（信号与信息处理专业论文）基于嵌入式linux的通信系统研究.pdf

北方t 业大学硕七学位论文 摘要 科技的发展大大提高了人们的生产效率和生活水平。随着社会的蕴展，许 多科技发明和产品应运而生，而这些发明和产品有大量都是基于嵌入式系统的。 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，广泛 应用在消费类电子产品，工业，航空航天，汽车系统等方面。 本文介绍了一种利用3 2 位嵌入式微控制器s 3 c 4 4 b o x ，基于u c l i n u x 操作系 统的嵌入式邮件收发装置。 硬件核心s 3 c 4 4 b o x 是三星公司设计的一款商性价比和高性能的1 6 3 2 位 r i s c 微控制器，处理器内核为a r m 7 t d m ii _ l i s c ( 最高主频6 6 m l l z ) 。它提供了丰 富的内置部件，集成了各种片上功能。 硬件平台的主要外围接口包括：s i ) r a m ，用于存储操作系统及程序；网络芯 片r t l 8 0 1 9 a s ，用于连接网络；键盘单元，用于输入命令；l c d 单元，用于显示 结果；串口单元，用于系统调试及开发；j t h g 调试接口，用于系统调试及开发。 嵌入式操作系统采用u c l i n u x ，它作为一种优秀的嵌入式操作系统，是经过 对标准l i n u x 内核改动，高度优化、代码紧凑的嵌入式l i n u x 。它保留l i n u x 的 大多数优点，具有稳定的性能、良好的移植性、优秀的两络功能，并支持各种 无内存管理单元的主流嵌入式微处理器。 本设计利用t c p i p 协议中的t e l n e t 远程登陆工具登陆邮件服务器收发电 子邮件为实现邮件收发器的功能，要根据任务需求完成对u c l i n u x 内核的移 植和配置。p o p 3 协议是电子邮件收取的核心所在，s m t p 协议是电子邮件发送的 核心所在。p o p 3 指p o s to f f i c ep r o t o c 0 2v e r s i o n3 ，称为邮筒协议，负责邮 件的收取。p o p 3 端口为1 1 0 。，s m t p 指s i m p l em a i lt r a n s f e rp r o t o c o l ，称为 简单邮件传输协议，负责邮件的发送。s m t p 端口为2 5 。 本设计实现邮件收发功能，通过t e l n e t 能登陆到5 籍利用p o p 3 协议和s d t p 协议实现电子邮件的接收与发送。 关键词；嵌入式系统，u c l i n u x ，邮件收发t e l n e t 北方丁业大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yh a si m p r o v e dp e o p l e sp r o d u c t i o n e f f i c i e n c ya n dl i v i n gl e v e lg r e a t l y w i t l it h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y al o to f s c i e n t i f i c a n dt e c h n o i o g i c a li n v e n t i o na n dp r o d u c t sa r i s ea tt h eh i s t o t i nm o m e n t a n dt h em o s t o f t h e ma r cb a s e do ne m b e d d e ds y s t e m t h ee m b e d d e ds y s t e m b a s e do nc o m p u t e r t c c h n e l e g y , w h i c hc a n b em o d i f i e di nh e t hh a r d w a r ea n ds o r w a r e i su s e dt om e e tt h e d e m a n d so ff u n c t i o n ，r e l i a b i l i t y , l o wc o s t s o l i d i t y , a n de n e r g yc o s to fa l la p p l i c a t i o n s y s t e m i tj sw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d ss u c ha 5e l e c t r o m c i n d u s t r y , a v i a t i o na n ds oo n t h i st e x th a si n t r o d u c e dak i n do fe m b e d d e dm a i lr p 9 3 a v i n ga n ds e n d i n gd e v i c e u t i l i z i n ge m b e d d e dm i c r o c o n t r o l l e r $ 3 c 4 4 8 0 xa st h ec p u b a s h a go nu c l i n u x o p e r a t i n gs y s t e r n t i l ee o r eo f t h eh a r d w a r es 3 c 4 4 8 0 xi snp r o d u c to f s a m s a n g i ti s a h i g h p c r f o r m a n c em i c r o p r o c e s s o r t h a ti s1 6 3 2b i t sr i s ca n dh a sa h i g hp r o p o r t i o n o f t h ep r i c e t h ek e m e lo f m i c r o c o n t r o l l e ri sa r m 7 t d m ir i s c ( t h eh i g h e s tm a i n l y f r e q u e n c yi s6 6 m h z ) i th a so f f e r e dt h ea b u n d a n tb u i l t - i np a r t ，h a si n t e g r a t e dv a r i o u s k i n d so f f u n o t i o ni nac h i p i no r d e rt or e a l i z et h ef u n e t i o no f t h es y s t e n t ，t h em a i np e r i p h e r a li n t e r f a c ei n c l u d e s ： s d r a m i su s e df u rs t o r i n g o p e r a t i n gs y s t e ma n dp r o c e d u r e ；n e t w o r kc h i p r t l 8 0 1 9 a s ，i 8u s e df u rj o i i n n gt h en e t w o r k ；t h cu n i to fk e y b o a r d ，i su s e df o r e n t e r i n gi n s t r u c t i o n ；u n i tl c d i su s e df o rs h o w i n gt h er e s u l t ；u n i to f s e r i a lp o r t i s u s e df o rd e b u g g i n ga n d _ ( k - v e l o p m e n t ；如ei n t e r f a c eo fj t a g , i su s e df o rd e b u g g i n g s y s t e m a t i c a l l ya n dd e v e l o p m e n t 一 t h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ma d o p t sn c l i n u x a sak i n do f o u t s t a n d i n ge m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e m ，i ti sah i g h l yo p t i m i z i n g ，e m b e d d e dl i n u xw i t hc o m p a c tc o d e t h r o u g hc h a n g i n gs t a n d a r dl i n u xk e r n e l i tk e e p sm o s ta d v a n t a g e so fl i n u x ，h a s s t e a d yp e r f o r m a n c e ，g o o dt r a n s p l a n t a t i o r l 1o u t s t a n d i n gn e t w o r kf u n c t i o n , a n ds u p p o r t s v a r i o u sk i n d so fm a i n s t r e a me m h e d d e dm i c r o p r o c e s s o r st h a th a v en om e m o r y m a n a g eu n i t t h i st e x tu t i l i z e st h el o n g - r a n g el a n dt o o lt e l n e ti nt c p ，i pp r o t o c o lt ol a n dt h e m a i ls e r v e rt or e c e i v ea n dd i s p a t c ht h ee m a i l i no r d e rt or e a l i z et h ef u n c t i o no f t h es y s t e m , i tn e e d st of i n i s ht h et r a n s p l a n t a t i o na n dd i s p o s i t i o no ft h ee m b e d d e d k e r n e la c c o r d i n gt ot h ea c t u a lc o n d i t i o n s t h ep o p 3p r o t o c o li st h ek e yo f r e c e i v i n ge - m a l l t h es m t pp r o t o c o li st h ek e yo fs e n d i n ge - m a i l p o p 3r e f e r st o p o s t0 币e ep r o t o c o lv e r s i o n3 i sc o l l e dt h em a i l b o xp r o t o c 0 1 w h i c hi sr e s p o n s i b l e f o rr e c e i v i n gt h em a i l i t sp o r ti s1 1 0 s m t pr e f e r st os i m p l em a i lt r a n s f e rp r o t o c 0 1 i sc a i l e d 出es i m p l em a i lt r a n s m i tp r o t o c 0 1 i sr e s p o n s i b l ef o rs e n d i n gt h em a i l s m t p p o r t i s2 5 ， t h ed e s i g nr e a l i z e st h a tt h ef u n c t i o no fr e c e i v i n ge n ds a n d i n gm a i l ，r e a c ht h er e - s e t t a r g e t ，i tc a l ll a n dt h em a i ls e r v e rt h r o t l 加t e l n e ta n du t i l i z ep o p 3a n ds m t pt o r e a l i z e r e c e i v i n ga n ds e n d i n gm a i l k e y w o r d ：e m b e d d e ds y s t e m ，u c l i n u x ，r e c e i v i n ga n ds e n d i n gm a i l ，t e l n c t 2 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及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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j l 友兰些盍望或其他 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 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 撇一躲如签字鐾母川咽 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解韭左至堑盍堂有关保留、使用学位论文豹规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权j e 友王些盔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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：蔫锄司 签字日期：p 薅妇知日 学位论文 工作单位 通讯地址 导师签名为根 签字日期：卅年月夕日 l 电话；l 蝴弘w 乏邮编：叫7 占 北方t 业大学硕十学位论文 1 引言 随着社会的信息化的日益加强，计算机和网络已经全面渗透到日常生活的 每一个角落。对于每个人来说，需要的已经不仅是那种放到桌上处理文档、进 行工作管理和生产控制的计算“机器”。任何一个普通人都可能拥有大小不一、 形状各异、包含了嵌入式技术的电子产品。例如，d , nm p 3 、p d a 等微型数字产 品，大到网络家电、智能家电、车载电子设备等。 目前，各种各样的新型嵌入式系统设备在应用数量上已经远远超过了通用 计算机。在工业和服务领域中，使用嵌入式技术的数字机床、智能工具、工业 机器人，服务机器人正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式。 本论文将要介绍的便携式邮件收发装置就是一种嵌入式设各，它是基于 a i i m 7 内核的微控制器s 3 c 4 4 8 0 x 和嵌入式操作系统u c l i n u x 设计的。 1 1 嵌入式系统简介 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。 嵌入式系统从出现至今已经有3 0 多年的历史了。它已广泛应用于人类工作 与生活的各个领域，如传统的工业控制和网络通讯、p o s a t m 机、i c 卡等：家庭 领域的机项盒、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：此外还有在媒体手机、袖珍电脑、掌上电脑、车载导航器等方面 的应用。嵌入式操作系统和数字化产品的研发方向主要集中于无线手持移动设 备、智能网络终端设备、嵌入式网络安全设备。 嵌入式系统有以下的主要特点： ( 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式c p u 与通用型的最大不同就 是嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，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，跟网络 的耦合也越来越紧密。 ( 2 ) 嵌入式系统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 ) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，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。 北方1 = 业大学硕十学位论文 ( 4 ) 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 ) 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存 储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 ( 6 ) 嵌入式系统本身不具备自行开发能力，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。 1 2 嵌入式处理器 嵌入式处理器在嵌入式系统中扮演着非常重要的角色。嵌入式处理器的发 展从最初的8 位到现在的3 2 位，无论从功能还是集成度部有了很大的提高。 a r m ( a d _ l _ a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 公司的3 2 位r i s c 处理器，以其高速度、低功耗、 低成本、功能强、特有1 6 3 2 位双指令集等诸多优异的性能，已成为移动通信， 手持计算、多媒体数字消费等嵌入式解决方案中的首选处理器。到目前为止， 全球8 0 的g s m 3 g 手机、9 9 的c d 姒手机以及绝大多数p d a 产品均采用a r m 体 系的嵌入式处理器，“掌上计算”相关的所有领域皆为其所主宰。得到大量软件 支持也是a r m 具有决定性影响的一个优势，包括w i n d o w s c e ，s y m b i a n 和p a l m o s 在内的三种主要常用系统都是基于a r m 架构所设计，采用嵌入式l i n u x 操作系 统的掌上设备虽然还不是很多见，但它同样是基于a r m 。 三星公司设计的一款高性价比和高性能的1 6 3 2 位r i s c 微控制器s 3 c 4 4 b o x 无内存管理单元，内含a r m 7 t d m ir i s c 处理器内核( 最高主频6 6 m h z ) ，并为用 户提供了一套完整的通用外围设备接口。本设计采用了这一款的微控制器。 1 3 嵌入式l if i u x 操作系统简介 由于嵌入式系统的复杂性不断增加，嵌入式操作系统已经成为嵌入式系统 中最重要的组成部分，操作系统的优劣直接影响了系统的性能、开发和应用。因 此。嵌入式操作系统是目前嵌入式系统研究的热点所在。由于l i n u x 操作系统的 开放源码特性，国内外越来越多的人员开始研究如何将l i n u x 应用于嵌入式系 统。l i n u x 操作系统高效稳定，实现了真正的多任务、多用户环境，有着强大的 网络功能，更由于其开放源码、定制方便而在嵌入式系统领域获得了飞速的发 展。 与其它嵌入式操作系统相比，l i n u x 的特点如下：第一，l in l l x 系统是层次 结构且内核完全开放。第二，强大的网络支持功能。第三，l i n u x 具备一整套工 具链，容易自行建立嵌入式系统的丌发环境和交叉运行环境。可以跨越嵌入式 系统开发中仿真工具的障碍。第四，l i n u x 具有广泛的硬件支持特性。这意味着 北方t 业大学颐十学位论文 嵌入式l i n u x 将具有更广泛的应用前景。另外，选用l i n u x 作为嵌入式操作系 统，还因为对于嵌入式系统来说： ( 1 ) 系统处理实时性好，性能稳定。 ( 2 ) 文件管理系统更适合于大量的图像数据。 ( 3 ) 内核小巧高效，作为专用系统，具有系统小令精简、处理速度快等特点。 ( 4 ) 系统数据置于r o m f l a s h 中，调用速度快，不会被改变，稳定性好。 l i n u x 从1 9 9 1 年问世到现在，短短的十几年时间已经发展成为功能强大、 设计完善的操作系统之一；可运行在x 8 6 、a 1 p h a 、s p a r c 、h i p s 、p p c 、m o t o r o l a 、 n e c 、a r m 等多种硬件平台，可与各种传统的商业操作系统分庭抗争。 在嵌入式系统的应用中，l i n u x 嵌入式操作系统所具有的技术优势和独特的 开发模式给业界以新异。有理由相信，它能成为i n t e r n e t 时代嵌入式操作系统 中的最强音。 1 4 系统设计方案 本设计提供了一种便携式邮件收发器的设计方案。 要实现具有邮件收发功能的嵌入式系统，首先需要硬件支持，本设计采用 h l 孔1 7 核的s 3 c 4 4 b o x 作为处理器；其次需要软件的支持，本设计采用针对无删u 的处理器的u c l i n u x 操作系统。最后在前二者的基础上利用电子邮件收发协议 实现电子邮件的收发。 在电子邮件的收发中，p o p 3 协议和s m t p 协议是核心所在。p o p 3 指p o s t o f f i c ep r o t o c o lv e r s i o n3 ，称为邮筒协议，负责邮件的收取。p o p 3 端口为 1 1 0 。s m t p 指s i m p l em a i lt r a n s f e rp r o t o c o l ，称为简单邮件传输协议，负责 邮件的发送。s m t p 端口为2 5 。本设计通过t e l n e t 登陆电子邮箱实现收发功能。 1 5 论文框架和主要工作 本论文根据国内外对嵌入式系统的研究和应用情况，初步设计了一种便携 式邮件接收器，着重分析和研究了嵌入式系统以及嵌入式操作系统u c l i n u x 的移 植，裁剪和应用。全文的章节安排如下：前言部分介绍了研究的背景、意义， 第二章介绍了嵌入式硬件平台，第三章详细介绍了为实现邮件收发功能而对 u c l i n u x 操作系统的移植和裁剪，第四章介绍了利用嵌入式硬件平台及u c l i n u x 操作系统实现电子邮件的接收，第五章介绍了利用嵌入式硬件平台及u c l i n u x 操 作系统实现电子邮件的发送，第六章是介绍系统的测试以及需要改进的地方和 初步的实现方法，最后是对全文的总结，简要总结了论文的意义、工作内容和 对嵌入式邮件收发器发展的展望。 北方t 业大学硕e 学位论文 2 嵌入式系统硬件平台 2 1 硬件系统的组成 本系统以a r m 处理器s 3 c 4 4 b o x 为c p u 。为实现所需功能，所采用的硬件如 图2 1 所示。 l i f t2 1 系统硬伺框图 各个部分功能及细节如下； ( 1 ) c p u 单元。c p u 采用三星公司的s 3 c 4 4 b o x ，a r i d 7 t d m i 内核，工作频率 最高为6 6 e j z 。 ( 2 ) 线性f l m i 1 存储器单元。该存储单元选用2 m b 字节的s s t 3 9 v f l 6 0 ，1 6 位数据总线，片选接n g c s o ，c p u 分配给它的地址空问为o x o o o o o o o o - o x 0 0 1 f f f f f ， 也就是$ 3 c 4 4 b i o c p u 的b a n jo 区。启动代码部分则放在从o x 0 0 0 0 0 0 0 0 开始的地 址空闻内。程序代码可以在里面执行。 ( 3 ) 同步动态存储器单元。该存储单元选用两片8 m b 字节的h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 ， 1 6 位数据总线。片选接n s c s 0 和n s c s i ，c p u 分配给n s c s o 和n s c s i 选中单元的 地址空间为o x o c 0 0 0 0 0 0 0 x o c 7 f f f f f 和o x o e 0 0 0 0 0 0 一o x o e 7 f f f f f ，也就是 $ 3 c 4 4 bd o c p u 的b a n k 6 区和b a n k 7 区。 ( 4 ) r s 2 3 2 串口单元。该单元选用了m k x 3 2 3 2 c s e 电压转换芯片，进行p c 机 与c p u 板的串口通讯。该单元主要用来调试系统功能。通过s 3 c 4 4 b o x 内部的串 口0 控制器进行控制。 ( 5 ) 网络单元。该单元选用了r t l s o i g a s 网络芯片，1 6 位数据总线传输， 片选n g c 5 3 接网络单元。c p u 分配的地址空间为o x 0 6 0 0 0 0 0 0 一o x 0 7 f f f f f f , 也就 是$ 3 c 4 4 b o c p u 的b a n k 3 区。s 3 c 4 4 b o c p u 的外部中断e x l n t i 响应该中断。 ( 6 ) l c d 液晶显示屏单元。l c d 的控制器使用s 3 c 4 4 b o x 的内部集成的拧制 器。l c d 的电源操作范围宽为( 2 7 vt o5 ，5 v ) ；低功耗设计可满足产品的省电要 北方t 业大学硕十学位论文 求。 ( 7 ) 键盘模块。键盘接口由芯片h d 7 2 7 9 a 控制。 ( 8 ) c p l d 单元。通过加入一片c p l d 芯片，用束完成各资源所需的地址译码， 片选信号，以及一些高低电平的模拟。c p l d 单元使用s 3 c 4 4 b o x 的片选是n g c s 4 ， 地址是o x 0 8 0 0 0 0 0 0 一o x o a 0 0 0 0 0 0 。 2 2 嵌入式微控制器s 3 c 4 4 b o x 本系统的c p u 采用的是s a m s u n g 公司的1 6 3 2r i s c 控制器s 3 c 4 4 8 0 x 。 2 2 1a r m 7 微控制器简介 s 3 c 4 4 b o x 是一款性价比很高的a r m 核s o c ，它内含a r m t t d m i 内核，为低功 耗的1 6 3 2 位r i s c 控制器，最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用， 其优势在于使硬件设计显得更加灵活和小巧，终端更加智能化，同时也能减少 经济丌支。它具有嵌入式i c e r t 逻辑，调试开发方便。极低的功耗。适合对 功耗要求较高的应用，如便携式产品。能够提供0 9 m i p s 删z 的三级流水线结 构。代码密度高并兼容1 6 位的t h u m b 指令集。采用了一种新的总线结构，即 s m b a i i ( 三星a r mc p u 嵌入式微处理器总线结构) 。对操作系统的支持广泛， 包括w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等。指令系统与a r m 9 系列、a i 训9 e 系列和 a r m i o e 系列兼容，便于用户的产品升级换代。最高频率可达6 6 m h z 。a r m 7 系列 微处理器的主要应用领域为：工业控制、i n t e r n e t 设备、网络和调制解调器设 备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。它包括如下几种类型的核：a r m t t d m i 、 a r m t t d m i s 、a r m 7 2 0 t 、a r m 7 e j 。其中，a r m 7 t m d i 是目前使用最广泛的3 2 位嵌 入式r i s c 处理器，属低端a r m 处理器核。t d m l 的基本含义为：t ：支持1 6 为压 缩指令集t h u m b ；d ：支持片上d e b u g ；m ：内嵌硬件乘法器( m u l t i p l i e r ) i ：嵌入 式i c e ，支持片上断点和调试点。 s 3 c 4 4 b o x 控制器可以工作在7 种模式下，除u s e r 模式以外的其他模式都 叫做“特权模式”，除日和s y s 外的其他5 种模式叫做“异常模式”。在u s e r 模式下，对资源的访问是受限制的，也无法主动地改变处理器模式；而异常模 式通常都和硬件相关，例如中断和执行未定义指令等。另外s 3 c 4 4 b o x 有2 种 工作状态：a r m 和t h u r a b 并支持a r m t h u m b 的交互工作。 s 3 c 4 4 b o x 通过提供全面、通用的片上外发，大大减少了系统中除控制器【三 外的元器件配置，从而使系统的成本大为降低。 下面介绍一下s 3 c 4 4 b o x 的结构。 北方t 业大学硕t 学位论文 2 2 2s 3 c 4 4 b o x 结构 图2 2 是s 3 c 4 4 b o x 内部结构框图。从框图中可以看出s 3 c 4 4 b o x 提供了丰 富的内置部件，它集成的各种片上功能包括： ( 1 ) 2 5 va 跚7 t d m i 内核，带有8 k i tc a c h e = ( 2 ) 可选的内部s r a x i ； ( 3 ) l e d 控制器( 最大支持2 5 1 5 色d s t n ，l c d 具有专用d m a ) ； ( 4 ) 2 通道u a r t 带有握手协议( 支持i r d h l 0 ，具有1 6 一b y t ef i f o ) = 图2 2s 3 e 4 4 b o x 结构框图 ( 5 ) 1 通道s i o = ( 6 ) 2 个通用i ) m a ； ( 7 ) 2 个外设用d 姒，具有外部请求引脚； ( 8 ) 外部存储控制器( 片选逻辑，f p e d o s d r a m 控制器) ( 9 ) 5 个p w m 定时器和l 通道内部定时器； ( 1 0 ) 看门狗定时器： ( 1 1 ) 7 1 个通用1 0 口； 北方工业大学硕十学位论文 ( 1 2 ) b 个外部中断源； 0 3 ) 具有f 1 历功能的r t c ； ( 1 4 ) 8 通道1 0 为a d c ： ( 1 5 ) 1 个多主i i c 总线控制器； ( 1 6 ) l 通道i i s 总线控制器： ( 1 7 ) 片上p l l 时钟产生器。 s 3 4 4 b o x 有其特别的系统管理器，具有如下特点： ( 1 ) 支持大d , 端方式： ( 2 ) 寻址空问：有2 5 位地址位，可实现每b a n k 3 2 m b ( 共2 5 6 她) ； ( 3 ) 一共有8 个b a n k ，其中7 个具有固定的b a n k 起始地址和可编程的b a n k 大小1 个可编程的b a n k 起始地址和b a n k 大小( b a n k t ) 。b a n k o b a n k 5 可支持 r o m 、s r a m ；b a n k 6 、b a n k 7 可支持r o m 、s r a m 和s d r a m 等，b a n k 6 和b a n k 7 存储 容量大小相同；所有存储器b a n k 具有可编程的操作周期； 在2 1 节介绍的硬件系统组成中可以看出把外设都当作了存储器用于统一 编址了。 2 3 系统网络单元 2 3 1r t l 8 1 3 9 a s 简介 为实现邮件收发的功能。必须将系统连到互联网上。本系统采用了网络芯 片r t l 8 1 3 9 a s 。 r t l 8 0 1 9 a s 是高度集成以太网控制器，它是兼容即插即用和n e 2 0 0 0 两种功 能的适配器，具有二重和低功率特性。通过三电平控制特性，r t l 8 0 1 9 a s 是网 络设备理想的选择。由于它的二重功能，通过双绞线它能与全二重以太网交换 机进行数据交互。这个特性不仅将带宽从i o m b p s 扩展到2 0 m b p s ，而且避免了由 于以太网频道争夺特性导致的读出多路存取协议的问题。r t l 8 0 1 9 a s 支持j u m p e r 和j u m p e r l e s s 选项。j u m p e r 模式是默认模式，j u m p e r l e s s 分为r t 模式和p n p 模式， 前者通过配置芯片9 3 4 6 进行配置，后者通过直接编写r t l 8 0 1 9 a s 控制软件进行配 置。 为了提供即插即用方案，r t l 8 0 1 9 a s 集成了i o b a s e t 收发器，并在b n c 和a u i 接口之间的实现了自动检测功能。此外，8 条i r q 总线和1 6 条基本地址总线为资 源多的情况下提供了宽松的环境。 r t l s 0 1 9 a s 支持1 6 k ，3 2 k ，和6 4 k 字节的b r o i l 和闪存接 j 。提供页面模式 功能，在仅有1 6 k 字节内存系统空间时，这种功能实现了支持4 m 字节的b r o m 。 北方r 业大学硕十学位论文 此外，b r o m 的无用命令被用柬释放b r o m 内存空间。 r t l 8 0 i g a s 片上集成了i 6 k 字节的s i c a m ，不仅提供了更多友好的功能，而 且节省了s r a m 存储资源。 2 3 2 网络单元与控制器的连接 c p u 的片选n g c s 3 接网络单元。c p u 分配的地址空闯为 o x 0 6 0 0 0 0 0 0 一o x 0 7 f f f f f f ，也就是s 3 c 4 4 b o x 的b a n k 3 区。s 3 c 4 4 b o c p u 的外部中断 e x i n t l 响应该中断。 r t l 8 0 1 9 a s 与c p u 即s 3 c 4 4 8 0 x 的连接图如图2 3 所示。 干 ，。带一 盏兰矗； 告j 丰； = i 兰： 喧 脚 图2 3f f t l s o i g a s 与s 3 c 4 4 b o x 的连接圈 对于连接，说明如下： 数据线：数据位数控制位i o c s l 6 b ( p i n 9 6 ) 接高电平，则数据位为1 6 位， s d l 5 s d o 是1 6 位数据线，直接接c p u 的数据总线d a t a i f - d a t a o ， 地址线：因为需要通过c p u 向网络芯片中写控制指令，而这些控制信号都是 送给了r t l 8 0 i g a s 的控制寄存器。寄存器包括4 个页面，它们在c r 寄存器巾通过 北方t 业大学硕十学位论文 p s o 和p s i 被选择。每一页面包括1 6 个寄存器，地址从o o h i u 3 f h 。由丁- 数据线 是1 6 位的，每次都会读写两个字节的数据，所以地址线接到了c p u 的a l a 5 。 控制线：由于是c p u 的e x i n t l 响应r 1 1 l 8 0 1 9 a s 中断，所以中断i n t o ( p i n 4 ) 接到c p u 的e x l n t i ( 外部中断1 ) ；读允许s m e m l v b ( p i n 3 2 ) 和写允许s m e m r b ( p i n 3 1 ) 接高电平，允许读写。读选通信号线i o r b ( p i n 2 9 ) 和写选通信号线1 0 1 ；| f e ( p i n 3 0 ) 分别接c p u 的读选通信号线n o e 和写选通信号线a w e ；片选信号线a l e n ( p i n 3 4 ) 接c p u 的片选线n g c s 3 ，也就是s 3 c 4 4 b o x 的b a n k 3 区；t p i n 一( p i n 5 8 ) 、t p i n + ( p i n 5 9 ) 、t p o o t - ( p i m 6 ) 、t p o u t + ( p i n 4 5 ) 接到网络滤波器2 0 f 0 0 1 n 实现与 互联网的数据通信。 2 4 系统存储单元 系统要运行，就要有一个引导程序，即b o o t l o a d e r ，而b o o t l o a d e r 必须放 在可以固化程序的存储器中，以便上电时自动运行。而操作系统既可以放在静 态存储器中，也可以放在动态存储器中，后者主要用于调试和实验。 2 4 1 线形存储器f l a s h 本系统使用线性f l a s h 存储器单元做为自举存储器，即第一条指令从亥存 储器的0 地址开始执行，肩动代码部分放在从o x 0 0 0 0 0 0 0 0 开始的地址空阃内。 基于此原因，该单元的片选必须接n g c s o ，则c p 【j 分配给它的地址空间为 0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 一0 x 0 0 1 f f f f f ，也就是s 3 c 4 4 b o x 的b a n k o 区。该存储单元选用2 m b 字 节的s s t 3 9 v f l 6 0 ，l f i 位数据总线。芯片管脚图如图2 4 所示。 船 2耵 3e 45 5h e4 5 r 2 。 9 0辨 1 掘 碍舯 t 3 43 5 。5埘 。6 柏 7驼 33 1 口m 2 0 2 0 2 2 ； 矗咎 2 5 嚣 2 4m 闰2 4s s t 3 9 v f i f i o 芯片引脚幽 9 2翘翟慧戮焉巍搿翳慧鼍学舭小扪舭枷m虾舶卅虻慨啦瞄k阮椭w杆”虾：时=!剐 北方工q k 大学硕l 学位沦义 为了实现它的自举，s 3 c 4 4 b o x 的0 m 1 ：0 必须分别接低电平和高电平，则 c p u 会认为自举的存储器为1 6 位的。 它与c p u 的连接比较简单，所有连接如下： 数据线：1 6 位数据线d q l 5 一d q 0 接到c p u 的数据总线d 1 5 一d o 地址线：一共有2 0 位地址线，1 6 位数据线，所以它的容量是2 m 。由于数 据线是1 6 位的，每次都会读写两个字节的数据，所以地址线接到了c p u 的 a 1 一a 2 0 。 控制线：片选c e # ( p i n 2 6 ) 接c p u 片选信号线n c - c s o ，也就是s 3 c 4 4 b o x 的 b a n k o 区。读选通信号线c e # ( p i n 2 6 ) 和写选通信号线w e # ( p i n l l ) 分别接c p u 的读选通信号a o e 和读选通信号n w e 。 2 4 2 动态存储器s d r a m f l a s h 的功能是将程序固化在里面，而动态存储器s d r a m 在上电时能将数据 或程序放入其中，一旦断电，它里面的数据和程序将全部丢失。所以s d r a m 是用 来保存临时数据的。在本系统调试过程中，操作系统可以放到s d i i a m 中，但每次 都必须重新烧写系统到s d p , a n i 中。 图2 5s d r a m 与s 3 c 4 4 b o x 的连接图 本系统选用两片8 m b 字节的h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 做为动态存储单元，1 6 位数据总线。 片选分别接n s c s o d n s c s i ，这两个片选信号专门用于s d r a m 芯片选通。它们的址 o 北方t 业大学硕十学位论文 空间为o x o c 0 0 0 0 0 0o x o c 7 f f f f f 和o x o e 0 0 0 0 0 0o x o 盱f f f f f ，也就是$ 3 c 4 4 b o c p u 的b a n k 6 区和b a n k 7 区。 一共有两片h y f 7 v 6 4 1 6 2 0 ，图2 5 为第一片与s 3 c 4 4 b o x 的连接图。 对于连接，说明如下： 数据线：1 6 位数据线d q l 5 一d q o 接到c p u 的数据总线d a t a l 5 一d a t a o 地址线：一共有1 4 位地址线，其中2 位是用来选择片内区域，1 2 位是用来 选择区域内地址。但芯片的容量是8 m ，数据位是1 6 位的所咀除去用于选择片 内4 块区域的2 位地址线，剩下的1 2 位地址必须完成2 0 位地址的功能，这样 就必须通过c p u 自身的功能来完成。 s 3 c 4 4 b o x 选中s d r a m 中某一地址的过程如下： ( 1 ) s 3 c 4 4 b o x 设置寄存器b a n k c o n f i 和b a n k c o n 7 ( 地址为o x o l c 8 0 0 l e 和 o x o l c 8 0 0 2 0 ) ，将b a n k 6 和b a n k 7 设置为s d r a m ，并设置列地址线数为8 位，同 时设置寄存器b a n k s i z e ( 地址为0 x 0 1 c 8 0 0 2 8 ) ，将b a n k 6 和b a n k 7 的存储大小 设置为8 m b 8 m b ，则行地址线数为1 2 位。 ( 2 ) 当s 3 c 4 4 b o x 要选中s d r a m 某地址单元时，将2 2 位地址( a 2 2 一a 1 ) 放 到地址缓冲器中。 ( 3 ) 将a 2 2 、a 2 1 送到s d p , k m 的b a l 、b a o ，选中s d r a m 中相应的区域。 ( 4 ) 将行地址h 2 0 一a 9 送到s d r a m 的a d d r l 卜a d d r o ，选中s d r a m 中相应的行。 ( 5 ) 将列地址a 8 一a 1 送到s d r a m 的a d d r 7 一a d d r o ，选中s d r a m 中相应的列， 则找到了相应的地址单元。 控制线：第一片s d p d j d 的片选c s ( p i n l 9 ) 接c p u 片选信号线n g s s o ，也就是 s 3 c 4 4 b o x 的b a n k 6 区，第二片s d r 心的片选c s 接c p u 片选信号线n g s s i ，也就是 s 3 c