1、毕业设计开题报告 测控技术与仪器 基于 ARM7 的最小系统实验板设计 1 前言部分 （ ARM 嵌入式系统的研究背景和意义） ARM公司是一家知识产权供应商，与其他半导体公司所不同的是不制造芯片及不向终端用户出售芯片，只是转让设计方案，然后由其合作伙伴生产各色的芯片。这种双赢的伙伴关系使得 ARM公司迅速的成为全球性 RISC微处理器标准的缔造者，同时也给用户带来了巨大的好处，使其在掌握一种 ARM内核结构及其开发手段时，就能使用多家公司相同 ARM内核的芯片。 ARM微处理器是英国先进 RISC机器公司的产物，它具有极 高的性价比，代码密度以及出色的实时中断响应和很低的功耗，它占用面积很少
2、的硅片，从而使其成为嵌入式系统的理想选择。 ARM微处理器的应用范围十分广泛，比如手机、 PDA、 MP3/MP4和种类繁多的便捷式消费品。 ARM处理器得到了众多厂家的支持，在 32 位嵌入式应用领域获得了巨大的成功 ,如 Inter、 Motorola 、 IBM、 NS、 Atmel、 Philips、 NEC、 OKI、 SONY 等世界上几乎所有的半导体公司获得 ARM 授权，开发具有自己特色的基于 ARM 的嵌入式系统芯片 1。 ARM处理器具备了 RISC的结构特点： 1.它具有大量的通用寄存器； 2.通过装载或保存结构使用独立的 load和 store指令来完成数据在寄存器和外
3、部存储器之间的传送，而且处理器只处理寄存器中的数据，避免多次访问存储器； 3.它的寻址方式相当简单，所有的装载或保存的地址只能有寄存器的内容和指令域来决定； 4.使用了统一的和固定长度的指令格式； 5.每一条数据处理指令可以同时包含逻辑运算单元的运算及移位处理，来实现对逻辑运算单元和移位器的最大利用； 6.地址自动增和减的寻址方式优化程序中的循环处理； 7.Load/store指令可批量传输数据，来实现最大数 据的吞吐量； 大多数的 ARM指令是可以“条件执行”的，即只有当某个特定条件满足时 指令才会被执行。通过使用条件执行，可以减少指令数目，改善程序的执行效率 和提高代码密度。 嵌入式系统的
4、出现是现代计算机发展史上的里程碑。它是以应用为中心，计算机为基础，软件硬件可剪裁，能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。主要有嵌入式微处理器、外围硬件设备和嵌入式操作系统以及用户应用软件等组成，主要用于实现对其他设备的控制，监视和管理等功能 2。嵌入式系统其发展道路与通用计算机完全不 同，它诞生于微型计算机时代，形成了独立的单芯片的技术发展道路。经过几十年的发展，嵌入式系统在很大程度上改变了人们的生活状态，而且不种变化在不断提升。嵌入式系统有很多种类，每种都具有自己的特色。 嵌入式的特点为： 1.嵌入型 :指计算机嵌入到对象体系当中，实现对象体系的智能控制。
5、2.内含计算机：是对象系统智能化控制的根本保障。 专用型：指在满足对象控制要求及环境要求下的软硬件剪裁性 1。 2 主题部分 （ ARM 嵌入式系统的国内外发展状况及发展方向） 随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式系统也获得了广阔的发展空间，美 国著名未来学家尼葛洛庞帝 99 年 1 月访华时发言说 4 到 5 年后嵌入式智能工具将是 PC 与因特网之后的另一伟大发明。我国著名的嵌入式研究者沈绪榜院士在 98 年 11 月的全国 11 次微机学术交流会上发表了计算机的发展与技术，其中对未来 10 年嵌入式芯片为基础的计算机工业进行了科学的阐述与展望 3。进入 20 世纪 90 年代后，嵌入
6、式技术全面发展，目前已成为电子产品和通信产品共同发展的方向。在通信领域，数字技术逐渐全面的代替模拟技术；在广播电视领域，数字电视也在人们生活中所应用；数字音频广播也进入商品化在试播阶段；而软件、集成电 路和新型元器件在产业发展中的作用也逐渐的重要。上述的所有产品，都离不开嵌入式系统技术。在著名的维纳斯计划生产机顶盒中，就是采用了 32 位以上的嵌入式系统技术。在个人领域当中，嵌入式产品将个人商用作为个人移动的数据处理和通讯软件。 由于嵌入式设备具有自然的 人机交互界面， GUI屏幕为中心的多媒体界面给人很大的亲和力。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像已取得初步成效。目前
7、一些先进的 PDA 在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布，日用范围也将日益广阔。对于企业专用解决方案，如物流管理、条码扫描 、移动信息采集等，这种小型手持嵌入式系统将发挥巨大的作用。自动控制领域，不仅可以用于 ATM 机，自动售货机，工业控制等专用设备，和移动通讯设备结合、 GPS、娱乐相结合，嵌入式系统同样可以发挥巨大的作用。在硬件方面，不仅应用于各大公司的微处理器，同时也普及用于学习和研发的各种配套开发包。在软件方面，国外商品化的嵌入式实时操作系统，已进入我国市场的有 WindRiver、 Microsoft、 QNX 和 Nuclear 等产品。我国自主开发的嵌入式系统软件产品如科
8、银 (CoreTek)公司的嵌入式软件开发平台DeltaSystem，中科院推出的 Hopen 嵌入式操作系统。从各大厂商的开发文档，到各种驱动，程序源代码，甚至很多厂商还提供微处理器的样片。这对于我们从事这方面的研发，无疑是个资源宝库。对于软件设计来说，不管是上手还是进一步开发，都相对来说比较容易。这就使得很多生手能够比较快的进入研究状态，利于发挥大家的积极创造性。今天嵌入式系统带来的工业年产值已超过了 1 万亿美元， 1997 年来自美国嵌入式系统大会 (Embedded System Conference)的报告中指出，未来 5 年仅基于嵌入式计算机系统的全数字电视产品，就将在美 国产生
9、一个每年 1500 亿美元的新市场。美国汽车大王福特公司的高级经理也曾宣称，“福特出售的计算能力已超过了 IBM”，由此可以想见嵌入式计算机工业的规模和广度。在 1998 年 11 月在美国加州举行的嵌入式系统大会上，基于 RTOS的 Embedded Internet 成为一个技术新热点。在国内，“维纳斯计划”和“女锅计划”一度闹得沸沸扬扬，机顶盒、信息加电这两年更成了 IT 热点，而实际上这些都是嵌入式系统在特定环境下的一个特定应用。据调查，目前国际上已有两百多种嵌入式操作系统，而各种各样的开发工具、应用于嵌入式开发 的仪器设备更是不可胜数。在国内，虽然嵌入式应用、开发很广，但该领域却几乎
10、还是空白，只有三两家公司和极少数人员在从事这方面工作。由此可见，嵌入式系统技术发展的空间真是无比广大 3。 在信息时代，数字时代使嵌入式产品嵌入式市场展现了美好的前景，同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战，从中我们可以看出未来嵌入式系统的几大发展趋势： 1嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。 目前很多厂商已经充分考虑到这一点 ，在主推系统的同时，将开发环境也作为重点推广。例如三星在推广 Arm7， Arm9芯片的同时还提供开发板和版及支持包（ BSP），而 WindowCE在主推系统时也提供 Embedd
11、ed VC作为开发工具，还有 Vxworks的 Tonado开发环境， DeltaOS的 Limda编译环境等等都是这一趋势的典型体现。当然，这也是市场竞争的结果。 2 网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的提高而日益提高，使得以往单一功能的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能已不再单一，结构也更加复杂。这就要求芯片设计厂商在芯片 设计上集成更多的功能，为了满足应用功能的升级，设计师必须一方面采用更强大的嵌入式处理器如 32位、 64位 RISC芯片或信号处理器 DSP增强处理能力，同时增加功能接口，如 USB，扩展总线类型，如 CAN BUS，加强对多媒体、图形等的处理，逐步实施片
12、上系统（ SOC）的概念。软件方面采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。 3网络互联成为必然一个趋势。未来的嵌入式设备为了更好的适应网络发展的要求，必然要求硬件上提供各种网络通信接口。传统的单片机对于 网络支持不足，而新一代的嵌入式处理器已经开始内嵌网络接口，除了支持 TCP IP协议，还有的支持 IEEE1394、 USB、 CAN、 Bluetooth或 IrDa通信接口中的一种或者几种，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。软件方面系统内核支持网络模块，甚至可以在设备上嵌入 Web浏览器，真正实现随时随地用
13、各种设备上网的这一功能。 4精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本。未来的嵌入式产品是软硬件紧密结合的设备，为了减低功耗和成本，需要设计者尽量精简系统内核，只保留和系统功能紧密相关的软硬 件，利用最低的资源实现最适当的功能，这就要求设计者选用最佳的编程模型和不断改进算法，优化编译器性能。因此，既要软件人员有丰富的硬件知识，又需要发展先进嵌入式软件技术，如 Java、 Web和 WAP等。 5提供友好的多媒体人机界面。嵌入式设备能与用户亲密接触，最重要的因素是因为它能提供非常友好的用户界面、图像界面，灵活的控制方式，使得人们感觉嵌入式设备就象是一个熟悉的老朋友。这方面的要求使得嵌入式软件设计者
14、要在图形界面，多媒体技术上痛下苦功。手写文字输入、收发电子邮件、语音拨号上网以及彩色图形、图像都会使使用 者获得自由的感受。目前一些先进的 PDA在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布，但一般的嵌入式设备距离这个要求还有很长的路要走，也是未来的一个挑战 3。 如果说过去的趋势能致命未来的话，那么随着技术的发展与革新，嵌入式软件将继续增加更新更好的应用并且产生更加灵敏的产品种类。根据人们自身发展需求而不断壮大的市场，以及有互联网创造的无线机会，嵌入式系统将不断的重新创造未来的世界。 3 总结部分 （将全文主题进行扼要总结，提出自己的见解并对进一步的发展方向做出预测） 通过对 ARM 嵌入式系
15、统的相关资料阅 读理解及分析，我得出以下结论： 嵌入式系统技术已在很多领域得到广泛的应用，包括工业自动化，国防，运输和航天领域。在日常生活中，人们也使用各种嵌入式系统，几乎所有带点“智能”的家电，例如洗衣机，电脑等都是嵌入式系统。在很多地方，嵌入式系统已代替单片机使用。嵌入式系统广泛的适应能力和多样性，使得视听、工作场所甚至健身设备中到处都有嵌入式系统。 从嵌入式系统的构成上看，嵌入式系统是集软硬件于一体的、可独立工作的计算机系统；从外观上看，嵌入式系统像是一个“可编程”的电子“器件”；从功能上看，它是对宿主对象进行 控制 ，使其具有“智能”的控制器。它具有专用性强、实时性好、可剪裁性好、可靠
16、性高和功耗低等特点，因此，嵌入式系统在未来将有一个更大的发展，更广阔的应用。 我此次所做的系统是基于 LPC2138 的 ARM7 最小系统，该版可通过 USB 借口供电，并口调试下载，一台具有 USB 口与并口的电脑即可对该板进行实验与操作，在实际课程当中，因为课时有限，很难掌握更多的知识，为了便于同学在学习“嵌入式系统原理与应用”，能有简单的带回宿舍自主学习的实验环境，特设计一个简单的基于 ARM7 的小系统，通过自主的学习，动手，能够更加了解实验板的结构以及硬件与软件之间的操作如此，不仅加强了对嵌入式系统知识的巩固，同时也培养了动手及编程方面的能力，有助于教学进程。 4 参考文献 1.周
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