（检测技术与自动化装置专业论文）基于arm芯片的嵌入式linux智能通讯终端的设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 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 庭领域的机顶盒、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。本文的主要研究工作如下： 本文对a r m 微处理器的应用领域和a r m 微处理器系列、a r m 系列的系统结构、 a r m 微处理器的应用选型和指令长度及数据类型作了较为详细的介绍。分析了嵌 入式a r mc p u 系统的硬件设计原理，包括f l a s h 、8 0 1 9 网卡、触摸屏等器件与a r m c p u 的接口电路设计原理。同时还详尽地论叙了接口芯片的工作原理以及它们 与c p u 的引脚连接。 本文详细地列出了l i n u x 设备驱动程序的实现方法和基本步骤，给出了触摸 屏驱动程序和m t d 设备驱动程序的详细实现过程，以及配置内核和l i n u x 移植的 方法。 最后，本文简单地讨论了l i n u x 智能通讯终端的功能应用，详细地分析了网 络安全认证协议8 0 2 1 x 的体系结构、认证过程以及帧结构。 关键词：嵌入式系统，操作系统移植，驱动程序实 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 1 他e m b e d d e d s y s t e mh a sah i s t o r yo f m o r et h a n3 0 y e a r sf r o ma p p e a r i n gt ot h e p r e s e n t i th a sa l r e a d yb e e na p p h e dt oe a c hf i e l dt h a tt h em a n k i n dw o r k sa n dl i v e s e x t e n s i v e l y ，f o r t r a d i t i o n a li n d u s t r i a lc o n t r o l ，c o m m u n i c a t i o no ft h en e t w o r k p o s a t mm a c h i n e ，i cc a r d ，e t c ，s u c hn u m e r o u sa n dc o n s u m p t i o na n dm e d i c a l t r e a t m e n ta n dh e a l t hc a r e ：e l e c t r o n i ce q u i p m e n ta sr o o fb o x ，d i g i t a l t v ，w e b t v ， n e t w o r kr e f r i g e r a t o r ，n e t w o r ka i rc o n d i t i o n e ro ft h ef a m i l yf i e l d ，e t c i na d d i t i o nh a v e i ti nm e d i a sc e l l p h o n e ，p o c k e tc o m p u t e r ，p a l m t o pc o m p u t e r ，a p p l i c a t i o ni ns u c h r e s p e c t sa st h en a v i g a t i n gd e v i c e e t c o fy e a ro ft r a i n n er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t d i r e c t i o no fe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ma n d d i g i t i z e dp r o d u c t sc o n c e n t r a t e s o n w i r e l e s sh a n d h e l dm o b i l ed e v i c e ，i n t e l l i g e n tn e t w o r kt e r m i n a ld e v i c e ，e m b e d d e d n e t w o r k s a f e t yd e v i c e sm a i n l y t h em a i n r e s e a r c hw o r ko ft h i st e x ti sa sf o l l o w s t 1 l i st e x t , t ot h ea p p l i c a t i o no fa r m m i c r o p r o c e s s o ra n da r mm i c r o p r o c e s s o r s e r i e s ，t h ea p p l i c a t i o ns e l e c t i n gt y p ea n dt h el e n g t ho fo r d e ra n dd a t at y p eo ft h e s y s t e m a t i c s t r u c t u r eo fa r ms e r i e s ，a r mm i c r o p r o c e s s o rh a v ed o n et h e c o m p a r a t i v e l y d e t a i l e d i n t r o d u c t i o n a n a l y s e t h eh a r d w a r e d e s i g np r i n c i p l e o f e m b e d d e da r mc p u s y s t e m i n c l u d i n gt h ei n t e r f a c ec i r c u i td e s i g np r i n c i p l e so f s u c hd e v i c e sa sf l a s h ，8 0 1 9n e t w o r kc a r d s ，t o u c h s e n s i t i v es c r e e n s 。e t c a n da r m c p u a tt h es a m et i m ea l s ot h et h e o r yo p e r a t i o np r i n c i p l ea n dt h e yo fc h a t t i n gt h e i n t e f f a c ec h i pa r ec o n n e c t e dw i t hp i no fc p u e x h a u s t i v l y t h i st e x th a sl i s t e dt h ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o do fl i n n xe q u i p m e n td r i v e ra n d b a s i cs t e pi n d e t a i l ，p r o v i d er e a l i z i n gt h ec o u r s ed e t a i l e d l yo ft h et o u c h s e n s i t i v e s c r e e nd r i v e ra n dm t d e q u i p m e n td r i v e r ，a n dt h em e t h o dt od i s p o s et h ek e r n e la n d l i n u xa n d t r a n s p l a n t f i n a l l y ，t h i s t e x td i s c u s s e dt h ef u n c t i o n a p p l i c a t i o n o fl i n u xi n t e l l e c t u a l c o m m u n i c a t i o nt e r m i n a ls t a t i o n b r i e f l y ，h a v ea n a l y s e dt h e s y s t e m s t r u c t u r e a u t h e n t i c a t i o nc o u r s ea n df r a m es t r u c t u r eo fn e t w o r ks a f e t yc e r t i f i c a t i o na g r e e m e n t 8 0 2 1 xi nd e t a i 】 k e y w o r d ：e m b e d d e ds y s t e m ，t h eo p e r a t i n gs y s t e mi st r a n s p l a n t e d ，t h ed r i v e rr e a l i z e s 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 选题来源、目的及意义 这个选题是结合本人在实习单位从事嵌入式l i n u x 系统的开发和研究的实 践经验而确定的。l i n u x 操作系统的安全性和稳定性，开源免费的特点使它在 政府、国防、教育、工业等领域获得了广泛的运用。这个选题的目的在于介绍 嵌入式l i n u x 的一般原理和实现方法。 开发中国自主产权的嵌入式处理器和嵌入式操作系统，有十分重要的战略 意义。由于l i n u x 具有免费、源代码开放、支持多种c p u 等优点，使用l i n u x 作为底层操作系统，对它进行裁减和定制，并在其基础搭建嵌入式系统平台， 成为日益流行的嵌入式操作系统的解决方案。 1 2 嵌入式系统的发展 当今世界，以计算机技术、芯片技术和软件技术为核心的数字化技术取得 了迅猛发展，不仅广泛渗透到社会、经济、军事、交通、通信等相关行业，而 且深入到家电、娱乐、艺术、社会文化等各个领域，掀起了一场数字化技术革 命。现代控制技术、多媒体技术与i n t e r n e t 的应用与普及，促使消费电子、计 算机、通信一体化( 3 c ) 趋势步伐加快，嵌入式系统技术再度成为一个研究热点 嵌入式系统技术是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的 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。 嵌入式系统由嵌入式处理器、相关支撑硬件和嵌入式软件系统组成，它是 集软硬件于一体的可独立工作的“器件”。嵌入式c p u 目前多是8 位和1 6 位的， 与3 2 位或6 4 位的高性能处理器相比，有很强的经济性和现实性。相关支撑硬 件包括显示卡、存储介质( r o m 和r a m 等) 、通讯设备、i c 卡或信用卡的读取 设备。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具各像硬盘那样大容量 的存储介质，而大多使用闪存( f l a s hm e m o r y ) 作为存储介质。嵌入式软件 包括与硬件相关的底层软件、操作系统、图形界面、通讯协议、数据库系统、 标准化浏览嚣和应用软件等。 武汉理工大学硬士学位论文 嵌入式系统从2 0 世纪7 0 年代末的单片机算起，大致经历了五个阶段： 第一阶段即s c 卜单片微型计算机( s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) 阶段， 主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构，最典型的是m c s 一5 l 单 片机。它具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。应用于专业性极强的工 业控制系统中，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。该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。 第二阶段即m c u 微控制器( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ) 阶段，该阶段不 断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其 对象的智能化控制能力。和s c m 相比，m c u 的最大特点是单片化、体积大大减小， 从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。 微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制， 第三阶段即s o c 单芯片系统( s y s t e mo nc h i p ) 阶段，该阶段就是寻求 应用系统在芯片上的最大化解决，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几 块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠 性非常有利。随着徽电子技术、i c 设计、e d a 工具的发展，基于s o c 的单片机 应用系统设计会有较大的发展。 第四阶段即e o 卜嵌入式操作系统阶段。该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；操作系统内核小、 效率高，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。 第五阶段是以基于i n t e r n e t 为标志的嵌入式系统，这是个正在迅速发展 的阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立子i n t e r n e t 之外，但随着i n t e r n e t 的 发展以及i n t e r n e t 技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设 备与i n t e r n e t 的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。综上所述，s o c 和嵌入 式操作系统在整个嵌入式系统发展中扮演越来越重要的作用。为此，本实验系 统选取目前应用最为广泛的a r m 系列处理器作为切入点。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 3a r mg p u m m l 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， 己遍及工业控制、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 技术的徽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 片进入市场。目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用a 跳公司的授权， 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。 1 ，3 1 a r m 微处理器的应用领域及特点 1 3 ，1 1 a r m 微处理器的应用领域 到目前为止，a 蹦微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域，主要包 括： ( 1 ) 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； ( 2 ) 无线通讯领域：目前已有超过8 5 的无线通讯设备采用了a r m 技术，a r m 以其高性能和低成本在该领域的地位日益巩固： ( 3 ) 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 武汉理工大学硕士学位论文 d s p 的应用领域提出了挑战； ( 4 ) 清费类电子产品：a r m 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒 和游戏机中得到广泛采用； ( 5 ) 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。 1 3 1 2 a 刚微处理器的特点 采用r i $ c 架构的a 麟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 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 1 4 嵌入式系统的构成和特点 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及上层 应用软件系统等组成。它是集软件、硬件于一体的可独立工作的系统、有以下 特点： ( 1 ) 面向用户、面向产品、面向应用和通用计算机不同，嵌入式系统的功 耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等方面均受到应用要 求的制约，如果独立于应用自行发展，则会失去市场。 ( 2 ) 高效性、商可靠性 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 争以同样的成本实现更强的功能，这样才能在具体应用的选择面前具有更强的 竞争力。 在硬件方面，嵌入式系统要针对用户的具体要求，对系统配置进行裁剪和 添加才能达到理想的性能，甚至根据用户的特殊需要，设计不同的系统以面向 不同的用户， 4 武汉理工大学硬士学位论文 在软件方面，求代码高质量、高可靠性，要求程序编写和编译工具的质量 要高，以减少二进制代码长度、提高执行速度、节省宝贵的存储空间。 ( 3 ) 相对稳定性 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也基于a r m 的嵌入 式系统的研究与应用。嵌入式系统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。嵌入式系统中的软件，一般都蔺化在 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，嵌入式系统中的软件也因此更强调可继承 性和技术衔接性，芨展比较稳定。 嵌入式微处理器的发展也体现出稳定性，一个体系一般要存在8 1 0 年的时 间。一个体系结构及其相关的片上外设、开发工具、库函数、应用产品是一套复 杂的知识系统，用户和半导体厂商都不会轻易地放弃一种处理器。 ( 4 ) 软件要求固态化存储 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。 ( 5 ) 系统软件( o s ) 一般要求较高的实时性 在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调 度是保证每个任务及时执行的关键，单纯通过提高处理器速度是无法完成和没 有效率的，这种任务调度只能由优化编写的系统软件来完成，因此系统软件的 实时性是基本要求。 嵌入式系统的多媒体化和网络化方向趋势，特别是i n t e m e t 与和无线网络的 结合。 基于知识的嵌入式系统也已开始出现。上述变化孕育嵌入式系统将进入一 个快速发展时期，在不久的将来，嵌入式系统应用将越来越多样化，为用户提 供更多的选择方案。它不仅仅局限于传统的控制领域，将广泛应用于信息家电、 工业、农业、商业、服务业等各行业，而且将渗透到社会和家庭的各个角落。 嵌入式系统的未来将更加绚丽缤纷、丰富多彩。 本文的主要研究工作如下： 详细地介绍了a r mc p u 的如下几个方面：( 1 ) a r m 微处理器的应用领域和 a r m 微处理器系列。( 2 ) a 蕊系列的系统结构，a r m 微处理器的应用选型和指令长 5 武汉理工大学硬士学位论文 度及数据类型。 分析了嵌入式a r mc p u 系统的硬件设计原理，如f l a s h ，8 0 1 9 网卡，触摸屏 等器件与a r mc p u 的接口电路设计原理同时还详尽的论叙了接口芯片的工作 原理，它们与c p u 的引脚连接。 本文详细地分析t l i n u x 设备驱动程序的编写和实现原方法和思想，而且给 出了触摸屏驱动程夸和埘d 设备驱动程序的详细实现过程，以及配置内核和 l i n u x 移植的方法。 最后，本文简单地讨论t l i n u x 智能通讯终端的功能应角详缅地分析了网 络安全认证协议8 0 2 1 x 地体系结构，认证过程，帧结构 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章硬件设计 2 1 硬件平台体系结构和所实现的功能嘲州 2 1 1 硬件平台体系结构 本文所讨论的嵌入式系统是以s 3 c 4 4 b o x 为c p u ，同时它还包括以下主要 接口器件：r $ 2 3 2 串口，l c d 接口控制器，网卡，语音接口，u s b 接口等。以上所 列举芯片和相关器件构成了基于a r m 芯片的嵌入式通讯终端。它的硬件平 台体系结构如图2 1 所示； 图2 1 s 3 c 4 4 b o xc p u 硬件平台体系结构 本嵌入式系统是以嵌入式l i n u x 为操作系统，嵌入式操作系统平时驻留在 f l a s h 中。当开机后它从f l a s h 中被引导到s d r a m 中。它的通讯方式有( 1 ) 通 过网卡传输( 2 ) 通过r s 2 3 2 串口传输。图形界面是通过l c d 液晶屏显示。而且 它还可以支持订a g 接口，u s b 接口等。 2 1 2 实现的功能 本文讨论的嵌入式系统实现的功能包括： ( 1 ) 能够完成基于i p 网络的语音通讯： 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 )能够实现w e b 网页浏览； ( 3 )可以进行基于i p 网络的视频通讯； ( 4 )能够提供f t p 下载服务； c 5 )可以提供娱乐游戏和其他服务。 2 1 3s 3 c 4 4 b o xc p u 的主要功能 本文所分析地智能通讯终端采用三星的s 3 c 4 4 b o xc p u ，它的1 6 3 2 位r i s c 处理器被设计来为手持设备等提供一个低成本高性能的方案。 s 3 c 4 4 b o xc p u 的内部功能如下： ( 1 )c a c h e 和内部存储器功能 ( 2 )时钟和电源管理：s 3 c 4 4 b o x 的时钟源可以用外部晶体来产生，也可 以直接输入外部时钟 ( 3 )中断控制器：s 3 c 4 4 b o x 的中断控制器有3 0 个中断源s 3 c 4 4 b o x 支持新 的中断处理模式称为( v e c t o r e di n t e r r u p tm o d e ) ，在多个中段请求发生时， 由硬件优先级逻辑确定应该有哪个中断得到服务，同时硬件逻辑使中断相量表 的跳转指令加载到( o x l 8 或o x l c ) 位置。 ( 4 )定时器功能：s 3 c 4 4 b o x 的看门狗定时器用来在由于错误如干扰和系 统错误造成的程序运行打乱时恢复正常操作，它也能使用一个正常的1 6 位定时 器来请求中断服务看门狗定时器产生复位信号1 2 8 个系统时钟周期。看门狗定 时器时钟频率： t w a t c h d o g = 1 ( m c l k ( p r e s c a l e rv a l u e + l j d i v i s i o nf a c t o rj ( 5 )r t c 功能：r t c ( r e a lt i m ec l o c k ) 单元能够在系统断电时，通过备 份电池来确保r t c 的运行，r t c 能够通过a r m 的s t r b l d r b 指令传输8 位b c d 数据到 c p u ，该数据包括时、分、秒、小时、天、月和年，r t c 使用一个外部3 2 。7 6 8 的晶 体也能执行报警功能。 ( 6 )通用输入输出口功能：s 3 c 4 4 b o x 有7 1 个复合功能的i o 口引脚，分成 7 个端口：端口e 和f ( 9 位i 0 口) 、端e d 和g ( 8 位：0 口) 、端h c ( 1 6 位i o 口) 、 端口a ( i 0 位i 0 口) 、端口b ( 儿位i 0 口) 。在主程序开始前，必须定义每个i 0 管脚的功能。在特殊功能不用时，作为：0 脚使用。 ( 7 ) u a r t 功能 ( 8 )a d 转换器：s 3 c 4 4 b o x 的l 位a d 转换器包含一个8 路模拟输入混合 8 武汉理工大学硬士学位论文 器，自动归0 比较器，时钟发生器，l o 位连续近似寄存器和一个输出寄存器。 ( 9 ) l c d 控制器：l c d 控制器用来把定位在系统存储器中的视频缓冲区的 l c d 图象数据传输到l c d 驱动器，并产生必须的l c d 控制信号l c d 控制器使用时间 抖动算法和帧速率控制方法，支持在灰白l c d 上的单色、4 级灰度( 一个点占两 位) 、1 6 级灰度( 一个点占4 位) 显示，也能与彩色l c d 的接口支持最大2 5 6 色( 每 点8 位) 的显示。l c d 控制器可以编程支持不同水平和垂直点数( 6 4 0 x 4 8 0 ， 3 2 0 x 2 4 0 ，1 6 0 x 1 6 0 等等) 。 ( 1 0 ) 系统功能：支持大小端字节序，每个b a n k ( 通过g c s n 选择) 指向3 2 空问，支持8 1 6 3 2 一b i t 数据宽度。 2 2s s l 3 9 v f 6 4 0fla s h 与s 3 0 4 4 b o xo p u 电路设计 2 2 1 f l a s h 存储器。1 虹 f l a s h 存储器的操作包括对f l a s h 的擦除和烧写，根据f l a s h 存储器的工作 原理可知，对f l a s h 存储器的编程与擦除是与具体的器件型号紧密相关的，不 同的器件型号的操作方式是不相同的，所以我们要仔细阅读它的相关文档。由 于不同厂商的f l a s h 存储器在操作命令上可能会有一些细微的差别，f l a s h 存储 器的烧写、擦除程序一般不具有通用性，针对不同厂商、不同型号的f l a s h 存 储器，程序应作相应的修改。 对于编写连续烧写f l a s h 存储器多个存储单元的程序，只需循环执行该段 代码即可，但应在对每个单元烧写命令发出后进行检测，保证前一个单元烧写 结束后再进行下个存储单元的烧写：当然也可采用延时等待的方法进行连续 的烧写。 f l a s h 存储器模块是一个可独立操作的物理存储器大单元。全部模块安排在 同一个线性地址空间中，一个模块又可以分为多个段。当对f l a s h 存储器段中 的某一位编程时，就必须对整个段擦除，因此，f l a s h 存储器必须分为较小的段， 以方便地实现擦除和编程。如果是一块薪焊接的板子( 或嗍l o a d e r 烧写出错 时) ，在f l a s h 里面什么都没有的时候，b o o t l o a d e r 需要使用f l u t e d 将 b o o t d e m o b i n 烧写到f l a s h 中去。 f l a s h 内存比较像是一种储存装置，因为当电源关掉后储存在f l a s h 内存中 的资料并不会流失掉，在写入资料时必须先将原本的资料清除掉，然后才能再 9 武汉理工大学硕士学位论文 写入新的资料，缺点为写入资料的速度太慢。 f l a s h 有n a n df l a s h 和n o rf l a s h 和两种：他们比较的特点如下：n o r 和 n a n df l a s h 是现在市场上两种主要的非易失闪存技术，n o rf l a s h 的读速度比 n a n d 要快，n a n d 的写入速度要比n o r 的要快很多，n a n d 的擦除速度要比n o r 的快，大多数写入操作要先进行擦除操作，n a n d 的擦除单元更小，相应的擦除 电路更少。n o rf l a s h 带有s d r a m 接口，线性寻址，可以很容易的存取内部的 每一个字节n a n df l a s h 使用复用接口和控制i o 多次寻址来存取数据，n a n d f l a s h 读和写操作采用5 1 2 字节的块，这一点类似硬盘操作。 n a n df l a s h 产生过程更为简单，成本低常见的n o rf l a s h 为1 2 8 k b 一一1 6 m b ，而n a n df l a s h 通常为8 - - - 1 2 8 m b 。n o rf l a s h 主要应用在代码存 储介质方面，n a n df l a s h 适合于数据存储。n a n ) f l a s h 在很多方面的市场份 额很大。n a n df l a s h 一次只能读取一整块的内存，因此不能直接执行存储在n a n d 型f l a s h 中的程序。必须把n a n d 型f l a s h 中的程序拷贝到s d r a h i 中，在s d r a n m 中执行该程序。一般n a n d 型f l a s h 中保存存储量较大的内核和文件系统。 2 2 2s s t 3 9 v f 6 4 0f i a s h 与s 3 c 4 4 b o xc p u 接口电路原理 s s t 3 9 v f 6 4 0f l a s h 与s 3 c 4 4 b o xc p u 接口电路如图2 2 所示： n g c s o 片选能够表达的空间大小为2 8 m b ( o x 0 0 0 0 0 0 0 0 一一o x 0 1 c o 一0 0 0 0 ) b a n k o 的数据总线宽度可以配置为8 b i t 、1 6 b i t 和3 2 b i t ，b a n k o 作为b o o t i n gr o m b a n k 时，在系统重新启动后，b a n k o 的数据宽度依据c p u 的引脚o m l 、o m 2 的设置 确定，本系统设为1 6 b i t 数据宽度，且该b a n k o 的实际大小为2 m 空间。s s t 3 9 v f 6 4 0 的地址总线a 1 9 o 与c p u 的地址总线a d d r 1 9 o 相连：1 6 位数据总线d q 1 5 0 与c p u 的低1 6 位数据总线d a t a l 5 d a t a o 相连。 武汉理工大学硕士学位论文 1 0 4 图2 2s s t 3 9 v f 6 4 0f l a s h 与s 3 c 4 4 b o xc p u 接口电路 2 3r t l 8 0 19 a s 网卡与s 3 c 4 4 b o xc p u 接口电路设计 2 3 1r t l 8 0 19 a s 主要性能2 3 1 2 懈。 由台湾r e a l t e k 公司生产的r t l s 0 1 9 a $ 以太网控制器，由于其优良的性能、 低廉的价格，使其在市场上l o m b p s 网卡中占有相当的比例。其主要特点有： ( 1 ) 适应于e t h e r a e ti i 、i e e e s 0 2 3 、l o b a s e 5 、l o b a s e 2 、l o b a s e t ： ( 2 ) 支持8 位、1 6 位数据总线； ( 3 ) 全双工，收发可同时达到l o m b p s 的速率，具有睡眠模式，以降低功 耗： ( 4 ) 内置1 6 e b 的s r a m ，用于收发缓冲，降低对主处理器的速度要求； ( 5 ) 可连接同轴电缆和双绞线，并可自动检测所连接的介质； ( 6 ) 1 0 0 脚的t q f p 封装，缩小p c b 尺寸。 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 2r t l 8 0 1 9 a s 内部r a m 地址空间分配 r t l 8 0 1 9 a s 内部有两块r a m 区。一块1 6 k 字节，地址为o x 4 0 0 0 0 x 7 f f f ； 一块3 2 字节，地址为o x o o o o o x o o l f 。r a m 按页存储，每2 5 6 字节为一页。一 般将r a m 的前1 2 页( 即o x 4 0 0 0 o x 4 b f f ) 存储区作为发送缓冲区；后5 2 页( 即 o x 4 c o o o x 7 f f f ) 存储区作为接收缓冲区。第0 页叫p r o m 页，只有3 2 字节。 地址为o x o o o o o x o o l f ，用于存储以太网物理地址。 要接收和发送数据包就必须通过d 姒读写r t l 8 0 1 9 a s 内部的1 6 k br a m 。它 实际上是双端口的r a m ，是指有两套总线连接到该r a m ，一套总线r t l 8 0 1 9 a s 读 或写该r a m ，即本地d m a ；另一套总线是单片机读或写该r a m ，即远程d m a 。 2 3 3r t l 8 0 1 9 a sj 0 地址分配 r t l 8 0 i g a s 具有3 2 位输入输出地址，地址偏移量为0 0 h i f h 。其中o o h o f h 共1 6 个地址，为寄存器地址。寄存器分为4 页：p a g e o 、p a g e i 、p a g e 2 、p a g e 3 ， 由r t l 8 0 1 9 a s 的c r ( c o m m a n dr e g i s t e r 命令寄存器) 中的p s i 、p s o 位来决定要访 问的页。但与n e 2 0 0 0 兼容的寄存器只有前3 页p a g e 3 是r t l 8 0 1 9 a s 自己定义的， 对于其他兼容n e 2 0 0 0 的芯片如d m 9 0 0 8 无效。远程d m a 地址包括1 0 h 1 7 h ，都可以 用来做远程d m a 端口，只要用其中的一个就可以了。复位端口包括1 8 h i f h 共8 个地址，功能一样，用于r t l 8 0 1 9 a s 复位。 2 3 4r t l 8 0 1 9 a s 工作原理 r t l 8 0 1 9 a s 数据收发是通过一种称为d m a 方式进行的，按数据链路不同划分 为远程d m h ( r e m o t ed m a ) 和本地d m a ( 1 0 c a ld c a ) 两部分。远程d m a 完成主处 理器和网卡内部缓冲区数据交换，本地d m a 完成缓冲区数据发送，c p u 发送数据 时，先将一帧数据通过远程d 姒通道送到r t l 8 0 1 9 a s 的发送缓冲区，然后发出传 送命令。当r t l 8 0 i g a s 收到一帧正确数据后，将其存放在接收缓冲区并置位相 关寄存器或产生中断。 r t l 8 0 1 9 a s 内部有1 6 kb y t es r a m ，分为2 5 6 字节页，只能按页操作，地址 从o x 4 0 o x t f ，共6 4 页组成环形队列作为收发缓冲区。与之相关的寄存器有 p s t a r t ( p a g es t a r tr e g i s t e r ) 、p s t o p ( p a g es t o pr e g i s t e r ) 、b n r y ( b o u n d a r y r e g i s t e r ) 、c u r r ( c u r r e n tp a g er e g i s t e r ) 四个。p s t a r t 定义接收缓冲区 武汉理工大学硕士学位论文 起始地址，p s t o p 定义接收缓冲区结束地址，b n r y 指向队列中没有被主机读取 的第一个数据包地址，c u r r 指向将要接收数据包的存储起始地址。我们可以简 单的理解为c u r r 为写指针，而b n r y 为读指针。c u r r 指针由r t l 8 0 1 9 a s 自动改变， b n r y 由程序控制。 2 ，3 5 r t l 8 0 1 9 a s 网卡与s 3 c 4 4 b o xc p u 接口电路原理 r t l 8 0 1 9 a s 网卡与s 3 c 4 4 b o xc p u 接口电路如图2 3 所示： 武汉理工大学硕士学位论文 r t l 8 0 1 9 可以以中断的方式来报告自身的工作状态，如发送数据包成功、接 收到新的数据包、出错、异常、中断等。中断向量地址v e c t o ra d d r e s s ： 0 x 0 0 0 0 0 0 2 4 。从图2 3 可以看出：r t l 8 0 1 9 a s 的她址为2 0 位，第1 9 位到第5 位 是固定的，且可以算出r t l 8 0 1 9 a s 的地址空间为0 0 3 0 0 h 0 0 3 1 f b ，它的数据宽 度是1 6 位。r t l 8 0 1 9 a s 芯片与s 3 c 4 4 b o xc p u 的引脚连见表2 1 ： 表2 1r t l 8 0 1 9 a s 芯片与$ 3 c 4 4 b o xc p u 的连接表 i r t l 8 0 1 9 a s 引脚编号 r t l 8 0 1 9 a s 引脚名称t r t l 8 0 i g a s 引脚连接 一。 一一一。 。 一 一 。 一 p i n l 8 p i n 2 7 s a l 9 s a i ol 接地 p i n l 5 p i n l 6 j s a 9 s 8，接电源v d d ( + 5 v ) 、一。”十- 。“v 1 一r 一一一。_ 11 一一。一一l 一“一 p i n l l p i n l 3s a t s a 5i 接地 _r p i n 7 p i n l o ；s a 4 s a o，对应为地址总线的a d d a d d r 5 a d d r l a d d r 5 ；对匝为地址总线的 p i n 5 t -pin29 i o r b读信号，接至0c p u 的n o e 引脚。 ：p i n 3 01 0 孵写信号，接到c p u 的n w e 引脚。 p i n 3 3 ： r s t d r vr e s e t 信号，接c p u 的n e t _ r s t 引脚。 p i n 3 4a e n弛址有效信号，接c p u 的n g c s 3 引脚。 ， 一 ，r “， _ 。一十。一r ， 。 i 采用电阻下拉该引脚，复位时刻引脚 p i “9 61 0 c s l 6 为低电平。 p i n 3 6 p i n 4 3 1 6 位数据总线，接c p u 的d a t a 0 p i n 8 7 p i n 9 5d a t a l 5 。 p i n 5 0 p i n 5 1x l x 2r 接晶振电路 2 ，3 6 测试验证r t l s 0 1 9 a s 网卡 2 3 6 1 初始化r t l 8 0 1 9 a s 初始化页0 与页l 的相关寄存器，页2 的寄存器是只读的，不可以设置， 页3 的寄存器不是n e 2 0 0 0 兼容的，不用设置。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 初始化r t l 8 0 1 9 a s 网卡的设置参数如下： ( 1 ) c r = o x 2 1 ，选择页0 的寄存器： ( 2 ) t p s r = o x 4 5 ，发送页的起始页地址，初始化为指向第一个发送缓冲区 的页即o x 4 0 ； ( 3 ) p s t a r t = o x 4 c ，p s t o p = o x 8 0 ，构造缓冲环：o x 4 c o x 8 0 ； ( 4 ) b n r y = o x 4 c ，设置指针； ( 5 )r c r = o x c c ，设置接收配置寄存器，使用接收缓冲区，仅接收自己地 址的数据包( 以及广播地址数据包) 和多点播送地址包，小于6 4 字节的包丢弃， 校验错的数据包不接收； ( 6 ) f c r = - o x e o ，设置发迭配置寄存器，启用c r c 自动生成私自动校验， 工作在正常模式； ( 7 )o c r = o x c 8 。设置数据配置寄存器。使用f i f o 缓存，普通模式，8 位 数据d h i a ； ( 8 )i m r = o x 0 0 ，设置中断屏蔽寄存器，屏蔽历有中断： ( 9 )c r = o x 6 1 ，选择页l 的寄存器； ( 1 0 ) c u r r = o x 4 d ，c u r r 是r t l 8 0 1 9 a s 写内存的指针，指向当前 正 在写的页的下一页，初始化时指和o x 4 c + l = o x 4 d ； ( 1 1 )设置多址寄存器m a r o 姒r 5 ，均设置为o x 0 0 ： ( 1 2 ) 设置网卡地址寄存器p a r o p a r 5 ； ( 1 3 ) c r = o x 2 2 。选择页1 的寄存器，进入正常工作状态。 2 ，3 6 2 发送帧 将待发送的数据按帧格式封装，通过远程d m a 通道送到r t l 8 0 1 9 a s 中的发 送缓存区，然后发出传送命令，完成帧的发送。需要设置以太网目的地址、以 太网源地址、协议类型，再按所设置的协议类型来设置数据段。之后启动远程 d m a ，数据写入