嵌入式課程設(shè)計(jì)大作業(yè)

南京工程學(xué)院《ARM-Linux嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)》論文題目：系別：專(zhuān)業(yè)：班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：論文成績(jī)：2015年6月30日基于Linux的ARM嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要隨著3C融合進(jìn)程和我國(guó)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)的加速，人們對(duì)設(shè)備越來(lái)越高的應(yīng)用需求已無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)前和未來(lái)高性能的應(yīng)用與發(fā)展需求。同時(shí)，激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)，要求產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期越來(lái)越短，顯然，嵌入式系統(tǒng)的軟、硬件技術(shù)和開(kāi)發(fā)手段，正日益受到重視，成為各領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新的重要基礎(chǔ)。

嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)和各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物,這一點(diǎn)就決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。當(dāng)今信息時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用無(wú)處不在，而ARM嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用市場(chǎng)份額約占75%。從嵌入式系統(tǒng)的基本概念入手，分別從ARM的定義、ARM微處理器、ARM開(kāi)發(fā)工具及調(diào)試方法來(lái)介紹ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)。接著，討論了ARM嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，介紹了目前市場(chǎng)上的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS）。最后，概括了ARM技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域及其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，并預(yù)測(cè)ARM技術(shù)發(fā)展的前景。關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；ARM；微處理器；RTOS不同的是在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，駐留監(jiān)控軟件是作為操作系統(tǒng)的一個(gè)任務(wù)存在的。駐留監(jiān)控軟件的不便之處在于它對(duì)硬件設(shè)備的要求比較高，一般在硬件穩(wěn)定之后才能進(jìn)行應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)，同時(shí)它占用目標(biāo)板上的一部分資源，而且不能對(duì)程序的全速運(yùn)行進(jìn)行完全仿真，所以對(duì)一些要求嚴(yán)格的情況不是很適合。（3）JTAG仿真器。JTAG仿真器也稱(chēng)為JTAG調(diào)試器，是通過(guò)ARM芯片的JTAG邊界掃描口進(jìn)行調(diào)試的設(shè)備。JTAG仿真器比較便宜，連接比較方便，通過(guò)現(xiàn)有的JTAG邊界掃描口與ARMCPU核通信，屬于完全非插入式(即不使用片上資源)調(diào)試，它無(wú)需目標(biāo)存儲(chǔ)器，不占用目標(biāo)系統(tǒng)的任何端口，而這些是駐留監(jiān)控軟件所必需的。另外，由于JTAG調(diào)試的目標(biāo)程序是在目標(biāo)板上執(zhí)行，仿真更接近于目標(biāo)硬件，因此，許多接口問(wèn)題，如高頻操作限制、AC和DC參數(shù)不匹配，電線(xiàn)長(zhǎng)度的限制等被最小化了。使用集成開(kāi)發(fā)環(huán)境配合JTAG仿真器進(jìn)行開(kāi)發(fā)是目前采用最多的一種調(diào)試方式。目前國(guó)際市場(chǎng)上較流行的兩種JTAG仿真器：EPI公司的JEENI和ARM公司的Multi-ICE。（4）在線(xiàn)仿真器。在線(xiàn)仿真器使用仿真頭完全取代目標(biāo)板上的CPU，可以完全仿真ARM芯片的行為，提供更加深入的調(diào)試功能。但這類(lèi)仿真器為了能夠全速仿真時(shí)鐘速度高于100MHz的處理器，通常必須采用極其復(fù)雜的設(shè)計(jì)和工藝，因而其價(jià)格比較昂貴。在線(xiàn)仿真器通常用在A(yíng)RM的硬件開(kāi)發(fā)中，在軟件的開(kāi)發(fā)中較少使用，其價(jià)格高昂也是在線(xiàn)仿真器難以普及的因素。另外國(guó)際市場(chǎng)上較流行的有兩種JTAG仿真器：EPI公司的JEENI和ARM公司的Multi-ICE。4.ARM嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求4.1嵌入式系統(tǒng)軟件需要RTOS開(kāi)發(fā)平臺(tái)通用計(jì)算機(jī)具有完善的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序接口(API)，是計(jì)算機(jī)基本組成不可分離的一部分，應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)以及完成后的軟件都在OS平臺(tái)上面運(yùn)行，但一般不是實(shí)時(shí)的。嵌入式系統(tǒng)則不同，應(yīng)用程序可以沒(méi)有操作系統(tǒng)直接在芯片上運(yùn)行；但是為了合理地調(diào)度多任務(wù)、利用系統(tǒng)資源、系統(tǒng)函數(shù)以及和專(zhuān)家?guī)旌瘮?shù)接口，用戶(hù)必須自行選配RTOS開(kāi)發(fā)平臺(tái)，這樣才能保證程序執(zhí)行的實(shí)時(shí)性、可靠性，并減少開(kāi)發(fā)時(shí)間，保障軟件質(zhì)量。4.2RTOSRTOS是英文RealTimemulti-taskingOperationSystem的縮寫(xiě)，即實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。它是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開(kāi)發(fā)平臺(tái)。目前在中國(guó)大多數(shù)嵌入式軟件開(kāi)發(fā)還是基于處理器直接編寫(xiě)，沒(méi)有采用商品化的RTOS，不能將系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件分開(kāi)處理。RTOS最關(guān)鍵的部分是實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，它的基本功能包括任務(wù)管理、定時(shí)器管理、存儲(chǔ)器管理、資源管理、事件管理、系統(tǒng)管理、消息管理、隊(duì)列管理、旗語(yǔ)管理等，這些管理功能是通過(guò)內(nèi)核服務(wù)函數(shù)形式交給用戶(hù)調(diào)用的，也就是RTOS的API。RTOS的引入，對(duì)嵌入式軟件的標(biāo)準(zhǔn)化和加速知識(shí)創(chuàng)新是一個(gè)里程碑。5ARM的應(yīng)用5.1ARM技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域現(xiàn)在，嵌入式技術(shù)無(wú)處不在，ARM幾乎成為嵌入式技術(shù)的代名詞。作為一種16/32位高性能、低成本、低功耗的嵌入式RISC微處理器，ARM微處理器目前已經(jīng)成為應(yīng)用廣泛的嵌入式微處理器。ARM微處理器及技術(shù)的應(yīng)用幾乎已經(jīng)深入到各個(gè)領(lǐng)域。(1)工業(yè)控制領(lǐng)域：作為32位的RISC架構(gòu)，基于A(yíng)RM核的微控制器芯片不但占據(jù)了高端微控制器市場(chǎng)的大部分市場(chǎng)份額，同時(shí)也逐漸向低端微控制器應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展，ARM控制器的低功耗、高性?xún)r(jià)比，向傳統(tǒng)的8位/16位微控制器提出了挑戰(zhàn)。(2)無(wú)線(xiàn)通訊領(lǐng)域：目前已有超過(guò)85％的無(wú)線(xiàn)通訊設(shè)備采用了ARM技術(shù)，ARM以其高性能和低成本，在該領(lǐng)域的地位日益鞏固(3)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用：隨著寬帶技術(shù)的推廣，采用ARM技術(shù)的ADSL芯片正逐步獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。此外，ARM在語(yǔ)音及視頻處理上進(jìn)行了優(yōu)化，并獲得廣泛支持，也對(duì)DSP的應(yīng)用領(lǐng)域提出了挑戰(zhàn)。(4)消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品：ARM技術(shù)在目前流行的數(shù)字音頻播放器、數(shù)字機(jī)頂盒和游戲機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。(5)成像和安全產(chǎn)品：現(xiàn)在流行的數(shù)碼相機(jī)和打印機(jī)中絕大部分采用ARM技術(shù)。手機(jī)中的32位SIM智能卡也采用了ARM技術(shù)。6．具體實(shí)例：路燈監(jiān)控通信終端本系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一種基于A(yíng)RM7處理器以及利用GPRS技術(shù)的路燈監(jiān)控通信系統(tǒng)的終端,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)的各路現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的傳輸。結(jié)合上位機(jī)軟件，將各路數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞到集中監(jiān)控中心，以實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈運(yùn)行情況的統(tǒng)一監(jiān)控和分布式管理。6.1主要芯片簡(jiǎn)介6.1.1LPC2106芯片[2]LPC2106處理器是菲利普公司的ARM7TDMI-S處理器，該芯片帶有一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的ARM7TDMI-SCPU，并嵌入了128KB的高速Flash存儲(chǔ)器。具有ISP和IAP功能，128位的儲(chǔ)存器接口和特別的允許在最高時(shí)鐘周期執(zhí)行32位代碼的加速體系，在代碼長(zhǎng)度起關(guān)鍵作用的程序中，可選的16位的Thumb模式在最少的代價(jià)下能夠減少了超過(guò)30%的代碼，CPU操作頻率可達(dá)60MHz；LPC2106體積很小，它有兩個(gè)低功耗模式：空閑和掉電，使系統(tǒng)保證在低功耗使用，非常省電，在路燈監(jiān)控系統(tǒng)中，它是非常理想的選擇。它內(nèi)部RAM達(dá)到64K大小，提供I2C串行和SPI串行接口等接口，使得LPC2106在GPRS系統(tǒng)中能夠進(jìn)行各種擴(kuò)充；它的兩個(gè)定時(shí)器，分別具有4

路捕獲/比較通道，適合路燈控制多路數(shù)據(jù)處理，看門(mén)狗定時(shí)器確保了系統(tǒng)的安全，雙電源技術(shù)保證了系統(tǒng)的可靠性。P87LPC760芯片[3]P87LPC760是14

腳封裝的單片機(jī)，適合于許多要求高集成度低成本的場(chǎng)合，可以滿(mǎn)足多方面的性能要求。它是菲利普公司小型封裝系列中的一員，P87LPC760提供高速和低速的晶振和RC

振蕩方式，可編程選擇具有較寬的操作電壓范圍，可編程I/O口線(xiàn)輸出模式選擇，可選擇施密特觸發(fā)輸入LED

驅(qū)動(dòng)，輸出有內(nèi)部看門(mén)狗定時(shí)器,P87LPC760采用加速80C51處理器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行速度是標(biāo)準(zhǔn)80C51

MCU的兩倍特性。在路燈監(jiān)控通信終端中作為從處理器。6.2路燈監(jiān)控通信終端的硬件方案6.2.1GPRS通信終端硬件結(jié)構(gòu)GPRS路燈監(jiān)控系統(tǒng)終端安裝在路燈的各個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，通過(guò)RS232口和RS485口與GPRS透明數(shù)據(jù)傳輸終端連接，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)協(xié)議封裝后發(fā)送到中國(guó)移動(dòng)的GPRS數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)GPRS數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至路燈監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)路燈終端和路燈監(jiān)控中心系統(tǒng)的實(shí)時(shí)在線(xiàn)連接。GPRS通信終端硬件結(jié)構(gòu)采用主從CPU的設(shè)計(jì)方法，這樣提高系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)行速度，主處理器采用菲利普公司的ARM7TDMI-S處理器LPC2106，主要負(fù)責(zé)協(xié)議的封裝，與GPRS通信的實(shí)現(xiàn)；從處理器采用菲利普公司的P87LPC760，主要負(fù)責(zé)對(duì)ARM7芯片和GPRS模塊的控制。6.2.2監(jiān)控通信硬件的實(shí)現(xiàn)在路燈監(jiān)控通信終端中，主處理器是基于A(yíng)MR7核心的LPC2106處理器，它是整個(gè)系統(tǒng)的硬件核心，連接結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，主要功能是實(shí)現(xiàn)GPRS下的通信協(xié)議封裝及數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)采用適用于GPRS的AT指令，使用TCP／IP協(xié)議將數(shù)據(jù)打成IP包，經(jīng)GPRS接口接入無(wú)線(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)，并應(yīng)用Winsock控件來(lái)實(shí)現(xiàn)接收數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)交換。2.3監(jiān)控通信控制的實(shí)現(xiàn)從處理器使用P87LPC760，主要功能是對(duì)LPC2106處理器與GPRS模塊的數(shù)據(jù)傳輸通信控制；2.4監(jiān)控通信接口的實(shí)現(xiàn)由于監(jiān)控通信終端是3.3V的系統(tǒng)，而且核心處理器LPC2106的UART1帶有完全的調(diào)制解調(diào)器接口，使用TTL電平，所以使用8路的RS232轉(zhuǎn)換芯片SP3238進(jìn)行RS232電平轉(zhuǎn)換及串口通信，SP3238芯片是+3.0V和+5.5V的RS232轉(zhuǎn)換器。具有低功耗、高數(shù)據(jù)速率、增強(qiáng)型ESD保護(hù)等特性。MAX3485是RS485電平轉(zhuǎn)換，這些口線(xiàn)可保留給用戶(hù)作為其它功能使用。6.2.5GPRS模塊的實(shí)現(xiàn)中興ZTE815主要是用來(lái)實(shí)現(xiàn)GPRS模塊，使用SIM卡進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。SIM卡的1和4腳接電源，2腳接地，3腳是復(fù)位，與ZTE815的41腳相連；5腳是時(shí)鐘，與ZTE815的45腳相連；6腳是通信讀寫(xiě)I/O引腳，與ZTE815的43腳相連。6.3GPRS通信的軟件方案軟件的設(shè)計(jì)是本監(jiān)控通信終端的核心，其中通信模塊設(shè)計(jì)是整個(gè)終端軟件設(shè)計(jì)主要部分，軟件設(shè)計(jì)采用ARM公司的ADS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，使用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，主要是對(duì)LPC2106處理器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)協(xié)議的封裝及與GPRS系統(tǒng)的通信，從初始化串行通訊模塊設(shè)計(jì)到與帶SIM卡的GPRS終端的通信流程設(shè)計(jì)，需要兼顧軟件的各個(gè)功能模塊，包括參數(shù)設(shè)置、自動(dòng)接收數(shù)據(jù)、請(qǐng)求數(shù)據(jù)以及信號(hào)判斷等。6.3.1通信命令處理通信數(shù)據(jù)處理主要是針對(duì)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收到的信息進(jìn)行相關(guān)處理。通過(guò)在A(yíng)RM7模塊建立AT指令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)AT指令的分析和控制。本系統(tǒng)用到的AT指令是：建立TCP/socket連接命令"AT+ISTCP："；發(fā)送數(shù)據(jù)命令"AT+ISSND%："；查詢(xún)數(shù)據(jù)命令"AT+ISRCV："；查詢(xún)數(shù)據(jù)鏈路命令"AT+ISST："；模塊退出傳輸模式命令"AT+IMCM"；查詢(xún)模塊信號(hào)值命令"AT+CSQ"；模塊返回?cái)?shù)據(jù)傳輸模式命令"ATO"；DTU返回控制命令模式命令"AT+I"；關(guān)閉SOCKET命令"AT+ISCLS:

"。6.3.2系統(tǒng)主要函數(shù)介紹通信控制是比較復(fù)雜的過(guò)程，本系統(tǒng)主要的函數(shù)有：（1）接收的字符串與目標(biāo)pSrc字符串對(duì)比函數(shù)unsignedcharRecive_GpCmp(constunsignedchar*pSrc,unsignedcharunNum)，用于對(duì)接收指令的檢測(cè)；（2）提取信號(hào)強(qiáng)度函數(shù)unsignedcharAchieve_IMFSrong(void)，信號(hào)強(qiáng)度為0~30；（3）對(duì)比連接返回值函數(shù)unsignedcharAchieve_Socket(void)；（4）建立SOCKET連接函數(shù)voidConnect_Socket(unsignedchar*pIp)，該函數(shù)負(fù)責(zé)發(fā)送IP地址及端口號(hào)，等待時(shí)間是一分鐘，在數(shù)據(jù)返回值中，I/000表明連接成功，字柄號(hào)為000，I/ERROR表明連接超時(shí)或不成功；（5）查詢(xún)信號(hào)強(qiáng)度函數(shù)voidCheck_IMFSrong(void)，等于1為查詢(xún)信號(hào)強(qiáng)度狀態(tài)，等于0為空閑狀態(tài)，在查信號(hào)強(qiáng)度，最長(zhǎng)時(shí)間3.2秒，時(shí)間間隔為6分鐘，并在主循環(huán)調(diào)用該函數(shù)；（6）查詢(xún)?cè)诰€(xiàn)狀態(tài),秒間隔調(diào)用函數(shù)voidCheck_Gprs(void)，設(shè)置在線(xiàn)查詢(xún)時(shí)間間隔為3分鐘，兩次判斷掉線(xiàn)就確認(rèn)掉線(xiàn)了。6.3.3數(shù)據(jù)收發(fā)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)由于篇幅的限制，不能對(duì)各函數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的描述，下面主要對(duì)數(shù)據(jù)收發(fā)函數(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。6.3.4接收數(shù)據(jù)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)voidRecive_Data_Socket(void){unsignedcharbuf[20],i;Check_IMFSrong();if(ucGPRSMode&&ucGprsLink)

{

for(i=0;i<CMD_NUM[2];I++)<

p>

buf[i]=pGPRSCMD[2][i];

buf[i++]=0x0d;

ucGPRSMode="1";

//接收數(shù)據(jù)UART1_SendStr(buf,i);

}

}

6.3.5發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)

Void

Send_Data_Socket(

)

{

unsigned

char

i,j,tmp,buf[20];

unsigned

short

usYn,usTmp,usLen;

if(Len==0)return

for

(i=0;i<>

{

buf[i]

=

pGPRSCMD[1][i];

}

i--;

buf[i++]

=

':';

for

(j=0;j<3;j++)

buf[i++]=szGprsHandle[j];

//數(shù)據(jù)句柄號(hào)

buf[i++]

=

',';

usTmp

=10000;

usYn="0";

usLen="Len";

for(j=0;j<5;j++)

//發(fā)送長(zhǎng)度

{

tmp="usLen/usTmp";

usLen="usLen"%usTmp;

if(usYn)

{

buf[i++]=tmp+'0';

}

else

{

if(tmp)

{

usYn="1";buf[i++]=tmp+'0';

}

}

usTmp/=10;

}

buf[i++]

=

':';

UART1_Send