（电力电子与电力传动专业论文）tcpip在嵌入式系统中的研究与实现.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho nc o n n e c t i n ge m b e d d e ds y s t e mw i t hi n t e r n e th a sb p a ：o m eo n eo ft h e f o c u s e so na p p l i c a t i o n so fe m b e d d e ds y s t e m e m b e d d e ds y s t e mi sc l o s e dt op r o d u c t i o n a n dl i f eo fh u m a nb e i n ga n di to w n su n l i m i t e di n f o r m a t i o nr e s o u r c e s t h ei n f o r m a t i o n c a nb es h a r e dt h r o u g he m b e d d e ds y s t e mw i t hi n t e r n e t t h ei m p l e m e n t a t i o no ft c p ，口 p r o t o c o ls t a c ki ne m b e d d e ds y s t e mi st h ei m p l e m e n tp r e m i s eo fe m b e d d e di n t e m e t f i r s t l y 。t h i sp a p e re l a b o r a t e st h ed e v e l o p m e n ts t a t n so ft h ee m b e d d e ds y s t e m ，a n d p o i n t so u tt h ei m p o r t a n c eo ft c p ，坤i nt h ee m b e d d e ds y s t e m t h e ni ta n a l y z e st h e p r e s e n tr e s e a r c hs t a t u sq u oo fd o m e s t i ca n df o r e i g na n di n t r o d u c e st h r e ek i n do f t e c h n i c a lm o d e l sw h i c hi su s e dt oc o n n e c te m b e d d e ds y s t e m s e c o n d l yo nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ec h a r a c t e ro ft h et c p f l pp r o t o c o ls t a c ki t i n t r o d u c e sad e s i g np l a no fe m b e d d e dc o n t r o l l e rb a s e do nt h ee t h e m e t t h i sd e s i g np l a n i sc o n s i s to fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h ei h r d w a r eo ft h ed e s i g ni sf o c u s e so nt h e l p c 2 2 0 0s e r i e sa r ma n dr t l 8 0 1 9 a s t h es o f t w a r ed e s i g no ft h es y s t e mi sd i s c u s s e d i nd e t a i l ，i n c l u d i n gt h ei n t r o d u c t i o no ft h ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t , t h ed e s i g no f s t a r t u pc o d e ，t h ed r i v e rd e s i g no f d e v i c e s , a n d t h ed e v e l o p m e n t o f a p p l i c a t i o np r o g r a m 。 f i n a l l yi ti n t r o d u c e sam e t h o dt or e p l a n tt h e # c o s i ia n dz l g i pi n t ot h e l p c 2 2 0 0s e r i e sa r m a n dt h i sm e t h o dh e l p sm et or e a l i z et c p i pp r o t o c o lo nt h e h a r d w a r ep l a t f o r m i n0 1 1 1 d e s i g nw eu g c o s - i to p e r a t i n gs y s t e ma n dz l g i ps t a c k t h cw h o l e d e s i g no fa ne m b e d d e dc o n t r o l l e ri sb a s e do ni j p c 2 2 0 0s e r i e sa r m “c o s i ij so n e k i n do fr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m i th a sr i c hr e s o u r c e so ni n t e m e ta n dt h ec o d ei so p e n b c , c a u g eo fi t ss o u r c ec o d ep u b l i c i t y , g o o dp r o b a b i l i t y , a n ds o l i d i f i c a t i o ni th a sb e e n u s e di nh u n d r e d so fa p p l i c a t i o n s t h ez l g 1 pi sd e s i g n e db yz h o ul ig o n gl i m i t e d c o m p a n yw h i c ha i m sa tt h ee m b e d d e ds y s t e m z l g i pu s e st h es i g n a lm e c h a n i s mo f # c o s i ir e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e mt or e a l i z et h em u l t i t a s ka n dt h er e - e n t r ys t a c k i ti s w i l t e db va n s ica n ds u p p o r tm a n yk i n d so fc p u t h ee m p h a s e so ft h i sp a p e ri st h er e p l a n t a t i o uo f m c o s i i a n dt h er e a l i z i n go f z l j 3 口s t a c ki na r m k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，t c p i p , g c o s i i 讯 l 亡工案失港 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：畸钽摊日期：出砖年r 月r 尹 学位论文版权使用授权书 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：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：；每铝沁指导教师签名：曾k 以 日期：出呷年r 月9 8 日期：僻b 月寻工日 7 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章引言 随着因特网应用的日益普及，信息技术迅猛发展，信息共享的程度不断提高， 人们已经进入了信息时代，i n t e r n e t 已经进入到了千家万户，成为人们工作和日 常生活中不可缺少的重要组成部分。人们可以在网上浏览网页、收发电子邮件、 传输文件、视频会议和远程控制等，这使得人们了解世界以及和外界交换信息变 的简单而又快捷。与此同时，随着电子技术的发展，计算机迈入了其另一个充满 机遇的时代。后p c 时代。后p c 时代的到来，使得人们开始越来越多地接触到 一个新的概念嵌入式系统。在人们的生活中，到处都充满着嵌入式系统，像 手机、p d a 、车载g p s 系统、工业智能控制等都采用了嵌入式系统。不知不觉中， 形式多样的嵌入式系统设备已经开始继p c 机之后成为信息处理的一大工具，并 且正在逐步形成一个充满商机的巨大产业。因此，嵌入式i n t e r n e t 形成的范围 将是巨大的，可以渗透到世界的各个地方。同时。嵌入式i n t e r n e t 也将扩展 i n t e r n e t 的应用范围，使i n t e r n e t 遍布世界的各个角落而成为地球的“电子皮 肤”。嵌入式i n t e r n e t 将会开启i n t e r n e t 时代的新纪元。 1 1 课题的背景和意义 嵌入式是一个比较模糊的定义，现在在我们的生活中到处都可见到各种各样 的嵌入式应用实例：手机，微波炉，电饭煲等。目前国内对嵌入式的一个普遍认 为是”1 ：以应用为中心，以计算机为基础，软硬件可裁减，适应应用系统，对功能， 可靠性，成本，体积，功耗等严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统由硬件和 软件两大部分组成，硬件包括处理器微处理器，存储器及外设器件和i o 端口， 图形控制器等。软件部分包括系统软件( 要求实时和多任务操作) 和应用程序。其 结构框图如图1 1 ： 应用软件 t 嵌入式操作系统 上t 嵌入式操作系统 石i 旷 外围硬件 图1 1 嵌入式系统组成框图 湖北工业大学硕士学位论文 目前，嵌入式应用到越来越多的领域中，实际上在全球每年的c p u 产量中， 9 5 以上都是嵌入式的微处理器，它比通用计算机系统的应用还要广泛的多，比如 一台通用计算机的外部设备中就包含了5 1 0 个嵌入式微处理器，例如：键盘、 鼠标、软驱、硬盘、显卡等均是由嵌入式微处理器控制的。嵌入式系统的应用更 是涉及制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、航天、消费电子等各个 领域。如何将这些电子设备连接起来，从而使人们在异地通过网络获得这些嵌入 式设备的信息，对他们进行控制，将是嵌入式系统的一个重要发展方向。 很多不同嵌入式硬件设备嵌入式系统与i n t e r n e t 的互连在各行各业都有广泛 的应用前景。美国贝尔实验室总裁a r u nn e t r a v a l i 的一批科学家对此做出了预测： 嵌入式i n t e r n e t 将会产生比p c 机时代多成百上千倍的瘦服务器和超级嵌入式瘦 服务器。这些瘦服务器将与人们所能想到的各种物理信息、生物信息相联接，通 过i n t e r n e t 网自动地、实时地、方便地、简单地提供给需要这些信息的对象。 嵌入式i n t e r n e t 技术具有广阔的应用前景，其应用领域如下： ( 1 ) 智能公路：交通管理、车辆导航、流量控制、汽车服务。 ( 2 ) 植物工厂：特种植物工场如实现野生名贵药材的远程监控培养和种植， 无土栽培技术应用，智能种子工程等。 ( 3 ) 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ，v r ) 机器人：交通警察、门卫、家用机器 人等。 ( 4 ) 信息家电：冰箱、空调等的网络化。 ( 5 ) 工业制冷；冷库、中央空调、超级市场冰柜 ( 6 ) v r 库房：粮库、油库、食品库等。 ( 7 ) v r 精品店：客户可以在i n t e r n e t 上实时地看到存货状况。 ( 8 ) v r 家政系统：水、电、煤气表的自动抄表，防火、防盗系统。 ( 9 ) 工业自动化目前已经有大量的8 ，1 6 ，3 2 位嵌入式微控制器在应用中， 网络化是提高生产效率、产品质量和减少人力资源的主要途径，如制药工业工程 控制、温度控制、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统。 ( 1 0 ) p o s 网络及电子商务：p o s 网络及电子商务包括公共交通无接触智能卡 ( c o n t a c t l e s ss m a r tc a r dc s c ) 发行系统，自动售货机等。 ( 1 1 ) 环境工程与自然：水文资料实时监测，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。 随着各种技术在全世界的推广，嵌入式微处理器的数量将会大量增加。小型 嵌入式系统将是i n t e r n e t 发展的新支点，将来i n t e r n e t 中流动的信息很大部分 来自小型嵌入式系统。 2 湖北工业大学硕士学位论文 这些嵌入式系统可以运行完全不同的操作系统，但t c p i p 协议簇还是允许它 们互相进行通信。这一点让人感到吃惊，因为它的作用已经远远超过了最初的设 想。t c p i p 起源于6 0 年代末美国政府支助的一个分组交换网络研究项目，到9 0 年代已发展成为计算机之间最常用的组网形式。它是一个真正的开放式系统，它 成为被称作“全球互连网”或“因特网”的基础。因此t c p i p 在嵌入式系统中的 研究具有重要的意义。 1 2 国内外研究现状 将嵌入式系统与i n t e r n e t 网络结合起来的思想很早以前就有了，主要的困难 在于：一方面，i n t e r n e t 网上的各种通讯协议对于计算机的存储器、运算速度的 要求比较高，而嵌入式系统以前大部分用的是8 位的微处理器，如果要支持t c p i p 等i n t e r n e t 协议将占用大量系统资源，或根本不可能实现：另一方面，在嵌入式 系统的应用上，微处理器的型号、种类非常多，要在不同的微处理器上实现相应 的网络功能，设计人员要先熟悉该型号微处理嚣结构特点和相应的汇编语言，所 以使得将嵌入式系统与i n t e r n e t 结合起来存在一定的难度“1 。但是随着1 6 位和 3 2 位m c u 速度增快，存储器容量增大，尤其是3 2 位m c u 的出现，使嵌入式系统和 i n t e r n e t 的结合成为可能。 国内外许多研究机构和国际标准化组织都致力于嵌入式i n t e r n e t 的研究，如 s w e d i s hi n s t i t u t eo fc o m p u t e rs c i e n c e ，e m b e d d e ds y s t e m sc o n f e r e n c e ，嵌入 式i n t e r n e t 联盟、中国单片机公共实验室、全国嵌入式系统学术交流会。嵌入式 i n t e r n e t 基本上己发展成为具有定规模和相应理论的研究领域。国内外的著名 的公司有e m w a r e ，北京英贝多嵌入式网络技术有限公司，他们使嵌入式i n t e r n e t 达到了实用阶段。 嵌入式系统的i n t e r n e t 接入技术有如下三种技术模型： ( 1 ) 单片机支持t c p i p 协议栈解决方案： 单片机支持t c p i p 协议栈的方案具体又分两种：将t c p i p 协议栈嵌入到 单片机中，由单片机语言来实现t c p i p 协议；单片机应用系统采用固化了t c p i p 协议的芯片。这种方案的不足之处在处理速度慢，系统的稳定性差。 ( 2 ) 嵌入式网关技术模型： 对于大量在一起的嵌入式设备来说，对每个嵌入式系统都直接实现i n t e r n e t 功能，将造成巨大的资源浪费，这时候可以采用一个嵌入式网关接入。 首先嵌入式系统和嵌入式网关连接通信，连接方式采用传统的r s 2 3 2 ，r s 4 8 2 ， 3 湖北工业大学硕士学位论文 r s 4 8 5 ，i i c ，s p i ，u s b ，c a n ，l i n 总线等轻量级网络协议。再由嵌入式网关负责 实现t c p i p 协议，并与i n t e r n e t 连接，完成嵌入式系统和i n t e r n e t 的信息交互。 嵌入式网关向嵌入式系统提供i n t e r n e t 或i n t r a n e t 通信和管理服务。如防火墙、 协议转换、监视嵌入式设备的运行状态、向外界提供w e b 服务器等。这种技术需 要一个专门的嵌入式网关，而且网关和嵌入式系统之问通信也会受到轻量级网络 协议的制约。对于过于分散的嵌入式系统而言，采用这种接入技术模型，成本将 会增加。 基于这种接入技术模型，e m w a r e 公司提出了嵌入式微因特网互连技术 ( e m b e d e dm i c r oi n t e r n e t w o r k i n gt e c h n o l o g y 跚i t ) ，通过给嵌入式系统增加轻 量级协议软硬件，得到了众多软硬件生产商的支持，是当前具有前景的嵌入式系 统的i n t e r n e t 接入技术。 ( 3 ) 1 6 3 2 位高速处理器如a 跚，d s p 等十实时操作系统( r t 0 s ) 方案： 基于1 6 3 2 位处理器的高速处理能力，将实时操作系统移植到处理器中，由 实时操作系统的进程管理机制来统一管理硬件的各种资源和调度应用系统中的各 个进程，实现t c p i p 协议，最终通过控制外围的以太网卡芯片接入e t h e r n e t 。 1 3 课题研究的内容及目标 本文在广泛调研和对大量中外文献的分析的基础上，结合当前嵌入式发展的 前沿技术，对t c p i p 协议的基本原理和实现进行深入的分析，主要完成以下几个 方面的研究工作： ( 1 ) 分析了l p c 2 2 0 0 系列a r m 和r t l 8 0 1 9 a s 的使用特性，及整个以太网的硬 件组成。 ( 2 ) 描述了嵌入式操作系统uc o s - i i 特性及对l p c 2 0 0 0 的移植。 ( 3 ) 分析了嵌入式t c p i p 协议栈的特点及对z l g i p 协议栈的实现。 ( 4 ) 将t c p i p 协议栈移植到嵌入式系统中。 4 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章t c m p 协议簇的研究 2 1t c p i p 协议概述 一个互连网不仅仅是一个由许多计算机互连起来的网络的集合。网际互连还 意味着互联的系统都要遵循允许每台计算机与其它各台通信的一些约定，特别是 互联网允许两台计算机之间的通信路径要穿过某个与任何一个都不直接连接的网 络时，还能够实现互连。只有所有的计算机都遵守一组通用标识符及一组把数据 传送到最终目的地的规程时，才可能做到这种协作。而i n t e r n e t 之所以能产生、 并存且蓬勃地发展，除了其它因素外，最主要的原因就是开发了一系列通讯协议， 因而使全球的通讯和信息交流成为可能。 t c p i p 的设计目的是独立于机器所在的某个网络，在它们之间提供通用的互 连。有了t c p i p 协议，我们就可以把互联网看成一个单独的虚拟网络，所有计算 机都与它相连，而不考虑实际的物理连接。 t c p i p 协议不是一个单一的协议，而是由一系列通讯协议所组成，它们采用 交互方式工作以便共同控制各个主机与网络之间的数据交换。t c p i p 协议通常被 认为是一个四层协议系统，每一层分别负责不同的通信功能，所以又称为t c p i p 协议族。分层结构如图2 1 所示”。 媒体 图2 1t c p i p 协议分层结构 应用层 传输层 网络层 链路层 湖北工业大学硕士学位论文 2 2 链路层的理论研究 有时也称为数据链路层或网络接口层，通常包括操作系统中的设备驱动程序 和硬件中的网络接口层，它们一起处理网络的物理接口细节。在t c p i p 协议中， 链路层主要有三个目的： ( 1 ) 为i p 模块发送和接收i p 数据报； ( 2 ) 为a r p 模块发送a r p 请求和接收a r p 应答； ( 3 ) 为r a r p 发送r a r p 请求和接收r a r p 应答； 这里主要有地址解析协议a r e ( a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c 0 1 ) 和反地址解析 协议r a r p ( r e v e r s ea d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c 0 1 ) 。 在t c p i p 协议通讯中，涉及到的地址是i p 地址( i p v 4 为3 2 b i t s ) ，这是来自 网络层的地址，然而在以太网中都有自己的寻址机制( e t h e r n e t 中的地址为 4 8 b i t s ) ，所以两层之间必须进行地址转换。a r p 协议实现的就是将i p 地址转换为 以太网地址( 也称为物理地址) ，r r p 的功能恰恰相反实现的是以太网地址转换 为i p 地址。这两个协议都有各自的高速缓存表，并且能够自动更新。1 。 2 3i p 协议的理论研究 i p 协议是t c p i p 协议族中最为核心的协议。所有的t c eu d p ，i c m p 及i g m p 数据都以i p 数据报格式传输。i p 数据报的格式如图2 2 所示。 4 位4 位首 版本部长度 8 位服务类型 1 6 位总长度( 字节) ( t o s ) 3 位 1 6 位标识 标志1 3 位偏移 8 位生存时间 8 位协议1 6 位首部检验和 ( t t l ) 3 2 位源i p 地址 3 2 位目的i p 地址 3 2 位选项( 若有) 数据 6 湖北工业大学硕士学位论文 i p 协议提供的是一种不可靠、无连接的服务。不可靠的意思是它不能保证i p 数据报能成功地到达目的地。i p 仅提供最好的传输服务。无连接意思是i p 并不维 护任何关于后续数据报的状态信息。每个数据报的处理是相互独立的。这也说明， i p 数据报可以不按发送顺序接收。如果一信源向相同的信宿发送两个连续的数据 报先是a 然后是b ，每个数据报都是独立地进行路由选择，可能选择不同的路线， 因此b 可能在a 到达之前先到达。i p 协议最基本的功能是路由选择、分片和重组。 i p 首部中最高位在左边，记为0b i t ：最低位在右边，记为3 1b i t 。四个字节的 3 2b i t 值以下面的次序传输：首先是o t b i t ，其次8 1 5b i t ，然后1 6 2 3b i t ， 最后是2 4 3 1b i t 。由于t c p i p 首部中所有的二进制整数在网络中传输都要求以 这种次序，因此称为网络字节序。以其它形式存储的二进制整数，则在传输之前 必须把首部转换为网络字节序。 下面详细解释，各个字段的含义如下： ( 1 ) 版本号：目前使用的协议版本号是4 ，因此也称为i p v 4 。 ( 2 ) 首部长度：指的是首部占3 2b i t 字的数目，包括任何选项。由于它是一 个4b i t 字段，因此首部最长为6 0 个字节。普通数据报的字段值是5 ，即首部长度 为2 0 个字节。 ( 3 ) 服务类型( t e r m so fs e r v i c et o s ) 字段：包括一个3b i t 的优先权字段， 4b i t 的t 0 s 子字段和1b i t 保留字段( 必须置0 ) ( 4 ) 总长度字段：是指整个i p 数据报的长度，以字节为单位。利用首部长度 字段和总长度字段，就可以知道i p 数据报中数据内容的起始位置和长度。由于该 字段长1 6b i t ，所以i p 数据报最长可达6 5 5 3 5 字节。当数据报分片时，该字段的 值也随着变化。 ( 5 ) 标识字段：唯一地标识主机发送的每一份数据报。通常每发送一个报文 它的值就会加1 。它和标志字段、片偏移字段共同支持分片和重组。 ( 6 ) 1 u r l ( t i m e - t o - l i r e ) 生存时间字段：设置了数据报可以经过的最多路由器 数。 ( 7 ) 协议字段：i p 用来对数据报进行分用，根据它可以识别是哪个协议向i p 传送数据。 ( 8 ) 首部校验和字段：是根据i p 首部计算的检验和码。 7 湖北工业大学硕士学位论文 2 4 传输层协议 传输层主要有t c p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 协议和u d p ( u s e r d a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) 协议。传输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通 信。 t c p 协议为两台主机提供可靠的数据通信。它所做的工作包括把应用程序交给 它的数据分成合适的小块交给下面的网络层，确认接收到的分组，设置发送最后 分组的超时时钟等。t c p 协议是面向连接的协议，提供可靠的数据流，但处理的开 销比较大，因此处理速率有所降低。并且t c p 协议是面向连接的，无论那一方向 另外一方发送数据之前，都必须先在双方之前建立一条连接，建立连接需要三次 握手信号，而完全终止一个连接则需要四次握手信号。如下图所示： 开始 图2 3t c p 协议状态转换图 8 湖北工业大学硕士学位论文 u d p 协议是一个不可靠、面向无连接的协议，它为应用程序提供一种非常简 单的服务。它只是把数据报的分组从台主机发送到另一台土机，但并不保证该 数据报能到达另一端。任何必须的可靠性必须由应用程序来提供。它无法保证数 据传输的正确性，但对传输率却无阻碍。它被广泛用于只有一次的、客户服务器 模式的请求，应答查询以及快速递交比准确递交更重要的应用程序。u d p 比较适 合用于传输媒体十分可靠的情况。 9 湖北工业大学硕士学位论文 第3 章嵌入式t c 聊p 协议的实现平台 在本次设计中我们采用的是l p c r 2 0 0 系列的a r m 处理器+ 以太网接口芯片 r t l s o l 9 a s 的一体化设计来组成以太网测控网关。这种设计是以a r m 取代p c 机， 用以太网接口芯片取代以太网卡，有效的降低了成本，以简洁的方式接入以太网。 如图3 i 所示嘲： l p c 2 2 1 0l r 啪1 9 a s a 1 叫屿 ：= = = = = s a o - s a 4 h r 9 0 1 1 7 0 a ：一i ) o - d 1 5 d o d 1 5 h d t p o m l d t p o l r r t p + t p l n + t p 邛l t p m n r j 4 s s a 6 _ s a 7 t x + s a 8 t x s a 9 r x + s a l m $ a 1 9 r x 1 1 0 el o r b n w e i o w e 图3 1a r m 与r t 8 0 1 9 a s 连接图 3 1 微处理器a r m 简介 在许多成功的3 2 位嵌入式系统中，a r m 处理器都是其核心的组成部分。从1 9 8 5 年第一个a r m i 原型诞生至今，a r m 的设计者们经历了漫长的探索之路。到2 0 0 1 年 底，已经有超过1 0 亿个a r m 处理器被销售到了世界各地。a r m 公司的成功建立在 一个简单而又强大的原始设计之上，随着技术的不断创新，这个设计也在不断改 进。事实上，a r m 内核并不是单一的，而是一个遵循相同设计理念和使用相同指令 集的内核系列。 湖北工业大学硕士学位论文 3 1 1r i s c 体系结构 a r m 内核采用r i s c 体系结构。r i s c 是一种设计思想，其目标是设计出一套能 在高钟频率下单周期执行，简单而有效的指令集。r i s c 的设计重点在于降低由硬 件执行的指令的复杂度，这是因为软件比硬件容易提供更强大的灵活性和更高的 智能。因此，r i s c 设计对编译器有更高的要求；相反，传统的复杂指令集的计算 机( c l s c ) 则更侧重于硬件执行指令的功能性，使c i s c 指令变得更复杂。图3 2 比较了两者的主要不同。 ：l泓：rlsc 回黧团 ii l 生成代码 l 生成代码 1 lj r 萎鬈囱臣自 图3 2c i s c 与r i s c 指令集比较 r i s c 设计思想主要由下面4 个设计准则来实现。 ( 1 ) 指令集r i s c 处理器减少了指令种类。r i s c 的指令种类只提供简单的 操作，使一个周期就可以执行一条指令。编译器或者程序员通过几条简单的指令 的组合来实现一个复杂指令操作( 例如，除法操作) 。每条指令的长度都是固定的， 允许流水线在当前指令译码阶段去取下一条指令，而在c i s c 处理器中，指令的长 度通常不固定，执行也许要多个周期。 ( 2 ) 流水线指令的处理过程被拆分成几个或更小的、能够被执行的单元。 在理想的情况下，流水线没周期前进一步，可获得最高的吞吐率，而c i s c 指令执 行需要调用微代码的一个微程序。 ( 3 ) 寄存器r i s c 处理器拥有更多的通用寄存器，每个寄存器都可以存放 数据或地址。寄存器可为所有的数据操作提供快速的局部存储访问，而c l s c 处理 器都是用于特定目的的专用存储器。 ( 4 ) l o a d _ s t o r 结构处理器只处理寄存器中的数据。独立的l o a d 和s t o r 指令用来完成数据在寄存器和外部存储器之间的传送，因为访问存储器很耗时， 所以把存储器访问和数据出来分开。这样有一个好处，那就是可反复地使用保存 于寄存器中的数据，而避免多次访问寄存器。相反，c i s c 结构中，处理器能够直 接处理存储器中的数据。 所有的这些设计准则，使得r i s c 结构的处理器更为简单，因此内核能够工作 1 1 湖北工业大学硕士学位论文 在更高的时钟频率。相反，传统的c i s c 处理器因为结构更为复杂，只能工作在较 低的时钟频率。然而，经过2 0 多年的发展，c i s c 处理器也引入了许多r i s c 的设 计思想，r i s c 和c i s c 之间的界线已经变得越来越模糊了。 3 1 2a i 【m 的指令特点简介 、 为了使a r m 指令集能够更好的满足嵌入式的要求，a r m 指令集和单纯的r i s c 定义有以下几个方面的不同： ( 1 ) 一些特定指令的周期数可变一并不是所有的a r m 指令都是单周期的。例 如：多寄存器装载存储的( 1 0 a d 一一s t o r ) 指令的执行周期就是不确定的，必须 根据被传送的寄存器个数而定。如果是访问连续的存储器地址，就可以改善性能， 因为连续的内存访问通常比随机访问更快。同时，代码密度也得到了提高，因为 在函数的其始和结尾，多个寄存器的传输是很常用的操作。 ( 2 ) 内嵌桶形移位器产生了更为复杂的指令内嵌桶形移位器是一个硬件 部件，在一个输入寄存器被一条指令使用之前，内嵌的桶形移位寄存器可以处理 该寄存器中的数据，它扩展了许多指令的功能，以此改善了内核的性能，提高了 代码的密度。 ( 3 ) t h u m b1 6 位指令集 跚内核增加了一套称之为t h u m b 指令的1 6 位 指令集，使得内核即能执行3 2 位a 跚指令，也能执行1 6 位t h u m b 指令，从而增 强了a 心内核的功能。1 6 位指令与3 2 位的定长指令相比较，代码的密度提高了 约3 0 。 ( 4 ) 条件执行只有当莫个特定条件满足时指令才会被执行。这个特性可以 减少指令的数目，从而改善了性能提高了代码的密度。 ( 5 ) 增强指令一些功能强大的数字信号处理器( d s p ) 指令被加入到了标 准的a r m 指令之中，以支持快速的1 6 x1 6 位乘法操作及饱和运算。在某些应用中， 传统的方法需要微处理器加上d s p 才能实现。a 蹦的这些增强指令，使得s r m 处 理器也能够满足这些应用的需要。 所有的这些特性使得a r m 处理器成为当今最通用的3 2 位嵌入式处理器内核之 一。许多世界著名的半导体厂商都在制造基于a r m 内核的产品。 湖北工业大学硕士学位论文 3 1 3a r m 内核的数据流模型 程序员可把a r m 内核看作是由数据总线连接的各功能模块组成的集合，如图 3 3 所示。这里箭头代表了数据的流向，直线代表了总线，方框表示操作单元或存 储区。这个图不仅说明了数据的流向，也说明了组成a r m 内核的各个逻辑要素。 数据 图3 3a r m 内核的数据流模型 典型的a r m 指令通常有2 个源寄存器r n 和r m ，1 个结果寄存器或目的寄存器 r d ，源操作数分别通过内部总线a 和b 从寄存器文件中读出。 a l u ( 算术逻辑单元) 或m a c ( 乘累加单元) 通过总线a 和b 得到的寄存器r n 和f h n ，并计算出一个结果。数据处理指令直接把r d 中的计算结果写到寄存器文件。 湖北工业大学硕士学位论文 l o a d s t o r e 指令使用a l u 来产生一个地址，这个地址将被保存到地址寄存器并发 送到地址总线上m 1 。 a r m 的一个重要特征是，寄存器r m 可以选择在进入a l u 前是否先经过桶形移 位寄存器预处理。桶形移位器和a l u 协作可以计算较大范围的表达式和地址。 3 1 4a r m 处理器模式 处理器模式决定了那些寄存器是活动的以及那些对c p s r 的访问权。处理器模 式要么是特权模式，要么是非特权模式。特权模式允许对c p s r 的完全读写访问。 与此相反，非特权模式只允许对c p s r 的控制域进行访闯，但不允许对条件标志的 读写访问。 a 删具体共有7 种处理器模式。6 种特权模式：中止模式，中断模式，快速中 断模式，管理模式，系统模式，未定义模式。一种非特权模式用户模式。 t h u m b 方式 图3 4 a r m 状态寄存器结构 表31 列出了各种处理器模式，最后一列给出了c p s r 中代表每一种处理器模 式的二进制码。 表3 1 处理器模式 1 4 湖北工业大学硕士学位论文 当处理器访问存储器失败时，进入数据访问中止模式，中断模式和快中断模 式分别对a r m 处理器两种不同级别的中断做出响应，处理器复位后，进入管理模 式，操作系统内核也通常处于这种模式，系统模式是一种特殊的用户模式，允许 对c p s r 的完全读写访问，当处理器遇到没有定义的指令或处理器不支持该指令 时，进入未定义模式。用户模式运行应用程序。 湖北工业大学硕士学位论文 3 1 5a r m 寄存器简介 图3 5 列出了寄存器文件里所有3 7 个寄存器。当然，在不同的时刻有2 0 个 寄存器对程序是隐藏的，这些寄存器被称为分组寄存器，即图中所示的阴影部分。 只有当处理器处于莫种特定的模式时，它们才有效，例如，中止模式使用分组寄 存器r 1 3 _ a b t ，r 1 4 _ a b t ，s p s r _ a b t 。一种特定模式所对应的分组寄存器采用这种方 式来表示：寄存器一模式标记，模式标记可以是：f i q ，i r q ，s v c ，u n d e f ，a b t 等 【2 加 r o r 1 r 2 r 3 r 4 r 5 r 6 r 7 缵阚 酝翻麟 黧禳 蠹辫 l 琴l 乏；嚣 r 1 蔓_ 丘q 1 滤燃 r o r 1 r 2 r 3 r 4 硒 r 7 r 8 r 9 r 1 0 r 1 1 r 1 2 罐遂删 蕊隧 肋 r 1 勉 r 3 r 4 r 5 r 6 r 7 髓 r 9 r 1 0 r 1 1 r 1 2 缫谬鬻 滤埝龋 r 0 r 1 l t 2 r 3 r 4 p 5 r 6 r 7 r 8 r 9 r 1 0 r 1 1 r 1 2 缫霄鬻 然燃 r 0 r 1 r 2 r 3 r 4 r 5 r 6 r 7 r 8 r 9 r 1 0 r 1 1 r 1 2 鬻阑 点燃 图3 5 全部的a r m 寄存器 除用户模式外，每一种处理器模式都可通过改写c p s r 中的模式位来改变。除 系统模式外，所有处理器模式都有一组各自的分组寄存器，他们是1 6 个主要寄存 湖北工业大学硕士学位论文 器的子集，每个分组寄存器与一个用户模式的寄存器对应。如果改变处理器的模 式，新模式的一个分组寄存器将取代原来的分组寄存器。 例如，当处理器处于中断模式时，执行的指令仍然可访问名字是r 1 3 _ u s r 和 r 1 4 _ u s r 的寄存器，但实际上他们是分组寄存器r 1 3 - i r q 和r 1 4 - i r q 。用户模式的 r 1 3 _ u s r 和r 1 4u s r 不会受到影响。程序仍然可以正常访问寄存器r o r 1 2 。 处理器模式即可以通过程序直接改写c p s r ( 处理器内核必须处于特权模式) 来切换，也可以当内核对异常或中断响应时由硬件切换。下面的异常和中断会导 致模式切换：复位，外设中断请求，快速中断请求，软件中断请求，数据访问中 止，预取指中止和未定义指令。异常和中断将挂起顺序指令的正常执行，并跳转 到一个特定的地址。 图3 6 显示了当一个中断导致切换时所发生的情况。当一个外设向处理器内 核发出中断请求而产生中断时，内核从用户模式切换到中断模式。这个改变使用 户寄存器r 1 3 和r 1 4 被保护。用户寄存器r 1 3 和r 1 4 分别被寄存器r 1 3 - i r q 和 h 4i r q 所代替。 1 7 湖北工业大学硕士学位论文 用户模式 图3 6 异常导致模式改变 图3 6 显示了在中断模式中的一个新寄存器：备份程序状态寄存器( s p s r ) ， 它保存了先前处理器模式c p s r 。从图中可以看到，c p s r 被复制到s p s r _ i r q 。为了 回到用户模式，必须使用一条特殊的返回指令，指示内核从s p s r _ i r q 恢复原来的 c p s r ，同时切换回先前受保护的用户寄存器r 1 3 和r 1 4 。 另外要注意的特点是，当通过程序直接改写c p s r 来切换模式时，c p s r 不会被 复制到s p s r 。只有当一个异常或中断发生时，才保存c p s r 。 湖北工业大学硕士学位论文 3 1 6a r m 指令流水线 流水线是k i s c 处理器执行指令时采用的机制。使用流水线，可在取下一条指 令的同时译码和执行其他的指令，从而加快执行的速度。可以把流水线看作是汽 车生产线，每个阶段只完成一项专门的任务。 图3 7 显示了一个三级流水线： ( 1 ) 取指一从存储器装载一条指令； ( 2 ) 译码识别将被执行的指令； ( 3 ) 执行一处理指令并把结果写回寄存器： 图3 7a r m 7 的3 级流水线 a r m 流水线的一条指令只有在完全通过“执行”阶段才被处理。在指令“执行” 阶段，p c 总是指向该指令地址加8 字节的地址。换句话说，p c 总是指向当前正在 执行的指令的地址再加2 条指令地址。当用p c 来计算个相对偏移量时，这一点 是很重要的，并且它也是所有流水线的结构特征。当处理器处于t h u m b 模式时， p c 的值为正在执行指令的地址加4 。 3 1 7l p c 2 2 1 0 a r m 芯片的特点 本论文中使用的是p h i l i p 公司的l p c 2 2 1 0 。它是基于一个支持实时仿真和 嵌入式跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i sc p u 的微控制器。对代码规模有严格控制，可 使用1 6 位t h u m b 模式将代码规模降低超过3 0 ，而性能的损失却很小。 由于l p c 2 2 1 0 的1 4 4 脚封装、极低的功耗、多个3 2 位定时器、8 路1 0 位a d c 、 p w m 输出以及多达9 个外部中断，使它们特别适用于工业控制医疗系统访问控制和 p o s 机。 通过配置总线，l p c 2 2 l o 最多可提供7 6 个g p i o 。由于内置了宽范围的串行通 信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软m o d e r n 以及其它各 种类型的应用。 它具有以下特性： ( 1 )1 6 3 2 位1 4 4 脚a r m 7 t d m i s 微控制器； ( 2 ) 1 6 k 字节片内静态r a m 湖北工业大学硕士学位论文 ( 3 )串j ? b o o t 装载程序通过u a r t o 来实现在系统下载和编程； ( 4 )通过外部存储器接口可将存储器配置成4 组每组的容量高达1 6 m b 数据宽 度为8 1 1 6 1 3 2 位； ( 5 )e m b e d d e d l c e - r t 接口便能断点和观察点当前台任务使用片内 r e a l m o n i t o r 软件调试时中断服务程序可继续执行； ( 6 )嵌入式跟踪宏单元e t m 支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪； ( 7 ) 8 路l o 位a d 转换器转换时间低至2 4 4 m s ； ( 8 )2 个3 2 位定时器带4 路捕获和