（通信与信息系统专业论文）arm平台调试及实时估计算法实现.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 随着计算机技术、通信技术的迅速发展，特别是互联网的迅速普及和计 算机、通信信息的高速融合，嵌入式系统开发已经是信息电子产业的一大热 点。发展高速便携产品，是当今信息产业主流。面向现实的客观潮流，开发 适合于浅海的便携式多波束测深产品有着十分重要的意义。 本论文的主要任务是参考拟定的浅水多波束测深仪方案，着重为小型多 波束测深系统设计一套能够协调测深仪接收系统、发射系统、显示系统等各 部分的信号处理与控制平台，并对硬件平台进行编程调试、滑动窗能量中心 快速算法分析与设计、嵌入式g c l i n u x 及其应用开发。主要有以下几个方面 内容； 小型多波束测深系统的工作原理；信号处理与控制硬件平台的编程与调 试，包括d s p ，a r m ，f p o a 和相关的外部器件的编程与调试；滑动窗能量 中心快速算法分析与仿真；嵌入式p c l i n u x 在本系统上的应用开发，包括： p c l i n u x 内核结构分析，建立交叉编译环境，针对本硬件平台内核源码的修 改，在i j c l i n u x 下开发应用程序和设备驱动程序等。 关键词：嵌入式系统；a r m , ：d s p ；i _ t c l i n u x 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e mi st h en e wr e s e a r c hf o c u s ，a l o n gw i t h t h et e c h n o l o g i e si m p r o v e m e n to fc o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o n , e s p e c i a l l yt h e s p e e d yp o p u l a r i z a t i o no fi n t c r n e ta n dc o m p u t e r , a n dt b el f i g h - s p e e di n f o r m a t i o n f u s i o no fc o m m u n i c a t i o na n d c o n s u m p t i v e e l e c t r o n i cp r o d u c t s n o w , t h e d e v e l o p m e n to fp o r t a b l ep r o d u c t sw i t hh i g hs p e e di st h em a i nd i r e c t i o ni n i n f o r m a t i o ni n d u s t r y f a c i n gt h eo b j e c t i v er e a l i 锣t r e n da n dd e v e l o p i n gt h e m u l t i - b e a mp r o d u c t ss o u n d i n gs u i t a b l ef o rs h a l l o ww a t e rh a v eg r e n ts i g n i f i c a n c e h e n c ed e s i g n i n gas u to fs i g n a lp r o c e s s i n ga n dc o n t r o l l i n gp l a t f o r mt o h a r m o n i z et h es u b - s y s t e m ss u c ha sr e c e i v e r , t r a n s m i t t e ra n dd i s p l a ye t c a c c o r d i n g t op r e p a r e ds y s t e ms c h e m ei st h em a i nw o r ki nt h i sp a p e r s i m u l t a n e o u s l y , t h e d e b u g i n go fp r o g r a mo fh a r d w a r ep l a t f o r m , t h ea n a l y s i sa n dd e s i g no ff a s t a l g o r i t h mo fe n e r g yc e n t e re s t i m a t i o n , t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no f e m b e d d e dp c l i n u xa r ea c c o m p l i s h e d t h ef o l l o w i n gd e t a i l sa r ei n c l u d e d ：t h ed s p , a r m f p g aa n do t h e re x t e r i o r c o m p o n e n t sa r ep r o g r a m m e da n dd e b u g g e d ；t h ea n a l y s i sa n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n o ff a s ta l g o r i t h mo fe n e r g yc e n t e re s t i m a t i o na g ed o n e ；t h ed e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o no fe m b e d d e di z c l i n a xo nt h i ss y s t e ma l er e a l i z e d f i n a l l y , k e r n e l s l l n c r l r ei s r e s e a r c h e d , c r o s s e dt r a n s l a t i o ne n v i r o n m e n ti sb u i l t , a n dt h e m o d i f i c a t i o no fk e r n e lc o & b a s e do nt h eh a r d w a r ep l a t f o r ma n dd e v e l o p i n g a p p l i c a t i o np r o g r a ma n dd e v i c ed r i v e ru s i n gi _ t c l i n u xa r ea l s of u l f i l l e d k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；a r m ；d s p ；l x c l i n u x 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：丝篮 日期：卿年明i - e l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 海洋是国民经济发展中资源的重要战略接替区，海洋资源的开发、利用， 对中国的发展具有重大的战略意义。能否利用好海洋，开发海洋有效的资源 空间，关系到中国可持续发展战略能否顺利实现。继十六大报告专门提出“实 施海洋开发”的战略后，国家又首次提出编制“十一五海洋事业发展规划”。充 分表明海洋开发的重要”1 ，要大力开发海洋资源，科技开发海洋资源。 中国海域因与周边国家的界限未定，争议较多。为快速地开发和利用海 洋资源、有效地维护海洋权益。，必须获得关键海域的详细海底资料；我国 地域广大，江河湖泊众多，一些通航河道每年都需要测量，目前多数仍用回 声测深仪测量水深，既费时又费力；为了更合理、更有效地利用水资源，水 库库容的测量也是一项紧迫的任务，迫切需求开发测深产品。 1 1 多波束测深系统的现状 多波束测深系统是一项高新技术密集的产品，它的系统复杂，技术难度 大，至今世界上只有少数发达国家才具有独立开发与研制的能力。 多波束测深技术是随着现代电子信号处理技术的进步而发展起来的。 1 9 6 4 年美国通用仪器公司( g i c ) 开发出了世界上第一代多波束测深系统， 它的发射基阵由2 0 个基元组成，接收基阵则有4 0 个基元，通过模拟波束形 成方法获得1 6 个波束，系统中没有使用计算机技术。1 9 7 8 年，g i c 将大量 的数字计算机技术和控制硬件技术应用到该系统，解决了海底反向散射信号 的检测和估计、数据后处理与成图、以及运算速度和数据记录等方面的问题， 正式推向商用，定名为s e a b e a m 多波束测深系统。系统的工作频率1 2 k i - i z ， 适用于深水测量。后来，美国国家海洋与气象局( n o a a ) 委托g i c 设计研 制了用于浅水测量的“条带扫描测深系统”h y d r o c h a x t i i ，工作频率3 6 k h z ， 扫海宽度2 6 倍海深，测深范围3 - 6 1 0 m 。系统配备了当时功能强大的小型计 算机和辅助测量设备，完成实时人机操作、实时数据处理与修正、实时数据 显示与记录等功能。这是最早的浅水多波束测深系统，体积是很庞大的”，。 近2 0 年，很多新型浅水多波束测深系统不断研制出来，如s e a b e a m 的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 s e a b e a m 2 1 0 0 ，a t l a s 公司的f a n s w e e p 2 0 ，s i m r a d 公司的e m 3 0 0 0 等等，这些 系统无一例外地将数字信号处理技术应用于数据处理单元，采用高速d s p 处 理芯片作为阵列处理机，形成更多的测深波束，更高的测深精度，采用先进 的处理算法，获得更高的测深精度及分辨率，使得系统能同时完成海底地貌 测扫和成像等功能，甚至集成了浅层剖面的功能，从而使海底地形探测技术 日臻完善，向着高精度、智能化、多功能的综合探测系统方向发展。 我国多波束条带测深技术的研究始于7 0 年代。“八五”期间，多波束条带 测深技术被列入国家重点攻关项目，哈尔滨工程大学于1 9 9 3 年开始研制，于 1 9 9 8 年生产出正式产品并通过技术鉴定。经过多次测量，都充分地证实了它稳 定可靠的性能。但从体积、波束数、软硬件平台、使用环境等方面亦不能满 足需要。，。 1 2 小型浅海多波束测深仪的发展 当前世界上先进的条带测深技术的一个共同发展趋势就是小型化，近年 来国外已经开发出一些便携式多波束测深仪。由丹麦m a r i m a t e e h 海洋仪器公 司研制的产品e s e as w a t h e5 0 1 是5 波束测深仪，工作深度为1 5 0 米，测量 覆盖宽度为1 倍水深，于1 9 9 9 年投入市场。德国l 一3 公司研制的s e ab e a m 1 1 8 5 1 1 8 0 1 0 5 5 1 0 5 0 是一种双频的可变覆盖宽度的多波束测量系统，其最大 工作深度可达3 1 0 0 米，最大覆盖宽度为1 5 3 5 度。 此外还有日本制造的p s6 0 0 的四波束测深仪，它实际上是一种有四个声 头( 换能器) 的回声测深仪，严格意义上它不属于多波束测深系统。它的工 作频率分别为2 3 0 k h z 、1 9 0 也，2 1 0 k h z 和1 7 0 k h z ，可形成6 。和1 6 0 两组 共四个波束，最大工作深度为1 5 0 米，测量覆盖范围为o 2 o 5 倍水深。 在目前便携式的多波束测深仪中还没有出现采用嵌入式系统的小型测深 仪产品。 1 3 论文研究的主要内容 本论文的主要任务是参考拟定的浅水多波束测深仪方案，着重为小型多 波束测深系统设计一套能够协调测深仪接收系统、发射系统、显示系统等各 部分的信号处理与控制平台，并对硬件平台进行编程调试、滑动窗能量中心 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 快速算法分析与设计、嵌入式p c l i n u x 及其应用开发。主要有以下几个方面 内容： 1 小型多波束测深系统的工作原理。 2 信号处理与控制硬件平台的编程与调试，包括d s p ，a r m ，f p g a 和相关的外部器件的编程与调试。 3 滑动窗能量中心快速算法分析与仿真。 4 嵌入式i t c l i n u x 在本系统上的应用开发，包括：肛c l i n u x 内核结构 分析，建立交叉编译环境，针对本硬件平台内核源码的修改，在 i t c l i n u x 下开发应用程序和设备驱动程序等。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章小型多波束测深系统工作原理 小型多波束测深系统接收和发射基阵选用收发合置的平面阵。发射机向 海底定向发射一定功率的信号，由接收基阵接收反向散射信号。信号处理器 的输出信息经计算机专家系统处理后给出海底采样点的深度，这样一次测量 可以获得条带上一个采样点的深度。再以相邻的波束角的第二次发射信号并 等待接收进行信号处理，并重复上述过程，按照由外向内的波束角度顺序实 现海底地形的采样。由于在信号发射的同时，船体也是在不断行进当中的， 所以当所有角度的波束发射完一遍之后，海底形成一条以测船航迹为中心线 的带状地形采样。海底地形采样如图2 1 所示。 图2 1 海底地形采样示意图 测深过程中系统不断通过接口采集d g p s 、罗经与涌浪数据，并将它们 与深度数据一起处理及存储起来。数据文件将在计算机进行后置处理与拼图， 最终生成各种效果图。 2 1 嵌入式小型多波束测深系统组成 小型多波束测深系统的实时处理分系统主要由发射机、接收机、信号处 理平台等组成如图2 2 所示，各部分功能如下： 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 l 接收机 - - - - 嵌入式实时 i 信号处理平 计算机实 台 时显示与 4 1 存储 卜黼b l 图2 2 小型多波束测深系统基本组成 1 发射机 发射机对脉冲信号进行功率放大，推动发射基阵，产生可相控和束控的 声波束。 2 接收机 接收机由前端放大( 前放) 和后端放大( 接收机) 两部分组成。接收信 号经过接收机放大和归一化处理后被送到信号处理器。 3 实时信号处理平台 包括信号处理、数据采集传输、时序控制、网络功能、整体系统的中央 运行控制，与计算机的通信等。 4 计算机部分 在计算机部分主要进行数据存储、显控操作，以及一些人机交互。 2 2 声基阵的选取及发射方案 以往的多波束测深仪采用的是米尔斯交叉阵，发射阵与接收阵是分置的。 在基阵的尺寸和发射功率方面不符合小型化的要求”1 。因此在兼顾声源级、 阵尺寸和波束覆盖等多重因素的考虑下，选择收发合置的平面阵，并采用定 向发射，这样处理规模和成本都能显著下降。 传统的多波束测深仪多采用的是m i l u s 交叉布阵技术，测深的各个“足 迹”是依赖于发射和接收阵在海底照射区域的交叉来获得。要达到一定的覆盖 面，需要发射功率大，当要求覆盖面很宽时，波束展宽严重，测深精度降低 嘲。而采用平面阵并且收发合置来代替这种m i l u s 交叉阵。因为根据乘积定 理可以把一个平面阵的指向性因数看成是两个线阵的乘积，这样就使得平面 哈尔滨工程大学硕士学位论文 阵同线阵比较起来具有较高的阵增益。发射时，使能量集中，而在接收时， 有利于抑制噪声，最终使接收信号噪声比大大提高。其结果，在与交叉阵体 积相同的条件下可用较小的发射电功率实现较大的深度探测。或换而言之， 在与交叉阵发射电功率相同的情况下，可用于较小的基阵尺寸达到相同的探 测深度和覆盖。 2 3 本章小结 本章主要讲述嵌入式小型测深系统工作原理，系统组成、各部分功能、 声基阵的选取方案。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章嵌入式系统硬件平台 嵌入式实时信号处理硬件平台开发设计中，用到了a r m 、d s p 、f p g a 和与之配套的外围电路、存储器和外围设备等。在选择芯片式，需要通盘考 虑它们的功能、功耗、体积，成本、可靠性、电磁兼容性等方面，从众多的 芯片中选择最合适项目应用的芯片。 3 1 嵌入式微处理器 3 1 1 嵌入式微处理器a r m a r m 公司是全球领先的1 6 3 2 位r i s c 处理器知识产权设计供应商。作 为知识产权的供应商，它本身不直接从事芯片生产靠转让设计许可，a r m 公 司把高性能、低成本、低功耗的r i s c 微处理器芯片技术给合作伙伴，通过 这种方式它们能用这些技术来生产各具特色的芯片。a r m 应用已经遍及工业 控制、消费电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基 于a 蹦技术的微处理器应用约占3 2 位s c 微处理器的7 5 以上市场份额， a r m 技术正逐步渗入到生活的各个方面邮嗣。 在本系统中选择了s u m s u n g 公司的s 3 c 4 4 b o x x 芯片。该芯片是1 6 3 2 位删7 t d m i 精简指令结构的处理器。它的性价比很高，是嵌入式系统中 处理器的最佳选择之一。特别适合高性能、低成本等敏感产品设计。该芯片 主频最高可达6 6 m h z 而内核与i o 电压只有2 5 v 和3 3 v ，芯片中除了处理 器内核外还集成了许多外围设备接口。如串口、以太网控制器、定时器等， 非常适合本系统的开发，通过集成的功能模块能够迅速搭建系统硬件平台， 这样可以加快系统的设计与开发删。下面介绍一下芯片的内核结构特点和集 成的各个功能模块。 删处理器的一般特点： 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；大量使用寄存器，指令 执行速度更快；大多数数据操作都在寄存器中完成； 3 寻址方式灵活简单，执行效率高；指令长度固定。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 s a m s t m g 公司推出的a r m 7 t d m i 系列1 6 3 2 位s c 处理器s 3 c 4 4 b o x x 为手持设备和一般类型应用提供了高性价比和高性能的微控制器解决方案 ”，1 。s 3 c 4 4 b o x 提供了丰富的内置部件，包括：8 k bc a c h e ，内部s r a m ，l c d 控制器，带自动握手的2 通道u a r t ，4 通道d m a ，系统管理器( 片选逻辑) ， 代用p w m 功能的5 通道定制器，f o 端口，r t c ，8 通道l o 位a d c ，i i c b u s 接口，i i s b u s 接口，同步s i o 接口和p l l 倍频器。其芯片结构框图如图3 1 所示。 图3 1s 3 c 4 4 b o x 结构框图 s 3 c 4 4 b o x 提供了完整的一套系统的通用外围设备接口，这样大大提高 了系统的稳定性、功耗降到最小，同样也降低了很多成本。下面介绍一下片 上主要资源和特点： 1 系统管理部分包括： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 ) 支持l i t t l e b i ge n d e a n 字节序。 2 ) 地址空间：每个b a n k 有3 2 m 字节( 共有2 5 6 m 字节) 。 3 ) 每个b a n k 支持可编程的8 1 6 3 2 位的数据总线宽度。 4 ) 固定的b a n k 起始地址，7 个b a n k 的大小可变，一个b a n k 的其 实地址和b a n k 大小可以修改。 5 ) 8 个内存b a n k , 6 个内存b a n k 支持r o m ，s r a m 等，内存支持 r o m i s r a m d r a m ( f a s tp a g e , e d o ，和s y n c h r o n o u sd r a m ) 。 6 ) 可编程的内存访问周期。 7 ) 支持外部等待信号等待总线周期。 8 ) d r a m s d r a m 支持在停机时的自刷新模式。 9 ) 支持异步同步存取。 2 c a c h e 存储器和内部s r a m 1 ) 4 路具有唯一m 的c a c h e ，具有8 k 字节的存储空间。 2 ) 0 4 8k 字节的内部s r a m 使用未用过的c a c h e 存储器。 3 ) 假l r u ( l e a s tr e c e n t l yu s e d ) 替换算法。 4 ) 具有写回算法使主存与c a c h e 的内容一致。 5 ) 当命中失败时采用需要的数据首先填充技术。 3 时钟与电源管理 1 0 ) 低能耗。 1 1 ) 片上p l l 模块使m c u 的时钟频率最高达到6 6 m h z 。 1 2 ) 可以通过软件控制是否向各个模块提供时钟。 1 3 ) 电源模式：n o r m a l ，s l o w , i d l e 和s t o p 模式。 a ) n o r m a l 模式：正常运行模式， b ) s l o w 模式：时钟降频，关闭p l l ， c ) i d l e 模式：只关闭c p u 的时钟， d ) s t o p 模式：关闭所有时钟。 c ) 用外部中断e i n t 7 ：0 或r t ca l a r m 中断将系统从s t o p 模式下唤 醒。 4 中断控制器 1 ) 3 0 个中断源( w a t c h d o g 定时器，6t i m e r , 6u a r t , 8 外部中断，4 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 d m a , 2 r t c ，1 a d c ，1i i c ，1s i o ) 。 2 ) 使用i r q 向量中断模式来减少延迟。 3 1 外部中断的高低电平出发或边缘出发模式。 4 ) 边缘和电平的高低可以编程控制。 5 ) 为紧急中断请求提供快速中断f i q ( f a s ti n t e r r u p tr e q u e s t ) 支持。 6 ) 具有p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 的定时器t u n e r 7 ) 5 和1 6 位具有p w m 的t i m e r 和1 个1 6 位具有基于d m a 或中 断操作的内部。 8 ) 可编程的服务周期，频率和极性。 9 ) 支持外部时钟源。 5 r t c 删t u n e c l o c k ) 1 ) 可以记录所有的时间单位：毫秒、秒、分，小时、天、星期、月、 年。 2 ) 以3 2 7 6 8 k h z 操作。 3 ) 提供a l a r m 中断用于唤醒c p u 。 4 ) 提供t i m e t i c k 中断。 6 通用接口 1 ) 8 个外部中断接口。 2 ) 7 1 个多用的i n p u t o u t p u t 接口。 1 u 煳 1 ) 2 个基于d m a 或中断操作的d a r t 。 2 ) 支持5 位，6 位，7 位或8 位串行数据的发送和接收。 3 ) 在发送接收数据时支持h w 握手。 4 ) 波特率可以编程修改。 5 ) 支持i r d a l “l1 5 2 k b p s ) 。 6 ) 用于测试的反馈模式。 7 ) 每个d a r t 具有两个外部的3 2 字节f i f o r x 和t x 。 8 d m a 控制器 1 ) 2 个通用d m a ( o i r e c tm e m o r ya c c e s s ) 控制器。 2 ) 2 个桥d m a ( 外围d m a ) 控制器。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 ) 支持通过桥d m a 实现i o 到内存地址、内存地址到i o 和i o 到 1 0 的映射。桥d m a 具有6 种d m a 请求：软件、4 内部功能模块 ( d a r t , s i o ，t i m e r , i i s ) 、外部引脚。 4 ) 可编程的d m a 优先级( 固定或r r ) 。 5 ) 突发传输模式以提高f p d r a m ，e d o d r a m 和s d r a m 的传输速 率。 9 a d 转换控制器 1 18 通道多路a d c 。 2 ) 最大速率1 0 0 k s p s l o b i t 。 1 0 l c d 控制器 1 ) 支持彩色，单色，灰度的l c d 显示屏。 2 ) 支持单扫描和双扫描显示。 3 ) 支持虚拟屏幕功能。 4 ) 使用系统内存作为显示内存。 5 ) 使用专用d m a 从内存种获取图像数据。 6 ) 可编程的屏幕大小。 7 ) 灰度级：1 6 级灰度。 8 12 5 6 色。 1 1 w a t c h d o g 定时器 1 ) 1 6 位的w a t c h d o g 定时器。 2 ) 超时发生中断请求或系统复位。 1 2 i i c 总线接口 1 ) 1 个多路控制的i i c 总线，基于中断操作。 2 ) 串行、面向8 位、双向数据传输在标准模式下以1 0 0 kb i v s 或在 快速模式下以4 0 0 k b i t s 的速度传输。 1 3 i i s 总线接口 1 ) 1 个i i s 总线用于基于d m a 操作的声音接口。 2 ) 每通道串行传输8 1 6 位数据。 3 ) 支持m s b 校正数据格式。 1 4 s 1 0 ( s y n c h r o n o u ss e r i a li o ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 ) 1 个基于d m a 或中断操作的s i o 。 2 ) 可编程的波特率。 3 1 支持8 位串行数据的传输。 1 5 其它 1 1 电压范围： c p u 核心：2 5 v i o ：3 0 v 到3 6 v 。 2 1 频率最高6 6 m h z t * x n 。 s 3 c 4 4 b o x 微处理器非常适合作为便携产品的为控制核心，基于该芯片 的嵌入式操作系统已有很多成熟的应用，接口丰富，网络用途广泛。同时该 芯片强大的多任务管理能力能够完成各接口控制、控制接收发射等多任务管 理等功能。所以本系统选用该芯片作为中心控制c p u ，实现人机界面、网络 通信以及多任务管理工作。 3 1 2 实时信号处理器d s p 数字信号处理器d s p 是是一种专门为实时、快速实现各种数字信号处理 算法而设计的、具有特殊结构的微处理器。1 m s 3 2 0 5 5 x 是在c 5 4 的基础之上 发展起来的，能够与c 5 4 兼容。但比c 5 4 x 拥有更高的性能，与1 2 0 m h z 的 c 5 4 相比，3 0 0 m h z 的c 5 5 x 性能大约提高了5 倍，而功耗降为1 6 。在比较 c 5 5 x 和c 5 4 x 性能有很大提高，并且价格上差不多，c 5 5 0 9 a 比c 5 4 1 6 还低， 但性能提高很多倍功耗降低了许多0 0 “1 。c 5 4 x 与c 5 5 x 比较如表3 1 所示。 t m s 3 2 0 c 5 5 x 系列d s p 芯片的c p u 结构包括4 个功能单元和总线。指 令缓冲单元( iu n i t ) 、程序流单元( pu n i t ) 、地址数据流单元( au n i t ) 、数据 计算单元( du n i t ) 、地址总线和数据总线”4 。 指令缓冲单元接收程序代码并将其放置到指令缓冲列队，还要对指令解 码。然后，将数据送至p 单元、a 单元和d 单元，以便指令执行。c p u 从程 序存储器一次可以提取3 2 一b “。读程序的数据线( p b ) 从存储器提取3 2 一 b “的代码，放入指令缓冲列队。该列队一次最多可以存放6 4 b y t e 的代码。 当c p u 准备好对质量解码后，每次可以从列队里提取6b y t e 送往指令解码 器。 程序流单元所产生的程序空间地址，并控制指令的执行顺序。在p 单元 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 内，程序地址产生逻辑产生2 4 - b i t 的地址，以便从程序存储器里提取指令。p 单元通常产生顺序地址“”1 。 表3 1c 5 4 x 与c 5 5 x 比较 比较内容 c 5 4 x c 5 5 x m a c l2 累加器 24 读总线 23 写总线 l2 程序提取 ll 地址总线 46 程序字长 1 6 b “8 1 6 3 2 4 0 4 8 - b i t 数据字长 1 6 b i t1 6 b i t 辅助寄存器a l u2 ( 每个1 6 b i t )3 ( 每个1 6 b i t ) a l u1 ( 4 0 - b i t )l ( 4 0 b i t ) ，l ( 1 6 - b i t ) 辅助寄存器 8 8 数据寄存器 04 存储空间分开的程序数据统一的空间 地址数据流单元( a u n i t ) 包括产生数据空间地址所需要的所有逻辑和寄 存器，还包括一个能进行算术、逻辑、一位、饱和运算的算术逻辑运算单元 ( a l u ) 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 2 d s p c 5 5 x c p u 结构图 数据计算单元( du n i t ) 包括c p u 的基本计算单元。移位器、d 单元算 术逻辑单元( d - t r a i t a l u ) 、两个乘法器( m a c ) 、d 单元寄存器。 1 m s 3 2 0 d s p c 5 5 x 的c p u 由1 组3 2 - b i t 程序总线( p b ) 、5 组1 6 - b i t 数据 总线( b b 、c b 、d b 、e b 、f b ) 以及6 组2 4 - b i t 地址总线( p a b 、b a b 、c a b 、 d a b 、e a b 、f a b ) 来支持。这种总线并行结构，似的在一个c p u 时钟周期 内，能读一次3 2 - b i t 程序代码、读三次1 6 b i t 数据以及写两次1 6 - b i t 地址。 具体结构图如3 2 所示”“。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学t j = 论文 以上只是简单介绍了d s p 处理器特殊的体系结构和指令特点，详见数据 手册。由于d s p 结构与特点使得d s p 的算法，编程效率非常高，指令执行 速度快。在数字滤波、f f t 、谱分析等信号处理和通信领域具有无可比拟的 优势。 本系统中d s p 主要任务是实现实时算法工作，并做些算法的扩展，是信 号处理平台实时设计的核心部分。选择c 5 5 0 9 a 这款芯片，首先是这款芯片 具有的结构特点能够满足系统要求，比同类c 5 4 x 性能提高很多而功耗降低 了许多；其次是这款芯片有价格优势，是低价位高性能d s p 处理器芯片。 3 2 嵌入式系统硬件平台的设计与调试 a r m 嵌入式硬件部分主要有如下几个模块组成：s 3 c 4 4 b o xc p u ，f l a s h , s d r a m 、串口控制模块、电源管理模块和网络模块如图3 3 。下面我将主要 几个模块的设计与调试进行论述。 图3 3 硬件平台图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 2 1 存储器接口电路设计与调试 s 3 c 4 4 b o x 的存储空间有8 个b a n k ，每个可达3 2 m b ，其中b a n k 0 可以 存放启动代码，它的起始地址位o x 0 0 0 0 0 0 0 0 ，b a n k 6 和b a n k 7 可以作为主内 存空间。具体的存储空间的分配嗍如图3 4 所示。 s r o m d r a m e , d r , a m 。 2 越，8 ，1 b ，3 2 m b 糙暂用列( n g c s 7 s d r a m 8 - 字节 2 h ，8 ，i 2 m b ( n g c s 6 ) 0 c 0 0 0 o o x c 7 p p p p f 投有用科 ( j 尝婴， 3 2 m 8 1 - 梗有用科 ( j ；搿) 。2 ”8 总共可寻址空阃 ( r t c s g s r t l s 0 1 9 d s p f 溅 l ( d ( 3 i c s l ) u s bd 1 23 2 m 8 1 特殊寄存器 ，4 mb ”e ：0 ( r + g c , s o ) o s 。s t o 0 0 3 9 v 0 2 盟f f 蠹节 i2 8 m b 图3 4s 3 c 4 4 b o x x 的存储器空间分布图 f l a s h 部分设计与调试 当系统复位时，s 3 c 4 4 b o x 以o x 0 0 0 0 0 0 0 0 为起始地址。所以用于系统 启动的镜像文件需事先放在o x 0 0 0 0 0 0 0 0 地址上。启动r o m 使用不同的数据 访问带宽，带宽可以用o m i ：o i j i 脚来设置，如表3 1 所示。 表3 1b a n k 0 数据总线宽度设置 o m 1 ：0 】 数据总线宽度 0 08 位 0 l 1 6 位 l o3 2 位 1 1 测试模式 本系统中采用1 6 位存储元件的设计”，o m i ：o = 0 1 。s 3 c 4 4 b o x x 与存 储元件的地址连接方式如表3 2 所示，连接原理如图3 5 所示。f l a s h 芯片， 选择的是s s t 3 9 v f l 6 0 12 m * s b i t m l 。 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 s 3 c 4 4 8 0 x x f l a s h a d d r 2 0 ：i 】 ：a d d r 1 9 ：0 】 l- d a t a 1 5 ：o 】 7 一一d a t a 1 5 ：0 】 l n g c s o n c e n o e n o e n w e n w e 图3 5s 3 c 4 4 b o x x 与f l a s h 连接示意图 f l a s h 存储器s s t 3 9 v f l 6 0 1 特点是：可通过编程控制内部产生高电压进 行编程和擦除操作；只需要向其命令寄存器写入标准的处理器指令，具体编 程、擦除操作由内嵌入的算法实现，并且可以通过查询特定的引脚或数据线 监控操作是否完成；可以整片擦除和烧写，也可以对任一个扇区进行读、写 或擦除操作，而不影响其它部分数据。由于这部分编程要设置很多寄存器值， 这里就不做详细说明，详细见s s t 3 9 v f l 6 0 1 数据手册。 s d r a m 部分设计与调试 s d r a m 选择的是三星公司的h y 5 7 v 6 5 1 6 2 0 ，大小为6 4 m b i t ，最大速度 可达2 0 0 m h z “6 1 完全能满足s 3 c 4 4 b o x 的要求。其存储器空间分布如图3 3 ， 连接示意如图3 6 所示。 s 3 c 4 4 8 0 x xs d r a m a d o r 2 0 ：l 】 c ： a d d r 2 0 ：i 】 d a t a 1 5 ：0 】 =d a t a 1 5 ：o 】 n s c s 0 n s c s o n s r a s n s r a s n s c a s n s c a s n w pn w e 图3 6s 3 c 4 4 b o x x 与s d r a m 连接示意图 所有应用程序的在线调试都要在s d r a m 中运行，因此应先调试好 哈尔滨工程大学硕士学位论文 s d r a m 是非常必要的。检查电路图正确无误后，在s 3 c 4 4 b o x 正常工作前 提下，只要连线无误，s d r a m 就能正常工作，它不像f l a s h 存储器需要用户 编写程序控制擦除、写入等工作。 首先按照图3 3 分配物理映射地址，初始化中断向量表、给定程序入口 点、等。设置好各个寄存器后，m a i n 函数可以不作实质动作，点击编译、链 接；正确无误后，通过j t a g 下载到s d r a m 中；选择菜单p r o g e s s o rv i e w s m e m o r y 选项，出现存储器窗口，数据区中显示s d r a m 中内容，此时所显 示的是一些随机数，双击其中的任何的一个数据，输入新的值，如输入0 x a 0 ， 若对应的存储器单元能正确显示刚才输入的数据，则表明s d r a m 存储器已 能正常工作。 在连续的4 个字节输入o 】( a o ，然后再输入0 x 6 6 ，检测3 2 位数据是否正 确传输，若其中的某一位或几位数据出现错误，则多半是由于对应的数据线 不通或连接错误所引起的。 在s d r a m 能正确访问后，就可以将自己编写的各种应用程序，编译并 下载到s d r a m 中运行测试。 3 2 2 串口电路设计与编程 几乎所有的微控制器都提供串行接口，使用电子工业协会标准的r s 2 3 2 标准，这是一种很常用的串行数据传输总线标准。r s - 2 3 2 标准采用的接口是 9 芯或2 5 芯d 型插头，本系统选用的是9 芯d 型插头“。 要完成最基本的串行通信功能，实际上只需要r x t 、t x d 和g n d 即可， 但由于r s 2 3 2 c 标准所定义的高电平、低电平信号与s 3 c 4 4 b o x 系统的 l v t t l 电路所定的高低电平信号不同，l 、r r r l 的标准逻辑1 对应的是 2 v - 3 3 v 电平，标准逻辑0 对应o v o 4 v 电平，而r s - 2 3 2 c 标准采用负逻 辑方式，标准逻辑“1 ”对应5 1 5 v 电平，标准逻辑0 讨应+ 5 v + 1 5 v 电平， 显然需要进行电平转换，目前常用的是m a x 2 3 2 ，具体内容可参考m a x 2 3 2 的用户手册。这部分电路非常简单，只要按原理图焊接没有虚焊漏焊，一般 都可以正常工作。 s 3 c 4 4 b o x 的u a r t 单元部分提供两个独立的异步串行v o 口，每个通 道口均可以工作在中断模式或d m a 模式。u a r t 支持的最高波特率 哈尔滨工程大学硕士学位论文 11 5 2 k b s ，每个u a r t 通道包含2 个1 6 字节f i f o 分别提供给接收和发送。 s 3 c 4 4 b o x 的u a r t 单元特性包括以下几个方面，u a r t 模块”1 示意如图3 6 所示。 波特率可编程； 可以以中断模式或d 模式工作； 支持收发时握手模式； 可设星的奇偶校验位。 a 数据发送 数据发送格式是可以编程的，它包含一个开始位，5 8 个数据位，一个 可选的奇偶位和l 到2 个停止位，这些都可以通过控制寄存器( u l c o n n ) 来设置。发送起也能够产生发送中止条件。 中止条件迫使串口输出保持在逻辑0 状态，这种状态保持超过一个传输 帧的时间长度。通常在一帧传输数据完整的传输完之后，再通过这个全0 状 态将中止信号发送个对方。中止信号发送之后，传送数据将持续地放入到输 出f i f o 或保持寄存器中。 b 数据接收 与发送一样，接收的数据帧格式同发送帧格式。接收器还可以检测到溢 出错误，奇偶校验错误，帧错误和中止状况，每种情况下都会将一个错误标 志置位。 1 ) 溢出错误表示新的数据已经覆盖了旧的数据，因为旧的数据没有及 时被读入； 2 ) 奇偶校验错误表示接收器检测到了意料之外的奇偶校验结果； 3 ) 帧错误表示接收到的数据没有有效的停止位； 4 ) 中止状态表示r x d n 的输入被保持为0 状态超过了一个帧的传输时 间。 在f i f o 模式下接收f i f o 不为空，但接收器已经在3 个字时间内没有接 收到任何数据，就认为发生了接收超时状况。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 节x l ，n m o n 图3 7 u a r t 模块示意 以下是通过串口u a r t 0 发送数据功能，接收功能类似的编程。 打开a d s ，新建一个项目，并新建一个文件，名为4 4 b i n i t s ，具体内 容如下： ：事宰宰幸幸 幸幸事丰串幸牛女牛 幸 幸木 事宰事事事幸幸+ 宰幸幸幸事事幸幸事 ：配置s y s c f g 特殊功能寄存器，将s 3 c 4 4 b o x 片内的8 k b 一体化的s r a m 配置为 ；4 k bc a c h e ，4 k bs r a m ，并将用户堆栈设置在片内的s r a m 中 ；f i l en a m e ：4 4 b i n i t s 奉幸宰事幸幸宰幸幸幸乖幸 丰 牛幸宰 宰幸幸事事 事 事事事幸 + 木幸幸 幸牛 ， i m p o r tm a i n a r e a i n i t , c o d e r e a d o n l y e n t r y l d rr 0 。= 0 x 3 f f 0 0 0 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 l d r r 1 = 0 x e 7 f f f f 8 0 ；配置s y s c f g ，片内4 k bc a c h e ，4 k bs r a m s t r l d r b l b 咖 r 1 ，j r 0 】 s p , = 0 x 3 f e l 0 0 0 m a i n s p 指向4 k b s r a m 的为地址，堆栈 向下生成 保存并添加到项目中，在新建一个m a i n c ，具体内容如下； v o i dm a i n ( v o i d ) u 8a a ； r s y s c f g = c a c h e c f g ；u s i n g8