畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于ARM7的CF卡存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 基于arm7的cf卡存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛，幾乎無所不在。在圖像處理，航空航天，遙感測(cè)量，現(xiàn)代電子測(cè)試等很多領(lǐng)域，要求測(cè)試儀器設(shè)備能及時(shí)保存原始測(cè)試數(shù)據(jù)，用于事后數(shù)據(jù)分析和處理。同時(shí)前端探測(cè)器性能的提高，對(duì)于各種系統(tǒng)存儲(chǔ)容量,體積,造價(jià),穩(wěn)定性等都提出了更高的要求。因此研制性能可靠,體積小,成本低,的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)是十分必要的。本文提出基于arm7嵌入式處理器與存儲(chǔ)系統(tǒng)解決方案。介紹針對(duì)arm7架構(gòu)的嵌入式系統(tǒng)中，以cf卡作為存儲(chǔ)介抽的文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，進(jìn)行了存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其特點(diǎn)是高性能,低成本,體積小。文中利用了arm7處理器的特點(diǎn)進(jìn)行了基于本方案的硬件設(shè)計(jì)，敘述了存儲(chǔ)系統(tǒng)

2、設(shè)計(jì)中需注意的問題。最后分析了系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果，并指出存在的問題和改進(jìn)方法。（關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) arm7 cf卡 存儲(chǔ)系統(tǒng)）1design of storage system based on arm7abstractembedded system application is very wide, almost omnipresent. in image processing, aerospace, remote sensing, modern electronic testing and many other fields, requirements of test equipment ca

3、n keep the original testing data, used after the data analysis and processing. at the same time the front detector performance increases, for a variety of system storage capacity, volume, cost, stability and so on are put forward higher requirements. so the development of reliable performance, small

4、 volume, low cost, the data storage system is very necessary.in this paper based on the arm7 embedded processor and storage system solutions. introduced in arm7 architecture for embedded systems, to the cf card as storage medium pumping file system design, the design of storage system. its character

5、istic is high performance, low cost, small volume. in this paper by using the arm7 processor features were based on the scheme of hardware design, describes the storagethe system is analyzed the test results, and points out the existing problems and improvement method.( key words: embedded system ar

6、m7 storage system )2目 錄摘 要-1abstract-2目 錄-3緒 言-4第一章 設(shè)計(jì)目的和要求-51.1 設(shè)計(jì)目的-51.2 設(shè)計(jì)要求-5第二章 嵌入式系統(tǒng)-6 2.1 嵌入式系統(tǒng)的基本概念-6 2.2 嵌入式系統(tǒng)的組成-6 2.3 嵌入式系統(tǒng)的的特點(diǎn)-7第三章 arm7技術(shù)-8 3.1 arm7技術(shù)的基本信息-8 3.2 arm7的指令集與指令周期-8 3.3 arm7的模塊與內(nèi)部框圖-9 3.4 arm7的模塊與內(nèi)核框圖-10 3.5 arm7的功能信息圖-11第四章 arm7系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)cf卡存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-12 4.1 基本原理-13 4.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)-14 4

7、.3 測(cè)試與分析-15結(jié) 論-16參考文獻(xiàn)-17致 謝-183緒 言 現(xiàn)實(shí)世界的信息總是攜帶于模擬信號(hào)之中。根據(jù)耐圭斯特采樣定理，只要滿足采樣頻率f大于等于2倍信號(hào)的最高頻率f，即 f=2f對(duì)信號(hào)進(jìn)行等間隔采樣，連續(xù)的模擬信號(hào)就可以無失真地轉(zhuǎn)化為離散信號(hào)，再通過模擬數(shù)字變換器（adc）得到很精確的數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)數(shù)字信號(hào)處理后再轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。數(shù)字信號(hào)處理會(huì)得到模擬信號(hào)所不能獲得的很多優(yōu)點(diǎn)，不僅能利用統(tǒng)一的方法進(jìn)行加工處理，還能增加很多采樣模擬信號(hào)不能實(shí)現(xiàn)的功能。數(shù)字信號(hào)處理就是以數(shù)字運(yùn)算的方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，提取，變換等處理。數(shù)字信號(hào)處理作為信號(hào)與信息處理的一個(gè)分支學(xué)科，其歷史可以追溯到

8、很久以前。然而，它又是一個(gè)新興的，極富活力的學(xué)科，活躍在電子學(xué)，計(jì)算機(jī)，應(yīng)用數(shù)學(xué)等科學(xué)的最前沿，參透到科學(xué)研究，技術(shù)開放，工業(yè)生產(chǎn)以及國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，扮演著越來越重要的角色。在圖像處理,航空航天，遙感測(cè)量，現(xiàn)代電子測(cè)試等很多領(lǐng)域，要求測(cè)試儀器設(shè)備能及時(shí)保存原始測(cè)試數(shù)據(jù)，用于事后數(shù)據(jù)分析和處理。同時(shí)前端探測(cè)器性能的提高，對(duì)于各種系統(tǒng)存儲(chǔ)系統(tǒng)容量，體積，造價(jià)。穩(wěn)定性等都提出了更高的要求。為了實(shí)現(xiàn)較高的傳輸速率和較大的數(shù)據(jù)量，以往多采用多機(jī)并行處理，傳輸和并行記錄技術(shù)。但是這類系統(tǒng)具有對(duì)環(huán)境要求較高，加之體積一般比較龐大，功耗大等諸多缺點(diǎn)，很難適用于受空間限制的特殊環(huán)境要求。因此研制性能可

9、靠，體積小，成本低的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)記錄系統(tǒng)是十分必要的4第一章 設(shè)計(jì)目的和要求 1.1 設(shè)計(jì)目的 存儲(chǔ)設(shè)備是嵌入式系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，數(shù)字信息在運(yùn)算和處理過程中，需要使用存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行信息存儲(chǔ)，本文在基于arm7的微處理器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，嵌入式系統(tǒng)存儲(chǔ)器種類很多，性能指標(biāo)也各有差異。本文在基于arm7的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)中容量大，速度快，耗電省，體積小，操作方便，維護(hù)容易等優(yōu)點(diǎn)的存儲(chǔ)器。1.2 設(shè)計(jì)要求（1）要基于arm7的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)存儲(chǔ)系統(tǒng)（2）要掌握嵌入式系統(tǒng)的基本知識(shí) （3）存儲(chǔ)系統(tǒng)功能強(qiáng)，耗能省，速度快的優(yōu)點(diǎn)5第二章 嵌入式系統(tǒng)2.1 嵌入式系統(tǒng)的基本概念 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，可

10、以說無所不在，無處不在，嵌入式系統(tǒng)的快速發(fā)展也極大的豐富，延伸了嵌入式系統(tǒng)的概念。嵌入式系統(tǒng)是嵌入到對(duì)象體系中的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。一嵌入式計(jì)算機(jī)為核心的嵌入式是繼網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后，又一個(gè)新的技術(shù)方向。（國(guó)際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）對(duì)嵌入式系統(tǒng)的定義為：嵌入式系統(tǒng)是“用于控制或輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置”。這主要是從應(yīng)用對(duì)象上加以定義，涵蓋了軟硬件及輔助機(jī)器設(shè)備。國(guó)內(nèi)普遍認(rèn)同的嵌入式系統(tǒng)的定義為：以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可剪裁，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能,可靠性,成本,體積,功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。相比較而言，國(guó)內(nèi)的定義更全面一些，體現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的“嵌入” ,“專用性” ,“計(jì)算機(jī)”的基

11、本特征。廣泛的說，一個(gè)嵌入式系統(tǒng)就是一個(gè)具有特定功能或用途的計(jì)算機(jī)軟硬件集合體。而狹義上嵌入式系統(tǒng)就是指裝入一個(gè)設(shè)備并控制該設(shè)備的專用計(jì)算機(jī)。嵌入式系統(tǒng)最大的特征是其目的性和針對(duì)性，即每一套嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)都有其特殊的應(yīng)用場(chǎng)合與特定功能。而這種“特別開發(fā)” , “特別制作”也使得嵌入式前天具有了以往計(jì)算機(jī)系統(tǒng)無法具備的體積優(yōu)勢(shì),能耗優(yōu)勢(shì),處理優(yōu)勢(shì)（主要是實(shí)時(shí)性）。2.2嵌入式系統(tǒng)的組成 嵌入式系統(tǒng)是專用計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，它具有一般計(jì)算機(jī)組成的共性，是由硬件和軟件組成。嵌入式系統(tǒng)的硬件是嵌入式系統(tǒng)軟件運(yùn)行的基礎(chǔ)，它提供了嵌入式系統(tǒng)軟件運(yùn)行的物流平臺(tái)和通信接口。嵌入式軟件則是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，控制

12、整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，提供人機(jī)交互信息等。 嵌入式系統(tǒng)硬件部分是以嵌入式微處理器為中心，由存儲(chǔ)器、i/o設(shè)備、通信模塊以及電源等必要的輔助借口組成。嵌入式系統(tǒng)是量身定做的專用計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，因此它的硬件配置非常精簡(jiǎn)，除了微處理器和基本的外圍電路以外，其余的電路都可以根據(jù)需要和要求和陳本進(jìn)行裁剪、定制、非常經(jīng)濟(jì)、可靠。嵌入式為處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，是嵌入式系統(tǒng)的核心。目前有影響、有代表性的32位嵌入式微處理器有arm公司的arm處理器，他具有高性能、低功耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于手工設(shè)備。智能儀器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、信息家電、通信設(shè)備等領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)的軟件由芯片級(jí)/板級(jí)初始化b

13、sp、嵌入式操作系統(tǒng)、gui文件系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)應(yīng)用程序api和用戶應(yīng)用程序構(gòu)成。芯片級(jí)/板級(jí)初始化引導(dǎo)程序用于執(zhí)行系統(tǒng)自檢測(cè)、系統(tǒng)初始化及引導(dǎo)操作系統(tǒng)，最后進(jìn)入程序，操作系統(tǒng)將cpu時(shí)間、中斷、i/o/定時(shí)器等資源包裝起來，留給用戶一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的api，并根 6據(jù)各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，合理地在不同任務(wù)之間分配cpu時(shí)間。圖形化用戶界面、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、i/o設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在嵌入式系統(tǒng)上運(yùn)行，而與用戶交互的應(yīng)用軟件則通過調(diào)用文件系統(tǒng)和gui的功能調(diào)用（api）來實(shí)現(xiàn)。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用軟件需要自主開發(fā)，不同的嵌入式系統(tǒng)其應(yīng)用軟件各具特色和功能。 2.3 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn) 作為專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的嵌入式系

14、統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比，具有幾個(gè)重要特征：（1） 嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應(yīng)用的。（2） 功耗低、體積小、集成度高、成本低。（3） 嵌入式操作系統(tǒng)的支持（4） 嵌入式系統(tǒng)與具體應(yīng)用有機(jī)結(jié)合在一起。（5） 為提供執(zhí)行速度和系統(tǒng)的可靠性。（6） 專用開發(fā)工具的支持 7第三章 arm7技術(shù) 3.1 arm7技術(shù)基本信息 arm9的時(shí)鐘頻率比arm7更高,采用哈佛結(jié)構(gòu)區(qū)分了數(shù)據(jù)總線和指令總線, arm7處理器采用3級(jí)流水線，而arm9采用5級(jí)流水線， 5級(jí)流水線能夠?qū)⒚恳粋€(gè)指令處理分配到5個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，在每一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)有5個(gè)指令在執(zhí)行。在同樣的加工工藝下，arm9tdmi處理器的時(shí)鐘頻率是arm

15、7tdmi的1822倍。指令周期的改進(jìn), 3.2 arm7的指令集與指令周期 rm,shift寄存器移位方式 將寄存器的移位結(jié)果作為操作數(shù)（移位操作不消耗額外的時(shí)間），但rm值保持不變，移位方法如下： 操作碼明操作碼說明asr #n算術(shù)右移n位ror #n循環(huán)右移n位lsl #n邏輯左移n位rrx帶擴(kuò)展的循環(huán)右移1位lsr #n邏輯右移n位type rstype為移位的一種類型，rs為偏移量寄存器，低8位有效。arm7的指令周期： 指令周期的改進(jìn): 21 loads 指令矛n stores指令 指令周期數(shù)的改進(jìn)最明顯的是loads指令和stores指令。從arm7到arm9這兩條指令的執(zhí)行時(shí)間

16、減少了30%。指令周期的減少是由于arm7和arm9兩種處理器內(nèi)的兩個(gè)基本的微處理結(jié)構(gòu)不同所造成的。 (1)arm9有獨(dú)立的指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口，允許處理器同時(shí)進(jìn)行取指和讀寫數(shù)據(jù)。這叫作改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)。而arm7只有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口，它同時(shí)用來取指令和數(shù)據(jù)訪問。 8(2)5級(jí)流水線引入了獨(dú)立的存儲(chǔ)器和寫回流水線，分別用來訪問存儲(chǔ)器和將結(jié)果寫回寄存器。 以上兩點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)周期完成loads指令和stores指令。3.3 arm7的模塊與內(nèi)部框圖 arm7處理器部件和主要信號(hào)路徑的框圖如圖所示。它內(nèi)部由處理器核、用于邊界掃描的tap控制器和在線仿真器ice組成。雙向數(shù)據(jù)總線d31：0被分割成單向輸入

17、和輸出總線，以便于與外部存儲(chǔ)器兼容 93.4 arm7的模塊和內(nèi)核框圖 地址寄存器寄存器組31*32位寄存器（6個(gè)狀態(tài)寄存器）地址增量器乘法器桶形移位器32位alu寫數(shù)據(jù)寄存器指令流水線讀數(shù)據(jù)寄存器thumb指令譯碼器指令譯碼和邏輯控制addr31:0clkclennirqnfiqnresetabortlockwritesize1:0prot1:0trans1:0dbg輸出dbg輸入cp控制cp握手wdata31:0rdata31:0掃描調(diào)試控制a總線b總線alu總線增量器總線pc總線103.5 arm7的功能信號(hào)圖 arm7 11 第四章 arm7系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)cf卡存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)隨著微控制器性能

18、的不斷提高，嵌入式應(yīng)用越來越廣泛。但是目前市場(chǎng)上的大型商用嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)，價(jià)格昂貴，而且都針對(duì)特定的硬件平臺(tái)。對(duì)于中小型系統(tǒng)開發(fā)，購(gòu)買商用實(shí)時(shí)系統(tǒng)并不劃算。目前我們正著手將嵌入式系統(tǒng)軟件應(yīng)用于汽車衛(wèi)星導(dǎo)航儀系統(tǒng)的一步開發(fā)。傳統(tǒng)的嵌入式應(yīng)用并不包括文件系統(tǒng)，而我們要實(shí)現(xiàn)的文件系統(tǒng)需要在車輛導(dǎo)航系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)地圖數(shù)據(jù)文件的讀寫。因此它既要支持與ms-dos兼容的文件系統(tǒng)也要支持其它類型的文件系統(tǒng)。 另一方面，從數(shù)碼相機(jī)到mp3播放機(jī)，從掌上電腦到數(shù)碼攝像機(jī)，cf（compactflash）卡由于具有體積小、兼容性強(qiáng)、價(jià)格相對(duì)低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)碼設(shè)備上的應(yīng)用越來越廣泛。但若想在cf卡與pc之間傳遞數(shù)據(jù)

19、，通常不得不借助于專門的讀卡器，這給pc的用戶帶來了不小的麻煩。compactflash卡全稱為“標(biāo)準(zhǔn)閃存卡”，簡(jiǎn)稱“cf卡”。cf卡的應(yīng)用空間比較廣，最常見的是在數(shù)碼照相機(jī)中用于照片的存儲(chǔ)。由于cf卡內(nèi)部采用模擬硬盤控制器的設(shè)計(jì)，使得cf卡可以比較容易地通過ide接口實(shí)現(xiàn)與電腦的連接，一定程度上可以起到移動(dòng)存儲(chǔ)的作用。一般的嵌入式系統(tǒng)不會(huì)提供讀寫cf卡的接口，所以需要在文件系統(tǒng)中專門設(shè)計(jì)一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序。4.1 基本原理12圖1所示的cf卡中，主機(jī)系統(tǒng)的控制器接口允許數(shù)據(jù)從flash介質(zhì)讀寫。cf卡的存取方式有三種：memory方式、i/o方式以及true ide方式。我們選擇的是true id

20、e方式。需要注意的是，當(dāng)主機(jī)電源一直接通時(shí)，拔插cf卡將會(huì)使其從原來的true ide方式重新配置成pc card ata方式。所以要讓cf卡一直工作在true ide，需要在電源加電啟動(dòng)時(shí)將oe輸入信號(hào)接地。此方式也支持8位存取，但我們選擇了16位存取。一次最多存取的扇區(qū)數(shù)可由命令碼ech中的第47參數(shù)字決定。cf卡跟硬盤的結(jié)構(gòu)相同，如圖2所示。在引導(dǎo)區(qū)中裝有用于啟動(dòng)系統(tǒng)的代碼，以及有關(guān)文件系統(tǒng)的重要信息，隨后是記錄所有磁盤空間的表，再下來就是根目錄，然后是所有其它的東西。引導(dǎo)扇區(qū)在其末尾處包含有分區(qū)表。此表包含了用以標(biāo)示每個(gè)分區(qū)開始和結(jié)束的表項(xiàng)，最多可以有四個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)可包含不同的文件

21、系統(tǒng)。緊隨引導(dǎo)區(qū)之后的是fat（文件分配表），用來記錄設(shè)備中所有的磁盤空間的信息（此表與unix中的i-node表和空閑表具有相同的功能）。設(shè)計(jì)軟件時(shí)，同時(shí)考慮了通用性及可擴(kuò)展性，目的在于使該文件系統(tǒng)無需分別修改便能夠?qū)f卡、ide硬盤、ram disk、電子盤、sd等不同的存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)行操作；讀出這些存儲(chǔ)介質(zhì)中的數(shù)據(jù)，并且可以將數(shù)據(jù)輸送到不同存儲(chǔ)設(shè)備上。13為了達(dá)到這些目的，我們針對(duì)不同cpu的不同處理方法，對(duì)硬件操作程序進(jìn)行分離，將設(shè)備有關(guān)的底層程序變成與設(shè)備無關(guān)的上層操作。這樣，當(dāng)系統(tǒng)新增功能之后，不必更改每個(gè)子程序，只需要在某些接口文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中添加或者更改數(shù)據(jù)項(xiàng)即可；又考慮到用戶對(duì)

22、上層操作的透明性，我們采用面向?qū)ο蟮姆椒ǎ蠈咏Y(jié)構(gòu)中存取操作的driver結(jié)構(gòu)（含read、write數(shù)據(jù)項(xiàng)）是虛擬的，在底層才將它具體化為cf卡的讀寫扇區(qū)命令（操作碼為：20h、30h）。軟件程序的主要流程如圖3所示。4.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)根據(jù)上述原理，可完成軟件設(shè)計(jì)，其基本框架如圖4所示，分為六個(gè)主要部分。其中，cf卡驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是cf卡的存取操作函數(shù)所采用的命令碼有些不同。另外，我們使用驅(qū)動(dòng)程序?qū)ο髞泶韈f卡設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。該驅(qū)動(dòng)程序?qū)ο髮?duì)于用戶是部分不透明的，數(shù)據(jù)項(xiàng)包括讀寫函數(shù)的指針，這些函數(shù)由文件系統(tǒng)程序輸出（包括兩部分函數(shù)，用戶可見api函數(shù)調(diào)用和用戶不見驅(qū)動(dòng)存取函數(shù)）。此對(duì)象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)聲明如下：typedef struct cf_xfile_driver14byte driver_name; /*介質(zhì)標(biāo)示；cf卡、ide硬盤、flash卡、ramdisk等，刪除驅(qū)動(dòng)的話，需要重新記錄driver號(hào)*/ /*irp處理函數(shù)*/cf_xfile_driver；如果有多個(gè)cf卡，需要用另外一個(gè)特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)next_driver來把它們水平連接在一起。然后，用鏈表來管理這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，管理方式類似于wdm（windows driver model）。4.3測(cè)試分析經(jīng)過調(diào)試運(yùn)行，該文件系統(tǒng)性