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嵌入式实时系统的网络通讯及应用 摘要 嵌入式系统是以应用为中心的硬件设计和面向应用的软件开发为基础的专 用计算机系统，广泛得应用于制造工业、过程控制、通讯、仪表、消费类产品 等领域。因特网技术的发展更对嵌入式系统与因特网的结合提出了要求。为此 本文对嵌入式系统的网络通讯进行了研究和设计，并在此基础上实现了其远程 数据采集的应用。 本文首先搭建了基于a r m 内核的嵌入式处理器s 3 c 4 4 b o x 的硬件平台。围绕 着该处理器的硬件电路设计包括两部分，主体电路设计和外围支持电路设计。 其中，主体电路包括了系统内存单元，调试接口等。外围支持电路包括l c d 接 口、输入输出接口、网络接口以及系统电源等。 其次是该硬件平台上实时操作系统网络环境的建立。这包含两部分任务， 一是a r m 上实时操作系统的实现，本文详细阐述了实时操作系统uc o s i i 在 a r m 处理器上的实现过程。二是根据uc o s 1 1 支持多任务，多用户的特性， 为其增加了嵌入式t c p i p 协议栈l w l p ，详细讨论了实现方法。 最后在该嵌入式软硬件平台上，分别用b s 和c s 两种通讯模式，即基于 w e b 服务器的浏览器访问方式和基于客户端服务器访问方式进行了远程数据 采集的应用试验， 关键字：a r m ；嵌入式系统；r t o s ；uc o s i i ；t c p i p 协议栈；l w l p 嵌入式实时系统的嘲络通讯及应用 a b s t r a c t e m b e d d e ds v s t e misb a s e d0 na p p li c a t i 0r l c e l 3 t e r e dh a r d w a r ed e s i g na n d s 0 f t w f l , l c ed e v e l o p m e n tf a c i n ga p p l i c a t i or 1 e m b e d d e ds y s t e m sa r ew i d e l y a p p l i e di ns u c ho , r e a sa sm a l q u f a c t u r e ，p r o c e s sc o i 2 t r o l ，c o m m u r l i c a t i o n ， i n s t r u m o n t a n dc 0 n s u m e rp r o d u c t t h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n e tisc 1 3 , u s i n g t h ed e m a n d0 fi n t e g r a t i o p o fe m b e d d e ds y s t e ma n d 工n t e r n e t f o rt h i s r e a s o r l t h e1 2 e t w o r kc o m m u n i c a t i 0 1 3i ne m b e d d e ds y s t e misr e s e a r c h e da n d d e s i g n e d ir lt h is p a p e r a n dt h e nt h e a p p l i c a t i 0 1 3 o fr e m o t ed a t a a c q u i s i t i o i lisr e a l iz e d f ir s t ah a r d w a r es y s t e mb 1 3 , s e d0 e le m b e d d e dc p ua r misb u i l t t h e s v s t e mh a r d w a r ec i r c u i tir t c l u d i n gt w op r o p o r t i 0r l s l n a i nc i r c u i t a r l d p e r i p h e r a ls u p p o r tc i r c u i t ，i s d e s i g n e d t h e m a i nc i i c u i ti t i c l u d e s s y s t e mm e m o r yc e l l ，d e b u g g e ri n t e r f a c ea n ds 0o i l t h ep e r i p h e r a ls u p p o r t c i r c u iti n c l u d e sl c di n t e r f a c e ， i n p u t o u t p u ti n t e r f a c e ，t i e t w o r k i 1 3 t e l - 。f a c ea n ds y s t e mp o w e rs u p p l y s e c o n d a1 3 e t w o r ke n v i r o r i m e n tb a s e d0 nr e 9 1 一t i m eo ! o e r a t i 0 1 3s y s t e m isb u il t i tc o n t a if i st w op r o p o r t i o t i s o n eist oa p p l yr t o si na r mc p u ， t h ed r o c e s so fp o s t i n gr t o sl - ic o s t it oa r mise x p a t i a t e d t h eo t h e r ist 0 a d d i n g a ne m b e d d e dt c p i pd r o t o c 0 1 s t a c kt 01 1c o s i if o ri t s m u l t it a s k u s e rs u p p o r t 。t h ed e t a i l e dr e a l iz a t i o i lm e t h o di sg i v e i l f i f l a l l y b a s e d0 1 3 t h i se m b e d d e dh a r d w a r e & s o f t w a r ef l a t ，ad e ta ile d a r i a l y s i so ft w ok i r i d s o fi n t e r n e tc o m m u n i c a t i o i lm o d e s - c sa n db s 。is p r e s e n t e d t h em e t h o do f1 7 e m o t e d a l ：a a c q u i s i t i o nis a p p l i e d a n d e x p e r i m e n t e du s i n gw e bs e r v e rm o d ea n dc 1 i e n t s e r v e t m o d es e p a r a t e l y k e y w o r d s ：a r m ：e m b e d d e ds y s t e m ：r t o s ：uc o s i i ；t c p i pp r o t o c 0 1 ；l w i p i i 嵌入式实时系统的网络通讯及应用 l 引言 1 ，1 嵌入式技术发展 嵌入系统是以应用为中心，软硬件可裁减适应应用系统对功能、可靠性、 成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统”1 。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 集软硬件于一体的可独立工作的“器件”。综观嵌入式技术的发展，大致经历 了以下3 个阶段： 第1 阶段是嵌入技术的早期阶段，以功能简单的专用计算机或单片机为核 心的可编程控制器形式存在，具有监测、伺服、设备指示等功能。这种系统大 部分应用于各类工业控制和飞机、导弹等武器装备中，早期系统中一般没有操 作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制，运行结束后清除内存。 这一阶段系统的主要特点是：系统结构和功能都相对单一，处理效率较低，存 储容量较小，几乎没有用户接口，比较适合于各类专用领域中。 第2 阶段是以嵌入式c p u 和嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。这一阶 段系统的主要特点是：计算机硬件出现了高可靠、低功耗的嵌入式c p u ，如p o w e r p c 等，各类商业嵌入式操作系统系统开始出现并得到迅速发展，嵌入式操作系 统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好：操作系统内核精小、效率 高，并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、设备支持、多任 务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有大量的应用程序接口( a p i ) ， 开发应用程序简单；嵌入式应用软件丰富。 第3 阶段是以芯片技术和技术为标志的嵌入式系i n t e r n e t 术为标志的嵌 入式系统。微电子技术发展迅速，s o c 片上系统使嵌入系统越来越小，功能却 越来越强。目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e r n e t 之外，但随着i n t e r n e t 的发展以及技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式技术与 i n t e r n e t 技术的结合正推动嵌入式技术的快速发展，近几年嵌入系统的技术发 展有了以下显著的变化： 新的处理器越来越多，一方面，嵌入式操作系统自身结构的设计更易于移 植，以便在短时间内支持更多种微处理器；另一方面，系统应能使用驱动程序 开发与配置环境，造就一个新的b s p 板级支持包和驱动程序结构，以适应微处 理器不断升级变化所产生的需求： 开放源码之风己波及嵌入式操作系统厂家。数量相当多的嵌入式操作系统 厂家出售产品时，就附加了源程序代码并含生产版税； 后时代更多的产品p c 使用嵌入式操作系统，它们对实时性要求并不高， 如手持设备等。微软公司w ir i c e ，p a l mo s ，j a v ao s 等产品就是顺应这些应 用而开发出来的。值得注意的是随着及芯片技术的快速发展消费，i n t e r n e t 嵌入式实时系统的嘲络通讯及应用 电子产品的需求日益扩大，原来只关注实时操作系统市场的厂家纷纷进军消费 电子产品市场，推出了各自的解决方案使嵌入式操作系统市场呈现出相互融合 的趋势； 电信设备、控制系统要求的高可靠性，对嵌入式操作系统提出了新的要求。 瑞典e n e a 公司的o s e 和w i n d r iv e t 新推出的v x w o r k s 对支持高可用性和热切 换等特点都下了一番功夫： 各类通用机上使用的新技术、新观念正逐步移植到嵌入系统中，如移动数 据库、移动代理等，嵌入式操作系统也出现了基于面向对象的分布式技术，如 实时c o r b a 、嵌入式c o r b a ，嵌入式软件平台正逐步形成； 各种嵌入式l i f l u x 操作系统正迅速发展，已经形成了能与w i n d o w sc e 等嵌 入式操作系统进行有力竞争的局面。嵌入式l i n d x 具有开放源代码，系统内核 小、效率高、内核网络结构完整等特点，裁减后的系统很适于如信息家电等嵌 入式系统的开发； 嵌入式系统的多媒体化和网络化方向趋势，特别是与和无线网络的结合： 1 1 1 嵌入式微处理器发展 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。根据现状，嵌入式微处理器可分成 下面几类7 1 。 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 ) 嵌入式微处理器采用“增强型”通用微处理器。由于嵌入式系统通常应用 于环境比较恶劣的环境中，因而嵌入式微处理器在工作温度、电磁兼容性以及 可靠性方面的要求较通用的标准微处理器高。和工业控制计算机相比，嵌入式 微处理器组成的系统具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，但在其 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。嵌入式处理器目前主要有a m l 8 6 1 8 8 、3 8 6 e x 、 s c 一4 0 0 、p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m 系列等。 嵌入式微控制器( m i c r o e o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 嵌入式微控制器又称单片机，它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种微处理器内核为核心，根据某些典型的应用，在芯片 内部集成了r o m e p r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、定时计数器、看门狗、i o 、 串行口、脉宽调制输出、a d 、d a 、f 1 a s hr a m 、e e p r o m 等各种必要功能部件 和外设。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。通常，嵌入式微处理器可分为通用和半通用两类，比较有代表性的通用 系列包括8 0 5 1 、p 5 1x a 、m c s - 2 5 l 、m c s 一9 6 1 9 6 2 9 6 、6 8 3 0 0 等。而比较有代表 性的半通用系列，如支持u s b 接口的m c u8 x c 9 3 0 9 3 1 、c 5 4 0 、c 5 4 1 等的众多 专用m c u 和兼容系列。目前m c u 约占嵌入式系统市场份额的7 0 。 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) 在数字信号处理应用中，各种数字信号处理算法相当复杂，一般结构的处 2 嵌入式实时系统的网络通讯及应用 理器无法实时的完成这些运算。由于d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊 设计，使其适合于实时地进行数字信号处理。在数字滤波、f f t 、谱分析等方 面，d s p 算法正大量进入嵌入式领域，d s p 应用正从在通用单片机中以普通指 令实现d s p 功能，过渡到采用嵌入式d s p 处理器。另外，在有关智能方面的应 用中，也需要嵌入式d p s 处理器，例如各种带有智能逻辑的消费类产品，生物 信息识别终端，带有加解密算法的键盘，a d s l 接入等。这类智能化算法一般都 是运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些正是d s p 处理 器的优势所在。嵌入式d s p 处理器比较有代表性的产品是t i 的t m s 3 2 0 系列和 m e t o r 0 1 a 的d s p 5 6 0 0 0 系列。 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 的推广和v l s i 设计的普及化，以及半导体工艺的迅速发展，可以 在一块硅片上实现一个更为复杂的系统，这就产生了s o c 技术。各种通用处理 器内核将作为s o c 设计公司的标准库，和其他许多嵌入式系统外设一样，成为 v l s i 设计中一种标准的器件，用标准的v h d l 、v e r l o g 等硬件语言描述，存储 在器件库中。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。这样除某些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单，对于减 小整个应用系统体积和功耗、提高可靠性非常有利。 1 1 2 嵌入式操作系统的发展 2 0 世纪8 0 年代，商业化的嵌入式操作系统开始得到蓬勃发展。目前国内 外已有几十种商业操作系统可供选择眩1 。其中几个著名的操作系统有：弘c o s 最适合于单片机上开发的操作系统：w i n d o w s c e 即可用于硬实时又可用于软实 时；v r t x 老牌实时操作系统：v x w o r k s 曾用于美国火星探测上：p s o s 是世界上 最早的实时操作系统之一；q n x 是x 8 6 上最好的实时操作系统：r t l i n l l x 能够 提供实时的l i f l u x 操作系统等等。而且至今仍有不少的开发者使用自己开发的 o s 。我国也自主研制开发了嵌入式实时操作系统h o p e n ( 女娲) 等。 在中国，嵌入式操作系统可分为两大类型：一类是自主版权的操作系统， 另一类是基于l i n u x 的操作系统。 自主版权的操作系统方面，国内有“女娲h o p e n ”操作系统、桑夏2 0 0 0 操作系统和d e l t a o s 操作系统等。 “女娲h o p e n ”是凯思集团推出的产品，目前已进入产业化阶段，它能支 持所有主流的嵌入式芯片。凯思与联想、t c l 、m o t o r 0 1 a 、w i n b o n d 、上海贝尔 等国内外知名厂商合作开发出了多种产品：联想“天玑8 1 0 ”、天玑e 卡通、“天 玑9 1 l ”、t c l 集团家庭信息显示器h i d 、天亿股票机顶盒、v o d 视频点播机顶 盒等。 桑夏2 0 0 0 操作系统是深圳桑夏公司推出的产品，是一个面向嵌入式应用 的实时操作系统，具备文件系统和嵌入式数据库引擎，提供了基本的图形用户 嵌入式实时系统的网络通讯及应用 接口，支持层次化、模块化的软件模型，可运行在“龙珠”等三种系列的c p u e ，支持包括t c p i p 协议在内的网络通讯协议。 d e l t a o s 是北京科银京成公司开发的嵌入式实时操作系统，它主要包括： 内核d e l t a c o r e 、嵌入式t c p i p 嵌入式文件系统d e l t a f i l e 以及嵌入式图形接 口d e l t a g u i 。d e l t a o s 支持a r m 7 、s t r o n g a r m 、p p c s x x 、p p c 4 x x 、x 8 6 、h i p s 等多种嵌入式微处理器，可应用于消费电子产品、通信产品、工业控制及军用 电子产品中。 近年来，嵌入式l i n u x 进展较快。在中国，以l i n u x 为基础的嵌入式操作 系统比较活跃，其中，中软l i n u x 、红旗l i n u x 、东方l i n u x 是业界的代表。 红旗l i n u x 为用户提供了w i n d o w s 风格的控件集、图形中文环境和嵌入式数据 库的开发工具。中科红旗公司开发出了针对工控领域的嵌入式l in u x 系统。东 方l i n u x 是凯思集团推出的产品，该产品工作方式基于集中与开放网络服务的 运算模式，兼容多种网络协议标准，用户可以在任意地点通过网络连接设备， 实时访问服务器端的应用程序。该产品可应用于政府、国防、教育、商业、金 融等领域8 。 1 1 3 嵌入式网络化仪器的发展 网络化仪器是近年突出的全新概念，它是仪器检测技术和现代计算机技 术、网络通讯技术、微电子技术深度融合的结果“”。测控仪器接入i n t e r n e t 成为i n t e r n e t 中独立节点，是执行测量与控制任务的仪器主机站点。这种网 络化仪器可以象普通仪器那样按设定程序对相关物理量进行自动测量、控制、 存储和显示测量结果及控制状态；同时它具有重要的网络特性，经授权的仪器 使用者通过i n t e r n e t 可以远程对仪器进行功能操作，获取测量结果并对仪器 实时监控，设置参数和故障诊断，控制其在因特网上动态发布信息为所有授权 者共享。 把嵌入式计算机系统嵌入到仪器仪表，成为测量与控制的核心，是现代仪 器仪表主要的设计方法。由此构造的嵌入式仪器已成为现代仪器仪表的主要门 类。研制嵌入式网络仪器，即把嵌入式仪器接入i n t e r n e t 成为低成本网络仪 器哼3 。同样实现上述p c 机所具有的远近程测量控制和信息发布等各项功能， 具有广泛的意义：在工业控制方面可以实现基于i n t e r n e t 的远程数据采集及 环境自动监测；在职能小区管理方面作为廉价的家庭信息化中心，实现网络自 动抄表，家用电器的控制等许多功能。嵌入式网络仪器技术是。嵌入式仪器的发 展方向。嵌入式仪器接入i n t e r n e t 大至有三种方案： 3 2 位高档m c u 除了能实现各种复杂的功能外还能进行网络通信的t c p i p 协议处理，可以直接接入i n t e r n e t 。 由低档的8 位或者1 6 位，采用专用网络( r s 2 3 2 、r $ 4 8 5 、c a n 总线) 把若 干嵌入设备连结在一起，该网络再与p c 机相联，由此建成p cg a t e w a y 专用网。 此时把p c 作为网关，并由p c 把该网络上的信息转化为t c p i p 协议发到 嵌入式实时系统的网络通讯及应用 i nl e r n e t 实现信息共享。 8 位t c p i p 协泌芯片，这个方案是由m c u 及固化了t c p i p 协议的芯片组 成应用系统的核心。应用系统可以直接拨号上网，硬件电路相对简单。但需要 大容量的存储器，如果使用的t c p i p 协议芯片是软件固化的，还要求m c u 有 较高的运行速度。 1 2 论文的研究意义及工作 本课题是在a r m 处理器组成的嵌入式硬件系统的基础上，实现了具有网络 协议的实时操作系统软件环境，它可以广泛得应用在工业控制、通讯设备、家 用电器的等领域。将众多的设备接入i n t e r n e t 后，可以实现设备的远程控制、 管理和于 级等功能，改变以往单独、独立的存在方式，进入一种开放、互联的 方式。可以说嵌入式系统连接到i n t e r n e t 不仅可以产生经济效益，对社会效 益也有深远的意义。本课题的研究工作主要包括以下几个内容： 第一章介绍嵌入式系统的发展及应用情况。 第二章设计了基于三星a r m 7 d m i 处理器s 3 c 4 4 b o x 的硬件电路。包括主体电 路：系统启动与复位、内存分配、中断响应与处理、时钟与电源管理、系统调 试等。外部电路：e t h e r n e t 接口、l c d 控制器、输入输出接口等。 第三章在分析了实时操作系统uc o s i i ，以及s 3 c 4 4 b o x 的操作系统相关 硬件特性基础上，实现了uc o s i i 在s 3 c 4 4 b o x 上的移植。 第四章分析了嵌入式t c p i p 协议栈l w i p 的工作机制，以及以太网控制器 r t l 8 0 1 a s 的工作原理及编程模型，编写了8 0 1 9 控制器的驱动程序，并在此基 础上完成了l w i p 在pc o s i i 上的移植工作。 第五章在以s 3 c 4 4 b o x 为核心的硬件平台，以及具有t c p i p 协议的r t o s 软 件平台上，进行远程数据采集的实验。首先分析了以太网通讯采用的两种方法： c l i e n t s e r v e r 和b r o w e r s e r v e r 。在具体分析了这两种方法优缺点以及工作 原理的基础上，用这两种方法分别实现了远程数据采集( 目前是通过以太网采 集实验室中温度传感器中的数据) 的应用。 嵌入式实时系统的隔络通讯及应用 2 系统硬件平台设计 2 1 系统硬件平台设计简介 本论文是关于嵌入式实时系统的网络通讯及应用的研究，基于嵌入式c p u 的硬件平台作为本系统的基础，起着至关重要的作用。该系统可以应用于很多 基于i n t e r n e t 的场合，下面是嵌入式i n t e r n e t 应用于远程数据采集的一种方 案总休框架图： 图2 1 远程数据采集系统 f i g u r e2 1 r e m o t ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m s 该远程系统组成分析： 监控中心：有一组服务器和相应的工作站组成，从通过网络从数据现场提 取和接受数据，进行相应的处理后，进行保存或者信息发布。 i n t e r n e t 主干网络：由i n t e r n e t 干线组成的主干网，一般是由光纤或者卫 星通信网络组成，单根光纤网络速度可以达到数百兆以上。 现场数据网络：这里组建了以该嵌入式a r m 系统为核心胸现场数据网络。 在a r m 上运行嵌入式t c p i p 协议栈，由a r m 网络接口负责对现场数据传输。 数据采集上来后，利用a r m 网络接口通过i n t e r n e t 主干网络将相应的数据 传输回检测中心。 用户：用户可以通过i n t e r n e t 访问信息中心，获得自己需要的各类信息。 6 嵌入式实时系统的网络通讯及应用 本章的任务是设计现场网络中的嵌入式硬件系统，在设计时考虑到系统既 要进行数据采集，又要实现复杂的网络通讯功能，而且要有很强的扩充和升级 能力。所以应该选用功能强大、资源丰富的处理器，由于传统的8 位、1 6 位单 片机资源匮乏，比如运算速度慢，少量的r o m 、r a m ，i o 端口少等限制不能满 足要求，同时，该系统工作于远程方式，因此对系统的体积和功耗要求也是很 严格的。综上所述，我们选择了三星的s 3 c 4 4 b o x ，a r m 核的微控制器。 2 2三星s 3 c 4 4 b o x 三星s 3 c 4 4 b o x 基于a r m 7 t d m ir i s c 微处理器内核，最高频率7 5 m h z ， 0 2 5 微米c m o s 工艺，是为掌上设备和其他应用设计的一款高性价比的微控 制器1 3 3 。s 3 c 4 4 b o x 片内集成了一下部件：8 k bc a c h e ，l c d 控制器，2 通道 具有握手协议的u a r t ，4 通道d m a ，系统管理器( 片选逻辑，f d e d o s d r a m 控制器) ，5 通道带有p w m 的定时器，i o 端口，r t c ，8 通道1 0 位a d c ，i i c 总线接口，同步s i o 接口和时钟p l l 。s 3 c 4 4 b o x 具有以下特性： 1 6 位r i s c 构架和增强的a r m 7 t d m i 内核指令集 t h u m b 在保持原有性能的基础上压缩代码 基于j t a g 的片上i c e 调试 3 2 8 位硬件乘法器 全新s a m b a i i 总线 1 通道多主i i c 总线基于中断操作； 2 3 系统主体设计 最终设计的嵌入式a r m 板卡，其主要配置和资源如下 c p u ：s 3 c 4 4 b o x ( 指令缓存8 k 字节) ： f 1 a s h ：s s t 3 9 v f l 6 0 ( 2 m 字节) ： s d r a m ：h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 ( 8 m 字节) ： u s b 接口：p d i u s b d l 2 ： e e p r o m ：2 4 l c 0 4 ： 音频输出：t d a 7 0 5 0 ； 音频输入：c s 4 3 3 4 ： 网络：8 1 0 9 a s ： l e d 接口：支持4 位和8 位数据总线的液晶模块： 两路标准三线r s 2 3 2 接口； 标准1 4 芯j t a g 接口； l e d ，按键，蜂鸣器： 实时时钟； 另引出所有$ 3 c 4 4 8 0 的引脚。 嵌入式实时系统的网络通讯及应用 下图为该嵌入式a r m 板的功能模块图 图2 - 2 系统的功能模块图 2t h em o d u l eo fs y s t e mf u n c t i o n 由于整个系统很复杂，功能模块也非常多，这里只介绍最主要的模块设计。 2 3 1 内存接口设计 s 3 c 4 4 b o x 内存控制器为访问外部内存提供各种控制信号，具体特性如下 l i t t l e b i ge n d i a n 模式( 通过外部引脚选择) ； 地址空间：每b a n k3 2 m 字节( 8 个b a n k 共2 5 8 m 字节) ： 8 个内存b a n k ： 6 个r o m ，s r a m ； 2 个r o m ，s r a m ，f p e d o s d r a m 。 7 个固定的内存b a n k 起始地址，b a n k 的大小可编程； 1 个可变的内存b a n k 起始地址，b a n k 的大小可编程； 所有内存b a n k 可以编程配置访问时序： 在p o w e r d o w n 模式下支持d r a m s d r a m 的自我刷新。 嵌入式实时系统的网络通讯及应用 系统启动r o m 设计： 系统复位后，跳到地址o x 0 0 0 0 0 0 0 0 ( b a n k0 ) 执行指令，s 3 c 4 4 b o x 的b a n k o 数据总线宽度可以在系统启动前通过o m 1 ：0 引脚配置成8 位、1 6 位、3 2 位 宽。具体设置见下表： o m 1 ：o 数据总线宽度 0 08 位( 字节) 0 11 6 位( 半字) 1 03 2 位( 字) 1 1 测试模式 表2 - ib a n k0 数据宽度设置 t a b l e2 1d a t aw i d ec o n f i g u r a t i o no fb a n k0 本系统采用跳线的方式进行b a n k0 数据总线宽度的选择，启动r o m 选用的 是l m 1 6 位宽的f l a s h ( s s t 3 9 v f l 6 0 ) ，所以这里选择的是1 6 数据总线方式。 该芯片与s 3 c 4 4 b o x 连接的地址线、数据线以及控制信号的接法见下图： f l a s h 占用的地址空间为o x o o o o o o o o h o x 0 0 2 0 0 0 0 0 h 。 s 3 ( ：4 4 b ( f t a s h d d r 斟髓a 1 2 1 奄l o a t n l 5 描d a t a 1 5 ：0 n g c s on c e n o e帕e 僦臌 图2 - 3f l a s h 与s 3 c 4 4 b o x 的连接 f i g u r e2 - 3t h ec o n n e c t i o no ff l a s ha n ds 3 c 4 4 b o x s d r a m 设计： s d r a m 芯片选择的h y n i x 的h y 5 7 6 4 1 6 2 0 ，4 b a n k s x1 m 1 6 b i t 的同步动态 r a m ，采用c m o s 工艺，特别适合做需要高密度、带宽的应用场合中的主存储器。 s d r a m 采用1 6 位数据总线方式与s 3 c 4 4 b o x 连接，地址信号、数据信号、控制 信号如下图所示： 9 嵌入式实时系统的网络通讯及应用 占用的地址空间为0 x o c 0 0 0 0 0 0 h - 0 x o c 8 0 0 0 0 0 h 。 s o r 矗瓤 s 3 c 4 4 8 0 h 悸7 讷科t 6 2 b a d d r 【1 2 ：1 】 e y 3 r 【1 2 ：1 l。 1 1 、n l a ”1 b a l l ：0 1 8 a ：o l t 。 i d a t a i s ：0 1l 通l 瓢啡 1 b a t a 1 5 ：0 | 7 s c u ce u ( n r a , 0 瞒e s 静l n e 嚣 | 1 i ：a s 黜、s f 矗s礁r a s n c a s 勃憾c a s哦黼 n w ei 蝌e 耐婚e 【1 ：0 f o ( 荆 1 剜 d q m 1 ：o i： l d o m i u 姒 图2 4s d r a m 与s 3 c 4 4 b o x 的连接 f i g u r e 2 4t h ec o n n e c t i o no fs d r a ma n ds 3 c 4 4 b o x 内存的初始化： s 3 c 4 4 b o x 中的内存控制器可以提供各种内存需要的时序，如d r a m ，s d r a m ， e d o r a m ，s r a m 等。因此在系统运行前，必须根据系统搭载的内存对内存控制器 进行初始化，来为该内存提供所需的时序信号和控制信号。本系统中b a n k0 使 用的是f l a s h ，b a n k 6 上使用的是s d r a m ，内存控制器初始化的时候，对所有 1 3 个控制寄存器用s t m i a 指令赋值，部分初始化程序如下所示： d rr o ，= s m r d a t a 1 d m i a i d r s t m i a s m r d a t ad a t a d c d d c d d c d d c d d c d d c d d c d d c d d c d d c d d c d d c d r o ，( r i r i 3 r 0 ，= o x o l c 8 0 0 0 0 r o ， r 卜r 1 3 ) o x 2 2 2 2 1 2 1 0 ： o x 0 0 0 0 0 6 0 0 ； o x 0 0 0 0 0 7 0 0 ； o x 0 0 0 0 0 7 0 0 ： 0 x 0 0 0 0 0 7 0 0 ； 0 x o o 0 0 0 7 0 0 ： o x 0 0 0 0 0 7 0 0 ； o x 0 0 0 1 0 0 2 a ： 0 x 0 0 0 1 0 0 2 a ： 0 x 0 0 9 6 0 0 0 0 + 9 5 3 ： o x o ；s c l kp o w e r o x 2 0 ； 1 0 b w s c o na d d r e s s b w s c o n g c s o ，f l a s h g c s l g c s 2 g c s 3 g c s 4 g c s 5 g c s 6 ，s d r a m g c s 7 ，s d r a m r e f r e s h ( r e f e n = 1 ，t r e f m d = o ， t r p = 3 ，t r c = 5 ，t c h r = 3 ) d o w nm o d e ，b a n ks i z e ，3 2 m b 3 2 m b m r s r6 ( c l = 2 ) 嵌入式实时系统的网络通讯及应用 d c do x 2 0 2 3 2 系统调式接口设计 m r s r7 ( c l = 2 ) e m b e d d e d i c e 宏单元和e m b e d d e d i c e 接口 s 3 c 4 4 b o x 有一个e m b e d d e d l c e 宏单元来调试a r m 内核。e m b e d d e d l c e 宏单 元通过t a p ( t e s ta c c e s sp o r t ) 控制器来串行编程。e m b e d d e d l c e 接口是3 t a g 协议转换单元，它把由调试器产生的调试协议信息翻译成j t a g 信号，发送到 串、并端口。 e m b e d d e d l c e 的j t a g 端口 当用s 3 c 4 4 b o x 的e m b e d d e d i c e 接口构建一个系统的时候，用户应该为 e m b e d d e d i c e 接口设计一个j t a g 端口。通常，这个接口连接器有1 4 个引脚， 它连接到e m b e d d e d i c e 接口通过1 4 线i d c 电缆。 3 t a g 端口信号，n t r s t ，t d i ，t m s ，t c k 必须连接到上拉电阻( 1 0 k 欧姆) 。 当用户没有使用e m b e d d e d l c e ，运行在正常模式的时候，s 3 c 4 4 b o x 上的n r e s t 信号通过跳线连到n t r s t 。当运行在调试模式的时候，n r e s t 信号断开跳线和 n t r s t 分离。 连接器引脚及其定义见下图： 研nn a m ef u n c t i o n 11 3s p u c o n n e d e dt ov d dt h r o u g h3 3o r0o h mm s i s t e r + “ n i r s tt e s tr e s e t ，a c t i v el o w ( c o n n e c t e dp u l l - u pr e g ) t d it e s t d a t ai n ( c o n n e c t e dp u l l - u pr e g ) 1 m s l e s tm o d es e l e c t ( c o n n e m e dp u l l u p 嗥 9t c kt e s tc l o c k ( c o n n e c i e dp u l u pr e 9 ) 1 1t d ot e 8 td a 妇o u t 1 2n l c e r s tc o n c t e dt ov d d t h r o u g h1 0 ko h mr e s i s t e r 2 , 4 。b 8 1 吼1 4 v s s s y s t e mg r o u n d 图2 - 5j t a g 连接器引脚定义 f i g u r e 2 - 5p i n sd e f i r ef o rj t a gc o n n e c t i o n s 这是本系统在a r m 集成开发环境s d t 2 5 下使用的j t a g 调试器 嵌入式实时系统的网络通讯及应用 图2 - 6s d t 2 5 的j t a g 调试器 f i g u r e2 - 6j t a gd e b u g g e rf o rs d t 2 5 2 4 系统外围设计： 2 4 1l c d 接口 s 3 c 4 4 b o x 的l c d 控制器负责把系统内存中的视频缓冲区的图像数据传输到 外部的l c d 驱动器中。该控制器支持单色、4 级灰度、1 6 级灰度模式，如果使 用基于时间的抖动运算法则和f r c ( 帧率控制) 方法，它能够支持2 5 6 色的l c d 面板。l c d 控制器可以通过编程支持不同参数的l c d ，比如屏幕水平和垂直方 向上的像素，数据接口的数据宽度，接口时序和自刷新率等参数。 l c d 控制器的内部结构如下图： 图2 7l c d 控制器框架原理图 f i g o r e2 - 7l e dc o n t r o l i e rb l o c k 1 2 嵌入式实时系统的网络通讯及应用 s 3 c 4 4 b o x 的l c d 外部接口信号定义如下： v f r a m ：l c d 控制器和外部l c d 驱动器之间的帧同步信号。它通知l c d 面扳 开始显示下一帧，l c d 控制器在发送完一整帧数据之后发出v f r a m e 信号。 v l i n e ：l c d 控制器和l c d 驱动器之间的线性同步信号。l c d 驱动器用它来传 输垂直行移位寄存器中的内容给l c d 面板显示。l c d 控制器在整个 垂直行中的数据被转移到l c d 驱动器后发出v l i n e 信号。 v c l k ：l c d 控制器和l c d 驱动器之间的时钟信号。在v c l k 信号的上升沿， l c d 控制器发送数据，在下降沿由l c d 驱动器采样。 v m ：l c d 驱动器的a c 信号。a c 信号被l c d 驱动器用来交替变换行和列电 压极性使像素显示或者不显示。 v d 3 ：0 显示数据输出端口。对于4 位或者8 位的单扫和双扫显示模式，这 四位数据的格式是不同的。 v d 7 ：4 显示数据输出端口。同样对于8 位的单扫和双扫显示模式，这四位 数据格式也是不同的。 s 3 c 4 4 b o x 的l c d 接口能够兼容各种型号的l c d 驱动器，典型的是d m f 5 0 0 8 1 液晶模块，本系统中引出该l c d 接口，如下图所示： 图2 - 8 液晶模块接口 f i g u r e2 - 8 l c dm o d u l e i n t e r f a c e 2 4 。2 输入输出接口 s 3 c 4 4 b o x 共有7 1 个复合功能的i o 口引脚： 端口e * nf ( 9 位i o 口) ；端口d 和g ( 8 位1 o 口) ；端口c ( 1 6 位i o 口) ： 端口a ( 1 0 位i o 口)；端口b ( 1 l 位i o 口) 。 每个端口通过软件可以做各种配置以实现设计需求。需要注意的是，主程 序开始前必须定义每个管脚的功能，如果不用管脚的多功能，应该配置成i o 口使用。 系统l e d 指示灯分别由p c i 、p c 2 、p c 3 脚通过反相器控制，连接如下： 嵌入式实时系统的网络通讯及应用 图2 - 9 系统l e d 连接 f i g u r e 2 - 9s y s t e ml e dc o n n e c t i o n 输入按键占用系统的4 个外部中断：e x i n t 4 、e x i n t 5 、e x i n t 6 、e x i n t 7 。 图2 - 1 0系统输入连接 f i g u r e2 - 1 0s y s t e mi n p u tc o n n e c t i o n 2 4 3 网络接口设计 r t l 8 0 1 9 a s 是一款高度集成的全双工以太网控制器，支持微软的即插即用， 兼容n e 2 k ，支持3 种节电模式等特性，主要特点如下： 兼容e t h e r n e ti i 和i e e