（通信与信息系统专业论文）基于arm9的无线网络语音传输的设计与实现.pdf

摘要 摘要 嵌入式系统是一种将底层硬件、实时操作系统和应用软件相结合的专用计 算机系统，在人们的日常生活中得到了越来越广泛的应用。嵌入式系统的研究 与开发已成为现代电子领域的重要研究方向之一嵌入式实时操作系统是嵌入 斌系统应用软件开发的支撑平台，网络化是目前的主要趋势之一在各种嵌入 斌操作系统中，l i n u x 凭借其在结构清晰，源代码的开放性等方面的优势，已成 为了基于监护系统、手持设备等嵌入式系统领域应用中的技术热点。 本论文的主要工作是围绕a r m 软硬件设计以及嵌入式l i | i u x 系统移植进行 白勺根据实际需求，设计并实现了基于a r m 9 的硬件平台。该平台实际尺寸只 有1 0 c m 7 c m ，厚度不超过3 c m ，具有较高的移动性和便携性。多个该设备能够 和p c 服务器一起组成局域无线网络，可以满足在不具备架设网线的环境下的网 绍通信。成功地嵌入并运行l i i l u x 操作系统，实现了8 0 2 1 1 b 无线网络，并能够 在该网络上完成一些基本的语音功能。最后，还对在a l t m 9 平台上实现、b l p 与 w l a n 的结合作了一定的研究 本论文可以帮助初学者尽快掌握嵌入式系统基本硬件设计、底层软件设计 以及操作系统的移植。另外还详细阐述了高频硬件布线以及驱动开发过程中应 该注意的问题，对广大嵌入式系统的研发人员具有较高的参考价值。 关键词：嵌入式系统a r m体系结构w l a n l i n u 】【 a b 咖c t a b s t r a c t a sac u s t o r i l i z a l i o nc o m p u t i n gs y s t 锄t i l a t 岫t c g 髓t ew i mh a r d w a f c ，r e a l - t i m e o p e 阳t i n gs y s t c i i la n d 印p i i c 缸i o ns o m 哪屯，锄b c d d e ds y s t e mb e c o m e sm o r ew i d e l y u s e di 1 1m e 黜ao f s o c i a la 胤r s 锄dp e 叩l e sl i v i n g 1 1 i er e s e a r c h 锄dd c v e l o p m e mo f e m b c d d e ds y s 钯mh 勰饥n l e di l l t do n ei l t l p o r t a l l tf e s e a r c hd o m a i n 锄da s p e c to f m o d e me l e c 打o n i cd e s i 弘i n gf i e l d e m b e d d e dr c a l t m eo p e r a t i n gs y s t c mi sn l e p l a 仃o n t ls u p p o r t i n g 锄b e d d e ds y s t c i l la p p l i c a t i o ns o f t v 咖它d e v e l o p m e 此nh 勰b e o o f m eh o tn c n d sm 砒m a k i l l g tn e 咐o r k i l l g o nm ei n c r e 船eo f 也ec o m p 】i 懿h yo fe m b e d d c ds y s t e r i l ，锄d d c do p e r a t i n g s y 啦mh 部b a m e 粕i m p o m m tp a m r i e l l to f 锄b e d d e ds y s t e m a st l l ec l e 盯s t r u c 咖 彻do p 锄u r c ec o d e ，l i n u xi sw i d e l yu s c di nm ed e s i 弘f o r h a n d s e t 锣s t c m s n ed i s s e 栅i o ni sm a i n l yo n 山et o p i c so ft l l eh a r d 眦锄d f 附a r cd c s i 印o f a r ma n dt h es o u r c co fp o r t i n gl i l l u xt os 3 c 2 4 1 0 a 1 1 1 ed i m e s i o no ft h eh a r d w a r e p l a 怕mi s1 0 c m 7 c m 3 c 吐 币l ln o w ，w eh a v e a l i z c d 订a n s m i s s i o no fv o i c e t h r o u 曲8 0 2 1 1 bw l a n a tl a s tw ew mt a i ka b o u t 吐屺龟酷i b i l 时o fr e “z m gv o i p t h f ；0 u 曲w l a n t 1 l e 出s s e n 砒i o ni sv e 叮u 辩血lt oe m b c d d e ds y s t c i i l 仔e s h c r 锄dd e v e l o p e r s n c 矾h e l pm e mm p i d l yg m s pt l l em a nf e a t h e 博锄di m p o r t a n tp l a c e s mh a r d w a r e d e s 啦锄dp r 0 舢i n go f e m b c d d e di o w “v e r si ne m b e d d e ds y s t e m k e yw o r d s ：e m b c d d e ds y s t e m a r ma r c h 沁c t l 鹏w l a nl i n l l 】【 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务：学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：搦增 王d o6 年f 月2 日 露蒲尊教师商慧一本擎位论更属- 手僳密：茬 年解密后适用本授权书。 指导教师签名； 弘例学位论文作者签名： 觏侈 解密时间：年 月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下 内郝一5 隼( 最长5 年，可少于5 年) ： 二秘密蠢1 0 年( 最长l o 年，可少于l o 年) 量 j 一 = - = 机密2 0 年垂最长2 0 年，可少于2 0 年) ：蠹二量曼一意| i l 曼三量曼蔓j ；_ 蠹叠乏_ ， 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 弱堵 2 0 d ( 年霸27 日 第一章绪论 第一章绪论 第一节课题研究背景与意义 随着网络技术的不断发展，“上网”已经成为了人们日常生活的一部分，人 们对于网络的需求越来越强烈。一般来说，为了实现连入网络，人们需要一台 p c 机，并通过网线连接到网络，但是p c 机的体积较大，另外还需要有网络接 口，所以人们只能在有条件的地方使用，即使是可以无线上网的手提式笔记本 或者p d a ，其价格也是不菲的。【l 】 舢t m 系列微处理器具有功耗低、成本低等显著优点，因此获得众多的半导 体厂家和整机厂商的大力支持，在3 2 位嵌入式应用领域获得了巨大的成功， 已经占有7 5 以上的3 2 位黜s c 嵌入式产品市场，在低功耗、低成本的嵌入 式应用领域确立了市场领导地位。a r m 微处理器在网络，实时性等方面的卓越 表现得到人们更大的关心。1 2 】 目前a r m 7 系列微处理器已经得到广泛的应用，但是在运算处理能力上， a i t m 7 不能满足一些较高要求的设计，比如无线网络语音传输。a r m 9 系列微 处理器的运算能力相对a r m 7 系列微处理器得到了很大加强，但由于其运算能 力高2 0 0 z ，芯片封装一般采用b g a 封装，因此在硬件设计上会带来较大的 困难，软件移植等方面相对要更复杂，这对嵌入式开发者，尤其是初学者带来 了较大难度。因此研制基于a r m 9 的硬件平台及嵌入式l 抽1 1 ) 【系统移植有着重 要的学术意义和实用价值。 第二节本课题的主要工作及已取得的研究成果 本论文提出了一种成本相对较低的手持式上网设备的方案，并实现了基本 语音传输服务等功能该方案是以a r m 9 芯片为核心，实现基于8 0 2 1 1 b 协议的 无线网络。该设备的主要特点是体积轻小，适应一些较高移动性和便携性要求 的应用，多个该设备可和p c 机构成无线局域网络 第一章绪论 1 2 1 本课题已经取得了阶段性成果 l 、设计并调试成功了基于a r m 9 2 0 t 内核的硬件开发板。该硬件开发板尺 寸较小，具有较高的移动性和便携性 2 、在硬件板上成功的移植了l i l l u x 操作系统 3 、完成了外围设备驱动，并实现了基本的基于w l a n 的语音传输和播放 功能。 4 、针对进一步v o i p 算法的移植做了初步研究 1 2 2 我所做的主要工作 本课题是我所在的研究室和南开大学机器人与信息自动化研究所合作开发 的项目，我的工作主要是： l 、完成了硬件电路板的设计和调试。 2 、构建了一个开发嵌入式l m u x 系统软件平台。 3 、在硬件板上成功运行了越t ml i n u x 系统。 4 、完成了部分设备的驱动 5 、实现了基本的语音传输和播放功能 本论文的主要创新点： 1 ，采用多层电路板工艺，该设备具有较小的物理尺寸和较高移动性以及便 携性，能适应一些特殊条件下的应用 2 、采用了嵌入式l i n u x 操作系统，不仅不需要缴纳版权费，而且针对目前 的需求，具有较高实时性。 3 、多个该设备可构成的无线网络系统，并且可以更换无线网络协议，具有 较高的适应性 4 、在未来的应用中，多个该设备可构成无线网络语音系统，完全可实现多 点语音通信，可以全面代替小环境下的电话系统，如替换整个办公系统的电话 系统等，在升级版本中，我们添加了d s p 作为核心算法单元结构，可以完成多 种语音算法的升级，甚至完成视频的压缩，达到实现可视语音系统 2 第一章绪论 第三节本论文的章节结构 本论文内容主要分为八章。第一章是对课题背景以及主要工作的介绍。第 二章介绍了嵌入式操作系统的定义，发展历史及趋势，以及主流嵌入式微处理 器、嵌入式操作系统。第三章介绍了a r m 微处理器编程模型第四、五、六章 是本文的核心，分别从硬件设计和软件开发两方面着重介绍了目前的硬件平台 以及开发嵌入式系统的手段和方式，并以嵌入式l m i 玎【为例，具体描述了开发过 程。第七章介绍无线网络通信技术和语音技术；最后是本文的总结与今后工作 的展望。 第二章嵌入式系统概述 第二章嵌入式系统概述 嵌入式技术是近年来日渐普及的电子技术嵌入式产品以其体积小、功耗 低、处理能力强等诸多优点，在通讯、网络、工控，医疗，应用电子等领域发 挥着越来越重要的作用。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、通讯一体化趋势日趋明显 第一节嵌入式系统的历史及发展趋势 2 1 1 嵌入式系统的历史 嵌入式系统的出现至今已经有3 0 多年的历史，伴随着i c 技术、计算机技 术的发展，嵌入式系统也在不断发展，大致可分为4 个阶段： 第一阶段是以单芯片微处理器为核心的嵌入式系统这种系统通常由单一 芯片配合外围电路组成，主要应用于一些专业行很强的工业控制。一般没有操 作系统的支持，用户需要专门编写汇编语言来进行控制由于这种嵌入式系统 的成本较低，所以对于一些需求相对简单的工业控制来说，这种嵌入式系统仍 然得到了很多应用。 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。 这一阶段的嵌入式系统一般通用性较差，系统开销小，效率较高，主要用于设 备监控等需求 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。这一阶段的嵌入式系 统的主要特点是：嵌入式操作系统的兼容性较之以前有了很大提高；操作系统 效率的显著提高，并且结构上实现了模块化设计的思想；提供了大量的用户应 用程序接口( a p i ) 。嵌入式开发应用软件丰富 一+ * ，。一 第四阶段是以通信互联技术以及分布式操作系统为标志的嵌入式系统。嵌 入式系统凭借其强大的处理能力，成为计算终端，通过网络技术以及服务器协 调处理实现分布式系统。【3 】 4 第二章嵌入式系统概述 2 1 2 嵌入式系统的发展趋势 以信息家电为代表的互联网时代嵌入式产品，不仅为嵌入式市场展现了美 好前景，注入了新的生命；同时也对嵌入式系统技术，特别是软件技术提出新 的挑战。这主要包括：支持日趋增长的功能密度、灵活的网络联接、轻便的移 动应用和多媒体的信息处理。1 4 】 l 、嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持。 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 日趋丰富、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 l 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 2 、联网成为必然趋势。 为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，面向2 l 世纪的嵌入式系统要 求配备标准的一种或多种网络通信接口。针对外部联网要求，嵌入设备必需配 有通信接口，相应需要t c m p 协议簇软件支持；由于家用电器相互关联( 如防盗 报警、灯光能源控制、影视设备和信息终端交换信息) 及实验现场仪器的协调 工作等要求，新一代嵌入式设备还需具备i e e e l 3 9 4 、u s b 、c a n 、b l u 曲0 0 t l l 或 i r d a 通信接口，同时也需要提供相应的通信网络协议软件和物理层驱动软件。 为了支持应用软件的特定编程模式，如w e b 或无线w e b 编程模式，还需要相应 的浏览器，如h n 几、w m l 等 3 、支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本。 为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者相应降低处理器的性能，限制内 存容量和复用接口芯片。这就相应提高了对嵌入式软件设计技术要求。如，选 用最佳的编程模型和不断改进算法，采用j a v a 编程模式，优化编译器性能因 此，既要软件人员有丰富经验，更需要发展先进嵌入式软件技术，如j a v a 、w e b 和m 心等 4 、提供精巧的多媒体人机界面 嵌入式设备之所以为亿万用户乐于接受，重要因素之一是它们与使用者之 间的亲和力，自然的人机交互界面，如司机操纵高度自动化的汽车主要还是通 第二章嵌入式系统概述 过习惯的方向盘、脚踏板和操纵杆人们与信息终端交互要求以g u i 屏幕为中 心的多媒体界面手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、 图像已取得初步成效。目前一些先进的p d a 在显示屏幕上已实现汉字写入、短 消息语音发布，但离掌式语言同声翻译还有很大距离。 第二节嵌入式系统的定义、组成与特点 嵌入式系统是现代科学的多学科互相融合的以应用技术为核心，以计算机 技术为基础，以通信技术为载体，以特定产品为对象，引入各类传感器，加入 连接i n t 啪l e t 网络技术的连接，而适应应用环境的产品。【5 】 嵌入式系统主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统和用 户应用程序组成嵌入式系统是硬件和软件的结合体。嵌入式处理器主要是由 微控制器( m c u ) 等组成，目前主流的嵌入式处理器是3 2 位的高性能处理器。 外围硬件设备包括存储器，传感器等设备。嵌入式软件主要包括和硬件相关的 驱动软件、操作系统、图形界面( g u i ) 和应用软件等。 早期的嵌入式系统，由于其不具备移植性，硬件设计占了很大一部分的成 本。随着嵌入式技术的发展，嵌入式系统的兼容性和可移植性得到了很大提高， 这就使得软件的开发和维护成本不断提高并占了主导地位，并促进了嵌入式系 统中使用通用嵌入式操作系统的需求。嘲 嵌入式系统的基本结构如图2 1 所示： i缔嗣软件堪 j l嵌入式撩伶系绕 嚣 i萋于徽娃理嚣的嵌入式硬件一r 台 “ 一f ”图2 1 嵌入式系统的基本结构” “。”。9 嵌入式系统同通用型计算机系统相比具有以下特点： 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c p u 的最大 第二章嵌入式系统概述 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， 与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，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举开发能力，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进行开发。1 7 】 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式 系统极为重要的部分，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、图形界面等等。为了和嵌入式系统的特点相匹配，一个 典型的嵌入式系统一般要具有小巧、速度快和响应可预测等特点，必须保证实 时任务在要求的时间内完成。虽然实时性并不是嵌入式系统所必须的，但是嵌 入式系统一般情况下用于工业控制，所以绝大多数情况下都对实时性有一定的 要求目前，用于嵌入式环境的嵌入式操作系统比较多：微软w i l l d o w sc e ， i n t e 留舭ds y 咖m 公司的p s o s ，美国a l a m e r d a 公司的v x w 础硌以及加拿大q s s l 公司开发的 都是比较流行的嵌入式操作系统。 从某种意义上说，没有操作系统的计算机不是完整的计算机系统。因而嵌入 式应用系统的关键技术就体现在操作系统的设计上从嵌入式开发的观点来看， 只有把c p u 等硬件设备嵌入到系统中，同时也将操作系统嵌入进去，才是开发 真正的计算机嵌入式应用的基础所以对于某固定的微处理器来说，操作系统 的设计合理与否是嵌入式系统成功的关键 第二章嵌入式系统概述 第三节几款主流的嵌入式微处理器和嵌入式操作系统 2 3 1 嵌入式微处理器 a r m 体系 在低功耗，低成本的嵌入式应用领域，朋t m 体系的嵌入式微处理器无疑占 据了市场的领导地位由于a r m 公司一直以i p 提供者的身份向各大半导体制 造商出售知识产权，而不介入芯片的生产，加之其设计的芯片内核具有功耗低、 成本低等显著优点，得到了众多半导体厂商的大力支持，在3 2 位嵌入式应用领 域取得了巨大的成功。 目前a r m 体系主要有一下几个系列的微处理器： a r m 7 系列、a j t m 9 系列、a r m 9 e 系列、a r m l o e 系列、a r m l l 系列、 s e c u 心o r c 系列以及i n t e l 的x s c a l e 系列。 采用l u s c 架构的a i t m 微处理器一般具有如下特点： 1 、体积小、低功耗、低成本、高性能； 2 、支持n 啪b ( 1 6 位) ，a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件； 3 、大量使用寄存器，指令执行速度更快； 4 、大多数数据操作都在寄存器中完成； 5 、寻址方式灵活简单，执行效率高； 6 、指令长度固定； 目前，获得a r m 授权的公司已经超过了1 0 0 家，如i n t e l 、p h i l 砸s 、c i n l l s 、 s 锄s u l l g 、a 仃玎e l 等都生产了多种优秀的a r m 体系微处理器，应用领域遍布从 低端到高端、从工业智能控制到个人消费电子的各个角落，可以说，a r m 体系 的微处理器代表了3 2 位嵌入式微处理器的主流和发展方向。嗍 m i p s 体系 m i p s ( m i c r o p r o c e s s o rw 汕o u ti n t e r l o c k e dp i p e i i n es 缸g e s ) 是m i p s 技术公司 开发的一种处理器内核标准m i p s 技术公司主要从事高性能、高档次以及嵌入” 式3 2 位核6 4 位处理器的设计与制造，在r l s c 处理器方面占有重要的地位 m i p s 公司设计r l s c 处理器始于8 0 年代初，从1 9 8 6 年推出8 2 0 0 0 处理器后， 陆续推出8 3 0 0 0 ，8 4 0 0 0 ，8 8 0 0 0 等处理器。目前m i p s 公司的重点在嵌入式系统上。 8 第二章嵌入式系统概述 1 9 9 9 年，发布了m i p s 3 2 核m i p s 6 4 架构标准，并集成了原来所有的m i p s 指令 集，增加了许多强大的功能。此后，m i p s 公司陆续开发了高性能、低功耗的3 2 位和6 4 位处理器内核。 p s 的定位非常广，在高端和低端领域均有它的产品，并且被广泛应用于 便携式计算系统、数字消费产品和工业控制等领域。 p a w e r p c 体系 p o w e r p c 是早期m o 啪l a 和i b m 联合为a p p l c 的m a c 机开发的c p u 芯片， 商标权同时属于i b m 和m o t o r o l a i b m 公司和m o t o r o l a 公司都有很多基于 p o w e r p c 体系的微处理器产品，范围涵盖高端服务器专用c p u 、普通微机c p u 、 嵌入式c p u 等各个应用领域，其嵌入式微处理器的代表产品有m o t o r o l a 公司的 m p c 8 6 0 、i b m 公司的p o w e r p c 4 0 5 g p 等。p o w e r p c 体系的嵌入式微处理器都带 有专门的内存管理单元m m u ，4 1 6 k b 的指令c a c h e ，4 8 k b 的数据c a c h e ，可 以运行w i n c e 、l m u x 、v x w i d 岱等主流嵌入式系统。 方舟2 号 “方舟2 号”3 2 位嵌入式微处理器当日在北京问世。这款拥有自主知识产 权的高端信息产品，使我国成为世界上掌握这项核心技术的少数国家之一。“方 舟2 号”将c p u ，网卡、声卡、智能卡等关键部件集成在一块2 厘米见方的芯 片上，与“方舟l 号”相比，它的主频由1 6 6 m i l z 提升到4 0 0 m l l z ，功耗却下降 了近四分之三，有很强的市场竞争力，并且具备工业化批量生产的能力。【9 】 2 3 2 嵌入式操作系统 其实，嵌入式系统并不是一个新生的事物，从八十年代起，国际上就有一 些i t 组织、公司，开始进行商用嵌入式系统和专用操作系统的研发这其中涌 现了一些著名的嵌入式系统： w m d o w s c e m i c r o s o rw i n d o w sc e 是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优 先权、多任务的操作系统它的模块化设计允许它对于从掌上电脑到专用的工 业控制器的用户电子设备进行定制。操作系统的基本内核需要至少2 0 0 k 的 r o m 。 v x w j r k s 9 第二章嵌入式系统概述 v x w 醐好是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的系统。 它支持多种处理器，如x 8 6 、i 9 6 0 、s 叫s d a f c 、m o t o r o l am c 6 8 x x x 、m i p sr x 0 0 0 、 p o w e rp c 等等。大多数的v x w 矾【sa p i 是专有的。采用g n u 的编译和调试 器。 p s o s p s o s 系统是一个模块化、高性能的实时操作系统。该系统提供了一个基于 开放系统标准的，完全的多任务环境。p s o s 拥有集成的开发工具平台，其开发 平台可以运行在u 】m x 或者d o s 的计算机上，通过串口或t c m p 网络与其相 连。p s o s 是一个经过多个应用领域验证的多任务内核，提供种及时应答、高 效的机制与用户的实时应用系统协调合作。开发者可以利用它来实现从简单的 单个独立设备到复杂的、网络化的多处理系统。 q n x q n x 是一个实时的、可扩充的操作系统，它部分遵循p o s 相关标准，如： p o s 1 b 实时扩展。它提供了一个很小的微内核以及一些可选的配合进程。其 内核提供4 种服务：进程调度、进程间通信、底层网络通信和中断处理，其进 程在独立的地址空间运行所有其它o s 服务，都实现为协作的用户进程，因此 q n x 内核非常小巧( q n x 4 x 大约为1 2 k b ) 而且运行速度极快。这个灵活的结构 可以使用户根据实际的需求，将系统配置成微小的嵌入式操作系统或是包括几 百个处理器的超级虚拟机操作系统 p a l m o s 3 c o m 公司的p a l mo s 在p d a 市场上占有很大的市场份额，它有开放的操 作系统应用程序接口( a p l ) ，开发商可以根据需要自行开发所需要的应用程序。 o s 一9 m i c r o w a v e 的o s 9 是为微处理器的关键实时任务而设计的操作系统，广泛 应用于高科技产品中，包括消费电子产品、工业自动化、无线通讯产品、医疗 仪器、数字电视多媒体设备。它提供了很好的安全性和容错性。与其他的嵌入 式系统相比，它的灵活性和可升级性非常突出。 一，l v l l ) 【o s h 7 。“。一” l y n x 鼬a 1 t i m es y s t c m s 的l y 似o s 是一个分布式、嵌入式、可规模扩展的实 时操作系统，它遵循p o s 1 a 、p o s 1 b 和p o s i x 1 c 标准l y l l ) 【o s 支持线程 概念，提供2 5 6 个全局用户线程优先级；提供一些传统的，非实时系统的服务 第二章嵌入式系统概述 特征；包括基于调用需求的虚拟内存，一个基于m o t i f 的用户图形界面，与工业 标准兼容的网络系统以及应用开发工具。1 1 0 1 图2 2 未来2 4 个月打算使用嵌入式操作系统的趋势 第三章a r m 微处理器编程模型 第三章a r m 微处理器编程模型 对于一个嵌入式系统的初学者，不仅要了解硬件结构，还要了解其软件编 程模型，因为一个好的嵌入式系统开发者要求能够编写底层软件对硬件进行操 作，比如对裸板上的设备进行测试等。这一章主要介绍了a i t m 微处理器的体系 结构和指令系统，a r m 微处理器的寄存器组织等。在了解了这些基本知识后， 我们才能进行底层软件的开发，以及硬件的底层测试。 第一节a r m 微处理器的工作状态以及指令长度 从编程的角度看，a r m 微处理器一般有两种工作状态： a r m 状态：3 2 位，这种状态下，执行3 2 位字对齐的a r m 指令。 n u m b 状态：1 6 位，这种状态下，执行半字对齐的n 啪b 指令 a r m 处理器在两种工作状态之间可以切换，切换不影响处理器的模式或寄 存器的内容。 进入n 啪b 状态。当操作数寄存器的状态位( 位【o 】) 为1 时。执行b x 指令进入t h 啪b 状态。如果处理器在1 1 1 u m b 状态进入异常，则当异常处理 ( i r q 、f i q 、u n d e f a b o r t 和s w i ) 返回时，自动转换到1 1 1 u r n b 状态 进入删状态。当操作数寄存器的状态位( 位【o 】) 为o 时。执行b x 指令进入a r m 状态。处理器在进行异常处理( i r q ，f i q 、u n d e f a b o r t 和 s w i ) 也进入a r m 状态，在此情况下，把p c 放入异常模式链接寄存器中 当a r m 微处理器处于a r m 状态下的时候，指令长度是3 2 位的，当a r m 微处 理器处于n u m b 状态的时候，指令长度是1 6 位的。 虽然a r m 微处理器是数据宽度是3 2 位的，但是它支持以字节( 8 位) ，半 字( 1 6 位) ，字( 3 2 位) 3 种数据宽度对储存器及外部设备的访问 作为3 2 位的微处理器，a l t m 体系结构所支持的最大寻址空间为4 g b 。 ，a r m 体系结构有两种存储字的方式，分别是大端格式、小端格式，通常我 们都是用小端格式【1 1 】 1 2 第三章舢t m 微处理器编程模型 第二节a r m 微处理器的运行模式 a r m 微处理器支持7 种运行模式。见表3 1 表3 1a i t m 处理器的运行模式 处群嚣f n 磷式 说明 剐户u l r 留时执纷攥式 f i q 矗q受持岛遽数拣住诺妓趱迸缝理 玻ql r q蹦j 避掰t 扣新处理 管理w c操作系绕缘护横式 中i l = 曲t 饔璃露撼耜髂辫瓣 ，绶存镰嚣雠护 求望u n d 支持弛件拂烛掰 嚣冉 缎捧镑瞄 系镜i y i远行特权燎雉系饶f 务( a r m v 4 理糕k 敝奉) 除了用户模式外，其余的6 种模式称为非用户模式，或特权模式，其中除 去用户模式和系统模式以外的5 种又称为异常模式，常用于处理中断或异常， 以及需要访问受保护的系统资源等情况。 第三节删微处理器的寄存器组织结构 表3 2a r m 微处理器的寄存器组织 mp系缝镣删巾j e 未逛义 q ，断 快中断 mr o r or dr 0r ar 0 r ir ir lr i r lr 1r l mr 2r ：r ： r ：氛2托2 r 3r 3 r 3r 3是3r 3 r 4 r 4r 4r 4r 4r 4“ 冀5r 5r 5 r 5r 5r 5r 5 mr 6 r 6r 6r 6 r 7 r 7r 7r 7r 7r 7l 己7 mr 8r 8r 8r 8r g lm 一6 q r ，r 9r 9r 9r 9 r 9 一丘q r l or 10r l0r l0r 1 0 kr i0 一五q r “r l ir 1 lr i lr l ir l t lr l l q 托l ： r 1 2r 12r l2r l2r l ： l r l ：一五q r i3 r l3 k r l 3 # wl r l3 曲tk 兑l3u n dl r l 3l r q l r l 3 丘a r 1 4r 1 4 l r 1 4 一# v c k r 】4 一a b tl r t 4 _ u n dlr 1 4 - ，r qlr 1 4 6 q p cp 。 p cp cp cp cip c c p s r c p s rc p s rc p s rc p s r c p s r c p s 冠 s r ；v cs r 曲ts rm d ls r - l f qls r j q 第三章a r m 微处理器编程模型 a r m 微处理器共有3 7 个3 2 位的寄存器，其中3 1 个为通用寄存器，6 个为 状态寄存器。见表3 2 。 通用寄存器 通用寄存器包括r o r 1 5 ，可以分为3 类： 不分组寄存器r o r 7 在所用运行模式下，未分组寄存器都指向同一个物理寄存器。 分组寄存器r 8 一r 1 4 根据处理器运行模式的不同，同一寄存器名可能指向不同的物理寄存器。 对于分组寄存器，它们每一次所访问的物理寄存器与处理器的运行模式有关。 寄存器r 1 3 、r 1 4 各有6 个分组寄存器1 个用于用户模式和系统模式， 而其它5 个分别用于5 种异常模式。访问时需要指定它们的模式。名字形式 如下： r 1 3 - r 1 4 _ 钿o d e 其中： 可以从u s r ，州c 、a b t 、u n d 、嘲和f i q6 种模式中选取一个 程序计数器r 1 5 寄存器r 1 5 用作程序计数器( p c ) 在a r m 状态，位【1 ：0 1 为o ，位【3 2 ：2 1 保存p c 。在1 1 i u m b 状态下，位【0 】为o ，位【3 2 ：1 】保存p c 程序计数器用于特 殊场合。 读程序计数器。指令读出的r 1 5 值是指令地址加上8 个字节。读p c 主 要用于快速的对邻近的指令和数据进行位置无关寻址，包括程序中的位置无关 分支。 写程序计数器。写r 1 5 的通常结果是将写到r 1 5 中的值作为指令地址， 并以此地址发生转移。 寄存器r 1 6 寄存器r 1 6 相当于当前程序状态寄存器( c u 小眦p r o g r a ms t a n j sr e g i s t e r ， c p s r ) ，c p s r 可在任何运行模式下被访闯。 一每一种运行模式下又都有一个专用的物理状态寄存器，称为备份的程序状 态寄存器( s a v c dc u r r c n tp r o g 舯s 铷sr e g i s t e r ，s p s r ) 它的主要功能包括： 保存a l u 中的当前操作信息； 控制允许和禁止中断； t 4 第三章a r m 微处理器编程模型 设置处理器的运行模式。 程序状态寄存器结构如表3 3 所示 表3 3 程序状态寄存器结构 条件标识码 ，l3 0黔嚣2 7描 控制位 8765432lo 条件码标志 标志n 、z 、c 、v n 、z 、c 、v ( n e g a t i v e 、z e r o 、c a n y 、o v c r f l o w ) 位称为条件码标志( c o n d i t i c o d en a g ) ，经常以标志( f l a g s ) 引用c p s r 中的条件码标志可有大多数指令检 测以决定指令是否执行。 新条件码标志( 指令执行后) 的通常含义如下： n 如果结果是带符号二进制补码，那么，若结果为负数，则n = l ；若结果 为正数或o ，则n = 0 。 z 若指令的结果为o ，则置1 ( 通常表示比较结果为相等) ；否则置o c 可用如下4 种方法之一设置，即加法，包括比较指令c m n 若加法产 生进位( 即无符号溢出) ，则c 置l ，否则置o 减法，包括比较指令c m p 。 若减法产生借位( 即无符号溢出) ，则c 置o ，否则置1 对于结合移位操作的 非加法减法指令，c 置为移出值的最后一位对于其它非加法减法指令，c 通 常不改变。 标志q 它主要指出在增强型d s p 指令中是否出现溢出或饱和 控制位 程序状态寄存器p s r ( p m g m ms 缸i m sr e g i s t e r ) 的最低8 位i 、f 、t 和 m 【4 ：o 】用做控制位。当异常出现时改变控制位当处理器在特权模式下时也可由 软件改变。 中断禁止位 l 置l 则禁止i r q 中断； 第三章a i t m 微处理器编程模型 f 置l 则禁止f i q 中断。 t 位 1 卸指示a r m 执行； t _ l 指示m 硼【b 执行 模式位 m 0 、m l 、m 2 、m 3 和m 4 ( m 4 ：0 】) 是模式位。这些位的值决定处理器的 工作模式如表3 4 。 表3 4 运行模式位m 【4 ：o 】的具体含义 m f 40 】梭式耀锛瓣的寄存器 o b l 0 0 0 0 p c 、r 1 4 谁o 、c p 蕊i 铀t 0 0 0 1 矗q p e ，魏1 4 q 止墨正q r 7 姑o 、蕊、s p 波q 0 b 1 0 0 1 0 l f 遵 p c 、r 1 4 _ t q r 1 3 j r q ，r 1 ： r o ，c p 强s p s r - l r q o b 】1 ls v c p c r 1 4 - 钾c r 1 3 一g v c ，r l ：峨o c p 鼹s p 器一s v c o b l 驰】lo b t p c 、襄1 4 _ a b t 、基13 - a b t 。r 1 ： r o ，c p s r s p s r a b t l 1 0 1 1u n d p e - r t 4 - u n d r 1 3 一雌d 、r 1 ：娘o 、c p 激，s p 盘一u n d 1 1 1 1 1 硝$ p c ，r 1 4 一s y l r 1 3 一碍1 r l ：氓o c p 段、嚣。r g l 第四节a r m 微处理器对异常的处理 异常( e x c e p t i o n ) 是指正常的程序执行流程发生暂时的停止，例如处理器 响应外部中断请求。在处理异常之前，当前处理器的状态必须保留，这样当异 常处理完成之后，处理器继续处理该程序，也就是我们所说的断点保留和断点 恢复。处理器允许多了异常同时发生，他们将会按固定的优先级进行处理。 3 4 1 异常的类型 a r m 体系结构支持7 种类型的异常。 l ，复位，当处理器的复位电路有效时，产生复位异常，程序跳转到复位异 常处理程序入口执行 2 、未定义指令，当a r m 处理器遇到不能处理的指令时，产生未定义指令 异常。可使用该异常机制进行软件仿真 - 7 3 、软件中断，该类型异常是由执行s w i 指令产生，可用于用户模式下的程 序调用特权操作指令。可使用该异常机制实现系统功能调用。 4 、指令预取中止，若处理器预取指令的地址不存在，或该地址不允许当前 1 6 第三章灿t m 微处理器编程模型 指令访问，存储器会向处理器发出中止信号，当预取指令被执行时，才产生指 令预取中止异常。 5 、数据中止，若处理器数据访问指令的地址不存在，或该地址不允许当前 指令访问时，产生数据中止异常。 6 、限q ( 外部中断请求) ，当处理器的外部中断请求引脚有效，且c p s r 中 的i 位为o 时，产生艰q 异常。系统的外设可通过该异常请求中断服务。 7 、f i q ( 快速中断请求) ，当处理器的快速中断请求引脚有效，且c p s r 中 的f 位为o 时，产生f i q 异常【1 2 】 3 4 2 对异常的处理 当异常出现时，异常模式分组的r 1 4 和s p s r 用于保存状态，即： r 1 4 - 印x c e 两o r l - _ m o d c 咖l i i i k s p s r p s r c p s r 【4 ：o 】= e x 唧t i o nm o d cn 啪b e r c p s r 【5 】= o 在a r m 状态下执行 i f = r c s e to r f i q t i l c p s r 【6 】= l 禁止快速中断 否则c p s r 【6 1 不变 c p s r 7 】= l 禁止正常中断吖 p c ；e x c e p t i o nv e c t o ra d d r e s s 当处理异常返回时，将s p s r 传送到c p s r ，r 1 4 传送到p c 这可用两 种方法自动完成，即： 使用带s 位的数据处理指令，将p c 作为目的寄存器； 使用带恢复c p s r 的多加载指令。 异常处理完毕之后，a r m 微处理器将执行以下操作从异常返回： 将连接寄存器l r 的值减去相应的偏移量后送p c 将s p s r 复制回c p s r 若在进入异常处理时设置了中断禁止位，要在此清除 1 7 第三章a r m 微处理器编程模型 3 4 3 异常向量以及优先级 异常向量地址如下表3 5 ： 表3 5 异常向量的地址 嚣常炎型模式 正常地址 数镌 s v co x o o o o o o o o 未定义指令 u h do x o o o o o 0 0 4 软传中断( s 、玩) s v co x 0 0 0 0 0 0 0 8 散瑕中皮( 敬指令移储器巾l t ) a b t o x 0 0 0 0 0 0 0 c 数戮巾i 圭= ( 数铉访i 廿l 存储器巾止) a b to x o o o o 0 0 1 0 m q ( 中断)k q o x 0 0 0 0 0 0 1 8 玎qt 快速中断)e q o x 0 0 0 0 0 0 1 c 当多个异常同时发生时，系统根据固定的优先级决定异常的处理次序。异常 优先级如表3 6 所示： 表3 6 异常优先级 优先缀异常 l ( 最斑)复位 2 数据巾止 3 f