基于ARM的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計課件

基于ARM的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計專業(yè)：電子信息與科學(xué)技術(shù)班級：電科2班學(xué)號：080531060204學(xué)生姓名：崔歡指導(dǎo)教師：李廣偉基于ARM的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計1摘要嵌入式系統(tǒng)以其特殊，體積小，便于攜帶，高可靠性，已經(jīng)在廣泛領(lǐng)域得到應(yīng)用，如軍事國防，消費電子，通信設(shè)備，工業(yè)控制。嵌入式處理器嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS），具有實時性，低成本，小型，專用和高可靠性，克服傳統(tǒng)的基于微控制器的控制系統(tǒng)功能不全和非實時的基于PC系統(tǒng)的缺點。隨著嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，其應(yīng)用將更加廣泛，嵌入式系統(tǒng)的研究將有非常廣泛的前景。這個項目的目的是研究對學(xué)校教學(xué)的嵌入式系統(tǒng)平臺，這提高對嵌入式系統(tǒng)的理解是非常重要的。本篇以嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的原則和實際應(yīng)用為核心，以理論和技術(shù)方法為主題，開展了一系列研究。摘要嵌入式系統(tǒng)以其特殊，體積小，便于攜帶，高可靠性，已經(jīng)2嵌入式系統(tǒng)的定義和特點嵌入式系統(tǒng)是指以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。這是從技術(shù)的角度來定義的，嵌入式系統(tǒng)一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序等4個部分組成，用于實現(xiàn)對其它設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。“嵌入式”反映了這些系統(tǒng)通常是更大系統(tǒng)中的一個完整部分，嵌入式的系統(tǒng)中可以共存多個嵌入式系統(tǒng)。

與通用的嵌入式系統(tǒng)相比，其主要特征是：1.嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應(yīng)用的。嵌入式CPU與通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在為特定用戶群設(shè)計的系統(tǒng)中，它通常都具有低功耗、體積小、集成度高等特點，能夠把通用CPU中許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計趨于小型化，移動能力大大增強，跟網(wǎng)絡(luò)的耦合也越來越緊密。

嵌入式系統(tǒng)的定義和特點嵌入式系統(tǒng)是指以應(yīng)用32.嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率的設(shè)計，消除冗余度，在同樣的硅片面積，努力實現(xiàn)更高的性能，所以在處理器的具體應(yīng)用選擇上才更具有競爭力。3.為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的系統(tǒng)程序(包括操作系統(tǒng))和應(yīng)用程序是渾然一體的，這些程序被編譯連接成一個可以執(zhí)行的二進制映像文件，然后被固化在系統(tǒng)存儲空間中。4.嵌入式系統(tǒng)本身不具有引導(dǎo)發(fā)展的能力，即使設(shè)計完成后，大多用戶通常不能自行修改程序的功能，使嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的系統(tǒng)和實際的操作系統(tǒng)是不一樣的，需要交叉編譯系統(tǒng)和適當?shù)恼{(diào)試系統(tǒng)。5.高可靠性和高實時性。也就是說，在惡劣的環(huán)境或突然斷電的情況下，系統(tǒng)仍然會工作;并且對于一個特殊的信號，消息快速響應(yīng)中斷。2.嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率的設(shè)計，消除冗余度，在4本文主要研究的問題背景和內(nèi)容本文主要研究的問題背景：

可以在嵌入式系統(tǒng)的巨大需求描述中發(fā)現(xiàn)，特別是在未來10年嵌入式的需求達到了一個高峰。從國內(nèi)IT行業(yè)的發(fā)展來看，國內(nèi)設(shè)備開發(fā)有從眾心理，為了提高可靠性，而去使用別人早已用過比較成熟的產(chǎn)品，但這些產(chǎn)品往往價格昂貴，并且核心技術(shù)長期掌握在他人控制的手中，不利于自身的發(fā)展和成長。

由于嵌入式系統(tǒng)不同于以往PC市場，硬件和軟件已經(jīng)不可能出像一家壟斷的情況。實際上對硬件及軟件的選擇來說，主要因素是由應(yīng)用決定的，國內(nèi)應(yīng)該抓住這個機會加入到這個競爭行列中來。本文主要研究的問題背景和內(nèi)容本文主要研究的問題背景：5ARM微處理器因其卓越的低功耗、高性能在32位嵌入式應(yīng)用中已位居世界第一，是高性能、低功耗嵌入式處理器的代名詞。為了順應(yīng)當今世界技術(shù)革新的潮流，了解、學(xué)習(xí)和掌握嵌入式技術(shù)，就必然要學(xué)習(xí)和掌握以ARM微處理器為核心的嵌入式開發(fā)環(huán)境和開發(fā)流程，這對于研究和開發(fā)高性能微處理器、DSP以及開發(fā)基于SOC芯片設(shè)計及應(yīng)用系統(tǒng)是非常必要的。作為電子信息專業(yè)的本科、研究生很有必要了解和掌握32位嵌入式應(yīng)用的開發(fā)技術(shù)。通過對嵌入式的學(xué)習(xí)使學(xué)生具有較強的綜合素質(zhì)，成為具有良好的實際操作能力設(shè)計能力符合社會需求的開拓性電子應(yīng)用人才。ARM微處理器因其卓越的低功耗、高性能在6本文主要內(nèi)容概述和任務(wù)安排本文是在上述背景下的設(shè)計和實施的，對整體發(fā)展過程中的嵌入式系統(tǒng)功能進行可行性研究，并對平臺的選擇和技術(shù)上的困難進行了討論，不僅涉及一般的嵌入式系統(tǒng)的實施方法，而且對項目本身的細節(jié)進行詳細說明。與通用PC系統(tǒng)相比，嵌入式系統(tǒng)的硬件之間能更緊密的合作，使每個設(shè)計都有其特定的硬件平臺。此文以筆者設(shè)計實驗板為例，介紹嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要使用的基本軟硬件模塊：LED、IIC、SPI/SSP、VIC、A/D、WDT、UART、GPl0、RTC和低功耗等。依據(jù)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的工作量，系統(tǒng)開發(fā)的重點在軟件，操作系統(tǒng)內(nèi)核移植往往是最關(guān)鍵的也是最困難的設(shè)計部分。因此，我們簡要介紹了LPC2136基于ARM內(nèi)核的芯片啟動程序，著重介紹μC/OS-II的移植過程這個部分。論文通過比較研究，得出結(jié)論，總結(jié)了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計和實施的必要問題，困難和他們的解決方案，以及在實際應(yīng)用中，對嵌入式系統(tǒng)進行構(gòu)建產(chǎn)生影響的諸多因素。本文主要內(nèi)容概述和任務(wù)安排本文是在上述背景下的設(shè)計和實施的，7嵌入式系統(tǒng)總體設(shè)計嵌入式系統(tǒng)總體設(shè)計8傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用是基于瀑布式流程。操作模式很簡單，分工任務(wù)協(xié)調(diào)，人員配備和管理物質(zhì)材料的分布都比較簡單。如圖2-1所示，所有的發(fā)展是由流水線進行。這方面的開發(fā)使用一個單獨的軟件開發(fā)和硬件的發(fā)展模式，雖然各部分可以獨立進行，但不一定是最好的系統(tǒng)性能。每一部分的變化和缺陷，很容易導(dǎo)致系統(tǒng)集成出現(xiàn)問題，這些問題將不僅難以找到，更重要的是它們往往會涉及到的軟件或硬件配置變化和結(jié)構(gòu)變化。顯然，這是災(zāi)難性的。為了避免這些問題，在20世紀90年代，國外一些學(xué)者提出了一個新的發(fā)展方法

-硬件和軟件協(xié)同設(shè)計的方法。首先，應(yīng)用程序是獨立于任何硬件和軟件功能規(guī)范的方法來描述系統(tǒng)，其作用使硬件/軟件的統(tǒng)一功能和易于合成的劃分;然后，從系統(tǒng)的功能要求，并在開始限制硬件/軟件，分配系統(tǒng)的硬件/軟件模塊，但結(jié)果需要性能評估師對命令參數(shù)評估。如果評估不符合結(jié)構(gòu)的要求，說明方案的選擇分工是不合理的，需要進行重新劃分，重復(fù)直到你得到一個更令人滿意的硬件/軟件至今。圖2-2是該方法的框圖。傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用是基于瀑布式流程。9

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這種方法的特點是通過聯(lián)合設(shè)計，聯(lián)合測試和協(xié)同驗證，充分考慮硬件和軟件之間的關(guān)系，并給予參與核查的每個級別，及早的發(fā)現(xiàn)和解決問題。顯然，對于具體的應(yīng)用程序，這種方法很容易獲得滿足綜合性能指標的最佳解決方案。因此，我們的項目也是按照這種方法設(shè)計。這種方法的特點是通過聯(lián)合設(shè)計，聯(lián)合測試和協(xié)同驗證，充分考11開發(fā)平臺總體規(guī)劃硬件規(guī)劃:我們利用的ARM核心處理器設(shè)計了一個通用的測試平臺，您可以添加各種外設(shè)和接口，并且它們都是高度可伸縮的。實驗板采用“核心板和多種可選適配器”的形式組成了LPC2136開發(fā)平臺。下面就是基于LPC2136的核心板的組成框圖，從此圖中就可以看到其各部分的布局結(jié)構(gòu)。開發(fā)平臺總體規(guī)劃硬件規(guī)劃:12

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核心板的資源如下：●CPU：基于ARM7TDMI內(nèi)核的LPC2136微處理器。外部時鐘為11.0592MHz，內(nèi)部倍頻最高可至60MHz?！袼蠭/O口全部引出，方便用戶連接外部電路的開發(fā)與使用；●可進行GPIO的控制實驗，如鍵盤輸入、蜂鳴器控制、模擬SPI等；●6個獨立按鍵(可用于外部中斷、定時器捕獲輸入)，8個LED指示燈；●具有RS232轉(zhuǎn)換電路，可與上位機進行通訊，完成UART通訊實驗；可以與標準串行modem和GPRS直接接口，方便遠程通訊；●具有I2C接口和SPI/SSP接口輸出；●使用板內(nèi)的CAT1025（內(nèi)含復(fù)位功能），完成I2C總線讀寫ROM；●使用74HC595芯片，實現(xiàn)SPI接口數(shù)據(jù)發(fā)送、接收；●A/D轉(zhuǎn)換實驗；DAC轉(zhuǎn)換；●實時時鐘控制；●WDT及低功耗控制；多種可選的適配器可根據(jù)用戶自己所需來外設(shè)接口：如果面板功能部件CPU之間的跳線斷開，用戶可以用連接配置適配器的方法進行外部擴展設(shè)計。如以太網(wǎng)接口，SD卡，調(diào)制解調(diào)器，GPRS，液晶顯示器，USB設(shè)備和其他設(shè)備。核心板的資源如下：14

軟件規(guī)劃:軟件規(guī)劃:15

在芯片通過了啟動程序的引導(dǎo)后，直接進入C語言的MAIN函數(shù)入口，通過調(diào)用移植好的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)μC/OS-II函數(shù)包就可以完成多任務(wù)之間的調(diào)度和同步，并為設(shè)備驅(qū)動和系統(tǒng)服務(wù)程序提供信號量、郵箱、消息隊列的服務(wù)。因為內(nèi)核需要實現(xiàn)時間延時和確認超時，所以還需要時鐘節(jié)拍中斷服務(wù)程序為其服務(wù)。當然μC/OS-II只是一個內(nèi)核，操作系統(tǒng)的其他部分都沒有提供，所以我們需要自行設(shè)計設(shè)備驅(qū)動程序和部分系統(tǒng)服務(wù)程序。設(shè)備驅(qū)動是連接底層硬件和上層簡潔規(guī)范的接口程序的紐帶。對下層它可以直接操作硬件，也可能通過中斷處理程序與硬件通信，對上層接受上層的請求并執(zhí)行。一般來說應(yīng)用程序如果要用到設(shè)備驅(qū)動程序，就需要用I/O管理來達到要求。我們計劃在開發(fā)平臺上完成RTC驅(qū)動、串口UART驅(qū)動、按鍵及LED驅(qū)動、GPIO驅(qū)動，形成一套完整的應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境?？紤]到時間和人力問題，剩下的部分設(shè)備用戶可以自行設(shè)計。系統(tǒng)服務(wù)程序是一個比較大的范圍。我們針對處理器的特點考慮到了后續(xù)的文件系統(tǒng)μC/FS，圖形系統(tǒng)μC/GUI和TCP/IP協(xié)議棧LWIP等程序模塊的移植，目前待啟動。用戶任務(wù)顧名思義就是用戶自己定義的任務(wù)了，可用于調(diào)用系統(tǒng)服務(wù)來操作系統(tǒng)，不同的任務(wù)可以為各種不同的內(nèi)核函數(shù)提供的服務(wù)開進行溝通或處理。在芯片通過了啟動程序的引導(dǎo)后，直接進入C語言的MAIN16LPC2136芯片結(jié)構(gòu)

LPC2136功能模塊LPC2136芯片結(jié)構(gòu)LPC2136功能模塊17

LPC2136的管腳分布圖LPC2136的管腳分布圖18硬件原理電源電路LPC2136微控制器的內(nèi)核和I/O使用同一電源電壓，只需要單一電源3.3V供電。開發(fā)平臺的電源電路如圖3-3所示，由USB接口輸入5V直流電源，二極管D2用于限制電源導(dǎo)通方向，經(jīng)過兩個電容的濾波，然后通過SPX1117M-3.3將電源穩(wěn)壓至3.3V。LPC2136具有獨立的模擬電源引腳，為了降低噪聲和出錯幾率，模擬電源與數(shù)字電源應(yīng)該隔離，參考圖3-3中L1和L2就是用于電源隔離的元件（將數(shù)字電源的高頻噪聲隔離）。硬件原理電源電路LPC2136微控制器19

復(fù)位電路由于ARM芯片的高速、低功耗、低工作電壓導(dǎo)致其噪聲容限低，對電源的紋波、瞬態(tài)響應(yīng)性能、時鐘源的穩(wěn)定性、電源監(jiān)控可靠性等諸多方面也提出來更高的要求。復(fù)位電路使用了帶I2C存儲器的電源監(jiān)控芯片CAT1025JI-30,提高系統(tǒng)的可靠性。復(fù)位電路由于ARM芯片的高速、低功耗、低工作電壓導(dǎo)致其噪聲20

系統(tǒng)時鐘電路我們使用了外部11.0592MHz晶振，用11.0592MHz晶振的原因是使串口波特率更精確，同時能夠支持LPC2136微控制器芯片內(nèi)部的PLL功能及ISP功能。系統(tǒng)時鐘電路我們使用了外部11.059221

JTAG接口電路采用ARM公司提出的標準20腳JTAG仿真調(diào)試接口，JTAG信號的定義及與LPC2136的連接。JTAG接口電路采用ARM公司提出的標準20腳JTAG仿真22

串口及MODEM接口電路串口及MODEM接口電路23由于系統(tǒng)是3.3V系統(tǒng)，所以使用了SP3232E進行RS232電平轉(zhuǎn)換，SP3232E是3V工作電源的RS232轉(zhuǎn)換芯片。另外，LPC2136芯片的UART帶有完全的調(diào)制解調(diào)器接口，所以要使用8路的RS232轉(zhuǎn)換芯片SP3243ECA。如圖3-7所示，JP6、JP9分別為UART0、UART1口線連接跳線，當把它們斷開時，這些口線保留給用戶作為其它功能使用。由于系統(tǒng)是3.3V系統(tǒng)，所以使用了SP3224

按鍵電路按鍵電路通過跳線器來選擇連接。按鍵電路按鍵電路通過跳線器來選擇連接。25

LED顯示電路LED顯示電路26在顯示方面，開發(fā)實驗板采用了一片74HC595驅(qū)動一位靜態(tài)共陽LED數(shù)碼管，如圖，其時鐘(SCK)、數(shù)據(jù)(SI)分別接到LPC2136的SPI接口的SCLK0、MOSI0，這樣就可以發(fā)送數(shù)據(jù)到74HC595；片選(RCK，即74HC595輸出觸發(fā)端)與P0.29口連接，由P0.29控制74HC595數(shù)據(jù)鎖存輸出；而最高位輸出(SQH)連接到LPC2136的SPI接口的MISO0，可用來讀回數(shù)據(jù)。這樣連接就可以進行SPI接口控制操作，并能把74HC595的移位輸出讀回來(由MISO0讀回)。這一部份電路可用JP10跳線器來選擇跳開。另外，開發(fā)實驗板還具有8個獨立的發(fā)光二極管LED1～LED8，分別由P1.18～P1.25輸出控制，輸出1時對應(yīng)的LED熄滅，輸出0時對應(yīng)的LED點亮，電路如圖3-10所示。這一部份電路可用JP12跳開。在顯示方面，開發(fā)實驗板采用了一片74HC527

蜂鳴器控制電路蜂鳴器使用PNP三極管進行驅(qū)動控制，當P0.7控制電平輸出0時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器蜂鳴；當P0.7控制電平輸出1時，三極管截止，蜂鳴器停止蜂鳴；若把JP6斷開，三極管截止，蜂鳴器停止蜂鳴。蜂鳴器控制電路蜂鳴器使用PNP三極管進行驅(qū)動控制，當P0.28

I2C電路LPC2136具有支持400K高速模式的硬件I2C接口，所以設(shè)計了一片CAT1025JI-30與其連接，實現(xiàn)I2C的讀寫操作。如圖3-12，總線上拉兩個電阻放在JP7跳線之后，當不使用CAT1025JI-30存儲器時，把JP7斷開，兩個上拉電阻就不會影響口線了(P0.2、P0.3)。注意，P0.2和P0.3設(shè)置為輸出時為開漏輸出，若需要控制輸出1，則必須連接上拉電阻。為了支持高速I2C總線操作，總線上拉電阻的大小為3KΩ，這樣總線變化時上升/下降的速度就變快了。若使用標準100KHz總線速度時，一般其總線上拉電阻為5.1KΩ或10KΩ，以減小總線操作時的功耗。I2C電路LPC2136具有支持400K29

直流電壓測量電路直流電壓測量電路30LPC2136具有1個8路A/D轉(zhuǎn)換器，其參考電壓由Vref引腳提供，參考電壓的精度會影響A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。在板上可以通過JP5跳線選擇參考電源，如果把JP5短接到“Vref”端時，參考電源由兩個電阻（1K和3K）分壓得到，如圖3-13所示；如果把JP5短接到“UVref”端時，則用戶可以在“Vref”引腳輸入?yún)⒖茧娫础嶒灠逄峁┝?路直流電壓測量電路，如圖3-14所示，可調(diào)電阻10K用于調(diào)整A/D的輸入電壓，可以在VIN測試點上用萬能表檢查當前電壓值。串聯(lián)電阻為I/O口保護電阻，當A/D輸入電壓調(diào)整到3.3V或0V時，這個電阻保證電路不產(chǎn)生短路故障。JP2可以斷開這部份電路。LPC2136具有1個8路A/D轉(zhuǎn)換器，其參31

DAC電路D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓與A/D轉(zhuǎn)換器的相同，如圖3-15所示。通過JP3和JP4選擇連接，LPC2136的Aout輸出經(jīng)過100歐姆的電阻連接到AD0.1，這樣就可以直接使用AD0.1來檢測Aout輸出電壓值。DAC電路D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓與A/D轉(zhuǎn)換器的相同，如圖32

RTC電路實驗板提供RTC的功能，如圖3-16所示，兩個二極管主要是限制電源的導(dǎo)通方向，經(jīng)過兩個電容濾波將電池的輸入的電源傳到Vbat引腳。RTC電路實驗板提供RTC的功能，如圖3-16所示，兩個二33

USB電路考慮到升級到LPC214x就可以使用USB功能，與USB接口連接的I/O口并沒有通過跳線隔開，所以當需要使用P0.27、P0.26作為GPIO功能時，為了避免USB接口的影響，可以將兩個18歐姆的電阻去掉。USB電路考慮到升級到LPC214x就可以使用USB功能，34軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)構(gòu)建與設(shè)計一、啟動代碼概述:1.一般ARM芯片啟動過程2.LPC2136啟動文件組成3.LPC2136啟動代碼工作流程二、移植μC/OS-II到LPC2136:1.移植規(guī)劃2.編寫移植代碼3.移植μC/OS-II體會三、μC/OS-II實時性能測試分析:1.測試方案設(shè)計:軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)構(gòu)建與設(shè)計一、啟動代碼概述:35

(1)測試目的和內(nèi)容(2)測試思路和方案2.內(nèi)核函數(shù)時間參數(shù)測試3.中斷時間參數(shù)測試4.測試結(jié)果與性能分析(1)測試目的和內(nèi)容36結(jié)論小型，專用，便于攜帶，高可靠性的嵌入式系統(tǒng)，已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，如工業(yè)過程控制，遠程監(jiān)控，智能儀器儀表，智能家電，數(shù)控系統(tǒng)，消費類產(chǎn)品。嵌入式處理器嵌入式實時操作系