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手持i c 卡终端的移动互联网接入技术研究 摘要 近年来，i c 卡的应用呈现蓬勃发展的势头，手持i c 卡终端的应用领域也日益广泛。 但由于传统的i c 卡手持终端受到通信线路不可移动等技术因素的制约，在很多场合己不 能完全满足其应用要求。在此背景下，为了使i c 卡手持终端能够接入移动互联网络，方 便快捷地进行数据通信，本文在认真研究分析i c 卡手持终端与移动互联网的研究现状与 发展趋势的基础上，提出并具体实现了一种在基于3 2 位a r m 处理器的嵌入式i c 卡手持 终端中集成c p r s 通信功能以实现无线上网的设计方案。 该方案向系统中移植了嵌入式l i n u x 操作系统，解决了在嵌入式系统中难以实现 t c p i p 网络协议的困难。同时通过扩展g s m g p r s 通信模块，实现了g s m g p r s 协议栈及 射频接口。利用手持g s m g p r s 无线网络满足了i c 卡终端对通信的移动性要求，为手持 i c 卡终端以无线方式接入互联网提供了一个经济、可行的解决方案。 关键词：i c 卡手持终端移动i n t e r n e t 接入技术 s t u d yo n t h et e c h n o l o g yo fa c c e s s i n gt h em o b i l ei n t e r n e t b a s e do nt h eh a n d h e l dp o s a b st r a c t d u r i n gt h el a s ty e a r s ，t h ea p p l i c a t i o no fs m a r tc a r di n c r e a s e dq u i c k l yi nm a n y i n d u s t r i e s ，a n dt h eh a n d h e l dp o sw a su s e di nm o r ef i e l d s b u tn o w m o s ts m a r tc a r d t e r m i n a l sa r el i m i t e db yt h ec o m m u n i c a t i o ni i n e sa n dp l a c e s ，s ot h e yc a nn o tb e u s e di nm a n yf i e l d s i nt h i sb a c k g r o u n d ，a f t e ri n v e s t i g a t e da n da n a l y z e dt h e r e s e a r c hs t a t u sa n dd e v e l o p m e n tt r e n do ft h es m a r tc a r dt e r m i h a l sa n dt h em o b il e i n t e r n e t ，i no r d e rt om a k et h ee q u i p m e n t sa c c e s s t h ew i r e l e s si n t e r n e ta n d c o m m u n i c a t ec o n v e n i e n t l y ，ad e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fae m b e d d e ds m a r tc a r d t e r m l n a lb a s e do na3 2 一b i ta r mm i c r o 口r o c e s s o rw h i c hc a na c c e s st h ei n t e r n e to v e r g p r sw i r e l e s sn e t w o r ki sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r ae m b e d d e dl i n u xi sp o r t e dt ot h i ss y s t e m ，s ow ec a ns o l v et h ep r o b l e mo f i m d l e m e n t a t i o no ft c p i p w i t ht h eg s m g p r sm o d u l e ，t h es y s t e mh a sap r o t o c o lo f g s m g p r sa n dar fin t e r f a c e t h r o u g ht h eg s m g p r sw i r e l e s sn e t w o r k t h ep o sb e c o m e s am o b i l et e r m i h a lw h i c hc a ng e t st h ei n f o r m a t i o no fi n t e r n e t t h i ss y s t e mp r o v i d e s a ne c o n o m i c a la n df e a s i b l es o l u t i o nf o rt h es m a r tc a r dh a n d h e l dt e r m i n a lt oa c c e s s t h ew i r e e s sin t e r n e t k e yw o r d s ：s m a r t c a r dh a n d h e l dt e r m i n a lm o b il ei n t e r n e t a c c e s s i n gt e c h n o l o g y 2 独创性声明 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和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，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 墨洼垄兰堂瞳 或其他教 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 任何贡献均己在论文中作，明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：1 翁哦 签字日期：卫口口午年3月铲日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 叁盗堡兰至睦 有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨洼墨墨至瞳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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编，以供 查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：l 司a q 签字日期：2 口口弘年3 月牛日 名：墨季vi 签字日期：0 痂年? 月夕日 籀一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 第一章绪论 近年来，随着信息化建设的发展，智能卡( s m a r t c a r d ) 即i c 卡( i n t e g r a t e d c i r c u i t c a r d ) 的应用迅速普及，己经遍布到公安、银行、证券、商务、医疗、邮电、电力、交 通、物流派送等各个领域，成为许多行业信息存储和数据处理的重要工具。 社会经济的发展和科技的进步促使用户的需求不断增长，行业运作模式也在发生一 些根本性的变化。特别是配送服务兴起后，商家在享受因提高服务质量和档次而扩大的 市场份额的同时，也因为采用现金交易方式存在的假币、短款、清点工作量大等不利因 素而烦恼。 i c 卡能否得到广泛应用，根本上取决于i c 卡的使用环境，其中销售终端( p o s ) 的配 置量和通讯线路的顺畅是一个重要方面。i c 卡用户在宾馆、大型商场和超市通常都能持 卡消费购物，但在有些应用领域，由于受到场地和有线通讯线路的限制，使得有线p o s 的应用受到制约，例如电子商务的配送、大型商品展览会购物、餐饮等具有移动特征的 领域，持卡消费就很难实现。可以发现一个奇怪的现象，即方面，服务提供方都在想 方设法地增加i c 卡的发卡量，鼓励i c 卡的使用：而另一方面，由于受到i c 卡终端设备 的限制，i c 卡的使用被局限在一定的范围内。 摆脱有形介质的束缚，实现支付交易的随时随地，拓宽增值应用空间，提升服务质 量和行业形象，已经成为众多行业和部门越来越迫切的要求。 进入2 0 世纪9 0 年代，移动通信与互联网( i n t e r n e t ) 飞速发展，信息、通讯、电子、 计算机方面的一切新技术，几乎无不为它们所吸收和采纳“3 。信息化、智能化、网络化 的发展，使嵌入式技术日臻成熟，目前己成为通讯和消费类产品的一种发展方向“1 。 考虑到原有手持i c 卡读写设备受到场地和线路的限制，在有些场合已不能完全满足 其应用需求，未来的i c 卡终端将朝着集无线通讯、i n t e r n e t 网络、个人数字助理( p d a ) 等功能于身的“轻薄短小”的人性化方向发展。基于移动模式的数据处理大大方便了 使用者，这为具有移动i n t e r n e t 功能的嵌入式i c 卡手持终端提供了良好的应用环境。 而此类嵌入式i c 卡终端会以其强大的数据处理能力和移动性，逐渐深入到各种应用领 域，它将会使酒店、餐饮、机场、商场等各项服务业尝试利用无线技术改变其与服务对 象的关系，并以此实现在服务方式、产品营销方式和交易处理方式上的一系列创新。无 线销售终端( p o s 机) 将为银行、证券等金融行业开拓出柜面无线交易、无线电子支付 等新的操作模式，因此，移动i c 卡终端的出现是技术革新及应用需求发展的必然结果。 本文在认真研究分析了手持i c 卡终端设备的现状与发展趋势的前提下，结合天津市 重点科技攻关项目“l i n u x 开发平台与税务信息系统”的研究内容，提出了“手持i c 卡终端的 移动互联网接入技术研究”的课题。本文以一个手持i c 卡终端系统平台为基础，着重讨 论在该平台上实现移动i n t e r n e t 功能的一些关键技术。 目前“移动警务”以及“移动电子商务”、“金融i c 卡”、“物流配送”等许多行业均 急需具有移动互联网功能的手持i c 卡终端设备。本文所提出的系统可以作为这些设备的 第一章绪论 核心部件，因此市场前景十分广阔。 市场调研结果表明，全国各省会城市和经济发达地区将要实施的第二代身份证、交 管卡等项目需要配套具有无线通讯功能的掌上型卡读写机具。目前，国内众多企业已经 洞察到了无线i c 卡读写机具市场( 特别是“第二代身份证”的掌上型读写机具) 的广阔 发展前景，纷纷在各自企业原有产品的基础上，研发高档无线机具产品。 本项目所研究的系统平台作为具有无线通讯功能的掌上型i c 卡读写机具的基础平 台，具有广泛的应用前景，它的成功开发和推广可望产生显著的经济效益和社会效益。 移动通信与i n t e r n e t 的结合，是信息技术的发展方向；未来的卡类终端产品，特别 是手持终端，必然要跟上移动数据通信和i n t e r n e t 的发展步伐，进入无线通信领域。 1 2 系统总体结构 本文以一个嵌入式手持i c 卡系统平台为基础开展研究，为了使该平台具备移动 i n t e r n e t 的功能，该系统采用嵌入式3 2 位微处理器n m s 7 2 1 0 为核心，采用l i n u x 作为 操作系统，并通过通用分组无线业务( g p r s ) 网络接入i n t e r n e t 。 该嵌入式i c 卡平台由六个软、硬件子系统组成，它们分别是应用软件子系统、操作 系统子系统、中央处理器子系统、存储子系统、通信子系统和输入输出子系统。系统总 体结构框图见图卜1 。 图1 1 嵌入式开发平台系统总体框图 1 中央处理器子系统 中央处理器子系统是嵌入式i c 卡平台的硬件核心子系统，它主要由中央处理器和辅 助电路组成。 2 存储子系统 存储子系统主要由系统随机存储器、系统f l a s h 存储器组成。 3 通信子系统 通信子系统主要由全球移动通信系统通用分组无线业务( g s m g p r s ) 模块组成。通过 此模块将嵌入式系统接入移动网络中。 4 输入输出子系统 输入输出子系统主要由彩色l c d 显示模块、触摸屏模块、键盘模块、接触式非接触 鹅一耄绪论 式i c 卡读写驱动模块和各种输入输出接口组成。 5 操作系统子系统 操作系统子系统是嵌入式开发平台的软件核心子系统，它主要采用经过裁剪的、满 足嵌入式系统要求的l i f l u x 操作系统。 6 应用软件子系统 应用软件子系统主要由面向具体应用的专用软件和各种通用工具软件组成。 由于主要关注于移动i n t e r n e t 功能的实现，因此主要研究工作集中在中央处理器子 系统、通信子系统、操作系统子系统等几个部分。 1 3 主要研究内容 本论文围绕着手持i c 卡终端实现移动i n t e r n e t 功能的一些关键技术( 包括嵌入式 技术移动i n t e r n e t 技术) 进行研究，主要完成了以下工作： 1 对基于a r m 体系结构的嵌入式系统架构进行了详细的研究。 2 详细研究了各种移动蜂窝技术、接入技术，分析了目前国内主要移动通信网络 g p r s 的基本原理及系统架构，提出通过g p r s 网络接入i n t e r n e t 的技术路线。 3 在分析研究微控制器及模块资料的基础上，设计了g p r s 通信模块硬件电路，完 成了调试工作。 4 研究了嵌入式l i n u x 的运行机制，包括硬件系统初始化的分析和实现，l i n u x 系 统内核的装入，l i n u x 对系统的管理，应用程序的导入等，分析并明确了l i n u x 操作系 统与初始化软件、应用程序之间的关系。 5 建立了开发环境，解决了在x 8 6 主机上为目标系统开发代码的问题。 6 编写了系统引导装载程序，重新编译了l i n u x 内核，建立根文件系统，实现了 l i n u x 的成功移植。 7 结合l i n u x 系统网络通信的特点和6 p r s 网络的特点，研究基于嵌入式l i n u x 系 统下p p p 协议以及t c p i p 协议的实现。 1 4 系统的特点 受集成电路设计、制造技术及系统集成技术水平限制，中国的i c 卡手持读写机具与 国外公司相比还比较落后，i c 卡读写机具大多还是以8 位单片机为核心开发的。一些网 络通信功能较强的高档i c 卡读写机具国内厂商开发成功的较少，不能满足大规模i c 卡 应用的需要。而国外一些公司开发的i c 卡读写设备的技术档次，系统集成相关设备及软 件则具有明显优势。例如：以色列利普门公司的i c 卡终端产品及其系统集成产品，几乎 垄断了美国9 5 的物流派送市场；泰雷兹、安智、v e r f o n e 等国外生产厂商的产品占领 了银行卡机具的绝大部分市场。 在无线手持i c 卡终端方面，大多通过红外接口与p c 机通信，传输距离短，无法直 接访问网络，数据传输效率低。目前，国外一些公司，如以色列利普门公司已经成功开 发出通过g s m g p r s 移动网络进行数据通信的无线i c 卡手持终端，而国内公司开发的无 线终端大规模商用的还很少，而且大多采用w i n d o w sc e 、p a l m 、p o c k e tp c 等商用操作 第一章绪论 系统，这些操作系统相对于开放源代码的l i n u x 系统开发成本高，安全性能低，无法满 足公安，交通等政府应用领域；而且使开发者受制于提供操作系统的公司，不利于针对 具体应用进行系统的修改和优化。 虽然移动互联网技术为手持t c 卡终端展现了美好前景，但目前大多数手持终端还孤 立于t n t e r n e t 之外，而实现手持i c 卡终端接入移动i n t e r n e t 的过程仍有很多关键问题 需要考虑。 由于作为移动终端的i c 卡设备受其移动性和便携性的制约，与p c 机相比，具有很 多限制，而且用户使用方式也不同，如屏幕小、内存有限、计算能力较弱、输入方式应 简单易用等。为了让人们在现有环境的基础上实现移动互联，业界提出了不少有效的方 案。在各种方案中，最为主要的有两种方式：一种方式是将移动终端当作功能简化了的 p c 机，这样现有的i n t e r n e t 协议不做大的修改就可以直接使用。另一种方式则是优化 现有的i n t e r n e t 协议，使其与现有协议兼容，同时更适合于无线应用这一特殊环境，如： w a p ，i m o d e 等。 另一方面，实现手持终端网络化，需要实现t c p i p 网络协议，但由于i n t e r n e t 上 面的各种通讯协议对于计算机存储器、运行速度等的要求比较高。在手持i c 卡终端中， 由于8 位m c u 运算速度和存储器容量受到限制，占用大量系统资源的t c p i p 协议的实现 较为困难。因此，在设计时分别采取如下思路：对于低档的8 1 6 位的系统，考虑到其系 统速度和内存的限制，要想一些办法实现简化，但要保持最基本的东西，即手持设备一 定要具备符合t c p i p 协议的软件包；对于高档m c u 片上系统，如a r m 7 或5 8 6 e x 等嵌入 式系统中比较高档的m c u ，可运行嵌入式实时操作系统，实现较完整的t c p i p 协议“1 。 鉴于以上情况，本文在以下方面开展了具有创新性的研究工作： 1 本系统通过g p r s 移动网络接入i n t e r n e t ，使手持i c 卡终端具有很好的移动性， 方便快捷，适应了手持i c 卡设备发展的潮流。同时相对于g s m 网络，本文所采用的g p r s 网络具有更快的数据传输速率。 2 本文提出的解决方案基于3 2 位处理器，克服了目前广泛采用8 位处理器的手持 i c 卡系统处理能力弱的缺点，适应了移动网络应用环境的要求。 3 本系统的软件平台采用嵌入式l i n u x 操作系统，l i n u x 操作系统具有源代码开放 的特点。由于采用了嵌入式操作系统，可以加强对多任务的管理，易于建立功能强大、 复杂的大系统。同时l i n u x 具有完整的t c p i p 协议栈，使嵌入式i n t e r n e t 的实现成为 可能。 4 i c 卡读写设备要接入移动网络，需要实现移动网络通信协议以及射频( r f ) 电 路。如果完全采用芯片设计，就增加了系统的设计难度，加大了资金与时间的投入。本 文采用模块化设计方案，来完成系统与移动网络的通信，降低了系统的复杂性，节省了 人力、物力。 第二章移动i n t c r o e t 技术 第二章移动i n t e r n e t 技术 随着时代的进步，人类对通信的移动性和信息的需求性急剧上升，越来越多的人希 望在移动的过程中高速接入互联网，获取急需的信息，完成想做的事情。于是互联网技 术与移动通信技术相结合而形成的“移动互联网”技术应运而生”1 。 无线移动互联技术的发展趋势将重点体现在多媒体、无线通信和互联网的融合上， 将来人们的可移动性进一步增大，不管在什么地方人们都可以连接上互联网，得到想要 的信息，真正实现个人通信”。 在需求和技术两种驱动力的作用下，全世界范围内涌现出多种移动i n t e r n e t 技术。 通过移动和无线通信系统接入i m e m e t 的方式分为两大类，一是基于蜂窝的接入技术， 如g p r s ，码分多址( c d m a ) 等。二是基于局域网的技术，如无线同域网( i e e e 8 0 2 1 1 w l a n ) ，篮牙( b l u e t o o t h ) 等。尽管它们解决问题的层面和侧重点有所不同，但着眼点 都是相同的：一是连接i n t e r n e t 的计算机设备( p c 机、笔记本电脑等) 如何实现移动性， 二是便携终端( 蜂窝电话、掌上电脑、p d a 等) 如何接入i n t e r n e t 并获取和显示有效信 息。实际上，这二者也是相辅相成的，并且已部分成为现实。目前，我国公用无线数据 网g p r s 、c d m a 等己经基本成熟，利用无线通道传输话音、数据、视频、图象、消息 等不再是梦想【】1 。 移动i n t e r n e t 技术旨在实现将带有微处理器的电子设备与移动i n t e r n e t 结合起来。 要实现基于手持i c 卡终端的移动i n t e r n e t 技术，一方面要将手持终端接入移动通信网 络，另一方要实现嵌入式i n t e r n e t 技术。 2 1 移动互联网的接入技术 当前的g s m 网络以及窄带c d m a 网络仅能提供9 6 2 8 8k b i t s 速率的数据传输业 务，这远远不能满足用户对高速无线数据业务的需求。 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，通用分组无线业务) 是2 5 g 的移动通 信系统，它与现有的g s m 语音系统最根本的区别是，g s m 是一种电路交换系统，而g p r s 是一种分组交换系统。因此，g p r s 特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据 传输，也适用于偶尔的大数据量传输。这一特点正适合大多数移动互联网的应用。而且 底层基于i p 协议，可与i n t e r n e t 无缝连接。 基于g p r s 的无线网络的通信，在核心网络引入分组交换平台( g s n ) ，在g p r s 服务 支持节点( s g s n ) 和g p r s 网关支持节点( g g s n ) 采用分组交换平台方式，定义了基于 t c p i p 的g p r s 隧道协议( g t p ) 方式来承载高层数据：通过g g s n ，实现了与标准i n t e r n e t 网的无缝连接，在g g s n 可实现与外部i p 网络的透明与非透明的连接”。 以g p r s 为基础的无线数据系统越来越得到广泛的应用，g p r s 使互联网进入无线领 域。因此在将嵌入式i c 卡设备与移动i n t e r n e t 相结合的过程中，采用g p r s 无疑是一种 切实可行的方式。 本文采用w a v e c o m 公司的w i s m o0 u i kq 2 4 0 3 作为通信模块，该模块具有完整的 g s h i g p r s 协议栈，可以实现嵌入式i c 卡终端与g p r s 网络的射频( r f ) 接口。 第二章移动i n t e r n e t 技术 2 2 嵌入式i n t e r n e t 技术 将嵌入式设备与i n t e r n e t 结合起来的想法其实很早以前就有了，主要的困难在于， i n t e r n e t 上面的各种通信协议对于计算机存储器、运算速度等的要求比较高，支持 t c p i p 等t n t e r n e t 协议将占用大量系统资源。同时，相对于有线网络，无线网络的带 宽小，网络延时较大，连接可靠性低。这些都对嵌入式系统的微处理器提出了较高的要 求。 n e o m a g i c 公司的n m s 7 2 1 0 采用a r m 7 2 0 t 和d s p 双内核，主频达1 4 7 m ，适合于计算量 较大的应用环境。因此，本课题采用n m s 7 2 1 0 作为嵌入式系统的微处理器，同时采用嵌 入式l i n u x 作为操作系统。l i n u x 诞生于i n t e r n e t ，能够提供强大的网络功能。它具有 的u n i x 血统特性使其能够支持所有标准的i n t e r n e t 协议以及其他协议。( 事实上，l i n u x 是第一个支持i p v 6 的操作系统) 。 2 3 移动信息终端的发展 虽然目前台式机和笔记本电脑仍然是上网的主要设备，但人们对个人通信和移动计 算的需求越来越大，迫切需要能够不受时间地点限制、无线接入互联网的便携式信息终 端。无线移动互联网的发展激发了广大终端设备相关厂商的热情，一方面，掌上电脑或 p d a 的发展日益兴旺，为了进入大众消费市场，新一代产品的趋势是加入无线上网功能 甚至语音通信功能：另一方面，手机也将一改通话工具的形象，而成为可选的上网终端 设备之一，同时它还将具有p d a 或掌上电脑的特性。无论移动终端厂商还是便携电脑、 掌上电脑厂商，甚至传统家电厂商都看好无线移动互联网带来的商机，纷纷推出各种无 线互联设备，市场定位与用途多种多样，名称也五花八门，例如个人信息终端、无线互 联终端、多媒体移动设备、p d ap h o n e 、s m a r tp h o n e 、p a l mp c 、p o c k e tp c 等。 互联网应用的增长以及无线通信的繁荣，为i c 卡手持终端提供了广阔的发展空间。 计算、通信与消费电子产品的融合将造就出新一代手持终端装置。p c 机上的许多功能正 逐渐将集成到手持终端之中，电话簿、日程安排、定时提醒、日历、文本输入、语音识 别等功能将成为手持终端操作系统所提供的基本功能。实现个人通信和移动计算是这类 手持终端的新目标：”。 第三章系统硬件设计 第三章系统硬件设计 未来的高端i c 卡手持终端，要具备移动i n t e r n e t 通信功能，同时还要运行很多相 关应用程序，传统手持i c 卡终端通常采用8 位单片机作为系统的微处理器，通过简单的 程序来管理硬件系统，因此很难满足复杂系统对高速数据处理能力的要求。因此我们采 用3 2 位嵌入式处理器n m s 7 2 1 0 作为系统的微处理器。n m s 7 2 1 0 不仅运算速度快。而且其 同步串行口支持i c 卡控制功能。以n m s 7 2 1 0 为核心，l i a u x 为操作系统来构建基于嵌入 式系统的手持i c 卡系统平台，是实现移动i n t e r n e t 功能的理想的解决方案。 嵌入式系统硬件部分决定了嵌入式系统的先天功能，如运算能力以及扩充能力等等。 一个好的嵌入式系统都需要事先完整的硬件规划才可以具备达到所需要的功能条件。在 设计好嵌入式系统的硬件架构以后，就要考虑嵌入式系统的软件部分，嵌入式系统的软 件部分就像是嵌入式系统的灵魂，掌控着所有硬件的操作模式，通过优异的操作系统以 及应用程序，可以将有限的硬件装置功能发挥到极限“。 嵌入式系统硬件设计的基础是以应用为中心的芯片设计。由于嵌入式系统具有成本 敏感性，在硬件开发过程中。要量体裁衣去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高 的性能。考虑到本课题的具体应用要对芯片配置进行裁剪和添加，同时应注意硬件平 台的功耗、体积、成本、可靠性、速度处理能力、电磁兼容性等方面的性能。 3 1 系统硬件结构图 嵌入式i c 卡系统是围绕处理器来构造的。c p u 根据从各种外部设备接收到的输入来 完成必要的计算工作。处理器只有少量的内存，对于实现移动i n t e r n e t 来说，这些内存 显然不够，需要使用外部存储设备。为了使嵌入式系统通过g p r s 网络接入移动i n t e r n e t l 进而方便、快捷的利用网络上的通信资源，需要通过串口外接g s m g p r s 通讯模块。硬件 还应包括方便用户进行应用交互的部件，比如显示单元、小键盘等等。 中央处理器予系统输入输j “予系统 is d i c a m 旷翟掣f a c 。 c k o 一彩甚i 茴 s i b _ 叫触摸屏 s m i 副 s m 叫智能卡( i c 卡) i i ( b c o l h hiiig s m g p r s 卜_ -s i cp h 图3 - i 系统硬件框图 该嵌入式开发平台的硬件设计主要包括中央处理器子系统、存储子系统、通信子系 第三章系统硬件设计 统和输入输出予系统的设计。 整个系统的硬件功能框图如图3 - l 所示，相对应的实物图见图3 - - 2 。 图3 - 2 硬件实物图 3 2 中央处理器子系统 3 2 1 嵌入式微处理器性能特点”1 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器，嵌入式微处理器一般具有以下4 个特点： 1 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间， 从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。 2 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化， 而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同 时也有利于软件诊断。 3 可扩展的处理器结构，满足最高性能的嵌入式微处理器的应用。 4 嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信 设备中，靠电池供电的嵌入式系统更是如此，其需要功耗往往只有m w 甚至uw 级。 3 2 2 常用的嵌入式微处理器架构体系 作为嵌入式系统的核心部件，嵌入式微处理器品种众多。据不完全统计，全世界嵌 入式处理器的品种已经过千，流行的结构有3 0 多种。嵌入式处理器可分为两大类，一类 是以通用计算机中的c p u 为基础的嵌入式微处理器，另一类是微控制器。 3 2 2 1 常用的微处理器架构体系 1 x 8 6 体系：a m d 4 x x ，i n t e l3 8 6 e x ，a 1 1 3 8 6 2 a r m 体系：i n t e ls t r o n ga r m 3 6 8 k p o w e r p c 体系：m o t o r o l a 公司的龙珠系列、冷火系列 4 m i p s 体系：m i p sr 3 9 1 0 ，m i p sr 4 0 0 1 3 2 2 2a r m 处理器简介 基于a r m 的处理器以其高速度、低功耗等诸多优异的性能而成为上述各类产品中选 第三章系统硬件设计 用较多的处理器。 a r m 公司自1 9 9 0 年正式成立以来，在3 2 位r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) c p u 开发领域不断取得突破，其结构已经从v 3 发展到v 6 。由于a r m 公司白成立以来，一 直以i p ( i n t e l l i g e n c ep a t e n t ) 提供者的身份向各大半导体制造商出售知识产权，而 自己从不介入芯片的生产销售，加上其设计的芯核具有功耗低、成本低等显著优点，因 此获得众多半导体厂家和整机厂商的大力支持，在3 2 位嵌入式应用领域获得了巨大的成 功，目前已经占有7 0 b 以上的3 2 位嵌入式产品市场，在低功耗、低成本的嵌入式应用领 域确立了市场领导地位。现在设计、生产a r m 芯片的国际大公司已经超过5 0 多家，国内 中兴通讯和华为通讯等公司也已经购买a r m 公司的芯核用于通讯专用芯片的设计。 目前比较流行的a r m 芯核有a r m 7 t d m i ，s t r o n g a r m ，a r m 7 2 0 t ，a r m 9 t d m i ，a r m 9 2 2 t ， a r m 9 4 0 t ，a r m 9 4 6 t ，a r m 9 6 6 t ，a r m l 0 t d m i 等，自v 5 以后，a r m 公司提供p i c c o l od s p 的芯 核给芯片设计者，用于设计a r m + d s p 的s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 结构的芯片。此外，a r m 芯片还获得了许多实时操作系统( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 供应商的支持，比较 知名的有：w i n d o w sc e 、l i n u x 、p s o s 、v x w o r k s 、n u c l e u s 、e p o c 等8 。 图3 - 3 中央处理器n m s 7 2 1 0 内部结构框图 9 第三章系统硬件设计 a r m 7 采用a r m v 4 t ( n e w m a n ) 结构，分为三级流水，空问统一的指令与数据c a c h e ，平 均功耗为0 6 m w m h z ，时钟速率为6 6 m m z ，每条指令平均执行1 9 个时钟周期。其中的 a r m 7 1 0 ，a r m 7 2 0 和a r m 7 4 0 为内带c a c h e 的a r m 核。a r m 7 t d m i ( t h u m b ) ：这是公司授权 用户最多的一项产品，a r m 7 指令集同t h u m b 扩展组合在一起，以减少内存容量和系统成 本。同时，它还利用嵌入式i c e 调试技术来简化系统设计，并用个d s p 增强扩展来改 进性能。a r m 7 小型、快速、低能耗、集成式r i s c 内核，用于移动通信。该产品的典型 用途是数字蜂窝电话和硬盘驱动器”1 。 3 2 ，3n m s 7 2 1 0 体系结构 经过充分地市场调研和认真地资料研究，我们选择美国n e o m a g i c 公司生产的基于 a r m7 内核的3 2 位嵌入式r i s c 中央处理器n m s 7 2 1 0 做为开发平台的中央处理器。 3 2 ，3 1n m s 7 2 1 0 简介 3 2 位嵌入式r i s c 中央处理器n m s 7 2 1 0 广泛地应用于移动电话、个人数据助理、手 持个人计算机和智能电话中。它的内部结构框图见图3 - 3 “。 在设计中，采用a r m 高级微控制器总线体系结构( a m b a ) 实现系统各个功能块之间 的通信，利用这个体系结构存在着两种总线：高带宽多主设备总线高级系统总线 ( a s b ) 和有效连接低功耗从设备的高级外围设备总线( a p b ) ，a s b 通过总线桥设备驱动 a p b 。 每个总线类型均允许多访问的并行进行，这些总线类型是： 1 m a i na s b ：这种总线有两个主设备：a r m 7 2 0 t 和a m b a 测试接口控制器。m a i na s b 总线连接静态存储器接口( s m i ) 、片内静态存储器，从设备接口连接s d r a m 控制器、s y s t e m a p b 和c o m m sa s b 。 2 c o m m sa s b ：这种总线有三个主设备：从m a i na s b 引出的a s b t o - a s b 桥、支持 电源管理特性的主设备s n # l - 围设备d m a 控制器。c o m m sa s b 连接片内启动r o m 、g p i od m a 、 存储器到存储器的d m a 控制器、智能卡接口和c o m m sa p b 。 3 s y s t e ma p b ：这种总线连接所有不支持d m a 访问的外围设备。当发生d m a 操作 时，这种总线允许处理器访问这些外围设备。 4 c o m m sa p b ：这种总线连接所有支持d m a 访问的外围设备。它也连接控制l c d 控 制器和d m a 控制器的寄存器接口。 5 p o i n t t o p o i n tb u s e s ：框图中也显示出三个其它总线。( 1 ) r a m 和l c d 控制器 之间的总线允许l c d 帧缓冲器保留在片内静态存储器中；( 2 ) 外围设备d m a 控制器和 s d r a m 控制器之间总线( d m a 是主设备，s d r a m 是从设备) ；( 3 ) s d r a m 控制器和l c d 控制 器之间的总线允许尽可能有效的高带宽d m a 处理，不阻止c p u 访问片内的其它外围设备。 3 2 3 2n m s 7 2 1 0 特性 高度集成的中央处理器n m s 7 2 1 0 具有如下特性： 1 基于a r m 7 2 0 t 的内置8k bc a c h e 的低功耗、高性能、高代码密度的r i s c 处理器； 2 精密的电源管理； 3 ，片内启动r o m 和8 0k b 静态存储器； 4 ，支持r o m 、f l a s h 存储器和p c 卡( 使用n m c l 12 1c o m p a c t f l a s h 回p cc a r d 接口芯 第三章系统硬件设计 片) 的静态存储器接口； 5 分离的s d r a m 存储器控制器支持3 2m b 存储容量； 6 8 通道d m a 控制器； 7 l c d 显示控制器支持单色和彩色l c d 屏幕连接： 8 同步串行接口支持e m vs m a r tc a r d 、s p i 、m i c r o w i r e 、s t b 、m u l t i m e d i ac a r d 和s i ) c a r d 设备； 9 通用串行总线( u s l 3 ) 主机接口控制器和u s b 功能接口控制器； l o 多媒体数字信号编解码器串行接口( s i c ) 支持a c l i n k 、l s bj u s t i f i e d 和 m s b j u s t if i e d 协议： 1 1 异步通信接口包括三个u a r t ，支持速度高达4 6 0k b s ； 0 x f f f f f f f f 0 x f 0 0 0 0 0 0 0 0 x e f f f f f f f 0 x e 0 0 0 0 0 0 0 0 x d f f f f f f f 0 x d 0 0 0 0 0 0 0 0 x c f f f f f f f 0 x a 0 0 0 0 0 0 0 0 x 9 f f f f f f f 0 x 9 0 0 0 0 0 0 0 0 x 8 f f f f f f f 0 x 8 0 0 0 0 0 0 0 0 x7 f f f f f f f 0 x 6 0 0 0 0 0 0 0 0 x 5 f f f f f f f 0 x 4 0 0 10 0 0 0 0 x 4 0 0 0 f f f f 0 x 4 0 0 0 0 0 0 0 0 x3 f f f f f f f 0 x l0 0 0 0 0 0 0 0 x 0 f f f f f f f 0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 s dra m 内存 s dr a m 模式寄存器鼹s d r a m 晕) s d r a m 接口寄存器 保留 高级外设总线i ：的外殴 外设 片匕ra m 保留 片上r 0m 静态内存和p c 卡接口 静态内存接口cs 0 喊片上r 0m ) 图3 - 4 存储器地址空间分配 1 2 i r d a 红外线通信支持三种速率：低速( 最高1 1 5 2k b s ) 、中速( 0 5 7 6 或者1 1 5 2 第三章系统硬件设计 m b s ) 和高速( 4m b s ) ： 1 3 片内外围设备包括中断控制器、定时器、实时时钟( r t c ) 、键盘接口、d c d c 转 换和通用 o 端口( g p i o ) ； 1 4 g p i o 端口接口具有高速d m a 支持： 1 5 两个石英振荡器( 3 2 7 6 8k h z 和3 6 8 6 4m h z ) 和两个p l l 。 3 3 存储子系统 嵌入式i c 卡机具开发平台的存储子系统由s d r a m 、f l a s hm e m o r y 组成。 3 3 1 存储空间分配 系统存储器地址空问被分成若干个区域，细节参见图3 - 4 。没有定义的地址空间为 系统预留的地址。 3 3 2 静态存储器接口 静态存储器接口( s m i ) 支持两种类型的静态存储器： 1 内部存储器：片内启动r o m 和片内s r a m 2 外部存储器：r o m 、f l a s h 存储器或者其它静态存储器和选通驱动外部i o ( 包括 p cc a r d ) ，这个接口总线可以配置为1 6 位或者3 2 位宽。 内部和外部静态存储器可以映射到存储器中底部的2 6 b 空间，如图3 - 5 所示。 所有这些存储器可以从c p u 、d s p 协处理器和测试接口控制器来访问，d m a 控制器只 能访问连接在c o m m sa s b 和c o m m sa p b 总线上的动态存储器和外围寄存器，d m a 控制器 不能访问任何其它形式的存储器( 这种情况包括片内r a m ) 。 0 x3 0 0 0 0 0 0 0 片上肩动r o m 静态内存g oc s2 和p c 卡2 静态内存的c s 0a n dp c 卡1 静态内存cs 1 ，cs2 ，cs3 ，c8 4 静态内存c s 0g 戈复位时片上r o m ) 图3 - 5 静态存储器地址空间分配 外部存储器接口由i o a 2 5 ：0 、i o d 1 5 ：0 、n i o w e 、n i o e 、n i o c s 4 ：0 、n i o b e 3 ：0 和g p i o 的端口b 与端口c 共同完成的。在复位时，可以配置控制器使用1 6 位或3 2 位宽 的外部数据总线( i o d ) ，数据总线宽度的选择是通过在加电时1 0 1 6 b i t 启动选项来选择 的。如果选择3 2 位数据总线宽度，那么g p i o 的端口b 和端口c 将做为i o d 3 1 ：1 6 来复 用。 静态存储器和p cc a r d 访问的内部模块接口是通过m a i na s b 接口实现的，通过a p b 第三章系统硬件设计 总线可以对接口寄存器进行编程。静态存储器与中央处理器的接口电路如图3 - 6 所示。 n m s 7 2 1 0 3 2 b i tf l a s h i o d 15 ：0 】d 1 5 ：0 】 p b 7 ：0 】 d 3 1 ：1 6 l p c i 7 ：0 】 i o a 2 5 ：1 3 】a 2 3 ：1 1 】 1 0 a f l 2 ：2 】a 【1 0 ：0 】 n l o c s xn c s nj o en o e n l o w en w e 图3 - 6 静态存储器接口电路示意图 3 3 3s d r a m 控制器 s d r a m 控制器使用l 到4 个外部设备支持从2 m b 到3