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1、 基于ARM7的CF卡存储系统设计 摘 要嵌入式系统应用非常广泛，几乎无所不在。在图像处理，航空航天，遥感测量，现代电子测试等很多领域，要求测试仪器设备能及时保存原始测试数据，用于事后数据分析和处理。同时前端探测器性能的提高，对于各种系统存储容量,体积,造价,稳定性等都提出了更高的要求。因此研制性能可靠,体积小,成本低,的数据存储系统是十分必要的。本文提出基于ARM7嵌入式处理器与存储系统解决方案。介绍针对ARM7架构的嵌入式系统中，以CF卡作为存储介抽的文件系统的设计，进行了存储系统设计。其特点是高性能,低成本,体积小。文中利用了ARM7处理器的特点进行了基于本方案的硬件设计，叙述了存储系统
2、设计中需注意的问题。最后分析了系统测试结果，并指出存在的问题和改进方法。（关键词：嵌入式系统 ARM7 CF卡 存储系统）1Design of storage system based on ARM7AbstractEmbedded system application is very wide, almost omnipresent. In image processing, aerospace, remote sensing, modern electronic testing and many other fields, requirements of test equipment ca
3、n keep the original testing data, used after the data analysis and processing. At the same time the front detector performance increases, for a variety of system storage capacity, volume, cost, stability and so on are put forward higher requirements. So the development of reliable performance, small
4、 volume, low cost, the data storage system is very necessary.In this paper based on the ARM7 embedded processor and storage system solutions. Introduced in ARM7 architecture for embedded systems, to the CF card as storage medium pumping file system design, the design of storage system. Its character
5、istic is high performance, low cost, small volume. In this paper by using the ARM7 processor features were based on the scheme of hardware design, describes the storageThe system is analyzed the test results, and points out the existing problems and improvement method.( key words: embedded system AR
6、M7 storage system )2目 录摘 要-1Abstract-2目 录-3绪 言-4第一章 设计目的和要求-51.1 设计目的-51.2 设计要求-5第二章 嵌入式系统-6 2.1 嵌入式系统的基本概念-6 2.2 嵌入式系统的组成-6 2.3 嵌入式系统的的特点-7第三章 ARM7技术-8 3.1 ARM7技术的基本信息-8 3.2 ARM7的指令集与指令周期-8 3.3 ARM7的模块与内部框图-9 3.4 ARM7的模块与内核框图-10 3.5 ARM7的功能信息图-11第四章 ARM7系统中实现CF卡存储系统设计-12 4.1 基本原理-13 4.2 系统设计实现-14 4
7、.3 测试与分析-15结 论-16参考文献-17致 谢-183绪 言 现实世界的信息总是携带于模拟信号之中。根据耐圭斯特采样定理，只要满足采样频率F大于等于2倍信号的最高频率f，即 F=2f对信号进行等间隔采样，连续的模拟信号就可以无失真地转化为离散信号，再通过模拟数字变换器（ADC）得到很精确的数字信号，数字信号经数字信号处理后再转换为模拟信号。数字信号处理会得到模拟信号所不能获得的很多优点，不仅能利用统一的方法进行加工处理，还能增加很多采样模拟信号不能实现的功能。数字信号处理就是以数字运算的方式对信号进行分析，提取，变换等处理。数字信号处理作为信号与信息处理的一个分支学科，其历史可以追溯到
8、很久以前。然而，它又是一个新兴的，极富活力的学科，活跃在电子学，计算机，应用数学等科学的最前沿，参透到科学研究，技术开放，工业生产以及国防和国民经济的各个领域，扮演着越来越重要的角色。在图像处理,航空航天，遥感测量，现代电子测试等很多领域，要求测试仪器设备能及时保存原始测试数据，用于事后数据分析和处理。同时前端探测器性能的提高，对于各种系统存储系统容量，体积，造价。稳定性等都提出了更高的要求。为了实现较高的传输速率和较大的数据量，以往多采用多机并行处理，传输和并行记录技术。但是这类系统具有对环境要求较高，加之体积一般比较庞大，功耗大等诸多缺点，很难适用于受空间限制的特殊环境要求。因此研制性能可
9、靠，体积小，成本低的数据存储记录系统是十分必要的4第一章 设计目的和要求 1.1 设计目的 存储设备是嵌入式系统中的一个重要组成部分，数字信息在运算和处理过程中，需要使用存储系统进行信息存储，本文在基于ARM7的微处理器的基础上设计的，嵌入式系统存储器种类很多，性能指标也各有差异。本文在基于ARM7的基础上设计嵌入式系统中容量大，速度快，耗电省，体积小，操作方便，维护容易等优点的存储器。1.2 设计要求（1）要基于ARM7的基础上设计存储系统（2）要掌握嵌入式系统的基本知识 （3）存储系统功能强，耗能省，速度快的优点5第二章 嵌入式系统2.1 嵌入式系统的基本概念 嵌入式系统的应用日益广泛，可
10、以说无所不在，无处不在，嵌入式系统的快速发展也极大的丰富，延伸了嵌入式系统的概念。嵌入式系统是嵌入到对象体系中的专用计算机系统。一嵌入式计算机为核心的嵌入式是继网络技术之后，又一个新的技术方向。（国际电气和电子工程师协会）对嵌入式系统的定义为：嵌入式系统是“用于控制或辅助操作机器和设备的装置”。这主要是从应用对象上加以定义，涵盖了软硬件及辅助机器设备。国内普遍认同的嵌入式系统的定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可剪裁，适应应用系统对功能,可靠性,成本,体积,功耗等严格要求的专用计算机系统。相比较而言，国内的定义更全面一些，体现了嵌入式系统的“嵌入” ,“专用性” ,“计算机”的基
11、本特征。广泛的说，一个嵌入式系统就是一个具有特定功能或用途的计算机软硬件集合体。而狭义上嵌入式系统就是指装入一个设备并控制该设备的专用计算机。嵌入式系统最大的特征是其目的性和针对性，即每一套嵌入式系统的开发都有其特殊的应用场合与特定功能。而这种“特别开发” , “特别制作”也使得嵌入式前天具有了以往计算机系统无法具备的体积优势,能耗优势,处理优势（主要是实时性）。2.2嵌入式系统的组成 嵌入式系统是专用计算机应用系统，它具有一般计算机组成的共性，是由硬件和软件组成。嵌入式系统的硬件是嵌入式系统软件运行的基础，它提供了嵌入式系统软件运行的物流平台和通信接口。嵌入式软件则是整个系统的控制核心，控制
12、整个系统的运行，提供人机交互信息等。 嵌入式系统硬件部分是以嵌入式微处理器为中心，由存储器、I/O设备、通信模块以及电源等必要的辅助借口组成。嵌入式系统是量身定做的专用计算机应用系统，因此它的硬件配置非常精简，除了微处理器和基本的外围电路以外，其余的电路都可以根据需要和要求和陈本进行裁剪、定制、非常经济、可靠。嵌入式为处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点，是嵌入式系统的核心。目前有影响、有代表性的32位嵌入式微处理器有ARM公司的ARM处理器，他具有高性能、低功耗、低成本等优点，广泛应用于手工设备。智能仪器、网络设备、信息家电、通信设备等领域。嵌入式系统的软件由芯片级/板级初始化B
13、SP、嵌入式操作系统、GUI文件系统、设备驱动应用程序API和用户应用程序构成。芯片级/板级初始化引导程序用于执行系统自检测、系统初始化及引导操作系统，最后进入程序，操作系统将CPU时间、中断、I/O/定时器等资源包装起来，留给用户一个标准的API，并根 6据各个任务的优先级，合理地在不同任务之间分配CPU时间。图形化用户界面、文件系统、网络通信协议、I/O设备驱动程序在嵌入式系统上运行，而与用户交互的应用软件则通过调用文件系统和GUI的功能调用（API）来实现。嵌入式系统的应用软件需要自主开发，不同的嵌入式系统其应用软件各具特色和功能。 2.3 嵌入式系统的特点 作为专用计算机系统的嵌入式系
14、统与通用计算机系统相比，具有几个重要特征：（1） 嵌入式系统通常是面向特定应用的。（2） 功耗低、体积小、集成度高、成本低。（3） 嵌入式操作系统的支持（4） 嵌入式系统与具体应用有机结合在一起。（5） 为提供执行速度和系统的可靠性。（6） 专用开发工具的支持 7第三章 ARM7技术 3.1 ARM7技术基本信息 ARM9的时钟频率比ARM7更高,采用哈佛结构区分了数据总线和指令总线, ARM7处理器采用3级流水线，而ARM9采用5级流水线， 5级流水线能够将每一个指令处理分配到5个时钟周期内，在每一个时钟周期内同时有5个指令在执行。在同样的加工工艺下，ARM9TDMI处理器的时钟频率是ARM
15、7TDMI的1822倍。指令周期的改进, 3.2 ARM7的指令集与指令周期 Rm,shift寄存器移位方式 将寄存器的移位结果作为操作数（移位操作不消耗额外的时间），但Rm值保持不变，移位方法如下： 操作码明操作码说明ASR #n算术右移n位ROR #n循环右移n位LSL #n逻辑左移n位RRX带扩展的循环右移1位LSR #n逻辑右移n位Type RsType为移位的一种类型，Rs为偏移量寄存器，低8位有效。ARM7的指令周期： 指令周期的改进: 21 loads 指令矛n stores指令 指令周期数的改进最明显的是loads指令和stores指令。从ARM7到ARM9这两条指令的执行时间
16、减少了30%。指令周期的减少是由于ARM7和ARM9两种处理器内的两个基本的微处理结构不同所造成的。 (1)ARM9有独立的指令和数据存储器接口，允许处理器同时进行取指和读写数据。这叫作改进型哈佛结构。而ARM7只有数据存储器接口，它同时用来取指令和数据访问。 8(2)5级流水线引入了独立的存储器和写回流水线，分别用来访问存储器和将结果写回寄存器。 以上两点实现了一个周期完成loads指令和stores指令。3.3 ARM7的模块与内部框图 ARM7处理器部件和主要信号路径的框图如图所示。它内部由处理器核、用于边界扫描的TAP控制器和在线仿真器ICE组成。双向数据总线D31：0被分割成单向输入
17、和输出总线，以便于与外部存储器兼容 93.4 ARM7的模块和内核框图 地址寄存器寄存器组31*32位寄存器（6个状态寄存器）地址增量器乘法器桶形移位器32位ALU写数据寄存器指令流水线读数据寄存器Thumb指令译码器指令译码和逻辑控制ADDR31:0CLKCLENnIRQnFIQnRESETABORTLOCKWRITESIZE1:0PROT1:0TRANS1:0DBG输出DBG输入CP控制CP握手WDATA31:0RDATA31:0扫描调试控制A总线B总线ALU总线增量器总线PC总线103.5 ARM7的功能信号图 ARM7 11 第四章 ARM7系统中实现CF卡存储系统设计随着微控制器性能
18、的不断提高，嵌入式应用越来越广泛。但是目前市场上的大型商用嵌入式实时系统，价格昂贵，而且都针对特定的硬件平台。对于中小型系统开发，购买商用实时系统并不划算。目前我们正着手将嵌入式系统软件应用于汽车卫星导航仪系统的一步开发。传统的嵌入式应用并不包括文件系统，而我们要实现的文件系统需要在车辆导航系统中实现地图数据文件的读写。因此它既要支持与MS-DOS兼容的文件系统也要支持其它类型的文件系统。 另一方面，从数码相机到MP3播放机，从掌上电脑到数码摄像机，CF（CompactFlash）卡由于具有体积小、兼容性强、价格相对低廉等诸多优点，在数码设备上的应用越来越广泛。但若想在CF卡与PC之间传递数据
19、，通常不得不借助于专门的读卡器，这给PC的用户带来了不小的麻烦。CompactFlash卡全称为“标准闪存卡”，简称“CF卡”。CF卡的应用空间比较广，最常见的是在数码照相机中用于照片的存储。由于CF卡内部采用模拟硬盘控制器的设计，使得CF卡可以比较容易地通过IDE接口实现与电脑的连接，一定程度上可以起到移动存储的作用。一般的嵌入式系统不会提供读写CF卡的接口，所以需要在文件系统中专门设计一个驱动程序。4.1 基本原理12图1所示的CF卡中，主机系统的控制器接口允许数据从Flash介质读写。CF卡的存取方式有三种：Memory方式、I/O方式以及True IDE方式。我们选择的是True ID
20、E方式。需要注意的是，当主机电源一直接通时，拔插CF卡将会使其从原来的True IDE方式重新配置成PC Card ATA方式。所以要让CF卡一直工作在True IDE，需要在电源加电启动时将OE输入信号接地。此方式也支持8位存取，但我们选择了16位存取。一次最多存取的扇区数可由命令码Ech中的第47参数字决定。CF卡跟硬盘的结构相同，如图2所示。在引导区中装有用于启动系统的代码，以及有关文件系统的重要信息，随后是记录所有磁盘空间的表，再下来就是根目录，然后是所有其它的东西。引导扇区在其末尾处包含有分区表。此表包含了用以标示每个分区开始和结束的表项，最多可以有四个分区，每个分区可包含不同的文件
21、系统。紧随引导区之后的是FAT（文件分配表），用来记录设备中所有的磁盘空间的信息（此表与UNIX中的I-node表和空闲表具有相同的功能）。设计软件时，同时考虑了通用性及可扩展性，目的在于使该文件系统无需分别修改便能够对CF卡、IDE硬盘、RAM Disk、电子盘、SD等不同的存储介质进行操作；读出这些存储介质中的数据，并且可以将数据输送到不同存储设备上。13为了达到这些目的，我们针对不同CPU的不同处理方法，对硬件操作程序进行分离，将设备有关的底层程序变成与设备无关的上层操作。这样，当系统新增功能之后，不必更改每个子程序，只需要在某些接口文件的数据结构中添加或者更改数据项即可；又考虑到用户对
22、上层操作的透明性，我们采用面向对象的方法，上层结构中存取操作的driver结构（含read、write数据项）是虚拟的，在底层才将它具体化为CF卡的读写扇区命令（操作码为：20h、30h）。软件程序的主要流程如图3所示。4.2 系统设计实现根据上述原理，可完成软件设计，其基本框架如图4所示，分为六个主要部分。其中，CF卡驱动程序设计的关键是CF卡的存取操作函数所采用的命令码有些不同。另外，我们使用驱动程序对象来代表CF卡设备驱动程序。该驱动程序对象对于用户是部分不透明的，数据项包括读写函数的指针，这些函数由文件系统程序输出（包括两部分函数，用户可见API函数调用和用户不见驱动存取函数）。此对象
23、的数据结构声明如下：typedef struct CF_XFILE_DRIVER14BYTE driver_name; /*介质标示；CF卡、IDE硬盘、Flash卡、RAMDISK等，删除驱动的话，需要重新记录DRIVER号*/ /*IRP处理函数*/CF_XFILE_DRIVER；如果有多个CF卡，需要用另外一个特定的数据结构Next_Driver来把它们水平连接在一起。然后，用链表来管理这些数据结构，管理方式类似于WDM（Windows Driver Model）。4.3测试分析经过调试运行，该文件系统性能良好。与我们之前已经移植过的Nucleus、C/OS-II、UNIX的操作系统的文
24、件系统相比，本文介绍的文件系统可移植性更强；除了文中着重介绍的CF卡，经过对底层驱动的简单修改就可以应用于其它存储介质如RAMdisk、IDE硬盘、Flash等（其中IDE硬盘和Flash也已经调试成功）。另外，本文介绍的文件系统对硬件平台的配置要求降低，并且对于文件操作的运行速度并未减慢。15结 论 本文探索了ARM7以及嵌入式系统的CF卡存储系统设计，并初步介绍了ARM7以及嵌入式系统,在本次论文中我遇到了许多问题但及时的得到了知道老师的指导，本文基于ARM7内核的32位嵌入式系统设计出CF卡的存储系统，由于时间关系与本人的水平有限，在此基于ARM7的嵌入式系统构建的CF卡存储系统很不完善
25、。本人希望在以后的工作和学习中，能对嵌入式系统及其网络存储中的应用更加深刻、更加全面的认识16参考文献1 马忠梅，李善平，康慨等 ARM&Linux驱动开发指南 电子工业出版社 2005 2 魏忠，蔡勇，雷红卫 嵌入式开发详解3 Jean J.Labrosse著 袁勤勇，黄绍金，唐首等译. 嵌入式系统构建M 机械工业出版社4 郑耿，江泽明 嵌入式Linux系统开发详解基于EP93XX系列ARM 清华大学出版社 20065 期刊中的文献17致 谢三年来，不管是在生活上还是在学业上，学院的老师和领导都给了我各方面的悉心关怀和指导，导师渊博的知识、严谨的学术作风、宽厚的为人、兢兢业业的工作态度、忘我的敬业精神，使我受益匪浅，为我树立了永远的学习榜样，将激励我在今后工作和学习不断前进研究成果的取得，尤其离不开亲人和朋友的关系和支持，他们是我坚强的后盾，给了我无私的帮助。借此机会，我要向我的亲人表示最诚挚的致意，在此我永远的祝福他们 18