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东北大学硕士学位论文 摘要 嵌入式数码喷印机控制系统的软件研制 摘要 近几年来，大l 幅面喷绘市场发生了巨大变化，大幅面广告产品的应用越来越广 泛，己逐步渗透到包括广告、装饰、摄影等许多行业。随着大幅面广告打印技术 的不断成熟，喷绘机在全球范围得到迅速普及，特别是在我国的广告制作领域更 是得到革命性的应用。 喷印机是采用数字化压电技术在特制的基材上打印大幅面彩色广告画面的大 型设备。其中控制系统要完成数据传输，运动控制，喷头控制等功能，是非常关 键和重要的组成部分。控制系统的优劣直接影响到喷印机的喷印速度和精度。 本设备的控制系统采用华恒5 2 7 2 嵌入式开发板为主控制器，利用1 0 0 m b s 以 太网传输打印数据，使喷印机具有高速度，高分辨率，电机运行平稳，系统可靠 性高等优点，同时还可以进行远程访闯控制，可通过浏览器访问嵌入式上的w e b 服务器，对设备进行参数设置，系统维护和故障诊断。 本文的主要工作为嵌入式数码喷印机控制系统软件的研制，主要为5 2 7 2 嵌入 式主机的软件编程，包括s o c k e ts e r v e r ，电机运动控制，给喷头下载打印数据和控 制喷头点火时序等部分。本文详细介绍了嵌入式数码喷印机控制系统的研制过程。 首先介绍了嵌入式控制系统和嵌入式操作系统的概念和特点，详细介绍了本控制 系统采用的华恒5 2 7 2 嵌入式开发板和u c l i n u x 操作系统。然后介绍了控制系统的 系统组成，工作过程及其实现。其中重点介绍了控制系统软件的设计，编程与调试。 最后给出了系统的主要性能指标。另外，本文提出了对控制系统进行改进的建设 性意见。 关键词嵌入式系统u c l i n u x 操作系统喷印机控制系统运动控制s 曲线 s o c k e ts e r v e r - c l i e n t字符设备驱动x a a r l 2 6 喷头 i i 查! ! 垄堂翌主堂堡垒查 垒! ! ! ! ! 竺 t h es o f t w a r e d e v e l o p m e n t o fe m b e d d e d d i g i t a l p r i n t e rc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，t h e m a r k e to fl a r g es i z e p r i n t i n g h a sc h a n g e dd r a m a t i c a l l y a p p l i c a t i o no fl a r g es i z ea d v e r t i s e m e n tp r o d u c t si sg e t t i n gw i d e r , g r a d u a l l yi n v o l v i n g i n t om a n yf i e l d ss u c ha sa d v e r t i s e m e n t ，d e c o r a t i o n ，p h o t o g r a p h y , e t c w i t ht h em a t u r i t y o fl a r g es i z ea d v e r t i s e m e n tp r i n t i n gt e c h n o l o g y , t h ed i g i t a lp r i n t e ri sp e r v a s i v ei nt h e w o r l d e s p e c i a l l y i nt h ea d v e r t i s e m e n tf i e l do fo u rc o u n t r y , i ti s b e i n ga p p l i e d r e v o l u t i o n a r i l y d i g i t a lp r i n t e ri s al a r g ee q u i p m e n t ，u s i n gd i g i t a lp i e z o e l e c t r i c i t y t e c h n o l o g yt o p r i n th u g es i z eo f c o l o u ra d v e r t i s e m e n tp i c t u r e so n s p e c i a lm a t e r i a l s i t sc o n t r o ls y s t e m n e e d st of u l f i l lt h ef o l l o w i n gf u n c t i o n ：t r a n s m i t t i n gp r i n t i n gd a t a ，m o v m e n tc o n t r o la n d p r i n t e r c o n t r 0 1 t h ec o n t r o ls y s t e mi sav e r yk e ya n di m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h e p r i n t i n gm a c h i n e i t sp e r f o r m a n c e a f f e c t sp r i n t i n gs p e e da n d p r e c i s i o nd i r e c t l y t h i s e q u i p m e n t u s e sh h c f 一5 2 7 2e m b e d d e db o a r da sm a i nc o n t r o l l e ra n d t r a n s m i t st h ep r i n t i n gd a t ab y1 0 0 m b se t h e m e tn e t w o r k t h ep r i n t i n gm a c h i n eh a st h e v i r t u e so f h i 曲p r i n t i n gs p e e d ，h i g hr e s o l u t i o nr a t i o ，s t a b i l i z a t i o no f m o t o r m o v i n g a n d h i g hr e l i a b i l i t y b yb r o w s e r , t h ep r i n t i n gm a c h i n e c a nb ea c c e s s e da n dc o n t r o l l e df r o m l o n g d i s t a n c et h r o u g h t h ew e b - s e r v e rb u i l ti nt h ee m b e d d e db o a r d t h em a i nt a s ko ft h i sa r t i c l ei st h es o f t w a r ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e dd i g i t a l p r i n t e r c o n t r o ls y s t e m t h ed e v e l o p m e n tp r o c e s s e so ft h ee m b e d d e dd i g i t a l p r i n t e r c o n t r o ls y s t e ma r ei n t r o d u c e di nt h i sa r t i c l e f i r s t l y , t h ec o n c e p ta n dc h a r a c t e r i s t i c so f e m b e d d e ds y s t e ma r ei n t r o d u c e d h h c f - 5 2 7 2e m b e d d e db o a r da n du c l i n u xo p e r a t i n g s y s t e mu s e d i nt h i sc o n t r o l s y s t e m a r e e x p l a i n e d i n d e t a i l s e c o n d l y ，t h es y s t e m c o m p o s i n gp a r t s ，w o r k i n gp r o c e s sa n d r e a l i z a t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e ma r ei n t r o d u c e d t h es o f t w a r e d e s i g n i n g ，p r o g r a m m i n g a n dd e b u g g i n go ft h ec o n t r o l s y s t e m a r e i n t r o d u c e di nd e t a i l i nt h ee n d ，t h em a i np e r f o r m a n c ei n d e xo ft h ep r i n t i n gm a c h i n ei s g i v e n s o m e a d v i c e so nh o wt oi m p r o v et h ec o n t r o ls y s t e ma r ea l s og i v e n k e y w o r d se m b e d d e ds y s t e m ，u c l i n u xo p e r a t i n gs y s t e m ，p r i n t e rc o n t r o ls y s t e m ， m o v e m e n tc o n t r o lsc u r v e ，s o c k e ts e r v e r - c l i e n t ，c h a r a c t e rd e v i c ed r i v e r x a a r1 2 6 p r i n t e r - i i i 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 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 的说明并表示谢意。 本人签名：乒彳美 日 期：少叫。年1 月5 日 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 在喷绘技术出现之前，户外广告在广告市场的份额极小，一直被排斥在影视、 广播、报纸、杂志等主流媒体以外。其主要原因是制作手段原始，画面质量较差， 广告的效果连广告业主的基本要求都很难达到，更不要说满足美化城市环境的需 要了。 喷绘是采用数字化压电技术在特制的基材上大幅面打印彩色广告画面的过程， 从理论上讲喷绘技术可将任何平面图像无限制的放大。以满足任何巨大尺寸的需 求。喷绘具有使广告页面效果生动、画面逼真，操作控制简单，制作时间快捷，安 装、携带方便等优势。随着电脑喷绘技术在中国的普及，电脑喷绘制作己完全替 代过去的人工绘制，使广告画面形象逼真，色彩艳丽，并极大的增强了户外广告 的视觉冲击效果和价值，为近年来户外广告的高速发展创造了有利条件。 近几年来，大幅面喷绘市场发生了巨大变化，大幅面产品的应用越来越广泛， 已逐步渗透到包括广告、装饰、摄影等许多行业。随着大幅面打印技术的不断成 熟，喷绘机在全球范围得到迅速普及。特别是在我国的广告制作领域更是得到革 命性的应用。 沈阳飞行船数码喷印技术有限公司是国内首批从事数码喷印设备研发、生产的 公司之一，推出了国内第一批数码喷印机，但是与国外的同类产品相比，存在着 很多的不足之处。 上一代产品采用的是5 1 单片机作为主控制器，p c 机把打印数据直接通过并口 输出到打印系统主控制板上的f i f o 中，单片机用i o 口对f i f o 发出读信号，f i f o 的输出接喷头，同时单片机用1 0 口控制步进和伺服电机的运转。上一代产品有一 些难以克服的缺点； 1 p c 机的8 位并口往外送数本来就不快，在使用2 4 个喷头的情况下，还要把8 位并口线分时地往3 个f i f o 中下载数据( 一个f i f o 的输出接8 个喷头) ，这就 一下子使往喷头下载数据的速度降低到原来的三分之一。导致往f i f o 送打印数据 的时间很长，使喷头的点火频率只能达到3 k h z 。不能充分发挥喷头的功能。 2 5 1 单片机的晶振频率低，执行指令的周期长，发脉冲的频率上不去，直接影响 对步进和伺服电机的控制，为了获得步进和伺服电机较好的运行效果，需要提高 东北大学硕士学位论文第一章绪论 步进和伺服电机的每转步数，走同样的距离需要的脉冲个数也成倍增加，但是5 1 单片机发脉冲的频率上不去，使得走步进和伺服电机的时间也成倍增加，直接导 致喷印机总体喷印效率的降低。 3 p c 机的并口和主控制板之间的连线不能太长，而且在p c 机往f i f of 载扣 e f j 数 据时很容易受干扰。一旦受干扰就会直接导致打印数据的错误，影响所喷印的画 面质量。 喷印机的打印速度以单位时间的出画面积来衡量，打印精度( 分辨率) 用d p i ( 点每英寸) 来衡量，单位长度内的点数越多，d p i 越大，画面就越清晰。为了提 高打印精度，减少2 个点之间距离，必须提高喷头的点火频率。为了提高喷印机 的打印速度必须提高喷头的移动速度。 以上分析可以看出，必须采用一种新的控制系统来代替上一代的控制系统。在 新一代的控制系统中使用嵌入式开发板作为系统的主控制器，提高了数据传输的 速度和可靠性以及打印的精度和速度。 1 2 论文内容概述 本文主要介绍了嵌入式数码喷印机控制系统的开发过程，该系统采用嵌入式开 发板实现对喷印机的打印过程的控制。 本文首先介绍了嵌入式系统的概念，组成和分类以及嵌入式操作系统，并介 绍了本控制系统所采用的华恒h h c f 5 2 7 2 开发板和u c l i n u x 操作系统。接着本文介 绍了控制系统的系统组成，工作过程及其婪；现。重点介绍了控制系统软件的设计， 编程与调试。最后给出了系统的主要性能指标。另外，本文从软件编程方面提出 了对控制系统进行改进的建设性意见。 1 3 论文内容安排 第一章绪论：介绍了本课题的研究背景，提出上一代产品的问题，并介绍了 本文的内容概述。 第二章嵌入式系统概述：介绍了嵌入式系统的定义，组成和分类，并介绍了 嵌入式操作系统。 一2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第三章华恒h h c f 一5 2 7 2 开发平台：介绍了本控制系统采用的华恒 h c f 5 2 7 2 开 发板，以及本开发板所采用的u c i n u x 操作系统。 第四章喷印机控制系统组成：介绍了喷印机控制系统的系统组成框图，控制 系统软硬件组成以及产品的网络结构。 第五章喷印机的工作过程：介绍了喷印机打印的整个工作过程。 第六章喷印机控制系统软件设计：介绍了控制系统中的软件设计包括s o c k e t s e r v e r 软件，电机运动控制软件，喷头控制软件和系统管理软件。 第七章喷印机整机调试：介绍了产品性能的主要指标，并列举了在控制系统 调试过程中遇到的一些问题。 结束语：总结了本控制系统的特点，并提出了本控制系统中需要改进的地方。 3 东北大学硕士学位论文 第二章嵌入式系统概述 第二章嵌入式系统概述 2 1 嵌入式系统的概念 2 1 1 计算机工业的分类 以往我们按照计算机的体系结构、运算速度、结构规模、适用领域，将其分为 大型计算机、中型机、小型机和微型计算机，并以此来组织学科和产业分工，这种 分类沿袭了约4 0 年。近1 0 年来随着计算机技术的迅速发展，实际情况产生了根 本性的变化，例如7 0 年代术定义的微计算机演变出来的个人计算机( p c ) ，如今已 经占据了全球计算机工业的9 0 市场，其处理速度也超过了当年大、中型计算机 的定义。随着计算机技术和产品对其它行业的广泛渗透，以应用为中心的分类方 法变得更为切合实际，也就是按计算机的嵌入式应用和非嵌入式应用将其分为嵌 入式计算机和通用计算机。 通用计算机具有计算机的标准形态，通过装配不同的应用软件，以类同面目出 现并应用在社会的各个方面，其典型产品为p c ；而嵌入式计算机则是以嵌入式系 统的形式隐藏在各种装! 蒴! 、产品和系统中。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，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、网卡、m o d e m 、声卡、打印机、 扫描仪、数字相机、u s b 集线器等均是出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。 2 1 2 嵌入式系统的定义和典型特征 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是以应用为中心、以计算机技术为基础，并且软 硬件可裁减，适用应用系统对功能、可靠性等有严格要求的专用计算机系统。简而 言之，嵌入式系统就是嵌入计算机技术的系统。 嵌入式系统作为专用计算机系统与通用计算机相比，有许多典型特征： 1 嵌入式系统是面向具体应用的，是在特定领域内完成特定功能的专用计算机系 统。系统可能用于一种工业仪器，也可能用于汽车上的种电子装置。而通用计算 机是服务于人的办公、计算、游戏等需要而设计的，考虑了人们的多种需求。嵌入 一4 东北大学硕士学位论文 第二章嵌入式系统概述 式系统通常只运行存储在r o m 或闪存中的可执行映像，而通用计算机可以加载、 运行磁盘上的各种软件。 2 嵌入式系统中硬件配置是根据系统性能指标来选择的，除了附加调试接口外，没 有多余的硬件资源。因此，相对于通用计算机的大硬盘、大内存等而言，嵌入式系统 的资源是有限的。 3 在设备资源少、控制简单的嵌入式系统中，如某些单片机系统，可执行映像可能 只是支持中断的监控程序，这时的监控程序必须担当管理系统软硬件资源的职责。 当系统资源多、功能复杂时，可执行映像可以按操作系统和应用程序两部分柬组织。 操作系统管理资源、为应用程序提供系统调用，从而应用程序的实现就可以大为简 化，这样既提高了系统的可靠性，又缩短了软件的开发周期。而通用计算机都无一例 外地安装了操作系统，为用户提供操作平台。 4 嵌入式系统是高可靠的独立运行系统。嵌入式系统一般不与人交互、独立运行， 所以系统稳定性要好、并有自动纠错能力，在军事、航空航天等关键领域尤其强调 高可靠性。 5 嵌入式系统软硬件结合紧密。在嵌入式系统软硬件体系结构内部，各层次、模块 之间的耦合度比通用计算机强，这是嵌入式系统要求商效的结果，而通用计算机出 于可扩展等要求更强调系统的模块化、层次化和标准化。 6 嵌入式系统与外界的接口设备都是针对具体应用的设备，往往具有特殊性，不同 应用领域之间差别很大：不同系列的c p u 在体积、外中断源、支持的总线结构等方 面不同，嵌入式系统可以按需选择某种c p u ，比如x 8 6 ，s p a r e ，m 6 8 k ，p o w e rp c 等。而 在通用计算机中，外设与主机的接1 ：3 都已标准化，c p u 外中断源和主机总线结构没 太多变化。因而，与各档次通用计算机相比，嵌入式系统硬件体系结构不够明确。 2 嵌入式系统的组成和分类 完整的嵌入式系统一般来说由嵌入式芯片、嵌入式软件和嵌入式开发工具所组 成。其中嵌入式芯片包括：嵌入式微控制器( e m c u ) ，嵌入式微处理器( e f f p u ) 以及嵌 入式片上系统( e s o c ) ，主要特点是：体积小，速度快，功耗低。嵌入式软件 ( e m b e d d e d s o f t w a r e ) 包括嵌入式操作系统( e o s ) 和嵌入式应用软件( e a s ) 等。 嵌入式系统开发工具主要包括实时在线仿真系统i c e ( i n c i r c u i t e m u l a t o r ) ，高级 语言编译器( c o m p il e r t o o l s ) ，源程序模拟器( s i m u l a t o r ) 等。 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。根据其现状，嵌入式计算机可以 5 东北大学硕士学位论文第二章嵌入式系统概述 分成下面几类。 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 ) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。在应用中，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、电磁干扰、可靠性等方面一 般做了各种增强。 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 、总线接口、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。嵌入 式处理器目前主要有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c - 4 0 0 、p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m 系列等。 2 嵌入式微控制器( e m b e d d e dm i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，e 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器内核为核心，芯片内部集成总线、 r o m e p r o m 、r a m 、总线逻辑、定时计数器、w a t c h d o g 、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。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。这样可以使单片机最大限度 地减少功耗和成本。 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。微控 制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。 嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，其中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 一2 5 1 、m c s 一9 6 1 9 6 2 9 6 、c 1 6 6 1 6 7 、m c 6 8 h c 0 5 1 1 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 u8 x c 9 3 0 9 3 1 、c 5 4 0 、c 5 4 1 ： 支持1 2 c 、c a n b u s 、l e 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 嵌入式片上系统( e s o c ) 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 t e mo nc h i p ( 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 6 东北大学硕士学位论文 第二章嵌入式系统概述 库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过届就可以将设计圈交给半导体 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。s o c 包括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 3 嵌入式操作系统 2 3 1 嵌入式操作系统的发展 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( 如进程控制，存储管理，设备管理，网络通信等) 。当我们的系统越来越复 杂，利用的范围越来越广泛的时候，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。 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的，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 o r k s ，p s o s ，p a l m o s 和w i m o w s c e 等。 2 3 2 嵌入式ii n u x 操作系统 l i n u x 是一套以u n i x 为基础发展而成的操作系统。它实现了真正的多任务， 多用户环境。l i n u x 对硬件配鹭的要求相当低，能够在4 m b 内存的3 8 6 机器上很 好地运行，而且可以支持多种处理器芯片。开发者可以对l i n u x 的丌放内核进行修 补和裁减。在嵌入式系统应用方面，l i n u x 小得可以放在一张软盘上运行。l i n u x 的开放式开发原则使得l i n u x 下的驱动和升级变得越来越多，越来越快。 1 l i n u x 操作系统具有以下特点： ( 1 1 开放原代码、模块化设计 l i n u x 采用g p l 授权，除了把原代码公丌以外，任河人都可以自由使用、修改、 散布，而l i n u x 核心本身采用模块化设计，让人很容易增减功能。例如一个平台如 果不需要蓝牙的功能，就不把这项功能加入，如果需要就加入。由于这样的高的 7 查些苎兰塑主兰竺笙圣堑三主堡垒苎墨塾垫竺 弹性，我们可以整合出最适合需求的核心来。相对于l i n u x ，w i n d o w s 是走封闭原 代码路线，所以我们完全无法得知或修改它的核心部份。 ( 2 ) 稳定性好 l i n u x 不属于任何一家公司，但是它的开发人员却是全世界摄多的，每天遍布 全球的众多l i n u x 爱好者参与l i n u xk e r n e l 的改进、除错、测试，这样严苛的条 件造就了稳定度高的l i n u x 。就因为如此，l i n u x 虽不是商业的产物但是品质却不 逊于商业产品。 ( 3 ) 网络功能强大 l i n u x 的架构是参照u n i x 系统而来，因此l i n u x 也承袭了u n i x 强大的网络 功能，基本上所有的网络协议和网络接口都可以在l i n u x 上找到。 ( 4 ) 支持多种硬件平台 l i n u x 一开始是基于i n t e l3 8 6 机器而设计，但是随着网络的散布，各式各样的 需求涌现，因此就有许多工程师致力于各式平台的移植，造成了l i n u x 可以在x 8 6 、 m i p s 、a r m s t r o n g a r m 、p o w e r p c 、m o t o r o l a6 8 k 等等平台上运作的盛况。 这些平台几乎涵盖了所有嵌入式系统所需的c p u ，因此选择l i n u x 就可以把更多 的硬件乎台纳入选择的范围。 ( 5 ) 应用软件众多 自由软件世界里有个很大的特色就是软件很多，而且几乎都是符合g p l 标准， 换句话说，太家都可以自由取用，因为这些软件多半是由工程师业余空暇时间所 发展，而且不以营利为目的，所以并不能担保这些软件完全没有b u g ，但是仍旧 有许多高水平的软件出现，大家熟知的k d e 与g n o m e 便是很好的证明。同时网 络上还有大量的针对l i n u x 的开发资源，这些资源绝大多数都是开放源代码的。这 使得基于l i n u x 的开发非常方便。 ( 6 ) 使用成本低 l i n u x 是免费软件，只要遵守g p l ( g n ug e n e r a lp u b l i cl i c e n s e ) 的规定，就 可以免费获得拷贝。l i n u x 下有同样遵循g p l 规定的c 、c + + 、j a v a 等等一系列 的软件工具发包，从功能角度上看并不亚于商用开发包，同时可以降低开发成本。 2 其中比较著名的嵌入式l i n u x 有以下几种： ( 1 ) r t l i n u x r t l i n u x 是f s m l a b s 开发的硬实时嵌入式l i n u x 。r t l i n u x 使用双内核结构：在 底层使用一个硬实时内核，l i n u x 作为该内核的空闲任务；当有实时任务时，通过 硬实时内核调度该任务：没有其他任务时，则运行普通l i n u x 。 ( 2 ) u c l i n u x u c l i n u x 被设计用来应用干微控制领域。u c l i n u x 最大的特征是没有m m u ( 内 8 东北大学硕士学位论文第二章嵌入式系统概述 存管理单元模块) 。它很适合那些没有m m u 的处理器，例如a r m 7 t d m i ，m 6 8 k 等。这 种没有m m u 的处理器在嵌入式领域中应用得相当普遍。 ( 3 ) m o n t a v i s t a l i n u x m o f l t a v i s t al i n u x 是由m o n t a v i s t a 公司丌发产品，是目前最具影响力嵌入式 l i n u x 。m o n t a v i s t a 通过直接修改内核来扩充l i n u x 内核的实时性。 9 东北大学硕士学位论文第三章华恒h h c f 一5 2 7 2 开发平台 第三章华恒h h g f - 5 2 7 2 开发平台 3 1h h c f - 5 2 7 2 简介 华恒h h c f 5 2 7 2 套件是一套完整的基于摩托罗拉m c f 5 2 7 2 处理器的嵌入式开 发平台。华恒h h c f 5 2 7 2 套件由核心板( h h c f 5 2 7 2 k 1 ) 和底板( 外设板或称基本 板) 组成，核心板上集成摩托罗拉m c f 5 2 7 2 处理器，1 6 ms d r a m 以及4 m 的 f l a s h ，为用户的软件研发提供了足够的空间。底板上则提供非常丰富的外设接 口：一个1 0 m 1 0 0 m 自适应快速以太网接口、两个r s 一2 3 2 串1 ：3 、一个u s b 口及 一个b d m 调试1 ：3 。核心板和底板配合即构成一个最小的完整应用系统。系统具有 体积小、耗电低、处理能力强、网络功能强大等特点，能够装载和运行嵌入式l i n u x 操作系统( u c l i n u x ) 。用户可以在这个系统平台上进行自主软件开发，对h h c f 5 2 7 2 进行测试和评估，也可在保持核心板不变的情况下，针对具体的应用通过对底板 的更改来实现定制自己的应用系统。 幽3 1h h c f 5 2 7 2 核心板 f i g 3 1 h h c f 5 2 7 2c o r eb o a r d 1 0 东北大学硕士学位论文 第三章华恒h h c f 一527 2 开发平台 圈3 2h h c f 5 2 7 2 成扳 f i g 3 2h h c f 5 2 7 2m o t h e r b o a r d 华恒h h c f $ 2 7 2 套件之硬件主要构造： m c f 5 2 7 2 处理器 4 m b y t e s1 6 位f l a s h 1 6 m b y t e s3 2 位s d r a m 1 0 1 0 0b a s e z 自适应快速以太网接口 r s 一2 3 2 接口( 两个) b d m 接口 l c d 接口 i d e 硬盘光驱接口 1 2 v 直流电源 h w 复位建 电源、运行及以太网状态指示l e d 灯 东北大学硕士学位论文第三章华恒h i t c f 一5 27 2 开发平台 3 2m o t o r o i a5 2 7 2 的特点 m c f 5 2 7 2 微处理器是基于第二代c o l d f i r e 核心版本( v 2 ) c o l d f i r e 核心而设 计。它采用智能d i g i t a l d n a 技术，在6 6 m h z 下操作速度为6 3 d h r y s t o n e2 1 m i p s m c f 5 2 7 2 微处理器的推出基于业界标准的6 8 k 系列。 m c f 5 2 7 2 微处理器具有精彩的新型外围设备： 快速以太网媒体存取控制( m a c ) ，3 嘴l o o m b p sm i i ，1 0 m b p sm i i 矛 1 1 0 m b p s 7 线实际接口 符合u s b l 1 标准，可操作内外收发器的设备控制器( d e v i c e c o n t r o l l e r ) 时分多工( t d m ) 控制器，可使产品以物理级水平与外部编码、i s d n 收发器 以及其4 e 使n g c i ( g e n e r a lc i r c u i ti n t e r f a c e ) 或i d l i ( i n t e r c h i p d i g i t a ll i n k ) 串行 接口协议的外围设备连接 多信道h d l c 软件模块 q s p i 模块，提供带有序列传输性能的串行外围接口 用于控制应用的脉冲宽度调制( p w m ) 单元 o m c f 5 2 7 2 设备同时还提供许多嵌入式应用产品所共有的外围产品，如d m a 、 s d r a m 控制器、计时器、u a r t 、芯片选择、通用i ，o 、片上存储以及世界级的 c o l d f i r e 除错模块，所有这些都采取高效节省的方式，从而减少系统成本，加速 系统设计。 处理器特性： + v 2 c o l d f i r e 处理器 + 1k b y t e 指令高速缓冲存储器 + 4 k b y t es r a m + 乘法及累计单元( m a c l + 硬件整数除法单元 + 业界先进的除错模块，提供背景和实时性能 + 高集成处理器 一符合i e e e8 0 2 3 、1 0 1 0 0 快速以太网控制器( f e c ) ，有专用d m a u s b l 1 设备控制器和收发器 一4 个2 b + d t d m 端口 一h d l c 软件模块 3 个p w m 输出 一2 个u a r t 1 2 东北大学硕士学位论文第三章华恒h h c f 一5 2 7 2 开发平台 1 信道d m a 8 芯片选择 一1 6 位通用i o 4 个1 6 位计时器 一s w 监视器计时器 + 休止模式 + m c f 5 2 7 2 有2 3 位地址总线和3 2 位数据总线，6 6 m 的主频和6 6 m 的总线速度。 m c f 5 2 7 2 所用的c o l d f i r ev 2 的核内部使用的是3 2 位的内部地址总线，但其 中只有2 3 位通过c v u 弓l 脚引出来。 处理器产品规格； 6 3d h r y s t o n e 2 1 m i p 6 6 m h z + 0 0 c 一7 0 。c 操作温度 + 3 3 v 电源，5 v i 0 容差 + 1 9 6 脚m a p b g a 封装 3 3u c iin u x 操作系统 h h c f 5 2 7 2 开发板提供的嵌入式l i n u x 操作系统是一种专为没有m m u 的嵌入式微 处理器定制的操作系统：u c l i n u x 。 l i n u x 是一种很受欢迎的操作系统，它与u n i x 系统兼容，开放源代码。它原 本被设计为桌面系统，现在广泛应用于服务器领域。而更大的影响在于它正逐渐 的应用于嵌入式系统领域。u c l i n u x 正是在这种氛圈下产生的，u c l i n u x 是一个完 全符合g n u g p l 公约的项目，完全丌= 放代码，现由l i n e o 公司支持维护。在u c l i n u x 这个英文单词中u 表示m i c r o ，小的意思，c 表示c o n t r o l ，控制的意思，所以 u c l i n u x 就是m i c r o c o n t r o l l i n u x ，字面上的理解就是“针对微控制领域而没计 的l i n u x 系统”。它专门针对没有m m u ( 内存管理单元，c p u 内的一个模块) 的 c p u ，并专为嵌入式系统做了许多小型化的工作，支持多款c p u 。 3 3 1 标准l i n u x 可能采用的小型化方法 1 重新编译内核 k i n u x p q 核采用模块化的设计，即很多功能块可以独立的加上或卸下，开发人 一1 3 一 东北大学硕士学位论文第三章华恒h h c f 一5 2 7 2 开发平台 员在设计内核时把这些内核模块作为可选的选项，可以在编译系统内核时指定。 因此一种较通用的做法是对l i n u x 内核重新编译，在编泽时仔细的选择嵌入式设备 所需要的功能支持模块，同时删除不需要的功能。通过对内核的重新配胃，可以 使系统运行所需要的内核显著减小，从而缩减资源使用量。 2 制作r o o t 文件系统映象 l i n u x 系统在启动时必须加载根( r o o t ) 文件系统，因此剪裁系统同时包括r o o t f i l es y s t e m 的剪裁。 3 3 2u o i n u x 小型化的做法 1 u c i i n u x 的内核加载方式 u c l i n u x 的内核有两种可选的运行方式：可以在f l a s h 上直接运行，也可以加载 到内存中运行。这种做法可以减少内存需要。 f l a s h 运行方式：把内核的可执行映象烧写到f l a s h 上，系统启动时从f l a s h 的某 个地址开始逐句执行。这种方法实际上是很多嵌入式系统采用的方法。 内核加载方式：把内核的压缩文件存放在f l a s h 上，系统启动时读取压缩文件在 内存里解压。然后7 1 ：始执行，这种方式相对复杂一些，但是运行速度可能更快( r a m 的存取速率要比f l a s h 高) 。同时这也是标准u n u x 系统采用的启动方式。 2 u c l i n u x 的根( r o o t ) 文件系统 u c l i n u x 系统采用r o t o r s 文件系统，这种文件系统相对于一般的e x t 2 文件系统要 求更少的空间。空问的节约来自于两个方面，首先内核支持r o t o r s 文件系统比支持 e x t 2 文件系统需要更少的代码，其次r o t o r s 文件系统相对简单，在建立文件系统超 级块( s u p e r b l o c k ) 需要更少的存储空间。r o m f s 文件系统不支持动态擦写保存， 对于系统需要动态保存的数据采用虚拟r a m 盘的方法进行处理( r a m 盘将采用e x t 2 文件系统) 。 3 u c l i n u x 的应用程序库 u c l i n u x j 、型化的另一个做法是重写了应用程序库，相对于越来越大且越来越 全的g l i b c 库，u c l i b c 对l i b c 做了精简。 u c l i n u x 对用户程序采用静态连接的形式，这种做法会使应用程序变大，但是 基于内存管理的问题，不得不这样做，同时这种做法也更接近于通常嵌入式系统 的做法。 经过各方面的小型化改造，就形成了一个高度优化的、代码紧凑的嵌入式 l i n u x ，虽然它的体积很小，u c l i n u x 仍然保留了l i n u x 的大多数的优点：稳定、良 好的移植性、优秀的网络功能、完备的对各种文件系统的支持、以及标准丰富的 1 4 东北大学硕士学位论文 第三章华恒h i t c f 一5 2 7 2 开发平台 a p i 。 3 3 3u b l i n l i x 的主要特点 u c l if l u x 同标准l i n u x 的最大区别就在于内存管理。标准l i n u x 是针对有内存 管理单元的处理器设计的。u c l i n u x 针对没有m m u 的处理器设计，不能使用处理器 的虚拟内存管理技术，u c l i f l u x 系统对于内存的访问是直接的，( 它对地址的访问 不需要经过m m u ，而是直接送到地址线上输出) ，所有程序中访问的地址都是实际 的物理地址。操作系统对内存空间没有保护( 这实际上是很多嵌入式系统的特点) ， 各个进程实际上共享一个运行空蒯( 没有独立的地址转换表) 。一个进程在执行前， 系统必须为进程分配足够的连续地址空间，然后全部载入主存储器的连续空间中。 从易用性来浇，u c l i n u x 的内存管理实际上是一种倒退，退回了到了u n i x 早期或 是d o s 系统时代。丌发人员不得不参与系统的内存管理。从编译内核开始，开发 人员必须告诉系统这块开发板到底