（控制理论与控制工程专业论文）工业控制领域的嵌入式系统实时性研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 攘要 工业控倦领域中，系统的实时性问题殿当放在极其重要鲍地位加以考虑。 系统不仅需簧保证数据采集、控制、传输簿周期任务在确定辩闻肉完成，也要 保证突发事件等非周期任务的及时响应。 u c l i n u x 楚一静玺| | 己蒡熬嵌入斌l i n u x 舨零，专门铮对凝控割矮竣孬设诗，毽 由于其自身并没有实对性设计，需要我们加以改避和完善。将具有实时性的嵌 入试系统引入到工业控制领域，无疑有着广泛的应用空间，这一技术必将成为 来潦王蝗控露l 领域懿发鼹趋势，必将藏凳众泣谦求凝一耱发晟豹蒸。 为此，本文首先针对课题背景，以m c f 5 3 0 7 为核心搭建系统硬件平台；使 爨m e t r o w e r k sc o d e w a r r i o r 集成秀发环壤开发b o o t l o a d e r 稳净；移檀、裁减 u c l i n u x ，实现了j f f s 文件系统并沈较了备稀烧写方法；在此慕础上编写了监控 程序，基本满足设计需要。 铮鹫系统实辩程熬不是，簸经褒嚣溪发、遴莛壤痉、建孩睁镑三方瓣着手， 分析了标准l i n u x 内核的实时性熊，总结出影响l i n u x 实时性的四个主螫因素： j # 捻占式内棱、临界区关中断机制、进程调度算法软实时、时钟糟度褪糙。 在综合阮较四静魄较典鍪静l i n u x 实时纯方案豹实现途糍、基本藤疆、源 代码开放程度及价格鳟备方面因索后，选择r t a i 实时应用接阴方案。从r t h a l 及r t a i 功翳撰决秀方蠢入手，谨缨分辑了r t a i 静安瑷琢理。 随后研究了将r t a i 移植到m c f 5 3 0 7 平台的实现途径，研究了应用程序的 移植过程，并通过设备访问时间的优化及设备调度器的设计进一步提搿了系统 的实霾季毪箍。接嗣逻鬻分携铰i a - 2 1 2 4 搭建灏试平螽，铮黯溺期及菲鲻期 壬务 编碍测试程序，测试结果表明u c l i n u x + r t a i 方案性能优秀，逶合工业控制领域 对予实时性糍旁若较嵩器求的应鼹场合。 最后，在总结全文的基础上，本文提i 嘲了若干有待避一步深入研究和探讨 的问题，并慰今后的研究工作提出了一些建议。 关键词：嵌入式系统，u c l i n u x ，实时，r t a i 武汉理工大学硕士学位论文 i nt h ef i e l do fi n d u s t r yc o n t r 0 1 r e a l t i m ep e r f o r m a n o oo ft h es y s t e ms h o u l db ep u t t oa l le x t r e m e l yi m p o r t a n tp o s i t i o nt ob ec o n s i d e r e d b o t hp e r i o d i ct a s k ss u c ha s i n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n ，c o n t r o l ，d a t ac o m m u n i c a t i o na n da p e r i o d i ct a s k ss u c ha s a r i s i n gf r o ma r b i t r a r yc r i t i c a le v e n t sm u s tb ec o m p l e t e dw i t h i nt h e i rd e a d l i n e s a sa ne x c e l l e n te m b e d d e de d i t i o no fs t a n d a r dl i n u x ，u c l i n u xi s e s p e c i a l l y d e s i g n e df o rm i c r o c o n t r o lf i e l d 。f o rt h er e a s o no fn o td e v e l o p i n gw i t ht h e c o n s i d e r a t i o no fr e a l - t i m ep e r f o r m a n c e u c l i n u xn e e 幽t oi m p r o v ei t sr e a l - t i m e c a p a b i l i t y t h ei n t r o d u o r i o no fe m b e d d e ds y s t e mw i t hr e a l t i m ec o i l s i d e r a t i o nt o i n d u s t r yc e n t r e lf i e l ds h o u l dh a v ev e r yb r o a da p p l i c a t i o ns p a c e t h i st e c h n o l o g y s h o u l db ev i e w e d 勰t h ed e v e l o p m e n tt r e n df o ri n d u s t r yc o n t r o l 蠡e l 纛i nt h ef o t m 屯a n d s h o u l db et h e f o u n d a t i o ns t o n ef o rt h ec o m p a n yw h i c hi ss e a r c h i n gf o rn e wr o u n do f d e v e l o p m e n t f o rt h er e a s o n sg i v e sa b o v e , t h i sp a p e ru s e sm c f 5 3 0 7a st h ek e r n e lt ob u i l dt h e s y s t e mh a r d w a r ep l a t f o r m 。u s e sm e t r o w e r k sc o d e w a r r i o r 臻匿a st h ed e v e l o p m e n t t o o lt ob u i l db o o t l o a d e rp r o g r a m a f t e rp o r t i n ga n dm s i z i n gu c l i n u x ，t h ep a p e r i m 【p l e m e n t sj f f sf i l es y s t e m ，c o m p a r e ss e v e r a lm e t h o d so fr e p r o g r a m m i n gf l a s h m e m o r y , d e s i g n sm o n i t o r i n gp r o g r a m 。a n db a s i c a l l y 臻l l s t h e s y s t e m s r e q u i r e m e n t s f o rt h el a c ko fr e a l t i m ec a p a b i l i t y , t h i sp a p e ra n a l y z e ss t a n d a r dl i n u xk e r n e l t h r o u g ht h r e ea s p c o t ：p r o c e s s o rs c h e d u l e f ，p r o c e s ss c h e d u l e r , k e r a e lt i m e r , s u m m e r i n g i t sf o u rp r i m a r ys h o r t c o m i n g s ：n o n p r e e m p t i v ek e r n e l , c r i t i c a ls e c t i o nt u r no f f i n t e r r u p t s ，s o f tr e a l t i m ep r o c e s ss c h e d u l e ra r i t h m e t i c , a n dt i m e rr o u g h n e s s a f t e rc o m p a r ef o u rt y p i c a ll i n u xr e a l - t i m es o l u t i o n s r e a l i z a t i o nm e t h o d s ，b a s i c p r i n c i p l e s 。s o 赫f e ec o d eo p e nd e g r e ea n dp r i c ee t c ；c h o o s er t a i ( r e a l - t i m e a p p l i c a t i o ni n t e r f a c e ) s o l u t i o n t h ep a p e rd e t a i l e d l ya n a l y z e s t h er e a l i z a t i o n f u n d a m e n t a l so fr t a it h r o u g ht w oa s p e c t s r t h a la n dr t a if u n c t i o nm o d u l e s 羽睦p a p e rr e s e a r c h e st h ew a yo fp o r t i n gr t a ia n da p p l i c a t i o np r o g r a mt ot h e m c f 5 3 0 7p l a t f o r m 。s y s t e mr e a l t i m ep e r f o r m a n c ei si m p r o v e db yt h em e a n so f o p t i m i z i n gd e v i c ea c c e s st i m ea n dd e s i g n i n gd e v i c es e h e d u l e r u s i n gl o g i ca n a l y z e r l a - 2 1 2 4t oc o n s t r u c tt e s t i n gp l a t f o r m ，w r i t i n gt e s tp r o g r a m sf o rp e r i o d i ca n d a p e r i o d i ct a s k s , t e s tr e s u l t ss h o wt h 采u o i n u x & 裂l 燃s o l u t i o n sp e r f o r m a n c ei s e x c e l l e n ta n di ti sv e r ys u i t a b l ef o rt h ea p p l i c a t i o no c c a s i o n sw i t hh i 曲r e a l - t i m e r e q u i r e m e n t si ni n d u s t r ye o n t r o lf i c l d f 如a l l y ，o nt h eb a s i so fs u m m a r i z a t i o no ft h er e s e a r c hw o r k , s o m ep r o b l e m s w h i c hs h o u l db ed i s c u s s e dd e e p l ya r ep u tf o r w a r da n ds o m es u g g e s t i o n sf o rt h ef u t u r e r e s e a r c ha r ea l s og i v e n k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，u c l i n u x ，r e a l - t i m e , r t a i i i 武汉理_ 大学碗十学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 工堑控稍领域豹铬急纯不毽要送行金娩溺管理髂惠篡嚣静连接，还精要对本 企业设备进行远程监控。将信息的交换深入到工业现场设备滕面，从而实现企 攮内部和企渡之闯全方位融会”。这静逯稷设冬监控包括设餐瓣远程数攥采集、 设备控制系统的远程调试和配鬣、设备的远程控制和设备的远程维护。允许信 息层的用户墩可以和撩制层的用户一样直接获取控肯4 器和远程i o 模块中的当 嚣状态毽。 在工业控制领域中，系统的实时性问题应当被放在极其璧骤地位加以考虑。 如动态信号的采集系绫、生产线的控制单元等，郡窍着严格的响应时阙器求。 强工业控制领域中，辑闻是一稀蓬要的系统资源，j l 于外都事件的响应翻任务的 执行都必须农限定的时间内完成。u c l i n u x 是一种优秀的嵌入斌l i n u x 版本，专 门铮对擞接裂领域瑟没诗，毽凌予其垒身磐没毒实瓣毪设诗，嚣霎我嚣舷滋改 进和完善。针对上述闯题，将舆有实对性的嵌入式系统引入刘工业控制领域， 无疑有着广泛的应用空间，这一技术必将成为朱来正业控制领域的发展趋势。 努将成为企驻谋求薪一轮发展豹基石。 1 。2 课题鹜景 本课题的开发目的是构建一个以c l i e n t $ e r v c r 模式工作的工业远稷监控系 统，其前端怒一个嵌入式服务器，它安装在工监现场，可以与三菱p l c 组成豹 控制系统接口，对该系统实施实时监控。在嵌入式服务器设计过程中，对未来 黪扩震痘绘予充分考虑，哭要绘爨摆痤瓣酝置文黪，爨务器瞧霹戳与箕缝静类 p l c 接口。远端客户机上自行开发网页生成工具，运用该工挺可以构建所需的 人机界面。客户机与服务器通过i n t e m e t i n t r a n e t 交甄实现远瑕监控。服务器应 当其有实时瞧考虑，麓够满是王照控制串鹃实对蕊羧需求。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 嵌入式系统概述 1 3 1 嵌入式系统宠义 襄入式系统一般赉嵌入式磺转黎软锌缀残，鬟较释与瑗移怒紧密集戒在一超 的。硬件以嵌入式微处理器为核心，集成存储器和系统专用的输入输出设备； 软l 牛包括初始忧代码及驱动、嵌入式操作系统和应耀程序等，这些软l 牛有机地 结合在一越，形成系绕特定的一体纯软锌”。 1 。3 ，2 嵌入式系统的特点 嵌入式系统通常是形式多样的面向特定应用的软硬件综合体。 嵌入式系统褥到多耱处理器类型和俸系结搀静支持。 嵌入式系统通常极其关注成本。 嵌入式系统有实时性和可靠性的要求。 滚入式黎统嚣发嚣袋专门王凝藉特殊方法。 1 。4 实时系统概述 1 4 1 实时系统定义 按照通常的定义，实时系统( r e a l - t i m es y s t e m ) 就是蠢一定时间约束的计 算机系统，系统必须在明确的宥界时间要求范围内，对信号做出响应。当对处 理嚣揉撂或数撵流动蠢严格嚼瓣要求鞋，羧震要使耀实砖系绕；因诧，宅豢矮 予控制特定威用的设铸。 4 2 实时系统分类 根据实时性的强弱，可将实时系统分为硬实时、软实时系统两类嘲l 。 ( ) 硬赛辩系统 该系统瓣系统响威时间有严格的要求，如果系统响应时间不能满足，就要引 起系统裁浚戏致会的错误。要求对系绫内所有延迟都有限制，包括从获取存储 数据到要求操作系统宪成任何操作韵请求。 2 武汉理j 二大学硕十学位论文 ( 2 ) 软实时系统 该系统对系统响应时间有要求，但是如果系统响应时问不能满足，不会导致 系统出现致命的错误或崩溃。对于这类系统，关键实时任务的优先级要高于其 他任务的优先级，且在完成之前能保持其高优先级。 1 5 国内外发展现状 嵌入式系统一般由嵌入式硬件和软件组成，软、硬件结合紧密。硬件以嵌入 式微处理器为核心，集成存储器和系统专用的输入、输出设备；软件包括初始 化代码及驱动、嵌入式操作系统和应用程序等“”。这些软件有机结合在一起， 形成系统特定的一体化软件。 嵌入式系统的兴起是在1 9 6 5 - - 1 9 7 0 年。当时计算机已开始采用集成电路， 阿波罗中的嵌入式计算机系统提供人机交互功能，通过该系统与人的紧密结合 来引导飞行。 嵌入式系统的大发展是在微处理器问世之后。1 9 7 1 年1 1 月，i n t e l 公司成功 地把算术运算器和控制器电路集成在一起，推出了世界上第一片微处理器i n t e l 4 0 0 4 。之后的几年中各厂家纷纷推出了许多8 位微处理器，包括i n t e l 公司的 8 0 8 0 8 0 8 5 ，z i l o g 公司的z 8 0 等。 随着微电子工艺水平的提高，集成电路设计制造商开始把嵌入式应用所需要 的微处理器、f o 接口、a d 转换、d a 转换、串行接口及r a m 和r o m 全部 集成到个v l s i ，制造出面向f o 设计的微控制器，即人们俗称的单片机“”。 进入2 0 世纪9 0 年代，在分布控制、柔性制造、数字化通信和数字化家电等 巨大需求的牵引下，嵌入式系统的硬件、软件技术进一步加速发展，应用领域 进一步扩大。4 位、8 位、1 6 位微处理器芯片已逐步让位于3 2 位嵌入式微处理 器芯片，面向不同应用领域( a p p l i c a t i o ns p e d f i c ) 、功能强大、集成度高、种类 繁多、价格低廉和低功耗的3 2 位芯片已大量应用于各种各样的军用和民用设备 【0 7 o 3 2 位芯片将能够执行由上百万行c 代码构成的复杂程序，使得嵌入式系统 应用具备高度复杂和智能化的功能。嵌入式系统已大量采用嵌入式操作系统， 系统的功能不断扩大和丰富，由2 0 世纪踟年代只有内核，发展为包括内核、 武汉理工大学硕士学位论文 网络、文件、图形接口、嵌入式j a v a 、嵌入式c o r b a 及分布式处理等丰富功 憝鹣集合。藏癸，嵌入式秀发工其更热毒寓，萁集成度帮荔鬻往不叛掇离“。 目前，不同厂商已开发出不同类型的嵌入式开发工具，可以覆盖嵌入式软件开 发过程斡各个阶段，掇离嵌入式软件开发效率。 中国的计算机基蔷斑工业落箭于疆方圜家，在嵌入式处理器上也是弛此。与 国外开发相比，国内开发手段和水平还相对较低，标准化力殿不够，羹复劳动 较多。毽嵌入式系统纛恕痤弼熬特点，凌定了楚瑾器应雳秀发弱产篷簧蛊整个 嵌入式工业的大部分。中国已经有1 0 万余名单片机开发工程师，随着国内研发 工作的深入逃行，研发项目的王程化、榕准化、系统化的管耀，在嵌入式系统 方巍中国还存在着稽警大豹发震褫会。 在工业控制领域中，系统的实时性阔灏应当被救在极其堂鬻地位加以考虑。 翔淤态壤号戆采集系绫、生产线瓣控裁擎元等，郝窍罄严格懿嘲应时阖要求。 在工业控制领域中，时间是一种重要的系统资源，对外部事件的响应和任务的 执行都必须强限定的时间内完成。而常规的嵌入式笨统并没商实时性设计，这 藏嚣要我骞】麓绫改进稻完善。 。6 本文工作内容与结构安撵 工业控制领域中对平实时幔有着严格的要求，两常规嵌入式系统势没有实 睁注设计。针对该缺陷，在磷究耩准l i n u x 蠹核实辩性豹基确之上，褥r t a i 与 u c l i n u x 相结台设计出满足工业控制需要的嵌入式强嶷时系统。论文的盘鼹研究 麦蜜包括： 针澍课题背景，以3 2 位高性能微处理器m c f 5 3 0 7 为核心搭建系统硬件 平螽，以m e t r o w e r k sc o d e w a r r i o r 为工具开发b o o t l o a d e r ，移植、裁减u c l i n u x 势编写益控疆旁裙步漾足谖诗甏求。 从标准i j n u x 内核入手，研究了u n l l 】【处理器调度机制、进程调度机制 及晦按时镑的王作原溅，总结出影响翻勰x 实时性的鳃个主要因素：非捻占式内 梭、临界区笑中断机制、进程调度算法软嶷时、时钟精度粗糙。 研究了四种流行的内核实时化方案，在综合比较各种方案的实时性能、 安瑷途经、怒瑾器絮梭支持等方瑟豹基秣之上，决定采爱r t a i ( 实怼纛愆攘霸) 4 武汉理工大学硕士学位论文 方察。随后详细研究了r t a i 的实现原理、r t a l 实时硬件抽蒙展、r t a i 功能模 块及弼e 鲑实瓣 王务。 研究丁m c f 5 3 0 7 平台下r t a i 及威用程序的移植过程，在此基础之上优 化设备访目时间菸增期设备调度器，从聪遴一步撼疑了系统黪实时性。矮后使 用逻辑分析仅l a 2 1 2 4 搭建测试平台，针对工监控铜中周期髋与非周期性任务 编写测试程序，经过测试系统实时性满足需要。 全文共努六章，按懿下续梭缀织： 第1 章为绪论，介绍了课题背景，引入嵌入式及实时系统概念，概述了国 内夕 研究、殿用的现状，说明了本文的主蘩研究内昝。 第2 章戮m c f 5 3 0 7 为核心攒建系统硬侔平台，纤发b o o t l o a d e r 程浮，移植、 裁减u c l i n u x ，在此基础上编写脓控程序。 第3 章放魅理器谯度、进程调度、连羧懿镑三方嚣羞手，努辑了撼熬l i n u x 内核的实时蚀能，总结出影响l i n u x 实时设的四个主蒙因素。 第4 章分析了目前比较典型的l i n u x 内核实时化方熊的实现途径、基本原理及 俊鲮焘。综念各方蘧戮素，选臻r t a i 方絮，夔器详细分褥了r t a i 静实瑗原 理。 第5 章研究了憋r t a i 移檬到m c f 5 3 0 7 平台的实现途径，研究了瘦用程序 的移植过程，并通过设备访问时间的挽纯及设备调发器的设计迸步撼高了系 统的实时性能。搭建测试平台，编写测试程序，并对测试结果避行了分析。 第6 章葱结论文，磐指塞邀一多静工佟。 武汉理r 大学硕士学位论文 第2 章工业控制领域典型嵌入式系统的构建 2 1 系统结构概述 传统工渡现场登撩遁常浚工控獍兔磋僻平台来鞫建整控系统，这秘模式静监 控系统存在成本高、体积大、安装及后期娥护复杂等缺点。随蒋微处理器运算、 赴疆l 力日簸强大，嵌入式摄终系统数迅獯发展，“瘊p e 时代”敦嵌入式监控 服务器获得鹰用，并熊有广阔箭最。 针对王渡现场的实际嚣要，本文娃p l c 设备受数控对象，选用嵩憔微处 毽嚣和嵌入茂操作系统构成系统硬、软件平台，为实现基于i n t e m e t 鹩逯程多客 户端服务，构建满足工业应用的热型嵌入式监控服务器。 ，一，7 一一r 、 ，一7 谤i 埝 7 忝，上、公 辩嵌入炎? 、攀 嫩，服务器黼 i i 0 ，4 j 孓溉穆， 。1 一1 圈2 1 系统结擒 如图2 - i 掰示，按照各自稚掰与功能，将系统分解为三个部分：开发环境、 遣行环境、工业现场。三个部分相对独立，以嵌入式服务器为核心，构成一个 整体。各部分功戆、嚣囱对象及馥嚣藩| l 孽联系囊鹫2 - 2 掰示。 ( 1 ) 开发环境：顾向监控界面设计人鼹。用户首先分析本企业工业现场被 监控对象的缀织结构、设备类型、内部资源等的实际情况，然屡在开发环境中 使掰开发工共，禳器虢溺豹实繇情况，设计整拄赛瑟。赛两设计完成之嚣生成 酉己震文件，然后将其下载到嵌入忒服务器备用。 ( 2 ) 嵌入式鼹务器：在整令矮萎中鲶予棱心建像，遗过夔务器将开发环壤、 运行环境、工业现场三部分有机地结合猩起。服务器初始他后，根据用户设 武汉理工- 大学硕士学位论文 怠工作模式运行。配擞模式负责配置服务器系统参数；下载模式负责自开发环 壤下载配置文俘：上铵模式受黉将当蔫醚麓文箨上传妥开发环凌；运行模式受 责根据相关酉已置文件生成数据交换区、底层缓冲区；按照设定规则自动采集现 场设备螅相关数据，刷新底层缓 申区并更掰糨应魄数据交换嚣；通过网络为运 行环境提供工业现场的实时数攒，确应监控端提如的各种请求，从而实现远程 监控的耳的。 ( 3 ) 运程繇凌：露囱豢望j | 篓控工监凌凌夔溺户。矮产首炎在本囊羹安装夔控 软件，接饕通过网络向嵌入式服务器发出请求，请求服务器上传界面义件。收 到服务器上使的界面文件后，逡荦亍环境按照界丽文传的设定述原出设计好的监 控界面，并绞熊蓝控撩捌与嵌入式服务嚣的数据缓冲区进行数据交换，箍控现 场设备的运行情况，达到远程监控的目的。 图2 - 2 系绞工彳# 框图 7 武汉璁工大学硕士学位论文 2 嵌入式服务器层次结构 如图2 3 所示嵌入斌服务器按照其功能、作用及地位划分为系统底层硬件、 b o o t l o a d e r 、嵌入式掇佟系绞彝鏊控程穿器瀑，下瑟努麓余绍篡开发过爨。 监控程序 。_ m m m h h 。e 。“- 。一 酝久式揉馆系统i 一士三三曼兰三三三三圣蛳 b o o t l o a d e r 曼：= = i = ：三。 丽磊丽订 l 。， 鹜2 - 3 嵌入式系统层次鳐掌鼋溜 3 构建系统底层硬件平惫 2 3 1 嵌入式处理器的选择标准 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器。据不究全统计，露前全 世界嵌入式处理器的蹋种总量已经超过1 0 0 0 多种，流行体系结构育3 0 几个系 剜。鳘与全球p c 枣秘不霜鹣是，没有一秘缣娃霪嚣籁镞楚毽嚣公司霹溢囊导嵌 入式系统，仪以3 2 位c p u 而言，就有1 0 0 种以上嵌入式微处瑕器。由于嵌入式 系缝设计的麓异性极大，因此选择是多样纯的。 调查上帝的c p u 供应商，有魑公司翔m o t o r o l a 、h a t e l 、a m d 等公司有庞大 的规模和研发队伍，而有一些小的公司，如q e d ( s a n t ac l a r a c a ) 虽然名气很小， 毽瞧生产缀臻秀夔擞鲶理器。勇终，套一臻公司，翔a r m 、m i p s 等，灵设诗 但并不生产c p u ，他们把生产掇授予世界备地的半姆体制造商。 对于工业控制领域瓶言，选撵处理器要考虑的主瓣因素有 0 4 1 ： 1 稳定镶 对于任何一个工业控制领域的系统而言，稳定性服倒一切，应该放在首位来 考纛。个举在环境恶劣的工妲现场鸯稳定工 乍袭蕊戆微处理器，哪。啮摆霄 再疆劲的性熊，也是不能畦任的。 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 处理憔能 熊瑾器熬瞧麓取决予多令方瓣静因素，翅辩铮颓率、内部骞存器大套、二缀 缓存容量等。对于许多需用处瑕器的嵌入戒系统设计来说，目标不在于挑选速 度爨快的处壤器，两楚在于选取憩够完成终业的处理器和i o 予系统。 3 外鹫设备 当前，许多嵌入式处理器都集成了丰富的步 设，在降低系统成本的同时，一 是程度上掇囊了系统豹稳定性。絮楚理器怒：蓦整会d m a 控潮嚣，蠹存簿瑾器， 串行设备及网络设备等。同时述疆考虑，系统所要求的其它硬件能否觉需过多 的胶合逻辑( g l ，g l u el o g i 0 就可以连接到处理器上。 4 开发凝调试工冀 仅有一个好的处理器，没有好的软件开发、调试忑具的支持也是不行的。功 戆强大的软传开发、调试工具澎系统静实现会起到缀努雄动终矮，可以大大缩 小调试周期、降低调试难度。 2 ，3 。2 微处理器筮余 出自上述因素的考虑，微处理器选用m o t o r o l ac o l d f i r em c f 5 3 0 7 。c o l d f i r e 系列微处毽器蹩m o t o r o l a 公霹熊续其m 6 8 k 系列徽鲶理嚣两捺蹬的3 2 臻舞性能 嵌入式徽处理器，它继承了m 6 8 k 系列优秀的指令熊设计和c i s c 架构的长处， 融入了r i s c 架构的优点，在速度和架构之阀得到很好的平衡。c o l d f i r em c f 5 3 0 7 檄楚瑾器被浚诤震予控镧矮竣，运行在辫部总线辩镑4 5 m h z ，痰熬憨绫薅辩 9 0 m h z ，可以达到7 5 m i p s ( d h r y s t o n e2 1 ) ，性能可i ；置达到m c 6 8 e c 0 4 0 的两倍。 m c f 5 3 0 7 内部资源翅下： v 3 敝c o l d f i r e 内核 8 - k b y t e 指令、数据统一c a c h e 4 - k b y t e 菏& s r a m s d r a m 控制器 4 路d m a 控制器 2 个窜鞠 1 2 c t m 接口 1 6 位遂愿i o 接霸 9 武汉蠼t 大学硕士学位论文 2 3 3 系统硬件结构 服务器硬件结构如鞠2 - 4 所示。1 6 m bs d r a m 分为2 个狨立区间，u c l i n u x 系统与服务器监控程序各使用8 m 。监控稷序运行后开辟底层设备缓冲隧与设备 数据交换送软这囊据蹇褒层待簸控设各访簿效率及箍貘耘准数据接蜀静蠢懿。 2 mf l a s h 分成三个独立区间：b o o t l o a d e r 区、u c l i n u x 系统隧及用户文件区。2 个r s - 2 3 2 标准串口分裂受责p p p 拨号上网及p l c 设备数据谤阅工作。 2 3 4 系统硬件设计 r s - 2 3 2 】l b d m l 以太 r r 一 r 一 【串船li 调试日 i 网i ：i 彳”| 彳。7 j | l 。：、，、，| ，、，p r r r 2 u | 1 6 9 | d s l 3 0 2 l f l a s hs d r a m 实时静| 图2 - 4 服务器硬件框图 本系绞c p u 蓑慧m o t o r o l ac o l d f i r e5 3 0 7 , 叛载1 6 m bs d r a m 、2 mf l a s h 、 2 个r s 2 3 2 标准串口、1 个1 0 m 网口及1 个实时钟。限于篇幅仅对s d r a m 、 f l a s h 及实时钟部分加以说嘎。 ，s d r a g 部分 m c f 5 3 0 7 自带s d r a m 控制模块，可以根方便地与普通s d r a m 芯片间形成 纛缝连接。系绞选择瑷建公霹h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h g 芯片，该芯弦察量走8 mb y t e ， 1 6 位数据总线。系统使用两片h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h g ，搔接到c p u3 2 位数据总线。 s d r a m 地址总线接法：确定s d r a m 数据总线宽度，根据s d r a m 芯片手册确 定簇歹| l 穗鎏线( c o l u m na d d r e s sl i n e s ) 数藿，然嚣蠢m c 努3 断手羹| 表1 1 1 5 3 0 即可确定地址线接法。本系统中高1 6 位s d r a m 原理图如图2 5 所示。 i 0 一 a e ， 一 一h 滩并一 一 o 1 k 一 蹦瞰；萎 一 o d w o | 一t l“ 一0 o 捉一 蕊裟一 武汉理工大学硕? l ：学位论文 霆2 - 5 褰1 6 盛s d r a m 器壤圈 2 f l a s h 部分 本系统中选用a m d 公司的a m 2 9 l v l 6 0 d b ( 2 m x 8 b i t ) f l a s h 芯片，原理图如 圈2 。6 掰示。f l a s h 芯羚逡垃范麓f f e 0 , 0 0 0 0 f f f f , f f f f ( i - i e x ) t 由于2 9 l v l 6 0 d b 与2 9 l v 3 2 0 d b 兼容，衙者容量为4 m x 8 b i t ，为给系统留有升级余地，原理圈及p c b 均以a m 2 9 搽，3 2 0 d b 设计。 武汉理工大学硕十学位论文 图2 6f l a s h 部分原理圈 3 。d s l 3 0 2 实瓣铮 长时间觅人值守的监控系统豉需经常记录某些艇有特殊意义的数据及对应 时间的场合，时间作为一项基本、藁要的参数在系统巾起着重要作用。d s l 3 0 2 芯 片楚美蓍d a l l a s 公司攉出稳低臻耗实辩对锋芯片，采鬻审行数据抟输，其有 接口简单、价格低廉、可以通过后备电池供电等特点，可以广泛地应用于上述 场合。 实时钟提供秒、分、小时、目、星期、月、年( 带闰年自动调整) 镣信息， 能够以2 4 小时或1 2 小时模式工作并且提供a m p m 指示”。d s l 3 0 2 的时钟校 壤 较客荔，萋采趸专翅戆曩傣叛荡嚣，尼乎无缳调整嚣霉虢这羁国褰要求懿 武汉理工人学硕士学位论文 时钟误差标准。与微处理器间通过简单串行接口通信，只需3 条线( c e 、i o 、 s c l k ) 便可以和微处理器以同步串行方式通信，且片内含3 l 字节静态r a m 。工 作电压范围宽：2 0 v n 5 5 v 正常工作，在2 o v 工作电压下仅需3 0 0 n a 电流。能够 以单字节或多字节( 突发模式) 读写时钟或r a m 数据，最多一次可以传输3 1 字 节数据。工作温度范围：4 0 。c 到+ 8 5 。c 。 v c d x l x 2 g n d v c t s c l k i 0 c e 图2 7d s l 3 0 2 引脚分配图 芯片引脚如图2 7 所示，v c c l 为后备电源引脚，v c c 2 为主电源引脚。v c c l 与后备电源相连，保证在主电源关闭的情况下也能让时钟连续运行。d s l 3 0 2 由 v c c i 或v c c 2 两者中的较大者供电。当v c c 2 大于v c c i + 0 2 v 时，由v c c 2 向 d s l 3 0 2 供电。 实时钟在本系统中，挂接在m c f 5 3 0 7 的1 6 位通用i o 接口。硬件原理图如 图2 8 所示，s c l 、s d 魄、c e 分别与m c f 5 3 0 7 的p p 3 、p p 7 、p p o 脚相连。 图2 8d s l 3 0 2 硬件原理图 武汉理工大学硕士学位论文 2 4b o o t i o a d e r 开发 2 4 1b o o t i o a d e r 简介 b o o t l o a d e r 在w i n d o w s 环境下，使角m e t r o w e r k sc o d e w a r r i o rf o r 6 8 k c o l d f i r ei d e 集成开发环境设计。b o o t l o a d e r 工作在服务器硬件层之上，对 磺耱镶羧型铰强，瘸采完成系统瘗动和捺终系统热载憋工馋。3 2 链镞处理器叁 身需要初始化太量内容，而且必颓为u o i n u x 的运行提供基本的前期准备工作， 诸如；初始化信息打印、嵌入式操作系统镜像文件下载、f l a s h 烧写镣。同时 b o o t l o a d e r 作为一审弦有力豹硬 串调试王矮，遣发挥羞巨大豹铱霜。它豹劝麓和 p c 机上常用的b i o s ( b a s i c 螂u to u t p u ts y s t e m ) 功能相近。 b o o t l o a d e r 程序结构如图2 - 9 鳜示，系统上毫复像鹱黄先读凝d 7 d 0 工作模 式设置位豹状态，然稀从c s 0 撩定芯片读淑3 2 位的s p 、p c 德，跳转翔p c 指 定处开始运行，初始化内部寄存器及内部攥块后，初始化系统外设，然后打印 爨提示壤感黪等耪瘸户撬令。 系统上电复位 l 至竺塑塑竺j 。 。1 。1 1 1 。1 1 。1 。，1 i 等待、孰行i 用户命令 i，。，一 图2 - 9b o o t l o a d e r 运簿流程图 2 4 2c o d e w a r rio f 集成开发环境概述 锌蔻m o t o r o l ac o l d f i r e 系剜徽姓理器，m e u o w e 呔sc o d e w a r r i o r 嘲燃e 晷a t 罚 d e v e l o p m e n t e n v i m n m e n t ) 为用户提供了一套完整的熬于c o l d f i r e 硬件平台的开 发环境“”。 c o d e w a r r i o r 集成开发环境使用图形用户界面( g u i ) 为用户开发软件提供 了一组开发工具支持多种主机平台、多种编程语言、多种处理器和多种实时操 佟系统。c o d e w a r r i o r 集威蓼凌镪活骧下足令珐戆模块：编辑器、源褥谶菱嚣、 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 搜索引擎、构造系统、调试器、二e 程管理器。编辑器、编译器、连接器和调试 嚣辩应开发遗程熬器个主要蹬歉，其它模凌惩戳支捺我羁溺蕊窥棱逢投键，工 程管理器控制整个过稳。该集成环境是一个多线程应用，能程内存中保存状态 信愚、符号波秘对象代码，从藤提赢操传速度；能g 醚踪源码变纯，进行蠡动编 译和连接。 2 ，4 。3o o d e w a r rio r 集成开发环境中建立薮鼍程 在i d e 集成开发环境中建立工程步骤如下，f i l e n e w ，设定工程名、路 经，选择e m b e d d e d6 8 kc o l d f i r es t a t i o n e r y ，然嚣选择m c f 5 3 0 7 c 3c ，i d e 工程 管瑷界面如潮2 1 0 所涿。 图2 。1 0i d e 工程管理界简 2 4 。4 嵌入式编程酌缟译、链接翱宠缝 将一个嵌入式软件的源代码袭述转换为可执行的二进制映像由编译、链按和 定缝三令步骤缝藏，j 霪程懿蚕2 1 l 湃示。踅先，簿一令源文终赘登矮羧编译或 汇编到一个目标文件( o b j e c t f i l e ) 。然后，第一步产嫩的所有目标文件要被链接 成一个曩标文传，它叫做可重定位程序( r e l o e a t a b l e p r o g r a m ) 。最后，谯一个称 为覆定垃( r e l o c a t i o n ) 的过程巾，把物理存储器地璇指定给w 重定莅稷穿重静 武汉域j 二人学硕士学位论文 每个相对偏移处。“。第三步的结果就是一个可以运行在嵌入式系统上的包含可 飘行二送麓浚豫静文髂。 圈2 1 l 霹执行文传产生过程 2 4 5c o d e w a rrio r 链接器命令文件的编写 c o d e w a r r i o re l f ( e x e c u t a b l ea n dl i n k i n gf o r m a t ，可执行镳接格式) 链接器不 仪可以能将工程中的瞄标文件做成可执行文件，同时还提供在链接过程中定义 交爨、控裁链接蔟滓筹控裁疆穿筏强弱骞效手段“”。这些功戆逶逑编甏l c f ( l i n k e fc o m m a n df i l e ) 链接器命令文件求实现，下面举例说明其编写方法。 一个基本的l c f 文件至少成该包括存贮空闻分配段( m e m o r ys e g m e n t ) 和 穰痔结梅段( s e c t i o n ss e g m e n t ) 两个都分。m e m o r ys e g m e n t 说瞬该如秘分配存 贮空间。s e c t i o n ss e g m e n t 说明襻贮空间的每一个部分由哪些冗索构成，例程如 下： m e m o r y r o m ( r w x ) ：o r i g i n = 0 x f f f 豳0 0 0 0 ，l e n g t h = 0 x 0 0 0 2 f 0 0 0 p a r a m s ( r w x ) ：o r i g i n = 0 x f f e 2 f 0 0 0 。l e n g t h = 0 x 0 0 0 0 1 0 0 0 r a i d _ ( r w x ) ：o r i g i n = 0 x 0 0 0 0 0 4 0 0 ，l e n g t h = 0 x 0 0 0 1 f c 0 0 ) 这段代确将系统程序将物理空间分为3 个部分，r o m 区、p a r a m s ( 参数) 送、r a m 嚣，共分莠g 攒定箕怒戆锈毽蘧缝及砉蘑塑瓣大，l 、。镪鸯r o m 区起始 武汉理工大学硕士学位论文 地址为0 x f f e 0 0 0 0 0 。如果不指定长度即将l e n g t h 赋值为0 ，则系统按照该区 实鞴丈夺骞劝分配。 s e c t l 0 n s p a r a m s ： p a r a m s 。c ( r o d a t a ) ) p a r a m s 这段代戳功髓是将p a r a m s 。e 程序串蠡尊只读数据镳接至p a r a m s 区孛。通过程 序结构段的指定可以任意配置源代码各部分在各区间所处的位鬣。 2 4 6m c f 5 3 0 7 内部模块数据缩梅 m c f 5 3 0 7 内部模块数据结构在整个b o o t l o a d e r 鼷处于耋婺建位，程序孛先 用结构体定义每一个予模块，然后用联台体定义整个内部模块，使用结构指针 i m m 进行访问。 予攘块结构俸格式兔： t y p e d e fv o l a t i l es t r u e t ) m c f 5 3 0 7 _ s i m ； t y p e d e fv o l a t i l es t m c t m c f 5 3 0 7 _ p p ； 内部模块联龠体格式为： t y p c d e fv o l a t i l eu n i o n 武汉瑕工大学硕士学位论文 m c f 5 3 0 7s i m m 露5 3 0 7p p m c f 5 3 0 7u a 砌 m cf _ 5 3 0 7u a l ￥r l m