（通信与信息系统专业论文）基于arm的嵌入式系统设备驱动及内核开发研究.pdf

摘要 摘要 由于其体积小、效率高、功率低的固有优势，嵌入式系统( e m b e d d e d s y s t e m s ) 正在各行各业得到越来越广泛的应用。它的定位非常清晰，因 此有着非常良好的发展前景。嵌入式处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r u n i t ) 和嵌入式操作系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是嵌入式系统的核心。目前处 理器和操作系统的关键技术均由国外掌握，但国内的嵌入式系统正处于 飞速发展阶段，前景广阔。因此，对嵌入式系统的开发进行研究，具有 很重要的理论与现实意义。 本文对嵌入式实时操作系统c o s i i 作了深入的了解，并对嵌入式 系统的驱动开发和内核开发方法进行了研究。其中，基于a r m 7 嵌入式 处理器和c o s i i 嵌入式操作系统进行了驱动开发的研究，基于a r m 9 嵌入式处理器和嵌入式l i n u x 操作系统进行了内核刀= 发的研究。 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s l 是微处理器行业的一家知名企业， 基于a r m 结构的嵌入式处理器数量很多，应用也很广泛。本文对a r m 7 及a r m 9 处理器均有涉及。肛c o s i i 及嵌入式l i n u x 系统由于具备源码 开放的特性，因此非常适合开展研究工作。 本文的研究重点是嵌入式系统中的驱动开发和内核开发。可以说， 对于一个嵌入式系统而言，内核开发是在b o o t l o a d e r 成功下载之后所要 进行的首要的工作：而驱动开发则是在整个系统启动之后针对具体应用 环境而进行的进一步开发。我们在a r m 7 + i t c o s i i 平台上完成了f i f o 设备驱动的开发，从中可以体现出硬件连接以及良好的a r m 7 及 c o s i i 了解对于硬件驱动开发的重要性。另外，在a r m 9 + l i n u x 平台 上完成了内核的开发，包括2 4 1 9 版的l i n u x 内核以及最新的2 6 1 1 5 版的l i n u x 内核，从中可以看出新的内核带来了新的特性，也简化了开 发人员的工作。 本文实现了简单外设驱动的设计和嵌入式l i n u x 内核的开发，为今 后的产品开发奠定了良好的基础。 关键词：嵌入式系统：a r m ；“c o s i i ；l i n u x ；驱动程序；内核 华南理工人学工学硕上学位论文 a b s t r a c t t h ee m b e d d e ds y s t e m si s b e i n gu s e dm o r ea n dm o r ee x t e n s i v ei n e v e r yt r a d eb e c a u s eo fi t sc h a r a c t e r i s t i co fs m a l lv o l u m e ，h i g he f f i c i e n c y a n dl o wp o w e r i t sf i x e dp o s i t i o ni sv e r yc l e a r ，s oi th a v eav e r yg o o d d e v e l o p m e n tf o r e g r o u n d t h ee m p u ( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ) a n d t h ee m b e d d e ds y s t e ma r et h ec o r e so ft h ee m b e d d e ds y s t e m s t h ek e y t e c h n i q u eo ft h ee m p ua n de m b e d d e ds y s t e mi sc o n t r o l l e db yt h ea b r o a d ， b u tt h el o c a le m b e d d e ds y s t e m sa r ed e v e l o p e dq u i c k l y t h e r e f o r e ，c a r r yo n t h er e s e a r c ho ft h ed e v e l o p m e n to ft h ee m b e d d e ds y s t e m sh a v et h ev e r y i m p o r t a n tt h e o r e t i ca n dr e a l i s t i cm e a n i n g s t h i st e x tm a k e sat h o r o u g hu n d e r s t a n d i n gt ot h ee m b e d d e dr e a l - t i m e o p e r a t i n gs y s t e m i x c o s - i i ，a n dc a r r i e so nt h er e s e a r c ho ft h ed e v e l o p m e n t o ft h ed e v i c ed r i v e ra n ds y s t e mk e r n e l a m o n gt h e m ，c a r r i e so nt h er e s e a r c h o ft h ed e v e l o p m e n to ft h ed e v i c ed r i v e rb a s e do na r m 7e m p ua n d i x c o s i i ，c a r r i e so nt h er e s e a r c ho ft h ed e v e l o p m e n to fs y s t e mk e r n e lb a s e d o na r m 9 e m p ua n dl i n u x t h ea r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) i saw e l l - k n o w nb u s i n e s s e n t e r p r i s eo ft h em i c r o p r o c e s s o rp r o f e s s i o n ，t h e r ea r eal o to fp r o c e s s o r s w h i c ha c c o r d i n gt ot h eb u i l t i n p r o c e s s o ra r ms t r u c t u r e ，a n d t h e i r a p p l i c a t i o ni sa l s ov e r ye x t e n s i v e t h i st e x ti n v o l v e sb o t ht ot h ep r o c e s s o r o fa r m 7a n da r m 9 t h ei x c o s - i ia n dl i n u xs y s t e mi ss u i t a b l et ot h e r e s e a r c hw o r kb e c a u s eo fi t sc h a r a c t e r i s t i co ft h eo p e ns o u r c ec o d e t h et e x t u a lr e s e a r c hp o i n ti st h ed e v e l o p m e n to ft h ed e v i c ed r i v e ra n d s y s t e m k e r n e lo fe m b e d d e ds y s t e m s f o rae m b e d d e ds y s t e m s ，t h e d e v e l o p m e n to fs y s t e mk e r n e li s t h ec h i e f l yw o r ka f t e rt h es u c c e s s f u l d o w n l o a do fb o o t l o a d e r ；a n dt h ed e v e l o p m e n to fd e v i c ed r i v e ri sf u r t h e r d e v e l o p m e n ta i ma tt h ea c t u a lc o n d i t i o n w ec o m p l e t et h ed e v e l o p m e n to f t h ed r i v e ro ff i f 0d e v i c eb a s e do na r m 7 e m p ua n duc o s i i ，f r o mi t ， w ec a nr e a l i z et h e i m p o r t a n c e o ft h eh a r d w a r ec o n n e c t sa n d g o o d k n o w l e d g eo fa r m 7a n d “c o s - i it o t h ed e v e l o p m e n to fd e v i c ed r i v e r m o r e o v e r ，w ec o m p l e t e dt h ed e v e l o p m e n to fs y s t e mk e r n e lb a s e do na r m 9 a n dl i n u x ，i n c l u d i n gl i n u xv e r s i o n2 4 1 9a n dv e r s i o n2 6 11 5 f r o mi tw e c a nr e a l i z et h a tn e wk e r n e lb r i n g sn e wc h a r a c t e r i s t i ca n dt h e r e f o r e i j a b s 仃a c t s i m p l i f i e st h ew o r ko ft h ed e v e l o p e r t h i st e x tc a r r i e so u tt h ed e v e l o p m e n to fs i m p l ed e v i c ed r i v e ra n d k e r n e lo fe m b e d d e dl i n u x ，t h e r e f o r e l a y ag o o df o u n d a t i o nf o rt h e d e v e l o p m e n to ft h ea f t e r t i m e k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；a r m ；c o s i i ；l i n u x ；d r i v e r ；k e r n e l ； i i i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立 进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成 果作品。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后果由本人 承担。 作者签名：。别杂考乞日期：全万年占月膨日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的 规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学 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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密留。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 列隶能 叶裙 日期：力嗲年占月彤日 日期：瑚歹年6 月c p 日 第一章绪论 第一章绪论 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是当前i t 领域发展的一个热点。嵌 入式系统的优点是相当明显的，它的体积较小，消耗的功率较低，性能 也比较理想。由于它面对特定的行业用途，因此相对来说功能比较单一， 这也是嵌入式系统固有的缺陷。然而，从“够用就好”的角度来说，嵌入 式系统是可以用于社会各领域的理想解决方案。 关于嵌入式系统的定义，目前尚未有统一的观点。下面列出几种不 同的关于嵌入式系统定义的描述，并在此基础上给出嵌入式系统的定义。 1 嵌入式系统是计算机软件和硬件的综合体，它是以应用为中心和 以计算机技术为基础的，并且软硬件是可以裁减的，能满足应用系统对 功能、可靠性、成本、体积、功耗等指标的严格要求的专用计算机系统。 它可以实现对设备的控制、监视或管理等功能。 2 嵌入式系统描述的是一种智能系统，它嵌入在其他以非传统计算 机形态出现的产品中，智能系统是这些产品的控制、运算或信息处理的 中心。【2 】 3 嵌入式系统是以应用为中心，软硬件可裁减，适应应用系统对功 能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。 3 l 4 嵌入式系统是以嵌入式计算机为技术核心，面向用户、面向产品、 面向应用，软硬件可裁减的，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功 耗等综合性严格要求的专用计算机系统。【4 j 由以上几种描述，我们给出嵌入式系统的定义如下： 所谓嵌入式系统，指的是从特定行业应用出发而设计的，面向应用 的，包含可裁减软硬件的微型计算机系统，一般作为特定行业应用的控 制中心。与此同时，嵌入式系统还代表着一种系统的设计理念和设计方 法。 本文对嵌入式实时操作系统p c o s i i t5 j 作了深入的了解，并对嵌入 式系统的驱动开发和内核开发方法进行了研究。其中，基于a r m 7 嵌入 式处理器和“c o s i i 嵌入式操作系统进行了驱动开发的研究，基于 a r m 9 嵌入式处理器和嵌入式l i n u x 操作系统进行了内核开发的研究。 1 1 课题学术背景及意义 华南理工大学工学硕士学位论文 当今，以计算机和软件为核心的数字化技术已经取得了迅猛发展， 不仅广泛渗透到社会、经济、军事、交通、通信等相关行业，而且深入 到家电、娱乐、艺术、社会文化等各个领域，掀起了一场数字化技术革 命。多媒体技术与i n t e r n e t 的应用迅速普及，消费电子、计算机、通信( 3 c ) 一体化趋势日趋明显，嵌入式技术已经成为一个研究热点。从2 0 世纪 7 0 年代单片机的出现，一直到现在大量嵌入式微处理器、嵌入式微控制 器的在各行合业的广泛应用，嵌入式系统已经走过了3 0 多年的发展历 程。纵观嵌入式技术的发展，大致经历了以下4 个阶段。【6 j 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，同时具有 与监测、伺服、指示设备相配合的功能。这种系统大部分应用于一些专 业性极强的工业控制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言 编程对系统进行直接控制，运行结束后清除内存。这一阶段系统的主要 特点是：系统结构和功能都相对单一，处理效率较低，存储容量较小， 几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简便、价格很低，以前在 国内工业领域应用较为普遍，但是已经远远不能适应高效的、需要大容 量存储介质的现代化工业控制和新兴的信息家电等领域的需求。 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式 系统。这一阶段系统的主要特点是：c p u 种类繁多，通用性比较弱；系 统开销小，效率高；操作系统具有一定的兼容性和扩展性：应用软件较 专业，用户界面不够友好；系统主要用来控制系统负载以及监控应用程 序运行。 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。这一阶段系统 的主要特点是：嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上， 兼容性好；操作系统内核短小精悍、效率高，并且具有高度的模块化和 扩展性；具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗 口以及用户界面等功能；具有大量的应用程序接口( a p i ) ，开发应用程序 简单；嵌入式应用软件丰富。 第四阶段是以基于i n t e r n e t 为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅 速发展的阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e r n e t 之外，但随着 i n t e r n e t 的发展以及i n t e r n e t 技术与信息家电、工业控制技术等结合日益 密切，嵌入式设备与i n t e r n e t 的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件和嵌入式软件系统 组成，它是集软硬件于一体的可独立工作的“器件”。嵌入式处理器主要 由一个单片机或微控制器( m c u ) 组成，而这些嵌入式c p u 目i j 多是8 位 和1 6 位的，与3 2 位或6 4 位的高性能处理器相比，具有很强的经济性和 第一章绪论 现实性。相关支撑硬件包括显示卡、存储介质( r o m 和r a m 等) 、通讯 设备、i c 卡或信用卡的读取设备等。嵌入式系统有别于一般的计算机处 理系统，它不具备像硬盘那样大容量的存储介质，而大多使用闪存( f l a s h m e m o r y ) 作为存储介质。嵌入式软件包括与硬件相关的底层软件、操作 系统、图形界面、通讯协议、数据库系统、标准化浏览器和应用软件等。 总体看来，嵌入式系统具有便利灵活、性能价格比高、嵌入性强等 特点，可以嵌入到现有任何信息家电和工业控制系统中。从软件角度来 看，嵌入式系统具有不可修改性、系统所需配置要求较低、系统专业性 和实时性较强等特点。 我们目前正处于后p c 时代中，而嵌入式系统就是与这一时代紧密 相关的产物。它将拉近人与计算机的距离，形成一个人机和谐的工作与 生活环境。嵌入式系统可应用于人类工作与生活的各个领域，具有极其 广阔的应用前景。嵌入式系统在传统的工业控制和商业管理领域已经具 有广泛的应用空间，如智能工控设备、p o s a t m 机、i c 卡等；在家庭 领域更具有广泛的应用潜力，如机顶盒、数字电视、w e b t v 、网络冰箱、 网络空调等众多消费类和医疗保健类电子设备等：此外还有在媒体手机、 袖珍电脑、掌上电脑、车载导航器等方面的应用，这将极大地推动嵌入 式技术深入到生活和工作的方方面面。此外，嵌入式系统在娱乐、军事 方面的应用潜力也是巨大的。 1 2 国内外研究状况 嵌入式系统正处在一个飞速发展和激烈竞争的时代，未来的几年里 这种发展和竞争将达到白热化的程度。从嵌入式系统的技术和市场上来 说，国外发展速度极快，技术日趋成熟，市场格局基本形成。而国内发 展也增长很快，市场潜力很大。在国外，嵌入式系统硬件特别是嵌入式 c p u 处理能力提升较快，由8 位、1 6 位升级到3 2 位与6 4 位，掌上电脑、 p d a 、电脑手机、电脑汽车等新产品层出不穷，产业规模日益壮大。 在国内，嵌入式系统关键硬件主要靠从国外引进，技术基础比较薄 弱。然而以商务通为代表的p d a 系统市场火爆，联想掌上电脑、海信机 顶盒、数源机顶盒等系统进入市场后也获得用户好评，手机电脑市场前 景看好。 嵌入式c p u 是嵌入式系统的核心。嵌入式c p u 可以分为三类：嵌 入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 。 嵌入式微处理器就是和通用计算机的微处理器对应的c p u 。在应用中， 华南理工大学工学硕士学位论文 一般是将微处理器装配在专门设计的电路板上，在母板上只保留和嵌入 式相关的功能即可，这样可以满足嵌入式系统体积小和功耗低的要求。 目前的嵌入式处理器主要包括：p o w e r p c 、m o t o r o l a6 8 0 0 0 、a r m 系列 等等。在各式各样的3 2 位嵌入式c p u 中，基于a r mc p u 内核的嵌入 式微处理器所占的比例是最高的，而且它基于r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o n s e tc o m p u t i n g ，精简指令集算法) 架构，利于学习和掌握。 嵌入式微控制器又称为单片机，它将c p u 、存储器( 少量的r a m 、 r o m 或两者都有) 和其它外设封装在同一片集成电路里。常见的有8 0 5 1 等。 嵌入式d s p 专门用来对离散时间信号进行极快的处理计算，提高编 译效率和执行速度。在数字滤波、f f t 、谱分析、图像处理的分析等领 域，d s p 正在大量进入嵌入式市场。 嵌入式操作系统是嵌入式系统软硬件资源的控制中心，它以尽量合 理的有效方法来组织多个用户共享嵌入式系统的各种资源。其中用户指 的是系统程序之上的所有软件。一般来说，嵌入式通过定义一些系统函 数来实现对系统硬件资源的访问，而用户程序可以通过调用这些系统函 数来使用系统的硬件资源。具体的访问过程从某种程度上说，对于用户 是透明的。 国外嵌入式操作系统已经从简单走向成熟，主要有w i n d o w sc e 、 p a l m o s 、p o w e r t v 、l a c l i n u x 、p c o s 、n u c l e u s 、p s o s 等，占据了机顶 盒、p d a 等的绝大部分市场。国内的嵌入式操作系统研究开发有2 种类 型，一类是基于国外操作系统二次开发完成的，如海信的基于w i n d o w s c e 的机顶盒系统；另一类是中国自主开发的嵌入式操作系统，如凯思集 团公司自主研制开发的嵌入式操作系统h o p e no s ( “女娲计划”) 、中国 科学院北京软件工程研制中心开发的c a s s p d a 等。 在上述这些操作系统中，w i n d o w sc e 内核较小，能作为一种嵌入式 操作系统应用到工业控制等领域。其优点在于便携性、提供对微处理 器的选择以及非强行的电源管理功能。内置的标准通信能力使w i n d o w s c e 能够访问i n t e r n e t 并收发e m a i l 或浏览w e b 。除此之外，w i n d o w s c e 特有的与w i n d o w s 类似的用户界面使最终用户易于使用。w i n d o w s c e 的缺点是速度慢、效率低、价格偏高、丌发应用程序相对较难。 3 c o m 公司的p a l mo s 在掌上电脑和p d a 市场上独占其霸主地位， 它有开放的操作系统应用程序接口( a p i ) ，开发商可根据需要自行开发所 需的应用程序。 p o w e r t v 操作系统也是一套占有很大市场份额的操作系统，是一个 第一章绪论 高级可缩放的实时操作系统，为网络操作员和应用开发人员提供了广泛 的功能和更高的需求，它还可允许动态扩展和升级，以便提供新特性来 适应市场需求。 u c l i n u x 包含丰富的功能，包括文件系统、各种外设的驱动程序、 通讯模块，t c p i p ，p p p ，h t t p ，甚至w e b 服务器的代码。其代码经 过世界范围内的优化，稳定可靠而且高效，所有模块的代码都可以从 i n t e r n e t 上获得。可以进行模块移植。其最大的特点是源代码公开， 完全免费。 肛c o s 是一个用于微处理器的轻便、实时的多任务核心。它的代码 量小，但是实时特征明显，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。但是i _ t c o s 相对商用嵌入式系统来说过于简单，而且存在开发调 试困难的问题。其源代码及目标代码对学生是公开的，但如果用于商业 用途则必须购买l i c e n c e 。l a c o s i i 对g c o s 有许多新的发展，同时向上 兼容l a c o s 。 n u c l e u s 是一个为对时间有严格限制的嵌入式应用而设计的多任务 核心。约9 5 的n u c l e u sp l u s 代码用c 语言编写，因此它能很方便地 被移植。同时可提供w e b 支持，网络，图形包，文件系统等模块。最大 的特点是全部提供源代码，无需购买l i c e n s e 。用户只需通过d l l 动态链 接库便可进行任务级调试，无需编写b s p ( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ，板级 支持包，像p c 的b i o s 一样，往下驱动硬件，往上支持操作系统) 。 p s o s 是一个完全可扩展的嵌入式实时操作系统，在中国市场占有率 是最高的，推出时问较早，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。其功 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。 h o p e no s 是凯思集团自主研制开发的嵌入式操作系统，由一个体 积很小的内核及一些可以根据需要进行定制的系统模块组成。其核心 h o p e nk e r n e l 一般为1 0 k b 左右大小，占用空间小，并具有实时、多任 务、多线程的系统特征。 此外，嵌入式数据库( 或称移动数据库) 也是一个非常重要的研究方 向，一些商业数据库系统如s y b a s e 、o r a c l e 都己推出了移动数据库 的产品，以支持嵌入式的数据处理的要求。国内也有些单位正在开展这 方面的研究。在国内，大规模的嵌入式应用系统目前还非常少，预计今 后系统应用将重点转向基于i n t e r n e t 的各种嵌入式应用系统和信息家电 领域，包括浏览i n t e r n e t 、网上证券交易、i pp h o n e 和v o d 点播等等。 华南理工大学工学硕十学位论文 1 3 主要研究内容 鉴于a r m 系列处理器在当今嵌入式c p u 中的绝对主流地位( 基于 a r m 技术的微处理器应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市 场份额) ，本文主要基于a r m 系列处理器进行开发工作。 其中，基于n e o m a g i en w s7 2 1 0 处理器( 使用a r m 7 2 0 t 核) 和 p c o s i i 系统进行了驱动软件的丌发工作，并对c o s i i 系统做了比较 深入的了解。基于a t m e la t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器( 使用a r m 9 2 0 t 核) 和嵌入 式l i n u x 系统进行了系统内核的开发工作。其中，不仅对常见的2 4 1 9 内核进行了开发，也对最新的2 6 1 1 5 内核进行了开发工作。 1 4 本章小结 嵌入式系统是当前i t 领域的一个研究热点。由于它非常清晰的定 位，因此在行业应用方面有着非常良好的前景。 嵌入式处理器和嵌入式操作系统是嵌入式系统的核心。目前处理器 和操作系统的关键技术均由国外掌握，但国内的嵌入式系统正处于飞速 发展阶段，前景广阔。因此，对嵌入式系统的开发进行研究，具有很重 要的理论与现实意义。 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s l ，既可以认为是一个公司的名字，也 可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。目 前，采用a r m 技术知识产权核的微处理器，即通常所说的a r m 微处理 器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系 统等各类产品市场。我们对a r m 7 和a r m 9 处理器都进行了开发工作。 我们使用a r m 7 内核的处理器和嵌入式操作系统h c o s i i ，对 f i f o ( f i r s ti nf i r s to u t ，先入先出1 设备的驱动进行了开发；另外，使用 a r m 9 内核的处理器和嵌入式l i n u x 操作系统，对嵌入式系统的内核进 行了开发。 第二章基于a r m 7 + p c o s - i i 的嵌入式驱动软件开发实践 第二章基于a r m 7 + p c o s i i 的嵌入式驱动软件 开发研究 a r m 7 是目前应用非常广泛的嵌入式处理器，对a r m 7 的相关内容 进行熟悉并在此基础上进行开发，具有非常重要的意义。i t c o s i i 则是 最简单的嵌入式操作系统，它的代码完全免费且短小精悍，是学习嵌入 式系统开发的一个很好的选择。因此，我们决定采用a r m 7 + p c o s i i 的开发平台。 我们使用了d i v i o 公司的n w 9 0 1m p e g 4 开发板【7j ，该开发板是 针对n w 9 0 l 这款m p e g 4 的视频压缩编码芯片捧】而进行设计的。 该开发板的功能如下：通过视频头采集到模拟视频数据，经过 s a a 7 1 1 4 视频解码芯片完成从模拟视频信号到数字视频信号的转换工 作，得到符合i t u 6 5 6 数字视频标准的数字信号，再经过n w 9 0 1 视频 压缩芯片，获得m p e g 4 视频码流。n w 9 0 1 是为基于s d 记忆卡的可携 式摄像机而设计的，开发板上生成的m p e g 4 视频码流是写入s d 卡， 我们将m p e g 一4 视频码流取出，发送到网络服务器模块一j 。 与网络服务器模块的中介，我们使用了f i f o 。在n w 9 0 lm p e g 一4 开发板这一边，我们将数据写入f i f o ，在网络服务器这边，则把数据从 f i f o 中读出，发送到i n t e r n e t 上。因此，需要编写在a r m 7 及9 c o s i i 下的f i f o 驱动程序。 2 1 嵌入式平台综述 n w 9 0 1m p e g 一4 开发板是针对n w 9 0 1 这款m p e g 一4 的视频压缩编 码芯片而进行设计的。 该开发板是为了对n w 9 0 1 这款m p e g 4 视频压缩芯片进行评估而 设计的。与此同时，也为开发人员展示了一个嵌入式系统的实例。 该开发板使用了双芯片的解决方案，分别是n w 9 0 1 和a r mc p u 。 我们可以通过键盘来控制该系统来实时查看摄像头采集的视频数据，同 时也可以通过s 端子与外部的诸如电视机之类的视频输出源相连接。 该开发板的视频帧率可以达到3 0 帧秒，视频和音频的回放能力同 样达到了3 0 帧，秒。同时该开发板还提供了s d 卡( s e c u r e d i g i t a l ) 接口， s d 卡可用于储存压缩好的m p e g - 4 视频文件。 该丌发板的技术参数如下： 华南理工大学工学硕上学位论文 处理器 n e o m a g i cn w s 7 2 1 0f 1 0 ，使用a r m 7 2 0 t 核 操作系统 i t c o s i iv 2 0 0 存储设备 f l a s h 处理器内部有1 k b y t e s s d r a m 一处理器内部有8 0 k b y t e s ，板上2 + 1 6 m * 8 b i t = 3 2 m b y t e s 接口 u s b 、r s 2 3 2 、1 0 m 1 0 0 m 网口 输入输出设备 键盘、l c d 、摄像头 下面是d i v i on w 9 0 1m p e g 一4 开发板的系统结构框图【7 图2 1 开发板系统结构框图 f i g2 - 1s y s t e mb l o c kd i a g r a m 由上可见该开发板的工作流程：通过视频头采集到模拟视频数据， 经过s a a 7 1 1 4 视频解码芯片完成从模拟视频信号到数字视频信号的转 换工作，得到符合i t u 6 5 6 数字视频标准的数字信号，再经过n w 9 0 1 视频压缩芯片，获得m p e g 4 视频码流。 8 第二章基于a r m 7 + p c o s q i 的嵌入式驱动软件开发实践 2 1 1a r m 7 处理器 我们使用的是n e o m a g i cn w s7 2 1 0 处理器，使用a r m 7 2 0 t 核。 处理速度为o 9 m i p s m h z ( 百万条指令每秒兆赫兹) 低功耗，高密度。是一款具备8 k b y t e 缓存的r i s c 处理器 片上1 k b y t ef l a s h 和8 0 k b y t e 的s d r a m 可支持最高达3 2 m b y t e 的外接s d r a m 八通道d m a 控制器 具备l c d 控制器，支持l c d 显示屏 支持s m a r tc a r d 、s i b 卡、m m s 卡和s d 卡 u s b 主从控制器 三个串口，支持最高速度4 6 0 k b s 支持三种红外线传输速率：低( 最高1 1 5 2 k b s ) ，中( 0 5 7 6 或 1 1 5 2 m b s ) ，高( 4 m b s ) 处理器内部的控制器包含中断控制器，计时器，实时时钟，键盘 接口，通用i o 端口( g e n e r a l p u r p o s ei o ，g p i o ) 两个晶振，分别是3 2 7 6 8 m h z 和3 6 8 6 4 m h z 对于即将进行的驱动程序的开发，我们将使用到a r m 7 中的中断控 制器和g p i o 口。 2 1 2 嵌入式实时操作系统i i c o s i i i _ t c o s ( m i c r o c o n t r o l l e ro p e r a t i n gs y s t e m ) hj 是源码公开的实时内 核，具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点， 最小内核可编译至2 k 。在众多的实时内核中，c o s 是代码量最小的一 个。该实时核心于1 9 9 2 年首次发布。p c o s i i 对l a c o s 有许多新的发 展，同时向上兼容c o s 。 i _ t c o s i i 是在p c 上生成及调试的，但事实上u c o s i i 主要为嵌入 式系统所应用。 对实时内核，系统响应时间很重要。故“c o s i i 属于可剥夺型内核， 即最高优先级的任务一旦就绪，总能得到c p u 的控制权。当一个运行着 的任务使一个比它优先级高的任务进入了就绪态，当前任务的c p u 使用 权就被剥夺了，那个高优先级的任务立刻得到了c p u 的控制权。如果是 中断服务子程序使一个高优先级的任务进入就绪态，中断完成时，中断 了的任务被挂起，优先级高的那个任务开始运行。 i _ t c o s i i 内核提供了任务调度与管理、时间管理、任务间同步与通 信、内存管理和中断服务等主要功能，主要适合一些小型控制系统。 9 华南理工大学工学硕士学位论文 下面，就r t c o s i i 系统中的一些情况作比较详细的说明。 2 1 2 1i a c o s i i 的一些基本情况 i j c o s i i 的代码是j e a nj l a b r o s s e 在一台运行w i n 9 5 的机器上写成。 b o r l a n di n t e r n a t i o n a lc c + + v 3 1 是编写代码所用的软件。因此， i - t c o s - i i 是在p c 上生成及调试的，但事实上l a c o s i i 主要为嵌入式系 统所应用。 1 i t c o s i i 的一些主要特性： 1 ) 关于可移植性，只要嵌入式处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r u n i t ，e m p u ) 满足以下要求，则i - t c o s i i 就能够被移植到该处理 器上。 a ) 处理器的c 编译器能产生可重入代码： b ) 用c 语言就可以打开和关闭中断； c ) 处理器支持中断，并且能产生定时中断( 通常在1 0 至1 0 0 h z 之间1 ： d ) 处理器支持能够容纳一定量数据( 可能是几千字节) 的硬件堆 栈； e ) 处理器有将堆栈指针和其它c p u 寄存器读出和存储到堆栈或 内存中的指令； 2 ) i _ t c o s i i 为嵌入式应用所设计，若有适当的工具( c 编译器，汇 编程序和连接器) ，则可以把i j t c o s i i 嵌入，作为产品的一部分。 3 ) p c o s - i i 可裁减，l - t c o s i i 所需存储器的大小是可以减少的( 包 括r a m 和r o m ) 。 4 ) i t c o s i i 是有完善抢占性的核心，i _ t c o s i i 总是运行准备好的任 务中优先级最高的那个。也就是说，i t c o s i i 能够进行任务调度， 确定哪个任务的优先级最高，下面该哪个任务运行了。 5 ) i t c o s i i 可以处理多达6 4 个任务，但系统保留8 个任务作为系 统所使用。故用户可有5 6 个应用任务。每一任务有其唯一优先 级，共6 4 个优先级。系统所保留之8 个任务，有四个优先级为 最高，四个优先级为最低。 6 ) i a c o s - i i 的内核负责管理各个任务，各任务有自己的优先级，有 它自己的一套c p u 寄存器和自己的栈空间。 7 ) 所有l a c o s i i 的功能及服务的执行时间是确定的。总是可以知道 r l c o s - i i 需要花多少时间来执行一个功能或服务。而且，除非只 有一个服务，否则所有# c o s i i 的服务的执行时间并不取决于在 应用程序中运行的任务个数。 1 0 第二章基于a r m 7 + p c o s l i 的嵌入式驱动软件开发实践 8 ) 每一个任务都有其自己的s t a c k ( 堆栈) ，g c o s i i 允许每一任务 有其不同的堆栈大小。这样可以在应用程序中减小所需r a m 的 数量。可以准确地决定每一任务事实上所需要的堆栈空间。 9 ) g c o s i i 提供大量的系统服务。比如信号量、邮箱、消息队列、 固定大小的存储区域、与时间相关的功能等等。 1 0 ) 关于中断机制，中断可以将一个任务的执行挂起，如果有更高优 先级的任务作为该中断的结果在中断服务子程序i s r 中被唤醒， 则最高优先级的任务在所有嵌套的中断完成之后将被运行。中断 可以有2 5 5 级深的嵌套。 2 g c o s i i 的主函数( 启动过程) g c o s i i 的启动过程： 调用系统初始化函数o s i i n t ( ) ，o s l n i t 0 初始化g c o s i i 所有的变量 和数据结构。同时，建立空闲任务和统计任务，使其进入就绪态，这两 个任务的优先级为最低； 通过调用0 s t a s k c r e a t e ( ) 或o s t a s k c r e a t e e x t ( ) ，建立任务，分配给 它运行参数，堆栈及优先级等等。在中断服务子程序i s r 中不能建立任 务。任务必须为无限循环结构且不能有返回点。 调用o s s t a r t 0 ，从任务就绪表中找出那个用户建立的优先级最高任 务的任务控制块，然后，o s s t a r t 0 调用高优先级就绪任务启动函数 o s s t a r t h i g h r d y ( ) ，使优先级最高任务真正开始运行。 图2 - 2g c o s i i 的启动过程 f i g2 - 2t h es t a r t u pp r o c e s so f “c o s - i i 1 l 华南理工大学工学硕上学位论文 o s i n i t o ： o s i n i t 是i t c o s i i 系统初始化函数，它初始化了所有的变量和结构 类型，并且建立了两个系统任务：空闲任务和统计任务。空闲任务 o s t a s k l d l e 0 的优先级总是设成最低，即o sl o w e s tp r i o 。如果统计 任务允许o st a s ks t a te n 和任务建立扩展允许都设为1 ，则o s i n i t ( ) 还得建立统计任务o s t a s k s t a t 0 并且让其进入就绪态。o s t a s k s t a t 0 的优 先级总是设为o sl o w e s tp r i o 1 。也就是说，空闲任务o s t a s k l d l e 0 和统计任务o s t a s k s t a t o 的优先级是最低的。 o s c r e a t e t a s k ( ) ： 建立任务，分配给它运行参数，堆栈及优先级等等。在中断服务子 程序i s r 中不能建立任务。任务必须为无限循环结构且不能有返回点。 另外，在函数中分配给任务的优先级不能是0 、1 、2 、3 以及 o s l o w e s t p r i o 一3 、o s l o w e s t p r i o 一2 、o s l o w e s t p r i o l 、 o sl o w e s tp r i o 。这些优先级已为系统所保留。 o s s t a r t o ： 找出那个用户建立的优先级最高任务的任务控制块o st c b ，调用 优先级就绪任务启动函数0 s s t a r t h i 曲r d y ( ) 。 另外，必须在o s s t a r t 0 函数之后启动时钟节拍函数o s t i m e t i c k ( ) ， 该函数用于通知l