（机械电子工程专业论文）基于can总线和以太网的嵌入式系统设计与研究.pdf

西北一业人学硕士学位论文摘要 摘要 随着信息与网络技术的发展，嵌入式系统渗透到各个领域，得到了广泛的应 用。嵌入式c ，o s i i 因为免费、源代码开放以及强大的网络功能受到了越来越多 的重视。 在工业控制领域，利用现场总线实现工业控制自动化，已经有十多年的历 史了。如今随着计算机网络的发展，工业控制的发展方向也从原先的信息孤岛或 局部总线向互联网方向发展。然而，由于最初计算机网络的先天条件局限，导致 了其在工业控制领域的发展缓慢。如何把计算机网络，特别是以太网( e t h e r n e t ) 应用到工业控制领域，已经是目前信息领域研究的热点。 c a n ( c o n t r 0 1 a r e a n e t ) 总线作为一种优秀的现场总线，诞生于二十世纪八 十年代后期，由于其可靠性好、实时性高，因此被广泛的应用到汽车、航空、工 厂等领域。如果把c 肼总线和以太网互联，就能把两者的优点结合起来，扬长避 短，大大提高控制系统的分布式特性，真正做到企业信息系统集成。 本文以嵌入式l l c o s i i 为平台，在分析了c a n 总线和以太网的网络模型的 基础上，对c a n 总线和以太网以及二者之间的互联进行了相关研究，并设计实 物系统进行验证。主要成果如下： 根据研究目的，选择合适方案，以高速的a i t m 7 处理器l p c 2 2 9 0 为核心， 设计了一套基于c a n 总线和以太网嵌入式系统。 研究了c a n 总线原理和数据传输机制，根据需要，设计c a n 智能节点，完 成了软硬件设计，并组建c 州网络。 研究了t c p i p 协议栈的组成和内部实现原理，并以此为基础进行网络编程。 研究u c o s i i 操作系统内核运行机制，分析其内部功能组成，完成了其在f i 标板上的移植，并编写了在u c o s i i 下的c a n 总线设备驱动程序。完成了 u c o s i i 操作系统下c a n t c p i p 应用程序，实现c a n 数据和以太m 数据的双 向稳定传输。 编写p c w i n d o w s 下的客户端程序，并利用v b 完成系统上位机显示控制界 面设计。 开发的系统经过实验测试具备较好的易用性和稳定性，完全实现了以太网和 c a n 网络信息双向传递功能。 关键词：嵌入式系统，u c 0 s i i ，c a n ， t c p i p 西北工业大学硕十学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t hm ed e v e l o p m e n to fi 幽m a t i o na 1 1 dn e t w o r kt e c h n o l o g y ，m ee m b e d d e d s y s t e mi sa p p l i e dw i d e l yi na l lk i n d so f n e l d s a n di nt h ef i e l do f e m b e d d e do p e r a t i o n s y s t e m ， m o r ep e o p l eh a v ef o c u s e dt l l e i ra t t e n t i o no n 肛c o s i ib e c a u s eo fi t sf r e e ， s o u r c ec o d eo p e n i n ga n ds t r o n gn e t w o r kf u n c t i o n ， e t c i nt h ef i e l do fi n d u s t r i a lc o n t r 0 1 ，f i e l db u sh a sb e e nu s e di ni n d u s t r i a la u t o m a t i c c o n t r o la r e af o ro v e rt e ny e a r s n o ww h 订et h ec o m p u t e rn e t w o r ki sr a p i d l y e x p a n d i n g ， i n d u s t r i a lc o n t m l i sc h a n g i n gf r o mt h ei s o l a t e di n f o r m a t i o nc o m p o n e n t s o rp a r t l yn e t w o r k st oi n t e m e ts y s t e m s b u tb e c a u s e o ft h es p e c i a l t yo fc o m p u t e r n e t w o r k ， u s i n gc o m p u t e rn e t w o r ka st h ef i e l db u si sd e v e l o p i n gs l o w l y h o wt ou s e 廿1 ec o m p u t e rn e t w o r k ， e s p e c i a l l yt ou s ee 血e m e ti ni n d u s t r i a lc o m r 0 1a r e a ， h a s b e c o m eah o tq u e s t i o n c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ( c a n ) ，a sa g o o dk i n do f f i e l db u s ，w a sb o m i nt h ee n d o ft w e n t vc e n t u r v i th a sb e e nw i d e l vu s e di na u t o m o t i v e ，a “a t i o n ，a n di n d u s t r i a l d e v i c e ，e t c ，b e c a u s ei t ，sg o o da tr e h a b i l i t ya n dr e a l 一t i m ea b i l i t y i fw ec o n n e c tt h e c 气nn e tt o 也ee t h e m e tn e t ，t h ee x c e l l e n c eo f t l l e s et w ob u s e sc o u l db ec o m p o u n d e d ， a n dt h e nt h ed i s t r i b u t i n gc h a r a c t e r i s t i co fc o n t r o ls y s t e mw o u l db ei n c r e a s e dm u c h ， m ei n t e 乒a t i o no fi n f o r m “o ns y s t e mw o u l db er e a l i z e d u s i n g c o s i ia st h ef o u l l d a t i o n ， b a s e do nt h ea n a l y s i so nt h em 6 d e lo fc a n c o m m u 芏1 i c a t i o np r o t o c o l sa i l de t h e m e tc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 s ，t 1 1 er e s e a r c ho f c a na n de m e m e ta 1 1 dt h ec o r u l e c t i o no ft h e mh a sb e e nd o n e a n dt h e nt h es y s t e m h a sb e e nd e s i g n e d t h em a i na c h i e v e m e n t sa sf 0 1 1 0 w s ： a c c o r d i n gt ot h ep u r p o s eo fs t u d y ，a ne m b e d d e ds y s t e mb a s e do nc a na n d e t h e r n e ti sd e v e l o p e do nt h ec o r eo f h i g h s p e e da r m 7 p r o c e s s o rl p c 2 2 9 0 t h ep r i n c i p l ea 1 1 dt h ed a t at r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mo fc a nb u si ss t u d i e d t h e n d e s i g n e dt h ec a ni n t e l l i g e n tn o d e s ( i n c l u d i n gs o f t w a r ea n dh a r d w a r e ) a n dc o m p l e t e d t h ec a nn e t w o r ka c c o r d i n gt h en e c e s s a r i e s t h ec o n s t i t u t i o na n di n s i d er e a l i z a t i o no ft c p i pi ss t u d i e d a n db a s e do nt h a t ，l m m t h en e t w o r kp r o g r a m m i n g t h eo p e r a t i n gm e c h a n i s mo fp c o s - i ii ss t u d i e d ， a n da n a l y z e di t si n s i d e c o n s t i t u t i o n a n e rt 1 1 a t ，it r a n s p 】a n tt h e c 0 s i t t ot h eg o a 】b o a r d ：c a nb u sd e v i c e d r i v e rf o r “c 0 s i ii sc o m p l e t e d t h e nr e a l i z e dt h eb i d i r e c t i o n a ld a t at r a n s m i s s i o n 1 1 曲北丁业大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t b e t w e e nt h ec a nn e ta n de t h e m e tn e ta r e rc o m p l e t i o no fc a n t c p i ps e r 、t e r p r o g r 锄b a s e do n “c o s - i io p e r a t i o ns y s t e m t h ec l i e mp r o g r 锄b a s e do np c 一n d o w si sg i v e n ， a 1 1 df i n i s h e dt h ei n t e 曲c ef o r d i s p l a y i n ga n dc o n t r o l l i n g ，w h i c h u s e sv i s u a lb a s i c t h e s y s t e m h a sa l r e a d yi m p l e m e m e di t sf u n c t i o n s o fb i d i r e c t i o n a ld a t a t r a n s m i s s i o nb e t 矾f e e nc a nn e ta i l de m e m e tn e t a n di tg e t sg o o ds t a b i l i t ya n d u s a b i l i t y k e y w o r d s ： e m b e d d e ds y s t e m ， c ，o s i i ， c a n ，t c p ，i p 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属于西北工业大学。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。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本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和汇编本学位论文。同时本人 保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：丝k 兰指导教师签名：垒f 查 甜砷薛7 月和扫- 7 年。，月) 。日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果， 不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：垒l 堡 加7 年了月w 日 ， 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究意义 第一章绪论 在工业控制领域，随着仪器仪表智能化的提高和工业管理自动化的深入，大 量的智能设备需要通过网络相互通讯，实现智能化现场设备的功能自治性、系统 结构的高度分散性以及管控一体化。现场总线顺应了现场设备智能化的发展趋势， 以总线作为节点间实现数字通讯的纽带，构成数字式、双向传输、全分散、多分 支结构的控制网络【1 】。现场总线的出现适应了工业控制系统向分散化、网络化和智 能化发展的方向，并且促使目前的自动化仪表、集散控制系统和可编程控制器等 产品所面临的体系结构和功能结构产生重大变革，导致工业自动化领域的一次更 新换代i ”。 现场总线技术使得工业设备仪器不再是独立的信息孤岛，通过总线技术，它们 可以彼此之间共享软硬件结合体，这是现场设备网络化的重大突破，但是现场总 线依然属于“车间设备级层”，未能实现跨地域的控制网络口l 。 随着计算机、控制、通讯、网络等信息技术的发展，信息交换的领域已经覆盖 了工厂、企业乃至世界各地的市场口】。为实现工业企业的综合自动化，需要建立 包含从工业现场设备层到企业控制层、管理层等各个层次的网络平台。以太网以 其能便捷地访问远程系统、共享访问多数据库等优势，许多现场总线系统最终都 连接到以太网，做到资源共享，高效地完成复杂的控制任务。不仅保证横向设备 间的相互通讯，同时为数据信息的纵向传递提供通道。工业设备接上i n t e m e t 使得 远程监控、协同工作的距离和范围更广更远。 各种总线在不同厂家设备中的广泛应用，也引出了一个网间转换的课题。本文 针对现场总线中比较有代表性的c a n 总线网络与以太网之间的互联，设计了一套 基于c a n 总线和以太网的嵌入式系统。 1 2 国内外发展现状 现场总线将各个独立的设备连接在一起，实现了设备级网络互联；以太网为实 现工业控制信息化提供了途径，本文所设计和研究的嵌入式系统主要由这两部分 组成。对于嵌入式系统将放在下一章进行详细介绍，以下介绍现场总线和以太网 两种技术的发展现状。 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 1 现场总线发展现状 4 5 6 现场总线控制系统既是一个开放通讯网络，又是一种全分布控制系统。它作为 智能设备的联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备联接为网络系 统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显 示、监控、优化及控管一体化的综合自动化功能。 现场总线其规模应属于局域网、总线型结构，它简单但能满足现场的需要。它 要传输的信息帧都短小，要求实时性很强、可靠性高。然而现场的环境干扰因素 众多，有些很强烈且带突发性。这些都决定了现场总线必须有自己特色。 2 0 世纪8 0 年代现场总线技术才开始形成和发展，这是与微型计算机，特别是 嵌入式系统的高速发展分不开的。在十几年的时间中，已经出现了好几种现场总 线技术走向成熟并且得到逐步的推广应用，显示出特有的优势和强大的生命力。 目前主要流行的总线有以下几种：基金会现场总线、p r o f i b u s 、c o n 仃o l n e t 和 c a n 总线等，每种总线技术侧重面不一样，各有特色，主要应用的领域也不尽相 同。 1 基金会现场总线f f ( f o u n d 拍o nf i e i d b 璐) f f 的前身是以美国f i s h e r r o s e m o 吼t 公司为首，联合f o x b o r o 、横河、a b b 等8 0 家公司制定的i s p 协议，以及以h o n e y w e l l 公司为首，联合欧洲等地的1 5 0 家公司制 定的w o r df i p 协议。1 9 9 4 年这两大集团合并，成立了基金会现场总线。基金会现 场总线的主要技术包括f f 通讯协议，用于完成开放式互联模型( 开放式互联模型 在6 。l 节中论述) 中的第2 一? 层通讯协议的通讯栈( c o m m u 越c a t i o ns t a c k ) ，用于 描述设备特征、参数、属性及操作接口的d d l 设备描述语言、设备描述字典，用 于实现测量、控制、工程量转换等应用功能的工程块，实现系统组台、调度、管 理等功能的系统软件以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。 基金会现场总线分为低速和高速两种传输速率。低速的传输速率3 1 2 5 k b p s ， 传输距离可以达到1 9 0 0 m 。高速的传输速率可为1 m b p s 和2 ，5 m b p s ，它们的通讯距 离分别为7 5 0 m 和5 0 0 m 。基金会总线物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码，每段 最多允许2 4 0 个节点，段数目最多可达6 5 o 个，最大允许报文可达1 2 8 个比特组。 2 p r o 仰u s p m f i b u s 是集合德国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 0 的现场总线标准， 多用于过程控制、大型装配和物料输送机械，并由p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s - f m s 、 p r o f i b u s p a 组成了p r o f i b u s 系列。d p 型用于分散外设间的高速数据传输，适合加 工自动化领域的应用。f m s 的含意为现场信息规范，p r o n b u s f m s 适用于纺织、楼 宇自动化、可编程控制器、低压开关等。而p a 型则是用于过程自动化的总线类型。 p r o 俞b u s 总线最多可以挂接1 2 7 个节点，通讯速率可达1 2 m b s ，是目前现场总线 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 中通讯速率最高的。 3 d e “c e n e t d c v i c c n c t 是由灿l e n - b r 硼e y 公司开发的一种基于c a n 的开放的现场总线标准。 d e v i c e n c t 作为一种高性能的协议。目前在美国和亚洲市场上处于领导地位，其系 统解决方案在欧洲也取得了显著的业绩成长。 像其它的协议一样，d 嘶c 心c t 协议最基本的功能是在设备及相应的控制器之 间进行数据交换。因此，这种通讯协议是基于面向连接的( 点对点或多点传送) 通讯模型建立的。d e v i c e n e t 既可以工作在主从模式，也可以工作在多主模式。 d e v i c e n e t 的报文主要分为高优先级的进程报文( 报文) 和低优先级的管理报文 ( 直接报文) 。两种类型的报文都可以通过分段模式来传输不限长度的数据。 d c 、，i c e n e t 的通讯和应用都是基于对象模型的。预先定义好的对象简化了不同厂商 的不同设备的数据交换。通过建立不同设备的子集，用户可以从进一步的规范化 中获益。 4 c a n c o n t r o ia r e an e t w o r k 1 9 8 6 年，c a n 总线由德国b o s c h 公司在s a e 上正式提出，用于汽车内部测量与 执行部件之间的数据通讯，其总线规范现己被国际标准化组织( i s o ) 制定为国际 标准。由于得到了m o t o r o l a 、h 烈、p h i l i p 、s i 咖c e 、n e c 等公司的支持，它广泛 应用在离散控制领域。c a n 的通讯速率为1 m b p s ( 4 0 m ) 和5 k b p s ( 1 0 h n ) ，节点 数可达到1 1 0 个。c a n 总线仅仅包括了i s o ，o s i 参考模型( i s 0 ，o s i 模型有关概念见 6 1 节) 的l 、2 层( 即物理层和数据链路层) ，针对这种情况，人们为c a n 总线定 义了诸如c a n o p 铋等开放的、标准的高层协议( 属于第7 层，应用层) ，这种协议 为c a n 网络提供了标准的、统一的系统新模式，促进了c a n 总线的使用。和其他 总线相比，c a n 总线的数据通讯具有突出的可靠性、实时性和灵活性，其特点主 要如下： ( 1 ) 它是一种多主总线，即每个节点机均可成为主机，且节点机之间也可进行 通讯，而不分主从。 ( 2 ) c a n 总线通讯接口中集成了c a n 协议的物理层和数据链路层功能，可完成对 通讯数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余校验、优先级 判别等项工作。 ( 3 ) c a n 协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通讯数据 块进行编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限 制，数据块的标识码可由l l 位或2 9 位二进制数组成，因此可以定义2 “或2 ” 个不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收 到相同的数据，这一点在分布式控制中非常重要。 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 ( 4 ) c 州总线采用非破坏总线仲裁技术，避免出现网络瘫痪情况。 ( 5 ) c a n 协议采用c r c 检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通讯的可 靠性。 ( 6 ) c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上的其它节 点不受影响。 c a n 总线所具有的卓越性能、极高的可靠性和独特设计，特别适合工业设备测 控单元互联。因此倍受工业界的重视，并已公认为是最有前途的现场总线之一。 1 2 。2 以太网发展现状 9 】 以太网是一种分组交换局域网技术，最早由施乐( x e r o x ) 公司开发，用来在 网络中传输数据。它定义了一组标准，比如数据传输速率、网络访闯机制和在任 一给定的时间段内网络能传输的最大数据量等。 以太网系统由硬件和软件两大部分组成，二者共同实现以太网系统各计算机之 间传输信息和共享信息。以太网的构成必需具备四个基本要素： 1 以太网帧( 缸m e ) ，它是一系列标准化的数据位，用来在系统中传输数据。 2 介质访问控制协议( 圮d ha c c e s sc o n 仰lp r o t o c 0 1 ) ，它由一整套内嵌于各 个以太网接口的规则组成，它允许多个计算机以公平的方式访问共享的以 太网信道。 3 信号部件( s i 印a l i i 喀唧n e n t ) ，它们是一些标准化的电子设备，用来在 以太网信道中发送和接收信号。 4 物理介质( p h y s i c a lm e d i 啪) ，由电缆和其他用来在联网的计算机之间传 输数字式以太网信号的硬件部件组成。 以太网系统的核心概念是帧。网络硬件，如以太网接口、介质电缆等，都仅仅 是用来在计算机之间传输以太网帧。以太网操作是基于介质访闯控制协议的。介 质访问控制协议是一套规则，用来协调和控制连接到共享信道上的一组计算机对 信道的访问。这种操作模式也称为半双工以太网，以此来区别可选的全双工模式。 以太网已成为最普及的联网技术：从局域网到城域网、广域网，从企业网到电 信网，以太网都坚定地进行着渗透。 1 3 主要研究内容及应用 要实现企业信息集成，企业信息集成网络必须是一个实时网络系统，是一个基 本结构为二层的总线型网络，下层是采用现场总线协议的现场网络，该层网络的 主要功能是完成生产现场各个设备的数据采集与控制，上层是采用t c p i p 协议的 4 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 以太网通讯总线的管理网络，该层网络的主要功能是完成企业设备和仪器的集成 监视、控制与管理等功能【1 “。针对这种上下层沟通的需求，当前的主流解决方案 一般有如下两种：( 1 ) 片内集成方式，即采用专用的c a n 总线以太网接口 芯片；( 2 ) 片外集成方式：以太网卡+ 现场总线接口卡+ p c 机。但这两种方法成本 过高，而且前一种的开发周期长，为此，本人设计一种基于l p c 2 2 9 0 单片机的新 型c a n 以太网互联系统，实现c a n 网络和以太网直接数据通讯，构成一个远程 监控数据传输的嵌入式系统，解决以上问题。 本课题的主要研究对象是联接工业现场c a n 总线和局域网( 以太网) ，实现c a n 总线协议和以太网协议解析和转换的嵌入式网关。主要设计内容为c a n 智能节点 的软硬件设计、嵌入式网关( 硬件和软件) 和显示控制界面设计。 1 系统硬件平台的设计，包括整体框架的规划、各模块电路接口的设计、p c b 制版以及系统调试。这部分的重点是正确绘制原理图； 2 移植嵋0 s i i 操作系统进行任务管理，实现数据的接收、发送以及协议转 换等复杂控制； 3 c a n 节点的软硬件设计，组建c a n 网络 4 研究t c p i p 协议栈，并以此为基础进行网络开发 5 完成上位机显示控制系统的设计 5 西北工业大学硕士学位论文 第二章嵌入式系统 2 1 嵌入式系统简介 第二章嵌入式系统 嵌入式计算机系统出现于2 0 世纪6 0 年代。4 0 多年来随着计算机技术、电子 信息技术等的发展，嵌入式计算机的各项技术也蓬勃发展，市场迅速扩大，嵌入 式计算机已深入到生产和生活的每个角落。 嵌入式计算机系统与通用计算机系统的本质区别在于系统应用不同，嵌入式系 统是将一个计算机系统嵌入到对象系统中。这个对象可能是庞大的机器，也可能 是小巧的手持设备，用户并不关心这个计算机系统的存在。 不严格的说：嵌入式计算机系统是任意包含可编程计算机的设备，但这种设备 不是作为通用计算机而设计的( “a 卫ys o no fd e v i c ew l l i c hi n c l u d 嚣ap r o 脚a b l e c 咖p u t e rb u ti t s e l f i sn o ti n t 跚d e dt ob cag e r a lp i l r p o c o m l 【e r i i l 】”) 。因此，嵌入 式计算机系统一般只是运行平台，不能独立作为开发平台。它们不能被用户编程， 有一些专用的i o 设备，对用户的接口是应用专用的”】。 通常将嵌入式计算机系统简称为嵌入式系统。 嵌入式系统已经渗透到生活的各个方面，不同的应用其形式和名称各异，因此 目前没有一个统一的定义。除了上述定义外，常用的定义归纳如下： 1 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，适 用于应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗等方面有特殊要求 的专用计算机系统【1 3 l 。 2 。正e e 定义是“d 喇c eu s e dt dc o i l 仃0 1 ，m o n i t d r ，o r 嬲s i s t l l eo p e 糟l i o no f c c l u i p m e m ，m a c i h i n e r yo rp l a n ：t s 3 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与各个行业 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。 美国著名的未来学家葛洛庞帝在1 9 9 9 年访华时曾预言，4 5 年后嵌入式将是 继p c 和h t e i n d 之后最伟大的发明。这个预言已经成为现实，现在的嵌入式系统 正处于高速发展阶段。 2 2 嵌入式系统组成 嵌入式系统一般包含嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统和应用 7 西北工业大学硕士学位论文第二章嵌入式系统 程序4 个部分。嵌入式领域已经有丰富的软硬件资源可以选择，涵盖了通讯、网 络、工业控制、消费电子、汽车电子等各种行业。 2 2 1 嵌入式处理器3 1 4 | ”6 1 嵌入式处理器是嵌入式系统硬件的核心。目前嵌入式处理器可分成以下4 类： 1 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c m p m c 髂s o ru n i t ，e m 口u ) 嵌入式微处理器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，虽然嵌入式微处理器在 功能上和标准微处理器基本是一致的，但一般在工业温度、抗电磁干扰及可靠性 方面都做了各种增强。 和工业控制计算机用处理器相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本 低及可靠性高等优点，但在电路板上必须包括r o m 、r a m 、总线接口以及各种外 设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。嵌入式微处理器及其 存储器、总线和外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机。 嵌入式处理器目前主要有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c - 4 0 0 、p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、 m 口s 和删系列等。 2 嵌入式微控制器( m i c 挪c o n t m u e ru n i t m c u ) 嵌入式微控制器又称单片机，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入 式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成r o m 愿p r o m 、 r a m 、总线、总线逻辑、定时计数器、w 。i t c l l d o g 、i o 、串行口、脉宽调制输出、 a 仍、d ，a 、f l a s hr a m 等各种必要功能的外设。为适应不同的应用需求，一般一 个系列的单片机具有多种衍生品，每种衍生品的处理器内核都是一样的，不同的 是存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配， 功能不多不少，从而减少功耗和成本。 与嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而 使功耗和成本下降，可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控 制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。 嵌入式微控制器目前比较有代表性的通用系列包括8 0 5 l 、p 5 1 x a 、 m c s 9 6 1 9 6 2 9 6 、6 8 3 0 0 和数目众多的a r m 芯片等。 3 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i 舀t a ls j 印a lp m c 鹤s o r ，e d s p ) d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行数字信号处理 算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、f f t ，谱分析等方面数 字信号处理算法正在大量进入嵌入式领域，数字信号处理应用正从在通用单片机 8 西北工业大学硕士学位论文第二章嵌入式系统 中以普通指令实现d s p 功能，过渡到采用嵌入式d s p 处理器。 嵌入式d s p 处理器比较有代表性的产品是1 1 的1 m s 3 2 0 系列和m o o 啪i a 的 d s p 5 0 0 0 系列。 4 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 随着e d i 技术的推广和v l s i 设计的普及化，及半导体工艺的迅速发展，已经 可以在一个硅片上实现一个复杂的系统，即s o c 。用户只需定义出其整个应用系 统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除个别无法集成 的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统 电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。 s o c 可以分为通用和专用两类。通用系列包括s i e 玎1 髓s 的t r c o ，m o t o r o l a 的m c o m ，某些a i u 讧系列器件等。专用s o c 一般专用于某个或某类系统中，不 为一般用户所知。比较具有代表性的产品是p m l i p s 的s m a n ) ( a 。 2 2 2 嵌入式软件系统 嵌入式软件是计算机软件的一种，具有软件的一般特性，但更重要的还是具有 其自己的特殊性。嵌入式软件具有以下特点： 规模小，开发难度大 嵌入式软件的规模一般比较小，但开发难度大，需要开发的软件可能包括板级 初始化程序、驱动程序、应用程序和测试程序等，而且一般都要涉及到底层软件 的开发，应用软件的开发也是直接基于操作系统的。 快速启动，直接运行 嵌入式软件需快速启动，上电后在几十毫秒内就会进入正常工作状态。为此， 多数嵌入式软件事先已被固化在n o r f l a s h 等快速启动的主存中，上电后直接启动 运行；或从n o r f l 曲调入到内存后直接运行；或被存储在电子盘中，上电后快速 调入到r a i i 中运行。 实时性和可靠性要求高 大多数嵌入式系统都是实时系统，有实时性和可靠性的要求。这两方面除了与 嵌入式系统的硬件有关外，还与嵌入式系统的软件密切相关。 程序一体化 嵌入式软件是应用程序和操作系统两种软件的一体化程序。 两个平台 嵌入式软件具有开发平台和运行平台两个平台，如图2 1 所示。 9 西北工业大学硕士学位论文第二章嵌入式系统 罐 。” “j 开发平台 2 运行平台 开发环境 、 设计 谭 嵌 式软件 ： 编辑，缘译、莲接试 应用软件 ： 调试嗣试 代 嵌入式o s? 理 啻= f 始他，驱动 k j 宿主机q s ：w l n d d 怖等 = ； # p c 机工作站等 教八式磋俘j ； 熬勰 图2 - l 嵌入式软件的开发平台和运行平台 1 嵌入式软件体系结构 嵌入式软件的体系结构如图2 2 所示，包括驱动层、操作系统层、中间层和应 用层。 ( 1 ) 驱动层 驱动层是直接与硬件打交道的一层，它对操作系统和应用提供所需驱动的支 持。该层主要包括三种类型的程序： 板级初始化程序这些程序在嵌入式系统上电后，初始化系统的硬件环境， 包括微处理器、存储器、d 姒和定时器等的初始化。 与系统软件相关的驱动这类驱动是操作系统和中间件等系统软件所需的 驱动程序，它们的开发要按照系统软件的要求进行。 与应用软件相关的驱动与应用软件相关的驱动不一定需要与操作系统连 接，这些驱动的设计和开发由应用决定。 ( 2 )操作系统层 操作系统层包括嵌入式内核、嵌入式t c p 口网络系统、嵌入式文件系统、嵌 入式g u i 系统和电源管理部分。其中嵌入式内核是基础和必备部分，其他部分要 根据嵌入式系统的需要来确定。 ( 3 )中间件层 目前在一些复杂的嵌入式系统中也开始采用中间件技术，主要包括嵌入式 c 0 r b a 、嵌入式j a v a 、嵌入式d c o m 和面向应用领域的中间件软件。 l o 西北工业大学硕士学位论文第二章嵌入式系统 圈2 2 嵌入式软件的体系结构 ( 4 ) 应用层 应用层软件主要由多个相对独立的应用任务组成，每个应用任务完成特定的工 作，如i o 任务、计算的任务和通讯任务等，由操作系统调度各个任务的运行。 2 嵌入式软件运行流程 基于多任务操作系统的嵌入式软件的主要流程如图2 3 所示。该运行流程主要 分为5 个阶段。 ( 1 ) 上电复位、板级初始化阶段 嵌入式系统上电复位后完成板级初始化工作。不同的嵌入式系统，板级初始化 时要完成的工作具有一定的特殊性，但以下工作一般必须完成。 c p u 中堆栈指针寄存器的初始化 b s s 段( b 1 0 c ks t o r a g es p a c e ) 的初始化 c p u 芯片级的初始化，中断控制器、内存等的初始化 ( 2 ) 系统引导升级阶段 系统引导主要有几种情况；1 ) 将系统软件从n o r f l a s h 中读出来加载到r a m 中运行。这样可以解决成本及f l a s h 速度比r a m 慢的问题。2 ) 将软件从外存( 如 c f 卡和n a n f l a s h 等) 中读出来加载到r m 中运行。3 ) 不将软件引导到r a m 中， 而是让其直接在n o r f l 部h 上运行，进入系统初始化阶段。 进入系统升级阶段后，系统可通过网络进行远程升级或通过串口等进行本地升 级。 西北工业大学硕士学位论文第二章嵌入式系统 图2 _ 3 嵌入式软件流程 ( 3 ) 系统初始化阶段 在该阶段进行操作系统等系统软件各功能部分所必需的初始化工作，如根据系 统配置初始化数据空间、初始化系统所需的接口和外设等。系统初始化阶段需要 按特定顺序进行，如首先完成内核的初始化，然后完成网络、文件系统等的初始 化，最后完成中间件等的初始化工作。 ( 4 ) 应用初始化阶段 在该阶段进行应用任务的创建，信号量、消息队列等的创建和与应用相关的其 他初始化工作 ( 5 ) 多任务应用阶段 各种初始化工作完成后，系统进入多任务状态，操作系统按照已经确定的算法 进行任务的调度，各应用任务完成特定的功能。 3 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统就是应用于嵌入式系统的操作系统，其产品出现于2 0 世纪8 0 年代初。近1 0 年来，嵌入式操作系统得到飞速的发展，从支持8 位微处理器到1 6 位、3 2 位甚至6 4 位微处理器：从支持单一品种的微处理器芯片到支持多品种的微 处理器芯片；从只有内核到除了内核还提供其他功能模块，如文件系统、t c p 皿 网络系统和窗口图形系统等。 各种操作系统可以从不同的角度进行分类，从实时性角度来分，嵌入式操作系 统可以分为： 嵌入式实时操作系统具有强实时特点，如v x w o d ( s ，q n x ，n l l c l e a r 等。 非实时嵌入式操作系统一般只有弱实时性特点，如w i i ic e ，嵌入式ii n l d 【等。 1 2 西北工业大学硕士学位论文第二章嵌入式系统 嵌入式实时操作系统在目前的嵌入式应用中用的越来越广泛，尤其在功能复 杂、系统庞大的应用中显得越来越重要。嵌入式实时操作系统不但提高了系统的 可靠性，而且提高了开发效率，缩短了开发周期，充分发挥了3 2 位c p u 的多任 务潜力。 2 3 嵌入式系统的发展趋势【1 5 】 以信息家电、移动终端、汽车电子和网络设备等为代表的互联网时代的嵌入 式系统，不仅为嵌入式市场展现了美好前景，注入了新的生命，同时也对嵌入式 系统技术提出新的挑战。这主要包括：支持日益增长的功能密度、灵活的网络连 接、轻便的移动应用、多媒体信息处理、低功耗、支持二次开发和动态升级等。 面对这些需求，嵌入式系统的主要发展趋势有以下几方面。 1 形成行业的标准一行业性嵌入式软硬件平台 嵌入式系统是以应用为中心的系统，不会像p c 机一样只有一种平台；但它会 吸收p c 的成功经验，形成不同行业的标准。同一的行业标准具有开放、设计技术 共享、软硬件重用、构建兼容、维护方便和合作生产等特点，可以增强行业性产 品的竞争力。 2 s o c 将成为主流 随着e d a 的推广、v l s i 设计的普及化及半导体工艺的迅速发展，可以在一个 硅片上实现一个更为复杂的系统，这就是s o c ( s y s t 锄o nc h i p ) 。它可以满足嵌 入式系统应用领域的广泛性、不断增加的复杂性、联网的需要等，因此，s o c 将 成为嵌入式系统的主流。 3 嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持 为了满足应用的需求，设计师在软件设计上需采用实时多任务编程技术和交 叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计，保障软件质量和缩短开 发周期。 目前，已有大量嵌入式实时操作系统进入我国市场，嵌入式操作系统将在现 有的基础上，不断采用先进的操作系统技术，结合嵌入式系统的需求，向可适应 不同嵌入式硬件平台并具有可移植、可伸缩、可配置、良好的实时性和高可靠性 等方向发展。 4 嵌入式系统联网成为必然趋势 为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，面向2 1 世纪的嵌入式系统要求 配备一种或多种标准的网络通讯接口。 5 嵌入式系统向新的嵌入式计算模型方向发展 ( 1 ) 支持自然的人际交互和互动的、图形化的、多媒体的嵌入式人际界面。 1 3 西北工业大学硕士学位论文 第二章嵌入式系统 ( 2 ) 可编程的嵌入式系统嵌入式系统可支持二次开发，如采用嵌入式j a v a 技术可动态加载和升级软件，增强嵌入式系统功能。 ( 3 ) 支持分布式计算与其他嵌入式系统和通用计算机系统互联，构成分布式 计算环境。 1 4 西北工业大学硕士学位论文第三章系统总体方案设计与功能分析 第三章系统总体方案设计与功能分析 具有显示、测量、信息传递等功能的嵌入式系统和因特网联接起来就可以构成 一个远程的测控系统本设计的具体功能应用就是基于c a n 总线和以太网的远程 测控系统，可以广泛应用于电力监控、小区楼字监控和工厂设备监控等场合。 一个系统的体系结构是实现系统的基础，体系结构的好坏直接决定着整个系统 的性能。一个性能优越的远程测控系统，应具备以下特点： 透明性把系统划分为不同的子系统，每个子系统在完成自己功能的同时向 与其相连的子系