（测试计量技术及仪器专业论文）基于arm的嵌入式系统设计.pdf

摘要 论文题目：基于a r m 的嵌入式系统设计 学科专业：测试计量技术及仪器 研究生：宫晓华 指导教师：高宗海教授 李大成副教授 摘要 签名： 签名： 签名： 随着计算机技术和集成电路技术的发展，基于3 2 位a r m 微处理器的嵌入式系统对仪 器仪表行业的发展产生了越来越重大的影响。a r m 微处理器的应用，使仪器仪表更加智能 化、网络化，操作更加人性化、简单化，功能更加完善。同时，具有高性能、低功耗、低 成本等诸多优点的a r m 微处理器在消费电子、工业控制和汽车电子等诸多行业得到了广泛 的应用。 本文以嵌入式系统设计作为具体的研究对象，选取a r m 微处理器作为嵌入式设计的核 心，系统地研究了以a r m 和嵌入式操作系统pc 1 i n u x 为基础构建嵌入式丌发平台的相关 理论和新近技术。采用了软硬件协同设计的方法实现了嵌入式系统设计。 本文在分析了嵌入式系统的基本概念和重要组成部分的基础上，详细介绍了a r m 核及 a r m 微处理器体系结构，并对a r m 7 t d m i s 核的操作状态及处理器工作模式作了具体描述。 同时，根据a r m 微处理器芯片的选型原则，选定了s a m s u n g 半导体公司的s 3 c 4 4 b o x 和 p h i l i p s 半导体公司的l p c 2 2 9 0 芯片，着重介绍了芯片的功能和工作原理。 本文的重点是嵌入式开发平台的软硬件设计。硬件电路设计包括最小系统电路、存储 器扩展电路、j t a g 调试接口电路、串行接口电路、i2 c 接口电路和人机交互电路设计以及 硬件电路调试过程；软件部分主要包括嵌入式操作系统c 1 i n u x 的移植过程、图形用户 界面m i n i g u i 的移植过程和在硬件平台的uc 1i n u x 操作系统中利用m i n i g u i 实现人机交 互界面的设计过程。在嵌入式操作系统uc l i n u x 的移植过程中，详细介绍了如何建立u c l i n u x 交叉编译环境、如何添加用户程序、如何编写设备驱动程序等内容。 本文的设计成果为今后研究室嵌入式应用项目的开发奠定了基础，达到了课题研究的 目的。 关键词：嵌入式系统；a r m ； uc 1 i n u x ；m i n i g u i 塞 西安理工大学硕士学位论文 t i t l e ： m a j o r e ： n a m e ： t h ed e s i g no fe m b e d d e ds y s t e mb a s e d o na r m t e c h n o l o g y i n s t r u m e n t a t i o no ft e s t i n ga n dm e a s u r i n g x i a o h u ag o n g s u p e r v i s o r ：p m f z o n g h a ig a o a s s o c i a t ep r o f d a c h e n gl i a b s t r a c t s i g n a t u 怕：! 丝! 睹 s i g n a t u r e ：出d s i g n a t u r e ：丛丛鲨f l w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n di n t e g r a t e dc i r c u i t st e c h n o l o g y , t h e e m b e d d e ds y s t e mb a s e do n3 2 b i ta r mp r o c e s s o rh a sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti m p a c to n i n s t r u m e n t s d e v e l o p m e n t t h ea p p l i c a t i o no fa r mp r o c e s s o rm a k e si n s t r u m e n t sm o r e i n t e l l i g e n t i a l a n dn e t w o r k i n g ，t h eo p e r a t i o no fi n s t r u m e n tm o r eh u m a n i s t i ca n ds i m p l e ，t h e f u n c t i o no fi n s t r u m e n t sm o r ea d e q u a t e m o r e o v e r , a r mp r o c e s s o ri sw i l d e r l yu s e di nc o n s u m e r e l e c t r o n i c s ，i n d u s t r yc o n t r o la n da u t o m o t i v ee l e c t r o n i c s ，w i t ht h em e r i t so fh i g h p e r f o r m a n c e ， l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n dl o wc o s t t h ed e s i g no fe m b e d d e ds y s t e mi st a k e na sac o n c r e t er e s e a r c ho b j e c t ，a n dt h ea r m m i c r o p r o c e s s o ri ss e l e c t e dt ob et h ec o r eo fe m b e d d e dp l a t f o r m t h er e l a t e dt h e o r ya n dl a t e s t t e c h n o l o g yo fb u i l d i n ga ne m b e d d e ds y s t e mb a s e do na r ma n de m b e d d e do si _ t c l i n u xi s r e a l i z e dw i t l lc o d e s i g nm e t h o do fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e i nt h i st h e s i s ，b a s e do na n a l y z i n gt h eb a s i cc o n c e p to fe m b e d d e ds y s t e ma n di t si m p o r t a n t p a r tt h ea r m c o r ea n dt h ea r c h i t e c t u r eo fa r ma r ei n t r o d u c e d m o r e o v e r , t h eo p e r a t i n gs t a t u s a n dt h ew o r kp a t t e r no f t h ep r o c e s s o ra r ec o n c r e t ed e s c r i b e d t h e n ，a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo f s e l e c t i n ga r m ，t h ec h i pl p c 2 2 9 0p r o d u c e d b yp h i l i p sa n ds 3 c 4 4 b o xp r o d u c e d b y s a m s u n ga r e s e l e c t e d m o r e o v e r , t h ef u n c t i o na n do p e r a t i o n a lp r i n c i p l ea r ec o n c r e t e i n t r o d u c e d t h ee m p h a s i so ft h i st h e s i si st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no fe m b e d d e dp l a t f o r m t h ed e s i g no fh a r d w a r ec i r c u i t si n c l u d e st h ed e s i g no fm i n i m a ls y s t e mc i r c u i t ，e x t e n d e ro f m e m o r i z e r , j t a gd e b u g g i n gi n t e r f a c ec i r c u i t ，s e r i a li n t e r f a c ec i r c u i t ，1 2 ci n t e r f a c ec i r c u i ta n d m a l l m a c h i n ei n t e r a c t i v es y s t e mc i r c u i t s ，a n dt h ed e b u g g i n gp r o c e d u r eo fh a r d w a r ec i r c u i t s t h ed e s i g no fs o f t w a r ei n c l u d e sp o r t i n go fe m b e d d e do sp c l i n u x ，p o r t i n go fm i n i g u ia n dt h e d e s i g no fh u m a nm a c h i n ei n t e r f a c ew i t hm i n i g u io ne m b e d d e do sr t c l i n u x i nt h ep r o c e s so f p o r t i n go fe m b e d d e ds y s t e mi | t c l i n u x ，i tm i n u t e l yi n t r o d u c e sh o wt oc r e a t ec r o s sc o m p i l i n g 2 摘要 e n v i r o n m e n t ，h o wt oa d dr i s e rp r o g r a m ，h o wt oc o m p i l ed e v i c ed r i v e ra n ds o0 1 1 t h ed e s i g nr e s u l t so ft h i st h e s i se s t a b l i s has o l i df o u n d a t i o no fd e v e l o p i n ge m b e d d e d a p p l i c a t i o na n da c h i e v et h ea i mo f t h ea s s i g n m e n t k e yw o r d s ，e m b e d d e ds y s t e m ，a r m ，i x c l i n u x ，m i n i g u i 3 前言 前言 随着科技和工艺的进步，3 2 位微处理器的优势更加突显出来，将会成为嵌入式系统的 主流。在3 2 位嵌入式系统中，基于a r m 的应用占据了大部分的份额，其中国内又以a r m 7 的 应用更为普遍。目前在国内嵌入式系统是当前的一个流行和热门话题。而在嵌入式系统及 开发环境方面，目前仍有许多问题尚在研究发展之中，如，嵌入式系统的硬件软件协同设 计方法；嵌入式系统的多目标交叉编译和交叉调试工具的研究：具有良好人机交互特性的 复杂控制系统开发等。 本文以嵌入式系统设计作为具体研究对象，选取了嵌入式设计领域应用较为广泛的 a r m 7 微处理器作为嵌入式设计的核心，系统研究并实现了如何以a r m 以及嵌入式操作系统 pc l i n u x 为基础构建嵌入式开发平台。在此过程中，采用了软硬件协同设计的方法设计软 硬件体系结构，最大限度的挖掘了系统的软硬件能力。 本文共分为7 章，各章内容安排如下： 第1 章，简单介绍了嵌入式系统，包括对嵌入式系统的概念、嵌入式微处理器、嵌入 式操作系统以及嵌入式图形用户界面的介绍。同时，本章也就课题的主要内容和研究意义 作了简单阐述； 第2 章，阐述了嵌入式设计的核心 r m 微处理器的相关知识。主要包括对a r m 发展 过程、a r m 微处理器的主要系列及体系结构的说明和对a r m 芯片选型原则的介绍。同时，详 细阐述了a r m t t d m i - s 核的结构、操作状态及处理器工作模式； 第3 章，系统硬件电路设计。从本章到第5 章是嵌入式系统软硬件协同设计的三大重要 组成部分。本章属于硬件电路设计，第4 、5 章属于软件设计。本章首先对选定芯片的结构 和工作原理作了介绍，然后详细说明了如何实现围绕选定的芯片进行硬件电路设计。具体 包括最小系统设计、存储器扩展电路设计、j t a g 调试接口电路设计、串行接口电路设计、 1 2 c 接口电路设计和人机交互电路设计。同时，本章也给出了实验中进行硬件电路调试的 过程； 第4 章，介绍了如何实现嵌入式操作系统uc 1 i n u x 在l p c 2 2 9 0 上的移植。本章首先对 b o o t l o a d e r 程序的实现以及uc l i n u x 操作系统的概括和文件结构作了说明。然后介绍了利 用p c 机的l i n u x 系统和g n u 开发工具建立交叉编译环境并在此基础上完成操作系统移植的 过程。同时说明了如何将用户程序添加到| ic l i n u x 内核中。最后，本章给出了操作系统移 植的关键部分设备驱动程序的设计过程，包括i 字符设备驱动程序设计，l c d 驱动程 序设计和触摸屏驱动程序设计； 第5 章，介绍了如何实现嵌入式图形用户界面m i n i g u i 在uc l i n u x 上的移植。主要包括： m i n i g u i 的简介、m i n i g u l 的运行模式和体系结构的说明和m i n i g u i 交叉编译的过程； 第6 章，介绍了在完成第3 至5 章工作的基础上，如何在实际应用中实现在目标板的操 作系统中利用m i n i g u i 开发人机交互界面的过程。详细介绍了人机交互界面的设计过程和 主要内容； l 西安理工大学硕士学位论文 第7 章，本章是全文的总结。同时，在总结课题工作的基础上提出了对系统有待改进 之处的展望。 i i 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者躲避。7 年歹月伊 学位论文使用授权声明 本人i i ! 镕墼空在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 i 已经在西安理工大掣申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：i ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：巡导师签名：燮屯7 年；月l 。f 日 1 t 绪论 i 绪论 1 1 背景介绍 在工业生产中仪器仪表起着至关重要的作用，8 0 年代以来，随着以单片机为代表的 嵌入式微处理器的应用以及微电子技术的日益成熟，以单片机为主体，结合了计算机技术 和测量控制技术的智能仪器代替了传统仪表，应用范围越来越广泛。该类仪器虽然具有价 格低廉、设计较容易以及能够进行一定程序控制操作能力等优点，但是，随着科学技术的 发展，对仪器仪表提出了越来越高的要求，以8 1 6 位单片机为核心的智能仪器也暴露出了 许多不足：功能单一化、i o d 硬件资源不足、显示界面单一、存储容量小、独立工作时 功能较弱、较强功能要与p c 机联机才能实现、实时性能不强、人机交互复杂、操作不方便 等缺点。为了解决这些缺点，i o h 和外设资源较丰富、具有更大容量的存储器及更高的 存储器利用率、能够在目标板的操作系统上运行高级语言、具有更强大的人机交互界面技 术和网络功能支持的以3 2 位嵌入式微处理器为核心的嵌入式系统被应用到了智能仪器设 计领域。并且这种以3 2 位微处理器为核心的嵌入式系统具有高性能、低功耗、低成本等诸 多优点，必将成为未来智能仪器的发展趋势。 1 1 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统是指以应用为中心、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n 1 。 a 嵌入式应用的现状及趋势 近些年来，随着以计算机技术，通讯技术为主的信息技术的快速发展和i n t e r n e t 的 广泛应用，嵌入式系统已经越来越多的应用到工业控制、仪器仪表、汽车电子以及消费类 电子产品等各个领域。 在仪器仪表领域，近十几年来，数字技术的出现把模拟仪器的精度、分辨力与测量速 度提高了几个量级，为实现测试自动化打下了良好的基础。计算机的引入，使仪器的功能 发生了质的变化，从个别参量的测量转变成测量整个系统的特征参数。从单纯的接受、显 示转变为控制、分析、处理、计算与显示输出，从用单个仪器迸行测量转变成用测量系统 进行测量，计算机技术在仪器仪表中的逐步渗透。嵌入式的应用使得现代仪器仪表表现出 了如下几个特点：技术指标不断提高；高新技术大量采用；单个装置微小型化，智能化， 可独立使用，嵌入式使用和联网使用：测控范围向有关工作方式立体化、全球化扩展，测 量控制向系统化、网络化发展；便携式、手持式以至个性化仪器仪表大量发展。 b 嵌入式系统的组成 图卜l “1 是一个典型的嵌入式系统组成框图。由此可以看出，嵌入式系统是由软件及 硬件两大部分组成。其中，嵌入式系统硬件部分的核心是嵌入式微处理器，有时为了提高 系统的信息处理能力，常常外接d s p 和d s p 协处理器( 也可内部集成) 完成高性能信号处理。 西安理工大学硕士学位论文 随着计算机技术、微电子技术、应用技术的不断发展和纳米芯片加工工艺技术的发展，以 微处理器为核心的集成多种功能的s o c 系统芯片已成为嵌入式系统的核心。同时嵌入式微 处理器的一些外围设备，如存储系统、电源系统以及复位电路等也是嵌入式硬件系统中必 不可少的组成部分。而嵌入式系统的软件部分是由驱动层、操作系统层和应用程序层三部 分组成。驱动层是嵌入式软件部分与硬件部分的接口，操作系统层是整个软件部分的基础， 在此基础上才能够实现图形用户界面、文件系统以及应用程序的运行。嵌入式系统的硬件 必须根据具体的应用任务，以功耗，成本，体积，可靠性，处理能力等为指标来选择。嵌入 式系统的核心是系统软件和应用软件，由于存储空问有限，因而要求软件代码紧凑，可靠， 大多对实时性有严格要求。 图卜1 典型的嵌入式系统组成框图 f i g i - it y p i c a lc o m p o s i t i o n d i a g r a mo f e m b e d d e ds y s t e m c 嵌入式系统设计方法 早期的嵌入式系统设计方法，通常是采用“硬件优先”原则。即在只粗略估计软件任 务需求的情况下，首先进行硬件设计与实现。然后，在此硬件平台之上，再进行软件设计。 因而很难达到充分利用硬件软件资源，取得最佳性能的效果。同时，一旦在测试时发现问 题，需要对设计进行修改时，整个设计流程将重新进行，对成本和设计周期的影响很大。 这种传统的设计方法只能改善硬件软件各自的性能，在有限的设计空间不可能对系统做 出较好的性能综合优化，在很大程度上依赖于设计者的经验和反复实验2 1 。 9 0 年代以来随着电子系统功能的日益强大和微型化，系统设计所涉及的问题越来越 2 绪论 多，难度也越来越大。同时硬件和软件也不再是截然分开的两个概念，而是紧密结合、相 互影响的。因而出现了软硬件协同( c o d e s i g n ) 设计方法，即使用统一的方法和工具对 软件和硬件进行描述、综合、和验证。在系统目标要求的指导下，通过综合分析系统软硬 件功能及现有资源，协同设计软硬件体系结构，以最大限度地挖掘系统软硬件能力，避免 由于独立设计软硬件体系结构而带来的种种弊病，得到高性能低代价的优化设计方案2 1 。 因此，本课题对嵌入式系统的软硬件设计都有所涉及。在嵌入式系统硬件设计方面主 要考虑嵌入式微处理器的选择及其外围电路设计；而嵌入式系统软件设计方面，按照图l l 中的软件组成部分，分别涉及驱动程序的编写、操作系统和图形用户界面的移植以及 应用程序的编写。 下文将就嵌入式系统设计中的关键部分：嵌入式微处理器、嵌入式操作系统以及图形 用户界面系统分别做简单描述。 1 1 2 嵌入式微处理器 嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心部分，一般可以分为三类m ； a 嵌入式微处理器( m i c r o p r o c e s s o r ) 嵌入式微处理器就是和通用计算机的微处理器对应的c p u 。目前的嵌入式处理器主要 包括：a t m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、p o w e r p c 、m o t o r o l a6 8 0 0 0 、a r m 、m i p s 系列等等。 b 嵌入式微控制器m c u ( m i c r o c o n t r o i i e ru n i t ) 嵌入式微控制器又称为单片机，常见的单片机有8 0 5 1 。顾名思义，就是将整个计算机 系统集成到一块芯片中。它将c p u 、存储器( 少量的r a m 、r o m 或两者都有) 和其它外设封 装在同一片集成电路罩。 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。 c 嵌入式d s p ( d i g i t a is i g n a ip r o c e s s o r ) 嵌入式d s p 专门用来对离散时间信号进行极快的处理计算，提高了编译效率和执行速 度。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，用嵌入式d s p 处理器实现d s p 功能。 本课题所用的a r m 系列微处理器就是属于a 类微处理器。 1 1 3 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统的种类繁多，但大体上可分为两种商用型和免费型。 商用型的操作系统主要有v x w o r k s 、w i n d o w sc e 、p s o s 、p a l mo s 、0 s - 9 、l y n x o s 、 q n x 、l y n x 等。商用型的操作系统的优点是功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服 务，而且提供了如图形用户界面和网络支持等高端嵌入式系统要求许多高级的功能：缺点 是价格昂贵且源代码封闭性，这大大限制了开发者的积极性。 西安理t 大学硕士学位论文 免费型的操作系统主要有l i n u x 和“c o s - i i ，它们在价格方面具有很大的优势。 嵌入式系统需要的是一套高度简练、界面友善、质量可靠、应用广泛、易开发、多任 务，并且价格低廉的操作系统。因此，源代码公开的、免费的操作系统l i n u x 和烬0 s i i 在嵌入式系统设计中得到了广泛的应用。 下文将就目前常用的几款嵌入式操作系统作简单介绍“1 。 a i - i c 0 s - i l 嵌入式操作系统 此0 s i i 是一个可裁减的、源码开放的、结构小巧、可剥夺型的实时多任务内核，主 要面向中小型嵌入式系统，具有执行效率高、占用空间小、可移植性强、实时性能优良和 可扩展性强等特点。 v c o s i i 是真正的实时操作系统；最大程度上使用a n s ic 语言开发，现已成功移植到 近4 0 多种处理器体系上；结构小巧，最小内核可编译至2 k ( 这样的内核没有太大实用性) 适用于小型控制系统；具有良好的扩展性能。 b win c e 嵌入式操作系统 m i c r o s o f tw i n d o w sc e 是针对有限资源的平台而设计的多线程、完整优先权、多任务 的操作系统，但它不是一个硬实时操作系统。m i c r o s o f t 公司为w i n d o w sc e 提供了p l a t f o r m b u i i d e r 和e m b e d d e dv i s u a ls t u d i o 开发工具。 w i n d o w sc e 嵌入式操作系统最大的特点是能提供与p c 机类似的图形界面和主要的应 用程序。w i n d o w sc e 嵌入式操作系统的界面显示大多数在w i n d o w s 里出现的标准部件，包 括桌面、任务栏、窗口、图标和控件等等。这样只要是对p c 机上的w i n d o w s 比较熟悉的用 户，可以很快地使用基于w i n d o w sc e 嵌入式操作系统的嵌入式设备。 0 l i n u x 操作系统 l i n u x 类似于u n i x ，是一种免费的、源代码完全开放的、符合p o s i x 标准规范的操作系 统。实时性靠改造。 l i n u x 拥有现代操作系统所具有的内容：真正的抢先式多任务处理、支持多用户、内 存保护，虚拟内存、支持对称多处理机s m p ( s y m m e t r i cm u l t i p r o c e s s i n g ) 、符合p o s i x 标准、支持t c p i p 、支持绝大多数的3 2 位和6 4 位c p u 。 d j in u x 嵌入式操作系统 屺1 i n u x 是针对无m m u 微处理器开发的，已经被广泛使用在c o l d f i r e 、a r m 、m i p s 、 s p a r c 、s u p e r h 等等没有斓u 的微处理器上。此1 i n u x 的内核比原l i n u x2 o 内核小的多。但 保留了l i n u x 操作系统稳定性好，网络能力优异以及对文件系统的支持等主要优点。 比l i n u x 同标准l i n u x 的最大区别在于内存管理。标准l i n u x 的虚拟地址被送到删u ， 把虚拟地址映射为物理地址。p c i i n u x 针对没有m m u 的处理器，不能使用虚拟内存管理技术。 p c l i n u x 对内存的访问是直接的，即它对地址的访问不需要经过m m o 。p c l i n u x 仍采用存储 器的分页管理。采用实存储器管理策略( r e a lm e m e o r ym a n a g e m e n t ) 。 本系统设计中的嵌入式操作系统选择了p c i i n u x 操作系统。 4 绪论 1 ，1 4 嵌入式图形用户界面( g u i ) 图形用户界面设计是嵌入式软件设计一个至关重要的方面，用户通过g u i 与系统进行 交互，使得系统操作更加简便、直观。目前市场上较为成熟、应用范围较广的g u i 主要有： xw i n d o w s 系统、m i n i g u i 系统、q t e m b e d e d 系统等。下面将简单介绍这几款常用的g u i 系 统。 a xw i n d o w s 系统 xw i n d o w 是l i n u x 以及其他类u n i x 系统的标准g u i 。xw i n d o w 系统采用标准的 客户朋艮务器体系结构，具有可扩展性好、可移植性好等优点。但该系统的庞大、累赘和 低效率也是大家所共知的。 b o t e m b e d e d 系统 q t e m b e d d e d 是t r o l l t e c h 新开发的用于嵌入式l i n u x 的图形用户界面系统。 t r o l l t e c h 最初创建q t 作为跨平台的开发工具用于l i n u x 台式机。它支持各种有u n i x 特点的系统以及m i c r o s o f tw i n d o w s 。作为最流行的l i n u x 桌面环境之一的k d e 就是用 q t 编写的。 o t e m b e d d e d 以原始q t 为基础，并做了许多出色的调整以适用于嵌入式环境。 q t e m b e d d e d 通过q ta p i 与l i n u xi o 设施直接交互。那些熟悉并已适应了面向对象编 程的人员将发现它是一个理想环境。而且，面向对象的体系结构使代码结构化、可重用并 且运行快速。与其它g u i 相比，o tg u i 非常快，并且它没有分层，这使得o t e m b e d d e d 成为运行基于q t 的程序的最紧凑环境。 但是该系统不是开放源码的，如果要使用这个库，需要支付昂贵的授权费用。 c m i n i g u l m i n i g u i ( h t t p ：w w w m i n i g u i c o m ) 原是由魏永明主持和开发的一个自由软件项目， 现由北京飞漫软件技术有限公司维护并开展后续开发。飞漫软件以g p l 条款的形式发布 m i n i g u l ，也为专有及商用软件开发者提供商业授权。m i n i g u l 项目的最初目标是为基于 l i n u x 的实时嵌入式系统提供一个轻量级的图形用户界面支持系统。该项目自1 9 9 8 年底 开始到现在，已历经七年多的开发和应用过程，到目前为止，已经非常成熟和稳定，并且 在许多实际产品或项目中得到了广泛应用5 。 由于m i n i g u i 系统发展已经较为成熟稳定并且属于自由软件。因此本系统设计中的图 形用户系统选择m i n i g u i 进行开发。 1 2 课题内容 本课题是研究室的研究项目，旨在研究目前较流行的a r m 7 微处理器及其相关应用。课 题共分为以下几个主要方面： ( 1 ) 研究a r m 微处理器及其体系结构，并选定一款芯片，以此为基础进行硬件电路设 计： 西安理t 大学硕士学位论文 ( 2 ) 在掌握操作系统原理的基础上，比较几个应用较广泛的嵌入式操作系统。在选 定的a r m 7 微处理器上进行嵌入式操作系统的移植； ( 3 ) 研究图形用户界面m i n i g u i 的体系结构，在选定的操作系统上完成m i n i g u i 移植 的相关工作； ( 4 ) 在完成上述几点内容的基础上，以多通道电荷放大器控制面板设计为例，选定 软硬件环境下编写人机界面交互程序。 1 3 课题意义 随着科技和工艺的进步，3 2 位微处理器的优势更加突显出来，将会成为嵌入式系统的 主流。在3 2 位嵌入式系统中，基于a r m 的应用占据了大部分的份额，其中国内又以) d 良m 7 的应用更为普遍。目前在国内嵌入式系统是当前的一个流行和热门话题。而在嵌入式系统 及开发环境方面，目前仍有许多问题尚在研究发展之中，如，嵌入式系统的硬件软件协同 设计方法；嵌入式系统的多目标交叉编译和交叉调试工具的研究；具有良好人机交互特性 的复杂控制系统开发等。本课题作为研究室的研究项目旨在掌握a 跚7 微处理器的相关应 用，为今后的大量应用奠定了基础。 6 a r m 核及a r m 微处理器简介 2a r m 核及a r m 微处理器简介 2 1a r m 简介 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 是微处理器行业的一家知名企业，同时a r m 也代表 了该公司的一种技术，也是一类微处理器的统称。 1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国剑桥，设计了大量高性能、廉价、耗能低的r i s c 处理器、 相关技术及软件。该公司主要出售芯片设计技术授权。目前采用a r m 技术i p 核的微处理 器就是通常所说的a r m 微处理器。目前，总共有3 0 家半导体公司与a r m 签订了硬件技 术使用许可协议，其中包括i n t e l 、i b m 、l g 半导体、n e c 、s o n y 、p h i l i p s 这样的大公司。 至于软件系统的合伙人，则包括微软、升阳和m r i 等一系列知名公司 1 。 a r m 架构是面向低预算市场设计的第一款r i s c 微处理器，其使用范围已遍及工业控 制、消费类电子产品、通信系统、网络系统等各个领域，基于a r m 技术的微处理器应用约 占3 2 位微处理器7 5 以上的市场份额“1 。 2 2a r 处理器系列 a r m 微处理器目前包括下面几个系列，以及其它厂商基于a r m 体系结构的处理器：a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、a r m i o e 系列、s e c u r c o r e 系列、i n t e r 的x s c a l e 和i n t e r 的s t r o n g a r m 。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协。 其中，a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 和a r m i o 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。下文将详细介绍各种处理器的特点及应用领域”1 。 a a r m 7 微处理器系列 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： ( 1 ) 具有嵌入式i c e r t 逻辑，调试开发方便。 ( 2 ) 极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品。 ( 3 ) 能够提供0 9 m i p s 姗z 的三级流水线结构。 ( 4 ) 代码密度高并兼容1 6 位的t h u m b 指令集。 ( 5 ) 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 mo s 等。 ( 6 ) 指令系统与a r m 9 系列、a r m 9 e 系列和a r m i o e 系列兼容，便于用户的产品升级换代。 ( 7 ) 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 m 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。 a r m 7 系列微处理器包括如下几种类型的核：a r m 7 t d i i 、a r m ? t d m i s 、a r m 7 2 0 t 、a r m t e j 。 7 西安理t 大学硕上学位论文 其中，a r m 7 t 舳i 是目前使用最广泛的3 2 位嵌入式r i s c 处理器，属低端a 跚处理器核。 t d m i 的基本含义为： t ：支持1 6 为压缩指令集t h u m b ： d ：支持片上d e b u g ； m ：内嵌硬件乘法器( m u l t i p l i e r ) i ：嵌入式i c e ，支持片上断点和调试点； b r m 9 微处理器系列 a 啪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； ( 1 ) 5 级整数流水线，指令执行效率更高。 ( 2 ) 提供1 1 m i p s 删z 的哈佛结构。 ( 3 ) 支持3 2 位a 跚指令集和1 6 位t h u m b 指令集。 ( 4 ) 支持3 2 位的高速a m b a 总线接口。 ( 5 ) 全性能的删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。 ( 6 ) m p u 支持实时操作系统。 ( 7 ) 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 跚9 系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、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。 c a r m 9 e 微处理器系列 a r m 9 e 系列微处理器为可综合处理器，使用单一的处理器内核提供了微控制器、d s p 、 j a v a 应用系统的解决方案，极大的减少了芯片的面积和系统的复杂程度。a r m 9 e 系列微处 理器提供了增强的d s p 处理能力，很适合于那些需要同时使用d s p 和微控制器的应用场合。 a r m 9 e 系列微处理器的主要特点如下： ( 1 ) 支持d s p 指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。 ( 2 ) 5 级整数流水线，指令执行效率更高。 ( 3 ) 支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集。 ( 4 ) 支持3 2 位的高速a m 队总线接口。 ( 5 ) 支持v f p 9 浮点处理协处理器。 ( 6 ) 全性能的删，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。 ( 7 ) m p u 支持实时操作系统。 ( 8 ) 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。 ( 9 ) 主频最高可达3 0 0 m i p s 。 r 鹏系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、 存储设备和网络设备等领域。 8 a r m 核及a r m 微处理嚣简介 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。 d a r m l o e 微处理器系列 a r m i o 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，a r m i 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 i l i o e 系列微处理器的主要特点如下： ( 1 ) 支持d s p 指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。 ( 2 ) 6 级整数流水线，指令执行效率更高。 ( 3 ) 支持3 2 位a 蹦指令集和1 6 位t h u m b 指令集。 ( 4 ) 支持3 2 位的高速a m b a 总线接口。 ( 5 ) 支持v f p i o 浮点处理协处理器。 ( 6 ) 全性能的慨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。 ( 7 ) 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 ( 8 ) 主频最高可达4 0 0 m i p s 。 ( 9 ) 内嵌并行读写操作部件。 a r m i o e 系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控 制、通信和信息系统等领域。 a r m i o e 系列微处理器包含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 f f s 三种类型，以适用于 不同的应用场合。 2 3a r m 微处理器结构 2 3 1r i s c 体系结构 如前文所述，a r m 是基于r i s c 体系结构的微处理器。r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e t c o m p u t e r ) 即“精简指令系统计算机”，与传统意义上的c i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e t c o m p u t e r ) 即“复杂指令系统计算机”相对应。传统的c i s c 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 指令集的各种指令中，其使用频率却相差悬殊，大 约有2 0 的指令会被反复使用，占整个程序代码的8 0 。而余下的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 的概念，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率最高的简单指令，避免复杂指令；将指令长 度固定，指令格式和寻址方式种类减少：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“1 。 9 西安理工大学硕士学位论文 一般认为r i s c 体系结构具有以下特点： ( 1 ) 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。 ( 2 ) 使用单周期指令，便于流水线操作执行。 ( 3 ) 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