（通信与信息系统专业论文）基于arm9为核心的嵌入式系统开发平台设计.pdf

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