（精密仪器及机械专业论文）基于ARM的双网卡嵌入式通讯模块的实现.pdf

摘要 摘要 随着嵌入式系统技术的发展，嵌入式系统技术与以太网技术融合的也越来越紧密，但 早期的嵌入式系统中的处理器除部分是3 2 位c p u 外，大部分是以8 位、1 6 位m c u 微控制器 为主，无论是运算速度还是存储容量都比较低，而且早期的以太网技术发展也不成熟，因 而占用大量系统资源且庞大复杂的t c p ，i p 协议栈在嵌入式系统中未能得到广泛运用。随着 半导体微电子技术和网络技术的不断发展，以上的一些问题正逐步得到解决。大量的新型 微控制器不断研发出来并逐步得到广泛的应用，以太网技术也不断完善，面向嵌入式系统 的轻型t c p i p 协议栈不断涌现，这一切都为嵌入式以太网技术的发展奠定了基础，为其广 泛的应用创造了前提。 a r m 处理器是目前前公认的业界领先的3 2 位嵌入式r 1 s c 微处理器。软件平台采用实时 操作系统心o s i i ，操作系统可以将应用分解成多个任务，简化应用系统软件的设计。 心0 s i l 是一种专门为微控制器设计的抢占式实时多任务操作系统。心o s i l 具有内核源代 码公开、简洁易学、移植性强等优点。 本论文以基于3 2 位a r m 微处理器l p c 2 2 1 4 和嵌入式实时操作系统心o s i i 的双网卡 通讯网关的研制过程为主要内容，阐述了其具体技术及相关实现方法构建了以微处理器 l p c 2 2 1 4 、s r a m 芯片i s 6 l l v 2 5 6 1 6 、网卡芯片r t l 8 0 1 9 a s 、r s 4 8 5 芯片s p 3 4 9 0 、双口r a m 芯片i d t 7 1 3 0 为一体的通讯网关的硬件平台，在此硬件平台上移植了心o s i i 以及改进的 t c p i p 协议栈z l g i p ，最终完成了双网卡通讯模块的设计开发。 关键词：嵌入式系统a r m 心o s i it c p i p 双网卡通讯模块 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht l l ed e v e l o 舯e n to fe m b e d d e ds y s t e mt e c t u l o l o g y ，t 1 1 ec o m b i n a t i o no ft l l e e m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g y 锄dt l l ee m e m e tt c c h n o l o g yw a sm o r ea n dm o r e c 1 0 s e b u te a r l ye m b e 出l e ds y 妣m sg a v em o r e 口r i o r i _ t yt o8 b i ta n d1 6 - b i t i i l i c m p m c e s s o r sm a nf e w3 2 - b i tp r o c e s s o r s a n dm ee a r l ye t h e m e tt e c l l n o l o g y w a sn o tm a n 】r ey e t s on l et c p i pp r o 幻c o lw a sn o tw i c l e l vu s e d mt h ee m b e d d e d s y s t e m r e c e m l y ，w i m l ed e v e l o p m e n to fh a l 二s e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o 科a n dm e e t h e m e tt e c l l i l 0 1 0 9 y ，m ep r o b l e m sa b o v ea r eb e g i n n i i l gt ob es o l v e d 掣a d u a l l y a n dal o to fr l e wm i c r o p r o c e s s o r sh a v eb e e nd e s i g l l e da n dw i d e l yu s e d e t l l e m e t t e c i l i l o l o g yi sa l s ob e c o m i n gm o r ea n dm o r ep e r f e c t m a n vc o m p a n i e sd or e s e a r c h i i lt l l es o u r c ec o d ef o rt c m pd r o t o c 0 1 删p r o c e s s o ri sak i n do fa d v 嬲c e d3 2 - b i te m b e d d e d s cm i c r o p r o c e s s o r a c c r e d b di nt 1 1 i sf i e i d t h er e a l t i m eo p e r a t i l l 2s y s t e mu c o s i ii sa d o p t e di 芏lt h e s o 胁a r ep l a t f b m o p e r a t i n gs y s t 啪sc 锄s i m p l i 母t h e ( 1 e s i 霉皿b yd i v i d i n g 恤 a p p l i c a t i o ni m os o m et a s k s c o s i ii sak i n do fm u l t i 切峪k s ，r e a l t i m ea n d o p e r a t i o ns y s t e mw h i c hi se s p e c i a l l y l e s i 霉皿e df b ft l l em i c m p r o c e s s o r h l a sm a n y a d v a 玎切g e s 。f o re x a m p l e ：i t sk e m e ls o u r c ec o d ei so p e l l ，i ti se a s yt 0l e 釉。a n d “ c a nb ee a s i l yt r m s p l a n t e d i nt 1 1 i sp a p e r 。m em a i nc o n t e mi st h ed e s i p 皿p r o c e s so f t h ec o m m u n i c a t i o n m o d u l ew i t hd o u b i en e t 、v o r kc a r d sb a s e do nt i l e3 2 b “a r mm i c r o d r o c e s s o r l p c 2 2 1 4a n de m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i o ns y s t e m 心o s i i a n da l s ot t l e m a 把f i a lt e c 王1 1 1 0 l o 窖o f t l l i sc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dt h et e c l l l l o l o 霉s c o r r e s p o n d i n gr e a l i z a t i o nm e t h o d sh a v eb e e ne x p a t i a t e d t h eh a r d w a r ep l a t ei sb u i n u dw i t ht h em i c r o p r o c e s s o fl p c 2 2 1 4 ，s a i t mc h i pl s 6 l l v 2 5 6 1 6 ，n e t w o r kc a r d c h i pi u _ l 8 0 1 9 a s ，d u a l p o r ts t a t i cs r a mi d t 7 1 3 0 甜l dr s 4 8 5c h i ps p 3 4 9 0 r n l e e m b e d e dr e a l - t i i n co p e r a t i o ns y s t e m “c o s i i dm ei m p r o v e dz l 伽pp r o t o c o l a r ea l s op l 柏t e d 访t ot l l i sh a r d w a r ep l a t e a “a s tt h ed e s i g no f t h ec o m m u i l i c a t i o n m o d u l ew i t hd o u b l en e t w o r kc 棚i sf i i l i s h e d k 哪v o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m a r m 心o s 一 t c m pc o m m u n i c a t i o n m o d u l ew i t hd o u b l en e t 、o r kc a r d s n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标洼和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东南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了谢意。 研究生签名： 差垒i 日期：生 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：签名： 孬群 第r 章绪论 第一章绪论 1 1 嵌入式系统综述 1 1 1 嵌入式系统的定义及应用l l l l 2 l 嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、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。 嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计算机的外部设备中就包含了 5 1 0 个嵌入式微处理器，键髓、鼠标、软驱、硬盘、显示卡，显示器、m o d 、网卡，声卡、打印机、 扫描仪、数字相机、u s b 集线器等均是由嵌入式处理器控制的。在制造工业、过程控制、通讯、仪器、 仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和备个行业的具体应用相结合后的产 物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集，高度分散、不断创新的知识集成系统。 今天嵌入式系统带来的工业年产值已超过了l 万亿美元，1 9 9 7 年来自美国嵌入式系统大会 ( e l n b e d d e ds y s t 哪c o n f e r c e ) 的报告指出，未来5 年仅基于嵌入式计算机系统的全数字电视产品，就将 在美国产生一个每年1 5 0 0 亿美元的新市场。美国汽车大王福特公司的高级经理也曾宣称，“福特出售的 计算能力已超过了i b m ”，由此可以想见嵌入式计算机工业的规模和广度。1 9 9 8 年1 1 月在美国加州圣 + 何塞举行的嵌入式系统大会上，基于r 1 1 0 s 的e m b e d d 。di m 口删成为一个技术新热点。 1 1 2 嵌入式处理器分类与现状 嵌入式系统的核心部件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。生产8 0 5 l 单片 机的半导体j + 家有2 0 多个，共3 5 0 多种衍生产品，仅p h i l 晒就有近1 0 0 种。现在几乎每个半导体制造 商都生产嵌入式处理器，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 “k b 到1 6 3 2 m b ，处理速度从o 1 m l 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。根据其现 状，嵌入式计算机可以分成下面几类。 1 嵌入式微处理器( e m b e d d e d m i 哪p r o s r u n 吨e m p u ) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。在麻用中，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，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特 殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰，可 靠性等方面一般都做了各种增强。 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l 、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。近年来，德国、日本的一些公司又开发出了类似“火柴盒”式名片大小的嵌入式计算机系列 o e m 产品。 嵌入式处理器目前主要自| a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x ，s c - 4 0 0 、p o 、p c ，6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m 系列等。 2 嵌入式微控制器( m j c r o c o n n d 研u n 沁m c u ) 嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制 器一般以某一种微处理嚣内核为核心，芯片内部集成r o m ，e p r o m 、r a m ，总线、总线逻辑、定b 寸 计数器、w a t c h d 嚷、l ，o 、串行日、脉宽调制输出、舢d ，d a 、f l 鹅h r o m 、 e e p r o m 等各种必要功 东南大学硕士学位论文 能和外设。为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 内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机厦大限度地和应用需求相匹 配，功能不多不少。从而减少功耗和成本。 和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积丈大减小。从而使功耗和成本下降、 可靠性提高。微控制器足目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于 控制，因此称微控制器。 嵌入式微控制器目前的品种和数量晟多，比较有代表性的通用系列包括9 0 5 l 、p 5 1 x a 、m c s - 2 5 l ， m c s 9 6 1 9 6 2 9 6 ，c 1 6 6 1 6 7 、m c 6 8 h c 0 5 l l 1 2 1 6 、6 8 3 0 0 等。另外还有许多半通用系列如：支持u s b 接口的m c u 8 x c 9 3 0 丹3 i 、c 5 4 0 、c 5 4 l ；支持j 2 c 、c a n b 吣、l c d 及众多专用m c u 和兼容系列。 目前m c u 占嵌入式系统约7 0 的市场份额。特别值得注意的是近年来提供x s 6 微处理器的著名厂商 a m d 公司，将a m l 8 6 c c ，c h c u 等嵌入式处理器称之为m i c r o c o n 仃o l l 巩m o t o r o l a 公副把以p o w 盯p c 为基础的p p c 5 0 5 和p p c 5 5 5 亦列入单片机行列。t i 公司亦将其t m s 3 2 0 c 2 x x x 系列d s p 做为m c u 进 行推广。 3 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i 诅ls i g i l a lp r o c c s s e d s p ) 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 执行速度也较高。在数字滤波，f f r 、谱分析等方面d s p 算法正在大最进入嵌入式领域，d s p 麻用正从 在通明单片极中以普通指令实现d s p 功能。过渡到采用嵌入式d s p 处理器。嵌入式沪处理器有两个 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。t l 的 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 等埔于此范畴；二是在通用单片机或s o c 中增加d s p 协处理器，例如i n t e l 的 m c s 2 9 6 和s i e 的t r i c o 。推动嵌入式d s p 处理器发展的另一个冈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，生物信息识副终端，带有加解密算法的键盘，a d s l 接入、实时语 音压解系统，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觚i n s h 撇i e n t s 的t m s 3 2 0 系列和m o l o f o i a 的d s p 5 0 0 系列。1 m s 3 2 0 系列处理器包括用于控制的c 2 0 0 0 系列移动通信的c 5 0 0 0 系列，以及性能更高的0 6 0 0 0 和c 8 0 0 0 系列。d s p 5 6 0 0 0 目前已经发展成为d s p 5 6 0 0 0 。d s p 5 6 1 0 0 ，d s p 5 6 2 0 0 和d s p 5 6 3 0 0 等几个 不同系列的处理器。另外p h ll l p s 公司今年也推出了基于可重置度结构的低成本、低功耗技术上制造的 r 队ld s p 处理器，特点是具备双h a 瞅一结构和双乘练加单元，应用目标是大批量消费类产品。 4 嵌入式片上系统( s y g t c mo nc h i p ) 随着e d i 的推广和v l s i 设计的普及化，及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复 杂的系统的时代已来临，这就是s y s 懈no 骓c h 聩s o c ) 。各种通用处理器内核将作为s o c 设计公司的标 准库，和许多其它嵌入式系统外设一样，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。用户只需定义出其整个应用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。这样除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应 用系统电路投将变得很简洁，对于减小体积和功耗提高可靠性非常有利。 s o c 可以分为通用和专用两类。通用系列包括s i e i n e i l s 的t r i c o 聘，m 0 t o r o i a 的m c o 佗，某些a r m 系列器件，e c h e l o n 和m o 啪1 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 不为一般用户所知。一个有代表性的产品是p h i l 晒的s “u 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 语言的专用的s o c ，可 用于公众互联嘲如i n t c m c t 安全方面。 2 第一章绪论 1 2 嵌入式操作系统综述p l l 4 l 1 2 i 嵌入式操作系统的作用 早期的嵌入式系统很多都不用操作系统，它们只是为了实现某些特定功能，使用一个简单的循环控 制对外界的控制请求进行处理，不具备现代操作系统的基本特征( 如进程管理、存储管理、设备管理、 嘲络通信等) 。不可否认，这对一些简单的系统丽言是足够韵。但是当系统越来越复杂，利用的范围越 来越广泛时，缺少操作系统就成为了一个最大的缺点，因为每添加一项新功能都可能需要从头开始设计， 否则只能增加开发成本和系统复杂度。 c 语言的出现使操作系统开发变得越来越简单，可以利用c 语言很快地写出一个小型的、稳定的操 作系统。众所周之，c 程序设计语言( t h ecp i d 辨瑚m i n g 伽g u a g c ) 的作者d e 加i sm r i t c h i e 和 b r i w k e m j g h 利用c 语言写出了著名的u n i x 操作系统，真接影响了这3 0 年计算机业的发展。同 时，c 语言的出现对开发嵌入式系统来说，在效率和速度上都提高了很多。 从2 0 世纪8 0 年代开始，出现了各种各样的商业用嵌入式操作系统。这些操作系统大部分都是为专 有系统而开发，从而形成了目前多种形式的商用嵌入式操作系统百家争鸣的局面，如v x w m k s 、p s o s 、 p a l m o s 和w i n d o w s c e 等。 现在，网络在人们生活中的应用越来越广泛，在嵌入式系统中使用网络系统也自然成为一项基本的 要求。在嵌入式系统中实现网络协议栈，对日常生活中的需要有着广泛的意义。利用嵌入式系统中的网 络功能，可以实现下面将要介绍的信息电器这一即将取代p c 、从而在后p c 时代占据市场主体的商品。 我们知道，如果在上面所说的那种采用循环控制的嵌入式系统中加入嘲络协议栈，其程序复杂度会星指 数级增长。相反，在嵌入式操作系统中增姬州终协议模块要方便得多，并且还能方便各种嘲络应用程序 在不同平台之间移植。 嵌入式系统的应用领域臼益扩大，提供的应用功能也越来越复杂当初的控制程序被逐步加入了许 多功能，而实际上这些功能大多数是可以由操作系统来提供的。这很自然地会让人联想到应该为嵌入式 系统开发一个嵌入式操作系统。由此可见，嵌入式操作系统是由于工程实践的需要而诞生的。而嵌入式 操作系统所使用的技术，基本上是从台式计算机操作系统下攉而来的。由于应用鹄需要和硬件条件的限 制，嵌入式操作系统一般更加注重占用空间小和效率高等特点。 尽管嵌入式操作系统有功能丰富和稳定性好等优点，但大部分的嵌入式系统仍然继续采用控制程序 而没有采用操作系统。除了功能需求和硬件方面的限制因素以外，还主要有以下两条原因：首先，有不 少嵌入式系统的控制程序是逐步发展起来的，每一步改动都比较小。这种在原有系统上打补丁的代价， 要小于改用操作系统所需付出的代价，从而使工程人员很难下决心换用嵌入式操作系统。其次虽然控 制程序在开发成本和可靠性等方面都有缺点，但它最大的好处之一就是没有那些商业化嵌入式操作系统 中许多用不着的功能。虽然到目前为止，几乎每一个嵌入式操作系统都号称可以根据应用的需要进行配 置，可是大多都是静态配置，也就是用不同的模块编译链接成不同的系统。这种配置使嵌入式操作系统 的稳定性大打折扣，因为每一种配置的结果都可以看成是一个全新的系统，其可靠性还需要实践的检验。 虽然上述囡素导致许多嵌入式系统仍然沿用控制程序，但控制程序近来在有些应用领域表现得越来 越力不从心，需要嵌入式操作系统予以取代。例如，高性能的手持设备、移动设备和复杂的工业控制装 置( 例如数控机床和机器人等) 如粜继续采用自己的控制程序，就意味着需要用户自己来做一个专用操 作系统，因为设备管理、内存管理和进程管理等都是必不可少的。而精通控制程序的人很难同时又是一 个操作系统的专家。 随着嵌入式系统的功能越来越复杂，硬件所提供的条件越来越好，选择嵌入式操作系统也就势在必 行。首先，应用开发者的精力通常都集中在自己的应用领域，而没有时问和精力去全面掌握操作系统， 所以需要嵌入式操作系统提供服务。其次，嵌入式系统的最大特点就是个性突出，每个具体的嵌入式系 统都会有自己独特的地方，当其有某种特殊需要时如果操作系统能给予支持，则往往会有事半功倍的效 果。而且，将嵌入式操作系统引入到嵌入式系统中，能够对嵌入式系统的开发产生极大的推动作用。在 3 东南大学硕士学位论文 没有操作系统的嵌入式系统下，每当要进行进一步的开发和功能的扩展时，都会带来巨大的劳动力的无 谓消耗。而嵌入式操作系统则可以通过提供给用，、的各种a p i ，来对嵌入式系统进行有效的管理。 l - 2 2 典型的嵌入式操作系统汹i 从2 0 世纪8 0 年代起，国际上就开始进行一些商用嵌入式系统和专有操作系统的开发。这些商家开 发嵌入式系统已经有2 0 多年的经验，其产品系统目前的应用范围也比较广泛。下面先简要介绍一些嵌 入式系统。 m i c f o s o f tw i n d a w sc e 是一个高效率的多平台操作系统，它不是削减的w i n d o 、”9 5 版本，而是从 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。它的模块化设计允许它对于 从掌上电脑到专用的工业控制器的用户设备进行定制。操作系统的基本内核需要至少2 0 0 k b 的i 的m 。 从s e g a 的d 咖c a s t 游戏机到现在许多高价掌上电脑，都采用了w i n d o w sc e 。但是无奈价格太高， 使得整个产品的成本急剧上升。 p s o s 现在是属于w i n d r i v e r 公司的产品，因为原先拥有p s o s 的i s i 公司已经被w i n r i v 日公司兼 并。这是一个模块化、高性能的实时操作系统，专为嵌入式微处理器设计，提供一个完全多任务环境 在定制的或商业化的硬件上提供高性能和高可靠性。可以让开发者将操作系统的功能和内存需求按每个 应用的需要定制成专门的系统。开发者可以利用它来构建从简单的单个独立设备到复杂的、网络化的多 处理器系统。 w i n d r i v 日公司的v x w o r b 【3 l 】是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的系统。它 支持多种处理器，如x 8 6 、i 9 6 0 、s u ns 托、m o 咖l am c 6 8 x x x 、m i p sr x 0 0 0 和p o 州一c 等。它的使 用环境是和u n i ) ( 不兼容的，大多数的v x w o r i 凸a p i 是专有的，采用( n u 的编译和调试器。 o n x 是一个实时的可扩充的操作系统，它遵循p o s i x 1 ( 程序接口) 和p o s i x 2 ( s h e l l 和工具) ， 部分遵循p o s i x 1 b ( 实时扩展) 。它提供个很小的微内核以及一些可选的配合进程。其内核仪提供4 种服务：进程调度、进程日j 通信、底层网络通信和中断处理，其进程在独立的地址空间运行。所有其他 o s 服务，都由协作的用户进程实现，因此q n x 内核非常小巧( q n x 4 x 大约为1 2 k b ) 而且运行速度 极快。这个灵活的结构可以使用，1 根拓实际需求将系统配置成微小的嵌入式操作系统或包括几百个处理 器的超纭虚拟机操作系统。 3 c o m 公司的p a l m o s 在p d a 市场上占有很大的市场份额，它有开放的操作系统应用程序接口 ( a p i ) ，开发商可以根据需要自行开发所需要的席用程序。目前已经有总共3 0 0 0 多个应用程序可以运 行在p a l mp i l o t 上，其中大部分应用程序均为其他j 商和个人所开发，使得p a l mp i l o t 的功能得以不断 增多。这些软件包括计算器、各种游戏、电子宠物和地理信息等。在开发环境方面，可以在w i n d o w s9 5 9 8 w i n d o w sn t 以及m a c i n t o s h 下安装p a l mp j l o td e s k t o p 。p l 肌p i l o t 可以与流行的p c 平台上的应用程序 如w o r d 、e x c c l 等进 j 数据交换。 m i c r o w a v e 的o s - 9 是为微处理器的关键实时任务而设计的操作系统，应用范嗣包括消费电子产品、 工业自动化、无线通信产品、医疗仪器、数字电视多媒体设备。它提供了很好的安全性和容错性。与其 他的嵌入式系统相比。它的灵活性和可升级性非常突出。 l y i i ) 【r l - t i m es y 咖m s 的l y n x o s 是一个分布式、嵌入式、可规模扩展的实时操作系统，它遵循 p o s i x 1 a 、p o s i x 1 b 和p o s l x 1 c 标准。l y m o s 支持线程概念，提供2 5 6 个全局用户线程优先级；提 供一些传统的、非实时系统的服务特征，包括基于调用需求的虚拟内存、一个基于m o t i f 的用户图形界 面、与工业标准兼容的网络系统以及应用开发工具。 心，o s i i 是一个公开源代码的实时操作系统内核，它提供了实时系统所需的基本功能。核心部分代 码只有8 3 kb ，短小精悍。h c ，o s i i 的特点主要有：开源、可裁减和扩腱、可占先、可确定性、多任务。 嵋，0 s i i 提供了嵌入式操作系统的基本功能。内核简单高效，实时性好。 4 第一章绪论 l i n e 是一套以u n l x 为基础发展而成的操作系统。自1 9 9 1 年诞生至今，l i n l l ) 【在很多方面已经赶 上甚至超过了很多商用的u n 系统。它实现了真正的多任务、多用户环境。l i n l l ) 【对硬件配置的要求 相当低，能够在4 m b 内存的3 8 6 机器上很好地运行，而且可以支持很多种处理器芯片。此外更为重要 的是，有众多高手愿意在l i n “上开发程序，随时对l m 1 1 ) 【的开放内核进行升级和修补。 在嵌入式系统应用方面，l i n h 小得可以放在一张软盘上运行。为实时系统而开发的变种r 1 u n ( r c a l - t i n l i n i i ) 【) 可以让l m u x 支持硬实时任务。l i i l “的开放式开发原则使l i n h 下的驱动和升级 变得越来越多，越来越快。 目前，嵌入式操作系统正朝以下几个方面迅猛发展： 1 提供开放的操作系统应用程序接口( a p i ) 通用嵌入式操作系统为了支持开发商根据需要自行开发所需的应用程序，除了提供自身的一套a p i 以外，还要提供支持p o s i x ( p o n a b bo p e 旧t i n gs y s t e mi n t e 柏) 等标准的a p i 。 2 面向网络、面向特定的应用 伴随着通用犁嵌入式r t o s 的发展，面向网络、面向特定应用的嵌入式操作系统正日益引起人们的 重视。嵌入式系统与i n t m e t 的结合，嵌入式操作系统与应用设备的无缝结合代表着嵌入式操作系统发 展的真正未来。 3 实时、嵌入式l i n l l ) 【成为新热点 实时、嵌入式l i n u x 操作系统的迅速崛起。实时、嵌入式l l l “具有开放的源代码、精巧、高效的 内核、完整的网络功能、良好的可剪裁性，非常适合信息家电一类的嵌入式系统的开发。 1 3 嵌入式设备的网络化i 将嵌入式系统技术与以太网技术融合集成在一起的想法很早以前就产生了，但许多的客观因素制约r 了它的发展。早期的嵌入式系统中的处理器除部分是3 2 位c p u 外，大部分是以8 位、1 6 位m c u 微控7 制器为主，无论是运算速度还是存储容最都比较低，而且早期的以太网技术发展也不成熟，因而占用大 量系统资源且庞大复杂的t c p ，i p 协议栈在嵌入式系统中未能得到广泛运用。但是，随着半导体微电子 技术和网络技术的不断发展，以上的一些问题正逐步得到解决，大量的新型微控制器不断研发出来，3 2 位微处理器也逐步得到广泛的应用以太网技术也不断完善，t c p ，i p 协议己成为互联网事实上的标准协 议。这一切都为嵌入式以太嘲技术的发展奠定了基础，为其广泛的应用创造了前提。 目前，嵌入式设备接入网络大致有三种方梨”： 1 ) 3 2 位高档m c u 除了能实现各种复杂的功能外还能进行网络通信的t c m p 协议处理，可以直 接接入i i 】t e m c t 蹦络。 2 ) 由低档的8 位或者1 6 位m c u ，采用专用网络假s 2 3 2 ，r s 4 8 5 ，c a n 总线肥若干嵌入式设备连接 在一起，该网络再与p c 机相连，由此建成p cg 砷w a y 专用网。此时把p c 作为嘲关，并由p c 把该嘲 络上的信息转化为t c p i p 协议发到网络实现信息共享。 3 18 位t c p ，i p 协议芯片，这个方案是由m c u 及固化了t c p l p 协议的芯片组成应用系统的核心。 应用系统可以直接拨号上网，硬件电路相对简单。但需要大容量的存储器，如果使用的t c p i p 协议芯 片是软件固化的，还要求m c u 宵较高的运行速度。 5 东南大学硕士学位论文 1 4 论文的意义及主要工作 1 4 1 论文的意义 本文以a r m 处理器构成的嵌入式硬件系统为基础，实现了具有网络协议的实时操作系统嵌入式通 讯脚关，它可以广泛的应用在工业控制、通讯设备、家用电器等领域。将众多的设备接入网络后，可以 实现设备的远程控制和管理等功能，改变以往单独、独立的存在方式。进入一种开放、互联的方式。 1 4 2 主要的工作 本课题的工作主要包括以下几个内容： 1 介绍嵌入式系统的发展与应用情况以及嵌入式t = p 卿协议栈的发展现状。 2 ，介绍基于p h i l l p s 公司a r m 丌d m i 处理器l p c 2 2 1 4 的嵌入式通讯网关硬件平台，包括主要的 内部电路及外部相关接口，以及系统引导程序的设计。 3 分析以太网控制器r l 8 0 1 9 a s 的工作原理及编程模型；编写了以太嘲控制器的驱动程序，分析 常用的源代码公开的嵌入式t c m p 协议栈z l g i p 的工作机制，以及p c o s 1 i 上在t c p m 协议栈上的 应用。 4 对整个系统功能进行测试，并给出测试结果。 5 编写基于c o s i i 的整个系统的应用层软件。 6 第一i 章系统硬件平台 第二章系统硬件平台 2 1 a i t m 处理器 a r m 系列处理器核是英国先进r j s c 机器公司( a d v c e d 刚s cm a c h n ，亦称为a r m 公司) 的产 品。a r m 公司自成立以来，一直以i p ( i n t e l l i g c n c ep r o p c n y ) 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。它提供一些高性能、低功耗、低成本和高可靠性的r i s c 处理器核、 外围部件和系统及芯片的应用解决设计方案。a r m 处理器核具有低功耗、低成本等卓越性能和显著优点， 越来越多的芯片厂商早已看好a r m 的前景。a 蹦处理器核得到了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，如i n t e l 、m o t c 盯0 1 a 、i b m 、n s 、a n l 、p h i i i p s ，n e c 、 o k i 、s o n y 等世界上几乎所有知名的半导体公司都获得了a r m 公司的授权，开发具有自己特色的基于 a r m 核的嵌入式系统芯片。 目前非常流行的a r m 内核有a r m 7 t d m i 、a r m 7 2 0 t 、a r m 9 1 d m i 、a r m 9 2 0 t 、a r m 9 4 0 t 、 a r m 9 4 6 t 、a r m 9 6 6 t 和x s c a l e 等。a l t m 公司最近在美国加利福尼州圣荷西市召开的嵌入式处理 器论坛上公布了4 个新的a r m ll 系列处理器内核( a r mj 1 5 6 t 2 s 、a r m l l 5 6 t 2 f - s 、a r m l j 7 6 j 二s 和 a r m l l j z f s ) ，以及应用a r m i1 7 6 j 二s 和a r m l l j z f s 内核系列的p r i m e x s y s 平台和相关的c o 僻s i g l 吐 技术。此外，a r m 芯片还获得了许多实时操作系统( r t o s ，r lt i m eo p c r a l i n gs y s t 啪) 供应商的支 持，比较知名的有w i n d o w s c e c “n 慨、p s o s 、v x w o d c s 、n u c l e i l s 、e p ( ) c 、肛c o s 、b e o s ，p a l m o s 和o n x 等。a r m 公司具有完整的产业链，a r m 公司的全球合作伙伴主要为半导体和系统伙伴、操作 系统伙伴、开发工具伙伴、麻用伙伴、a r m 技术共享计划( a t a p ) 伙伴。a r m 公司的紧密合作伙伴 已发展为1 2 2 家半导体和系统合作伙伴、5 0 家操作系统合作伙佯、3 5 家技术共享合作伙伴，并于2 0 0 2 年在上海成立中国全资子公司。早在1 9 9 9 年，a r m 核就已突破1 5 亿个，市场分额超过了嵌入式处理 器的5 0 。而虽新的市场调查表明，在2 0 0 1 年度，a r m 占据了整个3 2 位和“位嵌入式微处理器市场 的7 5 ；在2 0 0 2 年度。占据了整个3 2 位和“位嵌入式微处理器市场的7 9 5 。全t 日= 界已使用了2 0 多亿 个a r m 核。a r m 公司已经成为业界的龙头老大，几乎所有的手机、移动设备、p d a 几乎都是用具有 a r m 核的系统芯片开发的。 2 2 系统任务要求 2 2 1 硬件方面 1 实现2 个串口，2 个r s 2 3 2 或1 个r s 2 3 2 和1 个r s 4 8 5 ，通过跳线选择，串口波特率可选，最 大波特率为1 1 5 2 0 0 b p s ； 2 实现2 个网口，网口a 与网口b 可以同时工作，u d p 通讯方式下实际速率至少1 0 0 l ( b ，s ； 3 以双口r a m 的形式实现与p c l 0 4 的并行通讯： 2 2 2 软件方面 实现数据的透明传输，包括串口a 、串口b 、网口a 、网口b 双口r a m 五个通讯接口之间的灵 活切换，对于网络部分，要求实现u d p 及t c p 协议，也可以纯底层数据的发送与接收。 2 3 系统硬件结构 根据系统任务要求设计出系统硬件结构框图如图2 1 所示 7 东南丈学硕士学位论文 图2 1 系统硬件结构图 下面对各个模块分别介绍 1 电源电路州 l p c 2 0 0 0 系列a r m 7 控制器均要使用两组电源，i ，o 口供电电源为3 3 v ，内核及片内外设为1 8 v ， 所以系统设计为3 3 v 应用系统。系统使用外供的5 v 电源经过c 2 6 与c i o 滤波后再使用l d o 芯片( 低 压羞电源芯片) 稳压输出3 3 v 及1 8 v 电压。电路原理如图2 2 所示。 图2 2系统电源电路 l d o 芯片采用了s p l l l 7 - 3 3 和s p l l l 7 - 1 s ，其特点为输出电流大，输出电压精度高，稳定性好。 s p l l l 7 系列l d o 芯片输出电流可达8 0 0 m a ，输出电压精度在l 以内，还具有电流限制和热保护功能， 广泛应用与手持设备数字家电和工业控制等领域。在输出端，接上一个1 0 uf 的电容以改善瞬态响应和 稳定性。 2 复位电路 由于a r m 芯片的高速低功耗和低下作电压导致其噪声容限较低对电源的纹波瞬态响应性能时钟源 的稳定性和电源监控稳定性等诸多方面也提出了更高的要求。本系统的复何电路采用了专用微处理器电 源监控芯片s p 7 0 8 s ，以提高系统的可靠性。由于在进行j 1 a g 调试时，n r s t 和n t i 研是可由j 1 a g 仿 真器控制复位的，所以使用了三态缓冲门7 4 h c l 2 5 进行驱动，电路如图2 3 所示。 s 第二章系统硬件平台 图2 3系统复位电路 在图2 3 中，信号n r s t 连接到l p c 2 2 1 4 芯片的复何脚i 也s e t ，信号n t r s t 连接到l p c 2 2 】4 芯片 内部几a g 接口电路的复位脚t r s t 。当复位键s 1 按下时，s p 7 0 8 s 时，s p 7 0 8 s 立即输出复位信号，其 引脚r s t 输出低电平导致7 4 h c l 2 5 a 和7 4 h c l 2 5 b 导通，信号n r s t 和n t r s t 将输出低电平使系统复 位。平时s p 7 0 8 s 的，r s t 输出高电平，7 4 h c l 2 5 a 和7 4 h c l 2 5 b 截止，由上拉电阻r 2 和i u 将信号蚰l s t 和i i t r s t 上拉为高电平，系统可正常运行或进行j 1 a g 调试。 3 双口r a m 电路吼 捷联系统中，p c l 0 4 处理器主要用于姿态结算与卡尔曼滤波，其对外的通讯采用p c i 0 4 总线挂接双 口r a m 的方式。双口r a m 左侧挂接a r m 的数据总线和地址总线，下面简要介绍一下u c 2 2 1 4 的外部存储 器接口。 外部存储器接口取决于存储器组的宽度( 3 2 、1 6 或8 位，由b c f g 寄存器的m w 位选择) 。而且， 存储器芯片的选择也需要对b c f g 寄存器的r b l e 位进行适当的设置。r b l e = o 时选择8 位的外