（机械电子工程专业论文）嵌入式数据终端平台的研究与开发——软件设计.pdf

硕士论文嵌入式数据终端平台的研究与开发 摘要 嵌入式数据终端平台的研究与开发是在充分了解江苏光一科技有限公司需求 的基础上设计的，研制的目的是为公司提供一个可进行数据终端产品二次开发的平 台。本文主要介绍了平台软件部分的设计和开发。 论文对嵌入式数据终端平台的需求进行了具体分析，在调研了多款嵌入式处理器 和实时操作系统的基础上，选择了l p c 2 2 9 2 处理器和hc o s l l 操作系统作为系统的 硬软件平台，建立了系统的总体结构；基于l p c 2 2 9 2 处理器( a r m 7 t d m i 内核) 移植 了uc o s - l l 操作系统，并对移植代码进行了简单测试，测试表明操作系统移植成功； 论文研究并设计开发了存储模块驱动、通信模块驱动、人机接口模块驱动，扩展了u c o s 一0 操作系统的驱动函数，方便了用户在二次开发过程中产品应用程序的编写； 完成了对开发平台的集中调试并在开发平台上验证了外围驱动函数的准确性。 对开发平台的集中测试表明：系统达到了预期的功能和性能要求，实现了课题研 究的预期目标。 关键词：嵌入式，a r m ，uc o s l l 操作系统，驱动函数 硕士论文嵌入式数据终端平台的研究与开发 a b s t r a c t t h ee m b e d d e dd e v e l o p m e n tp l a t f o r r no fd a t at e r m i n a li s d e s i g n e do nb a s i so f d e m a n da n a l y s i sf o rj i a n g s ue l e f i r s tt e c h n o l o g yl i m i t e dc o m p a n yi no r d e rt oo f f e ra s e c o n dd e v e l o p m e n tp l a t f o r mw h i c hi su s e dt od e s i g nd a t at e r m i n a lp r o d u c t s t h et h e s i s m a i n l yi n t r o d u c e st h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to f s o f t w a r ep a r to f t h i sp l a t f o r m o nt h eb a s i so fd e m a n da n a l y s i so fe m b e d d e dd a t at e r m i n a lp r o d u c t sa n dt h er e s e a r c h o nv a r i e t yo fm i c r o p r o c e s s o r sa n de m b e d d e do p e r a t es y s t e m s ，t h i sp l a t f o r mi sd e s i g n e d b a s e do nl p c 2 2 9 2m i c r o p r o c e s s o ra n d c 0 s i i uc 0 s i ii s t r a n s p l a n t e d t o l p c 2 2 9 2m i c r o p r o c e s s o r ，t h e nt h et r a n s p l a n t e dc o d ei st e s t e d n l ee x t e r n a le q u i p m e n t d r i v e r s ，w h i c hw i l lh e l pt h ep r o g r a m m e rt od e s i g nu s e rp r o g r a mo fp r o d u c t sd u r i n gt h e s e c o n d d e v e l o p m e n t ，a r ed e s i g n e d a n dd e v e l o p e d ，s u c ha sm e m o r ym o d u l e ， c o m m u n i c a t i o nm o d u l e m a n - m a c h i n ei n t e r f a c em o d u l e n l cp l a t f o r l i ii s d e b u g g e d s u c c e s s f u l l ya n dt h ee x t e r n a le q u i p m e n td r i v e r sa r ep r o v e dr i g h t t h et e s tr e s u l t so ft h ee m b e d d e dd e v e l o p m e n tp l a t f o r mo fd a t at e r m i n a ls h o wt h a t t h es y s t e mh a sm e tt h ef u n c t i o nd e m a n da n dr e a l i z e dt h ea n t i c i p a t i v eg o a l k e y w o r d s ：e m b e d d e d ，a r m ，r t o s ，d i v e r s i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：糸红 加6 年6 月2 妇 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：叠丝乙叫年。月；泪 硕士论文 嵌入式数据终端平台的研究与开发 l 绪论 1 1 课题研究背景 1 1 1 嵌入式系统的现状 随着社会的日益信息化，计算机和网络已经全面渗透到日常生活的每一个角落。 对于我们每个人来说，需要的已经不仅仅是那种放在桌上处理文档、进行工作管理和 生产控制的计算机“机器”。任何一个普通人都可能拥有从d , n 大的、各种使用嵌入 式技术的电子产品，小到m p 3 、p d a 等微型数字化产品，大到网络家电、智能家电、 车载电子设备等。目前，各种各样的新型嵌入式系统设备在应用数量上已经远远超过 了通用计算机。在工业和服务领域中，使用嵌入式技术的数字机床、智能工具、工业 机器人、服务机器人正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式。 嵌入式技术自上世纪9 0 年代出现以来，对它的研究和应用开发如火如荼，目前 已成为通信和消费类产品的共同发展方向。嵌入式技术的应用领域主要有【l 】： ( 1 ) 工业控制 基于嵌入式芯片的工业自动化设备具有很大的发展空间，目前已经有大量的8 、 1 6 、3 2 位嵌入式微控制器应用在工业过程控制、数控机床、电力系统、电网安全、 电网设备监测、石油化工系统等领域。 ( 2 ) 交通管理 在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方厦，嵌入式技术已经获得了广泛 的应用，内嵌g p s 模块、g s m 模块的移动定位终端已经在各种运输行业成功使用。 ( 3 ) 信息家电 这将成为嵌入式系统最大的应用领域，冰箱、空调等的网络化、智能化将引领人 们的生活步入一个崭新的空间。 ( 4 ) 家庭智能管理系统 水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，其中嵌入的专业控制芯 片将代替传统的人工检查，并实现更高、更准确和更安全的性能。 ( 5 ) p o s 网络及电子商务 公共交通无接触智能卡发行系统、公共电话卡发行系统、自动售货机、各种智能 a t m 终端。 - ( 6 ) 环境监测 环境监测包括水文资料实时监测、防洪体系及水土质量监测、堤坝安全、地震监 测网等。在很多环境恶劣、地况复杂的地区嵌入式系统将实现无人监测。 ( 7 ) 机器人 1 硕士论文 嵌入式数据终端平台的研究与开发 嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化、智能化方面的优势更加明显，同时会大 幅度降低机器人的价格，使其在工业领域和服务领域获得更广泛的应用。 除了以上这些，嵌入式系统还有其他更广泛的应用，可以说，嵌入式系统已“无 处不在”，已经进入到人们生活的方方面面。 1 1 2 嵌入式系统的发展趋势 信息时代、数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展机遇，为嵌入式市场展现 了美好的前景。毋庸置疑，嵌入式系统应用正进入飞速发展的时代，未来嵌入式系统 将具有以下发展趋势“： ( 1 ) 嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软 硬件系统本身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。 ( 2 ) 网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的加大而日益提高，网 络互联成为必然趋势。这就要求芯片生产厂商在处理器芯片上集成更多的功能，一方 面采用更强大的嵌入式处理器如3 2 位、6 4 位r i s c 芯片或信号处理器d s p 增强处理 能力，同时内嵌网络接口，支持t c p i p 、c a n 、b l u e t o o t h 等通信接口。 ( 3 ) 提供友好的多媒体人机界面。嵌入式设备能与用户亲密接触，最重要的要素 就是它能提供非常友好的用户界面、图像界面和灵活的控制方式。 毋庸置疑，嵌入式系统应用正进入飞速发展的时代。 1 1 3 嵌入式技术在智能抄表系统中的应用 随着科技的发展，小区住宅除了满足人们最基本的居住要求，还要将方便、省时 的物业管理带给住户。实现住宅的三表( 水、电、煤气) 出户自动抄表、自动计费， 已成为新型智能小区的必备条件【号1 。 传统的三表需要抄表人员定期挨家挨户抄取数据，结算出费用后，再到各家索取， 误差大，r 统计工作量大，人为的错误给物业管理和用户带来极大不便。现在许多地区 改为插卡式买电装置，这虽然减少了人为的因素，但是买电时要到银行，费时费力， 且水、电、气表分别交费，也有许多不方便之处。小区智能抄表系统节省时间、人力、 物力、提高工作效率，降低物业成本，准确及时地将住户所使用的三表数据显示出来， 为实现小区科学系统的物业管理提供了有效的解决方法睁 。 智能抄表系统的出现，一方面杜绝了抄表扰民的问题：另一方面可以简化管理手 段。随着城市生活节奏的加快，人们需要越来越多的方便设施来满足生活的需要，小区 智能化是今后的发展趋势。智能抄表系统是智能小区应具有的最基本的系统，它的发 展必将影响到小区智能化的发展，因此将会有更多的系统集成商看中这个项目，对它 进行进一步开发和优化是非常必要的。 2 硕士论文嵌入式数据终端甲台的研究与开发 一个典型的智能抄表系统如图1 1 3 1 所示鲫引。 远程主机 l i l t a 赴e t 中，c 4 j e 务器本地主机本地主机 傲曩设震惶曩做震傲曩位覆 ，图1 1 3 1 典型的智能抄表系统 整个系统共分为三层，位于底层的是单户家庭中已有的表计，位于中间的是抄表 控制器，每户一个，最上层的是监控主机，可以有多个监控主机，般安放在生活小 区，并有一个服务器，用于与抄表机构( 如电力部门) 通讯。 在这个智能抄表系统中，位于中间层的抄表控制器就是一个典型的嵌入式系统， 它的基本结构如图1 1 3 2 所示唪“剐。抄表控制器通过以太网接收上层主机的控制指 令，然后通过简单的r s 一4 8 5 总线采集家庭内部的智能表( 具有c p u 的表计) 数据， 通过脉冲计数方式采集非智能表的数据。 图1 1 3 2 抄表控制器的基本结构 目前的智能抄表系统基本能满足智能化小区的管理要求，但是对它的开发和研究 将不会停止。无线通信式智能抄表系统是中国目前最领先的智能抄表系统，它将是中 国智能抄表系统的未来发展方向吲。g p r s 电力远程抄表系统是智能抄表系统的未来 发展趋势的典型体现，具有以下的显著优点1 3 ，1 ： ( 1 ) 实时性强 硕士论文嵌入式数据终端平台的研究与开发 由于g p r s 具有实时在线特性，系统无延时，无需轮询就可以同步接收、处理多 个数据采集点的数据，可很好的满足系统对数据采集和传输实时性的要求。 ( 2 ) 可对电表设备进行远程控制 通过g p r s 双向系统还可实现对电表设备进行远程控制，进行参数调整、开关等 控制操作。 ( 3 ) 建设成本低 由于采用g p r s 的无线网络平台只需安装好设备就可以，不需要为远程抄表进行 专门布线，前期投资少、见效快，后期升级、维护成本低。 ( 4 ) 集抄范围广 g p r s 覆盖范围广，在无线g s m g p r s 网络的覆盖范围之内，都可以完成对集抄的 控制和管理。而且，扩容无限制，接入地点无限制，能满足山区、乡镇和跨地区的接 入需求。 1 2 课题研究意义 1 2 1 理论意义 嵌入式技术是智能抄表系统领域中应用最为广泛的技术，仅从硬件设计的角度考 虑，不同的嵌入式处理器辅以不同的外围电路设计，那么它所开发的产品的功能和性 能也会千差万别。 目前，在嵌入式系统应用领域中，由于a r m 处理器具有体积小、功耗低、成本低、 性能高等优点，7 0 采用了a r m 处理器，但大多应用在商业领域，比如手机、p d a 产 品等，相信在工业控制领域尤其是在智能抄表系统中a r m 处理器也会一如既往显示其 卓越的性能，表现出众，成为智能抄表系统发展的趋势之一。在本课题中，我们将采 用a r m 处理器来设计这个开发平台，充分发挥a r m 处理器在工业控制方面的强大功能， 可以说是这个领域的前沿和发展方向，具有很强的理论研究意义和价值。 1 2 2 应用价值 嵌入式数据终端平台的研究与开发是在充分了解江苏光一科技有限公司需求 的基础上设计的。研制的目的是为江苏光一科技有限公司提供一个可进行嵌入式数据 终端相关产品二次开发的平台，也就是说公司在需要设计满足不同应用要求的产品 时，可以有一个参照的平台，能够直接对平台作一些外围硬件的扩充或裁减，重新编 写用户程序来满足不同的应用要求，为新产品的开发提供便利，缩短产品的开发周期。 从长远来看，智能抄表系统是智能小区必须具备的最基本的系统之一，因此对它 进行相关的设计和实现是具有现实意义的。 4 堡主堡苎 堂苎垫塑竺堂兰鱼塑竺茎兰茎丝 1 3 论文的研究内容 本课题的研究内容主要包括两个层次：系统硬件设计和实现、系统软件的设计和 实现。在整个系统的实现过程中，我们采用了传统的嵌入式系统开发方法，即软硬件 设计分开的方法”( 如图1 3 1 所示) 研究怎样通过对客户需求的分析，选择合适的 处理器、外围器件、操作系统、编写外围设备的驱动程序等，完成一个系统的设计和 调试。硬件部分的实现与设计主要由本课题组另一名同学负责，软件部分的设计与实 现由我负责。 图1 3 1 传统的嵌入式系统的设计方法 本课题中，作者主要完成以下工作： ( 1 ) 基于a r m 的嵌入式数据终端开发平台的前期调研； ( 2 ) 开发平台的需求分析与总体设计： ( 3 ) i jc o s 操作系统在l p c 2 2 9 2 处理器平台上的移植及移植代码的测试 ( 4 ) 外设驱动程序的编写，主要包括： 存储模块驱动，包括n o rf l a s h 和n a n df l a s h 。 通信模块驱动，包括r s 一2 3 2 接口、1 2 c 总线、s p i 总线 人机接口模块驱动，包括液晶显示驱动和键盘驱动 ( 5 ) 开发平台集中调试以及在此开发平台上对外围驱动函数的测试。 1 4 论文的组织结构 本论文共分七章，各章内容如下： 第一章，先简单介绍了本课题的技术背景，即嵌入式系统目前的应用领域、发展 趋势，着重介绍了嵌入式技术在智能抄表系统中的典型应用，随后探讨了课题研究的 意义、研究内容以及作者完成的具体工作。 第二章，对嵌入式数据终端平台的需求进行了具体分析，在调研了多款处理器和 操作系统的基础上，论证并确定了合适的嵌入式处理器和操作系统，建立了系统的总 5 硕士论文嵌入式数据终端平台的研究与开发 体结构。 第三章，详细描述了如何把实时操作系统pc o s i i 移植到具体的处理器 l p c 2 2 9 2 上，主要分三个层次来叙述：首先描述移植uc o s j | 到a r 】i l l 7 内核必须修改的 通用代码；其次针对l p c 2 2 9 2 处理器，还需要做的一些具体工作，如编写启动代码， 处理时钟节拍等；最后，在完成了以上工作后，基于uc o s - f f 编写了两个具体的任 务，测试操作系统是否移植成功。 第四章，针对开发平台具体的外围硬件电路，编写了一些常用的驱动函数，包括 存储模块驱动、通信模块驱动、人机接口模块驱动等。这些驱动的编写扩展了u c 0 s i i 操作系统，方便了在二次开发的过程中产品应用程序的编写。 第五章，介绍了开发平台的软件开发环境和程序下载的方式，完成了对开发平 台的集中调试，进一步验证了外围驱动函数的准确性。 第六章，总结作者完成的主要工作，并提出还需要迸一步完善和改进的方面。 硕士论文 嵌入式数据终端平台的研究与开发 2 系统总体方案论证与设计 2 1 系统需求分析 2 1 1 江苏光一科技有限公司产品现状 江苏光一科技有限公司多年来一直从事电力行业集中抄表技术的研发工作，推出 了e f c 一2 0 0 0 集中抄表系统。e f c 一2 0 0 0 集中抄表系统经过多年的实践和不断改进，已 经投入江苏省及全国3 0 多万用户的实际使用，系统运行稳定，可靠性高。 该套系统具有以下主要功能”： ( 1 ) 通过电表终端采集模块，采集所有用户的用电数据和变压器运行数据，并可 跟踪某一用户或某批用户的用电情况，为配网改造提供有力的支持； ( 2 ) 能实时锁存所有电表终端采集模块数据，提供同一时刻的电量数据，实现定 点和零点抄表功能； ( 3 ) 提供双向控制功能，可开发多种管理功能，如用户预付费、欠费停电等； ( 4 ) 根据需要完成各种分析、统计和报表功能： ( 5 ) 提供标准a c t i v ex 控件，方便融入电力部门业务管理系统。 。 e f c 一2 0 0 0 集中抄表系统的功能和自身良好的可靠性很好的满足了电力行业对自 动抄表系统的需求，拥有了比较好的销售市场。 2 1 2 主要存在问题 现有系统存在的问题大致如下： ( 1 ) 在对多任务的处理上，任务的实时响应性不强； ( 2 ) 该系统采用的是一款m o t o r o l a 的龙珠系列处理器，主频为1 6 m h z ，面对日 益增加的数据量，显得有些力不从心； ( 3 ) 根据当前的电力系统的控制要求需要一些新增加的功能比如需要预留更多 u o 口，更多的代码存储空间等等； ( 4 ) e f c 一2 0 0 0 集中抄表系统是采用这样的工作模式：把程序代码( 3 4 个应用 程序) 放在一个固定的f l a s h ( 代码存储f l a s h ) ，通过按键输入用户需要运行哪个 应用程序，然后把选中的应用程序拷贝到另一个固定的f l a s h ( 程序运行f l a s h ) 。 由于需要反复对f l a s h 进行擦除、编程操作，f l a s h 寿命受到威胁。 以上是该系统存在的主要问题，也是对开发平台提出的功能需求。近年来，公司 也一直在寻求开发功能更全、性能更好的产品，以适应未来电力系统的发展需求，满 足用户个性化的要求，嵌入式数据终端平台的研究与开发这个课题也正是在这样的背 景下提出的。 7 硕士论文 嵌入式数据终端平台的研究与开发 2 1 3 嵌入式数据终端平台功能需求 针对现有系统存在的不足，主要采取以下措施来解决这些问题：第一，重新选择 嵌入式操作系统，由它来完成多任务的管理和调度，保证实时性：第二，在处理器的 选型上，充分考虑处理器的工作频率、外扩存储器容量、g p i o 口数量等因素；第三， 为了防止反复擦除f l a s h ，将把固化在f l a s h 中的用户程序代码拷贝到s r a m 中运行， 从而延长f l a s h 的使用寿命。 基于对且前产品存在问题的分析，开发平台总体上应具有以下功能： ( 1 ) 通讯功能：具有两个r s 一2 3 2 串行接口、s p i 总线接口、i2 c 总线接口； ( 2 ) 控制外设的功能：留有足够的g p i o 口，完成对基本开关量的监测和控制； ( 3 ) p w m 输出的功能，a d 转换功能； ( 4 ) 数据存储的功能：能够对实时数据和重要的历史数据进行存储； ( 5 ) 提供友好的人机界面； ( 6 ) 实时多任务处理能力： ( 7 ) 提供丰富的外设驱动函数： ( 8 ) 内置简易调试模块，无需仿真器，实现程序的下载，目标板的调试。 2 2 嵌入式处理器的选型 在嵌入式技术的应用领域，7 0 的嵌入式系统采用a r m 处理器，牢牢占据了业界 的领先地位，这是因为“1 ： ( 1 ) 处理速度快：a r m 是r i s c 结构的处理器，内部集成了多级流水线，大大增 加了处理速度。 ( 2 ) 超低功耗：a r m 的功耗是在同档次其他嵌入式处理器中较低的。 ( 3 ) 应用前景广泛：在嵌入式应用领域a r m 使用最广，开发资源丰富。 ( 4 ) 价格低廉：在各种嵌入式处理器中，a r m 价格适中，容易购买。 在本课题中，确定使用a r m 嵌入式处理器。 2 2 1a r m 处理器概述 a r m 嵌入式处理器是一种小体积、低功耗、低成本、高性能的r i s e 芯片。它是 由英国a r m 公司设计，世界上几乎所有的主要半导体厂商都生产基于a r m 体系结构的 通用芯片，或在其专用芯片中嵌入a r m 相关技术。生产a r m 处理器的主要公司有t i 、 m o t o r o l a 、i n t e l 、a t m e l 、s a m s u n g 、s h a r p 、p h i l i p s 、l i n k u p 等。 a r m 处理器目前有5 个产品系列：a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m i o 和s e c u r c o r e ，其 中a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m i o 是四个通用处理器系列嘲，每个系列提供一套特定的 硕士论文 嵌入式数据终端平台的研究与开拄 性能来满足设计者对功耗、性能和体积的需求。s e c u r c o r e 是第五个产品系列，是专 门为安全设备而设计的。 2 2 2a r m 处理器选型原则 确定使用哪种嵌入式处理器内核以后，接下来就是结合实际情况，考虑开发平台 外围设备的需求情况，选择一款合适的处理器。a r m 处理器选型原则如下： ( 1 ) 功能要求：片上外设是否能最大程度的满足功能要求，从而减少外围电路的 设计，保证整个系统的可靠性。 ( 2 ) 内存：片上f l a s h r a m 的大小，是否可以外扩存储器。 ( 3 ) 功耗：是否满足系统对功耗的要求。 ( 4 ) 系统的工作环境决定是选择工业级的处理器还是商业级的处理器。 ( 5 ) 处理器的封装形式。 ( 6 ) 价格：在保障功能要求的基础上，选择性价比高的处理器。 尽管a r m 处理器的功能非常强大，但是并不是任何一款芯片都适合你韵系统。例 如，s a m s u n g 公司生产的芯片没有工业级，主要用于教学实验平台，a t m e l 、m o t o r o l a 公司生产的基于a r m 7 核的处理器很少带有p w m 输出功能。 对照处理器的选型原则，针对此款开发平台而言，选用的处理器要遵照以下具体 要求：所要具备的片上外设接口主要包括：u a r t 接口( 两个) 、s p i 接口、i 接口、 p w m 输出、a d 转换、定时计数器，外扩存储器接口，最大数量g p i o 口等；处理器除 了正常工作模式外，还需要具有低功耗模式，来满足系统对低功耗的要求；系统的工 作环境要求必须选用工业级的处理器；就公司目前的焊接工艺而言，尽量避免选用 b g a 封装的处理器。 0 2 2 3a r m 处理器方案比较 a r m 7 、a r m 9 处理器是应用最为广泛的两个系列，而其它系列的嵌入式处理器主 要应用在一些高端产品中且价格昂贵，因此，a r m 7 、a r m 9 系列的处理器是此开发平 台比较理想的选择。 2 2 3 1a r m 7 处理器比较 a r m 7 处理器采用三级流水线结构，由于所用工艺的不同，a r m 7 处理器的性能可 在3 0 1 0 0 m h z 之间变化。 在诸多的处理器中，选择了三种基本符合开发平台功能要求的嵌入式处理器进行 比较，如表2 2 3 1 1 所示。尽管表2 2 3 1 1 中三种类型的处理器基本都能满足 9 硕士论文嵌入式数据终端平台的研究与开发 。开发平台的功能要求，但根据前一节所列的开发平台的选型原则，基于下面的两个考 虑，拟选用l p c 2 2 9 2 ： ( 1 ) l p c 2 2 9 2 有多达1 1 2 个g p i o 口，明显多于其它两种类型的处理器； ( 2 ) l p c 2 2 9 2 集中了2 5 6 k b 的片上f l a s h ，1 6 k b 的片上r a m ，多达6 路的p w m 输出 表2 2 3 1 1a r m 7 嵌入式处理器比较 存储器最l c d 型号r a m f l a s h p 1 】m 串行接口i 0 大 ad 工作 频 | 控 u s b温度封装 r o md a 制 ( ) 室 器 2 u a r t 6 1 i c - 4 0 l q f p l p c 2 2 9 21 6 k2 5 6 k1 1 26 0 8 51 4 4 p w m2 s p i 2 c a n a t 9 1 s a m 1 6 k6 4 k 4 x 2 u s a r t 1 x s p i5 05 5 l - 4 0 7 s 6 4p w mu s b8 5 t q f p 6 4 1 i 2 x3 x u a r t 一4 0l q f p l i t 7 9 5 2 03 2 k 6 47 7 p 吼 1 x s p i8 51 7 6 2 2 3 2a r m 9 处理器比较 a r m 9 是a r m 公司投放市场的另一种微处理核，与a r m 7 比较，由3 级流水线扩充 到5 级流水线，增加的流水线设计提高了时钟频率和并行处理能力“”。在同样的加工 工艺一f ，a r m 9 处理器的时钟频率是a r m 7 的1 8 2 2 倍，时钟频率可达到1 0 0 2 0 0 m h z 左右。 虽然a r m 7 系列处理器已经能满足开发平台的功能需求，但考虑到以后自动抄表 系统的发展趋势，也调研比较了a r m 9 处理器。结合此开发平台的设计要求，选出了 三种a r m 9 系列的处理器作为开发平台设计的参考方案，如表2 2 3 2 1 所示”。由 表中可以看到，这三种处理器除满足开发平台的基本设计要求外，还具有u s b 、多媒 体卡接口、以太网接口、键盘鼠标接口等，处理器的外围功能相当强大。 这三种处理器在综合性能和外围功能是相差无几，但是考虑到以下原因，我们拟 选用型号为a t 9 1 p 瑚9 2 0 0 处理器： ( 1 ) a t 9 1 r m 9 2 0 0 具有p g f p 的封装形式，而其他两种处理器均只有b g a 封装； ( 2 ) a t 9 1 p 3 1 9 2 0 0 应用广泛，可借鉴参考的资料要多于其它两种类型的嵌入式处 理器，可缩短开发周期； 1 0 硕士论文嵌入式数据终端平台的研究与开发 ( 3 ) a t 9 1 r m 9 2 0 0 通用输入输出口多( 1 2 2 个) ，可根据公司的实际需要随意外 扩相应的功能。 表2 2 3 2 1a p 氇1 9 嵌入式处理器比较 存储器 最 多 l c d 工作 型号 p 雕 串行接口 i o 大 媒 a 控 其它 r a mr 伽频 体 制 u s b 温度封装 功能 卡 d 器 ( ) 室 口 4 u s a r t p g f p 一 a t 9 1 r m 92 2 i 2 以太 2 0 8 2 0 0 1 6 k1 2 8 k b1 2 21 8 0 网接 一4 0 b a l l b p 删2 s p iu s b 口 8 5 g 3 s s c 一2 5 6 m c 9 3 2 8 m 1 x 3 x u a r tm a p b g 2 s p i2 0 0 i 视频一3 0 x 1硎u s b 接口 8 5 i i c一2 5 6 4 3 u a r tz 鼠标 b a l l p l h 7 a 4 0 48 0 k6 42 0 0 键盘 _ 4 0 b g a p 册f1 s p iu s b8 5 接口 - 3 2 4 c 9 3 2 8 m x l “i o 口”属性项为空。在m c 9 3 2 8 m x i 的d a t a s h e e t 中没有给出具体的数目。 2 2 4 处理器型号的确定 在经过2 2 3 节多种方案的比较后，型号为l p c 2 2 9 2 ( a r m 7 ) 和a t 9 l r 】i f 9 2 0 0 ( a r m 9 ) 两种处理器成为拟选方案，都能满足开发平台的要求。从处理器的速度、性能、外围 功能是否强大方面考虑，a t 9 1 r m 9 2 0 0 的优势一目了然；但是从功耗、价格方面考虑， l p c 2 2 9 2 是首选，就目前市场价来看，两款芯片的价位相差i o o 元左右，更主要的是 a t 9 1 r m 9 2 0 0 的外围强大功能在此次开发平台中并不能得到充分发挥。 通过以上的比较分析，开发平台最终选用了l p c 2 2 9 2 处理器。该处理器的主要特 性简单介绍如下嘞： 1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s 微处理器，l q f p l 4 4 封装； 1 6 k b 片内静态r a m 和2 5 6 k b 片内f l a s h 程序存储器； 多个串行接口，包括2 个工业标准u a r t 、高速i2 c 接口( 4 0 0 k b i t s ) 和2 个s p i 接口； 8 路l o 位a d 转换器，转换时间低至2 4 4 ps ； 2 个3 2 位定时器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、p w m 单元( 6 路输出) ； 向量中断控制器，可配置优先级和向量地址； 通过外部存储器接口可将存储器配置成4 组，每组的容量高达1 6 m b ，数据宽 硕士论文嵌入式数据终端平台的研究与开发 度为8 1 6 3 2 位； 多达1 1 2 个g p i o ： 通过片内p l l 可实现最大为6 0 m h z 的c p u 操作频率 2 个低功耗模式：空闲模式和掉电模式。 1 3 嵌入式操作系统选型 ， 2 3 1 移植嵌入式操作系统的必要性 嵌入式系统覆盖面很广，从简单到复杂度很高的系统都有。 对于基于芯片的开发来说，应用程序是一个无限循环，可称为前后台系统或超循 环系统。循环中调用相应的函数来完成相应的操作，这部分可以看成后台行为。中断 服务程序处理异步事件，这部分看成前台行为。时间相关性很强的关键操作一定是靠 中断服务程序来保证的”3 。因为中断服务提供的信息一直要等到后台程序运行到应该 处理这个信息时才得到进一步处理，所以这种系统在处理的及时性上比实际的差。很 多产品都是采用前后台系统设计，例如微波炉、玩具等。 一旦系统变得越来越复杂时，就需要一个嵌入式操作系统来支持，这是因为： 首先，嵌入式实时操作系统提高了系统的可靠性。在控制系统中，出于安全方面 考虑，起码系统不能崩溃，而且要有一定的自愈能力。这不仅要求在硬件设计方面提 高系统的可靠性和抗干扰性，而且也应在软件设计方面提高系统的抗干扰性，尽可能 减少安全漏洞和不可靠的隐患。长期以来，前后台系统软件设计在遇到强干扰时，运 行的程序会产生异常、出错、跑飞甚至死循环，造成系统的崩溃。而对于由操作系统 管理的系统而言，。这种干扰只是引起若干进程中的一个被破坏，遇到异常情况时，采 取一些利于系统稳定可靠的措施就可以防止系统崩溃，例如清除掉有问题的任务。 其次，提高了开发效率，缩短了开发周期。在实时操作系统环境下，开发一个复 杂的应用程序，通常是把整个程序分解成多个任务模块。每个任务模块的调试、修改 几乎不影响其他模块。 再次，实时操作系统充分发挥了3 2 位c p u 的多任务潜力。因为3 2 位c p u 本来就 是为运行多用户、多任务操作系统而设计的，特别适于运行多任务实时系统。例如， 3 2 位c p u 运行状态分为系统状态和用户状态。将系统堆栈和用户堆栈分开，以及实 时地给出c p u 的运行状态等。如果还是采用前后台方式，则无法发挥3 2 位c p u 的优 势。 一： 从某种意义上说，在嵌入式应用中，只有把c p u 嵌入到系统中，同时又把操作系 统嵌入进去，才是真正的嵌入式应用呷。 总体考虑，对于一个特定的嵌入式应用，是否需要移植操作系统完全取决于软件 1 2 硕士论文嵌入式数据终端平台的研究与开发 项目的复杂程度，软件项目中是否存在以下情况： 并行的功能模块比较多； 定时处理的功能比较多； 程序的执行需要判断很多条件参数和资源； 需要规划代码执行的优先顺序即进行合理的任务调度； 保证任务的执行时间。 在本课题中，开发平台是一个多任务的嵌入式系统，合理的任务调度是必不可少 的。一旦移植了合适的操作系统，在操作系统环境下开发应用程序将使程序的设计和 扩展变得容易，不需要大的改动就可以增加新的功能。通过将应用程序分割成若干独 立的任务模块，简化了应用程序的设计，而且对实时性要求苛刻的事件都得到了快速、 可靠的处理。 但是，使用操作系统还需要考虑额外的r o m r a m 开销，2 5 的c p u 负荷，这些 也是需要设计者注意的。 2 3 2 嵌入式操作系统的选型原则 嵌入式操作系统的选择主要从以下几个方面加以考虑： 是否支持目标硬件平台，最重要的是处理器是否被支持： 实时操作系统的性能能否满足应用要求： 内核要求的最小存储器大小，典型配置需要r a m 和r o m 大小，对于内存敏感 的系统，一定要澄清这个问题： 移植难易程度； 操作系统的发送形式，源代码或二进制代码。 结合本课题来看，已经确定了l p c 2 2 9 2 ( a r m 7 t d m i ) 处理器，不带m m u 功能，不 支持w i n d o w sc e 和l i n u x 操作系统。由于可以外扩最多达6 4 m 的存储器，所以对内 核所需要的r a m 和r o m 空间大小不是很敏感。 2 3 3 实时操作系统的比较和选择 目前，实时操作系统的种类繁多，大体上可分为两种商用型和免费型。商用 型实时操作系统功能稳定、可靠、有完善的技术支持和售后服务，如w i n d r i v e r 公司 的v x w o r k s 、p s o s 、p a l mo s ，但往往价格昂贵，用于一般用途会提高产品成本从而失 去竞争力。免费型实时操作系统在价格方面具有优势，源代码公开，主要代表有 c l i n u x 、h c o s 等等。 主要考虑成本方面的因素，希望采用源代码公开的免费型实时操作系统。uc o s i i 和c l i n u x 操作系统是两种性能优良、源码公开且被广泛应用的免费嵌入式操作系 1 3 堡主堡苎 堂仝苎塾塑竺塑兰鱼塑旦堑量茎茎 j 统：u c l i n u x 占用空间相对较大，实时性能一般，针对新处理器的移植相对复杂： 而! - tc o s i i 占用空间小，实时性能优良，针对新处理器的移植相对简单，可扩展性 强且执行效率高。 在本课题中，移植操作系统主要是完成对多任务的合理调度，使得系统具有良好 的实时响应性能，所以uc o s i i 完全能够胜任。综合考虑，此开发平台选用i ic o s i i 操作系统。 2 4 系统的总体框架 通过对嵌入时数据终端平台需求的详细分析，选择使用l p c 2 2 9 2 处理器作为嵌入 式硬件平台，并移植pc o s i i 操作系统，来实现整个平台的功能，系统总体框架如 图2 4 1 所示。 臣亟亘巫口 存储模块 o 复位与宅瓣嗄块 i _ l r w h 荆播l l s r 埘存储器 简易调试橇块。 i 铁电存瞎器i 一 明处理器 萁他外围电路 、 、， i ，d 转换 i 人机接口梗块 、矿 ( i 托2 2 铊)、矿 l 髓 l 圳 j i 显示屏l c d ，l 介 | 钟1 0 口 1 图2 4 1 系统总体框架 对系统总体框架的描述说明如下： ( 1 ) 通讯模块 具备两个r s 一2 3 2 串行通信接口，r s 一2 3 2 接口0 实现与p c 机的通信，r s 一2 3 2 接 口1 用于对各种计量表的数据采集；i2 c 接口和s p i 接口用于与外围器件进行通信。 ( 2 ) 存储模块 为系统提供大容量数据和代码存储空间。f l a s h 进行程序存储，因为f l a s h 掉电 数据不丢失；s p a m 用于程序运行，因为s r a m 读写速度高于f l a s h 存储器；铁电存储 器用于实时数据的存储，因为铁电存储器掉电数据保持并且具有较快的数据存储速 度。 1 4 堡主堡壅 壁垒茎墼塑竺塑兰鱼堕! 茎圭i ! 堕 ( 3 ) 人机接口模块 为开发平台提供良好的人机交互界面。 ( 4 ) 简易调试模块 利用简易调试模块完成无需仿真器直接对开发平台进行程序调试、程序下载的功 能。 ( 5 ) 其他外围功能 p w m 接口，实现系统的实时报警功能；预留足够的g p i o 口，完成系统对开关量 的检测和控制功能；a d 转换电路方便对电压的实时监控。 ( 6 ) 1 1c o s i i 操作系统 系统具备实时多任务处理能力，提高系统的实时响应性。 硕士论文 嵌入式数据终端平台的研究与开发 3 实时操作系统pc o s 一0 的移植与实现 3 11 t c o s - f l 简介 pc 0 s j i 是一个可移植、固化、裁剪的占先式实时多任务内核，操作系统的大 部分代码是用a n s i 的c 语言编写的，同时也包含一部分汇编语言代码，使之可供不 同架构的微处理器使用舢。至今，从8 位到6 4 位，uc l o s f f 已在超过4 0 种不同架 构的微处理器上运行。 要使uc o s - ij 可以正常工作，处理器必须满足以下要求”： ( 1 ) 处理器的c 编译器能产生可重入代码； ( 2 ) 在程序中可以打开或者关闭中断； ( 3 ) 处理器支持中断，并且能产生定时中断； ( 4 ) 处理器支持能够容纳定量数据的硬件堆栈； ( 5 ) 处理器有将堆栈指针和其他c p u 寄存器存储和读出到堆栈( 或者内存) 的指 令。 对于l p c 2 2 9 2 来说，上面的这些条件都是可以满足的。开发工具采用的是a d s i 2 ， 可以生成可重入代码；开关中断可以通过设置相应寄存器来实现；弘c o s i l 通过处 理器定时器产生的中断来实现多任务之间的调度；另外a r m t t d m i 核处理器具有硬件 堆栈和有关的堆栈指令。接下来将介绍如何移植c o s l | 操作系统到处理器 l p c 2 2 9 2 上。 3 2 移植规划 所谓r 移植，就是使一个实时内核能在其它的微处理器或微控制器上运行鼢。尽 管大部分驻c o s - i i 的代码是用c 语言编写的，但是在编写与处理器硬件相关的代码 时不得不使用汇编语言，移植的主要工作就是编写这些与处理器硬件相关的代码。图 3 2 i 给出了uc o s i l 的软件体系结构。 图3 2 1hc o s i l 软件体系结构 在移植前首先要针对所使用的微处理器进行规划，主要有以下几个方面的考虑： 】6 硕士论文 嵌入式数据终端平台的研究与开发 编译器的选择、任务模式的选择和支持的指令集。 3 2 i 编译器的选择 针对a r m 处理器的c 语言编译器有很多，如s d t 、a d s 、i a r 、t a s k i n g 和g c c 等。 据了解，目前在国内最流行的是a d s 、s d t 和g c c 。s d t 和a d s 均为a r m 公司自己开发， a d s 为s d t 的升级版，所以不会选择s d t 。g c c 虽然支持广泛，很多开发套件使用它 作为编译器，但是与a d s 比较其编译效率较低嘭这对充分发挥芯片性能很不利，最 终选择a d s l 2 编译器。 3 2 2 任务模式的取舍 a r m 7 处理器核具有用户、系统、管理、中止、未定义、i r q 中断和f i q 中断七种 模式“鼍除用户模式外其它均为特权模式。其中管理、中止、未定义、中断和快中断 模式均与相应异常相联系，任务使用这些模式都不适合。系统模式除了是特权模式外， 其它与用户模式样，因此选择任务的使用模式为用户模式和系统模式，伺时提供软 件接口使任务可以在这两种模式间切换。 3 2 3 支持的指令集 带t 变量的a r m 7 处理器核具有两个指令集：标准3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令