arm嵌入式系统设计论文 第3页
绪论
随着信息技术和网络技术的高速发展和后PC（Post-PC）时代的到来，嵌入式系统已经广泛地渗透到科学研究、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领域。有关嵌入式的产品越来越占有巨大的市场，对嵌入式系统的研究和开发就越来越具有重要的实际意义。
本课题基于ARM与μC/OS-II的嵌入式系统的研究与应用，首先是嵌入式系统的开发过程，对传统方法与软硬件相结合的方法进行了对比，总结了软硬件协同的设计方法的优点。其次介绍ARM微处理器的应用与S3C44B0X开发板。从成本、性能和功耗三方面对ARM 7TDMI及S3C44B0X开发板进行了分析。再次对嵌入式实时操作系统μC/OS-II进行了深入的剖析，着重分析了任务调度，优先级算法与中断的具体实现。实现了嵌入式实时操作系统μC/OS-II在S3C44B0X开发板上的移植，着重对下面的OS_CPU.H，OS_CPU_A.S，OS_CPU_C.C三个移植文件进行了分析与实现。最后在嵌入式实时操作系统μC/OS-II上实现用户界面μG/GUI的应用，同时对μG/GUI进行了对比和分析。
1.1 嵌入式系统的概念和特点
1.1.1 嵌入式系统的概念
嵌入式系统是嵌入到对象体系中的专用计算机系统。根据IEEE(国际电气和电子工程师协会)的定义,“嵌入式系统是控制、监视或者辅助设备，机械和车间运行的装置。”（原文devices used to control，monitor，or assist the operationof equipment，machinery or plants）在国内普遍认同的嵌入式系统定义为：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、功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统的最大特点是其所具有的目的性或针对性，即每一套嵌入式系统的开发设计都有其特殊的应用场合与特定功能，这也是嵌入式系统与通用的计算机系统最主要的区别。另外，嵌入式技术与实时性有着天然的联系，由于嵌入式系统是为特定的目的而设计的，且常常受到空间、成本、存储、带宽等条件的限制，因此它必须最大限度地在硬件上和软件上“量身定做”以提高效率，这样的结果最终导致了实时性的增强。
1.1.2 嵌入式系统的特点
从某种意义上来说，通用计算机行业的技术是垄断的。嵌入式系统则不同，它是一个分散的工业，充满了竞争、机遇与创新，没有哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市场。即便在体系结构上存在着主流，但各不相同的应用领域决定了不可能有少数公司、少数产品垄断全部市场。因此嵌入式系统领域的产品和技术，必然是高度分散的，留给各个行业的中小规模高技术公司的创新余地很大。另外，社会上的各个应用领域是在不断向前发展的，要求其中的嵌入式处理器核心也同步发展，这也构成推动嵌入式工业发展的强大动力。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的吉林大学硕士学位研究生论文具体应用相结合后的产物，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。概括起来，嵌入式系统有以下几个特点：
(1)嵌入式系统无所不在嵌入式技术广泛应用于自动控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事、消费等各个领域，嵌入式系统几乎存在于我们周围各种电器设备中，在数量上远远超过了各种通用计算机。
(2)嵌入式系统是完成专用功能的最小系统，嵌入式系统不仅和通常PC机上的应用系统不同，就是针对不同的具体应用而设计的嵌入式系统之间差别也很大。嵌入式系统一般功能单一，用来完成某种具体应用，在兼容性方面而要求不高，但是在大小、成本方面限制较多，要求硬件、软件都要发挥最高效率，可靠性高，力争以最小系统达到最高性能。
(3)嵌入式系统对软件的要求，由于嵌入式产品要求体积小，可靠性高，一般不具有硬盘等大容量存储设备。而且由于成本的限制，嵌入式系统软件一般固化在容量较小的Flash存储器中。这就要求软件代码具有较高的质量和可靠性，有的系统还要求软件具有实时处理能力。
(4)嵌入式系统的开发环境和开发工具，由于嵌入式系统自身没有足够的资源，不具备自主开发能力，所以一般嵌入式系统的开发模式是作为目标机的嵌入式系统与作为宿主的主机相连接，构成交叉开发环境。另外，还需要编译器、链接器等作为开发工具。
(5)系统测试和可靠性评估体系，建立完整的嵌入式系统工程的系统测试和可靠性评估体系，能够保证嵌入式系统进行高效、可靠、稳定地工作。首先，如果有了科学的测试仪方法，建立科学的系统测试和可靠性评估体系，就能够避免因为系统的不可靠而造成巨大损失。其次，引入多种嵌入式系统的测试方法和可靠性评估体系，才能科学、完整地测试全天候运行的嵌入式复杂软件。在大多数嵌入式系统中一般都包括一些机制，比如看门狗定时器，它在软件失去控制后能使之重新开始正常运行。
1.2 嵌入式系统的应用领域
进入21世纪后，嵌入式系统迅猛发展。有资料显示，嵌入式系统带来的工业年产值已超过了10000亿美元，1997年美国嵌入式系统大会的报告预测：未来5年仅仅基于嵌入式系统的全数字电视产品就将在美国产生一个每年1500亿美元的新市场。美国著名未来学家尼葛洛庞帝于1999年1月访问中国时预言“4-5年后，嵌入式智能产品将是继PC和Internet之后最伟大的发明”，嵌入式产品按用途大致分为4类：
(1)信息家电：现在已是后PC时代，家用电器的发展方向是数字化和网络化。电视机、电冰箱、微波炉等都将使用嵌入式计算机并通过家庭控制中心与Intenet连接，转变为智能网络家电。
(2)移动计算设备：手机、PDA和手提电脑等多种移动设备在未来几年将在我国得到快速发展。
(3)网络设备：网络设备是嵌入式系统应用最早的领域之一，由全球网络化的发展趋势可知，嵌入式系统应用在这方面的市场前景将会很广阔。网络设备主要包括路由器、交换机、网络接入设备等。
(4)工控及仿真设备：在工控领域，嵌入式设备早已得到了广泛的应用。智能控制设备、智能仪表等都是嵌入式系统应用的广大领域。
1.3 嵌入式系统的组成
1.3.1嵌入式系统的硬件核心
嵌入式硬件包括处理器、存储器、外设和I/O端口等。其中嵌入式处理器是核心，目前使用较多的有嵌入式微控制器(EMCU)、嵌入式微处理器(EMPU)、嵌入式数字信号处理器(EDSP)、片上系统(SOC)等。其中嵌入式微处理器由于性价比较高，在嵌入式系统中越来越受到青睐。嵌入式微处理器在目前的嵌入式系统硬件设计上处于核心地位。从嵌入式微处理器的市场占有率来看，8位产品占了一半左右的市场，其次是16位及32位的产品，4位和64位的产品市场占有率最低。随着电子技术的迅速发展， 32位处理器的性价比越来越高，很多场合使用32位处理器的系统成本比采用8/16位的系统成本更低。而ARM框架是目前嵌入式应用中占主导地位的32位微控制器/微处理器框架ARM(Advanced RISC Machines)公司是全球领先的16/32位RISC微处理器知识产权设计供应商。ARM公司通过转让高性能、低成本、低功耗的RISC微处理器、外围和系统芯片设计技术给合作伙伴，使他们能用这些技术来生产各具特色的芯片。ARM已成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌入式技术解决方案的RISC标准。ARM提供一系列内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案。由于所有产品均采用一个通用的体系，所以相同的软件可以直接或稍加修改可在所有产品中运行。目前，ARM处理器主要分以下几个系列：ARM7系列，ARM9系列，ARM9E系列，SecurCore系列及最新的ARMll系列，它们都是为特定目的的应用而设计，实际应用可根据具体性能要求选择相应的系列。
1.3.2嵌入式系统的软件核心
嵌入式软件部分主要包括嵌入式操作系统和应用软件，是整个嵌入式系统的应用核心。嵌入式操作系统是嵌入式应用的基础平台。早期的嵌入式实时应用软件直接在处理器上运行，没有RTOS支持，现在的大多嵌入式应用开发都需要嵌入式操作系统的支持。实际上，此时的嵌入式操作系统相当于一个通用而复杂的主控程序，为嵌入式应用软件提供更强大的开发平台和运行环境。因为嵌入式系统己经将处理器、中断、定时器、I/O等资源包装起来，用一系列的API提供给用户，应用程序可以不关注底层硬件，直接借用操作系统提供的功能进行开发，此时的嵌入式操作系统可以视为一个虚拟机。嵌入式操作系统的种类繁多，大体上可分为两种：商用型和免费型。商用操作系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，但往往价格昂贵。免费的操作系统在价格方面具有优势，但也存在着开发困难，技术支持少的不足。目前市场上流行的，使用最多的EOS产品包括有：Windows CE、LYNX、vxwork、Nucleus、PalmOS、pSOS、QNX、各种嵌入式的Linux、μC/OS-II等。嵌入式实时操作系统μC/OS-II是一个可移植、源码公开、可抢占的RTOS，其性能完全可以与商业产品竞争。μC/OS-II基于抢占式的实时多任务内核，可固化、可剪裁、具有高稳定性和可靠性，此外μC/OS-II的鲜明特点就是源码公开，便于移植和文护。自1992年以来，全世界成千上万的开发者已经成功地将μC/OS-II应用于各种系统。在μC/OS-II上还提供了嵌入式图形支持的μC/GUI模块和嵌入式文件系统UC/FS，它支持多种小型化的设备，如CF卡、SMC卡等。嵌入式操作系统的选择主要考虑以下几个方面：操作系统的硬件支持程度，是否支持目标硬件平台；源码是否开放、可移植性如何；开发工具的支持程度，是否有利于项目的加快开发；能否满足应用需求，如对操作系统实时性能的要求，网络性能，对中文的支持等；是否收取费用，是否对产品的成本产生严重影响。
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