已阅读5页,还剩61页未读, 继续免费阅读
版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领
文档简介
摘要 摘要 随着电子系统对高处理能力、实时多任务、网络通信、超低功耗需求的增 长,3 2 位高端嵌入式处理器已经在国内得到了普遍的重视和应用。其中删处 理器以其优异的性能占据了目前市场7 0 以上的份额,因此,基于a r m 处理 器为核心的嵌入式系统的研究对当前电子工作者变得极具意义。 本课题针对高性能价格比、低运行成本和易开发实现的原则设计并制造了 由a r 9 1 褂订9 2 0 0 为核心的嵌入式系统开发平台,与已有同类开发平台比较,具 有高性能价格比、可靠迅速、可维护性高、可扩展性好、适用性强等优点。 本文主要从硬件和软件角度,详细地介绍了整个嵌入式系统开发平台各个 部分的硬件原理及制造过程,特别对重要器件的选取以及整个开发平台的搭建 过程进行的详细的描述。此外,本文的后半部分还对整个系统的软件平台搭建 以及产品的最后测试进行了介绍,为下一步开发作一定的准备。 关键词:嵌入式系统a r ml i n l l 】【高频设计a t 9 l 蹦9 2 0 0 a b s n a c t a b s t 隐c t w i mt l l ed e v e l o p m e n to fc 印a b i h t y ,删- 血n em l l l m 船k ,n e 愀c o m m u i l i c a t i o n 趾dl o w p o w e rc 0 璐衄叩t i o n ,3 2b 砥h i g he m b e d d e dp r o c e s s o rh 勰a l r e a d yg o ta 谢d e s p r e a da p p l i c a t i o ni nt h ew o r l d t h e 彤w i 也妇e x c e l l e n tc 印a b i l 时,t l l ea rm p r o c e s s o ri l 勰t a :k e nu pt h eg r e a tm 髂so f m a r k e ts h a r e sa tp r e s e m s ot l l es t u d yt ot h e e m b e d d e ds y s 胁b 鹪e do nt h ea r m p r o c e s s o rh 嬲b e c o m et ob em o s ts i g r d f i c 卸tt o 也ec u n 弓n te l e c l 蛐c s 、】l r 0 刊( e r s b e i n ga i m c da 士t h e 呻n c 啦l eo f t h eh i 曲p c r l 汹c e - p r i c e 枷o ,l o wr u nc o s ta n d e a s yd e v e l o p m e n ti e a l i 砑t i o i l ,t i l i sp 印e rd e s i 弘s 柚d 觚s h e st l l e 锄b e d d e ds y s t e m c e n t e r e do n 1 ea t 9 1 i 己m 9 2 0 0 c o m p 黜dw i n lc o n g e n 甜cs y s t e i n ,t h es y s t e mh a v e n 虻s 昀n gp o 血o ft h eh i 乒p e 响桃c e 一两c er 砸o ,h i 曲硎i b i l 畸,l l i 曲 m a i n _ t a i l l b i l 蚵,g o o de x p a m i b i l i t y 姐db e t t e ra p p l i c a b i l i t y 姐ds oo n f m mt l l ep o i n to fl l a r d w a r e 趾ds o f t w a r e s v i e w ,t l l i sp 印e ri n 订o d u c e st l :旧 址瞰1 w a r ep r i n c i p i u ma n dm 出m f k t i l r i n gp r o c e s so f e v e r yp a r to f t h ew h o l ee n l b e d d e d s y s t e m sd e v e l o p m e n tp l a t e f 0 肌i nd e t a i l ,p a r t i c l l l a r l yd e s c r i b e st h es e l e c t i o no f i m p o r t 姐t6 h i p s 卸dt h eb t l i l dc o u r s eo f 廿l ew h o l es y s t 锄d e v e l o p l e mp l a t f o r i n h l a d d i t i o i l ,t l l es e c o n dh a l fp a r to ft h ep a p 盯i l i 昀d u c e st h eb l l i l do ft h ew h o l es 0 f t w a r e p l a t f o lo f t h es y s t e m 趾dm e 缅a lt e s to f t h ep m d 毗锄dm a k ec e n a i np r e p a r a t i o n 矗l r 也en e x td e v e l o d m e n t 1 - e yw o r d s :e m b e d e ds ys 1 【e i i la j t ml i n u xh i g hs p e e da :r 9 1 r m 9 2 0 0 i i 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定, 同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本;学校有权保存学位论文的印刷本和电子版,并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文;学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务;学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版;在不以赢利为目的的前 提下,学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名:耄惑碉逸 孙6 年f 月2 7 日 经指导教师同意,本学位论文属于保密,在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名:学位论文作者签名: 解密时间:年月 日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下 慧蘸雾翻熊鬻 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师指导下,进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体,均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名:貔f 谢址 k 6 年r 月叼日 第一章引言 第一章引言 在i t 业界有这样一种说法,如果把公元2 0 0 0 年作为科技史的一个分水岭,那 么2 0 0 0 年之前可以称为“p c ”时代;而2 0 0 0 年之后则被称为“后p c ”时代。在 后p c 时代,形式多样的各种嵌入式产品,开始取代p c 机成为人们处理信息的一 大工具,小到m p 3 、手机、机顶盒、数码相机等微型数字化产品,大到网络家电、 智能家电、车载电子设备、工业机器人,在不知不觉中,嵌入式已经形成了一 个充满商机的巨大产业,并且成为整个软件业的发展一大支柱。【l 】 本文提出一种基于嵌入式系统的硬件开发平台的实现方案,已经实现了高 性能价格比,低运行成本的硬件开发电路板设计。本文从硬件、软件两方面层 层深入,既有理论,又有具体实现,总结了真正嵌入式开发平台开发的整个流 程,针对开发以及测试过程中的问题与难点做了详细论述,力求让每一位读者 可以对嵌入式系统的开发有一个深入的认识,甚至能够在本设计的硬件、软件 基础上进行下一步的开发工作。 本课题设计中主要有以下几个特点: l 、高性能价格比、低运行成本实现了基于a t 9 1 r m 9 2 0 0 为核心的嵌入式开发 平台,整个开发的总费用远远小于目前市面上一般产品的价格; 2 、本开发系统开发周期短,运行速度快,可靠性高,功能齐全,扩展性强; 3 、a r m 系统与未来的扩展系统分离设计,方便系统调试和系统的进一步应用。 本课题笔者所要完成的整个工作: 1 、调研目前市面的情况,对整个系统设计进行了可行性分析。 2 、确定了整个系统的软硬件平台的具体类型与结构。 3 、完成了整个系统硬件平台的设计、制造、焊接、调试等工作。 4 、完成了嵌入式开发环境的搭建。 5 、对整个系统进行了规划和分析,为下一阶段开发做准备。 第二章绪论 第二章绪论 本课题针对高性能价格比、低运行成本和易开发实现的原则设计设计并制 造了由a t 9 l r m 9 2 0 0 为核心的嵌入式系统硬件开发平台,可广泛用于开发、教 学等领域。 第一节嵌入式系统的概述 2 1 1 嵌入式系统的定义与发展轨迹 所谓嵌入式系统是以应用为中心,硬件上以嵌入式微处理器或微控制器或 其他口核为核心,软件以实时操作系统( r i d s ) 为基础,硬件可扩展,软件可 剪裁,满足应用对系统功能、实时性、可靠性、成本、体积、功耗等的严格要 求的电子应用系统。【2 】 嵌入式系统的发展历史悠久,早在电子数字计算机出现之前就有了把计算 装置嵌入在系统和设各之中的嵌入式系统,那时的计算装置是由一些凸轮齿轮 的机械量和电压电流模拟量实现的。到2 0 世纪5 0 年代第一代电子计算机 ( 1 9 4 6 1 9 5 7 年) 出现后的近2 0 年里,这类计算机主要器件由电子管、晶体管、磁 芯等组成,由于体积庞大,因而阻碍了在嵌入式系统中的发展。 嵌入式计算机的兴起是在2 0 世纪6 0 年代末电路集成化的第三代计算机时 期,由于在军事和空间领域的需求推动,而且在这一时期计算机技术取得重大 发展,如并行技术、先行控制、流水线、单总线结构、高速通用寄存器、强有 力的中断系统、交叉存取、操作系统等。 嵌入式系统的真正发展是在微处理器问世之后。2 0 世纪8 0 年代,随着微电 子工艺水平的提高,集成电路制造商开始把嵌入式应用所需要的微处理器、i 0 接口、a d 、d a 转换、串行接口以及m m ,r o m 通通集成到一个v l s i 中, 制造出面向i ,o 设计的微控制器,就是我们俗称的单片机,成为嵌入式系统异军 突起的新秀,其后发展的d s p 产品及多种口核的应用,则更多的提升了嵌入式 系统的技术水平( 单核及多核系统) ,如今,嵌入式系统已迅速地渗入到消费电 子、医用电子、智能控制、通信电子、仪器仪表、交通运输等各个领域。”1 1 4 1 2 第二覃绪论 一 2 1 2 嵌入式系统的简单结构 一般嵌入式系统主要是以嵌入式处理器或微控制器为核心、以相关电子器 件和部件为外部支撑,配以相应嵌入式软件组成,它是集软硬件于一体的可独 立工作的“器件”。嵌入式内核针对不同应用,可以是8 位、1 6 位微控制器0 讧c u ) , 也可以是3 2 位或6 4 位高性能嵌入式微处理器。相关外部支撑硬件包括显示卡、 存储介质 0 m 和i 乙a m 等) 、通讯设备、i c 卡或信用卡的读取设备等。嵌入式 软件包括与硬件相关的底层软件、驱动程序、信号处理、图形界面、通讯协议、 数据库系统、标准化浏览器和应用软件等。【5 l 第二节主流嵌入式系统软硬件介绍 2 2 1 删处理器现状 删( a d v a n c er j s cm h i n e s ) 是英国微控制器行业中的一家著名公司。该 公司设计了大量高性能、廉价、耗能低的i u s c 处理器,其相关技术及软件,具 有性能高、成本低的特点。a r m 处理器,不论是在p d a 、s t b 、d v d 等消费 类电子产品中,还是在g p s 、航空、勘探、测量等工业,军事产品中都得到了 广泛的应用。 u t m 提供一系列内核、体系扩展、微控制器和系统芯片方案,由于所有产 品均采用一个通用的软件体系,所以相同的软件可在所有产品系列中运行,兼 容的删内核分为越t m 7 、j u t m 9 、删l o 、s 仃o n g 蟓m 和x s c a l e 等几类, 其中每一类又根据其各自包含的功能模块而分成多种构成型的产品。 a r m 7 :a i t m 7 系列为低功耗3 2 位内核,基于v 3 结构,提供o 9 p s 瓜m z 的三级流水线和冯诺依曼结构,主要用于相对低端的消费类应用。删7 系列 中主要有不带m m u 的a r m 7 ) m i 、a r m 7 1 d m i 。s 以及带m m u 的删7 2 0 t 、 a l m 7 彤等。 a i m 7 t d m i :这是删公司授权用户最多的一项产品,将a r m 7 指令集 同n 眦b 扩展组合在一起,以减小内存容量和系统成本。同时,它还利用嵌入 式i c e 调试技术来简化系统设计。口:1 1 1 岫bd :d e b l l g g e rm :m l l l t i p l yi : e m b e d d e di c e1 a r m 9 系列:a i u 讧9 系列在高性能和低功耗特性方面寻求最佳平衡点,相 第二章绪论 对于基于v 3 体系的a r m 7 系列,基于v 4 体系的j 堰m 9 系列支持5 级流水线, 提供1 1 m p s 巾 z 的哈佛结构,处理器频率更高,性能也更加先进,其产品包 括a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 、a r m 9 4 0 t 。这一系列主要包括a i t m 9 6 6 e s 、 a r m 9 4 6 e s 、a r m 9 2 6 e j s 。 a r m1 0 :堰m1 0 采用a r m v s t ,六级流水处理,指令与数据分离的c a c h e 结构,平均功耗为1 0 0 0 m w ,时钟速度为3 0 0 m h z ,每条指令平均执行1 2 周期。 a r m l o 系列专为数字机顶盒、管理器、智能电话等高效手提设备设计,具备极 高的整数和浮点运算能力。 s t m n g a r m :性能很高,同时满足常规应用需要的一种微控制器技术,与 d e c 联合研制,后来授权给i n t e l 。s 1 0 处理器、s a l l 0 0 p d a 系统芯片和 s a l 5 0 0 多媒体处理器芯片均采用了这一技术。 ) 【s c a l e :1 1 1 t e l 发布的s 仃d n g a r m 的第三化架构,目前已正式上市的两款 x s c a l e 架构的处理器包括h l t e lp s a 2 5 和i m e lp x a 2 1 0 ,它们强化了前一代 s 仃o n 酗r m 处理器的性能,前者时钟可达4 0 0 m h z ,后者可达2 0 0 m i z ,x s c a l e 处理器代表了语音与数据相结合的市场需求,面向p d a ,掌上电脑、多媒体移动 电话以及其它无线网络产品市场。核心采用了英特尔先进的o 1 8 u m 工艺技术制 造,它具备低功耗特性,适用范围从0 1 m w 至1 6 m w ,x s c a i e 与s n g a r m 相 比,可大幅度降低工作电压并且获得更高的性能。【6 】 图2 1a r m 处理器的发展轨迹 第二章绪论 2 2 2 主流的嵌入式操作系统 嵌入式系统的发展历史悠久,然而,早期的嵌入式系统由于功能需求较为 简单,通过控制程序足以满足自动控制的需要,因此并没有操作系统的概念, 但随着硬件的发展,嵌入式系统的应用领域日益扩大,提供的应用功能也越来 越复杂,当初的控制程序被随之逐步加入了许多功能,而这些功能有很多是可 以由操作系统来提供的,于是专门用于嵌入式系统的专用的操作系统应运而生, 可见,嵌入式操作系统是由于工程实践的需要而诞生的。 图2 2 嵌入式系统的结构 从结构上看,嵌入式操作系统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。在功能上,嵌 第二章绪论 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等。但与通用操作 系统相比较,嵌入式操作系统由于其硬件平台和工作环境的不同,在功耗、体 积、可定制性、实时性、硬件的相关依赖性、软件固化以及专用性等方面具有 较为突出的特点。 一般情况下,嵌入式操作系统可以分为两类,一类是面向控制、通信等领 域的实时操作系统,如w i n d 融v e r 公司的v x w b r k s 、i s i 的p s o s 、q n x 系统软 件公司的q n x 、a t i 的n u c k l l s 等;另一类是面向消费电子产品的非实时操作 系统,代表有微软公司的w i n c e 、p o c k e tp c 、p a l h l 公司的p a l mo s 等。此外, l i i i u x 操作系统以其强大稳定的功能、广泛的跨平台支持、和丰富的软件资源, 以及其代码开源和免费的特点,在嵌入式系统中发展迅猛,在上述两个方面都 有一定程度的应用。目前的嵌入式系统应用中,v x w 酬l ( s 、w m c e 、p a l m o s 、 l i m 代表了现今的主流和未来的发展方向,下面将简单介绍工业应用中较多的 v x w b d ( s 、w m c e 、和l i n l l ) 【这三种操作系统。【7 j 1 、w m 删v e r 公司的v x w j r k s v x w b r l 【s 操作系统是美国晰n d 础v e r 公司于1 9 8 3 年设计开发的一种嵌入式 实时操作系统,是嵌入式开发环境t o m a d o 的关键组成部分。自发布以来,以其 高性能的内核、友好的用户开发环境、丰富的应用程序接口支持、无与伦比的 可靠性、广泛的应用环境,迅速得到了业界的认可,逐渐占据了实时嵌入式系 统市场的领先地位。 v x w j r l 【s 使用微内核技术,属于实时性操作系统,与其他嵌入式操作系统 相比,v x w b r l 【s 操作系统主要在以下几个特点。 实时性:v x w b r l 【s 具有非常优秀的的实时性,系统本身的开销很小,进程调 度、进程间通信、中断处理等系统公用程序造成的延迟也很短。其多任务机 制中对任务的控制采用了优先级抢占( p 砌珈p t i v ep r i o r i 哆s c h e d i l l i n g ) 和轮 转调度( r o 岫d - r o b i i ls c h e d i l l i n g ) 机制,也充分保证了可靠的实时性。 可靠性:对一些关键的控制过程,不仅需要操作系统能够在限定的时间内执 行完规定的功能,还需要保证执行的功能绝对正确、有效,这对操作系统的 可靠性的要求同样是极高的。在一点上,v x w j r l ( s 在实时操作系统中的优势 十分明显,在军用控制、航空航天等方面都得到了广泛的应用。 6 第二章绪论 扩展性:v x w b d ( s 符合p 0 s 1 0 0 3 1 b 实时接口标准,因此它的扩展性也是 极为优秀的,可以方便的和符合标准的构件整合,增加系统的功能。 开发环境:由于v x w j r l 【s 有图形化的集成开发环境t c 衄a d o 支持,具有用户 界面友好,功能强大等优点,降低了开发的难度,提高了效率。 可定制性:由于v x w b r k s 采用了微内核的技术,其内核仅为8 k b ,因此根 据需要自由选择系统模块后,总体的代码体积仍然可以很小,其灵活的可定 制性和可裁减性对许多特殊的应用场合都具有十分重要的意义。 总结:作为实时操作系统领域最为优秀的操作系统,v x w b r l ( s 的许可费用昂贵, 但由于在实时性和可靠性等方面的巨大优势。仍然得到了最为广泛的应用。 2 、微软公司的w i n c e 微软公司的呲w s 操作系统在个人p c 上一统天下,其在嵌入式系统领 域的w h c e 操作系统同样具有十分重要的地位。w m c e 是微软公司专为手持数 字设备以及工业控制等嵌入式应用设计的高效率系统,具有多平台应用、多任 务多线程支持、图形化开发、与w i n d o w s 接近的a p i 接口等诸多优点。其主要 特点包括: 硬件平台支持:w m c e 可运行于多种硬件平台,对a r m 、m 噼s 、p o w e r p c 等都有极好的兼容性。 多媒体应用:w m c e 提供了强大的多媒体支持,提供了大量的多媒体相关的 a p i 接口,并支持多种界面硬件。 开发环境:w m c e 的a p i 是属于w i l l 3 2a p i 的一个子集,其中各个函数接 口的使用方法与呲w s 并无很大的区别,因此,对在p c 平台上开发的 w i n d o w s 程序员而言,转入w m c e 的开发基本上没有太大的困难。另外, 微软还提供了在p c 上的w m c e 模拟环境、以及e m b e d d e d s u a lc + + 、 e m b e d d e dv i 吼j a ib 勰i c 等工具,使得w l n c e 的开发更为简单。这也是w 谊c e 系统的最大优势。 总结:尽管啪n c e 具有很强的多媒体支持、并提供了与w 证d o w s 操作系统相近 的a p i 接口和友好的开发环境,但它的内核体积相对其他一些老牌嵌入式系统 仍有较大的差距,其实时性也不是很好,这些特点都制约了w 协c e 在部分嵌入 式领域的应用。 3 、开源的l i n l l ) 【 l i i l l | 】【是当前最流行的操作系统之一。它具有高效、健壮、安全以及功能 第二章绪论 齐全等特性,因而赢得了人们的青睐。它是一个完全免费并且开放源码的类u l l i x 操作系统,来自世界各地的志愿者为这个充满魅力的操作系统的发展贡献着自 己的才能。无论是初学者还是资深的软件工程师,都有机会对这个操作系统进 行改进和完善,这一点,既是l i i l l | ) 【操作系统的魅力所在,也是l i i l l l ) 【得以不断 前进和发展的原因。 l i n i l 】【操作系统核心最早是由芬兰的l i n u st o r v a l d s1 9 9 1 年8 月在 c o m p o s m i n u x 新闻组发布的,随后,这个功能比m 肿强大得多的并且完全 免费的操作系统迅速得到了世界各地的软件工程师的拥护和支持,越来越多的 世界顶尖的软件工程师加入到l i l l l l ) 【的开发阵营当中,随着l i l l u x 操作系统的不 断修改和完善,l i n l l ) 【得以在全球普及开来,在服务器领域及个人桌面版得到越 来越多的应用,在嵌入式开发方面更是具有其它操作系统无可比拟的优势,并 以每年1 0 0 的用户递增数量显示了l i i l i 】【强大的力量。 l i n l l ) 【的内核与应用程序是分离的,并且由于l i n l l ) ( 内核的模块化设计非常 的好,因此不同于普通l i n l l 】( 发行版给人的体积庞大的印象,经过裁减后的l i i l l | ) 【 内核可以非常的小巧,完全可以应用于嵌入式系统的环境中。这样一个具备灵 活的可裁减特性、大量优秀的软件支援、多任务实现、超强的稳定性和可靠性、 广泛的硬件平台支持、性能优秀的网络接口、完全符合标准的p 0 s 接口的操 作系统,竟然是完全免费和开源的,可见l i n u x 操作系统在嵌入式系统应用领域 的优势。 然而,作为嵌入式操作系统,虽然l i n u x 有很多极为优秀的特性,但由于其 内核本身的设计,系统的实时性还与v x w b r k s 等商用系统有较大的差距,对于 这一点,一些厂商和l i 邮x 爱好者也提出了一些改进的方案,如r t - l i n l l ) 【等。 l i i l l l ) 【操作系统实时性上的差距,并不会影响它在对实时性要求不高的场合 的表现,凭借其超强的稳定性和免费的特点,l i n l ,) 【嵌入式系统已经对w m c e 构成了极大的威胁。 2 2 3主流嵌入式操作系统的比较 经过上面关于三种主流嵌入式操作系统的详细介绍,我们可以对它们进行 一个详细的对比,具体可以参考下面的表格: 第二章绪论 表2 1 主流嵌入式操作系统比较 系统特性v x 聃协r i 疆w 诅c el i n u x 最小内核体积极小较大较小 实时性 好 较差较差 稳定性好一般好 可裁减性好一般好 软件支持一般好好 开发环境好好一般 开发周期 短短一般 多媒体支持一般好一般 较高的购买费用需要支付购买费 支付费用免费 和版权费用和版权费 源代码 不提供不提供 开源 上述的三种操作系统,各自具有其独特的优势,占据了嵌入式操作系统应 用的绝大部分市场份额,将三种操作系统在嵌入式系统的各个特性上的表现做 了一下比较,从中可以很明显的看出各个操作系统的优点和不足。 9 第三章课题的提出与系统的整体规划 第三章课题的提出与系统的整体规划 第一节课题的提出 由于嵌入式本身所具有的便利灵活、性能价格比高、嵌入性强的特点,使 得嵌入式系统广泛应用于人类工作和生活的各个领域,可以说对人们的影响极 大,以至于人们对这样一个嵌入式广泛应用的时代称为“后p c 时代”。 对于现阶段通信、电子科学专业的学生来讲,熟练地掌握嵌入式系统的开 发与设计对于今后的科研或工作都是有着极其重要的意义。市面上目前出售的 以主流c p u ( a r m 系列) 为核心的硬件开发版虽然功能强,但是价格都比较昂 贵,这些系统对于我们学习和开发显得并不是很适合,所以科研组决定自己独 立开发出一套适合自己的基于a t 9 l r m 9 2 0 0 为核心的硬件开发平台。 第二节对课题的分析与整体规划的确定 在进行项目开发之前,必须要对具体课题有一个整体的分析,并根据需求 选择最为合适的解决办法。本节将对本次开发的功能需求进行归纳,由于系统 的实现涉及到硬件和软件等各个方面,因此要首先决定好系统的整体规划,最 后要根据整体规划来详细分析各个部分的具体实现方案。 3 2 1 对课题的分析与研究 在正式建立项目之后,我们首先要做的就是根据实际情况进行需求分析, 这样做的好处有: 只有对整个系统功能需求有一个明确的了解,我们才能够保证开发完成后产 品的最终效果可以满足事先预定的要求,不会出现某些特性的缺失。 对产品的需求进行详细的分析,可以帮助我们在系统整体规划过程中明确思 路,有助于整体设计的考虑;否则由于未能从全局考虑保证所有需求的实现, 在项目中途进行改动,会导致整体结构作比较大的修改,影响开发的周期。 确认产品的需求,就可以“恰到好处”的完成产品的设计,使最终完成的产品 达到够用、好用的程度,避免了由于需求的不明,造成部分开发出的特性不 i o 第三章课题的提出与系统的整体规划 能够得到充分的利用,而导致显性和隐性成本的浪费。 此外,由于需求的实现数量和复杂度直接与整体的工作量相关,因此,较 早的明确需求,有助于对项目的进行时间、难度、投入资源的前期估计。 3 2 2 整体规划的确定 综合以上的思考,我认为本次开发的产品实际上是上面用于教学科研目的, 出于进一步调研的目的,所以我们仅需要一些主要功能的实现,并且要求尽可 能地缩短该产品的开发周期;同时作为嵌入式硬件开发平台,我们还要考虑到 下一步开发,因此本次的研究成果应该可以对继续开发提供帮助:另外,出于 经验和学习的原因,还需要作一些开发的难度上、成本上、体积上、以及兼容 性方面的考虑。 最后,我们根据本次开发需要实现的需求确定了系统的整体规划: 在整个硬件开发电路板的基础上加入简单硬件接口,尽可能连接最少的硬 件,无需实现不必要的g u i ( 图像系统) 以及系统管理等较为复杂的功能。 出于系统将来要进行下一阶段开发的考虑,我们在软件和硬件上要保留进一 步扩充的接口( 设计上的) ,部分或绝大部分硬件和软件模块是可以重用的。 电路板大小设计上要合理,成本上则尽量压缩,根据需要的功能选择适合的 硬件,使用成熟技术,降低开发难度,减少开发风险,缩短整个设计的开发 周期。 3 2 3 整个系统设计的步骤 整个设计的规划确定以后,我们就需要根据具体的情况来搭建具有操作系 统的嵌入式硬件开发平台。这其中最为重要的要数m c u 的选择,因为它决定了 硬件平台的基本架构,另外还需要根据产品的需求和软硬件实现、成本体积等 综合因素,选择合适的软件和硬件方案并提供必要的接口。 以上就是整个系统设计我们预期的一个完整设计步骤,下面我们的工作就 是按照这个步骤来决定各个部分的解决方案。整个系统设计的步骤大体上可以 如下图所示,图中包含了主要设计部分的先后关系。后面我们将按照这个图表 依序对系统各个部分的设计方案选择进行详细的介绍。 第三章课题的提出与系统的整体规划 图3 1 系统的开发流程 第三节硬件平台的选择 3 3 1 主流m c u 的对比与选取 经过前面的介绍,目前市场上a r m 处理器的主要内核如下图所示 第三章课题的提出与系统的整体规划 表3 1a r m 处理器内核比较 特性a r m 7 t d a r m 7 2 0 ta r m 9 2 0 t 内核版本a r m v 3a r m v 3a r m v 4 c p u 结构 冯诺依曼冯诺依曼哈佛 流水线3 级3 级5 级 指令执行速率o 9 m m s 瓜皿1 z0 9 m 口s 爪皿l z1 1 m i p s m h z c 卸c h e不支持 支持支持 m 仉r不支持 支持支持 主要操作系统支w 协c e 、l i n u x 、眦c e 、l i n u x 、 持 u c l i n u x 、u c o s v x w 幽v x w b r k s 最高主频7 0 1 皿z1 3 0 m h z4 0 0 m h z 应用范围低端 中高端中高端 成本 很低较低较低 国内采购容易略难容易 由上表可以看出,a r m 7 m i 和墟m 7 2 0 t 从内核结构上并没有较大差别, a i 洲7 2 0 t 在a r m 7 t d m 【的基础上增加了指令数据c a c h e 和内存管理单元 ( h 咖) 。因此,u t m 7 2 0 t 和全功能c p ua 砌旧2 0 t 可以直接运行w m c e 、 l i n l l ) 【、v x w o r l 圆等操作系统,而a r m 7 t d m i 则只能使用不带m 仉7 的操作系 统,如u c l i n u x 。u t m 9 2 0 t 实际上是a r m 7 2 0 t 的替代产品,功能和执行效率 上较a i t m 7 2 0 t 都更为强大。成本上,a r m 7 2 0 t 内核的芯片价格与a i t m 9 2 0 t 内核芯片价格基本相当,外围芯片的支持也相似,在制作电路板上,删7 2 0 t 的m c u 使用两层板布线,其稳定性和速度都难以满足产品需求,因此仍然需要 使用与a i u 讧9 2 0 t 内核的m c u 同样的4 6 层布线。而在芯片采购方面,国内 a r m 7 2 0 t 的市场并不是很大,供货商相对较少。因此,最终的m c u 将使用基 于删9 2 0 t 内核的芯片。 国内基于m t m 9 2 0 t 内核的m c u ,主要是s a m s 阻g 、a 哑e l 、c i m 塔这三个 公司的产品,其中s 3 c 2 4 1 0 a 、a r 9 1 r 移2 0 0 和e p 9 3 1 2 的应用最为广泛,由于 使用相同的内核,它们的性能基本相同,区别主要在内部集成功能模块的不同。 上述三种m c u 的功能如表所示。 第三章课题的提出与系统的整体规划 表3 2 市面主流a r m 功能比较表 特性s 3 c 2 4 1 0 aa t 9 l r m 9 2 0 0e p 9 3 1 2说明 生产厂商s 嘲s l l n ga t n l e lc i r 眦 最高频率2 0 3 m h z1 8 0 z2 0 0 瞰z 1 0 0 m s ra m ,ss d r a m 控制 有有有 d r a mc o i l 仃d l 器 s t n 厂i 下tl c d c o n n o l l c d 控制器和 有无有 t b u c hp a n e l触摸屏支持 c o i 巾f o l e t h e m e tm a c无有有以太网控制器 u s b p o r t有 有有 a d c 有无无 r s 4 8 5无有有 a c 9 7i i i t e 血c e无无 有音频处理芯片 8 x 8k e y b o a r d 无无有键盘支持 e i d e无无有e i d e 支持 n 柚df l a s h支持从n a n d 有无无 b o o t l o a d e r f l a s h 中启动 m a v e r i c k c n m c h 协处理器,可 无无有提高浮点运算 m 抽e n g i i l e 能力 硬件i d ,可以 m a v e r i c k k e y 无无有为软件运行提 i d s 供s u r i t y 2 0 8 p q f p 封装2 7 2 f b g a3 5 2 p b g a 2 5 6 b g a 从上表可以看出,e p 9 3 1 2 功能强大,提供了l c d 控制器、a c 9 7 音效支持、 8 x 8 键盘扫描支持,以太网控制器,还集成了协处理器,这些对下一阶段的开发 都极为有利,但是由于c i 1 l s 公司在中国国内的代理较少,芯片非常不容易购 1 4 第三章课题的提出与系统的整体规划 买;另一方面,使用c i 姗s 公司的j 墟m 9 芯片的人相对较少,开发中很难得到 有效的技术支持;此外,值得注意的是,由于e p 9 3 1 2 的功能强大,因此其芯片 封装为3 5 2 p b g a 、足足多了8 0 根引脚,在开发板体积有限的情况下,无疑会增 加布线、布局的难度。从表中可以看出,a 呖e l 主要是提供了p q f p 封装,焊接 相对简单成本也较低,出于以上低风险,低成本,短周期的考虑我们最后选择 更适合于我们本次设计的a t 9 l r m 9 2 0 0 。哺1 3 3 2 系统开发板硬件模块 经过以上的分析与讨论,我们最后确定了硬件开发板的基本模块。从功能 上看,整个系统可以被分为三个部分: 核心控制部分:主要由m c u 、n o rf l 嬲h 和s d r 舢“组成,该部分负责控 制整个系统的运行。 对外接口部分:开发板我们提供了,r a g 接口和u a r t 接口,其中a g 接 口为嵌入式系统本身服务,用于程序下载和调试,u 触江接口是用于连接其 它外围设备以及提供命令交互接口。对于其它的接口部分我们设计了2 个 1 0 0 脚的排针,引出了一些必要的线路,如数据线、地址线、控制线等,为 下一步的开发提供便利。 下一阶段的开发可根据需要提供l c d 显示部分和键盘输入部分。 第四节软件平台的选取 前面分析提到,目前应用较广、资源较为丰富的多任务嵌入式操作系统有 v x w o r l 西、w m c e 和l i n l l 】( 这三种,其中前两者属于商用系统,需要支付许可费, 而l i n u x 则是完全免费的。v x w b d 盘的特点是实时处理极为优秀,但本系统对实 时性的要求不高,最重要的是v x w 硎k s 的购买费用极为昂贵,所以它并不在我 们本次设计的考虑之列。w m c e 长于多媒体功能和较好的开发环境,资源占用 率较高;l i 咄的优势则在于其是免费和透明的基于本次产品对多媒体特性要求 有限,并且作为终端,产品的数量较多,因此控制成本显得更为重要;另外, l i n u x 对各种芯片的支持都较好,驱动较易得到,同时l m l 可以提供完整的协 议栈,所以最后我们选择了三者中最为合适l i n i 】【作为嵌入式操作系统,它可以 完全满足产品的需要。 第三章课题的提出与系统的整体规划 第五节整个系统的开发步骤 针对于以上的综合考虑,最后我们确定了整个系统的开发步骤: 调研整个市场行情,进行必要的知识储备,确定系统核心器件,构想整个系 统的简单架构。 整个嵌入式系统的具体设计,包括高频电路设计的问题。 完成核心电路板印刷与焊接,进行电路的整体调试。 操作系统的裁剪与嵌入,软硬件开发环境的建立,上机测试通过。 1 6 第四章系统的硬件平台 第四章系统的硬件平台 第一节系统的硬件结构 在系统的硬件平台结构设计中,我们采用了目前比较通用的开发板与其它 外设分离式的设计,二者之间通过插针的形式进行连接,这样做的优点有: 由于系统中主要是c p u 与f l a s h 以及s d r a m 等核心器件的数据交流较多, 其总线频率较高,需要采用4 - 6 层板布线才可保持其稳定工作,而其他外围 器件通常只需要l o 姗z 以下的总线频率,两层电路板已足以满足要求。将 不同总线频率要求的器件分离,不仅可以降低系统制版的成本,还可以有效 的提高系统的稳定性,并降低系统布线的难度。 从开发成本上看,由于c p u 频率在1 8 0 z 左右,因此核心部分的设计必 须要考虑到高频信号干扰等诸多问题,布线过程复杂,因此必须考虑到布线 中可能遇到的种种困难,采用核心板与扩展板分离的做法,可以使得核心板 布线出现问题时,避免外围器件受到损失,这样可以极大地降低系统的风险 程度。 从下一阶段的研发看,二者在核心控制部分的区别不大,将核心控制部分与 扩展器件分离,其核心板可以直接应用于下一阶段的升级产品上,这样仅需 要设计扩展板即可完成硬件平台的开发,这样做可以说是最大程度合理地利 用了资源。 本次设计最终完成的硬件板有两块,核心板以及调试板( 未来可能加入扩 展板) 。其中核心板包括了核心控制器、电源模块、s d r a m 、n o rf l a s h 、j t a g 和扩展板接口这几个部分,其结构如图所示。 1 7 第四章系统的硬件平台 图4 1 系统的硬件架构 此外,由于开发调试的需要,还要提供一块用于调试的电路板与系统相连, 本次设计中我们采用了目前比较通用的串口接口,以后可能还需要以太网卡的 支持。 考虑到高频线路原因,本次系统开发,我们采用了4 层电路板的设计,具 体情况如下: 图4 2 四层电路板设计图 第四章系统的硬件平台 4 1 1 核心控制器册l r m 9 2 0 0 简介 a :n 位l 公司的a r 9 1 砌艘2 0 0 内部集成了一个堰m 9 2 0 t - a 则1 1 1 岫b 处理 器,功能强大,具体性能如下:【9 】【1 0 j 【i l 】 在1 8 0 z 时运行速度高达2 0 0 m 口s 内带1 6 k b 的数据c a c h e ,1 6 k b 的指令c h e ,写缓冲区 全功能的a 删 片内带有d e b i l g 通信通道的e m u l a t o r 内部内存 1 6 k b 的s r 舢“和1 2 8 k b 的r o m 外部总线e b i 接口 支持s d r 址i ,s 乜血cm e m o r y ,b u r s tf l 船h ,c o m p t f l 硒h ,s m 删e d i a 和 n 帅f l 船h 系统设备的增强功能 增强型的时钟发生器和电源管理控制器 带有两个锁相环的片振荡器 慢速的时钟操作模式和软件电源优化能力 7 四个可编程的外部时钟信号 包括周期性中断、看门狗和第二计数器的系统定时器 带有报警中断的实时时钟 带有调试模块,两线u a j 玎和支持d e b u g 的调试通道 带有八个优先级、可单个评比中断源 7 个外部中断源和一个快速中断源 四个3 2 位的p 1 0 控制器,可以达到1 2 2 个可编程引脚( 每个都有输入 控制、可中断及开路的输出能力) 2 0 通道的外部数据控制器( d m a ) 1 0 m ,1 0 0 m 网卡 m e d i a 砌e p e n d e n t 如c e 娜do r 眦e dm e d i ai i l d 印e n d e n ti i l t e r f k e ( r m 叮) 集成的f 0 s 和d m a 通道 u s b 2 o 从口1 个 在片收发器,2 k b 可配置集成的f 0 s 1 9 第四章系统的硬件平台 自动协议控制和快速数据传输 m m c 并支持一到二个s d 卡 3 个异步的串行控制器( s s c ) 对于每个收发器的独立的时钟和桢信号 高速3 2 位数据流传输 4 个u s a r t ( u n i v e r ! 出s ) m c h r o n o u s ,a s y i l c b r o n o l l sr 船e i v e r 仃h n s i i l i t t e r s ) 口 支持i s 0 7 8 1 6 t o 厂r 1s c 卡 硬件软件握手 r s 4 8 5 支持,i r d a 速度可达1 1 5 k b p s u a r t l 上支援m o d 锄协议 s p i 接口 8 1 6 位可编程数据长度,4 个外设芯片选择 2 个3 通道的定时计数器 3 个外部时钟输入,每个i ,o 通道有两个复用的i o 接口 p w m 生成,捕获波形模式,向上和向下计数兼容 2 无线接口 主模式支持,所有2 线的a n n e le e p r o m s 支持 整个核心器件的框图如下: 第四章系统的硬件平台 4 1 2 电源与复位模块
温馨提示
- 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
- 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
- 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
- 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
- 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
- 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
最新文档
- 石河子大学《中小学生心理辅导》2021-2022学年第一学期期末试卷
- 石河子大学《武术》2021-2022学年第一学期期末试卷
- 石河子大学《基本乐理》2021-2022学年第一学期期末试卷
- 沈阳理工大学《专题产品设计》2022-2023学年第一学期期末试卷
- 沈阳理工大学《新能源与分布式发电》2023-2024学年期末试卷
- 沈阳理工大学《人工智能》2023-2024学年期末试卷
- 沈阳理工大学《计算机网络实践指导》2022-2023学年期末试卷
- 警察现场救护学习通超星期末考试答案章节答案2024年
- 沈阳理工大学《光电子学》2022-2023学年期末试卷
- 沈阳理工大学《德语国家社会与文化》2022-2023学年第一学期期末试卷
- 医科大学2024年12月精神科护理学作业考核试题答卷
- 论青少年合理怀疑精神的培育
- 机关干部礼仪培训课件
- 安徽省合肥市2024年七年级上学期期中数学试卷【附答案】
- 成都铁路局招聘2024届高校毕业生663人高频难、易错点500题模拟试题附带答案详解
- 《剪映专业版:短视频创作案例教程(全彩慕课版)》 课件 第2章 剪映专业版快速入门
- 中考物理试题及答案经典大全集高分
- DB11T 854-2023 占道作业交通安全设施设置技术要求
- 2024-2025学年浙教版八年级上册科学期中模拟卷
- 第6课《我们神圣的国土》 (教学设计)-部编版道德与法治五年级上册
- 模拟电子技术说课
评论
0/150
提交评论