基于Cortex-M4的CNTR/CTRU密钥封装高效实现

量子计算技术的迅猛发展对现有的公钥密码体制造成了极大的威胁,为了抵抗量子计算的攻击,后量子密码成为当前密码学界的研究热点.目前,物联网的安全问题备受关注,ARM Cortex-M4作为低功耗嵌入式处理器,被广泛应用于物联网设备中,在其上部署后量子密码算法将为物联网设备的安全提供更加可靠的保障.CNTR和CTRU是我国学者提出的NTRU格基密钥封装方案,相比于基于LWE技术路线的格基密钥封装方案在安全性和其他性能上具有综合优势,并在我国密标委得到立项.本文工作首次在ARM Cortex-M4平台上高效紧凑地实现了CNTR和CTRU方案,充分利用单指令多数据(Single Instruction Multiple Data,SIMD)指令,调整运算结构和指令安排,优化核心的多项式运算,从而在算法实现速度和堆栈空间上进行全面优化升级.本文主要工作如下:本文首次在ARM Cortex-M4上实现耗时模块多项式中心二项分布采样,采样速度提升32.49%;使用混合基数论变换(Number Theoretic Transform,NTT)加速非NTT友好多项式乘法运算,充分利用浮点单元(Floating-Point Unit,FPU)寄存器,在NTT实现中采用层融合技术,最大化减少加载和存储等耗时指令使用,使得正向NTT和逆向NTT的速度分别提升84.24%、81.15%;通过NTT过程系数范围分析进行延迟约减,进而减少约减次数,并使用改进的Barrett约减和Montgomery约减技术实现降低约减汇编指令条数;使用循环展开技术实现多项式求逆,优化多项式求逆这一耗时过程,速度优化率为68.85%;针对解密过程中的非NTT友好素数模数多项式环乘法,采用多模数NTT和中国剩余定理(Chinese Remainder Theorem,CRT)结合的方法进行加速,完成解密过程96.26%的速度提升;使用空间复用的方法优化堆栈空间,CNTR和CTRU的堆栈空间分别减少了29.86%、28.17%.实验结果表明:提出的优化技术大幅提升了算法实现效率,与C参考实现相比,CNTR和CTRU的整体速度优化率分别为85.54%、85.56%.与其他格基密钥封装方案最新ARM Cortex-M4实现相比,本文的优化实现在速度、空间和安全性上具有综合性的优势.

基于ARM Cortex-M4的MQX中断机制分析与中断程序框架设计

中断机制是决定RTOS实时性指标的核心机制。MQX是一个由Freescale维护、源代码公开、支持多任务的抢占式的RTOS,将会广泛用于ARM Cortex-M微处理器的应用中。MQX的中断机制具有实时响应、动态管理的特点。以ARM Cortex M4Kinetis微控制器为蓝本,深入分析了MQX的中断顶半部和底半部的运行机理,提出了MQX的中断实时特性的评估算法,明确了程序时间的可控性。在此基础上,根据嵌入式软件工程的基本原理,不拘泥于传统程序结构设计方法,提出了一种MQX下中断程序框架及编程要素分布的基本原则,从而较好地满足了程序可复用性及可移植性要求。

基于ARM Cortex--M4的运动环境监测系统设计与实现

基于ARM Cortex-M4评估板和多种传感器设计了性能优良、功能丰富且成本低廉的运动环境监测电子系统。该系统能够实现人体运动时心率、气温、湿度、气压、海拔和经纬度的监测,并实时显示监测结果,通过短信发送至手机等功能。分别介绍了各分功能及分功能集成系统的设计和实现方法。经过测试,系统能够正常稳定地工作,为运动健康电子监测系统的研究提供了思路,同时可作为电子系统教学和科研的实验平台。

MQXLite操作系统在ARM Cortex-M0+/M4上的移植研究与实现

在分析MQXLite组织架构的基础上,针对其过于依赖处理器专家(Processor Expert,PE)软件造成支持芯片有限的问题,提出了一个通用的MQXLite工程框架模板"AMQXLite FW"。利用此模板在ARM Cortex-M0+/M4芯片上实现了MQXLite的移植,并从启动流程、中断系统、系统定时器及应用任务这几个方面详细介绍了移植过程。最后在KW01及CC3200两款不同内核、不同厂商的芯片上进行了MQXLite的移植测试,测试结果显示了此框架模板的可移植性与通用性。

基于ARM Cortex-M4的构件化汇编框架的研究

规范易用的汇编框架与样例是微处理器深层次应用开发的基础,但汇编编程复杂,并且目前针对32位ARM Cortex—M4的汇编程序资料和样例程序非常匮乏,学习难度大,开发工作困难重重。在深入分析ARM Cortex—M4汇编指令系统和寻址方式的基础上,以NXP半导体公司发布的Kinetis K(KK)系列MCU为蓝本,根据软件工程思想和构件设计理论,提出层次架构的工程框架建模思想,并构建基于ARM Cortex—M4内核的构件化汇编框架,据此制作GPlO驱动构件;指示灯闪烁样例工程的设计及测试结果表明了汇编框架规范、实用、易用,能降低嵌入式汇编语言的学习难度。框架能为业界基于ARM Cortex-M4的汇编开发提供参考。

基于LabVIEW的ARM Cortex-M4嵌入式软件开发研究

针对ARM Cortex-M4处理器建立基于LabVIEW的嵌入式软件开发平台,重点从开发工具链、操作系统、复用模板以及驱动代码几个方面开展了研究,并提出了基于脚本的驱动编写方法。作为应用验证,基于所建立嵌入式软件平台开发了微型涡喷发动机电子控制器软件,并进行了台架试验。结果表明,所设计的电子控制器能实现微型涡喷发动机从启动到慢车、加减速和状态调节的有效控制,同时也证明基于LabVIEW进行嵌入式软件开发是一种方便、高效的途径。

基于ARM Cortex-M4的mbedOS调度机制剖析

为了能清晰理解mbedOS调度基本原理与机制,通过阐述ARM(Advanced RISC Machines)Cortex-M4内核对实时操作系统的支持特性,分析了实时操作系统常用的调度策略,采用流程图分析、上下文核心代码解析等方法重点剖析了SVC(Supervisor Call)中断、PendSV中断和SysTick中断3种mbedOS调度策略实现方法,最后以意法半导体的STM32L431芯片为例给出了mbedOS的线程调度剖析实践。通过对mbedOS的线程调度剖析,有助于深入理解mbedOS的调度机理,为设计多任务系统提供帮助,也为分析其他实时操作系统提供参考借鉴。

基于ARM Cortex-M4的水利遥测终端机设计

小型水利工程因其数量多、分布广、地处偏远以及信息化建设资金投入大等原因,与大中型水利工程的信息化管理程度相比差距较大。为满足大批量小型水利工程的信息化建设,设计高性能水利遥测终端机。终端机以ARM Cortex-M4为核心,集成电源电路、串口电路、开关量输入输出电路、专用图像采集电路、A/D采集电路、通信电路等模块,不仅能稳定采集视频图像以及各类水利基础数据,而且接口丰富多样,数据传输可靠,支持低功耗运行,满足数据、图像的采集和传输要求。

基于ARM Cortex^(TM)-M4的MQX-RTOS启动流程剖析

结合ARM Cortex-M4的地址映射、工程链接文件intflash.ld分析Kinetis MK60DN512ZVLQ10芯片的地址空间的分配情况,剖析芯片从加电复位跳转到驻留在ROM开始地址的中断向量表处执行,依次完成系统堆栈指针、进程堆栈指针、切换堆栈指针等设置,最后调用MQX初始化函数完成MQX-RTOS的启动,在对启动过程的代码进行合理裁剪的基础上,给出较详细的注释,为研究其他RTOS的启动提供一定的借鉴。

LM4F232H5QD与MMA7260加速度传感器的跌倒检测

TI公司LM4F232H5QD是一款基于ARM Cortex-M4处理器核的32位微控制器。本文通过LM4F232H5QD的ADC接口与MMA7260三轴加速度传感器相连,实现了三轴加速度的数据采集。采集的数据处理后,可以用于实际项目中,测量物体的倾角以及检测老年人是否意外跌倒等。

基于STM32F4的飞机轮速自适应采集设计

飞机轮速信号在飞机刹车过程中至关重要,高精度、实时、可靠的轮速采集是飞机精准刹车控制的关键因素。系统以基于Cortex_M4的STM32F4芯片为核心,通过时基参数的动态配置,可实现不同轮速下的轮速信号的自适应采集。

4×100m接力接棒运动员起跑方式运动学及动力学特征分析

短跑4×100 m接力比赛中,接棒运动员主要采用站立式或单臂支撑的蹲踞式(单撑式)起跑,国际田联2018—2019规则将4×100 m接力区改为30 m,接棒运动员的起跑将影响到比赛成绩,为探究这两种起跑方式的运动学及动力学特征,使用1台高速摄影机和2块三维测力台采集14名短跑运动员在使用单撑式起跑和站立式起跑时的运动学及动力学数据并进行分析。结果:1)单撑式起跑相比站立式起跑的运动学差异是起动-蹬离时间及前腿和后腿蹬伸时间较短,预备姿势时的重心较低且靠前、前腿髋关节与膝关节角较小、躯干前倾角较大,重心垂直位移距离较长,重心水平位移距离较短,离地瞬时水平速度及瞬时合速度较慢,瞬时垂直速度较快(P<0.05);2)单撑式起跑相比站立式起跑的动力学差异是总水平冲量、总垂直冲量、后腿水平冲量、后腿垂直冲量、前腿水平冲量、前腿垂直冲量、垂直合力峰值、前腿水平力峰值、前腿垂直力峰值、前腿垂直发力率较低;水平合力峰值、后腿水平力峰值、后腿水平发力率、后腿垂直发力率、前腿水平发力率较高(P<0.05);3)两种起跑方式的前腿冲量、峰值力、蹬伸时间均比后腿大,且前、后腿发力率具有差异性(P<0.05)。结论:1)运动员使用站立式起跑具有离地瞬时水平速度快的优势,这与预备姿势重心偏后、双腿蹬伸力作用时间较长使总水平冲量较大有关;2)运动员使用单撑式起跑具有起动至蹬离时间短的优势,这与预备姿势重心靠前、蹬伸水平合力峰值较高、双腿水平发力率较高有关,但单撑式起跑离地瞬时水平速度较慢;3)无论运动员使用单撑式或站立式起跑,前腿产生水平冲量的能力对离地瞬时水平速度起更大作用。

基于ARM的微电网谐波分析仪的研究

针对微电网的电能供给相较于常规电网不稳定、谐波的干扰更加严重的情况,设计了一种新型的基于ARM-Cortex M4内核的微电网谐波分析仪。详细阐述了微电网的发展与现状,论述了谐波检测对于微电网系统的必要性。介绍了微电网检测仪的硬件部分,包括前级电压电流转换电路、信号调理电路、单片机处理电路和显示电路。软件部分介绍了基于Cortex M4内核的FPU单元的快速傅里叶变换系统和FIR滤波器系统,并阐述了整个软件系统的结构。最后分析了电网谐波检测仪的性能。

台电TL-M30 MP4

台电TL．M30MP4播放器里的“双核”不像CPU那样由两个相同的核心组成，它那采用“双核”设计的Rockchip RK2706主控芯片实质上是由一个200MHz的ARM7处理器与一个200MHz的DSP构成。其中，ARM7专注于对音频的解码，DSP从事视频文件的解码播放工作。

2.4G无线文件传输系统的设计与实现

2.4G无线文件传输系统通过利用ISM频段2.4GHz的无线频率,将大文件数据拆包成若干个无线数据包,从一个终端快速、准确地传输到另一终端。本文采用当前较为流行的Nordic公司2.4G芯片nRF24L01+和意法半导体公司的基于Arm Cortex M3内核的stm32开发板作为MCU控制平台的组合方式,实现了一个无线文件传输系统的解决方案,同时设计了一个简洁、高效又能确保数据正确率的短距离无线文件传输协议,详细介绍了软件的设计和硬件的实现,文章最后简单介绍了系统的操作步骤。

基于环形倒立摆的综合实训平台

基于拉格朗日动力学定理,在状态空间内对环形倒立摆进行建模仿真,得到理想的控制策略;选择ARM Cortex-M4系列的K60单片机作为主控制器,精密电位器作为位置反馈,依照理论仿真的控制策略对系统进行控制。该综合实训平台采用理论建模仿真和实际参数调试一体化训练方式,改变了理论研究和实践调试脱节的现状。

基于嵌入式的无线勘探机器人

设计以ARM Cortex-M4内核的STM32405RG控制芯片作为主控制器的无线勘探机器人,通过采用基于DVB-T标准的COFDM模块,搭建中继站点进行超远程图像视频、音频的传输,实现了对目标区域的勘探,并通过机械手臂进行样本采集。测试结果表明,此无线勘探机器人具有操作简便,图像数据传输稳定可靠的优点,对推动远程环境勘探和安防监控等工作的发展起到积极作用。

基于ZigBee的智能安防系统设计

为了解决庭安防系统布线繁琐,系统稳定性差的问题,通过分析Zig Bee网络系统结构部署现场通信网络,设计了基于Zig Bee的技术的智能安防系统。给出了Zig Bee智能安防系统的硬件和软件设计,采用Linux作为主控系统,ARM?Cortex-M4作为核心控制器。经分析,基于Zig Bee的技术的智能安防系统提供灵活组网方式,满足用户安防需求,为家居安全提供良好的解决方法。

智能磁致伸缩液位测量仪设计

针对当前液位测量监测系统中存在的多种问题,设计了一种高精度的智能磁致伸缩液位测量仪。系统采用ARM Cortex—M4系列的EK—TM4C1294NCPDTI芯片作为核心控制处理器,包含电源模块、时钟模块、激励信号模块、信号检测模块、以太网接口模块、故障报警模块、数据存储模块等。实现了测量精度高、稳定性好、人机交互友好,具有网络化通信功能的智能液位测量仪。

基于多核架构无人机飞行控制系统设计与实现

针对中小型固定翼无人机自主起降与编队飞行任务,采用双ARM Cortex M4+DSP架构,综合多传感器融合策略,利用多频段通信技术和舵机控制回路冗余设计的方法,设计并实现了一套飞行控制系统。该系统能为无人机自主起降与编队飞行提供了精确引导和相对定位信息与强大的通信支持、具有效率高、稳定性好、可靠性强以及集成度高等优点。地面半实物仿真和实际飞行试验结果表明,该飞行控制系统有效的支撑了无人机自主起降、多机编队飞行等研究。