基于ARM的嵌入式開發(fā)技術(shù)

1、12/12/011嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)曾祥進(jìn)華中科技大學(xué)智能所 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)1 1 系統(tǒng)功能和性能系統(tǒng)功能和性能2 2 單片機(jī)及關(guān)鍵芯片的選型單片機(jī)及關(guān)鍵芯片的選型3 3 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的確立系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的確立4 4 軟、硬件功能的劃分軟、硬件功能的劃分 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開始明確任務(wù)選型芯片軟硬件劃分硬件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)聯(lián)機(jī)調(diào)試排除故障固化程序完成單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 存儲器設(shè)計(jì)（存儲器設(shè)計(jì)（EEPROM, RAMEEPROM, RAM） 鍵盤和液晶顯示電路設(shè)計(jì)鍵盤和液晶顯示電路設(shè)計(jì) A/D, D/A A/D, D/A輸入輸出通道設(shè)計(jì)輸入輸出

2、通道設(shè)計(jì) 電源設(shè)計(jì)電源設(shè)計(jì) 抗干擾電路抗干擾電路 硬件設(shè)計(jì)開始系統(tǒng)定義軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建立數(shù)學(xué)模型繪制程序流程圖編寫程序匯編在線仿真調(diào)試程序有錯(cuò)否？修改程序固化到EPROM結(jié)束YN軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì) 1. 1. 系統(tǒng)定義系統(tǒng)定義 定義說明各輸入定義說明各輸入/ /輸出口的功能輸出口的功能 合理分配存儲空間合理分配存儲空間 面板控制開關(guān)、按鍵等輸入量以及顯示、打印面板控制開關(guān)、按鍵等輸入量以及顯示、打印等等 針對可能出現(xiàn)的由干擾引起的錯(cuò)誤進(jìn)行容錯(cuò)設(shè)針對可能出現(xiàn)的由干擾引起的錯(cuò)誤進(jìn)行容錯(cuò)設(shè)計(jì)計(jì) 明確所設(shè)計(jì)的用戶程序應(yīng)達(dá)到的精度、速度指明確所設(shè)計(jì)的用戶程序應(yīng)達(dá)到的精度、速度指標(biāo)。標(biāo)。 2. 2. 軟件結(jié)構(gòu)

3、設(shè)計(jì)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3. 3. 程序設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)用戶實(shí) 時(shí)監(jiān)控程序模塊1模塊2模塊n模塊1 . 1模塊2 . 1模塊n . 1模塊n . 2模塊n . 2 . 1調(diào)度調(diào)用 系統(tǒng)調(diào)試包括硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和軟、硬件聯(lián)系統(tǒng)調(diào)試包括硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和軟、硬件聯(lián)調(diào)。根據(jù)調(diào)試環(huán)境不同，系統(tǒng)調(diào)試又分為模擬調(diào)試調(diào)。根據(jù)調(diào)試環(huán)境不同，系統(tǒng)調(diào)試又分為模擬調(diào)試與現(xiàn)場調(diào)試。各種調(diào)試所起的作用是不同的，它們與現(xiàn)場調(diào)試。各種調(diào)試所起的作用是不同的，它們所處的時(shí)間段也不一樣，不過它們的目的都是為了所處的時(shí)間段也不一樣，不過它們的目的都是為了查出用戶系統(tǒng)中存在的錯(cuò)誤或缺陷。查出用戶系統(tǒng)中存在的錯(cuò)誤或缺陷。系統(tǒng)總體調(diào)試系 統(tǒng)

4、調(diào) 試 開 始硬 件 調(diào) 試軟 件 調(diào) 試系 統(tǒng) 聯(lián) 調(diào)現(xiàn) 場 調(diào) 試調(diào) 試 結(jié) 束模擬調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試的一般過程如下圖系統(tǒng)調(diào)試的一般過程如下圖1. 調(diào)試工具 (1) (1) 單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng) (2) (2) 萬用表萬用表 (3) (3) 邏輯脈沖發(fā)生器與模擬信號發(fā)生器邏輯脈沖發(fā)生器與模擬信號發(fā)生器 (4) (4) 示波器示波器 (5) (5) 邏輯分析儀邏輯分析儀 2. 調(diào)試方法 (1) (1) 硬件調(diào)試硬件調(diào)試 靜態(tài)調(diào)試靜態(tài)調(diào)試 動態(tài)調(diào)試動態(tài)調(diào)試 (2) (2) 軟件調(diào)試軟件調(diào)試 先獨(dú)立后聯(lián)機(jī)先獨(dú)立后聯(lián)機(jī) 先分塊后組合先分塊后組合 先單步后連續(xù)先單步后連續(xù) (3) 系統(tǒng)聯(lián)調(diào) 軟、硬

5、件能否按預(yù)定要求配合工作。軟、硬件能否按預(yù)定要求配合工作。 系統(tǒng)運(yùn)行中是否有潛在的錯(cuò)誤。系統(tǒng)運(yùn)行中是否有潛在的錯(cuò)誤。 系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)是否系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)是否 滿足設(shè)計(jì)要求。滿足設(shè)計(jì)要求。(4) (4) 現(xiàn)場調(diào)試現(xiàn)場調(diào)試應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例LCDLCD演示演示PROTUESPROTUES演示演示內(nèi)容提要v關(guān)于ARMv嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程v基于ARM的開發(fā)技術(shù)與環(huán)境vARM的SOC開發(fā)ARM應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)vARM=Advanced RISC MachineRISC 的典型代表32位處理器技術(shù)嵌入式領(lǐng)域的主力軍vARM的產(chǎn)品ARM處理器內(nèi)核，以IP的形式提供給IC生產(chǎn)

6、廠家v硬核v軟核ARM開發(fā)工具、SOC開發(fā)工具、評估板等ARM公司不生產(chǎn)芯片ARM的特點(diǎn)（1）vARM微處理器的主要特點(diǎn)系列化：ARM7, ARM9, ARM10, 獨(dú)特的指令系統(tǒng)v32位架構(gòu)，定長。32位ARM指令16位Thumb指令v大部分為單周期指令v條件執(zhí)行vLoad/Store流水線結(jié)構(gòu)vARM7：3級流水線vARM9：5級流水線高性能、低功耗 ARM的特點(diǎn)（2）vARM微處理器的主要特點(diǎn)支持JTAG調(diào)試7種工作模式vUser : 用戶模式，非特權(quán)vFIQ : 快速中斷vIRQ : 普通中斷vSupervisor 管理模式vAbort : 存取異常模式vUndef : 未定義指令模式

7、vSystem : 系統(tǒng)模式2種工作狀態(tài)vARMvThumbv支持ARM/Thumb的交互工作ARM的應(yīng)用關(guān)于嵌入式系統(tǒng)v典型的嵌入式系統(tǒng)的一般由以下幾部分組成嵌入式微處理器外圍硬件設(shè)備嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用程序v嵌入式系統(tǒng)的典型特征專用硬件軟件嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程確定產(chǎn)品需求確定產(chǎn)品需求選擇主要芯片確定編程語言選擇開發(fā)環(huán)境RTOS的使用選擇開發(fā)方案選擇開發(fā)方案設(shè)計(jì)與調(diào)試設(shè)計(jì)與調(diào)試測試測試測試工具與其他輔助設(shè)備產(chǎn)品產(chǎn)品嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)與調(diào)試設(shè)計(jì)生產(chǎn)編譯器鏈接器調(diào)試器IDE操作系統(tǒng)軟件測試評估板仿真器邏輯分析儀邊界掃描測試儀編程器開發(fā)環(huán)境v什么是嵌入式開發(fā)環(huán)境：源程序編譯器目標(biāo)文件鏈接器可重定位

8、程序定位器可執(zhí)行文件u編譯器/匯編器/鏈接定位器u調(diào)試器/仿真器u主機(jī)（Host）及其工作平臺u實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（可選）u目標(biāo)評估系統(tǒng)（可選）u測試工具（軟件/硬件/協(xié)議等，可選）u其他輔助設(shè)備（可選）n 典型的開發(fā)環(huán)境ARM的編譯器（1）vADS1.2ARM公司出品IDE環(huán)境，包括vARM/Thumb匯編器：armasmvANSI C 編譯器 - armcc 和 tccvISO / Embedded C+ 編譯器 - armcpp and tcppv鏈接器 armlinkvWindows 集成開發(fā)環(huán)境 CodeWarriorv格式轉(zhuǎn)換器 fromelfv庫管理器 - armarv調(diào)試器模擬調(diào)試器

9、：ARMulatorJTAG調(diào)試：AXD（與Multi-ICE配合）支持所有ARM內(nèi)核，最新版本：RealView2.0ARM的編譯器（2）vEW-ARM瑞典IRA公司出品v著名的嵌入式工具提供商，以提供編譯器/協(xié)議棧/統(tǒng)一建模工具著稱v主要產(chǎn)品：Embeded Workbench（EW）、Make APP、Visual State等EW-ARM：針對ARM的集成開發(fā)環(huán)境：vC/C+編譯器vC-SPY 模擬調(diào)試器vROM-Monitorv多種級別代碼優(yōu)化方法，滿足用戶在速度、文件大小方面的要求v內(nèi)建ARM特性優(yōu)化器v支持多種斷點(diǎn)模式v支持Nucleus, VxWorks等RTOSvGreenh

10、illsvGNU嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試（1）v嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試有四種基本方法： 模擬調(diào)試（Simulator）軟件調(diào)試（Debugger）BDM/JTAG調(diào)試（BDM/JTAG Debugger）全仿真調(diào)試（Emulator）嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試（2）v模擬調(diào)試（Simulator） 調(diào)試工具和待調(diào)試的嵌入式軟件都在主機(jī)上運(yùn)行，由主機(jī)提供一個(gè)模擬的目標(biāo)運(yùn)行環(huán)境，可以進(jìn)行語法和邏輯上的調(diào)試。優(yōu)點(diǎn)：簡單方便，不需要目標(biāo)板，成本低缺點(diǎn)：功能非常有限，無法實(shí)時(shí)調(diào)試大多數(shù)調(diào)試工具都提供Simulator功能嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試（3）v軟件調(diào)試（Debugger） 主機(jī)和目標(biāo)板通過某種接口（通常是串口）連接，主機(jī)上提供

11、調(diào)試界面，待調(diào)試軟件下載到目標(biāo)板上運(yùn)行。 這種方式的先決條件是要在Host和Target之間建立起通信聯(lián)系（目標(biāo)板上稱為監(jiān)控程序Monitor）優(yōu)點(diǎn)：純軟件，價(jià)格較低，簡單，軟件調(diào)試能力較強(qiáng)缺點(diǎn)：需要事先燒制Monitor（往往需多次試驗(yàn)才能成功）且目標(biāo)板工作正常，功能有限，特別是硬件調(diào)試能力較差。PCTargetMonitor串口嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試（4）vBDM/JTAG調(diào)試 這種方式有一個(gè)硬件調(diào)試體。該硬件調(diào)試體與目標(biāo)板通過BDM、JTAG等調(diào)試接口相連，與主機(jī)通過串口、并口、網(wǎng)口或USB口相連。待調(diào)試軟件通過BDM/JTAG調(diào)試器下載到目標(biāo)板上運(yùn)行。優(yōu)點(diǎn)：方便、簡單，無須制作Monitor

12、，軟硬件均可調(diào)試缺點(diǎn)：需要目標(biāo)板，且目標(biāo)板工作基本正常（至少M(fèi)CU工作正常），僅適用于有調(diào)試接口的芯片TargetPC接口BDM/JTAG Debugger嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試（5）v全仿真調(diào)試（Emulator） 這種方式用仿真器完全取代目標(biāo)板上的MCU，因而目標(biāo)系統(tǒng)對開發(fā)者來說完全是透明的、可控的。仿真器與目標(biāo)板通過仿真頭連接，與主機(jī)有串口、并口、網(wǎng)口或USB口等連接方式。由于仿真器自成體系，調(diào)試時(shí)既可以連接目標(biāo)板，也可以不連接目標(biāo)板（Stand alone）。優(yōu)點(diǎn)：功能非常強(qiáng)大，軟硬件均可做到完全實(shí)時(shí)在線調(diào)試缺點(diǎn)：價(jià)格昂貴。ARM的調(diào)試方式v模擬調(diào)試ADS1.2：ARMulatorTrace

13、32：SimulatorEW-ARM：C-spyv軟件調(diào)試ADS1.2：Angel（串口）vJTAG調(diào)試ARM：Multi-ICETrace32-ICD for ARMHitex：Tanto for ARMv全仿真調(diào)試Trace32-FIRE/ICETrace32-ICD的特點(diǎn)（1）l德國Lauterbach公司出品lTRACE32-ICD是基于集成在片內(nèi)的調(diào)試和跟蹤邏輯的在線調(diào)試工具。這些接口包括：lBDM：背景調(diào)試模式，主要由Motorola使用lJTAG：邊界掃描，用于測試和調(diào)試lOCDS：在片調(diào)試支持，由Infineon公司定義lNEXUS： IEEE-ISTO 5001標(biāo)準(zhǔn)所定義的調(diào)

14、試接口l模塊化結(jié)構(gòu)，用戶可根據(jù)自己的需求配置l通用性仿真工具，只需更換仿真頭，就可以調(diào)試其他CPUTrace32-ICD的特點(diǎn)（2）v強(qiáng)大、靈活的調(diào)試手段豐富的斷點(diǎn)類型強(qiáng)大的運(yùn)行控制統(tǒng)一的命令集，支持批處理高效靈活的腳本語言Practicev支持RTOS調(diào)試v支持FLASH在線編程v支持嵌入式軟件測試v支持多CPU調(diào)試和多內(nèi)核調(diào)試v個(gè)性化界面，用戶可自行設(shè)計(jì)菜單、按鍵等其它ARM調(diào)試工具（1）vMulti-ICEARM公司出品與ADS配套使用支持不同的ARM內(nèi)核另有Multi-trace模塊可選其它ARM調(diào)試工具（2）vTANTO（=Test and Analysis Tool）德國Hitex

15、公司出品， ARM、PowerPC等JTAG/BDM調(diào)試工具模塊化結(jié)構(gòu)：v主基模塊TB（Tanto Base）v端口追蹤模塊PT（Port Trace）v總線鏈接模塊BL（Bus Link）v總線追蹤模塊BT（Bus Trace）v仿真頭PL（Port Link）主機(jī)連接方式：串口/USB/網(wǎng)口統(tǒng)一的調(diào)試界面，支持C/C+，支持RTOS調(diào)試開放的體系結(jié)構(gòu)，兼容性好評估板的好處n目標(biāo)評估系統(tǒng)（Evaluation board）n芯片廠家在推銷自己的MCU時(shí)，常常會推出針對該芯片的評估板。評估板將MCU所的功能充分展示出來（可能還帶有部分軟件），用戶可直接使用，并借鑒其設(shè)計(jì)方法。n使用評估板可大大

16、加快硬件開發(fā)和軟件調(diào)試的進(jìn)程。選擇實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOSv對于復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)考慮使用RTOSvRTOS的作用：提供API（應(yīng)用編程接口）：操作系統(tǒng)為應(yīng)用程序員提供可供調(diào)用的API，允許程序員致力于應(yīng)用程序的開發(fā) 簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)：實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)比非實(shí)時(shí)系統(tǒng)更難設(shè)計(jì). 使用實(shí)時(shí)多任務(wù)的內(nèi)核能簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可將復(fù)雜的應(yīng)用程序分為幾個(gè)不同的任務(wù)，由內(nèi)核去對他們協(xié)調(diào)處理v如下支持ARM的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)：Nucleus， uc-os, Vxwork, winCEOSERTOS簡介（1）vNucleus美國ATI公司出品微內(nèi)核技術(shù)模塊化結(jié)構(gòu)，可隨意裁剪提供完全源代碼無產(chǎn)品版稅（Royalties Free）無

17、BSP開發(fā)，可移植性強(qiáng)豐富的開發(fā)手段支持絕大多數(shù)嵌入式微處理器，包括ARM Board Hardware BSP RTOS ApplicationNucleusRTOS簡介（2）vOSE瑞典Enea公司出品支持復(fù)雜的分布式系統(tǒng)極強(qiáng)的處理能力強(qiáng)大的糾錯(cuò)能力支持軟硬件熱交換嚴(yán)格的安全認(rèn)證強(qiáng)大的第三方支持先進(jìn)的消息傳遞機(jī)制富有特色的鏈接管理（Link Handler）支持絕大多數(shù)嵌入式微處理器，包括ARM嵌入式系統(tǒng)的測試（1）v嵌入式技術(shù)的發(fā)展催生了很多新技術(shù)，新技術(shù)帶來了一系列新的問題：新技術(shù)IC設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜引腳封裝小型化引腳數(shù)量急劇增加PCB走線越來越細(xì)可編程部件在線編程新市場縮小產(chǎn)品尺寸增加

18、產(chǎn)品功能提高時(shí)鐘速率縮短產(chǎn)品上市時(shí)間“老革命遇上新問題”PCB兩面焊，埋入式過孔和走線缺少物理入口，象SMT和BGA引腳測試非常困難測試夾具難以測試原型組件小尺寸PCB無法預(yù)留測試點(diǎn)許多CPLD和FLASH無法使 用插座編程每選一新的可編程器件，工 程師就要學(xué)新的編程方法DQQBed-of-Nails Test FixtureBoard-Under-Test嵌入式系統(tǒng)的測試（2）v傳統(tǒng)測試/調(diào)試方法嵌入式系統(tǒng)的測試（3）v新技術(shù)，新方法使用邊界掃描測試技術(shù)可以有效地解決這些問題！邊界掃描來源于IEEE Std 1149.1,是由聯(lián)合測試行動小組（Joint Test Action Group)

19、制定的一種測試邏輯，所以又稱JTAG標(biāo)準(zhǔn)。JTAG作為集成電路的一部分，可以完成以下功能： 測試器件間的相互連線； 測試集成電路本身； 在線編程CPLD、FPGA、FLASH； JTAG仿真調(diào)試vCorelis公司的ScanPlus邊界掃描測試儀嵌入式系統(tǒng)的測試（4）ScanPLUS邊界掃描測試儀邊界掃描測試儀u美國Corelis出品u由硬件和軟件兩部分組成嵌入式系統(tǒng)的測試（5）ScanPLUS的組成的組成軟件軟件 ScanPlus Runner：檢測執(zhí)行、控制JTAG 控制器 進(jìn)行檢測工作的控制部分； ScanPlus TPG：產(chǎn)生線路檢測文件； ScanPlus ADO：高級診斷部分； S

20、canPlus Debugger：可以對線路板故障部分進(jìn) 行在線細(xì)化、逐步和定制的測試，以找 出故障原因，并提供詳細(xì)的真值表； ScanPlus Merge： 可以進(jìn)行整合測試，可以對母 板及其帶有的多塊子板進(jìn)行整合測試， 以節(jié)省測試時(shí)間和手續(xù)；嵌入式系統(tǒng)的測試（6）ScanPLUS的組成的組成軟件軟件 ScanPlus Runner：可以進(jìn)行CPLD的在線編程； ScanPlus Flash Generator：Flash在線編程數(shù)據(jù)文件 的產(chǎn)生部分； ScanPlus Flash Programmer：Flash在線編程執(zhí)行部分 嵌入式系統(tǒng)的測試（7）ScanPLUS的組成的組成硬件硬件J

21、TAG Controller：JTAG 控制器控制器u功能：將功能：將ScanPlus Runner生成的檢測序列按生成的檢測序列按照與計(jì)算機(jī)的連接協(xié)議轉(zhuǎn)化成照與計(jì)算機(jī)的連接協(xié)議轉(zhuǎn)化成JTAG檢測數(shù)據(jù)檢測數(shù)據(jù)鏈，通過鏈，通過JTAG連接線傳送給目標(biāo)板。連接線傳送給目標(biāo)板。嵌入式系統(tǒng)的測試（8）vScanPLUS工作原理ISP 模塊ISP 模塊（CPLD、FPGA、Flash)（CPLD、FPGA、Flash)TPG模塊TPG模塊Runner+ADORunner+ADO模塊模塊JTAG 控制JTAG 控制模塊模塊SCANIOSCANIO模塊模塊被測對象被測對象檢測數(shù)據(jù)鏈檢測數(shù)據(jù)鏈結(jié)果報(bào)告結(jié)果報(bào)告

22、程序代碼程序代碼網(wǎng)絡(luò)表網(wǎng)絡(luò)表結(jié)構(gòu)表結(jié)構(gòu)表器件型號器件型號BSDL文件BSDL文件網(wǎng)絡(luò)表網(wǎng)絡(luò)表結(jié)構(gòu)表結(jié)構(gòu)表組信息組信息存儲器、FIFO 信息存儲器、FIFO 信息BSDL文件BSDL文件SOC與ARM（1）vSOC概念SOC=System On Chip，即在片系統(tǒng)，或系統(tǒng)集成芯片SOC就是在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。這一技術(shù)的得以實(shí)現(xiàn)主要是由于現(xiàn)今EDA 技術(shù)的推廣，VLSI設(shè)計(jì)的普及化，以及新的設(shè)計(jì)理念(基于基于IP的設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì))的誕生。SOC與ARM（2）vSOC實(shí)現(xiàn)通常是采用基于IP的設(shè)計(jì)方法v用戶首先定義出整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)v通過調(diào)用IP或現(xiàn)成的 VLSI 設(shè)計(jì)庫中的器件，在計(jì)算機(jī)中模擬實(shí)現(xiàn)v仿真調(diào)試v將設(shè)計(jì)圖交給半導(dǎo)體工廠制作樣品。除個(gè)別無法集成的器件