基于ARM的嵌入式系统移植设计
|
摘要
随着计算机技术、通信技术以及Internet的不断发展，嵌入式系统己经广泛地渗透到科学研究、工程设计、军事技术、各类产业和商业文化艺术以及人们的日常生活等方方面面中。在医疗仪器领域嵌入式技术也得到了广泛的应用，它以其自身高性能、低成本、低功耗的特点在心电的实时采集和处理中发挥了巨大的作用。
本文首先论述了课题研究的意义，接着介绍了本文采用的关键性技术：嵌入式技术和基于ARM处理器的Linux移植。系统的阐述了嵌入式系统的基本概念、特点、嵌入式操作系统、嵌入式微处理器、ARM处理器以及现代嵌入式系统的应用领域以及现代数据采集系统的特点、基本构成、微弱信号的检测技术。
ARM体系结构和Linux系统的移植是本文研究的重点。首先概述了嵌入式微处理器的分类，重点介绍了ARM处理器的种类及其产品；然后详细探讨了S3C2410微处理芯片的内核、处理器模式、寄存器组、存储系统、寻址方式以及中断模式等。软件设计和移植与硬件平台不可分割，共同组成嵌入式系统。带有Linux操作系统的嵌入式系统软件包括引导程序、嵌入式操作系统、文件系统和应用程序几个部分。本文系统讲述了如何在硬件平台上开发这些嵌入式软件，包括Cygwin交叉编译环境的建立、对开发主机进行NFS，TFTP服务及串口通信程序配置，启动程序的实现、内核的裁剪、移植根文件系统以及应用程序的编译运行，并详细介绍移植这些代码的过程。
With the development of computer technology, communication technology and the in-depth application of the Internet, embedded systems are widely applied to many fields including science research, engineering design, military technology, industry and commerce. Embedded technology is also obtained the widespread application in the medical instrument field, by its own high performance, low cost, low power lost, embedded technology has played the huge role in ECG real-time data acquisition and processing.
At the first of this paper, the significance of this subject study is discussed. And then, the key technologies, embedded technology and data acquisition technology are introduced. The basic conception and the characteristic of embedded system, the operating system of embedded system, the microprocessors of embedded system, ARM microprocessors and the application fields of modern embedded system, the characteristic and the constituents of modern data acquisition system, the measuring technology of weak signal are systematically expounded.
ARM architecture and Linux porting research is deeply studied. The types of embedded microprocessor are summarized at first, with the types and productions of ARM microprocessor. Then the chip of AT91RM9200 is introduced, including the core of the microprocessor, the mode of the processor, registers, memory system, the mode of addressing and interrupt. Designing and transplanting the embedded software and the hardware platform are inalienable, they constitute the embedded system corporately. The software of embedded system with embedded operating system includes bootloader, embedded operating system, file system and application. In this paper I declare how to develop and transplant the software above, include building the cross complier—Cygwin, configuring the NFS server, TFTP server and the serial communication program on the host PC, writing the starting code, modifying and configuring of the kernel, realizing the root system, translation and executing application program. Then introduce these codes during the porting process in detail.
本文首先论述了课题研究的意义，接着介绍了本文采用的关键性技术：嵌入式技术和基于ARM处理器的Linux移植。系统的阐述了嵌入式系统的基本概念、特点、嵌入式操作系统、嵌入式微处理器、ARM处理器以及现代嵌入式系统的应用领域以及现代数据采集系统的特点、基本构成、微弱信号的检测技术。
ARM体系结构和Linux系统的移植是本文研究的重点。首先概述了嵌入式微处理器的分类，重点介绍了ARM处理器的种类及其产品；然后详细探讨了S3C2410微处理芯片的内核、处理器模式、寄存器组、存储系统、寻址方式以及中断模式等。软件设计和移植与硬件平台不可分割，共同组成嵌入式系统。带有Linux操作系统的嵌入式系统软件包括引导程序、嵌入式操作系统、文件系统和应用程序几个部分。本文系统讲述了如何在硬件平台上开发这些嵌入式软件，包括Cygwin交叉编译环境的建立、对开发主机进行NFS，TFTP服务及串口通信程序配置，启动程序的实现、内核的裁剪、移植根文件系统以及应用程序的编译运行，并详细介绍移植这些代码的过程。
With the development of computer technology, communication technology and the in-depth application of the Internet, embedded systems are widely applied to many fields including science research, engineering design, military technology, industry and commerce. Embedded technology is also obtained the widespread application in the medical instrument field, by its own high performance, low cost, low power lost, embedded technology has played the huge role in ECG real-time data acquisition and processing.
At the first of this paper, the significance of this subject study is discussed. And then, the key technologies, embedded technology and data acquisition technology are introduced. The basic conception and the characteristic of embedded system, the operating system of embedded system, the microprocessors of embedded system, ARM microprocessors and the application fields of modern embedded system, the characteristic and the constituents of modern data acquisition system, the measuring technology of weak signal are systematically expounded.
ARM architecture and Linux porting research is deeply studied. The types of embedded microprocessor are summarized at first, with the types and productions of ARM microprocessor. Then the chip of AT91RM9200 is introduced, including the core of the microprocessor, the mode of the processor, registers, memory system, the mode of addressing and interrupt. Designing and transplanting the embedded software and the hardware platform are inalienable, they constitute the embedded system corporately. The software of embedded system with embedded operating system includes bootloader, embedded operating system, file system and application. In this paper I declare how to develop and transplant the software above, include building the cross complier—Cygwin, configuring the NFS server, TFTP server and the serial communication program on the host PC, writing the starting code, modifying and configuring of the kernel, realizing the root system, translation and executing application program. Then introduce these codes during the porting process in detail.
引文
1．罗湘建．方兴未艾的生物医学工程学．湖南医科大学学报(社会科学版)．2005(3)
2．蔡建新，张唯真．生物医学电子学．北京：北京大学出版社．1997．
3．王成，刘金刚．基于Linux的嵌入式操作系统的研究现状及发展展望．微型机与应用．2005年．第5期．4～6页
4．王保华．心电技术面向未来—纪念心电图机发明100周年．中国医疗器械杂志．2003，27(6)．390～391
5．马忠梅，徐英慧，叶勇建，林明．AT91系列ARM核微控制器结构与开发．北京：北京航空航天大学出版社．2003．
6．孙天泽，袁文菊，张海峰．嵌入式设计及Linux驱动开发指南——基于ARM9处理器．北京：电子工业出版社．2005．
7．屈浩然，李风华，谷建华．一种嵌入式实时Linux系统设计与实现．计算机工程与应用．2004年2月．119～121页
8．张小月，宋志光，胡宗福．基于Linux Red Hat 7.3平台下的设计与实现．计算机与现代化．2004年．第4期．2～3页
9．涂刚，阳富民，胡贯荣．嵌入式操作系统综述．计算机应用研究．2000年．第11期．第4页
10．沈可．使用嵌入式linux操作系统进行软件开发的特点及优势．电脑开发与应用．2001年．第14卷第7期，13页
11．http://www.zjlinux.gov.cn/bbs/read.php?tid=242，嵌入式Linux：挑战与发展共存
12．Phil Cornes著．Linux从入门到精通．北京．电子工业出版社．1998年
13．田泽编著．嵌入式系统开发与应用．北京：北京航空航天大学出版社，2005．
14．Steve Furber著，田泽等译．ARM SoC体系结构．北京：北京航空航天大学出版社．2002．
15．杜春雷编著．ARM体系结构与编程．北京：清华大学出版社，2006．第8次印刷．
16．[美]Andrew N．Sloss，Chris Wright，[英]Dominic Symes著，沈建华译．北京：北京航天航空大学出版社．2005．
17. ARM Limited Corporation 著.ARM Architecture Reference Manual, ARM Limited Corporation, 2001-2006.
18．深圳英蓓特信息技术有限公司．Embest S3C2410评估版手册Version 2.01．2005
19．马忠梅，马广云，徐英慧，田泽编著．ARM嵌入式处理器结构与应用基础．北京航空航天大学出版社．2002
20. http://cygwin.com/.Cygwin的简介和安装．
21. http://openarm.linuxforum_net/doc/DOC/CrossHow/To.txt (4.1.4),如何建立交叉编译环境
22. Robert B. Northrop, Analog Electronic Circuits. Addison-Weseldy Publishing Company, New York. t990
23. USER'S MANUAL S3C2410X 32-Bit RISC Microprocessor Revision 1.2 Publication Number: 21.2-S3-C2410X-052003 @ 2003 Samsung Electronics
24. S3C2410X RISC Microprocessor Application Note, Revision 1 Publication Number: 41-S3-C2410X-102002 @ 2002 Samsung Electronics
25．兰远东，王建中．基于Linux的嵌入式操作系统的嵌入式系统应用开发研究．机械管理开发．2004年4月．第2期．
26. Wookey, Chris Rutter, Jeff Sutherland, Paul Webb 著. The GNU Toolchain forARM targets HOWTO, http://www.alephl.co.uk
27. http://www-900.ibm.com嵌入式系统bootloader内幕．
28. Wookey 著, Booting GNU/Linux, http://www.alephl.co.uk
29. Wookey著, Porting the Linux Kernel to a New ARM Platform, www.alephl.co.uk
30. Guide to ARMLinux for Developers, http://www.alephl.co.uk/
31．taoyuetao著，uboot在ARM s3c2410上移植过程，http://www.hansuntech.com
32. Sepherosa Qiao著, Porting Linux to MPC860SR Processor Card www.cl.cam.ac.uk
33. ARM Limited Corporation著, ARM Developer Suite Version 1.2 Developer Guide. ARM Limited Corporation, 1999-2001
34．李善平，刘文峰，王焕龙．Linux与嵌入式系统．清华大学出版社．2003年1月．
35．陈莉君．深入分析Linux内核源代码．北京．人民邮电出版社．2002年8月
36．魏平，夏良正，王岩．Linux体系结构及嵌入式Linux的移植方法．东南大学学报(自然科学版)．2004年．第34卷增刊．
37．陈建辉．Linux操作系统．北京．机械工业出版社．2002年9月
38．李岩，荣盘祥编著．基于S3C2410X嵌入式uCLinux系统原理及应用．北京：清华大学出版社．2005．
39．魏永明，骆刚，姜君．LUNIX设备驱动程序．北京．中国电力出版社．2002年11月
40．孙天泽，袁文菊，张海峰编著．嵌入式设计及Linux驱动程序开发指南．北京．电子工业出版社．2005年2月
41．赵炯著．Linux内核完全注释[M]．北京：机械工业出版社．2004．09
42．杨福生，吕扬生主编．生物医学工程学丛书[4]，生物医学信号的处理和识别．天津：天津科技翻译出版社．1997．
43．Raj Kamal著．Eembedded Systems Architecture Programming and Design．北京：清华大学出版社．2005．
43. Mark G. Sobell A Practical Guide to Red Hat LINUX 8 Addison Wesley, 2004.2
44. F..M. Cady, Microcontrollers and Microcomputers—Principles of Software and Hardware Engineering, Oxford University Press, New York, 1997.
45．余学飞．医学电子仪器与设计．广州：华南理工大学出版社．2000年：
46．邓亲恺．现代医学仪器设计原理．北京：科学出版社．2004年：172
47．Jean J．Labrosse，邵贝贝等译，嵌入式实时操作系统uC／OS-Ⅱ，北京：北京航空航天大学出版社．2003．
48．丁建平，秦树人．基于ARM体系结构的心电数据采集系统的研究．[硕士学位论文]．重庆：重庆大学机械电子工程系，2005．
49．郭秋平．基于ARM系统的Linux平台移植研究．[硕士学位论文]．杭州：浙江大学信息科学与工程学院，2006．
50．张小月，宋志光，胡宗福．基于Linux Red Hat 7.3平台下的设计与实现．计算机与现代化．2004年．第4期．
51．魏永明，骆刚，姜君．LUNIX设备驱动程序．北京．中国电力出版社．2002年11月
2．蔡建新，张唯真．生物医学电子学．北京：北京大学出版社．1997．
3．王成，刘金刚．基于Linux的嵌入式操作系统的研究现状及发展展望．微型机与应用．2005年．第5期．4～6页
4．王保华．心电技术面向未来—纪念心电图机发明100周年．中国医疗器械杂志．2003，27(6)．390～391
5．马忠梅，徐英慧，叶勇建，林明．AT91系列ARM核微控制器结构与开发．北京：北京航空航天大学出版社．2003．
6．孙天泽，袁文菊，张海峰．嵌入式设计及Linux驱动开发指南——基于ARM9处理器．北京：电子工业出版社．2005．
7．屈浩然，李风华，谷建华．一种嵌入式实时Linux系统设计与实现．计算机工程与应用．2004年2月．119～121页
8．张小月，宋志光，胡宗福．基于Linux Red Hat 7.3平台下的设计与实现．计算机与现代化．2004年．第4期．2～3页
9．涂刚，阳富民，胡贯荣．嵌入式操作系统综述．计算机应用研究．2000年．第11期．第4页
10．沈可．使用嵌入式linux操作系统进行软件开发的特点及优势．电脑开发与应用．2001年．第14卷第7期，13页
11．http://www.zjlinux.gov.cn/bbs/read.php?tid=242，嵌入式Linux：挑战与发展共存
12．Phil Cornes著．Linux从入门到精通．北京．电子工业出版社．1998年
13．田泽编著．嵌入式系统开发与应用．北京：北京航空航天大学出版社，2005．
14．Steve Furber著，田泽等译．ARM SoC体系结构．北京：北京航空航天大学出版社．2002．
15．杜春雷编著．ARM体系结构与编程．北京：清华大学出版社，2006．第8次印刷．
16．[美]Andrew N．Sloss，Chris Wright，[英]Dominic Symes著，沈建华译．北京：北京航天航空大学出版社．2005．
17. ARM Limited Corporation 著.ARM Architecture Reference Manual, ARM Limited Corporation, 2001-2006.
18．深圳英蓓特信息技术有限公司．Embest S3C2410评估版手册Version 2.01．2005
19．马忠梅，马广云，徐英慧，田泽编著．ARM嵌入式处理器结构与应用基础．北京航空航天大学出版社．2002
20. http://cygwin.com/.Cygwin的简介和安装．
21. http://openarm.linuxforum_net/doc/DOC/CrossHow/To.txt (4.1.4),如何建立交叉编译环境
22. Robert B. Northrop, Analog Electronic Circuits. Addison-Weseldy Publishing Company, New York. t990
23. USER'S MANUAL S3C2410X 32-Bit RISC Microprocessor Revision 1.2 Publication Number: 21.2-S3-C2410X-052003 @ 2003 Samsung Electronics
24. S3C2410X RISC Microprocessor Application Note, Revision 1 Publication Number: 41-S3-C2410X-102002 @ 2002 Samsung Electronics
25．兰远东，王建中．基于Linux的嵌入式操作系统的嵌入式系统应用开发研究．机械管理开发．2004年4月．第2期．
26. Wookey, Chris Rutter, Jeff Sutherland, Paul Webb 著. The GNU Toolchain forARM targets HOWTO, http://www.alephl.co.uk
27. http://www-900.ibm.com嵌入式系统bootloader内幕．
28. Wookey 著, Booting GNU/Linux, http://www.alephl.co.uk
29. Wookey著, Porting the Linux Kernel to a New ARM Platform, www.alephl.co.uk
30. Guide to ARMLinux for Developers, http://www.alephl.co.uk/
31．taoyuetao著，uboot在ARM s3c2410上移植过程，http://www.hansuntech.com
32. Sepherosa Qiao著, Porting Linux to MPC860SR Processor Card www.cl.cam.ac.uk
33. ARM Limited Corporation著, ARM Developer Suite Version 1.2 Developer Guide. ARM Limited Corporation, 1999-2001
34．李善平，刘文峰，王焕龙．Linux与嵌入式系统．清华大学出版社．2003年1月．
35．陈莉君．深入分析Linux内核源代码．北京．人民邮电出版社．2002年8月
36．魏平，夏良正，王岩．Linux体系结构及嵌入式Linux的移植方法．东南大学学报(自然科学版)．2004年．第34卷增刊．
37．陈建辉．Linux操作系统．北京．机械工业出版社．2002年9月
38．李岩，荣盘祥编著．基于S3C2410X嵌入式uCLinux系统原理及应用．北京：清华大学出版社．2005．
39．魏永明，骆刚，姜君．LUNIX设备驱动程序．北京．中国电力出版社．2002年11月
40．孙天泽，袁文菊，张海峰编著．嵌入式设计及Linux驱动程序开发指南．北京．电子工业出版社．2005年2月
41．赵炯著．Linux内核完全注释[M]．北京：机械工业出版社．2004．09
42．杨福生，吕扬生主编．生物医学工程学丛书[4]，生物医学信号的处理和识别．天津：天津科技翻译出版社．1997．
43．Raj Kamal著．Eembedded Systems Architecture Programming and Design．北京：清华大学出版社．2005．
43. Mark G. Sobell A Practical Guide to Red Hat LINUX 8 Addison Wesley, 2004.2
44. F..M. Cady, Microcontrollers and Microcomputers—Principles of Software and Hardware Engineering, Oxford University Press, New York, 1997.
45．余学飞．医学电子仪器与设计．广州：华南理工大学出版社．2000年：
46．邓亲恺．现代医学仪器设计原理．北京：科学出版社．2004年：172
47．Jean J．Labrosse，邵贝贝等译，嵌入式实时操作系统uC／OS-Ⅱ，北京：北京航空航天大学出版社．2003．
48．丁建平，秦树人．基于ARM体系结构的心电数据采集系统的研究．[硕士学位论文]．重庆：重庆大学机械电子工程系，2005．
49．郭秋平．基于ARM系统的Linux平台移植研究．[硕士学位论文]．杭州：浙江大学信息科学与工程学院，2006．
50．张小月，宋志光，胡宗福．基于Linux Red Hat 7.3平台下的设计与实现．计算机与现代化．2004年．第4期．
51．魏永明，骆刚，姜君．LUNIX设备驱动程序．北京．中国电力出版社．2002年11月