（电路与系统专业论文）嵌入式系统应用技术的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

北京交通大学硕士学位论文 a n a l y s ist e c h n i q u e c o m b i n n l gt h es t u d yo ft h ee m b e d d e ds y s t e m ， t h i st e x ts o r t st h e t e c h n ic a lc o n t e n t s ， a n dp r o v i d e st h e s t r u c t u r e so ft h ep o i n t so ft e c h n 0 1 0 9 y 2 t h ed i f f e r e n tl a y e r so ft e c h n 0 1 0 9 ym u s tb et a k e ns e r i o u s c o n s i d e r a t i o nb e f o r es e t t i n gu i ) a ne x p e r i m e n t t h i st e x td i v i d e s t h ee m b e d d e ds y s t e mi n t o3p a r t s ，a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i s ， a n d t h e3p a r t sa r e a b c ，c o 衄。兀a p p l i c a t i o n ，a n ds y s t e m t h et e x ta l s o p r o v i d e st h eb a s i ct e a c h i n ga i m sr e s p e c t i v e l y 3 r e f e r r i n gt ot h eb a s i ct e a c h i n ga i m s ， t h et e x td e s i g n st h r e e d i f f e r e n t1 a y e r so ft e a c h i n ge x p e r i m e n t ，w h i c hism a d eu po f9 e x d e r i m e n t a lit e m s 4 a 1 1t h ee x p e r i m e n t a lc o n t e n t sp r o v i d e di nt h i st e x th a sb e e n p u ti n t op r a c t i c ei 九t h er e a lt ( 】a c h i n gp r o c e s s ，a n dt h er e s u l tis r e a l l ys a t i s f y i n g k e y w o r d s ： e m b e d d e d s y s t e m a r m e m b e d d e do s 臻 f f n 自茎 j 专薯氆i j “0 i s 蠹 。! ；! ； 北京交垴大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 介绍 在当前的数字信息技术和网络技术高速发展的后p c ( p o s t p c ) 时代， 微控制芯片功能越来越强大，嵌入微控制芯片的设备和系统越来越多，已 经广泛的渗透到金融、航天、电信、网络、医疗、科学研究、工程设计、 军事技术、各类产业和商业文化艺术、娱乐业以及人们的日常生活等方方 面面中。随着备釉相关的嵌入式产品纷纷涌现，嵌入式系统越来越引起人 们的重视。嵌入式系统应用正进入飞速发展的时代。 1 1 1 嵌入式系统的发展历程 嵌入式计算机系统出现于2 0 世纪8 0 年代。2 0 多年来随着计算机技 术、电子信息技术和网络等技术的发展，嵌入式计算机的各项技术也得到 巨大发展。嵌入式系统的发展大致分为以下几个阶段： 一、嵌入武系统的早期阶段 以功能简单的专用计算机或单片机为核心的可编程控制器的存在形 式，具有监测、控制、伺服、指示等功能。这种系统大部分应用于工业控 制、航空航天和军习等领域，这一时期的系统没有操作系统的支持，只是 通过汇编语言直接进行编程控制。系统结构与功能相对单一，处理效率较 低，存1 i 2 ；器容最小，儿乎没有用户接口，适合于备类专用的领域。 二、嵌入式c p u 和嵌入式操作系统阶段 在这一阶段，出现了高性能、低功耗的嵌入式微处理器并且备类商 业嵌入式操作系统出现并得到迅速的发展，嵌入式操作系统通常具有* 容 性好，实时性高，内核小巧，可扩展性强等特点。支持多任务、多种设备， 是的嵌入式应用更加灵活强大。 三、s o c 和网络阶段 嵌入式片上系统( 一种存储在徼处理器里的很小的专用系统) 可以说 是无处不在，如今，在i n t e r n e t 和无线应用中，它扮演着一个非常重要 的角色。因为植入了嵌入式系统，越来越多的产品和工业设备已经可以访 问i n t e r n e l 。 由于i n t e r n e t 领域里新技术的突一匕猛进。嵌入式系统也变得越来越 聪明，并且其i n t e r n e t 访问功能也越来越完善，应用领域进步扩大。 今天的手机、数码相机、d v d 、数字电视、路由器和交换机都是嵌入式系 统。一部体积很小的手机不仅拥有通讯功能，还拥有p d 、照相、录音、 上弼、l i l p 3 等功能，大多数豪华汽车每辆拥有约5 0 个嵌入式处理器。在 不久的将来就会有几十个到上百个嵌入式系统为我们的家庭服务。 随着科学技术的发展，s o c ( 片上系统) 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。 北京变通大学硕士学位论文 由此可见，嵌入式系统现在已经进入了个高速发展的时期，已经渗 透到个个领域中。在不久的将来，和网络技术的完美结合将使嵌入式系统 在远程控制与智能家电上大有作为。 1 1 2 嵌入式系统的定义 长期以来，人们常根据性能和规模将计算机分为微型、小型、中型、 大型和巨型机等，这种分类方法一直沿用至今。随着计算机的发展，这种 分类方法的缺陷已越来越明显。今天的微型机与过去的小型、中型机相比。 也许功能更强、性能更优。 实际上以应用为主要出发点的分类方法更加切合实际。根据这种分 类原则可将计算机分为嵌入式计算机和非嵌入式的通用型计算机。 根据i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“控 制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”( 原文为d e v i c e su s e d t oc o n t r x 北京变通大学硕士学位诧文 一、嵌入式处理器 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 ) 是嵌入式系统的 核心。它一般具备4 个特点：( 1 ) 对实时和多任务有很强的支持能力，能 完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时操作系 统的执行时间减少到最低限度；( 2 ) 具有功能很 x 北京变通大学硕士学位论文 靠性提高。由于嵌入式微控制器目前在产品的品种和数量上是所有种类嵌 入式处理器中最多的，而且上述诸多优点决定了微控制器是嵌入式系统应 用的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称 为微控制器。 2 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 处理器是专门用于数字信号处理方面的处理器，在数字信号处理 应用中，各种数字信号处理算法相当复杂，一般结构的处理器无法实时的 完成这些运算。由于d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计具有 很高的编译效率和指令指行速度。使其适合于实时地进行数字信号处理。 在数字滤波、f f t 、谱分析等方面，d s p 算法正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 处理器有两类：( 1 ) d s p 处理器经过单片化、e m c 改造、增加片上外设成为嵌入式d s p 处理器，t i 的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 等属于此范畴；( 2 ) 在通用单片机或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 和i n f i n e o n ( s i e m e n s ) 的t r i c o r e 。另外，在有关智能方面的 虑用中，也需要嵌入式d p s 处理器，例如各种带有智能逻辑的消赞类产品， 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，而这些正足d s p 处理器的优势所在。 3 嵌入式微处理器( e 1 1 l 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 ) 嵌入式微处理器采用“增强型”通用微处理器。由于嵌入式系统通常 应用于环境比较恶劣的环境中因而嵌入式微处理器在工作温度、电磁兼 容性以及可靠性方面的要求较通用的标准微处理器高。但是，嵌入式微处 理器在功能方面与标准的微处理器基本上是一样的。根据实际嵌入式应用 要求，将嵌入式微处理器装配在专门设计的主板上，只保留和嵌入式应用 有关的主板功能，这样可以大幅度减小系统的体积和功耗。和工业控制计 算机相比，嵌入式微处理器组成的系统具有体积小、重量轻、成本低、可 靠性高的优点，但在其电路板上必须包括r o m 、r a m 、总线接口、各种外 设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。由嵌入式微处 理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路主板上构成一个通常所说 的单板机系统。嵌入式处理器目前主要有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c 一4 0 0 、p o w e r p c 、6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m 系列等。 4 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 随着e d i 的推广和v l s i 设计的普及化，以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，这就产生了s o c 技术。各种 通用处理器内核将作为s o c 设计公司的标准库，和其他许多嵌入式系统外 设一样，成为v l s i 设计中一种标准的器件，用标准的v h d l 、v e r l o g 等硬 件语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通 过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除某些无法集成的器 件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或儿块芯片中去，应用系 北京交妪l 大学硕士学位硷文 统电路板将变得很简单，对于减小整个应用系统体积和功耗、提高可靠性 非常有利。 二、嵌入式外闱设备 这里所说的嵌入式外同设备，指在一个嵌入式硬件系统中，除了中心 控制部件( m c u 。d s p ，e m p u ，s o c ) 以外的完成存储、通信、保护、调试、 显示等辅助功能的其他部件。根据外围设备的功能可分为以下三类。 1 存储器类型：静态易失( r 埘。s r _ 1 ) 、动态存储器( d r a m ) 、非易 失型存储器( r o m 、e p r 删、e e p r o m 、f l a s h ) 。其中，f l s h ( 闪存) 可 以擦写次数多，存储速度快，容量大及价格便宜等优点在嵌入式领域得到 广泛的应用。 2 接口类型：目前存在的所有接口在嵌入式领域中都有其广泛的应 用。但是以下几种接口，其应用最为广泛，包括r s 一2 3 2 接口( 串口) 、i r d a ( 红外线接口) 、s p i ( 串 亍外围设备接口) 、1 2 c ( 现场总线待定) 、u s b ( 通用串行接口) 、e t h e r n e t ( 以太接口) 和普通并口。 3 显示类型：c r t ，l c d 和触摸屏等外阁显示设备。 1 2 2 软件结构体系 嵌入式系统的概念足在1 9 7 0 年左右出现的。不过在当时，大部分都 是由汇编语育完成的，而且这些汇编程序只能用于某一种同定的微处理 器。这个时候的嵌入式系统 毫多都不是操作系统，他们只是为了实现某个 控制功能，使用一个简单的循环控制对外界的控制请求进行处理。不可否 认这对一些简单的系统而言是足够的。但是当我们的系统越来越复杂， 利用的范吲越来越广泛的时候，没有操作系统就成为了一个最大的缺点 了，因为需要添加一项新功能都可能需要从头开始设计，否则只能增加开 发成本秘系统复杂度。 c 语言的出现使得我们的操作系统开发变得越来越简单。我们可以利 用c 语育很快的写出一个小型的、稳定的操作系统。众所周知，c 语言的 作者d e n n i sm r i t c h i e 和b r i a n w k e r n i g h a n 利用它写出了著名的u n i x 操作系统，直接影响了这三十年计算机业的发展。同时，对开发嵌入式系 统来说，在效率和速度上都提高了很多。 一、嵌入式操作系统 所谓操作系统( 0 s ，o p e r a t j n gs y s t e m ) 。可以解释为补平硬件差异的 界面或是隐藏硬件，让应用程序可以在上面运行。通过有操作系统统一所 提供的系统界面来写应用程序，无须考虑到不同硬件所造成的差异，让程 序设计人员能够专注于擅长领域的开发。 在嵌入式大型应用中，为了使嵌入式开发更方便、快捷，就需要具备 相应的管理存储器分配，中断处理，任务间通信和定时器响应。以及提供 多任务处理等功能的稳定的、安全的软件模块集合，即嵌入式操作系统。 1 常见嵌入式操作系统 从八十年代起。国际上就开始进行一些商用嵌入式系统和专有操作系 北京交通大学颁士学位论文 统的开发。他们开发嵌入式系统已经有二十多年的经验，目前的应用范围 也比较广泛，主要有以下几种。 1 )w i n d o w sc e ： m i c r o s o f tw i n d o w sc e 是一个简洁的，高效率的多平台操作系统。 它不是削减的w i n d o w s 9 5 版本，而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于从掌 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 的r o m 。从s e g a 的d r e a m c a s t 游戏机到现在大部分的高 价掌上电脑，都采用了w i n d o w sc e ，但是无奈价格太高，使得整个产品 的成本急剧上升。 2 )v x w o r k s ： v x w o r k s 操作系统是美国w i n d r i v e r 公司于1 9 8 3 年设计开发的一种 实时操作系统。v x w o r k s 拥有良好的持续发展能力、高性能的内核以及友 好的用户丌发环境，在实时操作系统领域内占据一席之地。它以其良好的 可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖 技术及实时性要求极高的领域中。v x w o r k s 是目前嵌入式系统领域中使用 墩广泛市场占有率最高的系统。它支持多种处理器，如x 8 6 ，i 9 6 0 ，s u n s d a r c ， m o t o r o l am c 6 8 x x x ，m i p sr x 0 0 0 ，p o w e rp c ， s t r o n g a r m 。 a r m 等等。使用的是和u n i x 不目k 容的环境，大多数的v x w o r k sa p i 是专有的。 采用g n u 的编译和调试器。 3 )p s o s ： i s i 公司已经被w i n r i v e rs y s t e m 公司于2 0 0 0 年2 月1 6 日兼并，现 在是属于w i n d r i v e r 公司的产品。这个系统是一个模块化，高性能的实时 操作系统，专为嵌入式微处理器设计，提供一个完全多任务环境，在定制 的或是商业化的硬件上提供高性能和搞可靠性。可以让丌发者将操作系统 的功能和内存需求定制成每一个应用所需的系统。开发者可以利用它来实 现从简单的单个独立设备到复杂的、网络化的多处理器系统。 4 )o n x ： q n x 是一个实时的，可扩充的操作系统，它遵循p o s i x 1 ( 程序接口) 和p o s i x 2 ( s h e l l 和1 = 具) 、部分遵循p o s i x 1 b ( 实时扩展) 。它提供了 一个很小的微内核以及一些可选的配合进程。其内核仅提供4 种服务：进 程调度、进程间通信、底层网络通信和中断处理，其进程在独立的地址空 间运行。所有其它o s 服务，都实现为协作的用户进程，因此q n x 内核非 常小巧( q n x 4 x 大约为1 2 k b ) 而且运行速度极快。这个灵活的结构可以使 用户根据实际的需求将系统配置成微小的嵌入式操作系统或是包括几百 个处理器的超级虚拟机操作系统。 5 ) p a l mo s ： 3 c o m 公司的p a l mo s 在p d a 市场上占有很大的市场份额，它有开放 的操作系统应用程序接口( a p i ) ，开发商可以根据需要自行开发所需要的 应用程序。目前已经有总共3 5 0 0 多个应用程序可以运行在p a l m p i l o t 上， 北京变通大学硕士学位论文 数( m e m o r yf r e e ) 来释放所占用的内存，让内存可以重复的使用。 2 ) 多任务处理：多任务处理主要可以提供设计人员多个同时存在的 线程( t h r e a d ) 或是进程( p r o c e s s ) ，通过操作系统本身的调度机制 ( s c h e d u l i n g ) 的辅助。简化程序的设计。这部分功能需要中央处理器( c p u ) 的支持，现在许多的c p u 都已经提供多组寄存器来辅助执行模式的切换， 有比较方便的指令来记录每个执行程序的情况，因此记录每一个执行程序 的状态已经不成问题，而操作系统主要是提供调度机制来控制这些执行程 序的起始、执行、暂停、结束。通常大多数的嵌入式操作系统都会提供实 时( r e a 卜t i m e ) 的调度机制，也就是强调每一个必要的动作都会在一个严 格要求的时间内执行完毕。 3 ) 周边资源的管理：一个嵌入式系统里除了系统本身的中央处理器、 内存之外，还有许多不同的周边系统，例如按键、显示模块、通讯端口， 这些都是系统资源。既然是资源，就可能有许多应用程序要使用。由于资 源有限，操作系统必须安排这些资源以满足每一个应用程序的需求因此 操作系统会要求编写驱动程序的程序员提供一个固定格式的周边资源驱 动程序界面，以方便管理资源。对于应用程序来说，则必须向操作系统注 册一个请求机制，然后等待操作系统将资源安排给应用程序。 图卜3 对嵌入式系统的功能给出了图示，操作系统所负责的三件事情 给应用程序设计人员提供了许多好处，但是在嵌入式系统中它并非绝对必 备。如果系统 m 简单，那可以根本不用操作系统，但足如果开发复杂的应 用程序，有个操作系统帮忙会省掉许多麻烦。 图1 3 嵌入式操作系统主功能 嵌入式操作系统的引入大大提高了嵌入式系统的功能，方便了嵌入式 应用软件的设计，但同时也占用了宝贵的嵌入式资源。如果系统简单，那 就根本就不用操作系统，但足如果尝试开发复杂的应用程序才考虑使用 嵌入式操作系统。 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( 包括硬、软件系统) 极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关 的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准 化浏览器等b r o w s e r 。嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点如 能够有效管理越来越复杂的系统资源；能够把硬件虚拟化，使得开发人员 北京_ 变通大学硕士学位论文 其中大部分应用程序均为其他厂商和个人所开发，使得p a l mp “o t 的功 能得以不断增多。这些软件包括计算器、各种游戏、电子宠物、地理信息 等等。在开发环境方面。可以在w 工n d o w s9 5 9 8 ，w i n d o w sn t 以及m a c i n t o s h 下安装p a l mp il o td e s k t 叩：p l a i l l p i l o t 可以与流行的p c 平台上的应用 程序如w o “，e x c e l 等进行数据交换。 6 )o s 一9 ： m i c r o w a v e 的0 s 一9 是为微处理器的关键实时任务而设计的操作系统， 广泛应用于高科技产品中，包括消费电子产品，工业自动化无线通讯产 品，医疗仪器，数字电视多媒体设备中。它提供了很好的安全性和容错 性。与其他的嵌入式系统相比，它的灵活性和可升级性非常突出。 7 )l y n x o s ： l y n xr e a 卜t i m es y s t e m s 的l y n x o s 是一个分布式、嵌入式、可规模 扩展的实时操作系统，它遵循p o s i x 。l a 、p o s i x 。l b 和p o s i x 1 c 标准。 l y n x o s 支持线程概念，提供2 5 6 个全局用户线程优先级；提供一些传统 的非实时系统的服务特征：包括基于调用需求的虚拟内存，一个基于 m o t i f 的用户图形界面，与_ 丁业标准兼容的网络系统以及应用开发：= f = 具。 8 )l i n u x ： l i n u x 是一套以u n i x 为基础发展而成的操作系统。自1 9 9 1 年诞生至 今。l i n u x 在很多方面己经赶上甚至超过了很多商用的u n i x 系统。它充 分利用了x 8 6 c p u 的任务切换机制实现了真正的多任务、多用户环境。 l i n u x 对硬件配置的要求相当低，能够在4 m 内存的3 8 6 机器上很好的运 行。而且可以支持很多种处理器；出片。此外更为重要的是，很多高手愿意 在l i n u x 上开发程序，而且有很多高手随时对l i n u x 的开放内核进行升级 和修补，很多b u g 可以很快得到检测和修复。 在应用丁嵌入式系统方面，l i n u x 小得可以放在一张软盘上运行：为 实时系统而开发的变种r ll i n u x ( r e a 卜t i n 】el i n u x ) ，可以让l i n u x 支 持硬实时任务；l i n u x 的开放式开发原则使得l i n u x 下的驱动和升级变得 越来越多和越来越快。 9 ) “c o s h c o s 足一个可移植、可剪裁、占先式多任务0 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。但足h 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问题。 2 嵌入式操作系统主要功能： 一般嵌入式操作系统主要都足以提供“微内核”( m i c r ok e r n e l ) 为 主，目前大多数的嵌入式操作系统主要提供三大项机制来辅助程序开发人 员，分别是： 1 ) 内存管理：内存管理主要是所谓的动态内存管理的功能。当程序 的某一部分需要使用到内存的时候，可以利用操作系统中所提供的分配函 数( m e m o r ya 1 l o c a t i o n ) 来处理，一旦使用完毕之后，可以通过释放函 北京交通大学硕士学位沦文 从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来；能够提供库函数、驱动程序、 工具集以及应用程序。与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统 实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具 有较为突出的特点。 3 嵌入式操作系统的发展 嵌入式操作系统伴随着嵌入式系统的发展经历了4 个比较明显的阶 段。 第一阶段是无操作系统的嵌入算法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、指示设各相配合的功能。这 种系统大部分应用于一些专业性极强的工业控制系统中，一般没有操作系 统的支持，通过汇编语肓编程对系统进行直接控制，运行结束后清除内存。 这一阶段系统的主要特点是：系统结构和功能都相对单一，处理效率较低， 存储容量较小，儿了- 没有用产接口。由于这种嵌入式系统使用简便、价格 很低，以前在国内t 业领域应用较为普遍但是已经远远不能适应高效的、 需要大容量存储介质的现代化工业控制和新兴的信息家电等领域的需求。 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。这一阶段系统的主要特点足：c p u 种类繁多，通用性比较差：系统刀： 销小， 效率商；一般配备系统仿真器，操作系统具有一定的兼容性和扩 展性；应用软件较专业，用户界面不够友好：系统主要用来控制系统负载 以及监控应用程序运行。 第三阶段是通用的嵌入式实时操作系统阶段，足以嵌入式操作系统为 核心的嵌入式系统。这一阶段系统的主要特点是：嵌入式操作系统能运行 于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核糖小、效率高， 并且具有商度的模块化和扩展性：具备文件和目录管理、设备支持、多任 务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有大量的应用程序接口 ( a p i ) ，玎发应用程序简单：嵌入式应用软件丰富。 第四阶段是以基_ 丁ti 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。目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e r n ee 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 r n e t 的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。 二、嵌入式应用软件 嵌入式应用软件足针对特定的! 实际专业领域的，基于相应的嵌入式硬 件平台的，并能完成用户预期任务的计算机软件。用户的任务可能有时间 和精度的要求。有些嵌入式应用软件需要嵌入式操作系统的支持，但在简 单的应用场合下不需要专门的操作系统。 嵌入式应用软件和普通的应用软件有一定的区别。由于嵌入式应用对 成本十分敏感，因此为减少系统的成本，除了精简每一个硬件单元的成本 外，尽可能的减少嵌入式应用软件的资源消耗也是不可忽视的重要因素。 这就要求嵌入式应用软件不但保证准确性、安全性、稳定性以满足应用要 北京变通人学璇士学位论文 求，还要尽可能的优化。 13嵌入式系统发展趋势 随着嵌入式系统歼发的发展，对嵌入式软件设计提出了更高的要求主要表现在以下几个方面。 1 嵌入式系统的联网成为趋势 为适应嵌入式分布处理结构和应用上网的要求，面向2 1 世纪的系统 要求配备标准的一种或多种网络通信接口。针对外部联网的要求，嵌入设 备必须配有通信接口，相应的需要t c p i p 协议簇软件的支持。 2 嵌入式系统向小尺、j 、倥春辕仰即籀嚣磋誊螽毙 胡叫呸瑟筘杓叻基嚣耀鹰鬟；瓣毫莱去翁翻腿髓雾倒燃嗡吲宙；愈茶 褥苦辅雨雨碲渝强掣蘑匾碌掣参殂髓雒j 氰业蒸船翳蕊蟛琴翟礞善l 誊出； 蕊蓬鳍函留蝤蓠铡蠢0 囊簖群烈舔鼎黼艇鄹霸繁矗；卦删誊掣藉甜添爵硅 湍慑荆唔臻氆臻侧。双科￥ 芝继带豢j 抓引封品型蟹驯j l 、醚釜嗣翠掣防鼍妻为安o n g a r m 其中a rm 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。以下我们来详细了解一下备种 处理器的特点及应用领域。 一、a r m7 系列 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，最适合用于对 价位和功耗要求较高的消费类应用。a r m 7 微处理器系列具有如下特点： 一具有嵌入式i c e r t 逻辑，调试开发方便。 一极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品。 一能够提供o 9 m i p s 蹦z 的三级流水线结构。 一代码密度高并兼容1 6 位的t h u b 指令集。 一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 m0 s 等。 一指令系统与a r m 9 系列、a r m 9 e 系列和a r m l 0 e 系列兼容便于 用户的产品升级换代。 一主频最高可达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 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、 网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。 x 北京变通大学硕士学位论文 基本系统设计技术和应用分析技术。结合对嵌入式技术的研究，本文对嵌 入式系统所包含的技术内容进行了分类，提出了技术点结构。 3 在实验内容的设置中，必须考虑技术的不同层次。本文根据对嵌 入式系统的分析，把嵌入式系统分为基础、一般应用和系统三个层次，提 出了这三个层次的基本教学目标。 4 根据基本教学目标，本文设计了三个不同层次的实验教学内容， 共1 0 个实验。 5 本文所提供的实验内容已经为教学活动所采纳，取得了比较满意 的教学结果。 1 7 实现目标 建立以s 3 c 4 4 b o 为基础的硬件平台，制作一款适合教学的嵌入式实验 装置作为实验平台，具有丰富的硬件资源，使其能够满足嵌入式系统基本 技术内容训练。特别是能进行以太网的通信，通过r s 2 3 2 和u s b 等接口实 现嵌入式系统基本实验。使用l c d 显示屏作为人机界面，使用肛c o s i i 和 uc l i n u x 双操作系统、选用m i n i g u i 作为图形用户界面等各种中间件为 软件平台。 北京交通大学硕士学位论文 设备、工业控制、存储设备和网络设备等领域。 a r m 9 e 系列微处理器包含a r m 9 2 6 e j - s 、a r m 9 4 6 e s 和a r m 9 6 6 e s 三 种类型，以适用于不同的应用场合。 四、a r m l o 系列 a r m l 0 e 系列微处理器具有高性能、低功耗的特点，由于采用了新的 体系结构，与同等的a r m 9 器件相比较，在同样的时钟频率下，性能提高 了近5 0 ，同时， r m l o e 系列微处理器采用了两种先进的节能方式， 使其功耗极低。a r m l 0 e 系列微处理器的主要特点如下： 一支持d s p 指令集适合于需要高速数字信号处理的场合。 一6 级整数流水线，指令执行效率更高。 一支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集。 一支持3 2 位的高速a m b a 总线接口。 一支持v f p l 0 浮点处理协处理器。 一全性能的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。 一支持数据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 一主频最高可达4 0 0 m i p s 。 一内嵌并行读写操作部件。 a i m 1 0 e 系列微处理器主要应用丁下一代无线设备、数字消5 5 1 品、成 像设备、一r 业控制、通信和信息系统等领域。 a r m l 0 e 系列微处理器包龠a r m l 0 2 0 e 、a r m l 0 2 2 e 和a r m l 0 2 6 e j s 三 种类型，以适用_ 丁不同的应用场合。 五、s e c u r c o r e 系列 s e c u r c o r e 系列微处理器专为安全需要而设计，提供了完善的3 2 位 r i s c 技术的安全解决方案，因此。s e c u r c o r e 系列微处理器除了具有 a r m 体系结构的低功耗、高性能的特点外，还具有其独特的优势。即提 供了对安全解决方案的支持。 s e c u r c o r e 系列微处理器除了具有a r m 体系结构各种主要特点外， 还在系统安全方面具有如下的特点： 一带有灵活的保护单元以确保操作系统和应用数据的安全。 一采用软内核技术，防止外部对其进行扫描探测。 一可集成用户自己的安全特性和其他协处理器。 s e c u r c o r e 系列微处理器主要应用于一些对安全性要求较高的应用 产品及应用系统，如电子商务、电子政务、电子银行业务、网络和认证 系统等领域。 s e c u r c o r e 系列微处理器包含s e c u r c o r es c l 0 0 、s e c u r c o r es c l l o 、 s e c u r c o r es c 2 0 0 和s e c u r c o r e s c 2 1 0 四种类型，以适用于不同的应用 场合。 六、s t r o n g a r m 系列 北京变通大学硕士学位论文 s t r o n g a 蹦是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 蹦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 1 l o om p u 、s a 1 1l om p u 和i x p l 2 0 0 网络处理器 七、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丽开发的。 x s c a l e 系列处理器包括p x a 2 1 0 、p x a z 5 0 、p x a 2 6 6 等。1 2 1 4a r m 微处理器结构 一、r i 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 cc 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，然而，在c i s c 指令集的并种指令中，其使用频率却相差悬殊，大 约有2 0 的指令会被反复馊用，f 与整个程序代码的8 0 。丽余下的8 0 的指令却不经常使用，在程序设计中只占2 0 ，显然，这种结构足不 太合理的。基于以上的不台理性，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 d1 1 1 s t r u c t i o ns o tc d m p u t e r ，精简指令集计算机) 的 概念，r i s c 荠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台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。到同前为止，r i s c 体系结构i 乜还没有严格的定义，一般认为，r i s c 体系结构应具有如下特点： 一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。 一使用单周期指令，便于流水线操作执行。 一大量使用寄存器，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。除此以外，a r m 体 系结构还采用了一些特别的技术，j 在保证高性能的前提下尽量缩小芯片 的面积，并降低功耗： 一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。 一可用加载存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率。 一可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理。 一在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。 当然，和c i s c 架构相比较，尽管r i s c 架构有上述的优点，但决不 北京交通大学碗士学位论文 能认为r i s c 架构就可以取代c i s c 架构，事实上，r i s c 和c i s c 各有 优势，而且界限并不那么明显。现代的c p u 往往采用c i s c 的外围，内 部加入了r i s c 的特性，如超长指令集c p u 就是融合了r i s c 和c i s c 的 优势，成为未来的c p u 发展方向之一。 二、a r m 微处理器的寄存器结构 a 酬处理器共有3 7 个寄存器，被分为若干个组( b a n k ) ，这些寄存 器包括： 圈2 1a 【m 微处理器的寄存器结构 一3 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。 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 r m 处理器支持7 种处理器模式：用户模式( u s e r ) ：f i o f a s ti n t e r r u p tr e q u e s t 中断模式：i r 妒一i n t e r r u p tr e q u e s t 中断 模式；管理模式( s v c ) ：叶1 止模式( a b o r t ) ：系统模式( a r m 体系结构v 4 及以上版本) ( f i g ) ：未定义模式( u n d e f i n e d ) 。除用户模式以外的所有 模式均为特权模式。a r m 处理器有3 7 个寄存器，寄存器被安排呈部分重 叠的组( o v e r l a p p i n gb a n k ) 。每中处理其模式都有不同的寄存器组。如 图所示，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 ) 、一至二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。 北京变通，学顷十学位论之 三、a 兄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 t n b 指令集。其中，a 圈指令为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 4 0 以上的存储空间，同时具备3 2 位代码的所有 优点。 2 1 5a r m 微处理器的应用选型 鉴于a r m 微处理器的众多优点随着国内外嵌入式应用领域的逐步 发展，a m i 微处理器必然会获得广泛的重视和应用。但是，由于a r m 微 处理器有多达十几种的内核结构，儿十个：出片生产厂家，以及千变万化 的内部功能配置组合，给开发人员在选择方案时带来一定的困难，所以， 对a r m ：出片做些对比研究足十分必要的。 以下从应用的角度出发，对在选择a r m 微处理器时所应考虑的主要 问题做一些简要的探讨。 a r m 微处理器内核的选择 从前面所介绍的内容可知，a r m 微处理器包肯一系列的内核结构， 以适应不同的虑用领域，用户如果希望使用w i n c e 或标准l i n u x 等操作 系统以减少软件丌发时间就需要选择a r m 7 2 0 t 以上带有m m u ( m e l i l o r y m a n a g e m e n tu n i t ) 功能的a r m 。g ；片，a r m 7 2 0 t 、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 t 咖i 则没有m 舢，不 支持w i n d o w sc e 和标准l in l l x ，但目前有u c l i n u x 等不需要m m u 支持 的操作系统可运行予 r m 7 t d m i 硬件平台之上。事实上，u c l i n u x 已经 成功移植到多种不带m m u 的微处理器平台上，并在稳定性和其他方面都 有上仕表现。 本文所讨论的s 3 c 4 4 b o x 即为一款不带m m 【j 的a 融微处理器，可在 其上运行uc o s 操作系统。 系统的工作频率 系统的二r = 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 鼢7 系列微处理器的典型处理速度为0 9 m i p s m i i z ，常见的a r m 7 芯月 系统主时钟为2 0 m h z t 3 3 m h z ，a 心9 系列微处理器的典型处理速度为 li m i p s m h z ，常见的a r m 9 的系统主时钟频率为1 0 0 m h z 一2 3 3 m h z ，a r m l 0 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，有的芯片内部对钟控制器可以分别为a 蹦核和u s b 、 u a r t 、d s p 、音频等功能部件提供不同频率的时钟。 ：占片内存储器的容量 大多数的a 跏微处理器片内存储器的容量都不太大，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 9l f 4 0 1 6 2 就具有高达2 i b 的片内程序存储空间，用户在 设计时可考虑选用这种类型，以简化系统的设计。 北京交通大学硕士学位论文 片内外围电路的选择 除a 删微处理器核以外，几乎所有的a r m 芯片均根据再自不同的应 用领域，扩展了相关功能模块，并集成在芯片之中，我们称之为片内外 围电路，如u s b 接口、i i s 接口、l c d 控制器、键盘接口、r t c 、a d c 和 d a c 、d s p