（电路与系统专业论文）基于arm7的嵌入式系统及soc技术的研究.pdf

摘要 摘要 在现代日益信息化的社会中，计算机和网络已经全面渗透到日 常生活的每一个角落。各种各样的新型嵌入式系统设备在应用数量 上已经远远超过通用计算机，任何一个普通人都可能拥有各种使用 嵌入式技术的电子产品，小到m p 3 、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。而在工业和其他诸多领域中， 使用嵌入式技术的数字机床，智能工具，工业机器人，服务机器人 也在逐渐改变传统的工业和服务方式。未来的几年内，随着信息化、 智能化、网络化的发展，嵌入式系统技术必将获得更加广阔的发展 空间。 a r m 处理器及其体系结构在嵌入式领域占有极其重要的地 位。全球众多的半导体生产厂商都在基于a r m 技术设计制造适用 于嵌入式领域的微处理器。a r m 已经成为目前应用最广泛的嵌入 式处理器架构。 随着科学技术的发展，s o c 已经成为发展趋势，它使得嵌入式 系统具有高可集成性，使得嵌入式系统越来越小，成本越来越低， 功耗越来越小，功能越来越强。 论文对嵌入式系统的基本要素进行了研究，并结合 a r m 7 t d m i 的开发特性，具体分析了基于a r m 7 t d m i 处理器的嵌 入式系统的软件开发流程和软件结构，并在此基础上，完成了 b 0 0 t l o a d e r 的移植，很好的实现了软硬件的衔接。 应用程序的开发也是论文研究的重点，本文特色在于通过 c p l d 来实现嵌入式c p u 和外设之间的通信，充分发挥了c p l d 资 源丰富和编程灵活的优势。计算机技术、嵌入式技术、e d a 技术等 各种技术的融合是现代电子技术的发展方向。因此，研究c p l d 在 嵌入式系统中的应用是很有实际意义的。 前面嵌入式系统的开发经历以及e d a 技术的使用，为研究s o c 技术奠定了基础。论文最后对s o c 的相关概念、设计方法、可复用 技术等方面进行了初步的理论研究。 关键词：嵌入式系统a r m 微处理器 b o o t l o a d e rc p l ds o c a b s n c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，c o m p u t e ra n d n e t w o r kh a v e b e e nu t i l i z e d e v e r y w h e r eo fo u rd a i l yl i f e t h e u t i l i z a t i o no ft h ev a r i o u sn e we m b e d d e dd e v i c e sh a v ee x c e e d e dt h o s e o fg e n e r a k p u r p o s ec o m p u t e r s e v e r y o n ec o u i do w nh i so w ne m b e d d e d d e v i c e s ，f r o mm j c r od i g i t a ld e v i c s ，s u c ha sm p 3 ，p d at on e t w o r kh o m e e q u i p m e n t s ，i n t e i l i g e n te q u i p m e n t s a n dv e h i c l e c a r r i e de i e c t r o n i c d e v i c e s i ni n d u s t r ya n do t h e r 行e i d s ，i th a v eb e e na l s oc h a n g e dt h e c o n v e n t i o n a i i n d u s t r y a n ds e r v i c em o d e l b yu t i l i z e dt h ed i g i t a i m a c h i n et o o l s ，i n t e l l i g e n tt o o l s ，i n d u s t r i a lr o b o t sa n ds e r v i c er o b o t s t h a tw i t he m b e d d e dt e c h n o l o g y i nt h e f o i l o w i n gy e a r s ，w i t ht h e d e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o n ，i n t e l l e c ta n dn e t w o r k ，e m b e d d e ds y s t e m t e c h n o l o g yw 川g a i nm o r ed e v e l o p m e n t w i t ht h ed e v e i o p m e n to f s e m i - c o n d u c t o rm a t e r i a lt e c h n o l o g y ，s o c ( s y s t e mo nc h i p ) h a sb e c o m e t h et r e n do fi n t e g r a t e dc i r c u i t s ，w h i c hm a k e st h ee m b e d d e ds y s t e m m o r ei n c e g r a t e d ，s m a n ，f u n c c i o n a la n dl o w e r c o s t ，p o w e rc o n s u m p t i o n a r mp r o c e s s o ra n dh i sa r c h i t e c t u r e sh a v et a k e na n v e 州 i m p o r t a n tr o l e i ne m b e d d e da p p l i c a t i o nf i e l d m a n ys e m i c o n d u c t o r m a n u f a c t u r ec o m p a n ya r en o wm a n u f a c t u r e i n gt h e i ro w ne m b e d d e d p r o c e s s o r sb a s e do na r mt e c h n o l o g y ，s oa r mh a v eb e c a m et h em o s t p o p u l a ra r c h i t e c t u r ef o rt h ee m b e d d e dm i c r op r o c e s s o r s t h i st h e s i sr e s e a r c h e st h eb a s i ce i e m e n t so ft h ec o m m o n e m b e d d e da p p l i c a t i o n sa n dm a k e sac o n c r e t ea n a i y s i so ft h es o f t w a r e d e s i g nn o wa n ds o f t w a r eo r g n i z a t i o ns t r u c t u r e so fe m b e d d e ds y s t e m w i t hs o m ef c a t u r e so fa r m 7 t d m i t h ea p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n tj sa n o t h e re m p h a s i st h r o u g ht h e t h e s i s ，a n ds o m ea d v a n t a g e ss u c ha sr i c hr e s o u r c e so fc p l da n dm o r e f l e x i b l ep r o g r a m m i n gc a nb eg a i n e db yu s i n gc p l dt oi m p i e m e n tt h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ee m b e d d e dc p ua n d7 s e g p s 2a n do t h e r p e r i p h e “e s t h e m i xo fc o m p u t e r ，e m b e d d e d s y s t e m a n de d a t e c h n o l o g yi s t h et e n d e n c yo ft h ed e v e l o p m e n to fm o r d e ne l e c t r o n i c t e c h n o i o g y ， t h u si ti s p r a c t i c a lw o r t h y t od or e s e a r c ho nt h e a p p l i c a t i o n0 fc p l dj ne m b e d d e ds y s t e m a b s h b yt h eu n d e r s t a n d i n ga n da p p l i c a t i o no fe m b e d d e ds y s t e ma n d e d a ，i te s t a b i i s ht h ei n f r a s t r u c t u r et or e s e a r c hs o ct e c h n o l o g y a tl a s t ， t h ea r t i c l em a k e sp r i m a r yt h e o r e t i cr e s e a r c ho nr e l e v a n t c o n c e p t s ， d e s i g nm e t h o d o l o g ya n dr e u s e dt e c h o n o g ya b o u ts o c k e y w o r d s ： e m b e d d e da r m b o o t l o a d e rc p l ds o c 绪论 第一章绪论 1 1课题的研究背景 1 1 1嵌入式系统的内涵及特点 目前嵌入式技术已经成为了最热门的技术之一，吸引了大批 的优秀人才投入其中。但是由于目前嵌入式系统己经渗透到日常 生活中的各个方面，尤其在工业、服务业、消费类电子等领域的 应用范围都不断扩大，因此很难给“嵌入式系统”下一个明确的 定义。 国内普遍认可的一种定义是：嵌入式系统就是“以应用为中 心。以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、 可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统”。这种 定义从功能应用上加以切入，比较好的给出了嵌入式系统的应用 特征： 1 系统内核小 由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置，系统资源相对 有限，所以内核较之传统的操作系统耍小的多。c o s 内核最小 可编译到2 k ，“c l i n u x 内嵌网络协议，并支持多种文件系统，因 此相对要大一些，其编译后目标文件可控制在几百k 量级。 2 专用性强 嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非 常紧密。一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同 一系列的产品中也需要根据系统硬件的不同作出修改。同时，为 实现不同的任务，往往也需要对系统进行较大修改：程序对编译 下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全不 周的概念。 3 系统精简 一般情况下，嵌入式系统的操作系统和应用软件是紧密结合 在一起的，没有明显的区分，这也是和w i n d o w s 系统的最大区别。 这样一方面有利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。 北京交通大学硕士学位论文 4 操作系统软件实时性高 高实时性操作系统软件是嵌入式软件的基本要求，而且软件 要求固化存储，以提高速度，软件代码要求高质量和高可靠性。 5 使用多任务操作系统 一般情况下，嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统而直 接在芯片上运行，但是为了合理地调度多任务，利用系统资源、 系统函数以及专家库函数接口，用户必须自行选配 r t o s ( r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 开发平台，才能保证程序执行 的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。 6 需要专门的开发工具和环境 由于嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使设计完成以 后，用户通常也不能对其中的程序功能进行修改，因此必须具备 一套完整的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p c 上的软硬件以及各种逻辑分析仪、混合信号示波 器等。开发时需要一台主机和一台目标机。主机用于建立交叉编 译环境，进行程序的开发；开发好的程序下载到目标机上运行调 试。 1 1 2嵌入式系统的发展和广泛应用 虽然嵌入式系统这一名词在最近几年才成为流行。但早在 8 0 年代。国际上就有一些i t 组织、公司，开始进行商用嵌入式 系统和专用操作系统的研发。 从硬件方面讲，嵌入式微处理器是目前嵌入式系统的核心。 为了抢占这个无限广阔的市场，各大硬件厂商竞相推出产品，包 括i n t e i ，m o t o r o l a ，p h i l i p ，a m d 等等均不甘示弱，几乎每个月都 有新产品出现。市场之争日益激烈，同时也给嵌入式技术的发展 带来了无限活力。 从软件方面讲，目前市场上的大型商用嵌入式实时系统，如 v x w o r k s ，w i n c e 等等，都已经十分成熟，并为用户提供了强 有力的开发和调试= ：r = 具。但商用嵌入式实时系统价格昂贵，而且 都针对特定的硬件平台。对于国内中小型系统的开发，购买商用 实时系统并不划算。此时，采用免费软件和开放代码不失为一种 选择。 月前，嵌入式技术已成为通信和消费类产品的共同发展方 绪论 向。在通信领域，数字技术正在全面取代模拟技术。在广播电视 领域，美国己开始由模拟电视向数字电视转变，欧洲的d v b ( 数 字电视广播) 技术已在全球大多数国家推广。数字音频广播( d a b ) 也己进入商品化试播阶段。而软件、集成电路和新型元器件在产 业发展中的作用目益重要。所有上述产品，都离不开嵌入式技术。 在个人领域中，嵌入式产品将主要是个人商用，作为个人移动的 数据处理和通讯软件。由于嵌入式设备具有自然的人机交互界 面，g u i 屏幕为中心的多媒体界面给人很大的亲和力。手写文字 输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像已取得 初步成效。 一些先进的p d a 在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语 音发布，日用范围也将日益广阔。对于企业专用熊决方案，如物 流管理、条码扫描、移动信息采集等，这种小型手持嵌入式系统 将发挥巨大的作用。自动控制领域，不仅可以用下a t m 机、自 动售货机、工业控制等专用设备，和移动通讯设备结合、g p s 、 娱乐相结合，嵌入式系统同样可以发挥巨大的作用。 除了以上这些领域的应用，嵌入式系统在电子商务、环境监 测、机器人等等诸多领域中均有应用。未来的几年内，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 1 3a r m 微处理器的迅速发展 国内比较流行的嵌入式微处理器有a r m s t r o n g a r m 、m i p s 、 p o w e r p c 等等。其中，a r m 微处理器凭借其成本低、性能高的 优势不但成为最主流的嵌入式微处理器，而且成为移动通信、手 持设备、多媒体数字消费嵌入式解决方案的r l s c 标准。 a r m 公司自1 9 9 0 年正式成立以来，在3 2 位r i s cc p u 开 发领域不断取得突破： 目前已经占有7 5 以上的3 2 位r i s c 嵌入式产品市场， 确立了市场领导地位； 生产a r m 芯片的国际大公司已经超过5 0 多家； 国内多家大公司已经购买a r m 公司的芯核用于通讯专 用芯片的设计； 部分工科大学开设了基于a r m 的3 2 位微处理器的相关 北京交通太学硬士学位论文 课程。 到目前为止，a r m 微处理器及技术的应用已经深入到工业 领域、无线通讯领域、网络应用、消费类电子产品、成像和安全 产品等诸多领域，并会在将来取得更加广泛的应用。 如图卜l 所示，从2 0 0 1 年的r i s c 市场占有份额来看，在全 部销售的5 3 9 亿个r i s c 处理器中，a r m 占了7 4 6 ，与 m i p s 、p o w e r p c 相比无疑是绝对的领先，这也说明a r m 体系结 构是目前主流采用的处理器结构。 图1 1 2 0 0 1 年全球r i s c 芯片市场占有率示意图 1 1 4s o c 技术的产生及现状 随着微电子技术和半导体工业的不断创新和发展，集成电路 的集成度和生产工艺的水平飞快提高，使得集成电路设计从晶体 管的集成一度发展到逻辑门的集成，现在又发展到i p 的集成， 即s o c ( s y s t e m o n a c h i p ) 设计技术。 今天的半导体工艺已经允许我们设计出包含几亿个晶体管 的芯片。运用这种工艺，可以实现在一块芯片内集成一个系统。 现代工艺所提供的巨大的集成能力，使得片上系统( s o c ) 的设计， 从过去的世界尖端技术发展成为当今的一种主流技术。在这些 s o c 芯片中一般集成有一个或几个处理器，还有大量内存、总线 绪论 结构、外部结构、外部设备、协处理器和i ，o 通道等。这些芯片 是真正意义上的系统，它们与前几年的芯片在概念上有着很大区 别，反而更像十多年前的电路板系统。 1 2课题的研究内容与实现目标 嵌入式系统已经进入到现代社会中人们生活的方方面面，几 乎是“无处不在”，尤其是在控制方面。 设计开发一个完整的嵌入式平台是教研室研究项目之一，其 内容包括微处理器的选型，硬件平台的设计，b 0 0 t l o a d e r 、操作 系统的移植以及应用程序的开发。 开发嵌入式系统般都是用于特定的任务，系统资源比较有 限，成本要求较高，而且大多数都有功耗和体积方面的约束。因 此构建嵌入式系统需要有特殊的方法和专用的工具。从微处理 器、操作系统的选取、开发工具的使用到多种调试手段，性能测 试分析等都与通常的软件开发有所区别。 另外，嵌入式开发和硬件设计密切相关，对硬件平台的依赖 性很大。无论是编写一个全新的b 0 0 t l o a d e r 还是参考现有方案进 行移植，都必须对底层处理器架构和外围硬件设备有非常充分的 了解。 本文工作重点是b o o t l o a d e r 的移植和c p l d 的开发。由于嵌 入式开发的特点是软硬件密不可分，因此，在进行软件设计开发 之前，必须对底层处理器架构和外围硬件设备作很深入的了解。 本文具体研究工作如下： 1 熟悉开发板，建立交叉编译调试环境，在主机与目标板连接后， 对开发板进行硬件测试并掌握交叉编译环境下的调试方法： 2 掌握基于a r m 7 的嵌入式系统开发的流程和方法； 3 充分了解底层处理器架构和外围硬件设备，并完成b 0 0 t l o a d e r 的移植； 4 进行c p l d 的开发，主要针对如何实现c p l d 对部分外设的控制； 5 嵌入式系统的调试与运行，这部分是对添加了嵌入式应用程序的 软硬件系统的综合调试； 6 结合实际的嵌入式系统开发工作对s o c 技术进行深入 北京交通大学硕士学位论文 的理论研究。 实现的主要目标是使b o o t l o a d e r 能够在开发板上稳定运行， 并且通过c p l d 实现对七段数码管、l e d 灯和p s 2 键盘的控制。 1 3论文的内容安排 本文共六章，按如下方式组织： 论文引言中主要介绍了有关技术的发展历程和趋势以及开 发本课题的目的和意义，阐述了作者在本次设计开发中的工作内 容，并提出了论文的结构层次。 论文第二章主要分析了与嵌入式系统开发密切相关的三个 基本要素，包括嵌入式微处理器、操作系统以及嵌入式开发环境， 综述了嵌入式系统开发的一般开发流程和方法。 论文第三章主要分析了a r m 7 t d m i 的体系结构以及该体系 结构对系统开发的支持，并在此基础上重点分析了b o o t l o a d e r 的移植方法和过程。 论文第四章先介绍了可编程逻辑器件的功能特点和e d a 技 术发展概括，然后分析了c p l d 的开发流程、选用的v e r i l o g h d l 硬件描述语言以及e d a 开发工具，为第五章打下良好的基础。 论文第五章是本文研究的又一重点，围绕着c p l d 在p s 2 键盘、七段数码管中的具体应用，分别介绍了设计思想和具体实 现方法，并进行了仿真验证以及主机与外设间的接口测试。 论文第六章以s o c 为核心，介绍了s o c 的相关概念、设计 方法以及相关技术，并着重分析了s o c 技术对嵌入式系统设计的 指导意义，把嵌入式系统的设计上升到了s o c 的层次。 嵌入式系统简介 第二章嵌入式系统简介 嵌入式开发和一般的应用程序开发有所不同，具有软硬件协 同设计的特点。因此，基于一定的硬件基础进行应用开发之前， 需要对现有的硬件资源有充分的了解，并且要根据实际条件选择 合适的嵌入式开发平台。 2 1嵌入式微处理器 嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心部件。嵌入式处理器与 通用处理器的最大不同点在于嵌入式c p u 大多工作在为特定用 户群设计的系统中。它通常把通用c p u 中许多由主板完成的任 务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，并 具有高效率、高可靠性等特征。 嵌入式系统的硬件平台的选择主要是嵌入式处理器的选择。 在一个系统中选取什么样的嵌入式内核取决于应用的领域、用户 的需求、成本、开发的难易程度等一系列因素。 2 1 1处理器体系结构简介 据不完全统计。全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过 1 0 0 0 多种，主要流行的体系结构有3 0 多个系列，从数量上看， 用于嵌入式领域的微处理器几乎全部是r i s c 限e d u c e di n s t r u c t i o n s e tc o m p u t e r ) 体系结构，即通常所说的精简指令集架构。 传统的c l s c ( c o m p l e xi n s ”u c t i o ns e tc o m p u t e r ，复杂指令集计 算机) 所含的指令数目至少3 0 0 条以上，有的甚至超过5 0 0 条。这 种计算机有着较强的处理高级语言的能力。有利于提高计算机的 性能。但是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， 造价也越来越高。而且人们逐渐发现日趋庞杂的指令系统不但不 容易实现，而且还可能降低系统性能。显然，这种结构是不太合 理的。 基于以上的不合理性，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 i l c t i o ns e tc o m p u t e r ，精简指令集计算机) 的 北京交通大学硕士学位论文 概念。r 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 少用微码控制等措旖来达到上述目的。它主要有如下的特点： 指令规整、对称简单。指令数小于1 0 0 条，基本寻址方 式2 3 种。 单周期指令。指令字长度一致，便于流水操作。 大量寄存器。寄存器数不少于3 2 个。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。 计算指令仅仅对寄存器操作，只有加载存储指令可以访 问存储器。 在嵌入式领域，r i s c 体系结构可以说完全取代了c i s c ，这 是因为对于嵌入式应用，低功耗是一个非常重要的技术因素。 r i s c 精简指令集结构有利于简化译码结构，减少处理器的晶体 管数量，降低处理器的功耗，这些对于嵌入式领域的应用是很重 要的。 目前占主流地位的主要有a r m 、m i p s 、p o w e r p c 、 6 8 k c o l d f i r e 等r i s c 处理器结构，下面对它们做简要介绍： 1 a r m 体系结构 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ) 公司于l9 9 0 年在英国成立， 它是一家芯片设计公司即知识产权f i p ) 供应商，通过转让设计 许可给合作伙伴来生产芯片。在成立后短短十几年的时间，a r m 公司就改变了整个半导体工业的面貌，占领了四分之三的r i s c 市场份额，几乎垄断了全球r i s c 芯片市场，成了全球第一的 1 6 3 2 位r i s c 微处理器知识产权设计供应商。 a r m 体系结构除了具备r i s c 技术的特点之外，由于a r m 系列产品主要是针对嵌人式系统应用的，出于低成本、小面积、 低功耗、高性能的考虑，a r m 的体系结构还有以下一些独有的 特点： 所有数据处理类指令的一个操作数在进入a l u 运算之前 可进行左移或右移，移位操作和a l u 运算由同一条指令 在一个执行周期内完成大大提高了指令的编码效率和 嵌入式系统简介 a l u 、移位器等硬件的使用效率： 提供了自增自减的寻址方式，便于优化循环语句： 提供了多寄存器传送( m u i t j p l er e g j s t e rt r a f l s f e r ) 语句，需 要在存储器和寄存器之间进行大块数据交换时，使用该 语句可提高数据的吞吐量； 所有指令都可以有条件执行，这为诸如限e i s e 的条件判 断语句的优化提供了方便。 a r m 体系结构是目前世界上应用最为普遮的微处理器结构， 而且还是移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌入式解决方案 的r i s c 标准。a r m 的技术已经渗透到了各个领域，采用a r m 技术的微处理器遍及各类电子产品，汽车、消费娱乐、工业控制、 海量存储、网络和无线等市场。 2 m i p s 体系结构 m i p s ( m i c r o p r o c e s s o rw i t h o u ti n t e r l o c k e dp i p e l i n es t a g e s ) 技术 公司是一家设计制造高性能、高档次及嵌入式3 2 位和6 4 位处理 器的厂商，在r i s c 处理器方面占有重要地位。 m i p s 也是一种处理器内核标准，它是由m ! p s 技术公司开 发的。最近几年，m i p s 架构在嵌入式领域快速增长，从电视游 戏机，掌上电脑到激光打印机，网络路由器都是m i p s 处理器 的应用领域。此外还包括一些新兴市场，例如在机项盒等领域， 有超过1 亿个m i p s 处理器应用在嵌入式领域，应用数量超过其 在通用计算机领域应用的l 0 0 0 倍。 3 p o w e r p c 体系结构 p o w e r p c 技术最早源于i b m 公司。i b m 为了研究设计新的 计算机体系结构，1 9 9 0 年推出了基于r i s c 设计思想的p o w e r 架 构，并以此构建了r s 6 0 0 0 处理器与工作站产品。19 9 1 年，i b m 再推出第二代p o w e r 架构，并与m o t o r o l a 、a p p l e 共组一个p o w e r p c 联盟，发展新的p o w e r p c 处理器架构，这个p o w er p c 架构就是 以i b m 的p o w e r 架构为基础的。 p o w e r p c 架构的特点是可伸缩性好，方便灵活。p o w e r p c 处 理器的品种很多，既有通用处理器，又有嵌入式控制器和内核； 应用范围从高端的工作站、服务器到桌面计算机系统，从消费类 电子产品到大型通信设备等各个方面。 4 6 8 l “c o i d n 心体系结构 9 北京交通大学硕士学位论文 m o t o r 0 1 a 的6 8 k 系列是出现较早的嵌入式处理器，6 8 k 采用 的是c i s c 结构，与现在的p c 指令集保持二进制兼容。6 8 k 最 初用于a p p j e2 上比i n t e i 的8 0 8 8 还旱。s u n 也把这款处理器 用于其最早的工作站。现在6 8 k 芯片已经完全应用于嵌入式系统 了。 6 8 c o l d f i r e 系列微处理器的应用包括互联网设备、l a n 电 话技术、低端的网络控制、工业控制、图像和存储等等。 5 嵌入式处理器体系结构比较 m i p s 的特点是定位很广，在高端它育6 4 位的2 0 k c 家族， 在低端有s m a r t m i p s 。另外，m i p s 的授权费用较低，现有的配 套软件也比较丰富，因此基于m i p s 技术设计通用c p u 是可行的， 我国中科院计算所研制的“龙芯i ”就是基于m i p si i i f 3 2 位模式) 的。 i b mp o w e r p c6 4 位处理器较多地被用在a p p l e 公司的高端台 式机和服务器中，m o t o r 0 1 ap o w e r p c 处理器则多用于非便携的网 络和通信设备上，例如路由器、无线基础设施基站、汽车电子等 领域。m o t o r o i ac o l d f i r e 则主要用于工控和多媒体信息终端等方 面。 a r m 的优点在于低功耗、低成本和高性能，它的3 2 位微处 理器在移动通信领域占有绝对优势。通过购买a r m 授权就可以 获得相关的设计和制造技术，国内的中兴集成电路设计公司、东 南大学、上海华虹、中芯国际、上海集成电路设计中心等单位都 已经获得了a r m 公司授权，用以研究基于a r m 核的嵌入式微处 理器。可以预见，a r m 技术将会对以后中国自主生产3 2 位嵌入 式微处理器产生影响。 2 1 2 a r m 微处理器的种类 1 a r m 7 系列 a r m 7 是高性能低功耗可集成3 2 位r i s c 处理器内核，起初 是 为便携式通信设备而开发的，最适合于对价位和功耗敏感的产 品。作为研究性质的系统开发，成本是不可忽略的重要因素，因 此a r m 7 处理器成为大多数研究团体的首选。a r m 7 系列具有： 嵌入式i c e r t 逻辑，调试开发方便； l o 嵌入式系统简介 极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产 品： 能提供0 9m i p s m h z 的三级流水线和冯诺依曼结构。 代码密度高并兼容1 6 位的n l u m b 指令集； 对操作系统的支持广泛，包括w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l m o s 等： 指令系统与a r m 9 系列、a r m 9 e 系列和a r m l o e 系列兼 容，便于用户的产品升级换代： 最高可达13 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 系列主要包括a r m 7 t d m l 、a r m 7 t d m i s 、a r m 7 2 0 t 、 a 砌7 e j 四种处理器核。作为整型核的a r m 7 t d m l 广泛应用于嵌 入式低端产品，而由a r m 7 t d m i 以及m m u 、c a c h e 和写缓冲等 紧耦合组成的a r m 7 2 0 t 为功能更强的开放平台处理器核，用以 构成各种高档s o c 。 2 a r m 9 系列 a r m 9 系列是高性能核低功耗特性方面最佳的，它具有： 五级整数流水线，指令执行效率更高： 提供1 1m 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n 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。 在同样工艺下，a r m 9 的性能是a r m 7 t d m i 的两倍以上。该 系列处理器包括a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 、a r m 9 4 0 t 三种处理器核， 主要应用于先进的引擎管理、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高 端打印机、p d a 、网络电脑和智能电话。 3 a r m 9 e 系列 a r m 9 e 系列广泛应用于硬盘驱动器和d v d 播放器等海量存 储设备、语音编码器、调制解调器等。a r m 9 e 系列处理器包括 a r m 9 6 6 e s 、a r m 9 4 6 e s 、a r m 9 2 6 e j s 。 北京交通大学硕士学位论文 4 a r m l 0 系列 a r m l 0 系列专为数字机顶盒、智能电话等高效手提设备而 设计，并为复杂的视频游戏机盒高性能打印机提供高级的整数和 浮点运算能力。a r m l o 系列处理器包括a r m l 0 2 2 e 、a r m l 0 2 0 e 。 5 ，s e c u r c o r es c l o o 系列 s e c u r c o r es c l0 0 系列专为安全需要而设计，具有特定的抗 窜改和反工程特性。它还带有灵活的保护单元，以确保操作系统 和应用数据的安全。 6 s t r o n g a r m 系列 s t r o n g a r m 是i n t e l 公司为手持式消费类电子设备和移动计算 与通信设备的嵌入式处理器，它融合了i n t e l 公司的设计和处理技 术以及a r m 体系结构的电源效率。s t r o n g a r m 系列处理器包括 s a 11o om p u 、s a 一1 1 1 0m p u 和i x p l 2 0 0 网络处理器。 7 x s c a l e 系列 x s c a l e 微体系结构提供了一种全性能、高性价比、低功耗的 体系结构，x s c a l e 架构微处理器是i n t e l 公司推出的新一代嵌入 式处理器，它是为无线手持式应用产品而开发的。x s c a l e 系列处 理器包括p x a 2 l o 、p x a 2 5 0 、p x a 2 6 6 等。 2 1 3 a r m 微处理器的特点 目前，最流行的微处理器包括a r m 、m i p s 、p o w e r p c 、 6 8 k c o l d f i r e 等r i s c 处理器。其中，a r m 微处理器凭借以下特 点成为最主流的嵌入式微处理器，而a r m 则成为移动通信、手 持设备、多媒体数字消费嵌入式解决方案的r i s c 标准。 处理速度快 a r m 是r j s c 结构的处理器，而且a r m 内部集成了多级 流水线，如：a r m 7 使用了3 级流水线；a r m 9 使用5 级 流水线，大大增加了处理速度。 超低功耗 各种档次的a r m 的功耗都是同档次其他嵌入式处理器 中较低的。处理器的散热问题都不用考虑；低电压，微 电流供电，这些都无疑是便携设备最理想的选择。 成本低、体积小、性能高 在各种嵌入式处理器中，a r m 的性价比最高，适合各类 坠茎墨垄堕坌 消费群体。 应用前景广泛 a r m 公司是专门从事基于r i s c 技术芯片设计开发的公 司，作为知识产权供应商。它本身并不直接从事芯片生 产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片。 因此，a r m 的使用最广而且应用前景广阔，开发资源 丰富，有利于缩短产品的研发周期。 2 1 4s 3 c 4 4 b o 简介 本文使用的s 3 c 4 4 b 0 是三星公司推出的一款基于 a r m 7 t d m 【核的1 6 ，3 2 位r i s c 的嵌入式散处理器，是为手持设 备或者其他通用设备而开发的低成本、高性能的微处理器。它的 低功耗及简单而优雅的设计，极其适合于对成本和功耗要求比较 高的应用场合。 s 3 c 4 4 b o 集成了多种外围部件，主要有： 2 5 v 静态c p u 内核电压，s a m b ai i 总线体系结构，工 作频率最高可达6 6 m h z ； 8 k b 的c a c h e s r a m ： 扩展内存控制器，8 个内存b a n k ，支持s d r a m ，e d o d f t a m ，s r a m ，f i a s h 等： 支持大、小端模式( l i t t l e b i ge n d i a n ) ； l c d 控制器( 可支持1 6 级灰度，2 5 6 色的d s t n l ，带一个 l c d 专用的d m a ； 两个u a r t ( 兼容i r d a l 0 ，1 6 b y t ef i f o ) ； 四个d m a ，其中两个通用的z d m a 通道，两个b d m a ； 6 个可编程1 6 位定时计数器，其中一个是内部定时器： 7 1 个通用的可编程i ，o 口； 中断控制器，3 0 个中断源( w a t c h d o gt i m e r ，6t i m e r ，6 u a r t ( 复用) ，8e x t e r n a l i n t e r r u p t s ，4d m a ，2r t c ，la d c ， li i c ，ls 0 ) ； 看门狗定时器： 8 路1 0 位a d c ： 1 路i i c 总线控制器； l 路i i s 总线控制器； 北京交通大学硕士学位论文 l 路s i o 控制器： 5 个p w m 总线控制器： r t c ( 实时时钟) ； 具有扩展外部总线： j t a g 逻辑测试部件，支持软硬件开发； 电源管理：支持n o r m a l 、s l o w 、i d l e 、s t o p 四种 模式； 1 6 0 l q f p 封装； 工作温度：0o c 至7 0o c 。 2 2开源嵌入式实时操作系统 操作系统的功能在于：使系统具有任务管理、定时器管理、 存储器管理、资源管理、事件管理、系统管理、消息管理、队列 管理和中断处理的能力：提供多任务处理；更好地分配系统资源。 目前，源码开放的嵌入式实时系统有“c o s 和u c l i n u x 。 l ，l l c ，o s “c o s 是一个可移植、可剪裁、占先式多任务o s ，已被应 用到多种微处理器上。其核心代码短小精悍，大部分源码是用 a n s ic 编写的，如果针对硬件进行优化，还可以获得更高的执 行效率。但是“c o s 相对商用嵌入式系统来说还是过于简单，而 且存在开发调试困难的闷题。 2 l l c l i n u x u c l i n u x 是应用于没有内存管理单元m m u 的微处理器的 l i n u x 的衍生操作系统。“c l i n u x 同样支持多任务，但由于它的很 多核心代码都为没有m m u 的微处理器重新编写过，所以它的内 核要比常规的l i n u x 内核小很多；它同时保留了常规l i n u x 操作系 统的绝大多数优点。 “c l i n u x 是免费软件运动的产物，包含丰富的功能，包括文 件系统、各种外调驱动程序、通讯模块、t c p i p 、p p p 、h t t p ， 甚至w e b 服务器的代码。其代码十分复杂，完全移植没有必要 也十分困难，但肚c l j n u x 的代码经过世界范围内的优化，稳定可 靠而且高效，所有模块的代码都可以从i n t e r n e t 上获得，可以使 用这些模块进行模块移植。 嵌入式系统简介 2 3嵌入式交叉编译环境 不同于基于主机的应用程序开发，在嵌入式系统开发的过程 中，需要建立交叉编译环境，即：在一台p c 机上开发和编译完 成目标板的程序后，将二进制代码下载到目标板上进行调试和运 行。除了一定的开发工具必不可少以外，还需要一些用于下载和 调试的工具。 选择合适的开发工具可以加快开发进度。节省开发成本。因 此，我们需要对当前流行的嵌入式开发工具有所了解，并从中选 择适合我们需要的开发工具。 2 3 1嵌入式系统开发模式 嵌入式软件开发与传统软件开发有许多共同点，它继承了许 多传统软件开发的习惯。但由于嵌入式软件运行于特定的目标应 用环境，该目标环境针又对特定的应用领域，所以嵌入式应用软 件的开发要使用交叉开发环境。 交叉编译调试环境建立在宿主机( h o s t ，通常选用一台p c 机1 上，对应的开发板叫做目标板( t a r g e tb o a r d ) 。它们可以通过串行 端口、并行端口和以太网等方式相连，从而共同构成一个嵌入式 系统的基本开发环境。它们之间的连接如图2 1 所示： p c 机 c 编译器：g c c 集成开发环境：s d t a d s t a r g t tb 0 4 r d s 3 c 4 4 b 0 图2 1 嵌入式系统开发模式 当硬件连接好之后，接下去该做的就是要在宿主机和目标板 之间建立起连接。这需要在宿主机上运行一个终端仿真程序，比 接，d 呲 哑善篡 北京交通大学硕士学位论文 如超级终端或者l i n u x 下终端仿真程序m i n i c o