（微电子学与固体电子学专业论文）基于arm的手机编程开发平台设计与实现.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：随着嵌入式技术的不断发展和现代通讯技术的同臻成熟与完善，手机作为 这两种技术紧密结合的典型代表，成为众多开发人员设计与创新的焦点。为了适 应社会的需求，目前很多高校都开设了与此相关的课程。本文首次提出一套基于 嵌入式系统的手机编程开发平台教学系统。如何合理设计开发平台，为高等院校 提供一种功能完备、价格低廉、技术流行、能满足教学和开发双重需求的手机编 程开发平台j 下是本课题研究和解决的重点。 本论文在研究手机硬件体系结构和软件体系结构的基础上，主要研究了已有 手机平台的基本结构特点以及所需要的基本核心技术，进而提出了本课题研究的 手机平台结构，共分以下三部分： 1 硬件平台：划分为通讯模块单元、基于a r m 的应用处理模块单元以及输 入输出模块单元，这三部分相互独立设计并能单独完成各自任务，同时设计统一 接口规范，使这三大部分能够方便的连接在一起，协同工作，完成手机功能。这 种模块化的设计方法，为整体系统的开发、调试与升级提供了便利。 2 软件平台：分为b o o f l o a d c r 、操作系统、驱动程序以及g u i 。这四部分彼 此独立又相互联系。设计时可以根据实际需要，开发的难易程度，开销与维护成 本等多方面考虑，灵活设计。 3 应用软件：这部分主要是基于通讯协议的软件开发与编程实战。 本课题最终完成了硬件的全部设计并调试成功，实现了手机编程开发平台软 件平台的设计及应用软件的开发。同时针对各部分内容编写配套的实验指导手册 并在教学实践中取得初步成功。 关键词：手机；编程平台：a r m ；嵌入式系统；l i n u x 分类号：t n 4 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s r i 认( ? r ： w j t i it h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n ta n di m p r o v e m e n to ft h ee m b e d d e dt e c h n o l o g y a n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , m o b i l ep h o n e s ，t h et y p i c a lc o m b i n a t i o nm o d e lo ft h e t w ok i n d so ft e c h n o l o g i a r eb e c o m i n gt h ef o c u so fd e s i g na n di n n o v a t i o n t oa d a p t t h en e e do ft h em o d e r ns o c i e t y , r e l a t e dc o u p e sa r eo p e n e di nm a n yu n i v e r s i t i e s a d e s i g ns y s t e m b a s e dp r o g r a m m i n gp l a t f o r mt e a c h i n gs y s t e mi sp r o d u c e dh e r e t h e s y s t e ma i m st od e s i g nap l a t f o r mf o ru n i v e r s i t i e s ，r e a s o n a b l ei np r i c ea n da d v a n c ei n t e c h n o l o g y , a n dt om e e tt h ed o u b l ed e m a n d so f t e a c h i n ga n dd e v e l o p m e n t b a s e do nt h er e s e a r c ho fh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e m ，b a s i cf e a t u r e so fm o b i l e p h o n e sp l a t f o r ma n db a s i cc o r er e q u i r e m e n t 啪r e s e a r c h e d t h ep r o d u c e dm o b i l e p h o n e sp l a t f o r mc 髓b e d i v i d e di n t ot h r e ep a r t s i h a r d w a r es y s t e mp l a t f o r m ：i n c l u d i n gc o m m u n i c a t i o nm o d u l e , a r m - b a s e d a p p l i c a t i o nl r e a t m a n tm o d u l ea n df om o d u l e t h e ye a c hc 锄s u p p o r ti n d i v i d u a l p e r f o r m a n c e u n i f o r mi n t e r f a c er u l ei sa d o p t e d t h e r e f o r e , t h e yc a nc o o p e r a t ew i t he a c h o t h e r t h ek i n do fm o d u l ed e s i g n 伽b e n e f i tt h ed e v e l o p m e n t , d e b u g g i n ga n d u p g r a d i n g 2 s o f t w a r es y s t e mp l a t f o r m ：i n c l u d i n gb o o f l o a d e r , d r i v e r so fo p e r a t i n gs y s t e m a n dg u i t h ef o u rp a r t s 锄o t m r a t ei n d i v i d u a l l ya n dj o i n t l y d u r i n gd e s i g n , c o n s i d e r i n g t h ed i f f i c u l t i e so f d e v e l o p m e n ta n dm a i n t e n a n c ec o s t ，f l e x i b l em e a s u r e sc a nb ea d o p t e d 3 a p p l i c a t i o ns o f t w a r e ：i n c l u d i n gt h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l - b a s e ds o f t w a r e d e v e l o p m e n ta n dp r o g r a m m i n g o v e r a l ld e s i g na n dd e b u g g i n ga r ea c c o m p l i s h e di nt h er e s e a r c ha n da l lf u n c t i o n so f m o b i l ep h o n e sp r o g r a m m i n gd e v e l o p m e n tp l a t f o r ma r er e a l i z e d c o r r e s p o n d i n g e x p e r i m e n t a lg u i d a n c eh a n d b o o k sa r ec o m p i l e df o re a c hp a r t t h ep l a t f o r mw a sa p p l i e d s u c c e s s f u l l yi nt e a c h i n gp r a c t i c en o w a d a y s k e y v c o r d s ：m o b i l ep h o n e ；p r o g r a m m a b l ep l a t f o r m ；a r m ；e m b e d d e ds y s t e m ： “n u x c l a s s n 0 ：t n 4 北工i 交通人学硕 j 。学何论文 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：钯久峨 签字同期：山门年fl 月f 驴只 导师签名： 彳凌 签字同期：2 叼年p 月，尸同 独创性卢明 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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了谢意。 学位论文作者签名：懿 一 签字r 期： a 一) 年工月伊同 j 匕京交通人。形i1 ：学位论文 致谢 本论文的工作是在我的导师李哲英教授的悉心指导下完成的，李哲英教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢老师一 直以来对我的关心和指导。 在实验室工作及撰写论文期问，李博、李争、刘翔、孙旭、王健健、李月梅 和王春雷等同学对我论文研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之 情。 同时也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 综述 1 1研究背景 进入2 1 世纪，随着通信技术的飞速发展，通信已经成为人们生活和工作中不 可缺少的一部分。通信技术的广泛应用，使得人们可以方便的传递各种信息，为 人们的生活和工作提供了方便。随着人们对通信技术提出的各种新的需求，通信 技术也得到了长足的发展。 手机作为人们同常通信联系的重要工具之一，也越来越受到人们的喜爱，甚 至成为现代人必不可少工具。纵观手机的发展历史，从当年的模拟手机“大哥大”， 到现在的智能手机，发展十分迅速。一方面，手机尺寸越来越小，外观越来越时 尚；另一方面手机功能越来越丰富，比如彩屏手机、带f m 调频收音机功能的手 机，带p d a 功能的手机等。 手机实际上已经成为了一个移动计算终端，因此从学术研究和技术应用的角 度看，作为移动终端设备的手机包含了移动通信终端、嵌入式处理器系统、通信 协议设置等多项技术，是一个集硬件软件众多技术的集合体。 本论文的主要目标是对手机基本结构与本地处理技术进行研究，并以此为基 础设计并实现了手机编程开发平台。该平台集合了通讯技术、嵌入式技术、电子 技术、软件工程、操作系统等理论的软硬件的教学开发平台。在这个开发平台上 开发了相应的实验程序。通过该平台及编程，可以掌握嵌入式系统设计的流程与 方法，可以根据设计者和使用者的需求，设计并实现手机的基本功能和扩展功能， 并设计编程的实验项目。 1 2 本设计主要工作 本设计以一个硬件开放、源码公开、能满足手机编程开发需要的软硬件平台 为目的，将嵌入式系统、g s m 、操作系统、g u i 等技术手段相结合，进行研究， 以形成一个综合的技术体系，构建一个开放的手机编程软硬件平台。在本研究的 过程中差要内容有以下几个方面： 1 为了突：l i 教学实验于机编程平台，在设计初期对系统软硬件进行了详细的 分析。包括改定系统i i 标，自i 成结构，功能划分。 2 完粘硬什i ，行的设计，创新点n 叫二功能模块化的设计思恕。u 口把一个手机 北京交通人学硕十学位论文 在硬件功能上划分为通讯单元模块，逻辑控制模块以及基本输入输出电源 模块三部分。这三部分在结构与功能上面完全独立，但又设计了统一的接 口规范，使这三部分可以方便的连接到一起，组成手机编程实验台。同时 三部分作为分立的模块，依然可以完成各自特有功能实验。以逻辑控制单 元模块为例，独立使用时，可以完成基于a r m 的嵌入式开发各种复杂的 实验，同时通过特别设计的扩展总线，可以把它连接到实验室设计的多种 设备上，作为控制而用。 3 硬件平台的功能调试，在整个设计的过程中，这部分是复杂而又具有挑战 性的工作。在调试过程中，会遇到各种方面的问题，在此过程中掌握各种 调试工具与方法。 4 软件开发平台的设计。手机编程开发平台设计可以满足多种嵌入式操作系 统的移植与应用，然而在考虑到丌发成本，移植与编程难度等因素，选择 嵌入式l i n u x 操作系统作为开发平台。软件平台设计也分为四部分：包括 b o o d o a d e r 的设计、l i n u x 操作系统移植、相关的驱动程序开发、g u i 移 植等。 5 应用软件的设计，即手机终端软件编程设计。这部分介绍软件的丌发环境， 丌发流程等知识，并编写简单通讯实验。 2 手机编群开发i f 台总体设计规划 2 手机编程开发平台总体设计规划 手机编程开发平台是一个嵌入式系统与现代无线通讯技术相结合的综合应用 开发系统。系统的总体设计主要是按照系统设计的目标来规划系统的功能模块和 确定系统的各个组成部分，并说明它们在整个系统中的作用和相互关系。 我们现在所使用的手机，都是手机厂商根据不同客户群体的需要，设计的标 准硬件结构与对应的软件操作平台，一旦推出就很难对手机的功篚进行升级与改 进，所使用的技术对客户也是完全不透明的。因此本课题设计的特点首先就是提 出一种开放式的系统架构：即通过分析手机的基本功能，提出满足这些基本功能 所需要的软件及硬件支持：其次，是实现方法的多样性，基于手机所要求实现的 功能，硬件上面可以采用多种实现方法，软件也可以选择不同的语言以及是否需 要操作系统的支持，因此设计过程中软硬件都采用模块化划分的设计思想，结构 比较灵活；再次，支持扩展功能的能力，即开放的手机平台应该能够进行硬件与 软件的二次开发，因此在硬件设计上加入了多种扩展端口以及特殊定义盼外部总 线，方便增加新的功能，同时利用软件编程支持新的硬件。最后，为了验证提出 的这种手机编程开发平台的正确性，本论文提供了具体的实验项目来对设计的平 台结构进行验证 2 1手机编程开发平台系统软件功能规划 本文设计手机编程开发平台，最主要的功能就是基于这个平台使手机开发 的学习者能够学习各种基于手机技术和嵌入式系统开发的软件编程流程及方法。 针对手机编程平台，最直观的任务就是对通讯业务方面的编程，包括拨打与 接听电话，发送与接收短信息两大部分：其次是对手机扩展功能的开发，例如语 音与图像的播放，拍照，游戏，上网等功能。 以上的功能是基于实际功能的应用层软件设计，专注于通讯协议以及各种算 法的开发。然和对于整个系统诉常工作，还需要支持系统启动的引导代码，包括 启动，初始化，自枪，载入等过程。其次是硬件与软件之日j 的驱动程序，作用是 对应用程序展现硬件的所有功能。 对于软件，台，= ，j 一个关键是在设计l ，是否使用操作系统，使用何种操作系 统。对于实现简啦的任务。例如拨打与接听f b 话的功笼可以不使用嵌入式操作系 统，而通过c 语i i i t 接控制硬件来达剑f 1 的。但对于复杂的功能应刖，使用操作 系统则会使j l ：发巫j j i i 弈易。 3 北京交通人学硕f ：学位论文 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系 统的重要组成部分。嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，能够有效管 理复杂的系统资源，并且把硬件虚拟化。常见的通用型嵌入式操作系统有l i n u x 、 v x w o r k s 、w i n d o w s c e 等常用的专用型嵌入式操作系统有s m a r t p i m o e 、p o c k e t p c 、 s y m b i a n 等i l l 。 i ) v x w o r k s v x w o k r s 操作系统是美国w n i d r i v e r 公司于1 9 8 3 年设计开发的一种嵌入式实 时操作系统( r t o s ) 。良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户歼发环 境，使之在嵌入式实时操作系统领域逐渐占据一席之地。 v x w o k r s 具有可裁剪微内核结构；高效的任务管理：灵活的任务问通讯；微秒 缴的中断处理：支持多种物理介质及标准的、完整的t c p i p 网络协议等。 然而其价格昂贵，对每一个应用一般还要另外收取版税。一股不提供源代码， 只提供二进制代码。由于是专用操作系统，需要专门的技术人员掌握开发技术和 维护，所以软件的丌发和维护成本都非常高。支持的硬件数量有限 2 1w i n c e w i n c e 与w i n d o w s 系列有较好的兼容性，是一种针对小容量、移动式、智能 化、3 2 位模块化实时嵌入式操作系统。为建立针对掌上设备、无线设备的动态应 用程序和服务提供了一种功能丰富的操作系统平台，它能在多种处理器体系结构 上运行，并且通常适用于那些对内存占用空白j 具有一定限制的设备。它是从整体 上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统。它的模块 化设计允许它对从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设备进行定制。操作 系统的基本内核需要至少2 0 0 k b 的r o m 。 从技术角度上讲，w i n e c 作为嵌入式操作系统有很多的缺陷：没有开放源代 码，使应用丌发人员很难实现产品的定制：在效率，功耗方面的表现并不出色， 而且和w i n d o w s 一样占用过多的系统内存：版权许可费也是丌发时不得不考虑的 因素。 3 ) 嵌入式l i n u x 嵌入式l i n u x 最大的特点是源代码公丌并且遵循g p l 协议，在近年来成为研 究热点。由于其源代码公丌，人们可以任意修改，以满足自己的应用，并且查错 也很容易。遵从g p l ，无须为每例应用交纳许可证费。有大量的应用软件可用。 其1 1 | 大部分都遵从g p l ，是丌放源代码和免费的，可以稍加修改后应用于用户自 d 的系统。蠢人量的免堤的优秀的歼发工具，且都遵从g p l ，是刀：放源代码的， 订庞人的j r 及人员群体。石需门的人j ，只要值l i n u x 和c 语毒即可。软件的 j r 发和维护成奉搬低。优秀的网络功能，这红i n t e r a c t 时代尤其重要。系统稳定， 4 手机编样开发平台总体设计规划 内核精悍，运行所需资源少，十分适合嵌入式应用。 支持的硬件数量庞大。嵌入式l i n u x 和普通l i n u x 并无本质区别，p c 上用到 的硬件嵌入式l i n u x 几乎都支持。而且各种硬件的驱动程序源代码都可以得到，为 用户编写自己专有硬件的驱动程序带来很大方便。 在嵌入式系统上运行l i n u x 的一个缺点是l i n u x 体系提供实时性能需要添加实 时软件模块。由于这些实时软件模块是在内核空白j 运行的，因此代码错误可能会 破坏操作系统从而影响整个系统的可靠性，这对于实时应用将是一个非常严重的 弱点。 相对于w i n c e 和v x w o r k s 而言，嵌入式l i n u x 的开发难度较大、没有内嵌的 g u i 、没有良好的可视化的开发环境，但是l i n u x 是一个源代码完全开放的操作系 统，不需要支付昂贵的开发费用而可以免费获得，这是w i n c e 和v x w o r k s 所不具 有的。 2 2手机编程开发平台硬件功能规划 为了实现手机编程开发平台软件设计的架构，硬件平台的设计应该满足以下 特点： 1 满足无线通讯功能： 2 支持嵌入式设计基本功能； 3 支持扩展功能； 4 模块化的设计。 初步规划手机编程开发平台硬件包括以下几个部分： 1 无线通讯系统 作为移动通信终端，手机的首要功能是接收、发送和处理信息，包括语音、 文字和图像。为了实现这些功能，无线移动通信系统是重要的组成部分。即手机 编程开发平台首先需要有g p r s ( g e r n e r a l p a c k e rr a d i os e r v i c e ) 无线接 入能力。g p r s 就是g s m ( g l o b a l s y s t e m f o r m o b i l e c o m m u n i c p d l 0 n s ) 运营商在g s m 网络基础上推出的一种服务，g p r s 的数据传送基于i p 协议，数 据传送以端到端的形式进行。理论传送速率可以达到1 q _ 1 2 k b ，可以进行大数据量 的传送工作。根据g p r s 的规范，为了使用g p r s 服务，g p r s 调制解调器必须先 注册到个g s m 网络，即必须完成p i n 认证，这个认证需要信号处理器从s i m p - i 获取。通过语哥接rl ，g p r s 还可以传输双向语音。 见线通讯系统蕾婴完成g p r s 协议栈的物理层功能、要求实现突发脉冲的发 射接收、射频测制解洲功能。射频电路包含从天线剑接收机的解凋输；1 ；，0 发射 5 北京交通人学硕十学t i 7 = 论文 的功0 调制到功率放大器输出的电路。 射频系统由射频接收和射频发射两部分组成。射频接收电路完成接收信号的 滤波、信号放大、解调等功能；射频发射电路主要完成语音基带信号的调制、变 频、功率放大等功能。 2 音频处理系统 音频处理系统包含无线通信呼叫处理、音频处理、数字语音处理、射频逻辑 接1 ：3 电路、各种射频功能控制、电源管理和用户接1 3 模组等。 3 信号处理系统 信号处理系统完成对不同设备的控制任务，包括上文提到的音频处理系统， 射频单元、输入设备、输出设备等的控制。 4 输入输出系统 对于手机编程开发平台，输入系统主要是键盘的设计，输出系统是l c d 显示 的设计。 5 f o 接口扩展 作为手机编程开发平台除完成指定的通讯功能矫，还需要有较强的i o 接口 扩展能力，以适应不断扩展的功能以及调试的需要。手机编程实验台除了必备的 l c d 显示设备及键盘输入设备外，还可以增加的外部设备包括调试用的键盘、鼠 标、e t h e r n e t 接口，摄像装簧、g p s 全球定位系统等。这些设备使用的接口包括 了大量目前计算机常见接口：u s b 接口、r s 2 3 2 接口、音频接口、网络接口等。 为了调试系统软件，还需增加j t a g 与计算机连接的并行接口。 通过以上分析，提出手机编程丌发平台系统基本结构如图2 1 所示。 刚2 - i 手机编样开发平台系统基本结构框图 f i g 2 - lm o b i l ep h o n ep r o g r a m m a b l ed e v e l o p m e n tp l a t f o r ms y s t e mb l o c kd i a g r a m 2 3 手机编程实验台所支持的开发与实验技术内容 6 手机编拌开发平台总体设计规划 设计手机编程实验台的主要目的是把嵌入式系统设计技术与移动通讯技术有 效的结合起来。因此手机编程实验台除支持手机编程实验外，还需要支持嵌入式 系统实验。为了验证手机开发平台的功能，拟设计如下开发实验： l 】基于a r m a d s 下操作实验： 建立最小工程文件实验( l e d 控制实验) ； b o o t l o a d e r 调试与编译实验； 串口通讯实验： 键盘中断实验： l c d 显示实验： u d a l 3 4 1 、i i s 音频实验； n a n d f l a s h 应用实验； 手机编程拨号实验。 2 ) l i n u x 系统移植实验： 交叉编译环境实验： b o o t l o a d e r 剪裁，编译与下载实验； l i n u xk e r n e l 修改，剪裁，编译与下载实验； y a f f s 文件系统试验。 3 ) l i n u x 系统编程实验： h e l l ow o r l d 实验； 多线程应用实验： 串口通讯实验； g s m 通讯实验( 手机编程实验) 4 ) w i n d o w sc e 系统开发实验 2 4本章小结 本章详细介绍了手机系统设计要求，划分了手机的硬件功能模块以及软件平 台的选择。并对手机编程实验台所支持的实验进行了规划。 7 北京交通人学硕十学何论文 3 手机编程开发硬件平台设计与实现 通过以上两章对手机系统进行功能分析，系统建模以及设计要求的对比与讨 论，在实际的手机编程实验台系统设计当中，需要处理的数据有两大类：通讯数 据以及应用程序的数据。针对处理数据的不同以及设计难度的平衡，在本设计中 采用了双c p u 的解决方案，即一个c p u 用来专门处理g s m 通讯相关任务，另一 个c p u 用来负责运行操作系统及其他应用程序。按照这个解决方案，可首先把手 机终端划分为通讯模块和应用处理模块。 图3 - 1 手机编程开发平台双c p u 系统解决方案 f i g 3 - lm o b i l ep h o n ep r o g r a m m a b l ed c v c l o p m c n tp l a t f o r md o u b l ec p us y s t e ms o l u t i o n 3 1通讯模块的选择 g s m 手机模块技术十分成熟，采用手机模块的方式设计手机，最大的优点是 简化了手机设计流程，把重点从射频电路的设计及复杂的通讯协议编码转换转换 为利用a t 指令集，控制所有g s m 接入连接和通讯功能。主要有s i e m e n st c 3 5 ， m o t o r o l a g l 8 ，s o n y - e r i c s s o n g m 4 7 及w a v e c o m q 2 4 0 3 a 【2 删。从功能和接口上看， 这些模块差别不大。在本课题选择的是w a v e c o m 公司的q 2 4 0 3 a 。这是一款成熟 的g s m g p r s 模块，与其他模块相比，体积较小，重量较轻。q 2 4 0 3 a 模块主要 山射频天线、内部f l a s h 、s r a m 、g s m 基带处理器、匹配电源和一个4 0 脚的z i f 捅座组成。g s m 基带处理器是核心部件。其作用相当于一个协议处理器，用来处 理外部系统通过串l 】发送过来的a t 指令。射频天线部分主要实现信号的调制与解 调，以及外部射频信号与内部基带处理器之i 日j 的信号转换。匹配电源为处理器及 8 手机编程开发硬什平台设计与实现 射频部分提供所需的电源。 q 2 4 0 3 a 产品特征： 双频g s m g p r sm o d e m 模块：执行e t s ig s mp h a s e2 + 的标准；类别 4 ( 2 w 9 0 0 m h z ) ：类别l o w 1 8 0 0 1 9 0 0 m h z ) ；外部尺寸5 8 x 3 2 x 6 m m ；重量2 0 9 ( 包 括屏蔽) ：3 6 v d c 供电；通信中平均电流3 0 0 m a ；空闲时电流3 5 m a 基本功能： 支持c l a s s 2 ；下载速率2 6 8 k b i t s s ；上传速率1 3 k 4 b i t s s ：支持点对点的短消息 服务；短消息区域广播；回复呼叫信息：附加服务；呼叫转移；多方通话；呼叫 限制；电话簿；固定号码呼叫；呼叫等待或保持；呼叫线路认证；记费；回声取 消。 模块接口： 单一天线接d ( f o r 9 0 0 t 8 0 0 ) ；s i m3 v 5 v 和s i m 检测；实时时钟；i 0 接口； 4 位平行接口；2 个麦克风输入和2 个耳机输出；电源接口；为数据操作的r s 2 3 2 串口，通过a t 指令控制，波特率从3 0 0 到1 1 5 2 0 0 b i t s s ，启动速率从2 4 0 0 到 1 9 2 0 0 b i t s s 。 功能结构图： w a v e c o m q 2 4 0 3 a 模块功能结构如图3 2 所示。 i 电源 i 射顿接口 - 。 i o 控制 j 电源管理l - a d 转换 射 外频 罄s 蚺卡t - - - q l m 卡控制 接 引 c p u 收 脚 l f l a s hh 机 接 存储管理单元 发 口 lb d r a m 卜射 实啪擀 机 “l 音频接口卜。+ 话音编解 u a r t 图3 - 2w a v e c o m q 2 4 0 3 a 模块功能结构框幽 f i g 3 - 2w a v e c o m q 2 4 0 3 am o d u l ef u n c t i o nb l o c kd i a g r a m 9 北京交通人学硕十学位论文 3 2 应用处理模块的设计 应用处理器模块完成通讯模块以外的所有功能，由逻辑控制单元设计要求及 建模分析，选择合理的c p u 是应用处理模块的关键。在本设计中最终选择了 s a r n s u n g 公司的$ 3 c 2 4 1 0 处理器。 3 2 1 $ 3 c 2 4 1 0 处理器的分析与研究 $ 3 c 2 4 1 0 是s a m s u n g 公司的一款嵌入式s o c 产品i s 。s 3 c 2 4 1 0 集成了高性能 c p u 核心和p c 架构南北桥中的大部分功能，是信息终端设备和网络设备的理想解 决方案。 a r m 9 是a r m ( a d v a n c 宅dr i s cm a c i n g ) 公司研发的在高性能和低功耗特 性方面提供最佳的性能的一款通用处理器。特点如下：提供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 位的a r m 指令集合 1 6 位的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 。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。而$ 3 c 2 4 1 0 核- l , t 作频率可以达到2 0 0 m h z 一2 6 6 m h z 其具有完整的m m u ( 虚拟存储器管理) ，l c d 控制器( 支持s t n & 1 r i 可) ，支持n a n df l a s h 系统引 导，系统管理器( 片选逻辑和s d r a m 控制器) ，3 通道u a r t ，4 通道d m a ，4 通道p w m 定时器，只历功能的r t c ，还集成了1 6 k 指令高速缓存和1 6 k 数据高 速缓存。此外，$ 3 c 2 4 1 0 还采用了一种叫做a d v a n c e dm i c r o c o n t r o l l c rb u s a r c h i t e c t u r e ( a m b a ) 新型总线结构。并具有u s b1 1 控制器，i 0 1 0 0 m b p s 自适 应以太网控制器，符合a c 9 7 标准的音频控制器，串口通信控制器，红外控制器， 智能卡控制器，以及直接访存控制器、时钟发生器、功耗管理器、中断控制器、 看门狗定时器、p l l 片上时钟发生器、通用i o 端口等大量外围模块。其主要应用 于无线设备、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。$ 3 c 2 4 1 0 在2 6 6 m h z ( 在2 0 v 内核电压下) 主频下运行时最大功耗只有2 1 3 毫瓦，是业界 最具竞争力的高性能、低功耗微处理器产品之一。 3 2 2 $ 3 c 2 4 1 0 的存储器控制器特性 通过软件选择小( l i t t l ee n d i a n ) 大端( b i ge n d i a n ) ，共有8 个b a n k ，每b a n k 有1 2 8 m ! 手节的地址空日j ，除b a n k 0 ( 只能是1 6 3 2 位宽) 之外，其它b a n k 挪l 有 可编程的访问人小( 可以是8 1 6 3 2 位宽) ，6 个足r o m ，s r a m 等类皑存储器b a n k ， 1 0 手机编样开发硬什平台设计与实现 剩下的2 个可以作为r o m ，s r a m ，s d r a m 等存储器b a n k ，有7 个固定的存储 器b a n k 的起始地址，最后一个b a n k 的起始地址是可调整的，最后两个b a n k 的大 小是可编程的，所有存b a n k 的访问周期都是可编程的，总线访问周期可以通过插 入外部w a i t 来延长，支持s d r a m 的自刷新和掉电模式。 由于b a n k 0 区首地址被映射到0 x 0 0 0 00 0 0 0 ，因此b a n k 0 被用于存放系统的启 动引导程序。系统启动模式以及b a n k 0 数据总线宽度配置依赖于o m ( 1 ：0 ) 管脚信号， 如表3 1 所示。 表3 - 1 操作模式o m 1 ：0 管脚含义 t a b l e3 - io p e r a t i o nm o d eo m i ：0 】 o m lo m o启动r o m 数据宽度 oon a n df l a s h 启动模试 o1n o r f l a s h1 6 位总线 l0n o r f l a s h3 2 位总线 ll 测试模式 3 2 3 $ 3 c 2 4 1 0 的操作模式 a r m 处理器s 3 c 2 4 1 0 支持7 种处理器模式： 用户模式( u s e r ) ：运行应用的不同模式； f i q - f a s ti n t e r r u p t r e q u e s t 中断模式：用于支持数据传输或通道处理； i r q i n t e r r u p tr e q u e s t 中断模式：用于普通中断处理； 管理模式( s v c ) ：操作系统得保护模式； 中止模式( a b o a ) ：输入数据后登入或预取异常中断指令； 系统模式( s y s ) ：是操作系统使用的一个有特权的用户模式； 未定义模式( u n d e f i n e d ) ：执行了未定义指令时进入该模式； 外部中断，异常操作或软件控制都可以改变中断模式，大多数应用程序都是 在用户模式下运行，进入特权模式是为了处理中断或异常请求或操作保护资源服 务的。 3 2 4 $ 3 c 2 4 1 0 的调试方法 $ 3 c 2 4 1 0 足一款供嵌入式系统使用的通用型s o c 处理器，具有众多的接l 和 强大的处理功能同时为方便调试提供了多种调试接口，s 3 c 2 4 1 0 提供的调试手段 ll 北京交通人学硕十学位论文 有如下几种。 j t a g 仿真器调试i 叫7 j j t a g ( j o i n t t e s t a c t i o n g r o u p ，联合测试行动小组) 是一种国际标准测试协议， 主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试，j t a g 技术是一种嵌入式调试技 术，它在芯片内部封装了专门的测试电路t a p ( 1 b ta c c e s sp o r t ，测试访问口) ， 通过专用的j t a g 测试工具对内部节点进行测试。目前大多数比较复杂的器件都支 持j t a g 协议，如a r m 、d s p 、f p g a 器件等。标准的j t a g 接口是4 线：t m s 、 t c k 、t d i 、t d o ，分别为溅试模式选择、测试时钟、测试数据输入和测试数据输 出。j t a g 测试允许多个器件通过j t a g 接口串联在一起，形成一个j t a g 链，能 实现对各个器件分别测试。j t a g 接口还常用于实现i s p ( i n - s y s t e mp r o g r a m m a b l e 在系统编程) 功能，如对f l a s h 器件进行编程等。通过j t a g 接口。可对芯片内 部的所有部件进行访问，因而是开发调试嵌入式系统的一种简洁商效的手段。目 前j t a g 接口的连接有两种标准，即1 4 针接口和2 0 针接口。 舢l m 9 t d m i 单元包含完整的j t a gt a p 控制器，以支持e m b e d d e d i c e 功能。 这个t a p 控截器能够支持任何通过j t a g 端口访问的片上扫描电路。 用扫描链1 强制指令进入指令流水线，检查处理器的寄存器。对所有寄存器 的存储将把寄存器的值送到数据总线，它们在数据总线上再用扫描链l 采样并移 出。访问特权模式寄存器需要强制加入指令来改变模式( t t 意。在调试状态，阻止 从用户状态转换到特权模式的障碍已不存在) 。若需检查系统状态，可以让a r m 以系统速度访问存储器，然后立即切换回调试状态。 m t m s 田t d i r 3 0 幽3 - 3j t a g 访真器调试 f i g 3 3j t a ge m l u a t o rd e b u g “他 “峙 手机编挫开发硬什平台设计与实现 u a r t 串行口调试 使用串行接口调试嵌入式系统是一种相对简单、速度较低的方法，它要求有 目标端b o o t l o a d e r 系统的支持，通过串行接口建立b o o t l o a d e r 与主机端的数据联接， 在b o o t l o a d e r 的控制下进行程序的调试，它是优点是方法简单，缺点是不能进行 b o o f l o a d e r 的调试。 3 3存储器系统的选择与设计 存储器系统是计算机系统的关键结构之一，它决定了计算机系统的程序执行 能力和非易失性数据的保存。在本设计中，针对手机编程实验台的不同应用分别 使用了n a n df l a s h 、n o rf l a s h 与s d r a m 。 3 3 1n a n df l a s h n a n df l a s h 存储密度高，写入擦除速度快。由于n a n df l a s h 无三总线结构， 自身不支持直接运行程序，因此需要c p u 拥有特定的接口，依照规定时序将程序 复制到系统r a m 中运行。n a n df l a s h 更适合大容量数据存的解决方案。 在使用中，针对n a n df l a s h 容量大的特点，存储b o o t l o a d c r 、系统内核、根 文件系统以及应用程序和数据。器件选用三星公司的k 9 f 1 2 0 8 u 8 0 ： 容量：6 4 1 v m 管脚：4 8 p i n 封装：t s o p 供电电源：3 3 v 典型擦除时间：2 m s ( 1 6 k b ) 典型编程时间：2 0 0 i t s ( 5 2 8 b ) 典型读取时日j ： 5 0 n s ( 字节或字) f c o n f ：设为0 x f 8 3 0 _ 使能n a n df l a s h 控制器、初始化e c c 、n a n df l a s h 片选信号n f c e = i ( i n a c t i v e ，真币使用时再让它等于o ) 、设置t a c l s 、t w r p h 0 、 t w r p h i 。这三个参数控制的是n a n df l a s h 信号线c u 巳，a l e 与写控制信号n w e 的时序关系。在本设计的值为t a c l s = 0 ，t w r p h 0 = 3 ，t w r p h i = 0 ，其含义为： t a c l s = 1 个h c l k 时钟，t w r p h ( p - 4 个h c l k 时钟，t w r p h i = 1 个h c l k 时钟。 c l es e t u p t i m e = 0 n s c l e h o l d t i m e = 1 0 n s 1 3 北京交通人学硕 学位论文 a l e s e t u p t i m e 2 0 n s a l eh o l d t i m e = l o i 岱 w e p u l s e w i d t h = 2 5 n s 可以计算，即使在h c l k - 1 0 0 m h z的情况下， 1 a c l s + t w r p h o + t w l u h l 吲1 0 0u s = 6 0n s ，可以满足n a n df l a s hk 9 f 1 2 0 8 u 的 时序要求。 3 3 2n o rf l a s h n o rf l a s h 型芯片外部具有完整三总线，因此c p u 可直接运行芯片内部程序 代码。n o rf l a s h 数据读取速率较高，可满足系统数据总线时序要求，但是数据回 写入速度和擦除速度较慢，一般用在4 m b y t e 以下的较小容量的应用中比较适合 在本设计中，n o rf l a s h 主要用于存储系统备份b o o t l o a d e r 以及一些简单应用程序。 器件选用s s t 公司2 m b 的n o rf l a s hs s t 3 9 v f 3 2 0 1 容量：2 m b ( 1 6 b i t 总线) 管脚：4 8 p 矾 封装：t s o p 供电电源：3 3 v 典型块擦除时间：2 m s 典型字编程时间：7 典型字读取时间：7 0 n s 针对两种不同的f l a s h 存储器，系统也有两种启动模式。出表3 - 1 可以通过设 置不同的o m 值来选择不同的启动模式。在电路的设计中，管脚o m ( i ) 采用跳线 ( b o o t s e l )