基于BIOS的嵌入式系统数据通讯开发毕业设计.docx
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基于BIOS的嵌入式系统数据通讯开发毕业设计
毕业设计(论文)
(2008届)
题目:
基于BIOS的嵌入式系统数据通讯开发
学院:
电气与自动化工程学院
专业:
电气工程及其自动化
姓名:
学号:
指导教师:
摘要:
随着嵌入式设备与Internet的广泛结合,手机、PDA、路由器和调制解调器等复杂的高端应用对嵌入式处理器的性能提出了更高的要求。
虽然以8位单片机为核心的嵌入式技术不断发展,性能也不断提高,但由于其性能的局限性,已无法满足未来高性能嵌入式的发展需求。
高端32位CPU价格的不断下降和开发环境的成熟,促使32位嵌入式处理器日益挤压原先由8位微控制器主导的应用空间。
随着ARM处理器在全球范围的流行,32位的RISC嵌入式处理器已经开始成为高中端嵌入式应用和设计的主流。
ARM32位体系结构目前被公认为是嵌入式应用领域领先的32位嵌入式RISC微处理器结构。
本课题在认真学习和了解ARM应用系统及其指令系统、开发流程和工作原理的基础上,实现ARM与PC机的串口通讯功能。
实现手段:
以ARM7TDMI为内核的S3C44B0开发板上,在ADS开发环境下,电脑通过串口与开发板相连进行调试,实现上述功能。
最后效果:
基本的串口通信,并在此基础上完成了一个拼音输入法的小应用。
关键字:
嵌入式,ARM,ADS,串口,通讯,中断
Abstract:
Thecomplexandhigh-volumeapplicationoftheequipmentsjustlikemobilephone,PDA,routerandmodem,etc,bringforwardhigherrequestonthecapabilityoftheembeddedprocessorwiththedevelopmentofthebroadcombinationoftheembeddedequipmentandtheInternet.8-bitssingleboardprocessorcannotmeetthehighrequirementsoftheperformancealongwiththedevelopmentoftheembeddedtechnologyonaccountofitslimitation,althoughthedevelopmentoftheembeddedtechnologythatbasedonitkeepsondevelopinganditscapabilityisalsoimproving.
32-bitsembeddedprocessorsincreasinglypushagainstthedomainsofapplicationthatthe8-bitsmicroprocessorsdominateinbythedescendingofthepriceandthematureofthedevelopenvironmentofthehigh-volume32-bitsCPU.AsthepopularityofARMprocessorintheglobalrange,ithasbecomeadominantoneinthehigh-volumeembeddedapplicationsanddesignsthatbasedonthe32-bitsRISCembeddedprocessor.
Atpresent,32-bitsARMstructurehasbeenrecognizedastheleading32-bitsembeddedRISCmicroprocessorintheembeddedapplicationarea.ThistaskcanachieveaneffectivegoalthatUARTcouldcommunicatewithPC,basedonwhichanapplicationisdevelopedthatuserscaninputphoneticwritinginPCandthenthroughwithcommunicationwiththeARM,itgivesbackacorrespondingChinesecharacter.
Finaleffects:
thePCcouldcommunicatewithARM;userscouldinputcharactersandPCwouldtransmitittoARMandthenreceivedatafromARM.InapplicationmodephoneticwritingthatformsusersinputwillturnintoChinesecharacterswhichwouldbesentbackanddisplayedinthewindow.
Keywords:
Embedded、ARM、ADS、UART、Communication、Interrupt
第1章绪论
第1.1节嵌入式发展现状
嵌入式系统无疑是当前最热门最有发展前途的IT应用领域之一。
由于IT技术发展的推动,32位ARM体系结构已经成为一种事实上的标准,随着高端32位CPU价格的不断下降和开发环境的成熟,促使32位嵌入式处理器日益挤压原先由8位微控制器主导的应用空间。
随着ARM处理器在全球范围的流行,32位的RISC嵌入式处理器已经开始成为高中端嵌入式应用和设计的主流。
以8位单片机(或微控制器,MCU)为核心的嵌入式系统早已广泛应用于各个领域,这些应用大多数还处于单机使用的嵌入式低层次阶段。
其特点是以MCU为核心,与一些简单的传感器及监测、伺服控制、指示和显示等设备配合,实现一定的测量、显示、信息处理及控制等功能。
目前,Internet已成为社会重要的基础信息设施,是信息流通的重要渠道。
嵌入式系统必将与Internet完美融合,方便、低廉地将信息传送到世界上任何一个地方。
虽然以8位单片机为核心的嵌入式技术不断发展,性能也不断提高,但由于其性能的局限性,已无法满足未来高性能嵌入式的发展需求。
激烈的市场和技术竞争要求不断提高嵌入式系统的性价比;同时,也要求缩短嵌入式系统的开发周期。
自从20世纪70年代初出现嵌入式系统的概念以来,嵌入式系统以其高性能、低功耗等特点高速发展。
当时的嵌入式系统很多都不采用操作系统,它们只是为了实现某个控制功能,使用简单的循环控制来对外界的控制请求进行处理。
随着嵌入式系统的发展,当应用系统越来越复杂、使用范围越来越广泛时,每增加一项新的应用功能,都可能需要从头开始设计系统软件,没有操作系统已成为其最大缺陷。
但目前在8位单片机上运行嵌入式操作系统尚有一定困难,因此,以32位处理器作为高性能嵌入式系统开发的核心已是嵌入式技术发展的必然趋势。
20世纪90年代后,嵌入式系统设计从以嵌入式微处理器/DSP为核心的“集成电路”级设计,逐渐转向“集成系统”级设计,提出了SoC(SystemonaChip)的基本概念。
目前,嵌入式系统已进入以SoC为核心的设计阶段,并开始逐步实用化和规范化。
SoC为高性能嵌入式系统开发提供了功能丰富的硬件平台,也为实时嵌入式操作系统的广泛使用提供了硬件基础。
从20世纪80年代开始,陆续出现了一些嵌入式操作系统,比较著名的有VxWorks、WindowsCE、Palm、μCLinux、pSOS和μC/OS-Ⅱ等,但真正广泛使用只是近几年的事情。
一方面是因为嵌入式系统软件开发复杂度增加的需求;另一方面是大量高性能、面向实际应用、集成多种系统功能的SoC芯片成为高端嵌入式应用的硬件核心,为可靠、高效、低成本地运行嵌入式操作系统提供了硬件平台。
大部分嵌入式操作系统价格昂贵,而源代码开放的μC/OS-Ⅱ、μCLinux是大家比较看好的。
嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低和可靠性高的优点,是嵌入式系统的核心。
目前比较有影响的32位微处理器有ARM公司的ARM、Compaq公司的Alpha、HP公司的PA-RISC、IBM公司的PowerPC、MIPS公司的MIPS和Sun公司的Sparc等。
而ARM处理器具有高性能、低功耗和低成本等显著优点,已成为高性能、低功耗嵌入式微处理器的代名词,是目前32位、64位嵌入式处理器中最为广泛的一个系列。
进入20世纪90年代,嵌入式技术全面展开,目前已成为通信和消费类产品的共同发展方向。
在通信领域,数字技术正在全面取代模拟技术。
在广播电视领域,美国已开始由模拟电视向数字电视转变,欧洲的DVB(数字电视广播)技术已在全球大多数国家推广。
数字音频广播(DAB)也已进入商品化试播阶段。
而软件、集成电路和新型元器件在产业发展中的作用日益重要。
所有上述产品中,都离不开嵌入式系统技术。
在个人领域中,嵌入式产品将主要是作为个人移动的数据处理和通信软件。
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以很大的亲和力。
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,应用范围也将日益广阔。
对于企业专用解决方案,如物流管理、条形码扫描、移动信息采集等,这种小型手持式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,和移动通信设备、GPS、娱乐相结合,嵌入式系统同样可以发挥巨大的作用。
第1.2节本设计的主要内容
本课题以32位微处理器S3C44B0X为核心,使用ADS开发平台实现基于BIOS的嵌入式系统的数据以串口方式与微机进行通讯的功能。
为了完成本设计需要做的工作如下:
学习和了解ARM应用系统,熟悉S3C44BOX开发板,熟悉其指令系统、开发流程和工作原理。
复习C语言及VB语言的编程;学习ADS开发平台,使用该平台完成开发板上ARM的编程。
使用VB编程实现ARM与PC交互界面。
编程实现设计任务并对程序进行调试。
第2章概述
第2.1节嵌入式系统的定义
广义地讲,凡是不用于通用目的的可编程计算机设备,就可以算是嵌入式计算机系统。
举例来说,个人计算机(PC)不是一种嵌入式系统,因为它是用于通用目的的系统。
而一些电话系统就是采用个人计算机技术建立的嵌入式计算机系统,最典型的嵌入式系统如手机、可视电话等;另外还有一些嵌入式系统采用特殊的微处理器,如传真机、打印机等。
狭义上而言,嵌入式系统是指以应用为核心,以计算机技术为基础,软硬件可裁剪,适于应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗严格要求的专用计算机系统。
第2.2节ARM概述
目前,在嵌入式领域中广泛应用的是ARM(AdvancedRISCMachines)系列微处理器,其采用的ARM技术知识产权(IP)核都是由ARM公司提供的。
ARM(AdvancedRISCMachinesLimited,简称ARMLimited)公司成立于1990年,作为嵌入式RISC处理器的知识产权IP供应商,公司本身不生产芯片,靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片。
ARM处理器核因其卓越的性能和显著优点,已成为高性能、低功耗、低成本嵌入式处理器核的代名词,得到了众多半导体厂商和整机厂商的大力支持。
世界上几乎所有的半导体公司都获得了ARM公司的授权,并结合自身的产品发展,开发出具有自己特色的、基于ARM核的嵌入式SoC系统芯片。
ARM处理器已经占据了绝大部分32位、64位高端嵌入式处理器的市场,形成了移动通信、手持计算、多媒体数字消费等嵌入式解决方案事实上的标准。
优良的性能和广泛的市场定位也极大地增加和丰富了ARM的资源,加速了基于ARM处理器面向各种应用的系统芯片的开发和发展,使得ARM技术获得更加广泛地应用,确立了ARM技术和市场的领先地位。
ARM32位体系结构目前被公认为是嵌入式应用领域领先的32位嵌入式RISC微处理器结构。
自诞生至今,ARM体系结构发展并定义了6种不同的版本。
从版本1到版本6,ARM体系的指令集功能不断扩大。
ARM处理器系列中的各种处理器,虽然在实现技术、应用场合和性能方面都不相同,但只要支持相同的ARM体系版本,基于它们的应用软件将是兼容的。
ARM处理器目前包括下面几个系列,以及其他厂商基于ARM体系结构的处理器,除了具有ARM体系结构的共同特点以外,每一个系列的ARM微处理器都有各自的特点和应用领域。
包括ARM7系列,ARM9系列,ARM9E系列,ARM10E系列,SecurCore系列,Intel的StrongARM,Intel的Xscale。
其中,ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10为4个通用处理器系列,每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。
SecurCore系列专门为安全要求高的应用而设计。
ARM7系列微处理器为低功耗的32位RISC处理器,最适合用于对价位和功耗要求较高的消费者应用。
ARM7微处理器系列具有如下特点:
具有嵌入式ICE-RT逻辑,调试开发方便。
极低的功耗,适合对功耗要求较高的应用,如便携式产品。
能够提供0.9MIPS/MHz的3级流水线结构。
代码密度高并兼容16位的Thumb指令集。
对操作系统的支持广泛,包括WindowsCE、Linux、PalmOS等。
指令系统与ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容,便于用户的产品升级换代。
主频最高可达130MIPS,高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用。
ARM7系列微处理器包括如下几种类型的内核:
ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。
其中,ARM7TDMI是目前使用最广泛的32位嵌入式RISC处理器,属低端ARM处理器。
TDMI的基本含义如下所述。
T:
支持16位压缩指令集Thumb。
D:
支持片上Debug。
M:
内嵌硬件乘法器(Multiplier)。
I:
嵌入式ICE,支持片上断点和调试点。
第2.3节开发流程及开发环境简介
2.3.1嵌入式系统开发流程
A.系统定义与需求分析
确定系统开发最终需要达到的总目标、系统实现的可行性、系统开发所采取的策略,估计系统完成所需的资源和成本,制定工程进度安排计划。
需求分析应确定目标系统要具备哪些功能(即必须完成什么)。
用户了解他们在实际应用中所面对的是什么问题,也知道必须要做什么,但是通常不一定能完整、准确地表达出他们的需求,更不知道怎样利用计算机去实现他们需要的功能。
需求分析就是要求密切配合用户,经过充分的交流和考察,得出经过用户确认的、明确的系统实现逻辑模型,以便使设计人员能够确定最终的设计目标。
由此确定的系统逻辑模型是以后设计和实现的目标系统的基础,必须能够准确、完整地体现出用户的要求。
B.系统设计方案的初步确立
包括系统设计的初步说明文档、设计方案和设计描述文档,具体包括以下文档:
系统总体设计、系统功能划分与软硬件协同设计、处理器选择与基本接口器件选择、操作系统选择和开发环境选择。
这些文档的确立要使用系统流程图或其他工具,描述每一种可能的系统组成,估计每一种方案的成本和效益,在充分权衡各种方案利弊的基础上,选择一个较好的系统方案,并且制定出该系统的详细计划。
C.初步设计方案性价比评估与方案评审论证
在系统开始软硬件具体设计之前,需要最后确定设计方案与用户需求之间的合理性,并对设计方案的正确性、无歧义性、安全性、可验证性、可理解性、可修改性等多个方面进行综合评价,以确定是否进入下一步的实际实施阶段。
D.完善初步方案及初步方案的实施
本阶段是整个设计过程中最基本的一个环节,它决定了以后软硬件设计的方向与各自完成的目标,通常需要反复比较和权衡利弊才能最后决定。
划分的结果对软硬件的设计工作量往往有很大的影响,特别是影响软件的设计与实现,而且对系统的性能和成本有着较大的影响。
划分完系统的软硬件结构之后,就可同时开始系统的软硬件设计与系统方案的实施。
E.软硬件集成测试
将测试完成的软件系统装入制作好的硬件系统中,进行系统的综合测试,验证系统功能是否能被正确无误地实现。
本阶段的工作在整个开发过程中最复杂、最费时,特别需要相应的辅助工具支持,才能确保系统的正常稳定运行。
F.系统性能测试及可靠性测试
测试最终完成的系统性能是否满足设计任务书的各项性能指标和要求。
若满足,则可将正确无误的软件固化在目标硬件中;若不能满足,则需要回到设计的初始阶段重新进行系统设计方案的制定。
2.3.2ADS开发环境简介
ARMADS全称为ARMDeveloperSuite。
是ARM公司退出的新一代ARM集成开发工具。
现在ADS的最新版本是1.2,它取代了早期的ADS1.1和ADS1.0。
它除了可以安装在WindowsNT4,Windows2000,Windows98和Windows95操作系统下,还支持WindowsXP和WindowsMe操作系统。
ARM开发的流程简介:
第一步,首先进入ADS的CodeWarriorforARM,建立新的项目文件。
总共有7种工程类型可供选择,根据需要的目标文件选择不同的工程类型。
建立好一个工程文件后就可以新建文件编写源程序或者添加源程序文件。
完成源程序的编写后,就要对程序进行编译和链接。
在菜单Edit里选择“DebugRelSettings...”出现对话框,可以对用户要使用的链接器,汇编器,输出文件类型和路径等等进行设置。
对工程设置完成之后点击CodeWarriorIDE的菜单Project下的make菜单,就可以对工程进行编译和链接了。
编译完成后,如果源程序无语法错误,则会输出相应的输出文件,如果有错,警告和错误都会以窗口形式列出,以便用户修改,同时CodeWarrior具有全面的项目管理功能和子函数代码导航功能,使用户能够迅速找到程序中的子函数。
第二步,将ADS编译获得的文件(二进制或十六进制文件)写入嵌入式系统,进行在线调试。
本设计使用一个第三方软件DNW.EXE通过串口将文件写入ARM。
在线调试若出现问题,再反馈到CodeWarrior进行源程序的修改,直至完成设计。
2.3.3S3C44B0X功能及结构框图
A.S3C44B0X片上的主要功能
SamsungS3C44B0X微处理器片内集成ARM7TDMI核,采用0.25μmCMOS工艺制造,并在ARM7TDMI核基本功能的基础上集成了丰富的外围功能模块,便于低成本设计嵌入式应用系统。
片上集成的主要功能如下:
在ARM7TDMI基础上增加8KB的Cache;
外部扩充存储器控制器(FP/EDO/SDRAM控制,片选逻辑);
LCD控制器(最大支持256色的DSTN),并带有一个LCD专用DMA通道;
2个通用DMA通道/2个带外部请求引脚的DMA通道;
2个带有握手协议的UART,1个SIO;
1个多主的I2C总线控制器;
1个IIS总线控制器;
5个PWM定时器及1个内部定时器;
看门狗定时器;
71个通用可编程I/O口,8个外部中断源;
功耗控制模式:
正常、低、休眠和停止;
8路10位ADC;
具有日历功能的RTC(实时时钟);
PLL时钟发生器。
B.S3C44B0X功能结构框图
图2-1S3C44B0X功能结构框图
第3章PC机与ARM通讯设计
第3.1节PC机上基于VB的串口通讯
3.1.1PC机RS232简介
RS232接口就是串口,电脑机箱后方的9芯插座,旁边一般有"|O|O|"样标识。
一般机箱有两个,新机箱有可能只有一个。
笔记本电脑有可能没有。
目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。
RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。
RS-232采取不平衡传输方式,即所谓单端通讯。
收、发端的数据信号是相对于信号地,典型的RS-232信号在正负电平之间摆动,在发送数据时,发送端驱动器输出正电平在+5~+15V,负电平在-5~-15V电平。
当无数据传输时,线上为TTL,从开始传送数据到结束,线上电平从TTL电平到RS-232电平再返回TTL电平。
接收器典型的工作电平在+3~+12V与-3~-12V。
由于发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右,所以其共模抑制能力差,再加上双绞线上的分布电容,其传送距离最大为约15米,最高速率为20kb/s。
RS-232是为点对点(即只用一对收、发设备)通讯而设计的,其驱动器负载为3~7kΩ。
RS-232-C:
RS-232-C是美国电子工业协会EIA(ElectronicIndustryAssociation)制定的一种串行物理接口标准。
RS是英文“推荐标准”的缩写,232为标识号,C表示修改次数。
RS-232-C总线标准设有25条信号线,包括一个主通道和一个辅助通道。
在多数情况下主要使用主通道,对于一般双工通信,仅需几条信号线就可实现,如一条发送线、一条接收线及一条地线。
RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。
RS-232-C标准规定,驱动器允许有2500pF的电容负载,通信距离将受此电容限制,例如,采用150pF/m的通信电缆时,最大通信距离为15m;若每米电缆的电容量减小,通信距离可以增加。
传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送,存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题,因此一般用于20m以内的通信。
串行通信接口标准经过使用和发展,目前已经有几种。
但都是在RS-232标准的基础上经过改进而形成的。
所以,以RS-232C为主来讨论。
RS-323C标准是美国EIA(电子工业联合会)与BELL等公司一起开发的1969年公布的通信协议。
它适合于数据传输速率在0~20000b/s范围内的通信。
这个标准对串行通信接口的有关问题,如信号线功能、电器特性都作了明确规定。
由于通行设备厂商都生产与RS-232C制式兼容的通信设备,因此,它作为一种标准,目前已在微机通信接口中广泛采用。
3.1.2VB通讯界面的设计
在PC机通讯界面设计方面,本设计选择了VB作为编程语言,因为VB采用了面向对象的程序设计思想。
它的基本思路是把复杂的程序设计问题分解为一个个能够完成独立功能的相对简单的对象集合,所谓“对象”就是一个可操作的实体,如窗体、窗体中的命令按钮、标签、文本框等。
面向对象的编程就好像搭积木一样,程序员可根据程序和界面设计要求,直接在屏幕上“画"出窗口、菜单、按钮等不同类型的对象,并为每个对象设置属性。
而且在Windows环境下,程序是以事件驱动方式运行的,每个对象都能响应多个不同的事件,每个事件都能驱动一段代码——事件过程,该代码决定了对象的功能。
通常称这种机制为事件驱动。
事件可由用户的操作触发,也可以由系统或应用程序触发。
例如,单击一个命令按钮,就触发了按钮的Click(单击)事件,该事件中的代码就会被执行。
若用户未进行任何操作(未触发事件),则程序就处于等待状态。
整个应用程序就是由彼此独立的事件过程构成。
最终VB界面设计如图:
图3-1VB设计的通讯界面图
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