基于arm的嵌入式系统设计硕士学位论文(编辑修改稿)

基于arm的嵌入式系统设计硕士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

嵌入式微控制器又称单片机， 从 20 世纪 70 年代就出现到今天。 嵌入式微控制 器一般以某一种 微处理器内核为核 心，芯片内部集成 ROM/EPROM、 RAM、总线 、定时 /计 数器、 WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输 出、 A/D、 D/A、 Flash RAM、 EEPROM 等各种必要 功能和 外设。 为适 应不同 的应用 需求， 一般 一个系列的单片机 具有多 种衍 生产品 ，每种 衍生产 品的处 理器 内核都是一样的， 不同的 是存 储器和 外设的 配置及 封装。 这样 可以使单片机最大 限度地 和应 用需求 相匹配 ，功能 不多不 少， 从而减少功耗和成 本。 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。 嵌入式 微控制 器目前 的品 种和数量最多，比较 有代表 性的通 用系列包 括 5 AVR、 P IC、 MC68K等。 目前 MCU 占嵌入式系统约 60％的市场份额。  嵌入式 DSP 处理器 (Digital Signal Processor, DSP) DSP 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 DSP 算法，编译效 率较高，指令执行 速度也较高。 在数字滤波、 FFT、谱分析等方 面 DSP 算法正在大 量进入嵌入式领xx 大学硕士学位论文 5 域， DSP 应用正从在通用 单片机中以普通 指令实现 DSP 功 能，过渡到采用嵌入式 DSP 处理器。 推动嵌入式 DSP 处理器发展的另一个因 素是嵌 入式 系统的 智能化 ，例如 各种带 有智 能逻辑的消费类产品，生物信息识别 终端，带有加 解密 算法的键盘， ADSL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，而这些正是 DSP 处理器的 长处所在。 嵌入 式 DSP 处理器比较有代表性的产品是 Texas Instruments 的 TMS320 系列和 Motorola 的 DSP56000 系列。  嵌入式微处理器 (Microprocessor Unit, MPU) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的 CPU。 在应用中，将微 处理器 装配 在专门 设计的 电路板 上，只 保留 和嵌入式应用有关 的母板 功能 ，这样 可 以大 幅度减 小系统 体积 和功耗。 为了满足 嵌入式 应用 的特殊 要求， 嵌入式 微处理 器虽 然在功能上和标准 微处理 器基 本是一 样的， 但在工 作温度 和工 业控制计算机相比 ，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 ，嵌 入式处 理器 目前主 要有 Power PC、 68000、MIPS、 ARM 系列等。  嵌入式片上系统 (System On Chip) 随着 EDA 的推广和 VLSI 设计的普及化，及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一 个更为复杂的系 统的时代已来临，这就是 System On Chip(SOC)。 各种通用 处理器 内核将作为 SOC 设计公司的标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样，成为 VLSI设计中一种标准的器件，用标准的 Verilog 等 语言描述，存储在器件库 中。 用 户只 需定义 出其整 个应用 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 样整个 嵌入 式系统大部分均可 集成到 一块 或几块 芯片中 去，应 用系统 电路 板将变得很简洁， 对于减 小体 积和功 耗、提 高可靠 性非常 有利。 目前常见的 SOC 架构 包括 TriCore、 MCore、 ARM、 Neuron 等 系列。 特别需要提出的是 ARM 系列的应用最为广阔。 xx 大学硕士学位论文 6 ARM 处理器简介 ARM 嵌 入式 处理器是一 种高性能、低功 耗的 32 位 RISC 系列芯片。 它是英国先 进 R ISC 机器公司的产品。 ARM 公司只出售芯片技术 IP 授权 ，购买 授权的公司将 ARM 内核嵌入到 芯片中，通过总线将自己的外设和模块加入其中。 目前 A RM 芯片 广泛应用于无线产品、 PDA、 GPS、网 络、消费电子产品、 STB 及 智能卡。 采用 RISC架构的 ARM 微处理器三大特点归纳如下：  体积小、低功耗、低成本、高性能  支持 Thumb（ 16 位） /ARM（ 32 位）双指令集； 指令执行速度更快；寻址方式灵活简单，执行效率高  全球众多的合作伙伴， 拥有最完整的产业链 目前 非 常流 行的 ARM 核有 ARM7TDMI、 ARM720T、 ARM9TDMI、ARM920T、 ARM940T、 ARM946T、 AR M10T D MI、 AR M1156T 和 XSC A LE等。 ARM7 适 合于中 低端的 网络设 备、终端 、各种 通用型 的嵌入式应用和工业控制等领域。 ARM9 适合于 智能手机、 PDA 和先进的控制管理和仪 器仪表 应用。 Intel XSCALE 系列 产品提 供了高 性能价格比、低功 耗、适用 于智能 无线终 端、 PDA、家庭网 络和网 络存储器设备等应用。 此外， A RM 芯片还获得了许多实时操作系统（ RTOS）供应商的支持，比较出名的 有 Wi ndow s CE、 181。 C Li nux、 p SOS、 VxWor ks、181。 C/OS 和 Palm OS 等。 采用 AR M 核的嵌入式处理 器具有低功耗、低 成本等卓越性能和显著优点，越来越多的芯片厂商早已看好 A R M 的前 景。 ARM 处理器核得到了众多半导体厂家和整机厂商的大力支持，在 32 位嵌入式应用领域获得了巨大的成功，如 INTEL、 MOTOROLA、 NS、 ATMEL、PHILIPS、 NEC、 SONY 等世界 上几乎 所有知 名的半 导体公 司都获得了 ARM 公司的授权，开发具有自己特色的嵌入式系统芯片。 AR M 公 司具有 完整的 产业链， 其全球 合 作伙 伴主要 为半导体和系统伙伴、操作系统伙伴、开发工具伙伴、应用伙伴和 A RM 技xx 大学硕士学位论文 7 术共享计划伙伴。 AR M 公 司的紧密合作伙伴 已发展为 1 22 家半导体和系统合作伙伴、 50 家操作系统合 作伙伴、 35 家技术共享合作伙伴，并于 2020 年在上海成立中国全资子公司。 目前， 80%的 GSM 手 机， 99%的 CDMA 手机 ，以及未来 3G 手 机也都是采用 基于 ARM 核的嵌 入式处 理器。 提 供研究 分析信 息的机构Gartner Inc, 早在 1999 年， A R M 核就已突 破 1. 5 亿个，市场份额超过嵌入式处理器的 50%。 而最新的市 场调查表明， 在 2020 年度， ARM 占据 了整个 32 位和 64 位嵌入式微 处理器市场的 7 5%；2020 年度，占据了 %。 全世界已 使用 20 多亿个 AR M 核。 2020年 6 月份统计， 2020 年 ARM 在全球半导 体 IP 供应商中排 名第一，占市场份额的 %，销售收入达 亿美圆，比 2020 年增长 10%。 目前，除了像 TI OMAP, Intel 的 Xscale 和 Motorola 的 iMX 系列这样的移动终端处理器采用 ARM 核外，也 还有象 Samsung, Atmel, Sharp, OKI 和 Philip 等半导体公司设计一些通用 ARM 核的处理器，可以广泛应 用 在 各 种 嵌 入 式 系 统 ， 现 在 市 场 上 看 到 比 较 多 的 有Philip 的 LPC 系列、 Samsung 的 S3C44B0、 45 2410, Atmel 的AT91 系列和 Intel PXA255 等。 AR M 公司已经成为业界的龙头老大，“每个人口袋中都装着AR M”是 毫不夸张 的，应为 几乎所 有的手机 、移动设 备、 P DA 几乎都是用具有 ARM 核的系统芯片开发的。 本 文 主 要 研 究 的问 题背 景和 内容 本 文 主 要 研 究 的问 题背 景 从上面的阐述可以看出嵌入式系统的需求量很大，特别是在未来 10年嵌入式的需求量达到了巅峰。 从 IT产业在国内的发 展来看，国内设 备开发商有从众心理，为了可靠性，都去用别人用过的比较成熟的产品，但是这 些产品往往价格 昂贵，而且技 术核心都掌握在别人手里，长期受制于人，不利于自身的发展和成长。 由于嵌入式系统不同于以往 PC市场 ，硬件和软件已 经不可能出xx 大学硕士学位论文 8 像一家垄断的情况。 实际上对硬件及软件的选择来说，主要因素是由应用决定的，国内应该抓住这个机会加入到这个竞争行列中来。 ARM微处理 器因其 卓越的 低功耗 、高性能 在 32位 嵌入式 应用中已位居世界第一 ，是高性能 、低功耗嵌入 式处理器的代名 词。 为了顺应当今世界技术革新的潮流，了解、学习和掌握嵌入式技术，就必然 要学 习和掌握 以 ARM微 处理器 为核心 的嵌入式 开发环 境和开发流 程 ， 这 对 于研 究 和 开 发高 性 能 微处 理 器 、 DSP以 及 开 发基 于 SOC芯片设计及应用系统是非常必要的。 作为电子信息专业的本科 、 研究生很有必要了解和掌握 32位嵌入式应用 的开发技术。 通过对嵌入式的学习使学生具有较强的综合素质，成为具有良好的实际操作能力设计能力符合社会需求的开拓性电子应用人才。 所以，针对这一紧迫 的问题，就 特别需要在大专院 校开设嵌入式系统设计的实验课程。 本文所涉及的嵌入式系统设计，就是为了给高年级本科生、研究生提供一个可扩展的嵌入式系统设计平台。 本 文 主 要 内 容 描述 和安 排 本 文 以 上 述 的 设计 实 现 为 背景 ， 对 嵌 入式 系 统 的 总体 开 发 流程、功能论证、设计 原则、平台选 型和技术难点进行 探讨，不仅涉及嵌入式系统实现的一般方法，而且也对项目本身的细节进行了详细的描述。 与通用 PC系统相比，嵌入式系统于硬 件的关系更为密 切，因而每个设计都有自己特定的硬件平台。 本文将以笔者进行项目开发时设计的实验板为例子，介绍嵌入式系统开发需要使用的基本软硬件模 块 ：、 LED、 IIC、 SPI/SSP、 VIC、 A/D、 WDT、 UART、 GPIO、 RTC和低功耗等。 就嵌入式系统设计的工作量而言，系 统开 发的重点在于软 件，而 其 中 操 作 系统 内 核 的移 植 往 往是 整 个 设计 最 关 键也 是 难 度最 大的部分。 所以，我们在简要介绍基 于 ARM核的 LPC2136芯片的启动程序后，重点介绍 181。 C/OSII的移植过程这个部分。 论文通过对比研究，归纳、总结出嵌入式系统设计和实现过程xx 大学硕士学位论文 9 中所必需面对的问题、难点及其解决办法，以及在实际应用中，对嵌入式系统进行构建的诸多决定因素。 第二章 嵌入式系统总体设计 本章介绍当前流行的嵌入式设计流程，并针对嵌入式系统开发平台这一具体的项目功能要求，从硬件和软件两个角度分别进行分析，阐述嵌入式系统设计的总体设计 方案。 嵌 入 式 系 统 设 计方 法讨 论 在设计过程中，一个 好的学习方法可 以事半功倍，同样在嵌入式系统设计中，一个 合理、科学的 设计方法可以令 设计在规定的时间内很容易达到性能指标。 传统嵌入式系统在开发应用中，是按照瀑布式的流程进行的。 其工作模式简单，任务的划分协调、人员安排及物质材料的分配管理都比较简单。 如图 21 所示，全部开发都按流水线式进行。 图 21 瀑布式开发过程 这种开发采用的是软件开发与硬件开发分离的模式，虽然可以各部分独立进行，但不一定是系统综合 性能达到最佳。 各自部分的用户需求 硬件制作 硬件调试 软件编程 软件调试 最终产品 出错 出错 xx 大学硕士学位论文 10 修 改 和 缺 陷 很容 易 导 致系 统 集 成出 现 问 题， 这 些 问题 不 但 难于 定位，而且更重要的是 ，对它们的修 改往往会涉及整 个软件结构或硬件配置的改动。 显然，这是灾难性的。 为避免上述问题， 20 世纪 90 年代，国外有些 学者提出了一种新的开发方式 — 软硬件协 同设计方法。 首先，应用 独立于任何硬件和软件 的功 能性 规格 方法对 系统 进行 描述 ，其 作用是 对硬 件 /软件统一表示，便于 功能的划分和综 合；然后 ，从系统 的功能要求和限制条件出发对硬件 /软件 进行划分， 即对硬件 /软件的 功能模块进行分配，同时需要 对划分的结果做 出性能评估 、指令参数 评 估。 如果评估结构不满足要求，说明划分方案选择不合理，需要重新划分；以上重复直到获得一个满意的硬件 /软件实现为止。 图 22 就是该方法的框图。 图 22 软硬件协同设计方法 这种方法的特点在协同设计、协同测试和协同验证上，充分考虑了软硬件的关系，并在涉及的每个层次上给以验证，使得尽早发现和解决问题。 显然，对 于具体应用系统 而言，这 种方法很容易获得满足综合性能指标的最佳解决方案。 所以，我们的项目也是按照这种方法设计。 系统功能描述 硬件 /软件。