（模式识别与智能系统专业论文）基于arm9的嵌入式数据采集系统开发.pdf

原创性声明 1 1 1 11 1i ii l l ll ll l li iiil y 18 8 8 9 3 6 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。除本文已经注明引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得囱墓直太堂及其他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作了 明确的说明并表示谢意。 言位论文作者签翥! 鳖言导教师签翥i 三笛 在学期间研究成果使用承诺书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：内蒙古 大学有权将学位论文的全部内容或部分保留并向国家有关机构、部门送交学位论 文的复印件和磁盘，允许编入有关数据库进行检索，也可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存、汇编学位论文。为保护学院和导师的知识产权，作者在学期间 取得的研究成果属于内蒙古大学。作者今后使用涉及在学期间主要研究内容或 研究成果，须征得内蒙古大学就读期间导师的同意；若用于发表论文，版权单位 必须署名为内蒙古大学方可投稿或公开发表。 学位论文作者签名： 日期： 指导教师签名翌始 日 飙黝耻邛 兰 基于a r m 9 的嵌入式数据采集系统开发 摘要 风能是清洁的可再生能源，风电是目前公认的发展最快的绿色电力。近年 来，我国的风机装机容量连年攀升，但是风机控制器的国产化进程却非常缓慢。 本文从这点立足，设计了一个基于a r m 9 的嵌入式数据采集系统，期望实现对 风电机组相关信号的采集。 本文详细的论述了基于w i n d o w sc e 的嵌入式数据采集系统的软硬件开发。 硬件方面，以三星的s 3 c 2 4 4 0 a a r m 9 处理器为核心，结合相关外围电路，实现 对多路模拟、数字信号的采集。软件方面，对比流行的几种嵌入式操作系统， 选取了w i n d o w sc e 5 0 系统进行了在特定平台上的移植。移植的过程包括启动 加载器的移植、o a l 层的移植和驱动程序的开发，文中结合开发实践对这三个 过程进行了深入的论述。在上述步骤的基础上，针对本课题系统的应用，添加 了相应的系统组件，从而成功构建了一个w i n d o w sc e 5 0 系统内核，最后导出 针对的s d k 包。 定制了操作系统内核之后，开发了嵌入式数据采集系统，系统成功实现了 信号的采集存储。为实现对数据的存储，采用o l ed b 接口在嵌入式设备上建 立了一个s q lm o b i l e 数据库，从而很好的实现了对采集数据的存储和查询。 通过运行结果来看，设计的系统很好的完成了预期的功能，对实际应用有 一定的指导作用。 关键词：嵌入式系统、$ 3 c 2 4 4 0 a ，w i n d o w sc e ，数据采集 内蒙古大学硕上学位论文 t h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e dd a t aa c q u i s i t i o n s y s t e mo nb a s i so fa r m 9 a b s t r a c t w i n de n e r g yi sc l e a ra n dr e n e w a b l ee n e r g y w i n dp o w e ri sk n o w na st h ef a s t e s t d e v e l o p i n gg r e e np o w e r i nr e c e n ty e a r s ，t h e i n s t a l l e dc a p a c i t yo fo u rc o u n t r yi s g r o w n i n gy e a rb yy e a r h o w e v e r ，m o s to ft h ew i n dt u r b i n ec o n t r o l l e ri sn o td e s i g n e d b yo u r s e l v e s t h i sp a p e rd e s i g n e sa ne m b e d d e dd a t aa c q u i s t i o ns y s t e mb a s e do n a r m 9i no r d e rt oc o l l e c t i n gs i n g l e so fw i n dt r u b i n e t h i st h e s i sm a k eas p e c i f i cd i s c u s so nd e v e l o p i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f e m b e d d e dd a t a a c q u i s t i o ns y s t e m w i t h r e l a t e d p e r i p h e r a lc i r c u i t s ，t h es y s t e m a c h i e v e sm u l t i c h a n n e la n a l o ga n dd i g i t a ls i g n a l a c q u i s i t i o nb a s e do ns a m s u n g $ 3 c 2 4 4 0 aa r m 9p r o c e s s o r w em a k eac o m p a r i s o no fs e v e r a lp o p u l a re m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e m s a n ds e c l e c tw i n d o w sc e 5 0a so u re m b e d d e d o p e r a t i n g s y s t e m s t h e no nt h eb a s i so fh a r d w a r ep l a t f o r m ，p o r t i n gw i n d o w sc ee m b e d d e d o p e r a t i o ns y s t e mc o n t a i n i n gb o o tl o a d e r ，o a lp l a y e ra n dd e v i c ed r i v e r s a f t e rc u s t o m o fw i n d o w sc es u c e s s d ，g e t t i n gt h es d ku s ep l a t f o r mb u i l d e ri no r d e rt od e v e l o p a p p l i c a t i o n s r e l i z a t i o no fd a t aa c q u i s t i o ns o f t w a r ei st h ek e yi nt h i ss y s t e m f i r s t ，t h i s t h s i sp r o v i d eas o l u t i o no fs o f t w a r e ，t h e nd e v e l o pi t sf u n c t i o n a lm o d u l el i k ed a t a a c q u i s t i o nm o d u l e ，d a t as t o r a g em o d u l ea n dd a t aq u e r ym o d u l e t h es y s t e mu s e ss q l m o b i l ed a t a b a s ew h i c hc r e a t e du s eo l dd bi n t e r f a c et os t o r et h ed a t a t h er e s u l t so f r u n n i n gs h o wt h a tt h es y s t e mc a nc o m p l e t et h ed e s i r e df u n c t i o n u 内蒙古大学硕 学位论文 k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，$ 3 c 2 4 4 0 a ，w i n d o w sc e ，d a t aa c q u i s t i o n i i i 内蒙古人学硕上学位论文 第一章绪论。 目录 m 1 1 1 课题的来源与背景l 1 2 嵌入式数据采集系统的特点和发展趋势l 1 2 1 嵌入式数据采集系统特点l 1 2 2 嵌入式采集系统发展趋势2 1 3 论文的主要内容和安排2 第二章嵌入式数据采集系统软硬件设计4 2 1 风电机组数据采集平台的功能要求4 2 2 数据采集系统硬件系统。4 2 3a r m 9 处理器简介5 2 3 1a r m 处理器概述5 2 3 2 系统主控制器$ 3 c 2 4 4 0 a 5 2 4w i n d o w s c e 系统分析7 2 4 1 嵌入式操作系统对比7 2 4 2w i n d o w s c e 内存管理。9 2 4 3w i n d o w s c e 数据库特点1 0 2 5 本章小结。1 1 第三章w i n d o w s c e 5 0 系统移植1 2 3 1b o o t l o a d e r 的移植l2 3 1 1b o o tl o a d e r 中的s t a r t u p 函数：。1 3 3 1 2b o o tl o a d e r 中的m a i n 函数1 3 3 1 3 虚拟地址映射1 4 3 2o a l 层的移植1 5 3 2 1o a l 概述15 3 2 2o a l 启动流程与原理1 6 3 3w i n d o w s c e 内核定制1 7 3 3 1w i n d o w s c e 5 0 目录组织。1 7 t v 内蒙古大学顾一t - 学位论文 3 3 2w i n d o w s c e 5 0 内核组件l8 3 3 3w i n d o w c e 5 0 内核定制一般流程2 0 3 4 创建s d k 2 0 3 5 本章小结2 1 第四章数据采集系统开发2 2 4 1 数据采集系统技术指标2 2 4 1 1 风力发电机输出功率2 2 4 1 2 风力发电机效率2 2 4 1 3 风力发电机输出转速2 3 4 2 驱动程序开发2 4 4 2 1w i n d o w s c e 5 0 驱动模型2 4 4 2 2 流接口驱动程序开发2 4 4 2 3g p i o 驱动程序设计2 7 4 2 4 模数转换驱动程序设计2 9 4 2 5 流接口驱动程序文件结构3 1 4 3 嵌入式数据库开发3 3 4 3 1 数据库建立过程3 3 4 3 2 数据库建立结果：3 5 4 4 数据采集模块开发3 6 4 4 1 数据采集控制界面设计3 6 4 4 2 数据采集流程- 3 6 4 4 ，3 数据采集模块运行结果3 8 4 5 数据存储模块开发3 8 4 5 1 数据存储流程3 8 4 5 2 数据存储模块运行结果4 1 4 6 数据查询模块开发4 1 4 6 1 数据查询界面设计4 1 4 6 2 数据查询流程4 2 4 6 3 数据查询模块运行结果4 2 v 内蒙古人学硕上学位论文 4 7 本章小结4 4 第五章总结和展望 4 5 5 1 总结4 5 5 2 展望4 5 参考文献 至| 谢 4 6 攻读硕士期间发表的学术论文4 9 内蒙古人学硕j ：学位论文 第一章绪论 1 1 课题的来源与背景 风能是一种清洁的永续能源，与传统能源相比，风力发电不依赖外部能源，没有燃料价 格风险，发电成本稳定，也没有碳排放等环境成本；此外，可利用的风能在全球范围内分布 都很广泛。正是因为有这些独特的优势，风力发电逐渐成为许多国家可持续发展战略的重要 组成部分，发展迅速。目前，在所有可再生能源中，除了水力发电之外，风力发电是世界上 公认的、成本最具有大规模商业开发价值的可再生能源技术之一f l 】。 我国风力发电机的装机容量已经连续几年位列世界第一了，国内也有多家单位二直在从 事具有自主知识产权的大型风力发电装置的研究，国外成品风机系统的国产化比例也在不断 增加，但因为核心技术的控制器大都是国外的成品控制器，就我们了解，目前国内适合应用 于风机控制器的成品硬件系统也不多见，根据风机控制器的需求( 运算处理能力、环境适应 能力，i o 接口等) ，我们选择了基于3 2 位a r m 的嵌入系统来开发一套数据采集系统，这是 实现风机核心控制器国产化的一个必要环节。 风力发电机机组作为风力发电中最重要的设备，工作环境通常都是非常恶劣的自然条件， 如近海、戈壁、草原等，这样的工作环境对机组的安全性能提出了很高的要求，因此，本文 将目光放在风力发电机组的安全策略上，分析阐述机组运行过程中和安全密切相关的信号， 设计一套嵌入式数据采集系统来对这些至关重要的信号进行采集、存储，为机组的整体运行 状态评价提供可靠的参考，为维持风机的安全运行做出相应的贡献。 1 2 嵌入式数据采集系统的特点和发展趋势 1 2 1 嵌入式数据采集系统特点 传统的工业现场用到的数据采集系统硬件常采用8 1 6 位单片机；软件多采用汇编语言， 仅包含一个简单的循环处理控制流程；单片机与上位机的通信多采用r s 2 3 2 、r s 4 8 5 接口， 这种结构的数据采集系统与高速发展的网络化信息化不能对称。伴随着计算机技术的发展， 以微型计算机为核心平台的数据采集和控制系统在工业现场的生产过程中发挥了很好的作 内蒙古人学硕j ：学位论文 用，但是这样的监控方式也正在逐渐暴露出一些缺陷：工业现场的环境一般都非常恶劣，而 微型计算机的防尘、防震功能比较差；微型计算机体积大、不好携带；扩展性差、成本高等。 而近年来伴随着嵌入式系统的迅速发展，其相比微型计算机的优势在工业现场数据采集的应 用中凸显出来。简单来看，嵌入式数据采集系统有以下几个特点【2 】： ( 1 ) 可靠性高。嵌入式系统大多是芯片部件，与计算机系统的硬盘、扩展卡相比，具有防 震、防尘的优点，硬件的高度集成带来了系统整体可靠性的大幅度提高。 ( 2 ) 体积小。嵌入式技术的发展，高端微处理器及s o c 的应用，使得嵌入式系统的体积越 来越小，同时也缩小了嵌入式数据采集系统的体积，为现场的应用带来了极大的便利。 ( 3 ) 易扩展，功能强。嵌入式系统可以很方便的扩展出输入输出( i o ) 口，实现各种功能。 ( 4 ) 开发周期短，成本低。与微型计算机系统相比，嵌入式系统的开发周期和成本方便有 着巨大的优势。 嵌入式系统的这些优点推动了现代工业数据采集系统从传统电路、微机模式走向嵌入式 系统模式，随着技术的不断发展，嵌入式系统在工业数据采集中起到了不可替代的作用。； 1 2 2 嵌入式采集系统发展趋势 数据采集在工业系统的生产控制过程中发挥了重要的作用。就一个自动控制系统来说， 把采集到的数据经过调理变换送入计算机进行分析处理，产生控制信号发送给执行机构，从 而完成整个控制任务。任何一个现代工业过程都可以采用这种方式实现自动化，产生经济效 益。 目前，数据采集与控制系统正朝分布式控制系统的方向发展，它采用高性能处理器或多 处理器协同处理以达到高性能、高可靠。为了迎合这种趋势，高性能嵌入式微处理器和嵌入 式实时操作系统便成了工业界的热点。其中核心部件3 2 位嵌入式处理器在国外已经得到广泛 的运用。然而，这些嵌入式处理器由于开发成本十分高，所以在国内工控领域的应用才刚刚 起步。随着近年来国家加大一些重点项目的投入，特别是在电力系统、铁路系统等方面，a r m 处理器已经开始应用在高性能高可靠性的专用设备上。相信随着高端微处理器自身的成本和 开发调试成本的进一步降低，其应用将会变得很广泛。 1 3 论文的主要内容和安排 本文基于w i n d o w c e 嵌入式操作系统，在处理器上选择三星公司的$ 3 c 2 4 4 0 a 处理器， 内蒙古大学硕士学位论文 以风电机组的安全策略相关信号为对象，结合嵌入式数据库s q lm o b i l e ，设计一个嵌入式数 据采集系统，为嵌入式数据采集系统在风电机组上的应用提供基础研究探索。 本文内容的具体安排如下： 第一章简要介绍了风力发电在我国的发展概况，从风电机组控制器的国产化道路阐述本 文工作的意义所在。 第二章简要介绍了相关的硬件平台资源，分析论述了平台上微处理器的性能；着重对嵌 入式w i n d o w sc e 5 0 系统进行了介绍，分析了w i n d o w s c e 相比其他嵌入式操作系统的一些 特点。 第三章进行了w i n d o w s c e 5 0 操作系统的移植。首先分析了b o o t l o a d e r 和o a l 层的结构， 并根据应用系统的需要，进行了b o o t l o a d e r 和o a l 层的移植，最后使用p l a t f o r mb u i l d e r 工 具进行w i n d o w s c e 内核的定制。 第四章是系统的主要实现部分，是论文的主要内容所在。在这一章节中，首先编写了 w i n d o w s c e 5 0 下的驱动程序，之后开发了一个数据采集系统，实现了对多路数据的采集，同 时结合嵌入式数据库对采集的数据进行了存储和查询。 第五章对系统的设计进行了总结和展望，总结了系统设计实现的功能，指出没有实现的 工作，为下一步工作指出方向。 内蒙古大学硕l ：学位论文 第二章嵌入式数据采集系统软硬件设计 嵌入式数据采集系统由硬件平台、w i n d o w s c e 操作系统、应用软件三部分构成。在实际 设计中，需要根据应用系统需求和技术条件，进行合理的软硬件选择。本章介绍嵌入式数据 采集系统的软、硬件。 2 1 风电机组数据采集平台的功能要求 本课题中开发的数据采集系统具有以下功能： ( 1 ) 使用w i n d o w s c e 5 0 嵌入式操作系统 ( 2 ) 具有串口、u s b 接口功能 ( 3 ) 触摸屏输入方式 ( 4 ) 多路数据输入接口 ( 5 ) 具有主流c p u 工作频率 2 2 数据采集系统硬件系统 根据系统的性能要求，本课题在硬件平台上选择广州天嵌公司的t q 2 4 4 0 开发板，这是 一款基于$ 3 c 2 4 4 0 a 的开发板。 t q 2 4 4 0 开发板的硬件资源非常丰富，充分利用了$ 3 c 2 4 4 0 a 的接口资源。其核心板的主 要硬件构成如下： 微处理器采用三星公司的$ 3 c 2 4 4 0 a 处理器，主频可高达4 0 0 m h z ： 6 4 m 字节的s d r a m ，由两片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 f t p h 组成； 2 5 6 m 字节的n a n df l a s h ( k 9 f 2 g 0 8 u o a ) ； 2 m 字节的n o r f l a s h ； 此外，在底板上有着丰富的接口资源，如串口、u s b 口、j t a g 接口等。 内蒙古大学硕_ j j 学位论文 2 3 1a r m 处理器概述 2 3a r m 9 处理器简介 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，是微处理器行业的一家知名企业。该企业设 计了大量高性能、廉价、低功耗的r i s c 处理器，相关技术及软件3 1 。a r m 公司将其技术授 权给世界上许多著名的半导体、软件和o e m 厂商，每个厂商得到的都是一套独一无二的a r m 相关技术及服务。a r m 将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和o e m 厂商，每个 厂商得到的都是一套独一无二的a r m 相关技术及服务。利用这种合作关系，a r m 很快成为 许多全球性r i s c 标准的缔造者。采用r i 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 位1 6 位器件； 大量使用寄存器，大多数数据操作都在寄存器中完成，指令执行速度更快； 寻址方式灵活简单，所有加载存储的地址都只由寄存器的内容和指令域决定，指令执行 效率高； 指令长度固定，简化了指令的代码。 这些在基本r i s c 结构上增强的特性使a r m 处理器在高性能、低代码规模、低功耗和小 的硅片尺寸方面取得了良好的平衡。 2 - 3 2 系统主控制器$ 3 c 2 4 4 0 a $ 3 c 2 4 4 0 a 是三星公司生产的一款基于a r m 9 2 0 t 内核的a r m 微处理器【4 】，它集成了丰 富的片上资源，主要包括： 1 6 k b 指令缓存、1 6 k b 数据缓存和内存管理单元m m u 外部存储控制器( s d r a m 控制和片选逻辑) l c d 控制器( 最大支持4 k 色s t n 和2 5 6 色t f t 液晶屏) 三通道u a r t 8 通道1 0 位a d c ，触摸屏接口 4 通道d m a 并有外部请求引脚 2 通道s p i 一通道i i c 总线接口 内蒙古大学硕上学位论文 一通道i i s 总线音频编码接口 2 通道u s b 主机，1 通道u s b 设备 具有日历功能的r t c 摄像头接口 1 3 0 通道的口和2 4 通道外部中断源 具有p l l 片上时钟发生器 4 通道p w m 定时器和l 通道内部定时器看门狗定时器 $ 3 c 2 4 4 0 a 将系统的1 g 存储空间分为8 个组，每组的大小为1 2 8 m 。6 个存储器b a n k ( 0 5 ) 用于r o m 、s r a m 等，其余两个用于r o m 、s r a m 、s d r a m 等。7 个存储器b a n k ( 0 6 ) 的起始地址是固定的，剩余的一个起始地址可变并且大小可编程。具体映射关系如图2 1 所 示。 s r o m j s d r a ms r o m _ | l s d r a m2 4 8 16 ( r o c s 7 )( n g c s 7 ) 6 4 1 2 8 l jr s r o m j s d r a m s r o m _ i s d r a m 2 4 8 1 16 ( n g c s 6 )( n o e s 6 ) 6 4 1 2 8 五 s l t 0 ms r o m 1 2 8 m ( n g c s s )( n o c s 5 ) s l t o ms r o m ( n o e s 4 )( n o c s a ) 1 2 8 m l s r o ms l t o m 1 2 8 m ( n o c s 3 )( n o c s 3 ) s r 。ms r o m 1 2 8 m ( n g c s 2 )( n o e s 2 ) - s r o ms r o m ( n g c s l )( n o c s l ) 1 2 8 m 啼 s r o m 1 2 8 m ( n o c s 0 ) b o o ti n t e r m l ( a k b ) 图2 1 存储器映射图 f i g u r e 2 1m e m o r ym a p $ 3 c 2 4 4 0 a 引导代码可以在外部n a n df l a s h 存储器上执行。为了支持n a n df l a s h 的 b o o t l o a d e r ，$ 3 c 2 4 4 0 a 配备了一个内置的s r a m 缓冲器，叫做“s t e p p i n g s t o n e 。引导启动 时，n a n df l a s h 存储器的开始4 k 字节将被加载到s t e p p i n g s t o n e 中并且执行加载到 6 内蒙古大学硕| l ：学位论文 s t e p p i n g s t o n e 的引导代码。通常引导代码会复制n a n df l a s h 的内容到s d r a m 中。通过使 用硬件e c c ，有效地检查n a n df l a s h 数据。在复制完成的基础上，将在s d r a m 中执行主 程序。 2 4w i n d o w s c e 系统分析 m i c r o s o f t 公司的w i n d o w s 操作系统已经几乎垄断了桌面型计算机的环境，但是桌面型的 w i n d o w s 操作系统对于嵌入式系统来说过于庞大，因此m i c r o s o f t 公司推出w i n d o w s c e 作为 嵌入式操作系统的主力。w i n d o w s c e 的设计目的是为迎合智能型、联机式的小型装置的嵌入 式系统市场。 2 4 1 嵌入式操作系统对比 早期的嵌入式系统，基本上是为了某一个特殊功能而设计的，功能简单，所以对于嵌入 式操作系统的要求也并不多，只是希望操作系统能辅助系统维持一定的稳定性，并能操作一 些简单的小型应用程序。 随着嵌入式系统产业持续发展，通信网络数字化的潮流兴起，对于嵌入式系统的实时性 也越来越高。就操作系统而言，实时操作系统开始成为主流。同时，为了应付系统功能的不 断增加，嵌入式操作系统也开始具备了一般计算机所具备的文件管理、图形接口、安全管理、 网络通信数据处理以及多任务环境等，并提供中间软件与应用程序开发接口，使应用软件的 开发与执行更加方便、效率。 如今，信息科技的迅速发展，人们对嵌入式产品的要求越来越高，所以具备多功能的复 合型的嵌入式系统逐渐成为主流，因此，整个嵌入式系统架构也趋于复杂，通用型操作系统 也进入了嵌入式的领域。 近年来，嵌入式操作系统蓬勃发展，各种产品如雨后春笋般不断涌现，并应用于不同领 域中。目前市场上比较成熟的嵌入式操作系统主要有u c o s i i 、p a l mo s 、v x w o r k s 、l i n u x ， w i n c e 、e p o c 等，其主要特点和不足如表2 1 所剥5 。 内蒙古人学硕士学位论文 表2 1 嵌入式操作系统比较 t a b l e 2 1c o m p a r i s o no fe m b e d d e do s 操作系统特点不足 多媒体功能强、更好的i n t e r n e t 功能、非开放性导致很 高度模块化、很好的开发环境、与w i n d o w难制定、应用程序庞 百n c e 桌面系统兼容大、非高效节能、版权 费昂贵等 跨平台，裁剪性好、性能稳定、开放自身过于庞大、开 l i n u x源代码、内核小、效率高、免费、无线连 发难度较高、未形成标 接、开发速度快、支持软件有限 准 来自欧洲的操作系统、由世界上三大功能以手机为主， e p o c移动电话场厂商诺基亚、爱立信、摩托罗 并不打算授权 拉共同开发，市场潜力巨大 众多支持软件，市场占有率高、开放授权困难 p a l mo s系统，有3 c o m ，s o n y , i b m 等支持，简单 实用 良好的可靠性和卓越的实时性，在工实际应用中不是 业控制领域有广泛的应用所有的实时性要求都 v x w o r k s 必须那么高，在其他应 用中并不普遍 u c o s i i 是基于u c o s 的升级版本，它主要应用于某些 是一种可移植、可固化、可裁剪及可剥夺性命攸关的、安全性条 型的多任务实时内核( r t o s ) ，适用于各种 件极为苛刻的环境下， u c o s i i微处理器和微控制器。其性能足可媲美商其他实际应用领域并 用内核，在某些方面甚至更佳，所有代码不普遍 用a n s i 的c 语言编写，故具有良好的可 一致性，安全性与稳定性好 从表中可以看出，w i n c e 凭借其良好的实时性、高度模块化、开发环境好、与桌面系统 兼容等优势，越来越广泛的应用于工业数据采集控制及各种便携式仪器设备中。 堕坚堕墼l 2 4 2w i n d o w s c e 内存管理 i h 。i ! 兰! w n d o w s 操作系统一样，w i n d 。w sc e 也支持3 2 位虚拟内存机制、按需分配内存 竺2 存映射文件等。但是与其它w i n d 。w s 操作系统又有明显的不同。毕竟d 。二2 ；二二 竺竺全兰享时性的操作系统，在内存管理方面必须要比其它w n d 。w s 操作系统更节约物磊内 耋竺虚竺地址空间。在内存管理a p i 方面，w i n d 。w sc e 和其它w i n d 。w s 操作系统：主；磊 w i n c e 5 0 只能管理5 1 2 m 的物理内存和4 g b 大小的虚拟地址空间。不同的c p u 内存管 耋竺! 兰兰不同，对于m i p s 和s 舣系列c p u 来说，物理地址映射是由c p u 来完成的，内 兰：兰苎接兰? 5 1 2 m 的物理蝻。对于x 8 6 系列和删系列的c p u 抛在内核磊而： 鍪兰程中，它会将物理内存地址全部映射到0 x 8 0 0 00 0 0 0 以上的虚拟地址空间中供内核以后 f f f ff f f f 8 0 0 00 0 0 0 4 2 0 00 0 0 0 0 4 0 00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 图2 2w i n c e 内存结构 f i g u r e 2 2m e m o 盯s t r u c t u r eo fw i n d o w s c e 黧竺虚拟地址空间主要划分为两部分从o x 8 0 0 0 0 0 0 0 以上为内核使用部分，o x 8 0 0 0 0 0 0 0 以下为应用程序使用部分，详细见表2 2 内蒙古大学硕士学位论文 袁2 2w i n c e 虚拟空间划分 t a b l e 2 2v i r t u a ls p a c eo fw i n d o w s c e 地址范围用途 o x 0 0 0 0 0 0 0 0 一d x 41f f f f f f 由所有应用程序使用。共3 3 个槽，每个槽占3 2 m b ( 1 g + 3 2 m b )槽0 ( s l o t0 ) 由当前占有c p u 的进程使用，槽1 由 x i pd l l 使用。其他槽用于进程使用，每个进程 占用一个槽 0 x 4 2 0 0 0 0 0 0 - - o x 7 f f f f f f f由所有应用程序共享的区域。3 2 m b 地址空问有时 ( 1g 3 2 m b ) 不能满足一些进程的需要，那么进程可以使用这 个地址范围的地址空间，在这个区域里可以建堆、 创建内存映射文件、分配大的地址空间等。 0 x a o o 0 0 0 0 0 0 x b f f f f f f f 在这个范围内核重复定义0 x 8 0 0 00 0 0 0 到0 x 9 f f f ( 5 1 2 m b ) f f f f 之间定义的物理地址映射空间，区别是在这 个范围内映射的虚拟地址空间不能够用于缓冲。 0 x c 0 0 0 0 0 0 0 也c1f f f f f f 系统保留空间 ( 3 2 m b ) 0 x c 2 0 0 0 0 0 0 瞅c 3 f f f f f f 内核程序n k e x e 使用的地址空间 ( 3 2 m b ) o x c 4 0 0 0 0 0 0 d x d f f f f f f f这个范围为用户定义的静态虚拟地址空间，但这 ( 4 4 8 m b ) 个地址空间只能用于非缓冲使用。 0 x e 0 0 0 0 0 0 0 - - 4 ) x f f f f f f f f内核使用的虚拟地址，当内核需要大的虚拟地址 ( 5 1 2 m b ) 空间时，会在这个范围内分配。 2 4 3w i n d o w s c e 数据库特点 微软推出s q ls e v e r 数据库，功能强大，使用方便。其针对嵌入式设备的版本为s q l s e v e rf o rc e ，简称s q l c e 。s q l c e 主要支持的功能如下： 1 ：压缩的数据库引擎和强大的查询优化器 2 ：支持多用户访问 3 ：支持合并复制与远程数据访问( r d a ) 内蒙吉大学硕1 ：学位论文 4 ：s q l c e3 0 工具与m i c r o s o f ts q l s e v e r2 0 0 5 集成 5 ：与v s 2 0 0 5 集成 6 ：安装与连接向导 7 ：在台式机上创建s q l c e 3 0 数据库的功能。 8 ：用于s q l c e 3 0 ( s y s t e m d a t a s q l s e r v e r c e ) 的n e tc o m p a c tf r a m e w o r k 数据访问接i s l 9 ：支持a d o n e t 和o l ed bp r o v i d e rf o rs q l c e3 0 1 0 ：s q l 语法的子集 2 5 本章小结 本章给出了风电机组数据采集平台的功能要求，根据要求选取了平台建立的软硬件。简 要介绍了相关的硬件平台资源，分析论述了平台上微处理器的性能，着重对嵌入式w i n d o w s c e 系统进行了介绍，分析了w i n d o w s c e 相比其他嵌入式操作系统的一些特点，并简要介绍 了w i n d o w c e 5 0 的内存管理和嵌入式数据库，为后续驱动程序和应用系统的开发奠定基础。 内蒙古大学硕1 j 学位论文 第三章w i n d o w s c e 5 0 系统移植 w i n d o w s c e 系统的移植包括b o o t l o a d e r 的移植、o a l 层的移植和操作系统内核的定制。 操作系统的移植过程中，在参考三星官方的$ 3 c 2 4 4 0b s p 包的基础上，根据系统具体硬件平 台对b o o t l o a d e r 和o a l 层代码做出相应的修改，之后利用p l a t f o r mb u i l d e r 5 0 完成操作系统 的定制。 3 1b o o t l o a d e r 的移植 系统成功地启动是系统正常运行的先决条件，嵌入式系统的启动方式有两种：一种是直 接由操作系统开机，也就是从f l a s h 直接启动映像文件，在此情况下，f l a s h 必须具有支持开 机的功能，如果f l a s h 或r o m 无法开机，就不能使用这种开机方式。另一种是使用启动加载 器( b o o t l o a d e r ) 开机，b o o t l o a d e r 是操作系统内核运行前运行的一段小程序，主要完成的功 能是初始化系统硬件、建立内存空间映射图等，从而将系统的软硬件配置到一个合适的状态， 为调用操作系统内核准备正确的环境 5 1 。这种情况下，先将b o o tl o a d e r 预先加载到r o m 中， 然后使用r o m 来开机。当电源启动时，会从r o m 的o 地址处开始执行启动工作，将b o o t l o a d e r 加载到系统中，执行硬件初始化工作，然后将映像文件复制到r a m 里面，把控制权交给位 于r a m 中的操作系统映像文件，这样整个系统就开始运行了，图3 1 是a r m 系统的两种开 机方式示意图。 图3 1a r m 系统开机启动两种方式 f i g u r e 3 1t w ow a y so f a r ms y s t e mb o o t 内蒙古人学硕上学位论文 本课题系统中，采用b o o t l o a d e r 引导的方式启动系统，b o o tl o a d e r 主要是由o e ms t a r t - u p 函数和m a i n 函数代码两段程序组成的。 3 1 1b o o tl o a d e r 中的s t a r t u p 函数 b o o t l o a d e r 中最先执行的代码是s t a r t u p 函数，该函数用汇编语言编写，它并没有固定的 格式，只要开发者知道如何启动平台，便可以自行设计和撰写。其最主要功能是执行芯片级 初始化：禁止中断，配置系统时钟频率，复制b o o tl o a d e r 镜像到内存，设置存储器的读写周 期，构造内存映射表，启用m m u ，并启用虚拟内存等操作。 本系统中，b o o tl o a d e r 的执行流程如图3 2 。 定义物理地址和页表的基地址 定义处理器模式，堆栈空间 上 清空t l b 、指令c a c h e 、数据c a c h e 0 关闭相关中断 上 设置时钟 毒 初始化内存控制器 0 拷贝b o o t l o a d e r 到r a m 中 上 运行b o o t l o a d e r 上 i 构造页表并启动m m u 山 跳转到m a i n 函数 图3 2b o o t l o a d e r 的s t a r t u p 执行流程 f i g u r e 3 2t h ep r o c e s so fs t a r t u pi nb o o t l o a d e r 3 1 2b o o tl o a d e r 中的m a i n 函数 b o o tl o a d e rm a i n 函数负责控制操作系统加载的过程，包括初始化纠错端口、中断以及 内蒙古大学硕1 j 学位论义 s t a r t - u p 函数中尚未启动的硬件，并负责下载前的所有工作，然后将操作系统映像文件下载至 内存中，接着启动操作系统，将控制权交给操作系统。 图3 3b o o t l o a d e r 的m a i n 函数执行流程 f i g u r e 3 3 t h ep r o c e s so fm a i ni nb o o t l o a d e r 这里首先进行纠错端口初始化，本系统中使用串口作为纠错端口来输出调试信息，接着 在目标平台初始化中，启动一些中断，然后将操作系统的映像文件下载至r a m 中，最后启 动操作系统并将控制权交给操作系统。 3 1 3 虚拟地址映射 w i n d o w s c e 是一个保护模式下的操作系统，因此应用程序可以智能访问虚拟地址空间。 在w i n d o w s c e 操作系统启动时，创建一个线性的3 2 位的虚拟地址空间( 共4 g ) ，这个虚拟