【文章內(nèi)容簡介】 般組成，包括器件、組成和結構；2） 、專業(yè)測量 GPS 芯片的具體研究；3） 、GPS 芯片配合電路的設計、開發(fā)與調試；4） 、ARM 芯片的使用及與 GPS 的結合；5） 、在 ARM 上運行的軟件操作系統(tǒng)及應用程序的編寫。關鍵技術包括：1） 、電路設計上，采用了高性能 32 位 ARM9 處理器 S3C2440A 為核心，以ALLSTAR 測量型 GPS 芯片為數(shù)據(jù)來源，搭建了適用于 GPS 數(shù)據(jù)采集的硬件系統(tǒng)；2） 、采集了 GPS 定位數(shù)據(jù)，利用 Visual Studio 軟件工具編寫了嵌入式數(shù)據(jù)處理軟件；3） 、使用 GPS 通用數(shù)據(jù)格式文件 RINEX 進行采集數(shù)據(jù)的處理，并通過后處理軟件達到了毫米級精度?；?ARM 的 GPS 測量數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 第二章 嵌入式系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng)4第二章 嵌入式系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng) ARM 硬件開發(fā)平臺ARM 是全球微處理器行業(yè)中一家知名的企業(yè)，該公司于 1990 年在劍橋大學成立，它是由蘋果電腦、Acorn Computer Group 和 VLSI Technology 聯(lián)合成立的一家設計 32 位嵌入式 RISC 芯片內(nèi)核的公司。如今， “ARM 嵌入式內(nèi)核”已經(jīng)被全球各大芯片廠商采用，基于 ARM 的開發(fā)技術也席卷了全球嵌入式產(chǎn)品的市場，并成為嵌入式系統(tǒng)的主流技術之一 [2]。 ARM 處理器的體系和結構ARM 構架誕生至今已經(jīng)有過多次變革，每一次都在性能上得到了很大的提高，目前 ARM 的架構有：(1) V1 構架（ARM1）：具有基本的數(shù)據(jù)處理指令（無乘法） ；字節(jié)、半字節(jié)、字的 Load/Store 指令；轉移指令；軟件中斷指令；64MB 的尋址空間。(2) V2 構架（ARMARM3）：增加乘法指令；增加支持協(xié)處理器的操作；增加快速中斷模式；增加 SWP/SWPB 的存儲器和寄存器交換指令。(3) V3 構架（ARM6）：增加 MRS/MSR 指令，可以訪問新增加的 CPSR/SPSR 寄存器。增加了異常處理返回；尋址空間擴展到 4GB。(4) V4 構架（ARMARM9）：低功耗的 32 位 RISC 處理器，包括 32 位地址線和數(shù)據(jù)線，具有 ICE 邏輯，調試開發(fā)方便；具有 16 位的 Thumb 指令集；主頻高達 130MIPS；完善了軟件中斷 SWI 指令。(5) V5 構架（ARM10 ）：具有帶鏈接和交換的轉移 BLX 指令；計數(shù)前導零 CLZ 指令；BRK 中斷指令；增加了一些信號處理指令。(6) V6 構架（ARM11 ）：增加了 SIMD 功能，為多媒體處理的應用系統(tǒng)提供優(yōu)化功能。其中，ARMARM9 、ARM10，Intel 的 StrongARM 系列、Xscale 系列等屬于通用處基于 ARM 的 GPS 測量數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 第二章 嵌入式系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng)5理器系列，已經(jīng)在很多領域大量應用。ARM 是基于 RISC（Reduced Instruction Set Computer 精簡指令集計算機） [3]而設計的，它有著與 CISC（Complex Instruction Set Computer 復雜指令集計算機）在一些地方有著很大的區(qū)別。傳統(tǒng)的 CISC 計算機隨著計算機技術的發(fā)展不斷地引入新的復雜指令集，為了支持這些新增的指令，計算機的體系結構會越來越復雜，但在這些指令中，只有約 20%的指令會被反復調用，占程序代碼的 80%；余下的 80%指令不經(jīng)常使用，在程序代碼中占 20%，這就造成了浪費，顯得設計不合理，而 RISC 則可以避免這些問題。RISC 指令系統(tǒng)相對簡單，能夠滿足大部分的功能需求，只要求硬件執(zhí)行有限的最常用的那部分指令，大部分復雜的操作使用成熟的編譯技術由簡單指令合成，這使得計算機的執(zhí)行效率得到提高。目前中高端的服務器普遍使用 RISC 指令集，把重點放在了如何使計算機的結構更加簡單合理地提高運算速度。CISC 和 RISC 架構各有其側重點，現(xiàn)在出現(xiàn)了超長指令集計算機，融合了兩只指令集的優(yōu)勢，成為未來CPU 發(fā)展的趨勢之一。 基于三星 S3C2440A 處理器的開發(fā)平臺三星公司推出的16/32位RISC微處理器S3C2440A采用了ARM920T的內(nèi)核 [4]， 的CMOS 標準宏單元和存儲器單元, 它采用了新的總線架構Advanced Micro controller Bus Architecture (AMBA)，提供了低價格、低功耗、高性能小型微控制器的解決方案。其低功耗，簡單，且全靜態(tài)設計特別適合于對成本和功率敏感型的應用。ARM920T實現(xiàn)了MMU，AMBA BUS 和Harvard 高速緩沖體系結構。這一結構具有獨立的16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache。每個都是由具有8字長的行組成。通過提供一套完整的通用系統(tǒng)外設，S3C2440A減少整體系統(tǒng)成本和無需配置額外的組件。S3C2440A有如下的功能和特性：為手持設備和通用嵌入式應用提供片上集成系統(tǒng)解決方案；16/32 位 RISC 體系結構和 ARM920T 內(nèi)核強大的指令集；指令高速存儲緩沖器（ICache），數(shù)據(jù)高速存儲緩沖器（DCache）；基于 ARM 的 GPS 測量數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 第二章 嵌入式系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng)6采用 ARM920T CPU 內(nèi)核支持 ARM 調試體系結構；： S3C2440A內(nèi)部結構圖其AHB總線（Advanced Highperformance Bus）： AHB總線圖其APB（Advanced Peripheral Bus）：基于 ARM 的 GPS 測量數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 第二章 嵌入式系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng)7 APB總線圖正由于S3C2440A的強大功能，在它上面開發(fā)新功能是很有意義的一件事。為了更好的使用S3C2440A，將CPU及部分核心部件封裝為一塊尺寸較小、通用性較強的部件，稱之為核心板。板上配備了兩片32M的三星SDRAM,一片64M的NAND FLASH,開發(fā)板采用兩片半字（halfword）SDRAM 器件共同組成一個32位數(shù)據(jù)寬度的SDRAM系統(tǒng)，提高了其與CPU的通信效率。更好的發(fā)揮S3C2440A芯片的潛能。核心板尺寸圖如圖： S3C2440A核心板尺寸圖基于 ARM 的 GPS 測量數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 第二章 嵌入式系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng)8： S3C2440A核心板實物圖有了核心板還需要一塊開發(fā)底板來進行接口的擴展，使核心板能夠與外設通過開發(fā)板進行通信。開發(fā)底板可以擴展許多功能，包括標準的串口、USB、液晶、音頻等，也可以增加其他功能，如紅外接收器、溫度傳感器、攝像頭等?？傊诵陌宀逶陂_發(fā)板上使用，形成一套完整的、豐富接口的ARM嵌入式系統(tǒng)。 ARM 操作系統(tǒng) 常見的 ARM 操作系統(tǒng)在嵌入式應用中嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)大量存在，尤其在功能復雜、系統(tǒng)龐大、要求較高的方案中顯得越來越重要，可以說沒有操作系統(tǒng)的計算機是沒有用的，這點在普通的臺式電腦上大家都有深刻體會。操作系統(tǒng)管理整個硬件系統(tǒng)的運行，負責各種資源的調配，充分發(fā)揮了32位CPU的多任務能力，是整個嵌入式系統(tǒng)的靈魂。目前有多種嵌入式操作系統(tǒng)，它們使得開發(fā)實時應用程序的設計和擴展變得容易，不需要大的改動就可以增加新的功能，把應用程序分割為若干獨立運行的模塊，使得程序的設計變得簡化許多；對于實時性要求高的應用做到了快速響應和可靠處理；使得整個系統(tǒng)的資源得到很好的管理和應用。常見的嵌入式操作系統(tǒng)有：基于 ARM 的 GPS 測量數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 第二章 嵌入式系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng)9(1) 嵌入式LinuxμClinux是一個完全遵循GNU/GPL公約的嵌入式操作系統(tǒng)，其代碼完全開放，內(nèi)核由專業(yè)公司進行維護。 [5]內(nèi)核中派生的，沿襲了Linux的大部分特性，通常應用在僅具有很少內(nèi)存的嵌入式系統(tǒng)上，系統(tǒng)的CPU可以沒有虛擬內(nèi)存或者內(nèi)存管理單元。在GNU通用公共許可證的保證下，幾乎可以使用所有的Linux API函數(shù)。由于μClinux是在標準的Linux上進行適當?shù)牟眉艉歪槍π缘膬?yōu)化，所以盡管μClinux體積小但仍保留了Linux的大部分優(yōu)點，如穩(wěn)定、易于移植，網(wǎng)絡功能強大、良好的文件系統(tǒng)支持等。(2) Windows CEWinCE是微軟公司設計開發(fā)的一個開放的，易于使用的，基于掌上電腦的操作系統(tǒng)。WinCE的圖形界面十分出色，非常平易近人，加上微軟公司在臺式電腦操作系統(tǒng)上的高普及率，WinCE一開始就很得人心。WinCE使用了精簡的Windows API，這使得系統(tǒng)開發(fā)上與Windows開發(fā)基本相同，但又有細微差別。WinCE系統(tǒng)還有一個非常吸引人的地方就是WinCE的開發(fā)工具，如Visual C++，與臺式電腦上的基本一致，使得大多數(shù)軟件只需要簡單的修改和移植就可以在WinCE平臺上使用。為了推廣Windows CE，微軟甚至開放了定制操作系統(tǒng)的工具PowerBuilder，開發(fā)工具也可免費使用，如embedded Visual C++等。在程序開發(fā)工具上，一些老牌的公司如寶藍公司等現(xiàn)在實力都無法與微軟抗衡，使得WinCE的市場占有率十分高。(3) μC/OS IIμC/OS II [6]是一個源代碼開放，移植性良好、可固化、可裁剪的占先式實時多任務操作系統(tǒng)，其大部分源代碼是用ANSIC寫的，μC/OS II通過了美國聯(lián)邦航空局商用航行器認證，證明了其性能的優(yōu)異。還有其他一些較有特色的嵌入式操作系統(tǒng)，如VxWorks、Nucleus、eCos等，它們在某些方面都有其特長，限于篇幅在此不再贅述。 5Microsoft WindowsCE[7]是為各種嵌入式系統(tǒng)和產(chǎn)品設計的一種壓縮的、具有高效的、可升級的操作系統(tǒng)(OS ） 。其多線性、多任務、全優(yōu)先的操作系統(tǒng)環(huán)境是專門基于 ARM 的 GPS 測量數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 第二章 嵌入式系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng)10針對資源有限而設計的。Windows CE .NET 是 Windows CE 的后繼產(chǎn)品。Windows 具備完整的操作系統(tǒng)特性，它包括了創(chuàng)建一個基于 Windows CE 的定制設備所需的一切，例如：強大的聯(lián)網(wǎng)能力、強勁的實時性和小內(nèi)存體積占用以及豐富的多媒體和 Web 瀏覽功能。 （1）操作系統(tǒng)體系結構Windows CE 是由若干獨立模塊所建，每一個模塊提供特定的功能。其中有幾個模塊又被分成幾個組件。組件能使 WindowsCE 變得較為緊湊（小于 200 兆 ROM） ，僅需要使用最小的 ROM、 RAM 和其它硬件資源就可運行設備。如圖 所示：圖 Windows CE 系統(tǒng)架構?。?） 新增特性 嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)人員會在 Windows 中發(fā)現(xiàn)大量的新增特性和改進特性，其中包括：無線技術，例如藍牙（Bluetooth） ；設備仿真，該特性可以對完整的設備環(huán)境進行仿真而無需任何額外的硬件投資；平臺向導，可以從眾多的預置設備設計中進行選擇，以便跳躍式地開始開發(fā)流程；此外，還有豐富的多媒體和 Web 瀏覽功能，例如 Microsoft Inter Explorer 和 Windows Media?編解碼器（Codec ）和控件。（3）擴展設備驅動程序支持基于 ARM 的 GPS 測量數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 第二章 嵌入式系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng)11高級技術附加數(shù)據(jù)包接口（Advanced technology Attachment Packet Interface，ATAPI）磁盤驅動程序，提供了 CD 和 DVD 的“讀”支持。新的統(tǒng)一音頻模型和示例驅動程序：UAM 實現(xiàn)了對 WAV 和 Microsoft DirectSound 音頻 API 的高效支持。它還使得編寫一個能有效支持 WAV 和DirectSound 的驅動程序成為可能。 全球定位系統(tǒng)（GPS）簡介1973 年 12 月，美國國防部批準了一項計劃，由陸海空三軍聯(lián)合研制一種新型的軍用衛(wèi)星導航系統(tǒng)，稱之為“Navigation by satellite timing and ranging global positioning system”即現(xiàn)今簡稱的 GPS。GPS 屬于美國第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是在子午儀衛(wèi)星導航系統(tǒng)的基礎上發(fā)展起來的。GPS 由空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶接收機三大部分組成 [8]，如圖 所示：圖 GPS 的構成GPS 系統(tǒng)的空間部分使用 24 顆高度約 萬千米的衛(wèi)星組成衛(wèi)星星座。 21+3 顆衛(wèi)星均為近圓形軌道，運行周期約為 11 小時 58 分，分布在六個軌道面上（每軌道面四顆） ，軌道傾角為 55 度。衛(wèi)星的分布使得在全球的任何地方，任何時間都可觀測到四顆以上的衛(wèi)星，并能保持良好定位解算精度的幾何圖形（ DOP ） ，這就提供了在時間上連續(xù)的全球導航能力。GPS 系統(tǒng)的地面監(jiān)控部分監(jiān)控著 GPS 衛(wèi)星的運作狀態(tài)及它們在太空中的精確位置，主地面控制站更負責傳送衛(wèi)星瞬時常數(shù) (Ephemera39。s Constant) 及時脈偏差 基于 ARM 的 GPS 測量數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 第二章 嵌入式系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng)12(Clock Offsets) 的修正量，再由衛(wèi)星將這些修正量提供給 GPS 接收機器進行定位。GPS 接收機是一般用戶使用的部分，它能被動的接收 GPS 衛(wèi)星發(fā)出的信號，然后根據(jù)多個衛(wèi)星的信號進行定位。那么接收機是由什么組成的，工作原理是什么，如何實現(xiàn)一個接收機，數(shù)據(jù)如何處理，在實際工作中如何使用