【文章內(nèi)容簡介】 統(tǒng)和具體應用有機地結(jié)合在一起，它的升級換代也是和具體產(chǎn)品同步進行，因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進入市場，具有較長的生命周期。 （ 5）提高了執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲器芯片或單 片機本身中，而不是存貯于磁盤等載體中。 （ 6）嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開發(fā)能力，即使設(shè)計完成以后用戶通常也是不能對其中的程序功能進行修改的，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)。嵌入式系統(tǒng)一般由嵌入式處理器、嵌入式外圍設(shè)備、嵌入式硬件平臺、嵌入式操作系統(tǒng)以及嵌入式應用軟件等組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 11 所示。 嵌入式應用軟件 嵌入式操作系統(tǒng) 嵌入式硬件平臺 嵌入式處理器 嵌入式外圍設(shè)備 圖 11 嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 相對于在 Windows 環(huán)境下的開發(fā)應用程序，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)有著很多的不同。不同的硬件平臺 和操作系統(tǒng)帶來了許多附加的開發(fā)復雜性。 在嵌入式開發(fā)過程中有宿主機和目標機的角色之分：宿主機是執(zhí)行編譯、鏈接、定址過程的計算機；目標機指運行嵌入式軟件的硬件平臺。首先須把應用程序轉(zhuǎn)換成可以在目標機上運行的二進制代碼。這一過程包含三個步驟 :編譯、鏈接、定址。編譯過程由華北科技學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 交叉編譯器實現(xiàn)。所謂交叉編譯器就是運行在一個計算機平臺上并為另一個平臺產(chǎn)生代碼的編譯器。常用的交叉編譯器有 GNU C/C++(gcc)。編譯過程產(chǎn)生的所有目標文件被鏈接成一個目標文件，稱為鏈接過程。定址過程會把物理存儲器地址指定給目標文件的每個相 對偏移處。該過程生成的文件就是可以在嵌入式平臺上執(zhí)行的二進制文件。 嵌入式開發(fā)過程中另一個重要的步驟是調(diào)試目標機上的應用程序。嵌入式調(diào)試采用交叉調(diào)試器，一般采用宿主機 — 目標機的調(diào)試方式，它們之間由串行口線或以太網(wǎng)或BDM 線相連。交叉調(diào)試有任務級、源碼級和匯編級的調(diào)試，調(diào)試時需將宿主機上的應用程序和操作系統(tǒng)內(nèi)核下載到目標機的 RAM 中或直接燒錄到目標機的 ROM 中。目標監(jiān)控器是調(diào)試器對目標機上運行的應用程序進行控制的代理 (Debug Agent)，事先被固化在目標機的 Flash、 ROM 中，在目標機上電后自動啟動， 并等待宿主機方調(diào)試器發(fā)來的命令，配合調(diào)試器完成應用程序的下載、運行和基本的調(diào)試功能，將調(diào)試信息返回給宿主機。 本文的研究思路與貢獻 嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)包括硬件開發(fā)和軟件開發(fā)。本文首先從嵌入式系統(tǒng)的特點入手，首先分析了常用的 ARM 核的特點，然后對設(shè)計采用的 Intel 公司的處理器 PXA255 進行了介紹，基于此處理器我們介紹了如何構(gòu)建硬件平臺的方法與步驟，并且以嵌入式操作系統(tǒng) 為例詳細的介紹了如何在硬件平臺開發(fā) Bootloader。本文基于Intel 公司處理器 PXA255 進行的嵌入式開 發(fā)和應用研究對于嵌入式開發(fā)項目有著重要的參考和應用價值。 本文的結(jié)構(gòu) 對于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)人員來說，理解 CPU 的體系結(jié)構(gòu)，怎么根據(jù)需要 選擇微處理器，深入了解微處理器的結(jié)構(gòu)，功能等十分重要。論文的第二部分 介紹了 Intel PXA255處理器的硬件基礎(chǔ) ,包括 ARM 核的體系結(jié)構(gòu) ,基于 ARM 核的 Xsacel 體系結(jié)構(gòu)，以及該處理器的各個集成模塊的介紹。 第三部分 介紹了基于 Intel PXA255 處理器的嵌入式硬件平臺設(shè)計，即硬件平臺的最小系統(tǒng)。主要由處理器、電源管理模塊電路、時鐘電路、復位電路、只讀存儲器模塊、可讀寫存儲器模塊、以太網(wǎng)模塊的接口電路、 UART 接口電路、 JTAG 接口電路等。 基于 PXA255 嵌入式系統(tǒng) 的 設(shè)計 4 第四部分 介紹了基于 Intel PXA255 處理器的嵌入式軟件平臺設(shè)計，重點分析了開發(fā) Boot loader 過程。 華北科技學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 2 Intel PXA255 處理器硬件基礎(chǔ) Intel 公司的 PXA255 處理器是基于 Xscale 體系結(jié)構(gòu)的，而 Xscale 體系結(jié)構(gòu)又是從ARM 體系結(jié)構(gòu)發(fā)展而來的，深入理解處理器的體系結(jié)構(gòu)對于硬件開發(fā)以及軟件的編寫都很有價值。本章主要分析了 ARM 體系結(jié)構(gòu)， Xscale 體系結(jié)構(gòu)以及 Intel PXA255 處理器的組成以及功能特點。 嵌入式處理器 嵌入式處理器是嵌入式的核心。同時，嵌入式微處理器有許多種流行的處理器核，芯片生產(chǎn)廠家一般都基于這些處理器核生產(chǎn)不同型號的芯片。 嵌入式處理器介紹 典型的嵌入式微處理器有以下幾種 : （ 1） ARM/StrongARM ARM 公司是全球領(lǐng)先的 16/32 位 RISC 微處理器知識產(chǎn)權(quán)設(shè)計供應商。 ARM 公司通過轉(zhuǎn)讓高性能、低成本、低功耗的 RISC微處理器、外圍和系統(tǒng)芯片設(shè)計技術(shù)給合作伙伴，使他們能用這些技術(shù)來生產(chǎn)各具特 色的芯片。 ARM 已成為移動通信、手持設(shè)備、多媒體數(shù)字消費嵌入式解決方案的 RISC 標準。 ARM 處理器有三大特點 :小體積、低功耗、低成本和高性能； 16/32 位雙指令集；全球眾多的合作伙伴。 ARM 處理器目前有五個系列產(chǎn)品 :ARM7， ARM9， ARM9E， ARM10 和 SecurCore。 其中 ARM7 是低功耗的 32位核，最適合應用于對價位和功耗敏感的產(chǎn)品，它又分為應用于實時環(huán)境的 ARM7TDMI， ARM7TDMIS，以及適用于開放平臺的 ARM720T 和適用于DSP運算及支持 Java 的 ARM7EJ 等。 （ 2） MIPS MIPS 是 Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages 的縮寫，是一種處理器內(nèi)核標準，它是由 MIPS技術(shù)公司開發(fā)的。 MIPS 技術(shù)公司是一家設(shè)計制造高性能、高檔次及嵌入式 32 位和 64 位處理器的廠商，在 RISC 處理器方面占有重要地位。 （ 3） PowerPC 基于 PXA255 嵌入式系統(tǒng) 的 設(shè)計 6 PowerPC 架構(gòu)的特點是可伸縮性好，方便靈活。 PowerPC 處理器品種很多，既有通用的處理器，又有嵌入式控制器和內(nèi)核，應用范圍非常廣泛，從高端的工作站、服務器到桌面計算機系統(tǒng)，從消費類電子產(chǎn)品到 大型通信設(shè)備等各個方面。 目前 PowerPC 獨立微處理器與嵌入式微處理器的主頻從 25MHz700MHz 不等，它們的能量消耗、大小、整合程度、價格差異懸殊，主要產(chǎn)品模塊有主頻 350MHz700MHZ PowerPC 750CX和 750CXe以及主頻 400MHz的 PowerPC440GP等。嵌入式的 PowerPC405(主頻最高為 266MHz)和 PowerPC440(主頻最高 550MHz)處理器內(nèi)核可以用于各種集成的 SOC設(shè)備上，在電信、金融和其他許多行業(yè)具有廣泛的應用。 基于 PowerPC 構(gòu)架的處理器有： IBM 公司開發(fā)的 PowerPC405 GP； Motorola 公司的PowerPCMPC823ea； (4) x86 x86 系列處理器是我們最熟悉的了，它起源于 Intel 架構(gòu)的 8080，再發(fā)展出 286，386， 486，直到現(xiàn)在的 Pentium4， Athlon 的 64位處理器 Hammer。從嵌入式市場來看，486DX 是當時和 ARM， 68K， MIPS 和 SuperH 齊名的五大嵌入式處理器之一， 8080 是第一款主流的處理器。今天的 Pentium 和當初的 8080 使用相同的指令集，這有利也有弊，利是可以保持兼容性，至少十 年前寫的程序在現(xiàn)在的機器上還能運行；弊端是限制了 CPU性能的提高。 ARM 核 由于我們使用的嵌入式處理器是基于 ARM 核的，所以重點介紹一下 ARM處理器； ARM公司自 1990 年正式成立以來，在 32 位 RISC(Reduced Instruction Set Computer)PU開發(fā)領(lǐng)域不斷取得突破，其結(jié)構(gòu)己經(jīng)從 V3發(fā)展到 V6。在 ARM內(nèi)核中有四個功能模塊可供生產(chǎn)廠商根據(jù)不同用戶的不同要求來配置生產(chǎn)。這四個模塊分別用 T， D， M 和 I來表示。 T:表示 Thumb，該內(nèi)核可從 16位指令集擴充到 32位 ARM指令集。 D:表示 Debug，該內(nèi)核中放置了用于調(diào)試的結(jié)構(gòu)，通常它為一個邊界掃描鏈 JTAG，可使 CPU 進入調(diào)試模式，從而可方便地進行斷點設(shè)置、單步調(diào)試。 M:表示 Multiplier，是 8位乘法器。 I:表示 Embedded ICE Logic，用于實現(xiàn)斷點觀測及變量觀測的邏輯電路部分，其中華北科技學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 的 TAP 控制器可接入到邊界掃描鏈。 嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和分類 體系結(jié)構(gòu)的概念 Architecture (體系結(jié)構(gòu) )本來用在建筑方面，通常解釋為“建筑學”、“建筑術(shù)”，“結(jié)構(gòu)”等。 1964年 Amdahl定義計算機體系結(jié)構(gòu) (puter architecture)為程序員所看到的計算機的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性網(wǎng)。這里的程序員是指機器語言程序員，而不是指現(xiàn)在的高級語言程序員。這些屬性主要包括數(shù)據(jù)表示 (硬件能直接辨認和處理的數(shù)據(jù)類型 )、尋址規(guī)則 (包括最小尋址單元、尋址方式 )、寄存器定義、指令集、中斷系統(tǒng) (中斷的類型和中斷響應的硬件功能 )、機器工作狀態(tài)的定義和切換、存儲系統(tǒng)、信息保護、 I/O 結(jié)構(gòu)等。這些屬性是計算機中由硬件或固件完成的功能，必須了解這些屬性才能編寫出與 CPU 相關(guān)的代碼從而使操作系統(tǒng)在此 之上運行。 傳統(tǒng)的計算機體系結(jié)構(gòu)是基于由馮諾依曼 1946 年提出的存儲型計算機概念，也稱為馮諾依曼結(jié)構(gòu)計算機，它的特點是計算機以運算為中心采用存儲程序原理、數(shù)據(jù)和指令不加區(qū)分放在同一存儲器中、存儲器按地址訪問、指令由操作碼和地址碼組成、數(shù)據(jù)以二進制表示。以后的計算機其體系結(jié)構(gòu)都是以此為基礎(chǔ)發(fā)展的 :如采用虛擬存儲器、增加 CPU 內(nèi) Cache 存儲器、增設(shè)支援處理器 (協(xié)處理器 )、把程序空間和數(shù)據(jù)空間分開的Harvard 結(jié)構(gòu)等。特別一提的是 80年代后，計算機體系結(jié)構(gòu)有了重大變革，出現(xiàn)了現(xiàn)在稱之為精簡指令集 (Reduced Instruction Set Computer)的計算機處理器設(shè)計技術(shù)。 嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 雖然，在不同的應用場合，嵌入式系統(tǒng)呈現(xiàn)出不同的外觀和形式，但是，其核心的計算系統(tǒng)仍然可以抽象出一個典型的組成模型，一般可劃分為硬件層、中間層、軟件層和功能層，如圖 21所示 。 基于 PXA255 嵌入式系統(tǒng) 的 設(shè)計 8 人機交互接口嵌入式微處理器D/AA/DI / O通用接口R O MS D R A MB S P / H A L 硬件抽象層 / 板級支持包實時操作系統(tǒng)（ R T O S ）文件系統(tǒng)圖形用戶接口任務管理應用程序功能層軟件層中間層硬件層 圖 21 嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) （ 1） 硬件層 。硬件層由嵌入式微處理器、存儲系統(tǒng)、通信模塊、人機接口、其他I/O接口 (A/D、 D/A、 通用 I/O等 )以及電源等組成。嵌入式系統(tǒng)的硬件層以嵌入式微處理器為核心，在嵌入式 微處理器基礎(chǔ)上增加電源電路、時鐘電路和存儲器電路 (RAM 和ROM等 )，這就構(gòu)成了一個嵌入式核心控制模塊，操作系統(tǒng)和應用程序都可以固化在 ROM中。 （ 2） 中間層。 硬件層與軟件層之間為中間層，它把系統(tǒng)軟件與底層硬件部分隔離，使得系統(tǒng)的底層設(shè)備驅(qū)動程序與硬件無關(guān)。中間層一般包括硬件抽象層 (Hardware Abstract Layer， HAL)和板級支持包 (Board Support Package， BSP)。硬件抽象層是位于操作系統(tǒng)內(nèi)核與硬件電路之間的接口層，其目的是將硬件抽象化，即可以通過程序來控制所有硬件電 路如 CPU、 I/O、存儲器等的操作。板級支持包介于主板硬件和操作系統(tǒng)中驅(qū)動層程序之間，一般認為它屬于操作系統(tǒng)的一部分，主要實現(xiàn)對操作系統(tǒng)的支持，為上層的驅(qū)動程序提供訪問硬件設(shè)備寄存器函數(shù)包，使之能夠在硬件主板上更好地運行。 （ 3） 軟件層。 軟件層由實時操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、圖形用戶接口 (Graphical User Interfaces， GUI)、網(wǎng)絡組件組成。實時操作系統(tǒng)是嵌入式應用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺。大多數(shù)實時操作系統(tǒng)都是針對不同微處理器優(yōu)化設(shè)計的高效實時多任務內(nèi)核，可以在不同微處理器上運行而為用 戶提供相同的 API接口。因此，基于實時操作系統(tǒng)開發(fā)的應用華北科技學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 程序具有非常好的可移植性。 （ 4） 功能層。 功能層由基于實時操作系統(tǒng)開發(fā)的應用程序組成，用來完成實際所需的應用功能。功能層是面向被控對象和用戶的，當需要用戶操作時往往需要提供一個友好的人機界面。 嵌入式系統(tǒng)的分類 （ 1）按照嵌入式微處理器的位數(shù)分類 按照嵌入式微處理器字長的位數(shù)，嵌入式系統(tǒng)可分為 4 位、 8 位、 16 位、 32 位和64位。其中， 4位、 8位、 16位嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)獲得了大量應用， 32位嵌入式系統(tǒng)正成為主流發(fā)展趨勢，而一些高度復雜和要 求高速處理的嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)開始使用 64 位嵌入式微處理器。 （ 2）按照實時性分類 根據(jù)嵌入式系