基于ARM的嵌入式系统设计硕士学位论文.doc
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1、硕士学位论文基于ARM的嵌入式系统设计 第一章 摘要嵌入式系统以其小型、专用、易携带、可靠性高的特点,已经在各个领域得到了广泛的应用,如军事国防、消费电子、通信设备、工业控制等。嵌入式处理器内嵌实时操作系统(RTOS),具有实时性、低成本、小型化、专用化和高可靠性,克服了传统的基于单片机控制系统功能不足和基于PC的系统非实时性的缺点。随着嵌入式系统软硬件技术的飞速发展,其应用领域必将更为广阔,嵌入式系统的研究将会有非常广泛的前景。 本课题的目的就是研究适用于学校教学的嵌入式系统平台,这对于提高对嵌入式系统的理解具有重要意义。本课题以嵌入式系统设计原理和实际应用为核心,从理论上和技术方法上开展了
2、一系列研究。主要工作有:1、全面系统地概述了嵌入式系统的发展过程和分类,及其在各个领域内的应用,以及嵌入式系统的发展方向;2、基于嵌入式系统设计原理的嵌入式开发平台的设计的总体方案,从硬件和软件两个方面讲述了嵌入式系统的设计思想和方法,及其可行性的论证;3、嵌入式系统硬件平台的设计与调试,着重叙述了硬件平台的整体设计方案,包括各个设计模块的选型与接口电路的设计;4、嵌入式系统所采用的操作系统的移植与调试,详细讲叙了C/OS-II实时操作系统在基于LPC2136的嵌入式控制器硬件平台上的移植过程及注意事项;5、对C/OS-II内核实时性能进行了深入的分析,通过实际测试得出了在特定条件下C/OS-
3、II的实时响应参数。6、在后继的工作中,我们还要在实时嵌入式操作系统的基础上完成对操作系统的扩展以及对各个模块的驱动。总之,本文完成了嵌入式系统的硬件平台构架、实时嵌入式操作系统的移植,为今后嵌入式系统的后继开发提供了一个嵌入式平台。关键词:嵌入式系统 ARM RTOS C/OS-II第二章 AbstractWith the development of IT network technology, embedded system shows a new direction of technology development. Embedded system has been applied
4、in military, electronics, communication, industrial control and so on, with respect to its small size, high performance, low cost, high reliability and oriented object program. Embedded controller with RTOS gets over the traditional microcontroller and the disadvantage of the un-real time specialty
5、base on pc, instead it is real-time, low cost ,miniaturized ,customized ,and high dependability. It also has a broad foreground , along with the fast development of hardware of embedded system .This intention of this topic is designing the embedded system, which is important for enhancing the unders
6、tanding of embedded system. The research is highlighted in both design theory and applications of embedded system, which extended its developments. This paper is organized into six parts:1. This article essentially introduced the development of embedded system, its classification, applications in nu
7、merous areas, and its development orientation.2. The second chapter covers the general design of the embedded system, based on the elements of embedded system design. then it shows the devise ideology and methods in either hardware or software, and the demonstration of its accessibility. 3. The thir
8、d chapter gives out the hardware of the embedded system, including design, test and implementation of each module, as well as their interface circuitry.4. The forth chapter introduces the process and attentions of RTOS C/OS-II, when explanted to the LPC2136 embedded controller hardware platform.5. I
9、t covers a in-dept analyzing in the real-time performance in C/OS-II core, as well as the real time respond parameter in the very condition.6. In the future, we will expand the operation system based on RTOS, and derivations of each module.In a word, the article provides keen insight into the platfo
10、rm architecture of hardware and explants of the RTOS, in addition to affording an embedded platform for the subsequence developments. Key word: embedded system ARM RTOS C/OS-II目 录第一章 绪论11.1 嵌入式系统简介11.1.1 嵌入式系统的定义和特点11.1.2 嵌入式系统的发展和趋势21.2 嵌入式处理器概述31.2.1 嵌入式处理器的分类31.2.2 ARM处理器简介51.3 本文主要研究的问题背景和内容71.3
11、.1 本文主要研究的问题背景71.3.2 本文主要内容描述和安排8第二章 嵌入式系统总体设计92.1 嵌入式系统设计方法讨论92.2 开发平台的功能需求分析102.3 开发平台软硬件的选择122.3.1 系统硬件平台的选择132.3.1.1 嵌入式ARM处理器的选型132.3.1.2 LPC2136芯片简介152.3.1.3 片外外围设备的选择162.3.2 系统软件的选择172.3.2.1 实时操作系统的选型原则182.3.2.2 几种开源的嵌入式操作系统的比较202.3.2.3 C/OS-II的特点242.4 开发平台方案总体规划252.4.1 硬件规划252.4.2 软件规划27第三章
12、嵌入式系统硬件详细设计293.1 LPC2136芯片结构293.1.1 LPC2136功能模块293.1.2 LPC2136管脚配置303.2 硬件原理303.2.1 电源电路303.2.2 复位电路313.2.3 系统时钟电路323.2.4 JTAG接口电路333.2.5 串口及MODEM接口电路333.2.6 按键电路343.2.7 LED显示电路353.2.8 蜂鸣器控制电路373.2.9 I2C电路383.2.10 直流电压测量电路383.2.11 DAC电路393.2.12 RTC电路403.2.13 USB电路40第四章 软件系统的基础构建与设计424.1 启动代码综述424.1.
13、1 一般ARM芯片启动过程424.1.2 LPC2136启动文件组成444.1.3 LPC2136启动代码工作流程474.2 移植C/OS-II到LPC2136484.2.1 移植规划484.2.2 编写移植代码514.2.3 移植C/OS-II体会634.3 C/OS-II实时性能测试分析644.3.1 测试方案设计644.3.2 内核函数时间参数测试654.3.3 中断时间参数测试694.3.4 测试结果与性能分析71第五章 结论与展望73参考文献75致 谢78个人简历79第一章 绪论随着社会的日益信息化,计算机和网络已经全面渗透到日常生活的每一个角落。对于我们来说,需要的已经不再仅仅是哪
14、种桌面计算机,任何一个人都可能拥有从小到大的各种使用嵌入式技术的电子产品,小到MP3、PDA、信息家电等消费数码,大到网络通信、车载电子、工业控制、国防武器等设备。目前,各种新型的嵌入式系统设备的应用领域和数量已经远远超过了通用计算机,如果说我们生活在一个充满嵌入式系统的世界中,是毫不夸张的。嵌入式系统(Embedded System)是当今最热门的技术之一,然而到底什么是嵌入式系统呢?什么样的技术可以称之为嵌入式技术呢?2.1 嵌入式系统简介2.1.1 嵌入式系统的定义和特点嵌入式系统是指以应用为中心,以计算机技术为基础,软件硬件可裁减,适应应用系统对功能、成本、体积、功耗和可靠性严格要求的
15、专用计算机系统。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、外围硬件设备、嵌入式实时操作系统(RTOS)以及特定的应用程序等四部分组成,是集软/硬件于一体的可独立工作的“器件”。嵌入式系统与通用型的相比其主要特点是:1.嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式CPU与通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中,它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点,能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部,从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化,移动能力大大增强,跟网络的耦合也越来越紧密。2.嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计,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
16、,这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。3.为了提高执行速度和系统可靠性,嵌入式系统中的系统程序(包括操作系统)和应用程序是浑然一体的,这些程序被编译连接成一个可以执行的二进制映像文件,然后被固化在系统存储空间中。4.嵌入式系统本身不具备自举开发能力,即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的大部分程序功能进行修改的,所以嵌入式系统的开发系统和实际运行系统并不是同一个,需要交叉编译系统和适当的调试系统;5.高可靠性和高实时性。即在恶劣的环境或突然断电的情况下,系统仍然能够正常工作;同时对于特殊的信号、消息、中断有极高的响应。2.1.2 嵌入式系统的发展和趋势虽然嵌入式系统是近几年才风靡
17、起来的,但是这个概念并非最近才出现。它是随着微电子技术和计算机技术的发展,从而越来越来引人注目。从20世纪70年代单片机的出现到今天各种各样的嵌入式微处理器、微控制器的大规模应用,嵌入式系统已经有近30年的发展历史。作为一个越来越复杂的系统,往往都是在硬件和软件双螺旋式交替发展下逐渐趋于成熟和稳定,嵌入式系统也不例外。嵌入式系统最初的应用是基于单片机的。20世纪70年代单片机的出现,使得汽车、家电、工业机器、通信设备以及成千上万种产品可以通过内嵌电子装置来获得更多性能,更容易使用,更便宜。这些设备已经初步具备了嵌入式的特点,但是这只是8位芯片,内部不过几万到十几万个门;执行单线程的程序,程序不
18、过几千行;还不是“系统”。随着深亚微米技术的不断进步,集成度大幅度提高,现在芯片工艺已经从0.5um变成90nm,将整个嵌入式系统集成在单一芯片上已成为现实,即嵌入式系统,也就是通常所说的SOC。除了以前的微处理器内核以外,还在内部集成了必要的ROM/RAM/FLASH、系统总线、定时/计数器、看门狗、串口、脉宽调制输出、A/D、D/A、I/O等各种必要功能和外设,更有的特定应用芯片还有视频编解码、以太网控制、DSP等模块。现在主流的嵌入式芯片已经从8位的51、AVR、PIC系列拓展到32位的ARM、MIPS、POWERPC系列。为了满足应用功能的升级,设计师在采用更强大的嵌入式处理器如32位
19、、64位RISC芯片或信号处理器DSP增强处理能力的同时,还采用C/C+等高级语言编程、实时多任务操作系统和交叉开发工具技术来控制功能复杂性,简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。90年代以后,随着实时性要求的提高,软件规模不断上升,嵌入式控制技术逐渐发展为实时多任务操作系统(RTOS,Real Time Operation System),并作为一种软件平台逐步成为目前嵌入式系统的主流。现在除了几家老牌的公司的实时多任务操作系统外,还出现了PalmOS、WindowsCE、嵌入式Linux、Nucleus、C/OS-II以及国内的Hopen等嵌入式操作系统。据权威杂志IC INSIG
20、HT指出:未来5到10年,仅移动计算设备和信息家电2项,国内对嵌入式系统的需求容量至少可达1.5-2亿套。整个嵌入式软件市场金额可达700亿美元。可见嵌入式技术的发展前景日益广阔,嵌入式工业的应用规模、应用深度和应用广度也将日益扩大。2.2 嵌入式处理器概述2.2.1 嵌入式处理器的分类嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器,目前据不完全统计,全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1500多种,流行体系结构有30几个系列。现在几乎每个半.导体制造商都生产嵌入式处理器,越来越多的公司有自己的处理器设计部门。嵌入式处理器的寻址空间一般从64KB到256MB,处理速度从0.1MIPS 到2000
21、MIPS,常用封装从8个引脚到292个引脚。过去国际上公认的通用嵌入式处理器有三大类: MCU、DSP和MPU。TI公司曾把处理器比作汽车,有个生动的比喻: MPU是轿车,追求的是经济性与速度的折中;DSP是跑车,追求的是速度;MCU是满足特殊用途的车。现在嵌入式处理器已经发展到SOC阶段。l 嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU) 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、Fl
22、ash 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51、AVR、PIC、MC68K等。目前MCU占嵌入式系统约60的市场份额。l 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
23、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Motor
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