（电机与电器专业论文）嵌入式家庭网关平台研究与设计.pdf

ii abstract with the development of electronic technologyinformation and network, embedded system has been used widely. the desire of getting information from internet freely becomes more intensity. therefore, it is necessary for the people to design a device to connect home appliances with the internet to get information. embedded home gateway is a low cost means to relize this requirement which have the characteristic of low power consumption and handled conveniently. arm, the 32-bit embedded rics microprocessor, is a low cost and high performance chip which has been used in embedded system widely . uclinux is a branch of embedded linux , which runs steadly on the arm structure. at the same time, uclinux has some merits such as standard api functions, inherited-networking functions and it can support lots of file-systems. the main research work is discussed in details in this thesis which can be devided into three parts as below: 1 the hardware platform is designed on the basis of s3c4510b which is choosed as the main processor. this system consist of 44keyboard240320 lcd displayaudio modemptr3000 wireless communicate modulenetwork interface and serial interface. 2 embed a small uclinux into the hardware system and make it ran steadly. transplant bos web server, busyboxminigui and jffs2 files system. build a design environment on which to program linux device driver and application program. 3 analyse the kernel resource which is provided by the uclinux to the device driver and design device driver program. according to the result of experiment, uclinux can run steadly on this system. device driver can operate the hardware(spi keyboard lcd) effectively. the expected function has been realized and this platform has the merits of high reliability and high stability. key words: embedded home gatewayuclinuxarm device driverembedded system 郑州轻工业学院硕士学位论文 第一章第一章 绪绪 论论 智能家庭网络是信息时代带给人们的又一个高科技产物 它借助现有的计算机网络 技术 将家庭内各种家电和设备连网 通过网络为人们提供各种丰富 多样化 个性化 方便舒适安全和高效的服务家庭网络化也是整个社会信息化的一个重要的部分 实现家庭内部信息与家庭外部信息的交换无疑是家庭连网的目的所在它的实现需要 设计一个理想的家庭网关 1.1 嵌入式家庭网关的概念 1.1 嵌入式家庭网关的概念 家庭网关应具备的两个主要功能是 1 作为所有外部接入网连接到家庭内部同时将家庭内部网络连接到外部的一种 物理接口 2 使住宅用户可以获得各种家庭服务包括现有的服务和未来可能出现的服务 的平台 不同的人或不同的厂商对家庭网关有着不同的定义residential gateway group rg是一个在 1995 年建立的正式的工业论坛组织它率先采用家庭网关来代表一个 集中式智能接口将外部的家庭接入网络和家庭内网络联系起来rg 的家庭网关定义 1为 一种简单的智能的标准化的灵活的整个家庭网络接口单元它可以从不同 的外部网络接收通讯信号通过家庭网络传递信号给某个消费设备借助引入家庭网关 的概念希望能够为集成不同的外部网络和丰富新的应用提供一个有效的途径在过去 的几年当中许多生产厂商的努力共同推动家庭网关走出了其概念阶段同时家庭网 关被用于代表不同类型的产品因此也引起了一些混淆其中已有的部分产品包括网络 接口单元/设备如电话接口盒dsl 调制解调器电缆调制解调器机顶盒结构布 线系统的 hub增强的 pc 机结合家庭网络解决方案的宽带调制解调器提供某些专 门服务的特殊家庭设备以及 rg 所推崇的整个家庭网关产品等cisco system 公司的 家庭网关定义2是一个在家庭内的网络化信息设备与智能宽带接入网之间的智能化网 关2wire 公司的家庭网关定义2是一种将家庭网络无缝连接到宽带网络使所有家 庭内连网设备同时享有高速连接的设备 上面这两种定义都认为家庭网关是一种将外部 宽带网络与家庭内部网络连接的设备parks associates 认为家庭网关应是连接一个外 部网络或多个接入网络通过某种类型的家庭网络分配服务给一个或多个设备的设备 即一个集中式整个家庭的网关才能视为一个真正的网关 但由于现有一些产品已具备其 郑州轻工业学院硕士学位论文 中的某些功能而且目前存在许多不同的观点因此家庭网关应有一个比较广义或普遍 的意义上的定义 1.2 嵌入式家庭网关的标准 1.2 嵌入式家庭网关的标准 信息社会的发展网络和信息家电已越来越多地出现在人们的生活之中其最终目 标都是给人类提供一个舒适便捷高效安全的生活环境如何建立一个高效率低 成本的家庭网络系统已成为当今世界的一个热点问题近年来国际上许多大公司提出 了相应的解决方案各国也正努力研制适合于本国国情的智能家居系统国外在探索现 代化智能家居系统及其核心技术的过程中已逐渐形成了一些相关的标准分别受许多 大公司的支持其中较有影响力的是 osgiopen services gateway initiative的 specificationrelease1.0 和 eia/tia 相关标准 现行的家庭网络协议主要有日本的 hbs 标准欧洲的 batibuseib 和 europehomesystem 标准美国的 x-10cebus 和 lonworks 标准另外还有一些工作组 发布的互操作和接口规范: hpnphomeapi 和 jini 技术其中 cebus 和 lontalk 协议 已被 eia 发布为 eia-600 标准和 eia-709 标准并且正在向国际标准发展使用较普遍 的有 x-10 规范cebuslonworks 标准和互操作规范 hpnp接口规范 homeapi 及 jini 技术 最新进展包括由微软牵头的 17 家公司成立的数字家庭工作组(dhwg) 正在制 定一个新的数字家庭网络标准 x-10 协议 3 pico electronics ltd.公司在 1976 年提出的是利用既有电源线路 对电子设备进行远程控制的通信协议其缺点是仅能传送有限的控制命令各设备间只 能进行单向通信通信速率较低(不超过 10kb/s)抗干扰性能差等 cebusconsumer electronics bus 的缩写是由 ansi/eia 发布的主要用于控制 的网络标准且于 1992 年确定了 eia-600 系列最终文档并从 1995 年开始向国际标准 过渡cebus 包括两个标准一个用于低速(低于 10kb/s)控制另一个用于高速数据信 号 如数字视频传输 cebus 是点对点网络 它不需要系统控制器 cebus 使用 csma/cdcr 方法来控制其节点对电力线媒介的访问是对以太网协议 csma/cd 的一种改进这种协 议使得几个节点争用媒体发生冲突时其中必有一个优先级较高的节点能够发送成功 且其数据的完整性不受本次冲突的影响 homeapi 3 由 api 工作组于 1998 年开发的一种应用程序开发接口规范,是一个提 供软件服务和编程接口的集合该规范独立于网络下层的技术和协议,向下实现多种协 议的兼用,向上为用户提供一致的易用的智能化的友好的用户接口,以使在家庭内 郑州轻工业学院硕士学位论文 部的任何可视设备上或通过外部互连网络对家庭网络系统进行访问控制和配置该规 范的开发工具(sdk)基于 windows 操作系统,可以使用 c+,java, visalbasic, vbscript, javascript 语言开发应用程序 国内对家庭网关及家庭网络系统的研究方兴未艾主要有三大队伍 1 是传统的家电厂商例如海尔科龙等 2 是 it 厂商如联想清华同方等 3 是专业的智能家居厂商如 enjoysmart 易居家庭自动化系统引进新加坡技 术的 treasureway 宝路家庭智能化系统 深圳交大科技楼宇住宅网络智能控制数据终端 等 这些队伍为了加速产品开发一般与国外的厂商或科研机构合作采用国外的构架 及芯片国内的科研队伍在应用层进行开发做出一些个性化产品如海尔与爱立信合 作开发蓝牙网络家电北京凯思软件集团采用摩托罗拉公司的 powerpc 微处理器 enjoysmart 家庭自动化产品参考规范 eia-600eia-721 设计其核心技术是网络家电 的接口以 motorola 的 digital dna 技术为硬件基础通过自行设计的实时多任务内 核cal 语言解释器事件管理机等软件组成分布式的逻辑推理网络 我国在国家经贸委信息产业部主持下由国内海尔长虹春兰上广电小天 鹅 长信佳 厦新 阜国 清华同方 tcl 中兴和中电科技集团三所 12 家单位组成 产 学研联合开发团体经过近三年的努力借鉴和参考了目前国际上存在的各种智能 互联的标准如日本的 echonet美国的 lontalk 和 cha-1homerflonworkshavi e-home 等协议标准经过多次论证研发完成了家庭信息化网络技术体系结构及产 品开发平台并形成了标准提交数字电视体系标准组进行讨论目前大组中的讨论 还在继续 1.3 嵌入式家庭网关功能 1.3 嵌入式家庭网关功能 网络化监控三表抄送安防报警可视对讲家电控制internet 接入电话 接入住户信息留言家庭网关控制主机电源模块系统软件配置等 利用信息技术家庭网关可以实现以下功能 1 收发和保存信息通过家庭网关主人可以方便的接收电子邮件浏览各种网 上信息和订阅的各种电子期刊或杂志等 2 管理家庭的通讯需求对家庭内各种通讯设备的通讯进行管理包括网络通讯 协议的执行和网络资源的分配使信息在网络上的传输畅通无阻整个家庭网络系统运 郑州轻工业学院硕士学位论文 行正常 3 管理电源和设备的使用通过网络管理系统软件监控家庭内各种设备如家 庭内灯光的控制电器设备的远程控制室内环境的优化调节等同时还能够提供一些 经济方面的优化决策控制如能够根据不同用电时段和峰谷电费差价合理控制家电的 运行 4 提供安全和可靠的环境通过在家庭内安装各种检测报警装置来实现家庭的保 安消防以及其它需求如通过加装摄像头可以监视房间周边环境和诸如婴儿房等特 殊场所通过烟气传感器温度传感器特殊气体传感器预防房间失火和有害气体过 量通过加装红外传感器门磁振动感应器无线微波等报警装置可防止窃贼入侵 等等 5 无需维护的运行整个家庭内各种设备都连接到其网络上通过网络上运行的 管理软件可实现对设备的监测和故障诊断功能一旦出现故障家庭管理系统会给出 故障提示并自动通过家庭内的网间接口设备向设定的相应维修单位保修无需主人亲 自动手 6 简单的操作因为该网络系统是在千家万户中使用的考虑到使用者的年龄 职业经历以及受教育程度等的差异所以该系统的操作简单方便而且可靠适应 不同使用人群的需要 7 根据个人或家庭生活方式定制模块可选择安装随着信息时代的到来个性 化的要求在不断提高未来数字家居应能够根据不同使用者的家庭环境设备数量和类 型以及生活方式等可做相应的配置和调整如可根据消费者的需求和可接受费用定 制相应的系统解决方案又如可根据使用者的生活习惯调节室内环境参数定时启停 家电设备等等 1.4 家庭网关的研究背景 1.4 家庭网关的研究背景 随着人们消费需求的不断提高 对于家电产品的安全易用性和亲合性也提出了更高 的要求未来的家电产品将越来越趋于网络化智能化个性化人性化成为信息终 端提供网络服务 国际国内知名的 it 企业和传统家电制造商纷纷联手开拓网络家电将信息技术 网络技术引入家电生产领域网络冰箱网络微波炉网络空调等信息化家电新产品层 出不穷网络家电产品带动了智能家庭智能小区等相关产业的发展具有可观的市场 郑州轻工业学院硕士学位论文 前景和利益回报网络家电产品由于其很高的技术含量和巨大的市场潜力已经成为衡 量家电企业高科技性和前瞻性的标准之一 中国是世界上最大的家电生产国并具有最大的保有量 家电更新量巨大 智能建筑 智能小区发展迅速 我们相信网络家电在中国具有良好的发展前景和场规模 1.5 嵌入式家庭网关的研究意义 1.5 嵌入式家庭网关的研究意义 尽管信息家电还属于新生事物 但它脱胎于具有数十年技术积淀的 it 和家电行业 从技术上讲它已经是一种成熟产品 信息家电在保留传统家电功能和特性的基础上 又增加了与互联网的沟通特点突出 1 是功能强大由于信息家电设计之初就是要满足消费者获取加工传递信息 的需求因此这种家电往往具有某些 pc 的功能除了网络功能外信息家电在办公 通信娱乐方面也有得天独厚的优势与传统信息产品或家电产品相比信息家电往往 集计算机电信和消费类电子产品的特征于一身在家庭中扮演着家庭信息娱乐中 心的角色 2 是价格低廉在我国普通居民受到收入水平等因素的制约无力购买 pc 或不 能充分地运用 pc这恰恰为价格适中的信息家电提供了良好的发展前景在这种背景 趋势下以普通家庭已有的电视机作为显示终端影碟机作为光盘设备的信息家电大 大降低了计算机进入家庭的价格门槛 3 是稳定性好信息家电产品中由于大量使用了嵌入式的操作系统因此稳定性 较好不会像 pc 机的系统那样过于娇嫩并能够长时间无故障地运行不需要专 业维护另外最让用户感到舒心的是一些信息家电的创新设计使之与计算机病毒完 全隔离人们尽可以放心大胆地在网上冲浪而不必担心遭到病毒的骚扰 4 是简单易用由于我国普通居民的整体教育水平不高掌握 pc 操作使用的人数 相对较少因此通过 pc 来进行上网对许多人来说是很困难的而信息家电解决了这 一难题大多数信息家电都采用了沙发遥控器的操作模式使用者可以像操作电 视机那样来操作信息家电产品 信息家电使广大消费者既超越了现在所面临的经济和知识门槛 又享受到数字生活 或网络生活因而有着巨大的潜在市场但目前还有待进一步开发培育 1.6 论文章节安排 1.6 论文章节安排 本文共分六章内容如下 郑州轻工业学院硕士学位论文 第一章为概述与课题背景引入信息家电的概念论述了国内外相关技术的发展状 况介绍了课题背景 第二章在讨论了嵌入式家庭网关之后 重点分析了该系统中嵌入式微处理器和嵌入 式操作系统的选择 第三章先从总体介绍系统的硬件实现再分模块介绍各模块的具体实现过程 第四章论述了嵌入式系统的操作系统的裁剪和主机开发环境的搭建 第五章论述了该系统中设备驱动程序的关键技术和用到的系统资源,编写设备驱 动 第六章对该论文进行了一个简单的总结并给出了嵌入式家庭网关前景 郑州轻工业学院硕士学位论文 7 第二章 嵌入式家庭网关的总体设计 嵌入式家庭网关是指在家庭内部构建的网络平台 通过一定的传输介质 如电力线 双绞线同轴电缆无线电红外等将各种家用电器及设备连接起来以达到集中控制 和互操作之目的 2.1 信息流程 2.1 信息流程 如图 2-1 所示的一个典型的数字家庭网络中按照设备网关连接时所使用的介 质和底层协议的类型将家庭信息网络划分为不同的网段通过网关来实现不同网段间 的连接网关包括家庭主网网关和子网关家庭主网网关实现家庭内部网络同外部网络 间的连接转换功能子网关实现家庭内部网段间的连接转换功能包含家庭主网网关的 网段称为家庭主网通过子网关连接在主网上的网段称为家庭子网各种设备加上网络 通信模块后就可以具有家庭网络接入能力 家庭主网承担着家庭各种设备之间的通讯以及对外联络的功能实现的功能包括 多媒体数据交换以及家庭设备的控制从复杂程度上看主网上的设备需要支持通用 的多层的和适用性相对较广的通讯协议这就使得人们需要仔细考虑性价比带来的 新性能是否值得额外的花费 子网络的概念很好地解决了性价比 的问题 家电及设备的控制可采用相对简 单但又能满足要求的通讯协议和设备 这 就是为什么数字家庭控制网游离于主网 之外采用了一个单独的子网的缘故 如图所示 家庭网络的对外通讯是通 过家庭主网网关来实现的 外部通讯的方 式可以使用数字用户线(xdsl) 公用电 话 线 (pstn)线 缆 调 制 器 (cable modem) 以太网(ethernet) 或其它媒 介家庭主网网关是家庭信息系统结构 图 2-1 信息化家庭网管结构图 的核心它可减少系统其它部分的负担在与广域网的互联局域网的内部管理中均起 主导作用家庭主网网关可以从各种(如前所述)外部网络接收通讯信号通过家庭网络 郑州轻工业学院硕士学位论文 8 传递信号给家庭内部的各种设备家庭主网网关应具备以下两个主要功能 1 外部网络与家庭内部网络连接的桥梁 2 家庭用户获得各种家庭服务包括现有的和未来可能出现的服务的平台 家庭主网网关支持多协议的英特网internet功能和良好的环球网web性能 支持家庭网络内部各种设备之间的数据通信实时传输多媒体数据多媒体交互式操作 和即插即用功能具有丰富的用户界面和图形控制功能可以让用户方便直观地操作和 控制各项应用还可以显示清晰而生动的图形界面 如图 2-1 所示数字家庭控制网是通过一子网关联接到家庭主网上的家庭控制子 网网关作为主网中的一个设备通过以太网网络接口与主网网关通信向主网网关提供 家庭控制子网中各种设备的状态报告新设备的加入退出情况用户通过 internet 访问主网网关 主网网关对远程访问者进行身份认证 用户通过主网网关上的 web 页面 进行设备操作和控制主网网关通过子网网关以及家庭控制子网来监控所有设备 图 2-1 所示的网络体系结构充分考虑到家庭信息化网络的现状和未来对多媒体等 高速信息流传输的需求对多媒体等信息流利用高速传输的低成本的以太网连接形成 家庭主网同时也充分考虑到目前对家庭中各个传统家电三表三防甚至是灯光控 制等设备的互连集中控制远程访问与控制的需求以及低成本实现的实际需要以 及这类设备互连对传输带宽和使用灵活性的特点 提出了以低速传输媒体组成家庭控制 子网并与家庭主网连接的网络体系结构当然也有其它实现家庭控制网络的方案最典 型的莫过于用以太网实现所有家庭网络的网段但其成本必然会很高并不适合于家庭 控制网 2.2 微处理器选型微处理器选型 嵌入式系统的功能软件集成于硬件系统之中系统的应用软件与硬件一体化在嵌 入式系统的硬件设备中嵌入处理器是整个系统的核心部件其性能的好坏直接决定整 个系统的运行效果 pc 机销售市场中随着通用 cpu 技术的突破和工作频率的倍增旧款低档 cpu 早 已经不见踪迹嵌入式系统开发面向具体应用不同领域的应用市场需要不同款式和性 能指标的处理器来开发于是在嵌入式处理器市场中中低端的 4 位8 位和 16 位处 理器依然存在高性能的 32 位处理器也有很多产品随着超大规模集成电路技术和微 电子技术发展包含嵌入式处理器以及部分外围电路的微控制器产品也进入市场片上 系统 socsystem on chip产品也开始出现这些产品的上市不仅丰富了嵌入式处 郑州轻工业学院硕士学位论文 9 理器产品 而且也更加方便了工程技术人员进行嵌入式系统的技术开发和扩大嵌入式产 品的应用领域 由于嵌入式系统应用需求的多样性市场上基于 risc 结构的嵌入式处理器提供商 也日渐增多统计数字表明1999 年底市场销售额排在前三位的公司分别是 arm motorola 和 mips其中 arm 公司的芯片销售量达 1.5 亿个市场份额超过 50% 面对这样的嵌入式处理器市场 开发设计人员应该如何选择呢这里有两个前提条 件一是深入研究具体的嵌入式系统应用需求充分的应用需求分析后获取应用系统的 性能指标面向应用是嵌入式系统的特色具体的应用需求决定着嵌入式处理器的性能 选型在工业控制等特殊领域系统需求分析员不仅需要和工作人员上级主管亲自面 谈而且要到工作现场获取第一手信息收集充分的资料应用需求分析后需要定义 产品具备的基本功能和性能指标如系统处理的数据量大小和处理实时性要求系统正 常运行时的工作环境系统运行过程中可能遇到的突发事件系统的尺寸大小和功耗指 标等 第二个前提条件是分析研究市场上各大厂商提供的各款嵌入式处理器的性能指 标如功耗体积成本可靠性速度处理能力电磁兼容性等这些参数也是各 个半导体芯片厂商之间竞争的热点 开发人员通过应用需求分析获取了产品的功能性和非功能性指标 研究了市场上嵌 入式处理器的性能参数后能够对嵌入式处理器作出较好的选择嵌入式处理器选择的 基本原则是满足具体功能性和非功能性指标需求的市场应用反应良好的硬件配置最 少的嵌入式处理器 如简单的智能仪器仪表设计考虑使用4位或者8位低档单片机8051 和数字信号处理密切相关的选用 ti 公司的 tmx320 x 系列的 dsp数字信号处理芯片 如果产品偏重于通信功能考虑 motorola 公司的嵌入式处理器 68k 系列如果产品功 能比较齐全可选用嵌入式处理器领域的后起之秀 arm 公司的高性能嵌入式处理器 arm 芯片系列等 除了上述的产品性能需求因素 选择嵌入式处理器时也需要考虑开发人员对此系列 处理器的熟悉程度因为不同公司开发的嵌入式处理器差别较大从一类处理器转移到 另一类处理器的难度比同一系列不同处理器间的转移难度大得多风险多得多 嵌入式处理器有许多种流行的处理器核 芯片生产厂家一般都基于这些处理器核生 产不同型号的芯片本节主要介绍以下几种嵌入式处理器 1 mips 是 mlcroprocessor without linterlocked pipeline stages 的缩写 是一种处理 器内核标准它由 mips 技术公司开发的mips 技术公司是一家设计制造高性能高 郑州轻工业学院硕士学位论文 10 档次及嵌入式 32 位和 64 位处理器的厂商在 risc 处理器方面占有重要地位mips 公司设计 risc 处理器始于 80 年代初从 1986 年推出 r2000 处理器之后陆续推出 r3000r4000r8000 等之后 mips 公司的战略发生变化把重点放在嵌入式系统 1999 年 mips 公司发布了 mips32 和 mips64 架构标准集成了原来所有的 mips 指令集并且增加了许多更强大的功能此后 mips 公司又陆续开发了高性能低功耗 的 32 位和 64 位处理器内核mips 的定位很广在高端和低端均有它的产品而且被 广泛应用在便携式计算系统数字消费产品工业控制等领域 2 powepc 架构的特点是可伸缩性好方便灵活powerpc 处理器品种很多既 有通用的处理器又有嵌入式控制器和内核应用范围非常广泛从高端的工作站服 务器到桌面计算机系统 从消费类电子产品到大型通信设备等各个方面目前 powerpc 独立微处理器与嵌入式处理器的主频从 25mhz700mhz 不等 它们的能量消耗 大小 整合程度价格差异悬殊 3 x86 起源于 intel 架构的 8080再发展到 236386486直到现在的 pentuim4 athlon 和 amd 的 64 位处理器 hammer从嵌入式市场来看 8080 是第一款主流的 处理器今天的 pentium 和当初的 8080 使用相同的指令集这可以保持兼容性但是 同时也限制了 cpu 性能的提高 4 arm 公司自 1990 年正式成立以来 在 risc reduced instruction setcomputer cpu 开发领域不断取得突破其结构己经从 v3 发展到 v6由于 arm 公司自成立以 来一直以 ipintelligence patent提供者的身份向各大半导体制造商出售知识产权 而自己从不介入芯片的生产销售加上其设计的芯核具有功耗低成本低等显著优点 因此获得众多的半导体厂家和整机厂商的大力支持在 32 位嵌入式应用领域获得了巨 大的成功目前已经占有 70以上的 32 位嵌入式产品市场在低功耗低成本的嵌入 式应用领域确立了市场领导地位 现在设计生产 arm 芯片的国际大公司己经超过 50 多家国内中兴通讯和华为通讯等公司也己经购买 arm 公司的芯核用于通讯专用芯片 的设计目前非常流行的 arm 芯核有 arm7tdmi, strongarm ,arm720t , arm9tdmi , arm922t, arm940t, arm946t arm966t arm10tdmi 等 自 v5 以后 arm 公司提供 piccolo dsp 的芯核给芯片设计者用于设计 arm dsp 的 socsystem 0n chip结构的芯片 2.3 嵌入式操作系统嵌入式操作系统 以嵌入式处理器为中心开发人员搭建好硬件电路时仅提供了裸机运行平台要 郑州轻工业学院硕士学位论文 11 使整个系统有限的硬件资源充分利用起来还需要嵌入式操作系统的软件支持 由于具体嵌入式应用的功能需求差异以及不同嵌入式操作系统间不同的性能指标 选择有三种方案一是根据应用需要和公司技术实力考虑自主开发研究国内手机厂 商宁波波导公司部分款式的手机操作系统就是自主开发的二是充分考虑系统需求和 流行 rtos 的性能指标及性价比选择商用 如 wince vxworks 等 三是考虑嵌入式 linux uclinux 是开放源代码的免费自由软件互联网技术论坛较多具备较好的裁减性以支 持不同的应用范畴 当前全球范围内商用嵌入式操作系统有很多种 应用领域的多样性使得市场反应较 好的也将近有十几种如 vxworkspsosnucleusqnxwince 以及中科院软件研究 中心研制的 hopen 等核心软件差异微妙而且难以琢磨选择时重点是考虑它们的性能 评价指标 选择嵌入式操作系统时通常还要考虑系统功能方面支持何种处理器硬件平台何 种 api是否支持核心态用户态是否支持内存管理单元 mmu可移植性调试支持 标准支持等如果开发网络应用还需要考虑该嵌入式操作系统是否支持 tcp/ip 的网 络组件和 i/o 服务等如果开发游戏和娱乐市场要着重研究该嵌入式操作系统对多媒 体的支持能力市场应用需求的多样性使得嵌入式操作系统本身应该支持用户自定制 能力根据应用需要在微内核的基础上选用标准组件 1 wndows ce 操作系统是微软公司在嵌入式系统领域推出的产品 它一方面继承 了微软其他操作系统的优点同时考虑到了掌上电脑自身的特点对系统进行了精简 既允 许用户在现有的操作系统上进行各种应用程序的开发 用户也可以通过开发工具进行各 种驱动的开发将整个设备一体化windows ce 30 是一个模块化的嵌入式操作系统 适用于新一代互联式 32 位设备它提供了目前市场上最为丰富的技术允许开发商建 立各种需要动态应用程序和 internet 服务的嵌入式系统此外微软公司还将提供系统 开发所需关键源代码的访问用于帮助嵌入式系统开发商研制和测试设备 2 palm os 操作系统以事件为驱动同时具有操作简单方便快捷的特点是一个完 整的电子产品它不仅仅具有普通嵌入式操作系统的特性而且系统本身也逐渐向高 端发展比如提供对网络 tcp ip 的支持对红外线通讯的支持先进的声音功能 扩大的动态内存堆动态菜单以及自定义控件等等palm os 是由 c api 开发的所 以最有效和灵活的 工具是 c 语言运用 c+语言也可以进行 palm 的应用程序开发 但是用于开发 palm 应用软件还存在一个普遍问题就是 c+需要一块不被重新分配的 内存 郑州轻工业学院硕士学位论文 12 3 vxworks操作系统是美国 wind river公司于 1983年设计开发的一种嵌入式实时 操作系统 rtos它十分灵活具有多达 1800 个功能强大的应用程序接口api 其次它适用面广可以用于从最简单到最复杂的产品设计再次它可靠性高可以 用于从防抱死刹车系统到星际探索的关键任务最后它适应性强可以用于所有流行 的 cpu 平台vxworks 嵌入式实时操作系统包括微内核 wind高级的网络支持强有 力的文件系统和 10 管理和其它标准支持等核心功能 4 操作系统选用 uclinux它是一个完全符合 gnu/gpl通用公共许可证公 约的项目完全开放代码是标准 linux 的一个分支现在由 lineo 公司支持维护它专 门针对没有 mmu 的 cpu并且专为嵌入式系统做了许多小型化的工作 uclinux 经过对标准 linux 内核的改动形成了一个高度优化的代码紧凑的嵌入 式 linux虽然它的体积很小但 uclinux 仍然保留了 linux 的大多数的优点稳定 良好的移植性 优秀的网络功能 完备的对各种文件系统的支持 以及标准丰富的 api 它的主要特征如下 1 通用 linux api 2 内核体积小于 512kb内核加上文件系统小于 900kb 3 完整的 tcp/ip 协议栈4支持大量其它的网络协议 4 支持各种文件系统包括 nfsext2romfs and jffsms-dos 和 fat16 5 支持各种典型的处理器构架包括 armpowerpcx86 等 2.4 总体设计2.4 总体设计 本家庭网关主要提供家庭内部网络由各信息家电及信息终端组成与家庭外部 广域网三网因特网公用电话网有线电视网的桥接能力它解决各种信息家 电之间及与外部的数据传输问题能把外部连接传入的数据传输到相应的家电上去 也可以内部数据传输到外部网络同时还提供放火墙功能以阻止外界对家庭设备的 非法访问和攻击此外还能对家电进行集中控制 如图 22 所示是本家庭网关的硬件框图以 s3c4510b 为核心基本系统外围扩 展一系列功能模块有 44 键盘及大屏幕 lcd 显示构成良好人机界面用于手动本地 参数查询和设定家庭网关基本系统以 spi 接口与 ptr3000 无线收发模块相连同时 家庭内部家电控制器也通过 spi 接口扩展 ptr3000 无线模块这样家庭网关的无线模 块以轮询的方式与家庭内各家电控制器上无线模块进行通讯从而组成家庭内部无线 子网家庭网关基本系统只需对 spi 口进行操作即可实现与家电通讯实现了家电以 郑州轻工业学院硕士学位论文 13 家庭网关为中介与 internet 在物理层互联的三个通路pc 通过 lan 经由 internet 连接 用户 电 话 pc 人 机 界 面 uart0 rj45 uart1 spi 基本系统 无 线 通 信 模 块 家电 控制 器 无线 模块 家电 控制 器 无线 模块 家电 控制 器 无线 模块 intern et 公 用 电 话 网 modem 语 音 卡 modem 图 22 系统框架 到基本系统的以太网口pc 通过 modem 经由公用电话网与嵌入式 modem 相连再到 uart1电话机经过公用电话网经语音卡连到 uart1 操作系统采用 uclinux,在其上移植 boa web 服务器上层应用的主要工作是在 boa web 服务器上编写 cgi 程序实现动态网页对远程家电设备的动态监控此外还 要实现本地的键盘输入图形界面显示以及语音提示功能的实现 郑州轻工业学院硕士学位论文 14 第三章 硬件系统的设计实现 如下图 31 是本系统的模块连接关系图下面首先介绍 s3c4510b 再分别分析 各模块的具体实现 nreset noe b0size0.1 nrcs0.1 little nwbe0.1 clksel addr0.19 tmod0 xdata0.15 ntrst tdi sdclk(mclko) tms ndwe tck nras0.3 tdo ncas0.3 clkoen nwbe0.3 uclk(tmode1) addr0.13 xdata0.31 p14-17 uarxd0 rxd0.3 uarxd1 rxdv uatxd0 rxclk uatxd1 rxer nuadsr0 rxdv nuadsr1 col nuadtr0 crs nuadtr1 nreset mdio necs0 mdc addr0.1 txd0.3 xdata0.7 txen p0.13 txer scl sda sdclk(mclko) ndwe nras0.3 ncas0.3 nwbe0.3 addr0.13 xdata0.31 necs0 addr0.1 xdata0.7 p0.13 scl sda noe nrcs0.1 nwbe0.1 addr0.19 xdata0.15 rxd0.3 rxdv rxclk rxer txclk col crs nreset mdio mdc txd0.3 txen txer p14-17 uarxd0 uarxd1 uatxd0 uatxd1 nuadsr0 nuadsr1 nuadtr0 nuadtr1 nreset b0size0.1 little clksel tmod0 ntrst tdi tms tck tdo clkoen uclk(tmode1) system uart lcd/iic/key ethernet sdram flash 图31 连接关系 3.1 s3c4510b 简介 3.1 s3c4510b 简介 s3c4510b 以 arm7tdmi 处理器为内核其是 arm7 处理器系列成员之一是目 前应用很广的 32 位高性能嵌入式 risc 处理器并在其上集成了一些片上设备 arm7tdmi 使用流水线以提高处理器指令的流动速度流水线允许几个操作同时 进行以及处理和存储系统连续操作 arm7tdmi 使用 3 级流水线因此指令的 执行分 3 个阶段取指译码和执行当正常操作时在执行一条指令期间其后续的 一个指令译码且第 3 条指令从存储器中取指 程序计数器指向正在取指的指令而不 是正在执行的指令这点很重要因为正在执行的指令使用的程序计数器pc值总 是当前地址的 2 条指令之前的地址 郑州轻工业学院硕士学位论文 15 arm7tdmi 核是 von neumann 体系结构使用单一 32 位数据总线传送指令和数 据只有加载存储和交换指令可以访问存储器中的数据数据可以是8 位字节 16 位半字和 32 位字字必须是 4 字节边界对准半字必须是 2 字节边界对准 arm7tdmi 的存储器接口被设计成在使用存储器最少的情况下实现其潜能速度关键 的控制信号是流水作业的 以允许在标准低功耗逻辑下实现系统控制功能 这些控制信 号方便了许多片内和片外存储器技术支持的快速突发burst访问模式的开发 嵌入式 icert 逻辑为 arm7tdmi 核提供了集成的在片调试支持可以使用嵌 入式 icert 逻辑来编程断点或观察点出现的条件嵌入式 icert 逻辑包含调试通 信通道dcc debug communicationschanneldcc 用于在目标核宿主调试器之间 传送信息嵌入式 icert 逻辑通过 jtagjoint test action group调试访间口进行 控制arm7tdmi 支持 7 种操作模式 1 用户模式这是程序正常的运行状态 2 快速中断模式主要为快速数据传输或通道处理设计 3 中断模式用于通用中断操作 4 监控模式操作系统的保护模式 5 终止模式取数据或指令错误后进入该模式 6 系统模式操作系统中有特权的用户模式 7 无定义模式当有未定义的指令被执行时进入该模式 模式之间的切换可以通过软件控制 也可以通过中断方法或异常处理 许多程序都在用 户模式中运行 进入非用户模式时一般都是完成操作系统中的一些操作 例如中断处理 操作系统中数据的修改要很好的理解操作模式就仔细研究一下arm7tdmi 内核中 的寄存器 arm7tdmi 共有 37 个寄存器31 个为 32 位通用寄存器6 个为状态寄存器但 是这些寄存器不能同时被访问处理器的状态和操作模式决定了哪些寄存器可以被访 问 其内部资源框架图 32 如下 3.2 电源电路 3.2 电源电路 在该系统中需要使用 5v 和 3.3v 的直流稳压电源其中s3c4510b 及部分外围器件需 3.3v 电源另外部分器件需 5v 电源为简化系统电源电路的设计要求整个系统的输入电压为高质量 的 5v 的直流稳压电源 郑州轻工业学院硕士学位论文 16 有很多 dc-dc 转换器可完成 5v 到 3.3v 的转换在此选用 linear technology 的 lt108x 系列 图 32 s3c4510b 内部资源框架 3.3 晶振电路与复位电路 3.3 晶振电路与复位电路 晶振电路用于向 cpu 及其他电路提供工作时钟在该系统中s3c4510b 使用有源晶振不同 于常用的无源晶振有源晶振的接法略有不同常用的有源晶振的接法 根据 s3c4510b 的最高工作频率以及 pll 电路的工作方式选择 10mhz 的有源晶 振 10mhz 的晶振频率经过 s3c4510b 片内的 pll 电路倍频后 最高可以达到 50mhz 片内的 pll 电路兼有频率放大和信号提纯的功能因此系统可以以较低的外部时钟 信号获得较高的工作频率以降低因高速开关时钟所造成的高频噪声 有源晶振的 1 脚接 5v 电源2 脚悬空3 脚接地4 脚为晶振的输出可通过一个 小电阻此处为 22 欧姆接 s3c4510b 的 xclk 引脚 郑州轻工业学院硕士学位论文 17 在系统中复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行时用户的按键复位功 能复位电路可由简单的 rc 电路构成也可使用其他的相对较复杂但功能更完善的 电路 本系统采用较简单的rc复位电路 经使用证明 其复位逻辑是可靠的 复位 电路如图 33 所示该复位电路的工作 原理如下在系统上电时通过电阻 r1 向电容 c1 充电当 c1 两端的电压未达 到高电平的门限电压时reset 端输出为 低系统的电平系统处于复位状态当 图 33 复位 电路 c1 两端的电压达到高电平的门限电压时reset 端输出为高电平系统进入正常工作 状态 当用户按下按钮 s1 时c1 两端的电荷被泻放掉reset 端输出为低电平系统进 入复位状态再重复以上的充电过程系统进入正常工作状态 两级非门电路用于按钮去抖动和波形整形nreset 端的输出状态与 reset 端相反 以用于高电平复位的器件通过调整 r1 和 c1 的参数可调整复位状态的时间 3.4 flash 存储器接口电路 3.4 flash 存储器接口电路 flash 存储器是一种可在系统in-system进行电擦写掉电后信息不丢失的存储 器它具有低功耗大容量擦写速度快可整片或分扇区在系统编程烧写擦除 等特点并且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作因而在各种嵌入式系统中得到了 广泛的应用作为一种非易失性存储器flash 在系统中通常用于存放程序代码常量 表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据等常用的 flash 为 8 位或 1