毕业论文嵌入式计算机系统的设计

1、15毕业论文（设计）中文题目 嵌入式计算机系统的设计 学生姓名 专业 层次年级 学号 指导教师 职称 学习中心 成绩 年 月 日 摘 要 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。它具有以下特点：1、 与应用密切相关 嵌入式系统作为机器或设备的组成部分，与具体的应用密切相关。2、 实时性 嵌入式系统必须在实时方式下工作，若在规定的时间内某一请求得不到处理或者处理没有结束，可能会带来严重的后果。3、 复杂的算法 对不同的应用，嵌入式系统有不同的算法。4、 制造成本 在某些情况下，制造成本决定了含有嵌入式系统的设备或产品能否在市场上被成功地销售。5、 功耗 许多嵌入式系统采用电池供电，因此对功耗有严格的要求。6、 开发和调试 必须有相应的开发环境、开发工具和调试工具，才能进行开发和调试。7、 可靠性 嵌入式系统应该能够可靠地运行，比如能在规定的温度、湿度环境下连续运行、有一定的抗干扰能力。8、 体积 嵌入式系统一般都要求体积尽可能地小。 随着计算机技术、信息技术和数据技术的发展，嵌入式系统的将向

2、着更加小、更快速、功耗更低以及互联网的方向发展。关键词：可靠性 实时性 抗干扰15第一章绪论1.1嵌入式系统1.1.1嵌入式系统简介随着计算机技术和微电子技术的迅速发展，嵌入式系统应用领域越来越广泛。当今，嵌入式系统已成为一个时髦的名词，就像当初的计算机热潮，似乎比当初的计算机热潮涉及的领域更广泛，应用技术人员更多，相关国民经济产值也更庞大。报纸、杂志、网络都把嵌入式系统当作讨论的热门话题。1.1.2 实时多任务操作系统RTOS(Real Time multi-tasking Operation System),即实时多任务操作系统是嵌入式应用软件的基础和开发平台。目前在中国大多数嵌入式软件开发还是基于处理器直接编写，没有采用商品化的RTOS，不能将系统软件和应用软件分开处理。RTOS是一段嵌入在目标代码中的软件，用户的其它应用程序都建立在RTOS之上。不但如此，RTOS还是一个可靠性和可信性很高的实时内核，将CPU时间、中断、I/O、定时器等资源都包装起来，留给用户一个标准的API，并根据各个任务的优先级，合理地在不同任务之间分配CPU时间。 TOS是针对不同处理器优化设计的高效率实

3、时多任务内核，优秀商品化的RTOS可以面对几十个系列的嵌入式处理器MPU、MCU、DSP、SOC等提供类同的API接口，这是RTOS基于设1.1.3嵌入式操作系统的发展状况国外嵌入式操作系统已经从简单走向成熟，主要有VMware、QNX、Palmas、Windows CE、嵌入式Linux等。国内的嵌入式操作系统研究开发有2种类型，一类是基于国外操作系统2次开发完成的，如海信的基于Windows CE的机顶盒系统；另一类是中国自主开发的嵌入式操作系统，如凯思集团公司自主研制开发的嵌入式操作系统Hope OS(“女娲计划”)等。 1.1.4嵌入式系统软件的特点嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，对嵌入式处理器系统软件和应用软件的要求也和通用计算机有所不同。 1.软件要求固态化存储。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。 2.软件代码高质量、高可靠性。尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高、片上存储器容量不断增加，但在大多数应用中，存储空间仍然是宝贵的，还存在实时性的要求。为此要求程序编写和编译工具的

4、质量要高，以减少程序二进制代码长度、提高执行速度。 3.系统软件(OS)的高实时性是基本要求。在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每个任务及时执行的关键，单纯通过提高处理器速度是无法完成和没有效率的，这种任务调度只能由优化编写的系统软件来完成，因此系统软件的高实时性是基本要求。 4.多任务操作系统是知识集成的平台和走向工业标准化道路的基础。1.2嵌入式开发概述1.2.1 嵌入式系统开发需要开发工具和环境 通用计算机具有完善的人机接口界面，在上面增加一些开发应用程序和环境即可进行对自身的开发。而嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发，这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。 1.2.2 嵌入式系统软件需要RTOS开发平台 通用计算机具有完善的操作系统和应用程序接口(API)，是计算机基本组成不可分离的一部分，应用程序的开发以及完成后的软件都在OS平台上面运行，但一般不是实时的。嵌入式系统则不同，应用程序可以没有操作系

5、统直接在芯片上运行；但是为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配RTOS开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。 1.2.3 嵌入式系统开发人员以应用专家为主 通用计算机的开发人员一般是计算机科学或计算机工程方面的专业人士，而嵌入式系统则是要和各个不同行业的应用相结合的，要求更多的计算机以外的专业知识，其开发人员往往是各个应用领域的专家。因此开发工具的易学、易用、可靠、高效是基本要求。1.2.4嵌入式系统高级编程语言Ada语言是20世纪70年代美国国防部开发并投入使用的功能强大的通用系统开发语言，最初为Ada83。它支持模块化、独立编译、协处理等功能。其可靠性、可维护性、可读性都是相当好的。后来，为了更好地支持OOP（Object-Oriented Programming），对其进行了改进，形成了目前广泛使用的Ada95。使用Ada语言可以大大改善系统的清晰性、可靠性、可维护性等性能指标2,3。它是美国国防部指定的唯一一种可用于军用系统开发的语言。第二章ARM处理器结构和ARM指令集 2.1ARM处理器结构

6、ARM（Advanced RISC Machines）是微处理器行业的一家知名企业，该企业设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、成本低和能耗省，适用于多种领域，比如嵌入控制、消费/教育类多媒体、DSP和移动式应用等。ARM处理器的框架如图2-1所示乘法器指令解码地址自增器nRESETnMREQSEQABORTnIRQnFIQnRWMAS1:0LOCKnCPICPACPBnWAITMCLKnOPCBIGENDISYNCnTRANSnM4:0桶形移位器32 位 ALU写数据 寄存器读数据 寄存器地址寄存器寄存器A31:0ABE及控制 逻辑PC Update解码站指令 解码IncrementerPCABusBBus 图2-1ARM处理器架构2.1.1寄存器和处理器模式1.ARM 有7个基本工作模式:User:非特权模式，大部分任务执行在这种模式。限制你的内存访问并且你不能直接读取硬件设备正常程序执行的模式FIQ:当一个高优先级(fast)中断产生时将会进入这种模式高速数据传输和通道处理IRQ:当一个低优先级(normal)中断产生时将会进入这种模式通

7、常的中断处理Supervisor:当复位或软中断指令执行时将会进入这种模式供操作系统使用的一种保护模式程序计数器构造如下图2-2: 2731N Z C V Q2867I F T mode1623 815 54024fsxc U n d e f i n e dJ图2-2 程序计数器构造n 条件位：n N = 1-结果为负,0-结果为正或0n Z = 1-结果为0,0-结果不为0n C =1-进位，0-借位n V =1-结果溢出，0结果没溢出n Q 位：n 仅ARM 5TE/J架构支持n 指示增强型DSP指令是否溢出n J 位n 仅ARM 5TE/J架构支持n J = 1: 处理器处于Jazelle状态n 中断禁止位：n I = 1: 禁止 IRQ.n F = 1: 禁止 FIQ.n T Bitn 仅ARM xT架构支持n T = 0: 处理器处于 ARM 状态n T = 1: 处理器处于 Thumb 状态n Mode位(处理器模式位):n 0b10000Usern 0b10001FIQn 0b10010IRQn 0b10011Supervisorn 0b10111Abortn 0b110

8、11Undefinedn 0b11111Systemn 当处理器执行在ARM状态:n 所有指令 32 bits 宽n 所有指令必须 word 对齐n 所以 pc值由bits 31:2决定, bits 1:0 未定义 (所以指令不能halfword / byte对齐).n 当处理器执行在Thumb状态:n 所有指令 16 bits 宽n 所有指令必须 halfword 对齐n 所以 pc值由bits 31:1决定, bits 0 未定义 (所以指令不能 byte对齐).n 当处理器执行在Jazelle状态:n 所有指令 8 bits 宽n 处理器执行 word 存取一次取4条指令2.2ARM指令集2.2.1ARM存贮访问指令ARM存贮访问指令如下表2-1： 表2-1 ARM存贮访问指令助记符说明操作条件码位置MUL Rd，Rm，Rs32位乘法指令RdRm*Rs （RdRm）MULcondSMLA Rd，Rm，Rs，Rn32位乘法指令RdRm*Rs+Rn （RdRm）MLAcondSUMULL RdLo，RdHi，Rm，Rs64位无符号乘法指令（RdLo，RdHi）Rm*RsUMULLcondSUMLAL RdLo，RdHi，Rm，Rs64位无符号乘法指令（RdLo，RdHi）Rm*Rs+（RdLo，RdHi）UMLALcondSSMULL RdLo，RdHi，Rm，Rs64位无符号乘法指令（RdLo，RdHi）Rm*RsSMULLcondSSMLAL RdLo，RdHi，Rm，Rs64位无符号乘法指令（RdLo，R

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