（电工理论与新技术专业论文）嵌入式技术在远程监控中的应用.pdf

a b s t r a c t c u r r e n t l y , e m b e d e dp r o c e s s o ri ss w i t c h i n gf r o mt h et r a d i t i o n a l8b i t ，16b i ts i n g l e c h i p t o 3 2d i g i t a lp r o c e s s o r e m b e d e ds y s t e mb a s e do na r m i st h em o s tp o p u l a rs o l v i n gb l u e p r i n to f e m b e d e dt y p e ，w h i c hi sw i d e l yu s e di nh a n d h e l de q u i p m e n t ，i n t e l l e c t u a lt e r m i n a l ，c o n s u m i n g e l e c t r o n ，i m a g ep r o c e s s i n g a n do t h e rr e l a t e df i e l d s a p p l i n ge m b e d e dt e c h n o l o g yi n t o r e m o t e m o n i t o r i n g , t h ec h a r a c t e r so fe m b e d e ds y s t e ms u c h a ss m a l lv o l u m e ，l o wp o w e r c o n s u m p t i o n ，h i g hs t a b i l i t y , p o w e r f u l f u n c t i o nw i l lb i m gaf u l l 。s c a l et e c h n o l o g yr e f o r m a t i o n a n du p d a t i n gf o rs e c u r i t ya n dp r o t e c t i o nm o n i t o r i n gp r o d u c t i o na n dw i l lb ea n e wd i r e c t i o no f t r a d i t i o n a lm o n i t o r i n gp r o d u c t i o n t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e sa n d d i s c u s s e se m b e d e dd e s i g n ，r e s e a r c h e sm e t h o d so f e m b e d e ds y s t e m b a s e do nd e t a i l e dc o m p a r a t i o na n dd e m o n s t r a t i o n ，c o r ec h i p l p c 2 214 a r m 7o fn x pi sc h o s e na st h em a i nc o n t r o lc h i p ，r e l a t e dp e r i p h e r a lc i r c u i t sa r ea l s od e s i g n e d i l lt 1 1 ea s p e c to fs o f t w a r e , u c o s i i s o u r c ec o d ei sc h o s e na sr e a l t i m eo p e r a t i o ns y s t e m t r a n s p l a n to ft h i so p e r a t i n gs y s t e mi nl p c 2 2 14 ，d e s i g no fb o t t o md r i v i n gs o f t w a r ea n du p p e r l a y e ra p p l i c a t i o ns o f t w a r ea r er e a l i z e d f u r t h e r m o r e ，f e a s i b i l i t yo fe m b e d e dt e c h n o l o g yi nr e m o t em o n i t o r i n gi sa l s od i s c u s s e d d a t ar e m o t et r a n s m i s s i o ni sr e a l i z e dt h r o u g hg s ms h o r tm e s s a g e , a n dt h ep r i n c i p l eo fs m s s h o r tm e s s a g ei sa n a l y z e d r e m o t er e a l t i m em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do ns m s s h o r tm e s s a g e i sd e s i g n e dw i t hf u n c t i o n so fr e a l t i m ev o i c ep r o m p t ，a l a r mb u z z e r , l c dd i s p l a y , m e s s a g e s a v i n go fs dc a r da n ds oo n t h e h a r d w a r ec i r c u i th a sb e e na p p l i e di n “t r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns i m u l a t i o ne q u i p e m e n f o fi n t e g r a t ea u t o m a t i o nk e yl a b o fn a n j i i n gn o r m a l u n i v e r s i t y , s o l v i n gt h ep r o b l e m so fr e m o t et r a n s p o r t a t i o no fe l e c t r i c a lq u a n t i t yp a r a m e t e r i n f o m 矗o na tu n a t t e n d e dt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o na n do p e r a t i o no fr e m o t ec o n t r o lt r a n s f o r m e r s u b s t a t i o ne q u i p m e n t ，l a y i n gg o o df o u n d a t i o nf o rf u r t u r ed e v e l o p m e n t k e y w o r d ：a r m 7 ，l p c 2 2 1 4 ，c o s i i ，s m s ，r e m o t e - m o n i t o r i n g i i 果。 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新刀的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已 经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了 谢意。 作者签名： 日期： 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权 保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质 版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书 馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索；有权将学位 论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名： 日 期： 南京师范大学硕士学位论文 前言 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、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。主要作用是实时监 视、控制、管理移动计算机、数据处理等，或者辅助其他设备运转，完成各种自动化处 理任务【i 】。 监控是实现信息获取、分析、传输、管理、反馈输出等的重要手段，包括监视和控 制两个过程。监控系统近几年发展异常迅速，在宾馆、机关、街道、博物馆、铁路车站、 货场、码头、民用航空、城市道路等地方使用的越来越多。但是，在没有任何敷设线路 条件的现场，布置监控设备，如带有壁画的文物洞窟、装修完整的大型展厅，临时需要 监控的场合；不便挖掘和埋线的广场，不具备架线的星级货场，铁路站点、公安武警、 部队在特殊场合临时使用等等，常规的监控系统就不能胜任。为满足上述用户需求，无 线传输的远程监控系统应运而生【2 1 。 远程监控系统是指借助某种通信手段实现对远程受控对象的监视和控制，它是本地 和远端共同构成的能够实现远程监控功能的软、硬件系统，是信息网络与控制网络结合 的产物，集现代计算机技术、通信技术、传感器技术、自动控制技术和人机系统技术等 为一体，在许多领域有广泛的应用。适用于人类无法到达的远程、高危环境，也可用于 家居、车辆监控、工矿、企事业单位的生产过程和监控管理等方面，不但可以提供全新、 透明、可视、实时、互动、形象化的跟踪、导航等服务，而且提供辅助决策功能。远程 监控系统能极大地提高人们的生活质量，提高企业生产自动化水平和生产效率【3 1 。 远程监控系统包括两个基本要素：一是现场监控系统，现场设备是远程监控系统的 操作对象，保证现场控制系统的可靠稳定运行是远程监控的基本要求；二是数据通信系 统，这是连接远程用户与现场设备的枢纽，远程用户必须能与控制现场进行信息交互才 能够实现对现场设备的远程监控【4 j 。 如何设计一个功能完善、稳定可靠、界面友好、实时性好、通用性好、扩展性好的 远程监控系统，还是一个重要课题。 将嵌入式技术与移动通信网络相结合实现远程监控的想法由来已久，主要的困难在 于当时的通信网络在速度和确定性等方面都有很大欠缺，不能满足工业通信网络要求： 另外，各种网络通信协议对于嵌入式系统存储器容量、运算速度等的要求比较高，当时 的嵌入式系统中除部分3 2 位处理器以外，都无法达到这一要求。随着移动通信网络在 速度上不断提高以及交换技术、全双工工作方式等技术的融入，移动网络与工业通信网 络的差距正在逐步缩小，加之半导体技术和系统设计方法的提高，微控制器在内部结构、 功率消耗以及制造工艺等诸多方面有了长足的进步，将移动通信协议嵌入到其中成为可 南京师范大学硕士学位论文 能。 将实时操作系统及网络技术引入嵌入式系统，使其具有网络化、智能化及实时性的 特点，这样的嵌入式系统应用在远程监控系统中，将使其性能得到很大的提升，使远程 监控系统在安全监控、生产过程监控、住宅小区监控等领域得到更广泛应用，故对嵌入 式系统的研究将带来巨大的社会效益和经济效益。 本课题以远程监控系统领域现阶段的技术为参考，以远程监控需求为背景，以嵌入 式软硬件技术为基础，以s m s 短消息数据传送为途径，提出并设计了一种基于嵌入式 微处理器( a r m 内核) 和嵌入式实时操作系统的远程监控系统平台。在了解各种模式 的远程监控系统利弊的基础上，选定s m s 短消息作为数据远程传送方式；研究了嵌入 式系统的原理、构成及其特点；分析以n x p 公司3 2 位嵌入式微处理器l p c 2 2 1 4 为核 心的嵌入式系统的硬件设计；介绍了s m s 短消息的工作机制；软件部分，主要介绍了 嵌入式操作系统的移植、任务的设计和划分、上层软件的设计过程以及底层驱动的编写； 最后，将设计出来的嵌入式系统平台成功应用于变电站自动化模拟系统上，解决了无人 值守变电站电量参数信息的远程传输以及远程控制变电站设备的运行等问题，实现了对 该装置的远程监控。 随着技术的不断发展，未来的远程监控可直接传送图像信息、多媒体信息，也就意 味着高清晰、高解析度多媒体信息的实时传输成为可能，我们正在向这个方向不断努力。 2 南京师范大学硕士学位论文 嵌入式技术概述 本章介绍了嵌入式系统设计的过程及原则，重点阐述了嵌入式处理器的选型原则以 及嵌入式实时操作系统的取舍标准，并结合实际设计经验，提出了嵌入式系统设计的一 般方法。 1 1 设计过程 嵌入式系统设计是一个很复杂的过程，在设计嵌入式的过程中，不仅要对设计嵌入 式系统的软硬件有很广泛的了解，同时还要熟悉行业的内容。下面是设计过程中必须考 虑的一些问题岭j ： ( 1 ) 需要硬件的数量。在系统设计中，不仅要选择使用何种微处理器，还要选择 存储器的数量、所使用的外设及其它的内容。因为在满足性能要求的同时也要考虑制造 费用的约束，硬件设备的选择是十分重要的，硬件太少，将不能达到性能的要求，硬件 设备过多又会使产品变得过于昂贵。 ( 2 ) 时限要求。通过提高c p u 的时钟频率的方法来提高程序运行速度以解决时 间约束的方法显得十分笨拙，因为程序的速度有可能受存储系统的限制，因此必须从整 个系统的观点来考虑这个问题。 ( 3 ) 系统的功耗。对于电池供电的电器而言，功耗是一个十分重要的问题；对于 非电池供电的电器而言，高功耗也会带来高的散热量。降低系统功耗的一种方法就是降 低它的运算速度，但是单纯的降低运算速度显然会导致不能满足性能需求。所以必须从 全局的角度进行设计，以便通过降低系统非关键部分的速度来降低系统功耗，而同时又 能满足系统整体性能的要求。 ( 4 ) 系统的可升级性。系统的硬件平台可能使用几代，或者使用在同一代的不同 级别的产品中，而这些仅仅需要一些简单的改变就应实现，所以我们必须能够通过改变 软件来改变系统的特性。这就要求我们在软件设计中必须考虑系统的升级问题。 进行嵌入式系统设计有两种最基本的方法【6 】。一种是自顶向下的方法，从对系统最 抽象的描述开始，一步一步地推进到细节内容。另外一种方法是自底向上的方法，这种 方法从构成系统的每一个构件开始向上。图1 1 汇总了嵌入式系统设计的主要步骤。从 自顶向下的角度来看，先从系统的需求开始分析，然后是规格说明，再这一步对整个系 统进行更加细致的描述，但是规格说明只是对系统如何工作进行了描述，并不涉及它的 组成。系统内部的详细构造要在开发系统的体系结构时才能展现出来，这一阶段以大的 构件为单位给出了系统的结构。一旦知道了需要的构件，就可以开始设计这些构件，包 南京师范大学硕士学位论文 括软件模块和所需要的专用硬件模块。在这些构件的基础上，就可以构造出所需要的完 整的系统。上述设计过程中的这些步骤只是嵌入式系统的全貌的一个轴线，同时还需要 考虑其它一些相关因素。 具体的说，第一步“需求”就是要清楚要设计什么，从用户那里收集系统的非形式 描述，然后对这些要求进行提炼，以得到系统的规格说明。第二步“规格说明”更精确 一些，它起到客户和生产者之间合同的作用。第三步“体系结构”，是系统整体结构的 一个计划，而后用于设计搭建整个体系结构的构件。结构设计的创建也是许多设计者认 为的设计的第一阶段，形象化的话就是把系统用功能框图来表示，然后可以再细分成硬 件框图和软件框图。第四步“软硬件构件，使得构件与体系结构和规格说明达到一致， 一些构件可能是现成的，比如c p u 、存储芯片或者各种模块等，同样软件也有标准的模 块可以利用，比如现有的操作系统、t c p i p 协议等，但也要自己设计一些构件，硬件方 面如一些电路等，软件方面如定制一些文件系统或者网络协议以满足特别的要求。第五 步“系统集成”，是将构件集成到一个能运转的系鲥7 1 。 1 2 设计原则 i 需求 j 乡彳产 i 规格说明 七乡彳p i 体系结构 之乡彳产 i 构件 之多彳p l 系统集成 图1 - 1 设计过程的主要抽象层次 这一小节将对图1 1 中第四步工作，也就是“软硬件构件设计”，进行比较详细的 介绍，因为这一步工作是比较值得关注也是工作量较大的一步。具体将从嵌入式微处理 器和嵌入式操作系统两部分进行分析【8 j 。 ( 1 ) 嵌入式微处理器。在当今这个时代没有一种微处理器和微处理器公司可以主 导嵌入式系统，仅以3 2 位的微处理器而言，就有1 0 0 种以上嵌入式微处理器。因为嵌 入式系统设计的差异性极大，这就是有1 0 0 多种微处理器存在的原因。在某种情况下， 性能极为重要，而在另一种情况下，低功耗又成为最关键的因素。同时一些设计者会考 虑支持软件、代码的大小以及多种渠道的资源和过去的经验。以下列出了几点注意事项： 选择高性能的处理器。如果设计是面向高性能的应用，那么应考虑某些新的处 理器，现在基于a r m 核的c p u 的性能都不错。另一种趋势就是越来越多的人在磁盘控 4 南京师范人学硕士学位论文 制器、数码相机、手持电话、调制解调器等方面使用d s p 。采用d s p 的好处是可以大 大减少系统内c p u 的数目，提高效率，并使编程简单，但是毕竟d s p 不能完全替代c p u 的功能。目前已经有公司宣布推出复合型的微处理器，如m o t o r o l a 的m c o r e ( 一种新 一代的1 6 3 2 位微处理器) ，它将跨越c p u 与d s p 。 选择低功耗的处理器。嵌入式微处理器最大并且增长最快的市场是手持设备、 电子记事本、p d a 、手机、g p s 导航器等消费类电子产品，这些产品中选购的微处理器 除了要有很高的性能外，还要有极低的功率消耗。 选择专用的集成化的处理器。嵌入式微处理器与通用的微处理器最大的不同就 是嵌入式微处理器多数工作在用户自己设计的系统中。为了满足r 益高速增长的各类嵌 入式系统设计的需求，c p u 厂商设计许多兼容1 6 3 2 位微处理器并集成了许多外围功能 的c p u ，如s a m s u n g 公司的基于a r m 7 核的$ 3 c 4 4 8 0 集成了l a n 控制器，$ 3 c 4 5 1 0 集成了以太网接口。 调查c p u 供应商。某些公司如m o t o r o l a 、i n t e l 很有名气，而有一些小的公司如 q e d 虽然名气很小，但也生产很优秀的微处理器。另外，有一些公司，如a r m ，m i p s 等，只设计而并不生产c p u ，他们把生产权授予世界各地的半导体制造商。其中a r m 是近年来在嵌入式系统最有影响力的微处理器制造商，a r m 的设计非常适合于小的电 源供电系统。除m i p s 、a r m 之外，就数p o w e r p c 和x 8 6 了，这两款微处理器在桌面 系统用量极大，但在嵌入式系统中的影响却不够大。 在系统设计中，除了综合考虑系统的性能、功耗、价格、供货保证、开发工具的配 备外，工程师过去对这种处理器的经验和软件的支持等因素对决定使用哪一种处理器也 起到很大的作用。嵌入式处理器的选择不是一成不变的，伴随着技术的发展，速度快、 价格低、功能强的嵌入式处理器将会成为更好的选择。 ( 2 ) 嵌入式操作系统。嵌入式系统对操作系统和应用软件的需求和通用计算机有 所不同。嵌入式系统的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，应用程序可以没有操作 系统直接在硬件平台上运行，但是为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以 及和专家库函数接口，用户必须自行选配操作系统软件开发平台，这样才能保证程序执 行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。嵌入式操作系统的引入，解决 了嵌入式软件开发标准化的难题。随着嵌入式系统中软件比重不断上升、应用程序越来 越大，对开发人员、应用程序接口、程序档案的组织管理成为一个大的课题，引入嵌入 式操作系统相当于引入了一种新的管理模式，对于开发单位和开发人员都是一个提高。 以嵌入式操作系统为基础开发出的程序，具有较高的可移植性，实现9 0 以上设备独立， 一些成熟的通用程序可以作为专家库函数产品推向社会。嵌入式软件的函数化、产品化 能够促进行业交流以及社会分工专业化，减少重复劳动，提高知识创新的效率。有了嵌 入式操作系统，我们可以得到如图1 2 所示的嵌入式系统的简单构成图。 5 南京师范大学硕士学位论文 图1 2 嵌入式系统简单构成图 在确定要选择一个嵌入式操作系统来开发系统后，下一步就是如何来选择一个合适 的操作系统。一般应考虑以下因素： 自建、免费还是购买。正常情况下，购买当然是最好的选择，提供操作系统的 公司不但可以提供完全的源代码，而且可以提供合适的调试工具和强大的技术支持。但 是在某些情况下，现成的操作系统满足不了实际要求，这时也只能选择自建。当然也有 很多免费的操作系统，对于需要进行研究或者需要进行对操作系统改动的人说，肯定是 最好的选择，比如现在的, u c l i n u x 、t c o s 一等。 性能要求。对所有的项目来说，性能无不是个大问题，但是要了解操作系统对 系统的影响却不那么容易。首先要明白供应商使用的是什么评估板，微处理器的时钟频 率是多少，使用的什么存储系统，存储器访问使用了几个等待周期等，只有弄清楚了这 些才能作出公平的对比。 内核要求的最小存储器大小。操作系统可以装入小得令人惊讶的内存中，尽管 如此，当供应商给出一个内核要求的最小存储器大小时，很重要的一点是要了解这个内 核中包括了什么。最小的内核经常是仅仅支持很少的特性，而典型的配置可能产生大得 多的内核，如果在设计中非常在乎r a m 或r o m 的大小，一定要澄清这个问题。 调试工具。操作系统供应商可能有有助于找到错误的调试工具，这些错误( 比 如死锁、忘了放信号灯等等) 用其他源码级调试器更难于发现。许多工具允许开发者在 任务之间相互传递信号灯时、在任务切换时和发生中断时进行观察( 以增加c p u 开销 为代价) 。 软件组件和设备驱动程序。在设计中用到现成的板卡或i c 时，要确定是否可以 得到设备驱动程序。有些操作系统供应商提供这些特性或驱动程序的方式是不同的，可 能作为操作系统的一部分，也可能作为可选配件。另外，这些服务也可以从第三方供应 商获得。 6 南京师范大学硕士学位论文 1 3 嵌入式微处理器 1 3 1 处理器的选择 基于嵌入式微处理器在系统中的核心地位，选择一款恰当的处理器就显得非常重 要，嵌入式微处理器种类很多，各有各的特点和优势。如前所述，目前市场上主流的3 2 位微处理器有p o w e r p c 、6 8 k 、m i p s 和a r m 等。通常在选择微处理器的时候，需要考 虑性能、功耗、价格、配套的开发工具以及市场供货等因素，而a r m 在这些方面恰好 都具有优势。a r m 具有业界领先的r i s c 体系结构，提供各种性能和版本可供选择，各 类产品间互相兼容，方便系统升级。各大公司的支持使得产品性价比高，保证有稳定和 畅通的供货渠道【l 。 此外a r m 公司及其合作伙伴提供完整的技术支持和软硬件设计开发工具。鉴于上 述的众多优点，选用a r m 处理器是比较理想的选择。 1 3 2a r m 7 t d m i 内核简介 a r m 公司是一家全球知名的知识产权供应商，通过转让设计方案成为了全球性 r i s c 微处理器标准的缔造者。目前，有1 0 0 多家大公司与a r m 公司签订了技术使用许 可协议，其中包括了i b m 、i n t e l 、n s 、l g 、s o n y 和n x p ；软件系统的合作伙伴包括 了m i c r o s o f t 、升阳等。 a r m 架构是a r m 公司设计的一款高性价比r i s c 微处理器，它占用的硅片面积极 小，具有极低的功耗和很高的代码密度，并且有很好的实时中断响应能力。因此，它的 应用十分广泛，比如手机、p d a 、数码相机、m p 3 等等。 a r m 内核具备了非常典型的r i s c 结构特性【l i 】： 具有大量的通用寄存器； 通过l o a d s t o r e 结构使用独立的l o a d 和s t o r e 指令完成数据在寄存器和外部存储器之 间的传送，处理器只处理寄存器中的数据，从而可以避免多次访问存储器； 寻址方式非常简单，所有l o a d s t o r e 的地址都只由寄存器内容和指令域决定； 使用统一和固定长度的指令格式。 a r m 公司推出了很多的a r m 内核，主要有： c o r t e x t m m 3 - 一款面向低成本、低功耗、高性能的处理器内核； c o r t e x t m r 4 ：首款基于a r m v 7 架构的高级嵌入式处理器内核，主要目标为高级嵌 入式应用方案，如高端打印机、硬盘等； c o r t e x t m a 8 ：基于a r m v 7 架构的应用级处理器内核，适合于家电以及其它电子行 7 南京师范大学硕上学位论文 业等高端应用领域； a r m 7 ：是目前应用最多的一个a r m 内核，具有很低的价格和稳定的性能，适合 运用于小型嵌入式系统和s o c 设计中 a r m 9 ：兼容a r m 7 系列处理器，并且比a r m 7 具有更优异的性能； a r m l 0 ：提高了处理器的整型和浮点运算性能，提供高性能的浮点运算解决方案， 应用于高性能打印机、视频游戏机等。 a r m l l ：在a r m l 0 内核的基础上进一步改善了视频处理性能。 x s c a l e ：结合了i n t e l 和a r m 的技术，致力于为手提式通信和消费电子提供高性价 比、高性能、低功耗的解决方案。 a r m 7 t d m i 是基于a r m 体系结构v 4 版本的低端a r m 核，是由a r m 6 内核发展 而来的，a r m 6 核最早实现了3 2 位地址空间编程模式，由于a r m 6 所使用的技术使它 很难稳定在低于5 v 的电源电压下工作，a r m 7 则弥补了这一缺憾。 a r m 7 处理器直接支持8 位字节、1 6 位半字和3 2 位字的数据类型。a r m 7 设置了 两套指令系统：a r m 指令集和t h u m b 指令集。a r m 指令的长度是一个字，t h u m b 指 令的长度是半字。 a r m 处理器使用流水线来增加处理器指令流的速度，这样可以使几个操作同时进 行，并使处理器和存储系统之间的操作更加流畅。a r m 7 内核使用了3 级流水线技术， 可以提供o 9 m i p s m h z 的指令执行速度。3 级流水线的3 个阶段分别为： 取指：从存储器装载一条指令； 译码：识别指令； 执行：处理指令并将结果写回到寄存器。 a r m 7 功能框图如图1 3 所示： 南京师范大学硕士学位论文 c 砌s u r 舶n i n t e 删p t sf l b u sf c o n t r o l s i p o w e r i l n w a i t = n m 4 ：0 】 y 卜 p r o g 3 2 a i m ：o 】 一 y d a t 3 2 = ( d a t a 3 i ：0 l b i g e n n i 厂 、 d o u t 3 1 ：o b n i r o n e n o u l ： n f i o n m r e q ： a r m 7 s e q： n r w = n r e s e t n b w ： a l e l ( ) c k d b e n t r a n s 。 一a b o r t 7 v d d - l v s s = n o p c n c p i ： c p a【 c p b= p r o c e s s o r m o d e m e m o r y i n t e r f a c e ) 槎n t 扣o p r o c e s s o r 图1 - 3a r m 7 功能框图 a r m 处理器有2 个处理器状态：a r m 状态和t h u m b 状态；每个状念分别有一套 指令系统：a r m 指令集和t h u m b 指令集。其中a r m 指令集为3 2 位指令，具有完整的 功能，课题中的程序编写就使用了a r m 指令集。a r m 处理器有7 种处理器模式：l l s e l 、 s y s t e m 、s u p e r v i s o r 、a b o r t 、u n d e f i n e d 、i n t e r r u p tr e q u e s t 和f a s ti n t e r r u p tr e q u e s t 。众多的 处理器模式不但可以提高处理器的运算能力，而且可以提高系统的稳定性。 1 3 3 外围电路 当前一般的3 2 位嵌入式c p u 都不再内置较大的r o m 和r a m ，所以首先需要选择 r o m 和r a m 。对于终端类应用，需要的r a m 容量比较大，如果选择静态r a m ，性 能方面虽然好，但是价格太高。因此，选择性价比较高的s d r a m ，既可以用来作为存 储数据的内存，也可以当作程序存储器使用。为存储大容量数据就还采用一种 n a n d f l a l s h ，其特点是容量大、性价比高。 对于终端类产品，一般要求有一个能和上位机进行通讯的外围接口。最简单的就是 r s 2 3 2 接口，很容易实现，应用也比较方便。 终端产品还包括电池检测、1 2 c r o m 、l e d 等其他部分。终端的电源系统设计分为 主电源和r t c 电源，系统主电源由外部提供，r t c 电源一般采用锂电池，用来保证实 时时钟的供电不问断，以给系统提供准确的时间。 9 南京师范大学硕上学位论文 1 4 操作系统 1 4 1 使用嵌入式操作系统的必要性 嵌入式实时操作系统在目前的嵌入式应用中用得越来越广泛，尤其在功能复杂、系 统庞大的应用中显得愈来愈重要p 】。 首先，嵌入式实时操作系统提高了系统的可靠性。在控制系统中，出于安全方面的 考虑，要求系统起码不能崩溃，而且还要有自愈能力。不仅要求在硬件设计方面提高系 统的可靠性和抗干扰性，而且也应在软件设计方面提高系统的抗干扰性，尽可能地减少 安全漏洞和不可靠的隐患。长期以来的前后台系统软件设计在遇到强干扰时，使得运行 的程序产生异常、出错、跑飞，甚至死循环，造成了系统的崩溃。而实时操作系统管理 的系统，这种干扰可能只是引起若干进程中的一个被破坏，可以通过系统运行的系统监 控进程对其进行修复。通常情况下，这个系统监视进程用来监视各进程运行状况，遇到 异常情况时采取一些利于系统稳定可靠的措施，如把有问题的任务清除掉。 其次，提高了开发效率，缩短了开发周期。在嵌入式实时操作系统环境下，开发一 个复杂的应用程序，通常可以按照软件工程中的解耦原则将整个程序分解为多个任务模 块。每个任务模块的调试、修改几乎不影响其他模块。商业软件一般都提供了良好的多 任务调试环境。 再次，嵌入式实时操作系统充分发挥了3 2 位c p u 的多任务潜力。3 2 位c p u 比8 位、1 6 位要快，另外它本来是为运行多用户、多任务操作系统而设计的，特别适于运行 多任务实时系统。3 2 位c p u 采用利于提高系统可靠性和稳定性的设计，使其更容易做 到不崩溃。例如，c p u 的运行状态分为系统念和用户态。将系统堆栈和用户堆栈分开， 以及实时地给出c p u 的运行状态等，允许用户在系统设计中从硬件和软件两方面对实 时内核的运行实施保护。如果还是采用以前的前后台方式，则无法发挥3 2 位c p u 的优 势。从某种意义上说，没有操作系统的计算机( 裸机) 是没有用的。在嵌入式应用中， 只有把c p u 嵌入到系统中，同时又把操作系统嵌入进去，才是真正的计算机嵌入式应 用。 1 4 2 选型原则 在设计信息电器、数字医疗设备等嵌入式产品时，嵌入式操作系统的选择至关重要。 般而言，在选择嵌入式操作系统时，可以遵循以下原则。总的来说，就是“做加法还 是做减法的问趔10 1 。 ( 1 ) 市场进入时间。制定产品时间表与选择操作系统有关系，实际产品和般演 1 0 南京师范人学硕士学位论文 示是不同的。目前是w i n d o w s 程序员可能是人力资源最丰富的，现成资源最多的也就 可能是w i n c e 。使用w i n c e 能够很快进入市场，因为w i n c e + x 8 6 做产品实际上是在 做减法，去掉你不要的功能，能e i 伯i - x 快出产品，但伴随的可能是成本高，核心竞争力差。 而某些高效的操作系统可能由于编程人员缺乏，或由于这方面的技术积累不够，影响开 发进度。 ( 2 ) 可移植性，操作系统相关性。当进行嵌入式软件开发时，可移植性是要重点 考虑的问题。良好的软件移植性应该比较好，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性能通常是矛盾的，即通常以损失某些特定情况下 的优化性能为代价。很难设想开发一个嵌入式浏览器而仅能在某一特定环境下应用。反 过来说，当产品与平台和操作系统紧密结合时，产品的特色就蕴含其中。 ( 3 ) 可利用资源。产品开发不同于学术课题研究，它是以快速、低成本、高质量 地推出适合用户需求的产品为目的的。集中精力研发出产品的特色，其他功能尽量由操 作系统附加或采用第三方产品，因此操作系统的可利用资源对于选型是一个重要参考条 件。l i n u x 和w i n c e 都有大量的资源可以利用，这是他们被看好的重要原因。其它有些 实时操作系统由于比较封闭，开发时可以利用的资源比较少，因此多数功能需要自己独 立开发。从而影响开发进度。近来的市场需求显示，越来越多的嵌入式系统，均要求提 供全功能的w e b 浏览器。而这要求有一个高性能、高可靠的g u i 的支持。 ( 4 ) 系统定制能力。信息产品不同于传统p c 的w i n t e l 结构的单纯性，用户的需 求是千差万别的，硬件平台也都不一样，所以对系统的定制能力提出了要求。要分析产 品是否对系统底层有改动的需求，这种改动是否伴随着产品特色? l i n u x 由于其源代码 开放的天生魅力，在定制能力方面具有优势。随着w i n c e 3 0 源码的开放，以及微软在 嵌入式领域研发力度的加强，其定制能力会有所提升。 ( 5 ) 成本。成本是所有产品不得不考虑的问题。操作系统的选择会对成本有什么 影响呢? l i n u x 免费，w i n c e 等商业系统需要支付许可证使用费，但这都不是问题的答 案。成本是需要综合权衡以后进行考虑的，选择某一系统可能会对其它一系列的因素产 生影响，如对硬件设备的选型、人员投入、以及公司管理和与其它合作伙伴的共同开发 之间的沟通等许多方面的影响。 ( 6 ) 中文内核支持。国内产品需要对中文的支持。由于操作系统多数是采用西文 方式，是否支持双字节编码方式，是否遵循g b k ，g b l 8 0 3 0 等各种国家标准，是否支 持中文输入与处理，是否提供第三方中文输入接口是针对国内用户的嵌入式产品的必需 考虑的重要因素。 1 4 3 常见嵌入式操作系统 ( 1 ) v x w o r k s 【1 4 】 南京师范大学硕士学位论文 该操作系统是美国w i n d r i v e r 公司于1 9 8 3 年设计开发的一种嵌入式实时操作系统 ( i s ) ，是t o m a d o 嵌入式开发环境的关键组成部分。良好的持续发展能力、高性能 的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域逐渐占据一席之地。 v x w o r k s 具有可裁剪微内核结构、高效的任务管理、灵活的任务间通讯、微秒级的 中断处理、支持p o s i x1 0 0 3 1 b 实时扩展标准、支持多种物理介质及标准的完整的t c p i p 网络协议等。 然而其价格昂贵。由于操作系统本身以及开发环境都是专有的，价格一般都比较高， 通常需花费1 0 万元人民币以上才能建起一个可用的开发环境，对每一个应用一般还要 另外收取版税。一般不提供源代码，只提供二进制代码。由于它们都是专用操作系统， 需要专门的技术人员掌握开发技术和维护，所以软件的开发和维护成本都非常高，支持 的硬件数量有限。 ( 2 ) w i n c e w i n c e 与w i n d o w s 系列有较好的兼容性，无疑是w i n c e 推广的一大优势。其中 w i n c e 3 0 是一种针对小容量、移动式、智能化、3 2 位、了解设备的模块化实时嵌入式 操作系统。为建立针对掌上设备、无线设备的动态应用程序和服务提供了一种功能丰富 的操作系统平台，它能在多种处理器体系结构上运行，并且通常适用于那些对内存占用 空间具有一定限制的设备。它是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、 多任务的操作系统。它的模块化设计允许它对从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电 子设备进行定制。操作系统的基本内核需要至少2 0 0 k b 的r o m 。由于嵌入式产品的体 积、成本等方面有较严格的要求，所以处理器部分占用空间应尽可能的小。系统的可用 内存和外存数量也要受限制，而嵌入式操作系统就运行在有限的内存( 一般在r o m 或 快闪存储器) 中，因此就对操作系统的规模、效率等提出了较高的要求。从技术角度上 讲，w i n c e 作为嵌入式操作系统有很多的缺陷：没有开放源代码，使应用开发人员很难 实现产品的定制；在效率、功耗方面的表现并不出色，而且和w i n d o w s 一样占用过多 的系统内存，运用程序庞大；版权许可费也是厂商不得不考虑的因素。 ( 3 ) 嵌入式l i n u x 这是嵌入式操作系统的一个新成员，其最大的特点是源代码公开并且遵循g p l 协 议，在近一年多以来成为研究热点，据i d g 预测嵌入式l i n u x 将占未来两年的嵌入式操 作系统份额的5 0 。 由于其源代码公开，人们可以任意修改，以满足自己的应用，并且查错也很容易。 遵从g p l ，无须为每例应用交纳许可证费。 有大量的应用软件可用。其中大部分都遵从g p l ，是开放源代码和免费的。可以稍 加修改后应用于用户自己的系统。 有大量的免费的优秀的开发工具，且都遵从g p l ，是开放源代码的。 1 2 南京师范大学硕上学位论文 有庞大的开发人员群体。无需专门的人才，只要懂u n i x 、l i n u x 和c 语言即可。 随着l i n u x 在中国的普及，这类人才越来越多。所以软件的开发和维护成本很低。 优秀的网络功能，这在i n t e m e t 时代尤其重要。 稳定，这是l i n u x 本身具备的一个很大优点。 内核精悍，运行所需资源少，十分适合嵌入式应用。 支持的硬件数量庞大。嵌入式l i n u x 和普通l i n u x 并无本质区别，p c 上用到的硬件 嵌入式l i n u x 几乎都支持。而且各种硬件的驱动程序源代码都可以得到，为用户编写自 己专有硬件的驱动程序带来很大方便。 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。 ( 4 ) , u c o s i i f i c o s i i 是著名的源代码公开的实时内核，是专为嵌入式应用设计的，可用于8 位， 1 6 位和3 2 位单片机或数字信号处理器d s p 。它是在原版本t c o s 的基础上做了重大改 进与升级，并有了近十年的使用实践，有许多成功应用该实时内核的实例。它的主要特 点如下： 公开源代码，很容易就能把操作系统移植到各个不同的硬件平台上。 可移植性，绝大部分源代码是用c 语言写的，便于移植到其他微处理器上。 可固化。 可裁剪性，有选择的使用需要的系统服务，以减少所需的存储空间。 占先式，完全是占先式的实时内核，即总是运行就绪条件下优先级最高的任务。 多任务，可管理6 4 个任务，任务的优先级必须是不同的，不支持时间片轮转调 度法。 可确定性，函数调用与服务的执行时间具有其可确定性，不依赖于任务的多少。 实用性和可靠性，成功应用该实时内核的实例，是其实用性和可靠性的最好证 据。 由于z c o s i i 仅是一个实时内核，这就意味着它不像其他实时操作系统那样提供给 用户的只是一些a p i 函数接口，还有很多工作需要用户自己去完成。 1 5 系统设计方法 从以上的分析可以看出，嵌入式系统的设计主要包括硬件平台和操作系统两部分内 容。在硬件平台的搭建上，一般的方法是先设计出最小系统板，往往只包括核心c p u 、 南京师范大学硕士学位论文 电源电路、复位电路、时钟电路、存储器电路、j t a g 接口等少数必须的外围电路，移 植所选操作系统，通过最小系统进行功能验证。验证无误后，在此基础上，根据具体需 求，拓展系统接口及其他功能模块，再分别逐一加以调试测试，这种循序渐进的设计方 法更加容易排查错误，缩短设计周期，提高设计效率。 1 4 南京师范大学硕士学位论文 2 硬件设计 本章讲述了嵌入式系统硬件设计中的第一步也是最重要的一步设计嵌入式 硬件最小系统，分析了最小系统的建立方法和步骤。 图2 1 所示为嵌入式最小系统原理框图，包括核心c p u 、电源电路、复位电路、 时钟电路、存储器电路、j t a g 接口等少数必须的电路。其中存储器系统是可选的， 这是因为很多面向嵌入式领域的微控制器内部设计了程序存储器和数据存储器，存储 器系统不需要另行设计。调试测试接口不是必须的，但它在开发工程中发挥的作用极 大，所以至少在样品阶段需要设计这部分电路。 图2 - 1 最小系统原理框图 2 1 嵌入式微处理器l p c 2 2 1 4 考虑到系统需要较强的功能和今后的升级和扩展等问