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CORTEX-M4单片机的医疗器械控制系统设计与研究

Cortex-M4处理器是由ARM专门开发的先进嵌入式处理器,在M3的基础上强化了运算能力,新加了浮点、DSP、并行计算等,其性能比Cortex-M3提高了20%。它在医疗器械控制系统中常被用作首选的处理器。此课题将结合牙科综合治疗平台项目,研究基于Cortex-M4单片机的控制系统。本研究将着重介绍产品系统设计方案,并详细介绍产品硬件设计,软件设计,系统可靠性体提高、安规和EMC优化等过程。

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Cortex-M4和FreeRTOS的矿用三维激光扫描测量系统设计

为了满足矿用三维激光扫描系统的需求,设计了基于Cortex-M4内核和嵌入式实时操作系统FreeRTOS的运动控制和数据采集系统。采用Cortex-M4为内核的STM32F407ZGT微控制器和APM电机控制器等进行相关的硬件电路设计,通过移植FreeRTOS内核实现对运动控制、激光传感器数据采集、摄像头视频传输等任务的调度和对其他硬件资源的管理,简化了硬件设计的复杂度,优化了软件编程,提高了系统的实时性和可靠性,降低了成本。

基于Cortex-M4的四旋翼飞行控制系统设计

针对四旋翼飞行器,设计并实现了一种基于Cortex-M4的微型飞行控制系统;使用高性能Cortex-M4处理器融合陀螺仪,加速度计,GPS位置,超声波高度,磁力计等信息,采用互补滤波进行姿态解算,并以PID控制方法对飞行器的滚转、俯仰、偏航和高度通道进行控制,实现了四旋翼飞行器的自动定高飞行和定点悬停功能;文章详细介绍了控制系统的总体构成,以及软硬件设计方法,并结合Ucos-II嵌入式实时操作系统,保证了系统的可靠性和实时性。

基于ARM Cortex-M4的MQX调度的上下文切换机制分析

针对ARM Cortex-M4平台上MQX系统运行调度实现中最关键的任务上下文切换的实现,在对处理器的硬件特性的分析基础上,重点剖析MQX任务调度过程的底层实现方法,从调度指令级别深层次解析SVC调用和Pend SV调用的实现过程,揭示了MQX任务调度上下文切换的实质。实验对比MQX的上下文切换时间大大少于μC/OS-Ⅱ和FreeRTOS,对其高效调度机制的研究工作具有实践意义和应用推广价值。

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。

RT-Thread及Cortex-M4在智能气密性检测仪上的应用

通过对现有气密性检测仪进行分析,结合其优缺点,设计出一种基于RT-Thread及Cortex-M4处理器的智能化方案。使用BP神经网络建立各个因素之间的模型,处理检测数据,弥补了直压法在精度上的不足;使用Cortex-M4作为硬件核心,完成气路、数据采集及输出等模块的硬件设计;移植RT-Thread作为软件平台,使用多线程技术完成系统应用软件的开发。该设计方案和数据处理算法使该设计具有智能化、稳定可靠、精度高、人机接口良好、成本低等特点。

基于Cortex-M4医用高频高压发生器的研究

针对医用X射线机在工频供电条件下存在有用射线输出率低、X射线管输出电压纹波系数普遍偏大的现象,为保证X射线机工作的稳定性与准确性,该文提出一种基于Cortex-M4内核的医用高频高压发生器设计方案。分析高频高压发生器的结构及其工作原理,运用全桥串并联谐振逆变电路实现对高频电压的转换。设计采用双闭环控制,通过对采样电压及电流的采集计算和误差分析,进而调节脉冲频率控制电路和脉冲宽度控制电路,确保输出管电压、管电流的精确、稳定。运行结果表明:该设计的高频高压发生器相对误差小,系统运行稳定性能好,输出电压精度和电流精度高,可以很好地满足医用X射线机工作需求,具有较好的应用价值。

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Cortex-M4的安规测试仪的设计与实现

针对导线、连接器等产品在生产过程中需进行安规测试的要求,设计并实现了一种具有网络通信功能的安规测试仪。该测试仪以Cortex-M4作为核心控制器,由DC与AC高压发生电路、信号采集调理电路等组成安规测量模块,辅之以太网PHY芯片DP83848C实现网络通信功能,从而达到对产品进行实时有效安规测试的目的。经实验证明,该安规测试仪能进行1 MΩ~1000 MΩ的绝缘阻抗测量和0.01 m A^2 m A的漏电流测量,且具有网络通信功能,能实现组网自动化测量,有一定的创新性,可广泛应用于导线、连接器等产品生产企业。

基于ARM Cortex-M4F的异端双显式接地电阻测试仪研发

为有效解决接地电阻测试过程中测试数据的通信问题及地网中的干扰信号问题,基于ARM Cortex-M4F处理器研发了异端双显式接地电阻测试仪。测试仪所用ARM Cortex-M4F处理器具有极高的运算能力和中断响应能力,并采用实时性较高的嵌入式操作系统μC/OS-II,完全能够满足接地参数测试对实时性的要求。通过与标准电阻比较,研发的测试仪具有较好的精确度,测试中具有良好的稳定性。测试仪较好地解决了测试数据的远端通信问题,其可选的测试频率使测试结果更加精准。

基于Cortex-M4六旋翼植保无人机的研究与开发

植保无人机因其作业机动性好、效率高,越来越得到广泛的应用。为了提高植保无人机在喷洒农药过程中的稳定性,本文提出了一种基于Cortex-M4内核的六旋翼植保无人机方案,采用双闭环PID控制算法,大大提高了系统的动态响应和稳态性能。

基于ARM CORTEX-M4技术的汽车ABS控制方法研究

汽车防抱死系统是典型的计算机控制系统,其核心部分是电子控制单元。提出运用意法半导体32位ARM CORTEX-M4核芯片作为汽车ABS的电子控制单元,与应用传统的单片机作为ABS的电子控制单元相比,处理传感器信号速度快,实时性好,信号处理精准。试验表明防抱死控制响应速度较快,稳定性能较好,把车轮滑移率精确地控制在目标滑移率附近,具有较好的控制精度,缩短制动距离并有效的改善制动时的方向稳定性。

基于ARM Cortex-M4的手写体数字识别实验案例

手写体数字识别系统具有广泛的应用场景。文章描述了一种把稀疏自编码器无监督学习得到的权值矩阵应用于卷积神经网络,利用提取的特征训练分类器,并将权值系数矩阵写入ARM Cortex-M4,实现了手写体数字实时识别系统的教学实验案例。

基于Cortex-M4处理器的μC/OS-Ⅲ移植分析与实现

介绍了新一代实时操作系统μC/OS-Ⅲ和Cortex-M4处理器,从移植视角出发,系统地分析了μC/OS-Ⅲ的体系结构,详细论述了μC/OS-Ⅲ在基于Cortex-M4内核的STM32F407ZGT6芯片上的移植实现过程。经测试,验证了移植的正确性和稳定性,该移植方法对Cortex-M4构架的其他处理器的移植具有指导意义。

基于Cortex-M4内核的自寻迹小车系统设计

设计采用Cortex-M4内核的MK60FN1M0VLQ15 32位单片机作为核心控制单元(MCU),通过0V7725数字摄像头提取跑道实时图像,用欧姆龙公司的旋转编码器作为速度检测装置,同时使用无刷直流电机作为传动装置,用舵机控制转向以及7.2V锂电池构成整个运动控制系统。在软件设计上对二值化之后的图像中心线采用斜率拟合算法寻找最佳路径,运用PD控制算法处理舵机,PID控制算法调节直流电机的转速,从而完成整个系统的的闭环控制。

基于Cortex-M4内核的μCOS-Ⅱ移植

针对TI公司新推出的基于Cortex-M4内核的TM4C123G高性能低功耗芯片,详细介绍了嵌入式开源实时操作系统μCOS-Ⅱ在芯片上的移植方法。根据移植的需求,首先介绍了芯片的一些基本功能以及相关的软件开发环境,然后结合芯片的固有特性以及μCOS-Ⅱ移植的需求,使用C语言和汇编语言修改了相关的源文件,并详细阐述了修改的原因。

基于Cortex-M4的光电智能车路径识别最优化研究

研究基于Cortex-M4芯片的智能车路径识别最优化方案,选用光电传感器作为路径识别的传感器,结合路径识别算法和控制算法对智能车的坡道、速度和停车位等进行优化配置。制作的小型光电智能汽车,通过增加传感器和改进算法实现了路径识别,使小车循着赛道轨迹行进,在遇到坡道、障碍时能够自动作出响应。实际运行结果验证了所做研究的有效性。

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。