（教育技术学专业论文）嵌入式操作系统μcosⅡ的分析、移植与应用研究.pdf

山东师范大学硕士学位论文 嵌入式操作系统g c o s i i 的分析、移植与应用研究 中文摘要 嵌入式i n t e r n e t 是近几年迅速发展起来的一项新兴技术，而新的信息技术的产生、发 展必将对教育技术产生深远的影响。随着w e b 技术的发展和应用，越来越多的网络通信设 备甚至测试仪器都已经实现内置的嵌入式w e b 服务器。用户可以直接使用w e b 浏览器通 过设备的以太网口来远程访问内置w e b 服务器的专用网页，从而实现对设备运行状态的观 测和运行参数的配置等功能。因此，嵌入式系统在远程教育、高校实验室设备管理、各高 校资源共享、实验数据回传等方面有着广阔的前景。而嵌入式操作系统是嵌入式系统中的 关键技术，对于实现嵌入式i n t e r n e t 应用至关重要。 本文正是在这样的背景下提出的。文章从嵌入式系统体系结构的角度出发，以通用操 作系统理论为基础，对嵌入式操作系统a c o s - i i 进行了深入研究、剖析，并结合w e b 应用 编写系统内核程序，给出t t t c o s i i + l w 口的嵌入式i n t e r n e t 解决方案，从而组建了一个 简单的嵌入式w e b s e r v e r 系统。通过远程访问该节点，可以显示一个含各种图片和超链接 的h t m l 网页。本文实现的嵌入式w e b s e r w r 采用的是任务的方式，即将移植后的l w i p 协议栈设为g c o s i i 的主任务，由主任务通过p c o s i i 提供的信号量等通信机制获取驱动 程序提交的数据，经处理后分发给各协议模块( 即相关处理函数) 处理。由于系统建立在内 核高效的g c o s i i 之上，因此具有良好的实时性能。 论文共分四部分：第一部分阐述了i _ t c o s i i 应用设计总体方案与开发平台的搭建，并 阐述了嵌入式系统与教育信息化的密切关系，同时介绍了嵌入式系统的开发过程和调试方 法，采用宿主机，目标机交叉编译方法并成功建立了开发的基本软件环境；第二部分详细论 述了以a r m 7 t d m i 处理器$ 3 c 4 4 8 0 为基础的系统硬件平台。a r m 7 t d m i 是一种高效， 低功耗的r i s c 处理器。以该内核为核心的s 3 c 4 4 8 0 提供了丰富的内置部件，是一款高性 价比和高性能的微控制器，非常适合做嵌入式产品开发。这里围绕$ 3 c 4 4 8 0 对其主要功能 模块进行了电路设计，并对$ 3 c 4 4 8 0 的启动程序和地址空间分配作了详尽分析；第三部分 对p c o s 1 i 的体系结构与内核结构及内核运行方式进行了深入分析。同时着重分析了嵌入 式实时操作系统肛c o s i i 的特点及其任务管理、任务通信、任务调度、中断和时钟等机制， 并对相关移植工作的关键移植环节做了详细论述。这里的移植工作包括嵌入式实时操作系 统肛c o s i i 在$ 3 c 4 4 8 0 上的移植以及l w i p 协议栈在c o s 上的移植两大部分；第四部 山东师范大学硕士学位论文 分则给出了嵌入式w e b s e r w r 在i t c o s i i 下的实现方法，对本系统的硬件与网络环境设置 作了详尽说明。这里对嵌入式系统应用程序实际开发过程做了详尽阐述，给出了编译、连 接、调试及下载烧录的具体方案，并对嵌入式w e b s e r v e r 网络环境进行了测试。 文章是建立在充分实践的基础上的，所作的具体工作如下： ( 1 ) 通过对嵌入式实时操作系统g c o s i i 的深入剖析，给出将其移植到$ 3 c 4 4 8 0 的一 种实现方法。 ( 2 ) 从简洁实用的角度出发，通过对l w i p 协议栈进行裁减，使之在g c o s 一操作系统 中稳定运行，同时结合具体应用编写了网络驱动程序。 ( 3 ) 由于g c o s i i 作为实时操作系统并没有自己的文件系统，因此，在系统实现中给出 了两种对h t m l 文件进行处理的方案。 ( 4 ) 在t c p i p 协议栈稳定运行的基础上，实现应用层的h t r p 协议，能够在开发板上 运行一个简单的w e bs e r v e r ，从而为下一步开发更复杂的应用系统提供一个良好的运行环 境。 经过对嵌入式w e bs e r v e r 系统的测试证明，本文给出的解决方案是可行的，系统运行 稳定。 关键词：嵌入式i n t o n e t ；嵌入式实时操作系统；l w i p ：嵌入式w e b 服务器 分类号：1 3 4 3 4 i l 山东师范大学硕士学位论文 t h e a n a l y s i s ，t r a n s p l a n t a t i o na n da p p l i e dr e s e a r c h o ne m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mu c o s i i a b s t r a c t t h ee m b e d d e di n t e m e ti san e wt e c h n o l o g yw h i c hd e v e l o p sr a p i d l yi nr e c e n ty e a r s ，a n dw i t h t h ee m e r g e n c ea n dt h ed e v e l o p m e n to fan e wi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g i e s i tw i l lh a v eap r o f o u n d i m p a c to ne d u c a t i o n a lt e c h n o l o g y a l o n gw i t h t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fw e b t e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r en e t w o r ke o m m u n i c a t i o u se q u i p m e n ta n de v e nb u i l t - i nt e s te q u i p m e n t h a sb e e na c h i e v e de m b e d d e dw e bs e r v e r u s e r sc a nl l s et h ee t h e r n e te q u i p m e n tt h r o u g hw e b b r o w s e rr e m o t ea c c e s st ot h ep r i v a t en e t w o r kp a g ee m b e d d e dw e bs e r v e r , t h u sa c h i e v i n gt h e o b s e r v a t i o no ft h ef n a t eo ft h ee q u i p m e n to p e r a t i o na n dt h ec o n f i g u r a t i o no fo p e r a t i n g p a r a m e t e r s ，e t e t h e r e f o r e ，t h ee m b e d d e ds y s t e mh a sab r o a dp r o s p e c ti nd i s t a n c ee d u c a t i o n , c o l l e g el a b o r a t o r ye q u i p m e n tm a n a g e m e n t , t h es h a r i n go fr e s o l l r c e so ft h ec o l l e g e ，r e t u r no f e x p e r i m e n t a ld a t aa n do t h e rc o u n t r i e s e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m si s ak e yt e c h n o l o g yo f e m b e d d e ds y s t e m s a n di ti sa l s oc r i t i c a le s s a l t i a lf o rt h er e a l i z i n go f e m b e d d e di n t e r n e t t h i st h e s i si sj u s tp u ti ns u c hab a c k g r o u n d f r o mt h ep o i n to fv i e wo fe m b e d d e ds y s t e m a r c h i t e c t u r e ，b a s e do nt h et h e o r yo fag e n e r a l - p u r p o s eo p e r a t i n gs y s t e m ，t h et h e s i sg i v e sd e p t h r e s e a r c ha n da n a l y s i so nb c o s 一。w h i c hi sae m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，a n d c o m p i l e st h es y s t e mk e r n e lp r o c e d u r e sc o m b i n i n gw e ba p p l i c a t i o n ，m e a n w h i l et h ep a p e rg i v e sa e m b e d d e di n t e m e ts o l u t i o n s ：t t c o s 一+ l w i p , t h u sr e s u l t i n gi nt h ef o r m a t i o no fas i m p l e e m b e d d e dw e b s e r v e rs y s t e m t h r o u g hr e m o t ea c c e s s i n gt h en o d e s i tc a nd e m o n s t r a t ew i t ha v a r i e t y o f p i c t u r e s a n d h y p e r l i n k s i n h t m l p a g e s t h i s p a p e r p r e s e n t s t h e e m b e d d e d w e b s e r v e r u s i n gt h et a s k ：a f t e rt h et r a n s p l a n t a t i o no f l w i pp r o t o c o ls t a c k i x c o s 一c a nb es e ta st h em a i n t a s k ，a n di tc a na c c e s st ot h ed a t as u m i t t e db yd r i v e rt h r o u g ht h es i g n a lc o m m u n i c a t i o n m e c h a n i s mp r o v i d e db yi t c o s - a f t e rt r e a t m e n t t h ed a t ai sd i s t r i b u t e dt ot h ep r o t o c o lm o d u l e ( c o r r e l a t i o nf u n c t i o n ) f o rl u t h e rh a n d l i n g s i n c eb a s e d o nt h ee f f i c i e n ts y s t e mk e r n e l ，i lc o s 一 i th a sag o o dr e a l t i m ep e r f o r m a n c e t h e s i si sd i v i d e di n t of o u rp a r t s ：t h ef i r s tp a r td e s c r i b e st h eo v e r a l lp r o g r a md e s i g na n d a p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n tp l a t f o r ms t r u c t u r e sa n di l l u s t r a t e st h ec l o s er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e 1 1 1 山东师范大学硕士学位论文 e m b e d d e ds y s t e ma n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi ne d u c a t i o n , a n di n t r o d u c t e sam e t h o do f d e v e l o p i n ga n dd e b u g g i n ge m b e d d e ds y s t e mf r a m e w o r k u s i n gh o s t t a r g e tw a yo fc r o s s c o m p i l e ra n ds u c c e s s f u l l ye s t a b l i s h e st h eb a s i cs o f t w a r ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ；t h es e c o n d p a r td i s c u s s e st h eh a r d w a r ep l a t f o r m sb a s e do n $ 3 c 4 4 8 0a r m 7 t d m ip r o c e s s o r a r m 7 t d m i i sah i g h l ye f f i c i e n t ，l o w p o w e rr i s cp r o c e s s o r a tt h ec o r eo ft h ek e r n e l ，s 3 c 4 4 8 0p m v i d e s r i c he m b e d d e dc o m p o n e n t s ，w h i c hm a k e si to n eo ft h ee x c e l l e n tm i c r o c o n t r o l l e r w i t h h i g h - p e r f o r m a n c e ，s oi ti sv e r ys u i t a b l ef o re m b e d d e dp r o d u c td e v e l o p m e n t m e a n w h i l et h i sp a r t a l s od e s i g n st h ec i r c u i to fm a i nf u n c t i o nm o d u l e sa g a i n s t $ 3 c 4 4 8 0 ，a n dm a k e sad e t a i l e d a n a l y s i so nt h es t a r tp r o c e d u r e sa n dt h ea d d r e s ss p a c ea l l o c a t i o n ；t h et h i r dp a r tm a j o ri n t r o d u c e s t h ea r c h i t e c t u r eo ft h eo sk e r n e la n dt h ek e r n e lm o d eo fo p e r a t i o nw i t ha l li n - d e p t ha n a l y s i s ， s e q u e n t i a l l yt h e s i sf o c u s e so nt h ef e a t u r eo fi z c o s i i ，a n dt h ea n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so f t a s km a n a g e m e n t ，t a s kc o m m u n i c a t i o n ，t a s ks c h e d u l i n g ，i n t e r r u p t e da n dt h ec l o c km e c h a n i s m s m e a n t i m et r a n s p l a n t - r e l a t e dk e yw o r ka l s om a d ead e t a i l e de x p o s i t i o n h e r et r a n s p l a n t s i n c l u d e sr t o sj _ t c o s 一i n $ 3 c 4 4 8 0a n dl w i pp r o t o c o ls t a c ki np c o s - i i ：t h ef o u r t hp a r t g i v e st h em e t h o dt or e a l i z eae m b e d d e dw e b s e r v e r , f o rt h ep r o v i s i o no fh a r d w a r ea n dn e t w o r k e n v i r o n m e n td e s c r i b e di nd e t a i l r i g h th e r ee m b e d d e ds y s t e ma p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n ta c t u a l o c c s sh a sb e e ne x p o u n d e di nd e t a i l ，m e a n w h i l et h es p e c i f i cp r o g r a m so fc o m p i l i n g , l i n k i n g , d e b u g g i n g ，c o p y i n ga n dd o w n l o a d i n gi sg i v e n , a n de m b e d d e dw e b s e r v e ra l s oc o n d u c t e da t e s t n e t w o r ke n v i r o n m e n t t h ea r t i c l ei sb a s e do n af u l lp r a c t i c ea n dt h ec o n c r e t ew o r ka sf o l l o w s ： ( 1 ) t h r o u g ht h ei n - d e p t ha n a l y s i so np c o s - rr t o s ，at r a n s p l a n t e dm e t h o di n $ 3 c 4 4 8 0 i sg i v e n ( 2 ) f r o mt h ec o n c i s ea n dp r a c t i c a lp o i n to fv i e w , t h el w i pp r o t o c o ls t a c ki sr e d u c e d ，s oi t c a ns t a b l eo p e r a t e si n p c o so p e r a t i n gs y s t e m , m e a n w h i lt h en e t w o r kd r i v e ri sc o m p i l e d c o m b i n i n gs p e c i f i ca p p l i c a t i o n ( 3 ) a sar e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，i _ t c o s - i ih a sn o ti t so w l lf i l es y s t e m ，t h e r e f o r e , t h e t w op a i r so f p r o c e s s i n gp r o g r a mt oh t m ld o c u m e n ti sg i v e ni nt h i ss y s t e m ( 4 ) b a s e do nt h es t a b l eo p e r a t i o no ft h et c p i ps t a c k ，t h eh r r pa p p l i c a t i o nl a y e ri s r e a l i z e d m e a n w h i l eas i m p l ew e bs e r v e rc a l la l s om ua tt h ed e v e l o p m e n tb o a r d s oi tc a n p r o v i d e a g o o dw o r k i n ge n v i r o n m e n tf o rt h ef u t h e rd e v e l o p m e n to f m o r ec o m p l e xa p p l i c a t i o n s 1 v 山东师范大学硕士学位论文 a f t e rt h ee r n b e d d c dw e bs e r v e rs y s t e mt e s t s ，i tc a l lb es h o wt h a tt h ep a p d ss o l u t i o ni s f e a s i b l ea n dt h es y s t e mi ss t a b i l i t y k e yw o r d s ：e m b m d mi n t e m e t ；e m b e d d e dr e a l t i m eo p e r r a t i n gs y s t e m ( r t o s ) ； c a t e g o r yn u m b e r ：( 3 4 3 4 v 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得( 注：如没有其他需要特别声明的，本 栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 张建曼 一字t 于劳甙 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堂撞有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权堂撞可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 魂霆毖 签字嗍：o o ? 牛月矽 r 导师签守y 立谚- 扒 签字魄z 哆嘭月历 山东师范大学硕士学位论文 1 i 嵌入式系统综述 第一章绪论 继桌面计算机之后，最重要的r r 技术莫过于嵌入式系统了。目前嵌入式系统的应用技 术已成为通信和消费类产品的共同发展方向，而嵌入式系统产品的研制和应用也已经成为 我国信息化带动工业化、工业化促进信息化发展的新的国民经济增长点。随着电子技术， 信息技术和通讯技术的快速发展，以及互联网的广泛应用，3 c ( c o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o n ， c o n s u m e r ) 合一的趋势己经形成，从而导致了计算机工业重心的转移，即从计算机产品转移 到信息产品，同时随着硬件技术的发展及人们对于信息产品功能要求的提高，嵌入式系统 也就成为这个行业的热点。将i n t e r a c t 联网技术延伸到被广泛应用的8 位、1 6 位、3 2 位 m c u 的软件平台上必将大大拓宽i n t e r n e t 的应用领域。由于嵌入实时系统的开发和嵌入式 网络w e b 技术应用是嵌入式应用的两个非常重要的领域，因此研究与嵌入式系统有关的关 键技术一嵌入式操作系统有着相当重要的实际意义。 1 1 1 什么是嵌入式系统 1 嵌入式系统的定义 广义的讲，凡是不用于通用目的的可编程计算机设备就可以算是嵌入式计算机系统。 狭义而言，嵌入式系统是指以应用为核心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，对功能、 可靠性、成本、体积和功耗严格要求的专用计算机系统。一般的嵌入式系统的设计过程是： 从产品定义开始，接着进行硬件设计，然后将软件或操作系统移植到硬件上进行应用程序 的开发，最后经过测试与调试后开始使用。 2 嵌入式系统的特点 作为专用计算机系统的嵌入式系统与通用计算机系统相比有以下几个重要特征： ( 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定的应用，与应用有机结合在起，其升级换代和具体 产品同步进行，因此嵌入式系统产品具有较长的生命周期。 ( 2 ) 系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件与应用软件的明显区分，不要求其功能 设计及实现上过于复杂，这样便于控制系统成本，有利于实现系统安全。 ( 3 ) 实时操作系统的支持。为了合理调度任务，充分利用系统资源，用户必须自行选 配实时操作系统平台，这样才能保证程序执行的实时性和可靠性，减少开发时间，保障软 山东师范大学硕士学位论文 件质量。 ( 4 ) 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯 片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 ( 5 ) 嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后用户通常也不能对程 序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才一能进行开发。开发时往往有主机和目标 机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。 3 嵌入式系统体系结构田 嵌入式系统体系结构如图1 1 所示。 驱动器i被控传感器i 驱动器2传感器2 对象 驱动器n焉慝盯 硬件层 d a i 嵌入式i 通用接口 ：i j j 处理器亡二五：i z 二 i ，nli s d r a m 人机交互接口 图1 1 嵌入式系统体系结构 由图1 1 可知，嵌入式系统是一个分层的体系结构，硬件层是以嵌入式处理器为核心 的。硬件层与软件层之间为中间层，也称为硬件抽象层或称板级支持包。它把系统软件与 底层硬件部分隔离，使得系统的底层设备驱动程序与硬件无关。软件层由实时多任务操作 系统( r t o s ) 、文件系统、图形用户接口( g u d 、网络系统及通用组件模块组成。功能层由 基于r t o s 开发的应用程序组成，用来完成对被控对象的控制功能。 因此，总的来说，嵌入式系统由嵌入式硬件体系和嵌入式软件体系组成。嵌入式硬件 以芯片、模板、组件、控制器形式埋藏于设备内部。嵌入式软件包含嵌入式实时操作系统 ( r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，r t o s ) 和应用软件两部分。一般固化于r o m 或闪存中。 2 山东师范大学硕士学位论文 r t o s 在整个嵌入式系统体系结构中起着关键性的作用：它控制着应用程序与硬件的交互； 管理应用软件并提供一种机制，使得处理器分时的执行各个任务并满足一定的时限要求。 应用软件完成系统功能，它可以由一个单独的任务或多个并行的任务来实现。嵌入式系统 软硬兼施，融为一体，其关键在于结合系统硬件电路和特定的软件，以达到系统运行性能 成本的最高比。 1 1 2 嵌入式操作系统 3 l i 一】 1 嵌入式操作系统的概念及特点 嵌入式操作系统( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，e o s ) 是指运行在嵌入式环境中，负 责嵌入式系统的全部软硬件资源的分配、调度、控制、协调的系统软件。它必须体现其所 在的系统特征，能通过加载、卸载某些模块来达到系统所要求的功能。e o s 除具备一般操 作系统最基本功能，如任务调度、同步机制、中断处理等外，还有以下特点： 实时性。e o s 广泛用于要求迅速响应的场合，实时响应要求严格，因此，嵌入式系 统中，操作系统就叫做实时操作系统。 可伸缩性。开放可伸缩型的体系结构。包括内核的裁剪及易移植等特性。 外设接口的统一性。提供各种设备驱动接口。 2 嵌入式操作系统的分类及选择 从内核调度方式上可分为两种：非占先式内核和占先式内核。如果一个进程一旦获得 c p u 就独占运行，除非它因某种原因放弃c p u ，系统才会调度别的任务，这种调度方式称 非占先式调度。如果系统中一旦出现高优先级任务就立即中断当前运行的任务，调度高优 先级的任务运行，这种调度方式称为占先式调度。显然，对于大多数嵌入实时多任务系统 应用中，对系统实时响应要求很高，因此需采用占先式内核。 自2 0 世纪8 0 年代以来，r t o s 成为主流。目前较为知名的有w i n d o w s c e ，p a l m o s ， e m b e d d e dn n i l 】【，以及p e o s - f i 等。本论文中选择了源码公开的r t o s 内核删o s - h ，其内 核简单高效，可占先，实时性好。 1 1 3 嵌入式系统发展的新领域嵌入式i n t e m e t 2 0 世纪9 0 年代末到2 l 世纪，信息技术的发展进入了网络普及的后p c 时代，嵌入式 i n t e m e t 正是近几年迅速发展起来的一项新兴概念和技术。是指设备通过嵌入式模块直接接 入h l t e r n e t ，并以m t e m e t 为介质实现信息交互的技术。它的目标是将小型简单的低成本嵌 1 山东师范大学硕士学位论文 入式系统连接到i n t e m e t 以充分利用网络资源，实现更广范围的信息共享和信息服务。嵌 入式设备的网络化有多种方案，本论文中采用3 2 位m c u + t c p i p 的形式接入i n t e m e t 。 1 2 嵌入式系统与教育信息化 1 2 1 教育信息化的概念( 5 】1 6 】 教育信息化是指将现代信息技术( 计算机、多媒体、网络、通信等技术) 引人到教育领 域，实现教育信息资源的合理配置、开发和高效利用，以及在教育领域实现信息社会所特 有的重要组织和管理方式的一系列过程。它包括四方面的含义： ( 1 ) 信息资源是教育信息化的核心； ( 2 ) 信息技术的广泛应用是教育信息化的手段； ( 3 ) 信息网络是大范围有效传递信息的基础； ( 4 ) 信息化作为一个社会过程，必将受到人们在观念、理想、社会组织结构等多方 面因素的影响和制约，因此，教育信息化应有与之对应的保障机制。 教育信息化的特征表现为教学资源多媒体化，资源和学习方式的网络化，知识的非线 性化，教育过程智能化，教学管理自动化以及教育用户导向化。 1 2 2 嵌入式i n t e m e t 在教育信息化中的作用 如果嵌入式系统能够接入i n t e m e t ，则通过任何一个安装了w e b 浏览器的计算机，使用 标准的h t t p 协议便可以与设备进行访问、监视、管理和控制。也就是说，我们就可以将 所有设备的信号通过网络来传送，而且还可以做到通过网络充分共享多种设备，随时查看 嵌入式设备的状态并操纵运转这些设备，从而方便的将信息传送到世界上任何地方。随着 w e b 技术的发展和应用，越来越多的网络通信设备甚至测试仪器都已经实现内置的嵌入式 w e b 服务器。用户、操作人员可以直接使用w e b 浏览器通过设备的以太网口或者其他网络 端口来远程访问内置w e b 服务器的专用网页，从而实现对设备运行状态的观测和运行参数 的配置等功能。因此，嵌入式系统在远程教育的远程实验、高校实验室设备管理、各高校 资源共享、实验数据回传等方面有着广阔的前景。可以预言，嵌入式系统将成为教育信息 化的一个重要的研究及应用领域。 4 山东师范大学硕士学位论文 1 3 论文的意义及主要工作 由于计算机软、硬件技术的飞速发展和人们的应用需求越来越高，特别是随着以a r m 、 p o w e r p c 、m i p s 等为代表的高性能嵌入式微处理器普遍使用，使传统意义上的嵌入式系统 的概念发生了很大的变化。以基于8 位机的嵌入式系统为例，当应用系统随着需求的增加 变得越来越复杂、使用范围变得越来越广泛时，系统每增加一项新的功能，都会带来应用 软件结构的变化，甚至需要完全重新设计。显然，没有操作系统的支持已经成为传统的嵌 入式系统的最大的缺陷，因此，研究与嵌入式系统有关的关键技术一嵌入式操作系统有着 相当重要的实际意义。印 本文以a r m 7t d m i 处理器$ 3 c 4 4 8 0 构成的硬件系统为基础，通过对嵌入式操作系统 t t c o s i i 的深入研究、剖析，结合w 曲应用编写系统内核程序，实现具有网络协议的嵌入 式实时操作系统软件环境。具体工作如下： ( 1 ) 通过对嵌入式实时操作系统t t c o s i i 的深入剖析，给出将其移植到$ 3 c 4 4 8 0 的一 种实现方法。 ( 2 ) 从简洁实用的角度出发，通过对l w i p 协议栈进行裁减，使之在g c o s i i 操作系统 中稳定运行，同时结合具体应用编写了网络驱动程序。 ( 3 ) 由于i t c o s i i 作为实时操作系统并没有自己的文件系统，因此，在系统实现中给出 了两种对h 聊l 文件进行处理的方案。 ( 4 ) 在t c p i p 协议栈稳定运行的基础上，实现应用层的h t t p 协议，能够在开发板上 运行一个简单的w e bs e r v e r ，从而为下一步开发更复杂的应用系统提供一个良好的运行环 境。 山东师范大学硕士学位论文 第二章e o si t c o s i i 应用设计总体方案与开发平台的搭建 2 1 t c o s i i 应用设计总体方案 本论文所实现的应用系统是基于s a m s u n g 公司的$ 3 c 4 4 8 0 处理器，以t t c o s i i 为操 作系统平台，在其上实现嵌入式w e bs e r v e r 。系统组成如图2 1 所示。 图2 1 嵌入式w e bs e r v e r 系统组成 从硬件上看，由处理器、时钟复位电路、8 ms d r a m 、2 mf l a s h r o m 及j t a g 口等部 件构成了处理器的“最小工作系统”，扩展了以太网电路模块等本系统中需要的功能部件。 软件部分划分为四个层次：从低到高依次为硬件抽象层、操作系统层、系统软件层( 即 t c p i p 协议栈) 和用户程序层。硬件抽象层的驱动程序完成f l a s h 读写、以太网接口的读写 等底层功能，程序中对硬件的操作代码封装成函数供上层的的程序调用。e o s 采用“进程” 或“任务”的方式进行管理，将系统中多个同时发生的事件划分为相对独立的“任务”，并赋 予一定的优先级交给t t c o s i i 管理。在t c p i p 协议栈层中，通过对l w i p 的裁剪，实现了 系统所需的网络通信协议，它是一组函数集。在用户应用程序里，系统的工作被划分为若 干任务，用户按照任务来模块化的编写处理程序，每个任务处理程序中包含一个循环执行 的程序段。在任务的设计时，协议栈共有两个任务：协议主任务和t c p 相关的时钟任务。 而w e b s e r v e r 应用程序则被视为一个用户网络任务，它需要协议栈任务的支持。由于r t o s 要求实时应用，这就存在以下问题：若把协议栈的任务级别定义的太高，则用户的程序可 能被协议栈任务打断；若设置的太低，则很少有机会运行，减少了网络处理的吞吐量。因 此，在协议栈中采用了一个宏定义，让网络任务的运行级别低于协议栈任务，同时将最高 6 山东师范大学硕士学位论文 优先级别留给实时任务。 2 2 嵌入式系统开发要点【2 】【8 】 嵌入式系统开发与运行平台框图如图2 2 所示： 图2 2 嵌入式系统开发与运行平台 由图2 2 可知，目标系统是无法建立复杂的开发平台的，因此嵌入式系统开发平台与 运行平台是分离的。进行嵌入式系统开发必须理清以下要点： ( 1 ) 使用交叉开发环境。即宿主机目标机方式。开发平台建立在软硬件资源丰富的p c 机上，通常称其为宿主机( h o s t ) ，应用程序的编辑、编译、连接等过程在h o s t 上完成； 应用程序的最终运行平台是与h o s t 有很大差别的嵌入式设备( t a r g e t ) 。这就导致在目标环 境下运行的程序在开发环境上是无法运行的，代码需下载至目标机上运行，调试在两者间 交互进行。 ( 2 ) 为了保证稳定性和实时性，应选用r t o s 开发平台。 ( 3 ) 为便于系统升级和应用软件移植，采用c c + + 与汇编语言的混合编程。即程序的 初始化部分用汇编语言编写，c c + + 完成主要的编程任务。 ( 4 ) 生成代码需固态化存储。即应用软件在目标环境下需以b i n 的文件格式存储在 f l a s h 中，以保证系统在掉电重启后仍能正常使用。 2 3 系统的调试架构及开发平台的搭建 如图2 3 所示，一个调试系统由三部分组成：调试主机是一台运行调试软件的计算机， 通过这些软件，主机可发出高层的调试命令，如设置断点、访问内存等；协议转换器负责 转换d e b u g 主控端发出的高级a r m 调试命令，将其转换为底层的a r mj t a g 调试命令和 a r m 内核通信的j t a g 命令；调试目标机是$ 3 c 4 4 8 0 开发板。经过协议转换器进行命令 解释，主机上运行的调试软件就可以通过j t a g 接口直接与m c u 内核通信。 7 山东师范大学硕士学位论文 u s b 图2 3 调试系统架构 本系统开发平台选用了a d s ( a r md e v e l o p e rs u i t s ) i d e ，利用它建立自己的工程，经 过a r m a s m 汇编、8 1 m g a ：编译、a r m l i n k 链接之后，生成包含调试信息的a x f 映像文件，也 就是a r m 的e l f 可执行映像文件，然后使用a x d 对含调试信息的可执行e l f 格式的映像 文件进行调试，若结果正确，就通过f r o m e l f 工具将e l f 文件转换为二进制b i n 文件，最后 把程序下载到目标板的f l a s hr o m 中去。 8 山东师范大学硕士学位论文 第三章系统的硬件平台 3 ia r m 处理器与$ 3 c 4 4 8 0 a r m 是a d v a n c e dr i s cm a c h i n e 的缩写，同时，它也是业界领先的3 2 位嵌入式r i s c 处理器的技术提供商。a r m 不是单片机，而是一个单片机的内核，它是一个不断发展的 处理器家族。目前，这个家族中主要有a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l o 和s e c u r c o r e 等几个产品系列。而以a r m 为核的单片机也在不断飞速的发展。目前，全世界较大的芯 片生产商大都在应用a r m 技术，3 2 位a r m 体系结构已经成为一种事实上的标准。随着 a r m 处理器在全球范围的流行，3 2 位的r i s c 嵌入式处理器已经成为高中端嵌入式应用 和设计的主流。 所谓以a r m 为核，就是把a r m 作为中央处理器，根据需要设计出外围功能模块， 用总线把这些功能模块和a r m 核连接在一起，组成一个单片机。这个单片机由a r m 核 控制，a r m 核执行指令，并根据指令对外围设备发出各种控制命令。 本文选用了一款基于a r m 内核的3 2 位r i s c 芯片s 锄s u n g 公司的基于 a r m 7 t d m i 内核的$ 3 c 4 4 8 0 芯片。它支持片上的i c e 断点调试，内含3 2 位的硬件乘法 器，并通过提供丰富的、通用的片上外设，减少了嵌入式系统中的元器件配置，从而使系 统成本最小化。 3 2 硬件系统的设计及主要功能模块概述1 9 】f 1 0 】 3 2 1 硬件系统的设计 本系统的主要目的是实现i n t e r a c t 的嵌入式接入，采用接入到以太网的形式，通过以 太网接入到i n t e r n e t 中。硬件实现框图如图3 1 所示。 9 山东师范大学硕士学位论文 图3 1 系统硬件框图 硬件系统的设计主要是c p u 与外围设备接口的设计，因此必须对c p u 相关引脚进行 深入的研究。s 3 c 4 4 8 0 共有1 6 0 个引脚，尽管引脚较多，但根据各自的功能，分布很有规 律：电源和接地引脚有2 0 多根，再除去地址总线、数据总线和通用i o 口以及其他的专用 模块如a d c ，i i s ，i i c ，u a r t , l c d 等的接口，余下的引脚便是需要认真对待的控制信号引