搜索
第1页共8页文献综述ARM9嵌入式实验教学系统的设计与制作班级：电科200501姓名：李述良指导老师：冯杰§1前言在信息技术和网络技术高速发展的后PC（Post—PC）时代，嵌入式系统已经广泛地渗透到科学研究、工程设计、军事技术、各类产业和商业文化艺术以及人们的日常生活等方方面面。嵌入式技术越来越和人们的生活紧密结合，成为最热门的技术之一［1］。在嵌入式产品日渐普及和迅速发展的背景下，掌握嵌入式Linux软件技术或者嵌入式硬件设计的开发人员已经成为社会急需。目前国内用于教学的嵌入式系统实验系统，学生只能在此平台上进行一些应用软件开发实验。这些对于电子及相关专业的学生来说,一方面他们得不到硬件设计能力的锻炼,另一方面不能很好地了解硬件知识,不便于培养学生的创新能力,最终不能很好适应嵌入式系统开发的要求。1.1ARM9嵌入式实验教学系统的描述本教学实验系统采用了核心主板加扩展板的设计方式,提供基于微处理器的核心主板,将微处理器所有的I/O全部引出,在核心主板上面只提供最基本的接口,而对于一些特殊用途的USB接口、以太网接口、GPRS接口和GPS接口,以及网络接口、音频接口等，都以扩展板形式提供,这样,可以让学生在实验教学平台上进行主流技术硬件电路设计实验,切实掌握部分硬件工作原理。实验平台建设最重要的内容是微处理器的确定。本文采用已成为主流，成本低、性能高、低功耗,而且供货厂家较多,符合嵌入式系统发展趋势,目前是世界上应用最多的RISC体系结构,被广泛应用在移动通信、消费电子、工业控制等领域的32位微处理器ARM9芯片:即三星公司的S3C2440A芯片,该芯片是目前国内使用最广的经典ARM芯片,非常适合教学,充分体现嵌入式系统对资源、成本、可靠性有严格需要的特点。第2页共8页1.2ARM9嵌入式实验教学系统的设计与制作前景及意义在当今信息化社会中，嵌入式系统在人们的日常工作和生活中所占的份额，可能已超过传统意义的控制系统，这就是为什么我们的学生感到学的没有用，而有用的又没有学的原因。在嵌入式系统及开发环境方面，目前仍有许多问题尚在研究发展之中，如，嵌入式系统的硬件软件协同设计方法；面向多目标，多任务的微内核嵌入式操作系统；分布嵌入式系统的实时性问题，分布式计算，分布式信息交互与综合处理；以及嵌入式系统的多目标交叉编译和交叉调试工具的研究等。为解决嵌入式系统教学实验平台主要以培养软件编程能力为主的缺点,本文ARM9实验教学系统在设计时采用一些外围接口电路分离设计的技术。这不仅可以让学生进行软件编程的实验,还可以让学生进行硬件电路设计实验,培养他们的硬件设计能力。该实验系统便于学生完整学习32位嵌入式系统开发过程,掌握当前实际应用的主流技术。§2ARM9嵌入式实验教学系统的设计与制作综述分析作为全球信息产业高速增长的热点之一,在我国嵌入式系统市场同样得到快速发展,围绕嵌入式系统展开的研究和开发也就成为计算机软硬件技术发展的最活跃的方向之一。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物,他是硬件与软件是紧密捆绑在一起的系统,这一特点就决定了他必然是一个技术密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。业界迫切需要具备多领域相关知识和掌握独特设计方法学的专门人才。然而,在信息技术发达的国家,嵌入式系统技术和人才的培养都是一个新的问题,在我国更是如此,嵌入式系统的人才培养远远落后,造成现在大量的嵌入式系统开发人才的紧缺。为了适应社会和市场对嵌入式系统的人才需求,必须对嵌入式系统的学科方向建设和人才培养做深入地研究和实践。提供一个优良的实验平台是培养嵌入式系统人才的关键,文章主要针对高校的嵌入式系统教学,研制了一个基于ARM9的32位嵌入式系统教学实验平台。2.1ARM9嵌入式实验教学系统的发展2.1.1始于微型机时代的嵌入式应用电子数字计算机诞生于1946年，在其后漫长的历史进程中，计算机始终是供养在特殊的机房中，实现数值计算的大型昂贵设备。直到20世纪70年代，微处理器的出现，计算机才出第3页共8页现了历史性的变化。以微处理器为核心的微型计算机以其小型、价廉、高可靠性等特点，迅速走出机房；基于高速数值解算能力的微型机，表现出的智能化水平引起了控制专业人士的兴趣，要求将微型机嵌入到一个对象体系中，实现对象体系的智能化控制。例如，将微型计算机经电气加固、机械加固，并配置各种外围接口电路，安装到大型舰船中构成自动驾驶仪或轮机状态监测系统。这样一来，计算机便失去了原来的形态与通用的计算机功能。为了区别于原有的通用计算机系统，把嵌入到对象体系中，实现对象体系智能化控制的计算机，称作嵌入式计算机系统。因此，嵌入式系统诞生于微型机时代，嵌入式系统的嵌入性本质是将一个计算机嵌入到一个对象体系中去，这些是理解嵌入式系统的基本出发点。2.1.2现代计算机技术的两大分支由于嵌入式计算机系统要嵌入到对象体系中，实现的是对象的智能化控制，因此，它有着与通用计算机系统完全不同的技术要求与技术发展方向。通用计算机系统的技术要求是高速、海量的数值计算；技术发展方向是总线速度的无限提升，存储容量的无限扩大。而嵌入式计算机系统的技术要求则是对象的智能化控制能力；技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性。早期，人们勉为其难地将通用计算机系统进行改装，在大型设备中实现嵌入式应用。然而，对于众多的对象系统（如家用电器、仪器仪表、工控单元……），无法嵌入通用计算机系统，况且嵌入式系统与通用计算机系统的技术发展方向完全不同，因此，必须独立地发展通用计算机系统与嵌入式计算机系统，这就形成了现代计算机技术发展的两大分支。如果说微型机的出现，使计算机进入到现代计算机发展阶段，那么嵌入式计算机系统的诞生，则标志了计算机进入了通用计算机系统与嵌入式计算机系统两大分支并行发展时代，从而导致20世纪末，计算机的高速发展时期。2.1.3两大分支发展的里程碑事件通用计算机系统与嵌入式计算机系统的专业化分工发展，导致20世纪末、21世纪初，计算机技术的飞速发展。计算机专业领域集中精力发展通用计算机系统的软、硬件技术，不必兼顾嵌入式应用要求，通用微处理器迅速从286、386、486到奔腾系列；操作系统则迅速扩张计算机基于高速海量的数据文件处理能力，使通用计算机系统进入到尽善尽美阶段。嵌入式计算机系统则走上了一条完全不同的道路，这条独立发展的道路就是单芯片化道路。它动员了原有的传统电子系统领域的厂家与专业人士，接过起源于计算机领域的嵌入式系统，承担起发展与普及嵌入式系统的历史任务，迅速地将传统的电子系统发展到智能化的现代电子系统时代。因此，现代计算机技术发展的两大分支的里程碑意义在于：它不仅形成了计算机发展的第4页共8页专业化分工，而且将发展计算机技术的任务扩展到传统的电子系统领域，使计算机成为进入人类社会全面智能化时代的有力工具。2.2ARM9嵌入式实验教学系统的特点2.2.1嵌入式系统的特点嵌入式系统可以称为后PC时代和后网络时代的新秀。与传统的通用计算机、数字产品相比，利用嵌入式技术的产品有其自身的特点：1、由于嵌入式系统采用的是微处理器，独立的操作系统，实现相对单一的功能，所以往往不需要大量的外围器件，因而在体积上，功耗上有其自身的优势。2、嵌入式系统由于空间和各种资源相对不足，硬件和软件都必须高效率地设计，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能。3、嵌入式系统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。4、为适应嵌入式分布处理结构和应用上网的需求，嵌入式系统要求配备一种或多种标准的网络通信接口。2.2.2ARM9嵌入式实验教学系统的特点ARM9嵌入式实验教学系统主控制处理器采用三星公司0.13微米工艺设计的S3C2440A芯片，该CPU为5级流水线设计，指令缓存和数据缓存均为16Kbyte的ARM920T，系统的主频为400MHz，最高时可达533MHz，前端总线频率100MHz。；内存采用具有32bitBusWidth，前端总线频率100MHz，最高可达133Mhz，64Mbyte的SDRAM；FLASH用64Mbyte的NandFlash和8MbyteNorFlash；PCB板采用6层板制作，核心板与扩展板单独设计。通过采用核心板加扩展板的模式，使得开发成本低、性能优良、抗干扰能力强。并且通过扩展板扩展有多种硬件接口，如：TV和VGA显示功能，带触摸功能的液晶屏接口，网络接口，音频接口，USB接口，JTAG以及多种存储设备接口。2.3ARM9嵌入式的现状及发展趋势2.3.1嵌入式系统的历史与现状1971年，Intel公司推出了有史以来第一颗微处理器4004，嵌入式系统的概念也随之出现，而此时的嵌入式系统大多都不采用操作系统，它们只是为了实现某个控制功能，使用一个简单的循环控制对外界的请求进行处理，是计算机的一种应用形式。以信息家电为代表的互联第5页共8页网时代嵌入式产品，为嵌入式市场展现了美好前景，同时也对嵌入式系统技术，特别是软件技术提出了新的挑战。这主要包括：支持日益更新的功能、灵活的网络联接、轻便的移动应用和多媒体信息处理，此外，还需应付更加激烈的市场竞争。到目前为止，商业化嵌入式系统的发展主要受到用户对嵌入式系统的功能需求、硬件资源以及嵌入式操作系统自身灵活性的制约。2.3.2嵌入式系统的发展趋势在市场和技术进步的双重推动下，嵌入式系统技术未来的发展，将呈现出以下几点趋势：1、联网成为必然趋势：为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，面向21世纪的嵌入式系统要求配备标准的一种或多种网络通信接口。新一代嵌入式设备还需具备IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口。2、小尺寸、微功耗和低成本：为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者相应降低处理器的性能，限制内存容量和复用接口芯片,这就相应提高了对嵌入式软件设计技术要求。3、提供精巧的多媒体人机界面：嵌入式设备之所以为亿万用户乐于接受，重要因素之一是它们与使用者之间的亲和力，自然的人机交互界面。4、“无所不在的智能”（AmbientIntelligence，AmI）：无所不在的“智能”是嵌入式系统应用的高级境界，它是指一种嵌入了多种感知和计算设备，并根据上下文识别人的身体姿态、手势、语音等，进而判断出人的意图，并做出相应反映的具有适应性的数字环境，它通过智能的、用户定制的内部互联系统和服务制造理想的氛围，完成理想的功能，从而有效提高人们的工作和生活质量。AmI的关键技术基础是“无所不在的计算（UbiquitousComputing）”，“无所不在的计算”指的就是，“无论何时何地，任何人需要，就可以通过某种设备访问到所需的信息”。从计算技术的角度来看，可以认为存在一个巨大的分布式网络，这个网络由围绕在用户周围的成千上万个嵌入式系统互连而成，用来满足其在信息、通讯、出行和娱乐等方面的需求。信息化社会的建设对嵌入式系统市场提出巨大需求，目前微处理器微控制器年产量几亿到10多亿片，远远大于个人通用台式计算机，嵌入式计算机必将是信息产业新的经济增长点。2.4ARM9嵌入式系统的含义及分类嵌入式系统被定义为以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结第6页共8页合后的产物,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。目前嵌入式系统除了部分为32位处理器外,大量存在的是8位和16位的嵌入式微控制器(MCU),嵌入式系统是计算机应用的另一种形态,正如前所述它与通用计算机应用不同，嵌入式计算机是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统之中的一种软硬件高度专业化的特定计算机系统。目前根据其发展现状,嵌入式计算机可以分成下面几类:(1)嵌入式微处理器(EmbeddedMicroprocessorUnit,E