（检测技术与自动化装置专业论文）基于arm9的嵌入式系统设计及epa设备实现.pdf

独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：逝宝。庭日期：盈竺：出 人连理1 。大学硕士研究生学位论文 大连理工大学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“大连理工大学硕士、博十学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学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予 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工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。 作者签名：毯宝覆 导师签名 么倦。 迦竺年上月上同 大连理工大学硕士学位论文 摘要 嵌入式系统与i n t e m e t 技术的结合已经成为未来嵌入式系统的发展趋势，而基于 a r m 的嵌入式系统由于其低功耗、低成本、高性能等优势已经广泛的应用于工业控制 领域。 e p a ( e t h e m e tf o rp l a n ta u t o m a t i o n ) 设备是基于高速以太网技术现场总线控制系统 的底层设备，针对e p a 设备需要满足工业上实时性要求及与其他设备协调地工作等问 题，研究a r m 微处理器和l i n u x 操作系统的关键技术，设计以a r m 微处理器为核心、 l i n u x 操作系统为软件平台的嵌入式系统。 论文从嵌入式系统的硬件电路和软件开发两个方面进行设计。在硬件设计上采用 a t m e l 公司生产的a t 9 1 r m 9 2 0 0 微处理器为c p u ，选用8 m 的f l a s h 和3 2 m 的s d r a m 作为系统存储器，扩展了以太网接口、串行接口等外围通信设备以及输入输出接口，根 据处理器和其他接口芯片的要求设计了电源电路、晶振电路、f l a s h 、s d r a m 存储器 接口电路、以太网接口电路、串行接口电路和扩展i o 接口电路。使用4 层贴片工艺设 计了系统p c b 印刷电路板，焊接和安装了贴片元件，并进行了电路调试等过程。在软 件设计上基于l i n u x 操作系统，分析了l i n u x 操作系统的引导程序( b o o t l o a d c r ) 的结构、 工作流程及内核的启动过程，研究了b o o t l o a d e r 移植和内核裁剪技术，移植了嵌入式 l i n u x 的引导过程。介绍了l i n u x 文件系统的结构、根文件系统的层次和文件的管理方 法。研究了l i n u x 设备管理方法和设备驱动程序的中断实现方法，分析了l i n u x 字符设 各驱动程序设计技术，编写a d 转换的驱动程序和外扩接口的驱动程序。 以a r m 微处理器为核心的嵌入式系统应用于e p a 设备能够满足工业实时性要求， 并提供丰富的外围接口为e p a 设备的进一步开发奠定了基础。 关键词：e p a ；嵌入式系统；k i n u x ：文件系统：设备驱动 陈宝君：基于a r m 9 的嵌入式系统设计及e p a 设备实现 d e s i g no f t h ee m b e d d e ds y s t e mb a s e do na r m 9a n da p p l i c a t i o ni ne p a d e v i c e a b s t r a c t t h ec o m b i n a t i o no fi n t e r a c ta n de m b e d d e ds y s t e mh a sb e c o m et h et r e n do fe m b e d d e d s y s t e md e v e l o p m e n ti nt h ef u t u r e t h ee m b e d d e ds y s t e mb a s e do na r m h a sb e e na p p l i e d w i d e l yi ni n d u s t r yb e c a u s eo fl o wc o n s u m e ，l o wc o s ta n dh i g hp e r f o r m a n c e e p a ( e t h e r n e tf o rp l a n ta u t o m a t i o n ) d e v i c ei st h eb o t t o md e v i c ei nf i e l db u sc o n t r o l s y s t e mb a s e do nh i g hs p e e de t h e m e t t os a t i s f yt h er e a l t i m ea t t r i b u t ei ni n d u s t r yf i e l da n d c o o p e r a t ew i t ho t h e rd e v i c e sb e t t e r ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o r et e c h n i ca b e u t 删 m i c r o p r o c e s s o r , l i n u xo p e r a t i n gs y s t e ma n dd e s i g n sas e to f e m b e d d e ds y s t e m r e s e a r c ho ft h ep a p e ri n c l u d e st h eh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n n l ee m b e d d e d s y s t e mi sc o m p o s e do fa t 9 1 r m 9 2 0 0m i c r o p r o c e s s o r ，8 mf l a s h ，3 2 ms d r a ma n d e t h e m e ti n t e r f a c e ，s e r i a li n t e r f a c e ，i n - o u ti n t e r f a c e a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nr u l e so ft h e m i c r o p r o c e s s o r a n do t h e r c h i p st h eh a r d w a r ed e s i g ni n c l u d e sp o w e r ，c r y s t a lc i r c u i t s ， m e m o r i z e r ，e t h e m e t ，s e r i a la n de x t e n d i n gi n - o u ti n t e r f a c e s 1 1 1 ep r i n t e dc i r c u i tb o a r da d o p t s f o u rl a y e r ss m tt e c h n i c s a n db yc i r c u i td e b u g g i n gt h eh a r d w 盯ec a nr u nn o r m a l l y l i n u xi s l o a d e dt o 也eh a r d w a r e t h e 也e s i ss m d i e st h es y s t e ms t r u c t u r ea n dw o r k f i o wo fb o o t l o a d e r 。 a n dt h es t a r t u pc o u r s eo f k e m e l ，i ta l s oa n a l y s e st h ep o r t i n gc o l l r s eo f l i n u xf r o mt w oa s p e c t s o fb o o t l o a d e ra n dk e m e l t h ep a d e rr e s e a r c h e st h ed e v i c em a n a g e m e n to ft h el i n u x o p e r a t i n gs y s t e ma n dt h es t r a t e g yo fi n t e r r u p tm a n a g e m e n to ft h el i n u xd e v i c ed r i v e r s t h r o u g ha n a l y z i n gt h ed e v e l o p i n gm e t h o d sa n dt e c h n o l o g i e so fc h a r a c t e rd e v i c ed r i v e ro f l i n u x ，t h ec o m m o np r o c e s so fd e v e l o p i n gc h a r a c t e rd e v i c ed r i v e r , w a se l i c i t e d ，t h ed e v e l o p i n g f r a m eo fc h a r a c t e rd e v i c ed r i v e rw a sp u tf o r w a r d t h ep r o g r a m sa b o u tt h ei od e v i c ed r i v e r s a r ec o m p l e t e da n dm a k et h es y s t e mc o m p a t i b l et ot h ee p ad e v i c e n l ce p ad e v i c eb a s e do ne m b e d d e ds y s t e mc a l ls a t i s f yt h er e a l - t i m ea t t r i b m ei ni n d u s t r y f i e l da n dc o o p e r a t e 、析t 1 1o t h e rd e v i c e sb e t t e r i tm a k e st h ee p ad e v i c ee x p a n di t sf u n c t i o n s e a s i e r k e yw o r d s ：e p a ；e m b e d d e ds y s t e m ；l i n u x ；f i l es y s t e m ；d e v i c ed r i v e r 大连理工大学硕士学位论文 引言 随着以计算机技术、通讯技术为主的信息技术的发展与互联网的广泛应用，计算机 的发展己显示出微型化和专业化的趋势，以台式计算机为主流的时代将进入以嵌入式系 统的形式存在的“后p c ”时代。而嵌入式系统是根据应用的要求，将操作系统和功能 软件集成于计算机硬件系统中，从而实现了软件与硬件一体化的计算机系统，具有软件 代码小，高度自动化，响应速度快等特点，特别适合于要求实时的和多任务的体系。与 嵌入式系统相结合的嵌入式设备在工控、仿真、数据采集等领域已得到了广泛的应用。 嵌入式的基础是以应用为中心的芯片设计和面向应用的软件开发。a r m 体系作为 专为嵌入式系统设计的处理器内核，由于其高性能、低功耗、易扩展的特点，己成为嵌 入式系统领域应用最广泛的处理器之一。而与此同时l i n u x 由于性能优越、支持硬件平 台广泛、源代码公开、具有极强的网络功能等优点成为设计嵌入式系统一种很好的选择。 本论文主要针对e p a 设备设计了以3 2 位a r m 微处理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 为c p u ，外 扩f l a s h ，s d r a m 存储器和以太网接口，串行接口，以及输入输出接口的嵌入式系统。 本文主要完成了该嵌入式系统的硬件设计，并在此系统上加载l i n u x 操作系统，分析了 l i n u x 操作系统的引导和移植过程，并在l i n u x 下编写驱动程序。本文共分为六部分： 第一章绪论，对嵌入式系统进行概述，分析嵌入式体系结构。 第二章删微处理器，介绍了a r m 微处理器的特点、发展和国内现状和动向。 第三章嵌入式系统硬件设计，主要包括存储器，以太网和串行接口的设计。 第四章基于嵌入式l i n u x 的e p a 设备软件设计，分析了构建l i n u x 操作系统的4 个主要部分包括：引导加载程序，l i n u x 内核配置，文件系统和应用程序运行。 第五章嵌入式l i n u x 驱动程序的设计，研究了l i n u x 设备管理方法和设备驱动程序 的中断实现机制，分析l i n u x 字符设备驱动程序，并编写e p a 设备驱动程序。 结论总结了全文工作重点，对未来的工作的展望。 陈宝君：基于a r m 9 的嵌入式系统设计及e p a 设备实现 1 绪论 嵌入式系统在本质上是个专用的计算机系统，但是和一般计算机系统不同，它不 是一个单独存在的完整系统，因此不以独立设备的物理形态出现。嵌入式系统根据应用 系统或主设备的应用需要，嵌入其内部，成为它们的一部分。嵌入式系统在应用系统或 主设备内起着运算、处理、存储以及控制的作用，它强调专用性、可靠性、实时性、经 济性，具有体积小、集成度高、效率高、功耗低、基本资源齐全、专用资源明确的特点。 嵌入式系统自从i n t e l 公司在3 0 多年前投入市场以来，已取得了迅猛的发展，特别 是近几年无论在m c u 、软件系统、开发工具与方法和互联网的结合，以及在应用上都 取得了重大的发展。 1 1 嵌入式系统 嵌入式系统一般定义为：以应用为中心，计算机技术为基础，软件硬件可裁减，适 应应用系统对功能、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 系统是面向应用的，这一点和通用计算机有着本质的区别。在满足应用功能的前提下尽 可能的缩小体积，提高系统反映的速度。嵌入式系统主要由嵌入式处理器，相关支撑硬 件，嵌入式操作系统和应用软件等组成 1 】a 嵌入式技术的发展大致经历了四个阶段：第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制 器形式的系统，同时具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能；第二阶段是以嵌入式 c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统；第三阶段是以嵌入式操作系统为标 志的嵌入式系统；第四阶段是以基于i n t e r n e t 为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速 发展的阶段【2 】。目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e m e t 之外，但随着i n t e r n e t 的发展以 及i n t e r n e t 技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与i n t e m e t 的结 合将代表着嵌入式技术的真正未来f 3 】。 1 2 嵌入式系统的体系结构 根据i e e e 关于嵌入式系统体系结构的划分，将嵌入式系统分为四个部分：嵌入式 处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件m 列，如图1 1 所示 6 3 o 1 2 1 嵌入式处理器 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，据不完全统计，全世界嵌入式 处理器已经超过1 0 0 0 多种，流行的体系结构有3 0 多个系列，其中以a r m 、p o w e r p c 、 m c6 8 0 0 0 、m i p s 等使用得最为广泛。嵌入式处理器可以分为以下几类： 大连理工大学硕士学位论文 嵌入式应用软件 嵌入式操作系统 匝西区巫圈 嵌入式硬件平台 图1 1 嵌入式系统体系结构 f i g 1 1s t r u c t u r eo f t h ee m b e d d e ds y s t e m ( 1 ) 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。在应用中，将微处理器装配在专门 设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的功能，这样可以大幅度减小系统体积和功 耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基 本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。和工业 控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，但 是在电路板上必须包括r o m 、r a m 、总线接口、各种外设等器件。嵌入式微处理器目 前主要有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c 4 0 0 、p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、m i p s 、删系列等。 ( 2 ) 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n j t ，m c u ) 嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。 嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成r o m 压p r o m 、 r a m 、总线、总线逻辑、定时计数器、w a t c h d o g 、i o 、串行1 3 、脉宽调制输出、a d 、 d a 、f l a s h 、r a m 、e e p r o m 等各种必要功能模块。为适应不同的应用需求，一般 一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的 是存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，从而 减少功耗和成本。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减 小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微 控制器的片上资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。 ( 3 ) 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算法，编译 效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、f f t 、谱分析等方面d s p 算法正在大量 进入嵌入式领域，d s p 应用正从在通用单片机中以普通指令实现d s p 功能，过渡到采 用嵌入式d s p 处理器。嵌入式d s p 处理器有两个发展来源，一是d s p 处理器经过单片 陈宝君：基于a r m 9 的嵌入式系统设计及e p a 设备实现 化、e m c 改造、增加片上外设成为嵌入式d s p 处理器；二是在通用单片机或片上系统 ( s o c ) 中增加d s p 协处理器，例如i n t e l 的m c s 一2 9 6 。推动嵌入式d s p 处理器发展的一 个重要因素是嵌入式系统的智能化，例如各种带有智能逻辑的消费类产品，生物信息识 别终端，带有加解密算法的键盘，a d s l 接入、实时语音压解系统，虚拟现实显示等。 这类智能化算法一般都是运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些 正是d s p 处理器的长处所在。 ( 4 ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 随着v l s i 设计的普及化及半导体工艺的迅速发展，可以在一块硅片上实现一个更 为复杂的系统，这就是s y s t e mo nc h i p 。各种通用处理器内核将作为s o c 设计公司的 标准库，和许多其它嵌入式系统外设样，成为v l s i 设计中一种标准的器件，用标准 的v h d l 等语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出整个应用系统，仿真通过后就 可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式 系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小 体积和功耗、提高可靠性非常有利。s o c 可以分为通用和专用两类。通用系列包括 m o t o r o l a 的m c o r e ，某些a r m 系列器件，e c h e l o n 和m o t o r o l a 联合研制的n e u r o n 芯 片等。专用s o c 一股专用于某个或某类系统中，不为一般用户所知。 1 2 2 嵌入式外围设备 在嵌入系统硬件系统中，除了中心控制部件( m c u ，d s p ，e m p u ，s o c ) 以外，用 于完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的其他部件，事实上都可以算作嵌入式外围 设备。目前常用的嵌入式外围设备按功能可以分为存储设备、通信设各和显示设备三类。 存储设备主要用于各类数据的存储，常用的有静态易失型存储器( r a m ，s r a m ) 、 动态存储器( d r a m ) 和非易失型存储器( r o m ，e p r o m ，e e p r o m ，f l a s h ) 三种，其 中f l a s h 凭借其可擦写次数多、存储速度快、存储容量大、价格便宜等优点，在嵌入 式领域内得到了广泛应用。 目前存在的绝大多数通信设备都可以直接在嵌入式系统中应用，包括r s - 2 3 2 接口 ( 串行通信接口) 、s p i ( 串行外围设备接口) 、i r d a ( 红外线接口) 、1 2 c ( 现场总线) 、u s b ( 通 用串行总线接口) 、e t h e m e t ( 以太网接口) 等。 1 2 ，3 嵌入式操作系统 嵌入式系统一直被广泛应用于各种仪器、设备以及军事产品中，早期的嵌入式系统 基本上是用汇编语言开发的，并且系统的运行不需要采用操作系统支撑。这种情况给嵌 入式系统的应用和发展带来很大的阻碍。因为每增加一种系统功能都需要重新进行开 大连理工大学硕士学位论文 发。随着嵌入式系统的广泛应用，其操作系统也就日益显得重要了【8 】。 嵌入式操作系统是用来支持嵌入式应用的系统软件，是嵌入式系统极为重要的组成 部分，通常包括与硬件相关的底层驱动程序、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图 形用户界面( g u i ) 等【9 j 。 嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理复杂的系统资源， 能够对硬件进行抽象，能够提供库函数、驱动程序、开发工具集等。但与通用操作系统 相比较，嵌入式操作系统在系统实时性、硬件依赖性、软件固化性以及应用专用性等方 面，具有更加鲜明的特点【l o 】。嵌入式操作系统作为嵌入式系统的基础，是嵌入式系统重 要的运行环境和开发平台，它的集成度和可用性直接关系到嵌入式系统的效率，历来是 嵌入式系统设计和开发的重点。目前比较流行的嵌入式操作系统有l i n u x 、v x w o r k s 、 w i n d o wc e 、u c o s i i 等。 1 2 4 嵌入式应用软件 嵌入式应用软件是针对特定应用领域，基于某一固定的硬件平台，用来达到用户预 期目标的计算机软件，由于用户任务可能有时间和精度上的要求，因此有些嵌入式应用 软件需要特定嵌入式操作系统的支持。嵌入式应用软件和普通应用软件有一定的区别， 它不仅要求其准确性、安全性和稳定性等方面能够满足实际应用的需要，而且还要尽可 能地进行优化，以减少对系统资源的消耗，降低硬件成本。 1 3 嵌入式系统特点 嵌入式系统是将先进的计算技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相 结合的产物，这就决定了它是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集 成系统d 1 a 2 】。 ( 1 ) 嵌入式系统的产品特征：嵌入式系统产品是面向用户、面向产品、面向应用的， 是针对具体应用的专用系统。嵌入式处理器针对用户的具体需求，对芯片配置进行裁减 和添加，才能达到理想的性能。嵌入式系统和具体应用有机的结合在一起，它的升级换 代也是和具体产品同步进行的。 ( 2 ) 嵌入式系统软件的特征：为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统软件一 般都固化在存储芯片中，即要求固化存储；对大多数应用来说，存储空间是很宝贵的， 还有实时性的要求，这就要求程序编写和编译工具的质量要高，以减少程序二进制代码 长度，提高执行速度，即软件代码高质量和高可靠性；在多任务嵌入式系统中，对重要 性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每个任务及时执行的关键，这种任务 调度一般只能由嵌入式操作系统来完成，因此要求操作系统具有实时及任务调度的能 陈宝君：基予a r m 9 的嵌入式系统设计及e p a 设备实现 力，即许多应用要求系统软件具有实时处理和多任务能力。 ( 3 ) 嵌入式系统开发需要开发工具和环境：通用计算机具有完善的人机接口界面， 在上面增加一些开发应用程序和环境即可进行对自身的开发。而嵌入式系统本身不具各 自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必 须有一套开发工具和环境才能进行开发，这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软 硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。 ( 4 ) 嵌入式系统软件需要嵌入式操作系统开发平台：通用计算机具有完善的操作系 统和应用程序接口( a p i ) ，而a p i 是计算机基本组成不可分割的一部分，应用程序开发 后，应用软件都在操作系统平台上运行。而嵌入式系统则不同，应用程序可以没有操作 系统直接在芯片上运行。但是，为了合理的调度多任务、利用系统资源、系统函数以及 专家函数接口，用户必须自行选配嵌入式操作系统开发平台，这样才能保证程序执行的 实时性和可靠性，并减少开发时间，提高软件质量。因此，一个优秀的嵌入式操作系统 是嵌入式系统成功的关键。 大连理工大学硕士学位论文 2a r m 微处理器 a r m ( a d v a n c e d r i s cm a c h i n e s ) ，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，还可以认为是一种技术的名字。以a r m 体系结构设计的微处理 器具有高性能、低功耗和低成本的特点，它广泛应用于嵌入式系统设计领域，是目前使 用最广泛的3 2 微处理器。 2 1a r m 微处理器的应用领域及特点 到目前为止，a r m 微处理器及技术已经深入到工业控制领域、无线通讯领域、网 络应用以及消费类产品中，在将来它还会取得更加广泛的应用。 a r m 微处理器一般具有如下特点： ( 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，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： ( 6 ) 指令长度固定。 2 2a r m 微处理器系列 a r m 微处理器目前包括a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 e 、s e c u r c o r e 、i n t e l 的 x s c a l e 、i n t e l 的s t r o n g a r m 几个系列 1 3 】，除了具有a r m 体系结构的共同特点以外，每 一个系列的a r m 微处理器都有各自的特点和应用领域。其中，a r _ m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 和a r m l 0 为4 个通用处理器系列，每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应 用领域的需求。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 mo 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、机项盒、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。 陈宝君：基于a r m 9 的嵌入式系统设计及e p a 设备实现 2 3a r m 微处理器结构 2 3 1r l s c 体系结构 传统的c i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，复杂指令集计算机) 结构有其固有 的缺点，即随着计算机技术的发展而不断引入新的复杂的指令集，为支持这些新增的指 令，计算机的体系结构会越来越复杂。1 9 7 9 年美国加州大学伯克利分校提出了 r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，精简指令集计算机) 的概念，i l i s c 并非只是简 单地去减少指令，而是把着眼点放在了如何使计算机的结构更加简单合理地提高运算速 度上。r i s c 结构优先选取使用频最高的简单指令，避免复杂指令：将指令长度固定， 指令格式和寻地方式种类减少；以控制逻辑为主，不用或少用微码控制等措施来达到上 述目的。 一般认为，r i s c 体系结构应具有如下特点：采用固定长度的指令格式，指令归整、 简单、基本寻址方式有2 3 种；使用单周期指令，便于流水线操作执行；大量使用寄存 器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载存储指令可以访问存储器，以提高指 令的执行效率 1 4 1 。 除此以外，a r m 体系结构还采用了一些特别的技术，在保证高性能的前提下尽量 缩小芯片的面积，并降低功耗：所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行， 从而提高指令的执行效率；可用加载存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率； 可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理；在循环处理中使用地址的自动 增减来提高运行效率【l “。 2 3 2a r m 微处理器的寄存器结构 a r m 处理器共有3 7 个寄存器，被分为若干个组( b a n k ) ，这些寄存器包括：31 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；6 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。 同时，a t u v l 处理器又有7 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 0 r 1 4 ) 、1 - 2 个状态寄存器和程序计数器。在所有的寄存器中，有些是在7 种 处理器模式下共用的同一个物理寄存器，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l l6 j 。 大连理工大学硕士学位论文 2 3 3a r m 微处理器的指令结构 a r m 微处理器的在较新的体系结构中支持两种指令集：a r m 指令集和t h u m b 指 令集。其中，a r m 指令为3 2 位的长度，t h u m b 指令为1 6 位长度。t h u m b 指令集为a r m 指令集的功能子集，但与等价的a r m 代码相比较，可节省3 0 0 a , , 4 0 以上的存储空间， 同时具备3 2 位代码的所有优点。 2 ，4a r m 技术的发展趋势 ( 1 ) 高度集成化的s o c 趋势 a r m 公司是一家i p 供应商，其核心业务是i p 核以及相关工具的开发和设计。半 导体厂商通过购买a r m 公司的i p 授权来生产自己的微处理器芯片。由此以来，各芯片 厂商结合自身已有的技术优势以及芯片的市场定位等因素使芯片设计最优化，从而产生 了一大批高度集成、各据特色的s o c 芯片。例如a t m e l 公司的a t 9 1 系列片内集成了大 容量f l a s h 和r a m 、高精度a d 转换器以及大量可编程i o 端口，特别适合于工业控 制领域。而众多的高集成度s o c 芯片由于其内核统一于a r m 核心，使得软、硬件平台 的移植变得相当容易。 ( 2 ) 软核与硬核同步发展的s o p c ( 可编程的片上系统) 技术 随着亚微米技术的发展，f p g a 芯片密度不断增加，并以强大的并行计算能力和方 便灵活的动态可重购性，被广泛地应用于各个领域。但是在复杂算法的实现上，f p g a 却远没有3 2 位r i s c 处理器灵活方便，所以在设计具有复杂算法和控制逻辑的系统时， 往往需要r i s c 和f p g a 结合使用，s o p c 技术就是在这样的环境下诞生的。同时a s i c 相对于s o p c 由于减少弹性，且逐渐丧失价格优势而放慢了发展的步伐。 ( 3 ) 与d s p 技术融合 传统的嵌入式微处理器可以分为微控制器( m c u ) 、微处理器( m p u ) 和数字信号处 理器d s p ，然而随着技术的发展，它们之间的区别也变的越来越模糊，并有逐步融合的 趋势。现在不少的m c u 和m p u 具备了d s p 的特征，例如采用哈佛结构、增加了乘加 运算指令等；同时不少d s p 芯片内部也集成了a d 、d a 、定时计数器和u a r t 等。 这种技术融合趋势也有两条不同的技术路线：第一，在中低端应用中，在传统m p u 内 部集成d s p 宏单元以及在指令集中加入d s p 功能指令。第二，高端复杂应用中，向多 内核、并行处理的方向发展。 ( 4 ) 开发和调试手段不断完善 随着嵌入式系统的日益复杂化以及开发周期越来越短，开发和调试手段也发生了很 大的改变。硬件方面，由于q f v 和b g a 封装的逐渐普及，使得以探针方式为主的b d m 陈宝君：基于a k m 9 的嵌入式系统设计及e p a 设备实现 ( 背景调试模式) 力不从心；以边界扫描接口( j t a g ) 为基础的在电路仿真调试手段正在 普及，更为先进的的片上实时跟踪( t r a c e ) 技术也已浮出水面。软件方面，因为软件规模 不断扩大，必须采用嵌入式操作系统来管理软、硬件资源，同时传统的c 语言和汇编语 言混合编程的模式也因为引入面向对象思想以及c + + 和j a v a 语言而发生了很大改变。 面向对象语言更适合大规模应用和平台级开发，代码复用和移植变得更简单。 2 5a r m 微处理器的国内现状和动向 国内的3 2 位嵌入式开发近两年来异常火爆，基于3 2 位s o c 芯片的应用系统能够 大大提高产品的性能和附加值，增强产品的市场力，因此越来越多的工程师开始将目光 从8 位1 6 位转移到3 2 位微处理器上。广大的应用开发工程师是国内3 2 位嵌入式开发 向纵深发展的基础。华为、大唐、东南大学、清华大学等一批企业和研究机构购买了 a r m 公司的i p 授权用于自有知识产权s o c 芯片的设计，同时国内的3 2 位嵌入式处理 器也呈现出群体突破的态势，方舟一号、方舟二号、龙芯等一大批3 2 位嵌入式处理器 陆续问世，这必将逐步缩小我们同国外先进水平的差距。 大连理工大学硕士学位论文 3 嵌入式e p a 设备硬件设计 3 1e p a 设备结构框架 e p a 设备是基于工业以太网技术的分布式控制系统的底层设备，该设备具有模拟量 输入输出、开关量输入输出和1 个1 0 m 以太网接口、1 个r s 4 8 5 通信接口。通过以太 网，r s 4 8 5 通信方式e p a 设备在现场中既可作为主设备也可作为从设备，方便得与其 他设备进行通信。e p a 设备的硬件结构图如图3 1 所示。 原有的e p a 设备以z w o r l d 公司的r c m 2 2 1 0 处理器为核心，完成电流、电压、温 度传感器信号的输入，标准电流信号的输出和开关量电流输出的功能。由于r c m 2 2 1 0 是以8 位微处理器为基础，并且可以使用的i o 口资源有限因此对模块的速度以及功能 扩展有很大的限制。 本论文的主要目的就是设计以3 2 位微处理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 为c p u 外扩f l a s h ， s d r a m 存储器和以太网接口的嵌入式系统来代替r c m 2 2 1 0 0 处理器。a t 9 1 r m 9 2 0 0 的主频可以达到1 8 0 m h z ，此时的性能可以高达2 0 0 m i p ，这样的处理速度可以更好的 满足工业上对实时性的要求；同时a t 9 1 r m 9 2 0 0 有丰富的外围接口，为模块的功能扩 展提供了更太的空问。 麟a d 勉c 斟薹 麟retax回竺竺闩誊i m o s i m r s 0 s p c k n p c s 0 r x d t x d r t s t p t x + t p l x t p r x + t p r x d 10 e p i o 基于a r m 9 的嵌入 p i o 式系统 d oc l k 以太网接口 - - 隅闲篮l + o o u u t t + 压器臣二二i i n n 4 - 缓 冲 器 锁 存 器 图3 1e p a 设备硬件结构图 f i g 3 1h a r d w a r es t r u c t u r eo f e p ad e v i c e 光 电 隔 离 = 光 电 隔 离 及 驱 动 d o - d 7 陈宝君：基于a r m 9 的嵌入式系统设计及e p a 设备实现 3 2 基于a r m 的嵌入式系统硬件结构 嵌入式系统的硬件结构如图3 2 所示，主要由以下各部分组成 串行接口ii t l l 4 5 网口 下一1 广 ：- t 一r 二! 一 r s 2 3 2 l 以太网接 驱动器| 1 口芯片 a t 9 1 r m 9 2 0 0 串行接口 工 r $ 4 8 5 驱动器 ! 塑鲎旦f 气 塑塑量塑 石面滠忙伍再丽 图3 2 系统硬件结构图 f i g 3 2s t r u c t u r eo f s y s t e mh a r d w a r e ( 1 ) 电源电路：输入5 v ，经过d c 。d c 变换转换为1 8 v 和3 3 v ，给系统内各器件 提供工作电压。 ( 2 ) 晶振电路：1 8 4 3 2 m h z 有源晶振经过倍频分别为a r m 9 4 0 t 核系统提供1 8 0 m h z 的时钟频率。 ( 3 ) 微处理器：即a t 9 1 r m 9 2 0 0 ，是系统的工作和控制中心。 ( 4 ) f l a s h ：可存放引导程序，嵌入式操作系统，用户应用程序或其它在系统掉电 后需要保存的数据。 ( 5 ) s d r a m ：是系统代码的运行场所。 ( 6 ) 网络端口：1 0 1 0 0 m b p s 速率的p , j 4 5 接口，为系统提供以太网接入的物理通道。 ( 7 ) 串行接口：用于a t 9 1 r m 9 2 0 0 系统短距离双向串行通讯。 3 3a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器 作为一款高性能的工业级徼控制器，a t 9 1 r m 9 2 0 0 已应用于多种工业设备中。 a t 9 1 r m 9 2 0 0 是一个真正的片上系统，它内部集成了各种丰富的外围功能模块和标准接 口，为各种高性能、大计算量的嵌入式应用提供了一种灵活的性价比高的解决方案。 a t 9 1 r m 9 2 0 0 是完全围绕a r m 9 2 0 ta r mt h u m b 处理器构建的系统。它有丰富的 系统与应用外设及标准的接口，从而为低功耗、低成本、高性能的计算机宽范围应用提 篓百 大连理工大学硕士学位论文 供一个单片解决方案。 a t 9 1 r m 9 2 0 0 的主要特性如下： ( 1 ) a r m 9 2 0 t 处理器。其内核a r m 9 t d m i 基于a r m v 4 t 架构，具有两套指令集： 3 2 位高性能a r m 指令集和1 6 位高代码密度t h u m b 指令集，采用s 级流水线结构：取 指令( f ) 、指令译码( d ) 、执行( e ) 、数据存储器( m ) 、写寄存器( w ) ，内带1 6 k b 数据 c a c h e 、16 k b 指令c a c h e 和标准的a r m y 4 存储器管理单元( m m u ) 。 ( 2 ) 引导程序。a t 9 1 r m 9 2 0 0 复位后自动检测b m s 引脚，b m s 为高电平时处理器 从内部r o m 启动，低电平时从连接n c s 0 上的f l a s h 存储器启动。 ( 3 ) 外部总线接口。a t 9 1 r m 9 2 0 0 集成了三个外部存储控制器：静态存储控制器、 s d r a m 控制器和b u r s tf l a s h 控制器。具有优化的外部总线：1 6 或3 2 位数据总线、2 6 位地址总线、8 个片选信号( n c s 0 - n c s 7 分别对应八个存储区域中的一个) 。片选信号中 n c s 0 对应b u r s tf l a s h 控制器或静态存储控制器，n c s l 对应s d r a m 控制器或静态存 储控制器。 ( 4 ) 外设数据控制器。a t 9 1 r m 9 2 0 0 可以通过d b g u 、u s a r t 、s s c 、s p i 及m c i 等与外设进行数据传输。 f 5 ) 中断控制器。a t 9 1