（通信与信息系统专业论文）基于omap5912的嵌入式手持终端的系统启动.pdf

ab s t r a c t ab s t r a c t e m b e d d e d s y s t e m i s t h e c o m b i n a t i o n o f c o m p u t e r t e c h n o l o g y , e l e c tr o n i c t e c h n o l o g y a n d s p e c i a l a p p l i c a t i o n . t h a t i s w h y e m b e d d e d s y s t e m i s f u l l o f c o n t i n u o u s i n n o v a t i o n , i s m a d e u p w i t h h i g h t e c h n o l o g y a n d c o s t s m u c h m o n e y .n o w a d a y s , e m b e d d e d s y s t e m i s b l o o m i n g i n v a r ia b l e f i e l d s o f h u m a n l i f e . wit h t h e a d v a n t a g e o f u n i q u e d u a l - c o r e s t r u c tu r e a n d c h a r a c t e r o f h i g h p e r f o r m a n c e a n d lo w c o n s u m p t i o n , o p e n m u l t i m e d i a a p p l i c a t i o n s p l a t f o r m ( o m a p ) w h i c h i n t e g r a t e d s p c o r e w i t h t h e c h a r a c t e r o f h i g h p e r f o r m a n c e a n d l o w c o n s u m p t io n w i t h a r m p r o c e s s o r w i t h t h e q u a l i t y o f s tr o n g c o n t r o l p e r f o r m a n c e , i s w i d e l y a p p l i e d t o t h e f i e l d s , s u c h a s 3 g w i r e le s s c o m m u n i c a t i o n , v i d e o c o n f e r e n c e , a u t o m a t i c c o n tr o l , m e as u r i n g i n s t r u m e n t a n d m i l it a ry a n d s o o n . i n t h i s a r t i c l e , t h e b as i c i n f o r m a t i o n o f e m b e d d e d l i n u x , o ma p 5 9 1 2 , u - b o o t a n d l i n u x k e rn e l i s s i m p ly i n tr o d u c e d . w e m a d e u s e o f o s k 5 9 1 2 t o tr a n s p l a n t t h e o r i g i n a l u - b o o t a n d t o t a i l o r t h e l i n u x k e rn e l , t h e n w e re a l i z e d t h e s t a rt - u p o f e m b e d d e d l i n u x o s o n o u r p c b w h i c h w as i m i t a t e d o s k 5 9 1 2 . i i n tr o d u c e d g e n e r a l s o ft w a r e d e s i g h p r o j e c t o f o u r s y s t e m , a n d fi n i s h e d p a r t s o f d e s i g n i n g a n d d e b u g i n g s y s t e m s o ft w a r e . a l s o i s o l v e d s o m e p r o b l e m o f u - b o o t t r a n s p l a n t i n g a n d k e rn e l t a i l o r i n g , a n d p a r t i c u l a r l y d i s c u s s e d b u r n i n g u - b o o t o n b o a r d勿 j t a qf in a l l y i s u g g e s t e d s o m e k i n d s o f tr a n s p l a n t i n g l i n u x k e r n e l . a l l t h e s e w o r k s e s t a b l i s h e d t h e o s b asi s f o r f u r t h e r s o ft w a r e d e v e l o p m e n t k e y w o r d s : e mb e d d e d l i n u x o ma p u - b o o t l i n u x k e rne l j t a g 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、 使用学位论文的规定， 同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本;学校有权保存学位论文的印 刷本和电子版，并采用影印、缩 印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文; 学校有权提供目 录检索以 及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务: 学校有权按有关 规定向国家有 关部门 或者机构送交论文的复印件和电子版; 在不以 赢利为目 的的前 提下， 学校可以适当复制论文的部分或全部内 容用于学术活动。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 周 : 落 z ,) - 7 年 乡 月 z . 日 经指导教师同意， 本学位论文属于保密， 在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名:学位论文作者签名: 解密时间: 年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内部 5 年 ( 最长5 年， 可少于5 年) ( 最长 1 o 年，可少于 1 o 年) ( 最长2 0 年，可少于 2 o 年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文， 是本人在导师指导下， 进行 研究工作所取得的成果。 除文中己 经注明 引用的内 容外， 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、 己 公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体， 均己 在文中以明 确方式标明。 本学位论文原 创性声明的法律责任 由本人承担。 学 位 论 文 作 者 签 名 : l q z 每 z 0 0 7 年s 月 l a 日 第一章 绪论 第一章 绪论 第一节 嵌入式系统 嵌入式系统的定义 嵌入式系统是一个很为广泛的概念，国内一般定义为:以应用为中心， 计算 机技术为基础，软硬件可裁减，以适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、 功耗有严 格要求的专用计算机系统n 1 。 嵌 入式系统是将先进的 计算机技 术、 半导 体技术和电 子技术以及各个行业的具体 应用相结合的产物， 广泛地渗透到社会 经济、军事、通信等相关领域，而且深入到信息家 电、娱乐、社会文化等各个 领域， 掀起了一 场数字化的技术革命。 随 着多媒体技术与i n t e rn e t 应 用的 迅速普 及， 消 费 电 子 (c o n s u m p t iv e e le c t ro n ) 、 计 算 机 ( c o m p u t e r ) 、 通 信 ( c o m m u n i c a t io n ) 等3 c 一 体 化趋 势日 趋明 显 ， 极 大的 推 进 了 嵌 入 式 技 术的 发 展， 硬戎人 式 技 术 再 度成为研究与应用热点。 2嵌入式系统的发展历史 嵌入式计算机系统起源于微型机时 代， 近几年网 络、 通信、 多媒体 技术的 发展为 嵌入式系统应用开辟了广阔的 天地， 使嵌入式系统成为继p c和i n t e rn e t 之后， rr界 新的技术热点。 2 0 世纪7 0 年代发展起来的微型计 算机，由于体积小、 功耗 低、 结构 简单、 可靠性高、 使用方便、性价比高等一系 列 优点，得到了 广泛的应用和迅 速的 普 及。微型机 表现出的智能化水平引起了 控制专业人士的 兴趣，要求将微 型机嵌 入到一个对 象体系中，实现对象体系的 智能化控制。 例如， 将微型计算 机经电 气加固和机 械加固，并配制各种外围 接口 电路，安装到大 型舰船中构成自 动驾 驶仪或轮机 状态监测系统。 这样一来， 计算机便失去了原 来的 形态与通 用的计 算机功能。为了区别原有的 通用计算 机系统，把嵌入到对象体系中 、实 现对象 体系智能化 控制的计算机， 称为嵌入式 计算机系统。由此 可见， 嵌入式系统的 嵌入性本质 是将一个计算机嵌入到一个 对象体系中去。 第一章 绪论 尽管嵌入式系统起源于微型机时代，但微型计算机的体积、价位和可靠性 都无法满足广大对象系统的嵌 入式应 用要求，因此，嵌入式系统 必须走独立发 展的道路。这条道路就是单芯片化道路，即将计算机做在一个芯片上，从而开 创了嵌 入式系统独立发展的单片 机时 代。1 9 7 6 年，工 n t e l 公司推出了m c s - 4 8 单 片机， 这个只有 1 k b r o m 和6 4 b r a m 的简单芯片成为 世界 上第一个单 片机。同 时也开创了 将微处理机系 统的 各 种c p u 外的资源( 如r o m , r a m 、 定时器、 并行口、 串 行口 及 其他各 种功能模 块) 集成到c p u 硅片上的时代。 1 9 8 0 年， i n t e l 公司对 m c s - 4 8 单片 机进行了 全面完 善， 推出 了8 位m c s - 5 1 单片机，并 获得巨大 成功， 奠定了 嵌入式系 统的单片机应 用模式。 在3 0 年的历史中， 各种改 进的、 面向 具体应用的 不用品 牌单片 机风起云涌， 得到了 广 泛应用，但这些应用 基本上 是 基于硬件底层的单线 程程序。 2 0 世纪9 0 年代后， 伴随 着网络时代的 来临， 网 络、通信、多媒体技术 得以 发展， 8 / 1 6位 单片 机在速度和内存容量上已 经很难 满足这些领域的应用需求。 而由 于集成电 路级数 的发展， 3 2 位微处理 器价格 不断 下降， 综合竞争能 力已 可以 和8 / 1 6 位单 片机媲 美。 3 2 位微处 理器 面向 嵌入式 系 统的高端应用，由 于 速度快、 资源丰富， 加上应用 本身的复杂性、 可靠性要 求等，软件的开发一般会需要操作系统平台 支持。 近 几年， 嵌入式设 备( 内 部有嵌 入 式系统的产品 ) 大 量涌 现， 如手 机、 p d a , m p 3 、 微 波炉、 数码相机、 机 顶盒、 各 种网络设备等。 嵌入式 系统开发 应用越来 越大， 使 入式系统成为 继p c和i n t e m e t 之后 i t技术的最热点， 而构成 嵌入式系 统的主 流趋势是犯 位嵌入式微 处理 器 加实时多任务 操作系统，目 前 的嵌入式系 统往往 指的是 包含这种资源的 系统。 3嵌入式系统的特点 一般来说，一个完整的 嵌入式系 统由 处理器、 外围设备、 操作 系统和应用 程序4 部分 组成。通常， 嵌入 式系 统同 通用型计算机系统相比具 有以 下 特点: ( 1 )嵌入 式系统通常是面向 特 定应 用的 嵌 入式 c p u大多 工作在为 特定 用 户群设计的系 统中， 通常具有 低功耗、 体 积小、 集成度高等特点， 能够 把通 用 c p u中许多由 板卡完成的任务 集成在芯片 内部， 从 而有 利于嵌入式系 统设计小 型 化，移动能力 大大增强，与 网络的祸合 也越来越紧密。 第一章 绪论 ( 2 )嵌入式系统对软件有严格的要求 嵌入式产品一般不具有硬盘等大容量存储设备，而且由于成本的限制，嵌 入式系统软件一般固 化在容量较小的 f l a s h存储器中， 这就要求软件代码具有 较高的质量和可靠性。 ( 3 )嵌入式系统必须具备开发环境和开发工具才能进行开发 受限于嵌入式系统自身资源与空间的不足，它不具备自 主开发能力，所以 嵌入式系统的开发模式采用宿主机一目 标机相连构成交叉开发环境。另外还需 要编译器、链接器等作为开发工具。 2 1 ( 4 )嵌入式系统是不断发展、 不断创新的系统 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电 子技术与各个行业的 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。 第二节 嵌入式系统的组成 嵌入式系统由硬件和软件组成。 硬件是整个嵌入式操作系统和应用程序运行 的平台，不同的应用通常有不同的 硬件环境。嵌入式系统的硬件部分包括处理 器、存储器、i / 0接口 及输入/ 输出 设备。嵌入式系统的软件由 嵌入式操作系统 和应用程序组成。嵌入式操作系统完成嵌入式应用的任务调度和控制等核心功 能，嵌入式应用程序运行于操作系统之上，利用操作系统提供的 机制完成特定 功能的嵌入式应用。 由 于嵌入式系统的灵活性和多 样性， 各个层次之间缺乏统一的标准， 几乎每 一个独立的系统都不一样，这样就给上层的软件设计人员开发应用程序带来了 极大的困难。 1 . 2 . 1嵌入式系统的硬件组成 嵌入式系统的硬件组成如图1 . 1 所示。 1 .嵌入式处理器 嵌入式系统的核心是各种类型的嵌入式处理器， 嵌入式处理器的体系结构经 历t从c i s c ( 复杂指令集) 到 r i s c ( 精简指令集) 和c o m p a c t r i s c的转变，位数 第一章 绪论 则由4 位、8 位、1 6 位、3 2 位逐步发展到 6 4 位。 一一二 *,no a 一巨口 w a一 * k 3m 4 巨 三口 巨l 口 巨 三 日 f las h 电源模块 微处理器 m p u ram 时钟模块 rom 复位 未 一 困 回回 困一 图1 . 1嵌 入式系统的硬件组成 2 .存储器 嵌入式系统有别于一般的通用计算机系统，它不具备象硬盘那样大容量的 存储介 质，而用静态易失 型存储 器( r a m , s r a m ) 、 动态存储 器( d r a m ) 和非易失型 存储器( r o m , e p r o m , e e p r o m , f l a s h ) 作为存储介 质， 其中f l a s h 凭借其可擦写 次数多、存储速度快、存储容量大、价格便宜等优点，在嵌入式领域 内得到了 广泛应用。 3 . i / 0 接 口 i / 0 接口 是处理器与i / 0 设备 连接的桥梁，与 通用c p u 不同 的是嵌入式处 理器芯片将通用机中许多由单独 芯片或板卡完成的 接口 功能集 成到芯片内部， 从而有利于嵌入式系统在设计时 趋于 小型化，同 时还 具有很高 的效率和可靠性。 4 .输 入/ 输出设 备 为使嵌入式系统 具有友好的界 面、方便人机交 互， 嵌入式 系统中需配置输 入、输出设备，常用的输入/ 输出设备有液晶显示器( l c d ) 、触模板、键盘等。 第一章 绪论 嵌入式开发的硬件平台选择主要是嵌入式处理器的选择。在具体应用中处 理器的 选择决定了 起市 场竞争力。在一个系统中使 用什么样的嵌入式处理器主 要取决于应用领 域、用户的需求、成本、 开发的难易 程度等因素。在开发过程 中， 选择最适用的硬件平台 是一项很复杂的工作， 包括要考虑其他工程的影响 以及缺乏完整或准确的信息等。 2 . 2嵌入 式系统的 软件 组 成 1 .嵌入式操作系统 嵌入式操作系统是一种 支持嵌入式系统应用的 操作系统软件，它是嵌入式 系统( 包括硬、 软件系统 ) 极为重要的组成部分，通常 包括与硬件相关的底层驱 动软件、系统内 核、 设备驱 动接口 、通信协议、图形界 面、标准化浏览器等。 嵌入式操作系统具有 通用操 作系统的基本特点，如能 够有效管理越来越复杂的 系统资源、能 够把硬件虚拟化、使得开发人员 从繁 忙的驱 动程序移植和维护中 解脱出来，能够提供库函数、驱动程序 、工具集以及应用程序。与通用操作系 统相比 较，嵌入式操作系统 在系统的实时高效 性、 硬件的 相关依赖性、软件固 态化 以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。 2 .嵌入式 应用软件 嵌入式应用软件是针对 特定应用领域，基于 某一固定的硬件平台，用来达 到用户预期目 标的计 算机软 件。由于用户任务可能 有时间 和精度上的要求，因 此有些嵌入式应用软件需要 特定嵌入式操作系统的 支持。 嵌入式应用软件和普 通应用软件有一定的区别， 它不仅要求其准确性、安 全性和稳定性等方面能够 满足实际应用的需要，而且 还要尽可能的进行 优化，以 减 少对系统资源的消耗， 降低硬件成本。 3 .硬件抽象层 h a l 硬件抽象层 h a l ( h a r d w a r e a b s t r a c t i o n l a y e r ) 是位于 操作系统内 核与 硬 件电路之间的接口 层， 其目 的在于将硬件抽象化。 也就是 说， 可通过程序来控 制所有硬件电 路， 如 c p u , i / 0 、 存储器等的 操作。 这样就 使得系统的设备驱动 程序与硬件设备无关， 从而大大提高了系 统的 可移植 性。 4 .板级支持包b s p 板级支持包 b s p ( b o a r d s u p p o r t p a c k a g e ) 是介 于主板硬 件和操作系统中驱 第一章 绪论 动层程序之间的 一层， 一 般认为它属于操作系统的一部 分，主要是实现对操作 系统的支持， 为上层的驱 动程序提供访问 硬件设备寄存 器的函数包， 使之能 够 更好的运行于硬件 主板。 5 .设备 驱动程 序 计算机系 统中安 装设备 后， 只有在安装相应的 设备驱动程序之后才能使用， 驱动 程序为上层软 件提供设备的 操作接口 。上 层软件只需调用驱动程序提供的 接口，而不 用理会设 备的 具 体内 部操作。 6 ，操作系 统的应 用程 序接口函数a p i a p i ( a p p l i c a t i o n p r o g r a m m i n g i n t e r f a c e ) 是一系 列复杂的函数、 消 息和 结构的集合体。 嵌入式 操作 系统下的a p i 和一 般操作系 统下的a p i 在功能、 含 义以及知识体 系上完全 一致。 嵌入式应用软件是实 现嵌入式系统功能 的关键，对嵌入式系统软件和应用 软件的要求也 和通用计算 机有所不同， 嵌入式软 件以 下一些 特点: ( 1 )软件要求固化存储。为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统软 件一般都固化 在存储器芯 片或嵌入式微处理器本身中， 而不是存储在磁盘等载 体上。 ( 2 )软件代码要 求高 质量、高可靠性。 尽管半导体技术的发展处理器速度 不断提高、 片上存 储器容量不断增加， 但在 大多 数应用中， 存储空间仍然是宝 贵的，还存在实时 性的 要 求。为 此， 要求程 序编写和编译工具的质量要高， 以 减小 程序二进 制代码长 度、 提高 执行速 度。 ( 3 )系统软件( o s ) 的 高实时性是 基本要求。在多 任务嵌入式系统中，对重 要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每个任务及时执行的 关 键，单纯通过提高处理器 速度是无法完成和没有效 率的， 这种任务调度只能由 优化编写的系统软 件来完 成，因 此，系统软件的高 实时性是基本要求。 ( 4 )嵌入 式系统软件 需要实时多 任务操作系统开发 平台( r t o s ) 。 为满足实 时 性应用需求、充 分利用 硬件资源、增强可靠性和便于开发，实时多 任务 操作 系统成为嵌入式软件必须的系统软件。 ( 5 )在嵌入式系统的 软件开发过程中，采用c 语言将是最佳的选择。 第一章 绪论 第三节 嵌入式处理器 31嵌入式处理器分类 嵌入式系统的 硬件核心是嵌入式处理器。区分 嵌入式处理器的 一个重要指 标就是 “ 位数” ，即处 理器处理二进制数 据的宽 度。 我 们常说某处理器是8 位或 1 6 位， 指得就是这一 参数。 嵌入 式处理器己 经 从最初的4 位、 8 位发 展到了 今天的1 6 位、 3 2 位以至6 4 位。 嵌入 式系统的发 展是如此迅猛， 以 致没 有人能说清 世界上到底有多 少种嵌 入式处理 器。 据不完全 统计， 全世界 嵌入式处理 器的 品种己经超过1 0 0 0 多 钟， 仅流行的体 系结构就有3 0 种以 上，其中 包括大家熟 悉的 8 位 m c s - 5 1 系 列和现 在流行的3 2 位 a r m 系列。 除了按位数来划分外，要对嵌入式处理器进行准确分类是一件困难的事情， 很难找到公认的统一的标准。不管如何划分，总是存在争议，目前业界有关嵌 入式处理器的 分类主要 有: m p u , m c u . d s p 和s o c . 1 .嵌入式微处理器 m p u 嵌入式 微处 理器( m i c r o p r o c e s s o r u n i t , m p u ) 由 通用计算机的 c p u演化而 来。由 于嵌入式系统通常应用于比 较恶劣的 环境中， 因而嵌入式处理 器在工作 温度、电 磁兼容性以 及可靠性等方面比 通用的 标准微处理器高。为满足 这些特 殊要求， 就需要对处理器进行 “ 增强”处 理.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。嵌入式处 理器目 前 主要有a m 1 8 6 / 8 8 , 3 8 6 e x , s c - 4 0 0 , p o w e r p c . 6 8 0 0 0 , m i p s 和a r m 系 列等。 2 . 嵌入式微控制器m c u m c u又称 “ 单片 机” 。顾名思义， 单片机就是 将整个计算机系统集成到一 块 芯片中。m c u 一般将处理器内核 ( c p u ) , r o m / f l a s h , r a m 、总线、定时/ 计数器、 看门 狗、 并 行口、 串 行口 、 脉宽调制 输出、 a / d 及d / a 等各种必要的 功能和外 设 集成到一块芯片中。为适应不 同的应用需求，一个系列的单片机往往具有多种 衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器的大小和 外设的多少以及封装的不同。这样可以使单片机最大限度的匹配于实际需要， 从而降低成本和功耗。 和 m p c相比，m c u的最大特点是单片化，体积大大减小，可靠性提高. m c u 第一章 绪论 片上外设资 源一般比 较丰富，适合于控制，因此成 为微控制器。 通常，嵌入式 微控制 器可分为通用 和半通用两类，比 较 有代表性的 通用系列包括 8 0 5 1 , p 5 1 x a , m c s - 2 5 1 , m c s - 9 6 / 1 9 6 / 2 9 6 , m c 6 8 h c 0 5 八1 / 1 2 / 1 6 , 6 8 3 0 0 , h s等。 而比 较有 代 表 性 的 半通用 系 列 ， 如支 持u s b 接口 的m c u 8 x c 9 3 0 / 9 3 1 , c 5 4 0 , c 5 4 1 ， 支持 i z c , c a n 总线、 l c d 等的众多专用m c u 和兼 容系列。 3 . 嵌入 式数字信号处理器e d s p d s p 是一 种特殊的 微处理器。它 对c p u 的 系统结 构和指令进行了 特殊设计， 编译效率较高，指 令执行速度也快， 使其能够实时的 完成各种数字信号处理算 法。 理论 上这些算法 也可由 普通嵌入式 处理器完 成， 但实时性往往达不到 要求。 在数字滤波、 f f t 以 及频谱分析等方面， d s p 算法 正在大量进入嵌入式领域。 嵌入 式d s p 处理 器有两个发展方向 ， 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 i 的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 / c 5 0 0 0 等属于此范畴; 二是在通用m c u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 i n f i n e o n的t r i c o r e 等。 另外， 在有关智能方面的应用中，也需要嵌入式 d s p 处理器， 例如各种带有智能逻辑的消费类产品，指纹识别、实时图像/ 语音解压系统等。 这类智能 化算法一 般运算量大，实时 性要 求高， 特别 适合d s p 处理。 4 .嵌入式片上系统 s o c 随 着半导 体设计技术和半导体 生产 工艺的迅速 发展， 在一个硅片上实 现一个 复杂系 统的 时代已 来临，这就是s o f a s o c 真正 发展 也就是近年来的事， 但发展 势头非常 迅猛。这 主要得益于e d a ( 电 子设 计自 动化 ) 的 推广和v l s i ( 超 大规模集 成电路) 设计的普及化及工艺的突破。s o c的设计并不复杂，将通用处理器内核 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， 用标准的v h d l 等语言 进行描述， 成为v l s i 设计器 件库中一 种标准 器件。 用户只需使 用e d a 工 具定义出整 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 统电路板将变得 很简洁，对于 减小体积和功耗、 提高可靠 性非常有利。 其实 我们不必拘 泥于处理器的分 类， 重要的是 要了 解、 掌握基于 嵌入 式处理 器的设计与编程。 第一章 绪论 3 . 2嵌入式处理器现状及发展趋势 嵌入式世界 是一个多姿多彩的 世界。如同生物的多样性一 样， 嵌入式处 理 器也充满了多样 化，尤其是信息化、 数字化的 今天，嵌入式处 理器遍及我们 能 够想象到的各个角落，因此，每种处理器都有存在的理 由，都有可伸展的方向。 2 0 世纪8 0 年代中 期，4 / 8 位单片 机进入了战国 时代， 群雄并举，工 n t e l 公司 的 m c s - 5 1 最具代表性，发展延续至今。2 0 世纪9 0 年代以后，1 6位、3 2 位乃至6 4 位微处理器 及各种d s p( 数字信号处 理) 处理 器闪 亮登场， 迅速抢占 各自 的 优 势领地。 嵌入式系统发展到今天，处理器林林总总，千差万别，但就其主流来看，5 1 系 列单片机仍为 广大嵌入式工程师所 喜爱， 成为 许多低端控制领域的 宠儿， 同 时 也是嵌入式爱 好者的 入门 首选; 摩托罗 拉的 p o w e r p c系列在通信 领域占 据 着 主导 地位， 是通 信产品的当仁不让的 核心; t i 的t m s 3 2 0 系列d s p 处 理器几乎 独 霸了 嵌入 式 d s p 市场;而信息终端、 手持 产品 及许多消费产品 则是a r m 处理 器 的天 下， 而且其 应用正以风卷残云之 势渗透到i t 产业的各个领域。 3 . 3 a r m处理器 在众多的 嵌入式处理器中， 3 2 位r i s c 微处 理器a r m逐渐受 到人们的 青睐. 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 d i n s t r u c t i o n s 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 公司自 成立以 来，一直以 i p ( i n t e l l i g e n c e p r o p e r t y ) 提供者的身份向 各 大半导体制造商 例如夏普、g e c p l e s s e y 、 德州 仪器和c i n u s l o g i c 等出售知 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 前己 经占 有7 5 %以上的3 2 位r i s c 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 股份有限 公 司和深 圳华为 技术有限公司等公司 也己 经 购买 a r m 公司的芯核 用于通讯专 用 芯片的 设计。 3 1 目 前非常流 行的a r m芯核有a r m 7 t d m i , s t r o n g a r m , a r m7 2 0 t , a r m 9 t d m i , a r m9 2 2 t , a r m9 4 0 t , a r m9 4 6 t , a r m9 6 6 t , a r mi o t d m i等。自v 5 第一章 绪论 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十d s p 的s o c ( s y s t e m o n c h i p ) 结构的芯 片. 此外， a r m 芯片还获得了 许多实时 操作 系统 r t o s ( r e a l t i m e o p e r a t i n g s y s t e m ) 供应 商的支持， 比 较知名的 有; w i n d o w s c e , l i n u x , p s o s , v x w o r k s m u c l e u s , e p o c , u c o s , b e o s 等。 随 着国内 嵌入式应用领域的发展 ，a r m 芯片必然会获得广泛的重视和应用。a r m 用在 工业控制器上，具有功耗低、性 价比高、 体积小、 成本低、 可靠性高、 人 机界 面友好、 功能 丰富、 实时性强等 特点， 现在a r m在工控领域中占 的份 额越来 越 大。 正因为a r m处理器在嵌入式领 域所占的 巨大优势， 所以 我们项目 采 用了基 于a r m 9 2 6 处理器的 o m a p 5 9 1 2 平台。 第四节 嵌入式系统的开发 嵌入式系统设计流程如图1 . 2 所示，主要有6 个步骤。 1 . 需求分析 确定设计 任务和目 标， 并制定说明 规格文档， 作为下一步设计的指导 和验 收标 准。需求分析往往要与用户反复 交流，以 明确系统功能需 求， 性能需 求， 环境、 可靠性、成本、功耗、 资 源等需 求。 2 . 体系 结构设计是嵌入式系 统的 总体设计， 它需要确定嵌 入式系统的 总体 构架，从功能上对软硬件进行 划分。 在此基础上， 确定嵌入式系统的硬件 选型 ( 主要是处理 器选择) ，操作系统的 选 择和开 发 环境的选择。 3 ， 硬件的 设计、制作和测试 在这一阶段要确定硬件部分的 各功能 模块之间的关联， 并在此基础上 完成 元器件的选择、原 理图绘制、印 刷电 路板 ( p c b )设计、 硬件的装配与测 试、目 标硬件最终的确定和测试。 4 . 软件的 设计、实现和 测试 这部分工作与硬件开发并行，交互进行。软件设计主要完成引导程序的编 制、 操作系统的移植、驱动程 序的开 发、 应用软件的编写等工 作。设计完 成后， 软 件开发进入实 现阶段。 这一阶 段主 要是嵌 入式软件的生 产 ( 编译、 链接 )， 调 试和固化运行，最后完成软件的测试。 5 . 系统集成 第一章 绪论 将测试完成的软件系统装入制作好的 硬件系统中，进行系统综合测试，验 证系统功能是否能够正确无误的实现，最后将正确的软件固化在目 标硬件中。 本阶段的工作是整个开发过程中最复杂、 最费时的，特别需要相应的辅 助工具 支持口 6 .系统性能测试及可靠性测试 图1 . 2嵌入式系统设计流程 第一章 绪论 测试最终完成的系统性能是否满足设计任务书的各项性能指标和要求。若 满足， 则可将正确无误的软 件固 化在目 标硬件中:若不能满足， 在最 坏的 情况 下，则需要回到设计的初始阶段重新进行设计方案的制定。 第五节 本文的主要工作 近几年欧洲家庭信息家电 飞速发展，对于能够通过简便的手持设备控制家 电的需求也越来越大，在市场对于这种嵌入式控制设备的巨 大需求前提下，作 者实验室进行了基于t i的双核芯片()m a p 5 9 1 2的嵌入式系统设备的开发工作， 作者主要参与了以下方面的工作: ( 1 )根据需要对项目 系统进行总体设计，包括操作系统的选型、整个系统 的硬件设计和操作系统的移植等。 ( 2 ) 对于操作系统移植相关的a r m l i n u x 内核启动阶段进行分析， 对面向 内核的b o o t l o a d e r进行分析， 对本项目 所用的u - b o o t 的工作原理进行分析和 改造， 实现l i n u x内核到目 标平台的成功移植。 ( 3 )对实际硬件进行仿真测试和分析。 第二章 嵌入式l i n u x理论研究 第二章 嵌入式 l i n u x 理论研究 第一节 嵌入式操作系统 2 . 1 . 1 嵌入式操作系统的定义 嵌入式操作系统是嵌入式系统的核心部分，是系统功能的外在表现，它控 制着整个系统的 所有资 源并提供开发 应用程序的基础. 嵌入式操作系统( e m b e d d e d o p e r a t i o n s y s t e m ) 是一 种实时的、 支持嵌入式系 统应用的 操作系统软件， 通常包括 与硬件相关的底层驱动软件、 系统内核、设 备驱动接口、 通信协议、图 形界面。 它通常具有一 个标准操作系 统所有的功能: 将c p u时间、中断、 u o 、 定时器等 资源封装起来， 只留 给用户 标准的a p i 系统 调用，对任务进行合理调度以保证实时性和可靠性等。 2 . 1 . 2嵌入式操作系统的特点 嵌入式操作系统负 责嵌入式系 统的全部软、硬件资源的 分配 和调度， 控制 协调等活动，能够通过装卸模块进行功能配置，体现所在系统的特征。现在可 供 嵌 入 式 应 用的 操 作 系 统 有 很多 ， 比 如a r m l i n u x , w i n c e , p a l m o s , b l a c k b e r r y 等，与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统应主要具有如下特点: ( 1 )实时性。大多数嵌入式操作系统工作在对实时 性要求很高的场合，主 要对仪器设备的动作进行监测控制，这种动作具有严格的、机械的时序;而一 般的桌面操作系统基本上是根据人在键盘和鼠标发出的 命令进行 工作，人的动 作和反应在时 序上并不很严格. 例如对嵌入式操作系 统应用来说很有前途的领 域一消费电子产品，设备的高实时性是非常重要的问题。 ( 2 )可裁剪性。 从硬件环境看， 嵌入式环境的硬件环 境只有 标准化的c p u . 没 有标准的存储、 工 / 0 和显示器单元: 从 应用环境看， 嵌 入式操作 系统面向单一 设备的固定的应用; 从开发环境看， 嵌入式试图为开发人员 提供一 个 “ 白 箱， 让开发人员可以自 主控制系统的 所有资源。这样可以 让开发 人员可以 根据硬件 第二章 嵌入 式l i n u x 理论研究 环境和应用能够环境的不同而对 操作系统进行灵活的裁剪和配置。 可裁剪性带 给开发者的 一个最直接的 好处是 硬 件成本降低， 这对于消费电 子类的 产品来说， 具有重要的 现实意 义。 14 1 ( 3 ) 可靠性。 一般来说，嵌 入式系 统一旦开始运行 就不需要 人的 过多干预。 便于开发人员的维护和消费者的使用。 ( 4 )可 移植性。 嵌入式操作 系统具有很强的 可移植 性， 可以 避免重复开发， 有效地降低开发成本。 ( 5 ) 开发工具 全。 针对嵌 入式操作系统的开发 工具 相当 全面，种类很多， 这也便于开发者加快开发进程。 ( 6 )占 用资 源少。 嵌入式 操作系统占 用资源相当少， 使得 它能够很好的适 应嵌入式系统的硬件资源闲置。 2 . 1 . 3嵌入式操作系统的选择 目 前嵌入式实时操作系 统r t o s 分为两类:商用型 和免费型。 其中 商用型典 型的 r t o s 有:w i n d o w s c e( 适合于消费类电子产品) ;v x w o r k s( 适合于网络、 交换设备等) ; p a l m o s ( 适合于p d a 产品) 。 免费 型r t o s 有l i n u x ( 包括u c l i n u x 和 r t - l i n u x )和 u c / o s i i . ( 1 ) l i n u x 操 作系统 l i n u x 是一种自 由 的多任务 操作系统，其源代码公开， l i n u x 广泛用于服务 器平台 和p c 桌面平台。 它具有同 类 操作系统所固 有的 特点， 但它 更具有自 己的 特色。 首先，它的开 发起始于l i n u s t o r v a l d s 一个人， 其次， 它的发展速度非 常迅速，每隔几个星 期或几个月，内 核版本就升级一次， 更重要的是其独特的 体系结 构有助于世界 范围内 的计 算机爱好者参与开 发 l o l i n u x 操作系统具有强 大的网络功能， 开放的 源代码， 免费下载。 l i n u x 操作系统是 基于p c机的免费 的 类u n i x 开放式操作 系统， 由 于 全世界各地的l i n u x 用户和开 发者的不断努力， l i n u x已 成长为高稳定 性的、 性能 优异的操作系统， 基于l i n u x 开发一个开放的、 标 准的、 高 效廉 价的 实时 操 作系 统是完全 可行的 6 1 目前，嵌入式 l i n u x在国内尚处于初级阶段，但在国外已 处于应用阶段。 而且近年来， r t l i n u x 以其 优异的 性能引起了越来越多 的关注， 并在实时控制领 域得到了成功的应用。 第二章 嵌入式l i n u x 理论研究 ( 2 ) v x w o r k s 操作系统 v x w o r k s 是专门 为实时嵌入式系统设计开发的 操作系统软件， 为程序员提供 了高效的实时任务调度、中 断管理、实时的系统资源以 及实时的任务间通信。 应用程序员可以 将尽可能多的精力放在应用程度本身， 而不必再去关心系统资 源的管理 飞 v x w o r k s 从1 9 8 3 年设计 成功以来，己 经经过广泛的验 证，己 成功的应用在 航空、 航天、 舰船、 通信、医疗等关键领域。目 前， v x w o r k s 得到了许多软硬件 厂家的支持，这些第三方软硬件厂家提供丰富的v x w o r k s的扩展组件。它是美 军的专用计算机系统。类u n i x 风格和p o s i x 规范兼容性使得广大u n i x 程序员 可以轻松的掌握该系统。 因此， 从应用软件角度而言， v x w o r k s 操作系统在各种 c p u 硬件平台 上可以 提供统一的接口 和一致的运行特性， 应用程序无需做过多的 改动就可以 运行在各种 c p u上，为程序员提供了 一致的开发、运行环境，减少 了重复劳动。 ( 3 ) a c / o s 工 i 嵌入式实时 操作系统 a c / o s i i 是在p c 机上开发和测试的， 但其实际对象是嵌入式系统， 并且很 容易 移植到 不同 的 微处 理 器 上 i 3 。 其 特点 是 可固 化 、 可 裁 减、 占 先式内 核、 多 任 务管理机制、中断管理及很高的稳定性和可靠性等，自1 9 9 2 年以来己经有好几 百个商业应用。 目 前国内 在a r m c p u 上广 泛采用了 三种嵌入式操作系统， c / o s 工 工 、 u c l i n u x 和嵌入式l i n u x 。但是r c / o s 工 i自己目 前还没有t c p / i p( 有计划) ，如果需要， 只能购买商用的t c p / i p ，如i n t e r n i c h e ( w w w . i n i c h e . c o m ) ，但价格很贵， 这在 需要具备网 络功能的网 络时代成了一种缺陷，这是u c / o s i i无法得到普及的一 个重要的原因。另一个原因就是u c / o s i i并不是一个免费的商业软件，用到商 业上需要支付授权费用。u c l i r i u x是裁剪成的小型化 l i n u x ，主要是针对没有 m m u( 在a r m c p u 系列中，如a r m 7 t d m 工 ， a r m 9 4 0 t 等a r m 核的c p u 产品)的嵌 入式处理器开发设计。由于缺少存储管理功能，ii c l i n u x对内存操作是直接的 物理内 存， 这样， 任何程序的异常都可能导致内 核崩溃， 这是u c l i n u x的一个 致命的弱点。 更重要的是， 在国内 外没有一家软