（通信与信息系统专业论文）基于arm的无线视频传输硬件系统的初步研究与开发(1).pdf

摘要 无线季支术鞠宽带援本豹发震，改燹了久稍堡溪豹诲许多多，入翻司良 在任何地方学习、娱乐和工作。享受数码生活i 卜魑高品质家膀生活的特征， 而视频更是其中最重要的一方面，人们不满足于现有的视频娱乐资源和娱 乐方式。在家庭中采月j 无线技术来实戮视频的传输将会给家燧娱乐带来革 命往貔交孳。 随着计算机技术的发展，嵌入式已成为计算机领域一个镦凄的组成部 分，并成为近年来新兴的研究热点。a r m 9 2 0 f 是一种高效，低功耗的r i s c 处理器，以该内核为核心敬s 3 c 2 4 l o a 是一款毫糕价比1 6 3 2 位控制器， # 常适台嵌入式产瑟。s 3 c 2 4 l o a 象戚了许多重要静雏困功髓，羟u s b 控镪 器，通用输入输出等等，因此适合于不同方向的应用。 本文离在找到一个n 丁行性的方案，实现无线视频的传输。基于 s 3 c 2 4 l o a 嵌入式处理爨，设计一个无线视频传鲶系统的硬传乎台，通过 b o o t l o a d e r 实现“n u x 系统的加载。 本文主攥包括以下几个部分： ( 1 ) 本课题研究的闷的和意义，当前嵌入式系统的发展现状，对嵌 入式c p u 窥嵌入式l i n h x 遴行楚单蟪分绥。 ( 2 ) 详细的讨论无线视频传输系统的功能霈要，提出+ 个系统设计 的总体方案。 ( 3 ) 对a r m 体系缩构的描述，而后详细地介绍三星公司的a r m 内核 葱冀s 3 c 2 4 i 蛰a 。 ( 4 ) 详细的讨论系统的硬彳牛设计。 ( 5 ) 论述如何把b o o t l o a d e r 移槭到基于s 3 c 2 4 l o a 的平台上。 荚键漏嵌入式系统：无线巍额；a 歉m ；l i 珏u x ；辩o o t l o a d e f 哈尔滨t 业人学：r 学硕上学位论文 a b s t r a c t p e o p l o sl 至j e h a sb e o 秘c 莪a 珏g e df 建u e hb yt 魏e 硅e v e l o p m e 羲 o fw i f e l e s s t e c h n o l o g ya n dw i d e b a n dt e c h n o l o g y ，p e o p l ec a ns t u d y ，r e c r e a t oa n dw o r ka t a n y w h e r e e n j o y i n gd i g i t a l1 i f ei sj u s ta b o u tt h ec h a r a c t e ro fh i 曲q u a l i t y f a m i l yl i f 。，a n dy e te n j o y i n g 也ev i d e oi st h em o s ti m p 。r t a n ta s p e c t ，p e o p l e c a n tb es a t i s 程e db yt 魏ee x l s t 豫gv i d e o 褒趣醢s e m e n tf e s o 驻r c e 嚣蘸莲蓬l 珏畦s e 掇e n m o d e i t w i l lb ear e v 0 1 u t i o n a r yc h a n g et h a tv i d e ot r a n s m i s s i o ni sr e a l i z e d w j t hw i r e l e s st e c h n o l o g yi nt h ef a m i l y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe o m p u t e r e e h n 0 1 0 9 y ，e m b e d d e ds y s t e m ，b e i n g t h ec e n t e ro fi n t e r e s t nt 量l e r i s i n g r o s e a r c hi 建 e c e n ty e a s ，蠹a sb e e 髂 b e c o m i n g a n i m p o r t a n tc o m p o n e n t i nt h i s f i o l d a sa h 培h p e f f o r m a n c e ，c o s t e f f o c t i v er i s cp r o c e s s o r ，t h e 1 6 ，3 2 _ b i ta r m 9 2 0 t d e v e l o p e db ya d v a n e er l s em a c h i n e sl t dh a sb e e ni n e l u d e di ns a m s u n g s s 3 c 2 4lo ac o m b i n e dw i t bm a n yi m p o r t a n tp e r i 曲e f a lf u l l c t i o n s ，s h 醢a su s b c o n t r o l l e r ，g p i o ，e t c ，a n dt h e r e f o r ei s a ni d e a ls o l u t i o nf o rd i f f e r e n t a p p l i c a t i o n s se m b e d d e ds v s t e m t h e 攮e s i s 采氆s 敷焱撞击n ga 箍b i em e h o d 幻豫矗l i z e h ew i 辑i o s s v i d e ot r a n s f n i s s i o n ，b u i l d i n gae m b e d d e ds v s t o mb a s e do na r mt oc o n t o l t h ew i r e l e s sv i d e o st r a n s m i s s i o n ，m a k i n gt h ee m b e d d e di j n u xr u no nt b e s y s t e mu n d e rt h eb o o t i n gs y s t e m ( b o o t l o a d e r ) t 囊e 瓤l l o 摊i n gp 鑫娃sa f ei n e l 珏鑫e di 鞋t h e 氇e s i s ： ( 1 ) ac o m p r e h e n s i v ed e s c “p t i o na b o u tt h es i g n i f i c a n c eo ft 量l ef e s e a r c h w o r ki s g i v e n t h ec u r r e n tr e s e a r c hs t a t u so fe m b e d d e ds v s t e ma n dt h e s i m p l vi n t r o d u c eo fe m b e d d e dc p ua n de m b e d d e di n u x ， ( 2 ，p i s e 娃s s 趣gt b o 瓤n e i 。珏曩持唾毽i r 。m e n o f h i ss y s t e m 搬d e 鑫i i ，a n d 出e np r o p o s j n ga o t a ls o j u t i o no ft h es y s t e m f 3 1 ad e s c r i 口t i o na b o u ta r ma r c h i t e c t u r e t h e ni n t r o d u c et h e s a m s u n g ss 3 c 2 4 l 情t h a ti su s e di nt h i s h e s i sj nd e t a i 】， 4 ) t 魏e 瓤a f d w & 陀d o s l g 珏o f 氇es y s e f 珏i sd i s e u s s e di nd e t a i l 。 ( 5 ) ad e s c r i p t i o na b o u th o wt op o r tt h eb o o t l o a d e rt ot h oh a f d w a r o i t 堕堑堡! ；些垒兰三兰竺兰丝丝塞 1 1 课题背景 第1 章绪论 宽带和无线时代的来临改变了人们生活的许许多多，人们町以在任何地方 享受学习、l ：作和生活的自由和灵活性。而享受数码生活正足高品质家居生活 的特征。 现代家庭中j | j 有不同的数字娱乐设施，如数字电视、大屏幕显示屏、音频， 视频接收器、d v d 播放机、音箱、m p 3 播放器、数码相机等。随着无线网络技 术的应用，家庭中的l 述装置将越来越多地以无线的方式连接起来。数字多媒 体应用在家庭应用中占重要比例，因此，家庭无线网络必须有支持传输多路数 宁视频音频的带宽 2 1 。给上述装置增加无线网络功能，能满足应用要求的足够 数据传输带宽显然是必不可少的，但价格也是非常重要的一个方面。 本课题源于嵌入式系统在信息家电领域的应用，是哈工人深圳研究生院通 信工程研究中心与香港大学的合作项目。有目的地开发种适合于无线传输的 应用平台，本设计所建立的开发平台考虑了应用平台的经济性、通用性和扩展 性。采用嵌入式系统和a r m 相结合的方案，开发出一种用于无线视频传输的基 于a r m 的硬件平台。 1 2 本课题研究的目的及意义 本课题研究的目的和意义在于构建个基于a r m 的硬件系统平台，为实 现视频数据的无线传输提供一个硬件的支持，探索出一种无线视频传输的架 构，为了更好的满足和方便丁人们的家庭娱乐需求。 1 3 嵌入式系统发展现状 1 3 1 嵌入式系统的定义 根据i e e e ( 困际电气和电子工程师协会) 的定义：嵌入式系统是“用于控制、 堕堑堡! ；些垒兰三兰竺兰丝丝塞 1 1 课题背景 第1 章绪论 宽带和无线时代的来临改变了人们生活的许许多多，人们町以在任何地方 享受学习、l ：作和生活的自由和灵活性。而享受数码生活正足高品质家居生活 的特征。 现代家庭中j | j 有不同的数字娱乐设施，如数字电视、大屏幕显示屏、音频， 视频接收器、d v d 播放机、音箱、m p 3 播放器、数码相机等。随着无线网络技 术的应用，家庭中的l 述装置将越来越多地以无线的方式连接起来。数字多媒 体应用在家庭应用中占重要比例，因此，家庭无线网络必须有支持传输多路数 宁视频音频的带宽 2 1 。给上述装置增加无线网络功能，能满足应用要求的足够 数据传输带宽显然是必不可少的，但价格也是非常重要的一个方面。 本课题源于嵌入式系统在信息家电领域的应用，是哈工人深圳研究生院通 信工程研究中心与香港大学的合作项目。有目的地开发种适合于无线传输的 应用平台，本设计所建立的开发平台考虑了应用平台的经济性、通用性和扩展 性。采用嵌入式系统和a r m 相结合的方案，开发出一种用于无线视频传输的基 于a r m 的硬件平台。 1 2 本课题研究的目的及意义 本课题研究的目的和意义在于构建个基于a r m 的硬件系统平台，为实 现视频数据的无线传输提供一个硬件的支持，探索出一种无线视频传输的架 构，为了更好的满足和方便丁人们的家庭娱乐需求。 1 3 监视或者辅助操作和设备的装置”( 原文为d e v i c e su s e d t oc o n t r 0 1 m o n i t o r o r a s s js tt h eo p o r a t i o no fe q u j p m e n t ，m a c h i n or yo rp l a n ts ) 川。可以看出此 定义是从应用上考虑的，嵌入式系统是软件和硬件的综合体。一般性的定义是： “以应用为中心、以计算机技术为基础、能列软件硬件进行剪裁，以适应应用系 统对其功能、可靠性、成本、体秘、功耗等方面提出的严格要求。” 嵌入式系统的晟大特点是其所具有的目的性或引对性，驯每一套嵌入式系 统韵开发设计都有其特殊的应用场合和特定功能，这也是嵌入式系统与通用的 计算机系统最主要的区别【4 j 。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没计的，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一r “量身定做”以提高 效率，这样地结果最终导致了实时性地增强。 1 3 2 嵌入式系统发展现状 全球嵌入式系统方展空间，正随着互联网、通信和计算机市场的飞速增长 而爪断扩大，许多园外公司对此类系统也有几十年的开发经验，但到目前为止， 此类系统尚无一个统一的国际标准，因此我们仍有机会在这个未成熟的市场l 有一席之地，我们应及时把握f 一代嵌入式微处理器可扩展的灵活处理器结构， 跟踪技术新动向，集成更多的外围器件和功自f 。 随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式系统技术也将获得广阔的发 展空间。 1 3 1 3 嵌入式系统发展趋势 以信息家电为代表的互联嘲时代嵌入式产品，1 i 仅为嵌入式市场展现了美 好前景，注入了新的牛命；同时也对嵌入式系统技术，特别是软件技术提出了 新的挑战【6j ，这j ：要包括：支持日趋增长的功能密度、灵活的网络联接、轻便 的移动应用和多媒体的信息处理，此外，当然还需对付更加激烈的市场竞争。 嵌入式系统的发展趋势如下j ： ( 1 ) 为满足高可靠性要求，低功耗的系统将应运面生； ( 2 ) 丌发嵌入式系统希望有一个方便的、跨平台的语言工具，j a v a f 是州 j a v a 虚拟机实现j a v a 程序独立于各机种的平台。经过努力，一个支持嵌入式系统 开发的、足够小、足够快、又有足够确定性的嵌入式j a v a 程序包已经出现，j a v a 开发的、足够小、足够快、又有足够确定性的嵌入式j a v a 程序包已经出现，j a v a 竺彗垂；：兰当兰i ：耋堡尘兰丝篓兰 监 ! ! l 或者辅助操作和设备的装置”( 贩文为d e v i c e su s e dt oc o n l r o n o n i t o r 、o r a s s i s tt h eo p e r a t i o no fe q u p m e n t ，m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 埘。可e l 看蹯量既 定义是从应用上考虑的，嵌入式系统是软件和硬件的综台体。般性的定义是： “以应用为中心、以计算视技术为基础、麓对软件硬件避行剪裁，以适应应掰系 统对其功能、可靠性、成本、体积、功耗等方面提出的严格要求。” 嵌入式系统的最大特点楚其所具有的瓣的健或针对性，都每一套嵌入式系 统的开发没计都有其特殊的应用场合和特定功能，这也是嵌入式系统与通用的 计算机系统最主要的区别p 】。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两设计的，且常常受到空f c i j 、成本、存储、带宽 等条件的限制，闵此，它必须最大限度地在硬件上和软件上“麓身定做”以掇高 效攀，这样地结果最终导致了实时憾地增强。 1 3 2 嵌入式系统发展现状 全球嵌入式系绞方溅空阕，正骥羞互联网、邋信鄹计算枫市场的飞速增长 而不断扩大，许多国外公司对此类系统也有几十年的开发经验，但到目前为l j _ = ， 姥类系统滏无一会绞豹强鼯标准，因此我们仍骞规会在这个来成熟的审场l 专 有一席之地，我们应及时把握下一代嵌入式微处理器可扩展的灵活处理器结构， 跟踪技拳灏动囱，集戒更多熬癸型嚣咎和功戆捧j 。 随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式系统技术也将获得广阔的发 震空阕。 l 。3 3 嵌入式系绫发震趋势 竣信怠家泡为 袭的互联溺时代嵌入式产晶，不纹为嵌入式市强装理了美 好前景，注入了新的生命；同时也对嵌入式系统技术，特别是软件技术提出了 薪的揍藏洚l ，这主要京括：支持一鹣增长豹功麓密度、灵活瓣阏络联接、轻便 的移动应用和多媒体的信息处理，此外，当然还需对付更加激烈的市场竞争。 嵌入式系统静发糕趋势如下l ： ( 1 ) 为满足高可靠性要求，低功耗的系统将应运而生； ( 2 ) 歹| = 发嵌入式系统希望有一个方鬣酶、跨平台豹语言工具，l a v a 正跫臻 j a v a 虚拟机实现j a v a 程序独立于各机种的平台。经过努力，一个支持嵌入式系统 开发的、足够小、足够快、又有足够确定往的嵌入式j a v a 程序包已经游现，j a v a 窒篓篓：! ；些盎兰；三耋翟! 兰堡鎏兰 是针对嵌入式系统的特点而设计的操作系统，具有实时性，能支持夥任务控制 ”8 l 。实时蹩个稻对的穰念，实时系统并菲蹩指快速的系统，实时系统有限定的 响应时间，从而使系统具有可预测性。实时系统又可分为硬实时和软实时系统， 前者楚报如采存不满足响应时限、响应不及时和反应过旱的情况下郝会孽致灾 难性的后果，而后者在4 j 满足响应刚限时，系统性能退化，侗并不会导致灾难 性的后聚。实时内核通常又分为占党式( p r e e m p t i v e ) 和非占壳式( n 。n p r e e m p t i v e ) 内核两种。非占先式内核是指，旦某个任务被调度执行，则该任务一直执行 下去直至该任务结束，或者菜种原豳使谶任务自行放弃c p u 的使用权而进入等 德状态，各个任务彼此合作共享- 个c p u ，优点是响应中断快和不使用信学量 保护共享数据，但其最大的缺点是任务响应时间过长；占先式内核蹩指最商优 先缴的任务虽就绪，总能键到c p u 的控铡权，肖一个运行蔫鲍任务使一个比 它优先级高的任务进入了就绪态，当前任务的c p u 使用权就被剥夺了，如粜中 断服务予程序使一个赢优先级的任务进入就绪态，中叛完成时，中躲了的任务 被挂起，优先级高的那个任务开始运行，由于这种抢占性的特点，占先式内核 大丈趣谯纯了经务熬峨应时翊，但使爆占姥式内核对，应媛穰序不可以壹接使 用不可薰入函数，调用这类函数时，要满足互斥条件，这一点可以用互斥型信 号星囊实瑰。咎c 恐s 一辩是一程；占毙式熬实辩内核，支持多任务操纷，系绕按照 任务的优先级柬决定其执行顺序，满足实时任务的需求。 1 5a r m 处理器概述 1 5 ，la r m 简介 a r m ( a d v a n c e dr l s cm a c h i n 。) ，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、认为是种技术的名字。 1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国剑援，主娶出售芯片没计技术的授权。旦瓣， 采用a r m 技术知识产权( 口) 核的微处理器，即我们通常所说的a r m 微处理器， 已遍及王q k 控制、消费类电子产品、通镲系统、网络系统、无线系统等轰类产 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 市场谂颟，a r m 技术燕在逐步渗入到我们生活熬蚤个方嚣。 a r m 公司魁专门从事基于r i s c 技术芯片设计开发公司，作为知识产权供应 离，奉囊不直接从事芯片生产，纛转让设计许可出合作公司生产墨具特色的芯 窒篓篓：! ；些盎兰；三耋翟! 兰堡鎏兰 是针对嵌入式系统的特点而设计的操作系统，具有实时性，能支持夥任务控制 ”8 l 。实时蹩个稻对的穰念，实时系统并菲蹩指快速的系统，实时系统有限定的 响应时间，从而使系统具有可预测性。实时系统又可分为硬实时和软实时系统， 前者楚报如采存不满足响应时限、响应不及时和反应过旱的情况下郝会孽致灾 难性的后果，而后者在4 j 满足响应刚限时，系统性能退化，侗并不会导致灾难 性的后聚。实时内核通常又分为占党式( p r e e m p t i v e ) 和非占壳式( n 。n p r e e m p t i v e ) 内核两种。非占先式内核是指，旦某个任务被调度执行，则该任务一直执行 下去直至该任务结束，或者菜种原豳使谶任务自行放弃c p u 的使用权而进入等 德状态，各个任务彼此合作共享- 个c p u ，优点是响应中断快和不使用信学量 保护共享数据，但其最大的缺点是任务响应时间过长；占先式内核蹩指最商优 先缴的任务虽就绪，总能键到c p u 的控铡权，肖一个运行蔫鲍任务使一个比 它优先级高的任务进入了就绪态，当前任务的c p u 使用权就被剥夺了，如粜中 断服务予程序使一个赢优先级的任务进入就绪态，中叛完成时，中躲了的任务 被挂起，优先级高的那个任务开始运行，由于这种抢占性的特点，占先式内核 大丈趣谯纯了经务熬峨应时翊，但使爆占姥式内核对，应媛穰序不可以壹接使 用不可薰入函数，调用这类函数时，要满足互斥条件，这一点可以用互斥型信 号星囊实瑰。咎c 恐s 一辩是一程；占毙式熬实辩内核，支持多任务操纷，系绕按照 任务的优先级柬决定其执行顺序，满足实时任务的需求。 1 5a r m 处理器概述 1 5 ，la r m 简介 a r m ( a d v a n c e dr l s cm a c h i n 。) ，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、认为是崮爱：鑫蓟酬誊 x ，；，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1 i 闷的应用领域，加入适当的外罔电路，从而形成白己的a r m 微处理芯片进 入市场。曰酶，全世界有几十家大的半导体公司都使用a r m 公司的授权，冈此 既使得a r m 技术获得更多的第三方i 具、制造、软件的支持，又使整个系统成 小降低，使产品更容易进入f ：场被消费者所接受，更具有竞争力。 1 5 2a r m 微处理器的应用领域及特点 目前为止，a r m 微处理器及技术的应用儿乎已经深入到各个领域1 1 ： ( 1 ) 工业摔制领域：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，i 司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，柚传统的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，存该领域的地1 _ 奇= 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 ) 成像和安伞产品：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f 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，并会在将来取得更 加广泛的应用。 采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如卜特点 2 0 】： ( 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； f 6 1 指令长度同定。 竺： = 鎏二些态兰三耋塑当兰堡鎏：j ： 1 6b o o 鼓o a d e r 麴垂述 在嵌入式系统的开发中，嵌入式软 孛楚实现萎静系绞功熊靛关键，也楚计 算机技术最活跃的研究方向之一。不同应用对嵌入式软件的基本要求是体积小、 执行速泼抉、具有较好爨可夔裁瞧黟可移挺蕊。特别的，凌在对予嵌入式较停 来说，都需要操作系统的支持。简单的嵌入式系统根本就没有操作繇统。而只 是令控潮蘸环。但是，当系统变褥越来越复杂辩，载露要一令嵌入式操侔系 统来支持，否则应用软件就会变得过于复杂，使来发难度过人，安全性和可靠 经帮难隘保证。 随着嵌入式产品中高端微处理器a r m 的加入以及软件e 搡作系统的支持， 霞褥整个嵌入式系统擒青了完整静翰黎。巍在，专门为嵌入式产晶开发蘸各个 操作系统层出不穷，w i n d o w sc e ，p o c k e tp c ，l i n u x 等等，各界关注地也 特躐多。然而，螽露逶行翻载操作系统这个鞠蘧去| 】荦| 蓬少有入挺国? 这讴是 b o o t l o a d e r 的功能，b 0 0 n o a d e r 本身的基本功能就是引导加载内核镜像 2 4 】。 1 7 本文主要研究内容 本文主要讨论了基于a r m 处理器的嵌入式应用系统的硬件设计和 b o o t l o a d 盯的实现。静先我们从用户需求的角度详细阐述了本系统应该其备酌功 能：其次，根据功能要求进行功能规划，把整个系统分为系统复位模块、系统 时钟模块、调试端口模块、f l a s h 模块、s d r a m 模块、以太阚接口模块、u s b 模块、r s 2 3 2 模块。最后，根掘硬件系统的实际情况介缨b o o t l o a d e f 的移植过程。 7 ! ：尘堡二些查兰三茎塑占兰竺鎏兰 2 1 引言 第2 章系统的总体设计 嵌入式系统的构成灵活多变，要根据具体的应用来选择不同的方案【2 5 。 本章从这一目的出发，从系统的总体卜- 考虑如何构建一个符合我们需要的 系统。 2 2 功能需求 嵌入式系统的构架可以分成四个部分：处理器、存储器、输入输出和软件。 首先，嵌入式系统最核心的部分就是嵌入式处理器了。目前，世界上具有 嵌入式功能特点的处理器已经超过了1 0 0 0 多种，3 0 多个系列。不同的处理器有 不同的功能和优势。但是成本、低功耗、高性能是嵌入式系统应用的特殊要求。 目前主要的嵌入式处理器类型有p o w e r p c 、x 8 6 、m p s 、a r m 、s t m n g a r m 系 列等2 6 1 。 其次，存储器也是构建嵌入式系统的重要部分 2 。”。本系统就需要f l a s h 和 s d r a m 。虽然存储器的选择依赖丁二处理器的选择，但是就功能来说，需要考虑 容量大的，性能稳定的存储器。就f l a s h 来说，还需要考虑f l a s h 的擦除等软 件操作是否方便。 再次，要结合实际情况和处理器的功能，确定系统外围设备。本系统是一 个完整的嵌入式系统，根据实际的应用需要以下通信接口： 1 r s 一2 3 2 串行接口 目前r s 一2 3 2 是p c 机与通信工、j k 中应用最广泛的一种串行接口。r s 一2 3 2 被定 义为一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准。系统需要通过该串口 下载程序，或者进行串行通信。 2 以太网接口 在t n t e m e t 飞速发展的今天，刚络已经渗透到了方方而面。在嵌入式系统方 面，和网络的结合已经成为了嵌入式系统最新的研究方向。因此，在本系统中， 以太网接几是必不可少的。 3 u s b 接口 竺兰鎏土兰尘：士：至占耋竺丝兰 u s b 按以其方便、传输速率高等优点逐渐成为计算机行、i k 的外设接口标 准。嵌入式设备要与p c 机进行高速通信，那么u s b 接口当然足理想的选择。 最后，本系统需要嵌入式操作系统的支持。对于操作系统的选择有几个力 嘶： 1 ) 操作系统提供那些丌发丁具 2 ) 操作系统向硬件移植的难度 3 ) 操作系统是否提供硬件的驱动程序 4 ) 操作系统是否有可剪裁性 5 ) 操作系统的实时性 2 3 功能规划 根据以上的需求，考虑到应用的领域、用户的需求、成本的问题和开发的 难易程度等因素，我们采用了s a m s u n g 公司推出的3 2 位高性能嵌入式处理器 s 3 c 2 4 1 0 a ，它是高度集成化的嵌入式处理器，集成了a r m 9 2 0 tc p u 核，存储管 理单元( m m u ) ，1 6 k b 指令和1 6 k b 数据高速缓冲，主频最高可达2 6 6 m h z ，并 以低功耗为目的进行优化。 图2l 所示的就是本系统的结构图。系统需要扩展1 6 mb y t e 闪存 ( f l a s h ) ，用于存放所有的指令代码、数据和参变量；扩展6 4 mb y t e 的同步 动态数据存储器( s d r a m ) ，用丁存放数据和运行程序；扩展以太网接口 ( e t h e r n e tp o r t ) 模块，进行以太网通信和下载程序用于调试；扩展u s b 模块，与u s b 接口的外设进行通信；扩展r s 2 3 2 接r _ ，用于显示调试信息；另外 还有复位电路( r e s e t ) ，实时时钟( c l o c k ) 模块等。 系统的软件平台采用嵌入式l i n u x 操作系统。它已经被成功地移植到了 a r m 处理器上，可以支持许多种基丁：a r m 的系统。其内核及组成l i n u x 系统的 大部分程序都是源代码丌放的，绝大多数都使用自由软件基金会( f r e es o f t w a r e f o u l l d a t i o n ) 所提供的g n u 工具。嵌入式“n u x 操作系统是由遍及世界的许多人 和组织不断地共同丌发而成的。它支持许多种处理器系列，但是它并不支持没 有m m u 的处理器。值得提的是l i n u x 2 6 1 0 以后，s 帅s u n g s 3 c 2 4 l o 已经成需任何p a t c h 就叮以在s 3 c 2 4 1 0 a 的目标板上运行 的很好。 x 坠垒鎏：! ：些垒兰：! ：兰丝：! ：兰些丝兰 图2 1 系统结构图 f i g 2 1s y s t e ma r c h i t e c t u r e 对于没有m m u 的处理器，是为了减少系统复杂成度、降低硬件及开发成 本和运彳j 二损耗，在硬件设计中取消了内存管理单元( m m u ) 模块。r i j 以使用 u c l i n u x ，u c l i n u x 专门针对没有m m u 的c p u ，并且为嵌入式做了许多小型化的 工作。u c l i n u x 是一个完全符合g n u ，g p l 公约的项目，完全丌放代码。 2 4 设计原则及扩展- 眭 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，应该注意一下儿个设计原则： ( 1 ) 用最新或是更完善的芯片 功能强的芯片能够达到更高的精度和可靠性，可大大简化设计电路，使系 统的精度和可靠性得到了保证。通过正确选用高性能的接门控制芯片，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 )电路设计上应该嘲有余地，以考虑将来扩展利修改的需要 因为软件的升级比硬件要方便的多，而且往往只要修改或添加软件巾数据 处理的模式或算法，就可以大幅度地提高系统的功能。因此，应该在硬件设计 时尽可能地留有余地，以便将来的修改和扩充。例如在f l a s h 、s d r a m 等芯片 1 0 ! ! 堑堡三；些：i ：；耋墼：! 耋竖鎏兰 的选取卜，即考虑了现存的要求，又在价格允i ：的范围内，选取了较人容量的 型弓，尉有较人的存储窄间，考虑到了以后添加数据的方便。 ( 3 ) 以软件代硬件 原则上，在实时性允许的条件f ，能够用软件完成的功能，就不用硬件， 这样小仅节省了成本，而目提高了系统的可靠性。存实时性能够保证的情况下， 用软件代管硬什是很合算的1 2 。 ( 4 ) 仔细讲究布局布线 为了得到更高的精度和提岛系统的可靠性和抗干扰能力，首先在电路布局 时应该尽量考虑电源和地的划分【2 。在六层板中，其中有学独的电源层和地层。 但是山于存在着多种电源，例如3 3 v 、1 8 v 、5 v 。所以布局时应该尽量把相同 电源的器件放在一起，以便于电源层不同电源之间的划分。其次由于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 3 “，防止各种干扰，如g r o u n d b o u n c e ，c r o s s t a l k ，r e n e c t i o n 等，并注意终端匹配，保证信号的完整性。最后， 各个芯片都要加卜去耦电容，最大限度地降低干扰”。 2 5 本章小结 本章从总体l 对系统需求和功能进行分析，在设计原则及扩展性的前提下， 提出硬件平台的组成。 篁尘耋三些尘茎：，! 耋堡三兰竺竺兰 3 1 引言 第3 章a r m 体系结构 存硬件设计之前，有必要理解一下a r m 的体系结构，同时b 0 0 t l o a d e r 是与处 理器芯片紧密相连的，对于不同的芯片b o o t l o a d e r 也1 i 相同。b o o t l o a d e r 是连接 硬件和操作系统的桥梁。 3 2a r mc o r e 描述 在a r m 内核巾有四个功能模块f u 供生产厂商根据不同用户的不同要求来 配置生产。这四个模块分别用t 、d 、m 、i 来表示。 t ：表示t h u m b ，该内核可从1 6 位指令集扩充到3 2 位指令集。 d ：表示d e b u g ，该内核中放置了用于调试的结构，通常它为一个边界扫描 链j t a g ，可使c p 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 r ，是8 位乘法器。 i ：表示e m b e d d e d i c el o 譬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。 现在常用的a r m 核如下： 1 a r m 7 a r m 7 采用a r m v 4 t ( n e w m a n ) 结构，分为i 级流水线，空间统一的指令 与数据c a c h e ，平均功耗为0 6 m w m h z ，时钟速度为6 6 m h z ，每条指令平均执 行1 9 个时钟周期。其中的a r m 7 l o 、a r m 7 2 孵a r m 7 4 0 为内带c a c h e 的a r m 核。 a r m 7 t d m i 是公司授权用户 x 堕尘堡些垒耋；! 耋耋：兰竺鲨兰 ， 澍醚套t h u m b 扩震、溺试秘薹薹a w d 总线。在生产工艺糖目的帻凌f ，静篷可达 a r m 7 t d m i 的两倍之多。常用于连刚和机顶盒f = 2 】。 3 a r m l o a r m l ( 采i ；j a r m v 5 t 结构，走级流承处理，指令与数据分离纳c a c h e 结构。 平均功耗为静m w ，时镑速凄走3 m 毛z ，每条穗令平均魏零亍l 。2 令瘸簸，其中 a r m l 0 2 0 为带c a c h e 的版奉。a r m l o t d m i 与所有a r m 核在：进制级代码兼容， 内带高速3 2 x 1 6 m a c ，预留d s p 协处理器接口。其中的v f p l 0 ( 矢：鲢浮点单元) 为七级流水缝构。a r m l 0 2 0 t ，a r m l 孵d m i + 3 2 k dc a c h e + m m u 结构， 3 0 0 m h z 露镑，功率为1 w ( 2 勰侯电) 躐o 8 m w 1 5 v 供电) 。臻令c a c h e 和数 据c a c h e 分别为3 2 k ，宽度为6 4 b i t s 。能够支持多种商用操作系统。适合于下一代 高性能手持式因特网设备以及数宁式消费类应用。 4 a r m l l a r m l l 蹙最新酶a r m 核，运行颤率离达5 0 0 一7 0 蝴h z ，4 6 4 k 指令和数 据c a c h e ，包古一个6 4 端u 、4 种状态的跳转目标地址缓存，用来存储最近使用 过的跳转同标地址。另外，a r m l l 支持单指令多数据( s d 咀d ) 指令，可以使某 些募法款运爨速凄提裹2 3 倍。 3 3 a r m 编程模型介绍 对予a r m 缓程，霉要了戆臣下，k 令方嚣： 3 _ 3 1a r m 处理器模式 a 鬏m 处理嚣共有7 秘运行羧式，热表3 ，l 掰示： 表3la 脒处理器模式 t b l e3 - 1a r mp r o c e s s o rm o d e 鲣溪器模式憝理器模式籀述 用户模式( u s e r ，u ”)正常程序执行的模式 快速中断模式( f i q ，f i q )用于高速数据传输和通道处理 普通中断模式( 1 r q ，姻) 耀于通常黝中断处理 篮管模式( s u p e r v i s o f ，s v e )供操作系统使翊购一静保护模式 哈尔滨t 业大学l 一学硕上学位论文 数据访问中小模式( a b o r t ，a b t )_ l _ j 于虚拟存储及存储保护 朱定义指令。p 止模式( u n d e n n e d ，u n d )用丁| 支持通过软件方针硬件的协处理器 系统模式( s y s 忙m ，s y s ) 用丁运行特权级的操作系统任务 除了用户模式之外的其他6 种处理器模式称为特权模式( p r i v i j c g e dm o d e s ) 。 存这些模式卜，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。其中，除系统模式外，其他5 种特权模式又称为异常模式。 处理器模式可以通过软件控制进行切换，也可以通过外部中断或异常处理 过程进行切换。大多数的用户程序运行存用户模式下，这时，应用程序不能够 访问一些受操作系统保护的系统资源，应用程序也不能直接进行处理器模式的 切换。当需要进行处理器模式的切换时，应用程序可以产生异常处理，在异常 处理过程中进行模式的切换。这种体系结构町以使操作系统控制整个系统的资 源。当应用程序发生异常中断时，处理器进入相应的异常模式。在每一种异常 模式中都有一组寄存器，供相应的异常处理程序使用，这样就可以保证在进入 异常模式时，用户模式下的寄存器( 保证了程序运行状态) 不被破坏。 系统模式并不是通过异常过程进入的，它和用户模式具有完全一样的寄存 器。但是系统模式属于特权模式，可以访问所有的系统资源，也可以直接进行 处理器模式的切换。它主要供操作系统任务使用。通常操作系统的任务需要访 问所有的系统资源，同时该任务仍然使用用户模式下的寄存器组，而不是使用 异常模式下相应的寄存器组，这样可以保证当异常中断发生时任务状态不被破 坏。 3 3 2a 刚寄存器组介绍 a r m 处理器一般共有3 7 个寄存器，其中包括： 3 1 个通用寄存器，包括程序计数器( p c ) 在内，这些寄存器都是3 2 位寄存 器；6 个状态寄存器，这些寄存器也是3 2 位寄存器；上一节已经说过，a r m 处 理器共有7 种不同的处理器模式，在每一种处理器模式中有一组相应的寄存器。 任意时刻( 也就是任意的处理器模式下) ，可见的寄存器包括1 5 个通用寄存器( r 0 一r 1 4 ) 、个或者两个状态寄存器以及程序计数器( p c ) 。在所有的寄存器中， 有些是各模式共用的同一个物理寄存器；有些寄存器是各模式自己拥有的独立 的物理寄存器。图3 1 表示了各处理器模式下的可见寄存器。从图3 1 中可以看出， 通用寄存器r o r 7 在所有的处理器模式下指的都是同一个物理寄存器。 1 4 塑尘篓! ：些垒耋；! 。；耋型型；兰譬誊兰 ( 2 ) 当黪鬻中颟发垒潜，该舅霉模式特定粒貔纛歉1 4 被设嚣袋该异常模式将 爱返回的地址，埘于有u 趋异常模式，r 1 4 的值可能与将返回的地址有个常数的偏 移量。 程序； 数器r 1 5 又被 己作p c 。出于a r m 采用了溉水线机制，当手确读取了 愆熬毽翻，该值为当藤擐令建蛙翔8 个字节。也藏慧滏，对于a r m 摇令集柬诞， p c 指向当日口指令的下两条指令的地址。由于a r m 指令足宁对齐的，p c 值的第0 位和第1 位总为o 。 c p s r ( 警翦程序状态寄存器) 可以存任何处理器模式下被访闷。它包含了 标志位、中辩禁止位、当翁处理嚣模式标志以及其它静。些控割辩状态位。每 种处理器摊常模式卜f 都有一个专用的物理状态寄存器，称为s p s r ( 备份程序 状态寄存器) 。当特定的异常中断发生时，这个寄存器用于存放当前程序状态寄 存器的内容。在异誊中凝返回退爨时，可阻甥s p s r 耪保存的值l 来恢复c p s r 。 由于薅户穰式帮系统模式不是异常中断模式，所以它们没有s p s r 。当用户禳式 绒者系统模式巾访问s p s r ，将会产生0 i 可预知的结果。 s p s r 与c p s r 的格式相同。c p s r 的格式如图3 2 所示： 3 l 3 02 92 8 2 787654o 图3 。2 c p s r 格式 f i g 3 2c p s rf o r m a t x ( n e g a 圭i v e ) 、z ( 狳妣) 、( c a 斟) 、v ( o v e 藏o w ) 统称为檬志经。大 部分的a r m 指令町以根搬c p s r 中的这魑条件标志位来选择性蛾”执行。各条件标 志位的具体含义如f ： n ：当两个补码表示的有符号整数运算时，n l 表示运算的结果为负数； n o 表示运羹续柒为正数或零； z ：z l 表示运算结果为零；z o 表示运算酶结果不为零； c ：在加法指令中，当结果产生了进位，则c 一1 ；其他情况下c = o ； 在减法指令中，当运算中发生懋位，则c o ；其他情况下c = o ； v ：对于女，减法运嚣撂令，警掇幸馨数霸运算臻聚为二避涮熬羚鹞表示戆整 符号数时，v l 表示符号位溢出 c p s r 的低8 位称为撺制位，当异常中断发生时这些位发生改变。在特权模式 下，软件可以修改这些控制位： l ：黄遥中断禁壹位；| = 臻 禁壹汰q 中錾。 f ：快速中断禁l l 位；f =