（通信与信息系统专业论文）基于arm9处理器开发平台上usb总线的应用研发.pdf

摘要 嵌入式系统是飞速发展，同新月异的技术领域，嵌入式系统的研究内容涉及 到计算机科学的各个方面。该领域目前主要关注于网络系统、无线网络、3 g 应用、 消费类电子等。主要的研究热点包括嵌入式操作系统、系统芯片设计、应用软件 开发和各种服务性的研究工作。本文研究了嵌入式系统的体系结构和发展状况， 对a r m 处理器的工作模式，寄存器的设置和分配进行了研究，对于嵌入式系统的 微处理器e p 9 3 1 5 进行了分析和讨论，并进行了a d s 下开发平台的测试工作。 同时，研究了v x w o r k s ，p l a mo s ，l i n u x 等嵌入式操作系统，重点分析了本研 究中用到的嵌入式l i n u x 操作系统a r ml i n u x 。研究了在微处理器e p 9 3 1 5 上实现 内存管理、进程调度、中断处理和系统调用的机制。讨论了u s b 的总线结构和通 信模型，在研究c i r r u s 公司e p 9 3 1 5 芯片的基础上，在本实验室自行研制的开发板 上进行了a r ml i n u x 系统的移植研究工作，包括l i n u x 内核裁剪，编译以及移植 加载。使用e p 9 3 1 5 片内u s b 主机控制器e p 9 3 1 5u s bc o n t r o l l e r , 实现了l i n u x 操 作系统下u s b 驱动程序的编程设计。 关键词：嵌入式系统a r ml i n u xu s be p 9 3 1 5 a b s t r a c t e m b e d d e ds y s t e mi saf a s td e v e l o p i n gf i e l d n 培r e s e a r c hc o n t e n t so fe m b e d d e d s y s t e md e a l 、：l ，i t l l v a r i o u sa s p e c to fc o m p u t e rs u b j e c t r e c e n t l y , n e ts y s t e m w i r e l e s s n e t ，3 ga p p l i c a t i o na n dc o n s m t l e re l e c t r o n i ca l ea p p l i e db ye m b e d d e ds y s t e m p r i m a r y t e c h n i q u e si n c l u d ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，s y s t e mc h i pd e s i g n ，a p p l i c a t i o ns o f t w a r e d e v e l o p m e n ta n dv a r i o u ss e r v i c ei n v e s t i g a t e i nt h i sp a p e r , t h es y s t e ms t r u c t u r ea n d d e v e l o p m e n to f e m b e d d e ds y s t e mh a v eb e e nr e s e a r c h e d t h eo p e r a t i o nm o d e l t h es e t t i n g a n dd i s t r i b u t i n go fr e g i s t e ri na r mp r o c e s s o rh a v eb e e ns t u d i e d ，e m b e d d e ds y s t e m m i c r o p r o c e s s o re p 9 3 1 5h a sb e e na n a l y z e da n dd i s c u s s e d t e s tu n d e ra r md e v e l o p e r s u i t l 2h a sb e e nd o n e t h ee m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e mv x w o r k s ，p l a m o s 。l i n u xa r es t u d i e d t h e e m p h a s e so ft h es t u d yp u to l le m b e d d e dl i n u xo p e r a t i o ns y s t e mw h i c hi sa p p l i e db y t h i ss u b j e c t t h er e s e a r c ho nm i c r o p r o c e s s o re p 9 3 1 5i n c l u d e sr e a l i z a t i o no fe m s m e m o r y , p r o c e s ss c h e d u l i n g i n t e r r u p td i s p o s a la n ds y s t e mc a l lm e c h a n i s m n 地b u s s t r u c t u r ea n dc o m m u n i c a t i o nm o d e lo fu s ba r ed i s c u s s e d o nt h eb a s i so fr e s e a r c ho n c i r r u se p 9 3 1 5c h i p , t r a n s p l a n t i n ga r ml i n u xi nd e v e l o p m e n tb o a r dw h i c hm a d eb yo u r l a bh a sb e e nd o n e ，w h i c hi n c l u d el i n u xk e r n e lt r a n s p l a n t i n g ，u s bd r i v e rp r o g r a mi s r e a l i z e di nl i n u xw i t hij s bc o n t r o l l e ro f e p 9 3 1 5 k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m a r ml i n u xu s be p 9 3 1 5 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它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做了明确的说 明并表示了谫f 意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名 筝d 王、同期坐孕4z j 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。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署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名 导师签名 绪论 绪论 目前，随着嵌入式系统在消费类电子，通信，自动控制，航天等各个领域的 应用不断加深，对其软，硬件的要求也日趋提高，细化；同时也对嵌入式系统所 包含的功能提出了更高的需求。本文正是在这样的技术背景下，以本实验室研发 项目为工作平台，细致研究了嵌入式系统从主芯片到操作系统，进而延伸至外设 模块的各个方面内容。其中，分为这样几个层次： 处理器方面主要着眼于a r m 处理器的研究。a r m 系列处理器在当今嵌入式 系统中有着广泛而深入的应用。围绕a r m 在各个应用层次上的的研发工作也在不 断的展开。本文所使用的嵌入式开发平台就是基于a r m 9 芯片的。 现今的嵌入式系统已与数年前单一使用低性能单片机作为主控制器大有不同。 因此，为突现其实时性，向嵌入式系统上加载操作系统已是目前的技术主流。本 文在纵览目前常用嵌入式操作系统的基础上，详细而又深入地分析了嵌入式l i n u x 操作系统的各个技术细节。最终，将其移植到a r m 9 开发平台上。使本文使用的 开发平台具有了高效、可靠和便捷的软件开发环境。 在外设功能开发方面，本文着眼于u s b 总线的实现，首先研究了l i n u x 下设 备驱动的构成及编写方式。继而全面研究了u s b 总线的技术细节，最终在基于 a r m 9 的开发平台上实现了u s b 总线的功能。 经过以上的研究工作，本文试图得到目前嵌入式系统完整的开发流程，并在此 基础上为其他工作者提供研发过程中的技术细节。另外，本文也希望通过这样的 研究工作，找到嵌入式技术与如u s b 总线等传统主流技术的契合点。为工作在 a r m 嵌入式环境的上层应用程序开发者提供坚实的底层软、硬件平台。 本文各章内容安排如下： 第一章：对嵌入式系统的大体概念及特点分类做出详细叙述，交代本文所必需 的技术背景； 第二章和第三章：介绍a r m 系列处理器的内部寄存器结构和工作方式。在此 基础上，给出本文所使用开发平台的硬件结构及功能组成： 第四章：记录了a d s 下软件测试开发平台的过程，并提出此类测试工作基本 的测试流程； 第五章、第六章及第七章：从实际实现的角度，详细研究了嵌入式平台加载操 作系统方方面面的技术细节； 第八章：在全面交代u s b 总线技术背景的前提下，具体论述了嵌入式平台上 u s b 总线技术的实现方法。 第1 章嵌入式系统概述 3 第1 章嵌入式系统概述 嵌入式系统是一个很广的概念，大体可分为硬件及软件两大部分。硬件一般 由高性能的微处理器和外围接口电路组成，软件一般由实时操作系统和其上运行 的应用软件构成，软件和硬件之间由中间层连接。嵌入式处理器的类型很多，对 嵌入式系统的的研究，不仅需要了解基本概念、基本原理，还需要确定研究的处 理器类型。在本章中介绍了嵌入式系统的基本定义、特点、a r m 处理器的体系 结构、实时操作系统及非实时操作系统。从实际应用的角度分析了实验室研制的 基于e p 9 3 1 5 的开发板的硬件资源及存储空间的映射关系。 1 1 嵌入式系统的定义，特点及分类【l 】 嵌入式系统是一个较为复杂的技术概念，也无疑是当今最热门的技术概念之 一。在多数网站和书籍资料中，对嵌入式系统大都有这样的定义：嵌入式系统是 以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁减，适用于应用系统对功 能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统一般 由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序4 个部 分组成，用于实现对其它设备的控制、监视或管理等功能。 对于这一概念，电气工程师协会具有更为权威的定义：嵌入式系统是用来控 制或者监视机器，装置，工厂等大规模系统的设备。嵌入式系统具有如下特点： 嵌入式系统功耗低，体积小，专用性强； 为提高系统运行速度和可靠性，嵌入式系统软件一般都固化在存储器芯 片或片内r o m 中； 嵌入式系统的软硬件设计力求高效，精简； 嵌入式系统对代码安全性要求高； 嵌入式系统开发需要专门的开发工具及开发环境； 嵌入式系统是面向用户，面向产品，面向应用的； 嵌入式系统是将计算机技术，半导体技术和电子技术以及各个行业的具 体应用相结合的产物。 嵌入式系统有硬件和软件两大部分构成，本文从软，硬两方面对嵌入式系统 进行分类。嵌入式处理器是嵌入式系统硬件部分的核心，近年来嵌入式微处理器 的主要发展方向是小体积、高性能和低功耗。专业分工也越来越明显，出现了专 业的i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yc o r e 知识产权核1 供应商，如a r m ( a d v a n c 烈lr i s c m a c h i n e ) ，m i p s ( m i c r o p r o c e s s o rw i t h o u ti n e r l o c k i n gp i p e l i n es t a g e ) 。这些属于硬件 4 基于a r m 9 处理器开发平台上u s b 总线的应用研发 核，还有提供软内核的，如a l t e r a 的n i o s 系列。下一步的发展目标是s o p c 。 嵌入式处理器按种类可分为四大类： 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i tm c u ) 。单片机内部集成了比较 丰富的片上外设资源，适用于控制； 嵌入式d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 其系统结构和指令算法进行了特 殊设计，具有很高的指令执行速度，适应于高速数字信号处理。如1 r i 的 t m s 3 0 2 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 i n t e l 的m c s 2 9 6 s i e m e n s 的t r i c o r e o ； 嵌入式微处理器( m i c r o p r o c e s s o ru n i tm p u ) 。由通用计算机中的c p u 演变而来，具有3 2 位以上的处理器、较高的性能。但与计算机处理器不同的是， 在实际嵌入式应用中，它只保留与嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其它 冗余功能部分。如m i p s ，a r m s t r o n g a r s ，p o w e r p c 等； 嵌入式s o c ( s y s t c mo nc h i p ) 。 按体系结构可分为两大类： 冯诺依曼结构：数据和指令都存储在同一存储器中； 哈佛结构：数据和指令都提供了各自独立的存储器。 按处理器采用的指令集可分为： 复杂指令系统( c i s c ) ； 精简指令系统( r i s c ) 。 嵌入式系统的软件一般由嵌入式操作系统和应用软件组成。操作系统是连接 计算机硬件与应用程序的系统程序。嵌入式操作系统可以分为实时操作系统和分 时操作系统两类。实时操作系统是指具有实时性，能支持实时控制系统工作的操 作系统。实时操作系统的首要任务是调度一切可利用的资源完成实时控制任务： 其次才着眼于提高系统的使用效率，其重要特点是通过任务调度来满足对于重要 事件在规定时间内作出正确的响应。另外，实时操作系统的重要特点是具有系统 的可确定性，即系统能对运行的最好和最坏情况做出精确的估计。实时系统又可 以分为“硬实时系统”和“软实时系统”。不满足时间约束带来的损失区分了硬 实时系统和软实时系统。硬实时系统必须是对事件做出及时的反应，绝对不能错 过事件处理的时限，如航天飞机的控制系统。软实时系统是指，如果在系统负荷 较重的时候，允许发生错过时限的情况而且不会造成太大的危害。比如液晶屏刷 新允许有短暂的延迟。硬实时系统和软实时系统实现的区别主要是在选择调度算 法上。对于软实时系统，选择基于优先级调度的算法足以满足软实时系统的需求。 而且可以提供高速的响应和大的系统吞吐量。而对硬实时系统来说，需要使用的 算法就应该是调度方式简单，反应速度快的实时调度算法。 第1 章嵌入式系统概述 1 2 嵌入系统的应用领域 美国著名未来学家尼格罗在1 9 9 9 年访华时曾预言，4 至5 年后嵌入式系统将 是继p c 和i n t e m e t 之后最伟大的发明。如今，现实的发展也验证了这个预言的 正确性。嵌入式产品的确具有着广泛的应用。将嵌入式系统的应用按照市场领域 划分，可以分为： 消费类电子产品； 控制系统和工业自动化； 机器人领域； 数据无线通信。 1 3 嵌入式系统的发展趋势 嵌入式系统目前处于高速的发展之中，其中在以下几个方面的发展尤其应该 引起重视： 系统结构趋于复杂； 网络互联成为必然趋势； 应用时精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本； 系统提供友好的人机界面。 所以，通过对嵌入式系统的基本概念和应用以及发展趋势的了解，可以看到， 嵌入式系统的研究是计算机学科综合各项理论和技术的集大成者。针对这样的要 求，论文工作选用了目前在3 2 位微处理器方面占有主导地位的a r m 系列处理器 作为硬件平台，根据实验室研发工作的实际要求，结合l i n u x 的源码开放性的特 点，选用a r m l i n u x 作为嵌入式操作系统。以a r m 片内自带u s b 控制器作为 u s b 主机控制器进行相关的研究工作。 第2 章a r m 处理器简介 7 第2 章a r m 处理器简介 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以 认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。 1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前， 采用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理器，即我们通常所说的a r m 微处理 器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类 产品市场，基于a r m 技术的微处理器应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以 上的市场份额，a r m 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。 a r m 公司是专门从事基于r i s c 技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供 应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯 片，世界各大半导体生产商从a r m 公司购买其设计的a r m 微处理器核，根据 各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的a r m 微处理器芯 片迸入市场。目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用a r m 公司的授权， 因此既使得a r m 技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系 统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。 2 1a r m 处理器的应用领域及特点 到目前为止，a r m 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域，成为 嵌入式系统微处理家族中极其极其重要的一员。其主要应用于： 工业控制领域：作为3 2 的r i s c 架构，基于a r m 核的微控制器芯片不但占 据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域 扩展，a r m 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8 位1 6 位微控制器提出了 挑战； 无线通信领域：目前已有超过8 5 的无线通信设备采用了a r m 技术，a r m 以其高性能和低成本，在该领域的地位同益巩固； 网络应用：随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l 芯片正逐步获得 竞争优势。此外，a r m 在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持，也对 d s p 的应用领域提出了挑战； 消费类电子产品：a r m 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机项盒和游 戏机中得到广泛采用； 成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用a r m 技术。 手机中的3 2 位s i m 智能卡也采用了a r m 技术。 基丁：a r m 9 处理器开发平台上u s b 总线的应用研发 除此以外，a r m 微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取 得更加广泛的应用。 2 2a r m 处理器的特点 a r m 处理器具有诸多技术优势，在嵌入式的各领域应用中表现出色，采用 r j s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点： 体积小、低功耗、低成本、高性能； 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 # 4 蓖1 6 位器件； 大量使用寄存器，指令执行速度更快； 大多数数据操作都在寄存器中完成； 寻址方式灵活简单，执行效率高； 指令长度固定。 2 3a r m 处理器的分类 a r m 微处理器目前包括下面几个系列。除了具有a r m 体系结构的共同特 点以外，每一个系列的a r m 微处理器都有各自的特点和应用领域。 删7 家族； a r m 9 家族； a r m 9 e 家族； a r m l 0 e 家族； a r m l l 家族； s e c u r c o r e 家族； o p t i m o d e 数据引擎内核； m p c o r e 多处理器家族； i n t e l 公司的s t r o n g a r m x s c a l e 。 其中，a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 和a r m l 0 为4 个通用处理器系列，每一个 系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。s e e u r c o r e 系列专门 为安全要求较高的应用而设计。 2 4 a r m 9 处理器特点 本文采用的a r m 9 处理器具有5 级整数流水线，指令执行效率较a r m 7 系 列处理器更高。其性能特点如下： 提供1 1 m 1 p s m h z 的哈佛结构； 第2 章a r m 处理器简介9 支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集： 支持3 2 位的高速a m b a 总线接口； 全性能的m m u ，支持w m d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等多种主流嵌入 式操作系统； m p u 支持实时操作系统； 支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力。 a r m 9 系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、 高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。a r m 9 系列微处理器包含a r m 9 2 0 t 、 朋孙1 9 2 2 t 和a r m 9 4 0 t 三种类型，以适用于不同的应用场合。 2 5a r m 处理器工作模式简介 2 】 a r m 处理器具有7 种工作模式，详情见表2 1 。 表2 1a r m 处理器模式 处理器模式说明备注 用户( u s r )正常程序工作模式不能直接切换到其它模式 快中断( f i q ) 支持高速数据传输及通道处理 f 1 q 异常响应时，进入此模式 中断( i r q ) 用于通用中断处理 i r q 异常响应时，进入此模式 管理( s v e )操作系统保护代码系统复位和软件中断响应时，进入此模式 中止( a b 0 用于支持虚拟内存和或存储器保护在a r m 7 t d m i 没有犬用处 为定义( u n d l 支持硬件协处理器的软件仿真为定义指令异常响应时，进入此模式 系统( s y s ) 用于支持操作系统的特权任务等 与用户类似，但可以切换到其它模式 2 6a r m 处理器内部寄存器简介 在a r m 处理器内部有3 7 个用户可见的寄存器。3 1 个通用3 2 位寄存器，在 a r m 公司文件中它们的名称分别为r o r 1 5 , r 1 3s v e ，r 1 4s v c ，r 1 3a b t , r 1 4 r 1 3 ，和。个状态寄存器，在_ u n d r 1 4 _ u n dr 1 3i r qr 1 4i r q r 8f i q - r 1 4f i q6a r m 公司文件中，它们的名称分别为c p s r ，s p s r，svc s p s ra b ts p s ru n ds p s ri r q 和s p s rf i q 。这些寄存器并不是全都可以在同一时间被访问的。处理器状态和操 作模式决定了程序员可以访问那些寄存器。具体情况见表2 2 。 1 0 基丁a l u m 9 处理器开发平台上u s b 总线的应用研发 表2 2a r m 各状态模式下的寄存器 寄存器寄存器在汇编再模式实际访问的寄存器 类别中的名称用户系统管理中止 未定义中断快中断 r 0r o r 1r l 通r 2r 2 用 r 3r 3 寄 r 4r 4 存 p 5 r 5 器 r 6r 6 和 r 7r 7 程 r 8 r 8 黜j q 序 r 9r 9 p 。9 _ f q 计 r 1 0 r 1 0 r 1 0 - n q 数 r 1 1r 1 l r i i _ f i q 器 r 1 2 r 1 2 r 1 2 _ f i q r 1 3 ( s p l r 1 3r 1 3s v cr 1 3a b tr 1 3u n d r 1 3 j r qr 1 3 _ f i q r 1 4 ( l r l r 1 4r 1 4s y gr 1 4a b tr 1 4u n d r 1 4 j r qr 1 4 _ f i q r 1 5 ( p c ) r 1 5 状态c p s rc p s r 寄存器s p s r 无 s p s rs vs p s ra b s p s r 哪 s p s r _ i r qs p s r _ n q d 2 7a r m 处理器的异常向量列表 通常，将一张异常向量列表至于首地址处，当产生异常响应，a r m 处理器 回自动跳转到对应地址执行程序，见表2 3 。 第2 章a r m 处理器简介 表2 3 异常向星列表 地址异常 0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 复位 0 x 0 0 0 0 0 0 0 4为定义指令 0 x 0 0 0 0 0 0 0 8软件中断 0 x 0 0 0 0 0 0 0 c 中止( 预取指令) 0 ) 【0 0 0 0 0 0 1 0 中止( 数据) 0 x 0 0 0 0 0 0 1 4 保留 o x o o 【) o i ) 0 1 8 中断( i r q l 0 x 0 d c l 0 0 0 l c 快中断( f i q l 中断处理采用“三级跳”方式。首先跳转到0 x 0 0 0 0 0 0 1 8 处执行中断跳转指 令；继而以0 x 0 0 0 0 0 0 1 8 处所存地址跳转至中断服务子程序首地址存储处；最后 跳转进中断服务子程序执行中断例程。 第3 章本文所用e p 9 3 1 5 开发板硬f ， 结构介绍 1 3 第3 章本文所用e p 9 3 1 5 开发板硬件结构介绍 本文采用的开发板是实验室自行研制的基于e p 9 3 1 5 的嵌入式系统开发板。 该开发板是一款功能全面，可提供如u s b 总线等主要功能的高性能开发平台。 本文对嵌入式系统及其上u s b 总线所作的研究均基于该平台。 3 1e p 9 3 1 5 微处理器介绍1 3 e p 9 3 1 5 微处理器采用a r m 9 2 0 t 内核，2 0 0 m h z 主频，1 6 k b y t e 指令c a c h a 及1 6 k b y t e 数据c a c h a 。1 0 0 m h z 系统总线频率。带有存储器管理单元( m m u ) 。 e p 9 3 1 5 微处理器内部结构如图3 1 所示。 图3 1e p 9 3 1 5 内部结构框图 在e p 9 3 1 5 在a r m 9 内核架构的基础上，还集成了其它片内外设。 内部启动只读存储器b o o tr o m ，提供芯片内部启动及初始化能力； 4 个3 2 b i ts d r a m 接口b a n k ； f l a s h ，s r a m 的接口b a n k ； 串行e e p r o m 接口； 2 个e i d e 接口； 1 0 t 0 0 m b p s 以太网卡接口； 3 个通用异步通信机( u a r t ) ； 三端口u s b 2 0 全速主机控制器； 1 4 基丁a p 2 , 1 9 处理器开发平台上u s b 总线的应h j 研发 红外接口； 带有硬件加速器的l c d 控制器； p c m c i a 接口； 触摸屏接口； 8 x 8 小键盘控制器； 一个串行外部设备接口； 1 2 s 及a c 9 7 接口； 2 个脉宽调制器( p w m ) ； 8 个8 端口的g p i o ，其中3 个带中断功能； 中断向量控制器( v i c ) ，可处理6 4 个片内中断源； 高精度定时器及看门狗定时器。 3 2 开发板结构介绍 本文所使用开发板是在e p 9 3 1 5 的基础上作了如下扩展而搭建的开发平台： 外扩1 2 8 ms d r a m 及6 4 mf l a s h 作为外部存储系统； r t l 8 2 0 1 为以太网口物理层芯片； m a x l 2 6 1 作为a d 转换芯片； m a x 5 8 2 l 作为d a 转换芯片； s j a l 0 0 0 作为c a n 总线控制芯片； d s l 3 3 7 作为实时时钟i u 芯片； a v d 7 1 2 3 作为l c d 至v g a 输出转换芯片； 8 2 5 5 作为8 位并行输入输出端口控制芯片： 其它e p 9 3 1 5 片内资源均在开发板上引出接口。 这块开发板的功能配置如图3 2 所示。 第3 章本文所用e p 9 3 1 5 开发板硬f ，j 结构介绍 图3 2e p 9 3 1 5 开发板资源配置 3 3 开发板地址资源映射说h f j 4 a r m 芯片寻址能力4 c g ，采用统一编址方式。本文采用的开发板地址映射见 表3 1 ( 所选处理器启动方式为正常启动，内部启动) 。 表3 1 开发板地址映射 地址范围板上资源 a s d 0p i n = 1 0 x f 0 0 00 0 0 00 x f l 矸f f f fn c s o o x e 0 0 00 0 0 00 x e f f ff f f fa s d c e 2 0 x d 0 0 00 0 0 0o x d f f ff f f fn s d c e l 0 x c 0 0 00 0 0 0o x c f f ff f f fa s d c e o 0 x 9 0 0 0 0 00 x b f f ff f f fn o t u s e d 0 x 8 0 8 00 0 0 0 0 x 8 f f ff f f fa p b 0 x 8 0 0 0o 0 0 0 0 x 8 0 0 ff f f fa h b 0 x 6 0 0 00 0 0 00 x 6 f f ff f f f f l a s h ( n c s 6 ) 0 x 3 0 0 00 0 0 00 x 3 f f ff f f f c a n ，a d d a 及s 2 5 5 1 j _ 选地址( n c s 3 1 0 x 0 0 0 】0 0 0 00 x o f f ff f f f s d r a m ( n s d c e 3 ) 0 x 8 0 9 40 0 0 00 x 8 0 9 4f f f f看门狗定时器 1 6 基于a r m 9 处理器开发平台上u s b 总线的应用研发 0 x 8 0 9 30 0 0 0 0 x 8 0 9 3f f f f系统控制器 0 x 8 0 9 20 0 0 00 x 8 0 9 2f f f f实时时钟 0 x 8 0 9 10 0 0 00 x 8 0 9 1f f f f脉宽调制 0 x 8 0 9 00 0 0 00 x 8 0 9 0f f f f触摸解 0 x 8 0 8 f0 0 0 00 x 8 0 8 ff f f f灯陴键盘 0 x 8 0 8 e0 0 0 0o x 8 0 8 ef f f fu a r ” o x 8 0 8 d0 0 0 0o x 8 0 8 df f f fu a r t 2 0 x 8 0 8 c0 0 0 00 x 8 0 8 cf f f fu a r t l 0 x 8 0 8 a0 0 0 0o x 8 0 8 af f f fs p l 0 x 8 0 8 40 ( 3 0 00 x 8 0 8 4f f f fg p i o 0 x 8 0 8 30 0 0 0o x 8 0 8 3f f f f安全设置 0 x 8 0 8 10 0 0 00 x 8 0 8 1f f f f 定时器 0 x 8 0 0 c0 0 0 00 x 8 0 0 cf f f f中断控制器2 0 x 8 0 0 b0 0 0 00 x 8 0 0 bf f f f中断控制器1 0 x 8 0 0 a0 0 0 00 x 8 0 0 af f f fi d e 0 x 8 0 0 90 0 0 00 x 8 0 0 9f f f fb o o t r o m o x 8 0 0 60 0 0 00 x 8 0 0 6f f f f s d r a m 控制器 o x 8 0 0 30 0 0 00 x 8 0 0 3f f f fl c d 0 x 8 0 0 20 0 0 0o x 8 0 0 2f f f fu s b 控制器 0 x 8 0 0 10 0 0 00 x 8 0 0 if f f f以太网卡控制器 0 x 8 0 0 00 0 0 00 x 8 0 0 0f f f fd m a 综上所述，本文就是在这样的硬件开发环境下进行对于嵌入式系统及其上 u s b 总线功能的研究的。工作重点在于： 总体电路系统的软件测试； 嵌入式l i n u x 操作系统的移植； 开发平台上基于a r m 处理器u s b 总线功能的开发。 第4 章a d s 下的开发板电路调试1 7 第4 章a d s 下的开发板电路调试 对于硬件搭建完毕的开发平台，在未加载操作系统前，必须保证电路连接的 正确。这就需要对裸板加载测试程序并运行，以确定开发平台的可用性。因此， 测试工作是整个论文工作的基础。本文选用目前a r m 平台广泛采用的开发环境 a d s ( a r m d e v e l o p e rs u i t e1 2 ) 进行测试工作。下面部分将对这一工作做具体 叙述。 4 1 测试环境介绍嘲 a d s 集成开发环境是a r m 公司推出的a r m 核微控制器集成开发工具，英 文全称为a r md e v e l o p e rs u i t ，成熟版本为a d s i 2 。a d s l 2 支持a r m l 0 以前 的所有a r m 系列微控制器，支持软件调试及j t a g 硬件仿真调试，支持汇编、 c 和c + + 源程序，具有编译效率高、系统库功能强等特点，可以在w i n d o w s 9 8 、 w i n d o w s x p 、w i n d o w s 2 0 0 0 以及r e d h a tl i n u x 上运行。a d s 由多个部分组成， 见表4 1 。 表4 ia d s l 2 的组成部分 名称描述使用方式 代码生成工具a r m 汇编器，a r m 的c c + + 编译由c o d ew a r r i o ri d e 调用 器，t h u m b 的c c * 编译器，a r m 连接器 集成开发环境 c o d ew a r r i o ri d e工程管理，编译链接 调试器a x d ，a d w a d u ，a r m s d仿真调试 指令模拟器a i 洲u l a t o r由a x d 调用 a r m 开发包一些底层的例程，实用程序( 如一些实用程序由c o d ew a r r i o ri d e f r o m e l f )调用 a r m 应用库e c + + 函数库等 用户程序调用 测试工作中，用户一般只需对c o d ew a r r i o ri d e 与a x d 调试器进行直接操 作。本文就是在这款开发环境下完成了硬件测试工作。 4 2 测试方法嘲 本文对于开发板硬件电路的测试思想是，用尽可能简单明了的测试例程检验 硬件电路各个功能模块是否正常工作。 1 8基y - a r m 9 处理器开发平台上u s b 总线的应用研发 测试工作将开发板上各个功能模块分为以下几类，见表4 2 。详细测试内容 见表4 3 。 分类 具体项目包括 存储设备 s d r a m 凡a s h ， d e 人机接【j 设备l c d ，v g a 触摸屏小键盘，串l j ? i总线u s b 1 1 c c a n ，s p t 网络设备1 0 1 0 0 m 自适心嘲卡 ； 其它功能脉宽调制，8 2 5 5 端u ，p s 2 ，g p i o 口 表4 3 测试工作内容 功能模块测试内容 s d r a m 对一连续地址写入0 x 5 5 与0 x a a 以验让读写正确 f l a s h验自e 其擦除读写能力 i d e 读写外接键盘扇区 l c d 按要求显示红绿蓝颜色及彩色色条 v g a 将l c d 的显示数据模拟输出 触摸屏点击后，返回触点坐标到终端 小键盘返 日按键值到终端 串口 能与p c 通信便说明其正常 u s b可自动检测u s b 设备的插入和拔出 n c 通过该总线町对i i c 接u 的实时时钟芯片进行读取 c a n 收发数据 s p i 收发数据 1 0 1 0 0 m 自适应嘲卡接收数据包 脉宽调制产生小h 频率与占窀比的p w m 波形，并驱动蜂鸣器以不间频牢呜叫 8 2 5 5 端口 可自由配置a ，b ，c 为输入或输 h ，拧制l e d 灯闪烁 g p j o控制系统指示l e d p s 2 可由标准键盘输入数据井删显 当上述测试内容均实现后，就说明基于e p 9 3 1 5 的开发板硬件电路连接正常。 为以后操作系统的加载提供了必要的前提。 需要特别说明的是，因为u s b 总线的驱动应在操作系统下实现，其复杂的 驱动结构及数掘帧格式将在论文后继部分展丌研究论述。在这里，需要完成的工 作只是验证u s b 总线电路连接的正确。 第4 章a d s 下的开发板电路调试 1 9 4 3 总体测试流犁7 】 在本文最终的测试工作中，将所有测试内容编译，链接为一a r m 可执行程 序，通过j t a g 口加载于开发板s d r a m 中运行。通过串口连接p c 机，在p c 机超级终端下控制，检视整个a d s 测试流程。该测试程序流程如图4 1 所示。 a d s 下测试开始 i 对系统各功能及时钟初始化 i 初始化串仃 j 打日】系统信息 j l存储系统芯片铡试 1 一 s d r a m 读写 j l f l a s h 读写 i ri d e 硬盘臻写一1 开发扳上指示灯测试 键盘，l c d ，触摸屏 l 卜 等人桃设备测试 曩 i fu s b ，l l c ，c a n 各总线瑞日j l一信号检测，读写测试“j s 2 5 5 1 7 0 功能测试 a 。，喇能测试j 上 ： 戤宽调制测试+ i a l 鼹络功能测试 a d s 下测试结束 图4 ia d s 下测试流程 基丁a r m 9 处理器开发平台上u s b 总线的廊用研发 4 4 软件测试工作步骤8 1 在a d s 针对开发平台的测试工作分为以下几步。首先编写基于该系统的测 试软件；在a d s 环境下进行编译；将编译产生的a r m 处理器可执行文件加载在 开发平台上，运行该程序进行硬件功能测试。 测试过程中，以串口与p c 机端通信。在p c 机超级终端中控制测试流程。测试 中各环节工作截图如图4 2 至图4 6 所示。其中，程序映像文件入口点为 0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 ，即s d r a m 首地址。采用a r m 9 2 0 t 内核格式编译。最后将各个测 试子程序编译，链接至主测试程序，用以产生程序映像文件。通过用仿真器连接 开发板至p c 机进行软件调试，硬件测试。 邕豳蛐由l _ 躺鼎确盛邕嘲暖燃辫黧鍪露鍪缀融露礤翳鍪臻鬻羹露缀缓露黧黧蓊露黟誊鬻隧鲞蕊露整鹾嚣蹬燃汹l 女罐 lt a r g e ts e t t m g z 缸出：揠瑚h r h r 旨t g r g e t 蛳呔；卸t t 嘴l 埘融i 班；t i 球i t r 甑| 0t 盯耻ts e t t i n t s 卜a c c e s sp a t l - b u i l df a t r a s “ rp a r t i o 5 趣b 拈e琏b 馘ef 酗i f 叠矗。唾m 筘鲢l 阿赢厂r 溉 i - r u n t i m es e t t i n z j f i h _ a p 面呼 广s _ e a t t e r e d ：| “一 fs p l i t 趣犍 - s o u r c et r e e $ ! o 脚t 盯g e t 一 塾m 盯；是丝d 吕i m g u , g , s e t t t l l g s ： 辅d i 一，塾d k - 堋缸s e 皿b 1 盯 “ 卜姗cc 哪l l 盯 s b b o l ! d i t i 蝇i 一j 一爸鬯吐0 堋c + + c _ i h r ； r 二* 瞄鼍r 一端鞴硝+ = # o 赫少= 一t h 曲cc o m p i l e r 一 r l 口1 1 1 7 a l 啦t 钿触弛dl i 她 。珏m b c c 椭， 。z n f ot o t a 】z 。e a t r y0 x 0 0 0 0 r 1 0 0 - r o 咄壮e0 如0 0 嘲蕊 曼一l i n k e r 二= h 枷l i n k 盯 ； 每3 十y ， 一，。+ 。 0 蕊f r 加玎j 曼n i t o r - i 一 罂! 竺! i ：二：l! 竺丝! 竺垦：| 堕竺巡| _ 型型 幽4 2a d sp 建立上稃幽示 第4 章a d s 下的开发板电路调试2 1 图4 3 测试稃