（通信与信息系统专业论文）基于arm的嵌入式监控系统的研究与实现.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 随着网络技术的普及，越来越多的嵌入式设备要求具有上网功能，而8 1 6 位单片机处理速度低、内存较小，较难满足嵌入式设备的上网要求。因此在 嵌入式的低端应用领域逐步被高性能、低成本的3 2 位微处理器取代。在3 2 位 r i s c 处理器市场中，a r m 处理器系列由于其低成本、小体积、低功耗和高性能， 占据了7 5 的份额，已成为移动通信、手持计算和多媒体数字消费等嵌入式解 决方案的实际标准。 本文以3 2 位a r m 微处理器为核心，构建了一种集信号检测、以太网通信 和自动派障于一体的嵌入式应用系统，并以此为基础构建了基于以太网的分布式 嵌入式监控系统，用于对地域上分散的电信机房进行远程监控，统一管理。 数据采集和处理是嵌入式应用系统的重要组成部分，本文在对监控对象的 信号特点分析的基础上，采用总线式检测卡对数量较多的配线架信号进行并行处 理和和快速检测，提高了系统的工作效率；而对环境温度、湿度、烟雾浓度的数 据则利用处理器的片内a d c 直接处理，电路更加简洁高效。通过对信号的灵活 处理，使整个系统具有较高的性能、较低的成本和功耗，体积更小。 本文分析了嵌入式实时操作系统p c o s i i 的工作原理，在系统中成功地移 植了c o s i i 操作系统进行多任务调度，使整个应用程序由顺序执行的任务变 成了基于优先级的并行执行，提高了系统的实时性，同时降低了应用程序设计的 复杂性，提高了系统的可靠性。 最后，本文分析了a r m 嵌入式系统的调试方法，并使用简易的l e d 指示 灯、j t a o 调试器以及a r ma d s 调试环境对系统的处理器及其重要外围电路进 行了调试。 关键词：a r m 嵌入式监控系统设计与实现 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ep o p u l a r i z a t i o no ft h en e t w o r kt e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r ee m b e d d e d e q u i p m e n t sn e e dt oh a v eo n l i n ef u n c t i o n s s i n c et h e8 1 6b i t sm c uh a v el o w p r o c e s s i n gs p e e da n ds m a l lm e m o r y , i ti sd i f f i c u i tf o rt h e mt om e e tt h eo n l i n e r e q u i r e m e n t so ft h ee m b e d d e de q u i p m e n t s t h u st h e ya r cg r a d u a l l yr e p l a c e db yt h e h i g h - p e r f o r m a n c e , l o w - c o s t3 2b i t sm i c r o p r o c e s s o r s ，e s p e c i a l l yi n t h el o we n d e m b e d d e da p p l i c a t i o nf i e l d s i nt h e3 2 一b i t sr i s cp r o c e s s o r sm a r k e t , b e c a u s eo fi t s l o wc o s t , s m a l ls i z e ，l o wp o w e ra n dh i g hp e r f o r m a n c e ，t h ea n n p r o c e s s o rs e r i e sh a v e b e c o m eaa c t u a ls t a n d a r do nt h es o l u t i o no fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n , h a n d - h e l d c o m p u t i n ga n dd i g i t a lm u l t i m e d i ac o n s u m p t i a n do c c u p i e da7 5 m a r k e ts h a r e t h i sa r t i c l eu s e s3 2b i t sa r mm i c r o p r o c e s s o ra st h ec o r et ob u i l du pa n i m b e d d e da p p l i c a t i o ns y s t e mw h i c hm a k e ss i g n a ld e t e c t i o n , e t h e m e tc o m m u n i c a t i o n a n da u t o d i a lf u n c t i o ni n t e g r a t e d b a s e do nt h i ss y s t e mt h i sa r t i c l eb u i l d su pa n e t h e m e t - b a s e dd i s t r i b u t e de m b e d d e dm o n i t o rs y s t e m 细t 1 1 eg e o g r a p h i c a l l yd i s p e r s e d t e l e c o m m u n i c a t i o nr o o m sf o rr m o n ( w h i c hs t a n d sf o rr e m o t em o n i t o r i n g ) a n d u n i f i e dm a n a g e m e n t d a t ac o l l e c t i o na n dp r o c e s s i n ga l et h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t so fa n e m b e d d e ds y s t e m b a s e do nd e t a i l e d a n a l y s i so ns i g n a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s u r v e i l l a n c et a r g e t ，t h i sa r t i c l en s c sb u s - t y p et e s t i n gc a r d sf o rp a r a l l e lp r o c e s s i n ga n d f a s td e t e c t i o no ft h el a r g en u m b e ro fl i n es e t t i n gs h e l f s i g n a l s t h i sm e t h o di m p r o v e s s y s t e me f f i c i e n c y m e a n w h i l et h i sa r t i c l eu s c sp r o c e s s o r si n t e r n a la d c t op r o c e s st h e d a t ao ft h ee n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r e ，h u m i d i t ya n ds m o k ec o n c e n t r a t i o n t h i s m e t h o dm a k e st h ew h o l es y s t e mb e c o m e sm o r es i m p l ea n de f f i c i e n t t b m u g ht h e f l e x i b l ep r o c e s s i n go f d i f f e r e n ts i g n a l s ，t h ew h o l es y s t e mb e c o m e sm o r ee f f i c i e n t , l o w c o s t , l o wp o w e ra n ds m a l ls i z e t h i sa r t i c l ea n a l y z e sw o r k i n gt h e o r yo ft h ee m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i n g s y s t e m 肛c o s - i i ，s u c c e s s f u l l yt r a n s p l a n t si _ t c o s i io p e r a t i n gs y s t e mt oa t t e m p o r m u l t i t a s k t h i sm e t h o dc h a n g e sa p p l i c a t i o nf i o ms e r i a lt op a r a l l e l ，m a k e st h es y s t e m b e c o m er e a l - t i m e ，r e d u c e st h ec o m p l e x i t yo f t h ea p p l i c a t i o nd e s i g na n di m p r o v e st h e r e l i a b i l i t yo f t h es y s t e m f i n a l l y , t h i sa r t i c l ea n a l y z e sd e b u g g i n gm e t h o d so f e m b e d d e da r ms y s t e m , a n d l i s t ss i m p l el e dl i g h t ，j t a gd e b u g g e ra n da r ma d s d e b u g g i n gs y s t e mt ot e s tt h e p r o c e s s o ra n dt h ee x t e r n a lc i r c u i t so f t h i ss y s t e m k e y w o r d s ：a r m ，e m b e d d e ds y s t e m ，m o n i m rs y s t e m ，r e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o n 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 随着计算机技术的不断发展和i n t e m e t 的普及，掌上电脑、可视电话、移动 电话、t v 机项盒、个人数字助理( p d a ) 以及数码相机等嵌入式设备在社会生活 中得到广泛的应用，极大地改变了人们的生活，这些信息电器的出现标志着一个 新的时代后p c 时代已经到来。后p c 时代的特点是计算机通过各种网络彼 此互连，计算机与使用者的比例达到1 0 0 ：l ，这些计算机包括了通用计算机 和嵌入式计算机，而且嵌入式计算机占到9 5 以上 1 1 嵌入式系统的历史回顾 事实上，在很早以前，嵌入式这个概念就已经存在了。在通信方面，嵌入 式系统用于对电子机械电话交换的控制，当时被称为“存储式程序控制系统” ( s t o r e dp r o g r a mc o n t r o ls y s t e m ) 。 嵌入式计算机的真正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，推出了世界上第一款微处理器 i n t e l4 0 0 4 ，其后各厂家陆续推出了许多8 位、1 6 位的微处理器，包括i n t e l 8 0 8 0 8 0 8 5 、8 0 8 6 ，m o t o r o l a 的6 8 0 0 6 8 0 2 ，以及z i l o g 的z 8 0 、z 8 0 0 0 h er o c k w e l l 公司的6 5 0 2 等。以这些微处理器作为核心所构成的系统，广泛地应用于仪器仪 表、医疗设备、机器人、家用电器等领域。 为了便于灵活应用和相互兼容，出现了系列化、模块化的单板机。流行的 单板计算机有i n t e l 公司的i s b c 系列、z i l o g 公司的m c b 等。这样，人们可以 不必从选择芯片开始来设计一台专用的嵌入式计算机，而是只要选择各功能模 块，就能够组建一台专用计算机系统。用户和开发者都希望从不同的厂家选购最 适合的o e m 产品，插入外购或自制的机箱中就形成新的系统，这样就希望插件 是互相兼容的，也就导致了工业控制微机系统总线的诞生。1 9 7 6 年i n t e l 公司推 出m u l t i b u s ，1 9 8 3 年扩展为带宽达4 0 m b s 的m u l t i b u s i i 。1 9 7 8 年由p r o l o g 设 计的简单s t d 总线广泛应用于小型嵌入式系统。 2 0 世纪8 0 年代以后，随着微电子工艺水平的提高，集成电路制造商开始把 嵌入式应用中所需要的微处理器、i o 接口、a d 、d a 转换、串行接口以及r a m 、 r o m 等部件统统集成到一个v l s i 中，从而制造出面向i ，o 设计的微控制器，这 就是我们俗称的单片机。其后发展的d s p 产品则进一步提升了嵌入式计算机系 统的技术水平，并迅速地渗入到智能控制、通信电子、医用电子、消费电子、仪 器仪表、交通运输等各种领域。 浙江大学硕士学位论文 进入2 0 世纪9 0 年代，在分布控制、柔性制造、数字化通信和信息家电等 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。面向实时信 号处理算法的d s p 产品向着高速、高精度、低功耗发展。t e x a s 推出的第三代 d s p 芯片1 m s 3 2 0 c 3 0 ，引导着微控制器向3 2 位高速智能化发展。在应用方面， 掌上电脑、手持p c 机、机顶盒技术相对成熟，发展也较为迅速。特别是掌上电 脑，1 9 9 7 年在美国市场上掌上电脑不过四五个品牌，而1 9 9 8 年底，各式各样的 掌上电脑如雨后春笋般纷纷涌现出来。此外，n o k i a 推出了智能电话，西门子推 出了机顶盒，w y s e 推出了智能终端，n s 推出了w e b p a d 。装载在汽车上的小 型电脑，不但可以控制汽车内的各种设备( 如音响等) ，还可以与g p s 连接， 从而自动操控汽车 2 l 世纪是一个网络的时代，计算机应用用的普及、互联网技术的实用以及 纳米微电子技术的突破，正有力推动着工业生产、商业活动、科学实验和家庭生 活等领域自动化和信息化进程。 1 2 嵌入式系统的研究现状 嵌入式系统的核心是各种类型的嵌入式处理器，目前据不完全统计，全世 界嵌入式处理器的品种总量已经超过1 0 0 0 多种，流行体系结构有3 0 几个系列， 其中8 0 5 1 体系的占有多半。现在几乎每个半导体制造商都在生产嵌入式处理器， 越来越多的公司有自己的处理器设计部门。嵌入式处理器的寻址空间一般从 6 4 k b 到1 6 m b ，处理速度从o i m i p s 到2 0 0 0 m i p s ，常用封装从8 个引脚到1 4 4 个引脚。目前使用的嵌入式计算机可以分成以下四类： 1 嵌入式微处理器e m p u 0 9 m b e d d e dm i c r op r o c e s s o ru n i 0 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 在应用中，将微处理器装 配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，大幅度减小系 统体积和功耗，以满足嵌入式应用的特殊要求。 和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻。成本低、 可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括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。嵌入式微处理器及其存 储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机。如s t d b u s 。p c i 0 4 等。目前嵌入式处理器主要有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m 系列等。 2 嵌入式微控制器m c u o g m b e d d e dm i c r o - c o n t r o l l e ru n i 0 嵌入式微控制器，俗称单片机，它是将整个计算机系统集成到一块芯片中。 浙江大学硕士学位论文 一般来说，它以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成r o m e p r o m 、r a m 、 总线、总线逻辑、定时计数器、w a t c h d o g 、i o 、串行口、脉宽调制输出、a d 、 d a 、f l a s hr a m 、e e p r o m 等各种必要功能模块和外设。未适应不同的应用需 求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都不 相同，不同之处在于存储器和外设的配置以及封装。这样可以使单片机具有最大 限度地和应用需求相匹配，减少功耗和成本。 由于其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。目 前嵌入式微控制器的品种和数量较多，比较有代表性的通用系列包括8 0 5 1 、 m c s - 2 5 1 、m c 6 8 h c 0 5 ii 1 2 1 6 、6 8 3 0 0 等它是目前嵌入式系统工业的主流， 占到嵌入式系统7 0 的市场份额。 3 嵌入式d s p 处理器e o s p ( 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 ) d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算法， 编译效率较高，指令执行速度较快。在数字滤波、f f t 谱分析等方面d s p 算法 正在大量进入嵌入式领域，d s p 应用领域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。嵌入式d s p 处理器有两个发展来源， 一是d s p 处理器经过单片化、e m c 改造。增加片上外设成为嵌入式d s p 处理器； 二是在通用单片机或s o c 中增加d s p 协处理器。 推动嵌入式d s p 处理器发展的另一个因素是嵌入式系统的智能化，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、实时语音解压系统。虚拟现实显示等。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 长处所在。 嵌入式d s p 处理器比较有代表性的产品是t e x a si n s t n t m e n t s 的t m s 3 2 0 系 列和m o l r o l a 的d s p 5 6 0 0 0 系列。 4 嵌入式片上系统s o c ( s y s t e m o rc h i 呐 随着半导体工艺的发展，在一块硅片上面实现一个系统成为可能，这就是 s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 。各种通用处理器内核将标准库和许多其它嵌入式系统 外设一样作为s o c 标准库成为v l s i 设计中一种标准的器件，用标准的v h d l 等语言描述，存储在器件库中。用户只需定义除其整个系统，仿真通过后就可以 将设计图交给半导体工厂制作样品。 s o c 可以分为通用和专用两类。通用系列包括i n f m c o n 的t f i c o r e ，m o t o r o l a 的m c o m ，某些a r m 系列器件，e c h e l o n 和m o t o r o l a 联合研制的n e u r o n 芯 片等。专用s o c 一般专用于某个或某类系统中。一个有代表性的产品是p h i l i p s 浙江大学硕士学位论文 的s m a r t x a ，它将x a 单片机内核和支持超过2 0 4 8 位复杂r s a 算法的c c u 单 元制作在一块硅片上，形成一个可加载j a v a 或c 语言的专用s o c ，可用于公 众互联网如i n t e r n e t 安全方面。 1 3a r m 微处理器的性能简介 随着网络技术的普及和发展，越来越多的嵌入式设备要求具有上网功能， 而传统的8 位，1 6 位单片机由于其处理速度低和内存较小，难以满足上网要求， 因此a r m 处理器系列以其高性能、低成本、低功耗和小体积得到广泛的应用， 已成为移动通信、手持计算和多媒体数字消费等嵌入式解决方案的r i s c 实际标 准。因此这里对a r m 的性能作一简要介绍。 a r m 即a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写。a r m 公司是1 9 9 0 年成立的设计 公司。它是一个知识产权( i p ) 供应商，本身不生产芯片，靠转让设计许可，由 合作伙伴公司来生产各具特色的芯片。a r m 处理器以其高性能、小体积、低功 耗、紧凑代码密度、低成本和众多的供应商而著名 a r m 当前有5 个产品系列：a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a 剐l o 、s e e u r c o r e 。 其中，前四个是通用处理器系列，每个系列提供一套特定的性能来满足设计者对 功耗、性能和体积的需求。s e c u r c o r e 系列是专为安全设备设计的。 在所有a r m 处理器系列中，以a r m 7 系列应用最广。而其中以a r m 7 t d m i 为核心的处理器芯片中，最受到嵌入式设计者青睐的是s a m s a m g 公司的 s 3 c 4 4 b o x 和$ 3 c 4 5 1 0 b 。$ 3 c 4 4 8 0 x 以其低功耗、精简和出色的全静态设计特 别适合于对成本和功耗敏感的应用：$ 3 c a 5 1 0 b 内部集成了e t h e r n e t 控制器，是 基于以太网系统的高性价比1 6 3 2 位r j s c 微控制器。 1 4 本课题的设计目的和意义 近年来我国电信业迅猛发展，用户不断增长，电信网络规模不断扩大，电 信的机房包括主机房、接入网机房、信息化小区机房等迅速增多，机房里的网络 设备也日益增加。电信电缆及电信机房作为信息载体和交换节点，其安全越来越 重要。 根据g a r t n e r 保守估计，企业计算机网络停用一小时的平均成本为4 2 0 0 0 美 元。另外g a r m e r 还估计企业一般每年会经历8 7 小时的停用时间。如果一家企业 成功运用监控技术，将一年的停工时间从1 7 5 小时缩短到平均的8 7 小时，就可 以节省3 6 0 万美元g a r m e r 特别指出，当关键服务器和网络崩溃时，企业将依 次在生产能力、声誉损失和财务表现方面付出代价。 由于电信机房分布广、数量大、管理与监控困难，传统的针对电信机房的 浙江大学硕士学位论文 人工值守维护和巡查方式，因缺少人员和缺乏对分布众多的接入网机房、信息化 小区机房等网络环境的统一集中监控手段，显得已经不能满足要求；另一方面， 电信行业对机房的可靠性和可维护性的新需求不断涌现，对机房的监控和维护提 出了更高的要求。据不完全统计，我国电信业每年因设备故障、自然灾害( 火灾、 机房进水) 以及人为破坏( 电缆和设备被盗) ，导致网络中断，造成的损失高达 数亿元，而且逐年增长。 我国嵌入式计算机技术起步较晚，大规模集成电路芯片制造工艺较落后， 因此受硬件及开发工具的限制，嵌入式应用系统，特别是监控系统远远落后于国 外嵌入式设备大多是有知识产权的产品，其价格昂贵，应用受到限制进入 2 0 世纪8 0 年代以来，随着我国计算机技术和电子技术快速发展，各种电信机房 监控设备陆续开发成功，并随着微处理器技术的发展不断更新。目前，机房监控 系统主要有以下两类： ( 1 ) 专用监控设备 包括电源监控设备、配线架监控设备以及机房环境监控设备等。这类设备 可根据需要选择，其缺点是功能单一，每种设备监控信号需要专用线路传输，成 本较高。 ( 2 ) 基于8 0 5 1 的多功能监控系统 8 0 5 1 系列微控制器推出后，由于其在工业控制领域的出色表现，国内一些 嵌入式设备生产商相继开发出以8 0 5 1 为核心的多功能监控设备，运用于电信机 房的设备监控。 随着电信业的迅猛发展，机房不断扩容，基于8 0 5 1 微控制器的监控系统处 理能力低、实时性差的缺点越来越明显。同时，大量高性能的新型嵌入式处理器 不断投入市场，i n t e r n e t 迅速普及。以高性能处理器为核心，构建基于i n t e r n e t 的分布式监控系统，已成为新的发展方向。 1 5 本文的主要工作 本文以用于无人值守电信机房监控的嵌入式监控系统的设计为主要内容， 详细分析基于a r m 的嵌入式监控系统的设计方法；并以s 3 c 4 4 b o x 为微处理器 构建了基于网络的分布式监控系统和基于电话线路的智能告警系统。本文的篇章 结构如下： 本章首先对嵌入式系统及其历史作了简要回顾，然后分析了嵌入式系统的 研究现状和a r m 微处理器的性能，最后对本课题的设计目的和意义作了说明。 第二章，基于a r m 的嵌入式系统的总体设计。对本课题的设计用于无 人值守电信机房的远程监控系统的设计目标进行分析，给出总体实现方案。 第三章，下位机的硬件实现。这是本文的重点，通过远端监测仪的硬件电 浙江大学硕士学位论文 路设计，详细阐述以s 3 c “b o x 为微处理器的嵌入式系统的各种应用电路的设 计方法和步骤。 第四章，下位机的软件设计重点分析嵌入式实时操作系统“c o s 在系 统中的移植和在嵌入式操作系统的基础上实现多任务应用。 第五章，系统的调试。介绍微处理器、s d r a m 存储器和f l a s h 存储器电路 的调试方法 第六章，全文总结。 浙江大学硕士学位论文 第二章嵌入式监控系统的总体设计 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪， 适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系 统( 1 ) 。由于其具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，因此已广泛地 应用于制造工业、过程控制、通信、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军 事装备、消费类产品等领域。 2 1 嵌入式系统的开发方法 2 1 1 嵌入式系统的开发步骤 任何一个嵌入式系统都是软件和硬件的结合体，嵌入式软件是针对相应的 硬件开发的专用程序，因此软硬件综合开发是嵌入式系统开发的最大特点。这个 特点决定了其开发方式不同于传统的工程方法。 嵌入式系统的开发可以概括为图2 1 所示的过程。 图2 - 1 嵌入式系统开发过程 2 1 2 软硬件协同开发 通常的开发方法是分离了软件开发与硬件开发的。虽然在系统设计的初始 浙江大学硕士学位论文 阶段考虑了软硬件的接口问题，但是由于软硬件分别开发，各自部分的修改和缺 陷很容易导致系统集成出现错误。这些错误不但难以定位，而且对它们的修改往 往会涉及整个软件和硬件配置的改动为了避免这些问题，需采用一种新的开发 方法一软硬件协同开发，如图2 - 2 所示。 嵌入式硬件开发 l1 嵌入式系统 l 协同设计，测试、验证 1l i 嵌入式硬件开发 图2 - 2 软硬件协同开发 这种开发过程可归纳为： 需求分析； 软硬件协同设计； 软硬件实现； 软硬件协同测试和验证。 其特点在于协同设计( c o d e s i g n ) 、协同测试( c o t e s t ) 、协同验证 ( c o 州f i c a t i o n ) 。它充分考虑了软硬件的关系，并在设计的每个层次上给予测试 验证，使得尽早发现和解决问题，避免灾难性错误的出现。同时，由于减少了系 统集成这一环节，所以系统的开发效率大大提高，可以更好的适应嵌入式应用系 统的开发。 2 1 3 嵌入式系统的开发模式 嵌入式系统的开发模式有以下三种： 1 自主开发，包括从硬件到软件的设计。这种方法能根据应用的需要设计 出特定功能的最小系统，因此开发出的产品具有小体积、低成本的优点，其缺点 是开发周期长，设计复杂度高。 2 以开发板为硬件系统展开相关设计。目前，各种基于应用较为广泛的嵌 入式芯片的开发板相继进入市场，其上集成了丰富的接口资源，并且便于根据需 要进行功能扩展。由于其功能相对完善，能满足基于特定芯片的大部分应用，因 此受到嵌入式系统开发者的青睐。其优点是能节省硬件开发时间，及早进入应用 实现阶段。缺点是成本较高，不宜直接用作产品开发。 3 在开发板的基础上软硬件同步开发。其方法是基于协同设计的思想，在 需求分析的基础上，软硬件设计同时展开，平行工作。这种方法的特点开发效率 浙江大学硕士学位论文 较高，虽然开发成本有所增加，但是能缩短开发周期，降低嵌入式系统的开发风 险。 2 2 嵌入式监控系统的总体设计方案 本系统的设计目标是对地域上相对分散的无人值守电信机房进行集中监 控、统一管理，要求下位机能对各机房总配线架的工作状况进行实时监控，及时 发现因工频入侵、电缆断线、保安单元短路等引起的故障；并对各机房环境( 温 度、湿度、烟雾) 进行实时监控，防止因火灾、进水导致机房设备被毁：对发现 的异常情况迅速通知维护人员 为此，系统采用了如图2 3 所示的结构。 圈2 - 3 系统总体结构示意图 整个系统由中心机房和各远程端机房组成，远端机房的核心设备是远端监 测仪，各远端机房与监测中心计算机通过以太网接口组成v l a n ( 也可通过 i n t c r n e t 相连) ，终端之间的数据通过t c p i p 协议进行通讯。 2 2 1 上位机的设计 系统的上位机由装有专用监控软件的p c 机构成。监控人员可以直接通过以 太网访问各个远程端机房，了解远程端机房的工作状态。 管理软件是基于w i n d o w s 操作系统的数据库系统，采用层次结构设计，各 个模块具有封装结构，便于升级。其结构如图2 4 所示。 浙江大学硕士学位论文 图2 - 4 监测中心计算机管理软件结构 2 2 2 下位机的设计 系统的下位机是数台远端监测仪，该监测仪是整个监控系统的核心处理设 备，主要实现如下功能： 实时监控3 2 路话路的三类告警：工频入侵告警、列告警、断线告警。 实时监控远端机房的环境参数，包括温度、湿度、烟雾浓度。 通过以太网与中心机房保持实时通讯。 通过电话线实时派障。 通过键盘和液晶显示屏设置系统信息。 通过数码显示屏和扬声器，发出报警信号。 该远端监测仪是以微处理器为核心，集数据采集和处理、网络传输、自动 拨号于一体的嵌入式系统，其结构如图2 5 所示。 习稠稠匿瑚口告警ij j 告警l 土j 侵告警li 控制器r 1 二竺三j 蔓匿h 鐾搁匿卜筒 图2 - 5 远端监测仪框图 2 3 处理器芯片的选择 对于嵌入式应用系统或产品的开发，处理器及硬件平台的选定是非常重要 的。一个好的嵌入式系统需要事先完善的硬件规划才能达到所需要的功能条件。 开发人员必须要从众多的嵌入式微处理器中选择一种最适当的产品作为嵌入处 理器的核心，才能够兼具低成本和高性能优势。在选择微处理器时应面向应用， 综合考虑主频、功耗、i o 接口、所支持存储器的类型、总线、价格、封装等因 素。 本系统选取s a m s u n g 公司的s 3 c 4 4 b o x 芯片作为处理。其总体结构和特 点如下： 浙江大学硕士学位论文 s a m s u n g 公司的s 3 c 4 4 b o x l 6 3 2 位r i s c 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。 为了降低整个系统的成本，s 3 c 4 4 b o x 提供了丰富的内置部件，包括：8 k b c a c h e ，内部s r a m ，l c d 控制器，带自动握手的2 通道u a r t ，4 通道d m a ， 系统管理器( 片选逻辑，f p e d o s d r a m 控制器) ，5 通道带p w m 的定时器， i o 端口，r t c ，8 通道1 2 位a d c ，i i c i i s 总线接口，同步s i o 接口和成对时 钟的p l l s 3 c 4 4 b o x 采用了a r m 7 t d m i 内核，0 2 5i lm1 - 艺的c m o s 标准宏单元 和存储编译器。它的低功耗、精简和出色的全静态设计特别适用于对成本和功耗 敏感的应用。 s 3 c 4 4 b o x 的杰出特性是它的c p u 核，是由a r m 公司设计的1 6 3 2 位 a r m 7 1 d m ir j s c 处理器( 6 6 m h z ) 。s 3 c 4 4 b o x 通过提供全面的、通用的片 上外设，大大减少了系统电路中除处理器以外的元器件配置，从而最小化系统的 成本。 其内部结构如图2 - 6 所示。 l 通道d m j i 嚣( i r d a ) l h隰h 恻1 - 置栅r i 电谭| 空崩单元i i 总线路自嚣 i 1 6 位看门街定时羞i + + l 斌裟”6 卜 系统总线控制暑 位定时嚣l 7 厂菊蕊磊莉1 厂蕊丽一 i 呻口控斜量j _ i e 接口 i l童竺竺塑竺i 1 絮1 j “i _ 1 1 ) ”| + (r 7 图2 - 6 $ 3 c 4 4 8 0 x 内部结构 s 3 c 4 4 b o x 的特性如下： 采用a r m 7 t d m i 内核，f o 电压3 3 v ，内核电压2 5 v ，大大降低了系 统的功耗； 内置锁相环( p l l ) ，系统工作频率6 6 m h z ： 4 种工作模式( 正常、慢速、空闲和停止) ，根据不同的需要设置不同的 工作方式，可以降低系统功耗； 8 k b 指令数据c a c h e ( s r a m ) ，极大地提高了系统的运行速度： 支持8 个存储体( i 的m s ra m f p ，e d o s d r a m ) ，最大外部存储空间 达 2 5 6 m b ，可以外扩s d r a m 、f l a s h 、e e p r o m 等； 1 1 浙江大学硕士学位论文 内置彩色l c d 控制器： 2 路异步串行口( u a r ，d ： 7 1 个通用口，包括8 个外部中断源； 8 路1 0 位a d 转换器； 实时时钟( i 汀c ) 和看门狗电路( w a t c h d o g ) 。 2 4a r m t t d m i 的结构特点分析 为了便于硬件电路的设计，有必要在这里对a m r t t d m i 体系结构的主要特 点进行简要的分析。 1 a r m 7 t d m l 名字的原义 a r m 7 a r m 63 2 位整数核的3 v 兼容的版本： t1 6 位压缩指令集t h u m b ； d 在片调试( d e b u g ) 支持，允许处理器响应调试请求暂停； m 增强型乘法器( m u l t i p l i e r ) ，比以前处理器性能更高，产生全6 4 位结果； i 嵌入式i c e 硬件提供在片断点和调试点支持。 2 指令流水线 流水线允许几个操作进程同时进行，并允许处理和存储系统连续操作。 a r m 7 t d m i 使用了三段流水线，指令的执行分三个阶段：取指、译码和执行。 如图2 7 所示。 指奇所甩的寄存嚣译码 从寄存器组中读寄存嚣 移位和a l u 操作 把寄存罂写回寄存嚣组 ，匮垂圜 2 匝豇受圃 ，匝墅囹 指_ 争 图2 7a r m 单周期指令3 段流水线操作 正常操作时，在执行一条指令期间，其后续的一个指令译码，第3 条指令 从存储器取指。 需要注意的，程序计数器指向正在取指的指令而不是正在执行的指令，正 在执行的指令使用的p c 值总是当前地址的2 条指令之前的地址。 3 r i s c 体系结构 回占占 浙江大学硕士学位论文 a r m 体系机构基于精简指令集计算机( r j s c ) 原理。和复杂指令集( c i s c ) 相比，i u s c 架构的指令集和相关电路更简洁高效。 删7 1 d m l 处理器区别于其他a m r 7 处理器的一个重要特征是其独有的 t h u m b 的架构策略。t h u m b 通过指令压缩，在3 2 位体系结构上实现了1 6 位指 令长度，获得了比1 6 位体系结构好的性能和比3 2 位体系结构好的代码密度。 a r m 7 t d m i 内核既能执行3 2 位的a r m 指令集，又能执行1 6 位的t h u m b 指令集，允许用户以子程序段位单位，在同一个地址空间使用t h u m b 指令集和 a r m 指令集混合编程。采用这种方式，用户可以在代码大小和系统性能上进行 权衡，从而位特定应用系统找到一个最佳的编程解决方案。 4 操作模式 a r m 7 t d m l 支持7 种操作模式： 用户模式：正常的程序执行状态。 f i q ( f a s ti n t e r r u p tr e q u e s t ) 模式：用于支持特殊的数据传送与通道处理。 i r q ( i n t e r r u p t r e q u e s t ) 模式：用于通用的中断处理。 管理模式：一种用于操作系统的保护模式。 中止模式：当数据或指令预取中止时进入该模式。 系统模式：一种用于操作系统的特权用户模式。 未定义模式：当执行了未定义指令时进入该模式。 操作模式的切换可用软件控制，外部的中断和异常处理也会导致操作模式 的切换。绝大多数的用户应用程序运行在用户模式，当系统相应中断或异常、或 访问受保护的系统资源时，处理器会进入特权模式( 除用户模式以外的所有模 式) 。 5 寄存器组织 a r m 处理器总共有3 7 个寄存器，被安排成部分重叠的组( o v e r l a p p i n gb a n k ) 。 每种处理器模式都有不同的寄存器组。分组的寄存器在处理器异常和特权操作时 可得到快速的上下文切换。 a r m 处理器分为3 1 个通用寄存器、6 个状态寄存器。在某一时刻寄存器能 否访问由处理器的当前工作状态和操作模式决定。在任何时候，1 5 个通用寄存 器( r 0 r 1 4 ) 、l 或2 个状态寄存器和程序计数器都是可见的。图2 - 8 的每列是在 每种模式下可见的寄存器。 浙江大学硕士学位论文 模式 _ 异常模式 - 用户泵统臂理中止幸定义中断 快中断 r or 0r or 0r or 0m r lr lr lr lr tr lr l r 21 7 , 2r 2r 2p 2r 2贮 r 3r 31 7 , 3r 31 7 3r 3 r 3 r 4“科r 4“r 4 骷 r 5 ur 5鼬 晒髓m私r 6r 6r 6 r 7r 7r 7r 7r 7r 7r 7 r 8r i髓r ir 8r i 釉一向 r 9聃r 9即r 9盼 r 9 _ f i q r 1 0r 1 0r 】or i or l o r 1 0 _ f i q r i ir l lr l lr l lr i lr l l r l l q r 1 2r 1 2r 1 2r 1 2r 1 2r 1 2 r l u q r 1 3 r 1 3r 1 3s v e *r 1 3a b t *r 1 3 t a d m 3 _ k q r 1 3 一l i q + r 1 4r 1 4r 1 4s r 1 4a b t r 1 4t a x i r 1 4 t r q r 1 4 l j q p cp ckp cp cp cp c 囊孵用户毫幕统自i 主使用的一詹膏存曩e 鲁异蓄横式特定帕另一膏存摹所譬代 图2 - 8a r m 寄存器组织 ( 1 ) 通用寄存器 通用寄存器( r o r 15 ) 可分成3 类： 不分组寄存器r 0 r 7 在所有的处理器模式下，它们每一个都访问一样的3 2 位物理寄存器。它们 是真正的通用寄存器，没有体系结构所隐含的特殊用途。 分组寄存器r 8 r 1 4 寄存器r 8 r 1 2 各有两组物理寄存器：一组位f i q 模式，另一组为除f i q 模式以外的其他模式。这些寄存器中独立的f i q 模式快速中断。 寄存器r 1 3 通常用做堆栈指针，称为s p 。 在用户模式下，寄存器r 1 4 用做链接寄存器l r ( l i n kr e g i s t e r ) 。在子程序调 用时用来保存返回地址。在异常处理模式下，r 1 4 用来保存异常的返回地址。 程序计数器r 1 5 寄存器r 1 5 用做程序计数器( p c ) 。在a r m 状态下，位【l ：0 】为0 ，位 3 1 ：2 】 保存p c ；在t h u m b 状态下，位【o 】为0 ，位 3 1 ；1 1 保存p c ( 2 ) 程序状态寄存器 在所有处理器模式下都可以访问当程序状态寄存器c p s r ( c u r r e n tp r o g r a m 浙江大学硕士学位论文 s t a t u sr e g i s t e r ) 。c p s r 包含条件码标志。中断禁止位、当前处理器模式以及其他 状态和控制信息。每种异常模式都有一个程序状态保存寄存器s p s r ( s a v e d p r o g r a ms t a t u sr e g i s t e r ) 。当异常出现时，s p s r 用于保留c p s r 的状态。 c p s r 和s p s r 的格式如下： 弼2 9 2 1 1 75432io 条件码标志 n ，z ，c 和v