（检测技术与自动化装置专业论文）基于arm的通用型实时测控系统设计与实现.pdf

摘要 基于 删的通用型实时测控系统设计与实现 硕士研究生：陈鸣慰 东南大学 现代测控系统的开发人员，通常需要在最短的时问内设计出满足用户要求的测控系统硬件设备 和工作软件。从项目的方案设计到研制、调试，其周期通常为3 个月左右。如果仍然沿用传统测控 系统的开发方法，一切从零开始设计，在如此短的研发周期内显然难以完成复杂的测控系统开发工 作。而各类现代测控系统除了具有高性能的数据采集、信号处理、i 0 和通信接口模块以外，通常 均需具各良好的人机接口、友好的用户界面和强大的网络功能等。 a 删架构的嵌入式处理器和嵌入式l i n u x 操作系统由于其优异的性能和很高的性价比，已经被 广泛地应用到各种电子产品的设计当中，并受到愈来愈多的自动化设备和智能仪表设计人员的青睬。 但由于高频、高速的a 删处理器应用系统设计有许多难点需要解决，嵌入式l i n 操作系统的内核、 驱动和应用程序的开发也有较高的难度，因此其研发通常需要较长的周期，从而限制了它们在测控 系统的应用。 为此，在本硕士学位论文阶段，我们以高性价比的3 2 位a 处理器一a t 9 1 肿2 0 0 和源码开放 的嵌入式l i n u x 操作系统为核心，设计、构建了通用型实时测控系统的软硬件平台，完成了系统软 硬件的设计、研制和调试工作。以此通用平台为基础，针对不同的应用系统只需要少量修改系统的 软硬件设计，就可以方便地构建工程应用所需的绝大部分自动测控系统，并大大缩短研发周期。降 低研制成本。 【关键词】测控系统嵌入式系统a 蹦9 处理器l i n u x 操作系统硬件驱动程序 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t m k s e a r c ha n dd e s 远皿o f a r m - b a du n i v e 瑚k a i t i 眦m e 舔u 障a n dc 衄昀is y s 把m b yc 印三nm 抽g w d s o u 恤嬲tu n i v e 幅畸 i ) e v e l o p e r so f 删锄m e 器u 咒锄dc o r i 心0 1s y s t 锄，唧a l l yh a v et od e s i 掣l1 1 1 eh a r d w a 托a i l ds o 丹w 盯e a c c 肿d j n gt ou s e r sn d si i las h o n e s tp 耐0 do ft i l n e f r o m 州e c td e s i 印i n gt od e v e l o p i l l g 柚d d 曲u g g i l l 窖，t 1 1 ec y c l ei s 伽睁1t o3m 彻t 1 1 si ng 啪l _ i ft h e 删i t i o 叫d e v d o p j n gm 劬o di su s e dt 0 d e s i 弘t 1 1 el l a f d w a m 锄d n w a 阳f 打e v e r yd i f f e n tp r o j e c t 肌m 血ev e yb e g i 蛐i 1 1 9 ，i tc a nn o tf i l l i s l lt t l e d e s i 弘a l l dd e v e l o 曲：l g 哪ki i lt l l i ss h o r tc y c l e m o d 锄m e 鹊u r e 卸dc h ds y s t e m su s 岫l i yh a v e1 1 1 e h i g h _ p r e 栅知o em o d u l 髂o fd a t i i m q u i 血g ，s i g n a lp r o c e 龉i n g ，i ，o 锄dc o m m u c a t i o n t h ea l s oh a v e 倒e n d l yu s e fj n t e m c e 蚰dp o w 曲ln e t w o r kc a p a b i l 时 t h ea i 洲m i 口o l ，r o 器o r 卸d 锄b e d d e dl i i 】u xo p 盯嚣t i n gs y s t 锄h a v eb nw i d e l y 岫e di i lt 1 1 e d e s i g n so f v 州。憾e l e c h _ 0 n j cp r o d u c t sb a u o f t l l e i re x c e i l e n tp e r f o m l 柚c 船柚dl o w e rc o s t s a n dm o r e a n dm o 他d l w e l 叩e r so fr o b o t i c i z e de q u i p m e n t sa n d 抽t e l l i g e n ti r i s t m m 锄t sl i k et o 世et l l 眦i t lt h e i r d e s i 驴s b u tt l l 唧a r el o 协o f d i 衢c u m e si i lt 1 1 eu o f a r mm i c 愀辐o r a 1 1 di t i sa l s on o te a s yt o d e v e l o pl i l l l l 】【c o f ep r o 蚪n s ，d r j v e rp f o g r a m s 锄da p p l i c a t i o np r 0 鲫n s s o 删m i 四叩r o s s o r s 锄d 啪b e d d e dl 抽u xo p e m t i n gs y s t 啪h a v en o tb nw i d e l yu s e di l lm e 够u m 锄dc o r 灯o ls y 咖n s f o rt l l e s er e a s 叩s ，s o f h v a 他柚dh a r d w a mp l a t f o mo ft i l eu n i v 删r e a l - 6 m em e 够u m 柚dc o n 廿o l s y s t e mb 鹊e do nt l l ea t 9 l r m 9 2 0 0m i c r o p r o c e s s o r 锄dm e 锄b e d d e dl i m o p 啪t i n gs y s t 锄h a v e 溉 d e s i 印e dd u r i n gt l l e s c a r c ：hp e r i o do ft h e 删t h o r sm a s t 盯sd e g r n er e i n 岛d e s i 驴i n g 卸d d e b 删n gw o d 巧h a v eb e a c c 伽p “$ b e d 0 nt l l ef o u n d a t i o no f t h i sp l a t f b n l l ，d i 侬蝴ta p p l i c a t i o n a l m 髓s e 锄dc 打d ls y s t e m sc 锄b ep u ti l l _ t 0u i l it 1 1 es h 叫e s tt i m e t h o s e 叩p l i c 撕o n a l 科s t 伽s 瓣v q p 甜t i v ei i lb 硎lp e 栅c dc o 啦 k e y w o r d s ：m 哪眦锄l dc o l l 扭o ls y 蛐，e m b e d d e ds y s t e m ，a r m 9m i c 呻m c 髑0 r ，l i m o s ， d d v 日p g r a m 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导f 进行的研究 ：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的地方外，论文中不包禽其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其他教育机构的学位或证f5 而使h = | 过的材料。与我一同i ：作的同忠对本 研究所做的任何贡献均己往论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名 盛墨鳇 日期： ，彳五 东南大学学位论文使用授权声明 东南火学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容乖1 纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阏，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权尔南火学研究生院办理。 魏盟一：嘏蟑日期 。纩7 ； 扶似己撕1 啦童t 胖鸸 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着社会信息化的日益加强。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，需要的已经不仅仅是那种放在桌上处理文档、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。例如小到冲3 、 p d a 等微型数字电子产品，大到网络家电、智能电器、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据采集系统、智能化仪表、数控机床、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。 嵌入式系统通常由硬件和软件两部分组成。嵌入式系统硬件的核心是嵌入式处理器。据不完全 统计。全世界嵌入式处理器的品种数量已经超过1 0 0 0 多种，流行体系结构有3 0 多个。近年来嵌入 式微处理器的主要发展方向是小体积、高性能、低功耗。专业分工也越来越明显。出现了专业的i p 核( i n t e l l e c t i l a lp r o p e r t yc o r e ，知识产权核) 供应商，如 删、m i p s 等。”1 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。操作系统有两个基本功能：使计算机硬件便于使用；高效组织和正确地使用计算 机的资源。操作系统有四个主要任务：进程管理、进程问通信与同步、内存管理和i 0 资源管理。 1 2 国内外测控系统的发展现状 测控系统是广泛使用于工业生产和工程应用当中的，具各自动化测量和控制功能的应用系统。 2 0 世纪4 0 年代咀前，工业生产非常落后，大多数工业生产过程都处于手工操作状态。5 0 年代前后， 在一些工业企业的生产过程中，实现了测量仪表化和局部控制自动化。这些检测控制设备普遍采用 了基地式仪表和部分单元组台式仪表( 多数是气动仪表) 。自6 0 年代以来，随着工业生产的不断发 展，对测控系统提出了新的要求；而电子技术的迅速发展，也为测控系统的完善创造了条件。气动 和电动单元组合仪表，以及计算机为核心的测控系统开始应用于生产领域。2 0 世纪7 0 年代以后， 随着大规模集成电路制造成功和各种微处理器的相继问世，以微处理器为核心的、具备程序检测控 制功能的测控系统得到了广泛的应用。m 1 现代测控系统就是一个典型的智能系统。它具有测量、控制、通讯及数据处理等功能，因而是 多功能化的体现。例如一个典型的电力管理测控系统，可以测量单相或三相电源的有功功率、无功 功率、视在功率、电能、频率、各相电压、电流、功率因数等，还可测量出电能利用的峰值、峰时、 谷值、谷时及各项超界时间，可以预置用电量需要计划，自备时钟及日历，具有自动记录、打印、 报警及控制等许多功能。 因此，测控系统通常具有这样的特点：测控工作可靠化；测控过程软件化；测控处理实时化； 测控任务多功能化：设计制造灵活化。 但是传统的测控系统开发，大多是几个人以小组的形式根据不同的项目组织在一起，针对项目 的要求以8 位或1 6 位单片机为核心设计硬件电路，然后编写所需的工作程序，再进行软硬件调试。 这种开发方法存在着许多缺点。首先，由于缺乏一个稳定工作的硬件基础，整个开发工作的重点大 都放在调试硬件故障上。其次，工作程序的开发几乎全部使用汇编语言。严重影响了程序的可读性 和可移植性，更换不同的处理器就意味着一切从头开始就连使用相同处理器的不同项目组之问的 程序重用也很困难。再则，传统测控系统由于软硬件性能所限，通信接口种类比较少，多为r s 2 3 2 、 1 东南大学硕士学位论文 r s 4 8 5 接口，数据交换速度慢，已经不能满足日益增长的数据传输需求。因此，沿用传统的测控系 统开发方法，很难在极短的开发周期内，研制出高质量的、可以满足用户要求的应用测控系统。 今天，高性能的数据采集和信号处理功能、形式多样的i 0 和通信接口以及良好的用户接口、 友好的人机界面、强大的同络互联功能几乎成了现代实时测控系统的共同需求。因此需要以高性能 嵌入式处理器和嵌入式实时操作系统为核心，采用新型的测控系统开发方法，研制出可以满足不同 应用系统要求的通用型实时测控系统软硬件平台。 1 3 本论文目的和主要研究内容 本论文围绕构建通用型实时测控系统的关键技术进行研究，其目标是研制出一种新型的、高性 价比的通用型实时测控系统。在课题研究过程中解决了高频、高速的3 2 位嵌入式a 舳处理器应用 系统的设计方法多种信号转换芯片的应用接口设计嵌入式l i n u x 系统启动程序程序、内核程序 和功能模块的开发方法，硬件驱动程序的开发方法和系统应用软件的开发方法等技术难点。 本论文论述了课题的总体方案论证和选择、硬件设计、软件开发和调试过程中遇到的问题和解 决的办法。论文的章节安排如下所示。 第一章是绪论。 第二章主要介绍了基于a 蹦的通用型实时澳4 控系统的软硬件总体方案设计。 第三章主要介绍了以a t 9 l 蹦9 2 0 0 处理器为中心的通用测控系统嵌入式核心电路板的硬件 设计与实现。 第四章针对某环境监控项目，介绍了测控电路板的硬件设计方案。 第五章介绍了通用测控系统以嵌入式l i n u x 操作系统为核心的通用软件平台的设计方法。 并重点论述了启动程序b 0 0 t l o a d e r 的开发方法，以及嵌入式l i n u x 内核程序和功能模块的 设计开发方法。 第六章结合通用测控系统的典型硬件设备。介绍了硬件驱动程序的设计和实现方法。 第七章具体介绍了通用测控系统应用程序的开发方法。 2 第二章基于a 蹦的通用型实时测控系统总体设计 第二章基于a 跚的通用型实时测控系统总体设计 2 1 系统功能要求 基于a 删的通用型实时测控系统，以高性能a 删9 处理器和各种信号转换芯片为核心进行硬件设 计；软件上则以嵌入式操作系统为核心，进行应用程序设计。该系统希望实现如下的功能。 1 硬件设计上具有较强的通用性，经过较小的改动，即可以实现对不同应用系统的支持。 2 通用测控系统通过以太网，实现与远程控制主机的信息交互。 3 通用测控系统应该提供u s b 主机和设备接口以及串行通信口等通信手段。 4 软件上具有较强的通用性和可移植性，可以根据不同的应用系统，快速地开发出应用程序。 围绕以上的功能要求，我们进行了基于a 赋的通用型实时测控系统的总体方案设计。 2 2 系统硬件功能总体设计 通常，通用测控系统的硬件设备可以分为相对独立的两大部分。 第一部分是通用测控系统的核心层，该部分以具有高速数据与逻辑处理能力的m c u 为核心，控 制通用测控系统的全部工作流程，提供系统对外的通信连接和数据转存等功能，并为通用测控系统 的调试工作提供硬件支持。第二部分主要完成对测控对象的数据采集、控制信号量的输出等功能， 并通过硬件、软件与第一部分进行信息交互。这两部分功能虽然相对独立，但第二部分功能的实现 需要第一部分提供控制信息。针对不同的应用系统，第一部分的硬件电路设计通常无需改动或仅作 很小改动；第二部分的硬件电路则要根据需求进行“量体裁衣”式的设计。 因此，基于对不同应用系统的适配性和通用性考虑，本系统的硬件部分我们采用如下的方案， 即： 以高性能嵌入式处理器为核心，配置大容量的程序和数据存储器，以及各种类型的通信电 路，设计嵌入式核心板； 以各种所需功能芯片为核心，配置相应的接口电路，设计用于数据采集和控制信号量输出 的测控电路板； 以高性能c p l d 芯片为核心，设计具有较大应用灵活性的连接电路，用于将嵌入式核心板和 测控电路板“无缝”地连接起来。 按照以上的方案，系统硬件总体设计如图2 1 所示。 嵌入式核心板 测控电路板 图2 一l 系统硬件总体设计示意图 2 2 1 嵌入式核心板总体设计 嵌入式核心板作为通用测控系统的主控部分，需要协调控制系统各个部分的工作，通常它应具 备如下的主要功能： 1 配置高性能的嵌入式处理器及其外围电路具有系统的核心处理功能； 3 东南大学硕士学位论文 2 具有与测控电路扳的接口电路，可方便地完成对测控电路板的控制； 3 通过以太网通信电路，具有与远程主机的通信功能，并配置串行通信接口作为辅助通信手 段； 4 具有u s b 主机接口，完成系统运行数据的海量转存等功能，并预留u s b 设各接口。为今后 的开发提供支持； 5 提供多种硬件调试接口，为调试通用测控系统的各项功能提供支持。 综合以上的要求，嵌入式核心板的总体设计框图如图2 2 所示，按功能可以分为6 个模块。 处理器外围电路 () l 以太同通信电路nr h l u s 蝴电路外部存储器 ：)中央处理器 、y i ( ：二二刊与翱控电路板连接电路 调试接口电路 f) 图2 2 嵌入式核心板总体设计框图 1 嵌入式处理器及外围电路 由于嵌入式核心板需要完成通用测控系统的全部控制功能，因此通常中央处理器需要具有强大 的算术和逻辑运算能力。出于通用性设计考虑，我们希望在不更换嵌入式核心板的情况下，针对具 体应用项目，为系统配置经过二次设计的不同的测控电路板，就可以方便地构成所需的应用系统。 因此也就要求被选用的中央处理器具有较多的片上资源和较强的扩展性。由此，我们决定选用a 删 体系结构的嵌入式处理器作为通用测控系统的中央处理器芯片。由于我们实验室已经有了a t m e l 公 司a 蹦9 内核的高性能、3 2 位处理器a t 9 l 9 2 0 0 的应用经验；而且，a t 9 1 删9 2 0 0 处理器和其他a 蹦 内核的处理器相比，集成了以太网应用需要的m i i 控制器和u s b 主机及设备控制器等片上资源，并 能够为嵌入式操作系统的应用，提供良好的支持。因此，最终我们选择了以a t 9 l 蹦9 2 0 0 处理器为核 心，来构建嵌入式核心板的硬件电路。 2 系统调试接口电路 系统调试接口电路主要用于为通用测控系统各项功能的调试提供硬件上的支持。由于我们选择 了a t 9 l r m 9 2 0 0 芯片作为中央处理器，因此，调试接口电路主要围绕a t 9 1 删9 2 0 0 芯片来设计。具体 的电路包括了j t a g 调试接口和d b g u 调试接口两个部分。在硬件调试阶段和软件开发的初始工作阶 段，主要通过j t a g 调试接口来进行调试；而在软件开发的中高级阶段，则主要使用d b g u 调试接口 进行调试。 3 外部存储器电路 a t 9 l 删9 2 0 0 处理器虽然在片内集成了一定容量的程序存储器f l a s h 和数据存储器s r 州，但是对 于完成通用测控系统的全部功能需要是远远不够的。因此，需要为a t 9 l 删9 2 0 0 处理器扩展较大容量 的程序存储器和数据存储器，并设计相应的接口电路。 4 以太网接口电路 通用测控系统工作在工业现场，它通过以太网和远程主机交换信息，并接收远程主机的控制指 令。因此，我们利用a t 9 l r 旧2 0 0 处理器内置的m i i 控制器和专门的以太网物理层收发芯片d m 9 1 6 l ， 设计了通用测控系统的以太网接口电路。 5 u s b 接u 电路 4 第二章基于删的通用型实时测控系统总体设计 通只 测控系统的u s b 主机接口需要实现对闪存海量存储器的支持，而u s b 设备接口则主要为将 来的应用开发预留。因此，围绕a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器内簧的u s b 主机和设备控制器，我们设计了相应 的u s b 接口电路。 6 与测控电路扳的接口电路 通用测控系统的测控电路板主要完成对外部设备的测控功能，该板上没有配置专门的处理器， 输入输出均由嵌入式核心板控制。因此，我们设计了用于连接嵌入式核心板和测控电路板的接口电 路。通常测控电路板需要根据具体应用项目的需求进行二次开发，因此，从通用性设计来考虑，我 们选用了c p l d 芯片作为这部分电路的核心，并通过编程改变c p l d 内部硬件逻辑的方式实现嵌入 式核心板和不f 两涮控电路板的无缝连接。 2 2 2 测控电路板总体设计 在基于a 磷的通用型实时溯控系统当中。溯控电路板用来完成对外界数据的采集昶控制量输出 的任务。典型的测控电路板硬件电路可以分为两大部分，其中包含一些常用的模块电路。 数据采集电路数据采集电路通常包括模拟量输a 模块、开关量输入模块、频率量输入模 块等。 控制量输出电路控制量输出电路通常包括电压量输出模块、电流量输出模块和p 咖输出 模块等。 不同的应用系统对于测控电路的要求各不相同，一个应用系统通常只需要用到上面提到的这些 模块电路当中的几个。比如有的系统在数据采集部分只需要模拟量输入和开关量输入，控制量输出 部分则只需要开关量输出和电流信号输出。 因此，在基于a 跚的通用型实时测控系统设计当中，我”1 对测控电路扳采用了如下的设计方案。 测控电路扳不设专门的处理器芯片，它通过嵌入式核心板上基于c p l d 的连接电路将采集到 的数据发送给a t 9 1 啪2 0 0 处理器，并接收来自处理器的控制信息。 对用到的测控电路进行模块化划分，每个模块除了基本的数据采集或是控制量输出功能外， 和基于c p l d 的连接电路之闯都有自己独立的总线接口，相互之间互不干扰，又可以在处理 器韵统一控制下协谓工作。 针对不同的应用系统选取所需的电路模块构成测控电路板。这样在不改变嵌入式核心板的 情况下，只需要对测控电路板进行二次设计，并少量编写与测控电路板有关的软件，就可 以完成通用测控系统对不同应用系统的适配，最大限度地实现通用性。 在硕士学位论文工作期问，我们利用上面提到的思想针对某环境监控项目，设计了用于通用 测控系统的测控电路板，该测控电路叛总体设计框图如图2 3 所示。 基于c p l d h 的连接电路 () 数据 总线 l i 8 路1 2 v 继电器开关量 _ i 输出电路 i 仁二j 蝴嚣眷流量j 图2 3 针对某环境监控项目的测控电路板总体设计框图 5 东南大学硕士学位论文 该测控电路板提供如下的功能： 4 路4 2 0 “电流量输入； 8 路1 2 v 体制的开关量输入； 8 路1 2 v 体制的继电器开关量输出，可以驱动接触器等后续设备 1 路4 2 0 m a 电流量控制信号输出。 2 ，3 系统软件功能总体设计 2 3 1 基于嵌入式l i n u x 操作系统的软件方案 传统的测控系统，由于中央处理器和其他硬件设备性能上的限制，无法为不同的应用系统提供 一个相对稳定、通用的硬件环境。对于不同的应用系统，每次都需要从底层开始重新进行硬件设计 和调试。系统的应用软件也像硬件一样需要重新设计，通常都是针对不同的硬件设备用汇编语言或 c 语言编写相应的操作函数在此基础上再编写单循环结构的系统应用软件。这样做严重影响了程 序的可读性和可移植性，在不同的项目之间很难共享程序资源，开发出来的软件都需要经过大量的 测试、修改工作，才能投入实际应用。 基于a 删的通用型实时测控系统，在硬件设计上采用了高性能的a t 9 l 删9 2 0 0 嵌入式处理器为核 心，并配置了大容量的程序和数据存储器，为设计以嵌入式操作系统为核心的测控系统通用软件平 台，提供完善的支持。作为软件平台的核心通常要求选用的嵌入式操作系统具有以下一些特性。 操作系统可执行镜像的体积较小，使其可以固化到通用测控系统的f 1 a s h 程序存储器当中。 操作系统源代码公开可以根据通用测控系统的需要修改源代码，对其内核进行二次开发。 具有高度的稳定性和安全性。我们希望该操作系统针对不同的硬件设备平台，都具有很高 的稳定性，并且使用较多的安全技术以保证系统的软件安全。 强大的网络功能。我们希望该操作系统能够支持多种以太网应用协议和接口设备，以灵活 实现通用测控系统对以太网应用的支持。 良好的开发工具。我们希望该操作系统的开发工作能够获得多种开发工具的支持，以应对 不同类型软件的开发需要。 目前在商用领域得至h 广泛应用的嵌入式操作系统主要有：w i n d sc e 、v x w o r k s 、p s o s 、锄x 、 p a l 皿o s 、l y n x0 s 等。这些嵌入式操作系统的主要优点是实时性好、可靠性高、稳定性强、开发应 用比较方便。但由于它们都是收费的商业操作系统，因此价格高昂：其操作系统内核及应用软件都 比较成熟，缺乏一定的可开发性。而且它们的源代码是不公开的，这就使得每个系统上的应用软件 和其它系统都无法兼容。因此，对于基于删的通用型实时测控系统来说，以上的这些嵌入式操作 系统部不是很好的选择。 嵌入式l i n u x 操作系统是一个真正的多任务、多用户、多平台的操作系统。它所具备的稳定、 高效、易定制、硬件支持广泛等特点，结合其所独具的免费、开放源代码等特征。使其在近几年内 迅速崛起，成为嵌入式领域的一种重要的操作系统。目前嵌入式l i n u x 操作系统的应用已经涉及到 信息家电，p d a ，机项盒，数字电话，以太网网关，路由器，a t m ，远程通信。医疗电子，交通运输， 计算机外设，工业控制和航空航天领域等领域。显然，嵌入式l i n u x 操作系统在通用测控系统上进 行应用开发是非常合适的。 因此，我们在通用测控系统的硬件平台上，开发了以嵌入式l i n u x 操作系统为核心的通用软件 平台。 6 第二章基于a 跗的通用型实时铡控系统总体设计 2 3 2 通用测控系统软件总体设计 嵌入式核心扳作为通用测控系统的主控板，硬件设计相对固定，通常无需根据不同的应用项目 重新设计。嵌入式核心板上提供的大容量程序和数据处理器，被用来存储、运行系统的全部软件。 而测控电路板由于需要根据不同的应用系统进行二次设计，因此其硬件设备变动相对较大。 根据以上的硬件特点，通用测控系统的软件设计，为了能够实现功能要求当中提出的较强的通 用性和可移植性，确定以嵌入式l i n u x 操作系统为核心，开发适合于通用测控系统需要的通用软件 平台，该软件平台的结构如下。 1 平台的核心是嵌入式l i n u x 操作系统内核以及基本引导程序 嵌入式l i n u x 操作系统的内核以及基本引导程序的开发只与嵌入式核心板的硬件设计有关。嵌 入式l i n u x 内核的开发主要包括： 根据嵌入式核心板的硬件配置，修改、开发内核的源代码程序： 根据嵌入式核心板的硬件配置以及通用测控系统需要对外界提供的服务，配置l i n u x 内核 的功能模块； 在嵌入式核心板硬件上进行操作系统内核可执行镜像的调试。 而基本引导程序( b o o t l o a d e r ) 作为嵌入式l i n u x 操作系统内核运行前的引导下载程序，主要 是为操作系统动态地创建如数据段、堆栈、页表等软件环境，并将操作系统内核的可执行镜像从f l a s h 存储器复制到r a m 中，然后再从r a m 中执行操作系统的内核。其开发工作主要是根据嵌入式核心板 的硬件环境，编写相关的源代码文件，并进行调试。 2 平台的中间层是针对不同硬件设备的驱动程序 嵌入式l i n u x 操作系统通过硬件设备驱动程序屏蔽了具体硬件的细节，使得应用软件开发人员 能够通过操作统一格式的设备文件的方式，进行与硬件相关的应用程序开发。通用测控系统硬件设 备驱动程序的开发，既与嵌入式核心板上的硬件设备相关，也与测控电路板上的硬件设备有关系。 其开发工作主要是根据不同硬件设备数据手册提供的操作方式，编写嵌入式l i n u x 下的驱动程序源 代码文件，并在硬件平台上进行调试。 3 平台的第三部分是直接处理用户要求的应用软件 通用测控系统的应用软件，需要根据不同应用系统的功能要求进行开发。在构建完通用软件平 台的前两部分之后，我们就在通用测控系统的硬件平台上生成了一个完整的嵌入式l i n u x 环境。因 此，应用软件的开发工作即根据不同应用系统的功能要求，按照嵌入式l i n u x 下的应用软件规范， 编写相应的源代码文件并进行调试。 在实现了上述的通用软件平台之后，针对不同的应用项目，基于a 跏的通用型实时测控系统就 可以在编写少量硬件设备驱动程序的基础上，快速、高效地开发出符合不同系统要求的应用软件。 东南大学硕士学位论文 第三章嵌入式核心板设计与实现 3 1 核心板中央处理器的选择 3 1 1 常用的嵌入式处理器”l 嵌入式处理器是嵌入式系统中的核心部件，其性能直接影响着整个嵌入式系统的设计。 现有的嵌入式处理器可以分为两大类，一类为c i s c ( c p l e xi n s t r t l c t i o ns e tc o m p u t e r ，复 杂指令集计算机) ，如x 8 6 系列；另一类为r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc d u t e r ，精简指令 集计算机) 。如a 删、m i p s 等。 传统的c i s c 结构处理器有其固有的缺点，即随着计算机技术的发展需要不断地引入新的、复杂 的指令，而为了支持这些新的指令。计算机的结构越来越复杂。由于以上的缺点，1 9 7 9 年美国加州 大学伯克利分校提出了r i s c 的概念。r i s c 结构的处理器并非简单地减少指令数目，而是将着眼点 放在如何使计算机的结构更加简单合理，以提高运算速度。r i s c 结构优先选取使用频率最高的简单 指令避免复杂指令；将指令长度固定，指令格式和寻址方式种类减少；以控制逻辑为主，不用或 少用微码控制等措施来达到上述目的。就目前来说，r i s c 结构的处理器以其独特的优点，在嵌入式 领域正得到越来越广泛地应用。 目前常用的嵌入式处理器有以下几种。 1 a s t r o n g 础系列 a 跚系列微处理器泛指使用a 瑚公司转让技术生产的各种微处理器芯片。a 蹦公司是设计公 司，是知识产权( i p ) 供应商，本身并不生产芯片，靠转让设计许可由合作伙伴来生产各具特 色的芯片产品。作为3 2 位嵌入式r i s c 微处理器业界的领先供应商，a 删公司商业模式的强大 之处在于它在世界范围内有超过l o o 个的合作伙伴，从而导致了大量的开发工具和丰富的第三 方资源。a 脚处理器有三大特点： 小体积、低功耗、低成本和高性能； 1 6 3 2 位双指令集： 全球众多的合作伙伴。 目前，a 麟3 2 位体系结构被公认为是业界领先的3 2 位嵌入式r i s c 微处理器结构，已经在 包括无线、消费电子和图像应用方面的开放平台，存储、自动化、工业和网络应用的嵌入式实 时系统，以及智能卡和s i m 卡的安全应用等领域得到了越来越广泛地应用。 2 m 【p s 系列 m i p s ( m i c r o p r o c e s s o rt i t h o u ti n t e r l o c k e dp i p e l i n es t a g e s ) 是一种处理器内核标准， 是由m i p s 技术公司开发的。m i p s 公司设计r i s c 结构处理器始于1 9 8 0 年代初：1 9 9 8 年以后， m i p s 技术的重点完全放在嵌入式处理器市场上。m i p s 已经在两个系列当中推行了标准化： m i p s 3 2 ( 3 2 位系列) 和m i p s 6 4 ( 6 4 位系列) 。m i p s 架构的处理器已经在宽带、网络、打印系 统、存储和数字设备产品等方面得到了广泛的应用。 3 。p o 耳e r p c 系列 p o w e r p c 是由i b m 和m o t o r o l a 麸同研制的一套处理器标准。p o w e r p c 架构的特点是可伸缩 性好、方便灵活。p o _ e r p c 处理器品种很多，既有通用处理器，又有嵌入式控制器和内核，从 高端的服务器、工作站到桌面计算机系统，从消费类电子产品到大型通信设备等都有应用。 基于p o w e r p c 架构的处理器有i 叫公司的p o w e r p c 4 0 5g p 、m o t o r 0 1 a 公司的肝c 8 2 6 0 和 m p c 8 2 6 5 等。 8 第三章嵌入式核心板设计与实现 4 x 8 6 系列 x 8 6 系列处理器是我们最熟悉的了。它们起源于i n t e l 架构的8 0 8 0 ，再发展出2 8 6 、3 8 6 、 4 8 6 ，直到现在的p e n t i u 4 处理器。 5 6 8 0 0 0 c o l d f i r e 系列 m 0 t o r o l a 的6 8 0 0 0 系列处理器是出现的比较早的一款嵌入式微处理器，6 8 0 0 0 系列采用了 c i s c 架构；在1 9 9 4 年，m o t o r o l a 又推出了新型的c 0 1 d f i r e 系列处理器。c 0 1 d f i r e 处理器采 用长度可变的r i s c 体系结构，具各更高的灵活性，能降低存储器和系统的成本。静态c o l d f i r e 核心不仅体积小巧、价格便宜，而且完全可合成，能够轻松集成存储器、系统模块和外围设备。 另外，易于移植的c o l d f i r e 核心还可以轻松满足不同处理技术的要求，从而成为第三方授权的 极具吸引力的产品。c o l d f i r e 系列微处理器在数字通信、音频和视频处理以及汽车电子领域得 到了广泛的应用。 嵌入式处理器在功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等方面都受到应用 环境的制约，这些也是各个厂商之问竞争的重点。 3 1 2a 雕架构嵌入式处理器的特点【3 】 a r m 是a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写。目前，采用a 删技术知识产权( i p ) 核的微处理器， 即通常所说的a 删处理器，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 剐技术的微处理器应用大约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额， a 咖技术正在逐步渗入到生活的各个方面。 a 删处理器具有典型的r i s c 结构特点： 采用固定长度的指令格式，指令规整、筒单； 采用单周期指令，便于流水线执行； 大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载或者存储指令可以访问寄 存器，以提高指令的执行效率。 除此以外，a 删体系结构还采用了一些特剐的技术，在保证高性能的前提下，尽量缩小芯片的 面积，并减少功耗： 所有指令都可以根据前面指令的执行结果决定是否被执行，从而提高指令的执行效率； 可以用加载或是存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率； 可在一条数据处理指令中，同时完成逻辑运算和移位处理： 在循环处理中，使用地址的自动增减来提高运行效率。 a 刚结构的处理器共有3 7 个寄存器，被分为若干组，这些寄存器包括： 3 1 个通用寄存器，包括程序计数器( p c 指针) ，均为3 2 位的寄存器： 6 个状态寄存器，用以标识c p u 的工作状态。均为3 2 位，目前只使用了其中的一部分。 同时a 蹦处理器有7 种不同的处理器模式，在每一种处理器模式下，均有一种相应的寄存器与 之对应。即在任一种处理器模式下，可访问的寄存器包括1 5 个通用寄存器( r 0 砒4 、l 2 个状 态寄存器和程序计数器。 a 蹦处理器在较新的体系结构中支持两种指令集：a 删指令集和t h u m b 指令集。其中a 蹦指令集 为3 2 位宽度，t h b 指令集为1 6 位宽度。t h m b 指令集为a 脚指令集的功能子集，但与等价的a 蹦 代码相比较，可节省3 0 4 0 的以上的存储空间，同时具有3 2 位代码的所有优点。 a 删处理器产品当前有5 个产品系列：a 跏7 、 础9 、a 舳e 、a 瑚l o 和s e c u r e c o r e 。进一步的产 品来自于合作伙伴，例如i n t e lx c a l e 微体系结构和s t r o n g a 蹦产品。a 脚7 、a 蹦9 、a 肿e 和a 瑚l o 是4 个通用处理器系列；每个系列提供一套特定的性能来满足设计者对功耗、性能和体积的需求。 s e c u r e c o r e 是第五个产品系列，是专门为安全设备而设计的。 东南大学硕士学位论文 3 1 3 通用测控系统嵌入式处理器选取吲 如第二章所述，通用测控系统的嵌入式核心板在控制测控电路板实现各项功能的同时，还需要 完成诸如通过以太网接口与外界进行通信、提供u s b 主机接口以完成海量数据转移等较为复杂的功 能。因此需要选择功能较为强大的嵌入式处理器。经过综合比较，我们选择了基于a r m 9 内核的 a t 9 1 硎9 2 0 0 处理器作为嵌入式核心板的处理器。 a t 9 1 蹦9 2 0 0 是a t m e l 公司推出的基于a 剐9 2 0 t 内核的嵌入式处理器。除了具有a 跚系列处理器 的一般优点外，它具有以下一些特点。 工作速度快，a t 9 l 删9 2 0 0 基于a 跳公司的a r m 9 2 0 t 内核，具有5 级流水线结构，1 6 k 字节 的指令高速缓存和1 6 k 字节的数据高速缓存。在1 8 0 蛐z 的频率下，其运算速度可达 2 0 0 m i p s 。 片上集成了1 2 8 k 字节的r 训和1 6 k 字节的s r a m 。扩展的外部总线包括s d r a m 接口，b u r s t f 1 a s h 接口和s r a h f 控制器等；共有8 个片选信号线，每个片选信号线可选通最大容量为6 4 皿 的外部存储器。 片上外设资源丰富，包括系统时钟、电源管理器、通用i 0 接口、两线制接口( i 。c ) 、串 行外设接口( s p i ) 、7 个外部中断源和一个快速中断源、1 对u s b 2 0 主控制器和全速设备 接口、4 个通用同步异步收发器( u s a r t ) 、1 0 1 0 0 m 以太网接口、多媒体接口、两个3 通道1 6 位定时计数器等。 内嵌b 0 0 t l o a d e r 程序和其他服务软件。 功耗较低，工作电压范围宽。v d d c o r e 电压范围为1 6 5 v 1 9 5 v ，正常电压为1 8 v ；v d d i o m 电压范围为1 6 5 v 3 6 v 。正常电压为1 8 v 、3 v 、3 3 v ；v d d l 0 p 电压范围为1 6 5 v 3 ，6 v ， 正常电压为1 8 v 、3 v 、3 3 v ；v d d p l l 电压范围为1 6 5 v 1 9 5 v ，正常电压为l _ 8 v ；v d d o s c 电压范围为l _ 6 5 v 1 9 5 v ，正常电压为1 8 v 。 3 2a t 9 l 贼9 2 0 0 外围基本电路设计【4 】 a t 9 l r 姻2 0 0 是一款基于a 嘲9 2 0 t 内核的s o c ( s y s t e mo nc h i p ，片上系统) 处理器。它集成了 丰富的应用外设接口，为大量低功耗、高性能的嵌入式应用提供了一个利用单片芯片实现基本功能 的解决方案。因此，其外围基本电路的设计相对比较简单。 3 2 1 时钟振荡器、锁相环及电源外围电路 这部分功能在a t 9 l 啪2 0 0 芯片内部是由电源管理控制器来实现的。电源管理控制器最优化整个 系统的电源消耗。并控制一个主振荡器( 外接一个频率为1 8 4 3 2 删z 的晶振) 、一个慢时钟振荡器 ( 外接一个频率为3 2 7 6 8 k h z 的晶振) 、两个锁相环、驱动器和时钟预分频器。电源管理控制器有 以下几部分功能。 1 产生所有时钟信号，包括处理器时钟p c k 、主时钟m c k 、u s b 主从接口的u h p c k 、u d p c k 时钟、 3 0 个外设时钟和4 个可编程时钟输出。其中，慢时钟( s l c k ) 的频率为3 2 7 6 8 蛐z ，是唯 一从系统上电开始一直运行的时钟。主时钟( m c k ) 可编程得到几赫兹频率到微控制器晟高 工作频率，可提供给片内功能模块如高级中断控制器( a i c ) 和存储器控制器( s m c ) 等。 处理器时钟( p c k ) ，在基于a 雕7 核的微控制器中和m c k 相同，在基于 删9 核的微控制器 中比k 要快，它在空闲模式时被关掉。外设时钟，主要是m c k ，被提供给片内外设，如 u s a r t 、s s c 、s p i 、t w i 、t c 、m c i 等，且每个都可单独控制。u d p 时钟( u d p c k ) ，为4 8 删z ， 用于u s b 设备端口的工作( 从方式) ；u 1 p 时钟( u h p c k ) ，也为4 8 删z ，用于u s b 主机端 第三章嵌入式核心板设计与实现 口的工作( 主方式) 。可编程的时钟输出( p c k 0 p c k 3 ) 可通过p c k 0 p c k 3 引脚选择任何 一种时钟输山。 2 在u s b 设备接口处于挂起状态时，可编程实现锁相环自动切换。 3 4 个工作模式：标准模式时，处理器时钟使能，且外设时钟可根据应用需要使能；空闲模式 时，处理器时钟禁止。且一直等待下一次中断或者系统重启的启动信号，而外设时钟仍可 根据应