（通信与信息系统专业论文）基于arm的ipv6信息家电系统设计.pdf

摘要 摘要 信息家电( 认一i l l f o r m a t i o na p p l i a n c e ) 是指将微型计算机和通信技术融入到 传统的家用电器中，使之智能化并具有网络终端的功能，可以随时随地获取与处 理信息。目前的信息家电产品大多是基于t c p i p v 4 的，而i p v 4 正面临着地址资源 紧缺的困境。本论文选用高性价比的3 2 位a r m 核微处理器s 3 c 2 4 1 0 作为主处理器 设计了基于下一代互联网协议t c p i p v 6 的信息家电系统。 论文首先描述了i p v 6 信息家电系统的设计方案，接着分别阐明了系统两个模 块的软硬件设计方法，包括用于完成网络信息传输与处理的网络终端模块和用于 直接控制家电产生动作的家电控制器模块。随后通过在网络终端模块上移植嵌入 式l i n u x 2 6 1 4 操作系统和w c ；b 服务器，并在其上开发应用程序，设计并实现了一个 基于i p v 6 的网络终端模块。 在完成网络终端模块的基础上，又以冰箱控制器为例简单描述了家电控制器 模块的软硬件设计过程。家电控制器模块不仅可以完成对电器的常规控制功能， 还能够与网络终端模块进行通信，接收上位机发送过来的命令，处理并返回相应 参数，实现用户对家电的远程监控。最后通过组建i p v 6 信息家电系统测试网络， 验证了系统功能，试验结果表明，本系统可以稳定、可靠地工作。 关键词：p v 6 ；信息家电；网络终端；a r m ；l i n u x ； a b s t r a ( - r a b s t r a c t i n f o r m a t i o na p p l i a n c e s ( i a ) r e f e r st ot h ec o m b i n a t i o no fm i c r o - c o m p u t e ra n d c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g yi n t ot h et r a d i t i o n a lh o u s e h o l da p p l i a n c e s i tm a k e s a p p l i a n c e sb e c o m ei n t e l l i g e n ta n dh a v et h ea b i l i t i e st oo b t a i na n dp r o c e s si n f o r m a t i o n a ta n ym o m e n t m o s to ft h ec u r r e n ti n f o r m a t i o na p p l i a n c e sp r o d u c t sa r eb a s e do n t c p i p v 4 ，w h i c hi se n c o u n t e r i n gt h es h o r t a g eo fa d d r e s ss p a c o b a s eo nt c p i p v 6 ， w h i c hi sa l s ot h en e x tg e n e r a t i o ni n t e m e tp r o t o c o ls t a n d a r d ，i n f o r m a t i o na p p l i a n c e s s y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d ，a n dt h em a i np r o c e s s o ri s $ 3 c 2 4 1 0 ，ah i i g hp e r f o r m a n c e - p r i c er a t i oa n da r m c o r ep r o c e s s o r f i r s t l y , t h es y s t e m sg e n e r a lp r o j e c ti sp r o p o s e d , a n dt h e nd e s c r i b e st h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r ed e s i g np r o c e s so f s y s t e m st w om o d u l e s , i n c l u d i n gt h en e t w o r kt e r m i n a l s m o d u l ew h i c hi sf o r t h et r a n s m i s s i o na n d p r o c e s s i n go fi n f o r m a t i o na n dt h ea p p l i a n c e c o n t r o l l e rm o d u l ew h i c hi sf o rt h ed i r e c tc o n t r o lo fa p p l i a n c e t h r o u g ht h e t r a n s p l a n t a t i o no fe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ml i n u x 2 6 1 4 ，w e bs e r v e ra n da p p l i c a t i o n p r o g r a m ，as m a l li p v 6 - b a s e di n f o r m a t i o na p p l i a n c e ss y s t e mh a s b e e ni m p l e m e n t e d t h es y s t e mc a nw o r kf i n ea n ds t a b l ea f t e rt r o u b l e s h o o t i n gw i t hc o m p u t c ri nt h e 口v 6t e s tn e t w o f ke n v i r o n m e n t , a n dt l l c yc a nb ec o n t r o l l e dt h r o u g hi p v 6n e t w o r k t h ei n f o r m a t i o na p p l i a n c e ss y s t e mb a s e do nt h i sp a p e rh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so f f l e x i b i l i t y ，s i m p l i c i t y ，a n dh i g h - a d a p t a b i l i t yi nt h ea p p l i c a t i o n s ，a n dh a sag o o d r e f ；c r e n c ev a l u et ot h ei n f o r m a t i o na p p l i a n c ei n d u s t r y k e yw o r d s ：i p v 6 ，i n f o r m a t i o n a p p l i a n c e s ，n e t w o r kt e r m i n a l ，a r m ) * l i n u x l l 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 信息家电及其相关技术 1 1 1 信息家电技术的研究现状 随着计算机技术、通信技术、工业控制技术和电子技术的发展，家庭的信息 化、智能化和网络化开始成为人们关注的热点。传统的家用电器开始革新并被赋 予信息功能，具有了“网络家电”的内涵。网络家电是家庭网络化的基础，也是住 宅智能化的关键。网络家电要进入普通百姓家庭，就必须加快研究新的网络家电 实现技术，开发出低成本、易使用的网络家电“1 。 个人计算机经过2 0 多年的迅猛发展，开始进入到“后p c 时代”。现在的p c 机功能更完善，运算速度更快，操作也更复杂，不易被普通百姓接受。更重要的 是现有p c 的许多功能并不适合普通家庭需要，造成了功能闲置，资源浪费。p c 机要真正走入家庭，就要改变过去以计算机为核心的“一人一机”模式，转向以家 庭为核心的“看不见的电脑”模式，即后p c 运动的鼻祖美国人唐诺尔曼阐述 的“执行单一任务的、无处不在的电脑”。 所谓信息家电，也称网络家电，是指将微型计算机和通讯技术融入到传统的 家用电器中，使之智能化并具有网络终端的功能，可以随时随地的获取与处理信 息。网络家电的重要特征是可以通过互联网双向传递数字信息，因此它是网络上 的家电，而不是p c 的外设。网络家电应具有一定的智能，并且支持某种统一的、 标准的通信协议，能够互相访问。信息家电将带来三方面的好处： ( 1 ) 家庭内部所有的网络家电构建成一个家庭内部网，便于对各种智能型家 电设备的集中控制和管理； ( 2 ) 使用者可通过手机或p c 机上的w e b 浏览器对家电进行远程控制； ( 3 ) 家电制造商可通过i n t e r n e t 对售出的产品进行监控。具体来说，网络家电 通过互联网实现人和家电之间智能化的双向交流，家电既可以按照主人设定的模 式运行，也可以在一定条件下完全智能化运行，更好地提高主人的生活水平。 信息家电可以实现主动服务，自动进行故障检测，并将故障信息及时反馈给 制造商服务中心，进行网上诊断，实现远程维护。网络家电与社会安全网络相连 第t 章绪论 后，家中的火警、匪警、煤气泄漏等信息可自动传到公安消防系统和社区服务中 心。如果与社区服务网相连，可以实现水、电、气等费用的自动缴付。此外，网 络家电还可下载不断更新的洗衣程序和烹饪程序等，从而使家电不断升级更新。 信息家电有着广阔的发展空间，但是仍有许多因素制约着国内信息家电市场 的扩大，如市场上的产品虽然实现了较多信息家电的功能，但同时也增大了用户 的操作难度。另外高昂的操作系统软件许可费和硬件成本等也致使产品成本居高 不下。 随着以a r m 技术为代表的高性能、低成本的嵌入式微处理器的发展和l p v 6 技 术的成熟以及开源操作系统l i n u x 的强势发展，这必将降低信息家电产品的成本。 1 1 2 a r m 微处理器 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e , ) ，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。 a r m 公司是专门从事基于r i s c 技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供 应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯 片，世界各大半导体生产商从a r m 公司购买其设计的a r m 微处理器核，根据各 自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的a r m 微处理器芯片进 入市场。目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用a r m 公司的授权，因此既 使得a r m 技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降 低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。1 。 采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点： ( 1 ) 体积小、低功耗、低成本、高性能； ( 2 ) 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，兼容8 位1 6 位器件； ( 3 ) 大量使用寄存器，指令执行速度更快； ( 4 ) 指令长度固定； 到目前为止，a r m 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域。如工业 控制、无线通讯、网络应用、消费类电子、成像和安全、智能卡等领域。本系统 选用的就是s a m s u n g 公司的一款采用a 州9 2 叽内核的a r m 处理器。 1 1 3i p v 6 技术 虽然m v 4 的应用已经取得了巨大成功，但是仍有一些值得改进的地方：i p v 4 2 第1 章绪论 面1 临的最紧迫的问题是地址空间资源紧张，主要研究方向也定位在如何减少地址 空间的浪费并提高使用效率上；其他问题，例如选路、网络管理、配置及i p v 4 扩 展选项有时也与地址空间有关。i p v 6 中所作的改进体现在以下六个重要方面【4 l ： ( 1 ) 扩展地址空间 i p v 6 的地址结构中除了把3 2 位地址空间扩展到了1 2 8 位外，还对口主机可能获 得的不同类型地址作了一些调整。这意味着i p 可以继续增长而无需考虑资源的匮 乏，该地址结构对于提高路由效率有所帮助i p v 6 中取消了广播地址而代之以任意 点播地址。 ( 2 ) 简化报头格式 i p v 6 包括总长为4 0 字节的8 个字段( 其中两个是源地址和目的地址) 。它与 i p v 4 包头的不同在于，i p v 4 中包含至少1 2 个不同字段，且长度在没有选项时为2 0 字节，但在包含选项时可达6 0 字节。i p v 6 使用了固定格式的包头并减少了需要检 查和处理的字段的数量，这将使得选路的效率更高。包头的简化使得i p 的某些工 作方式发生了变化。一方面，所有包头长度统一，因此不再需要包头长度字段。 此外，通过修改包分段的规则可以在包头中去掉一些字段i p v 6 中的分段只能由 源节点进行：该包所经过的中间路由器不能再进行任何分段最后，去掉m 头校 验和不会影响可靠性，这主要是因为头校验和将由更高层协议( u d p 和t c p ) 负责。 ( 3 ) 增强对于扩展和选项的支持 在i f v 4 中可以在m 头的尾部加入选项，与此不同，口v 6 中把选项加在单独的 扩展头中。通过这种方法，选项头只有在必要的时候才需要检查和处理。为便于 说明，考虑以下两种不同类型的扩展部分：分段头和选路头。i p v 6 中的分段只发 生在源节点上，因此需要考虑分段扩展头的节点只有源节点和目的节点。源节点 负责分段并创建扩展头，该扩展头将放在i p v 6 头和下一个高层协议头之间。目的 节点接收该包并使用扩展头进行重装。所有中间节点都可以安全地忽略该分段扩 展头，这样就提高了包选路的效率。另一种选择方案中，逐跳( h o p - b y - h o p ) 选项扩 展头要求包的路径上的每一个节点都处理该头字段。这种情况下，每个路由器必 须在处理i p v 6 包头的同时也处理逐跳选项。第一个逐跳选项被定义用于超长口包 ( 巨型净荷) 。包含巨型净荷的包需要受到特别对待，因为并不是所有链路都有能 力处理那样长的传输单元，且路由器希望尽量避免把它们发送到不能处理的网络 上。因此，这就需要在包经过的每个节点上都对选项进行检查。 3 第1 章绪论 ( 4 ) 采用流标记 在i p v 4 中，对所有包大致同等对待，这意味着每个包都是由中间路由器按照 自己的方式来处理的。路由器并不跟踪任意两台主机间发送的包。因此不能“记住” 如何对将来的包进行处理。i p v 6 实现了流概念，其定义如r f c1 8 8 3 中所述：流指 的是从一个特定源发向一个特定( 单播或者是组播) 目的地的包序列，源点希望中 间路由器对这些包进行特殊处理。路由器需要对流进行跟踪并保持一定的信息， 这些信息在流中的每个包中都是不变的。这种方法使路由器可以对流中的包进行 高效处理。对流中的包的处理可以与其他包不同，但无论如何，对于它们的处理 更快，因为路由器无需对每个包头重新处理四。 ( 5 ) 增强身份验证和保密功能 r f c1 8 2 5 ( i p 的安全性体系结构1 描述了口的安全性体系结构，包括i p v 4 和 m v 6 。它发表于在1 9 9 5 年8 月，目前正在进行修改和更新。1 9 9 8 年3 月发表了一个 更新版i n t e m g t 草案。口安全性的基本结构仍然很坚固，且已经进行了一些显著的 改变和补充。i p v 6 使用了两种安全性扩展：口身份验证头( a i d 首先由r f c1 8 2 6 ( i p 身份验证头) 描述，而口封装安全性净荷( e s p ) 首先在r f c1 8 2 7 ( i p 封装安全性净荷 ( e s p ) 中描述。报文摘要功能通过对包的安全可靠性的检查和计算来提供身份验 证功能。发送方计算报文摘要并把结果插入到身份验证头中，接收方根据收到的 报文摘要重新进行计算，并把计算结果与a h 头中的数值进行比较。如果两个数值 相等，接收方可以确认数据在传输过程中没有被改变；如果不相等，接受方可以 推测出数据或者是在传输过程中遭到了破坏，或者是被某些人进行了故意的修 改。 封装安全性提供机制，可以用来加密口包的净荷，或者在加密整个口包后 以隧道方式在i n t e m e t 上传输。其中的区别在于，如果只对包的净荷进行加密的 话，包中的其他部分( 包头) 将公开传输。这意味着破译者可以由此确定发送主机 和接收主机以及其他与该包相关的信息。使用e s p 对口进行隧道传输意味着对 整个口包进行加密，并由作为安全性网关操作的系统将其封装在另一包中。 通过这种方法，被加密的口包中的所有细节均被隐藏起来。这种技术是创建虚拟 专用网( v p n ) 的基础，它允许各机构使用i n t e r n e t 作为其专用骨干网络来共享敏感 信息。 ( 6 ) 支持地址自动配置 4 第1 章绪论 i p v 6 地址配置可以分为手动地址配置和自动地址配置2 种方式。自动地址配置 方式又可以分为无状态地址自动配置和有状态地址自动配置2 种。 在有状态地址自动配置的方式下，主要采用动态主机配置协议( d h c p ) ， 需要配备专门的d h c p 服务器，网络接口通过客户机，服务器模式从d h c p 服务器 处得到地址配置信息。有状态自动配置的问题在于接及当前连接用户必须保持和 管理特殊的自动配置服务器以便管理所有“状态”，即所容许连的相关信息。对于 有足够资源来建立和保持配置服务器的机构，该系统可以接受；但是对于没有这 些资源的小型机构，工作情形较差【6 】。 在无状态地址自动配置方式下，网络接口接收路由器宣告的全局地址前缀， 再结合接 ：l i d 得到一个可聚集全局单播地址。无状态自动配置规程相对容易实 现。首先，如果使用i e e ee u i - 6 4 链路层地址，用户就可以确信自己的主机d 是 唯一的。因此，节点要完成的工作是确定自己的链路层地址并计算出e u i 6 4 地址， 然后确定自己的i p v 6 网络地址。向最近的路由器询问是确定网络地址的一种方法， 这就是i p v 6 中无状态自动配置的实现方式。使用无状态自动配置，节点可以很快 确定自己的口地址，而且一旦获得此信息，它就可以与d h c p 服务器交互以获得 所要求的其他网络配置值。实际上，d h c p v 6 很可能要依靠i p v 6 无状态自动配置 来简化某些情况下的状态配置f 6 】。 表1 1i p v 4 和i p v 6 的比较 比较项i p y 4l p y 6 地址空间2 3 2 约4 2 亿2 m ，数量非常庞大 地址头部复杂度复杂，2 0 个固定字段简单，7 1 2 个字段，可选扩展字段 安全性无，可选 内置安全性 移动口无，可选 内置支持 表示方式点分1 0 进钼点分1 6 进制 自动配置有限支持支持 广播，多播，任意播支持，支持，不支持不支持，支持，支持 i p v 6 的特点是可以无限制的为网络终端提供必不可少的i p 地址，使家用游戏 机、电视机等接入网络，这样同一个家庭内不光个人电脑，而且电子微波炉和空 调等所有家电都可以拥有一个口地址接入i n t e m e t 。 第1 章绪论 目前已经有公司推出了上网家电以及p d a 的i p v 6 协议堆栈( p r o t o c a l s t a c k ) ”e 3 i p v 6 ”：另外u i t r o n 4 0 版和v x w o r k s 版m v 6 协议堆栈开发也基本完成； 国外松下电器、日立公司都已经开发出来可以用手机控制的i p v 6 网络家电，日本 政府还专款投入、重点支持了一些项目，包括下一代网络标准p v 6 的制定；互联 网信息家电( 信息家电i p v 6 化) 的研究开发，国内很多高校和科研院所以及海尔、 康佳等家电厂家都已经展开了此项研究。 1 2i p v 6 信息家电系统方案设计 i p v 6 信息家电系统一般由客户机、交换机、网络终端和家电控制器组成。其 结构示意图如图1 1 所示： 图1 1 信息家电系统结构示意图 上图中客户机是远程用户和该系统的接口部分，任何一台连入互联网的p c 机均可作为客户机；网络终端模块接收来自网络的控制信息并通过r s 2 3 2 串口与 家电控制模块通信；家电控制模块连接家电的执行机构，它接收来自网络终端模 块的控制命令，并对家电进行操作以上各模块中，网络终端模块是信息家电系 统的核心，它使家电接入i p v 6 网络，并作为一个嵌入式w e b 服务器来响应客户 端的请求，完成控制信息在以太网口和串口之间的相互转换。 本文重点工作是设计出能完成在l p v 6 网络环境下可以通过互联网远程控制 家电的网络终端模块和家电控制器模块，后面几章将重点描述这两个模块的软、 硬件设计方法。 6 第1 章绪论 1 3 本文主要内容 本文主要讨论了i p v 6 信息家电系统的软硬件设计过程，主要内容包括： 第1 章绪论。阐述该领域的发展现状和i p v 6 网络家电的特点。 第2 章网络终端模块硬件平台的构建。详细阐述网络终端模块的硬件设计 过程，分别对每个模块作了详细介绍，着重描述了网络接口电路的设计过程。 第3 章网络终端模块软件平台的设计。对网络终端模块的软件设计过程做 出说明，包括嵌入式l i n u x 操作系统的移植过程、以及w e b 服务器的配置和应用 程序的编写，最后介绍了网络终端模块和家电控制器之间的串口通信协议 第4 章家电控制器模块的设计与实现。阐述了家电控制器模块的软硬件设 计过程以及抗于扰措施。 第5 章p v 6 信息家电网络的测试。讨论i p v 6 家电网络的组网以及测试。 第6 章结束语。总结本文所做的工作和研究结果，指出了系统尚待完善和 改进之处。 7 第2 章网络终端模块硬件平台的构建 第2 章网络终端模块硬件平台的构建 上一章讨论了信息家电的研究现状、发展趋势和相关技术，并描述了i p v 6 信息家电系统的方案，其中的网络终端模块是i p v 6 信息家电系统的核心模块，它 使家电具有t c p i p v 6 协议处理和网络接入功能，并内嵌一个w e b 服务器来响应 客户端的请求，完成控制信息在以太网口和串口之间的传输与转换。本章将从网 络终端模块的各个子模块出发，详细描述网络终端模块的硬件平台构建方法和抗 干扰措施。 2 1 网络终端模块电路的组成 网络终端模块电路主要包括电源及复位电路模块、c p u 模块、存储器模块、 以太网模块、串行口模块、u s b 接口模块、j t a g 模块等7 个部分，如图2 1 所 示，下面详细描述其主要模块的组成及功能。为了便于调试，网络终端模块在硬 件设计上采用了核心板和接口板相结合的设计方法，其中，核心板集成了a r m 微处理器、存储器和j t a g 模块，其余各模块集成在接口板上。 i 存储器模块l 仁号 电源及复位 电路模块 、 i 串行口模块i # 号 a i 强压 | u 鬣口微处理器 i 以太网模块b 爿 2 i j t a g 模块 图2 1网络终端模块示意图 2 1 1 电源模块 网络终端模块电路需要三种电压：5 v 、3 3 v 、1 8 v 直流电压，系统输入电压 为5 v ，经过t p s 7 6 7 d 3 1 8 内部电压变换后转换后可以输出3 3 v 和1 8 v 。其中， $ 3 c 2 4 1 0 内核工作电压为1 8 v ，其他各模块工作电压均为3 3 v 。电源模块电路如 图2 2 所示。 s 第2 章网络终端模块硬件平台的构建 v |；0 1 u lv1 8 5 2 3l i 6 l i n l o u t 2 4 3 l i nl o u t 2 8 e 3=c 5 i g n d1 r e s e t 4bia fd 0l u 】 l e n 2 占 v b 3 i 1 1 i f b ，n c ：1 7 1 2 2 l n2 0 u t 1 8 ：9 。 2 i n2 0 u t 2 2i - - 丰- - ! e 4 = = c 6 2 g n d2 r e s l r 向 d | u fd0 疆u 2 e n 丁p $ 7 6 7 d 3 l 辩 图2 25 v 转3 3 v 和1 8 v 电源转换模块电路 2 1 2 c p u 模块 c p u 模块采用三星公司的一款基于a r m 9 2 0 t 内核的1 6 3 2 位r i s c 嵌入式微 处理器s 3 c 2 4 1 0 ，内核工作电压1 8 v ，最高工作频率可达2 0 3 m h z ，主要面向手持 设备以及高性价比、低功耗的应用。芯片实现了 m m u ( m e m o r y m a n a g e m e n t u n i o 、 a m b a ( a d v a n c e dm i c r o c o n t r o l l e rb u sa r c h i t e c t u r e ) 总线和哈佛( h a r v a r d ) 高速缓存 体系结构。其中，m m u 主要用于管理虚拟内存；a m b a 总线是a r m 公司设计的 一种用于高性能嵌入式系统的总线标准；高速缓存由独立的1 6 k b 指令c a c h e 和 1 6 k b 数据c a c h e 组成。此外，s 3 c 2 4 1 0 还提供了丰富的外设接口，如l c d 控制器、 带触摸屏接口的8 通道1 0 位a d c 、4 通道具有外部请求引脚的d m a 、3 通道u a r t 、 2 通道s p i 、i i c 接口、i i s 接口、2 个主机接口的u s b 接口、4 通道p w m 定时器、看 门狗定时器、实时时钟、具有p l l 的片上时钟发生器和和s d r a m 和n a n dh a s h 控制器，可以很容易的实现本系统的功能而且便于今后功能扩展。 2 1 3 存储器模块 s 3 c 2 4 1 0 最大可支持i g b 的寻址空间，并且提供了多种存储设备接口，包括 r o m 、s r a m ，s d r a m 、n o rf l a s h 、n a n df l a s h 等。同时s 3 c 2 4 1 0 的外接存储 空间被分为8 个b a n k ，每个容量为1 2 8 m ，b a n k n ( n 从0 到7 ) 所对应的地址空间为： n * 1 2 8 到( n + 1 ) * 1 2 8 m 1 。$ 3 c 2 4 1 0 的存储控制器有下面的特点： ( 1 ) 小，大端可以通过软件选择，主要针对内存的起始位置； ( 2 ) 共有8 个存储器b a n k ，每个b a n k 的寻址空间为2 5 6 m b ，其中6 个用于r o m 、 s r a m 型存储器，另外两个可以用于r o m 、s r a m 以及s d r a m ，$ 3 c 2 4 1 0 芯片的 9 第2 章网络终端模块硬件平台的构建 n g c s o - n g c s 7 弓l 脚，分别对应8 个b a n k ； ( 3 ) 7 个固定的存储器起始地址，最后一个b a n k 的起始地址可以调整； ( 4 ) 除b a n k 0 夕 - 的所有b a n k 都是可编程访问大小，包括8 、1 6 、3 2 位。 本文所设计的网络终端模块电路具有3 2 ms d r a m 以及1 6 mn o r 型f l a s h r o m 。其中，f l a s hr o m 用来存储操作系统l i n u x 的内核、根文件系统以及应用程 序，s d r a m 用于为操作系统的运行提供必要的堆栈空间和应用程序的运行空间。 片外程序存储器在设计中采用的是n a n d n o rf l a s h 的双启动模式，即既可 以从性价比很高的n a n d 型f l a s h 启动，也可以从支持快速启动的n o r 型f l a s h 上启 动，设计上用户可以通过跳线来设置启动方式以满足不同应用场合。其中，n a n d 型f l a s h 选用的是s a m s u n g 公司的闪存芯片k 9 f 5 6 0 8 ，它最大访问时间为7 0 n s ，容 量2 m x 8 b i t ，4 8 - p i n t s o p 封装。芯片具有较低的功耗，读电流9 m a ，写电流1 5 m a ， s t a n d b y 时2 0 0 h a 。n o r 型f l a s h 选用的是i n t c l 公司的闪存芯片e 2 8 f j l 2 8 j 3 a ，它最 大访闯时问为7 0 n s ，容量2 m x 8 b i t ，5 6 - p i nt s o p 封装。s 3 c 2 4 1 0 片内继承了n a n d 控制器，使用时n f c e 引脚接f l a s h 芯片的片选信号。 片外数据存储器采用的是s y n i x 公司的s d r a m 芯片h y 5 7 v 2 8 1 6 2 0 ，它的最大 访问时问7 0 h a ，容量4 b a n k x 2 m x l 6 b i t ，5 4 - p i nt s o p 封装。s t a n d b y 模式时典型功 率2 u w ，正常工作时5 0 m w ，所有输入输出和t t l 兼容。可以进行备份电池，在系 统掉电时保持数据。为了便于系统功能的扩展，在设计中使用了两片 h y 5 7 v 2 8 1 6 2 0 组成了3 2 位3 2 m b 的s d r a m ，$ 3 c 2 4 1 0 的n g c s 6 接s d r a m 的片选 端，并加入了电池保护电路，即在系统掉电之后，有板载电池对s d r a m 内的数 据进行保持，防止数据丢失。这样，系统的配置参数可以存放在s d r a m 上。 图2 3 存储器模块电路 l o 第2 章网络终端模块硬件平台的构建 2 1 4 以太网模块 以太网模块选用d a v i c o m 公司的以太网接口芯片d m 9 0 0 0 a e 。它带有通用 微处理器接口，支持1 0 0 b a s e t x 和1 0 b a s e - t 接口模式，可根据需要由用户调节 网络传输速率，选择全双工或者半双工工作模式以及设定是否采用自协商模式。 封装方式为l q f p 4 8 ，工作电压为3 3 v 。 d m 9 0 0 0 a e 具有自动协商和并行检测功能。上电以后，d m 9 0 0 0 a e 读取它的 设置引脚来检查它的被动操作设置。如果没有设置成被动模式，那么它就用自动 协商来检测芯片的操作环境。如果另一侧的物理设备支持自动协商连接，那么 d m 9 0 0 0 a e 使用快速连接脉冲进行自动协商。 d m 9 0 0 0 a e 内部集成了标准i e e e s 0 2 3 定义的m a c 和p h y ，可以简化电路 设计，也使电路工作更稳定。芯片上的l e d i 和l e d 2 引脚可以驱动l e d 指示器， 两个l e d 可以分别显示连接速率、连接状况等工作状态参数。 d m 9 0 0 0 a e 发送和传输数据需要l ：l 的比例。本文采用b e lf u s e 公司的单端 口隔离变压器s 5 5 8 5 9 9 9 t 7 ，主要完成对信号的整形和滤波，它符合所有 i e e e 8 0 2 3 标准，包括采用8 m a 偏流的3 5 0 u h o c l ，隔离电压达到1 5 0 0 m s ，使用 它后便于数据在u t p 5 电缆线路上进行快速以太网传输。图3 3 是以太网模块的电 路，其中d m 9 0 0 0 a e 的中断输入引脚接$ 3 c 2 4 1 0 的外部中断引脚e i n t 0 ，d 0 - d 1 5 引脚接系统数据总线的低1 6 位。 图2 4 以太网模块电路 以太网控制器要在网络上正常工作，需要有唯一物理地址，即m a c 地址，是 6 4 字节的硬件地址，它是在单个网络内部对以太网硬件进行寻址时所使用的地 第2 章网络终端模块硬件平台的构建 址，这个地址可以在程序中进行设置，也可以采用专门的存储器来存储。本设计 中的m a c 地址保存在系统的f l a s h 中，由用户在移植d m 9 0 0 0 a e 的驱动程序时 定义。 2 1 5 串行口模块 s 3 c 2 4 1 0 内部集成了三个全双工串口，即串口o ，l ，2 ，和外部r s 2 3 2 设备接 口时，为了实现电平匹配，需要外接收发器，负责将c p u 输入输出端口的t t l 电 平转换为符合r s - 2 3 2 标准的电平。在设计中采用的收发器是m a x i m 公司的 m a x 3 2 3 2 ，1 6 - p i ns s o p 封装，供电电压+ 3 3 v ，符合e 1 a f r i a 5 6 2 标准，具有4 个 发送端、4 个接收端，确保和r s - 2 3 2 接口的互操作性。在设计中使用t s 3 c 2 4 1 0 的串口0 和串口1 。 串行口模块的功能主要包括两点： ( 1 ) 在程序调试时，它可以和计算机通信，实时反映系统工作状态： ( 2 ) 便于实现了家电之间相互访问，如果两个家电要相互访问，通过串口接 入计算机，利用l i n u x 的虚拟终端可以非常便捷的实现f r p 、t e l n e t 、t c p 通信。 本网络终端模块提供了两个串行口使用，其中串n o 可以外接计算机，用于 系统调试阶段和用户登录，其外部接口为d b 9 f ：串口l 外接家电控制器，用于网 络终端模块和家电控制器模块的通信，它是系统的主要控制接口，外部接口为 d b 9 m 。 i ， l 斗l | | 7 冬杀 一 j t f一斗 l 丽 一l 一 + 士n ii i) 山4 l i l 一 卜 i i i ut ，d 1 t r n t d 1 - r d e | l o l i l 。 ) o q - d o ) 1 d 1 矗n l i 一一 + 一u lh + 寸一 i 一 t _ 爿 h j u + 寸十 _ 图2 5 串行口模块电路 1 2 第2 章网络终端模块硬件平台的构建 2 2 抗干扰措施 为了满足e m i 、e s d 的需求，并使网络终端模块稳定工作，针对高速信号有 一套完善详细布线规则，这个规则可以减少高速信号电路的噪声，并且在内部电 路和外部环境间提供了屏蔽机制。下面将详细讨论这个基本的布线规则： ( 1 ) 确保所有的器件满足器件清单的要求； ( 2 ) 在电源和地层间使用大电容减少噪声； ( 3 ) 严格按照设计和布线规则操作，尤其是差分信号； ( 4 ) 在信号层上没有布线的地方覆铜，并且将其连接到附近的地上； ( 5 ) 对长的导线为了阻止映射要提供阻抗匹配； ( 6 ) 用2 2 1 k 欧姆的电阻连接地和r b i a s ，这样可以正常配置内部参考电流， 要注意使该电阻靠近d m 9 0 0 0 a e ； 仍在隔离变压器下尽量避免走电源和地线，在变压器和1 u - - 4 5 间布保护地， 在d m 9 0 0 0 a e 和变压器之间避免布高频信号线路： ( 8 ) 时钟线尽量短，时钟线应靠近覆铜地布线，尽量减少过孔使用； ( 9 ) 在隔离变压器和l u 4 5 接口问搭建b o bs m i t h 结做负载，如图2 6 所示： i ili l i li l ； = 崩譬 2 | i 辨- l -氅 一 + 卜 露崽萼 葺 j i | i 趟 矗+ j + _ | | 三# 一 l # 眶_ + ；1 4 l l 一f蝰f中一r鞋_ r l ，； f 妻 1 章l 暮 ! l ； 礤讳= = ! 二 尘# 一 i ， 工量： r x + # 薛+ 告； 辩rj h cl 1 妻 l 丰0 一i - _十h ：。啦士 二 ，：i l7 ， c 卜；品 _ 警 i 1 2 日h i ， 一b j 一 l r i li 斗f 一一 l l 麟 l1 1 i + 器卜 f 并一二 刊+ 卜+ 七一 _n f 一一了_ iin 日 l 墓 ii ii il ll iil ；。 | | 簿艚| i i l l i i f 2ff 骘r 丰 h 鹳l li 。陋i - 一 l “一一 l i # 啦敲抖卜 1 ； l i 1i l - ；i il t 丁li 图2 6b o b s m i t h 负载 针对r j 4 5 没有使用的4 个信号和变压器差分信号中间没有使用的抽头可以 使用b o bs m i t h 负载，这种电路可以提高e m i 和e s d 效果。b o bs m i t h 负载 由两部分组成，其中一个电路对没有使用的双绞线接口提供负载，连接到两个7 5 第2 章网络终端模块硬件平台的构建 欧姆的电阻和0 0 0 l u f 、2 k v 的电容，电容可以对噪声信号放电。 通过以上各模块的设计和调试，完成了网络终端模块的硬件设计，其实际电 路如图2 7 所示。 2 3 本章小结 本章主要描述了网络终端模块五个主要组成部分的设计过程，分别是c p u 模 块、存储器模块、以太网模块、串行口模块、电源模块，然后从电路稳定性设计 的角度详细讨论了有关布线、调试、驱动、测试等方面的问题。 图2 7 网络终端模块实际电路 1 4 第3 章网络终端模块软件平台的设计 第3 章网络终端模块软件平台的设计 上一章讨论了网络终端模块的硬件平台构建方法，本章将结合硬件平台的结 构特点，讨论网络终端模块的软件设计。本章利用嵌入式l i n u x 操作系统和w e b 编程技术，在网络终端模块上移植嵌入式l i n u x 操作系统，并在其上构建了一个 小型w e b 服务器，以使网络终端模块可以和远程客户端进行交互，以便对家电 进行控制和实时获取家电的工作状态参数。 3 1 嵌入式操作系统的选用 基于a r m 平台的软件设计一般需要先选择一个合适的嵌入式操作系统才能 实现充分发挥其性能。嵌入式操作系统是专门负责管理存储器分配、中断处理、 任务调度等功能的软件模块，是用来支持嵌入式应用的系统软件，是嵌入式系统 极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动程序、系统内核、设备驱 动接口、通信协议、图形用户界面( g u d 等嘲。 从20 世纪8 0 年代开始，市场上出现各种各样的商用嵌入式操作系统，这些 操作系统大部分都是为专用系统开发的，现在逐步演化成了多种形式的商用嵌入 式操作系统百家争鸣的局面。这些操作系统有v x w o r k s ，n o m f l e u s ，p s o s ，q n x ， l i n u x 和w i n c e 等。 在本课题中选用的是嵌入式l i n u x ( e m b e d d e dl i n u x ) 。嵌入式l i n u x 操作系统 是指对l i n u x 操作系统经过小型化裁剪后，能够固化在容量只有几百k 字节或几 m 字节的存储器芯片或单片机中，应用于特定嵌入式场合的l i n u x 操作系统。 l i n u x 作为嵌入操作系统具有其他操作系统所不具备的优势： ( 1 ) 免费操作系统 大多数操作系统如v x w o r k s ，w mc e 等有很高的使用许可费，而l i n u x 是一 个免费软件。 ( 2 ) 开放源码，软件丰富 l i n u x 是开放源代码的自由操作系统，它为用户提供了最大限度的自由度， 由于嵌入式系统千差万别，往往需要针对具体的应用进行修改和优化，因而 获得源代码就变得至关重要了。l i n u x 的软件资源十分丰富，每一种通用程序在 l i n u x 上几乎都可以找到，并且数量还在不断增加。在l i n u x 上开发嵌入式应用 l s 第3 章网络终端模块软件平台的设计 软件一般不用从头做起，而是可以选择一个类似的自由软件作为原型，在其上进 行二次开发。 ( 3 ) 模块化内核设计高效稳定 l i n u x 内核的高效和稳定已经在各个领域内得到了大量事实的验证，l i n u x 的 内核设计非常精巧，分成进程调度、内存管理、进程闻通信、虚拟文件系统和网 络接口五大部分，其独特的模块机制可以根据用户的需要，实时地将某些模块插 入到内核或从内核中移走。这些特性使得l i n u x 系统内核可以裁剪得非常小巧， 很适合于嵌入式系统的需要。 ( 4 ) 完善的网络功能和文件管理机制 l i n u x 支持几乎所有的网络协议和网络接口，在网络嵌入应用中，可以直接 使用这些协议而缩短开发时间。此外，l i n u x 还支持j f f s 2 , r o m f s 等文件系统， 这些都为开发嵌入式系统应用打下了很好的基础。 ( 5 ) 开发工具灵活方便 开发嵌入式系统的关键是需要有一套完善的开发和调试工具。传统的嵌入式 开发调试工具是在线仿真器( i n - c i r c u i te m u l a t o r ，i c e ) ，它通过取代目标板的微 处理器，给目标程序提供一个完整的仿真环境，从而使开发者能够非常清楚地了 解到程序在目标板上的工作状态，便于监视和调试程序在线仿真器的价格非常 昂贵，而且只适合做非常底层的调试。嵌入式l i n u x 系统的开发则不同，一旦软 硬件能够支持正常的串口功能时，即使不用在线仿真器也可以很好地进行开发和 调试工作，从而节省了一笔不小的开