基于国产CPU的嵌入式教学系统的研究与设计

基于国产CPU的嵌入式教学系统的研究与设计 哈尔滨工程大学 硕士学位论文 基于国产CPU的嵌入式教学系统的研究与设计 姓名:张辉 申请学位级别:硕士 专业:计算机应用技术 指导教师:顾国昌 20060301哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 随着因特网的发展和后时代的到来,嵌入式系统己经成为计算机技 术的一个重要组成部分,日益增长的应用也使得它成为计算机信息技术的一 个新的研究热点,呈现出巨大的市场需求。目前,许多大专院校纷纷开设了 嵌入式系统相关课程,因此如何合理选择系统教学的实验平台,为大专院校 提供一个功能完备、价格低廉、技术流行、能满足教学和开发双重需求的嵌 入式系统课程教学实验系统是本文研究和解决的重要课题。 是国芯公司推出的基于内核的一款通用,它 有着高速度、低功耗、低成本、功能强等诸多优秀性能。目前获得一些半导 体厂家和整机厂商的大力支持,在位嵌入式应用领域获得了巨大的成功。 本文以教学实验与应用开发为出发点,研究设计了一种基于。 的嵌入式系统的教学和开发平台,完成了系统的总体设计和硬件设计。该系 统根据学校教学的特点,扩展了平台的通用接口,充分利用了嵌入式系统的 特点,在选型上采用市场主流的硬件,配备完备的软件支撑环境,最大可能 的实现嵌入式微处理器的全部功能,是目前对功能应用最全面涉 及和涵盖的具有自主版权的教学系统。 本文对广大嵌入式系统的初学者和开发人员都有很高的参考价值和可操 作性,可以帮助他们尽快掌握嵌入式系统硬件设计和实现的要点。 关键词:嵌入式系统;嵌入式操作系统;;嵌入式哈尔滨工程大学硕士学位论文 ? ,., , . ’ , , , .. . , / , . . .. : ; ;; 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:本论文的所有工作,是在导师的指导 下,由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出,并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体己 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 强辟 作者签字: 日期:工年月日哈尔滨工程大学硕士学位论文 第章绪论 .嵌入式系统概述 以嵌入式计算机为技术核心的嵌入式系统是继网络技术之后,又 一个 领域新的技术发展方向。由于嵌入式系统具有体积小、性能强、 功耗低、可 靠性高以及面向行业具体应用等突出特点,目前已经广泛地应用于国防、消 费电子、信息家电、网络通信、工业控制等各个领域。 嵌入式的广泛应用可以说是无所不在。就人们周围的日常生活用品而言, 各种电子手表、电话、手机、、洗衣机、电视机和空调器中,都有嵌入 式系统的存在。如果说人们生活在一个充满嵌入式系统的世界中,是毫不夸 张的。据统计,一般家用汽车的嵌入式计算桃在个以上,豪华汽车在 个以上。据统计人们在年每天接触的嵌入式计算机达到个以上。由 此可见,嵌入式计算机工业的应用规模、应用深度和应用广度正日益扩大。 随黄计算机技术的发展,在微型计算机领域里形成了两大分支,一个是 独立使用的台式通用计算机系统,另一个是嵌入式应用的计算机系统,后者 简称为嵌入式系统。嵌入式系统最初主要应用于工业控制、通信、仪器仪表 和家用电器等领域,近年来,随着计算机、微电子、通信及网络技术的发展, 嵌入式技术渗透到各个领域,广泛用于移动计算平台、信息家电、无线通信 设备、电子商务平台及军事设备。 在早期实际的嵌入式应用中,芯片选择时往往以某一种微处理器内核为 核心,在芯片内部集成必要的///、、接口 总线及总线控制逻辑、定时/计数器/、/、串行口、脉宽调制输出、 /、,等各种必要的功能和外设。为了适应不同的应用需求,一般一个 系列具有多种衍生产品。每种衍生产品的处理器内核几乎都是一样的,不同 之处在于存储器的种类、容量和外设接口模块的配置及芯片封装。这样可以 最大限度地与实际的应用需求相匹配,满足实际产品的开发需求,使得芯片 功能不多不少,从而降低功耗,减少成本。随着嵌入式系统应用的日益广泛,哈尔滨工程大学硕士学位论文 嵌入式系统的复杂度逐步提高,控制算法也更加冗繁。尤其是嵌入式 的广泛应用、嵌入式操作系统的引入、触摸屏等复杂人机接口的广泛使用以 及芯片设计及加工工艺的提高,以位处理器为核的系统芯片的大规 模使用,极大地推动了嵌入式技术的发展速度。计算机应用的普及、互联 网技术的使用以及纳米微电子技术的突破,有力地推动着未来的工业生产、 商务活动、科学实验和家庭生活等领域的自动化和信息化进程。生产过程全 自动化的产品制造、大范围电子商务活动、高度协同科学实验以及现代化家 庭起居,也为嵌入式产品造就了崭新而巨大的商机。 对于嵌入式系统开发的学习者来说,必须要有一个较好的嵌入式开发平 台。功能全面的开发平台,一方面为学习提供了良好的开发环境,另一方面 开发平台本身也是一般的典型实际应用系统。在教学平台上开发一些基础例 程和典型实际应用例程,对于初学者和进行实际工程应用也是非常必要的。 ..嵌入式系统定义 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、 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。其涵盖范围和应用领域都十分广泛,几乎包括了我们周围的所有电器设 备,如:电视机顶盒、掌上、移动计算设备、多媒体设备、医疗仪器乃 至路由器、交换机等“。 嵌入式系统通常由硬件和软件两部分组成。硬件由微控制器或单片机实 现,包括一些外围设备,软件由嵌入式操作系统和应用软件组成。嵌入系统 与通用计算机系统相比有五个明显的特征【】:专用性、可封装性、外来性、 实时性、可靠性。专用性是指嵌入式计算机系统用于特定设备完成特定任务: 可封装性指嵌入式计算机系统隐藏于目标系统内部而不被操作者察觉,实质 上是面向对象封装以实现信息隐蔽思想的体现;外来性体现在嵌入的计算机 一般自成一个子系统,与目标系统的其它子系统保持一定的独立 性。实时性 指与实际事件的发生频率相比,嵌入式系统能够在可预知的极短时间内对事 件或用户的干预做出响应;可靠性是指嵌入式计算机隐藏在系统或设备中, 用户很难直接接触控制,因此一旦工作就要求它可靠运行。和通用计算机不哈尔滨工程大学硕士学位论文 同,嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率的设计,量体裁衣、去除冗余, 力争在同样的硅片面积上实现更高的性能,这样才更具有竞争力。嵌入式处 理器要根据用户的具体要求,对芯片配置进行裁减和添加才能达到理想的性 能。 ..嵌入式操作系统 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件,,它是嵌入 式系统极为重要的组成部分,通常包含与硬件相关的底层驱动程序、系统内 核、设备驱动接口、通信、图形界面、标准化浏览器等。嵌入式操作系 统具有通用操作系统的基本特点,能够有效管理越来越复杂的系 统软硬件资 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。与通用操作系 统相比较,嵌入式操作系统在实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化 以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点随着嵌入式操作系统的广泛应 用,业界已推出一些应用比较成功的嵌入式操作系统产品,嵌入式操作系统 也从单一的弱功能向高专业化的强功能方向发展。嵌入式操作系统主要有 , ,, ,,,,很 多高端供应商已经提供强大功能,但其价格也很高端,一般人难以接 受。微软的 也有此类功能,却不具备大多数嵌入式系统要求的 实时性能,而且难以移植。现在需要的是一个便宜、成熟并且提供高端嵌入 式系统所必须特性的操作系统,嵌入式操作系统以价格低廉、功能强 大又易于移植而正在被广泛采用,成为嵌入式操作系统的首选。 ..嵌入式微处理器 嵌入式微处理器就是和通用计算机中对应的,它是嵌入式系统的核 心部件。为满足嵌入式应用的特殊要求,嵌入式微处理器除在功能上和标准 微处理器基本一样外,还具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点。 在应用中,一般是将微处理器装配在专门设计的电路板上,在核心板上只保哈尔滨工程大学硕士学位论文 留和嵌入式相关的功能即可,包括、、总线接口和各种外设等, 这样可以满足嵌入式系统体积和功耗大幅度减小的要求。目前的嵌入式微处 理器主要包括有/,,.,,, ,系列等等。 苏州国芯是首家从事基于技术研究的单位,已经设计出具有自 主知识产权的芯片/,在嵌入式低端产品具有较大的市场, 因此为嵌入式实时的应用提供了良好的硬件平台。 .国内外研究现状 嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点,是嵌 入式系统的核心。目前比较有影响的位嵌入式微处理器有公司的 、公司的、公司的.、公司的、 和公司的等脚。 进入二十一世纪,人们越来越多地接触到一个新的概念~嵌入式产品。 手机、如商务通属于手持的嵌入式产品,机、机顶盒也属于嵌 入式产品,同样,车载系统、数控机床、网络冰箱等也都采用了嵌入式 系统技术。应用科学的迅猛发展,给嵌入式系统产品的研发、生产引发了 巨大商机,中国数字化设备的潜在消费者数量以亿为单位计算【】。 然而,相对于国外嵌入式系统已经进入软硬件平台方式的社会化大生产 现状,目前国内的自然经济模式下的个体方式已经不能适应时代要求。采用 平台模式,利用其“阶梯”模式的开发方式,是从根本上解决以往“板凳”模 式的弊端,缩短产品的开发周期和提高产品可靠性的有效途径。另外,平台 的标准化、系统化、化等特点,也会极大地促进嵌入式产品的大规模生 产、售后服务和产品更新。 但是,我国目前从事嵌入式产品开发的人员,大多数属于半路出家,原 本从事电力、汽车、航空、航天等“非计算机专业”行业,工程化软件开发 方面的知识较为缺乏;另一方面,目前大学教育中的软件工程化教学及应用 仍显不足,教学方法和教育平台仍较落后。 目前市场上的嵌入式系统平台,大致可分为国外产品和国内产品两部分。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 其中,国外知名产品商品化程度高,有着多年的开发背景,系统功能比较强, 覆盖范围比较广。但是,就中国市场范围而言,以下几点严重制约了它们的 推广: 价格昂贵。以教学领域为例,西方发达国家的同类产品每套动辄上 万美元,大多数还要另外支付版税。如此高昂的代价是国内许多大专院校所 承受不起的。 许多平台采用的实时操作系统不具备开放性。由于嵌入式系统最根 本的特点是根据所需可以对软硬件进行裁剪和配置,所以专有的封闭的操作 系统使开发者丧失了很大的灵活性。而且这些不开放的专有操作系统往往价 格不菲。 本地化工作尚不完善。许多配套的软件资源,如集成开发环境以及 帮助文档目前均以英文版出现,尚无中文版。这对于目前许多的嵌入式开发 者来说,无疑增加了困难。 国内产品通常是由国内专业公司经过不断学习和探索研发而成。在吸收 国外产品先进的技术架构,采用国外流行的核心配件的同时,他们更多地考 虑到国内用户的使用情况和经济能力,所以往往性价比高。但是从促进信息 产业国产化以及方便中国用户的角度出发,他们仍有如下不足: 普遍采用国外芯片。在许多涉及国家安全的领域,使用具有中国自 主知识产权的产品,无疑会更加安全。但目前采用国产嵌入式芯片如龙芯、 方舟、等的开发平台或者教学平台几乎没有。 开发工具集成度不高,且多为英文界面。由于国内许多产品使用嵌 入式实时作为其操作系统,所以产品开发商提供的开发工具很多照搬 了原有的工具,从而使用户的多数工作要手工完成,加大了开发的任 务量和出错率。 .课题的来源、背景及意义 本课题来源于黑龙江省发展信息产业专项资金项目。嵌入式系统开发平 台为从事嵌入式系统研究的科研工作者和教育工作者提供了良好的开发环 境,并随着嵌入式开发市场的扩展及潜在应用市场的凸显,引发了巨大哈尔滨工程大学硕士学位论文 的商机,也为嵌入式软件平台研发企业和应用企业带来可观的经济效益。 本课题研究的是以国产为载体、自由软件为基础、采用一体 化设计技术,把嵌入式实时、集成开发环境、开发版和仿真器结合成 一个有机的整体,针对高等院校教学、实验的开发平台。其平台的标准化、 系统化、规范化等特点,极大地有利于嵌入式产品的规模化生产、 实验,国 产嵌入式产品核心技术和系统软件国产化进程的加快也促进了嵌入 式产品的跨越式发展。 基于上述观点,我们研究设计并完善了基于国产的嵌入式教学平 环境下 台,完成系统的硬件设计。该系统的硬件在公司的 开发,采用高速设计方法,以保证系统硬件的可靠性。系统在原有开发 的税控机开发板基础上,扩展了平台的通用接口,并且在满足最小系统所需 功能前提下尽量缩减开发板大小,用以满足高校嵌入式教学开发的需要。这 正是本课题提出的意义所在。 .课题研究工作简介 论文主要讨论平台的硬件设计,包括电路原理图设计,印刷电路板制作, 硬件电路调试等。我们从芯片选型开始,搜集网上各类资料,从平台今后应 用的定位,最终选定作为开发板的处理器芯片。是国芯 公司推出的基于内核的最新处理器,是苏州国芯科技有限公司针 对商业机器和手持设备的应用领域专门开发的具有很高性价比 的一款通用 。在硬件设计过程中充分考虑了设计的合理性、规范性和稳定性,为嵌 入嵌入式操作系统提供了可靠的平台,使在此基础上的开发工作得以顺利进 行。 .论文组织结构 本论文分为六章,按如下方式组织: 第章是本论文的引言部分,介绍了嵌入式系统的研究现状和本课题的 背景、目的及意义,提出了论文的主要工作内容及组织结构。堕塑堡王堡盔兰堡主堂垡笙塞 第章详细系统的功能需求,根据功能要求进行模块规划,并在此 基础上提出平台设计原则及总体设计。 第章介绍平台实现的硬件核心。本平台的核心芯片是苏州国芯公司推 出的嵌入式处理器 。介绍的体系结构、操作模式以及 的组成结构。 第章介绍平台的具体实现过程。详细介绍了存储器模块、模块、 模块和网络模块等的接口设计。 第章主要介绍了关于设计方面的知识。总结了嵌入式系统印刷电 路板设计的一般过程和基本原则,最后结合实际系统说明了布线的注意事项。 第章对平台配备的软件集成开发环境和操作系统进行介绍。最后对该 平台的应用前景作了展望。哈尔滨工程大学硕士学位论文 第章系统总体设计 .系统设计概述 根据用户需求,设计出特定的嵌入式应用系统,是每一个嵌入式系统设 计工程师应该达到的目标。嵌入式应用系统的设计包含硬件系统设计和软件 系统设计两个部分,并且这两个部分的设计是互相关联、密不可分的,嵌入 式应用系统的设计经常需要在硬件和软件的设计之间进行权衡与折衷。因此, 这就要求嵌入式系统设计工程师具有较深厚的硬件和软件基础,并具有熟练 应用的能力。这也是嵌入式应用系统设计与其它的纯粹的软件设计或硬件设 计最大的区别。 .嵌入式系统设计的要点 嵌入式系统包含硬件和软件两部分:硬件架构上以嵌入式处理器为中心, 配置存储器、/设备、通信模块等必要的外设;软件部分以软件开发平台 为核心,向上提供应用编程接口,向下屏蔽具体硬件特性的板级支持 包。嵌入式系统中,软件和硬件紧密配合,协调工作,共同完成系统预 定的功能。 对于不同的市场应用类型,嵌入式系统开发中的嵌入式处理器、实时操 作系统、仿真器、调试器以及开发队伍的技术水平和结构比例等要素的选择 是至关重要的。应用对象的不同,设计原则及方法就不同,不但取决于技术, 同时也包括很多人为的因素在内,如客户的要求,设计者对问题的认识等。 但围绕着火控设备这一类嵌入式系统,有一些共性的问题需要我们在设计中 给予重视。 ..嵌入式处理器的选择 嵌入式处理器的选择取决于众多的因素,如脚 哈尔滨工程大学硕士学位论文 用户要求 费用的限制 功能与速度要求 现有的技术支持 熟悉程度 兼容性 发展需要 通用性 但起决定因素的是功能、费用和用户的要求。通常用户只限定嵌入处理 器的类型,没有档次。依此为前提,应充分考虑费效比。只要能完成指 定的任务就可以,不必去追求高性能。如果费用随选择而定,则可选择高档 些的嵌入式处理器,这样设计就有比较大的冗余。 嵌入式系统的功能软件集成于硬件系统之中,系统的应用软件与硬件一 体化。在嵌入式系统的硬件设备中,嵌入式处理器是整个系统的核心部件, 其性能的好坏直接决定整个系统的运行效果。 机销售市场中,随着通用技术的突破和工作频率的倍增,旧款 低档早已经不见踪迹。嵌入式系统开发面向具体应用,不同领域的应用 市场需要不同款式和性能指标的处理器来开发,于是在嵌入式处理器市场中, 中低端的位、位和位处理器依然存在,高性能的位处理器也有很 多产品。随着超大规模集成电路技术和微电子技术发展,包含嵌入式处理器 以及部分外围电路的微控制器产品也进入市场,片上系统 产品也开始出现。这些产品的上市,不仅丰富了嵌入式处理器产品, 而且也更加方便了工程技术人员进行嵌入式系统的技术开发和扩大嵌入式产 品的应用领域。 由于嵌入式系统应用需求的多样性,市场上基于结构的嵌入式处 理器提供商也日渐增多。统计数字表明,年底市场销售额排在前三位的 公司分别是、和,其中公司的芯片销售量达. 亿个,市场份额超过%。 面对这样的嵌入式处理器市场,开发设计人员应该如何选择呢这里有 两个前提条件‘”。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 深入研究具体的嵌入式系统应用需求,充分的应用需求分析后获取 应用系统的性能指标。面向应用是嵌入式系统的特色,具体的应用需求决定 着嵌入式处理器的性能选型。在工业控制等特殊领域,系统需求分析员不仅 需要和工作人员、上级主管亲自面谈,而且要到工作现场获取第一手信息, 收集充分的资料。应用需求分析后,需要定义产品具备的基本功能和性能指 标,如系统处理的数据量大小和处理实时性要求、系统正常运行时的工作环 境、系统运行过程中可能遇到的突发事件、系统的尺寸大小和功耗指标等。 分析研究市场上各大厂商提供的各款嵌入式处理器的性能指标,如 功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等。这些参数也 是各个半导体芯片厂商之间竞争的热点。 开发人员通过应用需求分析获取了产品的功能性和非功能性指标,研究 了市场上嵌入式处理器的性能参数后,能够对嵌入式处理器做出 较好的选择。 嵌入式处理器选择的基本原则是满足具体功能性和非功能性指标需求的、市 场应用反应良好的、硬件配置最少的嵌入式处理器。如简单的智能仪器仪表 设计考虑使用位或者位低档单片机;和数字信号处理密切相关的选 用公司的系列的数字信号处理芯片;如果产品偏藿于 通信功能,考虑公司的嵌入式处理器系列;如果产品功能比较 齐全,可选用嵌入式处理器领域的后起之秀苏卅国芯公司的高性能嵌入式处 理器等。 除了上述的产品性能需求因素,选择嵌入式处理器时也需要考虑开发人 员对此系列处理器的熟悉程度。因为不同公司开发的嵌入式处理器差别较大, 从一类处理器转移到另一类处理器的难度比同一系列不同处理器间的转移难 度大得多,风险多得多。 ..操作系统的选择 嵌入式系统通常选择嵌入式操作系统,但并非有的地方就要有操作 系统,而应根据实际情况来进行考虑。如果系统中并发事件较多,而且相互 之间关系又比较复杂,则采用操作系统可以简化应用软件的设计和调试。如 果外部事件单一,而且采样很高,采用主控加中断处理的方式比较合适。采 哈尔滨工程大学硕士学位论文 用操作系统,不但增加系统的时间开销,同时也增加硬件成本的上升,设计 起来也可能更复杂。介于两者之间的应首选使用操作系统【】。 以嵌入式处理器为中心,开发人员搭建好硬件电路时仅提供了裸机运行 平台,要使整个系统有限的硬件资源充分利用起来,还需要嵌入式实时操作 系统的支持。 与一般商用多任务如、以及等有共同 的一面,也有不同的一面。商用多任务主要目的是方便用户管理计算机 资源和追求系统资源的最大利用率:而重点追求的是实时性、可确定 性、可靠性,当然也包括有限资源的管理。一般内核都很小,在几 到十几之间。流行的基本上都支持基于优先级的抢占式调度策略 和时间片轮转,具有微内核结构,有标准组件可供选用,支持虚拟存储技术 和存储保护机制。 由于具体嵌入式应用的功能需求差异以及不同间不同的性能指 标,的选择有三种方案:一是根据应用需要和公司技术实力,考虑自 主开发研究;二是充分考虑系统需求和流行的性能指标及性价比选择 商用,如,等;三是考虑嵌入式 , 是开放源代码的免费自由软件,互联网技术论坛较多,具备较好的 裁减性以支持不同的应用范畴。 当前全球范围内商用多达多种,应用领域的多样性使得市场 反应较好的也将近有十几种,如,,,, 以及中科院软件研究中心研制的等。这些不同名称的,核心软 件差异微妙而且难以琢磨,选择时重点是考虑它们的性能评价指标,主要包 括调度算法、本身内存开销、内存管理模式、最大中断禁止时间 和最大任务切换时间。当然,也包括的购买成本和提供的技术支持等 相关因素。针对实时性要求较高的应用,需要重点考虑的最大中断禁 止时间和最大任务切换时间。这两个参数越小越好。减小这两个参数值,除 了选用较高工作主频的嵌入式处理器外,还和本身任务调度和中断处 理机制密切相关【】。 选择时,通常还要考虑系统功能方面支持何种处理器硬件平台, 何种,是否支持核心态用户态、是否支持内存管理单元、可移植哈尔滨工程大学硕士学位论文 性、调试支持、标准支持等。如果开发网络应用,还需要考虑该是否 支持/的网络组件和/服务等。如果开发游戏和娱乐市场,要着重研 究该对多媒体的支持能力。市场应用需求的多样性,使得本身 应该支持用户自定制能力,根据应用需要在微内核的基础上选用标准组件。 ..开发工具的选择 调试是嵌入式系统开发过程的重要环节,嵌入式系统开发调试和一般 系统开发调试有较大差别。在一般机系统开发中,调试器和被调试程序 是运行在相同的硬件和软件平台上的两个进程,调试器进程通过操作系统专 门提供的调试接口控制和访问被调试进程。而在嵌入式系统中,调试器是运 行在桌面操作系统上的应用程序,被调试程序是运行在基于特定硬件平台的 操作系统,两个程序间需要实时通信。 嵌入式系统调试对,主机上运行的集成开发调试工具调试器通过仿 真器和目标机相连。仿真器处理宿主机和目标机之间所有的通信,这个通信 口可以是串口、并行口或者高速以太网接口。仿真器通过口和目标机 相连。 嵌入式系统开发调试方法有快速原型仿真法和实时在线调试法。快速原 型仿真法用于硬件设备尚未完成时,直接在宿主机上对应用程序运行进行仿 真分析。在此过程中系统不直接和硬件打交道,由开发调试软件内部某一特 定软件模块模拟硬件系统执行过程,并可同时将仿真异常反馈给开发者 进行错误定位和修改。实时在线调试法在具体的目标机平台上调试应用程序, 系统在调试状态下的执行情况和实际运行模式完全一样,这种方式更有利于 开发者实时对系统硬件和软件故障进行定位和修改,提高产品开发速度。 选用的调试器是运行在主机上的集成开发环境,一般需要集编辑、汇编、 编译、链接和调试环境于一体,支持低级汇编语言、和语言,基于友 好的图形用户界面,支持用户观察或修改嵌入式处理器的寄存器和存 储器配置、数据变量的类型和数值,堆栈和寄存器的使用,支持程序断点设 置,单步、断点或者全速运行等特性。 应用需求的多样性导致市场上仿真器和调试器的提供商也较多,哈尔滨工程大学硕士学位论文 公司的是一个很好的开发调试工具。根据实践经验,一般 配套选择规模较大、信誉较好公司的仿真器和调试器,虽然价格偏高,但是 这些公司技术实力强,售后服务好,调试器和仿真器开发结合紧密。如果在 开发调试过程遇到技术障碍,可以通过电话或者电子邮件方式及时获取技术 支持。 ..编程语言的选择 随着嵌入式系统应用范围的不断扩大和嵌入式实时操作系统的广泛使 用,高级语言编程已是嵌入式系统设计的必然趋势。因为汇编语言和具体的 微处理器的硬件结构密切相关,移植性较差,既不宜在复杂系统中使用,又 不便于实现软件重用;而高级语言具有良好的通用性和丰富的软件支持,便 于推广,易于维护。因此高级语言编程具有许多优势。 .功能需求 嵌入式系统的构架可以分成四个部分:处理器、存储器、输入输出和软 件。 首先,嵌入式系统最核心的部分就是嵌入式处理器了。目前,世界上具 有嵌入式功能特点的处理器已经超过了多种,多个系列。不同的处 理器有其不同的功能和优势。但是低成本、低功耗、高性能是嵌入式系统应 用的特殊要求。目前主要的嵌入式处理器类型有,,, 系列等。 其次,存储器也是构建嵌入式系统的重要部分。本系统就需要 和。虽然存储器的选择依赖于处理器的选择,但是就功能需求来说, 需要考虑容量大的,性能稳定的存储器。就来说,还需要考虑 的擦除等软件操作是否方便。 再次,要结合实际情况和处理器的功能,确定系统外围设备。本系统是 一个完整的嵌入式系统,根据实际的应用需要以下通信接口: .串行接口哈尔滨工程大学硕士学位论文 目前.是机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。. 被定义为一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准。系统需要通过 该串口下载程序,或者进行串行通信。 接口 接口以其方便、传输速率高等优点逐渐成为计算机行业的外设接口 标准。嵌入式设备要与机进行高速通信,那么接口当然是理想的选 择。 以太网接口 在飞速发展的今天,网络己经渗透到了方方面面。在嵌入式系 统方面,和网络的结合己经成为嵌入式系统最新的研究方向。因此,在本系 统中,以太网接口是必不可少的。 键盘和液晶屏 键盘和液晶屏是常用的输入输出设备,结合各具特色的嵌入式应用软件, 可以把嵌入式控制器的功能发挥更大,并且可以用于现场调试。 最后,本系统需要嵌入式操作系统的支持。对于操作系统的选择有几个 方面: 是否支持目标硬件平台 可移植性要求 支持多任务并具有实时性 开发工具的支持程度 源代码还是目标代码 许可 .功能规划 根据以上的需求,考虑到应用的领域、用户的需求、成本问题和开发的 难易程度等因素,我们采用了苏州国芯公司研发的系列嵌 入式处理器为主处理芯片,它是高度集成化的嵌入式处理器,集成了 内核,的高速缓冲存储器以及写缓冲器,主频达到了,并 且以低功耗为目的进行优化。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 系统板上配有程序存储器存储器、数据存储器存储器、 资源存储器 存储器。程序存储器用于存放.开发板 监控程序,用户可以利用监控程序进行功能开发:数据存储器存 放程序工作 过程中的数据资源;资源存储器可用于存放用户一定时间内需要 保存的数据。 扩展以太网口 模块,进行以太网通信;扩展模块,与 接口的外设进行通信;扩展口,下载程序用于调试;扩展键盘和 液晶显示,用于现场显示操作:另外还有复位电路,实时时钟 模块等。图.为系统总体结构框图。 语音输出 卡接口?瞵口实时时钟和蜂鸣器 ? ? ? 输出 接口芯片接口芯片 盯 接口‘屏 左 数字显示 ,接口 图.教学板总体结构框图 系统的软件平台采用嵌入式操作系统。其内核及组成系统 的大部分程序都是源代码开放的,绝大多数都使用自由软件基金会 所提供的工具。嵌入式操作系统是由遍及世哈尔滨工程大学硕士学位论文 界的许多人和组织不断地共同开发而成的。它支持许多种处理器系列,但是 它并不支持没有的处理器。采用的集成开发环境是杰瑞深软公司自主 开发的.,它提供高效稳定的图形化嵌入式应用软件开发平台,一整 套完备的面向嵌入式系统的开发和调试工具等,有助于大大缩短开发周期。 .设计原则及扩展性 具体在硬件功能模块的设计中,为了使设计合理,确保测量的精度,以 获得最佳的设计效果,应该注意以下几个设计原则四: 用最新或是功能更完善的芯片 功能强的芯片能够达到矢量的精度和可靠性,可大大简化设计电路,使 系统的精度和可靠性得到了保证。通过正确选用高性能的接口控制芯片,提 高了系统的可靠性,并使设计留有余地,为以后的升级提供了方便。 电路设计上应该留有余地,以考虑将来扩展和修改的需要 因为软件的升级比硬件要方便得多,而且往往只要修改或添加软件中数 据处理的模式或算法,就可以大幅度地提高系统的功能。因此,应该在硬件 设计时尽可能地留有余地,以便将来的修改和扩充。例如在, 等芯片的选取上,即考虑了现在的实际要求,又在价格允许的范围内,选取 了较大容量的型号,留有较大的存储空间,考虑到了以后添加数据的方便。 以软件代硬件 原则上,在实时性允许的条件下,能够用软件完成的功能,就不用硬件, 这样不仅仅节省了成本,而且也提高了系统的可靠性。在实时性能够保证的 情况下,用软件代替硬件是很合算的。 选用工艺的芯片,目的是降低功耗 考虑到嵌入式系统应用的工业现场环境非常苛刻,所以尽量采用 工艺的低功耗的芯片,有利于减低自身发热,同时减轻电源负担, 增加系统的无故障使用时间,这也是提高系统可靠性的措施之一。 仔细讲究布局布线 为了得到更高的精度和提高系统的可靠性和抗干扰能力,首先在电路布 局时应该尽量考虑电源和地的划分。在六层板中,其中有单独的电源层和地哈尔滨工程大学硕士学位论文 层。但是由于存在着多种电源,例如.、.、。所以布局时应该尽量 把相同电源的器件放在一起,以便于电源层不同电源之间的划分。同时,在 地层也要进行块划分。例如模块与其他器件不共地。其次由于是 的工作频率比较高,在布局的时候就要进行仿真,防止各种干扰, 如 ,,等,并注意终端匹配,保证信号的完 整性。最后,各个芯片都要加去藕电容,最大限度地降低干扰。 .本章小结 本章主要介绍了嵌入式系统设计的方法和一些需要注意的问题。首先介 绍了嵌入式系统设计的要点,包括处理器、开发工具、嵌入式操作系统和编 程语言的选择。接下来根据功能需求确定实验平台的各个接口,最后对整个 平台进行了规划,并对系统的扩展性进行了论述。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第章开发平台核心处理器概述 .概述 嵌入式处理器多半由微控制器构成,先进微控制器的体系结构及功能在 一定程度上代表并决定着嵌入式系统的发展水平。目前世界著名的微控制器 生产厂商有:,,, ,,, ,等。其中公司是世界上最著名的微控制器生产 厂商之一,多年来,开发生产了多种系列的微控制器。是 公司近年来推出的一种新型的位微控制器系列,适合于构建高端的嵌入式 系统。 /是苏州国芯科技有限公司受让公司 先进的位 而来,具有优越的性能和成熟的应用开 发环境,同时也具有功耗低、体积小、性能高等特性。 是苏州国芯科技有限公司针对商业机器和手持设备的应用领 域专门开发的具有很高性价比的一款通用,温度范围从.到, 处理器、 最大操作频率为。把一个功能强大的 功能强大的外围模块以及接口逻辑整合在一起,从而提高了整个系统的性能, 同时减少了系统组件的数量,简化了系统开发难度,提高了应用系统的性价 比。由于该类为控制器所具有的先进性能和芯片的国产化,有望成为国内开 发高档嵌入式系统的主流微控制器【】。 .处理器特性 考虑到系统的总功耗是由系统内所有元件确定的,而不仅仅是处理器核, 存储器占有相当的份额,处理器核加上存储器子系统的总功耗中,存储器的 功耗片内和片外占支配地位。因此,在决定指令集结构时,权 衡了绝对运行能力和减小总功耗两个方面,在支持减少总功耗的同时,仍保 持了能够接受的高的性能级别。哈尔滨工程大学硕士学位论文 处理器采用流水式结构,容纳了许多与桌面处理 器同样的性能增强措施和具体实现技术。严格的/结构减轻了控制的 复杂度。采用固定的位指令编码技术显著地降低了维持指令高速执行所需 的存储器带宽,相对比较短的位指令编码达到减少存储器功耗的目的。精 心删选的指令集使得结构的代码密度和存储器总体效率超过 结构】。 另外,还采用了全静态设计、动态电源管理和低电压操作等措 施来降低电源功耗。动态电源管理包括动态时钟和低功耗方式个 措施, 使用动态时钟管理方法对内部的、不必逐时钟进行操作的功能模 块 自动掉电:设有种低功耗操作模式、和,由执 行相应的指令进入。 ..核心处理器的主要特性 位处理器架构 基本指令集:位固定长度 个位通用寄存器 一个位算术逻辑部件和一个位桶型移位器 高效的级指令流水线 多数指令为单周期指令 分支指令以及存储器访问指令为两个周期 支持字节、半字、整字三种类型的存储器访问 支持向量中断和自动向量中断 个专用交替寄存器支持快速中断 全静态设计以减少功耗 ..操作条件 操作电压:核心.?一. / 一?一. 哈尔滨工程大学硕士学位论文 功耗:., 操作温度:一? 封装形式:针 ..处理器微结构 处理器用一条级流水线执行指令:取指、指令译码/寄存器文 件读、执行和寄存器文件回写这个阶段重叠操作,使得多数指令 能在单个 时钟里得以执行嘲。处理器的结构如图.所示】. 地址发生 数据计算 通用端口 数据总线 图. 处理器微结构哈尔滨工程大学硕士学位论文 . 操作模式 ..芯片工作模式 芯片在四种模式下工作:主模式、单片模式、仿真模式和测试模 式,工 作模式在系统复位时被选定,并且之后不能更改。其中主模式和 单片模式是 应用系统正常运行模式,仿真模式是调试时使用的运行模式。 主模式 在主模式中,内部可以访问外部存储器和其它外设。外部总线由 一个位的数据总线和个地址线组成。多达四个片选模块可以被编程以 选择和控制外部器件以及终止总线周期。 单片模式 在此模式下仅能使用芯片内部的存储器。 仿真模式 仿真模式支持外部端口替换逻辑。所有的端口被仿真,所有的主引脚功 能被使能。由于所有的外部总线必须用来支持外部端口替换逻辑,仿真模式 中引脚的配置与主模式中引脚的配置相似。仿真模式片选信号可以提供更多 的总线周期信息。 测试模式 只用作工厂测试。 ..低功耗操作模式 在正常工作模式模式外还支持三种低功耗模式: 模式、模式、模式?。 模式 当执行指令,进入越模式。模式下,处理器只有 时钟正常工作,停止指令执行,直到发现中断返回正常工作模式。所有 外设除了定时器继续运转,产生使跳出模式返回 模式的中断。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 模式 当执行指令,进入模式。模式对处理器的影响与 模式相同,不同的是被外设监控的模式信号编码不同。每个外设都定义 了自己在模式下的运行特性。定义为不受影响的外设继续运转,产生 使跳出模式返回模式的中断。返回后,定义为停止操作的外 设重新启动。 模式 当执行指令,进入模式。模式对处理器的影响与 模式相同,不同的是被外设监控的模式信号编码不同。外设除了和 定时器外均停止运行;如果和定时器使能,就可以 继续运行,其余的外设在进入自己的复位状态后停止运行。退出模式时, 大部分外设沿用先前停止时的控制寄存器值,重新继续执行。 . 处理器的指令系统 处理器的指令系统具有条指令,所有指令固定为位长。 在这个指令系统中:提供一个标准的算术、逻辑运算指令集;提供支持位操 作、字节提取、数据传送和流向控制的指令;还具有一组条件执行指令,可 以用来替代较短的条件分支。指令系统的设计与编排考虑到了对高级语言的 支持以及对最通用指令的优化。 . 处理器的编程模式和寄存器 .. 的两种编程模式 普通用户模式的程序只能访问特定属于普通用户模式的寄存器;执行在 超级用户模式下的系统软件可以访问所有的寄存器,利用控制寄存器来完成 超级用户功能。这样限制了普通用户程序访问特权信息的权限。 大多数的指令可以在两种模式下运行,但是也有些对系统具有重要影响 的指令被赋予特权并且只能在超级用户模式下执行,如普通用户程序不能执哈尔滨工程大学硕士学位论文 行,,指令。 为了防止普通用户程序在不期望的情况下进入超级用户模式,所有能够 改变程序状态寄存器中位的指令都被授予权限限制。对普通用户程 序来说,通过指令可以有控制的访问操作系统的服务。普通用户程 序还被禁止访问某些特殊的控制寄存器。 当程序状态寄存器的位被置位的时候,处理器将在超级用户模 式下执行指令。与一指令相关的总线周期可以指示当前访问是处于用户还是 超级用户模式。处理器用普通用户模式处理普通用户程序。 在异常处理时,处理器由普通用户模式转换到超级用户模式。异常处理 进程将当前的值保存在屏蔽控制寄存器或者中,同时将 的位置位,强制处理器进入超级用户模式。要返回到原来的工作状态时,系统程序中需要执行 或者 指令。这些指令将清空当前的指令流水线,并且恢复到原来正确的 地址空间中去。 ..寄存器 处理器有个通用寄存器、个交替寄存器、个控制寄存器和 程序计数器。其中: 一处理器状态寄存器 一向量基址寄存器 .一通用寄存器 ,,,一屏蔽寄存器 .’一交替寄存器 一 一超级用户存储寄存器 一全局控制寄存器 一全局状态寄存器 一程序计数器哈尔滨工程大学硕士学位论文 , 的组成 的组成框图如图.所示瞰】 图. 组成方框图 以外,主要有以 从图.中可以看出,片内除了 下功能及模块: 存储器 , 可以在个时钟 存储器有掩膜和 周期里读掩膜一次,也可以在个时钟周期里访问。 系统配置模块 内部的系统配置模块可根据复位期间某些数据线上的配置采哈尔滨工程大学硕士学位论文 样值对进行配置,其中一个重要的配置内容就是把引入单片模 式、主模式、仿真模式或测试模式进行操作。前两种为用户的应用模式,最 后一种模式为工厂测试用,用户不用。 在主模式下,能通过外部总线接把访问存储器的信号扩展到片 外,直接访问外部的存储器或外围设备,支持/位双向数据总线,位 地址总线,个片选,使得总的外部访问空间可达。 时钟模块 时钟模块里主要有晶体振荡器和锁相环电路,加上外接的晶体 .构成频率合成器,生成的时钟频率可编程选 择,最高不能超过,除了为系统本身提供工作时钟外,亦可输 出。 复位模块 复位模块具有分开的复位输入和输出信号,有个复位源:上电复位 ,外复位也拌弓脚、软件复位、看门狗复位、丢失时钟复位和 失锁复位。 终端控制器模块 终端控制器模块管理内、外总共个中断源,各源可分别编程选 择个优先级别,各级别又可编程选择归类于正常中断或快速中断,属于快 速中断类的中断请求,其优先级总是高于正常中断类。中断控制器还有中断 屏蔽以及选择中断向量方式的功能。 串行外围接口 的特色接口,它用了根信号线与 串行外围接口是 片外具有接口的各种芯片相连,进行同步串行数据交换。的 支持主、从种方式,当选择主方式时,由/发起同步串行数据交换, 当选择从方式时,由另外的主启动与本间的同步串行数据交换。 串行通信接口 内有个串行通信接口和,它们是标准的全双 工式的异步串行通信接口。的接收和发送都是双缓冲的,使得数据传送 更加可靠。在的波特率发生其中,以波特率寄存器的设置值去除系统时 钟,然后再除以,即得所选的波特率。波特率寄存器多达位,使可选哈尔滨工程大学硕士学位论文 波特率的间隔粒度小,可选性好,与目标波特率的误差小。 定时器模块 内有个定时器模块和,各有个位的输 入捕掰输出比较通道和个位的脉冲累加器。当把某个输出比较通道的 输出引脚的输出电平设置为翻转方式时,每当该通道输出比较符合,引脚输 出电平取反,这个输出比较通道就可用作为一个脉宽调制器。 .本章小结 本章主要介绍了开发平台核心处理器的特性。首先介绍 处理器的微结构、处理器的四种编程模式,接着介绍了开发板 的组成结构,并简单介绍了几个主要功能模块,包括存储器、系统 配置模块、时钟模块、复位模块和串行外围接口等。哈尔滨工程大学硕士学位论文 第章教学平台的设计 根据用户需求,设计出特定的嵌入式应用系统,是每一个嵌入式系统设 计工程师应该达到的目标。嵌入式应用系统的设计包含硬件和软件两部分, 并且这两部分互相关联、密不可分,经常需要权衡与折中,因此,这就要求 设计者具有较深厚的硬件和软件基础,并具有熟练应用的能力。这也是嵌入 式应用系统设计与其它的纯粹的软件设计或硬件设计最大的区别。教学平台 采用了模块化设计,可划分为模块、存储器模块、外设接口模块和电源 管理模块。 . 模块 苏州国芯科技有限公司引进、吸收和优化了技术,形成了具 有中国自主知识产权的核技术,并推出了位控制器芯 片。由于该类为控制器所具有的先进性能和芯片的国产化,有望成 为国内开发高档嵌入式系统的主流微控制器。 .存储器模块 考虑教学平台和税控机/机的通用,存储器模块设计为程序存储器 存储器、数据存储器存储器、资源存储器 存储器三类。程序存储器用于存放教学板监控程序,用户可以利用监控程 序进行软件开发和功能调试;数据存储器存放运行程序和程序工作过程中的 数据资源:资源存储器用于存放用户一定时间内需要保存的数据。 .接口模块 接口部分分为两类:集成类和应用设计类。哈尔滨工程大学硕士 学位论文 .. 集成类接口 三个串口,用于和主机通信或串口打印机或其他串口设备: 一个,接口,用于/接口的设备; 一个调试接口,通过与主机相连,可完成教学板功能 调试和监控程序写入; 显示接口,显示用户的界面,使用户操作方便直观: 总线扩展接口一个,教学板预留一定空间,用户可根据需要进行 硬 件功能扩展。 ..应用设计类 通信接口一个,配置一个网络接口,实现存储数据网上共 享,与主机的数据传输方便快捷; 接口一个,配置一个接口,数据导出更方便,与主机的 数据传输方式有更多选择; 矩阵键盘接口一个,用户可以通过此接口,自己设计各种专用键 盘; 实时时钟一个,实现时钟显示和时钟控制; 数码管显示接口,位数字显示; 语音输出接口一个; 蜂鸣器一个。 .主要技术指标 工作频率: 存储器 存储器: 淞存储器: 一个 实时时钟: 一 蜂鸣器:堕玺鎏三堡奎芏婴主堂垡望苎 串行接口: 三个 /接口: /接口一个 一爪 语音输出接口: 接口: 一个 接口: 一个 总线功能扩展接口 一组 网络接口: 以太网接口一个 接口: .接口一个 矩阵键盘接口: 一个 一个 数码管显示接口: .主要功能模块实现方案 .. 模块 单元采用处理器。把一个功能强大的 内核,最高工作频率为,功能强大的外围模块和接逻辑整合在一起, 提高了整个系统的功能,同时减少了系统的组件数量,简化了系统的开发难 度,提高了应用系统的性价比,主要结构见图.: 图. 结构框图哈尔滨工程大学硕士学位论文 ..存储器模块 在嵌入式系统中,微控制器中通常带有一定容量的存储器,用来存放程 序和数据。但片内存储器由于受器件规模和生产成本的制约,其容量通常不 能满足用户实际需求,还需要使用半导体器件来扩展存储空间。选择合适类 型的存储器并为之开发相应的控制器是嵌入式系统开发的主要工作之一。 ...程序存储器 作为一种非易失性存储器,在系统中通常用于存放程序代码,常 量 表,以及在系统掉电后需要保存的数据。本系统中程序存储器采用公司 的存储器四块,位端口提供资源。接口设计如图 : ‘一 一 ? 图.程序存储器接口设计 ...资源存储器 资源存储器三星公司的 存储器一块, 是一片位的结构的存储器,采用.~.供电。芯 片总容量为位,每字节为一页,页为一块。读取 和编程操作以页为基本单位,擦除操作以块为基本单位。页编程操作典型时哈尔滨工程大学硕士学位论文 间 ,块擦除典型时间,页内的数据顺序读出最小时间间隔。 操作命令、操作地址和数据均通过条/引脚输入输出。该器件标称擦除 次数万次以上,数据保存期长达年。接口设计如图.: 图资源存储器接口设计 ...数据存储器 数据存储器采用公司的 存储器四块,位端 口提供资源。接口设计如图.: 图.数据存储器接口设计哈尔滨工程大学硕士学位论文 。接口模块设计 .. 集成类接口 ... 一接口 一标准协议的全称是?.标准,其中 是代表美国电子工业协会, 代表推荐标准,是标识号。它在制定之初便作为远程通信接口, 即为远 程通信连接数据终端与数据通信设备而制定的