（计算机应用技术专业论文）便携式仓储盘点机硬件及系统软件设计与开发.pdf

天连理r 大学硕士学位论文 摘要 随着现代物流业的快速发展，物流的速度越来越快，库存周期越来越短，物流盘点 的压力也越来越大，传统的人工盘点方式已经刁i 自g 适应现代物流的发展。为了解决这一- 问题，国际上一些物流先进国家已经开始研制专业的盘点设备盘点机，用于物流盘 点。 本文所 t 发的物流盘点机是针对现代物流盘点需求的一种专业盘点系统。采用了现 代嵌入式系统发展的先进成果。处理器采用基于a r m 9 2 0 t 内核的$ 3 c 2 4 1 0 高速处理 器，操作系统采用了w i n d o w sc e n e t4 2 嵌入式操作系统。本文首先介绍了现代物 流盘点和嵌入式系统发展的背景；其次详细介绍了系统的硬件设计。整个系统的硬件分 为三个大的模块：核心板，母板和专用键盘。核心板集成了处理器，s d r a m ，n a n d f l a s h 模块及其支持电路，是一块a r m 最小硬件系统板；母板为核心板提供了接口和支 持，集成了各种外设，如显示器接口，以太网接口，u s b 接口，串口，c f 卡接口等： 对一些专用硬件采用了特殊的接入方式。专用键盘采用超低功耗的m s p 4 3 0 单片机作为 控制器，在本地对键盘进行编解码，通过自定义的串行键盘口接入母板。接下来详细介 绍了w i n d o w sc e 操作系统的移植和定制，然后具体介绍了驱动程序和支持软件的编 制。盘点机除了支持常用的设备，还需要支持特定的盘点专用显示器，盘点专用键盘， 串口扫描仪，c f 卡等；同时为了适应盘点行业的特殊要求，需要编制专用的s h e l l 程序 和支持软件。这些不符合w i n d o w sc e 标准的设备和专用支持软件的编写给开发带来了 一定困难，本文中进行了较深入的探讨，给出了详细的解决方法。 论文最后对全文作了总结，并对盘点机系统未来的其他应用和发展作了展望。 关键词：物流盘点：盘点机；嵌入式系统：w i n d o w sc e ；$ 3 c 2 4 1 0 堡堕茎鱼堡塑皇塑! 望笪丝至堑竺笪堡丛竺翌垄 t h e d e s i g n a n d d e v e l o p m e n t o f l o g i s t i c si n v e n t o r ym a c h i n e a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to f t h el o g i s t i c ss e r v i c e ，t h es p e e do f t h el o g i s t i c si sf a s t e ra n d f a s t e r ，t h es t o c kc y c l ei ss h o r t e ra n ds h o r t e r ，t h ep r e s s u r eo f l o g i s t i c si n v e n t o r y i sh e a v i e ra n d h e a v i e rt o o t h e 廿a d i t i o n a li n v e n t o r yw a yb ya r t i f i c i a lc a nn o tm e e tt h ed e v e l o p m e n to f t h e l o g i s t i c ss e r v i c e i n o r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，t h ea d v a n c e dc o u n t r yo f l o g i s t i c ss e r v i c eh a s a l r e a d yb e g u n t od e v e l o p s p e c i a l i z e de q u i p m e n t f o rl o g i s t i c si n v e n t o r y - 一t h ei n v e n t o r ym a c h i n e t h i s p a p e r d e v e l o p sa k i n do f s p e c i a l l o g i s t i c s i n v e n t o r y m a c h i n e ( a d l ) f o r t h ed e m a n d o f l o g i s t i c ss e r v i c e i ta d o p t e dt h ea d v a n c e d a c h i e v e m e n to f m o d e me m b e d d e d s y s t e m t h ec p u o f a d ii s $ 3 c 2 4 1 0 h i g h s p e e dp r o c e s s o r b a s e do na r m 9 2 0 t c o r e ，o p e r a t i n gs y s t e mi s w i n d o w sc ee m b e d d e do s t h i sp a p e rr e c o n u n c n d sl o g i s t i c ss e r v i c ea n de m b e d d e ds y s t e m b a c k g r o u n d a tf i r s t ；s e c o n d l yr e c o m m e n d st h es y s t e mh a r d w a r e t h eh a r d w a r eo f t h ew h o l e s y s t e r ni sd i v i d e di n t ot h r e er o o d u l e s ：t h ec o r ep c b ，t h em e t h e r b c a r d a n dt h e s p e c i a l p u r p o s e k e y b o a r dt h ec o r ep c bi n t e g r a t e dc p u ，s d r a m ，n a n d f l a s hr o o d u l ea n dt h ec i r c u i to f s u p p o r t i n g t h e m i ti saa r mm i n i m u m s y s t e mb o a r d ；t h e m o t h e r b o a r do f f e rt h ei n t e r f a c ef o r c o r ep c ba n d s u p p o r ti t ，i n t e g r a t e sv a r i o u s k i n d so f p e r i p h e r a lh a r d w a r ei n t e r f a c e ，s u c ha st h e l c d ，e t h e m e t ，u s b ，r s 2 3 2 ，c fc a r d ，e t c ；t h es p e c i a li n t e r f a c et os o m es p e c i a l i z e dh a r d w a r e n l e s p e c i a l p u r p o s ek e y b o a r d b a s e so nm s p 4 3 0m c u m s p 4 3 0i sa nu l t r al o w c o n s u m p t i o n m c u ，k e y b o a r d e n c o d e sa n dd e c o d e si nl o c a la n dc o i m e c t st om o t h e r b o a r d b ys e l f - d e f i n i n g s e r i a li n t e r f a c e a n dt h e nr e c o m m e n dh o wt ot r a n s p l a n ta n dc u s t o mw i n d o w sc e ，a n dt h e n r e c o m m e n dh o wt od e v e l o pt h ed r i v e ra n ds u p p o r ts o f t w a r e t h ea d ln e e d st os u p p o r tt h e s p e c i a l - p u r p o s ed e v i c e sb e s i d e ss u p p o r t i n gt h ec o m m o n d e v i c e s ，s u c h a st h es p e c i a l - p u r p o s e l c d ，k c ：y b o a r d ，s e r i a li n t e r f a c es c a l m e r s ，c fc a r d ，e t c ；a t t h es a m et i m ef o ri ti sm a d et om e e ta s p e c i a lr e q u e s to f i n v e n t o r yt r a d e ，t h es p e c i a l p u r p o s es h e l lp r o c e d u r ea n ds u p p o r ts o f t w a r ei s n e e d e d t h e s ed e v i c e sn oa c c o r dw i t hw i n d o w sc ea n dt h es o f t w a r eo f s p e c i a l p u r p o s et o s u p p o r c t oa r ed i f f i c u l tt od e v e l o p ，t h e s ea r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r ，a n dt h i sp a p e ra l s op r o v i d e t h ed e t a i l e ds o l u t i o n ，耵l ep a p e rm a k e ss u m m a r yt of u l lt e x tf i n a l l y i n c l u d eo f t h e a p p l i c a t i o n a n dd e v e l o p m e n to f a d li nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：l o g i s t i c si n v e n t o r y ；i n v e n t o r ym a c h i n e ；e m b e d d e ds y s t e m ； w i n d o w sc e ：s 3 c 2 4 1 0 一 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： 董硅日期：塑! ! ! 主! z 大连理i ：_ 人学硕：l j 学位论文 l 绪论 1 1 物流盘点业简介 随着现代商品流通领域的飞速发展，物流盘点也逐渐成为现在商业不可缺少的一 环。在欧美、日本等发达国家，物流盘点已经成为一个独立的行业，每年创造大量的就 业机会，助推现代商品物流的发展。随着国外大型超市、物流企业进军中国市场，现代 物流盘点业也开始逐步引入中国。物流盘点是物流盘点工人在专业盘点机的帮助下，对 超市、仓储等物流领域的产品进行快速的盘点，给管理人员提供存量、损耗、流通速 度、商品消费分类信息等信息，为物流决策提供依据，同刚为优化物流提供参考。在几 本，专业的物流盘点公司可以在一个在大型超市前一天歇业到第二天开业之间的间隙完 成整个超市的货物盘点，提供报表供业主分析使用。要在非常短的时问内完成庞大的货 物盘点，一方面需要盘点人员具有专业的盘点技能，另一方面更需要一款非常专业的盘 点机器，随着现代物流业的日趋复杂、庞大，商品库存的缩短，后者的作用尤为突出。 在中国国内，物流业已经逐步发展起来，出现了大量的物流公司【lj 。但是目自u 还鲜 有专业的盘点公司出现，很多国外公司正在考虑进入，比如全球第三大物流盘点公司， 日本爱捷是公司已经在中国成立了子公司，准备进入中国市场。对比物流先进国家，目 前国内的盘点手段比较简单，主要依靠人工，以纸笔的方式来进行，不能适应现代物流 的发展。本文的背景是为日本某物流公司研制的便携式专业盘点机。 专业物流盘点的方式：专业的盘点人员携带盘点机进入现场，使用扫描仪等工具扫 描物品标签，之后通过人工或者自动的方式输入物品数量等信息，各种物品信息暂时保 存在盘点机中，待盘点结束之后通过有线无线方式输入服务器，供分析人员使用。 现代物流中盘点的作用和盘点系统在物流领域的作用如图1 1 所示。 从图i 1 可以看出，盘点数据对物流行业，特别是仓储、超市等行业具有重要的意 义。对于需要连续营业的大型仓储、超市，货物的盘点不能影响正常的营业，同时营业 期间货物的存量是动态的，所以一般选择在第一天歇业到第二天开业的间隙，即一个晚 上来完成，其工作量是非常庞大的。所以一款优秀的专业盘点机对于提高二 ：作效率非常 重要。举一个简单的例子，日本物流公司为了确定盘点机按键的排列方式，选择一种最 优的组合，专门组织2 0 名熟练的盘点工人进行了为期一个月的测试。由此可见他们对 盘点机性能的重视。由于现代物流对库存，流通等的重视，盘点数据的及时陛、可靠性 也非常重要。例如，据经济参考报报道，一汽神龙公司在优化零件库存之后，每年 可以节省资金3 亿元人民币，这样精细的安排库存，没有准确的盘点数据是不可能的。 便携式仓储盘点机硬什及系统软件殴计与开发 图1 1 盘点在现代物流领域的作用 f i 酎1f u n c t i o no f l n v e n t o r yi nl o g i s t i c ss e r v i c e 1 2 嵌入式系统简介 当今世界，以计算机技术、芯片技术和软件技术为核心的嵌入式技术取得了迅猛发 展，广泛渗透到工业控制、家电、娱乐、艺术等各个领域。现代控制技术、多媒体技术 与i n t e m e t 的应用与普及，促使消费电子、计算机、通信体化趋势步伐加快，使得嵌 入式技术成为一个新的研究热点。f 2 j 现在，嵌入式系统在各行各业有着广泛的应用，但对它的定义还没有一个公认的标 准。一般来说，嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件 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 9 j 。自7 0 年代后期嵌入式系统的商业化操作系统出现，到现在嵌入式系统已经无处不 在。嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，所以晚嵌入式系统工业是不可垄 断的高度分散的l , i k ”。 嵌入式微处理器( 嵌入式c p u ) 一般是指单芯片、外设控制器丰富的c p u 。常见的嵌 入式c p u 的内核体系有x 8 6 ，a r m ，m i p s ，s h 等，其q b a r m 体系的c p u 应用最为广泛 4 l 。嵌 入式操作系统一般具有体积小、可裁剪、可靠性好等特征，大多数还具有实时性强的特 点。常见的嵌入式操作系统有w i n d o w sc e ，v x w o r k s ，p s o s ，嵌入式l i n u x ，e p o c 等吼 2 人琏理r 大学硕十学位论文 12 1 嵌入式系统特点 嵌入式系统通常由硬件和软件两部分组成。简单的嵌入式系统由微控制器或单片机 及嵌入式软件组成。嵌入系统有三个明显的特征：专用性、实嗣性、可靠性【5 j 。专用性 是指嵌入式计算机系统用于特定设备完成特定任务。实时性指与实际事件的发生频率相 比，嵌入式系统能够在可预知的微短时问内对枣件或用户的干预做出响应。可靠性是指 嵌入式计算机嵌入到系统或设备中，用户一般不直接接触控制，因此一旦工作就要求它 可靠运行。 嵌入式系统作为专用计算机系统与通用计算机相比有许多典型特征： 1 ) 嵌入式系统是面向具体应用的，是在特定领域内完成特定功能的之j 引算机系统。 可能用于一种工业仪器，也可能用于汽车上的某利，电子装置。考虑了人们的各种需 求。嵌入式系统通常只运行存储在r o m 或f l a s h 中的可执行映像，而通用计算机 可以加载、运行磁盘上的各种软件。 2 ) 嵌入式系统中硬件的配置是根据系统性能指标来选择的，除了附加调试接口外，往 往没有多余的硬件资源。因此，相对于通用计算机的大硬盘、大内存而苦，嵌入式 系统的资源是有限的。 3 ) 在设备资源少、控制简单的嵌入式系统中，如某些单片机系统，可执行映像可能只 是支持中断的监控程序，这时的监控程序必须担当管理系统软硬件资源的职责；当 系统资源多、功能复杂时，可执行映像可以按操作系统和应用程序两部分来组织， 操作系统管理资源、为应用程序提供系统调用，从而应用程序的实现可以大为简 化，这样既提高了系统的可靠性，又缩短了软件的开发周期。而通用计算机则无一 例外地安装了操作系统，为用户提供操作平台。 4 ) 嵌入式系统一般是实时系统，因为在嵌入式应用中大多属于过程控制，这些领域要 求的实时性很强，比如汽车的刹车防抱死装置等。实时系统中的操作系统必须是嵌 入式实时操作系统( r t o s ) 。 5 ) 嵌入式系统是高可靠的独立运行系统。嵌入式系统一般不与人交互，独立运行，所 以系统稳定性要好，并有自动纠错能力，在军事航空航天等关键领域尤其强调高可 靠性。 6 ) 嵌入式系统软硬件结合紧密，在嵌入式系统软硬件体系结构内部，各层次、模块之 i 目的耦合度比通用计算机强，这是嵌入式系统要求高效的结果，而通用计算机出于 可扩展等要求更强调系统的模块化、层次化和标准化。 一3 。 便携式仓储盘点机硬件及系统软件殴计与开发 7 ) 嵌入式系统与外界的接口设备都是针对具体应用的设备，往往具有特殊性，不同应 用领域之问差别很大。不同系列的c p u 在体积、外部中断源、支持的总线结构等方 面各不相同。嵌入式系统可以按需选择某种嵌入式c p u ，比如x 8 6 ，p o w e r p c ， 6 8 k ，a r m 等。而在通用计算机中，外设与主机的接口都已标准化，c p u 外部中断源 和主机总线结构没太多变化。 8 ) 嵌入式系统开发采用独特的宿主机目标机模式，在这个环境下调试好目标机的 硬件和软件，才能使目标机( 最终的嵌入式系统) 脱离丌发环境，独立运行f 6 1 。 1 _ 2 2w i n d o w sc e n e t 嵌入式操作系统 1 2 2 1w i n d o wc e - n e t 系统简介 m i c r o s o f tw i n d o w sc e n e t 是支持多平台的、可定制的3 2 位嵌入式操作系统。支 持多线程、完全抢占执行和多任务。不仅适用于工业上的嵌入式设备，同时支持高度便 携性的个人计算设备，如掌上电脑、p d a 和移动通信设备等。w i n d o w sc e n e t 在设 计上采用完全的模块化结构可以根据硬件平台和应用目的灵活的进行定制。对于应用 程序的开发者来说，w i n d o w sc en e t 提供了同w i n d o w s 环境相似的各种开发环境。 m i c r o s o f tw i n 3 2a p i 、a c t i v e x 控件、消息队列、c o m 接口、a t l 和m f c ，这对于 提高编程者的效率和从其他w i n d o w s 平台上移植成功的应用程序很有好处。w i n d o w s c e n e t 内建了对多媒体( 包括d i r e c t x ) 、通信( t c p i p 、s n m p 、t a p i 等) 和安全的 支持，并且提供了w i n d o w s 用户熟悉的p o c k e ti n t e m e te x p l o r e r 、p o c k e to u t l o o k 、 p o c k e t w o r k 等应用程序。w i n d o w s c e 通过a c t i v e s y n c 实现了目标设备同台式计算机 之间的通信。例 w i n d o w sc e 的系统结构包括内核模块，图形、窗口和事件( g w e s ) 模块，文件 系统模块，通信模块，设备管理器，o e m 适配层( o a l ) 和驱动程序，其结构如图12 所示。w i n d o w sc e 内核提供所有平台所共有的基本操作系统功能。它可以进行内存管 理，进程管理以及必需的文件管理，并且负责虚拟内存管理、调度，多任务及多线程处 理和异常处理。内核模块中的大部分组件是所有w i n d o w sc e 配置所需的，其它一一些 可选的组件是在实现包括类似电话、多媒体和g d i 图形等功能的操作系统时需要的。 4 一 大连理工大学硕十学位论文 【! 塑! ! ! ! 一旦曼堡! ! ! ! 垒! 里! ! ! ! ! ! 厂一一_ 皿 l! 竺! ! ! 兰! 竺! 三竺坚! 竺! l 蚓12 w i n d o w s c e 结构图 f i g 1 2w i n d o w s c ea r c h i t e c t u r e 文件系统模块支持w i n d o w sc e 对象存储a p i 函数。这些a p i 函数支持基于r o m 的文件系统，基于r a m 的文件系统，结构化的存储系统( w i n d o w sc e 数据库) 和系 统注册表。w i n d o w sc e 文件系统同时支持多种可安装的文件系统，并提供实现f a t 文件系统来支持存储在外部媒介( 例如p c 卡) 上的文件。 w i n d o w sc e 把用户和图形设备接口子系统结合成图形、窗口和事件模块 ( g w e s ) 。g w e s 模块用来管理w i n d o w sc e 的用户接口和窗口功能。g w e s 实现 窗口，对话框，系统的操作能力控制等功能。g w e s 同时负责在图形显示设备上显示 图形和文字，进行复杂的图形操作。w i n d o w sc e 还可以广泛使用g w e s 的m g d i 特性来进行菜单、滚动条、图标等用户接口项的图像显示。 w i n d o w sc e 支持的其它模块还包括支持t a p i ，i r d a ，r a s ，t c p i p 和其它的网 络功能的通信模块，支持p c m c i a ( p c 卡) 的模块，r s a 加密模块，设备管理器和可 安装设备驱动，多媒体支持模块，o l e c o m 支持模块以及可定制的可添加s h e l l 的桌 面和服务。w i n d o w sc e 为每个模块和组件都支持一组相关的a p i 函数供应用程序开发 者使用。 1 2 2 2w i n d o w sc e 中断模型 中断处理是嵌入式操作系统中的关键部分，它关系到操作系统的实时响应速度和系 统整体性能，因此重点介绍一下w i n d o w sc e 中的中断处理方式。为了支持实时处 5 吾堇 一一一一一一一 吾三 一 s e w m叭m 一 龀巾 一 砌胁 一 一 惭 一 便携式仓储楹点机硬件及系统软件设计与开发 理，w i n d o w sc e 的中断处理分为i s r ( i n t e r r u p ts e r v i c er o u t i n e ，中断服务例程) 和 i s t ( i n t e r r u p ts e r v i c et h r e a d ，中断服务线程) 两个阶段，分别由不同对象来处理：i s r 工作在内核模式，它的工作主要是当中断到来时根据需要禁止某些中断源，并将逻辑中 断号返回给内核：i s t 工作在用户模式下。内核在收到i s r 返回的逻辑中断号后，调 度相应的i s t 实现具体的服务程序。在1 s r 运行的时候，内核会屏蔽同级和低优先级 的中断源，而允许中断优先级高的中断产生，实现中断优先级调度。由于实时向应的要 求，希望屏蔽中断的时间越短越好，因此i s r 很快返回后，就能重新开启中断了j 。 如图1 3 所示，驱动程序在系统启动时向内核注册中断号和i s t ，当发生中断时，系 统首先跳到异常处理，然后异常处理器i ! | ：6 用相关的i s r ，向注册的i s t 发送中断事件。 一寅处于等待状态的i s t 这时就会进行具体的中断处理。 图1 3w i n d o w sc e 中断处理 f i g , 1 3w i n d o w sc e i n t e r r u p th a n d l ep r o c e s s jm i o r o s o t t _ s u p p l i e d 1 c o m p o n e n t s i o e m 卜s u p p l i e d 】c o m p o n e n 培 因此，在o e m 开发中，需要实现i s r ，并在系统启动时向内核注册；驱动程序的 丌发中需要实现i s t ，在驱动程序被加载时向内核注册。本项目的开发中应用了这原 则。 6 人连理j ：大学硕十学位论文 12 2 3 o e m 适配层( o a l ) o a l 是介于w i n d o w sc e 内核和硬件设备之间的一个软件层，它的引入可以简化 基于w i n d o w sc e 的操作系统同目标设备之间的通信 9 】。o a l 可以看作最摹本的驱动 程序，它不仅实现了c p u 、存储器的初始化代码，还实现了内核同硬件平台的通信功 能，如串口、并口、以太网卡和定时器等。o a l 中还包括了硬件的中断处理和电源管 理接口，以及系统启动时的硬件检测和初始化。引入o a l 可以使不同的硬件平台向内 核提供一个相对统一的接口。 1 3 本文内容和结构 本课题的研究来源于实际的工程项目，这是为日本最大的物流盘点公司研制开发的 款专业盘点设备，包括硬件平台，软件环境，支持软件等一揽子解决方案。开发的主 要内容是设计| 帝0 作一款基于a r m 高速处理器的硬件平台，提供方便的操作系统环境， 以及支持环境，可以方便的调试、运行用户为特定盘点等需求而编制的用户程序。 本文的结构如下： 第一章是绪论，介绍了物流盘点机所涉及到的背景知识，嵌入式系统的概念、特点 和发展现状以及w i n d o w sc e n e t 的一些介绍。 第二章详细介绍了系统硬件平台的设计与实现，包括处理器选型，系统的总体设 计，系统的硬件电路设计，核心板的设计，母板的设计以及专用键盘的设计。 第三章介绍了w i n d o w sc e 嵌入式操作系统的定制和实现。包括n a n df l a s h 存储 器的分配，b o o t l o a d e r 程序的编制以及w i n d o w sc e 系统的定制方法。 第四章详细介绍了系统驱动程序的开发过程，包括键赫驱动程序，显示器驱动程 序，c f 卡驱动程序，电源管理驱动程序等。 第五章是关于支持软件的开发，主要涉及到s h e l l 程序的丌发和平台管理程序的开 发过程。 最后在第六章总结了论文中讨论的内容并对盘点机系统在其他方面的应用前景和发 展前景作了展望 7 便携式仓储盘点机硬件及系统软件设计与开发 2 系统硬件平台的设计与实现 2 1 处理器选型 由于客户熟悉w i n d o w sc e 操作系统下的开发，同时希望系统能够在软件的支持下 兼作其他用途，在操作系统的选择e 他们倾向于w i n d o w sc e 操作系统。这就要求处理 器有较高的处理速度，支持m m u 单元。目前w i n d o w sc e 支持的处理器主要有x 8 6 ， p o w e r p c ，a r m ，m i p s 等 9 】。考虑到系统是电池供电的嵌入式设备，x 8 6 平台不是很 合适，在p o w e r p c ，a r m ，m i p s 三种处理器体系中，最后选择了a r _ m 处理器，这主 要是因为a r m 处理器在价格，处理器速度，功耗，开发工具成本，开发资料等方面具 有优势。 2 。1 1a r m 处理器简介 a r m ( a d v a n c e d r i s c m a c h i n e ) 是英国公司设计开发的通用微处理器体系结构，其主 要优势在于3 2 位r i s c 的设计和高效的指令集。a r m 的设计目标是微型化、低功 耗、高性能的微处理器实现。2 0 世纪9 0 年代，在a r m 公司的精心经营下，a r m 步入 了世界的舞台口】【“j 。目前在微处理器家族( x 8 6 ，m i p s ，p p c ，s h ) 中，a r m 已经在高性 能、低功耗和低价格的嵌入式应用领域确立了市场和技术的领先地位1 2 l 。作为种 r i s c 体系结构的微处理器，a r m 微处理器除了具有r i s c 体系结构的典型特征。还具 有以下特点： 1 ) 在每条数据处理指令当中，都控制算术逻辑单元( a l u ) 和移位器，以使a l u 和 移位器获得最大的利用率； 2 ) 自动递增和自动递减的寻址模式，以优化程序中的循环； 3 ) 同时l o a d 和s t o r e 多条指令，以增加数据吞吐量； 4 ) 所有指令都是条件执行，以增大执行吞吐量。 以上特点是列r i s c 基本体系结构的增强，使得a r m 处理器可以在高性能、小代码 尺寸、低功耗和小芯片面积之间获得好的平衡点。作为一种r i s c 微处理器，a r m 指 令集的效率比基于c 1 s c 的系统高得多【1 ”。指令集由1 个基本指令类型组成，两种用于 片上a l u 、环形移位器和乘法器，3 种用于控制存储器和寄存器之间的数据传送，另外 3 种控制执行的数据流和特权级别，最后3 种指令用于控制外部协处理器，这使得3 种 指令集的功能可以在片外得到扩展口”。对于一些高级语言的编译器来说，a r m 的指令 8 人连理r 大学硕士学何论文 集是比较理想的。而且a r m 汇编器的编码也非常简单。a r m 指令集的另一个特征是 所有的指令都支持条件执行。高效的指令集和简单的设计的结合，使a r m 成为一种低 功耗、低价位、高性能的处理器 】。a r m 体系结构为满足a r i v l 合作者以及设计领域的 一般需求正稳步发展。每一次a r m 体系结构的重大修改，都会添加极为关键的技术。 在体系结构作重大修改的期问，会添加新的性能作为体系结构的变体。 1 ) v 3 结构： 将寻址范围扩展到了3 2 位； 增加了2 个指令( m r s 和m s r ) ，以允许访问新的c p s r 和s p s r 寄存器； 修改了过去用丁从异常( e x c e p t i o n ) 返回的指令的功能； ，增) 3 n 7 两种处理器模式，以便在操作系统代码中有效的使用数据终止和未定义指 令异常终；。 成v 4 结构的标准配置。 2 ) v 4 结构： 加入了半字存储操作； 加载及执行字节和半字带符号扩展的指令： 在t 变体中，加入以一个转换到t h u m b 状态的指令； 使用用户模式寄存器的新的特权处理器模式。 v 4 版本还很清楚地指明tj g 些指令将会引起未定义指令异常发生。 3 ) v 5 结构： 提升了a r m 和t h u m b 指令的交互工作能力； 让非t 变体同t 变体一样，使用相同的代码生成技术； 增加了一个前导零( c o u n t l e a d i n gz e r o s ) 指令，陔指令允许更有效处理整数除法和中 断优先程序； 增加了软件断点指令； 为协处理器设计者增加了更多可选择指令。 a r m 核体系结构与版本的对应关系如下 a r m 内核 a r m l a r m 2 a r m 2 a s a r m 3 a r m 6 a r m 6 0 0 a r m 6 1 0 9 版本 v 1 v 2 v 2 a v 3 便携式仓储盘点机硬件及系统软件设计与开发 a r m 7 ，a r m 7 0 0 ，a r m 7 1 0 v 3 a r m 7 t d m i ，a r m 7 1 0 t ，a r m 7 2 0 t ，a r m 7 4 0 t v 4 t s t r o n g a e m ，a r m s ，a r m 8 1 0 v 4 a r m 9 t d m i ，a r m 9 2 0 t ，a r m 9 4 0 t v 4 t a r m9 e sv 5 t e a r m l o t d m i a r m l 0 2 0 e ，x s c a l ev 5 t e 以上的名字表明了系统结构上的提升，后面附加的关键字表明了体系结构的变体。 其中的关键字分别表示为： t ：t h u m b 状态( 1 6 位指令) 。 ，m ：长乘法支持( 3 2 3 2 一 6 4 的乘法或省3 2 3 2 + 6 4 审6 4 乘加运算) 。 d ：对调试的支持( d e b u g ) 。 i ：嵌入i c e ( i n c i r c u i te m u l a t i o n ) 。 e ：d s p 指令支持。 j ：j a v a 指令支持。 以上各版本的a r m 核心实际上是在各种相应的处理器核的基础之上，集成和优化 了c a c h e 和m m u 内存管理单元后形成的，它能以单独的c p u 芯片提供给用户更高的 性能。而各种处理器核则可用软r p 模块，或者硬i p 模块的方式嵌入到各种用户不同的 应用之中，形成相应的s o c 系统芯片，这不仅节省了功耗和成本，还最大限度的节省 了用户的开发时间【“1 。最近1 0 年a r m 开发的突出成果包括： 开发了能称为t h u m b 的新型压缩指令格式，这种格式在小型系统中可降低成本和 功耗； a r m 9 ，a r m l 0 ，s t r o n g a r m 和x s c a l e 系列处理器的开发显著的提高了a r m 的 性能； 软件开发和调试环境更好。 a r m 的体系结构还在不断的发展，基于a r m 处理器核的嵌入式应用领域将更为广 阔。但这不是想取代现存的体系结构使它们变得多余。新的a r m 核和衍生产品将建立 在这些结构之上，同时不断与制造工艺保持同步。体系结构的发展是出不断涌现的新产 品和变化的市场来推动的。关键的设计约束是显而易见的，功能、性能、速度、功耗、 面积和成本必须与每一种应用的需求相平衡。保证领先的性能功耗比( g r e s w a t t ) 在过 去是a r m 成功的基石，在将来的应用中它也是一个重要衡量标准。随着计算和通讯持 续覆盖许多消费领域，功能也变得愈来愈复杂，消费者期望有高级的用户界面，多媒体 以及增强的产品性能。 1 0 大连理l 一天学硕十学位论文 2 l2 a r m 编程模型 a r m 9 2 0 t 支持7 种操作模式，可以由软件配置，分别如下： u s e r m o d e fu s r l：正常程序执行模式； - f i qm o d e ( 抽)：支持快速数据传送和通道处理； - i r q m o d e ( i r q )：用于通用中断处理； - s u p e r v i s o r m o d efs v c1 ：操作系统保护模式； 一s y s t e mm o d e ( s y s )：运行特权模式操作系统任务； - a b o r t m o d e ( a b t l：数据或指令预耿失效后进入的状态； 一u n d e f i n e dm o d e ( t u a d ) ：执行未定义的指令时进入的模式。 7 1 对这些操作模式的支持，使得a r m 可以支持虚拟存储器机制，支持多种特权模 式，从而可以运行多种主流的嵌入式操作系统。 删9 2 0 t 寄存器定义： a r m 微处理器中共定义了3 7 个编程可见寄存器，每个寄存器的长度均为3 2 位。 寄存器的组织见图2 1 。根据不同的用途，可将其划分为以下几类： 1 3 0 个通用寄存器 在任意一种处理器模式下，只有1 5 个通用寄存器可以使用，编号分别为r o 一， r 1 4 。其中，r 1 3 一般作为堆栈指针寄存器( s p ：s t a c k p o i n t e r ) 。该寄存器由a r m 编译器 自动使用。r 1 4 一般作为链接寄存器( l r ：l i n k r e g i s t e r ) 。当系统中发生子程序调用时， 用r 1 4 来记录返回地址。如果返回地址已经保存在堆栈中，则该寄存器也可以用于其它 用途。 2 程序指针( p c ：p r o g r a mc o u n t e r ) p c 即为r 1 5 ，用于记录程序当前的运行地址。a r m 处理器每执行一条指令，都会 把p c 增加4 字节( t h u m b 模式为两个字节) 。此外，相应的分支指令( 如b l 等) 也会改变 p c 的值。 3 当前处理器状态寄存器( c p s r ：c u r r e n tp r o g r a ms t a t u sr e s i s t e r1 c p s r 用于存储条件码。各种模式公用该寄存器 4 状态备份寄存器fs p s r ：s a v e dp r o g r a ms t a t u sr e s i s t e r1 s p s r 寄存器主要是在处理器异常发生时，用来保存c p s rf c u r r e n tp r o g r a ms t a t u s r e s i s t e r ) 。每一种处理器模式下将使用一个s p s r 来保存c p s r ，而用户模式和系统模式 下不需要s p s r ，因为该模式下不会发生异常。 便携式仓储盘点机硬件及系统软件设计与开发 图2 1 a r m 寄存器组织 f i g , 2 1r e g i s t e r o r g a n i z a t i o ni na r m s l a t e 2 1 3 $ 3 c 2 4 1 0 嵌入式处理器简介 $ 3 c 2 4 1 0 是韩匡i 三星电子公司摄近推出的一款基于a r m 9 2 0 t 内核的1 6 3 2 位 r i s c 嵌入式微处理器。该处理器主要面向手持式设备以及高性价比、低功耗的应用。 1 7 j 该处理器采用0 1 8 u r nc m o s 制造工艺，内部采用了新的a d v a n c e dm i c r o c o n t r o l l e r b u sa r c h i t e c t u r e ( a m b a ) 总线( a m b a 2 ) 。 图2 2 是a r m 9 2 0 t 的结构框图。 1 2 大连理r 火学硕十学位论文 l $ 目+ c a c h ei 一。r 一一 ： 厂- 巴 z，陌丽i 、 ! ，j 上一。 】数据c a c h ej 图2 2s 3 c 2 4 1 0 微处理器结构框图 f i g 2 2 $ 3 c 2 4 1 0a r c h i t e c t u r e a r m 9 2 0 t 核由a r m 9 t d m i 、存储管理单元m m u 和高速缓存三部分组成。其中， m m u 可以管理虚拟内存，高速缓存由独立的1 6 k b 地址和1 6 k b 数据高速c a c h e 组 成。a r m 9 2 0 t 有两个内部协处理器：c p l 4 和c p l 5 。c p l 4 用于调试控制，c p l 5 用于存 储系统控制以及测试控制。$ 3 c 2 4 1 0 集成了一个l c d 控制器( 支持s t n 和t f t 带有触 摸屏的液晶显示屏) 、s d r a m 控制器、n a n df l a s h 控制器、3 个通道的u a r t 、4 个 通道的d m a 、4 个具有p w m 功能的计时器和一个内部时钟、8 通道的l o 位a d c 。 $ 3 c 2 4 1 0 还有很多丰富的外部接口，例如触摸屏接口、i i c 总线接口、i i s 总线接口、两 个u s b 主机接口、一个u s b 设备接口、两个s p i 接口、s d 接口和m m c 卡接口。在 时钟方面$ 3 c 2 4 1 0 也有突出的特点，该芯片集成了一个具有f = 历功能的r t c 和具有 p l l ( m p l l 和u p l l ) 的芯片时钟发生器。m p l l 产生主时钟，能够使处理器工作频率最 高达到2 0 3 m h z ( 内核电压增加到2 ，0 v 时最高2 6 6 m h z ) 。这个工作频率能够使处理器 轻松运行w i n d o w sc e 、l i n u x 等操作系统以及进行较为复杂的信息处理。u p l l 产生实 现主从u s b 功能的时钟。 21 3 1 $ 3 c 2 4 1 0 的存储器映射 $ 3 c 2 4 1 0 将系统的存储空间分成8 个b a n k ，每个b a n k 的大小是1 2 8 m 字节，共l g 字节。b a n k 0 到b a n k 5 的开始地址是固定的，用于r o m 或s r