嵌入式系统选修

1、西安电子科技大学Xidian University嵌入式系统设计课程大作业（2015年下半学期）学院：电子工程学院专业：电子信息工程姓名：崔婕学号级：1402014目录Xidian University1、叙述JTAG接口在嵌入式开发中的作用。2、叙述嵌入式平台的搭建过程，以linux为例。3、给出现今有哪些用于嵌入式开发的芯片名称，他们分别是哪些公司的产品？体系结构是什么？4、 现今较流行的嵌入式操作系统有哪些？5、PXA270嵌入式开发板的接口有哪些？6、请写出Nor Flash和 Nand Flash的区别。7、冯。诺依曼架构与哈佛架构的区别。8、单周期3级流水

2、的情况下，第10个指令周期时，第几条指令执行结束？9、下面是linux下的一个简单的设备驱动程序，写出linux设备驱动常用的数据结构，同时阅读下面代码，请给出测试程序中的每条语句加以注释。（详情见后页）10、基于Intel Gilelo开发板，设计一个项目，项目题目自选，给出项目的总体设计图，以及对图中模块的功能分析，若可以，给出实现项目的详细设计和程序及代码，及实物。西安电子科技大学Xidian University1、JTAG接口在嵌入式开发中的作用。（原创）一、 引言JTAG接口为高速发展的嵌入式系统的测试和烧写提供便利，但仍有改进之处。二、 JTAG的定义JTAG(Joint Tes

3、t Action Group)：联合测试工作组) IEEE 1149.1兼容，多用于芯片内部测试和基于PCB的集成电路调试。大多数的高级器件及嵌入式平台都支持JTAG协议，如DSP、FPGA、ARM器件等。标准的JTAG接口是4线：TMS、TCK、TDI、TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。JTAG较于并口通信正因为其接口少速度快而广受青睐。三、 JTAG开发背景目前初学8051单片机等的硬件的学习者们最常见的编程方法是使用编程器（烧录器）编程，而过去的生产部门的负责人则常常会使用OPB模式编程。但硬件学习者在深入学习嵌入式接触到类似ARM的开发板就会注意到传统的编程方式对于日

4、益复杂的变成项目来说已经远远不够，一个小系统的烧录时间也长达分钟。同时在微电子与集成技术飞速发展的今天，工厂编程往往会考虑最大化生产效益，而新旧不同厂家生产的半导体器件编程时间各异，可获性不同，价格悬殊，甚至频繁变更编程规则。此时ATE编程在PCB设计过程中就弊端突出，高端元器件在OPB环境效率低下，嵌入式开发由于测试调控时间过长生产成本上升而生产周期长，上市困难，编程方式亟待更新。四、 JTAG特性JTAG主要是利边界扫描编程将指令通过处理器内部的TAP控制器转入FLASH中对芯片进行测试，通过大多数芯片边界扫描单元构成的边界扫描寄存器BSC回路进行，对不同半导体供应商所提供的元器件有很大的

5、兼容性。此通信方式不使用片上资源，即完全非插入式调试，只用一根专用电缆即可完成调试，标准的JTAG线路也只有4个。不仅于此，由于边界扫描寄存器是直接与内部逻辑相连，所以在调试时不用真正调用外部模块，在复杂的嵌入式生产的调试中十分安全。一方面它避免芯片管脚误触发外部器件的失误，另一方面又甚至可以在没有软件的情况下访问CPU连接的设备进行单板调试，大大缩短开发周期。西安电子科技大学Xidian University同时有很多类似EmbeddedICE基于JTAG的ARM内核调试通道，以EmbeddedICE为例，这种编程方式支持正常的断点，在调试中可得到完全的源代码级别调试功能，成为程序设计人员在

6、本地或基于ICE的调试中习惯采用的方式，JTAG的方便可见一斑。此外，通过JTAG来对flash烧写程序速度往往非常快，因为JTAG中的TCK线是来做时钟驱动的可以有自己的CPU时钟，所以不受被测试CPU系统时钟的限制。虽然设置时注意应不能过快使程序不稳定。五、 JTAG的改进之处虽然JTAG在嵌入式开放中应用广泛，但对于一些元器件仍有不兼容的情况。同时，烧写速度由不同的目标芯片来定，没有统一的标准，工程师们往往需要靠经验和摸索烧写速度，对不同的芯片还要查阅芯片手册了解各种芯片的系统时钟等特性，若生产商没有及时更新数据则会对测试带来不好的影响。六、 总结JTAG在嵌入式仿真方面提供的便利是巨大

7、的，本人也使用它完成STM32的调试，亲测比串口下载和人工调试方便很多，通过设置断点等方法非常方便的找出了程序的错误，在程序出错的地方根据推理设置一些断点和运行结果来判断错误类型等等，也很快学会了更多新东西。对于以后的应用想必前景也是巨大的。七、 附录参考文献：1.基于JTAG的嵌入式调试技术的研究_彭德刚仪表技术2008年底3期2.嵌入式系统中的JTAG接口编程技术_何希顺电子技术应用2001年第12期3.嵌入式系统开发与应用教程_田泽（北京航空航天大学出版社）4.JTAG百度百科5.编程器百度百科6.中国电子网技术论坛【关于jtag速度的奇怪问题】西安电子科技大学Xidian Univer

8、sity2、叙述嵌入式平台的搭建过程，以linux为例。嵌入式平台的搭建主要分为四个部分：1.开发环境的搭建2.BootLoader移植3.Linux操作系统移植4.根文件的移植1.开发环境的搭建Tftp及nfs安装与配置交叉编译器与SDK安装交叉编译器：（1） 针对目标板操作系统的编译器gcc；（2） 针对目标板操作系统的二进制编译工具binutils;（3） 目标办操作系统的标准c库glibc；（4） 目标板操作系统的Linux内核头文件。2.BootLoader移植嵌入式系统一般都需要Bootloader作为引导加载程序其中若选用Uboot作为引导加载程序，则如下：（1） 烧写NAND程

9、序（2） 装载完成后分别烧写NAND UBL与Uboot3.Linux操作系统移植内核修剪与配置内核下载与烧写4.根文件的移植nfs文件系统挂载启动嵌入式平台自启动西安电子科技大学Xidian University3、给出现今有哪些用于嵌入式开发的芯片名称，他们分别是哪些公司的产品？体系结构是什么？芯片名称公司体系架构龙芯中国科学院自主研发MIPS指令集Opteron A1100AMD(Advanced Micro Devices)Cortex-A57GX-210JAAMD(Advanced Micro Devices)X86AVRARMARMStellaris® Cortex-M

10、MCUIT(Texas Instruments)ARMTMS320C2000/C5000IT(Texas Instruments)ARMMCS-29IntelARMTriCoreSimensTriCorearm7ARMARMarm9ARMARM4、 现今较流行的嵌入式操作系统有哪些？据百度百科：PalmOSWindows CEWindows XP EmbeddedWindows Vista Embedded嵌入式LinuxECOSQNXLynxAndroiduTenuxuC/OS IIRT-threaduCLinuxFreeRTOSRTXArm-LinuxVxWorksRTEMSpSOSNuc

11、leus个人感受：红色字体我认为是与我们联系比较紧密的，就不都粘贴定义了。目前本人只是试用过ucosII，正在学习linux，个人感觉ucosII系统的多任务进程和自愿的中断部分比起之前学习的单片机的中断和程序的执行来说更有序，感觉更加友好。想必linux也是如此吧。西安电子科技大学Xidian University5、PXA270嵌入式开发板的接口有哪些？6、请写出Nor Flash和 Nand Flash的区别。性能比较flash闪存是非易失存储器，可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。任何flash器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行，所以大多数情况下，在进行写入操作之前必须

12、先执行擦除。NAND器件执行擦除 操作是十分简单的，而NOR则要求在进行擦除前 先要将目标块内所有的位都写为1。由于擦除NOR器件时是以64128KB的块进行的，执行一个写入/擦除操作的时间为5s ，西安电子科技大学Xidian University与此相反，擦除NAND器件是以832KB的块进 行的，执行相同的操作最多只需要4ms。执行擦除时块尺寸的不同进一步拉大了NOR和NAND之间的性能差距，统计表明，对于给定的一套写入操作（尤其是更新小文件时）， 更多的擦除操作必须在基于NOR的单元中进行。这样，当选择存储解决方案时，设计师必 须权衡以下的各项因素。 NOR的读速度比NAND稍快一些。

13、 NAND的写入速度比NOR快很多。 NAND的擦除速度远比NOR快。 NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路更加简单。 NAND的实际应用方式要比NOR复杂的多。 NOR可以直接使用，并在上面直接运行代码，而NAND需要I/O接口，因此使用时需要驱动。接口差别NORflash带有SRAM接口，有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地存取其内部的每 一个字节。NAND器件使用复杂的I/O口来串行地存取数据，各个产品或厂商的方法可能各不相同 。8个引脚用来传送控制、地址和数据信息。NAND读和写操作采用512字节的块，这一点有点像硬盘管理此类操作，很自然地，基于NAND的存储器就可以取代硬盘或其他块

14、设备。NOR的特点是芯片内执行(XIP, eXecute In Place),这样应用程序可以直接在flash闪存内运行,不必再把代码读到系统RAM中。NOR的传输效率很高,在14MB的小容量时具有很高的成本效益,但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。NAND结构能提供极高的单元密度,可以达到高存储密度,并且写入和擦除的速度也很快。应用NAND的困难在于flash的管理需要特殊的系统接口。NAND特点编辑容量和成本NAND flash的单元尺寸几乎是NOR器件的一半，由于生产过程更为简单，NAND结构可 以在给定的模具尺寸内提供更高的容量，也就 相应地降低了价格。NOR flash占据了

15、容量为116MB闪存市场的大部分，而NAND flash只是用在8128M B的产品当中，这也说明NOR主要应用在代码存 储介质中，NAND适合于数据存储，NAND在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards和M MC存储卡市场上所占份额最大。物理构成NAND Flash 的数据是以bit的方式保存在memory cell，一般来说，一个cell 中只能存储一个bit。这些cell 以8个或者16个为单位，连成bit line，形成所谓的byte(x8)/word(x16)，这就是NAND Device的位宽。这些Line会再组成Page，(NAND Flash

16、有多种结构，我使用的NAND Flash 是K9F1208,下面内容针对三星的K9F1208U0M)，每页528Bytes(512byte(Main Area)+16byte(Spare Area)，每32个page形成一个Block(32*528B)。具体一片flash上有多少个Block视需要所定。我所使用的三星k9f1208U0M具有4096个block，故总容量为4096*西安电子科技大学Xidian University（32*528B）=66MB，但是其中的2MB是用来保存ECC校验码等额外数据的，故实际中可使用的为64MB。NAND flash以页为单位读写数据，而以块为单位擦除

17、数据。按照这样的组织方式可以形成所谓的三类地址：Column Address：Starting Address of the Register. 翻成中文为列地址，地址的低8位Page Address ：页地址Block Address ：块地址对于NAND Flash来讲，地址和命令只能在I/O7:0上传递，数据宽度是8位。可靠耐用性采用flash介质时一个需要重点考虑的问题是可靠性。对于需要扩展MTBF的系统来说 ，Flash是非常合适的存储方案。可以从寿命（耐用性）、位交换和坏块处理三个方面来比较NOR和NAND的可靠性。寿命（耐用性）：在NAND闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次，而

18、NOR的擦写次数是十万次。NAND存储器除了具有10比1的块擦除周期优势，典型 的NAND块尺寸要比NOR器件小8倍，每个NAND存储器块在给定的时间内的删除次数要少一 些。位交换：所有flash器件都受位交换现象的困扰。在某些情况下（很少见，NAND发生的次数要比NOR多），一个比特位会发生反转或被报告反转了。这个问题对于用NAND存储多媒体信息时倒不是致命的。当然，如果用本地存储设备来存储操作系统、配置文件或其他敏感信息时， 必须使用EDC/ECC系统以确保可靠性。坏块处理：NAND器件中的坏块是随机分布的。以前也曾有过消除坏块的努力，但发现成品率太低，代价太高，根本不划算。NAND器件需

19、要对介质进行初始化扫描以发现坏块，并将坏块标记为不可用。在已制 成的器件中，如果通过可靠的方法不能进行这项 处理，将导致高故障率。易于使用可以非常直接地使用基于NOR的闪存，可以像其他存储器那样连接，并可以在上面直 接运行代码。由于需要I/O接口，NAND要复杂得多。各种NAND器件的存取方法因厂家而异。在使用NAND器件时，必须先写入驱动程序，才能继续执行其他操作。向NAND器件写 入信息需要相当的技巧，因为设计师绝不能向坏 块写入，这就意味着在NAND器件上自始至终都必须进行虚拟映射。软件支持当讨论软件支持的时候，应该区别基本的读/写/擦操作和高一级的用于磁盘仿真和 闪存管理算法的软件，包

20、括性能优化。西安电子科技大学Xidian University在NOR器件上运行代码不需要任何的软件支持，在NAND器件上进行同样操作时，通常 需要驱动程序，也就是内存技术驱动程序(MTD )，NAND和NOR器件在进行写入和擦除操作时都需要MTD。使用NOR器件时所需要的MTD要相对少一些，许多厂商都提供用于NOR器件的更高级软 件，这其中包括M-System的TrueFFS驱动，该驱 动被Wind River System、Microsoft、QNX Software System、Symbian和Intel等厂商所采用。驱动还用于对DiskOnChip产品进行仿真和NAND闪存的管理，包

21、括纠错、坏块处理和 损耗平衡。（纠正一点：NOR擦除时，是全部写1，不是写0，而且，NOR FLASH SECTOR擦除时间视品牌、 大小不同而不同，比如，4M FLASH，有的SECTOR擦除时间为60ms，而有的需要最大6S。）NOR FLASH的主要供应商是INTEL ,MICRO等厂商，曾经是FLASH的主流产品，但现在被 NAND FLASH挤的比较难受。它的优点是可以直接从FLASH中运行程序，但是工艺复杂，价格比 较贵。NAND FLASH的主要供应商是SAMSUNG和东芝，在U盘、各种存储卡、MP3播放器里面的都是这种 FLASH，由于工艺上的不同，它比NOR FLASH拥有更

22、大存储容量，而且便宜。但也有缺点，就是无法寻址直接运行程序，只能存储数据。另外NAND FLASH 非常容易出现坏区，所以需要有校验的算法。在掌上电脑里要使用NAND FLASH 存储数据和程序，但是必须有NOR FLASH来启动。除了SAMSUNG处理器，其他用在掌上电脑的主流处理器还不支持直接由NAND FLASH 启动程序。因此，必须先用一片小的NOR FLASH 启动机器，在把OS等软件从NAND FLASH 载入SDRAM中运行才行，挺麻烦的。来源：百度百科“Nor flash”、“Nand flash”重新编排西安电子科技大学Xidian University7、冯。诺依曼架构与哈

23、佛架构的区别。前言：私以为嵌入式是哈佛结构未来占据的领域。冯诺依曼结构在计算机领域最为著名。此题我认为only Vonne博客园里面有一篇有关于区别的文章写得特别好，链接在下面粘贴出来了，本人整合了一些观点。使用哈佛结构的芯片：使用哈佛结构的中央处理器和微控制器有很多，除了Microchip公司的PIC系列芯片，还有摩托罗拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ATMEL公司的AVR系列和安谋公司的ARM9、ARM10和ARM11，51单片机也属于哈佛结构。使用冯诺依曼结构的芯片：目前使用冯·诺伊曼结构的中央处理器和微控制器有除了英特尔公司的8086，英特尔公司的其他中央处理

24、器、安谋公司的ARM7、MIPS公司的MIPS处理器也采用了冯·诺伊曼结构。区别一：存储数据与指令的位置冯·诺伊曼结构也称普林斯顿结构，是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置，因此程序指令和数据的宽度相同，如英特尔公司的8086中央处理器的程序指令和数据都是16位宽。哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。中央处理器首先到程序指令存储器中读取程序指令内容，解码后得到数据地址，再到相应的数据存储器中读取数据，并进行下一步的操作（通常是执行）。程序指令存储和数据存储分开，可以使指令和

25、数据有不同的数据宽度，如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是14位宽度，而数据是8位宽度。区别二：与中央处理器的通信方式冯.诺依曼原理强调程序是一种数据，它可以像数据一样被处理，因此可以和数据一起被存储在同一个存储器中。所以数据总线和地址总线共用。西安电子科技大学Xidian University哈佛结构中程序存储器和数据存储器是两个独立的存储器，每个存储器独立编址、独立访问。与两个存储器相对应的是系统的4条总线：程序的数据总线与地址总线，数据的数据总线与地址总线。这种分离的程序总线和数据总线允许在一个机器周期内同时获得指令字（来自程序存储器）和操作数（来自数据存储器），从而提高

26、了执行速度，使数据的吞吐率提高了1倍。又由于程序和数据存储器在两个分开的物理空间中，因此取指和执行能完全重叠。优缺点分析：哈佛架构改进之处私以为利大于弊，缺点即在于它对资源的利用率不够，在通用计算机上统一编码分配资源是冯诺依曼结构的优势。但是对于嵌入式系统与通用计算机的情况不一样所以哈佛结构更加适合嵌入式。总结：冯诺依曼结构奠定了计算机结构的基础，确立了计算机五大组成部分：控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备。而哈佛结构基于冯诺依曼结构在数据运算处理能力和安全性上做出优化，使其在数字信号处理及嵌入式方向有更好的发展前景。参考资料：1. 冯诺依曼体系结构与哈弗体系结构的区别only Von

27、ne博客园2. 百度百科“冯诺依曼结构”、“哈佛结构”3. 百度百科“通用计算机”8、单周期3级流水的情况下，第10个指令周期时，第几条指令执行结束？10-3=7答：第7条。西安电子科技大学Xidian University解析：三级流水示例：第三周期第二周期第一周期t第三周期第二周期第四周期第三周期第五周期第四周期取指执行编译由图即可推算出7条。9、下面是linux下的一个简单的设备驱动程序，写出linux设备驱动常用的数据结构，同时阅读下面代码，请给出测试程序中的每条语句加以注释。设备驱动程序Keypad.c的源代码：#include <linux/module.h>/包含li

28、nux/module.h头文件#include <linux/fs.h>/包含linux/fs.h头文件#include <linux/init.h>/包含linux/init.h头文件#include <linux/poll.h>/包含linux/poll.h头文件#include <linux/types.h>/包含linux/types.h头文件#include <linux/fs.h>/包含linux/fs.h头文件(第二行已经包含了这个文件啊，)#include <linux/rtc.h>/包含linux/rtc

29、.h头文件#include <linux/delay.h>/包含linux/delay.h头文件#include <asm/hardware.h>/包含asm/hardware.h头文件#include <asm/delay.h>/包含asm/delay.h头文件#include <asm/uaccess.h>/包含asm/uaccess.h头文件#define LEDnKEY_MAJOR 251西安电子科技大学Xidian University#define KEYPAD_NAME "X-Hyper250 Keypad"#d

30、efine KEYPAD_VERSION "Version 0.1"#define EXT_KEY_CS EXT_PORT2#define EXT_LED_CS EXT_PORT3#define LED_SHOW 10/*EXT_KEY_CS 为向外部LED进行数值设定,它定义在其它头文件里*/void led_off_on() /*led开关程序*/int i;/定义一个16位变量EXT_LED_CS = 0xff;/0xff是11111111，将EXT_PORT3的GPIO全部置高for(i =0 ; i<8;+i)/循环EXT_LED_CS = (1 <&

31、lt; i) & 0xff);/*i左移一位，末位补0，然后和11111111相与取 高位，再取反，即一开始是11111110,1111110111111011,11111001*/udelay(30000);/延时30000微秒（编写应用层程序要调用另一个头文件<unistd.h>）EXT_LED_CS = 0xff;/将EXT_PORT3的GPIO全部置高/应用程序用open来打开设备文件实际表现为调用驱动int lednkey_open(struct inode *inode, struct file *filp)MOD_INC_USE_COUNT;/*在linux/

32、module.h文件中的宏定义，2.6核使用try_get_module(THIS_MODULE);和 module_put(THIS_MODULE);管理自己被使用的计数（增加）*/return (0); /* success */ int lednkey_release(struct inode *inode, struct file *filp)/释放设备文件led_off_on();/*led开关程序*/MOD_DEC_USE_COUNT;/减少计数return (0);/* success */ssize_t lednkey_read(struct file *filp, char

33、*Putbuf, size_t length, loff_t *f_pos)/读键盘程序unsigned short BottonStatus; unsigned char Bottontmp = 0;int i; BottonStatus = ( EXT_KEY_CS & 0xff );/取 EXT_PORT3的电位并转化为0与1的数据西安电子科技大学Xidian Universityfor(i = 0 ; i < 8; +i)if( (BottonStatus >> i) & 1) = 0 ) Bottontmp = (i+1);/最高0位copy_to_

34、user( Putbuf, &Bottontmp, length); /* 从内核区中读取数据到用户区简述：#include <linux/uaccess.h>unsigned long copy_to_user(void _user *to, const void *from, unsigned long n);如果数据拷贝成功，则返回零；否则，返回没有拷贝成功的数据字节数。*to是用户空间的指针，*from是内核空间指针，n表示从内核空间向用户空间拷贝数据的字节数。*/return length;ssize_t lednkey_write(struct file *fi

35、lp, const char *Getbuf, size_t length, loff_t *f_pos)int num;unsigned char UsrWantLed; copy_from_user( &UsrWantLed, Getbuf, length);num = ( (UsrWantLed) & 0xff );/num用二进制显示出来EXT_LED_CS = (1 << (num-1);/*将用户区得到的变量num-1再左移一位然后取反，可能拉低是点亮LED*/return (0);/获取或改变正在运行的设备参数int lednkey_ioctl(str

36、uct inode *inode, struct file *filp, unsigned int cmd,unsigned long arg)switch(cmd)case LED_SHOW: 西安电子科技大学Xidian Universityif(arg)/给的参数不是0就执行led_off_on(); break;return 0;struct file_operations lednkey_fops = open: lednkey_open,read: lednkey_read,write: lednkey_write,ioctl: lednkey_ioctl,release: led

37、nkey_release,;/*初始化设备函数，在函数名前加上这个属性后，系统会在初始化完成后丢弃初始化函数，收回内存，以减小占用的内存空间。*/static int _init xhyper250_keypad_init(void) int result;result = register_chrdev(LEDnKEY_MAJOR, "lednkey", &lednkey_fops);/*向操作系统注册一个主号251，设备openRegister_chrdev()是内核提供的函数，作用是完成注册新的字符设备*/printf("%s %s initiali

38、zed.n",KEYPAD_NAME, KEYPAD_VERSION);led_off_on();return 0;static void _exit xhyper250_keypad_exit(void)/向操作系统卸载设备函数 unregister_chrdev( LEDnKEY_MAJOR, "lednkey" ); led_off_on();module_init(xhyper250_keypad_init); /显式声明初始化设备函数module_exit(xhyper250_keypad_exit); /显式声明卸载设备函数/*通过上面两个声明内核知道驱动程序的进入点*/测试文件的源代码如下：#incl