ARM 嵌入式处理器在智能仪器中的应用
随着微型计算机技术的发展，嵌入式系统作为微型计算机应用的一个重要领域已深入到社会的方方面面。16位和32位嵌入式微处理器逐渐成为嵌入式系统设计的主流。传统的程序是基于单任务机制的,各个模块构成一个整体,当作为一个任务在实际应用中运行时,这种程序的安全性差、效率低。而嵌入式操作系统的实时性、可移植、内核小型化、可裁剪四大特点却使软件开发更容易、效率更高。所以广泛应用于智能仪器中。
一、设计要求
设计一种基于ARM 嵌入式处理器系统的智能仪器的硬件和软件设计方案, 并结合uc/o s2II或者 Linux嵌入式实时操作系统, 给出一套完整的任务调度和管理的方法, 最后用实例说明。
二、设计的作用和目的
信号发生器、频谱分析仪、数字示波器等电子仪器是科研人员进行科学研究及试验的重要工
具。考虑到科研人员在室外、尤其是野外，测量分析条件的不便，设计了一台低功耗、多用途的便携式智能仪器，它具有产生正弦和方波信号、最大4通道信号采集、对采集的数据进行图形显示和频谱分析，以及可通过USB接口与PC机进行通讯的功能。
仪器基于ARM嵌入式处理器来设计，逻辑上，采用硬件层、系统层、应用层三层次的设计方案，其中系统层和应用层构成仪器系统的软件部分。根据 IEEE 的定义，嵌入式系统是用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置。从广义上说，也指以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适应应用系统且对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统以嵌入式处理器为核心，如微控制器（MCU）、数字信号处理器（DSP）、片上系统（SOC）、可编程片上系统（SPOC）。ARM是英国ARM公司设计的通用32位RISC 微处理器体系结构，目前，基于ARM的SOC以微型化、低功耗、高性能的设计目标几乎占据了嵌入式处理器的半壁江山。
三、设计所用设备及软件
系统设计所用设备如表1所示：
表1  系统设计所用设备
设备
类型
微处理器
三星 S3C44B0X 芯片
程序存储器
SST39VF160 Flash ROM
内存
HY57V641620 SDRAM
液晶显示屏
640*480 分辨率单全反射 LCD
信号发生器
AD9850芯片
系统层
µClinux 操作系统
3.1  ARM简介
ARM是微处理器行业的一家知名企业，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、成本低和能耗省的特点。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处理器的三大特点是：耗电少功能强、16位/32位双指令集和众多合作伙伴。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。
ARM应用软件的开发工具根据功能的不同，分别有编译软件、汇编软件、链接软件、调试软件、嵌入式实时操作系统、函数库、评估板、JTAG仿真器、在线仿真器等，目前世界上约有四十多家公司提供以上不同类别的产品。用户选用ARM处理器开发嵌入式系统时，选择合适的开发工具可以加快开发进度，节省开发成本因此一套含有编辑软件、编译软件、汇编软件、链接软件、调试软件、工程管理及函数库的集成开发环境（IDE）一般来说是必
不可少的，至于嵌入式实时操作系统、评估板等其他开发工具则可以根据应用软件规模和开发计划选用。
使用集成开发环境开发基于ARM的应用软件，包括编辑、编译、汇编、链接等工作全部在PC机上即可完成，调试工作则需要配合其他的模块或产品方可完成。
嵌入式系统通常是以具体应用为中心，以处理器为核心且面向实际应用的软硬件系统，其硬件整个嵌入式系统运行的基础和平台，提供了软件运行所需的物理平台和通信接口；而嵌入式系统的软件一般包括操作系统和应用软件，它们是整个系统的控制核心，提供机交互的信息等。所以，嵌入式系统的开发通常包括硬件和软件两部分的开发，硬件部分主要包括选择合适的MCU 或者SOC器件、存储器类型、通讯接口及I/O、电源及其他的辅助设备等；软件部分主要涉及OS porting 和应用程序的开发等，与此同时，软件中断调试和实时调试，代码的优化、可移植性、可重用以及软件固化等也是嵌入式软件开发的关键。
ARM对操作系统以及系统开发执行环境提供最广泛的选择，客户可以根据需要来选择最适应市场要求的基于ARM 的嵌入式操作系统。可供选择的嵌入式操作系统有几十种，使用较多的有Linux,WinCE,Palm,Symbian 等等。采用WinCE 更多的是OEM，以及按需进行特定
的嵌入式器件开发的，例如GPS 导航设备。采用Palm 操作系统的厂家有联想三星索尼，他们的出货量都非常巨大。Symbia操作系统是先进的全球公开工业标准操作系统，基于Symbian操作系统的手机有：BenQ，DoCoMo，Motorola，Nokia，Panasonic，三星，索尼爱立信等。Linux是源代码开放的操作系统，可以运行在包括ARM 等多种主流处理器架构上。由于有一大批的工程师在开发开放源代码以及相关开发工具，Linux 可以更方便快捷的进行移植。以Linux为例，选择基于ARM的Linux，可以得到更多的开发源代码的应用，可以利用ARM处理器的高性能开发出更广阔的网络和无线应用，ARM的Jazelle技术带来Linux 平台下Java程序更好的性能表现。ARM公司的系列开发工具和开发板，以及各种开发论坛的可利用信息带来更快的产品上市时间。linux内核设计与实现 pdf
3.2  AD9850芯片简介
AD9850是由美国ADI公司推出的高集成度频率合成芯片系列中典型产品之一，AD9850采用先进的CMOS技术的直接频率合成器，主要由可编程DDS系统、高性能模数变换器(ADC)和高速比较器3部分构成。本文利用它产生正弦波和方波。在工作频率为125MHz的情况下，通过接收32位的频率控制字可输出频率分辨率为0.029、1Hz的波形，且正弦波的
输出频率范围是0.1Hz～40MHz，幅值范围为0.2～1V。AD9850内含的可编程DDS系统和高速比较器，能实现全数字编程控制的频率合成。可编程DDS系统的核心是相位累加器，它由一个加法器和一个N位相位寄存器组成，N一般为24～32。每来一个外部参考时钟，相位寄存器便以步长M递加。相位寄存器的输出与相位控制字相加后可输入到正弦查询表地址上。正弦查询表包含一个正弦波周期的数字幅度信息，每一个地址对应正弦波中0°～360°范围的一个相位点。查询表把输入地址的相位信息映射成正弦波幅度信号，然后驱动数模转换器(DAC)以输出模拟量。

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