（信号与信息处理专业论文）基于arm的嵌入式安防系统的研究与设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 目前嵌入式系统在工业控制和智能家电方面运用地越来越广泛，嵌入式系 统应用于安防报警产品，使安防报警产品越来越智能化。未来产品技术将朝着 数字化、无线化、集成化方向发展，因此本文设计了一个基于嵌入式系统的安 防报警器。 嵌入式防盗报警系统，由可编程主机、遥控器、各种防盗、防抢探测器组 成，可通过局域网与小区的监控中心连接，组成一套有线安全防范网络。一旦 发生情况，能把报警信息通过通讯网络瞬间远程传输到用户设定的电话、手机、 传呼机。同时向监控中心报告，监控中心电脑确定发生警情的地址，及时调动 人员作出快速处理。 本文设计以3 2 位a r m 9 2 0 t 处理器s 3 c 2 4 10 a 为主控芯片，操作系统采用 嵌入式l i n u x 操作系统。本文详细阐述一下几点： ( 1 ) 研究了g s mm o d e m 的数据传输的特点和工作原理，熟悉控制短信猫的 a t 指令；分析了烟雾、防盗、煤气等传感器的性能指标和门限数据。为下面的 系统的设计与研究提供了必要的理论基础。 ( 2 ) 建立硬件开发平台，对a r m 处理器平台的集成功能进行了研究。其中重 点研究了a r m s 3 c 2 4 1 0 处理器，对其性能进行了分析；对处理器的内存设计进 行的分析；对所应用的串口电路进行了详细的研究。 ( 3 ) 采用了嵌入式l i n u x 系统作为操作系统，对l i n u x 系统的内核和文件系统 作了进一步的研究。详细研究了l i n u x 系统的b o o t l o a d e r 的功能以及它的编译与 烧写；l i n u x 内核的剪切、编译和烧写；l i n u x 文件系统的编译与烧写；加载l i n u x 各种服务，比如n f s 协议服务。为系统开发搭建了软件平台。 ( 4 ) a a m 处理器与g s mm o d e m 通过串口进行数据传输的软件设计；a r m 处理器与监控中心的网络传输的软件设计。本系统实现了l i n u x 系统串口和网口 进行数据的传输，并对系统性能进行了测试，测试表明平台达到设计要求，性 能稳定。 关键词：g s m 短信猫，a r m 处理器，l i n u x 操作系统，串口传输，网络传输 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t , 锄b o d d o ds y s t e m sa l eu s e di naw i d er a n g ei ni n d u s t r i a lc o n t r o l sa n d i n t e l l i g e n th o m ea p p l i a n c e s s e c u r i t ya l a r mp r o d u c t sa r em o r ea n dm o r ei n t e l l i g e n t b e c a u s eo f 锄b 。d d e ds y s t e m su s e di ns e c u r i t ya l a r mp r o d u c t s t e c h n o l o g yw i l lb e d e v e l o p m e n ti nd i g i t a l ，w i r e l e s s ，a n di n t e g r a t e do ft h ef o r m e ri nf u r t u r e , s od e s i g n e d as e c u r i t ya l a r ms y s t e mb a s e do ne m b e d d e ds y s t e mi nt h i sp a p e r e m b e d d e da n t i - t h e f ta l a r ms y s t e m , b yt h ec o m p o s i t i o no f t h eh o s tp r o g r a m m a b l e , r e m o t ec o n t r o l ，av a r i e t yo fa n t i - t h e f td e t e c t o r , a n dt h r o u g ht h el o c a la r e an e t w o r kt o c o n n e c tt h em o n i t o r i n gc e n t e ro ft h ec o m m u n i t yt of o r maw i r e ds e c u r i t yn e t w o r k o n i c et h ee v e n li tc a nr e p o r tt ot h ea l a r mi n f o r m a t i o ni n s t a n t l yt h r o u g ht h e t e l e c o m m u n i c a t i o n sn e t w o r kt ot h eu s e r s s e t t i n g t h er e m o t et r a n s m i s s i o no f t e l e p h o n e , c e l lp h o n e ，p a g e r a tt h es a m et i m er e p o r tt ot h ec o n t r o lc e n t e r , c o n t r o l c e n t e rc o m p u t e rg a l ld e t e r m i n et h ee v e n ta d d r e s s ，a n dt i m e l ym o b i l i z a t i o no f p e r s o n n e lt od e a lw i t ht h ee v e n t i nt h i sp a p e r , d e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hu s e dt h e3 2 - b i ta r m 9 2 0 t p r o c e s s o r s 3 c 2 410 aa st h em a s t e rc h i p ，e m b e d d e dl i n u xi su s e d 笛t h eo p e r a t i n gs y s t e m t h i sp a p e re l a b o r a t eo ns e v e r a lp o i n t s ： ( 1 ) s t u d yt h ed a t at r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fg s m m o d e m ，f a m i l i a rw i t ht h ec o n t r o lo fa tc o m m a n d so fc a tg s mm o d e m ；a n a l y s i s o fp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r sa n dt h r e s h o l dd a t ao fs m o k e , b u r g l a ra l a r m s ，g a s s e n s o r s ，p r o f i d e dt h en e c e s s a r yt h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ef o l l o w i n gs y s t e md e s i g na n d r e s e a r c h ( 2 ) t h ee s t a b l i s h m e n to fh a r d w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m , s t u d yo f t h ei n t e g r a t i o n f u n c t i o n so fa r mp r o c e s s o r - b a s e dp l a t f o r m s ，f o c u s e do nt h ea r m s 3 c 2 4 10 p r o c e s s o r , i t sp e r f o r m a n c e i sa n a l y z e d ，a n d a n a l y s i so f t h ed e s i g no fm e m o r yo ft h e p r o c e s s o r ，r e s e a r c ho f t h ea p p l i c a t i o no ft h es e r i a lp o r to fc i r c u i ti nd e t a i l ( 3 ) u s eo fe m b e d d e dl i n u xs y s t e m 勰t h eo p e r a t i n gs y s t e m ，f u r t h e rs t u d y o f 武汉理工大学硕士学位论文 l i n u xs y s t e mk e r n e la n df i l es y s t e m s t u d yo ft h eb o o t l o a d e ro fl i n u xs y s t e mi n d e t a i l ，a n dt h ec o m p i l e ra n dp r o g r a n u n e ro fi t ；c u t t i n gl i n u xk e r n e l ，t h ec o m p i l i n g a n dl o a d i n gl i n u xk e r n e l ；c o m p i l e i n ga n dl o a d i n gf i l es y s t e m , c o n f i g u r a t i o no fn f s p r o t o c o lo fl i n u xs y s t e m ；l o a dl m u xs e r v i c e s ，s u c ha st h en f sp r o t o c o ls e r v i c e s ； s t r u c t u r e sf o rs o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mo fs y s t e m ( 4 ) t h es o f t w a r ed e s i g no fd a t at r a n s m i s s i o nt h r o u g ht h es e r i a lp o r to fa r m p r o c e s s o ra n dg s mm o d e mf o r , t h e s o f t w a r ed e s i g no fd a t at r a n s m i s s i o n b e t w e e n a r mp r o c e s s o ra n dn e t w o r km o n i t o r i n gc e n t e ro t h es y s t e ma c h i e v e dt h e d a t at r a n s m i s s i o nt h r o u g hn e t w o r kp o r ta n ds e r i a lp o r tf o rb a s eo nl i n u xs y s t e m , t h es y s t e mp e r f o r m a n c et e s t ss h o wt h a tt h es y s t e mm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ， p e r f o r m a n c ei ss t e a d y k e yw o r d s ：g s mm o d e m ，a r mp r o c e s s o r , l i n u xs y s t e m , s e r i a lt r a n s m i s s i o n , n e t w o r kt r a n s m i s s i o n 1 1 1 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。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了谢意。 签名： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研煳蚴：j 洚搠鞠面吣期圳j 7 r 牛舻 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题的提出 第1 章绪论 智能防盗器的功能及行业发展前景随着我国的社会、经济的发展，人们的 生活水平有了很大的提高，人们的安全意识也得到了相应的提高，但与此同时， 社会人口流动性大大增加了，社会结构和社会治安都日趋复杂，因此，人们对 家庭生命财产的安全越来越重视。由于入室抢窃、偷盗诸多社会问题的出现， 人们也对自己的安全问题空前的忧虑和关注。但长期以来，由于防盗门过度依 赖机械锁，致使现有防盗门虽质地坚固，但并不保险，并非真正意义上的防盗 门。许多的店铺、仓库、别墅、酒店分布比较分散，有时人力很难监管，也经 常发生偷盗、火灾重大安全事故。如何防患于未然，防盗报警装置就可胜任这 些工作，随着国家智能化建筑的推广和普及，防盗报警系统成为家庭安全的重 要的一部分。所以家庭安防必须有新的系统、新的方法能够提供相应的解决方 法，这就给防盗报警器材提供了很大的商机。基于此，开发以红外、电子、无 线通讯为核心技术的电子防盗报警器材是必行之路，它变传统的被动式消极防 盗为报警式积极防盗，安全性高，使用简单，价格低，市场应用前景广阔。 1 2 国内外发展现状 安防系统将迎来整合时代在数字化时代，安防系统的产业环境和消费环 境，都已经发生了很大的变化。从原来很少有人了解安防的概念，到现在人们 大量的使用诸如主动红外线探测器、双鉴或三鉴探测器、瓦斯气体探测器、烟 感探测器等等安防报警系统、可视对讲系统、门禁系统以及远程抄表等。 以往，很多场所用安防产品都有自己独特的功能，且已经构成了独立的系 统。在使用上消费者就会感觉安防产品使用起来比较麻烦，功能太单一。这与 他们所期望的功能全面、使用方便的数字家庭产品还有很大差距。因此，一种 武汉理工大学硕士学位论文 完全能够与3 g 融合的数字化解决方案已成家庭安防系统发展的必然趋势。 现阶段很多厂家也号称他们的可视对讲系统是联网的，他们的可视对讲也 可以连接安防产品，也能够实现远程抄表等等；但是，他们的这种联网，只是 实现地址等简单数据的网络连接，而语音和图像信号，还是通过一条或几条模 拟信道的传输来实现的。一个小型的上述网络，有一千个以上的用户( 一个一 千户的小区，就有一千个终端用户) ，如果有一对用户之间进行语音对话的话， 其他用户再使用该系统，就会受到影响。因此，他们不可能真正连接到因特网 上去，更不可能与数码产品实现无缝链接，也就根本没有办法与3 g 融合。 其实真正使安防系统接入i n t e m e t 方法很简单，就是使用嵌入式系统，对安 防系统进行整合! 对于安防系统的整合，关键是接入i n t e r n e t ，我们可以借鉴p c 机常用的做法，可以通过( m o d e r a ) 调制解调器上网，也可以通过以太网卡经 局域网或a d s l 上网，当然还可以使用无线方式接入。 作为家庭安防系统的整合，可以考虑使用目前正快速发展的3 2 位嵌入式计 算机。所谓3 2 位嵌入式计算机，也就是高档单片机。因为它具有优越的单机性 能和足够的运行速度，能够将安防系统的功能和上网w 曲浏览器功能集于一身。 3 2 位嵌入式计算机的引入，可以使我们的家庭安防系统的体积更加小巧，外型 更加精美，依然采用低电压供电等等。 当然最重要的应该是因为3 2 位嵌入式计算机功能的强大，可以容纳的软件 的空间，使安防系统能够从本质上得到提高。 其实我们目前安防产品也在大量使用8 1 6 位单片机，针对8 1 6 位单片机接 入i n t e r n e t 的方案，也已经有许多尝试。但是由于单机性能的限制和运行速度较 低，无法对安防系统进行有效的整合，各个系统的综合利用程度，相对较低。 3 2 位嵌入式计算机的应用，使系统获得了较大的使用空间，这样就可以更 好地整合家庭安防系统中的其它性能和功能。 首先，我们可以在没有安装可视对讲系统的老式建筑里面，不用任何布设 线路，直接安装包含可视对讲在内的嵌入式系统。它不需要另外的单独布设线 路，所以这对于老式的建筑改造，提供了重要的替代设备。 拥有了这样基于i n t e m e t 的“可视对讲系统一之后，同样不需要布设其它任 何线路，在住宅当中，安装红外幕帘、主动红外线对射、被动红外线探测器、 红外双鉴探测器、红外三鉴探测器、窗磁、门磁、紧急救助按钮、可燃气体探 测器、有害气体探测器、烟感探测器、温度探测器、和湿度探测器等各种各样 2 武汉理工大学硕士学位论文 的报警探测器，使我们的住宅真正处在一个更加安全及高效的监控系统之中。 当然，既然基于i n t e r n c t 之上，同样可以将电表数据、水表数据、燃气表数据、 热力表数据等等，接入“报警监测监控系统一，并通过l n t c r n c t 将数据传送给市 政部门；还可以在家里的不同位置，根据我们自己的需要，安装摄像机、拾音 器、电控锁和其他的控制器等电子产品使我们的生活更加便利。 对于已经拥有局域网，或有条件布设局域网的建筑，在入住之初或建设之 时，安装基于i n t c r n e t 网络的安防系统，也包含了可视对讲系统、安全防范报警 系统、数据采集系统、远程监测监控系统，等等。 1 3 本文的主要研究内容 本论文是对基于a r m 1 i n u x 系统进行的家庭安防系统的设计，根据项目要 求，选择高性能芯片打造硬件平台，并将l i n u x 系统成功移植到平台上。最后， 通过测试表明符合设计要求。 本论文主要包括如下内容： 第1 章：绪论，家庭安防系统的发展现状和本文所设计的安防系统的主要 内容。 第2 章：嵌入式系统的概述以及与其相关的硬件的介绍。 第3 章：家庭安防系统开发平台的搭建。其中包括硬件平台和软件平台。 其中涉及到了l i n u x 内核和文件系统的剪切，编译与烧写。 第4 章：家庭安防系统的具体设计。主要是l i n u x 串口和网络通信两个方面。 相关的还有与g s m 有关的a t 指令通信和服务器的监控端。 第5 章：对控制平台的系统性能进行测试，给出了测试结果，并得出系统 性能良好的结论。 3 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章嵌入式系统概述 2 1 嵌入式操作系统 2 1 1 嵌入式操作系统的简介 根据i e e e 的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备 运行的装置”。这主要是从应用上加以定义的，从中可以看出嵌入式系统是软 件和硬件的综合体。不过上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的精髓，目前 国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬 件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用 计算机系统。简单地说，嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体，类似于 p c 中b i o s 的工作方式，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点， 特别适合于要求实时和多任务的体系。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关 支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是可独立工作的“器件一。 在明确了嵌入式系统定义基础上，我们可从以下几方面来理解嵌入式系统： ( 1 ) 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，嵌入式系统是与应用 紧密结合的，它具有很强的专用性，必须结合实际系统需求进行合理的裁减利 用。嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品 同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 ( 2 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业 的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密 集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 ( 3 ) 嵌入式系统必须根据应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、 可靠性、成本、体积等要求。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。 ( 4 ) 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是 不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 嵌入式操作系统的选择 目前市场上的操作系统很多，本系统采用了l i n u x 操作系统，主要是看中了 它一下几个方面： ( 1 ) 免费：这对我们使用着来说是一个巨大的诱惑，我们不用去购买的昂贵 的正版软件，或者遭受购买盗版软件后的一系列麻烦。l i n u x 允许人们自由的使 用和发布它，而不需付费。 ( 2 ) 开放源代码：l i n u x 属于开放源代码软件，开放性是指系统遵循世界标准 规范，特别是符合业界标准的强大的t c p i p 网络协议。 ( 3 ) 高扩展性、可维护性、可移植性：开发人员可以通过修改源代码来进行 功能的扩展，l i n u x 可以在广泛的硬件平台上运行且有类似的接口，用户可以把 应用程序从一个平台很方便地移植到另一个平台上。 一 ( 4 ) 优异的网络性能：完善的内置网络功能是l i n u x 的一大特点。l i n u x 在通 信恶化网络功能方面要明显优越于其他操作系统。通过免费提供大量i n t e m e t 网 络软件为用户提供完善而强大的网络功能。 2 2 嵌入式处理器 2 2 1 嵌入式处理器的简介 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，目前据不完全统计， 全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1 0 0 0 多种，流行体系结构有3 0 几个 系列，其中8 0 5 1 体系的占有多半。生产8 0 5 1 单片机的半导体厂家有2 0 多个， 共3 5 0 多种衍生产品，仅p h i l i p s 就有近1 0 0 种。现在几乎每个半导体制造商都 生产嵌入式处理器，越来越多的公司有自己的处理器设计部门。嵌入式处理器的 寻址空间一般从6 4 k b 到1 6 3 2 m b ，处理速度从0 1 m i p s 至t 2 0 0 0 m i p s t l o 】。 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t , e m p u ) 的基础是通用计 算机中的c p u 。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌 入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌 入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一 5 武汉理工大学硕士学位论文 样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。和工 业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高 的优点，但是在电路板上必须包括r o m 、r a m 、总线接口、各种外设等器件， 从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。 2 2 2a r m 系列处理器 鉴于a r m 微处理器的众多优点，随着国内外嵌入式应用领域的逐步发展， a r m 微处理器必然会获得广泛的重视和应用。但是，由于a r m 微处理器有多 达十几种的内核结构，几十个芯片生产厂家，以及千变万化的内部功能配置组 合，给开发人员在选择方案时带来一定的困难，所以，对a r m 芯片做一些对比 研究是十分必要的。以下从应用的角度出发，对在选择a r m 微处理器时所应考 虑的主要问题做一些简要的探讨。从前面的介绍可知，a r m 微处理器包含一 系列的内核结构，以适应不同的应用领域，用户如果希望使用w i n c e 或标准l i n u x 操作系统，就需要选择a r m 7 2 0 t 以上带有m m u ( m e m o r ym a n a g c m c n t u n i t ) 功能的a r m 芯片, a r m 7 2 0 t 、a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 、a r m 9 4 6 t 、s 臼o n g - a r m 都带有m m u 功制1 3 】。而a r m 7 t d m i 则没有m m u ，不支持w i n d o w sc e 和标 准l i n u x ，但目前有u c l i n 弧以及u c o s i i 等不需要m m u 支持的操作系统可运 行于a r m 7 t d m i 硬件平台之上。 ( 1 ) 系统的工作频率： 系统的工作频率在很大程度上决定了a r m 微处理器的处理能力。a r m 7 系列微处理器的典型处理速度为0 9 m i p s m h z ，常见a r m 7 芯片系统主时钟 2 0 m h z 1 3 3 m h z ：a r m 9 系列微处理器的典型处理速度为1 i m i p s m h z ，常见 a r m 9 的系统主时钟频率为1 0 0 m h z 2 3 3 m h z ( 2 ) 芯片内存储器的容量： 大多数a r m 微处理器片内存储器的容量都不大，需要用户在设计系统时外 扩存储器，但也有部分芯片具有相对较大的片内存储空间，如a t m e l 的 a t 9 1 f 4 0 1 6 2 就具有高达2 m b 的片内程序存储空间，用户在设计时可考虑选用 这种类型，以简化系统的设计。 ( 3 ) 片内外围电路的选择： 除a r m 微处理器核以外，几乎所有的a r m 芯片均根据各自不同的应用领 6 武汉理工大学硕士学位论文 域，扩展了相关功能模块，并集成在芯片之中，我们称之为片内外围电路，如 u s b 接口、i i s 接口、l c d 控制器、键盘接口、r t c 、a d c 和d a c 、d s p 协 处理器等，设计者应分析系统的需求，尽可能采用片内外围电路完成所需的功 能，这样可以简化系统的设计，同时提高系统的可靠性1 1 6 1 。 2 3 小结 本章主要介绍了嵌入式操作系统和嵌入式处理器。操作系统方面首先对操 作系统的特点和功能进行了说明；对嵌入式操作系统l i n u x 进行了详细的介绍。 嵌入式处理器方面首先对嵌入式处理器的特点进行了说明，接着对应用比较广 的a r m 系列处理器进行的结构功能进行了介绍。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章安防系统开发平台 3 1 硬件开发平台 3 1 la r m 开发板 本系统采用g e c 2 4 1 0 开发板进行开发实验。开发板结构如图3 - 1 所示 图3 - 1 开发板外观图 1 注要硬件功能介绍： ( 1 ) 采用三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 ，主频可达2 0 3 m h z ； ( 2 ) 6 4 m 字节的s d r a m ，由两片k 4 s 5 6 1 6 3 2 组成，工作在3 2 位模式下； ( 3 ) 6 4 m 字节n a n d f l a s h ，采用的是k 9 f 1 2 0 8 ，可以兼容1 6 m ，3 2 m 或1 2 8 m 字节：2 m 字节的n o r f l a s h ，采用的是s s t 3 9 v f l 6 0 1 ； ( 4 ) 1 0 m 以太网接口，采用的是c s 8 9 0 0 q 3 ，带传输和连接指示灯； ( 5 ) 2 路u a r t 串行口，波特率可高达1 1 5 2 0 0 b p s ，有r s 2 3 2 电平转换电路； 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 2 $ 3 c 2 4 1 0 处理器 三星s 3 c 2 4 l o x 处理器就是一款基于a i w 9 2 0 t 标准的a r m 处理器。 s 3 c 2 4 1 0 x 处理器核由a r m g t d m i 、存储管理单元和高速缓存三部分组成。 其中m m u 可以管理虚拟内存。高速缓存由独立的1 6 k b 地址和1 6 k b 数据高速 c a c h e 组成1 1 7 】。 r m 9 2 0 t 有两个内部协处理器：c p l 4 和c p l 5 。c p l 4 用于调试控制，c p l 4 用于存储系统控制以及测试控制。s 3 c 2 4 1 0 x 的主频可达2 0 3 m h z ，扩展总线最 大频率1 0 0 m h z 。 $ 3 c 2 4 1 0 x 的可扩展资源丰富，主要包括：1 个l c d 控制器，s d r a m 控制 器，3 个通道的u a r t ，4 个通道的d m a ，4 个具有p w m 功能的计时器和1 个内部时钟，8 通道的l o 位a d c ，触摸屏接口，1 2 5 总线接口，2 个u s b 主机 接口和1 个u s b 设备接口，2 个s p i 接口，s d 接口和m m c 卡接口，看门狗计 数器，1 1 7 位通用拍接口和2 4 位外部中断源，8 通道1 0 位a d 控制裂墙l 。 3 1 3 串口的设计构造 串行口是计算机一种常用的接口，具有连接线少，通讯简单，得到广泛 的使用。常用的串口是r s 2 3 2 c 接口( 又称e i ar s 2 3 2 c ) 它是在1 9 7 0 年由美国电子工业协会( e 认) 联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终 端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。 s 3 c 2 4 1 0 的u a r t ( 通用异步串行接口) 单元提供了三个独立的异步串行i o 端口，每个都可以在中断和d m a 两种模式下进行，他们支持的最高波特率是 l1 5 2 k b p s 。每个u a r t 通道包含2 个1 6 位f i f o 分别提供个接收和发送。s 3 c 2 4 1 0 的u a r t 可以进行以下参数的设置：可编程的波特率，红外收发模式，l 或2 个 停止位，5 位、6 位、7 位或8 位数据宽度和奇偶校验【1 9 】。 要完成基本的通信功能，实际上值需要r x d 、t x d 和g n d 即可，但由于 r s 一2 3 2 一c 标准所定义的高、低电平信号于$ 3 c 3 2 4 1 0 系统的i ，电路定义 的高、低电平信号完全不同，i ，唧，的标准逻辑“1 ”对应2 3 3 v ，标准逻辑“0 ” 对应0 0 4 v ，而r s 2 3 2 c 标准采用负逻辑方式，逻辑“1 ”对应一5 1 5 v ，标 准逻辑“0 ”对应+ 5 一+ 1 5 v 。显然两者间要进行通信，必须经过电平的转换，转 9 武汉理工大学硕士学位论文 换芯片采用m a x 2 3 2 t 2 0 1 。如图3 - 2 所示： 3 2 软件开发平台 3 2 1p c 机软件开发环境 图3 - 2 串口设计电路 绝大多数的l i n u x 软件开发都是以n a t i v e 方式进行的，即本机( h o s t ) 开 发、调试，本机运行的方式。这种方式通常不适合于嵌入式系统的软件开发， 因为对于嵌入式系统的开发，没有足够的资源在本机( 即板上系统，这里指实 验箱) 运行开发工具和调试工具。通常嵌入式系统软件的开发采用交叉编译调 试的方式。交叉编译调试环境建立在宿主机( 即一台p c 机) 上，对应的开发板 叫做目标板【2 l 】。 开发时使用宿主机上的交叉编译、汇编及连接工具形成可执行的二进制代 码，( 这种可执行代码并不能在宿主机上执行，而只能在目标板上执行) 然后 把可执行文件下载到目标机上运行。调试时的方法很多，可以使用串口，以太 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 网口等，具体使用哪种调试方法可以根据目标机处理器所提供的支持作出选择。 宿主机和目标板的处理器一般都不相同，宿主机为i n t e l 处理器，而目标板为 s a m s u n g 系列的$ 3 c 2 4 1 0 。g n u 编译器提供这样的功能，在编译编译器时， 可以选择开发所需的宿主机和目标机从而建立开发环境。所以在进行嵌入式开 发前第一步的工作就是要安装一台装有指定操作系统的p c 机作宿主开发机，对 于嵌入式l i n u x ，宿主机上的操作系统一般要求为r e d h a tl i n u x ，在此，我们推荐 使用r c d h a t 9 0 作为宿主机( 开发主机) 的操作系统。需要宿主机器在硬件上具 有标准串口，并口，网口；软件上具有目标板的l i n u x 内核、r a m d i s k 文件系统 映像以及b o o t l o a d o r l 2 2 。软件的更新通常使用串口或网口，最初的b o o t l o a d e r 烧 写是通过并口进行的。 在宿主机上我们要建立交叉编译调试的开发环境。环境的建立需要许多的 软件模块协同工作，这将是一个比较繁杂的工作，但现在已完全由光盘上的安 装脚本自动完成了。将光盘插入c d r o m ，执行下列命令： m o u n t d e v c d r o m m n t c d r o m 严挂载光盘户3 1 c d m n t o d r o m 产进入光盘 i n s t a l l 产执行开发环境自动安装脚本 当开发环境安装完毕后，会在根目录下生成两个目录： $ 3 c 2 4 1 0l i n u x严嵌入式系统开发工作目录 o p t 交叉编译环境目录 n f s 协议的配置也是一个重要的环节，因为p c 机遇开发板的数据传输要用 至u n f s 协议。n f s ( n e t w o r kf i l es y s t e m ) 2 4 】指网络文件系统，是l i n u x 系统中 经常使用的一种服务，n f s 是一个r p cs e r v i c e ，很像w i n d o w s 中的文件共享服 务。 v i e t c e x p o r t s 在e x p o r t s 文件中加入： y u y a n g( r w ，n o _ r o o t _ s q u a s h , n o _ a u _ s q u a s h ) 其中。y u y a n g 是一个被其他计算机访问到并读写的文件夹【3 0 1 。 重新启动服务，使我们的设置生效： e t c r c d i n i t d n f sr e s t a r t 现在n f s 就可以使用了。 注：在l i n u x 的t e r m i n a l 下，可以使用i f c o n f i g 命令来给设定本机i p 。例如： 武汉理工大学硕士学位论文 # i f c o n f i ge t h o5 9 6 97 4 x x x 同样在i i l i i l i m 中也可以用该命令给实验箱设置i p 地址。宿主机和实验箱 i p 要配成同一网段内的。这样按照上面的步骤，在e x p o r b 文件中设置宿主机可 以被访问的文件目录，和实验箱的i p 地址，就可以在m i m c o l n 下，让实验箱通过 网络挂接( m o u m ) 到宿主机的相应文件夹。 3 2 ，2 开发板软件开发环境的搭建 3 22 1b i o s 的编译安装 d m o s 的安装 ( 1 ) 用2 0 针排线将g e c 2 4 1 0 的2 0 针j t a g 接口( j 1 ) 与j t a g 小板的相 连，再用并口线将j t a g 小板与p c 机相连。然后将光盘里的“f l a s h 烧写”文件 夹拷贝到c 盘( 硬盘的其他地方也行) 。 ( 2 ) 然后点击该文件夹下的s j f 2 4 1 0b i o sb a t 批处理文件，显示信息如图 3 - 3 所示： 划圈 图3 - 3烧写工具提示信息 烧写程序所支持的f l a s h 都列出来了，有k 9 s 1 2 0 8 ( n a n d ，“m ) 、 2 8 f 1 2 8 j 3 a 、a m 2 9 l v 8 0 0 、s s t 3 9 v f l 6 0 1 等口6 1 。 在出现上面的界面后，我们在“s e l e c t t h e f u n c t i o i l t o t e s t ：”提示下，输入3 然后回车，接着在“s e l e c t t h e f u n c t i o n t o t e s t ：”提示下，输入0 ，然后回车 武汉理工大学硕士学位论文 开始烧写，烧写完成自动退出d o s 框。 2 ) g e c 2 4 1 0 的b i o s 功能说明 g e c 2 4 1 0 开发板所带的b i o s 主要功能有文件下载( u s b 和串口) f l a s h 烧写( n o r 和n a n d ) 、启动存储在f l a s h 中的程序、设置启动参 数( 针对l i n u x ) ，设置w i n c e 或l i n u x 的自启动b i o s 菜单的0 和l 号功能 分别是u s b 和串口下载，都是配合d n w 这个程序使用的。 在d n w 上的c o n f i g u r a t i o n 菜单的o p t i o n s 选项里可以选择p c 和开发 板通信的串口和波特率，还可以指定u s b 下载时开发板要将下载的文件保存到 s d i 乙w 中的起始地址。 对于g e c 2 4 1 0 开发板，s d 洲的物理起始地址是0 x 3 0 0 0 0 0 0 0 ，结束 地址是0 x 3 4 0 0 0 0 0 0 ，大小是6 4 m b y t e s ，所以指定的u s b 下载地址要在此范围 内。另外b i o s 自身占用了o x 3 0 1 0 0 0 0 0 的一段空间因此在用b i o s 的u s b 下载功能时应指定地址大于等于0 x 3 0 1 0 0 0 0 0 。用串口下载时，b i o s 内部固定 了下载地址为0 x 3 0 2 0 0 0 0 0 。b i o s 在下载结束后，会询问是否执行下载的程序， 利用此功能可引导l i n u x 及用户自编的应用程序。 3 2 2 2 内核的剪切、移植与编译和烧写 1 ) 配置移植l i n u x 内核 ( 1 ) 解压内核包 将提供的l i n u x 内核压缩包解包到你所想要的目录下，输入如下命令： t a rz x v f m n t c d r o m l i n u x k e r n e l 2 4 1 0 她【2 刀 ( 2 ) 编辑m a k e f i l e 文件 进入解压的目录后，运行命令： v im a k e f i l e 找到c r o s sc o m p i l e = o p t h o s t a r m 4 b i r d a r m 4 1 u l l k l l o w n 1 i n u x 这行【矧， 将它改为： c r o s sc o m p i l e = a r m 1 i n u x 【捌 设置如图3 4 所示： 武汉理工大学硕士学位论文 图3 _ 4 编译工具参数设置界面 设置好编译器保存后退出。 ( 3 ) 配置内核 输入命令：m a k e m e m u c o n f i g 进入配置栏的“l o a d a l t e r n a t e c o n f i g u r a t i o n f i l e ”【 具体操作如图3 - 5 所示： 图3 - 5 内核参数设置界面 ( 3 ) 执行命令：m a k ed e p ( 4 ) 接着输入命令：m s k ez l m a g e 2 ) l i n u x 内核的烧写 ( 1 ) 上电启动开发扳，进入b i o s 界面，如图3 - 6 所示： ( 2 ) 接上u s b d e v i c e 的连接线，选择“0 ”，选择u s b 下载，注意用u s b 下载要先在p c 端装好驱动程序，保证u s b 连接好，有时p c 端出现发现无 法识别的u s b 设时，可在b i o s 中输入e s c 取消下载，等几秒钟再输入0 武汉理丁大学硕士学位论文 启动u s b 下载。出现“n o wu s bi sc o r m e c t e d ”说明u s b 正确枚举了，这时 可以通过u s b 下载了。如图3 1 所示： p l e a s es e l e c tf i n c d d r ：o s b m 甜f i l e 1 ：目a r td o m l o a d h l e * i t e i f l 砷畦c - 曲l 删f m l o a df f a f a nf r u h a df l a s hj n m e r a s e “f l j 嘲r 口i _ b i t eh i sf l a md t hd o m l o a dh l e s e tb e o tp a r a n e s e t t e b o o td a r a n e t e r