（测试计量技术及仪器专业论文）基于arm9的多参数监护系统和智能家居控制器的设计.pdf

摘要 针对目前越来越多的人对于医疗保健方面的需求与目前国内医疗保健仪器价格比 较昂贵的矛盾，本文设计了采用a r m 9 微处理器2 4 1 0 和嵌入式操作系统a r m l i n u x 以 及较为美观的q t e m b e d d e d 界面系统制作和研发了一种新型的集家庭医疗保健和智能 家居控制为一体的监护仪器，它能够连续较长时问采集和保存数据，并将数据波形显 示在l c d 屏上，还可应用高速e t h e r n e t 或无线传输模块进行数据传输，使得医院或医 师及时进行分析处理。嵌入式设备小巧便携的特点增强了设备应用的灵活性。 关键词：a r m 9们c e m b e d d e d r - 卜lif l u x嵌入式操作系统监护系统 a b s t r a c t a i ma tt h ec o n f l i c to f m o r ea n dm o r er e q u i r e m e n tt om e d i c a la n dh e a l t h - c a r ea n dt h e h i g l lp r i c eo f m e d i c a l - c a r ei n s t r u m e n to f o u rc o u n t r ya tp r e s e n t , w ea d o p tt h ea r m 9 m i c r o - p r o c e s s o r2 4 1 0 e m b e d d e do p e r a t i n g - s y s t e ma r m - l i n u xa n dq t e m b e d d e dw h i c hi sa i n t e r f a c e - d e v e l o pi n s t r u m e n tt om a k et h ei n t e r f a c em o r eb e a u t i f u lt om a k ea n e w t y p eo f h e a l t h - c a r ei n s t r u m e n tw h i c hh a st h em e d i c a lc a r ea n dt h ei n t e l l i g e n th o u s ec o n t r o lf u n c t i o n s i tc a nw o r kl o n gt i m et og a t h e ra n ds a v ed a t aa n dd i s p l a yt h ed a t ao nt h el c di nr e a l - t i m e a n da l s oc a ns e n tt h r o u g ht h eh i g h - s p e e de t h e m e to rw i r e l e s st r a n s m i tm o d u l e ，t h e nt h e yc a n b ea n a l y z e da n dd e a l tw i t hi nt i m e t h es m a l la n dp o r t a b l et r a i to f e m b e d d e di n s m a n e n t e n h a n c e st h ef a c i l i t yo f t h ei n s t r u m e n t sa p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：a r m 9 m o n i t o r - s y s t e m 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，基于a r m 9 的多参数监护系统及 智能家居控制器的设计是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：玉丝塞盟年- 三月奠日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：鳢 指导导师签名： 趔8 年上月卫日 年l 月_ 同 第一章绪论 1 1 研究的意义和研究现状 随着人们生活水平的提高、生活节奏的加快，人们对自己的身体健康越来越关注， 医疗保健的需求也越来越旺盛。然而许多疾病的突发性和随机性很强，具有很大的危 害性。由于长期以来人们轻预防重治疗的习惯影响，医院对于病人病症前兆方面的数 据积累较少，不能形成系统的预防疾病的数据库，这对于病人和医生都是一项损失， 因此构建系统的数据库就需要医院和病人的积极配合。而研究一种适合家庭使用的监 护系统则是一个较好的选择，一方面节省医疗资源，增加疾病数据积累；另一方面也 节省了用户宝贵时间和医疗费用m 。 监护系统是一种对危重病人的生理或生化参数进行连续、长时间、自动、实时监 测，并进行分析、处理后实现分类别自动报警、自动记录的医学仪器。监护仪能够得 到2 4 小时甚至更长时间连续的生理参数、变化趋势，指出病情严重程度，提供应急 处理和治疗的依据。高效、便捷、小型化、智能化的医疗诊断产品不断问世并越来越 受到人们的青睐。 监护仪除了可以同时测量多参数，并同时对多个病人进行测量外，还实现了以下 功能： ( 1 ) 无线遥测技术。病人在室内或者室外，运动员在进行锻炼的时候，可以进行实时 监测；危重病人从手术室转移到监护病房的过程中有导致死亡的可能，采用无线遥 测技术很好的解决了这些问题，给病人和运动员带来了很大的方便。 ( 2 ) 智能化。已经实现心电的数据处理、病理判断、控制给药量、编制病历、选通各 种抢救执行机构、检查并控制全系统的协调工作等。 ( 3 ) 小型化。在增加功能的同时，缩小仪器的体积。 ( 4 ) 实用化。扩展设备的功能、加强显示设备的直观性、实现仪器的虚拟化。 ( 5 ) 安全性。采用浮地技术、开关电源等先进的隔离技术防止病人和医护人员遭受电 击的危险。 多生理参数远程监护系统是一种院外监护体系集实时监测、诊断与急救指导、保 健为一体，为用户提供心电心律失常、血压、血氧饱和度、呼吸和体温等多种生理参 数进行远程实时监测和连续监护服务，具有远程诊治、远程会诊、专家系统、电子病 例、医疗信息发布、在线咨询等功能。1 。 随着现代信息、网络、计算机、控制技术的飞速发展，智能化家庭己经成为现实。 通过家居智能化技术，实现家庭中各种与信息技术相关的通讯设备、家用电器和家庭 安防装置通过家庭总线技术连接到一个家居智能化系统上进行集中或异地的监视、控 制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调。家居智能化所 提供的是由一个家居智能化系统构成的高度安全性、生活舒适性和通讯快捷性信息化 与自动化居住空间，从而满足2 1 世纪信息社会中人们追求的快节奏的工作方式，以及 与外部世界保持安全开放的生活环境。基于以上两方面考虑，我们用a r m 9 处理器2 4 1 0 设计和开发了集这二种功能为一体的多功能家庭监护和控制系统。 1 2 本文采用的关键技术的发展和特点 a r m 处理器是一类极具竞争力的嵌入式处理器，在嵌入式高端应用中占有很大的 市场份额，是一种高性能、低功耗、低成本的处理器设计模式。基于a r m 体系结构的 高性能处理器芯片集成丰富的外围设备，支持嵌入式系统、支持大容量外部存储器和 主存储器，可以在其基础上外接丰富的人机接口设备，如鼠标、键盘和t f tl c d 显示 器。将这种先进的处理器应用在监护和智能控制领域，有着广阔的发展前景和市场需 求。 其中，心电数据采集是多参数监护仪的设计中极其重要的一个环节。心电信号通 过肢体导联和胸导联，然后再经过放大、滤波等必要的信号调理电路，再经a d 转换 成离散的数字量，最后送入处理器处理、显示和存储等。 1 2 1 嵌入式系统的特点 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 通常被定义为：以应用为中心，以计算机技术为 基础，软件硬件可裁剪，适用于功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计 算机系统。广义上讲，凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可称为嵌入式系统。 嵌入式系统的组成如图1 1 。嵌入式系统和p c 系统有显著的不同，有着自己的特 点，这些特点归纳起来主要有以下几点： ( 1 ) 嵌入式系统体积小、功耗低、专用性强。与p c 系统相比，嵌入式系统都是 为不同的应用丽专门定做的，它可以把p c 机需要用很多的板卡完成的任务聚集在一 张板卡甚至是一个芯片中，大大缩小了体积和功耗，而且具有很强的专用性。 ( 2 ) 软件一般固化在芯片上。一般p c 系统作为开发嵌入式系统的工具，但是开 发结束后，嵌入式系统就是可以不依赖于p c 系统而独立运行，所以它的软件需要固 化在处理器芯片或者存储器芯片( 如f l a s h ) 中。 ( 3 ) 嵌入式系统市场分散。p c 系统王国被少数几个公司所垄断，如它的体系结构 绝大部分是i n t e l 的x 8 6 体系结构，而芯片生产商集中在i n t e l 、a m d 、c y r i x ；它的 操作系统则被m i c r o s o f t 一家垄断。在嵌入式系统领域，却充满竞争、机遇与创新， 没有哪一家公司垄断处理器和操作系统，呈现百家齐鸣、白花开放景象。例如：微软 的w i n c e ，开放源代码的u c o s i i ，l if l u x ，v x w o r k s 等 ( 4 ) 嵌入式系统软硬件结合紧密。由于受到体积、功耗等因素的限制，嵌入式系 统的存储器和外设资源有限，在嵌入式系统软硬件体系结构内部，各层次、模块之间 的耦合度比通用计算机强，这是嵌入式系统要求高效的结果。 ( 5 ) 嵌入式系统开发需要有专门的开发工具和开发环境。 执行装置 功能层 软件层 应用程序 文件系统i 图臀口l 任务管理 实时操作系统( r t o s ) 中间层m l b s p 硬件抽象层板级支持包 硬件层 嵌入式微处理器 ( 删) 龟| h k 内 i o 人机交互接口 嵌入式 计算机 系统 图1 1 嵌入式系统组成 1 2 2 嵌入式操作系统 据调查，现在世界上有2 0 0 多种嵌入式操作系统，这些操作系统可以分为实时操 作系统和非实时操作系统。对时间要求非常严格的嵌入式操作系统可以称为实时操作 系统，一般嵌入式操作系统都是实时操作系统。实时操作系统又分为硬实时和软实时， 硬实时系统有一个刚性的、不可改变的时间限制，它不允许任何超出时间限制的情况 出现，一旦出现，将产生系统崩溃的后果；软实时系统可以容忍超时，它将以降低系 统的性能为代价。典型的嵌入式操作系统有嵌入式l i n u x 、u c o s 、w i n d o w sc e 、v x w o r k s 、 p a l m0 s 、q n x 等“。 ( 1 ) 嵌入式l i n u x 。l i n u x 是操作系统中发展最快、应用最广的，究其原因，主 要是源代码丌放、可以从网上免费下载、有遍布世界的软件人才在不断维护和改进。 l i n u x 无疑是一种极好的选择方案，这就促使各种嵌入式l i n u x 版本不断出现。 ( 2 ) u c o s 是一款典型的实时操作系统，现在发展到第二版u c o sl i ，代码公开、 结构清晰、可移植性好、可裁减、可固化。 ( 3 ) w i n d o w sc em i c r o s o f t 开发，是一款从整体上为有限资源的平台设计的多线 程、完整优先权、多任务的操作系统，但是价格很高。 ( 4 ) v x w o r k s 是w i n d r i v e r 公司专门为实时嵌入式系统设计开发的操作系统，具 有极好的性能，是一款非常优秀的实时系统，但是昂贵的价格往往使很多用户望而却 3 口一 一竺藿| 黜姗一。二 步。 ( 5 ) p a l mo s 是一种3 2 位的嵌入式操作系统，用于掌上电脑。 ( 6 ) q n x 是一款实时操作系统，具有很好的伸缩性。 1 2 3 嵌入式处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。目前全世界嵌入式处理器已经超过1 0 0 0 多种，流行的体系结构就有3 0 多个系列。嵌入式微处理器的体系结构经历了从复杂 指令集计算机( c l s c ) n 精简指令集计算机( r i s c ) 和紧凑型精简指令集计算机( c o m p a c t r i s c ) 的转变；位数从4 位、8 位、1 6 位、3 2 位到6 4 位；寻址空间从6 4 k b 到4 g b ； 处理速度从0 1 m i p s 到2 0 0 0 m i p s ；引脚从8 个到几百个。从广义来分，嵌入式处理 器包括嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、d s p 处理器和片上系统( s o c ) ，结构如图 1 2 。 图1 2 嵌入式处理器 ( 1 ) 嵌入式微处理器，主要有a r m 、p o w e r p c 、m i p s 等。 ( 2 ) 嵌入式微控制器，又称单片机，也就是在一块芯片中集成了整个计算机系统。 ( 3 ) d s p 处理器，比较具有代表性的有t i 的t m s 3 2 0 系列，m o t o r o l a 的 d s p 5 6 0 0 系列等。 ( 4 ) 片上系统( s o c ) 则是在一个硅片上实现一个更为复杂的系统。 从狭义上讲，我们更加强调那些使用嵌入式微处理器构成独立系统，具有自己操 作系统，具有特定功能，用于特定场合的嵌入式系统。 1 2 4 嵌入式系统应用 随着计算机技术和通讯技术相结合的信息时代的快速发展，3 c ( 即计算机、通信、 消费电子) 一体化趋势日益明显，嵌入式系统凭借自身特点成为3 c 一体化的理想载 体。目前，嵌入式系统已经广泛应用于医疗电子、汽车电子、电子商务、军用电子、 通信设备、移动计算、信息家电、工控设备等各领域，展现出强大的生命力。图1 3 表 示了现代嵌入式系统的应用。 图1 3 嵌入式应用范围 1 3 本文的主要工作和研究内容 本文参阅大量文献，调研监护仪的国内外研究现状和设计水平，从生理和电生理 角度对心电信号做了概要阐述，深入研究了a r m 体系结构、开发流程以及q t 移植和开 发。本文阐述了微处理器芯片$ 3 c 2 4 1 0 的内核、处理器模式、寄存器组、存储系统、 寻址方式以及中断模式。研究了a r m 处理器的启动代码( v i v i ) 以及内核和文件系统， 并将嵌入式l i n u x 操作系统( 包括o t ) 移植到了a r m 平台的n a n d f l a s h 中。设计了红 外遥控器用来控制各种家用电器设备，以实现智能家居控制功能。 具体工作内容包括： ( 1 ) 学习l i n u x 操作系统的知识和构建l i n u x 下a r m 开发交叉编译环境和编译q t 文件包。 ( 2 ) 了解a r m 的体系结构和$ 3 c 2 4 1 0 芯片硬件结构。 ( 3 ) c y g w i n 的安装，完成交叉编译环境。 ( 4 ) 完成启动程序的设计。 ( 5 ) 对l i n t l x 内核进行修改和剪裁。 ( 6 ) 修改嵌入式l i n u x 文件系统，使用q t 开发和设计数据采集显示和控制界面并 将其添加到文件系统中。 ( 7 ) 将剪裁好的嵌入式l i n u x 操作系统移植到$ 3 c 2 4 1 0 平台上，对其进行测试。 第二章嵌入式l i n u x 操作系统 嵌入式操作系统是操作系统领域的一个重要分支。由于l i n u x 的独特优势，使越 来越多的企业和科研机构把目光转向嵌入式l i n u x 的开发和研究上。嵌入式l i n u x 操 作系统是嵌入式系统当中很重要的部分之一，是联系应用软件和硬件设备的桥梁。它 既要满足一些特殊的应用场合，实现一定的功能，还需满足可靠性，体积，功耗以及 成本等诸多的条件。 2 1 嵌入式l i n u x 这是嵌入式操作系统的一个新成员，其最大的特点是源代码公开并且遵循g p l 协 议，在近两年以来成为研究热点。l i n u x 是一种能运行于多种平台( p c 及其兼容机、a l p h a 工作站、s u ns p a r c ，a r m 处理器、p o w e rp c ，m c 6 8 0 0 0 ，i n t e l1 9 6 0 等) 的类u n i x 操作 系统。它应用于嵌入式系统在国外也是近两年的事，但发展非常快”1 。 嵌入式l i n u x 有以下优点： ( 1 ) 由于其源代码公开，人们可以任意修改，以满足自己的应用。 ( 2 ) 遵从g p l ，无须为每例应用交纳许可证费。 ( 3 ) 有大量的应用软件可用。其中大部分都遵从g p l ，是开放源代码和免费的。可 以稍加修改后应用于用户自己的系统。 ( 4 ) 有大量的免费的优秀的开发工具，且都遵从g p l ，是开放源代码的。 ( 5 ) 有庞大的开发人员群体。无需专门的人才，只要懂o n i x l i n u x 和c 语言即可。 随着l i n u x 在中国的普及，这类人才越来越多。所以软件的开发和维护成本很低。 ( 6 ) 优秀的网络功能，这在i n t e r n e t 时代尤其重要。 ( 7 ) 稳定。这是l i n u x 本身具备的一个很大优点。 ( 8 ) 内核精悍，运行所需资源少，十分适合嵌入式应用。 ( 9 ) 支持的硬件数量庞大。嵌入式l i n u x 和普通l i n u x 并无本质区别，p c 上用到 的硬件嵌入式l i n u x 几乎都支持。而且各种硬件的驱动程序源代码都可以得到，为用 户编写自己专有硬件的驱动程序带来很大方便。 2 1 1 实时特性 简单的说，嵌入式系统常被错误的划分为实时系统，但其实它们中大多数并不要 求具备实时性。实时性是相对的，硬实时性是能在极短的时间( 微秒级) 内响应，并 以某种确定的方式去处理事件。对于大多数的嵌入式系统来说，由l 到5 毫秒的实时 响应时问就足够了。l i n u x 内核对实时进程的调度提供了一定程度的支持，能满足大部 分软实时，无法实现硬实时，不过采用r t l i n u x 能很好的解决该问题。 2 1 2 内存占用 l i n u x 的内核是长驻内存的，在简单的系统中，当启动后，内核和各种应用进程 均驻留在内存中，但也可以利用l i n u x 动态装卸程序的能力来节省r a m ：应用程序只 需在运行时，才临时装载在内存中，一旦运行结束，就释放掉占用的资源。典型的嵌 入式系统都有闪存( f l a s hm e m o r y ) ，闪存可被组织成一个文件系统( 用闪存的驱动程 序作为从闪存到文件系统的接口) ，所有应用程序以文件的形式被存放在闪存中，另外， l i n u x 还可以通过以下的机制节省r a m ： ( 1 ) 系统启动后，释放那些为启动而占用了r a m 空间的代码。 ( 2 ) 可动态地装卸驱动程序，只装载那些正在使用的驱动软件。 2 1 3 文件系统 ( 1 ) 使用v f s 管理各文件系统 l i n u x 中的v f s ( v i r t u a lf i l es y s t e ms w i t c h ) 是一种开放的接口机制，使l i n u x 能够支持大部分的文件系统，如e x t 2 ，m s d o s ，m i n i x ，v f a t ，n t f s ，i s 0 9 6 6 0 等，并 允许这些文件系统问的互相访问。其中e x t 2 是l i n u x 上的专用标准文件系统，性能 强大，通常被编译进内核作为根文件系统，根文件系统不可动态加载。 ( 2 ) 文件系统和存储介质分配 文件系统可建立在一个传统的磁盘上，也可建立在f l a s hm e m o r y 中。f l a s h 内 存被组织成很多小块的扇区，把其中一个作为引导块，即此处存放c p u 上电后运行的 第一个程序：引导程序，并利用余下的块建立一个文件系统，l i n u x 的内核映像就可以 被引导程序从f l a s h 中加载到r a m 中运行。一般不采用闪存作内存交换区( s w a p ) ， 因为闪存有写次数限制，在对它写次数达到一定的值后( 一般1 0 0 0 到4 0 0 ，0 0 0 次) 将不能再进行闪存的写入。在嵌入式系统中可这样安排： ( a ) f l a s h 存放只读文件( 如内核映像) ( b ) 速度很快的r a m 中运行程序 ( c ) 基于l i n u x 的嵌入式系统还需要一个r a m d i s k 来建立根文件系统。 在一个基于l i n u x 的嵌入式系统中，通常应有这样的配置： ( a ) 3 2 位嵌入式c p u ( b ) - - 6 4 兆的r a m ( c ) 3 2 兆的f l a s h 或r o m 或e p r o m 2 2 嵌入式l i n l x 系统的优势 现在市面上有各种各样的嵌入式操作系统”。在繁多的嵌入式操作系统中，很难 说出哪一种嵌入式操作系统就一定优于其它的嵌入式操作系统。但这之中，l i n u x 操作 系统以其自身的特色和优势成为了嵌入式操作系统研究中的新特点。 2 2 1 充分满足硬件设备的实时性要求 严格要求的实时性的决定因素与中断例程本身和内核中的其他驱动程序有关；而 影响延迟时l 日j 主要受中断的优先级和其他进程暂时也关闭中断响应的影响。因此管理 和驱动中断的机制必须保证实时要求，大多数嵌入式系统并不具备严格的实时性，比 如w i n d o w s c e 基本上不具备实时性的特点。但是，嵌入式l i f l u x 可以很好的满足实 时性要求。 2 2 2 具有广泛的适应性和高度的可靠性 与其他运行于p c 的系统相比，l i n u x 在适应和稳定方面性能是非常突出的。而 嵌入式l i n u x 也是如此。嵌入式l i n u x 不仅支持x 8 6 芯片，而且是一个跨平台的系 统，到目前为止，可以支持二、三十种c p u 。很多c p u 包括家电业的芯片，都开始做 l i n u x 的平台移植工作。也就是说，如果今天采用l i n u x 内核的结构在网络方面是非 常完整的。提供了包括十兆，百兆和千兆的以太网络以及无限网络。此外，高可靠性 是嵌入式l i n u x 领先于其他嵌入式操作系统最明显的地方“”。 2 2 3 具有小巧的功畿和完善的内核 一般来说，需要使用嵌入式操作系统的硬件体积都十分有限，不能像一般的计算 机那样采用海量存储器来进行数据存储。一般是采用软件固化的方法，将程序和操作 系统“嵌入”到整个产品里面。在这个技术中减少操作系统的体积是关键。不能想象 在一个紧凑的硬件设备外面再接一个通用的硬盘或是打算将几十兆上百兆的操作系统 输入到普通的r o m 或r a m 里面去。同时，如果为了追求内核的体积而将一些必要的 功能去掉，则不能完全胜任各种不同的任务。因此，对嵌入式系统来说功能和体积是 一对互斥事件。嵌入式l i n u x 除了本身体积较小以外，还保留了l i n u x 操作系统中 非常有特色的一点：用户可以自己裁减内核。用户完全可以根据不同的任务来选定操 作内核的模块，而将不用的部分去掉，减少体积，从根本上解决了体积和功能的矛盾。 2 3 嵌入式l i n u x 系统的构成 一个特定的嵌入l i n u x 操作系统可以是从一个只有启动程序，内存管理，进程管 理，设备管理，定时器服务等的小型内核系统，到能支持各种文件系统和多种网络服 务的完整服务器“”。 2 3 1 最小的l i n u x 系统 ( 1 ) 引导程序，完成硬件初始化和内核加载。 ( 2 ) 最小化的l i n u x 内核，配置成仅仅支持内存，进程管理和定时器服务的微内 核。 ( 3 ) i n i t 程序，作为初试用户进程。 2 3 2 基本的l i n u x 系统 基本的l i n u x 系统的形成需要在最小的l i n u x 系统的基础上再加上： ( 1 ) 硬件设备的驱动程序，包括s e r i a lc o n s o l ep o r td r i v e r 等。 ( 2 ) 一个或几个应用进程，提供必要的应用功能，实现具体的应用目标。 2 3 3 实用的l i n u x 系统 实用l i n u x 系统的形成需要在基本l i n u x 系统的基础上再加上： ( 1 ) 根文件系统。基于f l a s h 或r o m 或r a m 建立。 ( 2 ) 网络能力。如支持t c p i p 协议栈。 2 4 嵌入式l in u x 移植所面临的挑战 目前，嵌入式l i n u x 系统开发正在蓬勃兴起1 ，并且已经开辟了很大的市场，除 了一些传统的l i n u x 公司，像r e d h a t 、v al i n u x 等正在从事嵌入式l i n u x 的研究 之外，一批新公司( 如l i n e o 、t i m e s y s 等) 和一些传统的大公司( 如i b m 、s g i 、 m o t o r o l a 、i n t e l 等) 以及一些开发专有嵌入式操作系统的公司( 如l y n x ) 也正在进 行嵌入式l i n u x 的研究和开发。但就目前的技术而言，嵌入式l i n u x 的研究成果与 市场的真正需求还有一段差距。因此，要开发出真正成熟的嵌入式l i n u x ，还需要从 以下几个方面进行努力m ，。 2 4 1 扩充l i f l u x 的实时系统 我们知道，高实时性是嵌入式操作系统的基本要求。由于l i n u x 是一种通用操作 系统，而不是一个真正的实时操作系统，内核不支持事件优先级和抢占实时特性。所 以，在开发嵌入式l i n u x 的过程中，首要问题是扩展l i n u x 的实时性能。一般来说， 对l i n u x 实时性的扩展可以从两方面进行：向外扩展和向上扩展。向外扩展是从范围 上扩展，让实时系统支持的范围更广，支持的设备更多。目前的开发所面向的设备一 般仅限于较简单的有实时要求的串并口数据采集、浮点数据计算等，而像实时网络这 样实时系统的高级应用还需进一步的发展。向上扩展是扩充l i n u x 内核，从功能上扩 充l i n u x 的实时处理和控制系统。如嵌入式系统r t l i n u x ，它的基本原理是将l i n u x 的内核代码做一些修改，将l i n u x 本身的任务以及l i n u x 内核本身作为一个优先级最 低的任务，而实时任务作为优先级最高的任务，即在实时任务存在的情况下运行实时 任务，否则就运行l i n u x 本身的任务，实时任务不同于l i n u x 普通进程，它是以 l i n u x 的内核模块( l o a d a b l ek e r n e lm o d u l e ，l k m ) 的形式存在的，需要运行实时任务 的时候，将这个实时任务的内核模块插入到内核中去“。 2 4 2 改变l i n u x 内核的体系结构 l i n u x 的内核体系采用的是m o n o l i t h i c ，在这种体系结构中，内核的所有部分都 集中在一起，而且所有的部件在一起编译连接。这样虽然能使系统的各部分直接沟通， 有效地缩短任务之间的切换时间，提高了系统的响应速度，实时性好并提高了c p u 的 利用率，但在系统比较大的时候体积也比较大，与嵌入式系统容量小、资源有限的特 点不符合。而另外一种内核体系结构m i c r o k e r n e l ，在内核中只包括了一些基本的内 核功能如创建和删除任务、任务调度、内存管理和中断处理等部分，而文件系统、网 络协议栈等部分都是在用户内存空间运行。这种结构虽然执行效率不如m o n o l i t h i c 内核，但大大减小了内核的体积，同时也极大地方便了整个系统的升级、维护和移植， 因此更能满足嵌入式系统的特点需要。为此，为使嵌入式l i n u x 的应用更加广泛，可 以考虑将l i n u x 目耵的m o n o l i t h i c 内核结构中的部分结构改造成m i c r o k e r n e l 体 系结构。通过这种折中办法，可以使得到的l i n u x 既具有很好的实时性，又能满足嵌 入式系统体积小的要求。 2 4 3 完善l i n u x 的集成开发环境 提供完整的集成开发环境是每一个嵌入式系统开发人员所期待的。一个完整的嵌 ，9 入式系统的集成开发环境一般需要提供的工具是编译连接器、内核调试跟踪器和集 成图形界面开发平台。其中的集成图形界面开发平台包括编辑器、调试器、软件仿真 器和监视器等“4 。在l i n u x 系统中，具有功能强大的g c c 编译器工具链，使用了基 于g n u 的调试器g d b 的远程调试功能，一般由一台客户机运行调试程序宿主机运行 操作系统内核：在使用远程开发时还可以使用交叉平台的方式，如在w i n d o w s 平台下 的调试跟踪器对l i n u x 的宿主系统做调试。但是，l i n u x 在基于图形界面的特定系统 定制平台的研究上，与w i n d o w s 操作系统相比还存在差距。因此，要使嵌入式l i n u x 在嵌入式操作系统领域中的优势更加明显，整体集成开发环境还有待提高和完善。 第三章a r m 体系结构与系统设计 从第一片a r m 处理器研发出来距今已有2 0 多年，经过2 0 多年的发展，a r m 已经成 为3 2 位嵌入式应用领域，全球范围内最广泛使用的处理器。a r m 公司将a r m 核授权给 几乎所有的半导体公司，由这些公司根据其市场定位设计和制造出各种基于a r m 核且 具有自己公司产品特色的s o c 芯片，广泛应用于嵌入式系统的开发中。 3 1a r m 体系结构的发展历史和技术特征 3 1 1 发展历史 1 9 8 3 年l o 月至1 9 8 5 年4 月间，第一片a r m 处理器在位于英国剑桥的a c o r n c o m p u t e r 公司开发。在2 0 世纪8 0 年代后期，a r m 处理器已经发展为可支持a c o r n 公 司的台式计算机产品，这些产品奠定了英国教育界计算机技术的基础，在当时a r m 代 表着“a c o r nr i s cc o m p u t e r ”。1 9 9 0 年，为广泛推广a r m 技术而成立了独立的公司： a d v a n c e dr i s cm a c h i n el i m i t e d ( 简化为a r ml i m i t e d ) 。此时a r m 代表着a d v a n c e dr i s c m a c h i n e ，新公司成立于1 9 9 0 年1 1 月，由苹果电脑、a c o r n 电脑集团和v l s it e c h n o l o g y 合资组建”。 3 1 2 技术特征 a r m 处理器是基于精简指令集计算机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 ) 体系结构的计算机系统。r i s c 诞生于指令集日益复杂之时，r i s c 的概念对a r m 处理 器的设计起着重大的影响。第一个基于r i s c 指令集的a r m 芯片是在1 9 8 3 年开始设计 的，采用的是典型的3 2 位r i s c 体系结构。其指令集拥有4 位的寄存器地址域，可访 问r o a r l 5 这1 6 个寄存器，而其他寄存器只有在特殊情况下才可访问到。a r m 使用了 标准的固定长度的3 2 位指令格式，所有a r m 指令都使用了4 位的条件编码来决定该 指令是否执行。这种方式可解决指令执行的条件判定，确定条件分支问题，从而对代 码的密度和性能都有好处，这也是a r m 指令集的一大技术优势n ”。 r i s c 体系结构： 传统的c i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，复杂指令集计算机) 结构有 其固有的缺点，即随着计算机技术的发展而不断引入新的复杂的指令集，为支持这些 新增的指令，计算机的体系结构会越来越复杂，然而，在c i s c 指令集的各种指令中， 其使用频率却相差悬殊，大约有2 0 的指令会被反复使用，占整个程序代码的8 0 。 而余下的8 0 的指令却不经常使用，在程序设计中只占2 0 ，显然，这种结构是不太 合理的。基于以上的不合理性，1 9 7 9 年美国加州大学伯克利分校提出了r i s c ( r e d u c e d i n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，精简指令集计算机) 的概念，r i s c 并非只是简单地去 减少指令，而是把着眼点放在了如何使计算机的结构更加简单合理地提高运算速度上。 r i s c 结构优先选取使用频率最高的简单指令，避免复杂指令：将指令长度固定，指令 格式和寻址方式种类减少；以控制逻辑为主，不用或少用微码控制等措施来达到上述 目的。 3 2a r m 体系的处理器内核 $ 3 c 2 4 1 0 芯片所用的处理器内核是a r m 9 2 0 t ，主要包括内核a r m 9 t d m i 、 缓冲器c a c h e 和内存管理单元m m u ，整个处理器的组织结构图如图3 1 所示嘲 图3 1a r m 9 2 0 t 模块图 3 2 1a r m 处理器的工作状态 自从a r m 7 t d m i 核产生之后，体系结构中具有t 变种的a r m 处理器核可工作在以下 2 种状态。”： a r m 状态。a r m 状态下执行字对齐的3 2 位a r m 指令。 t h u m b 状态。t h u m b 状态下执行半字对齐的1 6 位t h u m b 指令。在t h u m b 指令状态下， 程序计数p c 使用位1 选择另一个半字。 在程序执行过程中，处理器可在两种状态下切换。需要强调的是：a r m 和t h u m b 之间状态的切换不影响处理器的模式或寄存器的内容。 a r m 指令集和t h u m b 指令集都有相应的状态切换命令。 a r m 处理器在开始执行代码时，只能处于a r m 状态。 3 2 2a r m 处理器模式 a r m 9 处理器共有7 种运行模式，如表3 1 所示1 表3 1a r m 处理器模式 处理嚣摸式 用户模式( u s 一，- 一) 快速中断摸式( f i q f i q ) 外部中断模式( i 随i x - q ) 特权模式( s u p e x v i s a r , “e ) 数据访问中止模式( b 叮t ，曲t ) 未定义指令中止模式( f i d t m d ) 系统馍式( s y s t e 珥s y s ) 正常程序执行的模式 用于高速数据俸犏和通道处理 用于通常的中断处理 供操作系统使用的一种保护懊式 肝虚拟存储及存储保护 用于支持通过软件方针硬件的协处理嚣 用于运行特权级的操作系统任务 除了用户模式之外的其他6 种处理模式称为特权模式。在这些模式下，程序可以 访问所有的系统资源，也可以任意地进行处理器模式的切换。其中，除系统模式外， 其它5 种特权模式又称异常模式。 处理器模式可以通过软件控制进行切换，也可以通过外部中断或者异常处理过程进 行切换。大多数的用户程序运行在用户模式下。这时，应用程序不能够访问一些受操 作系统保护的系统资源。应用程序也不能直接进行处理器模式的切换。当需要进行处 理器模式切换时，应用程序可以产生异常处理，在异常处理过程中进行处理器模式的 切换。这种体系结构可以使操作系统控制整个系统资源。 当应用程序发生异常中断时，处理器进入相应的异常模式。在每一种异常模式中都 有一组寄存器，供相应的异常处理程序使用，这样就可以保证在进入异常模式时，用 户模式下的寄存器不被破坏。 3 2 3 胴_ 寄存器组 a r m 处理器共有3 7 个寄存器包括： 3 1 个通用寄存器，包括程序计数器( p c ) 在内。这些寄存器都是3 2 位。 6 个状态寄存器，这些寄存器都是3 2 位，但目前只使用了其中1 2 位。 a r m 处理器有7 种不同的处理器模式，在每一种处理器模式中有一组相应的寄存 器组。在任一种模式下，可见的寄存器包括1 5 个通用寄存器( r o r 1 4 ) 、一个或者 两个状态寄存器及程序寄存器( p c ) 。在所有的寄存器中，有些是各模式共用同一个物 理寄存器；有些寄存器是各自模式拥有自己独立的寄存器。图3 2 “6 1 是各种处理器模式 下的寄存器”1 。 u s e r ( s ，t )f i qi r qs y co n d e fa b o r t 回目目目目目 图3 2 各种处理器模式下的寄存器 口 特权寄存 器独有 通用寄存器可以分为：未备份寄存器( 包括r o r t ) 、备份寄存器( 包括r 8 r 1 4 ) 和程序寄存器p c ( 即r 1 5 ) 。 ( 1 ) 未备份寄存器。在所有的处理器模式下，未备份寄存器指的是同一个物理寄存器。 由于异常中断而切换处理器模式会导致寄存器中数据破坏。未备份寄存器没有被系统 用于特定的用途，任何可以采用通用寄存器的应用场合都可以采用未备份寄存器。 ( 2 ) 备份寄存器。每个寄存器对应两个不同的物理寄存器。系统没有将这几个寄存器 用于任何特殊用途，在中断处理时显得非常简单，仅仅使用r 8 r 1 4 寄存器时，f i o 处 理程序不必执行保存和恢复中断现场的指令，从而可以使中断处理过程非常迅速。 ( 3 ) 程序计数器r 1 5 程序计数器r 1 5 ，也可以记做p c 。它虽然可以作为一般的通用寄存器使用，但是 有一些指令在使用r 1 5 时有一些特殊限制。当违反了这些限制时，该指令执行的结果 将是不可预料的。a r m 采用流水线机制，在读取p c 值时，该值为当前指令地址加8 个 字节。也就是a r m 的p c 指向当前指令的下两条指令的地址。由于a r m 指令是字对 齐的，所以p c 值的第o 位和第1 位总是o 。 ( 4 ) 程序状态寄存器 c p s r ( 当前程序状态寄存器) 可以在任何处理器模式下被访问，包含条件标志位、中 断禁止位、当前处理器模式标志位和其他的状态位。在每一种处理器模式下都有一个 专用的物理状态寄存器s p s r ( 备份程序状态寄存器) 。在异常中断发生时，这个寄存 器存放的是当前处理器模式下c p s r 的内容，当异常中断程序退出时，可以用s p s r 中的值来恢复c p s r 。由于用户模式和系统模式不是异常中断模式，所以它们没有 s p s r ，在用户模式和系统模式下访问s p s r 时，会带来不可预测的后果。 c p s r 的格式如图3 3 所示： 3 13 02 92 82 72 6765 43210 图3 3c p s r 格式 3 3 流水线结构 流水线是r i s c 处理器执行指令时采用的机制。使用流水线，可在取下一条指令的 同时译码和执行其它的指令，从而加快执行速度。可以把流水线看作是汽车生产线， 每个阶段只完成一项专门的生产任务。 图3 4 显示了一个5 级流水线： 图3 4 五级流水线 a r m 流水线的一条指令只有在完全通过“执行“阶段爿能被处理。例如，一条a r m 9 流水线只有在第1 条指令完成执行时，才能取第6 条指令。 另外，还有3 个值得注意的流水线特征： ( 1 ) 执行一条分支指令或直接修改p c 而发生跳转时，会使a r m 内核清空流水线； ( 2 ) a r m i o 1 使用分支预测技术，通过预测可能的分支并在指令执行前装载新的分 支地址，从而减小了清空流水线的影响； ( 3 ) 即使产生了一个中断，一条处于“执行“阶段的指令也将会完成。流水线里其 它指令会被放弃，而处理器将从向量表的适当入口开始填充流水线。 3 4a r m 存储器接口及存储器层次 3 4 1 存储器层次简介 现代处理器具有很高的指令执行速度，为了发挥其最佳性能，需要有个访问速 度和容量与其匹配的存储系统。但是通常情况是，存储器的大小和它的访问速度是相 互制约的。采用多级存储技术是一种可以令人满意的折中方案，它包括一个容量小但 是访问速度极快的存储器和一个容量大但是访问速度稍慢的主存储器组成，这样整个 存储系统在外部看来既大又快“”。$ 3 c 2 4 1 0 包括以下多级存储器结构： ( 1 ) 寄存器组可以看作是存储器的顶层，典型的r i s c 微处理器大约有3 7 个3 2 位寄存 器，总共1 2 8 字节，其访问时间为几个1 3 5 。 ( 2 ) 片上指令c a c h e 和数据c a c h e ，一般容量为8 3 2 k b ，访问时间大概为l o n s 高 性能p c 机系统可能有第2 级片外c a c h e ，其容量为几百k b ，访问时间为几十n s 。 ( 3 ) 片上s r a m 和r 叫，如果微处理器要达到最佳性能，采用片上存储器是必要的。 它和片上寄存器组具有同级的读写速度。与片外存储器相比，它有较好的功耗效率， 并减少了电磁干扰。 ( 1 ) 主存储器是两片s d r a m 和一片f l a s h 存储器，主存储器可能是几兆字节到1 g b 的 动态存储器，