（测试计量技术及仪器专业论文）基于arm7的嵌入式网络平台软件设计.pdf

浙江大学倾i 学位论文 摘要 嵌入式系统已经广泛地应用于家庭和工业的各个领域，随着网络技术和服 务的日趋完善，与网络结合的嵌入式系统必将成为嵌入式系统发展的一个主要趋 势。本文提出并研究设计了一种基于a r m 7 t d m i 嵌入式处理器的网络平台的软件 设计方法。 第一章综合论述了嵌入式系统与网络技术结合的优越性以及相关技术的发 展状况，提出了一种嵌入式网络平台的设计。 第二章介绍了平台的硬件系统设计，包括根据网络功能的需要进行嵌入式 处理器的选择，内存、外设的选取，并提出了系统软件的调试方法。平台的硬件 核心为s a m s u n g 公司的嵌入式处理器$ 3 c 4 5 l o b 。 第三章对嵌入式操作系统从代码体积、内存管理、进程管理几个方面进行 分析，u c l i n u x 系统良好的可移植性，对网络功能和文件系统的支持使其成为首 选。 第四章介绍了_ 丌发调试环境的建立，包括交叉编译环境的建立以及相关程 序库、工具的安装。 第五章详细论述了平台的软件设计，包括系统引导程序b o o t l o a d e r 的作用、 设计和u c l i n u x 内核的配置、编译以及将内核烧写到平台上的f l a s h 中的方法。 并介绍了设备驱动程序的概念，系统中相关驱动程序的具体实现及应用。 第六章给出了本文研究的主要结论，并对系统的发展前景进行展望。 关键词：嵌入式网络平台系统移植驱动程序设计 浙江大学颂i 学位论义 a b s t r a c t e m b e d d e ds y s t e mh a sb e e nb r o a d ya p p i e di ne a c hf i e l do ff a m i l ya n d i n d u s t r y w i t ht h em o r ea n dm o r ep e r f e c tt e c h n o l o g ya n ds e r v i c ef o r n e t w o r k ，e m b e d d e ds y s t e mw h jc hw e l lu n j t e dw i t ht h ei n t e r n e tw i l lp r o m i s e t ob eam a i nt r e n do ft h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e mt h i sd i s s e r t a t i o n i st od i s c u s st h es o f t w a r ed e s i g no fan e t w o r kp l a t f o r mw h i c hi sb a s e d o na r m 7e m b e d d e dc p u i nc h a p t e ri ，t h ea u t h o rd e s c r i b e st h ec u r r e n td e v e l o p m e n ts t a t u so f e m b e d d e dc p ua n de m b e d d e do s ，a n dd i s c u s s e st h ea d v a n t a g et oc o m b i n et h e e m b e d d e ds v s t e ma n dn e t w o r kt e c h n o l o t y ，ino r d e rt op u tf o r w a r dt h ed e s i g n o fae m b e d d e dn e t w o r kp l a t f o r m i nc h a p t e r2 ，t h eh a r d w a r ed e s i g no ft h en e t w o r kp l a t f o r misd e s c r i b e d ， i n c l u d i n gt h ec h o o s eo fe m b e d d e dc p uw h i c hb a s e do nt h es u p p o r tf o rn e t w o r k f u n c t i o n ，t h es e l e c t i o no fm e m o r ya n dp e r i p h e r a le q u i p m e n t a n db r i n g f o r w a r dt h ed e b u gm e t h o do ft h es o f t w a r ef o rt h es y s t e m h a r d w a r ec o r e o ft h ep l a t f o r mi s s 3 c 4 5 1 0 b ，p r o d u c to fs a m s u n g i nc h a p t e r3 d i s c u s s i o no ft h ee m b e d d e ds y s t e mi sb a s e do nt h ec o d e s i z e ，m e m o r ym a n a g e m e n t ，c o u r s em a n a g e m e n t ，e t c t h ef a v o r a b l ec h a r a c t e rt o b ee a s yt op o r t ，w e l1 s u p p o r to ft h en e t w o r ka n df il e s y s t e mm a k eu c l i n u x o sag o o dc h o i c e i nc h a p t e r4 ，t h eb u n do fe n v i r o m e n tf o rd e v e l o p m e n ta n dd e b u g g i n g i si n t r o d u c e d ，w h i c hc o n s i s t so ft h eb u i l do fc r o s s - c o m p i l ee n v i f o m e n ta n d t h ei n s t a l lo fc o r r e l a t i v e1 i b sa n dt 0 0 1 s i nc h a p t e r5 t h es o f t w a r dd e s i g ni sd i s c u s s e di nd e t a i l t h e ya r et h e f u n c t i o na n dd e s i g no ft h eb o o t l o a d e rp r o g r a m ，t h ek e r n e lc o n f i g u r a t i o n ， t r a n s l a t ea n de d i to fu c l i n u x ，a n dt h ew a yt ob u r nt h ek e r n e lo n t of l a s h o ft h ep l a t f o r m c o n c e p to fd e v i c ed r i v e r sa n dt h ec o n c r e t er e a l i z a t i o n a n d a p p l i c a t i o n o fi n t e r r e i a t e dd e v ic ed r i v e r s i n s y s t e m a r ea l s o d e s c r jb e d i nc h a p t e r6 ，t h em a i nr e s e a r c hc o n c l u s i o njsg i y e n t h ep r o s p e c to f f u r t h e rr e s e a r c hw o r kisa 1s od is c u s s e d k e y w o r d ：e m b e d d e dn e t w o r kp a t f o r m ，s y s t e mp o r t i n g ，d e v i c e d r i v e r s v 浙江人学帧f 学位论文 致谢 在本论文完成之际，回首两年多的硕士学习生活，我在学业上，生活上得到 了许多人的关心和帮助，在这罩我要逐一向他们表达我的谢意。 感谢我的导师黄海教授和王晓萍副教授。两位老师学识渊博，治学严谨，作 风踏实，工作敬业。不仅教会了我许多专业领域内的知识，更用他们科学的学习 方法和求是的工作态度深刻的影响着我，而这将使我受益终生。 特别感谢本实验室的张卫东老师的无私指导与帮助。 感谢我的同学曹祁、林萍、郭振武、黄海鹏，以及实验室的陈惠滨、许艳红、 娄辉、胡东妮等师弟师妹们，感谓 他们对我的帮助和支持，在学习过程中和他们 进行的大量交流，使我获益匪浅，非常感谢他们与我一起度过这段快乐时光，我 将永远铭记。 感谢浙大电子信息技术与仪器2 0 0 1 级的研究生，和他们一起度过的日子是 充实而快乐的。他们对学习和工作执着的探索精神，面对困难时的不屈不挠以及 年轻人的无限朝气，将长久的影响我。 最后我要特别感谢我的家人，他们是我的精神支柱。一直以来，他们给予我 在学习、生活和工作上的理解、关怀、支持与鼓励。 于兰 2 0 0 4 年2 月于求是园 浙江人学坝i 学位论文 第一章综述 1 1 研究背景 嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适 应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗严格要求的专用计算机系统。它 并不是最近出现的新技术，只是随着微电子技术和计算机技术的发展，微控制芯 片功能越来越强大，而嵌入微控制芯片的设备和系统越来越多，从而使得这种技 术越来越引人注目。 信息时代的到来将不可避免地逐步改变人们日常的工作、学习和生活习惯， 嵌入式系统接入i n t c r n e t 是一种必然的发展趋势。嵌入式系统连接到i n t e r a c t 上 面，可以方便、低廉地将信息传送到几乎世界上的任何一个地方。利用该技术， 能够将i n t e m e t 延伸到嵌入式系统，并实现基于i n t e r n e t 的远程数据采集、远程 控制、自动报警、上传下载数据文件、自动发送e m a i l 等功能，为1 s t ( i n t e r n e t s e n s o r t e c h n o l o g y 网络传感器技术) 、h v a c ( 家庭环境自动控制) 、信息家电、 工业自动化( 制药工业过程控制、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化 工系统) 、局部环境自动监测、智能小区管理、网络自动抄表、高速公路出入口 管理、p o s 网络及电子商务等技术的应用与发展提供了技术保证。如图1 1 。 图1 1 嵌入式系统i n t e r n e t 的应用 将嵌入式系统与i n t e r n e t 结合起来的想法其实很早以前就有了，主要的困难 在于，i n t e m e t 上面的各种通信协议对于计算机存储器、运算速度等的要求比较 浙江人学f l ! j ! 1 1 学位论史 高，支持t c p i p 等i n t e r n e t 协议将占用大量系统资源，因而采用高性能的嵌入 式处理器成为设计嵌入式i n t e r n e t 系统的关键。随着技术的不断发展，高性能的 嵌入式处理器不断涌现，p o w e r p c 4 0 3 ，6 0 x 。8 x x 系列、i n t e l8 0 9 6 0 、m o t o r o l a 6 8 k & c p u 一3 2 ( + ) 、m i p s 、a r m 等。因此采用高性能的嵌入式处理器设计嵌入式 i n t e m e t 系统成为可能。 随着因特网技术的成熟、带宽的提高，i c p 和a s p 在网上提供的信息内容 同趋丰富、应用项目多种多样。像电话手机、电话座机及电冰箱、微波炉等嵌入 式电子设备的功能不再单一，电气结构也更为复杂。为了满足应用功能的升级， 设计师们一方面采用更强大的嵌入式处理器如3 2 位、6 4 位r i s c 芯片或信号处 理器d s p 增强处理能力；同时还采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术 来控制功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。目前， 国外商品化的嵌入式实时操作系统，己进入我国市场的，如w i n d r i v e r 、m i c r o s o f t 、 q n x 和n u c l e a r 等产品。我国自主开发的嵌入式系统软件产品如科银( c o r e t e k ) 公司的嵌入式软件丌发平台d e l t a s y s t e m ，它不仅包括d e l t a c o r e 嵌入式实时操作 系统，而且还包括l a m d a t o o l s 交叉丌发工具套件，测试工具，应用组件等：此外， 中科院也推出了i q o p e n 嵌入式操作系统。 嵌入式系统已经在家庭和工业的各个领域得到了应用，因为计算机芯片是嵌 入在有关的设备中的，没有自己独立的外壳。目前大多数嵌入式系统还处于单独 应用的阶段，以m c u 为核心，与一些监测、伺服、指示设备配合实现一定的功 能。在些工业和汽车应用中，为了实现多个m c u 之间的信息交流，利用c a n 、 r s 一2 3 2 、r s 一4 8 5 等总线将m c u 组网，但这种网络的有效半径比较有限，有关 的通信协议也比较少，并且一般是孤立于i n t e m e t 以外的。 1 2 相关技术发展现状 嵌入式处理器 个人电脑的核心是中央微处理器( c p u ) ，它好比人的大脑指挥思想的变化和 全身的行动一样。c p u 的不断升级换代也带动了p c 整体技术在十几年来的迅猛 发展。对于工业监控、通信、网络设备而言，嵌入式微处理器的核心地位毋庸置 浙江夫学硕i 一学位论史 疑，其间蕴含着的商机自然也是不可限量的。 a r m 即a d v a n c e dr i s cm a c hj n e s 的缩写，由英国a r m 公司设计。a r m 公司是 设计公司，本身不生产芯片，只提供知识产权( i p ) 。世界上几乎所有的主要半导 体厂商都生产基于a r m 体系结构的通用芯片，或在其专用芯片中嵌入a r m 相关技 术。如t i ，m o t o r o l a ，i n t e l ，n s ，a t m e l ，p h i l i p s ，a l t e r & ，a g i l e n t ，h y n i x ， n e c ，s h a r p ，t r i s c e n d ，n e c ，c i r r u s l o g i c ，s a m s u n g ，和l i n k u p 等公司都已有 相应的产品。目前a r m 芯片广泛应用于无线产品、p d a 、g p s 、网络、消费电子产 品、s t b 及智能卡。在2 0 0 1 年，基于a r m 内核的处理器年产量突破5 亿个，市 场份额超过了7 5 ，已经成为业界的龙头。 a r m 处理器的出色性能使系统设计者可以得到完全满足其确切要求的解决 方案。a r m 公司在世界范围内众多的合作伙伴，使得出现了大量的开发工具和丰 富的资源，借助于来自第三方开发者广泛的支持，设计者可以使用丰富的标准开 发工具和a r m 优化的应用软件，它们共同保证了基于a r m 处理器核的设计可以很 快投入市场。 a r m 3 2 b i t 体系结构目前被公认为是业界领先的3 2 b i t 嵌入式r i s c 微处理器 结构。所有a r m 处理器共享这一体系结构。这可确保当开发者转向更高性能的 a r m 处理器时，在软件开发上可获得最大的回报。 a r m 芯片具有r i s c 体系的一般特点，如： 具有大量的存储器 十绝大多数操作都在寄存器中进行，通过l o a d s t o r e 的体系结构在内存和 寄存器之间传递数掘。 寻址方式简单。 采用固定长度的指令格式。 除此之外，a r m 体系采用了一些特别的技术，在保证高性能的同时尽量减小 芯片体积，减低芯片的功耗。这些技术包括： 在同一条数据处理指令中包含算术逻辑处理单元处理和移位处理。 使用地址自动增加( 减少) 来优化程序中循环处理。 女l o a d s t o r e 指令可以批量传输数据，从而提高数据传输的效率。 所有指令都可以根掘6 面指令执行结果，决定是否执行，以提高指令执 浙江人学f l 自1 1 学位论史 行的效率。 当前a r m 体系结构的扩充包括； t h u m b ： 6 b jt 指令集，用以改善代码密度。 d s p ：用于d s p 应用的算术运算指令集。 j a z e l l e r ：允许直接执行j a v a 字节码的扩充。 a r m 处理器本身是3 2 b i t 设计，但也配置t h u m b l 6b i t 指令集，以允许软件 编码为更短的1 6 b i t 指令。与等价的3 2 b i t 代码相比，占用的存储器空间节省高 达3 5 然而保留了3 2 b i t 系统所有的优势( 例如，访问一个全3 2 b i t 地址空间) 。 t h u m b 状态与f 常的a r m 状态之问的切换是零丌销的。a r m 的j a z e l l e 技术提供 了j a v a 加速，可得到比基于软件的j a v a 虚拟机( j v m ) 高得多的性能。与同等的 非j a v a 加速核相比，功耗降低8 0 。 a r m 内核分为a r m 7 ，a r m 9 ，a r m i o 及s t r o n ga r m 几类，其中每一类又根据其 各自包含的功能模块而分成多种类型的产品。a r m 7 系列处理器是低功耗的3 2 位 r i s c 处理器。它主要用于对功耗和成本要求比较苛刻的消费类产品。例如，个 人音频设备( m p 3 播放器，w m a 播放器，a a c 播放器) ：接入级的无线设备；喷墨 打印机：数字照相机；p d a 。其最高主频可以达到1 3 0 m i p s 。 a r m j t d m i ( t h u m b ) 将a r m 7 指令集同t h u m b 扩展组合在一起，以减少内存容 量和系统成本。系统设计者可以充分利用3 2 位r i s c 内核提供的高性能和大寻址 范围。这使得应用丌发可以提高功能和性能而保持有竞争性的系统开销和功耗。 同时，它还利用嵌入式i c e ( 在线仿真器) 调试技术来简化系统设计。 a r m j t d m i 各字原义如下： o a r m 7 ：a r m 63 2 整型核的3 v 兼容版本 t ( t h u m b ) ：1 6 b i t 压缩指令集t h u m b d ( d e b u g g e r ) ：在片调试( d e b u g ) 支持下，允许处理器响应调试请求暂停 m ( m u l t i p l v ) ：增强型乘法器，与以前处理器相比性能更高，产生全6 4 b i t 结果 1 ( e m b e d d e di c e ) ：嵌入式i c e 硬件提供片上断点和调试点支持 浙江人学硕f 学位论文 a r m 7 t d m i 内核的特性： a r m 3 2 位r i s c 处理器性能 t h u m b1 6 位指令集降低系统丌销 低功耗，平均功耗为0 6 m w m h z 广泛的a r m 和第三方支持 与a r m 9t h u m b 系列a r m l 0t h u m b 系列和s t r o n g a r m 处理器相兼容 3 2 位寻址空间一4 6 b 线性地址空间 3 2 * 8 位乘法器( 具有d s p 特性的累加乘的指令) 3 2 位寄存器区和a l u 三级流水指令结构( 取指，译码，执行) 3 2 一b i t 桶状移位器 a r m 7 t d m i 的优点和特点主要有以下几点： 1 低功耗、高速、乘法器、精简指令、易升级等。 2 在国内，基于a r m 7 内核的c p u 得到了较为广泛的应用，a r m 9 ，a r m i o 因其强 大的处理功能和内嵌的d s p 模块，使用的场合也越来越多，并且a r m 9 ，a r m i o 指令完全向下兼容，便于升级。 3 a r m 7 的支持较其他芯片更加成熟和完善，代理商也能提供相应的解决方案。 4 a r m 7 t d m i 研究与应用的较为透彻之后，可以根据不同应用场合的需要，轻松 的升级到a r m 9 t d m i ，a r m 9 e 等具有其它加强功能的型号上来。 5 运算能力强大，a r m 7 t d m i 具有4 0 m i p s 的性能，晶振达到6 6 m h z 。 6 a r m 7 t d m i 具有硬件乘法器，具有可以进行d s p 所需要的累加乘指令， a r m 7 t d m i 运算1 6 x1 6 位的需要3 个时钟周期，3 2 3 2 的乘法最多需要5 个 机器周期。 a r m 支持多任务和操作系统，不同的工作方式，不同的中断方式，众多的中 断和异常，以及内部的c a c h e 和b u f f e r 等成为应用实时操作系统的硬件基础， 也只有通过操作系统刊能更好的管理这么丰富的功能和资源。支持的操作系统有 n u c l e u s ，v x w o r k s ，r t l i n u x ，u c o s ，1 i f l u x ，u c l i n u x 等。 越来越多的芯片厂商看好a r m 的静景，它的微处理器内核快速成为应用于手 浙江人学坝i + 学位论文 持电脑，便携通讯设备，多媒体数字消费设备及其他嵌入式解决方案的工业事实 标准。 u c ljn l l x 操作系统 i t 业内技术更新速度很快，新产品开发周期短，用于人机交互、监控、通信 以及控制应用的智能专用系统，越来越多地需要有成熟灵活的操作系统。 l i n u x 是一种很受欢迎的类u n i x 操作系统，它免费并开放源代码在个人 计算机、服务器领域应用广泛。l ir ) u x 采取模块化设计，实际应用中可以实现定 制，因此l i f l u x 也适用于嵌入式领域。其强大的语言编译器g c c 、g 什等也可以 很容易得到。不但成熟完善、而且使用方便。 随着嵌入式系统的发展，提出了对嵌入式实时操作系统的需求。于是出现了 很多商用的产品，如v x w o r k s ，p s o s ，q n x ，n e e u l e u s 和w i n d o w sc e 等。这些商 用的操作系统虽然功能强大，但是价格昂贵。而且协议栈等等开发资源都是由相 应的公司提供的，使得开发者受制于提供操作系统的公司。l if l u x 的出现打破了 这一局面，它的丌发都是在g p l ( g n up u b l i cl i c e n s e ) 的版本控制之下，因此 l i r u x 内核的所有源代码都是采取开放源代码的方式。 将l i n u x 作为一个嵌入式操作系统具有许多的优点： 1 ) 系统稳定 l i n u x 是源代码丌放软件，不存在黑箱技术。遍布全球的众多l i n u x 爱好者 又能给予l in u x 丌发者强大的技术支持。因此l i n u x 是所有p c 操作系统中最可 靠且稳定的- 9 * ，其内核也是如此。 2 ) 功能强大 由于拥有众多的开发者，使得l i n u x 具有非常强大的功能，它支持多种总线， 接口及设备，支持几乎所有的文件系统，它还能提供多种完善的图形界面解决方 案。 3 ) 支持多种硬件平台 l in u 可以非常稳定地运行在许多种体系结构的处理器上。晟新的l i n u x 内 浙江人学坝l 学位论文 核支持i n t e lx 8 6 、m o t o r o a i b mp o w e r p c 、c o m p a q ( d e c ) a l p h a 、i a6 4 、s 3 9 0 、 s u p e r h 等微处理器体系结构。 4 ) 简单易用且开发资源丰富 l in u x 的系统界面和编程接口和传统的u n x 类似，大量在u n i x 下的程序员 可以很方便的从u n i x 环境转移到l i n u x 环境下来。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。 5 ) 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 的软件工具开发包，从功能角度上看并不亚于商用开发包，同时可以极大的降低 开发成本。 6 ) 文档完善 l i n u x 有非常多的文档支持，从为初学者准备的各种教程到非常详细的联机 帮助文档。l i n u x 是互联网充分发展的产物，许多关于l i n u x 的文档都可以在 i n t e r n e t 上找到和下载。l i n u xd o c u m e n tp r o j e c t 是为l i n u x 提供系统化的文档支 持的项目，在世界上许多程序员和用户的帮助下，它已经收集了非常详细的系统 文档和使用文档。 7 ) 强大的网络功能 l i n u x 操作系统最突出的是网络部分，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，l i n u x 内核比标准的u n i x 更加高效地处理网络协议，系 统的网络吞吐性能非常好。 8 ) 模块化的结构 l i n u x 的内核模块可以根据需要加载和卸载。而内核本身的裁剪也是很容易 的。这使得丌发者可以很方便的针对特定的应用来定制一个操作系统。 目前，国外不少大学、研究机构和知名公司都加入了嵌入式l i n u x 的开发工 作，较成熟的嵌入式l i n u x 产品不断涌现，其中著名的系统有r t - l i n u x ( r e a l - t i m e l i n u x ) 、u c l i n u x 、b l u e c a tl i n u x 、m o n t a v i s t al i n u x 等。 uc l in u x ( m i c r o c o n t r o l l i n u x ) 是l i n u x 的一个嵌入式版本，其内核的二 s 浙江人学砸1 学位论史 进制映像文件可以做到小于5 1 2 k 。“c l jd u x 针对无m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n t u n i t ，内存管理单元) 的处理器设计，支持多任务，具有完备的t c p i p 协议栈 并支持多种网络协议。uc l i d u x 支持硬盘接口，网络，功能较为全面。还支持 多种文件系统，如r o m f s ，n f s ，f a t l 6 3 2 。uc l in u x 已经成功应用于路由器、 网络摄像机、机顶盒、p d a 等诸多领域。 另外，uc l i n u ) 【可移植性很强，用户通过重新配置、编译内核，很方便将 其移植到6 8 k 、d r a g o nb a l l 、c o l d f i r e 、p o w e rp c 、a r m 等多种处理器计算平台。 本课题选择2 4 内核的uc l i n u x 作为平台操作系统。一个小型的嵌入式l i n u x 系统只需要下面三个基本元素：引导工具，初始化进程，硬件驱动程序。 1 3 嵌入式系统概述 一、嵌入式系统技术的发展历史 嵌入式系统是以应用为中心，软硬件可裁减，适应应用系统对功能、可靠 性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统主要由 嵌入式处理器、相关支撵硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是集 软硬件于一体的可独立工作的“器件”。简单的说就是系统的应用软件与系统的 硬件一体化，类似与b i o s 的工作方式。具有软件代码小，高度自动化，响应速 度快等特点。 从八十年代术丌始，陆续出现了一些嵌入式操作系统，比较著名的有 q x w o r k 、p s o s 、n u c l e u s 和w i n d o w sc e 。但这些高端嵌入式系统高昂的价格使许 多低端产品的小公司望而却步：而且，源代码封闭性也导致了诸如对设备的支持， 应用软件的移植等一系列的问题。对上层应用丌发者而言，嵌入式系统需要的是 一套高度简练、界面友善、质量可靠、应用广泛、易丌发、多任务，并且价格低 廉的操作系统。嵌入式l i d u x 操作系统以价格低廉、功能强大又易于移植而正在 被广泛采用，成为新兴的力量。纵观嵌入式系统技术的发展，大致经历以下四个 阶段： 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 浙江人学坝 学位论殳 制系统中，一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。 第三阶段是阱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 统内核精小、效率商，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 r n e l 为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的 阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e r n e f 之外，但随着i n t e m e t 的发展以 及i n t e m e t 技术与信息家电、工业控制技术等结合同益密切，嵌入式设备与i n t e m e t 的结合将代表着嵌入式系统技术的真讵未来。 二、嵌入式系统的特点 嵌入式系统与通用计算机系统相比有五个明显的特征：专用性、可封装性、 外来性、实时性、可靠性。专用性是指嵌入式计算机系统一般用户特定设备以完 成特定的任务。可封装性指嵌入式计算机系统隐藏于目标系统内部而不被操作者 察觉。实质上是面向对象封装以实现信息隐蔽思想的体现。外束性体现在嵌入的 计算机一般自成一个子系统，与目标系统的其他子系统保持一定的独立性。实时 性指与实际事件的发生频率相比，嵌入式系统能够在可预知的极短时间内对事件 或用户的干预作出响应。可靠性是指嵌入式计算机隐藏在系统或设备中，用户很 难直接接触控制。因此丝丌始工作就要求它可靠运行。 通常，嵌入式系统中的系统程序( 包括操作系统) 和应用程序是浑然一体 浙江人学坝f 。学位论史 的，这些程序被编译连接成一个可执行的二进制映像文件( i m a g e ) ，这个二进制 映像文件被固化在系统中，在系统复位后自动执行。嵌入式系统的丌发系统和实 际运行的系统并不相同，需要交叉编译系统和适当的调试系统。 和通用计算机不同，嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率的设计，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，这样才能在具体竞争 中更具有竞争力。嵌入式处理器要根据用户的具体要求，对芯片配置进行裁减和 添加才能达到理想的性能，但同时还受用户订货量的制约，因此不同的处理器面 向的用户是不一样的，可能是一般用户、行业用户或单一用户。嵌入式系统和具 体用户有机地结合在一起，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，就具有较长的生命周期。嵌入式系统中的软件，一般都 固化在只读存储器中，而不是以磁盘为载体，可以随意更换，所以嵌入式系统的 应用软件的生命周期也和嵌入式产品一样长。另外，各个行业的应用系统和产品， 和通用计算机软件不同，很少发生突然性的跳跃，嵌入式系统的软件也因此更强 调可继承性和技术衔接性，发展比较稳定。 嵌入式系统的应用几乎无处不在：移动电话、家用电器、汽车等等，无不有 它的踪影。嵌入式系统因其体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等许多优点是 其应用以深入到工业、农业、教育、国防、科研以及只常生活等各个领域，对各 行各业的技术改造、产品更新换代、加速自动化进程、提高生产率等方面起到了 极其重要的推动作用。 嵌入式系统工业是专用计算机工业，其目的就是要把一切变得更简单、更方 便、更普遍、更适用：通用计算机的发展变成功能电脑，普遍进入社会，嵌入式 计算机发展的目标是专用电脑，实现“普遍化计算”，因此可以称嵌入式系统是 构成未来世界的“数字基因”。正如我国资深嵌入式系统专家沈绪榜院士的预言。 “未柬十年将会产生针头大小，具有超过一亿次运算能力的嵌入式芯片”，将为 我们提供无限的创造空间。 1 4 课题的提出 浙江人学删l 学位论文 从八十年代术丌始，陆续出现了一些嵌入式操作系统，比较著名的有 v x w o r k 、p s o s 、n u c t u s 和w j n d o w sc e 。但这些高端嵌入式系统高昂的价格使许 多低端产品的小公司望而却步；而且，源代码封闭性也导致了诸如对设备的支持， 应用软件的移植等一系列的问题。对上层应用开发者而言，嵌入式系统需要的是 一套高度简练、界面友善、质量可靠、应用广泛、易丌发、多任务，并且价格低 廉的操作系统。嵌入式l in u x 操作系统以价格低廉、功能强大又易于移植而正在 被广泛采用，成为新兴的力量。 另外，丌发嵌入式系统的关键是需要一套好用的开发和调试工具，而且在开 发所不同阶段还需要不同的工具。传统的丌发调试工具就是i c e 在线仿真 器，它取代目标板的微处理器给目标程序提供仿真环境，同时可以连接监视器， 允许丌发者调试和监视程序的运行。但是，这种设备价格非常贵。如果使用嵌入 式l i n u x ，就不用i c e 也可以很好地丌发和调试工作了，同时还降低开发费用。 嵌入式l jr u x 利用g n u 项目的c 编译器来编译程序，使用g d b 源程序级调试器来 调试程序。它们提供了合适的手段使得能够开发嵌入式的l i n u x 各种应用程序。 通过串口和g d b 通讯，可以进行c 源程序级的调试。甚至还可以通过串口把其他 的程序下载到r a m 或f l a s h 存储器。通过串口，使用g d b 可以使得软硬件的初始 化代码继续运行到核心全部启动。一旦核心运行了，就可以使用其他的更好的调 试工具，象k g d b 等。如果连接了网络，也可让网络工作起来。同时客户就可以 用o u i 的x g d b 来调试应用程序。 随着微处理器的产生，价格低廉、结构小巧的c p u 和外设连接提供了稳定可 靠的硬件架构，那么限制嵌入式系统发展的瓶颈就突出表现在了软件方面。本课 题的任务是在分析嵌入式系统工作原理和实际应用需要的基础上，构建一个基于 a r m t t d m i 处理器，采用uc l i n u x 系统的嵌入式网络平台。论述嵌入式处理器的 选择和移植uc l i n u x 操作系统到所选处理器平台的过程，以及平台网络接口的 调试，串口、f l a s h 、中断、y o 等设备驱动程序的编写和调试。这样一个与网 络技术结合，适用于多种嵌入式应用场合，易于进一步丌发各种应用程序的专用 嵌入式网络平台，将为降低丌发成本，增强可扩展性、适应性提供可能。系统原 理图如下： 浙江入学坝l 。学位论义 图卜2 系统原理图 3 浙江人学硕l + 学位论文 第二章嵌入式网络平台 2 1 处理器 本课题目标平台c p u 采用s a m s u n g 公司生产的高性能嵌入式处理器 $ 3 c 4 5 1 0 b 。$ 3 c 4 5 1 0 b 是针对嵌入式应用的1 6 3 2 位嵌入式处理器，它的核心是 基于a r m 公司的a r m 7 t d m ir i s c 实现的。结合了t h u m b 指令集的 a r m 7 t d m i3 2 位r i s c 具有低功耗、小体积和高性能的特点，适合于便携式、 嵌入式和多媒体等应用领域。该处理器集成了多种外围部件，主要有： 1 8 k b y t e 内部c a c h e s r a m 2 一个1 0 1 0 0 m b p s 以太网控制器，降低了整个系统的功耗 3 两个u a r f 通道，可用于红外通讯：两个d m a 通道 4 中断控制器，支持2 1 个中断源，包括4 个外部中断源 5 2 个h d l c 通道，每个通道可支持1 0 m b p s 6 2 个3 2 位可编程定时器，1 8 个可编程i o 口 7 内置p l l 时钟发生器可以设置系统工作频率 8 i i c 串行总线 9 具有扩展外部总线 1 0 支持s d r a m ，e d od r a m ，s r a m ，f l a s h 等 1 1 j t a g 逻辑测试部件，支持软硬件开发 $ 3 c 4 5 1 0 b 的系统模块图如下： 浙江人学帧i 学位论义 a r m 7 1 d m lf “f 。 3 2 d l i r i s ec p u 8 r e a k “i 3 2 - & h c p u o m i s y m 。b u s l m e m o r y _ ：i 司 一l 。裟。卜一，1 燮l i c f “1 p _ 一网f f e r i。r 蠹1 品赫、 o f 1 7 l f f o i t e r i 日1 6r d j n l e r i + - _ +卜。t 。n n e lh 舡d 。 s c l 一剖j c j s d a 一 ；l n c i l - d i n q + 一【1 0 g 。i 目i ) o mf + e 1 胁甜c 肼l t r o i i q r l d l o 讲吖1 自l b o m i r e 0 i n t e r r u p u tc o n t t o t l e ri 毒 a c k i c o m 柏 + 一l u 甜0 1 h -一f 住黜嚣删f 3 2 嚏t i m e r 0 1 i + 揣案嚣l ig d m a 0 1 - _ +m f 器啪) 1 + 【翼 r x f | f o n 6 b 帅1 l口t i 1 t i 刊0 s c 一7 l t a p c o r e r 0 1 1 _ - f o rj t a g 图2 一ls 3 c 4 5 1 0 b 系统模块图 2 2 系统内存 系统内存由三部分组成。$ 3 c 4 5 1 0 b 内部集成了8 k 字节的s r a m ( 静态r a m ) ， 以及片外扩展的f l a s h ( 闪存) 和d r a m ( 动态r a m ) 。f l a s h 为s s t 的i mxj 6 b i t 的3 9 v f l 6 0 一片，用于存放内核和用户程序，另一片5 1 2 k 的存放b o o t 程序。d r a m 采用h y n jx 系列i m x1 6 b i t 的h y s t v 6 4 1 6 2 0 。 2 3 通用外设 $ 3 c 4 5 1 0 b 内部集成了u a r t ，只需很少的外围芯片就可以实现两个r s 2 3 2 串口。$ 3 c 4 5 1 0 b 还内嵌一个以太同控制器，片外扩展一片r t l 8 2 0 1 ，就方便地 实现了一个1 0 1 0 0 m b p s 的以太网接口。 2 4 调试接口 浙江人学f 受t 学位论史 p c 机通过并口线和j t a g 仿真器相连，通过串口线和目标板的串1 3 、通过网 线与目标板的网卡接1 3 相连。 系统b o o t 程序通过j t a g1 3 下载到f l a s h 中并引导系统内核下载。上位 p c 机上将并口设置为e p p 模式( 双向高速数据传输) ，运行f l a s h p g m 程序， 打丌要下载的文件，在其中p r o g r a m m e 项中选择f l a s h 芯片的型号、数据宽度和 芯片个数，即可实现下载。 串口用柬监视目标板的运行和目标板进行交互等。可在p c 机上使用串口调 试助手和目标板上通讯，下载程序和接收显示从目标板束的打印信息。 串口l 并口 p c 机 并口线 网口 r s 2 3 2口线 j t a 0j t a g 网1 3 串口 仿真器 一 一 $ 3 c 4 5 t o 目标板 图2 2 调试接口示意图 系统电路板及j t a g 仿真器如图2 3 ： 塑竖查兰! 堡：! ：堂些堡兰 图2 - 3系统电路板及j t a g 仿真器 7 浙江人学硕 。学位论义 第三章嵌入式操作系统 3 1 操作系统u c l i n u x 简介 操作系统是嵌入式设备软件的核心部分。由于它的存在，使得设备的功能有 很大的扩展空间和伸缩性能。 l i n u x 是一种很受欢迎的类u n i x 操作系统，它免费并开放源代码，在个人 计算机、服务器领域应用广泛。更重要的是，