（检测技术与自动化装置专业论文）基于嵌入式的远程家庭信息监控系统的研究.pdf

摘要 随着自动化技术、通信技术和网络技术在各个领域的迅速发展，人们的 居家生活也正在面临着一场重大的变革。采用高档嵌入式微控制器及其外围 器件作为硬件平台，以嵌入式操作系统为软件核心的远程家庭信息监控系统 是智能家电控制的一个新的发展方向。 论文以实际的科研项目为背景，对远程家庭信息监控系统进行了研究， 提出了基于s 3 c 4 4 b o x 微控制器、以嵌入式操作系统u c l i n u x 为核心的远程家 庭信息监控系统设计方案，并且从系统的扩展升级和性价比出发，具体设计 了满足平台要求的嵌入式硬件系统，包括f l a s hr o m s d r a m 等。 分析了u c o s i i 和u c e i n u x 两种操作系统的异同，重点研究了u c l i n u x 操作系统的运行机制及其在s 3 c 4 4 b o x 微控制器的启动过程，并对b o o t l o a d e r ( 启动代码) 进行了设计。通过对u c l i n u x 内核的加载、二级中断矢量表的 定义及对编译环境的安装和交叉编译，最终实现了u c l i n u x 内核在硬件系统 上的移植。 详细剖析了t c p i p 协议，并且基于该协议对远程家庭信息监控系统采用 网络接口芯片r t l 8 0 1 9 a s 以以太网的联网方式，实现了信息家电的组网及对 信息的远程传输与控制。 论文完成了远程家庭信息监控系统的硬件平台架构的设计，嵌入式操作 系统的移植，为以后的远程信息家庭监控系统的开发提供了一个平台。 关键词：嵌入式操作系统，u c l i n u x 操作系统，b o o t l o a d e r ，t c p i p 协议 l i l a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fa u t o m a t i o nt e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o n s t e c h n o l o g ya n dn e t w o r kt e c h n o l o g yi na l lf i e l d s , a n dp e o p l e sh o m el i f e i sa l s o f a c i n g 趾i m p o r t a n tc h a n g e i ti s an e wt r e n do fi n t e l l i g e n ta p p l i a n c e sc o n t r o l t a k i n ga ne m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ma st h er e m o t eh o m em o n i t o r i n gs y s t e mc o r e ， w h i l eu s i n gah i g h g r a d ee m b e d d e dm i c r o - c o n t r o l l e ra n di t sp e r i p h e r a ld e v i c e 笛a h a r d w a r e ：p l a t f o r m t h i sp a p e r , w h i c hh a sa na c t u a li t e mb a c k g r o u n d ，c a l t i e so nar e s e a r c h 【t o e m b e d d e ds y s t e mo fh o m ei n f o r m a t i o nr e m o t em o n i t o r i n g t h et h e s i sp u t sf o r w a r d t ot h i ss c h e m eo ft h es y s t e mw h i c hi sc o m p o s e do fs 3 c 4 4 b o xm i c r oc o n t r o l l e r a n de m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mu c l i n u x t ou p g r a d et h es y s t e ma n dg c tag o o d x i n g j i a b i t h i sp l a t f o r mi sd e s i g n e dt om e e tt h es p e c i f i cr e q u i r e m e n t so fa n e m b e d d e dh a r d w a r es y s t e m ，i n c l u d i n gf l a s hr o m ，s d 洲，e t c c o m p a r i n gt h eo p e r a t i n gs y s t e m su c o s 一w i t hu c l i n u x ，t h ep a p e rf o c u s e s o nt h es t u d yo fu c l i n u xo p e r a t i n gs y s t e mo p e r a t i o nm e c h a n i s ma n dt h ea c t i v a t i o n p r o c e s ss 3 c 4 4 b o x m i c r oc o n t r o l l e r ，a n dd e s i g nt h eb o o t l o a d e r t h es y s t e mw h i c h l o a d su c l i n u xk e r n e l ，d e f i n e so fs e c o n d a r yi n t e r r u p t i o nv e c t o rt a b l ea n di n s t a l l s a n de r o s s - t r a n s l a n tt h et r a n s l a t i o ne n v i r o n m e n t ，u l t i m a t e l yt r a n s p l a n tt h eu c l i n u x s y s t e mi n t ot h eh a r d w a r es y s t e m a n a l y z i n g t c p i pp r o t o c o li nd e t a i l ，t h es y s t e mb a s e do nt h ep r o t o c o la d o p t s e t h e r n e ti n t e f f a c ec h i pr t l 8 0 1 9 a st om a k eu pt h en e t w o r ko fi n f o r m a t i o n a p p l i a n c e sr e m o t e , t r a n s m i t si n f o r m a t i o na n dc o n t r o l si t t h ep a p e rd e s i g n sh o m ei n f o r m a t i o nr e m o t em o n i t o r i n gh a r d w a r e # a t f o r m a r c h i t e c t u r ea n dt r a n s p l a n t se m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，w h i c hp r o v i d e s a s u b s e q u e n td e v e l o p m e n tp l a t f o r mf o re m b e d d e ds y s t e m o fh o m ei n f o r m a t i o n r e m o t em o n i t o r i n g k e yw o r d s ：e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m ，u c l i n u xo s ，b o o t l o a d e r , t c p i pp r o t o c o l 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 研究背景 随着网络技术的发展和全球信息化浪潮的来临，人们的居家生活正在 面临着一场重大的变革。信息技术和网络技术的触角已经延伸到了各个行 业、各个领域，这些技术不仅极大地提高了工作效率，方便了人们的日常 生活，而且给人们带来了更舒适、更智能和更个性化的服务，使每个家庭 都有可能有机地联系起来成为一体。 1 1 1 远程家庭信息监控系统的功能 一般来说，家用电器设备主要是为用户提供视昕娱乐、信息交流、安 防控制等功能。在信息家居模型中，各种设备可以在信息交互的基础上实 现系统相互操作、相互协作和远程控制的功能，但是这种全方位的信息交 互必须建立在网络环境的基础上，构建远程家庭信息监控系统是信息家居 的前提条件。此类监控系统主要完成以下功能： ( 1 ) 家庭安防：安全是居民对日常生活的首要要求，安防因此成为远 程家庭信息监控系统的首要组成部分，例如：红外报警、门窗磁报警、紧 急求助报警、燃气泄漏报警、火灾报警等。当红外报警装置工作时，如果 家中有人走动，系统就会自动通过蜂鸣器和语音实现本地报警；同时，报 警信息会被及时地传到物业中心，还可以自动拨号到主人的手机或电话 上。 ( 2 ) 远程抄表：水、电、气表的远程自动抄收计费是物业管理的重要 部分，实现三表的自动抄表计费，解决了入户抄表的低效率、不安全和对 住户造成干扰等因素。 ( 3 ) 网络家电：网络家电是远程家庭信息监控系统的重要组成部分， 代表着家庭智能化的发展方向。通过统一的家电联网接口，将网络家电和 远程家庭信息监控系统相连，组成网络家电系统，实现家用电器的远程监 控和故障诊断等功能。 ( 4 ) 家庭娱乐功能；包括视听娱乐和游戏等，视听娱乐包括a v 播 放、家庭影院、投影机、电视自动录像等。 ( 5 ) 家庭短信：家庭短信是通过远程家庭信息监控系统和物业管理中 武汉理工大学硕士学位论文 心的联网，可以实现对住户发布信息，住户可以根据自己的需要来选择物 业管理中心提供的服务。 ( 6 ) 信息管理功能：包括各种个人信息和文件资料的存储管理，如电 话号码、远程教育或家庭办公资料等，还有家庭财务管理、家庭菜谱和远 程医疗资料等。 1 1 2 远程家庭信息监控系统联网方式 远程家庭信息监控系统联网方式主要有以下三种： ( 1 ) 以太网组网：是最常用的局域网组网方式，使用双绞线、光纤 等作为传输媒介。它的优势是技术成熟、成本低、结构简单、稳定性好、 便于网络升级。以太网中的外围设备通常都有r j 4 5 接口( 俗称“水晶头”) ， 以太网接口使用十分方便。对家庭网络而言，以太网的缺点就是必须使用 网线把所有电脑和集线器相连，就增加了布线的成本。 ( 2 ) 电话线组网：此技术虽然类似于以太网，但是对于电缆类型、 拓扑结构无特殊要求，此外还可以共享介质，无需交换机或集线器。同时 电话线组网在用户线路上的投资几乎设有，其设备成本与一般以太网设备 接近甚至更低。电话线组网在附件方面很有优势，特别是为家庭网络推出 的打印机接口、音频管理器以及家庭电话应用程序等。但是由于每个家庭 只有2 3 个r j l l 插座的事实，以及由质量不高的布线而导致的可靠性问 题都使电话线组网逐渐走向衰落。 ( 3 ) 电力线组网：在适用范围方面，相对其它有线网络而言，电力 线组网的好处是不用铺设专用电缆，可以节省网络的铺设成本，也没有因 为距离、障碍物所出现的信号减弱的问题。然而电力线组网理论上最高的 1 4 m b p s 的速率没有多少优势可言。目前在网络安全和网络性能等方面还 有不少问题。 目前以太网组网占据了家庭网络多达7 0 的市场，电话线组网大约占 7 的市场，电力线组网大约占2 的市场。综合考虑以太网、电话线组网 和电力线组网技术的优缺点，以及现有市场和产品的成熟度，以太网组网 在未来几年里将会占有市场的更大份额。 1 2 嵌入式操作系统的发展趋势 对于远程家庭信息监控系统如图1 1 所示，开发者除了需要实现各 2 武汉理工大学硕士学位论文 种智能控$ 1 j z 3 能之外，还需要实现复杂的人机界面，更需要实现相关的网 络通讯协议，如t c p i p 协议等，这一切如果没有一个功能强大的嵌入式 操作系统支持是无法实现的。 叵囹一国 图1 1远程家庭信息监控系统框图 目前国内众多厂家和研究人员进行嵌入式系统的开发，主要依赖于国 外的嵌入式操作系统如“c o s i i 、u c l i n u x 、v x w o r k s 、w i n c e 等， p c o s i i 和u c l i n u x 是免费的嵌入式操作系统，而v x w o r k s 、w i n c e 是商 业软件，它们有各自的特点。 1 2 1 , u c o s - l i 嵌入式操作系统 在嵌入式操作系统领域中，功能强大、性能可靠的免费软件此o s i i 是屺o s 的第二版。目前已经应用在很多领域，例如医疗设备、网络适配 器、a t m 和工业机器人等。 c o s i i 最大的特点是就是它的源代码开放，这是其它商业实时操 作系统无法比拟的。它是针对嵌入式应用而设计的操作系统，而且在设计 之初就考虑到了它的可移植性，可以在很多微控制器上运行”。 1 2 2u c l1 1 3 u x 嵌入式操作系统 u c l i n u x 是一个符合g n u g p l 公约的开放代码操作系统，是在 l i n u x 2 0 的基础上裁剪得到的l 3 j 。它是针对微控制领域而设计的l i n u x 系统，其内核比l i n u x 2 0 小的多，但是保留了l i n u x 操作系统的主要优 点： ( 1 ) 内存管理：这是u c l i n u x 与传统l i n u x 区别最大的地方。u c l i n u x 是针对不具备m m u ( 内存管理单元) 功能的处理器( 如s 3 c 4 4 b o x ) 而剪裁 武汉理工大学硕士学位论文 成的操作系统。由于没有m m u 管理功能，因此u c li n u x 采用存储器直接管 理策略。 ( 2 ) u c l i n u x 的内核加载方式：u c l i n u x 的内核加载有两种方式，可以 在f l a s hr o m 上直接运行，也可以加载到r a m 中运行。由于r a m 的速度比 f l a s hr o m 高，因此后者可以减少占用内存的时间，提高系统的实时性。 ( 3 ) u c l i n u x 的文件系统：u c l i n u x 系统采用了r o m f s 文件系统，这种 文件系统对一般的e x t 2 文件系统要求更少的空间。 ( 4 ) u c l i n u x 的应用程序库：u c l i n u x 小型化的另一个做法是重新编写了 应用程序库，相对于越来越大而且越来越全的g l i b c 库，u c l i n u x 对g l i b c 库做了精简。 ( 5 ) u c l i n u x 还提供通用的l i n u xa p i ，支持完整的t c p i p 协议和大量 的其它网络协议，支持包括n f s 、e x t 2 、r o m f s 等多种文件系统“1 。实际 上，u c l i n u x 已经成功应用于路由器、网络摄像机、机顶盒和p d a 等诸多 领域。 1 2 3v x w o r k s 嵌入式操作系统 v x w o r k s 专门为实时嵌入式操作系统开发的软件，它为程序提供了高 效的实时任务调度、中断管理、实时的系统资源以及实时的任务间通讯。 v x w o r k s 自问世以来，已经成功应用在航天航空、舰船、通信、医疗等关 键高科技领域。成为事实上的工业标准和军方标准，大量软硬件厂家都提 供v x w o r k s 的扩展组件。因此，v x w o r k s 在各种c p u 硬件平台上可以提供 统一的接口和一致的运行特征，应用程序不需要任何改动就可以运行在各 种c p u 上，为程序员提供了一致的应用环境和运行环境，减少了重复开发 的工作量。 1 2 4w i n e e 嵌入式操作系统 w i n c e 是微软为各种嵌入式系统产品设计的一种紧密的、高效的、可 升级的操作系统。初始设备开发商或者嵌入式操作系统开发商可以从适合 目标平台韵操作系统中选择系统模块和组件，选择模块和组件的多少决定 了所需内存的大小。 到目前为止，w i n c e 可以作为许多嵌入式系统的软件平台，应用于包 括工业控制器、机器人、网络集线器、摄像机、机顶盒、i n t e r n e t 访问 4 武汉理工大学硕士学位论文 设备和家庭娱乐设备等方面。各种嵌入式系统总结如表1 一l 所示。 表1 1 常用嵌入式操作系统表 u c l i n u x u c o s i iv x w o r k sw i n c e 性质免费软件免费软件商业软件商业软件 开发 g c c 和g d bb c c + + 3 1 专用开发环境嵌入式v i s u a lc + + 环境 t o r n a d o 实时性不支持，但可实时高实时性非实肘 以打补丁 可移移植复杂，但移植简单提供板级支持包，支持各种微处理器 植性有公开的移以支持不同硬件 植范饲 任务时间片轮转优先级抢占调度优先级抢占+ 时间多任务抢占调度 调度 片轮转 内核百k 级，一般几k 级，核心代采用微内核 内核+ 文件系统+ 大小 小于5 1 2 k码8 k 左右几k 级协议栈占o 5 mr o m 和2 5 6 kr 舭 可扩 开源性， 可以扩展以简单的和w i n d o w s 系列一 展性动态可扩展 内核接口扩展样方便于扩展 1 3 本课题研究的主要内容 课题通过对嵌入式操作系统和t c 肌p 协议的研究，同时结合目前微 控制器芯片的发展状况，用高性价比的软硬件实现了微控制器和网络的通 信，为远程家庭信息监控系统提供了一个切实可行的解决方案。因此本论 文研究的主要范围是： ( 1 ) 设计远程家庭信息监控系统的硬件电路，包括微控制器芯片 ( s 3 c 4 4 b o x ) 、以太网芯片( r t l 8 0 1 9 a s ) 和相关的外围芯片； ( 2 ) 在s 3 c 4 4 b o x 的硬件平台上移植嵌入式操作系统c o s i i ； ( 3 ) 在( 2 ) 的基础之上移植u c l i n u x 操作系统，进行内核的裁减，编 写驱动程序； ( 4 ) 对系统进行调试，实现p c 机和s 3 c 4 4 b o x 的硬件平台通过网线进 行信息的相互传送。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章远程家庭信息监控系统硬件的设计 在嵌入式监控系统中，硬件的设计非常重要，因为硬件的设计结构与 选择直接影响到软件的设计、操作系统的选择。合理的硬件设计将提供充 足的内部硬件资源和外部扩充接口，有利于操作系统以后的扩展、升级。 硬件资源的选择需要考虑各种各样的因素，除了技术上的因素之外， 成本和货源的因索也很重要。一项设计要具有应用价值，要在实际应用中 有可操作性，其价格因素不可轻视。因而选择合适性价比的硬件便是权衡 技术与价格后的重要结果l sj 。 2 1 微控制器的选择 为了保证系统的实用性和可扩展性，此监控系统需要选用高性能的微 控制器，考虑到系统升级以及高档微控制器的价格不断下降，设计中采用 了3 2 位微控制器作为整个系统的核心。对于微控制器的选择，系统遵守 了以下原则： ( 1 ) 微控制器的结构：这里主要是指芯片内部是否有m m u 单元( 内存管 理单元) o 弘c o s - i i 、u c l i n u x 操作系统可以运行在没有m m u 单元的处理 器上，因而选用微控制器和操作系统要有机的结合起来”。 ( 2 ) 系统时钟的速度：系统时钟决定了芯片的运行速度，在对芯片的速 度进行考察的时候，考虑到总线速度的影响，一般要选用实际所需c p u 速度的3 倍的时钟。 ( a ) i o 口的数量：在某些芯片产品说明书中标识出的是最多的i o 口 的数量，其中有些往往是地址、数据、i o 复用的接口。因此在选择芯片 时应该考虑其实际可用的i o 口数量。 ( 4 ) 中断控制器：外部中断控制器是选择芯片时必须考虑的因素，合理 的外部中断设计可以在很大程度上减轻任务调度的工作量，同时还要考虑 中断的触发方式。 ( 5 ) 外部扩展总线：大部分的3 2 位芯片支持外部扩展s d r a m ，但是提 供的片选信号的数量不同，即支持的外部扩展芯片的数量不同。同时，数 据总线的宽度有8 位、1 6 位、3 2 位三类，方便选择总线宽度类型”。 ( 6 ) u a r t 数量：几乎所有的3 2 位芯片都支持1 个或2 个串口，用于同 p c 机通信调试。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 7 ) d m a 控制器：芯片通过d m a 可以实现与外部设备高速交换数据，同 时减少数据交换时对c p u 的占用，例如l c d 液晶显示和视频信息“。 ( 8 ) 特殊功能：有3 2 位芯片针对不同领域的应用需求，有独特所设计， 这个根据需要而定。 根据以上原则，本系统选用的微控制器芯片是s 3 c 4 4 b o x 。l o j 其它的 一切外围设计都是围绕这个芯片进行的。 2 1 1s 3 c 4 4 b o x 结构 s 3 c 4 4 b o x 是三星公司出品的一款1 6 3 2 位r i s c 处理器，为手持设备和一 般的应用提供了高性价比和高性能的微控制器解决方案。它采用a r m 7 t d m i 内核，它的低功耗、精简和出色的全静态设计特别适用于对成本和功耗敏 感的应用”3 。同时s 3 c 4 4 8 0 x 还采用了一种新的总线结构，r p s a m b a i i ( 三星 a r mc p u 嵌入式微处理器总线结构) ，s 3 c 4 4 b o x 内部结构如图2 1 所示1 2 1 伽。 图2 1s 3 c 4 4 b o x 内部结构图 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 远程家庭信息监控系统的原理设计 选定了微控制器之后，其它的外围电路就可以按照系统设计要求和的 标准外设电路进行设计，基于芯爿f s 3 c 4 4 b o x 的硬件系统设计原理如图2 2 所示。 图2 2 远程家庭信息监控系统 系统中各个模块的工作原理如下： ( 1 ) f l a s hr o m ：s 3 c 4 4 b o x 芯片不具有r o m 存储空间，必须外扩r o m 器件来 存储掉电期间需要保存的代码和数据。”。系统中的f l a s hr o m ( s s t 3 9 v 1 6 0 芯片) 用于存储嵌入式操作系统、h t t p 服务器以及支持 各种服务器所需要的文件系统，整个系统的初始化程序都存在f l a s h r o m 中，系统上电复位之后，将运行f l a s hr o m 中的b o o t l o a d e r 代码， 完成时钟设置初始化：中断矢量的定义、存储器的参数设置、堆栈地 址定义等工作，这些设置对于系统的正常启动具有重要意义。 ( 2 ) s d r a m ：嵌入式操作系统的运行需要动态r a m ，而s 3 c 4 4 b o x ，芯片内部 提供的8 kc a c h e 远远不能满足要求，需要在外部总线上扩充s d r a m ( h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h ) 芯片，解压缩后的操作系统将驻留内存。 ( 3 ) 以太网：s 3 c 4 4 b o x 芯片内部没有集成网络控制器，外加一个以太网的 武汉理工大学硕士学位论文 专用芯片r t l 8 0 1 9 a s 完成和i n t e r n e t 的连接。 ( 4 ) s y s t e m ：s 3 c 4 4 b o x 所需求的其它外围电路，包括：电源电路、外部晶 振、开关以及复位电路和j t a g 调试接口电路等。s 3 c 4 4 b o x 支持7 1 个复 用i 0 口”“。 2 3f i a s hr o m 存储芯片及其接口电路 为了满足操作系统及其文件系统的存储要求，系统选用了2 mm a s h r o m 器件s s t 3 9 v 1 6 0 作为存储介质。s s t 3 9 v 1 6 0 是由s s t 公司推出的c m o s 多用途器 件，具有低功耗、擦除时间短、保存数据有效期长等优点。引脚功能具体 描述如表2 1 所示。 表2 一is s t 3 9 v 1 6 0 引脚描述简表 引脚符号引脚名称功能描述 a 1 9 - a 0 地址输入提供存储器地址。在扇区擦除中a 1 9 a l l 用来选择擦除的扇 区，在块擦除中a 1 9 - a 1 5 用来选择擦除的块。 数据输入在读周期输出数据，在写周期接收写入的数据。在写周期中， d q l 5 - d q 0输出数据内部锁存。在o e 或c e 为高电平时，数据线输入为高 阻态。 c e 片选使能低电平有效的片选线 o e 输出使能 低电平有效的数据输出使能线 w e 写使能控制写操作 v d d 电源为s s t 3 9 v 1 6 0 提供2 7 - 3 6 v 电源 v s s 地 n c 浮空空脚 s s t 3 9 v 1 6 0 采用标准总线接口与s 3 c 4 4 8 0 x 交互信息，对它的读取不需 要任何特殊的代码和操作，但是需要在s 3 c 4 4 8 0 x 上设定o m l 、o m 0 和大小端， 以便使处理器知道f l a s hr o m 的数据长度和位序。s s t 3 9 v 1 6 0 的存储单元是 为1 m 1 6 b i t ，因此应将b a n k 的数据线宽度设置成1 6 位方式，即s 3 c 4 4 b o x 的0 m i = 0 ，0 m 0 = i ，这样就完成了它们的连接。f l a s hr o m 与s 3 c 4 4 b o x 之间的 连接原理如图2 3 n 示。 9 武汉理工大学硕士学位论文 a 1 9 一a 0 = d q l 5 一d q o s 3 c 4 4 b o x s s t 3 9 v 1 6 0 c e ， o e r w e - 图2 3s s t 3 9 v 1 6 0 和s 3 c 4 4 b o x 的接口电路 z 4s d r a m 接口电路 s 3 c 4 4 b o x 微控制器有7 种工作模式，每种模式都必须有它适当的堆栈空 间，而处理器内部提供的r a m 空间远远不能满足分配需求。s 3 c 4 4 b o x 芯片本 身提供了与s d r a m 进行联接的接口，因此不需要通过软件来实现它们所需的 接口时序，而只需对与存储器相关的寄存器进行适当的配置。选用的s d r a m 【 是由h y n i x 公司推出的】h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h g 芯片，容量为6 4 m b ，存储空间组织方式 是：4 b a n k i m x1 6 b i t ，由行、列地址线交叉完成寻址。 h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h g 具有4 个b a n k ，当其中1 个b a n k 处于“读、写”的时间， 如果芯片的“自动预充电”功能被使能时，其余3 个b a n k 中的1 个就会被预 充电，这样就隐藏了预充电所需的时间，提供了无缝衔接的高速任意地址 操作的能力。“激活”指令用来启动某个操作，随后是一个“读”或“写” 指令，跟在“激活”指令后面的地址用来选择需要操作的b a n k 和行( b a o ，b a l 用来选择b a n k a 1 1 - a o 用来选择行) ，跟在“读”和“写”指令后面的地 址用来选择操作开始的列地址( a 7 - a o ) 。具体的引脚的描述如表2 2 所示。 1 ( 1 武汉理工大学硕士学位论文 表2 2h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h g 引脚的描述简表 符号类功能描述 型 地址输入：在激活指令中被采集时，a l l a o 作为b a n k 的行线地址；在 读写指令中被采集时- a 7 一a o 作为b a n k 的列地址，a i o 定义为是否要 a 1 1 - a oi 进行自动预充电。a i o 在预充电指令后被采集，当a i o ：l ，所有的b a n k 都要被预充电：当a i o = o 时，被b a o ，b a l 选中的b a n k 进行预充电，在“载 八模式寄存器”指令下，将操作码通过地址线输入到s d r m 中。 b a 0b a l i 】b a n k 的选择地址：b a o 和b a l 定义哪一个b a n k 被激活，以便进行读、写 或预充电指令操作。 i c a s i 列地址使能命令，i c a s 、r a s 和髓一起形成指令信号。 r a si行地址使能命令，c a s 、r a s 和w e 一起形成指令信号。 w ei 写入使能，c a s 、r a s 和w e 一起形成指令信号。 c si 片选信号，c s 决定指令输入是否被使能。当c s 为低指令输入使能， 否则被禁止。当c s 为高，器件保持在原来的状态下。 l d m q 和u d 旧控制着i o 缓存的低字节和高字节。在读入模式下，l d h q 和u d 妊q 控制输出缓存器。当l 跏q 或u d 粕为低电平，相应的缓存器中的 l d m qu d m qi 字节被使能，数据可以被写入到器件中；当l d m q 或u b m q 为高电平，相 应的缓存器中的字节被屏蔽；当l d m q 和u d m q 都为高电平，输出为高阻 态。这一功能和o e 在传统的d r a m 中的作用相同。 时钟使能，c k e 输入决定c l k 输入是否使能。当c k e 为高，c l k 信号的下 c k ei 一个上升沿有效；当c k e 为低，则c l k 信号无效。当c k e 为低时，s d r a m 可能是进入了掉电模式、时钟挂起模式或自刷新模式。c k e 是一个异 步信号。 c l ki系统时钟输入，c l k 时器件的主时钟输入。除t c k e 信号，器件的其它 信号都要与该信号的上升沿同步。 d q 1 5 一q q o i o i 0 1 5 - i 0 0 都是i o d ，i 0 1 2 可以通过l d m q 和u d m q 脚进行字节模式的 控制 v c cv c c qi电源 v s sv s s qi地 h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h 采用管道结构，具有高速的数据传输性能，时钟频率可以 高达1 3 3 m h z ，与s 3 c 4 4 b o x 微控制器的接口电路如图2 4 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 r a i 0 1 5 一i 0 0 = $ 3 c 4 4 8 0 x s d r a m c r 。 h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h r r a r r c a s l r w f l d m o u d m q 图2 4s 3 c 4 4 b o x 和h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h 接口电路 2 5 以太网模块r t l 8 0 19 a s s 3 c 4 4 b o x 微控制器内部没有集成网络控制器，不能和网络直接连接，因此 不能完全用软件程序实现网络连接，主要有两个原因：大量的程序代码占 用过多的存储空间；编写程序占用太多的时间。本系统采取了外扩 r t l 8 0 1 9 a s 芯片的硬件解决方案”“。 】r t l 8 0 1 9 a s 是高度集成的以太网控制器，为即插即用n e 2 0 0 0 兼容适配器提 供了筒易的解决方案。为了提供完全解决即插即用方案，r t l 8 0 1 9 a s 在内部集 成了i o b a s e - - t 收发器，支持l o m b s 的基带曼彻斯特编码传输，这就意味着发 送的每一位都有两个信号周期，因此波特率是数据率的2 倍，e p 2 0 m 波特，所以 选用2 0 m h z 的晶振。传输介质是双绞线。 武汉理工大学硕士学位论文 表2 3r t l 8 0 1 9 的部分引脚描述简表 与网络介质接口引脚l a u i | l 输入用于外部m a u 检测 c d + ，c d - 。8 输入a u i 冲突，接收来自m a u 的冲突 r x + ，r x 一 输入a u i 接收，接收m a u 的输入信号 r x + ，t x 一 输出a u i 发送，往m a u 的输出信号 t p r x ，t p r x 一 输入从双绞线接收的差分输入信号 t p r x ，t p t ” 输出 0 发往双绞线的差分输出信号 与主处理器接口的引脚 a e n 0 输入 i o 端口操作允许 i n t 7 o | 输出 中断输出 i o c s l 6 i i 输出1 6 位i 0 口方式 i o r i o w 输入 端口读、写控制 i o c h r d y输出 i o 通道准备好 s m e m rs 枷 m w输入存储器读、写控制 r s t d r v输入 复位 s a1 9 o 0 输入 2 0 位地址总线 s d1 5 o 0 双向 1 6 位数据总线 发光二极管输出s 脚 l e d b n c输出 介质类型指示 l e d o 、l l e d l 、l e d 2输出指示控制器的工作状态 工作方式配置q l 脚 j p lf 输入 置位时选择跳线模式， 【1 复全时选择无跳线模式 p n p0 输入 置位时进入p n p 模式( f f p = o ) i o s 3 0l输入 i 0 口基地址选择 p l l 0输入介质类型选择 i r q s 2 o输入 用于在i n t 7 0 中选择一个作为断输出 r t l 8 0 i g a s 支持1 6 k 、3 2 k 、和6 4 k 字节r o i 和闪存接口。它仍然提供页面模 式功能，这种功能能支持在仅1 6 k 字节内存系统空间下的4 m 字节的r o m 。a 夕f r o m 武汉理工大学硕士学位论文 的不需要用命令被用来释放r o m 内存空间7 1 。r t l 8 0 1 9 a s 共有3 2 个输入输出地 址，对应地址偏移量为o o h 一1 f h ，分别说明如下： o o h - - o f h 的1 6 个地址，为寄存器地址； 1 0 h 一1 7 h 的8 个地址，为数据读写端口地址。它们都是一样的，每个都可以 用来作数据读写端口，只要用其中的1 个就可以了。 1 8 h 一1 f h 的8 个地址，为复位端口，但是只有其中的偶数端口才有效，对该 端口的偶数地址读或写入任何数，都会引起以太网控制器的复位， 这种方式称为热复位。复位有关的标志位包含在i s r 中断寄存器当 中，寄存器的地址是0 7h ，位于第0 页，可以直接读写。这个寄存 器反映n i c 状态，主机读它来决定中断的原因，通过对相应的位写 “i ”来清除该位，它必须在上电后清除，与s 3 c 4 4 b o x 的接口电路 如图2 5 所示。 a o a 1 5 = 网口 o s t c b s f l ( p t r = s t a c k p o i n t e r ； c a l lu s e rd e f i n a b l eo s t a s k s w h o o k o ； o s t c b c u r = o s t c b h i g h r d y ； o s p r i o c u r = o s p r i o h i g h r d y ； g e tt h es t a c k p o i n t e ro ft h et a s kt oi _ e s u m e ： s t a c kp o i n t e r = o s t c b h i g h r d y - o s t c b s t k p t r ； r e s t o r ea l lp r o c e s s o rr e g i s t e r sf r o mt h e ，n e wt a s k ss t a c k ； e x e c u t ear e t t l r nf r o mi n t e r r u p ti n s t r u c t i o n ； 在最后执行一个普通函数，该执行的返回历程就可以了。源代码： e x p o r to s c t x s w ；这个函数别的文件要用 i m p o r to s p r i o c u r；这是在别的文件定义的变量，当前任务优先级 i m p o r to s p r i o h i g h r d y ；将要恢复执行的任务的优先级 i m p o r to s t c b c u r：当前任务的t c b 的指针 武汉理工大学硕士学位论文 i m p o r to s t a s k s w h o o k i m p o r t 0 s t c 阴i g h r d y ；调用用户定义h o o k ；将要恢复执行的任务的t c b 指针 o s c t x s w s t m f d s p l ， l r ；p u s hp c ，因为是从o s _ s c h e d 0 ib l 到这里的 s t m f d s p f ， r o - r 1 2 ，l r ；p u s hl r & r e g i s t e rf i d e m r s r 4 ，c p s r；c p s r 特殊，只能用m r s 或m s r 在寄存器间操作 s t m f d s p ! ， “；p u s hc u r r e n tp s r l d r r 4 ，= o s t c b c u r；r 4 里就是o s t c b c u r 变量的地址了 _ , d r r 5 ，i t 4 】；r 5 里就是o s t c b c u r 堆栈指针的存放地址 s t r s p ，【r 5 】 ；s t o r es pi np r e e m p t e dt a s k s st c b o s i n t c t x s w ；这是下一个涵数了，它只是这个函数的后半部，这个函 数则继续往下 b lo s t a s k s w h o o k：让用户执行一点h o o k l d r r 4 ，= o s t c b h i g h r d y l d r r 4 ，【r 4 】 l d r r 5 ，= o s t c b c u r s t r r 4 ，【r 5 j ；o s t c b c u r = o s t c b h i g h r d y l d r r 6 ，= o s p r i o h i g h r d y l d r b r 6 ，i t 6 1 l d r r 5 ，= o s p r i o c u r s t r b r 6 ，【r 5 1 ；o s p r i o c u r = o s p r i o h i g h r d y i d r s p ，【r 4 l d m f d s p ! ， r 4 ；p o pn e w t a s kc p s r m s r c p s re x s f , r 4 l d m f d s p ! ， 1 0 - r 1 2 ，l r , p c ；p o pu e w t a s kr o r 1 2 ，l r p c o s i n t c t x s w ( ) 就是在中断中发生调度时用到。如果一个中断需要从中 断服务程序中进行调度。这是因为：a r m 硬件的中断时序并不自动压栈任何寄 存器，所以免去了恢复堆栈指针的麻烦；另外，在进入i s r 保存当前任务现 场时一同保存好t c b 中的堆栈指针，而不是在o s i n t c t x s w ( ) 中保存，这样 就又省了一步。下面是这个函数的伪代码和实际函数对照。 武汉理工大学硕士学位论文 v o i do s i n t c t x s w ( v o i d ) a d j u s tt h es t a c kp o i n t e rt or e m o v ec a l l st o ： o s i n t e x i t 0 ， o s i n t c t x s w ( ) a n dp o s s i b l yt h ep u s ho ft h ep r o c e s s o rs t a t u sw o r d ： s a v et h ec u r r e n tt a s k ss t a c kp o i n t e ri n t ot h ec u r r e n tt a s k s o s _ _ t c b ： o s t c b c u r 一 o s t c b s t k p t r = s t a c kp o i n t e r ： c a l lu s e rd e f i n a b l eo s t a s k s w h o o k0 ： o s t c b c u r = o s t c b h i g h r d y ： o s p r i o c u r = o s p r i o h i g h r d y ： g e tt h es t a c kp o i n t e ro ft h et a s kt or e s u m e ： s t a c