（通信与信息系统专业论文）嵌入式系统在远程监控中的研究与应用.pdf

论文题目- 嵌入式系统在远程监控中的研究与应用 专业：通信与信息系统 硕士生：卫铭斐 指导教师：吴延海 摘要 ( 签名) ( 签名) 兰、色纽 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础的，能满足应用系统对性价比、 稳定性、体积、功耗等方面严格要求的专用计算机系统。最初的嵌入式系统只是一个简 单的功能较弱的产品，仅提供一些初始的管理功能。随着信息技术和半导体工艺的发展， 3 2 位微处理器以其较高的性价比逐渐成为市场的主流。由于嵌入式系统的功能增强， 程序代码变得越来越复杂，传统的软件设计方式很难保证系统的可靠性和稳定性，使用 实时操作系统作为软件开发平台是解决这个问题的有效途径。实时操作系统移植到嵌入 式系统中，并使其实现网络化，将该系统应用在远程监控系统中，不仅增加了智能性， 而且提高了实时性。 本论文对嵌入式系统进行了软硬件的选择和设计。从价格、性能和功耗三方面考虑， 核心硬件设计选用基于a r m 7 t d m i 的3 2 位处理器s 3 c 4 4 b o x 作为主控芯片，具有良 好的稳定性和可靠性。软件分两部分：一是嵌入式操作系统的选择，考虑到系统的安全 性、可靠性和经济性，文中在论证了几类嵌入式实时多任务操作系统特点的基础上，选 择了免费、源码公开的g c o s - i i 实时操作系统作为开发的软件平台，并成功地将其移 植到硬件平台上；二是在对t c p i p 协议理解的基础上，选择了一种适用于嵌入式系统 的协议栈l w i p ，并将其移植到嵌入式系统中。在此基础上设计了其它的硬件及相关驱 动程序( 如网卡、串口、l e d 等) ，最终实现的嵌入式系统平台具有多任务性、实时性 和网络化的优点，为后续进一步的开发打下良好的基础。 关键词：嵌入式系统；远程监控； a r m ；s 3 c 4 4 b o x ：g c o s 一1 i ：l w i p 研究类型：应用研究 一s u b j e c t ：r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fe m b e d d e ds y s t e m ：i nr e m o t e s u p e r v i s o r ya n dc o n t r o le q u i p m e n t s p e c i a l t y ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e：w e im i n g f e i i n s t r u c t o r ：w uy a n h a i ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t t h ee m b e d d e ds y s t e mi sa s p e c i a l p u r p o s ec o m p u t e rs y s t e mt h a tf o c u s e so nt h e a p p l i c a t i o n i ta d a p t st ot h ea p p l i c a t i o ns y s t e mw h i c hi ss t r i c ti nc o s t ，p e r f o r m a n c e ，s t a b i l i t y , s i z e ，p o w e rc o n s u m p t i o n b u tt h ee m b e d d e ds y s t e mw a sn o ts t r o n gi nt h ef i r s tt i m e ，o n l y o f f e r e ds o m es i m p l em a n a g e m e n tf u n c t i o n s w i t hd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n d s e m i c o n d u c t o rc r a f t ，3 2 一b i tm i c r o p r o c e s s o rb e c o m ep o p u l a ri nt h em a r k e tg r a d u a l l y s y s t e m p r o c e d u r ea r em o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e ，t h u st h er e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo fs y s t e mi s d i f f i c u l tt ob eg u a r a n t e e dw i t ht h et r a d i t i o n a la p p r o a c h i ti st h ee f f e c t i v ew a yo fs o l v i n gt h i s p r o b l e mt ou s et h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ma st h es o f t w a r ep l a t f o r m w i t ht r a n s p l a n t a t i o n o fi n t e r n e ta n de m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，r e m o t es u p e r v i s o r ya n dc o n t r o le q u i p m e n t i n s e r t e de m b e d d e ds y s t e mn o to n l yh a si n t e l l i g e n c e ，b u ta l s oh a sr e a l t i m e d e s i g no fe m b e d d e ds y s t e mi n c l u d eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h e3 2 b i ts 3 c 4 4 b o xb a s e o na r m 7 t d m ic o r ei sc h o s e na st h em a i nc o n t r o l c h i pi nd e s i g nb e c a u s eo fp r i c e ， p e r f o r m a n c e ，p o w e rc o n s u m p t i o n ，i th a sg o o ds t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y s o f t w a r ei n c l u d et w o p a r t s ：t h ef i r s ti st h ec h o i c eo fe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m t om a k et h es y s t e mm o r es a f ea n d r e l i a b l e ，t h ef r e e a n ds o u r c e c o d e - o p e nr e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e mo fu c o s i ii sc h o s e n a st h es o f t w a r ep l a t f o r ma n di ss u c c e s s f u l l yt r a n s p l a n t e do n t ot h eh a r d w a r ep l a t f o r m t h e s e c o n di st h ee m b e d d e di n t e r a c tt e c h n o l o g yr e a l i z a t i o n ，l w l pi sc h o s e na n ds u c c e s s f u l l y t r a n s p l a n t e d o n t ot h ee m b e d d e d s y s t e m o t h e r w i s e ，c o h e r e n th a r d w a r ea n dd r i v e r p r o g r a m m e r s ( n e t w o r kc a r d ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o np o r t ，l e da n ds oo n ) a r ed e s i g n e d a tl a s t ， t h ee m b e d d e ds y s t e mp l a t f o r mi nt h ep a p e rh a sm a n ym e r i t s ，i ti si m p o r t a n tf o u n d a t i o nt o f u n h e rd e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m r e m o t es u p e r v i s o r ya n dc o n t r o la r m s 3 c 4 4 b o x g c o s - i i l w i p t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 姿料技女肇 学位论文独创性说明 本人郑重声明：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 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期： 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：卫否石逝指导教师签名：琴点7b 一6 年4 月加日 1 绪论 1 绪论 1 1 课题研究意义 随着现代计算机技术的飞速发展和互联网技术的广泛应用，计算机从p c 时代过渡 n t 以个人数字助理、手持个人电脑和信息家电为代表的3 c ( 计算机、通信、消费电子) 一体的后p c 时代。在后p c 时代里，嵌入式系统扮演了越来越重要的角色，被广泛应 用于远程监控、信息电器、移动计算机设备、网络设备和工控仿真等领域。嵌入式系统 的开发也成为近年l t 行业的技术热点。完成简单功能的嵌入式系统一般不需要操作系 统，如许多m c s 5 1 系列单片机组成的小系统就只是利用软件实现简单的控制环路。但 是随着所谓后p c 时代的来临，嵌入式系统设计日趋复杂，嵌入式操作系统就必不可少 了。 将嵌入式系统与以太网相结合的想法由来已久，主要的困难在于当时的以太网在速 度和确定性等方面都有很大欠缺，不能满足工业通信网络要求；另外，各种网络通信协 议对于嵌入式系统存储器容量、运算速度等的要求比较高，当时的嵌入式系统中除部分 3 2 位处理器以外，都无法达到这一要求。随着工业以太网在速度上不断提高以及交换技 术、全双工工作方式等技术的融入，以太网与工业通信网络的差距正在逐步缩小，加之 半导体技术和系统设计方法的提高，微控制器在内部结构、功率消耗以及制造工艺等诸 多方面有了长足的进步，将t c p 1 p 协议栈嵌入到其中成为可能【1 1 1 2 1 0 将实时操作系统及网络技术引入嵌入式系统，使其具有网络化、智能化及实时性的 特点，这样的嵌入式系统应用在远程监控系统中，将使其性能得到很大的提升，将会使 远程监控系统在安全监控、生产过程监控、住宅小区监控等领域得到更广泛应用，故对 嵌入式系统进行研究将带来巨大的社会效益和经济效益。 1 2 嵌入式系统的发展趋势 嵌入式系统的出现至今己经有3 0 多年的历史了，嵌入式技术也经历了几个发展阶 段。进入9 0 年代后，以计算机和软件为核心的数字化技术取得了迅猛发展，不仅广泛 渗透到社会经济、军事、交通、通信等相关行业，而且深入到家电、娱乐、艺术、社会 文化等各个领域，掀起了一场数字化技术革命。多媒体技术与i n t e m e t 的应用迅速普及， 消费电子、计算机、通信( 3 c ) 一体化趋势日趋明显，嵌入式技术再度成为一个研究热点。 综观嵌入式技术的发展，大致经历了以下四个阶段【l 】1 2 j 口j ： 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，同时具有与监测、伺服、 指示设备相配合的功能。这种系统大部分应用于一些专业性极强的工业控制系统中，一 西蚤科技大学硕士学位论天 一i ；i i i i i i ；i ；= ；i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ；i ；i ；i i ；i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ；i i i i i ；i ； 般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制，运行结束后清除内存。 这一阶段系统的主要特点是：系统结构和功能都相对单一，处理效率较低，存储容量较 小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简便、价格很低，以前在国内工业领 域应用较为普遍，但是已经远远不能适应高效的、需要大容量存储介质的现代化工业控 制和新兴的信息家电等领域的需求。 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。这一阶 段系统的主要特点是：c p u 种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高；操作系统 具有一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业，用户界面不够友好；系统主要用来控制 系统负载以及监控应用程序运行。 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。这一阶段系统的主要特点是： 嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核小、效 率高，并且具有高度的模块化和扩展性：具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网 络支持、图形窗口以及用户界面等功能：具有大量的应用程序接口( a p i ) ，开发应用程 序简单；嵌入式应用软件丰富。 第四阶段是以基于i n t e m e t 为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段。 日前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e r n e t 之外，但随着i n t e r n e t 的发展以及i n t e r n e t 技术 与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与i n t e m e t 的结合将代表着嵌 入式技术的真正未来。 1 2 1 嵌入式操作系统的发展 嵌入式操作系统( r e a l t i m ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，r t o s 或e o s ) 是一种实时的、 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。目前，嵌入式操作系统的品种较多，据统计，仅用于信息 电器的嵌入式操作系统就有4 0 种左右，其中较为流行的主要有：w i n d o w sc e 、p a l mo s 、 p c o s 1 1 、r e a l t i m el i n u x 、v x w o r k s 、p s o s 、p o w e r t v 以及m i c r o w a r e 公司的o s 9 等。与通用操作系统相比较，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。 面向i n t e r n e t 的、特定应用的嵌入式操作系统是重要发展趋势。嵌入式操作系统伴 随着嵌入式系统的发展经历了三个比较明显的阶段川4 】【5 】： ( 1 ) 无操作系统的嵌入算法阶段。这一阶段的嵌入式系统是以可编程控制器的形式、 以单芯片为核心的系统，同时具有与一些监测、伺服、指示设备相配合的功能。这种系 统大部分应用于一些专业性极强的工业控制系统中，一般没有明显的被称为操作系统 ( r t o s ) 的支持，而是通过汇编语言编程对系统进行直接控制，运行结束后清除内存。这 1 绪论 一阶段系统的主要特点是系统结构和功能都相对单一，针对性强，但无操作系统支持， 几乎没有用户接口。 ( 2 ) 简单监控式的实时操作系统阶段。这一阶段的嵌入式系统主要以嵌入式处理器为 基础、以简单监控式操作系统为核心。系统的特点是处理器种类繁多，通用性比较弱， 系统开销小，效率高；系统一般配备系统仿真器，具有一定的兼容性和扩展性；操作系 统的用户界面不够友好，其主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。 ( 3 ) 通用的嵌入式实时操作系统阶段。以通用型嵌入式实时操作系统( r t o s ) 为标志的 嵌入式系统，如v x w o r k s 、p s o s 、o s 一9 、u c o s 、w i n d o w sc e 就是这一阶段的典型代 表。这一阶段系统的特点是能运行在各种不同类型强大的微处理器上，具有强大的通用 型操作系统的功能，如具备了文件和目录管理、多任务、设备支持、网络支持、图形窗 口以及用户界面等功能，具有大量的丰富的应用程序接口( a p i ) 和嵌入式应用软件。 1 1 2 嵌入式系统网络化的发展 从最终用户的角度看，他们希望所有设备互联工作，这种互联越广泛越好，因为这 意味着他们工作生活的自由度的提高。 由嵌入式m c u ：嵌入式网络的应用环境决定了嵌入式t c p i p 协议栈通常应用于特 殊的、专用的领域，不可能像标准的t c p i p 协议栈一样提供完整的协议体系，往往是 根据具体的应用提供不同的协议模块，因此嵌入式t c p i p 协议栈区别于标准的t c p i p 协议栈。其最突出的特点就是【2 j 【】： ( 1 ) 很好的可裁剪性。由于嵌入式应用的要求千差万别，各种嵌入式应用对系统的要 求不尽相同，并且在嵌入式应用中对产品的成本、价格比较敏感，存储器的容量往往都 是比较有限的，因此必须根据嵌入式网络产品的具体功能，对完整的t c p i p 协议栈功 能进行裁剪，特别是对应用协议提供可裁剪性，以满足用户的需求。 ( 2 ) 很强的可移植性。由嵌入式应用的多样性决定了嵌入式应用平台也是变化多端 的。因此，在我们开发网络协议栈软件的过程中，保证软件的可移植性是非常重要的。 这样，在对嵌入式产品进行软、硬件升级的过程中除了与硬件直接相关的部分代码需要 重新编写以外，不必再对上层协议进行大的修改。 ( 3 ) 代码精简。嵌入式t c p i p 协议栈是标准t c p i p 协议栈的子集，只需要实现基本 的、必要的功能，使生成的二进制代码尽量精简，这对嵌入式网络产品降低开发难度、 提高系统处理能力、节省有限的r o m 和r a m 空间是有着重要的意义的。嵌入式t c p i p 协议栈的这些特点也将成为本课题研究工作的目标与要求。 随着通用型嵌入式实时操作系统的发展，一个以面向i n t e m e t 网络的、特定应用的 嵌入式系统正日益引起人们的重视，成为重要的发展方向。嵌入式系统与i n t e r n e t 的真 正结合、嵌入式操作系统与应用设备的无缝结合代表着嵌入式系统发展的真正未来。 西安科技大学硕士学位论文 i ；i i i i ；= ；i i i i i i ；i i ；i i ；i i i i i i i i ；i ；i i ；i i i i i i ；i i ；i i ；i i i i 1 3 课题研究的主要内容 本文的远程监控系统如图1 1 所示。其中数据采集模块完成各类电量数据、现场数 据和图像的采集，压缩处理后送至嵌入式系统。嵌入式系统模块主要完成对系统相关部 分的控制，任务的管理和调度，内存及其它资源的分配，对输入的各类数据进行相关的 处理，打包后按协议送到互联网上。后台处理模块由数据库和相关处理软件组成，对接 收到的各类数据进行处理。 图1 1 远程监控系统方框图 本设计以远程监控系统领域现阶段的技术为参考，提出并设计了一种基于嵌入式微 处理器( a r m 内核的) 和嵌入式实时操作系统的远程监控系统平台。在了解各种模式 的远程监控系统利弊的基础上，将详细介绍嵌入式系统的原理、构成及其优点；分析以 s a m s u n g 公司3 2 位嵌入式微处理器s 3 c 4 4 b o x 为核心的嵌入式系统的硬件设计；对软 件部分，将建立嵌入式实时操作系统和应用程序，并最终移植到相应处理器上：为了让 该系统适应基于网络的远程监控，本设计还将l w i p 成功移植到本系统中。 2 嵌入式系统的设计 2 嵌入式系统的设计 2 1 嵌入式系统概述2 】 3 】 4 1 嵌入式系统是以应用为中心、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。嵌入式系统是现代 多学科互相融合的产物，嵌入式系统无多余软件，并且以固化态出现，硬件亦无多余存 储器，有可靠性高、成本低、体积小、功耗低等特点。嵌入式系统又是知识密集，投资 规模大，产品更新换代快，且具有不断创新特征、不断发展的系统，系统中采用片上系 统s o c ( 亦称系统芯片) 将是其主要发展趋势。 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件和嵌入式软件系统组成，它是集软 硬件于一体的可独立工作的“器件”。嵌入式处理器主要由一个单片机或微控制n ( m c u ) 组成。而这些嵌入式微处理器目前多是8 位、1 6 位和3 2 位的，与6 4 位的高性能处理器 相比，具有很强的经济性。相关支撑硬件包括显示卡、存储介质( r o m 和r a m 等) 、通 讯设备、i c 卡或信用卡的读取设备等。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，而大多使用闪存( f l a s hm e m o r y ) 作为存储介质。嵌 入式软件包括与硬件相关的底层软件、操作系统、图形界面、通讯协议、数据库系统、 标准化浏览器和应用软件等。 总体看来，嵌入式系统具有性价比高、嵌入性强、可裁剪等特点，可以嵌入到现有 任何信息家电和工业控制系统中。从软件角度来看，嵌入式系统具有所需配置要求较低、 系统专业性和实时性较强等特点。 嵌入式系统的快速发展使得后p c 时代快速到来，嵌入式系统就是与这一时代紧密 相关的产物，它将拉近人与计算机的距离，形成一个人机和谐的工作与生活环境。从某 一个角度来看，嵌入式系统可应用于人类工作与生活的各个领域，具有极其广阔的应用 前景。嵌入式系统在传统的工业控制和商业管理领域己经具有广泛的应用空间，如远程 监控、智能工控设备、i c 卡等；在家庭领域更具有广泛的应用潜力，如机项盒、数字电 视、w e b t v 、网络冰箱、网络空调等众多消费类和医疗保健类电子设备等；此外还有多 媒体手机、袖珍电脑、掌上电脑、车载导航器等方面的应用，将极大地推动嵌入式技术 深入到生活和工作的方方面面。 西安科技大学硕士学位论文 ；i ；i ；i i i i i i ；= ；i i i i ；i ；i i ；i i i i i i i 高i ；i 鬲； 2 2 嵌入式系统的设计 2 2 1 嵌入式系统的设计过程【2 】【6 】【7 】 嵌入式系统设计是一个很复杂的过程，在设计嵌入式的过程中，不仅要对设计嵌入 式系统的软硬件有很广泛的了解，同时还要熟悉行业的内容。下面是设计过程中必须考 虑的一些问题： ( 1 ) 需要硬件的数量。在系统设计中， 储器的数量、所使用的外设及其它的内容。 用的约束，硬件设备的选择是十分重要的， 备过多又会使产品变得过于昂贵。 不仅要选择使用何种微处理器，还要选择存 因为在满足性能要求的同时也要考虑制造费 硬件太少，将不能达到性能的要求，硬件设 ( 2 ) 时限要求。通过提高c p u 的时钟频率的方法来提高程序运行速度以解决时间 约束的方法显得十分笨拙，因为程序的速度有可能受存储系统的限制，因此必须从整个 系统的观点来考虑这个问题。 ( 3 ) 系统的功耗。对于电池供电的电器而言，功耗是一个十分重要的问题；对于非 电池供电的电器而言，高功耗也会带来高的散热量。降低系统功耗的一种方法就是降低 它的运算速度，但是单纯的降低运算速度显然会导致不能满足性能需求。所以必须从全 局的角度进行设计，以便通过降低系统非关键部分的速度来降低系统功耗，而同时又能 满足系统整体性能的要求。 ( 4 ) 系统的可升级性。系统的硬件平台可能使用几代，或者使用在同一代的不同级 别的产品中，而这些仅仅需要一些简单的改变就应实现，所以我们必须能够通过改变软 件采改变系统的特性。这就要求我们在软件设计中必须考虑系统的升级问题。 进行嵌入式系统设计有两种最基本的方法。一种是自顶向下的方法，从对系统最抽 象的描述开始，一步一步地推进到细节内容。另外一种方法是自底向上的方法，这种方 法从构成系统的每一个构件开始向上。图2 1 汇总了嵌入式系统设计的主要步骤。从自 顶向下的角度来看，先从系统的需求开始分析，然后是规格说明，在这一步对整个系统 进行更加细致的描述，但是规格说明只是对系统如何工作进行了描述，并不涉及它的组 成。系统内部的详细构造要在开发系统的体系结构时才能展现出来，这一阶段以大的构 件为单位给出了系统的结构。一旦知道了需要的构件，就可以开始设计这些构件，包括 软件模块和所需要的专用硬件模块。在这些构件的基础上，就可以构造出所需要的完整 的系统。上述设计过程中的这些步骤只是嵌入式系统的全貌的个轴线，同时还需要考 虑其它一些相关因素。 2 嵌入式系统的设计 图2 1 设计过程的主要抽象层次 具体的说，第一步“需求”就是要清楚要设计什么，从用户那里收集系统的非形式描 述，然后对这些要求进行提炼，以得到系统的规格说明。第二步“规格说明”更精确一些， 它起到客户和生产者之间合同的作用。第三步“体系结构”是系统整体结构的一个计划， 而后用于设计搭建整个体系结构的构件。结构设计的创建也是许多设计者认为的设计的 第一阶段，形象化的话就是把系统用功能框图来表示，然后可以再细分成硬件框图和软 件框图。第四步“软硬件构件”使得构件与体系结构和规格说明达到一致，一些构件可能 是现成的，比如c p u 、存储芯片或者各种模块等，同样软件也有标准的模块可以利用， 比如现有的操作系统、t c p i p 协议等，但也要自己设计一些构件，硬件方面如一些电路 等，软件方面如定制一些文件系统或者网络协议以满足特别的要求。第五步“系统集成” 是将构件集成到一个能运转的系统。 2 2 2 嵌入式系统设计原则 这一小节将对图2 1 中第四步工作，也就是“软硬件构件设计”进行比较详细的介绍， 因为这一步工作是比较值得关注也是工作量较大的一步。具体将从嵌入式微处理器和嵌 入式操作系统两部分进行分析。 ( 1 ) 嵌入式微处理器。在当今这个时代没有一种微处理器和微处理器公司可以主 导嵌入式系统，仅以3 2 位的微处理器而言，就有l o o 种以上嵌入式微处理器。因为嵌 入式系统设计的差异性极大，这就是有1 0 0 多种微处理器存在的原因。在某种情况下， 性能极为重要，而在另一种情况下，低功耗又成为最关键的因素。同时一些设计者会考 虑支持软件、代码的大小以及多种渠道的资源和过去的经验。以下各项是设计者在选择 时该注意的【s 】【9 】【1 0 i ： 选择高性能的处理器。如果设计是面向高性能的应用，那么应考虑某些新的处 理器，现在基于a r m 核的c p u 的性能都不错。另一种趋势就是越来越多的人在磁盘控 制器、数码相机、手持电话、调制解调器等方面使用d s p 。采用d s p 的好处是可以大 大减少系统内c p u 的数目，提高效率，并使编程简单，但是毕竟d s p 不能完全替代c p u 的功能。目前已经有公司宣布推出复合型的微处理器，如m o t o r o l a 的m c o r e ( 一种新一 释雾 西安科技大学硕士学位论丈 代的1 6 3 2 位微处理器) ，它将跨越c p u 与d s p 。 选择低功耗的处理器。嵌入式微处理器最大并且增长最快的市场是手持设备、 电子记事本、p d a 、手机、g p s 导航器等消费类电子产品，这些产品中选购的微处理器 除了要有很高的性能外，还要有极低的功率消耗。 选择专用的集成化的处理器。嵌入式微处理器与通用的微处理器最大的不同就 是嵌入式微处理器多数工作在用户自己设计的系统中。为了满足日益高速增长的各类嵌 入式系统设计的需求，c p u 厂商设计许多兼有1 6 3 2 位微处理器并集成了许多外围功能 的c p u ，如s a m s u n g 公司的基于a r m 7 核的s 3 4 4 b o x 集成了l c d 控制器，$ 3 4 5 1 0 集 成了以太网接口。 调查c p u 供应商。某些公司如m o t o r o l a 、i n t e l 很有名气，而有一些小的公司 如q e d 虽然名气很小，但也生产很优秀的微处理器。另外，有一些公司，如a r m ，m i p s 等，只设计而并不生产c p u ，他们把生产权授予世界各地的半导体制造商。其中a r m 是 近年来在嵌入式系统最有影响力的微处理器制造商，a r m 的设计非常适合于小的电源 供电系统。除m i p s 、a r m 之外，就数p o w e r p c 和x 8 6 了，这两款微处理器在桌面系 统用量极大，但在嵌入式系统中的影响却不够大。 在系统设计中，除了综合考虑系统的性能、功耗、价格、供货保证、开发工具的配 备外，工程师过去对这种处理器的经验和软件的支持等因素对决定使用哪一种处理器也 起到很大的作用。嵌入式处理器的选择不是一成不变的，伴随着技术的发展，速度快、 价格低、功能强的嵌入式处理器将会成为更好的选择。 ( 2 ) 嵌入式操作系统“ i t2 1 。嵌入式系统对操作系统和应用软件的需求和通用计 算机有所不同。嵌入式系统的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，应用程序可以没 有操作系统直接在硬件平台上运行，但是为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统 函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配操作系统软件开发平台，这样才能保证 程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。嵌入式操作系统的引入， 解决了嵌入式软件开发标准化的难题。随着嵌入式系统中软件比重不断上升、应用程序 越来越大，对开发人员、应用程序接口、程序档案的组织管理成为一个大的课题，引入 嵌入式操作系统相当于引入了一种新的管理模式，对于开发单位和开发人员都是一个提 高。以嵌入式操作系统为基础开发出的程序，具有较高的可移植性，实现9 0 以上设备 独立，一些成熟的通用程序可以作为专家库函数产品推向社会。嵌入式软件的函数化、 产品化能够促进行业交流以及社会分工专业化，减少重复劳动，提高知识创新的效率。 有了嵌入式操作系统，我们可以得到如图2 2 所示的嵌入式系统的构成： 2 嵌入式系统的设计 应用软件 z f l 3 嵌入式操作系统应用平台 ( ) u t p u l ( ) r e c v 函数被调用。 a p p l i c a t i o nl a y e r t m s n r tl a y e r i i l e m e 咐o r k1 w e r n e n 、o r ki n t e r f a c el a v 钟 幽28u d p 处理 t c p 处理：t c p 为传输层协议，它为应用层提供可靠的二进制数据流服务。基 本t c p 处理被划分成六个函数，函数t c p _ i n p u t 0 、t c p a ) r o c e s s 0 、t c p _ r e c e i v e 0 与t c p 输 入处理有关，t c p _ w t i t e o 、t c p _ e n q u e u e 0 、t c p _ o u t p u t 0 与输出处理有关。 如图2 9 所示，当应用程序想要发送t c p 数据，函数t c p 将被调用。 函数_ w r i t e ( ) t c pw r i t e ( ) 将控制权交给t c p ) ，该函数将数据分成合适大小的 段(如果必_enqueue(tcp 要) ，并放迸发送队列。接下来函数t c po u t p u t ( ) 将检查数据是否可以发送，也就是说， 如果接收器的窗口有足够的空间并拥塞窗口足够大，则使用i p _ r o u t e ( ) 干l li p _ o u t p u t _ i f ( ) 两个函数发送数据。 当i p 对i p 报头进行检验且把段移交给 函数后，输入处理开_ i n p u t ( ) t c pt c pi n p u t ( ) 始，在该函数中将进行初始检验并决定该段属于哪个t c p 连接。该段接着由t c p 处理，它实现t c p 状态机和其他任何必须的状态转换。如果一个连接处于从网络接收 数据的状态，函数t c r r e c e i v e ( ) 将被调用，t c p将把段上传给应用程序。_receive0 西安科技大学硕士学位论文 a p p k 删l o nl a ) er t r a n s p o r tl a y e r i n t e m e t o i a y e r n e t r k i n , t e f f a c e 【a 、目 幽29 t c p 处理 进程模型：t c p i p 协议栈的进程模型一般有以下几种方式： t c p i p 协议的每一层是一个单独进程，链路层是一个进程，i p 层是一个进程， t c p 层是一个进程。这样的好处是网络协议的每一层都非常清晰，代码的调试和理解都 非常容易，但是最大的坏处是数据跨层传递时会引起上下文切换，对于操作系统来说， 任务切换是要浪费时间的。 t c p i p 协议栈在操作系统内核当中。应用程序通过操作系统的系统调用和协议 栈来进行通讯，这样t c p i p 协议栈就限定于特定的操作系统内核了。如w i n d o w s 就是 这种方式。 所有的t c p i p 协议栈都在一个进程当中，这样t c p i p 协议栈就和操作系统内 核分开了。而应用层程序既可以是单独的进程也可以驻留在t c p i p 进程中，如果应用 程序是单独的进程可以通过操作系统的邮箱，消息队列等和t c p i p 进程进行通讯，如 果应用层程序驻留t c p i p 进程中，那应用层程序就利用内部回调函数口( r a wa p i ) 和t c p i p 协议栈通讯。l w i p 就属于这种方式。 操作系统模拟层：操作系统模拟层向诸如定时器、处理同步、消息传送机制等 的操作系统服务提供一套统一的接口。移植l w i p 到其他操作系统时，需要实现适合该 操作系统的操作系统模拟层。 操作系统模拟层提供了由t c p 使用的定时器功能，操作系统模拟层提供的定时器 是一次性的定时器，当超时发生时，调用一个已注册函数至少要2 0 0 m s 的间隔。进程同 步机制仅提供了信号量，即使在操作系统底层中信号量不可用，也可以通过其他信号原 语像条件变量或互锁来模拟。信息传递的实现使用一种简单机制，用一种称为“邮箱”的 抽象方法，即使操作系统底层对邮箱机制不支持，也容易用信号量实现。 网络接口：该层是t c p i p 协议栈与下层物理设备的驱动程序之间的接口。网络 接口结构如下面程序所示，通过n e x t 指针，网络接口被连成一个全局链表。每个网络接 口有一个名字，存储在n a m e 字段，这个两个字符的名字识别用于网络接口中的设备驱 2 嵌入式系统的设计 动类型，而且当接口在运行时由人为操作来配置。h u m 字段用来区分同类设备中的不同 的网络接口。当发送和接收包时，三个i p 地址i p _ a d d r ，n e t m a s k 和g w 由i p 层使用。 当包接收到时，设备驱动应当调用i n p u t 指针指向的函数，而网络接口通过o u t p u t 指针 连接到设备驱动。最后，s t a t e 指针指向设备驱动中网络接口的特定状态，由设备驱动设 置。 s t r u c tn e t i f s t r u c tn e t i f + n e x t ； c h a rn a m e 2 ； i n t n u m ； s t r u c ti p _ a d d ri p _ a d d r ； s t r u c ti p _ a d d rn e t m a s k ； s t r u c ti p _ a d d rg w ； v o i d ( + i n p u t ) ( s t r u c tp b u f4 p ，s t r u c tn e t i f + i n p ) ； i n t ( + o u t p u t ) ( s t r u c tn e t i f + n e t i f , s t r u c tp b u f + p ，i p a d d ri p a d d r ) v o i d + s t a t e ； ； 实际中，在发送数据时，本层的网络接口发送函数n e t i f - o u t p u t 0 负责接收网络层产 生的数据，为其添加以太网报头封装成以太网帧，然后调用网络驱动程序中的e t h e m e t i f _ o u t p u t ( ) t 豕1 数实现发送。接收数据时，当下层的网络驱动程序中的e t h e m e t i fi n p u t 0 成功 的接收到对方的以太网数据帧后，调用网络接口层的n e t i f - i n p u t o 接收此数据帧。n e t i f - i n p u t ( ) 首先判断数据帧类型，如果是i p 数据报，则调用上层i p 协议中的i p _ r e c v 0 ；如 果是a r p 数据报，则调用a r p 协议的a r i ) _ r e c v o 。图2 1 0 和2 1l 是n e t i f - o u t p u t ( ) 年f l n e t i f - i n p u t o 的流程图。 图2 1 0n e t i f - o u t p u t o 的流程图图2 1i n e t i f - i n p u t o 的流程图 西安科技大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章简要的介绍了嵌入式系统的概况，详细论述了嵌入式系统设计的基本流程，在 此基础上，着重分析了本设计中如何选择嵌入式系统的软、硬件，最终选择的微处理器 为s 3 c 4 4 b o x ( a r m 7 t d m i 核) ，实时操作系统为p c o s i i ，t c p i p 协议栈为l w i p 。 3 嵌入式系统硬件平台设计 i i i ；= ；i i ；i i i i i i ；i i = ；i i i i i i i i i i i i ；i i i i i i i i i ；i i i ；i i i i i i i i i i i ；i 嵌入式系统硬件平台设计 嵌入式系统硬件平台是软件开发的基础，在平台上可以直接开发用户程序，利用硬 件开发平台可以降低最终产品开发的难度。硬件平台由处理器、存储器、电源电路、时 钟和复位电路等组成。 3 1 硬件平台的总体设计6 】 嵌入式系统是整个远程监控系统的重要组成部分，在系统中起着承上启下的作用： 向上可连接着企业的局域网，向下连接着实际监测现场。本设计以s 3 c 4 4 b o x ( 内核 为a r m 7 t d m i ) 为微处理器，外设包含两个串口、s d r a m 、f l a s h 、以太网控制器 r t l 8 0 1 9 a s 等，其结构框图如图3 1 所示 吲31 基于s 3 c 4 4 b o x 的嵌入式系统硬件框图 其中串行接口包含两个串口u a r t 0 和u a r t l ，u a r t l 为主串口，可与p c 或 m o d e m 进行串口通讯，u a r t 0 只采用二根接线r x d 和t x d ，可进行简单的数据传 输及接收；基本输入输出( g p t o ) 共有7 1 个，都为多功能的，它们分为7 组，都可以 通过软件配置寄存器来满足不同系统和设计的需要；复位电路完成系统上电复位和在系 统工作时用户按键复位；电源电路为5 v 到3 3 v 和2 5 v 的d c d c 转换器，给m c u 的 i o 口和a r m 内核供电：实时时钟是通过m c u 外接3 2 7 6 8 k h z 晶振为系统提供工作时 钟，通过片内p l l 电路倍频为微处理器提供工作时钟；f l a s h 存储器可存放已调试好 的用户应用程序、嵌入式操作系统、l w i p 拂议或其他在系统掉电后需要保存的用户数 据等；s d r a m 存储器作为系统运行时的主要区域，系统及用户数据、堆栈均位于 西簧科技大学硕士学位论叉 s d