核，并将标准的l i n u x 内核作为实时内核的一个进程，赋 予较低的优先级，采用抢占式、固定优先级的调度策略与用户的实时进程一起调 3 电子科技大学硕士学位论文 度。这样对l i n u x 内核的改动非常小，并且充分利用了l i n u x 下现有的丰富的软件 资源。 3 a r m l i n u x a r m l i n u x 是由a r m 公司的r u s s e l l k i n g 维护的，经过他和其他人的共同努 力，已将l i n u x 内核成功移植到多种以a r m 处理器为核心的机器上。目前，a r m l i n u x 支持包括a r m 7 1 0 、a r m 7 2 0 t 、a r m9 2 0 1 、s t r o n g a r m l l l o 和x s c a l e 系 列的a r m 处理器，这些处理器都具有内存管理单元m m u 。由于得到全球各种组 织和个人的支持，a r ml i n u x 内核目前己被移植到超过5 0 0 多种机器类型，包括 完整计算机，网络计算机，手持终端设备以及各种评估板。 1 2 嵌入式l i n u x 在手持数据终端中的应用 随着信息技术和计算机技术的飞速发展，各种手持设备走进了寻常百姓的生 活，并开始进入工业生产和服务行业等领域。它们为访问本地信息和网络信息以 及收集、处理和转交现场数据提供了便利。 手持数据终端属于嵌入式系统范畴，是专用的计算机系统。与通用计算机系 统相比，手持数据终端具有以下特点【3 j ： 手持数据终端通常面向特定应用。大多数手持数据终端通常是专门为特定 应用设计的，具有功耗低、体积小、集成度高等特点。 手持数据终端通常是将先进的计算机技术、半导体技术以及电子技术与各 个行业的具体应用相结合而产生的，这一点就决定了它必然是一个技术密 集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 手持数据终端通常的硬件和软件必须具备高度的可定制性。只有这样才能 适应各种应用场合的需要，在产品性能价格等方面具备竞争力。 手持数据终端通常自身一般不具备开发能力。由于受到硬件资源限制，直 接在手持数据终端上开发程序通常较为困难，因此其软件开发一般采用交 叉开发方式进行。 手持数据终端通常和具体应用有机地结合在一起，其升级换代也是和具体 产品同步进行的。因此手持数据终端产品一旦进入市场，就具有较长的生 命周期。 目前，手持数据终端已应用于消费电子、移动通信和信息采集等领域，如移 动电话、p d a 、数码相机、g p s 终端、智能抄表器等都是典型的手持数据终端。 4 第一章绪论 随着高性能、低功耗、低成本微处理器的出现，手持数据终端发展的瓶颈就突出 表现在了软件方面。尽管从二十世纪八十年代末开始，陆续出现了一些嵌入式操 作系统，如v x w o r k 、w i n d o w sc e 等，但它们都是商业化产品，其昂贵的价格让 不少厂商望而却步，且其源代码的封闭性也大大限制了开发者的积极性。与其他 嵌入式操作系统相比，l i n u x 应用于手持数据终端具有以下优势1 6 l ： 1 源码开放，资源丰富，成本低廉 由于手持数据终端千差万别，往往需要针对具体的应用进行修改和优化，因 而能否获得源代码就成为至关重要的问题。i j n u x 是开放源代码的自由操作系统， 遵循g p l 条款，用法律保障了用户自由复制、发布和修改软件的权利。其次，l m u x 的软件资源十分丰富，几乎每种应用程序可以在u n u x 上都找到，并且其数量还在 不断增加。在i j n u x 下开发手持数据终端，往往可以选择一个类似的自由软件为原 型，在其上进行二次开发。以上优势大大节省了开发成本，缩短了开发周期。 2 硬件支持广泛 h n u x 符合可移植操作系统接口p o s i x ( p o n a b l eo p e r a t i n gs y s t e mi m e f f a c e ) 标准，可支持x 8 6 ，a r m ，m w s ，p o w e f f c ，a l p h s p a r c 等多种体系结构。目前， l i m i x 己被成功移植到数十种硬件平台上，并且几乎能够运行在所有流行的c p u 上。此外，i j n u x 有着异常丰富的驱动程序资源，支持各种主流硬件设备和最新硬 件技术，甚至可以运行于没有存储管理器单元的处理器，这些都促进了u n u x 在手 持数据终端中的应用。 3 内核高效，稳定，可定制 l m u x 内核具有独特的模块机制，不仅使用户可根据特定应用场合方便地添加 或移除某些功能，还可有效减小内核体积。经适当裁减后的l i n u x 内核代码不到 2 0 0 k b ，尤其适合与手持数据终端资源受限的特点。 其次，l i n u x 的内核的高效性与稳定性已经在各个领域，尤其在网络服务器领 域得到了验证。 4 网络功能强大，文件系统完善 l m u x 自产生之日起就与网络密不可分，网络是其强项。另外，它支持e x t 、 f a t 、c r a m f s 、j f f s 、y a f f s 等多种文件操作系统，可适应各种应用场合。在 图形系统方面，l j n u x 上既有已在p c 上发展成熟的x w i n d o w ，也有q t e m b e d d c d ， m i m g u i 等嵌入式图形用户界面，可以适合不同的用途来选用。 - 5 一 电子科技大学硕士学位论文 1 3 本课题的设计方案 1 3 1 系统的选型 嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心；而嵌入式操作系统是嵌入式系统的灵 魂。因此，系统的选型主要任务是选择合适的嵌入式处理器和嵌入式操作系统。 嵌入式系统在选型时必须考虑以下因素1 5 j ： 处理器成本、性能、功耗； 处理器的外设接口； 操作系统成本以及是否开放源码 操作系统的可定制性； 操作系统可移植性。 在种类繁多的嵌入式处理器中，a r m 处理器具有低成本、低功耗和高性能等 优点，且外设接口丰富，已成为移动通信、- 手持数据终端、多媒体数字消费的嵌 入式解决方案的r 1 s c 标准。 目前主流的嵌入式操作系统有v x w o r k s 、w i n d o w sc e 、y c o s 、嵌入式l i n u x 等【4 】，它们各方面的比较如表1 - 1 所示。 表1 1 几种主流嵌入式操作系统的比较 v x w o r k sw i n d o w sc e a c o s 嵌入式l i n u x 成本昂贵较高较低免费 开放源码，遵循 开放源码否否是 g p l 条款 可定制性一般一般较好内核可裁减 符合p o s 标 可移植性一般较差 较好 准，支持广泛 实时性是其最 实时性较差 较好一般 大优点 可靠性较好一般较好较好 基于上述分析，本课题选用a r m 处理器作为硬件平台的核心；并选用嵌入式 l i n u x 作为操作系统。 6 第一章绪论 1 3 2 系统的总体设计 本系统的硬件平台由以下六部分组成。系统的模块划分如图1 2 所示。 微处理器。 存储器模块：包括s d r a m 、f l a s h 和e e p r o m 。 通信接口模块：包括u s b 接口、r s 2 3 2 接口、i r d a 和以太网连接。 人机接口模块：键盘接口、l c d 和触摸屏接口、m i c 接口和耳机接口。 调试电路模块。 电源模块。 并在此基础上构建软件平台，软件平台由引导装载程序，操作系统内核和根 文件系统组成。最后针对红外电能表抄表的应用编写相应的驱动程序和应用程序， 完成与电表的红外通信，数据处理等功能。 1 4 研究的主要任务 图1 - 2 系统总体设计图 手持设备已经成为人们日常生活和生产中必不可少的助手。将嵌入式系统技 术应用于手持数据终端，必将为其带来更加广阔的应用空间和市场前景。 作者在本课题中主要承担以下工作： ( 1 ) 参与系统总体方案的设计，包括器件选型和模块划分； ( 2 ) 完成系统的硬件设计； ( 3 ) 移植引导装载程序，移植操作系统，并编写设备驱动程序； ( 针对红外抄表功能编写应用程序，并进行测试。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章系统硬件平台的设计 在进行嵌入式系统设计时，首先面临的难题就是如何挑选一种合适的处理器。 a r m 系列处理器是专门针对嵌入式设备设计的，是目前构造嵌入式系统硬件平台 的首选。 2 1a r m 处理器 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，即高级精简指令系统处理器，是英国a r m 公司提供的一种微处理器知识产权( 口) 核。与一般公司不同，a r m 公司只提供 基于a r m 处理器内核的系统芯片技术授权和解决方案，而本身并不生产和销售芯 片。世界各大半导体生产商购买a r m 微处理器内核，根据不用的应用领域，加入 适当的外围电路，从而形成自己的a r m 微处理器进入市场。因此，a r m 技术获 得了第三方合作伙伴的广泛支持。 目前，采用a r m 内核的微处理器，即通常所说的a r m 处理器，遍及消费类 电子产品、工业控制、通信系统、网络产品等，占有嵌入式处理器市场7 5 以上 的份额。 2 1 1a r m 处理器的体系结构 a r m 处理器目前包括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 列和i n t e l 的s t r o n ga r m 和x s c a l e 系列。除具有a r m 体系结构的共同特点外， 每个系列又有各自的特点和应用领域1 9 1 。 1 a r m 7 系列处理器 a r m 7 系列处理器为低功耗的3 2 位r i s c 处理器，最适合用于对价位和功耗 要求比较严格的消费类应用。a r m 7 系列处理器具有如下特点：具有嵌入式i c e - r t 逻辑，调试开发方便；功耗极低，适合对功耗要求较高的应用场合；提供 0 9 m i p s m h z 的3 级流水线结构；代码密度高并兼容1 6 位的t h u m b 指令集；对 操作系统的支持广泛，包括l i n u x 、w i n d o w sc e 、p a l mo s 等；指令系统与a r m 9 系列、a r m 9 e 系列和a r m l 0 e 系列兼容；主频最高可达1 3 0 m i p s ，高速的运算 处理能力能胜任大多数的应用。 8 - 第二章系统硬件平台的设计 a r m 7 系列处理器有：a r m 7 t d m i 、a r m 7 l d m i s 、a r m 7 2 0 t 、a r m 7 e j ， 主要应用于工业控制、i n t e m e t 设备、网络和调制解调设备、移动电话等领域。 2 a r m 9 系列处理器 a r m 9 系列处理器在高性能和低功耗方面提供最佳的性能。具有如下特点：5 级流水线结构，指令执行效率更高；提供1 1 m i p s m h z 的哈佛结构；支持3 2 位 a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集；支持3 2 位的高速a m b a 总线接口；全性能 的m m u ，支持l i n u x 、w i n d o w sc e 、p a l mo s 等多种操作系统；m p u 支持实时 操作系统；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 系列处理器有：a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 和a r m 9 4 0 t ，主要应用无线设 备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字相机等。 3 a r m l 0 e 系列处理器 由于采用了新的体系结构，与同等的a r m 9 相比较，在同样的时钟频率下， 性能提高了近5 0 ，同时，a r m l 0 e 还采用了两种先进的节能方式，使其功耗极 低。a r m l 0 e 系列处理器的主要特点如下：支持d s p 指令集，适合于需要高速数 字信号处理的场合；5 级流水线结构，指令执行效率更高；支持3 2 位a r m 指令 集和1 6 位t h u m b 指令集；支持3 2 位的高速a m b a 总线接口；支持v f p l 0 浮点 运算协处理器；全性能的m m u ，支持l i n u x 、w i n d o w sc e 、p a l mo s 等多种操作 系统；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；主频最高 可达4 0 0 m i p s ；内嵌并行读写操作部件。 a r m l 0 e 系列处理器由a r m l 0 2 0 e 、a r m l 0 2 2 e 和a r m l 0 2 6 e i s ，主要应用 于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、通信和信息系统等领域。 4 s t r o n g a r m x s c a l e 处理器 i n t e l 的x s c a l e 处理器是基于a r m v 5 t e 体系结构的解决方案，是一款性能全、 销价比高、功耗低的处理器。它支持1 6 位的t h u m b 指令集和d s p 指令集，已使 用于数字移动电话、个人数助理和网络产品等场合。采用x s c a l e 架构的处理器有： p x a 2 5 0 、p x a 2 5 5 和p x a 2 7 0 。 2 1 2a r m 处理器的编程模型 1 寄存器组织 a r m 处理器共有3 7 个3 2 位寄存器，其中3 1 个为通用寄存器，6 个为状态寄 存器，如图2 - 1 所示。这些寄存器不能被同时访问，具体哪些寄存器是可访问的， 9 皇王型垫奎堂堡主堂垡丝苎 取决于处理器的工作状态及工作模式。在任何时候，通用寄存器r 0 r 1 4 、程序 计数器p c 和一个或两个状态寄存器是可访问的螂。 r o r r 2 r 3 r 4 r 毒 r 6 r 7 r 8 r 0 r 1 0 r 1 r 2 r 3 r 1 4 r 1 5 妒c ) a r ms t a t eg e n e r a lr e g i s t e r sa n dp r o g r a mc o u n t e r f i 。 s u p e r v i s o r r 0 ；r i l r 2 lr 3 lr 4 r 5 lr 6 l r 7 r 8 _ f i q 瓤r g z q 熬r o 艘 溆r i i j v ：l 瓤r 1 2 _ f i q 致r 1 3 j 畸i 瓤r i 4 。r k l ir 1 5 p c ) a r ms t a t ep r o g r a ms t a t u sr e g i s t e r s u n d e f i n e d i c p s 囊 li c p s r lc p s r il c p s rl ic p s r ljc p s r 菠! ! 篓。照 匿篮翌曼；习蔽! i 墨黛墼i 藤! ! 型銎i 蒸献兰垦釜习 孰，b a n k e dr e g i s t e r 图2 - 1a r m 的寄存器组织 其中，r 1 4 用作链接寄存器( l r ) ，当执行b l 字程序调用指令是，r 1 4 中得 到r 1 5 的备份。其他情况下，r 1 4 用作通用寄存器。r 1 5 用作程序计数器( p c ) ， 保存程序计数值。r 1 6 用作当前程序状态寄存器( c p s r ) ，它包含了条件标志位以 及当前处理器模式位。 2 存储器组织 a r m 体系结构将存储器看作是从0 地址开始的字节的线性组合。从第o 字节 第3 字节放置第一个字数据，从第4 字节一第7 字节放置第二个字数据，依次排 列。a r m 存储器组织既可支持大端( b i g - e n d i a n ) 格式，又可支持小端( l i t t l e - e n d i a n ) 格式。 大端格式。字数据的高字节存放在低地址中，而字数据的低字节则存放在高 1 0 第二章系统硬件平台的设计 地址中，如图2 - 2 所示。 高地址3 l 2 42 31 61 5870 8 91 0 1 l 4567 0123 低地址 高字节位于低地址中 字地址 8 4 0 图2 - 2 大端格式示意图 小端格式。与大端格式相反，在小端格式中，低地址中存放的是字数据的低 字节，高地址中存放的是字数据的高字节，如图2 3 所示。 高地址3 l 2 42 3 1 61 5870 1 11 098 7654 3 2 l 0 低地址 低字节位于低地址中 字地址 8 4 0 图2 - 3 小端格式示意图 3 数据类型 a r m 处理器可支持的数据类型有：字节( 8 - b i t ) ，半字( 1 6 b i t ) 和字( 3 2 b i t ) 。 但字类型数据必须与四字节边界对齐，半字类型必须与两字节边界对齐。 4 工作模式 a r m 处理器支持7 种运行模式。 用户模式( u s r ) 。a r m 处理器正常的程序执行状态。 快速中断模式( f i q ) 。用于高速数据传输或通道处理。 外部中断模式( i r q ) 。用于通常的中断处理。 超级用户模式( s v c ) 。供操作系统使用的保护模式。 中止模式( a b t ) 。当指令预取中止时，进入指令中止模式；当数据访问中 止时，进入数据访问中止模式，此模式支持虚拟存储及存储保护。 未定义模式( u n d ) 。此模式支持硬件协处理器的软件仿真。 系统模式( s y s ) 。运行具有特权的操作系统任务。 - 1 1 电子科技大学硕士学位论文 除用户模式外的其余6 种模式称为非用户模式或特权模式；其中，除去系统 模式外的其余5 种模式又称为异常模式，常用于处理中断或异常，以及需要访问 受保护的系统资源等情况。在特权模式下，程序可以访问所有的系统资源，也可 以任意地进行处理器模式的切换。在用户模式下，程序不能访阀那些受保护的系 统资源，也不能任意地进行处理器模式的切换。大多数应用程序运行在用户模式 下，此时应用程序不能访问某些被保护的系统资源或是直接进行处理器模式的切 换，但可通过产生异常处理来切换处理器模式。每种异常模式都有一组寄存器， 供相应的异常处理程序使用，这样就保证了在进入异常模式时，用户模式下的寄 存器不被破坏。 5 异常 当正常执行的程序流程被中断时，便产生了异常( e x c e p t i o n s ) 。异常改变了 程序正常的执行顺序，属于非正常的执行状态，由内部或外部事件产生。当发生 异常时，处理器在执行完当前指令后便跳转到相应的异常处理程序处执行，完毕 后返回到原程序断点处继续执行。因此，在处理异常之前，处理器必须保存中断 程序的执行现场；从异常处理返回后，必须恢复被中断程序的执行现场。 表2 - 1a r m 的异常类型 地址异常模式 0 x 0 0 0 0 0 1 0 0 0 复位超级用户模式 0 x o 0 0 0 0 0 0 4未定义指令未定义模式 0 x 唧) 0 0 0 8软件中断超级用户模式 0 x 0 0 0 0 0 0 0 c中止( 指令预取)中止模式 0 x 0 0 0 0 0 0 1 0中止( 数据访问)中止模式 0 ) 【0 0 0 0 0 0 1 4保留 保留 o x 0 0 0 0 0 0 1 8 i r q 外部中断模式 m 加0 0 0 0 0 1 cf i q快速中断模式 a r m 体系结构支持7 种类型的异常：复位、未定义指令、软件中断、指令预 取终止、数据访问终止、保留、i r q 和f i q 。表2 2 列出了异常的类型以及处理这 些异常的处理器模式。异常出现后，将强制从相应的固定存储器地址处开始执行， 这些地址称为异常向量( e x c e p t i o n v e c t o r s ) 。 a r m 的异常按起因不同可分为以下3 类： 指令执行引起的直接异常：未定义指令和指令预取终止。 指令执行引起的间接异常：数据访问终止。 1 2 第二章系统硬件平台的设计 外部事件引起的异常：复位、 r q 和f 1 q 。 当多个异常同时发生时，系统根据固定的优先级决定异常的处理顺序。表2 3 按由高到低的顺序列出了异常的优先级。 表2 - 2 异常的优先级 优先级异常 1 复位 2数据访问中止 3f i q 4 i r q 5 指令预取中止 6未定义指令、软件中断 2 2 系统的硬件设计 图2 4 系统的硬件结构框图 本系统由以下几部分组成： 1 3 电子科技大学硕士学位论文 c p u ：s a m s u n gs 3 c 2 4 1 0 a 2 6 6 m h z ( a r m 9 2 0 t 内核) 存储器部分：包括s d r a m 、f l a s h 和e e p r o m 。 通信接口部分：包括u s b 接口、r s 2 3 2 接口、i r d a 和以太网连接。 人机接口部分：键盘接口、l c d 和触摸屏接口、m i c 接口和耳机接口。 j t a g 接口。 电源及时钟电路。 系统的硬件结构如图2 - 4 所示，p c b 图见附录i 。下面对硬件电路的主要部 分进行详细介绍。 2 ，2 1s 3 c 2 4 1 0 a 处理器 $ 3 c 2 4 1 0 a 是s a m s u n g 推出的一款3 2 位r i s c 微处理器【埘。它以a r m 9 2 0 t 为内核，采用0 1 8 “m 工艺，实现了m m u ( m e m o r y m a n a g e m e n t u n i t ) 单元，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 sa r c h i t e c t u r e ) 总线和h a r v a r dc a c h e 结构，为手持 设备和一般类型的应用提供了低成本、低功耗和高性能的处理器解决方案。其内 部结构如图2 - 5 所示。此外，$ 3 c 2 4 1 0 a 还提供丰富而完整的外设接口，消除了额 外的配置原件，其片上功能如下： 内核1 8 2 0 v ，存储器3 3 v ，外部i 0 3 3 v 具有1 6 k b 指令c a c h e 1 6 k b 数据c a c h e 和m m u 单元 外部存储器控制器( s d r a m 控制和片选逻辑) l c d 控制器( 最大可支持4 k 色s t n 和2 5 6 k 色n 呵) ，1 通道l c d 专用 d m a 4 通道d m a 请求，并具有外部请求引脚 3 通道u a r t ( k d a l 0 、1 6 字节t x f i f o 、1 6 字节r x f i f o ) 2 通道s p i 1 通道i i c 总线控制器1 通道i i s 总线控制器 s d 主机接口( 版本1 o ) 和m u l t i m e d i a 卡协议( 版本2 1 1 ) 2 个u s b 主机接口1 个u s b 从设备接口( 版本1 1 ) 4 通道p w m 计时器1 通道内部计时器 看门狗定时器 1 1 7 个通用f o 端口2 4 通道外部中断源 电源控制：普通、缓慢、空闲和断电模式 8 通道1 0 位a d c 和触摸屏接口 1 4 第二章系统硬件平台的设计 具有日历功能的实时时钟 具有带p l l 的片上时钟发生器。 i 已醢抽打 l ln a 船c 。b f f l 俐d 只鼬b o o t l t o a 瀚 h 8 8 ， s 图2 - 5 $ 3 c 2 4 1 0 a 内部结构框图 1 5 晒错错 电子科技大学硕士学位论文 2 2 2s d r a m 电路 $ 3 c 2 4 1 0 a 的存储器控制器共支持8 个存储器b a n k ，其中6 个b a n k 可用作 r o m 和s r a m ，剩余2 个b a n k 可用作r o m 、s r a m 和s d r a m 。每个b a n k 均支 持可编程的数据总线宽度( 8 1 6 3 2 位) ，地址空间为1 2 8 m b ，总共1 g b 。图2 - 6 显示了使用n a n df l a s h 启动和使用其他存储器启动时的地址映射情况。 铡= f f ff f f f 寸 a 国0 。00 0 斗 o 研1 ：o l ；0 1 ，伯 o u 1 ：o l = 0 0 懒删 s f r a t e a n o t u s e d 8 f r a e a n o t u s e d 髫瓤赢恢m 删搿难瑚描曰8 删1 6 m b ( n c , c s 7 舟懋舶翻m 目1 艘如肥 g 鬣臻舭甄) r a m磐艟蠲m b 矧l 锻1 翳b 鲫3 ( 洽6 ， 昭越舾苒4 删 2 8 m b s r o m 1 瑚 旧 ( n g c 3 5 ) s r o m 1 翘启 ( n g e 翰 s 黝 2 e b ( n o c s s ) 8 r o m 2 舅，b ( n g c 8 2 s r 嗍 1 麓m b ( r i g c s l ) b o o t ”m 删1 翅 旧 g ( 蛐) 叫