（信号与信息处理专业论文）基于arm7和μcosⅡ的多接入网络传输系统的设计.pdf

摘要 摘要 本文基于两个科研项目定位与指挥系统和z i g , b e e 无线传感网络系统 对通过网络进行数据传输的要求，研制了一种基于a r m 7 处理器和g c o s i i 操作 系统的嵌入式多接入网络传输系统。 考虑到a r m 7 处理器高性能、低功耗、低成本的特点，本文选择s a m s u n g 公司的s 3 c 4 4 b o x 作为系统核心处理器。并完成了系统的硬件设计，扩展了系统 的通用接口，特别是提供了以太网卡和电话拨号上网两种i n t e r a c t 接入途径。最后 系统移植了r t c o s i i 嵌入式操作系统和嵌入式t c p i p 协议栈l 蚰，使该系 统成为一个具有多接入功能的网络传输平台，满足了定位与指挥系统以及z i g b e e 无线传感网络系统对网络传输功能的要求，并为一般的网络数据通信提供了一个 经济、完整的嵌入式通用平台。 本文的主要工作包括： 1 首先，综合论述本文研究工作的意义和嵌入式技术、嵌入式处理器、嵌入式 操作系统以及嵌入式t c p 口协议栈的发展现状。 2 详细分析系统的功能需求，并在此基础上提出了系统的总体设计方案及设计 原则。 3 完成系统各个功能模块的硬件设计和具体实现。 4 完成i i c o s - i i 嵌入式操作系统和l w l p 协议栈在s 3 c 4 4 b o x 上的移植，以及 系统各个功能模块驱动程序和基于t c p u d p 的网络传输应用程序的编写，完成整 个系统的软件设计。 5 最后，完成了系统调试，分析了实验结果，给出了本文研究工作的主要结论， 并对系统进一步的优化工作进行了展望。 关键诃：嵌入式处理器，嵌入式操作系统，a r m ，i i c o s - h ，l w i p a b s l r a c t a b s t r a c t i i lt h i sd i s s e r t a t i o n , d u et ot h er e q u i r e m e n t so f n e t w o r kt r a n s m i s s i o ni nl o c a t i n ga n d c o m m a n d i n gs y s t e m a n dz i g b e ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s y s t e m ，an e t w o r k t r a n s m i s s i o ns y s t e mb a s e do na r m 7e m b e d d e dp r o c e s s o ra n du c o s - i ie m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e mi sp r o p o s e d ，a n di t sd e s i g ni nb o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei sd e s c r i b e d 1 1 l i ss y s t e mi s d e v e l o p e db a s e do nm e r i t so ft h ee m b e d d e dp r o c e s s o r ：h i g l l p e r f o r m a n c e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n dl o wc o s t ，a n di ta d o p t ss 3 c 4 4 8 0 xa st h e g o r ep r o c e s s o r t h e n , t h eh a r d w a r ed e s i g no ft h es y s t e mi sc o m p l e t e da n di te x t e n d s m a n yu n i v e r s a li n t e r f a c e s ，e s p e c i a l l yt h en e t w o r ki n t e r f a c eb ye t h e m e ta n dd i a l - u p l a s t l y , l a c o s i ia n dl w m a r ep o r t e dt ot h i ss y s t e m c o r t s e q u e m l y , t h i ss y s t e mc a n s a r i s f yt h er e q u i r e m e n t so fn e t w o r kt r a n s m i s s i o ni nl o c a t i n ga n dc o m m a n d i n gs y s t e m a n dz i 【g b e ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ks y s t e m ，a n da l s op r o v i d ea ne c o n o m i c a la n d m u l t i f u n c t i o n a lu n i v e r s a le m b e d d e dp l a t f o r mf o rn e t w o r ka p p l i c a t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w ef o c u so nt h e s ef o l l o w i n gw o r k ： 1 ac o m p r e h e n s i v ed e s c r i p t i o na b o u tt h es i g n i f i c a t i o no ft h er e s e a r c hw o r ki s g i v e n 1 1 c u r r e n tr e s e a r c hs t a t u so fe m b e d d e dt e c h n o l o g y , e m b e d d e dp r o c e s s o r , e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ma n de m b e d d e dt c p i pp r o t o c o ls t a c ki sa l s od e s c r i b e d 2 1 1 1 ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n to ft h i ss y s t e mi sd i s c u s s e di nd e t a i la n dat o t a l s o l u t i o no f t h es y s t e mi sp r o p o s e d 3 t h eh a r d w a r ed e s i g no f t h es y s t e mi sd i s c u s s e di nd e t a i l 4 t h es o f t w a r ed e s i g no ft h es y s t e mi sc o m p l e t e d ，i n c l u d i n gp o r t i n gi _ t c o s i ia n d l w l pt os 3 c 4 4 b o x ，a n dp r o g r m m n i n gt h ed e v i c ed r i v i n gp r o c e d u r e sa n dn e t w o r k a p p l i c a t i o np r o c e d u r e sb a s e do nt c p ，l d l p 5 t h em a i nr e s e a r c hc o n c l u s i o ni ss u m m a r i z e da f t e rd e b u g g i n gt h es y s t e ma n d a n a l y z i n gt h er e s u l t s t h ep r o s p e c to f f u r t h e rr e s e a r c hw o r ki sa l s op r o p o s e d k e y w o r d ：e m b e d d e dp r o c e s s o r , e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，a r m ，p c o s i i ，l w i p i i 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 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 为获得电子科技大学或其它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已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 一年彳月，2 日 f 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 日期： 第一章绪论 1 1 课题应用背景 第一章绪论 当前，随着嵌入式系统的全面深入地应用，嵌入式技术已经成为通信和消费 类电子的共同发展方向。特别是在通信领域，由于其具有强大的数据处理能力以 及各种丰富的通信接口，因此在解决数据处理和数据传输等相关问题时，嵌入式 技术已经成为首选的方案。 由于作者所在教研室里有两个科研项目定位与指挥系统和z i g b e e 无线传 感网络系统都有对大批量数据传输以及远程数据传输的功能需求，因此本文 将尝试使用基于a r m 处理器和t c p i p 的嵌入式网络传输系统来对上述科研项目 中的数据传输需求进行探讨和解决。 以下将对定位与指挥系统和z i g b e e 无线传感网络系统所遇到的数据传输问题 进行简要的介绍。 图i - i 定位与指挥系统示意图 首先，如图1 1 所示，定位与指挥系统由一部主站机和多部用户机( 最多4 8 部) 组成，一部主站机可以对多部用户机进行定位和通信。该定位与指挥系统应 用于某军事预研项目中，预研项目主要包括空中监视雷达，敌我识别系统以及定 位与指挥系统。整个项目的主要用途就是对空中且标进行监测，并进行敌我识别， 然后将目标信息发送给定位与指挥系统的主站机，主站机再将目标信息发送给相 电子科技大学硕士学位论文 应的用户机，该用户机再根据主站机的命令对该目标进行相应的处理，比如跟踪、 射击等。 定位与指挥系统在工作时，主站机首先向用户机发送询问信号，并根据用户 机的应答信号对用户机进行定位。主站机在获锝所有用户机的位置信息之后，再 通过询问应答机制将目标信息发送给相应的用户机，用户机再执行相关命令。 如图1 2 所示，主站机和用户机的原理结构基本一致，均由天馈线、信号发射 机、信号接收机、信号处理机、接口控制及数据缓存模块、终端及数据处理模块 组成。 。 l 信号接收，处理机卜 接口控制显控终端 天线驱动 - 及 数据缓存 数据处理 f 信号发射机卜 ( a ) 主站机 f 信号接收处理机卜_ 接口控制 显控终端 - _ 及 数据缓存数据处理 f 信号发射机卜一 ( b ) 用户机 图1 - 2 主站机和用户机的结构原理图 目前，该项目已经完成了实验样机的研制，该样机由一部主站机和两部用户 机组成，样机的各项测试指标基本达到了任务的要求，但是主站机的终端和设备 之间的双向数据传输速率遇到了瓶颈，会对整个系统的某些功能造成影响。如图 1 2 ( a ) 中虚线框图所示，该样机主站端的接1 2 控制与数据缓存模块采用单片机来实 现，并使用串1 7 ：1 进行双向数据传输，串1 ：3 传输速率是1 1 5 2 0 0 b p s 。当只有两个用户 机时，该串口的速率能满足要求，但是对于将来的实际应用来说，定位与指挥系 统最多可以拥有4 8 个用户机，这时，主站机的终端和设备之间的速率要求最高可 以达到3 2 k 1 3 y t e s ，串口的速率远远不够。因此，对该数据传输模块的改进成为完 善该系统功能的关键之处，所以本文将尝试用a r m 处理器来代替单片机，并利用 2 第一章绪论 以太网络来进行大批量数据的高速双向传输，以解决串1 ：3 传输速率低的问题，如 图1 3 所示。 ；圈- 一串口；日；咽口+ ； 图1 - 3 由a r m 和以太网1 3 代替单片机和串1 3 另外，如图1 - 4 所示，在z i g b e e 无线传感网络系统中，z i g b e e 传感网络需要 将数据通过串口传给网络传输模块，网络传输模块再通过拨号上网将数据发送到 远端主机。本文将在前面的a r m 嵌入式平台上，添加电话拨号上网功能以实现该 z i g b e e 无线传感网络系统中的网络传输模块，如图1 4 所示虚线框图所示。需要 注意的是，由于该网络系统对实时性的要求非常低，并且只需要单向传输，因此 a r m 系统拨号上网的单向传输速率只要大于1 5 k b y t e l s 即可。 二至丑串口咂至回拨号上网 f 亘 图1 - 4z i g b e e 无线传感网络系统示意图 由于以上两个项目的需求，本文需要研制一种具有以太网接入和电话拨号接 入两种方式的基于a r m 的嵌入式网络传输系统，另外再添加一些通用的外围设 备，使系统成为一个具有多接入网络功能的完整的嵌入式平台。该系统一方面既 满足了以上两个项目的需求，另一方面也为其他一些项目构建了一个通用嵌入式 平台。 1 2 课题主要工作 基于上述原因，本文研究设计了基于a r m 7 处理器的嵌入式多接入网络传输 系统。本系统将充分利用a r m 7 处理器高性能、低功耗、低成本的优点，在i x c o s i i 嵌入式操作系统上扩展了平台的通用接口，并提供了以太网卡和电话拨号上网两 种i n t e m e t 接入途径，实现了定位与指挥系统和z i g b e e 无线传感网络系统的网络 传输要求，并为一般的网络数据通信提供了一个经济、完善的嵌入式通用平台。 电子科技大学硕士学位论文 论文主要讨论并完成了基于a r m 7 处理器的嵌入式多接入网络传输系统的硬 件设计和软件设计，本文工作的重点将放在软件设计上。 首先，我们从应用背景需求的角度详细阐述了本系统应该具备的功能。 其次，根据功能需求进行系统的功能规划，把整个系统分为系统复位模块、 时钟模块、j t a g 模块、f l a s h 模块、s d r a m 模块，以太网接口模块、r s 2 3 2 接口模块、u s b 模块、键盘模块和液晶显示模块。 然后，在m e n t o r g r a p h i c s 公司的e d a 环境下，用工具p o w e r l o g i c 和p o w e r p c b 完成了整个系统的硬件设计。 最后，移植i _ t c o s i i 嵌入式操作系统和l w l p 协议栈，并编写各个功能模块 的设备驱动程序和网络传输应用程序，完成整个系统的软件设计，使系统成为一 个完整的嵌入式通用平台，并能够通过以太网卡和电话拨号上网这两种i n t e r a c t 接 入方式进行基于t c p u d p 的网络数据通信。 1 3 主要章节内容 本文主要章节内容安排如下： 第一章论述了本课题的应用背景和主要完成的工作。 第二章介绍了嵌入式技术、嵌入式处理器、嵌入式操作系统以及嵌入式t c p 皿 协议栈的发展现状。 第三章从应用背景出发分析了系统的功能需求，并在此基础上提出了系统的 总体设计方案及设计原则。 第四章在概述了a r m 系列处理器的发展历程和主要特点之后，又介绍了系统 的核心处理器s a m s u n g 公司的s 3 c 4 4 b o x 。最后，本章详细分析了系统各 个功能模块的硬件设计和具体实现。 第五章详细地介绍了；t c o s ，i i 嵌入式操作系统和l w l p 嵌入式t c p i p 协议栈 在s 3 c 4 4 b o x 上的移植过程，以及系统各个功能模块驱动程序和基于t c p u d p 的 网络传输应用程序的编写，完成了整个系统的软件设计，最后给出了程序的调试 结果和性能分析。 第六章给出了本文研究工作的主要结论，并对系统进一步的优化工作进行了 展望。 4 第二章嵌入式技术概述 2 1 嵌入式系统概述 第二章嵌入式技术概述 2 1 1 嵌入式系统的定义 嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁 减、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系 统【l 】。嵌入式系统的主要特点是其所具有的目的性和针对性，即每一套嵌入式系统 的开发设计有其特殊的应用场合与特定功能，这也是嵌入式系统与通用的计算机 系统最主要的区别。另外，嵌入式技术与实时性有着天然的联系：由于嵌入式系 统是为特定的目的而设计的，且常常受到空间、成本、存储、带宽等条件的限制， 因此，它必须最大限度地在硬件和软件上“量身定做”以提高效率，这样的结果 最终导致了实时性的增强。 2 1 2 嵌入式系统发展趋势 以信息家电为代表的互联网时代嵌入式产品，不仅为嵌入式市场展现了美好 前景，注入了新的生命；同时也对嵌入式系统技术，特别是软件技术提出了新的 挑战。这主要包括：支持日趋增长的功能密度、灵活的网络联接、轻便的移动应 用和多媒体信息处理，此外，当然还需对付更加激烈的市场竞争。 ( 1 ) 嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持 随着i n t e r n e t 技术的越趋成熟，信道带宽的日渐提高，i c p ( i n t e r n e t c o n n e c t i o n p r o v i d e r ，英特网联接供应商) 和a s p ( a p p l i c a t i o ns e r v i c ep r o v i d e r ，应用服务供 应商) 在网上提供的信息内容日趋丰富，应用项目更加多种多样，像手机、电话 座机及电冰箱、微波炉等嵌入式电子设备的功能不再单一，电气结构也更为复杂。 为了满足电子设备应用功能的升级，设计师们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 芯片或数字信号处理器( d s p ) 增强处理能力；同时还采用 实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、 保障软件质量和缩短开发周期。 电子科技大学硕士学位论文 目前，国外商品化的嵌入式实时操作系统，已进入我国市场的主要有l i n u x 、 v x w o r k s 、w i n c e 、q n x 、n u c l e a r 和i | t c o s 等产品。我国自主开发的嵌入式系统 软件产品如科银京成( c o r e t e k ) 公司的嵌入式软件开发平台d e l t a s y s t e m ，它不仅 包括d e l t a c o r e 嵌入式实时操作系统，而且还包括l a m d a t o o l s 交叉开发工具套件、 测试工具、应用组件等例；此外，中科院也推出了h o p c n 嵌入式操作系统【4 】。 ( 2 ) 网络互联成为必然趋势 为适应嵌入式分布处理结构和应用上网的需求，面向2 1 世纪的嵌入式系统要 求配备标准的一种或多种网络通信接口。针对外部联网要求，嵌入式设备必需配 有网络通信接口，相应需要t c p p 协议族软件支持；由于家用电器相互关联( 如 防盗报警、灯光能源控制、影视设备和信息终端交换信息) 及实验现场仪器的协 调工作等要求，新一代嵌入式设备还需具有i e e e l 3 9 4 、u s b 、c a n 、b l u e t o o t h 或 i r d a 通信接口，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。为 了支持应用软件的特定编程模式，如w e b 或无线w e b 编程模式，还需要相应的浏 览器，如h t m l 、w m l 等p j 。 ( 3 ) 支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本 为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者相应降低处理器的性能，限制内存 容量和复用接口芯片。这就相应提高了对嵌入式软件设计技术的要求，比如，选 用最佳的编程模型和不断改进算法，以及采用j a v a 编程模式，优化编译器性能等。 因此，既要软件人员有丰富的编程经验，也需要更加先进的嵌入式软件技术，如 j a v a 、w e b 和w a p 等。 ( 4 ) 提供精巧的多媒体人机界面 嵌入式设备之所以能为亿万用户乐于接受，重要因素之一是它们与使用者之 间的亲和力，自然的人机交互界面，如司机操作高度自动化的汽车主要还是通过 习惯的方向盘、脚踏板和操纵杆。人们与信息终端的交互要求以g u i 屏幕为中心 的多媒体界面。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图 像等技术也已取得巨大成效目前很多p d a 在显示屏幕上已实现汉字写入、短消 息语音发布等，但离掌式语言同声翻译还有很大距离。 目前，随着嵌入式技术的迅速发展，嵌入式系统的应用遍及金融、航天、电 信、网络、信息家电、医疗、工业控制、军事等各个领域，以致有些学者断言， 嵌入式技术将成为后p c 时代的主宰【2 】。 第二章嵌入式技术概述 2 2 嵌入式处理器概述 嵌入式处理器有许多种流行的处理器核，芯片生产厂家一般都基于这些处理 器核生产不同型号的芯片。本节主要介绍以下几种主流的嵌入式处理器【6 】。 ( 1 ) m m s m i p s 是m i c r o p r o c e s s o rw i t h o u ti n t e r l o c k e dp i p e l i n es t a g e s 的缩写，是一种处理 器内核标准，它由m i p s 技术公司开发的。m i p s 技术公司是一家设计制造高性能、 高档次及嵌入式3 2 位和6 4 位处理器的厂商，在r i s c 处理器方面占有重要地位。 m i p s 公司设计r i s c 处理器始于8 0 年代初，从1 9 8 6 年推出r 2 0 0 0 处理器之后， 陆续推出r 3 0 0 0 、r 4 0 0 0 、r 8 0 0 0 等。之后m i p s 公司的战略发生变化，把重点放 在嵌入式系统。1 9 9 9 年，m i p s 公司发布了m i p $ 3 2 和m i p s 6 4 架构标准，集成了 原来所有的m i p s 指令集，并且增加了许多更强大的功能。此后m i p s 公司又陆续 开发了高性能、低功耗的3 2 位和6 4 位处理器核。 m i p s 的定位很广，在高端和低端均有它的产品，而且被广泛应用在便携式计 算机系统、数字消费产品、工业控制领域。 ( 2 ) p o w e r p c p o w e r p c 架构的特点是可伸缩性好，方便灵活。p o w e r p c 处理器品种很多， 既有通用的处理器，又有嵌入式控制器和内核，应用范围非常广泛，从高端的工 作站、服务器到桌面计算机系统，从消费类电子产品到大型通信设备等各个方面。 目前，p o w e r p c 独立微处理器与嵌入式处理器的主频从2 5 m h z 1 3 3 0 m h z 不 等，它们的能量消耗、大小、整合程度、价格等差异悬殊。 ( 3 ) x 8 6 x 8 6 起源于i n t e l 架构的8 0 8 0 ，再发展到2 8 6 、3 8 6 、4 8 6 ，直到现在的p e n t u i m 4 、 a t h l o n 和a m d 的6 4 位处理器h a m m e r 。从嵌入式市场来看，8 0 8 0 是第一款主流 的处理器。今天的p e n t u i m 和当初的8 0 8 0 使用相同的指令集，这可以保持兼容性， 但是同时也限制了c p u 性能的提高。 ( 4 ) a r m 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 t c 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 7 电子科技大学硕士学位论文 公司自成立以来，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，因此获得众多的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 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。目前流行的a r m 芯核有 a r m 7 系列，a r m 9 系列，a r m 9 e 系列，a r m i o e 系列，a r m l l 系列，s e c u r c o m 系列，以及i n t e l 的x s c a l e 和s 仃o n g a r m 。自v 5 以后，a r m 公司提供p i c c o l o d 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【7 引。 2 3 嵌入式操作系统概述 嵌入式操作系统并不是新生的事物。从2 0 世纪8 0 年代起，国际上就有一些 i t 组织、公司开始进行商用嵌入式操作系统和专用操作系统的研发，经过多年的 发展，目前世界上已经有一大批十分成熟的实时嵌入式操作系统。 下面介绍一些主流的嵌入式操作系统【9 】： ( 1 ) p s o s y s t e m p s o s y s t e m 是集成系统有限公司( i n t e g r a t e ds y s t e m s ，i n c ) 研发的产品，该公 司成立于1 9 8 0 年，产品在成立后不久推出，是世界上最早的实时系统之一，也是 最早进入中国市场的实时操作系统。该公司在2 0 0 0 年2 月1 6 日与w i l l d r i v e r s y s t e m s 公司合并。p s o s y s t e m 是一个完全可扩展的嵌入式实时操作系统，它包括单 处理器支持模块0 s o s + ) ，多处理器支持模块( p s o s + m ) ，文件管理器模块 ( p h i l e ) ，t c p i p 通讯包( p n a ) ，流式通讯模块( o p e n ) ，图形界面，j a v a ，h t t p 等。 p s o s y s t e m 功能模块完全独立，开发者可根据应用要求扩展系统功能和存储容量。 p r i s m + 是p s o s y s t e m 的全集成开发环境，包含c c + + 编辑浏览器，源级调试器， 编译器和图形运行分析工具。 p s o s y s t e m 推出时间较早，因此它比较成熟，目前可以支持很多类型的处理 器，其板级支持包( b s p ) 也比较全，能支持各种类型的评估板，同时支持i s 0 9 6 6 0 ， m s d o s ，n f s 等多种文件系统，目前全球大约有3 5 0 0 万个设备上使用的是该操 第二章嵌入式技术概述 作系统。 ( 2 ) v x w o r k s v x w j r k s 是w i n d r i v e r 公司开发的具有工业领导地位的高性能实时操作系统 内核，具有先进的网络功能。v x w o r k s 的开放式结构和对工业标准的支持，使得 开发人员易于设计高效的嵌入式系统，并可以很小的工作量移植到其他不同的处 理器上。其特点为：可裁剪微内核结构；高效任务管理：多任务，具有2 5 6 个优 先级；具有优先级排队和循环调度；快速的、确定性的上下文切换；灵活的任务 问通讯：信号灯；消息队列；套接字( s o c k e 0 ：共享内存；信号( s i g n a l s ) ；微秒级 的中断处理；支持p o s 1 0 0 3 1 b 实时扩展标准；支持多种物理介质及标准的、完 整的t c p m 网络协议；灵活的引导方式；支持r o m 、f l a s h 、本地盘( 软盘或 硬盘) 或网络引导；支持多处理器并行处理；快速灵活的f o 系统：支持m s d o s 和r t - i i 文件系统；支持本地盘，f l a s h ，c d - r o m 的使用；完全符合a n s ic 标准；多个系统调用。 v x w o r k s 板支持包( b s p ) 包含了开发人员要在特定的目标机上运行v x w o r k s 所需要的一切支持：支持特定目标机的软件( 如驱动程序等) 和从主机通过网络 引导v x w o r k s 的b o o t r o m 。w m d r i v e r 提供支持不同厂商的2 0 0 多种商业体系结 构和目标板的b s p 。另外w i n d r i v e r 还提供一个b s p 移植包，帮助用户移植 v x w o r k s 到客户化硬件板上( 超过5 0 的v x w o r k s 用户使用客户化目标机) 。 ( 3 ) u c l i n u x u c l i n u x 是l i n u x 2 0 的一个分支，它被设计用来应用于微控制领域。u c l i n u x 最大的特征是没有m m u ( 内存管理单元) 。它很适合那些没有m m u 的处理器， 例如a r m 7 t d m i 等。这种没有m m u 的处理器在嵌入式领域相当普遍。同标准的 l i n u x 相比，u c l i n u x 内核的二进制代码和源代码都经过了重新编写，以紧缩和裁 剪基本的代码。这就使得u c l i n u x 的内核同标准的l i n u x 2 0 的内核相比非常之小， 但是它仍保持了l i n u x 操作系统常用的a p i 、小于5 1 2 k 的内核和相关工具。操作 系统所有代码加起来小于9 0 0 k b 。 u c l i n u x 有一个完整的t c p i p 协议栈，同时对其他许多网络协议都提供支持。 u c l i n u x 可以称作是一个针对嵌入式系统的优秀网络操作系统。u c l i n u x 所支持的 文件系统也很多，包括做常用的n f s ( 网络文件系统) 、e x t 2 ( 第二扩展文件系 统，它是l i n u x 文件系统的标准) 、m s - d o s 及f a t l 6 3 2 等。 电子科技大学硕士学位论文 ( 4 ) h a r d h a tl i n u x h a r d h a t l i n u x 是m o n t a v i s t a 公司针对嵌入式设备度身定制的，实时的，专业 的嵌入式设备操作系统。它针对嵌入式设备的处理器、存储器资源有限的特点， 在不减少新内核对嵌入式设备有利的特性的基础上，对l i n u x 内核进行高度裁减、 配置。 h a r d h a tl i n u x 所配备的c r o s sd e v e l o p m e n tk i t ( c d k ) 为从事远程嵌入式设 备的系统开发、应用开发提供了良好的环境；c d k 提供了一个可以应用于很大范 围的主机- 目标机( h o s t - t a r g e t ) 结构的、普遍支持的开发环境。利用c d k ，我们 可以在主机上编辑、编译源程序，而把编译完成的程序放到目标机上运行，同时， 在主机上进行跟踪和排错。这样，我们在编译和调试程序的时候就不再受到设备 资源的限制。 m o n t a v i s t a 将其新产品的名称h a r d h a tl i n u x 改为m o n t a v i s t al i n u x ，其中 m o n t a v i s t al i n u x2 1 广泛地支持各类嵌入式处理器体系结构、c p u 板卡以及软件 组件，包括6 种业界领先体系结构的2 0 款处理器，x 8 6 i a 3 2 、p o w e r p c 、s t r o n g a r m 、 x s c a l e 、a r m 以及m i p s 。其最新版本m o n t a v i s t a l i n u x p r 0 4 0 集成最新的l i n u x 2 6 内核，具有更强的实时性和更加灵活的开发环境。 ( 5 ) p c o s - 源码开放的嵌入式系统p c o s i i 简单易学，提供了嵌入式系统的基本功能， 其核心代码短小精悍，如果针对硬件进行优化，还可以获得更高的执行效率。其 特点包括： 公开源代码； 可移植性很强( 采用a n s ic 编写便于移植) ； 可固化； 内核功能可裁剪； 支持多任务处理； 抢占式调度； 函数调用与服务的执行时问具有可确定性； 允许每个任务有不同的栈空间； 完整的中断管理并支持中断嵌套； 具有很强的稳定性与可靠性。 当然，由于p c o s i i 内核本身功能的不完整，比如缺少文件系统，网络协议 第二章嵌入式技术概述 栈，设备管理和图形用户接c i 等，因此相对于商用嵌入式系统来说g c o s - i i 还是 过于简单。但是正是因为它的不完整，为我们深入学习嵌入式系统提供了机会， 本文就将在g c o s i i 的平台上增补网络协议栈，常用设备驱动和简单文字、图形 显示等功能。 2 4 嵌入式t c p i p 协议栈概述 目前，市场上几乎所有的嵌入式t c p i p 协议栈都是根据b s d 版的t c p i p 协 议栈改写的。在商业嵌入式t c p i p 协议栈大都相当昂贵的情况下，很多人转而使 用一些源代码公开的免费协议栈，并加以改造应用。目前较为著名的免费协议栈 包括【1 0 】： ( 1 ) b s d t c p i p 协议栈 b s dt c p 口协议栈是其他商业栈的起点，大多数专业t c p i p 栈( 比如 v x w o r k s 内嵌的t c p i p 栈) 是b s d 栈派生的。这是因为b s d 栈在b s d 许可协 议下提供了这些专业栈的雏形，b s d 许用证允许b s d 栈以修改或未修改的形式结 合这些专业栈的代码而无须向创建者付版税。同时，b s d 也是许多t c p i p 协议 中的创新( 如广域网中饿拥塞控制和避免) 的起始点。 ( 2 ) i i c i p 协议栈 l l c i p 是由g u yl a n c a s t e r 编写的一套基于i _ t c o s 且开放源码的t c p i p 协议 栈，亦可移植到其它操作系统，是一套完全免费的、可供研究的t c p i p 协议栈， g c i p 大部分源码是从公开源码b s d 发布站点和k a 9 q ( - - 个基于d o s 单任务环 境运行的t c p i p 协议栈) 移植过来的。i c i p 具有如下一些特点：带身份验证和 报头压缩支持的p p p 协议，优化的单一请求回复交互过程，支持i p 厂r c p u d p 协 议，可实现的网络功能较为强大，并可裁剪。l _ t c i p 协议栈被设计为一个带最小化 用户接口及可应用串行链路的网络模块。根据采用的c p u 、编译器和系统所需实 现协议的多少，协议栈需要的代码容量空间一般在3 0 6 0 k b 之间。 ( 3 ) u l p 协议栈 u l p 是专门为8 位和1 6 位控制器设计的一个非常小的t c p i p 栈。完全用c 编 写，因此可移植到各种不同的结构和操作系统上，一个编译过的栈可以在几k b r o m 或几百字节r a m 中运行。u l p 中还包括一个h t t p 服务器作为服务内容。 电子科技大学硕士学位论文 ( 4 ) l w l p 协议栈 l w 口是瑞士计算机科学院( s w e d i s hi n s t i t u t eo f c o m p u t e rs c i e n c e ) 的 a d a md u n k e l s 等人开发的一套用于嵌入式系统的开放源代码t c p f l p 协议栈。 l w l p 的含义是l i g h t w e i g h t ( 轻型) i p 协议。l w i p 可以移植到操作系统上，也 可以在无操作系统的情况下独立运行。l w i p 实现的重点是在保持t c p 协议主 要功能的基础上减少对r a m 的占用，一般它只需要几十k 的r a m 和4 0 k 左右的r o m 就可以运行，这使l w l p 协议栈适合在低端嵌入式系统中使用。 l w l p 的特点如下：支持多网络接口下的i p 转发，支持i c m p 协议，p p p 协议， 以及包括实验性扩展的的u d p ，包括阻塞控制，r t t 估算和快速恢复和快速 转发的t c p ，提供专门的内部回调接口( r a w a p i ) 用于提高应用程序性能， 并提供了可选择的b e r k e l e y 接1 2 1a p i 。 第三章系统方案设计 3 1 系统功能需求 第三章系统方案设计 鉴于本课题是要实现一个具有多接入网络传输功能的通用嵌入式系统，根据 应用项目的需要，本系统需要满足的最重要的两个指标是： 以太网双向传输速率必须大于3 2 k b y t e s 电话拨号上网单向传输速率必须大于1 5 k b y t e s 因此，以下我们将从一般的嵌入式系统入手，具体分析本系统的功能需求。 如图3 1 嵌入式系统架构所示，一般的嵌入式系统从结构上可以分为四个部分：处 理器、存储器、输入输出和软件。 图3 - 1 嵌入式系统架构 首先，嵌入式系统最核心的部分就是嵌入式处理器了。目前，世界上具有嵌 入式功能特点的处理器已经超过了1 0 0 0 多种，3 0 多个系列。不同的处理器有其不 同的功能和优势。目前主要的嵌入式处理器类型有p o w e r p c 、x 8 6 、m i p s 、a r m 系列等。因此，本系统应该根据低成本、低功耗、高性能这些嵌入式系统应用的 特殊要求来选择嵌入式微处理器，以满足应用项目的性能需求。 其次，存储器也是构建嵌入式系统的重要部分。一般的嵌入式系统都需要 电子科技大学硕士学位论文 f l a s h 和s d r a m 两种存储器。虽然存储器的选择依赖于处理器的选择，但是就 功能需求来说，需要考虑容量大的，性能稳定的存储器。特别是对f l a s h 来说， 还需要考虑f l a s h 的擦除等软件操作是否方便实现。 再次，要结合实际情况和嵌入式微处理器的功能，确定系统的外围设备。由 于本系统是一个具备多接入网络功能的完整的嵌入式系统，根据实际的应用需要 和将来的功能扩展这两方面考虑，本系统应该具有以下的外围通信接口： ( 1 ) r s 2 3 2 串行接口 目前r s 2 3 2 是p c 机是在通信工业中应用最广泛的一种串行接口。r s 2 3 2 被定 义为一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准。本系统需要设计两个串 口，一个用来进行常规的串行通信，比如，与z i g b e e 无线传感网络进行数据传输 以及进行系统调试等；另一个串口用来与5 6 k m o d e m 连接实现拨号上网，主要用 于a r m 将从z i g b e e 无线传感网络得到的数据，再由电话线传输到远端主机。 ( 2 ) u s b 接口 当前，u s b 接口以其方便、传输速率高等优点已成为计算机行业的外设接口 标准。嵌入式系统要与p c 机等其他设备进行高速数据通信，那么u s b 接口当然 是理想的选择。 ( 3 ) 以太网接口 在i i l t e m e t 飞速发展的今天，网络已经渗透到了方方面面。在嵌入式系统方面， 与网络的结合已经成为了当今嵌入式系统的发展方向。因此，在本系统中，以太 网接口是必不可少的。 ( 4 ) 键盘和液晶屏 键盘和液晶屏是常用的输入输出设备， 以把嵌入式微处理器的功能发挥更为强大， 些调试不方便的系统来说特别有用。 结合各具特色的嵌入式应用软件，可 并且还可以用于现场调试，这对于某 最后，本系统还需要嵌入式操作系统和嵌入式t c p i p 协议栈的支持。对于操 作系统和t c p b p 协议栈的选择有以下几个方面需要考虑： 操作系统和t c p i p 协议栈是否支持目标硬件平台 操作系统和t c p i p 协议栈的可移植性要求 操作系统是否支持多任务并具有实时性 第三章系统方案设计 开发工具的支持程度 操作系统和t c p i p 协议栈的使用许可 3 2 系统功能规划 根据以上需求，再考虑到成本问题和开发的难易程度等因素，我们采用了 s a m s u n g 公司的基于a r m 7 t d m i 内核的1 6 3 2 位r i s c 处理器s 3 c 4 4 b o x 。该 处理器为手持设备和一般应用提供了高性价比和高性能的微控制器解决方案，完 全可以解决定位与指挥系统和z i g b e e 无线传感网络系统对网络传输的要求。 图3 - 2 系统功能模块结构图 图3 2 所示的就是本系统的功能模块结构框图，可以看到，本系统需要扩展： 一片2 m x1 6b i t s 的f l a s h ，用于存放所有的指令代码和变量； 一片4 b a n k s x 2 m x1 6b i t s 的s d r a m ，用于