（机械设计及理论专业论文）基于comip与μclinux的嵌入式系统研究.pdf

j ! 壅塑皇查堂堡壅生丝奎薹王里皇! 堡量蛭! ! 竖塑堂垒墨墨竺塑婴壅 基于c o m i p 与l t c l i n u x 的嵌入式系统的研究 摘要 随着通信技术的不断发展，对通信系统及其设备的处理能力、 实时性能和工作效率的要求也在不断的提高。对应用于通信系统中的 嵌入式处理器、外围模块及嵌入式操作系统的要求也越来越高。本文 是以基于双内核嵌入式处理器“c o m i p ”和p c l i n u x 操作系统的嵌入 式系统为研究对象，提出了构建强实时性嵌入式系统的设计思想和方 法。 本文研究的重点包括：对嵌入式系统的特点进行分析，根据系 统功能要求和c o m i p 芯片双内核、高集成度、高性能和多功能的特 点完成系统的结构设计和硬件电路设计并保证系统正常稳定运行，同 时解决系统子板与母板间连接造成的阻抗不匹配以及电源分配问题； 针对c o m i p 双核结构及系统硬件结构进行p c l i n u x 操作系统的裁减、 配置并移植到该嵌入式系统中，同时编制b o o t l o a d e r 以便引导、启动 系统；根据通信系统对实时性的要求对i _ t c l i n u x 标准内核实时性进行 分析，提出了使用以位图算法为基础基于优先级的实时调度策略、抢 占内核和内核线程模块构建强实时弘c l i n u x 内核的设计思想和具体实 现方法；针对系统实时性要求对重新构建的强实时斗c l i n u x 内核进行 系统测试和性能测试，并同g c l i n u x 标准内核和v x w o r k s 进行性能比 较，客观地得出对强实时斗c l i n u x 内核的综合评估。 关键词：嵌入式系统c o m i pp c l i n u x 移植实时性能 i i j ! 塞塑皇查堂旦塞生笙壅董王璺鱼堂堡皇匹! i ! 坚笪壁垒壅至竺塑塑壅 r e s e a r c ho nt h ee m b e d d e ds y s t e m b a s e do nc o m i pa n d p c l i n u xo s a b s t r a c t w 1 mt h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y , t h e p r o c e s s i n gc a p a b i l i t y , e m c i e n c y a n dr e a l - t i m e p e r f o r m a n c e o f c o m m u n i c a t i o n ss y s t e mw i l lb eh i 曲e ra n dh i g h e r n eh i g h - p o w e r e d e m b e d d e dp r o c e s s o r , p e r i p h e r a lm o d u l ea n de m b e d d e do sa r en e e d e di n c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m t h ee m b e d d e ds y s t e mt h a ti sb a s e do n “c o m 口”a n dp c l i n u x0 sw a sd i s c u s s e da st h e o b j e c t i nt h i s d i s s e r t a t i o n b a s e do nt h i s ，t h em e t h o da n dt h o u g h to fc o n s t r u c t i n gt h e h a r dr e a l t i m ee m b e d d e ds y s t e mw e r er a i s e d i n 吐l i sd i s s e r t a t i o n t h ec h a r a c t e r i s t i co fe m b e d d e ds y s t e mw a s a n a l y s e d ，a n dt h ed e s i g no fs y s t e mf r a m e w o r ka n dh a r d w a r et h a tw a s b a s e du p o nr e q u i r e m e n to fs y s t e ma n dh i g hc a p a b i l i t y , h i 曲i n t e g r a t i n g d e g r e ea n dm u l t i f u n c t i o no fc o 姗w a sa c c o m p l i s h e d 卫1 ep r o b l e m a b o u ti m p e d a n c ed i s c o n t i n u i t yb e t w e e ns u b b o a r da n dm o t h e r b o a r da n d a s s i g n m e n to fp o w e rs u p p l y w e r es o l v e d 1 1 1 er e d u c t i o n ，c o n f i g u r a t i o n a n dp o r t i n go ft h es t a n d a r di x c l i n u xk e r n e la n dt h eb o o t l o a d e rw e r e a c c o m p l i s h e dc o n s i d e r i n gh a r d w a r ec o n s t r u c t u r eo fs y s t e m t h eg c l i n u x k e m e lw a sr e c o n s t r u c t e dt oi m p r o v er e a l t i m ep e r f o r m a n c ei no r d e rt o f u l f i lt h ed e m a n do fr e a l - t i m ep e r f o r m a n c ei nt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ， a n dt h em e t h o da n dt h o u g h to fc o n s t r u c t i n gh a r dr e a l - t i m ek e r n e lt h a tw a s c o m p o s e db yr e a l - t i m es c h e d u l e rb a s e do nt h e b i t m a p ”a l g o r i t h m , t h e p r e e m p t i o nf u n c t i o na n dt h et h r e a dm a n a g e m e n t m o d u l ew e r er a i s e d f i n a l l y , t h ec a p a b i l i t i e so ft h r e a dp r o c e s s i n ga n ds e m a p h o r ep r o c e s s i n go f h a r dr e a l - t i m eu c l i n u xk e r n e lw e r et e s t e d ，a n dc o m p a r e dw i t ht h e s t a n d a r di - l c l i n u xk e r n e la n dv x w o r k st og e ti m p e r s o n a le v a l u a t i o no f h a r dr e a l - t i m ek e r n e l k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e mc o m i p i x c l i n u xp o r t i n g r e a l - t i m ep e r f o r m a n c e 1 1 1 北京邮电大学研究生论文基于c o m i p 与u c l i n u x 的嵌入式系统的研究 声明 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机 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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： ! 距一4 羁一目期：墟正：丕：墨 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。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磁盘，允许学位论文被查阅和借阅； 学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制 手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论文 北京邮电大学研究生论文基于c o m i p 与u c l i n u x 的嵌入式系统的研究 1 1 嵌入式系统概述 第一章绪论 嵌入式系统主要是由嵌入式处理器、相关支撑硬件和嵌入式软件系统组成， 它是集软件、硬件于一体的可独立工作的“器件”。嵌入式处理器主要由一个单 片机或微控制器( m c u ) 组成。而这些嵌入式c p u 目前多是1 6 位或3 2 位，并 且具有很强的经济性和现实性。相关支撑硬件包括显示模块、存储介质( r o m 、 r a m 、f l a s h 等) 、通讯设备、i c 卡或智能卡的读取设备等。嵌入式系统有别 于一般计算机处理系统，它不具备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、标准化浏览器和应用软件。嵌入 式系统的出现至今已经有三十多年的历史了，嵌入式技术也历经了几个发展阶 段。进入9 0 年代后，以计算机和软件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、通讯的相关行业，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，多媒体技术与i n t e r a c t 的应用迅速普及，消费电子( c o n s u m p f i v ce l e c t r o n ) 、计算机( c o m p u t e r ) 、通信 ( c o m m u n i c a t i o n ) ，3 c 一体化趋势日趋明显，嵌入式技术再度成为一个研究热点。 综观嵌入式技术的发展，大致经历了一下四个阶段【l j 。 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，同时具有与监测、 伺服、指示设备相配合的功能。这种系统大部分应用于一些专业性极强的工业控 制系统中，一般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。这一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。由于这种嵌入式系统使用简 便、价格很低，以前在国内工业领域应用较为普遍，但是这已经远远不能适应高 效的、需要大容量存储介质的现代化工业控制和新兴的信息家电等领域的需要。 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。 这一阶段系统的主要特点是：c p u 种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效 率高；操作系统具有一定的兼容性和扩展性；应用软件比较专业，用户界面不够 友好；系统主要被用来控制系统负载以及监控应用程序运行。 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。这一阶段系统的主要特 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 统内核精小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性：具有文件和目录管理、 设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有大量的应用 北京邮电大学研究生论文 基于c o m i p 与p c l i n u x 的嵌入式系统的研究 程序接口( a p i ) ，开发应用程序简单；嵌入式应用软件丰富。 第四阶段是以基于i n t e m e t 为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的 阶段，目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e m e t 之外，但随着i n t e m e t 的发展以 及i n t e m e t 技术与信息家电、工业控制技术等的结合日益密切，嵌入式设备与 i n t e r a c t 的结合代表着嵌入式技术的未来。 总体来看，嵌入式系统具有便利灵活、性能价格比高、嵌入性强等特点，可 以嵌入到现有的任何信息家电和工业控制系统中。从软件角度来看，嵌入式系统 具有不可修改性、系统所需配置要求较低、系统专业性和实时性较强等特点。 后p c 时代是一个真实的阶段，而且是一个可以预测的时代。嵌入式系统就 是与这一时代紧密相关的产物，它将拉近人与计算机的距离，形成一个人机和谐 的工作与生活环境。从某一个角度来看，嵌入式系统可应用于人类工作与生活的 各个领域，具有极其广阔的应用前景。嵌入式系统在传统的工业控制和商业管理 领域已经具有广泛的应用空间，如智能工业控制设备、p o s ，6 ：n 1 机、i c 卡等； 在家庭领域更具有广泛的应用潜力，如数字机顶盒、数字电视、w e b t v 、阿络 冰箱、网络空调等众多消费类和医疗保健类电子设备等：此外还在多媒体手机、 袖珍电脑、p d a 、车载导航器等方面应用，将极大地推动嵌入式技术深入到生活 和工作的方方面面。同时它在娱乐、军事等方面的应用潜力也是巨大的，而且是 有目共睹的。 信息家电商机引发全球嵌入式操作系统平台大战，全球4 大操作系统阵营 w i n c e 、p a l mo s 、e p o c 和l i n u x 展开规格战，各拥有软件及硬件合作厂商逐 鹿信息家电市场的份额。全球手持式信息家电快速增长，个人数字助理器( p d a ) 、 智慧型手机等手持式信息家电操作系统竞争日益激烈。微软窗口操作系统拥有在 个人电脑上的操作系统占有率的优势，使w _ m c e 拥有强大的窗口资源支援。不 过p a l m o s 操作系统拥有全球p d a 产品7 0 的市场占有率；同时获得3 c o m 、 m m 和索尼等跨国公司的支持。e p o c 是发展自欧洲的操作系统、是由世界上 最大的3 家移动电话厂商诺基亚、爱立信和摩托罗拉所共同开发、整合组成新 公司，开发出来的新操作系统；在3 大电话厂商的合作下，e p o c 市场潜力很 大，且占有率高，但应用功能以手机为主，目前并不开放授权。 在3 大主流操作系统品牌外，l i n u , x 也将是今后一股强劲的力量：由于l i a u x 开放源码，经过这些年的发展，已经成为一个健壮的可靠的高性能的操作系统【2 】。 愈来愈多的嵌入式系统设计员发现l i n u x 可以成为一个优秀的嵌入式操作系统。 而l i n u x 的最大的优势还在于它是一个开放的操作系统。由于l i n u x 开放源码， 操作系统的一切对用户都是透明的，用户可以最大限度地控制系统开发的进度和 造价。在开发过程中遇到的各种各样的硬件设备，可以方便地在网上找到这些设 2 北京邮电大学研究生论文基于c o m i p 与u c l i n u x 的嵌入式系统的研究 备的驱动程序，得到支持。l i n u x 内置网络支持，用户可以轻松地使自己的嵌入 式具有网络功能。l i n u x 是模块化的操作系统，提供了优秀的可缩放功能，用户 可以方便地删除不需要的模块，大多数嵌入式系统对操作系统的体积非常敏感， l i n u x 可以根据自己的需要，选择特定的功能模块，自主地搭建嵌入式操作系统。 l i n u x 支持绝大多数c p u ，包括i n t e l 、m i p s 、a s i c 、a l p h a 、6 8 k 、p o w e r p c 、 a r m 等吲。这使l i n u x 几乎可以嵌入到各种硬件设备上。成为各家厂商极力发 展的操作系统，加上其核心小，潜力可观。 就嵌入式系统本身而言，如果仅仅有h a r d w a r e 和o s ，这个系统所能做的 事情还非常有限。对于一个实际的嵌入式产品，开发者所提供的功能和应用是关 系到产品成败的重要因素。 1 2 嵌入式l i n u x 1 2 1 嵌入式l i n u x 介绍 l i n u x 作为嵌入式操作系统是完全可行的。因为l i n u x 提供了完成嵌入功能 的基本内核和所需要的所有用户界面，能处理嵌入式任务和用户界面。将l i n u x 看作是连续的统一体，从一个具有内存管理、任务切换和时间服务及其它分拆的 微内核到完整的服务器，支持所有的文件系统和网络服务。l i n u x 作为嵌入式系 统，是一个带有很多优势的新成员。它对许多c p u 和硬件平台都是易移植、稳 定、功能强大、易于开发的。 嵌入式l i n u x 系统需要下面三个基本元素：系统引导工具( 用于机器加电后 的系统定位引导) 、l i n u x 微内核( 内存管理、程序管理) 、初始化进程【4 】。但如 果要它成为完整的操作系统并且继续保持小型化，还必须加上硬件驱动程序、硬 件接口程序和应用程序组。 l i n u x 之所以在嵌入式系统中得到了广泛的应用主要是由于l i n u x 具有以下 一些特点：l i n u x 系统是层次结构且内核完全开放。l i n u x 是由很多体积小且性能 高的微内核系统组成。在内核代码完全开放的前提下，不同领域和不同层次的用 户可以根据自己的应用需要方便地对内核进行改造，低成本地设计和开发出满足 自己需要的嵌入式系统。 强大的网络支持功能。l i n u x 诞生于因特网时代并具有u n i x 的特性，保证 了它支持所有标准因特网协议，并且可以利用l i n u x 的网络协议栈将其开发成为 嵌入式的t c p i p 网络协议栈。此外，l i n u x 还支持e x t 2 、f a t l 6 、f a t 3 2 、r o m f s 等文件系统，为开发嵌入式系统应用打下了很好的基础。 l i n u x 具有广泛的硬件支持特性。无论是r i s c 还是c i s c 、3 2 位还是6 4 位 北京邮电大学研究生论文基于c o m i p 与u c l i n u x 的嵌入式系统的研究 等各种处理器，l i n u x 都能运行。l i n u x 通常使用的微处理器是i n t e lx 8 6 芯片家 族，但它同样能运行于m o t o r o l a 公司的6 8 k 系列c p u 和m m 、a p p l e 、m o t o r o l a 公司的p o w e r p cc p u 以及i n t e l 公司的s t r o n g a r mc p u 等处理器。l i n u x 支持各 种主流硬件设备和最新硬件技术，甚至可以在没有存储管理单元( m m u ) 的处 理器上运行。这意味着嵌入式l i n u x 将具有更广泛的应用前景。 与传统的实时操作系统相比( r t o s ) ，采用象嵌入式l i n u x 这样的开放源 码的操作系统的一个好处是l i n u x 开发团体看来会比r t o s 的供应商更快地 支持新的i p 协议和其它协议。核心l i n u x 操作系统本身的微内核体系结构相 当简单，网络和文件系统以模块形式置于微内核的上层。驱动程序和其它部件可 在运行时作为可加载模块编译到或者是添加到内核。这为构造定制的可嵌入系统 提供了高度模块化的构件方法。而在典型情况下该系统需结合定制的驱动程序和 应用程序以提供附加功能。 嵌入式系统也常常要求通用的功能，为了避免重复劳动，这些功能的实现运 用了许多现成的程序和驱动程序，它们可以用于公共外设和应用。l i n u x 可以在 外设范围广泛的多数微处理器上运行，并早已经有了现成的应用库。 在嵌入式系统上运行l i n u x 的一个缺点是l i n u x 体系提供实时性能需要 添加实时软件模块。而这些模块运行的内核空间正是操作系统实现调度策略、硬 件中断异常和执行程序的部分。由于这些实时软件模块是在内核空间运行的，因 此代码错误可能会破坏操作系统从而影响整个系统的可靠性，这对于实时应用将 是一个非常严重的弱点。嵌入式系统一般都是实时系统，实时系统大都是用在嵌 入式环境。用于嵌入式场合的实时操作系统就是嵌入式实时操作系统。在一个较 为完善的嵌入式系统环境中，需要一个支持实时多任务的操作系统( r t o s ) 内核， 因为广泛应用于现实世界的嵌入式设备必须具有与外部环境实时交互的能力。现 成的r t o s 完全是为实时性能而设计的，它通过在由用户而非系统级进程启动 时分配给某个进程以高于其它进程的优先级的方式来实现可靠性。进程在操作系 统看来就是在内存里或硬盘驱动器上执行的程序。给他们指定进程d 或者数字 标识符为的是让操作系统跟踪正在执行的程序和这些程序的相关联的优先等级。 下面列出了一些更加广为人知的小型嵌入式l i n u x 版本【5 】： e n j n u x 一设计用于在小型工业计算机，尤其是p c 1 0 4 模块上运行的 l i n u x 的完全分发版。 l e m 一运行在3 8 6 上的小型( 系统控制器( c p r ) 实时时钟( r t c ) 重映射模块( r a p ) 直接存储器访问控制器( d m a c 0 ) 定时器( t i m e r 0 ，t i m e r l ，t i m 匣r 2 ，t i m e r 3 ) 看门狗( d t o ) 中断控制器( i c t l ) 外部存储器控制器( m e m c t r l ) 键盘控制器( k b s ) 脉冲宽度调制模块( p w m ) 智能卡接口控制器( s i m ) 通用1 0 控制器( g p l 0 0 ) 通用异步串行通信控制器( u 舢、u a r t l ) 辅助a d d a 接口模块( a i 球) 液晶显示控制接口( l c d c ) z s p 子系统 看门狗( w d t l ) 北京邮电大学研究生论文基于c o m i p 与u c l i n u x 的嵌入式系统的研究 直接存储器访问控制器( d m a c l ) 通用1 0 控制器( g p l 0 1 ) 通用异步串行通信控制器( i a r 他) 同步串行接口控制器( s s l 0 、s s l l ) 。 语音接口模块( s p i f )： 射频接口控制器( r f i f ) 调试模块 j t a g 接口模块( j t a g ) 嵌入式实时跟踪宏单元( e 1 m ) 边界扫描( b s d ) 子系统通信模块( m 甜l b o x ) 2 1 3 地址映射 d t t 6 c 0 1 a 是一个3 2 位的s o c 芯片，内部地址范围为 o x 0 0 0 0 0 0 0 0 舷f f f f f f f f ，共4 g b 空间。表2 - 1 给出了d t t 6 c 0 1 a 中各模块的 地址范围。 j 表2 - 1 地址映射 1 0 北京邮电大学研究生论文基于c o m i p 与u c l i n u x 的嵌入式系统的研究 北京邮电大学研究生论文基于c o m i p 与“c l i n u x 的嵌入式系统的研究 2 2 开发平台硬件设计 2 2 1c o m i p 开发平台设计思想及难点问题 现今的嵌入式开发平台大多是针对某一类应用设计的，用户进行功能扩展 时需要在开发板的基础上进行更进一步的开发，包括设计子系统板等工作，同时 由于大多开发板上的处理器功能简单，外围接口较少，除了开发板提供的功能外 再开发其它应用比较困难，大量的消耗了开发资源和开发周期。c o m i p 开发平 台正是针对开发平台功能单一，开发周期长等不足进行设计。对比现在比较流行 的以三星$ 3 c 2 4 1 0 作为主处理器的开发平台和n 的o m a p 开发平台，c o m i p 开发平台力求在功能的多样性、系统得通用性、系统易用性和可裁减性等方面有 所突破。以三星$ 3 c 2 4 1 0 ( a r m 9 2 0 t ) 为处理器的嵌入式开发平台首先由于处 理器的限制，只适合进行一些数据吞吐量不大的运算和处理，例如简单的数据通 信、简单音频和视频处理、手机基带处理等。而对于复杂的音频、视频、多媒体、 实时通信、p d a 基带处理就很难胜任。同样t i 的o m a p 开发平台在应用也存在 一些问题，例如外围功能不多，难以满足使用者需求，并且开发平台及仿真器成 本高，对使用者来说不是最好的选择。 针对这些问题，我们提出了c o m i p 开发平台的设计思想。 开发平台功能多样性 c o m i p 芯片本身功能强大，内部为双内核结构，处理能力强，并且 提供了丰富的应用接口。为了实现开发平台功能的多样性我们尽可 能把c o m i p 的各种功能通过外围扩展实现，提供给使用者尽可能多 的功能。 开发平台通用性和易用性 开发平台提供给使用者的外部接口都是现在最通用的接口形式，这 样方便使用者使用。在外围芯片的选择上尽量选用大厂家比较成熟、 稳定、市场上常见的芯片和元器件。 北京邮电大学研究生论文基于c o m i p 与u c l i n u x 的嵌入式系统的研究 开发平台的可剪裁性 对于大多数使用者来说并不是开发平台所有功能模块都能用得到， 过多的功能影响系统运行和开销。c o m i p 平台采用积木板式结构把 外围功能模块做成子系统板，通过接插器件连接。使用者可以自行 选择所需要的功能模块定制系统，方便开发，节省成本。 设计中的难点问题 系统采用积木式结构，各个子板与母板间通过接插器件连接，对一 些高速信号来说会造成阻抗不匹配，导致关键信号的串扰、过冲， 使信号读写时序错误，造成系统的不稳定。 系统各个子板和母板的电源供电分配和驱动能力问题。 难点问题的解决方法 对于阻抗不匹配问题，根据传输线理论，信号线的特征阻抗 z o = ( l c ) “2 式( 2 1 ) 当关键信号线经过接插器件时，连接器的寄生电感值较大，而寄生 的电容值较小，所以特性阻抗大于印制板走线的特性阻抗。为了避 免这种现象的产生，可以在接插器件焊盘处敷设一定面积的铜箔， 来增大寄生电容，改善阻抗不匹配现象。敷设铜箔的大小可以根据 公式 z = z o = l ( c + c t a b ) “2 式( 2 - 2 ) ( 其中l 为连接器的等效电感；c 为连接器等效电容：c t a b 为 铜箔的等效电容) 先确定铜箔电容大小，再根据敷设位置不同计算面积。敷设在表层 则根据公式 c 1 a b = 0 2 2 5 s r a h 式( 2 3 ) ( 其中a 为c t a b 的有效敷设面积，单位为平方英寸；h 为c t a b 薄片电容与相邻层之间的距离，度量单位为英寸；r 为c t a b 薄片 电容与相邻层之间填充的绝缘介质的介电常数；c t a b 为c t a b 薄 片电容的容值，单位为皮法) 计算铜箔大小；敷设在内层则根据公式 c t a b = 0 2 2 5 ( s ，l a 1 1 1 + 8 t 2 刖h 2 ) 式( 2 - 4 ) ( 其中a 为c t a b 的有效敷设面积，单位为平方英寸；h l 、l a 2 为 c t a b 薄片电容与相邻层之间的距离，度量单位为英寸；e r l 、1 2 为 北京邮电大学研究生论文 基于c o m i p 与i t c l i n u x 的嵌入式系统的研究 c t a b 薄片电容与相邻层之间填充的绝缘介质的介电常数； c t a b 为c t a b 薄片电容的容值，度量单位为皮法) 计算铜箔大小。 母板和子板电源分配充分考虑到系统各部分的需求，在母板上设置 多路l d o ，针对不同模块对电源的要求通过跳线进行可选择供电， 这样做一是方便使用，二是可以控制功耗；另外在母板上设置电源 管理芯片可以通过内部寄存器的配置来控制各个部分供电。同时在 电源线通过接插器件时，为防止电压衰减，在各个子板上设置了驱 动器件，使得供电正常。 2 2 2c o m i p 处理器模块功能描述及实现方法 c o m i p 模块单元功能描述：系统中央处理单元；对各子模块单元进行数据 配置；与p c 通信，传输命令和数据；数据的压缩与转换处理；键控功能，根据 键盘指令执行控制程序，切换系统当前状态。 c o m i p 模块单元实现方法：采用嵌入式微处理器c o m i p 实现。 2 2 3 电源模块功能描述及实现方法 电源模块单元功能描述：为微处理器以及各个子扳芯片和外围设备提供电 源。 电源模块单元实现方法：板上提供5 v 电源输入接口和3 3 v 、1 8 v ，3 v 和 2 5 v 等几种参数的l d o ，经过电压转换滤波等处理提供5 种工作电压。其中 c o m i p 芯片内核电压采用1 8 v 供电、i o 接口采用3 3 v 供电，外围芯片采用3 3 v 、 3 v 、5 v 、2 5 v 等几种供电方式。 2 2 4 地址译码模块功能描述及实现方法 地址译码模块单元功能描述：扩展外部接口寻址空间。 地址译码模块单元实现方法：通过c o m i p 高3 位地址线a 2 1 - a 2 3 作为3 8 译码器7 4 l s l 3 8 的输入，输出8 位译码片选信号。地址译码模块单元接口说 明：信号描述如下 表2 - 2 地址译码模埏接口说明 接口名称哟类型著溅向功眦 a , b , c 10 蛐地比靳骑| 叭 y 00f 麟a 端黜片i 黼 y 1o如c o m o l e r c s #l c d 片选信号 y 20 1 4 北京邮电大学研究生论文基于c o m i p 与“c l i n u x 的嵌入式系统的研究 y 3o皿c 端u d 书黼 y 4o y 5on 位l d e 蚤4 h c s 拌m o d e m 黼 y 6od m 9 0 0 0 c s 撵d m g ( x 3 0 片黼 y 7ou 踮c 群 u s b 片选f 言号 2 2 5l c d 模块功能描述及实现方法 l c d 模块功能描述：根据系统命令显示图形，字符，文字等人机界面。 液晶模块单元实现方法：采用e p s o n 的s 1 d 1 3 7 1 4 8 0 0l c d c o n t r o l l e r ， l c d - p a n e l 采用s h r a p 的l q 0 5 7 q 3 d b 0 2 模块单元。 模块单元接1 2 说明：l c d c o n t r o l l e r 接在c o m i p 芯片的r a m 接口上。 表2 - 3l c d 模块接口说明 接嗍i o 类型来瓣去向功自踟魅 c 蜊o础1 3 8帛斟静翔徽啪发信号 晦群io o 】堋p缓冲因寄存器选扫黼啊昔号 a b 1 8 ：i 】 io o 】田坳e 营线输 d b 1 5 埘砌 0 0 m 口数燃 r d 群i0 0 m 口读髓 w 础 i0 0 m 口写德毙 删io o 】田d b 1 5 ：0 吖氐8 位崮嘴 髓1 释 1 0 0 m 疋 d b 3 1 ：1 6 高8 位选黼 鼎oa 0 m 呻数据岗锄措 孙丌o0 0 m 口中断输出 r b ；日群i复蝴复瞄扒低有效 l c d c o n t r o l l e r 的c a m e r a 外部接口 表2 - 4c a m e r a 模块接口说明 接口名称i o 类型来源去向功能蔺述 c m l a l 0 。i r oc 纽嘲主时黜 a 1 v r e fic 细：嫩垂直同黼 a 1 h r e fic a l m水平同黼 a l q l 心iic 纽嘲像薷冰懒 c m l d a i t t ：0 ic 轫嫩数黼 l c d c o n t r o l l e r 的l c d 外部接口 表2 - 5l c d 模块外部接口说明 北京邮电大学研究生论文基于c o m i p 与p c l i n u x 的嵌入式系统的研究 接口名称i o 类型来抒去向功能瞄述 h 野艮蝴ou ml ( d l 帧胁冲信号 f p 啪ol c dk d l 行肠泔信号 f p d a t 1 7 ：0 ol a dl ( d l r 哑情 f p 疆皿可o衄u ：d l 像素刚斟输出 f p ( 笃1 撑 o旧 h d l 串行接口片选渝出 2 2 6u s b 模块功能描述及实现方法 u s b l 1 模块单元功能描述：遵循u s b l 1 协议，完成主设备、从设备与外 部通讯。 u s b l 1 模块单元实现方法：采用c y p r e s s 公司的s l s l l h s 嵌入式 h o s t s l a v e 控制器。 模块单元接口说明：u s b 芯片接在c o m i p 芯片的r a m 接口上。 表2 - 6 u s b 模块接口说明 接口名称i o 类型来源去向功8 瞰谜 a 0i0 0 m m地址选择输入 舳i0 0 m 昭读崮献 搬io o m p写选揿 i 璐iu s b c s 撵片罐愈 d a ：i a +i o u ! 沿接口u s b 差扮信号+ d a t a i ou 接口u s b 差剁释 a l k 1i目钟电路4 8 m时啪俞坳懈端 珂氇t i 复位电路躺 信号 i n i r qo0 0 m p 中断潆荥 m 瞎i高低选择主似摸燃 d 口i o 】 i oc o m p数蝴 2 2 7 以太网模块功能描述及实现方法 以太网模块单元单元功能描述：提供以太网接口，实现1 0 m 1 0 0 m 以太网数 据通信。 以太网模块单元单元实现方法：选用d a v i c o m 公司的d m 9 0 0 0 以太网通 信芯片。 模块单元接口说明： 表2 7 以太网模块接口说明 1 6 北京邮电大学研究生论文 基于c o m i p 与u c l i n u x 的嵌入式系统的研究 接口名你 i o 类型著撇向 功自崩鸶苤 删if p g a处理器黼 i c 哺群if 王b a 处理器写命令 a 日qif 姒地址始 i c 吼能r r o f 王b a处理器等擀 跚) o _ 3 1i of 鼢 数据曲线 8 a 4 - 9i固定僦 地址总线 a d i 同】g a命铡 1 0 1 6 0 接地字命轹 n 盯o0 0 m 疋中断请求 皿ii 9 3 l c 4 6 ( e e p r o m )读e e p r o m 日亚1 0i o 9 3 l c a 6 ( e e p r o m )写e e p r o m 日殛0 9 3 i c a 6 ( e e p r o m )时籼 日弼i o 9 3 l c a 6 ( e e p r o m ) e e p r o m 汜2 5 mo2 5 m 无漏黜暖时撇 x 12 5 mi2 5 m 无獭时愀 s di 以娴j 5 9 接口信号坳9 b g r e si o以椭口保护嗍脚 r x 【+ i 以肉j 5 9 接口t p r x 输入 r -i 以太网接口t p r x 输入 t 5 ( o h _o 以太网接口t p t x 输出 黔o以燃口t p t x 输出 2 2 8h , d a 模块功能描述及实现方法 红外1 0 模块单元单元功能描述：实现与红外手持设备的i r d a l 0 通信。 红外1 0 模块单元单元实现方法：采用s h a r p 公司的g p 2 w 0 0 0 4 y p 和 a g i l e n t 公司的h s d l l 0 0 1 红外收发器。 模块单元接口说明： 表2 - 8i r d a 模块接口说明 接口名称i o 类型著溅向功雠 t x d10 0 1 皿发茵鳓腩扒 r ) ) +0o o m 碑按腿哟黜 s 1 d 1 3 7 1 4 8 0 0 ( l c s di躺 d c a 血0 l e r ) 北京邮电大学研究生论文基于c o m i p 与t t c l i n u x 的嵌入式系统的研究 2 2 ，9t v 模块功能描述及实现方法 t v 模块单元单元功能描述：i t u 6 5 6 或者y c b c r 数字视频信号编码( d a ) 转换为c v b s 复合模拟视频信号或者s - v i d e o 分离视频信号。 t v 模块单元单元实现方法：采用数字视频编码器s a a 7 1 2 t 实现编码，通过 c v b s 接口或s 一d e o 接口输出到电视上。 模块单元接口说明：s a a 7 1 2 11 2 c 接在c o m i p 芯片的g p i o 接口上，数字 视频信号接在c o m p 信号的数据总线低8 位。 表2 - 9 t v 模块接口说明 接口名称i o 剡著燃向 功能蔺述 瓯) ai oh a1 2 ( 2 燃 s 吼 if p g a1 2 c 嗍 m p 0 r 7 埘 ih a 数字潞顷信号 c 据ot v复合祝劂鞘黼 2 2 1 0 键盘模块功能描述及实现方法 键盘模块单元功能描述：主要用于终端接受用户输入按键，支持最多外接 2 8 个按键的长按、短按及自动重复。 键盘模块实现方法：键盘采用8 线制2 8 键倒三角阵列，8 线上拉电阻为1 0 k 。 模块单元接口说明 表2 1 0 键盘模块接口说明 接口名称i o 类型著撇向功雠 lk b n 7 io0 0 m m键输 信号 2 2 1 1s i m 卡模块功能描述及实现方法 s i m 卡模块单元功能描述：智能卡接口，支持7 8 1 6 协议。 s i m 卡模块实现方法：直接与c o m i p 芯片s i m 接口连接。 模块单元接口说明 表2 1 1s i m 模央接口说明 接嘟i o 类型辣漱向功雠 跚啪隧汀i0 0 m 碑卡复雠 s i 胍i0 0 m 口 卡对钟输入 s 啪i o0 0 m 口数据线 北京邮电大学研究生论文 基于c o m i p 与c l i n u x 的嵌入式系统的研究 2 2 1 2m e m o r y 模块功能描述及实现方法 m e m o r y 模块功能描述：作为系统的外部存储器，保存数据及操作系统等。 m e m o r y 模块实现方法：采用s s t 公司的s s t 3 2 i 1 6 2c o m b o m e m o r y 和m i c r o n 公司的m t 4 8 l c 2 m 3 2 8 2s d r a m 。 模块单元接口说明 接口猕i o 类型著帮去向功能筒盎 n 1 9 棚 i0 0 m pm e m o r y ：峨 d 3 1 蜘 i o0 0 m pm e m o r y 数据线 d q m i 3 ：0 1i0 0 m ps d r a m 输入输出瞰 b a n a l 0 1io o 】咿瓤) i l m k m 口a ： b s n i 捌 i0 0 m p静翻种韶鞴哪雠 c s 3 厄s 1 月c s oi0 0 m mm e m o r y c 删io o 】衅s d r a m 歹| 蚴蹦辞信号 r a 斛10 0 ms d r a m 行地出划黼 皿ki0 0 m 跖删时钟 o 斟10 0 m 啤静态i 字| 谢精毹僦 w 矾i0 0 m 疋 静态存睹搭吲始2 d w e nic o m 疋8 d r a m 写傍毙 2 2 1 3 开机及复位模块功能描述及实现方法 复位模块单元单元功能描述：提供上电复位和按钮复位信号。 复位模块单元单元实现方法：采用m a x 7 0 8 复位芯片实现。 复位模块单元单元接口说明 表2 。1 3 开机、复位模块接口说明 接 瑶称d 剡著瞰向功雠 r 嘲o复蝴，谳 跚群0复蝌，侧 删1k e y按建劓揿 2 2 1 4f p g a 模块功能描述及实现方法 f p g a 模块功能描述：实现w l a n 通道和以太网通道。 模块单元实现方法：采用a l t e r a 公司s t r a t i x 2 系列e p 2 s 6 0f p g a 实现 北京邮电大学研究生论文基于c o m i p 与c l i n u x 的嵌入式系统的研究 w l a n 通道和以太网通道。 t d s c d m a 通道解决方案 t d s c d m a ( 简称t d ) 是由中国自主制定的3 g 标准，由大唐电信向u 提出。该标准将智能天线、同步c d m a 和软件无线电等先进技术融于其中，在 频谱利用率、对业务支持具有灵活性、频率灵活性及成本等方面有一定优势。 在该平台上，t d 的处理方案是这样的：发送数据时，待发送数据通过网口 进入f p g a ，再送入c o m i p 芯片中做基带处理，处理完毕后从射频口r f i f 送出， 经过外面电路的射频调制后发送出去。 带信号，送入c o m i p 芯片做基带处理 接收数据时，外围电路解调后，变成基 然后通过网口送至p c 计算机。 图2 - 2t d $ c d m a 处理方案 t d s c d m a 数据通道流程： 数据数据 t d 运行处理后的 卜 卜、 卜 处理数据 卜 教据 启动 f 1