（检测技术与自动化装置专业论文）基于arm9和linux操作系统的嵌入式应用开发.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 基于a r m 9 和l i n u x 操作系统的嵌入式应用开发 检测技术与自动化装置 郑洪刚 ( 签名) 圭卫垡望! ! 黄向东( 签名) 氩至 摘要 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系 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。嵌入式系统一般 出嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序4 部分组成， 用于实现对其它设备的控制、监视或管理等功能。其广泛应用于控制领域、消费电子产 品等行业，已成为现代电子领域的重要研究方向之一。 嵌入式l i n u x 的研究已经成为当前信息技术研究的热点，它的应用蕴含着巨大的商 业价值，并且己经广泛的应用于各种信息家电、通讯产品、工业控制中。但是由于l i n u x 存在着自由软件开发本身的不足，将嵌入式l i n u x 应用于一个具体的硬件平台往往存在 较大的困难，因此本论文围绕嵌入式l i n u x 在以a t 9 1 r m 9 2 0 0 为核心的开发平台的实现、 以及开发流程中的关键问题进行了讨论和研究。 论文首先介绍了a r m 和嵌入式l i n u x 操作系统的特点和当前的发展概况。然后阐 述了以a t 9 1 r m 9 2 0 0 为核心的开发平台的硬件组成及其实现，再以此硬件平台为基础， 详细的论述了嵌入式l i n u x 开发流程以及移植到具体硬件平台需要完成的工作，如 u - b o o t 的移植、l i n u x 内核的编译与裁剪、文件系统的制作、驱动程序的编写等。最后 通过一个在此平台上的开发的基于图形系统的s d 卡应用程序，作为对本平台的验证， 并且验证成功。 关键字：嵌入式；a r m ；嵌入式l i n u x ；a t 9 1 r m 9 2 0 0 ：l i n u x 内核；驱动程序 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：e m b e d d e da p p l i c a t i o nr e s e a r c hb a s e do na r m 9 a n dl i n u x s p e c i a l t y ：d e t e c t i n gt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i ce q u i p m e n t n a m e ： z h e n gh o n g g a n g i n s t r u t o r ：h u a n gx i a n g d o n g a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) 兰! ：譬! ：塑! 当 ( s i g n a t u r e ) 坠皑 e m b e d d e ds y s t e mi sas p e c i a l e dc o m p u t e rs y s t e ms u t i n gf o r t h ea p p l i c a t i o nw i mt h e s t r i c tr e q u e s tf o rt h ef u n c t i o n ，t h er e l i a b i l i t y , t h ec o s t ，t h ev o l u m e ，t h ep o w e rl o s s ，w h i c hi s w i t ht h ea p p l i c a t i o na sc e n t e r ，t h ec o m p u t e ra st h ef o u n d a t i o n ，a n dh a r d w a r ea n ds o f t w a r e c u t t i n go u t i ti sg e n e r a l l yc o m p o s e do f t h ee m b e d d e dm i c r oc o n t r o l l e r , t h ep e r i p h e r yh a r d w a r e d e v i c e s ，e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，a n du s e r sa p p l i c a t i o n4p a r t s ，w h i c hi su s e dt oc o n t r o l ， s u p e r v i s eo rm a n a g eo t h e rd e v i c e s i th a sb e e n u s e di nt h ef i e l d so fc o n t r o l ，c o n s u m e r e l e c t r o n i cp r o d u c ta n de t c ，a n do n eo f t h em o s ti m p o r t a n tr e s e a r c ha s p e c to f t h ee l e c t r o nf i e l d e m b e d d e dl i n u xp o s s e s s e sg r e a ta p p l i c a t i o nv a l u e ，s oi th a db e e nt h eh o t s p o to f i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yr e s e a r c ha n di sw i d e l yu s e di ni n f o r m a t i o na p p l i a n c e ，c o n a m u n i c a t i o n d e v i c e ，i n d u s t r yc o n t r 0 1 b u te m b e d d e dl i n u xh a sd e f i c i e n c yc a u s e db yg n u ，s ot h e r ei sg r e a t c h a l l e n g ei na p p l y i n gi to nas p e c i a lh a r d w a r ed e v i c e t h i sp a p e ri m p l e m e n t sa ne m b e d d e d l i n u xo nt h ep l a t f o r mc e n t e r e dw i t ha t 9 1 r m 9 2 0 0a n dd i s c u s s e st h ep r o c e s so f p o r t i n gl i n u x a n dk e yi s s u e sf a c e di nd e v e l o p m e n t f i r s t l y , t h et h e s i ss u m m a r i z e st h ec h a r a c t e r so fa r n la n de m b e d d e dl i n u x ；s e c o n d l y ， p r e s e n t st h eh a r d w a r ed e s i g no fd e v e l o p i n gp l a t f o r mi nd e t a i l ；t h i r d l y , o nt h e b a s eo f h a r d w a r ep l a t f o r m ，t e l l so ft h ep r o c e s so fd e v e l o p i n gl i n u xa n dw o r kn e e d e dt od op o r t i n g l i n u xt oas p e c i a lp l a t f o r m ，i n c l u d i n gp o r t i n gu b o o t ，c o m p i l i n ga n dt r i m m i n gl i u u xk e r n e l ， m a k i n gf i l e s y s t e m , d e s i g no fl i n u xd r i v e r si nd e t a i l ；f i n a l l y , i n t r o d u c i n gas dc a r dg r a p h i c a l a p p l i c a t i o nb a s e do nt h i sp l a t f o r m ，w h i c hw a su s e dt ov a l i d a t et h ep l a t f o r m ，t h er e s u l ti s s u c c e s s f u l k e y w o r d s ：e m h e d d e da r m e m b e d d e d1 i n u xa t 9 1 r m 9 2 0 0l i n u xk e r n e l l i n u xd r i v e r s t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：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 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：都跬1 为1 1日期：2 。0 、，、上f 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 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 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：享f 谗田、1 指导教师签名： 毛向尊， 孙司年弓月日 1 绪论 l 绪论 随着社会的日益信息化，嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 已经渗透到各个应用领域， 小到m p 3 ，掌上系统( p d a ) 等微型数字化产品，大到网络家电、智能家电、车载电子设 备等。目前，各种各样的嵌入式系统设备在应用数量上已经远远超过通用计算机1 1 。 1 1 嵌入式系统简介 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系 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。单片机、单板机 控制系统以及一些专用的工业控制计算机都可以称作嵌入式系统，它是嵌入式系统领域 的重要组成部分，只是更着重于对各自硬件系统的研究。嵌入式系统更着重于对软件系 统进行研究，顺应了软硬件协同设计以及应用需求的发展。目前，嵌入式系统己逐步发 展成为一门学科，朝着系统化和规范化的方面发展。嵌入式系统学科和产业的发展使得 设计人员能够从容地面对越来越复杂的应用需求，通过软件和硬件的模块化设计大大地 简化和加快应用系统的开发【1 1 。 嵌入式系统主要包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器、存储器及外部设备、i 0 端口和图形控制器等；软件部分包括操作系统( o s ) 和用户应用程序。嵌入式系统硬件的 核心是嵌入式微处理器。它的功能、外设集成度、速度、功耗、体积、成本、可靠性和 电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约，是各个半导体厂商之间竞争的热点。嵌入式 系统的软件是实现嵌入式系统功能的关键，软件要求固化存储，代码的高质量、高可靠 性和高实时性在许多场合也是基本要求。多任务嵌入式操作系统是知识集成的平台，是 嵌入式系统走向工业标准化道路的基础，是嵌入式系统研究的重要方向。现在人们讲嵌 入式系统时，某种程度上是指近些年来比较热门的具有操作系统的嵌入式系统1 2 】。 1 2 嵌入式系统的现状和发展趋势 随着1 9 7 1 年i n t e l 推出第一片微处理器4 0 0 4 ，其后各厂家迅速推出了8 位、1 6 位 的微处理器。7 0 年代，以这类微处理器构成的嵌入式系统得到了迅猛的发展，广泛应用 于工业仪器仪表、医疗设备、机器人和家用电器等领域。到了8 0 年代，随着微电子工 艺水平的提高，集成电路制造厂商开始把微处理器与外围i o 、a d 、d a 、串口、r a m 和r o m 相结合起来，集成到一块芯片上，构成了面向i o 设计的微控制器，即单片机。 单片机的出现使得嵌入式系统应用更方便、更小型化，推动了嵌入式系统在仪器仪表、 电脑配件、智能设备上的应用。到2 0 世纪9 0 年代，单片机、微处理器的性能又得到了 很大的提高，以d s p 、a r m 等3 2 位处理器为代表的面向特定应用、高性能微处理器纷 西安科技大学硕士学位论文 纷推出，在分布控制、柔性制造、数字化通信、数字化家电和个人数字助理等领域得到 了广泛应用。 目前，嵌入式微处理器正朝着高速、高集成度和低功耗方向发展。片上系统( s y s t e m o nac h i p ，s o c ) 设计使得嵌入式系统体积做得更小，功耗大幅降低，是未来手持设备的 主要发展方向。当然，从总量来说，单片机系统在嵌入式系统中还将占大多数。因为它 能满足一般的控制需要，并且简单、稳定和廉价，在低端应用领域中仍然占据主导地位 【2 】。 嵌入式系统的复杂程度、功能规模的不同，对嵌入式系统软件系统的要求也不同。 对于一些简单的嵌入式应用系统，一般采用比较简单的单片机系统，软件部分比较简单， 不区分操作系统和应用程序，软件整体就是一个模块，全部由应用设计人员自行设计开 发。这类系统在实时性、系统效率等方而能够做得比较好。但这种软件结构只适合于简 单的应用系统，对于复杂的、多任务并行的系统，软件开发难度比较大，扩展性差，并 不易修改。 目前，随着微处理器速度以及芯片集成度的大幅度提高，嵌入式系统得到了飞速的 发展。随着嵌入式系统在通讯、数字化仪表、手机和p d a 等方面的应用，嵌入式操作 系统得到了广泛应用，出现了许多复杂程度不同的嵌入式操作系统。同时，围绕几种主 流嵌入式操作系统的应用和发展，对于嵌入式系统应用软件的研究也逐步展开，主要涉 及网络协议和图形界面等方面。嵌入式系统软件的发展主要体现在以下几个方面【3 】： ( 1 ) 操作系统的支持 当嵌入式系统越来越复杂时，如果仍采用人工的方式进行系统的各种调度，开发难 度很大，实时性、可靠性和可维护性都难以保证。引入操作系统进行任务的管理和调度 大大方便了应用系统的开发，使得系统的结构更加清晰，维护和扩展更加方便。 ( 2 ) 多任务且具有实时性 在多任务嵌入式操作系统中，合理的任务调度必不可少。单纯通过提高处理器速度 是无法达到目的的，这就要求嵌入式系统的软件必须具有多任务调度能力。现在，多任 务实时操作系统在这一领域的地位显得越来越重要。 ( 3 ) 强大的联网功能 大部分传统的嵌入式操作系统都是孤立的单一系统，但在网络日益重要的今天，越 来越多的嵌入式系统有了联网的要求。嵌入式系统与各种网络相连，尤其是与i n t e m e t 的连接，给系统提出了很多新的要求。系统需要支持t c p i p 协议和相关应用程序，并 且需要理安全认证和控制问题，这些要求使应用系统变得更加复杂，需要更多的资源。 这时就需要具有网络功能的嵌入式系统的支持。 ( 4 ) 窗口交互功能 当前，很多应用领域都要求嵌入式系统能够提供传统只有在p c 和高端系统中才能 2 1 绪论 提供的类似w i n d o w s 的窗口交互系统。这对运行空间和运行速度都有苛刻要求的嵌 入式系统提出了挑战。 目前，嵌入式系统软件的发展趋势主要体现在以实时操作系统( r t o s ) 为基础的软件 平台专业化和商品化。操作系统是嵌入式系统的软件开发平台，最关键的部分是操作系 统内核。内核的基本功能包括任务管理、定时管理、存储器管理、资源管理、事件管理、 系统管理、消息管理、队列管理等。这些管理功能是通过内核服务函数形式交给用户调 用的，也就是操作系统( o s ) 的应用编程接1 2 ( a p i ) 。o s 的引入，解决了嵌入式软件开发 标准化的难题。 1 3 选题的研究背景和意义 目前，嵌入式系统己逐步发展成为一门学科，推动嵌入式系统朝着系统化、规范化 的方面发展。嵌入式系统学科和产业的发展使得设计人员能够从容地面对越来越复杂的 应用需求，通过软件和硬件的模块化设计大大地简化和加快了应用系统的开发。 嵌入式计算机在应用数量上远远超过各种通用计算机，广泛应用于制造工业、过程 控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等领域。 目前随着微处理器速度以及芯片集成度的大幅度提高，嵌入式系统得到了飞速的发展， 正走向人们生活的各个方面，手机、m p 3 、p d a 、机顶盒等消费类电子产品琳琅满目， 展现在人们面前的嵌入式系统产品是功能更强、更人性化、更智能的小家电。工厂中各 类智能仪表、控制系统、手持设备等也都逐步装备了功能更强的嵌入式系统，使得数据 采集、传送和控制更加先进，操作更方便。 目前，嵌入式系统的数量大、种类多，想躲避嵌入式系统的发展潮流是不可能的。 虽然嵌入式市场的增长主要是嵌入式系统的应用增多，但不可小视微处理器的高速发 展。我们知道，a r m 7 系列微处理器的典型处理速度为0 9 m i p s m h z ，常见的a r m 7 芯片系统的主时钟为2 0 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 的系统时钟频率为1 0 0 2 3 3 m h z 。面对要求越来越高的 消费群体，或者为满足更高端应用的需要，使用高性能的处理器已成为必然趋势。本系 统采用的是a t m e l 的a r m 9 处理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 ，它有丰富的外设资源，这可以简化 的硬件外围电路的设计，功耗低，在正常操作模式下最大功耗只有3 0 4 m a ，可实用于 电池供电的场合，而且工作温度范围是4 0 。c 8 5 c ，可工作与比较恶劣的气候条件下， 本课题所设计的平台主要面向于电池供电、条件比较恶劣的场合下应用，如无人监守的 高压线路检测、远程监控系统等。 从2 0 世纪8 0 年代开始，市场上出现各种各样的商用嵌入式操作系统，这些操作系 统大部分都是为专有系统开发的，从而逐步演化成了现在各种形式的操作系统百家争鸣 的局面。这些操作系统有v x w o r k s 、p s o s 、n e c u l e u s 、q n x 、l i n u x 、u c o s 和w i n d o w s 西安科技大学硕士学住论文 c e 等。免费型的目前主要有l i n u x 和u c o s 。由于l i n u x 的源代码是公开的、免费的， 功能强大，稳定，健壮；非常优秀的网络功能，图像，文件管理功能，以及多任务支持 功能；可裁剪性；有成千上万的开发人员支持；有大量的且不断增加的开发上具。木课题选 择了l i n u x 作为研究的操作系统【1 0 1 。 1 4 嵌入式l i n u x 概述 l i n u x 操作系统源于芬兰一位大学生l i n u st o r v a l d s 的课余作品，随着i n t e m e t 的 发展，l i n u x 操作系统在全球计算机爱好者的关怀下，不断地发展和成长，己成为当前 最流行的免费操作系统，任何人都可以自由的使用l i n u x 源程序。l i n u x 操作系统具有 以下几大特点： ( 1 ) 开放源码，丰富的软件资源 l i n u x 遵循g p l ( g n u 通用许可证) ，用法律保障了用户免费获得内核源代码的权 利。由于嵌入式系统千差万别，往往需要针对某一具体应用去修改和优化系统，这样， 能否获得源代码就至关重要。 l i n u x 是自由的操作系统，它的开放源代码使用户获得了最大的自由度。l i n u x 上的 软件资源十分丰富，每种通用程序在l i n u x 上都可以找到，并且每天都在增加。在l i n u x 上往往不需要从头做起，而是先选择一个类似的自由软件，进行二次开发。这就大大节 省了开发工作量，缩短了开发时间。 ( 2 ) 功能强大的内核，性能高效、稳定、多任务 l i n u x 的内核非常稳定。它的高效和稳定性已经在各个领域，尤其在网络服务器领 域得到了事实的验证，而且l i n u x 内核小巧灵活，易于裁剪。这使l i n u x 能很适合嵌入 式系统的应用。 ( 3 ) 支持多种体系结构 l i n u x 能支持x 8 6 ，a r m ，m i p s ，p o w e r p c ，a l p h a , s p a r c 等多种体系结构。目前， l i n u x 己被移植到数十种硬件平台上，几乎所有流行的c p u ，l i n u x 都支持。 ( 4 ) 完善的网络通信、图形和文件管理机制 l i n u x 自产生之日起就与网络密不可分，网络是l i n u x 的强项。另外，它支持e x t 2 ， f a t l 6 ，f a t 3 2 ，r o m f s 等多种文件操作系统。在图形系统方面，l i n u x 上既有成熟的x w i n d o w ，也有e m b e d c dq t , m i n i g u i 等嵌入式图形用户界面g u i ，还有s v g a l i b ， f r a m e b u f f e r 等优秀工具，可以适合不同的用途。 ( 5 ) 支持大量的周边硬件设备，驱动丰富 l i n u x 上的驱动己经非常丰富了，支持各种主流硬件设备和最新硬件技术，而且随 着l i n u x 的广泛应用，许多芯片厂家也已经开始提供l i n u x 上的驱动。这一步促进了l i n u x 各种硬件平台上的应用。 4 1 绪论 ( 6 ) 大小功能都可定制 l i n u x 继承了u n i x 的优秀设计思想，内核与用户界面是完全独立的。它非常灵活， 各部分的可定制性都很强，能适合多种需求。 1 5 本文的任务和目标 本课题的任务是基于a r m 9 微处理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 、采用l i n u x 操作系统搭建一个 嵌入式应用平台，实现了对s d ( s e c u r ed i g i t a l ) 卡的驱动设计与应用开发，并以此作为 对平台的验证。 本课题的具体内容包括以下方面： ( 1 ) 硬件平台设计：主要包括微处理器核心板、串口、u s b 接口、网口模块、显示模 块、s d 卡模块、电源模块电路的设计。 ( 2 ) 软件平台设计：主要实现对l i n u x 操作系统面向特殊硬件的配置与裁剪，并移植 到a t 9 1 r m 9 2 0 0 芯片上。 ( 3 ) s d 卡驱动的设计：在本系统中把s d 卡作为一个块设备，实现了对它读写操作 的驱动程序。 ( 4 ) 基于图形系统的s d 卡应用程序设计：实现了带有鼠标、l c d 显示屏、网口通信、 串口通信、s d 卡读写功能的应用程序，并作为对本平台的验证。 西安科技大学硕士学位论文 2 嵌入式平台的硬件设计 嵌入式系统开发包括硬件与软件的开发。硬件部分是整个系统的物理基础，它提供 软件运行平台和通信( 包括人机交互) 接口；软件部分控制系统的运行。这两个部分是缺 一不可的，硬件的开发是底层的、基础的开发。许多嵌入式的开发都是针对具体的应用， 针对项目中特定的硬件资源的，如微处理器、f l a s h 和外围设备接口等。 2 1 总体硬件设计 本课题实现的是一个嵌入式开发平台，采用a r m 核心板与接口板分离的结构， a r m 核心板包括a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器、两片m t 4 8 l c 8 m 1 6 a 2 ( s d r a m ) 、一片 a 1 1 4 9 b v l 6 1 4 a f l 髂h ，接口板主要包括u s b 接口、显示控制模块、网络控制模块、s d 卡接口、调试串口、u a r t l 、电源管理等七部分。采用这种结构设计可以降低成本，易 于对处理器进行升级，因为a r m 核心板采用了8 层板，而接口板采用2 层板就可以， 而且需升级时只需更换核心板就可以了。总体设计框图如图2 1 。 图2 1a r m 板结构框图 a r m 核心板的结构框图如图2 2 ，包括2 片s d r a m 和一片f l a s h 。 6 2 嵌入式平台的硬件设计 2 2 a r m 概述 a t 9 l r m 9 2 0 0 图2 2a r m 核心板结构框图 1 9 9 0 年1 1 月成立于英国剑桥的a r m 公司，主要出售芯片设计技术的授权。目前， 采用a r m 技术知识产权( i p , i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 为核心的微处理器，已遍及汽车、工业 控制、消费电子、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于a r m 技术的 微处理器应用己占据3 2 位r i s c 芯片7 5 以上的市场份额，a r m 技术可谓无处不在【4 】。 a r m 公司是专门从事基于i u s c 技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商， 本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片。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，根据各自不同的应用领域， 加入适当的外围电路，从而形成自己的a r m 微处理器芯片进入市场。目前，全世界前 5 位半导体公司都使用了a r m 公司的技术授权，前1 0 位半导体公司有9 家，前2 5 位 半导体公司有2 3 家均使用了a r m 公司的授权，因此既使得a r m 技术获得更多的第三 方工具、制造、软件的支持，也使整个系统成本降低，使产品更容易进入消费市场，更 具有竞争优势1 6 】【3 2 】。 a r m 技术在下列领域中广泛应用： ( 1 ) - r 业控制领域：作为3 2 位的r i s c 架构，基于a r m 核的微控制器芯片不仅占据 了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域渗透。 ( 2 ) 无线通讯领域：目前己有超过8 5 的无线通讯设备采用了a r m 技术。 ( 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进行了优化，并获得广泛支持，应用日趋广泛。 ( 4 ) 消费电了产品 a r i 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 ) 成像和安全产品：现在的数码相机和打印机中绝大部分采用了a r m 技术。g s m 和c d m a 手机中的s i m 卡也采用了a r m 技术。 a r m 微处理器目前包括以下几个系列，除了具有a r m 体系结构的共有特点之外， 每一个系列的a r m 微处理器都有自己的特点和应用领域。 t a r m 7 系列 7 西安科技大学硕士学位论文 a r m 9 系列 e a r m 9 e 系列 a r m l o e 系列 s e c u r c o r e 系列 i n t e r 的x s c a l e o i n t c r 的s 仃o n g a r m 其中，a r m 7 ，a r m 9 ，a r m 9 e 和a r m l 0 为通用处理器系列，s e c u r c o r e 系列专门 为安全要求较高的应用而设计。 a r m 9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。 具有以下特点： 5 级整数流水线，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w i n d o w sc e ，l i n u x ，p a l m0 s 等多种主流嵌入式操作系统。 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 系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打 印机、数字照相机和数字摄像机等。a r m 9 系列微处理器包含a r m 9 2 0 t , a r m 9 2 2 t 和 a r m 9 4 0 t 三种类型，以适用于不同的应用场合【5 】o 本开发平台选用的a t 9 1 r m 9 2 0 0 就属于a r m 9 2 0 t 。 2 3a t 9 1 r m 9 2 0 0 微处理器 a t 9 1 r m 9 2 0 0 微处理器是a t m e i 公司基于a r m 9 2 0 t 中央处理器，并集成了很多 外围设备而成的一款处理器，其主要特点如下： 融合了a r m 9 2 0 t t ma r m t h u m b 处理器 一工作于1 8 0m h z 时运行速度高达2 0 0m i p s 一内带1 6 k 字节的数据c a c h e ，1 6 k 字节的指令c a c h e ，写缓冲区 - 全功能的m m u 单元 一片内含有调试通信通道的仿真器 一中等规模的嵌入式宏单元结构( 仅针对2 5 6b g a 封装) 低功耗：v d d c o r e 电流为3 0 4m a 待机模式电流为3 1m a 附加的嵌入式存储器 - s r a m 为1 6 k r o m 为1 2 8 k 8 2 嵌入式平台的硬件设计 o d i - 部总线接口( e b i ) 一支持s d r a m ，静态存储器，b u r s tf l a s h ，无缝连接的c o m p a c t f l a s h ，s m a r t m e d i a t m 及n a n df l a s h 提高性能而使用的系统外设： 增强的时钟发生器与电源管理控制器 一两个有双p l l 的片上振荡器 低速的时钟操作模式与软件功耗优化能力 一四个可编程的外部时钟信号 一包括周期性中断、看门狗及第二计数器的系统定时器 前报警中断的实时时钟 一调试单元、两线u a r t 并支持调试信道 有8 个优先级的高级中断控制器，独立的可屏蔽中断源，伪中断保护 _ 7 个外部中断源及1 个快速中断源 有1 2 2 个可编程f o h 线的四个3 2 位p i o 控制器，各线均有输入变化中断及开漏能 力 - 2 0 通道的外设数据控制器( d m a ) 0 1 0 1 0 0b a s e t 型以太网卡接口 一独立的媒体接u i ( m i i ) 或简化的独立媒体接口( r m i i ) _ 对于接收与发送有集成的2 8 字节f i f o 及专用的d m a 通道 o u s b2 0 全速( 1 2m 比特秒1 主机双端口 一双片上收发器：( 2 0 8 r 3 1 脚p q f p 封装中仅为一个) 一集成的f i f o 及专用的d m a 通道 o u s b2 0 全速0 2m 比特秒) 器件端口 一片上收发器，2 k 字节可配置的集成f i f o 多媒体卡接n ( m c d 一自动协议控制及快速自动数据传输 一与m m c 及s d 存储器卡兼容，支持两个s d 存储器 3 个同步串行控制器( s s c l 每个接收器与发送器有独立的时钟及帧同步信号 一支持1 2 s 模拟接口，时分复用 - 3 2 比特的高速数据流传输能力 4 个通用同步，异步接收发送器( u s a r t ) 一支持i s 0 7 8 1 6t 0 t 1 智能卡 硬软件握手 9 西安科技大学硕士学位论文 一支持r s 4 8 5 及高达11 5 k b p s 的i r d a 总线 - u s a r t l 为全调制解调控制线 主机从机串行外设接e i ( s p i ) _ 8 1 6 位可编程数据长度，可连接4 个外设 两个3 通道1 6 位定时计数器( t c ) _ 3 个外部时钟输入，每条通道有2 个多功能引脚 - 习p w m 产生器，捕获波形模式，上加，下减计数能力 两线接n ( t w i ) 一主机模式支持，所有两线a t m e le e p r o m 支持 所有数字引脚的e e1 1 4 9 1j t a g 边界扫描 提供t 2 0 8 j 脚p q f p 及2 5 6 球状b g a 两种封装 a t 9 1 r m 9 2 0 0 的处理器时钟频率p c k 最大可达2 0 9 m h z ，外围时钟m c k 最大可达 8 0 m h z 。还可工作于一个慢时钟s c l k 模式下，s c l k 为3 2 7 6 8 l ( 1 z ，它具有五种电源： v d d c o r e ：主要给内核( 处理器、存储器和外围器件) 供电，电压范围为：1 6 5 v 1 9 5 v 。一般为1 8 5 v 。 v d d i o m ：主要给外部总线i o 接口供电，电压范围为：3 v 3 6 v ，一般为3 v 或3 3 v 。 v d d i o p ：主要给外围i o v i 和u s b 发送接收器供电，电压范围为：3 v 3 6 v ，一般 为3 v 或3 3 v 。 v d d p l l ：主要给p l l 单元供电，电压范围为：1 6 5 v 1 9 5 v ，一般为1 8 5 v 。 v d d o s c ：主要给晶振单元供电，电压范围为：1 6 5 v 1 9 5 v ，一般为1 8 5 v 。 表2 1 列出了a t 9 1 r m 9 2 0 0 在v d d l 0 【- v d d l o p - 3 3 v ，v d d c o r e = v d d p l l = v d d o s c = i 8 v ，m c k = 6 0 m h z ，p c k = 1 8 0 m h z ，s c l k = 3 2 7 6 8 日舷的情况下的功耗。 表2 1a t 9 1 r m 9 2 0 0 的功耗 1 0 2 嵌入式平台的硬件设计 2 4 系统硬件设计 2 4 1u s b 接口 图2 3 u s b 接口电路 u s b 接口采用a t 9 1 r m 9 2 0 0 的u s b 主机端口h d m a ( u s b h o s t p o r t a d a t a ) 、 h d p a ( u s bh o s tp o r t a d a t a + ) 、h d m b ( u s bh o s tp o r tbd a t a ) 、h d p b ( u s bh o s t p o r tbd a t a + ) 构成u s b 接口，与外部u s b 设备相接，在本课题中接u s b 鼠标。 a t 9 1 r m 9 2 0 0 的u s b 主机接口采用开放主机控制器接口协议( o p e nh o s tc o n t r o l l e r i n t e r f a c ep r o t o c 0 1 ) 并与u s bv 2 0 全速( 1 2 m b i t s ) 和低速( 1 5 m b i t s ) 协议相兼容。它也 提供在a s b ( 先进系统总线) 上的读写协议。u s b 主机端口的主要特点如下： 与o p e nh c ir c v1 0 协议相兼容。 与u s b2 0 全速和低速规格相兼容。 支持低速1 5 m b i t s 和全速1 2 m b i t s 的u s b 设备。 根h u b 集成了两个下行u s b 端口 嵌入的u s b 传送接收器 支持电源管理 在a s b 总线上作为主机操作。 d p 、d m 端口上分别接了1 5 k 的下拉电阻，没有设备连接时，处于低电平，当有 设备连接时，由于u s b 设备接口上一般都接有上拉电阻，d p 、d m 端口电平会升高， 这个电压差的改变被集线器识别，系统将发现有一个新的接入设掣7 】。 西安科技大学硕士学住论文 2 4 2 显示控制模块 本课题要外接一个工业l c d ( 液晶显示器) ，分辨率为6 4 0 * 4 8 0 ，显示控制器采用 的是e p s o n 的s 1 d 1 3 5 0 6 。 s i d l 3 5 0 6 是一个彩色的l c d c r t t v 图像控制器，可以与很多c p u s 和显示设备 连接。$ 1 d 1 3 5 0 6 是为了满足低成本、低功耗的嵌入式市场如移动通信、手上电脑和办 公自动化而设计的1 2 9 1 。 其主要特点如下： 0 1 6 b i te d o d 洲或f p m d r a m 接口 存储器大小选项： 5 1 2 kb y t e s ，一片2 5 6 k 1 6 的设备 2 mb y t e s ，一片1 m 1 6 的设备 多c p u 接口支持 可以支持： 6 4 0 * 4 8 0 ，颜色深度1 6 b p p 8 0 0 * 6 0 0 ，颜色深度1 6 b p p 显示支持： 4 8 1 6 位像素 9 1 2t f d d t f d 像素 1 8 位t f t d t f d 至6 4 k 颜色深度 c r t n t s c 和p a l t v 模式输出 s w i v e l v i e w ：9 0 。，1 8 09 ，2 7 0 。硬件反转显示图像。 o e p s o n 独立同时显示：在不同的显示设备上显示不同的图像。 虚拟现实支持：可以显示比面板大的图像。 硬件光标或全屏i n k 层 0 2 db i t b l t 引擎 o w i n n o vv i d e u mc a m 数字相机接口 软件初始的电源节省模式 独立于操作系统 在电路图中，j p l 是数字接口，可以接l c d 。j 1 是v g a 接口，可以接c r t 。 u 2 ( a s 4 l c l m l 6 e 5 5 0 j c ) 是1 m + 1 6 的d r a m ，作为缓冲数据存储器。c y l ( 4 0 m h z ) 是显示模块总线时钟。电路图如图2 4 。 2 嵌入式平台的硬件设计 2 4 3 网络控制模块 本课题要运用1 0 m 1 0 0 m 的网口来下载程序、a r m 板与上位机通信。网络控制器 采用d m 9 1 6 1 。 a t 9 1 r m 9 2 0 0 的e t h e r n e t m a c 是对o s i 参考模型中的介质访问控制子层的硬件实 现。介质访问控制子层处于物理层和逻辑链路子层之间。它控制着主机与物理层之间数 据交换的数据格式，这个数据格式在e t h e m e ti e e e8 0 2 3 u 中有规定。a t 9 1 r m 9 2 0 0 的 e t h e m e tm a c 接口包含了所需的逻辑和d m a 操作中所需的发送和接收用的f i f o 缓冲 区。另外，通过m d i o m d c 管脚可与物理层的管理相连接 2 0 1 。 a t 9 1 r m 9 2 0 0 的e t h e m e tm a c 能够在介质独立接口或精简介质独立接口模式下传 送数据，模式的选择取决于管脚的配置。 精简模式的特点如下： 单5 0 m h z 的时钟频率 减少了所需的控制引脚 减少了数据通道，通过加倍时钟频率使数据通道减为2 b i t 宽度。 1 0 m b i t s s 和1 0 0 m b i t s s 数据能力。 a t 9 1 r m 9 2 0 0 的e m a c 主要特征如下： 与i e e e 标准8 0 2 3 兼容 每秒l o 和1 0 0 m b i t s 数据传输能力 全工和半双工操作 与物理层连接的m i i 或r m i i 接口 面向地址、状态和控制寄存器的寄存器接口 d m a 接口 在接收和传送完成时产生中断信号 # 2 9 - b y t e 发送和2 8 b y t e 接收f i f o s 在所发送的数据帧后面自动加上c r c 校验 用于识别4 个4 8 b i t 地址的地址检测逻辑 在有效帧拷贝到存储区时支持混杂模式 通过控制警告和更新时间日历数据的m d i o 接口来支持物理层管理 d m 9 1 6 1 是一个快速以太网单芯片的收发器，提供了如i e e e s 0 2 3 u 标准中所规定的 功能，集成了一个完全的1 0 0 b a s e t x 模块和一个完全的1 0 b a s e t x 模块。d m 9 1 6 1 提 供了介质独立接口( m i i ) ，如i e e e 8 0 2 3 u 标准所规定的。它所执行的所有功能如下： 物理编码子层( p c sp h y s i c a lc o d i n gs u b l a y e r ) 、物理介质存取( p m ap h y s i c a lm e d i a a c c e s s ) 、双绞线物理媒介依赖子层( t p p m dp a i rp h y s i c a lm e d i u md e p e n d e n ts u b l a y e r ) 、 西安科技大学硕士学位论文 1 0 b a s e - t 编码懈码，和双绞线媒介存取单元。 本系统采用精简介质独立接