（电子科学与技术专业论文）基于arm7的机场无线驱鸟器设计与实现.pdf

英文摘要 a b s t r a c t t h ep a p e rb a s e so nt h ep r o j e c to fd a l i a nt e c h n o l o g yf o u n d a t i o na n dt h e c o o p e r a t i v ep r o j e c to fd a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t yw i 廿ld a l i a ni n t e r n a t i o n a la i r p o r t b i r di m p a c ti sa l w a 弘t h eg r e a th i d d e nd a n g e rt of l i g h ts a f e t y t h em o s tc o m m o n m e t h o do fd r i v i n g - b i r di nd o m e s t i ca n da b r o a da i r p o r t si su s i n ga u d i o h o w e v e r , t h e r e a l es o m ed i s a d v a n t a g e si nt h e l r i v i n 分b i r dd e v i c e sa tp r e s e n t , s u c ha ss m a l lc a p a c i t y , s i n g l ea u d i of o r m a ta n dc o n s t a n tt i m i n gm o d e ，a n da l lt h e s ed i s a d v a n t a g e sr e s t r i c tt h e e f f e c to f d r i v i n g - b i r dg r e a t l y a c c o r d i n gt h ed i s a d v a n t a g e sa b o v e , b a s e d0 1 1a n a l y z i n gt h ep r e s e n ts i t u a t i o na n d r e s e a r c h i n gt h ec o n d i t i o no fb i r d sa n dt h eu s i n gc o n d i t i o no fd r i v i n g - b i r dd e v i c e si n d a l i a ni n t e r n a t i o n a la i r p o r t ，an e w 如v i i l g - b i r dp r o j e c tw h i c hb a s e s0 1 1w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n de m b e d d e dt e c h n o l o g yi sp r o p o s e d t h em a i nw o f k s a l e 鹤f o l l o w s ：矗r s t l y ，l p c 213 2i su s e df o rt h ec o n t r o lc h i p t h eh i g hf i d e l i t ya m p l i f y p l a y i n gc a nb ei m p l e m e n t e db yh i g hs n k , l o wp o w e r ，h i g ht o n eq u a l i t yd i g i t a l a m p l i f i e rb a s i n go nt h ed - c l a s sa m p l i f yt e c h n o l o g yo fv s 10 0 3a u d i oc h i p t h e d r i v i n g - b i r dd e v i c e s d i s a d v a n t a g e ss u c h 嬲s m a l lc a p a c i t ya n ds i n g l ea u d i of o r m a t w i l lb es o l v e db yu s i n gs dc a r d m e a n w h i l e ，b yu s i n gs dc a r dt h ea u d i ou p d a t eo f d r i v i n g - b i r dd e v i c e sc a l lb em o r ec o n v e n i e n t s e c o n d l y , t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l b e t w e e n “v i n g - b i r dv e h i c l e sa n d 缸v i i l g - b i r dd e v i c e sh a sb e e nd e s i g n e di nt h i s p a p e r , t h ed r i v i n g - b i r dc o n s o l eo fd r i v i n g - b i r dv e h i c l e sh a sb e e na p p l i e d ，a n dt h e i n t e l l i g e n tc o m m a n dt od r i v i n g - b i r dd e v i c e sf r o md r i v i n 争b i r dv e h i c l e s c a l lb e i m p l e m e n t e d t h ec o m m a n d si n c l u d ew o r k i n go np a r t i c u l a rp l a y i n gm o d e ，p a r t i c u l a r p l a y i n gt i m ea n dp a r t i c u l a rd r i v i n g - b i r ds o u n d t h ed r i v i n g - b i r dv e h i c l e sc a n c o m m a n dd r i v i n g - b i r dd e v i c e sp r e c i s e l ya n dp o i n tt op o i n tw h i c hi sac r e a t i v ep o i n to f t h i sp a p e r s u m m i n gu pt h ea b o v e ，t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g n so ft h ed r i v i n g - b i r d s y s t e ma n dr e l a t e dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o ld e s i g n sh a v eb e e nd o n ei i lt h i sp a p e ra n d m e e tt h er e q u i r e m e n t sb yl a b o r a t o r yt e s t i n ga n df i e l dt e s t i n g t h i ss y s t e mh a sb e e n a p p l i e di nd a l i a ni n t e r n a t i o n a la i r p o r ta tp r e s e n t i th a sb e e na p p r o v e da n da c c e p t e d 英文摘要 b yd a l i a ni n t e m a t i o n a la i r p o r t t h i sp r o d u c tn o to n l yl e t sd r i v i n g - b i r dd e v i c e sw o r k o ni m e l l i g e n tw o r k i n gm o d e ，b u ta l s oh a st h el o wc o s t ，g o o dp e r f o r m a n c ea n ds i m p l e o p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s s ot h ed r i v i n g - b i r ds y s t e mi nt h i sp a p e rh a sg o o da p p l i c a t i o n v a l u ea n dm a r k e tp r o s p e c t k e yw o r d s ：a i r p o r td r i v i n g - b i r dd e v i c e ；e m b e d d e dt e c h n o l o g y ；l p c 2 1 3 2 ； s e r i a lc o m m u m c a t i o np r o t o c o l 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文= = 基王r m 2 的扭扬玉线墅垒墨遮让皇班究：。除论文中已 经注明引用的内容外，对论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。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发 表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：乏望丝。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全文 数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和 提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密q ( 请在以上方框内打 ”) 论文作者签名：王迈超导师签名：每、1 试毒 日期炒罗年多月7 日 基于a r m 7 的机场无线驱鸟器设计与实现 1 1 引言 第1 章绪论 航空安全问题一直以来是整个民航业和公众关注的焦点，而“鸟撞 问题则 是长期困扰着航空界，威胁飞行安全的一个国际性的难题。随着世界经济的飞速 发展，飞机数量的不断增加，飞行航线和起飞频率的日益扩充，发生鸟撞事件的 概率也随之增大。媒体对于鸟撞导致飞行事故的报道越来越多，飞行安全面临的 威胁也越来越大。 据国际民航组织统计，每年收到飞机撞鸟报告就高达4 0 0 0 5 0 0 0 份。8 0 年代 以来，世界各国鸟撞事故大幅度增加【1 1 。平均每年发生的鸟撞事故，美国空军共约 2 5 0 0 起：英国空军共约7 0 0 起：德国空军和民航共约1 2 0 0 起：印度空军多达1 0 0 起 【2 】。鸟撞事故给世界各国造成了惊人的财产损失和人员伤亡。国际航空联合会己把 鸟害升级为“a 类航空灾难。据统计，全世界每年大约发生l 万次鸟撞飞机事件。 在我国，只是从1 9 8 9 年至2 0 0 3 年期间，中国民航就发生了3 6 1 次鸟击，鸟击率 每万飞行架次为0 2 7 3 1 。 近年来，我国专家发现，机场“鸟撞 事件频频发生的原因有- - ：一是因为 飞机速度提高，噪声降低，对鸟类来说，飞机变得太快和太“安静 了，以致来 不及感觉，更谈不上避开。鸟撞飞机变得较为常见，造成的损害也更加严重。二 是人类生活范围的日渐扩大，使适合鸟类的生活、栖息、繁衍的自然环境大幅度 减少；机场的大面积绿化便成为鸟类的理想场所，而鸟类的增多势必易发鸟撞【4 1 。 鸟撞事故已经受到中国民航总局的高度重视。特别规定，在飞机起飞的1 0 0 m 以下、着陆的6 0 m 以下发生的鸟撞事故是机场鸟撞。然而鸟类在生态平衡中有着 重要作用，有些鸟类已经濒临灭绝，我们应该在不伤害或尽可能少伤害鸟类的前 提下去解决机场鸟割5 1 。因此如何合理、有效、安全的防治鸟撞事件，为飞机起飞 和降落提供一个净空状态已经是世界范围内航空界所面对的重大课题。 第1 章绪论 1 2 课题研究背景 自2 0 世纪6 0 年代以来，世界各国都已经投入了大量资源用于鸟撞事件的研 究以及防治，希望能得到一套切实可行的驱鸟方案。但是目前鸟撞事故还是没有 从根本上避免，甚至持续上升的趋势。以往的驱鸟办法不是具有暂时性的驱鸟效 果，就是因为它具有潜在的危害，都不是期待的持续有效的驱鸟手段。 1 2 1 国内外现行的机场驱鸟方法 虽然鸟撞这一世界性难题并没有彻底的解决，但是民航界在将鸟撞预防工作 重点集中在机场及周边地区的同时，已经形成了一些相对成熟的驱鸟方法。恐吓 是最简单和最直接的驱鸟方法。目前比较流行的方法有煤气炮、恐怖眼、录音驱 鸟、猎杀等【6 】。 ( 1 )煤气炮：煤气炮在许多机场都有配备，是一种以煤气为燃料的爆炸装置， 机场地面工作人员定时燃放煤气炮，发出巨大声响，以驱走鸟类，但是长 期使用煤气炮会使得鸟类对其声响产生耐受，影响驱赶效果。 ( 2 )恐怖眼：恐怖眼是绘制有巨大眼睛图案的气球，由于鸟类对眼睛图案比较 敏感，随风飘舞的恐怖眼会起到很好的驱赶效果，但是长期使用恐怖眼同 样会面临耐受问题。 ( 3 )录音驱鸟：录音驱鸟使用配有高音喇叭播放猛禽的呜叫、鸟类受到虐待时 凄厉叫声的录音或者其他类似的声音，活动于机场的鸟类受到录音的刺激 会很快逃离，这种驱鸟方式是目前最流行的驱鸟办法但是驱鸟声音的选择 会受到地域和季节的限制，必须使用针对的驱鸟声音才会有较好的驱赶效 梨7 】。 ( 4 )猎杀：猎杀是最原始的驱鸟方式，但是非常有效，长期的猎杀会有效控制 鸟类数量，但是这种方式由于伦理和生态保护的原因遭到较多的反对。 鸟击防治需要综合各种方式，任何一种方式单独使用都将面对鸟类的耐受， 在使用一段时间后失效。同时，进行鸟击防治必须深入研究本地鸟类的生物学和 行为特征，有针对性地进行防治【8 】。 基于a r m 7 的机场无线驱鸟器设计与实现 1 2 2 国内驱鸟器使用的现状和存在的问题 目前，我国大部分机场所使用的驱鸟器从结构和功能上看大体相同。例如， 大连机场在1 9 9 8 年引进的美国艾伦产品，它拥有三种型号，分别发出鸟类天敌的 声音、同类的惨叫声或者生物的合成音，然后通过高音喇叭发出高分贝的声音。 这类驱鸟器对于保证机场净空状态起到了一定的作用，但是随着鸟类的不断向草 坪集中和飞机起降次的增加，这种驱鸟设备已经不能满足国内机场的要求。当前 国内机场驱鸟器存在一定弊端： ( 1 )驱鸟器的存储器比较小，所存储的声音数量少、单调，从而对鸟类的针对 性差，鸟类会在一段时间后产生适应性。 ( 2 )实时性不够。驱鸟器采用定时播放的工作方式，导致经常存在有驱鸟需求 的时候驱鸟器不工作的情况，而且驱鸟器不能选择针对性声音播放，也就 是“有需无声，有声无效。 ( 3 )更换声音困难。由于目前驱鸟器播放的声音是写入在驱鸟器内，导致更换 声音时需要将驱鸟器一并拿回厂家，而且声音格式很单一，不能播放大部 分语音格式，所以不能随时更新声音。 ( 4 )电源不独立。由于驱鸟器电源是需要市电提供的，所以不仅增加了机场内 部的布线难度，同时也使机场草坪显得杂乱。 1 3 本课题研究的主要内容 在对民航飞行安全要求越来越高的今天，机场进行有效驱鸟的工作压力也越 来越重。本课题是大连国际机场的一个实际项目。因此课题是在大连机场的实际 情况的基础上提出的。该项目的目标是实现一种可以克服以往驱鸟器弊端，实现 由被动防鸟转为主动驱鸟的驱鸟器系统，使机场的驱鸟工作更加便捷有效。为了 完成这一课题，本人主要完成的工作如下： ( 1 )通过对大连机场鸟情和驱鸟设备使用情况的实地调研，以及大量的资料 查阅，阐明了目前鸟撞事故发生的原因和具体情况，并提出了机场驱鸟 方法改革的重要性和必要性。 ( 2 )分析了国内目前所使用驱鸟器的弊端，提出了一种新型的驱鸟方案，该 第1 章绪论 方案突破了以往驱鸟器设计和工作的思维和模式，实现了更加适合目前 机场动态的、灵活的驱鸟方式，旨在解决困扰机场多年的鸟撞问题。 ( 3 )采用嵌入式技术，选择l p c 2 1 3 2 处理芯片作为驱鸟器的控制芯片；采用 s d 卡存储和v s l 0 0 3 语音芯片，实现了数字声音的大容量存储和播放；完 成了驱鸟器整体的软硬件设计，通过大量的调试和修改，保证了系统工 作的实时性和稳定性。 ( 4 )通过对通信技术和通信协议的研究，提出了一种适用于驱鸟车与驱鸟器 之间的无线通信方法，并设计了一套安全、有效、稳定的通信协议，使 驱鸟车和驱鸟器更好的结合起来，完成驱鸟车对驱鸟器的主动、灵活、 实时的控制。 本课题源于大连机场的一个实际项目，目前项目已经完成，并在大连机场实 际应用。本文完成了驱鸟器的软硬件设计，和驱鸟车与驱鸟器之间的通信等全部 工作，本文有以下两个方面的创新。 ( 1 ) 国内首次提出了利用无线通信控制驱鸟器工作方式的思想和方法。 ( 2 ) 采用短距离无线通信技术，设计了驱鸟车与驱鸟器之间数据通信协议、 实现了驱鸟车端的驱鸟器控制硬件系统，国内首次完成了驱鸟车对跑道两侧驱鸟 器的智能控制。 1 基于a r m 7 的机场无线驱鸟器设计与实现 2 1 嵌入式系统 第2 章a r m 7 微处理器及操作系统 随着信息技术的发展，嵌入式技术也已经广泛运用到日常生活的方方面面， 嵌入式系统在消费、汽车电子、微控制、无线通信、数码产品、网络设备等领域 的应用方兴未艾。从广义的概念来说，除了通用的计算机系统应用外，其他所有 的智能电子设备都属于嵌入式系统。从狭义的概念来说，嵌入式系统主要有以下 两个重要特征【l l 】： ( 1 ) 在硬件上，嵌入式系统拥有至少一个高性能处理器作为硬件平台，如 a r m 、m i p s 系列处理器。 ( 2 ) 在软件上，嵌入式系统以一个多任务操作系统为软件开发平台，如 l i n u x 、w i n d o w s c e 、u c 0 ci i 、v x w o r k s 等。嵌入式整体框图如图2 1 所示。 图2 1 嵌入式整体框图 f i g ，2 1t h ef r a m e w o r ko f t h ee m b e d d e ds y s t e m 嵌入式系统是专用计算机应用系统，它具有一般计算机组成的共性。嵌入 式硬件是嵌入式软件环境运行的基础，它提供了嵌入式系统软件运行的有力平 台和通信接口；嵌入式操作系统和嵌入式应用软件则是整个系统的控制核心， 控制整个系统的运行，提供人机交互的信息等。 2 1 1 嵌入式系统硬件结构 如图2 2 所示是一个嵌入式硬件最小系统的框架结构，它主要由微处理器 气 第2 章a r m 7 微处理器和u c o s 操作系统 m p u 和外围电路以及外设组成【1 2 1 。 f 移二了”? ，例磁= _ 。习 b ，。一“i i 爹。”翟 艮，。“” 一 漩二磁磁。如一一二：i 匿一“目 k g p i o ，。， 缓岛，。? 弱 k +4 j 氛：篇 囊 赣j 哆弘i j ? ? ija 4 i ，j s d r a m l 眵o，一j 翻 ， 阮p o w e r嗣 瞄7 二二； ，。7 7 ：嘲 澄习邕嘲圜凶 图2 2 嵌入式最小系统 f i g 2 2t h em i n i m i z e de m b e d d e ds y s t e m 一般说来，目前的嵌入式微处理器多为3 2 位处理器，处理器的数据传输速 率为每秒几十兆比特到几百兆比特，在外围集成了u s b 、r s - 2 3 2 、r j - 4 5 、l l c 、 i is 、l c d 驱动接口、j t a g 、d a 、a d 转换以及其他通用接口，基本能满足绝大 多数的嵌入式系统的需求。一个嵌入式系统设备的硬件上至少有一个3 2 位以上 的处理器，这是一个嵌入式在硬件上最显著的特点。 在最小系统中必须包含f l a s h 设备，其主要作用是在掉电后存储用户程序和 操作系统等软件信息。 r o m 只读存储设备，在部分嵌入式设备中仍然保留，它主要是用来存储部分 系统启动代码，这些代码不需要做任何修改，可以通过r o m 固化在嵌入式系统中。 当然，目前很多嵌入式设备都不使用r o m ，转而使用f l a s h 。 r a m 为随机存取存储设备，运行速度较快，主要用来临时存储用户数据和程 序，用户需要运行的程序和数据都需要加载到r a m 中运行，在关机时需要将相应 的数据存储在f l a s h 中。 r t c 为实时时钟，为了保证嵌入式设备与其他设备时间同步，都需要内部时 钟。在系统掉电后内部时钟仍然工作( 纽扣电池) ，时钟保持系统时间更新。一般 来说，一个嵌入式系统有一个实时时钟单元。 p o w e r 电源部分时任何一个电子设备不可缺少的，目前，嵌入式处理器的电 源电压越来越低，但是由于外部设备增多，对功率的要求仍然很高。在电子电路 基于a r m 7 的机场无线驱鸟器设计与实现 设计中，电源设计了很大程度上决定了整个电路板系统稳定性和可靠性。在设计 嵌入式设备时，电源是最需要慎重考虑的部分。 为了应对外部其他扩展需要，在嵌入式处理器外围有很多扩展i p ，即g p l 0 端口，这些端口主要用来扩展外部需要。 r s 一2 3 2 接口除了完成与外界简单的数据通信功能外，在进行嵌入式设备的 开发中会经常使用它进行程序的下载和调试，因为r s - 2 3 2 通信协议比较简单， 很多处理器的固件源码、b o o t l o a d e r 以及操作系统都集成了r s - 2 3 2 的驱动程序， 因此在开发嵌入式设备时，经常会使用它r s - 2 3 2 接口作为程序下载和调试信息 的输出终端端口。本课题中也使用了r s - 2 3 2 接口，主要是用来进行上位机与智 能驱鸟器之间的通信。 另外，一个嵌入式设备需要与外界进行通信，一个嵌入式设备有可能需要以 下外设：简易键盘、l c d 、u s b 、r j - 4 5 。 2 1 2 嵌入式软件结构 在一个嵌入式系统中，软件占据着很重要的部分，软件是具体功能的逻辑实 现。根据应用需要，一个嵌入式系统有可能包含升级支持包、实时操作系统，文 件系统、图形用户界面、应用程序等部分。如图2 3 所示为嵌入式软件系统基本 模型【1 3 】。当然并不是所有的嵌入式设备的软件系统都完全包含并遵守这一模型。 在某些具体应用中，有可能只需要其他几个组件，而且，有可能将其他的几个组 件组合在一起。当然，对于大多数嵌入式设备而言，采用这种层次来开发的软件 有很强的操作性和可维护性。 固件是在一些处理器中，包含一段微代码，如一个串口r s - 2 3 2 驱动。当然， 这一部分并不是所有的处理器都有，如果与通用计算机相比，其在很大程度上类 似于通用计算机的第一个软件b i o s 。 板级支持包在很多地方又称b o o t l o a d e r 。b o o t l o a d e r 主要功能是完成引导 操作系统，完成最小系统硬件初始化。 第2 章a 脚7 微处理器和u c o s 操作系统 图2 3 嵌入式软件系统基本模型 f i g 2 3t h ef r a m e w o r ko ft h ee m b e d d e ds o f t w a r es y s t e m 实时操作系统内核是整个嵌入式软件系统的核心，一个嵌入式在软件上最为 显著的特点就是拥有一个实时操作系统。实时操作系统与通用操作系统最明显不 同的地方就是对中断响应，可抢占性和裁减性等方面。目前嵌入式实时操作系统 主要由l i n u x 、w i n d o w s 、c e 、u c o si i 、s y m b i a n 等。实时操作系统内核一般很 小，如一个裁剪的l i n u x 操作系统仅5 0 0 k 左右。 文件系统是存储文件的基础，常见的文件系统由f a t 3 2 、e x t 3 等，在嵌入式 设备中需要使用专门的文件系统，这是因为嵌入式设备对可靠性要求很高。 应用软件层即用户设计的针对应用的应用软件，自行开发此应用软件时，可 以用到底层提供的大量函数，包括操作系统提供的大量系统调用。 2 2a r m 微处理器 2 2 1a r m 微处理器介绍 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 既是芯片的名称，同时也是公司的名称。作 为公司，a r m 其主要产品有大量高性能、低成本、低能耗的r i s c 处理器及其相 关的技术和软件。r i s c 处理器使用于多种领域，比如嵌入式控制系统、消费、 教育类、多媒体、移动式应用等。 a r m 将其技术授权给世界许多著名的半导体、软件和o e m 厂商，每个厂商得 到的都是一套独一无二的a r m 相关技术及服务。利用这种合作关系，a r m 很快成 为了许多全球性r i s c 标准的缔造者【1 4 1 。 a r m 架构是面向低预算市场设计的第一款r i s c 微处理器。 一8 一 基于a r m 7 的机场无线驱鸟器设计与实现 a r m 提供了一系列内核、扩展体系、微处理器和系统芯片方案。由于所有产 品均采用一个通用的软件体系，因而相同的软件可在所有产品中运行。典型的产 品如下： ( 1 ) c p u 内核【1 5 】 a r m 7 ：小型、快速、低能耗、集成式r i s c 内核，用于移动通信。 ( 墓) a r m 7 t d m i ( t h u m b ) ：这是公司授权用户最多的一项产品，将a r m 7 指令集同 t h u m b 扩展组合在一起，以减少内存容量和系统成本。同时，它还利用嵌入式i c e 调试技术来简化系统设计，并用一个d s p 增强扩展来改进性能。该产品的典型用 途是数字蜂窝式电话和硬盘驱动器。 ( 9 a r m 9 t d m i ：采用五级流水线a r m 9 内核，同时配备t h u m b 扩展、调试和 h a r v a r d 总线。在生产工艺相同的情况下，性能参数可达到a r m 7 t d m i 的两倍之 多。 ( 2 ) 扩展体系 t h u m b 以1 6 位系统的成本，提供3 2 位r i s c 的性能，特别值得一提的是它所 需的内存容量非常小。 ( 3 ) 嵌入式i c e 调试 由于集成了类似于i c e 的c p u 内核调试技术，因而原型设计和系统芯片的调 试得到了极大的简化。 ( 4 ) 处理器【1 6 】 ( 互) a r m 7 1 0 系列：包括a r m 7 1 0 、a r m 7 1 0 t 、a r m 7 2 0 t 和a r m 7 4 0 t ，他们具有低 成本、低功耗、低能耗、封装式的常规系统微处理器，并配有高速缓存、内核管 理、写缓冲和j t a g 。该系列广泛应用于手持式计算设备、数据通信设备和消费 多媒体中。 ( 窑) a r m 9 4 0 t 、9 2 0 t 系列：该系列具有低成本、低功耗、高性能的系统微处理 器，并配有c a c h e 、内存管理和写缓冲。该系列应用于高级引擎管理、保安系统、 顶置盒、便携式计算机和高档打印机。 ( 要) s t r o n g a r m ：它是一种性能很高、同时满足常规应用需要的微处理器技术， 与d e c 联合研制，后来授权给i n t e l 。s a i1 0 处理器、s a ii o o p d a 系统芯片和s a l 5 0 0 多媒体处理器芯片均采用了这一技术。 a r m 7 5 0 0 和a r m 7 5 0 0 f e ：它们是高度集成的单芯片r i s c ，基于一个缓存式 第2 章a 脚7 微处理器和u c o s 操作系统 a r m 73 2 位内核，拥有内存和i o 控制器、三个d m a 通道、片上视频控制器和调 色板以及立体声端口。a r m 7 5 0 0 f e 则增加了一个浮点运算单元以及对e d od r a m 的支持。该系列特别适合于电视顶置盒和网络计算机( n c ) 。 2 2 2a r m 7 微处理器介绍 ( 1 ) a r m 7 系列微处理器为低功耗的3 2 位r i s c 处理器，最适合于对价位和功 耗要求较高的消费类应用。a r m 7 系列微处理器具有以下特点【1 7 1 ： 具有嵌入式i c e - r t 逻辑，调试开发方便。 极低的功耗，适合于对功耗要求较高的应用，如便携式设备。 能够提供0 9 m i p s m h s 的三级流水线结构。 代码密度高兼容1 6 位的t h u m b 指令集。 对操作系统的支持广泛，包括w i n d o w s c e 、l i n u x 等。 指令系统与a r m 9 系列、a r m 9 e 系列和a r m i o e 系列兼容，便于用户对产品 升级换代。 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绝大多数的复杂应用。 a r m 7 系列微处理器的主要应用领域为：工业控制、i n t e r n e t 设备、网络设 备、移动电话等多种媒体和嵌入式应用。 a r m 7 系列微处理器包括四种类型的核：a r m 7 t d m i 、a r m 7 t d m i s 、a r m 7 2 0 t 、 a r m 7 e j 其中，a r m 7 t d m i 是目前使用广泛的3 2 位嵌入式r i s c 处理器，属低端a r m 处理器核。t d m i 的基本含义为【1 8 】： 卜支持1 6 位压缩指令集t h u m b 。 卜支持片上d e b u g 。 卜内嵌硬件乘法器( m u l t i p l i e r ) 。 i 一嵌入式i c e ，支持片上断点和调试点。 ( 2 ) a r m 7 微处理器的寄存器结构 a r m 7 微处理器共有3 7 个寄存器，它们被分为若干个组( b a n k ) 、这些寄存器 包括： 3 1 个通用寄存器，包括程序计数器( p c 指针) ，均为3 2 位的寄存器。 六个状态寄存器，用以标识c p u 的工作状态及程序的运行状态，均为3 2 位，目前只使用了其中的一部分。 基于a r m 7 的机场无线驱鸟器设计与实现 同时，a r m 处理器又有七种不同的处理器模式，在每一种处理器模式下均有 一组相应的寄存器与之对应。即在任意一种处理器模式下，可访问的寄存器包括 1 5 个通用寄存器( r o - r 1 4 ) 、一个或两个状态寄存器和程序计数器。在所有的寄 存器中，有些是在七种处理器模式下共有同一个物理寄存器，而有些寄存器则是 在不同的处理器模式下有不同的物理寄存器。 ( 3 ) a r m 7 微处理器的应用模型【1 9 】 a r m 7 微处理器内核的选择 从前面所介绍的内容可知，a r m 微处理器包含一系列的内核结构，以适应不 同的应用领域。用户如果希望使用w i n d o w s c e 或者标准l i n u x 等操作系统以减少 软件开发时间，就需要选择a r m 7 2 0 t 以上带有m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n it ) 功 能的a r m 芯片，其中a r m 7 2 0 、a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 、a r m 9 4 6 t 、s t r o n g a r m 都带有 m m u 功能。而a r m 7 2 0 t 则没有m m u 功能，不支持w i n d o w sc e 和标准l i n u x ，但目 前由u c l i n u x 等不需要m m u 支持的操作系统可运行于a r m 7 t d m i 硬件平台之上。 系统的工作频率 系统的工作频率在很大程度上决定了a r m 微处理器的处理能力。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 芯片系统主时钟为 2 0 1 3 3 脚z ：a r m 9 系列处理器的典型处理速度为1 1 m i p s 删z ，常见的a r m 9 系统 主时钟频率为1 0 0 一2 3 3 l m z ；a r m l o 最高可以达到7 0 0 m h z 。不同芯片对时钟的处 理不同，有的芯片只需要一个主时钟频率，有的芯片内部时钟控制器可以分别为 a r m 核、u s b 、u a r t 、音频等功能部件提供不同频率的时钟。 芯片内存储器的容量 大多数的a r m 微处理器片内存储器的容量不太大，需要用户在设计系统时外 扩存储器，但也有部分芯片具有相对较大的片内存储空间，如a t m e l 的 a t 9 1 f 4 0 1 6 2 就具有高达2 m b 的片内程序存储空间。 片内外围电路的选择 除a r m 微处理器核外，几乎所有的a r m 芯片均根据各自不同的应用领域，扩 展了相关的功能模块，并集成在芯片之中，我们称之为片内外围电路。 第2 章a r m 7 微处理器和u c o s 操作系统 2 3v c o s i i 操作系统 仙c o s i i 是当前得到广泛应用的一种不免费但公开源码的嵌入式操作系统。 它是一种专门为嵌入式设备设计的内核，目前已经移植到4 0 多种不同结构的c p u 上。该系统自从2 5 l 版本之后，就通过了美国f 从认证，可以运行在诸如航天 器等对安全要求极为苛刻的系统之上【2 0 】。 此o s i i 适合小型控制系统，具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良 和可扩展性强等特点，最小内核可编译至2 k b 。 此0 s i i 内核提供任务调度与管理、时间管理、任务间同步与通信、内存 管理和中断服务等功能。 2 3 1p c o s - ii 软件体系结构 屺o s i i 软件体系结构如图2 4 所示，包括三个部分：p c o s i i ( 与处理器 无关的代码) 、此o s i i 设置( 与应用相关的代码) 、此o s i i 移植( 与处理器相 关的代码) 。 图2 4u c o s - i i 软件体系结构 f i g 2 4t h es o f t w a r es t r u c t u r eo fg c o s - i i 与处理器无关的代码包括9 个c 程序文件，分别是o s c o r e c 、o s m b o x c 、 o s - m e m c 、o s _ s e m c 、o s t i m e c 、o s _ q c 、o st a s k c 、p c o s i i c 和v c o s i i h 。 主要实现系统调度、任务管理、内存管理、信号量、消息邮箱和消息队列等系统 功能【2 i 】。 与应用相关代码包括两个头文件，o s - c f g h 、i n c l u d e s h 用于裁剪和配置 叱0 s i i 。 基于a r m 7 的机场无线驱鸟器设计与实现 与处理器相关移植代码包括一个汇编文件、一个c 程序文件、一个头文件。 2 3 2p c o s - i l p l 任何一个操作系统都会提供大量的a p i 函数供程序员使用，此o s i i 也不 例外。由于此0 s i i 面向的是嵌入式开发，并不要求大而全，所以内核提供的 a p i 函数也就大多和多任务相关。下面是六个重要的a p i 函数【捌。 ( 1 ) o s t a s k c r e a t e 函数 这个函数应该至少在m a i n 函数内调用一次，在o s i n i t 函数调用之后调用， 作用是创建一个任务。目前由四个参数，分别是任务的入口地址、任务的参数、 任务堆栈的首地址和任务的优先级。调用本函数后，系统会首先从t c b 空闲列表 内申请一个空的t c b 指针，然后将会根据用户给出参数初始化任务堆栈，并在内 部的任务就绪表内标记该任务为就绪状态。 ( 2 ) o s t a s k s u s p e n d 函数 将指定的任务挂起。如果挂起的是当前任务，那么还会引发系统执行任务切 换先导函数o s s h e d 来进行一次任务切换。这个函数只有一个参数，那就是指定 任务的优先级。在系统内部，优先级除了表示任务执行的先后次序外，还起着分 别每一个任务的作用，换句话说，优先级也是任务的i d 。所以此o s i i 不允许 出现相同的优先级任务。 ( 3 ) o s t a s k r e s u m e 函数 这个函数和上面的函数正好相反，它用于将指定的已经挂起的函数恢复成就 绪状态。如果恢复任务的优先级高于当前任务，那么还会引发一次任务切换。其 参数o s t a s k r e s u m e 函数，位指定任务的优先级。此函数不需要与o s t a s k s u s p e n d 成对使用。 ( 4 ) o s e n t e r s r i t i c a l 宏 很多人认为它是个函数，其实不然，仔细分析一下o s _ c p u h 文件，它和下 面o s _ e x i t _ c r i t i c a l 都是宏，否是涉及特定c p u 的实现，一般都被替换为一条 或者几条嵌入式汇编代码。由于系统希望向上层程序员隐藏内部实现，故而一般 宣称此条指令后系统进入临界区，其实就是管中断而已。这样，只要任务不放弃 使用权，别的任务就没由占用c p u 的机会。 ( 5 ) o s e x i t _ c i r i t i c a l 宏 第2 章a r m 7 微处理器和u c o s 操作系统 它是和上面介绍的宏配套使用的一个宏，它在被宣称时退出临界区。其实就 是重新开中断。需要注意的是，它必须和上面的宏成对使用，否则会带来意想不 到的后果，最坏的情况下，系统会崩溃。 ( 6 ) o s t i m e d ly 这个函数完成功能很简单，就是先挂起当前任务，然后进行任务切换，在指 定的时间到来之后，将当前任务恢复为就绪状态，但是不一定运行，如果恢复后 是优先级最高就绪任务的话，那么运行之。简单的说就是可以延时一定时间后再 次执行它，或者说，暂时放弃c p u 的使用权。 2 3 3 操作系统相关函数及处理器相关函数 ( 1 ) 用c 语言编写6 个操作系统相关的函数( o s _ c p u _ c c ) 【2 3 】 1 )o s t a s k s t k i n i t o s t a s k c r e a t e ( ) 和o s t a s k c r e a t e e x t ( ) 通过调用o s t a s k s t k i n i t ( ) 来初始化 任务的堆栈结构。因此，堆栈看起来就像刚发生过中断并将所有的寄存器保存到 堆栈中的情形一样。如图2 5 显示了o s t a s k s t k i n t 0 放到正被建立的任务堆栈中 的内容。这里我们定义了堆栈是从上往下增长的。 低地址内存 存储的处理器寄 存器值 中断返回向量 处理器状态值 任务起始地址 p d a t a 高地址内存 一 堆栈指针 图2 5 堆栈初始化( p d a t a 通过堆栈传递) f i g 2 5t h ei n i t i a l i z a t i o no fs t a c k ( p d a t ai sp a s s e db yt h es t a c k ) 2 )o s t a s k c r e a t e h o o k 基于a r m 7 的机场无线驱鸟器设计与实现 当用o s t a s k c r e a t e0 和o s t a s k c r e a t e e x t0 建立任务时候就会调用o s t a s k c r e a t e h o o k ( ) 。该函数允许用户或使用移植实例的用户扩展c o s - i i 功能。当 屺o s - i i 设置完了自己的内部结构后，会在调用任务调度程序之前调用o s t a s k - c r e a t e h o o k ( ) 。该函数被调用的时候中断是禁止的。因此用户应尽量减少该函数 中的代码以缩短中断的响应时间。当o s t a s k c r e a t e h o o k o 被调用的时候，它会收 到指向已建立任务的0 s j c b 的指针，这样它就可以访问所有的结构成员了。函 数原型：v o i do s t a s k c r e a t e h o o k ( o s _ t c b * p t c b ) 。 3 ) o s t a s k d e l h o o k 当任务被删除的时候就会调用o s t a s k d e l h o o k ( ) 。该函数在把任务从c o s - i i 的内部任务链表中解开之前被调用。当o s t a s k d e l h o o k o 被调用的时候，它会 收到指向正被删除任务的0 s j c b 的指针，这样它就可以访问所有的结构成员了。 o s t a s k d e l h o o k0 可以来检验t c b 扩展是否被建立( 一个非空指针) 并进行一些清 除操作。函数原型：v o i do s t a s k d e l h o o k ( o s j c b * p t c b ) 。 4