【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 嵌入式系統(tǒng)總 是面向特定應(yīng)用的，與通用 PC 的硬件相比，它的硬件系統(tǒng)具有以下特性： 對(duì)實(shí)時(shí)多任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時(shí)間，從而 使內(nèi)部的代碼和實(shí)時(shí)內(nèi)核的執(zhí)行時(shí)間減少到最低的限度。 具有功能很強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化，為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯(cuò)誤的交叉作用，需要設(shè)計(jì)強(qiáng)大的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能，同時(shí)也有利于軟件診斷。 可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)，以便能夠迅速地開(kāi)發(fā)出滿足各種應(yīng)用需求的高性能嵌入式微處理器。 ARM9 處理器 介紹 相比于 ARM7， ARM9 系列微處理器在性能和功耗方面 表現(xiàn)更佳，具有以下特點(diǎn)： (1)5 級(jí)整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高； (2)提供 1． 1MIPS／ MHz 的哈佛結(jié)構(gòu)； (3)支持 32 位 ARM 指令集和 1 6 位 Thumb 指令集； (4)支持 32 位的高速 AMBA 總線接口； (5)全性能的 MMU，支持 Windows CE、 Linux、 Palm OS 等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)； (6)MPU 支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) ； (7)支持?jǐn)?shù)據(jù) Cache 和指令 Cache，具有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力。 ARM9 系列微處理器主要應(yīng)用于無(wú)線設(shè)備、儀器儀表、安全系統(tǒng)、機(jī)項(xiàng)盒、高端打印機(jī)、數(shù)字照相機(jī)和 數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等。 ARM9 系列微處理器包含 ARM920T、 ARM922T 和 ARM940T三種類型。 RISC 微處理器 S3C2440 介紹 三星公司推出的 16/32位 RISC 微處理器 S3C2440A, 為手持設(shè)備和一般類型應(yīng)用提供了低價(jià)格、低功耗、高性能小型微控制器的解決方案。 為了降低整體系統(tǒng)成本， S3C2440A 提供了一下豐富的內(nèi)部設(shè)備 S3C2440A 采北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 用了 ARM920t 的內(nèi)核， 的 CMOS 標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲(chǔ)器單元。其低功耗，簡(jiǎn)單，優(yōu)雅，且全靜態(tài)設(shè)計(jì)特別適合于對(duì)成本和功率敏感型的應(yīng)用。 它采用了新的總線架構(gòu) Advanced Micro controller Bus Architecture (AMBA). 。 S3C2440A 的杰出的特點(diǎn)是其核心處理器 (CPU)，是一個(gè)由 Advanced RISC Machines 有限公司設(shè)計(jì)的 16/32 位 ARM920T 的 RISC 處理器。 ARM920T 實(shí)現(xiàn)了 MMU， AMBA BUS 和Harvard 高速緩沖體系結(jié)構(gòu)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)具有獨(dú)立的 16KB 指令 Cache 和 16KB 數(shù)據(jù) Cache。每個(gè)都是由具有 8 字長(zhǎng)的行組成 。通過(guò)提供一套完整的通用系統(tǒng)外設(shè)， S3C2440A 減少整體系統(tǒng)成本和無(wú)需配置額外的組件。 硬件平臺(tái) 工作 原理 圖 21 系統(tǒng)硬件原理圖 硬件平臺(tái)使用了三星公司的 S3C2440 微處理器作為 CPU，主頻為 400Hmz，其中有 64M SDRAM 內(nèi)存， 32BIT 數(shù)據(jù)總線，并且其時(shí)鐘頻率高達(dá) 100MHz，在這個(gè)開(kāi)發(fā)板上有 2 個(gè) Flash 存儲(chǔ)器，一個(gè)是 64M Nand Flash，掉電非易失。另外一個(gè)是 2M Nor Flash，掉電易失。 系統(tǒng)硬件說(shuō)明： USB 接口：通過(guò) USB，同開(kāi)發(fā)板進(jìn)行數(shù)據(jù)傳 輸。 JTAG 接口：在 Linux 系統(tǒng)下，通過(guò) JTAG 接口燒寫(xiě)程序到 Nandflash 中。 復(fù)位鍵：讓系統(tǒng)復(fù)位。 開(kāi)關(guān)鍵：搬動(dòng)開(kāi)關(guān)鍵，讓開(kāi)發(fā)板運(yùn)行或關(guān)閉。 串口：通過(guò)串口能夠讓開(kāi)發(fā)板與 PC 宿主機(jī)進(jìn)行通信。 音頻輸出：將播放的 MP3 歌曲輸出到音頻輸出端口 FLASH 是一種在可編程期間，存儲(chǔ)的信息在系統(tǒng)掉電后不會(huì)丟失的存儲(chǔ)器，具 S3C2440 Reset JTAG 電源轉(zhuǎn)換 SDRAM FLASH 音頻放大電路 UART USB 北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 有低功耗，大容量，擦寫(xiě)速度快等特點(diǎn)。在系統(tǒng)中通常用于存放程序代碼、以及一些在系統(tǒng)掉電后需要保存的用戶數(shù)據(jù)等。 SDRAM 存取速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 FLASH 存儲(chǔ)器，而且具有讀、寫(xiě)屬性。在系統(tǒng)中主要用 作程序的運(yùn)行空間、數(shù)據(jù)、及堆棧區(qū)，當(dāng)系統(tǒng)啟東市， CPU 從復(fù)位地址 0X0 處讀取啟動(dòng)代碼，完成系統(tǒng)初始化后，程序代碼調(diào)入到 SDRAM 中運(yùn)行，以提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度。 UART 能夠?qū)崿F(xiàn) PC 與開(kāi)發(fā)板間的串口通信。 UART 在程序運(yùn)行期間需要向終端輸出信息，以便用戶獲取系統(tǒng)狀態(tài)信息。 S3C2440 的 UART 提供了三個(gè)同步串行 IO口，第一個(gè)串口都可以使用中斷模式和 DMA 模式，換句話說(shuō)就是 UART 可以產(chǎn)生一個(gè)中斷或者是 DMA 請(qǐng)求使數(shù)據(jù)在 CPU 和 UART 之間進(jìn)行傳遞。 DMA 全稱是 Direct Memory Access（存儲(chǔ) 器直接訪問(wèn)）。這是指一種高速的數(shù)據(jù)傳輸操作，允許在外部設(shè)備和存儲(chǔ)器之間直接讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，既不通過(guò) CPU，也不需要CPU 干預(yù)。整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸操作在一個(gè)稱為 ‖DMA 控制器 ‖的控制下進(jìn)行的。 CPU 除了在數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)始和結(jié)束時(shí)做一點(diǎn)處理外，在傳輸過(guò)程中 CPU 可以進(jìn)行其他的工作。這樣，在大部分時(shí)間里， CPU 和輸入輸出都處于并行操作。因此，使整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率大大提高。 北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 3 平臺(tái)搭建的總體設(shè)計(jì) 嵌入式系統(tǒng)概述 嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專 用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它包括硬件和軟件兩部分。在嵌入式系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一般作為智能終端控制部件嵌入到整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)中，是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，主要用于對(duì)系統(tǒng)的信息處理部件和用戶交互界面加以控制。在這種情況下，用戶并不知道嵌入式系統(tǒng)的存在，系統(tǒng)控制軟件一般被固化在嵌入式計(jì)算機(jī)中，嵌入式計(jì)算機(jī)一般不需要被用戶重新編程，通過(guò)特殊的輸入、輸出設(shè)備與系統(tǒng)進(jìn)行交互。 任何嵌入式系統(tǒng)都包括硬件和軟件兩個(gè)方面。硬件包括處理器／微處理器、存儲(chǔ)器及外設(shè)器件和 I／ O 端口、圖形控制器等。軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件 (OS)(要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)操作 )和應(yīng)用程序。應(yīng)用軟件控制著嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)作和行為，而操作系統(tǒng)則為應(yīng)用程序提供必要的底層支持，它一般是通過(guò)提供應(yīng)用編程接口 (API)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)是面向應(yīng)用、產(chǎn)品和用戶的，具體的應(yīng)用將決定對(duì)硬件和軟件的需求，如芯片、存儲(chǔ)器、 I／ O 擴(kuò)展和操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序編制等。和通用計(jì)算機(jī)不同，嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率的設(shè)計(jì)，量體采用，去除冗余，盡量以最小的系統(tǒng)、最低的成本去實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能。它通常都具有低功耗、體積小、集成度高等特點(diǎn)，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(jì)趨于小型化，移動(dòng)能力大大增強(qiáng)，跟網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合也越來(lái)越緊密。 軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì) 本文設(shè)計(jì)的 軟件平臺(tái)包括如下 4 個(gè)方面的內(nèi)容 ： Boot Loader 引導(dǎo)程序 Linux 內(nèi)核 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 應(yīng)用程序 Boot Loader 引導(dǎo)程序能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速引導(dǎo)，首先完成對(duì) CPU 環(huán)境的最初初始化，如：芯片引腳、外部控制器、輸入輸出設(shè)備等，然后負(fù)責(zé)將 Linux 內(nèi)核加載到內(nèi)存，將控制權(quán)交給內(nèi)核初始化程序。具體工作包括：尋找或?qū)⒅付ǖ膬?nèi)核映像文件解壓至內(nèi)存，然后解壓文件系統(tǒng)，將控制權(quán)移交給內(nèi)核。 在本設(shè)計(jì)中采用了 UBOOT作為 Boot Loader 引導(dǎo)程序，當(dāng)打開(kāi) MP3 播放器的電源開(kāi)關(guān)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)加載 Linux引導(dǎo)程序。 北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 Linux 是一個(gè)單一內(nèi)核操作系統(tǒng)，但可以動(dòng)態(tài)裝入和卸載內(nèi)核中的部分源代碼。Linux 內(nèi)核由內(nèi)存管理、進(jìn)程管理、定時(shí)器中斷管理、模塊管理、虛擬文件系統(tǒng)、接口文件系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、進(jìn)程間通信、網(wǎng)絡(luò)管理、系統(tǒng)啟動(dòng)等構(gòu)成。 在本設(shè)計(jì)中，針對(duì)設(shè)計(jì)的功能，對(duì) Linux 內(nèi)核進(jìn)行了剪裁。 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是內(nèi)核的一部分，它像內(nèi)核中其它代碼一樣運(yùn)行在內(nèi)核模式。 Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的主要功能有：對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化；使設(shè)備投入運(yùn)行和退 出服務(wù)；從設(shè)備接收數(shù)據(jù)并將它們送回內(nèi)核；將數(shù)據(jù)從內(nèi)核送到設(shè)備；檢測(cè)和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯(cuò)誤。在本設(shè)計(jì)中，主要進(jìn)行了字符設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，聲卡驅(qū)動(dòng)，以及 USB 驅(qū)動(dòng)等。 嵌入式應(yīng)用軟件是針對(duì)特定應(yīng)用領(lǐng)域，基于某一固定的硬件平臺(tái)，用來(lái)達(dá)到用戶預(yù)期目標(biāo)的計(jì)算機(jī)軟件，由于用戶任務(wù)可能有時(shí)間和精度上的要求，因此有些嵌入式應(yīng)用軟件需要特定嵌入式操作系統(tǒng)的支持。 在本次設(shè)計(jì)中，對(duì)于設(shè)計(jì)的 MP3 播放器的基本功能 ，例如播放器進(jìn)行歌曲的播放、暫停、停止、以及歌曲的切換等 進(jìn)行了設(shè)計(jì)與優(yōu)化，讓播放器盡可能的滿足準(zhǔn)確性、安全性和穩(wěn)定性以及實(shí)際應(yīng)用 的需要，以減少對(duì)系統(tǒng)資源的消耗，降低硬件成本。 下面 本文將 對(duì) MP3 播放器的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的論述。 UBOOT 分析與移植 BootLoader 簡(jiǎn)介 引導(dǎo)加載程序是系統(tǒng)加電后運(yùn)行的第一段代碼。它一般在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)運(yùn)行非常短的一段時(shí)間，但對(duì)于嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)非常重要的組成部分。通過(guò)這段小程序，初始化必要的硬件設(shè)備，創(chuàng)建內(nèi)核需要的一些信息，并將一些信息通過(guò)相關(guān)機(jī)制傳遞給內(nèi)核，真正起到引導(dǎo)和加載內(nèi)核的租用 。 BootLoader 和硬件密切相關(guān)，一般來(lái)說(shuō)都要對(duì) BootLoader 的源代碼進(jìn)行修改才可以在自己的硬件平 臺(tái)上運(yùn)行起來(lái)，目前嵌入式領(lǐng)域里出現(xiàn)了很多種類的 BootLoader，如 armboot、 UBOOT 等，其中 UBOOT是功能最完善的，所以在設(shè)計(jì)中采用了 UBOOT 作為引導(dǎo)程序。 UBOOT 啟動(dòng)流程分析 UBOOT 分為兩個(gè)階段，其中依賴于 CPU 體系結(jié)構(gòu)的代碼都存放在階段一中，而且通常用匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。而階段二通常用 C 語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，而且有更好的可讀性和移植性。 UBOOT 的第一階段功能是： 定義入口 設(shè)置異常向量 本地硬件設(shè)備初始化 北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 初始化內(nèi)存控制器 設(shè)置堆棧、同時(shí)跳轉(zhuǎn)到第二階段的 程序入口 UBOOT 的第二階段主要完成： 調(diào)用一系列的設(shè)備初始化函數(shù) 確定目標(biāo)板是進(jìn)入下載操作模式還是啟動(dòng)加載模式 如果是啟動(dòng)加載模式，則將內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像從 FLASH 上獨(dú)到RAM 空間中。 為內(nèi)核設(shè)置啟動(dòng)參數(shù) 調(diào)用內(nèi)核 。 如圖 31 所示，圖中從基本硬件初始化到跳轉(zhuǎn)到 STAGE2 的入口處為第一階段，初始化硬件設(shè)備是第二階段。 圖 31 UBOOT 啟動(dòng)流程圖 UBOOT 的詳細(xì)設(shè)計(jì) 首先對(duì) UBOOT 進(jìn)行配置 ，具體步驟如下 ： 進(jìn)入 UBOOT 的 board 目 錄，在 board 目錄下每一個(gè)子目錄都包含一個(gè) uboot支持的硬件開(kāi)發(fā)板的支持代碼，其中有 smdk2410 子目錄，但沒(méi)有 smdk2440 目錄?；居布跏蓟瘻?zhǔn)備 RA M 空間拷貝 STAG E 2 到 RA M中設(shè)置堆棧指針跳轉(zhuǎn)到 STAG E 2 的入口處初始化硬件設(shè)備檢查內(nèi)存映射加載內(nèi)核和根文件系統(tǒng)映像設(shè)置內(nèi)核啟動(dòng)參數(shù)調(diào)用內(nèi)核北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 這表明 UBOOT 支持 S3C2410，但不支持 S3C2440。 S3C2440 與 S3C2410 非常相似，因此可以用 S3C2410 的支持代碼作為基礎(chǔ)，為 S3C2440 移植 UBOOT。 為了將 2440V3開(kāi)發(fā)板的信息編譯進(jìn) uboot，需要修改當(dāng)前目錄下的Makefile。 具體修改內(nèi)容是： COBJS := 復(fù)制更名 原 smdk2410的頭文件為 2440V3的頭文件 修改 /opt/ ，為接下來(lái) make命令作準(zhǔn)備。 在 Makefile的中模仿 smdk2410_config目標(biāo)增加新目標(biāo) 2440V3_config 2440V3