（系统工程专业论文）基于ARM的嵌入式系统研究与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 论文在目前流行开发嵌入式系统的背景下，选择了基于a r m 架构的 $ 3 c 4 4 8 0 处理器作为本研究内容的硬件基础。以$ 3 c 4 4 8 0 为核心设计开发出 了作为嵌入u c l i n u x 操作系统的硬件平台。作为研究u c l i n u x 操作系统的环境， 硬件平台扩展了u s b 、串口及液晶显示器接口，体现了作为一个开发环境所具 有的基本功能。论文详细说明了各部分的电路原理及设计方法。 u c l i n u x 操作系统的运行与嵌入式系统的硬件平台直接相关的，在不同的 硬件上嵌入的u c l i n u x 差异也较大。本论文针对所设计的硬件平台，分析u c l i n u x 的内核结构。根据操作系统内存及文件管理机制，给出了u c l i n u x 小型化的方 法。在此基础上，论文参考了4 5 1 0 上已经运行成功的u c l i n u x 操作系统版本， 详细给出了u c l i n u x 移植过程，对u c l i n u x 部分源码进行了改造，给出了修改部 分的内容。最后总结了对内核源码改造的重点，以及需要注意的问题，并成功 的实现了u c l i n u x 在此硬件平台上的嵌入与运行。 在完成操作系统嵌入之后，论文还以液晶显示器( u ：d ) 为对象，研究与探 讨了驱动程序的开发，并具体地设计了l c d 驱动程序，给出了如何编译进内核 的方法。 论文主要从嵌入式系统应用与实践的角度出发，以a r m 处理器$ 3 c 4 4 8 0 为基础，阐述了嵌入式系统基本理论以其开发与应用方法。论文做到了可读性 和实用性相结合。 关键词：嵌入式系统；$ 3 c 4 4 8 0 ；u c l i n u x 内核；驱动程序 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s t r a c t t h i st h e s i st a k e sd e v e l o p i n ge m b e d d e ds y s t e ma st h eb a c k g r o u n d ，w h i c hi s p o p u l a ra tp r e s e n t ，c h o o s i n gt h e $ 3 c 4 4 8 0p r o c e s s o rw h i c h i sb u i l to nt h eb a s i so f a r ma st h eh a r d w a r ef o u n d a t i o no ft h i st h e s i s t h i st h e s i sr e g a r d s $ 3 c 4 4 8 0a st h e c o r ea n dd e v e l o p sah a r d w a r ep l a t f o r mw h i c hi se m b e d d e dw i t hu c l i n u xo p e r a t i n g s y s t e m t h eu s b ，t h es e r i a lp o r ta n dt h ei n t e r f a c e o fl i q u i dc r y s t a l d i s p l a ya r e e x t e n d e di nt h i sh a r d w a r ep l a t f o r mw h i c hi s r e g a r d e d a st h ee n v i r o n m e n to f s t u d y i n gt h e n c l i n u xo p e r a t i n gs y s t e m ，w h i c hs h o w st h eb a s i cf u n c t i o n so fa d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t t h i st h e s i si l l u m i n a t e st h a tt h ec i r c u i tt h e o r yo fe v e r y p a r ta n d t h ed e s i g nm e t h o d t h eu c l i n u xo p e r a t i n g s y s t e mi sd i r e c t l yc o r r e l a t e dw i t h t h eh a r d w a r ep l a t f o r m o ft h ee m b e d d e ds y s t e m t h eu c l i n u xe m b e d d e di sg r e a t l yd i f f e r e n tw i t hd i f f e r e n t h a r d w a r e t h i st h e s i s a n a l y s e s t h ek e r n e lo fu c l i n u xa i m i n ga tt h e d e s i g n i n g h a r d w a r ep l a t f o r m a c c o r d i n gt ot h em e m o r yo ft h eo p e r a t i n gs y s t e ma n dt h e m a n a g e m e n t m e c h a n i s mo ft h e d o c u m e n t a t i o n ，t h ed e s i g nt e c h n i q u e o f m i n i a t u r i z a t i o no ft h en c l i n u xi sa c h i e v e d 。o nt h i sb a s i s ，t h i st h e s i sr e f e r st h e u c l i n u x o p e r a t i n gs y s t e mw h i c h h a sr i ns u c c e s s f u l l yo nt h eh a r d w a r ep l a t f o r mo f 4 5 1 0 t h et r a n s p l a n tc o u r s eo ft h eu c l i n u xi sp r o v i d e di nd e t a i l s o m eo ft h es o u r c e c o d eo ft h eu c l i n u xi sm o d i f l e da n dt h er o o d i 矗e dc o n t e n ti sp r o v i d e da l s o a tl a s t ， t h i st h e s i ss u m m a r i z e st h ek e y s t o n eo fm o d i f y i n gt h es o u r c ec o d e ，p u t t i n gf o r w a r d s o m ei s s u e sw en e e dt op a ya t t e n t i o nt o ，a n dr e a l i z e se m b e d d i n ga n dr u n n i n go f u c l i n u xo nt h i sh a r d w a r ep l a t f o r m a f t e r e m b e d d i n g t h e o p e r a t i n gs y s t e m ，t h i s t h e s i s r e g a r d sl i q u i dc r y s t a l d i s p l a y ( l e d ) a s t h eo b j e c t ，s t u d y i n ga n dd i s c u s s i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h ed r i v e r ， a n dd e s i g n st h ed r i v e ro ft h el e dc o n c r e t e l y , p r e s e n t i n gt h em e t h o d0 1 1h o wt o c o m p i l e t h ek e r n e l o nt h ea n g l eo fa p p l i c a t i o na n dp r a c t i c eo fe m b e d d e ds y s t e m ，t h i st h e s i s i l l u m i n a t e st h eb a s i ct h e o r ya n dt h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e mb a s e do n p r o c e s s o r $ 3 c 4 4 8 0o fa r m t h i st h e s i sa c c o m p l i s h s t h ec o m b i n a t i o no ft h e r e a d a b i l i t y a n d p r a c t i c a b i l i t y k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，s 3 c 4 4 8 0 ，u c l i n u xk e r n e l ，d r i v e r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 嵌入式系统的现状 第1 章绪论 按照i e e ( 电气工程协会) 的定义：嵌入式系统是只指用来控制或监视 机器、装置或工厂等大规模系统的设备。嵌入式系统是信息产业走向2 1 世纪 知识经济时代的最重要的经济增长点之一，它促进了传统工业领域的交叉与 融合，打破了行业的界限和垄断性( 这是一个不可垄断的行业) ，为整个信息 产业带来了机遇和挑战。嵌入式工业的基础是以应用为中心的芯片设计和面 向应用的软件开发。实时多任务操作系统( r t o s ) 进入嵌入式系统工业的意 义，不亚于历史上机械工业采用三视图技术后的发展，为嵌入式软件提供了 标准，大大加速知识的创新。同时，嵌入式l i n u x 的巨大优越性让我们将目光 都投向它的研究与应用上。以嵌入式为平台开发嵌入式应用必有光明的前途。 对于目前的嵌入式，一般来讲具有以下特点：( 1 ) 嵌入式是将先进的计算 机技术、半导体技术以及电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物。这 一点就决定了它必然是一个技术密集、奖金密集、高度分散、不断创新的知 识集成系统。( 2 ) 嵌入式系统通常是面向用户、面向产品、面向特定应用的。 ( 3 ) 嵌入式系统和具体应用有机结合在一起，其升级换代也是和具体产品同 步进行的的( 4 ) 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中，而不是存贮于磁感应盘等载体中。( 5 ) 嵌 入式系统本身并不具备在其上进行进一步开发的能力。修改时必须借助于一 套开发工具和环境。( 6 ) 通用计算机的开发人员通常是计算机科学或者计算 机工程方面的专业人士，而嵌入式系统开发人员却往往是各个应用领域中的 专家i ”。 具体的说，嵌入式由两部分组成：一部分是硬件，一部分是操作系统。实际 上在嵌入式这个名字出来之前，单片机是我们熟悉的名字。硬件主要是嵌入 式微控制器，俗称单片机。在操作系统没加进来之前，单片机主要是固化程 序，主要由汇编语言写成，并且一种处理器只能用特定的汇编语言，当这种 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 处理器升级之后，这种嵌入式系统也就没用了。这个时候的嵌入式系统很多 都不是操作系统，他们只是为了实现某个控制功能，使用一个简单的循环控 制对外界的控制请求进行处理。不可否认，这对，一些简单的系统而言是足够 的。但是当我们的系统越来越复杂，利用的范围越来越广泛的时候，没有操 作系统就成为了一个最大的缺点了，因为需要添加一项新功能都可能需要从 头开始设计，否则只能增加开发成本和系统复杂度。操作系统进入之后，嵌 入式系统才真正的发展起来，有了质的飞跃f 甜。 对硬件部分来讲，目前世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过 i 0 0 0 种，流行的体系结构包括m c u 、m p u 等3 0 多个系列，速度越来越快，性能 越来越强，价格也越来越低。典型的嵌入式处理器有：( 1 ) a r m 处理器。 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h ir l e s ) 公司是全球领先的1 6 3 2 位r i s c 微处理器知识 产权设计供应商。a r m 公司通过将其高性能、低成本、低功耗的r i s c 微处理嚣， 外围和系统芯片设计技术转让给合作伙伴来生产各具特色的芯片。a r m 公司已 成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌入式解决方案的r i s c 标准。a r m 处理器有三个特点：一是小体积、低功耗、低成本而高性能；二是1 6 3 2 位双 指令集；三是全球众多的合作伙伴。a r m 处理器分a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m i o 、 a r m l l 和s e c u r c o r e 系列。其中a r m 7 是低功耗的3 2 位核，最适合应用于对价位 和功耗敏感的产品。它又分为适用于实时环境的a r m 7 t d m i 、a r m 7 t d m i s ，适 用于开放平台的a r m 7 2 0 t ，以及适用于d s p 运算及支持j a v a 的a r m t e j 等。 ( 2 ) m i p s 处理器。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 t e r l o c k e dp i p e li n e s t a g e s ) 技术公司是一家设计制造高性能、高档次嵌入式3 2 6 4 位处理器的厂 商。在r i s c 处理器方面占有重要地位。m i p s 公司设计r i s c 处理器始于2 0 世纪 8 0 年代初，其战略现已发生变化，重点已放在嵌入式系统。1 9 9 9 年，m i p s 公 司发布m i p s3 2 和m i p s6 4 体系结构标准，为未来m i p s 处理器的开发奠定了基 础。m i p s 公司陆续开发了高性能、低功耗的3 2 位处理器核m i p s3 24 k c 和高性 能6 4 位处理器核m i p s6 45 k c 。为了使用户更加方便地应用m i p s 处理器，m i p s 公司推出了一套集成开发工具，称为m i p si d f ( i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n t f r a m e w o r k ) ，特别适合嵌入式系统的开发。( 3 ) p o w e r p c 处理器。p o w e r p c 体系 结构的特点是可伸缩性好，方便灵活。p o w e r p c 处理器品种很多，既有通用处 理器，又有微控制器和内核。其应用范围非常广泛，从高端的工作站、服务 器到台式计算机系统，从消费类电子产品到大型通信设备，无所不包。基于 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 p o w e r p c 体系结构的处理器有i b m 公司开发的p o w e r p c4 0 5g p ，它是一个集成 1 0 1 0 0 m b p s 以太网控制器、串行和并行端口、内存控制器以及其他外设的高 性能嵌入式处理器。( 4 ) m c 6 8 k c o l d f i r e 处理器。a p p l e 机以前使用的就是 m o t o r o l a 6 8 0 0 0 ( 6 8 k ) ，比i n t e l 公司的8 0 8 8 还要早。但现在，a p p l e 、m o t o r 0 1 a 公司己放弃6 8 1 ( 而专注于a r m 了。( 5 ) x 8 6 处理器。x 8 6 系列处理器是最常用的， 它起源于i n t e l 架构的8 0 8 0 ，发展到现在的p e n t i u m 4 、a t h l o n 和a m d 的6 4 位处 理器h a m m e r 。4 8 6 d x 是当时与a r m 、6 8 k 、m i p s 、s u p e r h 齐名的五大嵌入式处理 器之一。现有基于x 8 6 的s t p c 高度集成系统【3 】。 对操作系统来讲，目前比较流行的操作系统有：( 1 ) m i c r o s o f tw i n d o w s c e 是一个高效率的多平台操作系统。它不是削减w i n d o w 9 5 版本整体上为有 限资源的平台设计多线程、完整优先权、多任务的操作系统，从s e g a 的d r e a m l a s t 游戏机到现在许多高价掌上电脑，都采用了w i n d o wc e ，但价格太高。 ( 2 ) p s o s 现在属于w i n r i v e r 公司的产品，原来拥有p s o s 的i s i 公司已被 w i n r i v e r 公司兼并。这是一个模块化，高性能的实时操作系统，专为嵌入式 微处理器设计，提供一个完全多任务环境，在定制的或是商业化的硬件上提 供高性能和高可靠性。可以让开发者将操作系统的功能和内存需求按每个应 用的需要定制成专门的系统。开发者可以利用它来构建从简单的单个独立设 备到复杂的、网络化的多处理器系统。( 3 ) v x w o r k s 是目前嵌入式系统领域中 使用最广泛，市场占有率最高的系统。支持多种处理器。但使用的是和u n i x 不兼容的环境，大多数的y x w o r k s 的a p i 是专有的。( 4 ) q n x 是一个实时的可扩 充的操作系统，遵守p o s i x 1 ( 程序接口) 和p o s i x 2 ( 8 h e l l 和工具) 提供一 个很小的微内核以及些可选的配合进程，其内核仅提供4 种服务：进程调度、 进程间通信、底层网络通信和中断处理。q u x 内核由于进程在独立空间运行。 所有其它o s 服务，都由协作的用户进程实现，因此非常小巧，且运行极快。 ( 5 ) 3 c o m 公司的p a l m 0 s 在p d a 市场占有很大份额，有开放的操作系统应用程 序接口( a p i ) ，大部分应用程序均为其它厂商和个人所开发。( 6 ) m i c r o w a v e 的0 5 - 9 是为微处理器的关键实时任务而设计的操作系统，应用广泛，灵活性 和可升级性非常突出。( 7 ) l y n xr e a l t i m es y s t e m s 提供一些传统的，非实 时系统的服务特征u n ”。 当前，嵌入式系统正处在一个飞速发展和激烈竞争的时代。在未来的几 年里，这种发展和竞争将达到自热化的程度。就嵌入式技术和市场来说，国 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 外发展速度极快，技术日趋成熟，市场格局基本形成：而国内发展也增长很 快，市场潜力很大。在国外，嵌入式系统硬件，特别是嵌入式c p u 的处理能力 提升较快，由8 位、1 6 位升级n 3 2 位，掌上电脑、p d a 、智能手机、智能汽车 等新产品层出不穷，产业规模日益壮大。在国内，嵌入式系统关键硬件主要 靠国外引进，技术基础比较薄弱。然而国内的个人数字助理( p d a ) 市场火爆， 掌上电脑、机顶盒等产品进入市场后也获得用户好评，智能手机市场前景看 好f 3 j f 引。 作为嵌入式系统核心的嵌入式实时操作系统是开发嵌入式应用的关键一 环。在这个领域内，没有通常操作系统环境下的v c i n d o w s 系统那样一枝独秀的 商品。因此，目前国内外相继推出了很多商业化嵌入式操作系统，都在努力 地为自己争取嵌入式市场的份额。国内比较成熟的实时操作系统d e l t a0 s 等 都有成熟的开发平台，已经在一些领域内取得了广泛的应用。同时，由于专 用实时操作系统价格昂贵及源代码不公开，使l i n u x 在嵌入式应用中占有一席 之地。由于l i n u x 自身有诸多优势，吸引了许多开发商的目光，成为嵌入操作 系统的新宠。它的出现无疑为国家发展嵌入式操作系统事业提供了一个极有 吸引力的机会。 1 2 嵌入式系统的应用与发展 嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景，其应用领域可以包括【5 l ： ( 1 )工业控制。基于嵌入式芯片的工业自动化设备具有很大的发展空 间，目前已经有大量的8 、1 6 、3 2 位嵌入式微控制器应用在工业 过程控制、数控机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石 油化工系统等领域。 ( 2 )交通管理。在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面， 嵌入式系统技术已经获得了广泛的应用，内嵌g p s 模块、g s m 模 块的移动定位终端已经在各种运输行业成功使用。 ( 3 )信息家电。这将成为嵌入式系统最大的应用领域，冰箱、空调等 的网络化、智能化将引领人们的生活步入一个崭新的空间。即使 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 不在家里，也可以通过电话线、网络进 远程控制。 f 4 )家庭智能管理系统。水、电煤气表的远程自动抄表，安全防火、 防盗系统，其中嵌入的专用控制芯片将代替传统的人工检查，并 实现更高、更准确和更安全的性能。 f 5 ) p o s 网络及电子商务。公共交通无接触智能卡发行系统、公共电 话卡发行系统、自动售货机、各种智能a t m 终端将全面走入人们 的生活，到时手持一卡就可以行遍天下。 ( 6 )环境监测。环境监测包括水文资料监测、防洪体系及水土质量监 测、堤坝安全、地震监测网、实时气象信息网、水源和空气污染 监测等。 ( 7 )机器人。嵌入式芯片的发展将机器人在微型化、智能亿方面的优 势更明显，同时会大幅度降低机器人的价格，使其在工业领域和 服务领域获得更广泛的应用。 信息时代、数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展机遇，从中可以 看出未来嵌入式系统的几大发展趋势： ( 1 )嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要提 供嵌入软硬件系统本身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和 软件包支持。 ( 2 ) 网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的加大而日 益提高，使得以往单一功能的设备如电话、手机、冰箱、微波炉 等功能不再单一，结构更加复杂。 f 3 1网络互联成为必然趋势。为了适应网络发展的要求，新一代的嵌 入式处理器已经开始内嵌网络接口，根据不同的需要支持各种通 信接口，在软件方面，甚至可以在设备上嵌入w e b 浏览器。 ( 4 )精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本。功耗与成本是嵌 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 入式发展的关键，这就要求设计者选用最佳的编程模型，不断收 进算法，优化编译器性能。 ( 5 )提供友好的多媒体人机界面。嵌入式设备能与用户亲密接触，最 重要的因素就是它能提供非常友好的用户界面、图像界面和灵活 的控制方式，使人们感觉嵌入式设备就象是一个熟悉的老朋友。 这方面要求使得嵌入式软件设计者要在图形界面、多媒体技术上 多下功夫。 嵌入式系统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。所以，介入嵌入式系统行业必 须有一个正确的定位。例如p a l mo s 之所以在p d a 领域占有7 0 以上的市 场，就是因为其立足于个人电子消费品，着重发展图形用户界面和多任务管 理；而w i n d r i v e r 公司的v x w o r k s 之所以在火星车上得以应用，则是因为其 高实时性和高可靠性【6 1 。 1 3 论文的工作及安排 随着半导体技术的发展和信息技术以及数字化产品的普及，从工业设计 到m p 3 、p d a 等消费类电子产品都使用着现代计算机的高新技术以及网络。 而嵌入式系统可以说是现代信息技术中的主流技术，所以说嵌入式的学习， 是掌握信息技术的核心，也是走在时代的前沿。嵌入式系统是一个涉及多门 知识的研究领域，论文的主体内容就是对整个嵌入式系统，以a r m 的 $ 3 c 4 4 8 0 处理器芯片为基础，进行开发，最后嵌入操作系统，开发驱动程序。 可以说通过论文的每一步开发，深入研究整个嵌入式系统的结构，以及开发 过程，对于嵌入式系统有独到的研究。 论文以处理器芯片$ 3 c 4 4 8 0 为核心，设计出最简单的硬件系统，然后再 开始进行调试，通过后硬件没有什么问题，再在其上进行操作系统的嵌入。 嵌入以后，可以进行相应硬件的驱动程序的开发。对于自行设计的硬件平台， 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 主要是供研究开发使用的，因此在基本功能的基础上只有一个液晶显示器外 部硬件接口。但是还预留其它f 向接口，若想在上做其它的硬件部分，把这块 板子做一个小型的p d a 也是书常具有实际意义的。 论文的主体部分以l i n u x 嵌入式操作系统为主要内容，在兼顾硬件的基 础上，对相应的l c d 的驱动程序进行开发与探讨。总体上，论文是以嵌入式 系统开发过程为主线，进行了硬件与操作系统研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 1 选型原则 第2 章嵌入式系统设计方法 2 1 1 硬件平台的选择 嵌入式开发的硬件平台的选择主要是嵌入式处理器的选择。在一个系统 中使用什么样的嵌入式处理器内核主要取决于应用的领域、用户的需求、成 本、开发的难易程度等因素。确定了使用哪种嵌入式处理器内核以后，接下 来就是结合实际情况，考虑系统外围设备的需求情况，选择一款合适的处理 器。下面列出了通常考虑系统外围设备的思路： 夺总线的需求； 夺有没有通用的串行接口( u a r t ) ； 冷是否需要u s b 总线； 夺有没有以太网接口； 冷系统内部是否需要量1 2 c 总线、s p i 总线； 音频d ，a 连接的i i s 总线； 夺外设接口； 夺系统是否需要d 或者d ，a 转换哭器 令系统是否需要i o 控制接口。 另外，还要考虑处理器的寻址空间，有没有片上的h a s h 存储器，处理器 是否容易调试，仿真调试工具的成本和易用性等相关的信息。 在实际过程中，挑选最好的硬件是一项很复杂的工作，充满着各种顾忌 和干扰，包括其他工程的影响以及缺乏完整或准确的信息等。成本经常是一 个关键因素。但还要考虑产品的整体成本，而不要只看到c p u 。因为在整体 结构中，总线和延迟逻辑也是必须要考虑进去的，只有这样才能使系统各种 外设协同工作。要进行必要的系统功能分析，以使所选用的硬件能够完成所 需要的实时处理任务【7 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 1 2 操作系统的选型原则 在嵌入式系统的开发中，嵌入式软件是实现各种系统功能的关键，也是 计算机最活跃的研究方向之。不同应用对嵌入式软件系统有不同的要求， 并且随着计算机技术的发展，这些要求也在不断的变化。通常，应用系统对 嵌入式软件的基本要求是占用内存空间小、执行速度快、具有较好的可裁性 和可移植性。但随着嵌入式系统的发展和应用的多样性，对嵌入式软件的要 求也发生了以下变化吼 ( 1 ) 需要操作系统的支持 嵌入式系统覆盖面很广，从简单到复杂度很高的系统都有，这主要是由 具体的应用要求决定的。简单的嵌入式系统根本没有操作系统，而只是一个 控制循环。但是当系统变得越来越复杂时，就需要一个嵌入式操作系统来支 持，否则应用软件就会变得过于复杂，使开发难度过大，安全性和可靠性都 难于保证。 ( 2 ) 支持多任务并具有实时性 在多任务嵌入式系统中，合理的任务调度必不可少。单纯通过提高处理 器速度无法达到目的，这样就要求嵌入式系统的软件必须具有多任务调度能 力。现在，多任务实时操作系统在这一领域的地位显得越来越重要。 ( 3 ) 强大的联网功能 大部分传统的嵌入式操作系统都是孤立的，但在网络日益重要的今天， 越来越多的嵌入式系统有了联网的要求。嵌入式系统与各种网络相连，尤其 是与因特网连接，给系统提出了很多的新的要求，系统需要支持t c p i p 协 议和相关实用程序，并且需要处理安全认证和访问控制问题。这就需要具有 网络功能的嵌入式操作系统的支持。 ( 窗口交互功能 很多应用领域都要求嵌入式系统能够提供传统上只有在p c 机和高端系 统中才能提供的类似于xw i n d o w 的窗口交互系统。这对在运行空间和运行 速度方面都有苛刻要求的嵌入式系统提出了挑战，因为这些窗口系统一般都 要求比较高的硬件配置，并且还要解决运行速度缓慢等问题。 实际上嵌入式操作系统的选择主要从以下几个方面加以考虑： ( 1 ) 操作系统的硬件支持 夺是否支持目标硬件平台 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 k 如果在此之前已经确定了嵌入式微处理器，可以立即把不支持这款处到 器的操作系统从候选名单中拔除。但目前很多商用型嵌入式操作系统大多i 备支持多种微处理器的能力，典型的有x 8 6 系列、a r m 系列、m o t o r o l a 系列：， 对于免费型的l i n u x 和u c o s 而言，世界上已有众多的爱好者把它们移植到 了不同的硬件平台上，因此往往可以很容易找到一个移植的范例。但是这种 硬件平台的也是指通用型的，这里面有很多细节问题，并不是别人移植成功 了，就代表在自己的硬件平台上就能成功。 夺可移植性 可移植性即操作系统相关性。当进行嵌入式软件开发时，可移植性是耍 重点考虑的问题。因为具有良好可移植性的软件可以在不同平台、不同系统 上运行，跟操作系统无关。软件的通用性和软件的高性能通常是矛盾的。很 难设想开发一个嵌入式软件而仅能在某一特定环境下应用，如果换了一个环 境或处理器平台，整个软件就要重新设计，这往往是设计者所不能接受1 9 j 。 ( 2 ) 开发工具的支持程度 一个工程师选择实时操作系统时必须要考虑与之相关的开发工具。在线 仿真器( i c e ) 、编译器、汇编器、连接器、调试器以及模拟器等都不同程度影 响着操作系统。有些在线仿真器供应商提供其i c e 与实时操作系统接口的软 件。检查一下在线仿真器是否能与实时操作系统( r t o s ) 协同工作，这在调试 那些最隐蔽的小错误时是很有用的。然而，重要的要了解在线仿真器的操作 对性能的影响。有时在线仿真器执行操作时会增加系统的额外开销，对给定 的微处理器家族上的某种操作系统来说，很可能操作系统供应商只支持所有 可用编译工具( 包括编译器、汇编器和连接器) 的一个子集。应该确认供应商 支持所能用到的部分。同时，要考虑到的一个问题是这种实时操作系统与使 用的编译器要能够兼容。 2 2 设计方法 2 2 1 设计流程 如图2 - 1 所示，嵌入式系统设计一般由5 个阶段构成：需求分析、体系 结构设计、硬件软件设计、系统集成和系统测试。各个阶段之间往往要求不 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 断的反复和修改，直至完成最终设计目标。 1 系统需求分析 确定没计任务和设计目标，并提炼出设计规格说明书，作为正式设计指 导和验收的标准。系统的需求一般分功能需求和非功能性需求两方面。功能 性需求是系统的基本功能，如输入输出信号、操作方式等；非功能需求包括 系统性能、成本、功耗、体积、重量等因素。 2 - 1 嵌入式系统的设计阶段 2 体系结构设计 描述系统如何实现所述的功能和非功能需求，包括对硬件、软件和执行 装置的功能划分以及系统的软件、硬件选型等。一个好的体系结构是设计成 功与否的关键。 3 硬件软件设计 基于体系结构，对系统的软件、硬件进行详细设计。为了缩短产品开发 周期，设计往往是并行的。应该说，嵌入式系统设计的工作大部分都集中在 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 软件设计e ，采用面向对象技术、软件组件技术、模块化设计是现代软件工 程经常采用的方法。 4 系统集成 把系统的软件、硬件和执行装置集成在一起，进行调试，发现并改进单 元设计过程中的错误。 5 系统测试 对设计好的系统进行测试，看其是否满足规格说明书中给定的功能要求。 针对系统的不同的复杂程度，目前有一些常用的系统设计方法，如瀑布设计 方法、自顶向下的设计方法、自下向上的设计方法、螺旋设计方法、逐步细 化设计方法和并行设计方法等，根据设计对象复杂程度的不同，可以灵活地 选择不同的系统设计方法。 2 2 2 一般设计方法 通常在单片机系统的开发和应用中，是按照如图2 - 2 所示的流程进行的。 在嵌入式系统的应用开发中，整个系统的开发过程将改变为如图2 - 3 所示的 过程【5 1 0 可见，在应用嵌入式系统开发的过程中，因为对每一个处理器的硬件平 台都是通用的、固定的、成熟的。但是不同的硬件系统对应于操作系统也有 不同的要求，假若对内存耍求不是那么高，可以选择操作系统兼容性大的， 若是对操作系统要求高，即要求比较精简的内核，就要在这样的平台上进行 调试，最主要的是要想在硬件平台上进行再次的硬件扩展，在操作系统上添 加驱动程序是必不可少的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 2 2 单片机系统的开发流程 综上所述，嵌入式系统的开发可以说是在硬件部分已经普遍通用的情况 下主要是对操作系统要求越来越高，如何调试出精巧、简便的内核，以及在 其上进行开发出特定的应用程序是将来主要的任务。 2 - 3 嵌入式系统的开发流程 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 第3 章硬件开发 目前在嵌入式开发系统市场特别繁荣，各个公司开发的系统明目繁多， 选择一种适合研究开发的系统比较困难。因为从性价比上来讲，各种豪华板 子有时并不适合开发，在这之上开发内容并不是很多，有时只是一小部分， 而大部分功能在闲置着，并且在调试的过程中经常容易出问题，如果损坏板 子就更麻烦了，在这种情况下，独自开发一种小型的、比较经济硬件平台是 最合适的，下面就介绍本设计。 3 1 芯片s 3 c 4 4 b o 3 1 1 简介 s a m s u n g 公司的s 3 c 4 4 8 0 x 1 6 3 2 位r i s c 处理器为手持设备和一般应用提供 了高性价比和高性能的微控制器解决方案“。图3 1 为s 3 c 4 4 b o x 框图。为了 降低整个系统成本，s 3 c 4 4 b o x 还提供以下部件：8 k bc a c h e 、可选内部s r a m 、 l c d 控制器、2 个u a r t 、4 个d m a 、系统管理( 芯片选择逻辑、f p e d o s d r a m 控制 器) 、6 个带p w m 的定时器、i o 口、r t c 、8 通道1 2 位a d c 、i i c i i s 总线接口、 同步s i o 接口和时钟p l l 。 s 3 c 4 4 b o x 是使用a r m t t d m i 核、0 2 5 u m c m o s 标准单元和存储器编译开发的 “3 m “3 。它的低功耗和全静态设计使得其特别适用予成本敏感和功耗敏感的应 用。s 3 c 4 4 b o x 的杰出特性是它的c p u 核，是由a r m 公司设计的a r m 7 t d m i r i s c 处理器( 6 6 m h z ) “”。 s 3 c 4 4 b o x 的特性如下： 1 6 3 2 的r i s c 体系结构。 高效、强大的a r m t t d m ic p u 核。 3 2 x 8 硬件乘法器。 新总线体系结构( s a m b a ) 。 8 k b 指令数据c a c h e ( s r a m ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 支持外部总线主控模式。 性价比高基于j t a g 调试的解决方案。 系统管理( 外部总线8 位、1 6 位、3 2 位) ： 一总2 5 6 m b 地址存储体( b a n k ) ； 一支持小大端存储器； 一3 个存储体( r o m s r a m i f p e d o s d r a m ) 。 | ：螋| ha r m t i d m i j。r 晒。曲e 爿亥 _ l 2 i l l t l i u a r t l 6 酿柱kj 、7 l ( s 翻) s r a m l 0 r d a ) k _ ll j 蘑自如i o l ；醐酣i l 电彝囊螨| h | 麟瞒由黔l 卜嘲磐瞧b f l 时器一r 1 i 鬻卷黜| h 系统总线腔耕嚣 l1 雒德埘器_ ；r 7 - 系统总鞋鳞4 器 鹄附蛾l |ii ；l 【0 轻晦j ，| h 总线接口存储控制器 1 1 销掌| h暑g ( 1 通嘞l 图3 - 1s 3 c 4 4 8 0 框图 时钟和功耗管理： 一低功耗( i d 。 1 个内部定时器。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 时钟：3 2 7 6 8 k h z 工作。 通用i o 口：最多7 1 1 个o 口。 1 个s i o 2 个u a r t 带1 6 字节f i f o 或基于中断( 支持i r d ai 0 ：1 1 5 k b s ) 。 2 个通用d m a 控制器，2 个d m aa d 转换器： 一8 路多路开关a d c ； 一5 0 0 k s p s 1 0 ： 一读命令启动a d c 转换不浪费a d 转换时间； 一1 个中断源。 l c d 控制器： 一支持彩色单色灰色l c d 板； 一支持单扫描和双扫描显示； 一系统存储器用作显示存储器； 一可编程屏幕尺寸； 一灰度等级：1 6 色； 一色彩：1 6 色； 一专用d m a 用于从系统存储器取映像数据。 1 6 位看门狗定时器。 1 2 c 控制器： 一1 个i2 c 总线控制器； 一串行、8 位、双向数据传送在标准模式高达l o o k b s 或在快速模式 高达4 0 0 k b s 。 i2 s 总线用于c o d e c 接口。 工作频率：达6 6 m h z 。 2 5 0 2 v 内核供电，3 3 0 3 vi o 供电。 封装类型：1 6 0 - l q f p ，1 6 0 一f b g a 。 3 。1 。2 管脚描述 引脚信号如下： o m 1 ：0 输入：o m 1 ：0 设，s 3 c 4 4 b o x 在测试模式和确定n g c s o 的 总线宽度，逻辑电平在复位期闻由这些管脚的上拉下拉电阻确定。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 a d d r 2 4 ：0 输出：地址总线，输出相应段的存储器地址。 d a t a 3 1 ：0 输入输出：数据总线，总线宽度可编程为8 1 6 3 2 位。 n g c s 7 ：0 输出：芯片选择，当存储器地址在相应段的地址区域时 被激活，存取周期和段尺寸可编程。 n w e 输出：写允许信号，指示当前的总线周期为写周期。 n n b e 3 ：0 输出：写字节允许信号。 n b e 3 ：0 输出：在使用s r a m 情况下字节允许信号。 n o e 输出：读允许信号，指示当前的总线周期为读周期。 n x b r e q 输入：n x b r e q 总线控制请求信号，允许另一个总线控制器 请求控制本地总线，n x b a c k 信号激活指示已经得到总线控制权。 n x b a c k 输出：总线应答信号。 n w a i t 输入：n w a i t 请求延长当前的总线周期，只要n w a i t 为低，当 前的总线周期不能完成。 e n d i a n 输入：它确定数据类型是l i t t l ee n d i a n 还是b i ge n d i a n ， 逻辑电平在复位期间由该管脚的上拉下拉电阻确定。 n r a s 1 ：0 输出：行地址选通信号。 n c a s 3 ：0 输出：列地址选通信号。 n s r a s 输出：s d r a m 行地址选通信号。 n s c a s 输出：s d r a m 列地址选通信号。 n s c s 1 ：0 3 输出：s d r a m 芯片选择信号。 d q m 3 ：0 3 输出：s d r a m 数据屏蔽信号。 s c l k 输出：s d r a m 时钟信号。 s c k e 输出：s d r a m 时钟允许信号。 v d 7 ：0 输出：l c d 数据线，在驱动4 位双扫描的l c d 时，v d 3 ：0 为上 部显示区数据，v d 7 ：4 为下部显示区数据。 v f r a m e 输出：l c d 场信号，指示一帧开始，在开始的第一行有效。 v m 输出：v m 极性变换信号，变化l c d 行场扫描电压的极性，可以每帧 或可编程多少个v l i n e 信号打开。 v l i n e 输出：l c d 行信号，在一行数据左移进l c d 驱动器后有效。 v c l k 输出：l c d 点时钟信号，数据在v c l k 的上升沿发送，在下降沿被 l c d 驱动器采样。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 t o u t 4 ：0 输出：定时器输出信号。 t c l k 输入：外部时钟信号输入。 e i n t 7 ：o 输入：外部中断请求信号。 n x d r e q 1 ：0 输入：外部d m a 请求信号。 n x d a c k 1 ：0 输出：外部d m a 应答信号。 r x d 1 ：0 输入：u a r t 接收数据输入线。 t x d 1 ：o 输出：u a r t 发送数据线。 n c t s 1 ：o 输入：u a r t 清除发送输入信号。 n r t s 1 ：0 输出：u a r t 请求发送输出