基于arm的嵌入式系统应用开发

基于arm的嵌入式系统应用开发内容摘要：

若干年的研究，已经相对比较成熟，实现各种功能的芯片应有尽有。 而且巨大的市场需求给我们提供了学习研发的资金和技 术力量。 从软件方面讲，也有相当部分的成熟软件系统。 国外商品化的嵌入式实时操作系统，已进入我国市场的有 WindRiver、 Microsoft、 QNX 和 Nuclear 等产品。 我国自主开发的嵌入式系统软件产品如科银 (CoreTek)公司的嵌入式软件开发平台 DeltaSystem，中科院推出的 Hopen 嵌入式操作系统（虽然还不够完善）。 同时由于是研究热点，所以我们可以在网上找到各种各样的免费资源，从各大厂商的开发文档，到各种驱动，程序源代码，甚至很多厂商还提供微处理器的样片。 这对于我们从事这方面的研发，无疑是 个资源宝库。 对于软件设计来说，不管是上手还是进一步开发，都相对来说比较容易。 这就使得很多生手能够比较快的进入研究状态，利于发挥大家的积极创造性。 今天嵌入式系统带来的工业年产值已超过了 1 万亿美元， 1997 年来自美国嵌入式系统大会 (Embedded System Conference)的报告指出，未来 5 年仅基于嵌入式计算机系统的全数字电视产品，就将在美国产生一个每年 1500 亿美元的新市场。 美国汽车大王福特基于 ARM 的嵌入式系统应用开发 6 公司的高级经理也曾宣称， “福特出售的 „计算能力 ‟已超过了 IBM”，由此可以想见嵌入式计算机工业的规模和广 度。 1998 年 11 月在美国加州举行的嵌入式系统大会上，基于RTOS 的 Embedded Inter 成为一个技术新热点。 在国内， “维纳斯计划 ”和 “女锅计划 ”一度闹得沸沸扬扬，机顶盒、信息加电这两年更成了 IT 热点，而实际上这些都是嵌入式系统在特定环境下的一个特定应用。 据调查，目前国际上已有两百多种嵌入式操作系统，而各种各样的开发工具、应用于嵌入式开发的仪器设备更是不可胜数。 在国内，虽然嵌入式应用、开发很广，但该领域却几乎还是空白，只有三两家公司和极少数人员在从事这方面工作。 由此可见，嵌入式系统技术发展的空间 真是无比广大。 嵌入式系统的发展前景 信息时代，数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展契机，为嵌入式市场展现了美好的前景，同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战，从中我们可以看出未来嵌入式系统的几大发展趋势： (1) 嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。 目前很多厂商已经充分考虑到这一点，在主推系统的同时，将开发环境也作为重点推广。 比如三星在推广ARM7， ARM9 芯片的同时还提供开发板和版及支持包（ BSP）， 而 WindowCE 在主推系统时也提供 Embedded VC＋＋作为开发工具，还有 Vxworks 的 Tonado 开发环境，DeltaOS 的 Limda 编译环境等等都是这一趋势的典型体现。 当然，这也是市场竞争的结果。 (2) 网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的提高日益提高，使得以往单一功能的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一，结构更加复杂。 这就要求芯片设计厂商在芯片上集成更多的功能，为了满足应用功能的升级，设计师们一方面采用更强大的嵌入式处理器如 32 位、 64 位 RISC 芯片或信号处理器 DSP 增强处理能力，同时增加功能接口，如 USB，扩展总线类型，如 CAN BUS，加强对多媒体、图形等的处理，逐步实施片上系统（ SOC）的概念。 软件方面采用实时多任务编程技术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。 (3) 网络互联成为必然趋势。 未来的嵌入式设备为了适应网络发展的要求，必然要求硬件上提供各种网络通信接口。 传统的单片机对于网络支持不足，而新一代的嵌入式处理器已经开始内嵌网络接口，除了支持 TCP／ IP 协议，还有的支持 IEEE139 USB、CAN、 Bluetooth 或 IrDA 通信接口中的一种或者几种，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。 软件方面系统系统内核支持网络模块，甚至可以在设备上嵌入 Web 浏览器，真正实现随时随地用各种设备上网。 湖南工程学院毕业设计 (论文 ) 7 (4) 精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本。 未来的嵌入式产品是软硬件紧密结合的设备，为了减低功耗和成本，需要设计者尽量精简系统内核，只保留和系统功能紧密相关的软硬件，利用最低的资源实现最适当的功能，这就要求设计者选用最佳的编程模型和不断改进算法，优化编译器性能。 因此，既要软件人员有丰富的硬件知识，又需要发展 先进嵌入式软件技术，如 Java、 Web 和 WAP 等。 (5) 提供友好的多媒体人机界面。 嵌入式设备能与用户亲密接触，最重要的因素就是它能提供非常友好的用户界面。 图像界面，灵活的控制方式，使得人们感觉嵌入式设备就象是一个熟悉的老朋友。 这方面的要求使得嵌入式软件设计者要在图形界面，多媒体技术上痛下苦功。 手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像都会使使用者获得自由的感受。 目前一些先进的 PDA 在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布，但一般的嵌入式设备距离这个要求还有很长的路要走。 本文主要 的工作和章节安排 本文以当下嵌入式热点为背景，研究嵌入式系统的关键技术和应用移植。 重点介绍了嵌入式开发平台的搭建，包括交叉编译、交叉调试等，以及 RTC（实时日历时钟）模块的设计。 本文章节安排如下：第 2 章为嵌入式系统的介绍，包括嵌入式系统的特点、体系结构以及嵌入式操作系统的特点；第 3 章为 ARM 处理器及开发板介绍，主要包括 ARM的介绍和此次使用的 S3C44BOX 的介绍；第 4 章为嵌入式开发平台的搭建，主要介绍交叉编译和交叉调试， ADS 开发平台和 Bootloader。 第 5 章为 uClinux 操作系统的移植。 第 6 章为 RTC 模块的设计。 最后对本文做出总结。 基于 ARM 的嵌入式系统应用开发 8 第 2 章 嵌入式系统简介 嵌入式系统概述 嵌入式系统一般指非 PC 系统，有电脑功能但又不称之为电脑的设备或器材。 他是以应用为中央，软件和硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格需要的专用电脑系统。 简单地说，嵌入式系统集系统的应用软件和硬件于一体，类似于 PC 中 BIOS 的工作方式，具备软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于需要实时和多任务的体系。 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软 件系统等组成，他是可单独工作的 “器件 ”。 嵌入式系统几乎包括了生活中的任何电器设备，如掌上 PDA、移动计算设备、电视机顶盒、手机上网、数字电视、多媒体、汽车、微波炉、数字相机、家庭自动化系统、电梯、空调、安全系统、自动售货机、蜂窝式电话、消费电子设备、工业自动化仪表和医疗仪器等。 嵌入式系统的硬件部分，包括处理器 /微处理器、存储器及外设器件和 i/o端口、图像控制器等。 嵌入式系统有别于一般的电脑处理系统，他不具备像硬盘那样大容量的存储介质，而大多使用 EPROM、 EEPROM 或闪存 (Flash Memory)作为存储介质。 软件部分包括操作系统软件 (需要实时和多任务操作 )和应用程式编程。 应用程式控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程式编程和硬件的交互作用。 嵌入式系统的特点 嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点 ： (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 是将先进的计算机技术、 半导体 技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。 这一点就决定了它必然是一个技术 密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 (3) 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，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。 (4) 嵌入式系统 和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此 嵌入式系统 产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 湖南工程学院毕业设计 (论文 ) 9 (5) 为了提高执行速度和系统可靠性， 嵌入式系统 中的软件一般都固化在存储器 芯片 或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 (6) 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程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 嵌入式系统的体系结构 嵌入式系统作为一类特殊的计算机系统，一般包括以下 3 个方面：硬件设备、嵌入式操作系统和应用软件。 它们之间的关系如图 所示。 图 嵌入式系统各部分之间的关系 硬件设备包括嵌入式处理器和外围设备。 其中嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部分，它与 通用处理器最大的区别在于，嵌入式处理器大多工作在为特用户群所专门设计的系统中，它将通用处理器中许多由板卡完成的任务集成到芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。 如今，全世界嵌入式处理器已经超过 1000 多种，流行的体系结构有 30 多个系列，其中以 ARM、 PowerPC、MC68000、 MIPS 等使用得最为广泛。 外围设备是嵌入式系统中用于存储、通信、调试、显示灯辅助功能的其他部件。 目前常用的嵌入式设备按功能可以分为存储设备、通信设备和显示设备 3 类。 嵌入式操作系统从嵌入式 发展的第 3 阶段开始引入的。 嵌入式操作系统不仅具有通用操作系统的一般功能，如向上提供对用户的接口，向下提供与硬件设备交互的接口，管理复杂的系统资源，同时，它还在系统实时性、硬件依赖性、软件固化性以及应用专用性等方面，具有鲜明的特点。 应用软件是针对特定应用领域，基于某一固定的硬件平台，用来达到用户预期目标应用软件 嵌入式操作系统 硬件设备 嵌入式处理器 外 围 设备 基于 ARM 的嵌入式系统应用开发 10 的计算机软件。 由于嵌入式系统自身的特点，决定了嵌入式应用软件不仅要求做到准确性、安全性和稳定性等方面需要，而且还要尽可能地进行代码优化，以减少对系统资源的消耗，降低硬件成本。 嵌入式操作系统的特点 嵌入 式操作系统（ realtime embedded operating system ， RTOS 或 EOS）是一种能在确定时间内执行其功能，并对外部的异步事件做出响应的计算机系统。 它实际是硬件和应用之间的一层软件，负责管理整个系统，同时将嵌入式硬件和应用隔离开来，为应用提供更容易理解和高效的程序设计接口。 它的关键特性之一是允许实时应用作为一系列独特的任务来运行，任务有各自的线程及系统资源。 它一般由内核、嵌入式 TCP/IP网络系统和嵌入式文件系统组成。 嵌入式操作系统除具备一般操作系统最基本的功能，如任务调度、 同步机制、中断处理、文件处理等外，还有下面几个特点 ： (1) 可裁剪。 嵌入式操作系统可以根据产品的需求进行裁剪。 也就是说，某产品可以只使用很少的几个系统调用，而另一个产品则可能使用了几乎所有的系统调用。 这样可以减少操作系统内核所需的存储器空间（ RAM 和 ROM）。 (2) 强实时性。 多数嵌入式操作系统都是硬实时的操作系统，抢占式的任务调度机制。 (3) 统一的接口。 针对不同的 CPU，如 ARM、 PowerPC、 x86 等，嵌入式操作系统都提供了统一接口。 而且很多的嵌入式操作系统还支持 POSIX 规范，如 Nucleus、Vxworks、 OSE、 RTlinux 等，这样在 Linux 或 Unix 上编写的应用程序可直接移植到目标板上。 (4) 操作方便、简单、提供友好的图形用户界面 GUI。 多数嵌入式操作系统操作方便、简单，并提供友好的图形用户界面 GUI。 (5) 提供强大的网络功能。 一般商用的嵌入式操作系统都带有网络模块，可以支持TCP/IP 协议及其他协议，如 Nucleus Net，而且这些网络模块都是可裁剪的，尺寸小、性能高。 (6) 稳定性，弱交互性。 嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的干预，这就要负责系统管理的嵌入式 操作系统具有较强的稳定性。 嵌入式操作系统的用户接口一般不提供操作命令，它通过系统的调用命令向用户程序提供服务。 (7) 固化代码。 在嵌入式系统中，嵌入式操作系统和应用软件被固化在嵌入式系统的 ROM 中。 辅助存储器在嵌入式系统中很少使用。 湖南工程学院毕业设计 (论文 ) 11 (8) 良好的移植性。 嵌入式操作系统能移植到绝。