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1、ARM嵌入式处理器在智能仪器中的应用目录一、设计要求1二、设计的作用和目的1三、设计所用设备及软件23.1 ARM简介23.2 AD9850芯片简介33.3 Clinux 操作系统简介4四、系统设计方案54.1 系统总体设计54.2 系统工作原理5五、系统硬件设计65.1 系统核心组成介绍65.2 数据采集部分设计65.3 信号发生器部分设计7六、系统软件设计86.1 系统层86.2 应用层96.2.1 任务设计96.2.2 信号发生器任务10七、系统调试与总结11八、心得体会12九、参考文献13ARM 嵌入式处理器在智能仪器中的应用随着微型计算机技术的发展，嵌入式系统作为微型计算机应用的一个
2、重要领域已深入到社会的方方面面。16位和32位嵌入式微处理器逐渐成为嵌入式系统设计的主流。传统的程序是基于单任务机制的,各个模块构成一个整体,当作为一个任务在实际应用中运行时,这种程序的安全性差、效率低。而嵌入式操作系统的实时性、可移植、内核小型化、可裁剪四大特点却使软件开发更容易、效率更高。所以广泛应用于智能仪器中。一、设计要求设计一种基于ARM 嵌入式处理器系统的智能仪器的硬件和软件设计方案, 并结合uc/o s2II或者 Linux嵌入式实时操作系统, 给出一套完整的任务调度和管理的方法, 最后用实例说明。二、设计的作用和目的信号发生器、频谱分析仪、数字示波器等电子仪器是科研人员进行科学
3、研究及试验的重要工具。考虑到科研人员在室外、尤其是野外，测量分析条件的不便，设计了一台低功耗、多用途的便携式智能仪器，它具有产生正弦和方波信号、最大4通道信号采集、对采集的数据进行图形显示和频谱分析，以及可通过USB接口与PC机进行通讯的功能。仪器基于ARM嵌入式处理器来设计，逻辑上，采用硬件层、系统层、应用层三层次的设计方案，其中系统层和应用层构成仪器系统的软件部分。根据 IEEE 的定义，嵌入式系统是用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置。从广义上说，也指以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适应应用系统且对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统以
4、嵌入式处理器为核心，如微控制器（MCU）、数字信号处理器（DSP）、片上系统（SOC）、可编程片上系统（SPOC）。ARM是英国ARM公司设计的通用32位RISC 微处理器体系结构，目前，基于ARM的SOC以微型化、低功耗、高性能的设计目标几乎占据了嵌入式处理器的半壁江山。 三、设计所用设备及软件系统设计所用设备如表1所示：表1 系统设计所用设备设备类型微处理器三星 S3C44B0X 芯片程序存储器SST39VF160 Flash ROM内存HY57V641620 SDRAM液晶显示屏640*480 分辨率单色全反射 LCD信号发生器AD9850芯片系统层Clinux 操作系统3.1 ARM简
5、介ARM是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。适用于多种领域，比如嵌入控制、消费/教育类多媒体、DSP和移动式应用等ARM处理器的三大特点是：耗电少功能强、16位/32位双指令集和众多合作伙伴。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。ARM应用软件的开发工具根据功能的不同，分别有编译软件
6、、汇编软件、链接软件、调试软件、嵌入式实时操作系统、函数库、评估板、JTAG仿真器、在线仿真器等，目前世界上约有四十多家公司提供以上不同类别的产品。用户选用ARM处理器开发嵌入式系统时，选择合适的开发工具可以加快开发进度，节省开发成本因此一套含有编辑软件、编译软件、汇编软件、链接软件、调试软件、工程管理及函数库的集成开发环境（IDE）一般来说是必不可少的，至于嵌入式实时操作系统、评估板等其他开发工具则可以根据应用软件规模和开发计划选用。使用集成开发环境开发基于ARM的应用软件，包括编辑、编译、汇编、链接等工作全部在PC机上即可完成，调试工作则需要配合其他的模块或产品方可完成。嵌入式系统通常是以
7、具体应用为中心，以处理器为核心且面向实际应用的软硬件系统，其硬件整个嵌入式系统运行的基础和平台，提供了软件运行所需的物理平台和通信接口；而嵌入式系统的软件一般包括操作系统和应用软件，它们是整个系统的控制核心，提供机交互的信息等。所以，嵌入式系统的开发通常包括硬件和软件两部分的开发，硬件部分主要包括选择合适的MCU 或者SOC器件、存储器类型、通讯接口及I/O、电源及其他的辅助设备等；软件部分主要涉及OS porting 和应用程序的开发等，与此同时，软件中断调试和实时调试，代码的优化、可移植性、可重用以及软件固化等也是嵌入式软件开发的关键。ARM对操作系统以及系统开发执行环境提供最广泛的选择，
8、客户可以根据需要来选择最适应市场要求的基于ARM 的嵌入式操作系统。可供选择的嵌入式操作系统有几十种，使用较多的有Linux,WinCE,Palm,Symbian 等等。采用WinCE 更多的是OEM，以及按需进行特定的嵌入式器件开发的，例如GPS 导航设备。采用Palm 操作系统的厂家有联想三星索尼，他们的出货量都非常巨大。Symbia操作系统是先进的全球公开工业标准操作系统，基于Symbian操作系统的手机有：BenQ，DoCoMo，Motorola，Nokia，Panasonic，三星，索尼爱立信等。Linux是源代码开放的操作系统，可以运行在包括ARM 等多种主流处理器架构上。由于有一
9、大批的工程师在开发开放源代码以及相关开发工具，Linux 可以更方便快捷的进行移植。以Linux为例，选择基于ARM的Linux，可以得到更多的开发源代码的应用，可以利用ARM处理器的高性能开发出更广阔的网络和无线应用，ARM的Jazelle技术带来Linux 平台下Java程序更好的性能表现。ARM公司的系列开发工具和开发板，以及各种开发论坛的可利用信息带来更快的产品上市时间。3.2 AD9850芯片简介AD9850是由美国ADI公司推出的高集成度频率合成芯片系列中典型产品之一，AD9850采用先进的CMOS技术的直接频率合成器，主要由可编程DDS系统、高性能模数变换器(ADC)和高速比较器
10、3部分构成。本文利用它产生正弦波和方波。在工作频率为125MHz的情况下，通过接收32位的频率控制字可输出频率分辨率为0.029、1Hz的波形，且正弦波的输出频率范围是0.1Hz40MHz，幅值范围为0.21V。AD9850内含的可编程DDS系统和高速比较器，能实现全数字编程控制的频率合成。可编程DDS系统的核心是相位累加器，它由一个加法器和一个N位相位寄存器组成，N一般为2432。每来一个外部参考时钟，相位寄存器便以步长M递加。相位寄存器的输出与相位控制字相加后可输入到正弦查询表地址上。正弦查询表包含一个正弦波周期的数字幅度信息，每一个地址对应正弦波中0360范围的一个相位点。查询表把输入地
11、址的相位信息映射成正弦波幅度信号，然后驱动数模转换器(DAC)以输出模拟量。3.3 Clinux 操作系统简介一、.uClinux的内存管理对于uClinux来说，其设计针对没有MMU的处理器，即uClinux不能使用处理器的虚拟内存管理技术。uClinux仍然采用存储器的分页管理，系统在启动时把实际存储器进行分页。在加载应用程序时程序分页加载。但是由于没有MMU管理，所以实际上uClinux采用实存储器管理策略（real memeory management）。这一点影响了系统工作的很多方面。uClinux系统对于内存的访问是直接的，（它对地址的访问不需要经过MMU，而是直接送到地址线上输出
12、），所有程序中访问的地址都是实际的物理地址。操作系统对内存空间没有保护（这实际上是很多嵌入式系统的特点），各个进程实际上共享一个运行空间（没有独立的地址转换表）。二、uClinux的内核加载方式uClinux的内核有两种可选的运行方式：可以在flash上直接运行，也可以加载到内存中运行。这种做法可以减少内存需要。 Flash运行方式：把内核的可执行映象烧写到flash上，系统启动时从flash的某个地址开始逐句执行。这种方法实际上是很多嵌入式系统采用的方法。内核加载方式：把内核的压缩文件存放在flash上，系统启动时读取压缩文件在内存里解压，然后开始执行，这种方式相对复杂一些，但是运行速度可能
13、更快（ram的存取速率要比flash高）。 三、 uClinux的根（root）文件系统uClinux系统采用romfs文件系统，这种文件系统相对于一般的ext2文件系统要求更少的空间。空间的节约来自于两个方面，首先内核支持romfs文件系统比支持ext2文件系统需要更少的代码，其次romfs文件系统相对简单，在建立文件系统超级块（superblock）需要更少的存储空间。Romfs文件系统不支持动态擦写保存，对于系统需要动态保存的数据采用虚拟ram盘的方法进行处理（ram盘将采用ext2文件系统）四、系统设计方案本文介绍了一种基于ARM的便携式智能仪器，并给出了该仪器的软、硬件设计方案。详细
14、论述了仪器的硬件组成和设计，简要说明了移植Clinux嵌入式操作系统的关键和对操作系统的扩展设计，最后以信号发生功能部分为例给出了信号发生器的设计方法。4.1 系统总体设计仪器基于 ARM 嵌入式处理器来设计，包括硬件设计和软件设计，其中硬件设计包括系统核心部分、数据采集部分和信号发生器部分；软件部分包括系统层、应用层。简要说明了移植Clinux嵌入式操作系统的关键和对操作系统的扩展设计，最后以信号发生功能部分为例给出了信号发生器的设计方法。4.2 系统工作原理本设计逻辑上，采用硬件层、系统层、应用层三层次的设计方案。其中硬件层由系统核心部分、数据采集部分和信号发生器部分组成，系统层和应用层构
15、成仪器系统的软件部分，系统层设计首先是进行嵌入式操作系统内核的移植，再对内核扩展形成一个简单、高效的操作系统；应用层设计是在操作系统的基础上进行信号发生、信号采集、频谱分析任务的设计。逻辑上，软件与硬件之间有BSP（板级支持包）形成过渡。硬件原理图如图1所示。串行口存储器键盘输入液晶显示ARM单片机模数转换数模转换匹配网络被测试仪器图1 硬件原理图15五、系统硬件设计根据智能仪器的功能要求，硬件层由系统核心部分、数据采集部分和信号发生器部分组成。硬件原理图如图 2。串行口存储器键盘输入液晶显示ARM单片机模数转换数模转换匹配网络被测试仪器图2 硬件原理图5.1 系统核心组成介绍 微处理器选用目前常见的三星S3C44B0X芯片，芯片内核是带8KCache的ARM7TDMI核，工作频率66MHz。存储器以SST39VF160 FlashROM（2MB,16Bit）作为程序存储器，以HY57V641620 SDRAM(8MB,16Bit PC100/PC133)作内存，构成嵌入式系统核心。从功耗、成本考虑，液晶显示屏选用640*4
