（通信与信息系统专业论文）基于arm的定位系统的实现.pdf

南京理工天学硕士学位论文 基于a r m 的定位系统的实现 摘要 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术以及各个行业的具体 应用相结合后的产物。它可以根据应用需求对软硬件进行适当裁剪，以满足应用系统 对功能、可靠性、成本、体积等的需求。目前已被广泛应用于社会生活各个领域中。 作为一种新兴的嵌入式r i s c 微处理器，a r m 微处理器目前已经成为嵌入式系 统中应用最为广泛的微处理器。它支持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，具有小体积、高性能、低成本、低功耗等特点。 本文在系统全面的介绍a r m 微处理器的体系结构的同时，以a t m e l 公司的一 款基于a r m 7 t d m i 内核的a t 9 1 系列微处理器a t 9 l r 4 0 0 0 8 为核心，详细论述 了基于a r m 的电子定位系统的实现。本文还详细阐述了g p s 定位系统和g s m 现有 通信网络的特点和工作原理，以a r m 微处理器的硬件开发环境为基础平台。将g p s 定位技术与通信网络结合起来，将当前目标所在位置的经纬度数据等定位信息通过现 有的通信网络以短消息方式发送出去，实现了全球范围内的目标定位。这种基于a r m 微处理器的全球范围内的电子定位系统在工业控制、交通管理等日常生活的各个领域 中均有相当广阔的应用前景，值得我们进一步开发研究。 关键词：嵌入式系统，a r m ，g p s 。电子定位 南京理工火学硕士学位论文基于a r m 的定位系统的实现 a b s t r a c t e m b e d d e ds y s t e mi sa ns p e c i a lo u t c o m ec o m b i n e db ya d v a n c e dc a l c u l a t o rt e c h n i q u e ， s e m i c o n d u c t o rt e c h n i q u ea n de l e c t r o n i c st e c h n i q u e i tc a np r u n es o f t w a r ea n dh a r d w a r e f l e x i b l e l ya c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e d s of a r ，i th a sb e e ne x t e n s i v e l ya p p l i e di n s o c i a i i i f e a sak i n do f1 6 3 2 b i t sr i s cm i c r o p r o c e s s o r , t h em i c r o p r o c e s s o ro fa r mh a sh i g h p e r f o r m a n c e ，l o wc o s ta n dl o wp o w e r s oi th a sb e c o m eo n eo ft h em o s te x t e n s i v e l yu s e d e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r s t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ew h o l ec o n f i g u r a t i o no ft h ea r m s y s t e m a f t e rd e t a i l e d p r e s e n t sa t 9 1 r 4 0 0 0 8t h a tb a s eo nt h ea r m 7 t d m ic o r ef r o ma t m e l ，i tp a r t i c u l a r l y d i s c u s s e dh o wt os e tu pa ne l e c t r o n i co r i e n t a t i o ns y s t e ma c c o r d i n gt ot h ea r m t h i sp a p e r s t i l ld e t a i l e di n t r o d u c e dt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dp r i n c i p l eo fg p sa n dg s m w eg e tt h e l o n g i t u d ea n dl a t i t u d et h r o u g hg p s ，t h e ns e n dt h e s ei n f o r m a t i o nt oo t h e rp l a c e su s i n gs h o r t m e s s a g ei ng s mn e t w o r k t h i sk i n do ft e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di na l lk i n d so f f i e l d ss u c ha si n d u s t r yc o n t r o l ，t r a n s p o r t a t i o nm a n a g e m e n ta n dd a i l yl i f e a n di tw i l lb e u s e dm o r ea n dm o r ee x t e n s i v e l y k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，a r m ，g p sr e c e i v e r ，e l e t r o n i cl o c a l i z e r i i 7 6 3 7 4 1 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：蜥占月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：少年6 月彤日 南京理工大学硕士学位论文 基于a r m 的定位系统的实现 1 嵌入式系统概论 随着社会的日益信息化，计算机和网络已经全面渗透到日常生活的每一个角落。 对于我们每个人来说，需要的已经不再仅仅是那种放在桌上处理文档、进行工作管理 和生产j 卒制的计算机“机器”。任何人都可能拥有从小到大的各种嵌入式技术的电子 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 等。目前，各种各样的新型嵌入式系统设备在应用数量上己经远远超过了通用计算机。 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 已成为当今最热门的概念之一，渗透入人们社会生 活的各个领域。 1 1 嵌入式系统的简介 1 1 1 嵌入式系统的历史 虽然嵌入式系统是近几年才风靡起来的，但是这个概念并非新近才出现。从2 0 世纪7 0 年代单片机的出现到今天各式各样的嵌入式微处理器、微控制器的大规模应 用，嵌入式系统已经有了近3 0 年的发展历史。 作为一个系统。往往是在硬件和软件双螺旋式交替发展的支撑下逐渐趋于稳定和 成熟，嵌入式系统也不例外。嵌入式系统最初的应用是基于单片机的。2 0 世纪7 0 年代 单片机的出现，使得汽车、家电、工业机器、通信装置以及成千上万种产品可以通过 内嵌电子装嚣来获得更佳的使用性能。这些装置已经初步具备了嵌入式的应用特点， 但是那时的应用只是使用8 位的芯片，执行一些单线程的程序，还谈不上“系统”的 概念。 扶8 0 年代早期开始，嵌入式系统的程序员开始用商业级的“操作系统”编写嵌入 式应用软件，这使得开发人员可以进一步缩短开发周期，降低开发成本并提高开发效 率。1 9 8 1 年，r e a d ys y s t e m 开发出世界上第一个商业嵌入式实时内核( v t r x 3 2 ) “1 。 这个实时内核包含了许多传统操作系统的特征，包括任务管理、任务间通信、同步与 相互排斥、中断支持、内存管理等功能。此后一些公司也纷纷推出了自己的嵌入式操 作系统，如i n t e g r a t e ds y s t e mi n c o r p o r a t i o n ( i s i ) 的p s o s 和w i n d r i v e r 的v x w o r k s ，q n x 公司的q n x 等。这些嵌入式操作系统都具有嵌入式的典型特点：它们均采用占先式 的调度，响应的时间很短，任务执行的时间可以确定；系统内核很小，具有可裁减性、 可扩充性和可移植性，可以移植到各种处理器上；较强的实时性和可靠性，适合嵌入 式应用。这些嵌入式实时多任务操作系统的出现，使得应用开发人员从小范围的开发 南京理丁大学硕士学位论文 基于a r m 的定位系统的实现 中解放出来，同时也促使嵌入式有了更为广阔的应用空间。 9 0 年代以后，随着对实时性要求的提高，软件规模不断上升，实时内核逐渐发展 为实时多任务操作系统( r t o s ) ，并作为- i * 软件平台逐步成为目前国际嵌入式系 统的主流。这时候更多的公司开始大力发展自己的嵌入式操作系统，出现了p a l m o s 、 w i n d o w s c e 、嵌入式l i n u x 、l y n x 、n u c l e u s 以及国内的h o p e n 、d e l t a o s 等嵌入式操作 系统。 今天r t o s 己经在全球形成了1 个产业，根据美国e m f ( 电子市场分析) 报告， 1 9 9 9 年全球r t o s 市场产值达3 6 亿美元，而相关的整个嵌入式开发工具( 包括仿真器、 逻辑分析仪、软件编译器和调试器) 则高达9 亿美元。 1 1 2 嵌入式系统的定义 根据i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) “1 的定义，嵌入式系统是“控制、监视 或者辅助设备、机器和车辆运行的装置”( 原文为d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o ro r a s s i s tt h eo p e r a t i o no f e q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 。这主要是从应用上加以定义 的，从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。 不过，上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的精髓。目前国内一个普遍被认同 的定义是：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。 可以从以下几个方面来理解国内对嵌入式系统的定义： 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合才会 具有生命力、才更具有优势。可以这样理解上述三个方面的含义，即嵌入式系统是与 应用紧密结合的，它具有很强的专用性，必须结合实际系统需求进行合理的裁减利用。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术以及各个行业的具体 应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、 不断创新的知识集成系统。 嵌入式系统必须根据应用需求可对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠 性、成本、体积等要求。所以，如果能建立相对通用的软硬件基础，然后在其上开发 出适应各种需要的系统，是一个比较好的发展模式。目前的嵌入式系统的核心往往是 一个只有几k b 至i j 几十k b 的微内核，需要根据实际的使用进行功能扩展或者裁减，也 正是由于这些微内核的存在，使得这种扩展能够非常顺利地进行。 同时还应该看到，嵌入式系统本身还是一个外延极广的名词。凡是与产品结合在 一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统，而且有时很难给它下一个准 确的定义。整个嵌入式系统可用下面的筒图加以描述，如图1 1 2 1 所示。 南京理工丈学硕士学位论文基于a r m 的定位系统的实现 1 , 1 3 嵌入式系统的特点 国1 1 2 1 嵌入式系统组成简图 从前面对嵌入式系统所作的定义可以看出嵌入式系统的几个重要特征”： 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要小得多。 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 统硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大 更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全不同 的概念。 3 系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功 能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。 4 ，高实时性的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 嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。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、系统函数以及专业库函数接口，用户必须自行选配r t o s ( r e a l t i m e o p e r a t i n gs y s t e m ) 开发平台，这样才能保证程序执行的实时陡、可靠性，并减少开 发时间，保障软件质量。 6 嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境。由于嵌入式系统本身不具各自主 南京理丁大学碗士学位论文 基干a r m 的定位系统的实现 开发能力，开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最 后的执行机，开发时需要交替结合进行。 1 2 嵌入式系统的分类 由于嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成，所以其分类也可以从硬件和软件进 行划分。 1 2 1 嵌入式系统的硬件 从硬件方面来讲，各式各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中最核心的部分。 目前，世界上具有嵌入式功能特点的处理器己经超过1 0 0 0 种，流行体系结构包括 m c u 、m p u 等3 0 多个系列。鉴于嵌入式系统广阔的发展前景，很多半导体制造商都 开始大规模生产嵌入式处理器，并且公司自主设计处理器也己经成了未来嵌入式领域 的一大趋势，其中从单片机、d s p 多j f p g a ，品种越来越多，速度越来越快，性能越 来越强，价格也越来越低。目前嵌入式处理器的寻址空间可以从6 4 k b 到1 6 m b ，处理 速度最快可以达蛰j 2 0 0 0 m i p s ，封装从几个引脚到几百个引脚不等。 根据其现状，嵌入式处理器可以分成下面几类： 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 嵌入式微控制器的典型代表是单片机。从2 0 世纪7 0 年代末单片机出现到今天，虽 然己有了2 0 多年的历史，但这种8 位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广 泛的应用。单片机芯片内部集成r o m e p r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、定时计数 器、看门狗、i o 、串行口、脉宽调制输出、a d 、d a 、f l a s h 、e e p r o m 等各种必要 功能和外设。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 制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。 由于m c u 低廉的价格和优良的功能，所以拥有的品种和数量最多，其中比较有 代表性的包括8 0 5 1 、m c s 2 5 l 、m c s 9 6 1 9 6 2 9 6 、p 5 1 x a 、c 1 6 6 1 6 7 、6 8 k 系列以及 m c u8 x c 9 3 0 9 3 l 、c 5 4 0 、c 5 4 1 ，并且有支持i c 、c a n b u s 、l c d 及众多专用m c u 和兼容系列。目前m c u 占嵌入式系统约7 0 的市场份额。近来a t m e l 推出的a v r 单片 杌由于集成了f p g a 等器件，所以具有很高的性价比，势必将推动单片机获得更高速 的发展。 嵌入式d s p 处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) d s p 处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进 行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令执行速度。在数字滤波、f f t 、频谱分析 南京理工大学硕士学位论文 基于a r m 的定位系统的实现 等各种仪器上d s p 获得了大规模的应用。 d s p 的理论算法在2 0 世纪7 0 年代就已经出现，但是由于专门的d s p 处理器还未出 现，所以这种理论算法只能通过m p u 等由分立元件实现。m p u 较低的处理速度无法 满足d s p 的算法要求，其应用领域仅仅局限于一些尖端的高科技领域。随着大规模集 成电路技术的发展，1 9 8 2 年世界上诞生了首枚d s p 芯片。其运算速度b b m p u 快了几十 倍，在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。至8 0 年代中期，随着c m o s 技术的 进步与发展，第二代基于c m o s 工艺的d s p 芯片应运而生，其存储容量和运算速度都 得到了成倍提高，成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。到8 0 年代后期，d s p 的 运算速度迸一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。9 0 年代后， d s p 发展到了第五代产品，集成度更高，使用范围也更加广阔。 目前最为广泛应用的是1 r i 的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 1 c 5 0 0 0 系列，另外如i n t e l 的m c s - 2 9 6 等也有很广泛的应用范围。 嵌入式微处理器( m i c r o - - p r o c e s s o ru n i t m p u ) 嵌入式微处理器是由通用计算机中的c p u 演变而来的。它的特征是具有3 2 位以上 的处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。但与计算机处理器不同的是， 在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功 能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。和常规计算机相比， 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。目前主要的嵌入式 处理器类型有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c - - 4 0 0 、p o w e r p c 、a r m s t r o n g a r m 系列等。 其q b a r m s t r o n g a r m 是专为手持设备开发的嵌入式微处理器，属于中档的价位。 嵌入式片上系统( s y s t e m - - o n - - c h i p ， s o c ) 片上系统s o c 是追求产品系统最大包容的集成器件，是目前嵌入式应用领域的热 门话题之一。s o c 最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入 操作系统的代码模块。而且s o c 具有极高的综合性，在一个硅片内部运用v h d l 等硬 件描述语言，实现一个复杂的系统。用户不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大 复杂的电路板连接焊制，只需要使用精确的语言。综合时序设计直接在器件库中调用 各种通用处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。由于 绝大部分系统构件都是在系统内部，整个系统就特别简洁，不仅减小了系统的体积和 功耗，而且提高了系统的可靠性，提高了设计生产效率。 1 2 2 嵌入式系统的软件 在软件方面，嵌入式系统主要可以依据操作系统的类型划分。目前嵌入式系统的 软件主要有两大类：实时系统和分时系统，其中实时系统又分为两类：硬实时系统和 5 南京埠丁r 人学硕士学位论文 基于a r m 的定位系统的实现 软实时系统。如图1 2 2 1 所示。 图1 , 2 2 1 嵌入式系统分类 实时嵌入式系统是为执行特定功能而设计的，可以严格地按时序执行功能。其最 大的特征就是程序的执行具有确定性“1 。在实时系统中，如果系统在指定的时间内未 能实现某个确定的任务，会导致系统的全面失败，则系统被称为硬实时系统。而在软 实时系统中，虽然响应时间同样重要，但是超时却不会导致致命错误。一个硬实时系 统往往在硬件上需要添加专门用于时间和优先级管理的控制芯片，而软实时系统则主 要在软件方面通过编程实现时限的管理。 当然，除了上述分类之外，还有许多其他分类方法，比如从应用方面分为工业应 用和消费电子等，在这里就不一一赘述了。 1 3 嵌入式系统的应用领域 嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景，其应用领域可以包括： 1 工业控制 基于嵌入式芯片的工业自动化设备具有很大的发展空间，目前已经有大量的8 、 1 6 、3 2 位嵌入式微控制器应用在工业过程控制、数控机床、电力系统、电网安全、电 网设备监测、石油化工系统等领域。就传统的工业控制产品而言，低端型往往采用的 是8 位单片机，但是随着技术的发展，3 2 位、6 4 位的微处理器逐渐成为工业控制设备 的核心，在未来几年内必将获得更大的发展。 2 交通管理 在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，嵌入式系统技术己经获得了 广泛的应用。内嵌g p s 模块、g s m 模块的移动定位终端已经在各种运输行业获得了 成功的使用。目前g p s 设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭，人们可以随时 随地找到自己的位簧。 3 信息家电 这将成为嵌入式系统最大的应用领域，冰箱、空调等的网络化、智能化将引领入 6 善 基叵 丑亟 南京酬t 犬学硕士学位论文 基于a r m 的定位系统的实现 们的生活步入一个崭新的空间。即使不在家里，也可以通过电话线、网络进行远程控 制。在这些设备中，嵌入式系统将大有用武之地。 4 家庭智能管理系统 水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，其中嵌有的专用控制芯 片将代替传统的人工检查，并实现更高、更准确和更安全的性能。目前在服务领域中， 一些手持设备已经体现出了嵌入式系统的优势。 5 p o s 网络及电子商务 公共交通无接触智能卡( c o n t a c t l e s ss m a r t c a r d ，c s c ) 发行系统、公共电话卡发 行系统、自动售货机、各种智能a t m 终端将全面走入人们的生活，手持一卡就可以 行遍天下。 、 6 环境监测 环境监测包括水文资料实时监测、防洪体系、水土质量监测、堤坝安全、地震监 测网、实时气象信息网、水源和空气污染监测等。在很多环境恶劣、地况复杂的地区， 嵌入式系统将可实现无人监测。 7 ，机器入 嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化、高智能方面优势更加明显，同时会大幅 度降低机器人的价格，使其在工业领域和服务领域获得更广泛的应用。 除了以上这些应用领域，嵌入式系统己经进入到现代社会人们生活的方方面面， 可是说是“无处不在”。另外，所有基于网络的远程控制器件都需要与嵌入式系统之 间实现接口，然后再由嵌入式系统来控制并通过网络实现控制。所以，开发和探讨嵌 入式系统有着十分重要的意义。 1 4 嵌入式系统的现状和发展趋势 1 4 1 嵌入式系统的现状 随着信息化、智能化、网络化的发展 进入2 0 世纪9 0 年代，嵌入式技术全面展开 嵌入式系统技术将获得广阔的发展空间。 目前已成为通信和消费类产品的共同发展 方向。 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，美国已开始由 模拟电视向数字电视转变，欧洲 约d v b ( 数字电视广播) 技术己在全球大多数国家推 广。数字音频广播( d a b ) 也已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日益重要。所有上述产品中，都离不开嵌入式系统技术。在个 人领域中，嵌入式产品将主要是作为个人移动的数据处理和通信软件。由于嵌入式设 南京理工大学硕士学位论文 基于a r m 的定位系统的采现 餐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以很大的亲和力。多 样化的特殊功能如手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像 也己取得初步成效。目前一些先进的p d a 在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音 发布，应用范围日益广阔。尉于企业专用解决方案，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 于a t m 机、自动售货机、工业控制等专用设备，和移动通信设备、g p s 、娱乐相结合， 嵌入式系统同样可以发挥巨大的作用。近期长虹推出的a d s l 产品，就是把网络、控 制、信息结合起来，这种智能化、网络化将是家电发展的新趋势。 硬件方面，不仅有各大公司的微处理器芯片，还有用于学习和研发的各种配套开 发包。目前低层系统和硬件平台经过若干年的研究，已经相对比较成熟，实现各种功 能的芯片应有尽有。 从软件方面讲，也有相当多的成熟软件系统。国外商品化的嵌入式实时操作系统， 已进入我国市场的有w i n d r i v e r 、m i c r o s o f t 、q n x 年 1 n u c l e a r 等产品。我国自主开发的 嵌入式系统软件产品如科银京成( c o r e t e k ) 公司的嵌入式软件开发平台d e l t a s y s t e m ， 中科院推出的h o p e f i 嵌入式操作系统等。 1 4 2 嵌入式系统的发展趋势 信息时代、数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展机遇。为嵌入式市场展现 了美好的前景，同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战。从中可以看出未来嵌入式 系统的几大发展趋势： 1 嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软 硬件系统本身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。例如三星公司在 推广a r m 7 ，a r m 9 芯片的同时还提供开发板和板级支持包( b s p ) ，而w i n d o w s c e 在主推系统时也提供e m b e d d e d v c + + 作为开发工具，还有v x w o r k s 的t o r n a d o 开发环 境，d e l t a o s 的l i m d a 编译环境等都是这一趋势的典型体现。 2 网络化、信息化的要求不断增强，使得以往单一功能的设备如电话、手机、 冰箱、微波炉等功能不再单一，结构更加复杂。这就要求芯片设计厂商在芯片上集成 更多的功能，嵌入式处理器由1 6 位发展至1 j 3 2 位、6 4 位r j s c 芯片，信号处理器d s p 增强 处理能力，同时增加功能接口( 女n u s b ) ，扩展总线类型( ! l i c a n b u s ) ，加强对多 媒体、图形等的处理，逐步实施片上系统( s o c ) 的概念。软件方面，采用实时多任 务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计，保障软件质 量和缩短开发周期。 3 网络互联成为必然趋势。未来的嵌入式设备为了适应网络发展的要求，必然 要求硬件上提供各种网络通信接口。传统的单片机对于网络支持不足，而新一代的嵌 入式处理器己经开始内嵌网络接口，除了支持t c p f l p 协议，有的还支持i e e e l 3 9 4 ， u s b ，c a n ，b l u e t o o t h 或i r d a 通信接口中的一种或者几种，同时也提供相应的通信组 网协议软件和物理层驱动软件。软件方面，系统内核支持网络模块，甚至可以在设备 上嵌入w e b 浏览器，真正实现随时随地用各种设备上网。 4 精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本。未来的嵌入式产品是软硬件 紧密结合的设备，为了降低功耗和成本，需要设计者尽量精简系统内核，只保留和系 统功能紧密相关的软硬件，利用最低的资源实现最适当的功能，这就要求设计者选用 最佳的编程模型和不断改进算法，优化编译器性能。因此，软件开发人员既要有丰富 的硬件知识，又需要发展先进嵌入式软件技术，如j a v a ，w e b 和w a p 等。 5 提供友好的多媒体人机界面。嵌入式设备能与用户亲密接触，最重要的因索 就是它能提供非常友好的用户界面、图像界面和灵活的控制方式。这方面的要求使得 嵌入式软件设计者要在图形界面、多媒体技术土多下功夫。手写文字输入、语音拨号 上嘲、收发电子邮件以及彩色图形、图像都会使使用者获得自由的感受。目前一些先 进的p d a 在显示屏幕上己实现了汉字写入、短消息语音发布，但一般的嵌入式设备距 离这个要求还有很长的路要走。 、 1 5 本文主要工作和内容安排 本课题讨论将g p s 定位技术和现有的通信网络结合起来实现的电子定位系统， 论文涉及的研究内容围绕基于a r m 微处理器和g s m 短消息业务的定位系统的设计 及实现而展开。 本文主要工作如下： 1 ) 引入嵌入式系统和a r m 微处理器的基本概念。通过比较市场上常用的几种 a r m 内核的性能功耗，选用a r m 7 t d m i 为内核的a r m 芯片作为本系统 的核心控制芯片。 2 ) 详细论述了g p s 模块的基本原理和工作流程，g s m 网络的组成、业务、信 道特征及系统优势，介绍了s i m 卡的结构和功能以及短消息业务起源、体 系结构、优缺点、主要应用等各方面情况，并在此基础上得到采用g s m 短 消息业务的可行性和必然性。 3 ) 对整个系统的设计进行深入细致地探索完成电子定位系统的设计与实现， 硬件部分包括主要组成部分m c 3 5 模块和a r m 微处理器的作用和功能 软 件部分包括软件实现的g p s 模块的信息接收、短消息的编解码发送等。给 出了系统软件设计的主程序和主要子程序的流程图，介绍了整个系统开发过 程中难点及克服方法。 0 南京理工大学硕士学位论文基于a r m 的定位系统的实现 本文各章节主要内容如下： 第一章：详细阐述了嵌入式系统的相关知识：嵌入式系统的发展历史、基本定义、 综合特点、大体分类以及广阔的应用领域和发展前景等。并在最后综合论述了本文的 研究工作。 第二章：比较了市场上常用的几种a r m 内核；阐述了a r m 系列微处理器的体 系结构，包括a r m t h u m b 双指令集、处理器模式、寄存器组织等 最后详细介绍了 a r m 7 t d m i 的体系结构。 第三章：介绍了本系统所用到的a t 9 1 r 4 0 0 0 8 的嵌入式微处理器的硬件开发平 台，特别详细的说明了a t 9 1 r 4 0 0 0 8 的基本结构及工作流程。并对整个硬件开发平台 的存储系统，通讯接口等作了详细的介绍。 第四章：论述了g p s 接收机和g s m 功能模块的基本原理和基于a r m 的软件调 试环境。详细阐述了在此开发平台上应用g p s 和现有通信网络相结合所实现的电子 定位系统，针对各个功能的具体实现、软件开发都有详细的论述。并阐述了整个软件 的编译调试过程。 第五章：讨论了整个系统开发过程中存在的问题和不足之处，并对系统提出了改 进方案，有待于进一步优化。 0 南京理工大学硕士学位论文 基于a r m 的定位系统的实现 2 a r m 处理器概述 2 1a r m 系列嵌入式处理器 2 1 1a r m 系列微处理器体系特点 a r m 嵌入式微处理器在业界使用最为广泛。在2 0 0 1 年初，占有市场份额己经超 过了7 5 ，已成为移动通信、手持计算、多媒体数字消费等嵌入式解决方案的r i s c 标准。 a r m 公司是知识产权供应商，是设计公司。它本身不生产芯片，只转让内核设 计许可。得到内核设计方案的合作伙伴公司以此内核为中心，增加接口和设备来设计 生产各具特色的处理器芯片，这些遵循a r m 体系结构的芯片都可称为a r m 芯片，如 a t e m e l 的a t 9 1 、a t 7 5 系列，c i r r u s l o g i c 的e p 7 2 、e p 7 3 、c l p s 系列等等“1 。 a r m 系列处理器具备的特点如下： 小体积、低功耗、高性能、成本低、功能强。 特有3 2 1 6 位双指今集。 具备d s p 等扩充臼。 提供了两个前沿特性嵌入式i c e ，r t 逻辑和嵌入式跟踪宏核系列用以辅 助带有深嵌入式处理器核的、高集成的s o c 器件的调试。 。 全世界范围有超过1 0 0 个合作伙伴包括半导体工业的著名公司。借助于来 自第三方开发者的广泛支持，设计者可以使用丰富的标准开发和调试工具，以及优化 的应用软件。 a r m 处理器目前有5 个产品系列：a r m 7 ，a r m 9 ，a r m 9 e ，a r m l 0 是4 个通用 处理器系列。s e c u r c o r e 是第5 个产品系列，是专门为安全设备而设计的。 2 1 2 常见a r m 内核性能比较分析 自a r m 7 问世以来，新版本的a r m 内核不断推出，性能不断提高。由下图可见 ( 图2 1 2 1 ) ，目前a k m 系列微处理器内核包括了从1 0 0 m i p s 到1 0 0 0 m i p s 各种性 能的产品。 让我们再来比较一下a r m 系列微处理器的几个关键特性。下表( 表2 1 2 1 ) 对 a r m 7 t d m i 、a r m 9 t d m i 、a r m 9 e - - s 和a r m l 0 e 的关键特性进行了比较。 分析下上面两图的数据，我们不难理解为什么目前市场上应用最广的是 a r m 7 t d m i 系列的微处理器，因为它1 0 0 m i p s 的性能，0 2 5 m w m h z 的平均功耗( 最 南京理工大学硕士学位论文 基于a r m 的定位系统的实现 大功耗不超过5 0 m w ) ，已经能够适应绝大多数嵌入式应用所需要的计算能力。 a r m 7 t d m i 的1 0 0 m i p s 的计算能力和小于5 0 m w 的功耗，可以大大增强g p s 接收 机的实时处理能力，同时大大降低整机功耗。而且多余的计算能力还可以用在其他的 一些辅助应用功能上。因此，我们选用a r m 7 t d m i 微处理器来实现这个电子定位系 统，可以获得极佳的性价比。 图2 1 2 1 常见a r m 内核的性能比较 表2 ，1 2 1 几种a r m 内核关键特性的比较 a r m 内核a r m 7 t d m ia r m 9 t d m i a r m 9 e - sa r m l o e 结构版本a r m v 4 t a r m v 4 ta r m v 5 t ea r m v 5 t e 3 级，5 级，5 级，6 级， 流水线，总线结构 冯一诺伊曼结构哈佛结构哈佛结构哈佛结构 平均功耗 o 2 50 2 6o 51 5 m w ，m h z 时钟速度 1 0 02 2 01 6 02 2 5 m h z ( 最坏情况) 每条指令 1 01 51 51 2 执行周期 9 2 0 t ，9 2 2 t ，9 2 6 e j s ，1 0 2 2 e ， 派生a r m 核 7 2 0 t ，7 4 0 t 9 4 0 t4 8 e - s1 0 2 0 e 南京理工大学硕士学位论文基于a r m 的定位系统的实现 2 2a r m 处理器的体系结构 2 2 1r i s c 体系结构 a r m 处理器是典型的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) 处理器。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 复杂指令计算机) “1 计算机的 指令集随着计算机的发展而引入了各种各样的复杂指令，使得指令集以及它的实现机 构越来越复杂，己经不堪重负。经过大量的研究和分析，发现在c i s c 的指令集中大 概有2 0 的指令被反复使用，使用量约占整个程序的8 0 ；而有8 0 左右的指令则很 少使用，其使用量约占整个程序的2 0 。这就是所谓的2 0 - - 8 0 定律。r i s c 体系结 构的目的就是使用很少的指令高效地完成所有工作。 r s c 指令集能使流水线处理器更有效地执行，还能使编译器生成更优化的代码， 其特点为： 简单且统一格式的指令译码； 大部分指令可以单周期执行： 只有加载指令和存储指令访问存储器； 简单的寻址方式： 三地址指令格式； 较多的寄存器； 数据处理指令只对寄存器的内容进行操作： 对称的指令格式。 2 2 2a r m t h u m b 双指令集 a r m 微处理器同时支持a r m 指令集和t h u i t l b 指令集。a r m 指令集是3 2 位的指令 集，把一些常用的a r m 指令压缩成1 6 位操作码就得到了t h u m b 指令集。在执行时， 1 6 位指令透明地实时解压缩成为全3 2 位a r m 指令且没有性能损失。虽然t h u m b 指令 是1 6 位长度，但其操作寄存器中全部为3 2 位值，而且数据访问和取指使用的也是全3 2 何地址。这是因为一条命令由“指令”和“操作数”两部分组成，3 2 位至1 1 6 位的压缩 仅仅针对“指令”。使用t h u m b 指令编写的程序可以存放在1 6 位的存储器中，这样在、 1 6 位的系统价格下仍然可得到3 2 位的性能。且t h u m b 指令集比通常的1 6 位c i s c ! r i s c 指令集有更好的代码密度。这意味着程序存储器可以更小，因而降低了成本。 正在执行t h u m b 指令集的处理器必须是工作在t h u m b 状态下，正在执行a r m 指令 集的处理器必须是工作在a r m 状态下。每个指令集都包括切换处理器状态的指令。 a r m 处理器总是在a r m 状态下开始执行代码。 1 3 南京理工大学硕士学位论文 基于a r m 的定位系绒舶宴现 2 2 3 处理器模式 a r m 处理器支持7 种处理器模式： 用户模式c u s r ) ：执行程序的标准状态模式： 系统模式( s y s ) ：操作系统的种优先级用户模式； 快速中断( f i q ) ：f a s ti n t e r r u p tr e q u e s t ，用来支持数据传输或快速中断处理； 普通中断( i r q ) ：i n t e r r u p tr e q u e s t ，用来处理一般的中断模式； 管理模式( s v c ) ：操作系统的保护模式； 中止模式( a b t ) ：当取指令或数据发生中断时； 未定义模式( u n d ) ：当执行一种未定义的指令时。 其中，用户模式和系统模式称为非异常模式，其他5 种称为异常模式。操作模式 的切换可以由软件来控制，也可以因为外界中断或异常处理而导致发生。大多数应用 程序工作在用户模式。非用户模式可称之为优先模式，通常都是用来为中断或异常提 供服务或者用来访问受保护的资源“3 。 2 2 4 寄存器组织 删处理器在每种处理器模式下能使用1 6 个通用寄存器r 0 r 1 5 和一个当前程 序状态寄存器c p s r ( c u r r e n tp r o g r a ms t a t u sr e g i s t e r ) ；但在s 种异常模式中还能使用 一个程序状态保存寄存器s p s r ( s a v e d p r o g r a m s t a t u s r e g i s t e r ) 。各种模式下的r o b r 7 物理上都是指向l 司样的8 个3 2 位寄存器，f i q 模式下使用的r 8 r 1 2 物理上指向独立 的4 个寄存器，其它非f i q 模式下使用的r 8 r t 2 物理上指向同样的4 个寄存器。这样 在处n f i q 中断时无须保存任何寄存器，能减少上下文切换的开销。 r 1 3 通常用做堆栈指针。称为s p 。5 种异常模式下使用的r 1 3 是自己单独的一个寄 存器。这样就允许了每种异常模式设立自己单独的堆栈。 r 1 4 用作链按寄存器l r ( l i n kr e g i s t e r ) 。当执行带链接分支( b l ) 指令时( 如 调用子程序或进入异常处理程序时) ，r 1 4 得t t j r l 5 ( 程序计数器p c ) 的拷贝。在其 它情况下，将r 1 4 当做通用寄存器。5 种异常模式下使用的r 1 4 也是自己单独的一个寄 存器，这样就允许了异常模式的嵌套。 r 1 5 用作程序计数器( p c ) 。写r 1 5 的通常结果是将写至i j r l 5 中的值作为指令地 址，并以此地址发生转移。 在所有处理器模式下访问的c p s r 物理上都是指向相同的一个寄存器。它包含条 件码标志、中断禁止位、当前处理器模式以及其它状态和控制信息。而每种异常模式 都有一个自己单独的程序状态保存寄存器s p s r 。当异常出现时，s p s r 用于保留c p s r 的状态。 】4 南京理工大学硕士学位论文 基于a r m 的定位系统的实现 2 2 5 异常 异常( e x g e p t i o n ) 。1 由内部或外部源产生，将引起处理器跳离当前程序，进入相 应异常处理器模式，执行异常处理程序。在处理异常之前，处理器状态必须保留，以 便在异常处理