（通信与信息系统专业论文）基于arm的嵌入式环境监测系统的软件设计.pdf

中文摘要 温湿度的检测在一些生产制造行业起着举足轻重的作用，广泛应用于社会生 活的各个领城，适用于家电、食品、汽车、材料、电力电子等行业，尤其在石油、 化工、电力、冶金等重要工业领域，对温湿度的测量和监控是非常重要的一个环 节，对于保证产品生产质量具有重要的现实意义。所以生产出一个便携的、灵活、 操作简单、功能强大的环境监测系统具有非常重要的意义。 在国内监测仪器行列，技术相对比较落后，与国外一些先进的环境监测系统 相比，存在许多不足，不能满足当前对环境监测质量的要求。针对这种情况，提 出了本课题，本文探讨了一种以a r m 9 为硬件平台，采用嵌入式l i n u x 操作系 统的温湿度监测系统的研究和实现。 本文首先论述了环境监测系统的重要作用，以及国内温湿度监测仪存在的不 足之处，并根据需求对系统整体进行了分析和设计，旨在开发一个功能强大的基 于a r m 9 的便携式环境监测系统。该系统选择了$ 3 c 2 4 1 0 微处理器，代替了以 往功能单一的单片机，丰富的外围接口、较高的处理能力使得该系统功能更加完 善。同时引入了l i n u x 操作系统，实现任务，资源的合理调度。使用z i g b e e 无 线组网协议，开发大面积多测点的数据采集网络。网关通过串口跟嵌入式平台传 输数据，以m i n i g u i 为图形用户界面支持系统，s q l i t e 为数据库引擎，进行系 统的软件设计，从而实现采集数据的存储与显示。 本文简单介绍了软硬件平台的设计和方案和嵌入式系统的相关概念后，重点 论述了软件环境的建立、相关组件的的选择、以及嵌入式平台上应用程序的设计 和开发，最后，对论文和工作进行了总结和展望。 关键词： 嵌入式系统：l i n u x ；a r m 9 ；m i n i g u i ；s q l i t e a b s t r a c t m o n i t o ro ft e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y p l a y s ad e c i s i v er o l ei ns o m e m a n u f a c t u r i n g t h em o n i t o r i n gt e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di ns o c i a ll i f e ，f o re x a m p l e ， t h eh o u s e h o l da p p l i a n c e s ，f o o d ，a u t o m o t i v e ，m a t e r i a l s ，p o w e re l e c t r o n i c s ，e t c ， p a r t i c u l a r l yi nt h ep e t r o l e u m ，c h e m i c a l ，e l e c t r i cp o w e r , m e t a l l u r g y ，e t c i m p o r t a n t i n d u s t r i a la r e a s ，t h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lh a si m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ei n t h eq u a l i t yo fp r o d u c t s t h e r e f o r e ，t op r o d u c eap o r t a b l e ，f l e x i b l e ，s i m p l e ，p o w e r f u l e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gs y s t e mh a sv e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e g e n e r a l l y ，t h em o n i t o r i n gs y s t e mi nt h ed o m e s t i ci sr e l a t i v e l yb a c k w a r d a n d c o m p a r e dt os o m ef o r e i g na d v a n c e de n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g ，t h et e c h n o l o g ya n d f e a t u r e si sn o to fh i g ht e c h n i c a ll e v e l i no r d e rt os o l v et h e s ep r o b l e m s ，t h ep r o j e c to f d e v e l o p i n gm o n i t o r i n gd e v i c e sb a s e do na r m 9h a r d w a r ep l a t f o r ma n de m b e d d e d l i n u xo p e r a t i n gs y s t e mi sp r o p o s e d t h ep a p e rf i r s td i s c u s s e st h ei m p o r t a n c eo fe n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gs y s t e m ， a n dt h ed e f i c i e n c i e so ft h ei n t e r n a lt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ym o n i t o re x i s t b a s e do n t h ea b o v ed e f i c i e n c i e st h i sp a p e rf o c u s e so nd e v e l o p i n ga p o w e r f u lm o n i t o r i n gs y s t e m t h ee m b e d d e ds y s t e mw a sd e s i g n e dt a k i n g $ 3 c 2 410m i c r o p r o c e s s o ra st h ec o r e c o m p a r e dw i t ht h es i n g l e - c h i pm i c r o c o n t r o l l e r ，t h i sh a s f a s tp r o c e s s i n gs p e e da n dr i c h i n t e r f a c e s ，h i 曲p r o c e s s i n gc a p a b i l i t y a tt h es a m et i m e ，l i n u xo p e r a t i n gs y s t e mi s u s e d ，a n dz i g b e ew i r e l e s sn e t w o r k i n gp r o t o c o lm a k et h em e a s u r e m e n to fl a r g ea r e a m u l t i - p o i n td a t ac o l l e c t i o nc o m et r u e g a t e w a yt r a n s m i t sd a t aw i t ht h ee m b e d d e d p l a t f o r mt h r o u g ht h es e r i a l a n dm i n i g u ii su s e df o rt h eg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e s u p p o r ts y s t e m ，s q l i t e f o rt h ed a t a b a s ee n g i n e t h i sp a p e rf i r s td e s c r i b e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep l a t f o r m , a n dt h e n i n t r o d u c e dt h eb a s i cc o n c e p t so fe m b e d d e ds y s t e m ，f o c u s e so nt h e e s t a b l i s h m e n to fa s o f t w a r ee n v i r o n m e n t ，t h ec h o i c eo ft h er e l e v a n tc o m p o n e n t s ，a sw e l la st h e a p p l i c a t i o ns o f t w a r ed e s i g n , f i n a l l y ，t h es u m m a r ya n do u t l o o ko ft h i sw o r ka r eg i v e n k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；l i n u x ；a r m 9 ；m i n i o u i ；s q l i t e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤注盘堂或其他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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学僦文储虢膏砗签字魄卅年e 月，同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 蟊筵年 1l 导师签名： pz 勺q 中 乙、 签字同期： 砷年6 月 lr 签字r 期：上。9 年6 - 月， 同 第一章绪论 第一章绪论 本章就目前国内的温湿度监测仪的发展现状做了简单的介绍，从这些仪器仪 表的不足之处入手，并对照了国外先进仪器的特点，提出了改进的方案，并根据 这些方案和需要，去设计一种新型的嵌入式无线多点温湿度检测系统。 1 1 研究背景及发展现状 随着以知识经济为特征的信息时代的到来，人们对仪器仪表作用的认识愈加 深入。作为工业自动化技术工具的自动化仪表与控制装置，在高新技术的推动下， 正跨入真正的数字化、智能化、网络化的时代。而温度，湿度作为两个常见的环 境参数，是工业生产过程中最普遍、最重要的工艺参数之一。对该参数的测量和 控制在工业生产中获得了广泛的应用，在工农业生产、国防、科研以及日常生活 等领域占有重要的地位：在工业控制方面，温湿度是一个重要的控制参数，尤其 在石油、电力、化工、冶金等重要的工业领域中，对温度的测量和监控是非常重 要的一个环节，对于保证产品具有重大的现实意义和理论价值【l 】；在农业生产过 程中，粮食、种子、蔬菜在储藏期间，对环境的要求很高，稍有疏忽就会使粮食 发霉变质或影响种子的芽率和长势，而粮食是人类赖以生存的保障，我国又是一 个人口众多的国家，所以粮食储备是人民和国家稳定发展的重要保障，因此保证 粮食种子品质的智能温湿度检测系统要应运而生【2 】；在医疗方面，环境的因素对 医疗效果的作用、以及对药品免于失效的作用也无处不在【3 】。还有在人们生活的 日常生活中，如大楼内应用温湿度监控系统，可使人体达到良好的舒适度，有利 于身体健康。等等应用表明温湿度的监测已经成为一种必然和需求。 随着工业和技术的不断发展，对温湿度测量的要求也越来越高，测量的范围 也越来越广，并且对其检测技术的要求也越来越高。因此，温度测量和测量技术 的研究成为当今很重要的研究课题。其主要发展趋势是：对测量超高温与超低温 的需求在逐步形成；对许多场合中的温度检测器有特殊要求，如防硫、防爆、耐 磨等性能要求：温度检测技术将会由点测温发展到线、面、甚至立体的测量。应 用范围从工业领域延伸到环境保护、家用电器、汽车工业及航天工业领域；温度 仪表向数字化方向发展。其最大优点是直观、无读数误差、分辨率高、测量误差 t j d 4 。 关于测量技术不是本文的重点，我们的侧重点在于监测仪器的设计。虽然温 第一章绪论 湿度控制系统在国内各行业的应用已十分广泛，但从生产的温度控制器来讲，总 体发展水平仍然不高，适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技 术还不十分成熟，同日本、美国、德国等先进国家相比有着较大的差距。 分析了国外成熟的温湿度控制器，都具有如下特点：人机接口模块大多采用 彩色液晶屏，强大便捷的显示操作功能；控制器存储容量大，可存储大量温湿度 数据；温湿度数据测量精度高；辅助功能多，如r s 2 3 2 串口通讯、u s b 通讯、 以太网通讯等，方便和p c 机的连接：部分产品小巧便于携带等。 此种类型的温湿度控制器国内生产较少。当今市场中温度控制成型的产品一 般以单片机为控制器，由于单片机处理速度慢、功耗低、功能少、更加重要的是 其r o m 和r a m 空间比较小，不能运行较大的程序，需要与具有强大的数据处理 能力和丰富软件资源的微机组成分布式系统，这些终端单元都具有分散性，独立 性，通信距离短，不便于系统的集中统一管理，不支持大数据量的备份，而且如 果系统要求对所检测温度的数据加以存储并随时可以查询历史数据的话，单片机 就很难满足这种要求。数据的存储和进一部的处理必须由上位p c 机来完成。并 且现有环境参数测控系统中，一般仅含有2 路的数据采集通道，测控参数比较单 一，不能满足目前高端用户和将来测控系统的发展要求。同时由于不能将采集的 数据实时地传输给主机进行相应的处理，所以并不是完全意义上的实时测控系 统，这也是现有测控仪器的最大不足之处。此外现有系统使用单片机控制各个模 块，这样系统不能同时多任务工作，当有一个外部中断时，单片机就会中断原有 的任务操作，转而执行外部中断请求，这是一种单任务单线程的工作模式，会造 成系统的工作效率低。另外现在的测控仪器的人机界面使用相对过时的液晶屏， 显得比较单一。而且在实际应用中，通常需要进行多点温度湿度监测，目前广泛 使用的是屏显式分散监测系统，整个系统单元仪器多，操作和观测都极不方便。 而且有时候的应用时会考虑到系统的扩展性以及布线带来的额外费用和麻烦【5 】【6 】 在这样的背景条件下，研制一套新型的嵌入式无线多点温湿度检测系统成为 了一种趋势。 1 2 研究目的及意义 随着网络技术、嵌入式技术和数据库技术的不断发展，将各种先进技术应用 在工业监测领域，使得系统功能更丰富、性能更稳定已经成为可能。针对环境参 数要求比较高的生产制造行业，为了更好的解决目前环境监测技术方面存在的问 题，本课题提出了一种基于嵌入式a r m 9 和l i n u x 操作系统的多通道环境参数 2 第一章绪论 监测仪的研究方案。该课题是天津市星望科学仪器有限公司在积极推广基于单片 机的t h p 2 0 0 0 系列温湿度记录仪的同时，着手与天津大学共同开发新一代的环 境监测仪。 在本课题的设计方案中，针对现有的温度监控系统的诸多不足之处，提出了 新的先进的系统构架，有了相当大的提高。首先，本方案里设计有有线和无线数 据采集模块，基于无线传感器网络的温度监测系统，具有快速展开、稳定可靠、 可维护性好等特点，可用于不方便采用有线网络的场所，省去了布线的繁琐与费 用。整个数据采集网络由若干个无线传感器节点组成，其中，无线传感器节点分 布于所要监测的区域，负责对温度的采集和预处理，并通过无线信号发射出去， 网关负责收集数据，并把它通过串口传输给嵌入式平台，然后对数据进行综合处 理。这样解决了现实使用中多测点的问题。这是本系统的一个显著特点；其次， 本系统采用了a r m 微处理器，a r m 较之于传统的单片机，提供一种嵌入式应用 的有效的解决方案，以其成熟的结果标准，有效的3 2 位r i s c 结构，优秀的代码 密度，可能的低成本，执行高度稳定等特性，成为市场所认可，现在国内外很多 温度控制系统采用a r m 作为处理器，提供了有价值的参考【7 1 ，并植入嵌入式操作 系统，操作系统的最主要的优势是同时多任务的工作，系统地多个线程可以在操 作系统的维护和管理下，按照既定的协议有条不紊的进行，而不相互干扰，大大 利用了硬件资源，提高了利用率。再次，极大地改善了人机界面接口，丰富了用 户视觉感受，通过l c d 显示，使用户的监控更加方便和直观。最后，用户不仅可 以在p c 机上对历史数据或者实时数据进行查询，还可以在下位机上进行查询。 总之，针对国内目前监测仪器普遍存在的不足，新的设计方案提出了更先 进的系统构架，同时在功能上比原有的产品有了更大的提升。本嵌入式系统的开 发更加符合行业仪器高精度、小型化、一体化便携式和节约型以及网络化的发展 趋势。 1 3 总体方案及研究内容 1 3 1 系统整体框图 本课题设计的是集多点数据采集、处理、存储备份、数据显示等功能于一体 的便携式温湿度监测仪。监测系统主要由3 部分组成，现场数据采集，数据存储 管理和数据显示。 无线传感器网络用于采集监控数据，并与嵌入式网关进行实时通信，通过 r s 2 3 2 串行口将数据送给嵌入式系统。嵌入式系统将采集到得数据进行处理，转 第一章绪论 化成实际物理量形式后存入s q l i t e 嵌入式数据库相应的资料表中，并通过l c d 实时显示。l c d 显示的不仅是实时数据，还可以根据客户需求查看历史数据， 查看报警数据，同时还可以查看z i g b e e 无线网络的路由结构，同时，还具备初 始化数据库的功能。 简单的系统框架如下图1 1 所示： 图1 1 简要嵌入式系统框图 在主要器件的选择上，考虑到系统对实时性、大量数据的处理能力、扩展接 口、功能完善、资料来源丰富等各方面的要求，采用的是$ 3 c 2 4 1 0 微处理器。 比较了一下目前主流的嵌入式操作系统，由于l i n u x 源码开放、内核可裁减等种 种特性，最后选了通用的l i n u x 2 4 内核来构建嵌入式操作系统。通信主要提供 串口通信和u s b 通信两种方式。数据的存储采用s q l i t e 嵌入式数据，选用 m i i l i g u i 实现嵌入式图形界面，数据通过l c d 屏显示，以键盘和鼠标作为系统 的输入。 4 第一章绪论 1 3 2 研究内容 本课题的研究内容大体根据系统结构分为几个部分，其中涉及到软硬件和无 线通信各个领域。开发板内核的移植等工作师兄师姐们已经完成，简单来说接下 来需要做的是利用z i g b e e 无线组网技术来实现多点数据采集，并最终能在开发 板上实时显示。 笔者主要研究用户软件开发，该软件的运行是基于嵌入式操作系统平台，设 计内容主要是图形用户界面程序，并涉及到数据库的使用，以及读取串口等方面 的设计，最终与数据采集模块共同工作，实现以下主要功能： 1 、数据采集：能够通过有线、无线两种工作方式采集多个节点数据，并将数 据处理成规范的形式以便显示和存储； 2 、处理数据：将收集到的数据包，处理成实际的物理量，包括温湿度信息、 节点的地址信息等； 3 、数据实时显示功能：通过l c d 查看实时数据； 4 、数据查询功能：用户可以根据需求查找相应节点和时间段的历史数据，通 过表格和曲线显示； 5 、超限报警功能：用户设置温湿度上下限，可以查询给定时间段的异常数据； 6 、数据存储、删除功能：所有数据都能保存在数据库中，以便保存和备份。 对于不需要的数据可以将其删除。 1 4 章节安排 本论文各章节主要内容概述如下： 第一章：从分析国内外环境监测系统的发展情况入手，简要地阐述了本课题 的研究意义和研究内容，并概括了系统设计的总体方案以及主要工作任务和本文 的章节安排情况。 第二章：本章是嵌入式系统综述部分，综述嵌入式系统的定义、发展历史、 技术特点与发展前景等。对嵌入式处理器进行了简单的介绍。论述了嵌入式操作 系统在嵌入式系统中的地位和作用，并对主流的嵌入式操作系统做了简单的介 绍。特别论述了l i n u x 作为嵌入式操作系统的优势。 第三章：主要介绍系统硬件开发平台以及软件系统的设计方案，首先根据第 二章的理论，对嵌入式操作系统进行了选择。并介绍了l i n u x 下典型的g u i 平 台和数据库，并做了相应的比较，以上内容是本文研究的理论基础，为后面章节 的研究提供了知识准备，最后通过比较结合即定的实验条件，确定课题开发和运 第一章绪论 行的软件平台。 第四章：根据系统硬件特点和所选择嵌入式l i m r x 系统以及相关组件，论述 了相关组件的安装、编译、移植、制作交叉开发环境，为应用程序的开发做好铺 垫。 第五章：本章是具体软件设计和实现部分，重点论述了图形用户界面设计方 案以及数据存储方案。并附实验结果。 第六章：总结和展望部分，对全文的研究工作进行总结，指出了其中的不足 之处，为后续工作指明了方向。 6 第二章嵌入式系统 第二章嵌入式系统 本章简要介绍嵌入式系统的基本知识，这些知识是嵌入式系统开发与设计的 基础，主要包括嵌入式系统的基本概念和发展，特点和结构，嵌入式处理器的分 类和选择以及嵌入式操作系统的基本概念，为后续工作打好理论基础。 2 1 嵌入式系统简介 计算机自1 9 4 6 年诞生以来，在近3 0 年的历史进程中，始终是作为实现数值 计算的大型昂贵设备。直到2 0 世纪7 0 年代，微处理器的出现，计算机才出现了 历史性的变化。微型计算机以其小型、价廉、高可靠性特点，可以将其嵌入到某 一个对象体系中，实现对对象体系的智能化控制。由此，就诞生了嵌入式系统。 经过三十多年的发展，嵌入式系统技术日臻完善，对其应用也不断上升到新的台 阶，尤其在最近几年，嵌入式系统得到了飞速的发展很广泛的应用，从日常用品 到工业生产、军事国防、医疗卫生乃至商业服务等方方面面，嵌入式系统的身影 已经无处不在。 2 1 1 嵌入式系统定义 从嵌入式的诞生发现，由于嵌入式系统要嵌入到对象体系中，实现的是对象 的智能化控制，因此，它有着与通用计算机系统完全不同的技术要求与技术发展 方向。它是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各行业的具体运用相 结合的产物。 i e e e 对嵌入式系统的定义是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备运 行的装置”( 原文为d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o r , o ra s s i s tt h eo p e r a t i o no f e q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 。这主要是从应用对象上加以定义，涵盖了软硬 件及辅助机械设备。不过上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的精髓，目前国 内一个普遍被认同的定义是：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【8 】o 7 第二章嵌入式系统 2 1 2 嵌入式系统的结构 嵌入式系统既然是一种专用的计算机系统，当然也可分为嵌入式硬件系统和 嵌入式软件系统。嵌入式系统的硬件部分，主要由嵌入式处理器、存储器及外设 器件和i o 端口、图形控制器等组成。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e p r o m 、e e p r o m 或 闪存( f l a s hm e m o r y ) 作为存储介质。软件部分主要包括嵌入式操作系统( 要求实 时和多任务操作) 和应用软件两个部分。在一些复杂的系统中，为了简化应用开 发，还提供了一个中间层。应用程序控制着系统的运作和行为。而操作系统控制 着应用程序编程与硬件的交互作用。自底向上包含有3 个部分，如图2 1 所示【9 】： 图2 1 嵌入式系统的基本结构 ( 1 ) 硬件平台：包括嵌入式处理器、存储器及外设器件和i o 端、图形控制器 等，其中嵌入式处理器在恰怒视硬件系统中处于核心地位。不同的应用通常有不 同的硬件环境。 ( 2 ) 硬件抽象层：也叫板级支持包，是一个介于硬件和软件之间的中间层次。 硬件抽象层通过特定的上层接口与操作系统进行交互，向下与硬件进行交互。 ( 3 ) 嵌入式操作系统：在早期的嵌入式系统中，由于系统的复杂性较低，这 时的嵌入式系统通常不使用操作系统，而是由应用程序直接控制和管理硬件。而 引入操作系统，可以完成嵌入式应用的任务调度和控制等核心功能，保证系统资 源被有效合理地使用，提高了软件的开发效率和可维护性。 ( 4 ) 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。不同的系统需要设计不同的嵌入式应用程序。 8 第二章嵌入式系统 2 1 3 嵌入式系统特点及应用 嵌入式系统诞生于微型机时代，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。因此，它可以认为是一种特殊形式的计算机系统，却与 通用型计算机系统又有所差异，相比具有以下特剧1 0 】： 1 、嵌入式系统是专用的计算机系统：它通常是面向特定应用的，具有很强 的专用性和多样性。系统中，它通常都具有低功耗、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 统设计趋于小型化，移动能力大大增强，与网络的耦合也越来越紧密。 2 、嵌入式系统是一个集成系统：它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。 3 、嵌入式系统的高效设计性：嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设 计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能 在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。 4 、嵌入式系统具有较长的生命周期：嵌入式系统和具体应用有机地结合在 一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市 场，具有较长的生命周期。 5 、嵌入式系统软件固化在非易失性存储器中：为了提高执行速度和系统可 靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在e p r o m 、f l a s h 等非易失性存储器中， 而不是存贮于磁盘等载体中。 6 、嵌入式系统需要专用开发环境和工具：嵌入式系统本身不具备自主开发 能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须 有一套开发工具和环境才能进行开发。 嵌入式系统自上世纪六十年代末期问世以来，先后经历了四个阶段，分别为： 以单片机为核心的低级嵌入式系统、以嵌入式微处理器为基础的初级嵌入式系 统、以嵌入式操作系统为标志的中级嵌入式系统、和以专i n t e m e t 为标准的高级 嵌入式系统。嵌入式系统具有高效性、稳定性、可靠性、节能性等特点，已经广 泛应用于智能产品( 智能仪表、智能和信息家电) 、工业自动化( 测控装置、数 控机床、数据采集和处理) 、办公自动化( 通用计算机中的智能接口) 、安全防范 ( 防火、防盗等报警系统) 、网络通信( 路由器、手机、p d a 等) 等各个领域。 极大地便利了我们的生活。嵌入式的应用将会日益普遍，渗透到生活、生产、科 研等各个领域。 9 第二章嵌入式系统 2 2 嵌入式处理器 2 2 1 嵌入式处理器简介 嵌入式处理器是各种面向用户、面向产品、面向应用的嵌入式系统的核心部 件。从其应用角度来划分，嵌入式处理器主要可以分成下面四类】： ( 1 ) 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 嵌入式微处理器是由通用计算机中的c p u 演变而来的。它的特征是具 有3 2 位以上的处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。但与通 用p c 微处理器不同的是，它是将微处理器装配在专门设计的电路板上，只 保留与嵌入式应用有关的功能，这样就以最低的功耗和资源实现了嵌入式 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。 嵌入式微处理器可分为c i s c ( 复杂指令集计算机) 和r i s c ( 精简指令集 计算机) 两类，这是目前设计制造微处理器的两种典型技术，它们都是试 图在体系结构、操作运行、硬件软件、编译时间和运行时间等诸多因素中 做出某些平衡，以求达到高效的目的，只是采用的方法不同，具体差异我 们可查阅相关资料【1 2 1 。 目前主要的嵌入式处理器类型有p o w e rp c 、a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c 4 0 0 、 m 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 i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 嵌入式微控制器的典型代表是单片机，就是将整个计算机系统集成到 一块芯片中。它从7 0 年代末单片机出现到今天，虽然已经经过了2 0 多年 的历史，但这种8 位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的 应用。单片机芯片内部集成r o m e p r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、定时 计数器、看门狗、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 等各种必要功能和外设。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最 大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。 微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。由于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。为了适应不同的应用需 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 核都是一样的名不同的是存储器和外设的配置极封装。这样可以最大限度 地与应用需求相匹配，从而减小功耗和成本。 由于m c u 低廉的价格，优良的功能，所以拥有的品种和数量最多。比 l o 第二章嵌入式系统 较有代表性的包括8 0 5 1 、m c s 2 5 1 、m c s 9 6 1 9 6 2 9 6 、p 5 1 x a 、c 1 6 6 1 6 7 、 6 8 k 系列以及m c u8 x c 9 3 0 9 3 1 、c 5 4 0 、c 5 4 1 ，并且有支持1 2 c 、c a n b u s 、 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。 ( 3 ) 嵌入式d s p 处理器( 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 ，e d s p ) d s p 处理器是专门用于信号处理方面的处理器，d s p 对系统结构和指 令算法方面进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算法，具有很高的编译 效率和指令的执行速度。在数字滤波、f f t 、谱分析等各种仪器上d s p 获 得了大规模的应用。 推动嵌入式d s p 发展的一个重要冈素是嵌入式系统的智能化，如，各 种带有智能逻辑的消费类产品、生物信息识别终端、带有加密算法的键盘、 a d s l 接入、实时语音压缩解压系统等等。这类智能化算法一般运行量比较 大，而这些正是d s p 的长处所在。 目前最为广泛应用e d s p 有t m s 3 2 0 1 0 系列t m s 3 2 0 2 0 系列 t m $ 3 2 c 3 0 c 31 c 3 2 、t m $ 3 2 c 4 0 c 4 4 以及t m $ 3 2 c 8 0 c 8 2 等。 ( 4 ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 随着v l s i 设计的普及和半导体工艺的迅速发展，可以在一块硅片上实 现一个更为复杂的系统，这就是s o c 。s o c 追求产品系统最大包容的集成器 件，是目前嵌入式应用领域的热门话题之一。s o c 最大的特点是成功实现了 软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。而且s o c 具有极高的综合性，在一个硅片内部运用v h d l 等硬件描述语言，实现一 个复杂的系统。用户不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电 路板，一点点的连接焊制，用户只需定义出整个应用系统，仿真通过之后 就可以直接将设计图交付芯片厂商进行生产。由于绝大部分系统构件都是 在系统内部，整个系统就特别简洁，不仅减小了系统的体积和功耗，而且 提高了系统的可靠性，提高了设计生产效率。 由于s o c 虽然可以分为通用和专用的，但往往是专用的，所以大部分 都不为用户所知，比较典型的s o c 产品是p h i l i p s 的s m a r tx a 。少数通用系 列如s i e m e n s 的t r i c o r e ，m o t o r o l a 的m c o r e ，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。 2 2 2a 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 s ) ，既可认为是一个公司的名字，也可认为 是对一类微处理器的通称，还可认为是一种技术的名字。 第二章嵌入式系统 a r m 公司是一家知识产权( p ) 供应商，它本身不生产芯片，通过转让设 计方案由合作伙伴生产各具特色的芯片。作为3 2 位嵌入式r i s c 微处理器业界 的领先i p 核供应商，它为a r m 架构处理器提供了a r m 处理器内核和a r m 处 理器宏核，由各半导体公司在上述处理器内核或处理器宏核基础上进行再设计， 嵌入各种外围和处理部件，形成各种嵌入式微处理器。基于a r m 技术的微处理 器应用占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额，a r m 技术正在逐步渗 入到我们生活的各个方面。 a r m 处理器是一种低功耗、高性能的3 2 位r i s c 处理器，采用r i s c 架构的 a r m 处理器一般具备以下特点【1 3 】： 体积小、低功耗、低成本、高性能。 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好得兼容8 位1 6 位器件。 大量使用寄存器，指令执行速度更快。 大多数数据操作都在寄存器中完成。 寻址方式灵活简单，执行效率高。 指令长度固定。 a r m 技术的高性能、低成本和低功耗等特点使a m r 微处理器核技术广泛 用于各领域： 工业控制领域：基于a r m 核的微控制器芯片不但占据了高端微控制其 市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微处理控制器应用领域扩展，a r m 微控制器的低功耗、高性价比向传统的8 位1 6 位微控制器提出了挑战。 无线通讯设备：a r m 以其高性能和低成本，在无线设备领域占用巩固地 位，超过8 5 的无线设备都采用a m r 技术。 网络应用：随着宽带技术的推广，采用a m r 技术的a d s l 芯片正在获 得广泛使用，此外，a r m 在语音及视频处理上进行了优化，并获得广泛支持， 也对d s p 的应用领域提出了挑战。 消费类电子产品：a r m 技术目前在数字音频播放器，数字机顶盒和游戏 机等方面应用比较广泛。 成像和安全产品：使用a m r 技术的相机和打印机，手机中的3 2 位s i m 智能卡等都采用了a r m 技术。 a r m 微处理器目前包括以下几个系列的处理器以及其他产商基于a r m 体 系结构的处理器： a r m 7 系列 a r m 9 系列 1 2 第二章嵌入式系统 a r m 9 e 系列 a r m l 0 e 系列 a r m l1 系列 s e c u r c o r e 系列 i n t e l 的s t r o n g a r m i n t e l 的x s c a l e 除了具有a r m 体系结构的共同特点外，每个系列的a r m 微处理器都有各 自的特点和应用领域。其中，a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 e 为四个通用处 理器系列，每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同的应用领域的需求。 如a r m 7 低价、低能耗、封装式常规系统微型处理器，配有高速缓存、内存管 理、写缓冲和j t a g ，广泛应用于手持式计算、数据通信和消费类多媒体；a r m 9 、 a r m 9 e 、a r m l 0 e 系列则更适合无线设备、消费类电子产品的设计；s e c u r c o r e 系列专门为安全要求较高的场合而设计，例如，电子商务、电子政务、电子银行 业务等领域；i n t e l 的s t r o n g a r m 处理器性能很高，是便携式通信产品和消费类 产品的理想选择，已成功应用于多家公司的掌上电脑系列产品。i n t e l 的x s c a l e 是一款全性能、高性价比、低功耗的嵌入式微处理器，应用与数字移动电话、个 人数字助理和网络产品等场合。 2 3 嵌入式操作系统 操作系统( o s ，o p e r a t i n gs y s t e m ) 的基本思想就是隐藏底层不同硬件的差 异，向在其上运行的应用程序提供一个统一的调用接口。应用程序通过这一接口 实现对硬件的使用和控制，不必考虑不同硬件操作方式的差异。这样软件设计人 员就不必关心具体硬件的操作细节，能够专注于所擅长领域的开发。 操作系统主要完成内存管理、多任务管理和外围设备管理这三项任务。这三 项机制提供给应用程序者许多良好的特性。但是在嵌入式系统中并非必备，小型 系统可能并不需要操作系统，但是复杂的大型嵌入式系统通常会使用操作系统来 进行有效地管理。 由于编写一个操作系统来隐藏不同的硬件，并提供统一的编程接口，是一件 很困难的事，所以很多产品厂商选择购买操作系统，在此基础上开发自己的应用 程序，形成产品。事实上，因为嵌入式系统是将所有程序，包括操作系统、驱动 程序、应用程序的程序代码全部烧写进r o m 中执行，所以操作系统在这里的角 色更像是一套函数库。 如图2 2 所示f l l 】： 1 3 第二章嵌入式系统 系统界面 驱动程序 2 3 1 嵌入式操作系统概述 图2 2 操作系统示意图 在嵌入式操作系统是嵌入式应用软件的开发平台。大型嵌入式应用系统中， 为了使嵌入式开发更加方便、快捷，需要具备一种稳定、安全的软件模块集合， 用以管理存储器分配、中断处理、任务间通信和定时器响应，以及提供多任务处 理等，这就是嵌入式操作系统( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ) 。嵌入式操作系统 是嵌入到非易失性存储器中的软件，用户的其他应用程序都建立在嵌入式操作系 统之上。 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，例如，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、工具集等。但相对于通用 操作系统而言，嵌入式操作系统在系统实时高效性、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。 一般情况下，嵌入式操作系统可以分为两类，一类是面向控制、通信等领域 的实时操作系统( r t o s ，r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) ，是指操作系统本身要 能在一个固定时限内对程序调用( 或外部事件) 做出正确的反应，亦对响应时间 有严格要求。目前最重要的r t o s 主要包括：传统的r t o s ，如w i n d r i v e r 公司 的v x w o r k s 、q n x 系统软件公司的q n x 、a t i 的tc o s i i 等，还有就是嵌入 式l i n u x 操作系统，嵌入式l i n u x 在机顶盒、掌上电脑或p d a 、手机、车载盒、 1 4 第二章嵌入式系统 工业控制方面有着广泛的应用。另一类是面向消费电子产品的非实时操作系统， 即所谓的通用型操作系统，通用型操作系统的执行性能与反应速度比起实时操作 系统，相对没有那么严格。目前较知名的有m i c r o s o f t 的w i n d o w sc e 、p a l ms o u r c e 的p a l mo s 等，这类产品包括个人数字助理( p d a ) 、移动电话、机项盒、电子 书等。 2 3 2 嵌入式操作系统比较 据调查，目前国际上有两百多种嵌入式操作系统。下面介绍几种典型的嵌入 式操作系统【1 4 】【1 5 】： 1 ) l i n u x 嵌入式l i n u x 操作系统是目前最为流行的一款开放源代码的操作系统，从 1 9 9 1 年问世到现在，不仅在p c 平台，还在嵌入式应用中大放光彩。它本身所具 备的源码开放、内核可裁减等种种特性使其成为嵌入式开发的首选操作系统。在 进入市场的前两年中，嵌入式l i n u x 的设计通过广泛应用而获得了巨大成功。随 着嵌入式l i n u x 技术的成熟，定制需要的尺寸更加方便，同时支持更多的平台。 l i n u x 已从早期的试用阶段大步迈进到嵌入式市场的主流，7 0 以上的嵌入式开 发系统项目选择l i n u x 作为嵌入式操作系统。 2 ) 讹d o w s c e w i n c e 是由微软公司推出的嵌入式实时操作系统，但不是消减的w i n d o w s 版本。它是从整体上为有限资源