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页眉内容基于STM32的过采样技术研究与实现吴家平1，沈建华2(华东师范大学计算机科学与技术系,上海200241)摘要针对微控制器自带ADC精度较低的情况，介绍了过采样技术提高微控制器ADC精度的基本原理，给出了在ARMCortex-M3内核微控制器Abstractessor.器专门设计于满足集高性能、低功耗、实时应用、具有竞争性价格于一体的嵌入式领域的要求。
但是其自带的ADC只有12位精度，在某些场合满足不了要求，通过引入过采样技术，能够有效的增加数据采样精度，解决了使用外部专用ADC带来的成本问题。
2过采样技术原理2.1量化噪声分析ADC采样过程其实是一个将连续的模拟信号量化成有限的数字的过程，每个数字代表一次采样所获得的信号。
量化时，根据数据位把整个幅度划分为量化级，例如12位数据位则表示212个量化级，16位数据则表示216个量化级，把落入同一级的样本值归为一类，并给定一个量化值。
由于模拟信号的是连续的，量化结果和被实际模拟量的之间会存在差值，该差值被称作量化误差(e q )，也称量化噪声。
根据参考电压(V ref )和量化的数字的位数(N)，能够确定最小的分辨率：△=N refV 2(1)N 越大，△就越小，量化误差也就越小。
在没有其它能造成误差的因素例如热噪声、杂色噪声、参考电压变化的理想情况，量化误差应该在±0.5△之内，即q e ≤±0.5△。
假设输入信号的变化大于△，并且在△间随机分布，可以将量化噪声看成白噪声，其总功率为一个常数，平分分布在0～fs 的频带内，如样来增加采样精度，必须满下面两个条件：（1）输入信号里必须存在一些噪音，这些噪音必须是白噪音，功率平均分配在整个有用的频带内。
（2）噪声的幅度必须能够对输入信号产生足够大的影响，以使得ADC 转换的结果能随机的翻转至少1位，否则的话所有的输入信号将会转换出同样的值，对这些值进行的抽取操作将不会带来精度的提高。
嵌入式开发的书
1. 《嵌入式系统开发之道：基于 ARM Cortex-M 内核微控制器》
- 作者：周立功等
- 推荐原因：本书以 ARM Cortex-M 内核微控制器为基础，系统介绍了嵌入式系统开发的各个方面，内容涵盖硬件设计、软件开发、系统调试等。
2. 《嵌入式 Linux 应用开发完全手册》
- 作者：宋宝华
- 推荐原因：本书全面介绍了嵌入式 Linux 应用开发的各个环节，包括系统构建、驱动开发、应用程序设计等，内容深入浅出，适合初学者和有一定经验的开发者阅读。
3. 《嵌入式系统：硬件、软件与接口》
- 作者：[美]Jean J. Labrosse 著，邵贝贝译
- 推荐原因：本书全面介绍了嵌入式系统的基本概念、设计方法和应用实例，涵盖了硬件平台、操作系统、软件开发等方面，是嵌入式系统开发的经典教材。
4. 《ARM 嵌入式系统开发：软件设计与优化》
- 作者：[美]Steve Furber 著，沈建华译
- 推荐原因：本书以 ARM 处理器为基础，详细介绍了嵌入式系统软件开发的方法和技巧，包括系统初始化、驱动程序设计、实时操作系统等。
5. 《嵌入式系统设计与实践》
- 作者：[美]Michael J. Pont 著，武卫东译
- 推荐原因：本书结合实例，系统介绍了嵌入式系统设计的各个方面，包括需求分析、硬件选择、软件开发、系统测试等，是一本实用性很强的嵌入式开发指南。
这些书籍都涵盖了嵌入式开发的不同方面，从入门到深入，希望能对你有所帮助。
当然，嵌入式开发是一个不断发展的领域，你还可以关注最新的技术动态和相关书籍，以保持学习的持续性。
基于EmJTAG的ARM嵌入式系统调试工具
姜立娣;沈建华
【期刊名称】《单片机与嵌入式系统应用》
【年(卷),期】2007(000)009
【摘要】设计实现一个适用于基于EmJTAG的ARM嵌入式系统调试工具.它首先定义了一个轻量级的远程调试协议EmRDI,用于PC机与基于EmJTAG的ARM目标板之间的交互过程;然后描述了用意法半导体公司(ST)的ST72651芯片实现一个协议转换器EmJTAG的技术细节.EmJTAG的功能就是将PC机的调试命令转换成目标板的JTAG时序信号,以达到控制PC机和调试目标板的目的.
【总页数】4页(P5-8)
【作者】姜立娣;沈建华
【作者单位】华东师范大学;华东师范大学
【正文语种】中文
【中图分类】TP3
【相关文献】
1.基于车载主机的新型调试工具设计 [J], 麦志强;马云林
2.基于CIM/G的保护装置调试工具主画面显示方案 [J], 周进;于皎;刘伟;侯先栋;周强
3.一种基于Android开发环境的调试工具DDMS [J], 雷华军;邢益良
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5.基于字节码插桩的多线程调试工具 [J], 周一耒;于海波;钟浩
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《基于ARM+FPGA的嵌入式安全PLC设计与实现》一、引言随着工业自动化程度的不断提高，可编程逻辑控制器（PLC）作为工业控制的核心设备，其安全性和可靠性显得尤为重要。
传统的PLC设计多采用单一处理器架构，难以满足日益增长的安全性和性能需求。
因此，本文提出了一种基于ARM+FPGA的嵌入式安全PLC设计与实现方案，旨在提高PLC的安全性和性能。
二、系统设计1. 硬件设计本设计采用ARM+FPGA的异构计算架构，其中ARM作为主处理器，负责系统的控制和数据处理；FPGA作为协处理器，负责高速信号处理和实时控制。
硬件设计包括ARM处理器模块、FPGA模块、存储模块、通信接口等。
ARM处理器模块选用高性能的Cortex-A系列处理器，具备强大的数据处理能力和丰富的外设接口。
FPGA模块选用高性能的FPGA芯片，具备高速信号处理和并行计算能力。
存储模块包括内存和存储器，负责存储程序代码和数据。
通信接口包括以太网、串口等，用于与上位机和其他设备进行通信。
2. 软件设计软件设计包括操作系统、驱动程序、PLC程序等。
操作系统选用嵌入式Linux系统，具备稳定性和可靠性。
驱动程序包括硬件驱动和通信驱动，用于控制硬件设备和与其他设备进行通信。
PLC程序采用结构化编程语言，具备可读性和可维护性。
三、安全设计本设计在硬件和软件层面均进行了安全设计，包括硬件加密、数据加密、访问控制等措施。
硬件加密措施包括对存储器进行加密，防止数据被非法读取和篡改。
数据加密措施包括对通信数据进行加密，防止数据在传输过程中被窃取。
访问控制措施包括对系统进行权限管理，只有授权用户才能访问系统。
此外，本设计还采用了冗余设计和容错技术，提高了系统的可靠性和稳定性。
冗余设计包括对关键部件进行备份，确保系统在某个部件出现故障时仍能正常运行。
容错技术包括对数据进行校验和纠错，确保数据的完整性和准确性。
四、实现与测试本设计的实现包括硬件制作、软件编写、系统集成等步骤。
第三章ARM 指令系统1.ARM v7 架构使用的指令集有哪些特点？在ARM v7 版本的处理器内核中，不再使用ARM 指令集，使用的是改进的Thumb指令集，称为Thumb-2 指令集。
Thumb-2 指令集是一种兼容16 位和32 位指令的指令集。
①在书写指令时不需要分析这条指令是32 位指令还是16 位指令，汇编器会自动按照最简化的原则汇编。
①编译环境提供了一种方法，由编程人员指定是哪一种代码格式。
如果在指令后面加后缀“.N”则指定是16 位代码格式（Narrow），如果在指令后面加后缀“.W”则指定是32 位代码格式（Wide）。
①代码密度以及速度都比现有的Thumb指令集更高。
2. ARM 处理器支持几种基本寻址方式？举例并分别说明。
①立即寻址，也叫作立即数寻址，这是一种特殊的寻址方式。
立即寻址方式的目的是将操作数紧跟在操作码后面，与操作码一起放在指令代码段中。
例如：ADD R1,R0,#1;R0←R0+1即寄存器R0的内容加1,把结果放回到R1中MOV R0,#0xFF00;将立即数0xFF00放入寄存器R0①寄存器寻址，寄存器寻址指的是操作数的值在寄存器中，指令中的地址码字段给出的是寄存器编号，指令执行时直接取出寄存器值来操作。
例如：ADD R0,R1,R2 ;将寄存器R1和R2的内容相加,结果存放在寄存器R0中MOV R1,R2 ;将R2的值存入R1①寄存器移位寻址，寄存器移位寻址的操作数是由寄存器做相应移位而得到的，移位的方式在指令中以助记符的形式给出，而移位的位数可用立即数或寄存器寻址方式表示。
例如：MOV R0,R2,LSL#3; R2 的值左移3 位,结果放入R0,即R0=R2*8①寄存器间接寻址，寄存器间接寻址指令中的地址码给出的是一个通用寄存器的编号，所需的操作数保存在存储器指定地址的存储单元中，即寄存器是操作数的地址指针。
例如：LDR R1,[R2];将以R2 的值作为地址单元对应的数据传送到R1 中①基址寻址，基址寻址方式就是将寄存器（该寄存器一般称作基址寄存器）的内容与指令中给出的地址偏移量相加，从而得到操作数的有效地址。
浅析ARM处理器未来发展主流作者：张松涛杨森来源：《科技探索》2013年第04期摘要：安卓手机如今流行，让移动智能成为可能。
手机上网，移动办公成为可能。
而支持这一切的根源，就是有一颗ARM处理器的大脑。
还记得龙芯处理器吧？龙芯处理器，就是RISC微处理器构架，与MIPS是完全兼容的？。
安卓发展是大势所趋，ARM处理器也会有更大的发展空间。
关键词：ARM RISC 龙芯 Linux安卓手机的处理器，是ARM公司的RISC微处理器架构，MIPS是另一家做RISC的公司，按照理论来说MIPS的处理器，也是可以运行安卓系统的。
相对于X86处理器，ARM处理器所能计算的事都比较专一。
X86的64位的架构，叫坐X64，它们的专利都在Intel和AMD手中。
做为中国的国家战略，当然不能受制于人，否则对中国的国家安全构成严重的灾害。
这也是国家为什么要花大力气，去做龙芯了。
一、ARM流行的原因1、iPhone流行，让ARM进入大众视线在iPhone手机没有出世前，只有在嵌入式领域算是中流砥柱。
当2007年第一款苹果手机发布后，大众迅速的目前投入了工业级的嵌入式处理器。
此时，ARM走进了大众的路线，ARM对Linux的核心技术特别好，并在工业方面，大面积的应用于设备中。
还记得MP4播放器吗？其核心就是ARM处理器，加Linux系统。
2、ARM的低功耗ARM是专门处理器，计算能力比X86差很多。
相对于性能过剩的X86处理器，ARM确实对于普通应用，足够用了。
功耗在移动领域，是一条不可愉悦的鸿沟。
曾经Intel出的Pentium 4，以摩尔定律为依据，大肆提高TDP，一度成为大家调侃的对象。
更有人说，那可以直接烧开水。
iPad连续工作时间在10个小时，这可比普通人一天的工作时间还要长。
随身携带，移动办公都成为现实，特别是好多美国的餐饮企业，都让服务员用iPad给客人提供点餐服务。
3、价格低，利于扩大市场由于只收少量的授权费用，ARM就可以授权芯片制造商们去生产、修改和销售。
第7章模拟外设1.ADC 的主要技术指标有哪些？【答】ADC 的技术指标主要有分辨率、精度、转换时间等。
①分辨率用来反映ADC 对输入电压微小变化的响应能力。
它定义为转换器的满刻度电压与2n的比值，其中n 为ADC 的位数。
一般而言，ADC 模块位数（分辨率）越高，数据采集的精度就越高。
②ADC 模块的精度反映了ADC 模块在实际情况下与在理想情况下进行模/数转换的差值，常用最低位（LSB）的倍数表示。
转换器的精度决定了数字输出中有多少个比特表示输入信号的有用信息。
③转换时间是指ADC 模块完成一次模拟数字转换所需要的时间，即由发出启动转换命令信号到转换结束信号开始有效的时间间隔。
2.简述ADC 的一般工作流程。
【答】ADC 将模拟信号转化为数字信号的过程可分为四步，即采样、保持、量化、编码。
①采样就是对模拟信号进行周期性抽取样值的过程。
②对模拟信号进行A/D 转换需要一定的转换时间，在下一个采样脉冲到来之前，暂时保持所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换，这样的过程称为采样保持。
③量化是指将信号的连续取值近似为有限多个离散值的过程。
④编码就是将量化后的离散量用相应的二进制码表示的过程。
3.简述ADC 的类型及其特点。
【答】模数转换器的种类很多，按工作原理的不同，可分成直接比较型和间接比较型和Σ-Δ型。
直接比较型：直接比较型ADC 将输入模拟信号直接与标准的参考电压比较，从而得到数字量。
属于这种类型常见的有并行比较型ADC 和逐次逼近型ADC。
逐次逼近型ADC 比较高速，且功耗相当低，在低分辩率（<12位）时价格便宜，但高精度（>12位）时价格很高。
并行比较型ADC 是现今速度最快的模数转换器，但由于n位的输出需要2n个电阻和2n−1 个比较器，所以电路规模极大，价格也高，一般只适用于要求高速、低分辨率的场合。
间接比较型：间接比较型ADC 的输入模拟量不是直接与参考电压比较，而是将二者变为中间的某种物理量再进行比较，然后将比较所得的结果进行数字编码。
ARM处理器与嵌入式系统沈建华(华东师范大学计算机科学技术系,上海200241)业界论坛INDUSTRY FORUM62010年第11期adv@(广告专用)可以用散热器加风扇散热。
ARM针对嵌入式应用,在满足性能要求的前提下,力求最低的功率消耗。
ARM结构的优点是能兼顾到性能、功耗、代码密度、价格等几个方面,而且做得比较均衡。
在性能/功耗比(MIPS/W)方面,ARM处理器具有业界领先的性能。
基于ARM核的芯片价格也很低,目前ARM Cortex-M的芯片价格可低至10元人民币左右。
2.2丰富的可选择芯片ARM只是一个核,ARM公司自己不生产芯片,采用授权方式给半导体生产商。
目前,全球几乎所有的半导体厂家都向ARM公司购买了各种ARM核,配上多种不同的控制器(如LCD控制器、SDRAM控制器、DMA控制器等)和外设、接口,生产各种基于ARM核的芯片。
目前,基于ARM核的各种处理器型号有好几百种,在国内市场上,常见的有ST、TI、NXP、Atmel、Samsung、OKI、Sharp、Hynix、Crystal等厂家的芯片。
用户可以根据各自的应用需求,从性能、功能等方面考察,在许多具体型号中选择最合适的芯片来设计自己的应用系统。
由于ARM核采用向上兼容的指令系统,用户开发的软件可以非常方便地移植到更高的ARM平台。
2.3广泛的第三方支持以如今的技术,设计一个处理器并非难事,但要使这个处理器得到大家认可,并取得市场成功却是非常困难的,其中涉及许多技术与非技术的因素和环节,还包括时机、运气。
因为现在许多产品的开发,不是一个简单的处理器加几百条指令、语句就可以解决的。
要用到32位处理器,一般都要有编译器、高效的开发工具(仿真器及调试环境)、操作系统、协议栈等,这些东西都不是一个芯片生产商可以解决的,而需要许多第三方的支持。
这就像一粒种子,需要土壤、空气、水等环境才能发芽、成长。
这也是我们的一些“中国芯”该反思之处。
ARM通过近20年的培育、发展,得到了广泛的第三方合作伙伴支持。
目前,除通用编译器GCC,ARM有自己的高效编译、调试环境(MDK、Keil),全球约有50家以上的实时操作系统(RTOS)软件厂商和30家以上的EDA工具制造商,还有很多高效率的实时跟踪调试工具的厂商,对ARM提供了很好的支持。
用户采用ARM处理器开发产品,既可以获得广泛的支持,也便于和同行交流,加快开发进度,缩短产品的上市时间。
2.4完整的产品线和发展规划ARM核根据不同应用需求对处理器的性能要求,有一个从ARM7、ARM9到ARM10、ARM11,以及新定义的Cortex-M/R/A系列完整的产品线。
前几年应用较多的主要是基于V4架构的ARM7TDMI、ARM720T、ARM920T核的一些处理器芯片,如NXP的LPC2000系列、ST的STR7/9系列、Atmel的AT91系列和Samsung的S3C系列。
近两年,ARM Cortex系列以更好的性能、更低的价格得到快速推广,典型的就是基于Cortex-M3的STM32系列。
ARM Cortex-M/R/A系列分别针对不同的应用领域。
M系列主要面向传统微控制器(MCU/单片机)应用,这类应用面很广,要求处理器有丰富的外设,并且各方面比较均衡;R系列强调实时性,主要用于实时控制,如汽车引擎;A系列面向高性能、低功耗应用系统,如智能手机。
选用ARM处理器进行开发,技术积累性较强,生命周期长,设计重用度高,不易被淘汰。
用户在选择ARM处理器时,可以针对应用需求,从大量的ARM芯片中选用满足性能、功能要求的产品,以获得较好的性价比。
3ARM嵌入式系统的软件由于嵌入式系统的差异性很大,对不同的应用需求,必须选择不同的软件设计方法、开发平台和系统工具。
对于一些不需要复杂图形用户界面、通信协议和复杂文件操作(如同时打开多个文件)的应用,如果选用Cor-tex-M3核的处理器就已可以满足要求,任务数不多,任务之间的关系也不复杂,则不一定需要移植复杂的操作系统。
这样一方面可以降低系统硬件开销,也可以获得更好的实时性和执行速度。
不过,这样的软件开发方法需要开发人员有较好的程序设计思想,对所用器件有深入的了解,并掌握其编程控制方法。
若引入一个简单的操作系统,如μC/OS,可以简化程序结构,但开发者最好熟悉其内核结构,并有使用经验,否则可能会需要更多的系统开发、调试时间。
如果选择了带存储器管理单元(MMU)的ARM处理器(如ARM920T、Cortex-A8等),这种应用系统根据应用、实时性、开发环境等因素,移植一个功能较强的操作系统一般情况下会比较合适,如Linux、WinCE,甚至新的Android等。
这种系统的开发难度主要是在OS的移植以及硬件驱动程序的开发上。
当这二步工作完成后,主要的软件开发工作已和在PC机上开发没有多大区别,可以按照一般的软件工程方法来进行,要注意的只是与ARM硬件平台相关的软件优化问题。
由于嵌入式系统硬件资源的有限性,嵌入式软件与其他应用软件的主要区别,在于嵌入式软件要有较高的效率,包括执行速度和存储空间,尽管这二者经常是相互矛盾的。
目前一般要求更多的是速度优化。
要编写出高效的ARM程序,需要开发人员熟悉ARM的体系结构,包括内核结构、指令系统、Cache与存储器结构等,还要有好的程序设计思想,以及对一些常用函数、算法的深刻理解。
paper@(投稿专用)2010年第11期Microcontrollers&Embedded Systems 5ARM处理器与嵌入式系统沈建华(华东师范大学计算机科学技术系,上海200241)摘要:本文是作者关于嵌入式系统一些基本问题的思考和总结。
主要是从嵌入式处理器与硬件、ARM处理器的优势、嵌入式软件、嵌入式系统教学等方面进行了一些梳理,谈了一些个人的观点。
关键词:嵌入式系统;ARM;硬件;软件;教学中图分类号:TP399文献标识码:AARM Processor and Embedded SystemShen Jianhua(Computer Science&Technology Department,East China Normal University,Shanghai 200241,China)Abstract:Thoughts and summaries of some basic issues in the field of embedded system are put into this paper.Embedded processorsand hardware,the advantages of ARM processor,embedded software,and the teaching of embedded system are discussed.Key words:embedded system;ARM;hardware;software;teaching引言由于各种新型微处理器的出现和应用的不断深化,嵌入式系统在后PC时代得到了空前的发展。
随着时间的推移和技术的进步,在工业控制和新兴的手持式应用等领域,用户体验成为产品成功的关键因素之一,越来越多的产品需要良好的用户界面、互联功能以及较强的数据处理能力,这对嵌入式处理器硬件、软件、教学等提出了新的要求。
1嵌入式处理器与硬件在处理器方面,目前大量的中、低端嵌入式应用,主要使用8/16位单片机。
在国内,由于历史的原因,主要是以MCS-51核为主的许多不同型号单片机,主要厂商有Atmel、Philips、Winbond、宏晶等。
还有一些近几年发展较快的新型单片机,如PIC、AVR、MSP430系列等。
这些单片机各有特点,但从目前的发展角度来看,单片机针对特定应用领域的个性化发展愈发明显,典型的例子就是TI公司的MSP430系列16位单片机、ST公司的STM8L系列8位单片机和STM32L系列32位超低功耗单片机。
在嵌入式中的高端应用领域,像工业控制、POS机、网络设备、图像处理、手机、PDA等,目前主要使用ARM、MIPS、PowerPC、DSP等16～64位处理器,以32位处理器为主。
各种类型的处理器都有其一定的应用针对性。
例如,DSP对数字信号处理技术中用到的常用运算、算法做了优化设计,主要用于实时信号处理领域,如实时音视频处理、电机控制等。
MIPS处理器性能很好,但功耗较大,适合于有交流电源供电的固定应用,如固定的网络设备、机顶盒等。
ARM处理器性能高,功耗低,适合于用电池供电的便携、手持式设备。
由于近几年便携、手持式嵌入式应用的高速发展,ARM处理器的增长速度和市场占有率也快速提升,成为目前32位应用中的主力产品。
由于嵌入式应用系统的广泛性,嵌入式系统的硬件设计涉及的知识面很广,从模拟到数字、低频到高频、小信号到大功率,以及复杂的时序逻辑设计和PCB设计,还要考虑软硬件资源的合理分配,不仅要有广而扎实的理论基础,更需要丰富的实践经验。
只有对大大小小各种应用系统反复实战演练,了解新技术、新器件,使用过多种多样的处理器和模拟/数字器件,才能逐步积累,聚沙成塔,对一个新的应用系统给出快速、合理的硬件方案与设计。
2ARM处理器的优势对于如今大量出现的32位嵌入式应用,以笔者之见,ARM处理器的优势主要有以下几个方面。
2.1高性能、低功耗、低价格把ARM处理器的性能拿来和一些著名的通用处理器(如Pentium)相比是不合适的,因为他们各自针对的应用需求是不同的。
Pentium处理器采用多条指令流水线的超标量结构,追求通用应用目标下的超强性能,功耗大,INDUSTRY FORUM业界论坛paper@(投稿专用)2010年第11期Microcontrollers&Embedded Systems 7这个过程也是ARM系统开发从低级到高级的进阶之路。
关于ARM软件的设计与优化,有一本很好的参考书“ARM System Developer's Guide:Designing and Optimi-zing System Software”,笔者翻译的中译本是《ARM嵌入式系统开发———软件设计与优化》。
目前,由于应用系统越来越复杂,嵌入式软件的移植性和重用性也得到了人们的高度重视,因为它直接影响到嵌入式软件的开发效率和质量。
选择一种通用的开发环境和高级编程语言,使开发的嵌入式软件可以方便地移植到不同的硬件平台,是实现软件重用的基础。
目前在ARM嵌入式系统开发中,ARM RealView、Keil以及IAR的EWARM是较好的开发平台,C/C++语言是应用最广泛的编程语言,并具有广泛的库函数、程序支持,在今后很长一段时间内,仍将在嵌入式系统应用领域中占重要地位。
