（电路与系统专业论文）基于arm—linux的嵌入式系统研究与软硬件的实现.pdf

北京交通大学硕士学位a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e rb e l o n g st ot h ep r o j e c t ”m u l t i m e d i at e a c h i n ga n d e x p e r i m e n tp l a t f o r mf o rs c h o o lc o u r s e ”f r o f t h em i n i s t r vo f e d u c a t i o n a f t e r s u r v e ya n ds t u d yd o m e s t i ca n do v e r s e a s r e l e v a n t e x p e r i m e n t sp l a t f o r m s ， at l u l t i f u n c t io n a la n d r e a l t ij 】ec o m p u t e rs y s t e mb a s e da r m 9c o r ea n de m b e d d e dl i n u x 0 sise s t a b lis h e d a tp r e s e n t ，b o t ha r mc p ua n de m b e d d e dl in u x o sa r em a j o ri td o i i 】a i n s ，a n dt h e yt l a k et h ea c t u a le q u i p m e n t w i t ha1 0 to fa d v a n t a g e ss u c ha sp o w e r f u lf u n c t i o n ，s m a l ls i z e ， l o wc o s ta n ds t r o n ge x p a n s i b i l i t y i nt h ep a s t ，t n eo l ds y s t e m b a s e do np ca n dd a t ac o l l e c t i n gc a r disu s e de x t e n s i v e l vi n t h e 邝i d d l es c h o o la n dh i g hs c h o o l ，b u tn o wi tc a nb er e p l a c e d b yt h i sk i n do fs y s t e i 】d i s c u s s e di nt h i sp a p e r i nt h eb e g i n n i n go f p a p e r t h eb a s i c c o n c e p t i o n ， t h e h is t o r y ， s y s t e ms t r u c t u r ea n dt h ef e a t u r e s o fh a r d w a r ea n d s o f t w a r ei na s s o c i a t i o nw i t he m b e d d e ds v s t e f 【la r ei n t r o d u c e d a n dt h e nt h ea r m sh i s t o r y ，t h ea r m sf r a m e w o r k ，a r m s a d v a n t a g e sa n dd i f f e r e n c e sb e t w e e na 1 1s e r i e so fa r mc p ua r e d e s c r i b e di nd e t a i l t h ef e a t u r e ，t h ea d v a n t a g e sa n d t h e d e v e l o p m e n tf l o wo fe m b e d d e dl i n u x0 sa r ea l s oa n a l v s e d t h e m e t h o da n ds t e ph o wt oa c t u a l l yd e s i g nas o f t w a r ea n dh a r d w a r e p l a t f o r mb a s e do na r m 9c o r ea n de m b e d d e dl i n u xo sa r ed r e s e n t e d s t e pb ys t e p ，i n c l u d i n gc h o o s i n gc h i p ，d e s i g n i n gh a r d w a r e s c h e m a t i cd o c u m e n ta n dp c b l a y o u t ，d e b u g g i n gh a r d w a r e ， f i r m w a r e ，d e v i c ed r i v e r ，l i n u xo s ，m i n i g u ie t c f i n a l l y ，a n d t h es u g g e s t i o n sa n de x p e c t a t i o n sa r eg i v e n t h ed e s i g no ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r es y s t e 玎1ism o s t i m p o r t a n ta n dd i f f i c u l ti nt h i sp a p e r t h et e s t i n gr e s u l to f t h ef i n a ls y s t e mi m p l e m e n t e di n d i c a t e st h a tt h ee x p e r i e n c ea n d m e t h o da r er e l i a b l ea n dp r a c t i c a l ，a n dt h es y s t e misw i t ha l o to fa d v a n t a g e sc o m p a r e dw i t ho t h e r s 北京交通大学硕士学位 k e yw o r d s ：a r mc p u ，a r m 9c o r e ，s 3 c 2 4 1 0c p u ，e m b e d d e dl i n u x 0 s ，r t o s ，d e v i c ed r i v e r ，m i n i g u i ，e m b e d d e d 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 课题的研究背景、目标及意义 1 1 研究背景 随着信息化技术的发展和数字化产品的普及，以计算机技术、芯片技术 利软件技术为核心的嵌入式系统再度成为当前研究和应_ 【 j 的热点，通信、计 算机、消费电子技术( 3 c ) 合一的趋势正在逐步形成，无所不在的网络和无 所不在的计算( e v e r y t h i n gc o n n e c t i n g ，e v e r y w h e r ec o m p u t i n g ) 止在将人 类带入一个崭新的信息社会。 嵌入式系统就是以应用为中心、以计算机技术为基础，并且软硬什是可 裁剪的，适h | 于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专川计 算机系统。嵌入式系统最典型的特点是与人们的曰常生活紧密相芙任俐一 个将通人都可能拥有备类形形色色运州了嵌入式技术的电子产m ，小纠川，3 、 i ，d 替微型数字化设稀人到信息家l 也、铆能i u 器、市载g l s ，再种新刊i 扶入 式投舔在数封上已经远近超过了通川计算机。这也雉怪美国辅名米米学家尼 葛洛抛帝在1 9 9 9 年1 月访华时就预言。d 5 年t f 亓嵌入式智能t 贝- 将成为继 p c 机和i n t e r n e t 之后计算机工业昂伟火的发明。 1 1 1 嵌入式系统历史与现状 虽然嵌入式系统是近儿年才开始真正风靡起来的，但事实上嵌入式这个 概念却很早就已经存在了，从上个世纪7 0 年代单片机的出现到今天各种嵌入 式微处理器、微控制器的广泛应用，嵌入式系统少说也有了近3 0 年的历史。 纵观嵌入式系统的发展历程，大致经历了以下四个阶段： a 无操作系统阶段 嵌入式系统是初的应用是基于单片机的，大多以可编程控制器的形式出 现，具有监测、伺服、设备指示等功能，通常应用于各类工业控制和飞机、 导弹等武器装备中，一般没有操作系统的支持，只能通过汇编语言对系统进 行直接控制。运行结束后再清除内存。这些装置虽然已经初步具器了嵌入式 的应用特点，但仅仅只是使用8 位的c p u 芯片来执行一些单线程的程序，因 北京交通大学硕士学位论文 筘一荦绪论 三三兰兰三兰三 l 嵌入式操作系统 餮 圈l l 嵌入式系统的组成 a 嵌入式处理器 嵌入式系统的核心是各种类型的嵌入式处理器，嵌入式处理器。通j 处 理器最人的不同点在于，嵌入式c p u 人多上作在为特定瑚户群所专fj 波计的 系统中，它将通用c p u 中许多由扳告完成的任务集成到芯片内部从而彳利 丁嵌入式系统在设计时趋丁小型化。同时还具有很高的效率年l | 可靠性。 l 妖入式处理器的体系结构经历了从c i s c ( 复杂指令集) 至r 】s c ( 粘简指 令集) 和c o m p a c tr i s c 的转变位数则由4 位、8 位、1 6 位、3 2 能逐步发 展到6 4 位。目前常用的嵌入式处理器可分为低端的嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t m c u ) 、中高端的嵌入式微处理器( e m b e d d e dm ic r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 、用于计算机通信领域的嵌入式d s p 处理器( e b e d d e d d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r e d s p ) 和高度集成的嵌入式片上系统( s y s t e m0 n c h i d ，s o c ) 。 目前儿乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器井且越米越多的公司 开始拥有自主的处理器设计部门，据不完全统计，全世界嵌入式处理器已经 超过l 0 0 0 多种，流行的体系结构有3 0 多个系列，其中以a r m 、p o w e r p c 、 m c 6 8 0 0 0 、m i p s 等使用得最为广泛。 b 嵌入式外围设备 在嵌入系统硬件系统中，除了中心控制部件( m c u 、d s p 、e m p u 、s o c ) 以 外，用于完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的其他部件事实上都可 以算作嵌入式外围设备。目前常用的嵌入式外围设备按功能可以分为存储设 备、通信设备和显示设备三类。 北京交通大学硕士学位论文第一章结论 存储设备主要用于各类数据的存储，常用的有静态易失型存储器( r l 、 s r a m ) 、动态存储器( d r 州) 和非易失型存储器( r o i l 、e p r o m 、e e p r 0 mf l a s h ) 三种其中f l a s h 凭借其可擦写次数多、存储速度快、存储容量大、价格便 宜等优点，在嵌入式领域内得到了广泛应用。 目前存在的绝大多数通信设备都可以直接在嵌入式系统中应 _ | j 包括 r s 一2 3 2 接口( 串行通信接口) 、s p i ( 串行外围设备接口) 、i r d a ( 红外线接 口) 、1 2 c ( 现场总线) 、u s b ( 通用串行总线接口) 、e t h e r n e t ( 以太网接口) 等。 由于嵌入式应用场合的特殊性，通常使用的是阴极射线管( c r t ) 、液晶 显示器( l c d ) 和触摸板( t o u c hp a n e l ) 等外围显示设备。 c 嵌入式操作系统 为了使嵌入式系统的开发更加方便和快捷，需要有专门负责管理存储器 分配、中断处理、任务凋皮等功能的软件模块，这就是嵌入武操作系统。嵌 入式j 3 ；9 作系统是圳米支持嵌入式成明的系统软件，烂嵌入式系统极为重要的 2 r 成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动程序、系统内核、没备驱动接口、 通信协议、幽形蚪】户界而( g u i ) 等。酞入式操作系统具有通川揲作系统的基 本特点，如能够有效管理复杂的系统资源，能够对硬件进行抽象。能够提供 席函数、驱动程序、开发：l ：具集等。但与通j ! | ：| 操作系统相比较映八式操作 系统在系统实时性、硬什依赖性、软件固化性以及应用专用性等方面，具有 更加鲜明的特点。 嵌入式操作系统根据应用场合可以分为两大类：一类是面向消费电子产 品的非实时系统，这类设备包括个人数字助理( p d a ) 、移动电话、机顶盒( s t b ) 等；另一类则是面向控制、通信、医疗等领域的实时操作系统，如w i n d r i v e r 公司的v x w o r k s 、q n x 系统软件公司的州x 等。实时系统( r e a lt i m es y s t e m ) 是一种能够在指定或者确定时间内完成系统功能并且对外部和内部事件在 同步或者异步时间内能做出及时响应的系统。在实时系统中。操作的正确性 不仅依赖于逻辑设计的正确程度，而且与这些操作进行的时间有关也就是 说，实时系统对逻辑和时序的要求非常严格，如果逻辑和时序控制出现偏差 将会产生严重后果。 实时系统主要通过三个性能指标来衡量系统的实时性。即响应时间 ( r e s p o n s et i m e ) 、生存时间( s u r v i v a lt i m e ) 和吞吐量( t h r o u g h p u t ) ： 响应时间：实时系统从识别出一个外部事件到做出响应的时间： 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 生存时间：数据的有效等待时间，数据只有在这段时间i j 4 才是有效 的： 吞吐量：在给定的时间内系统能够处理的事件总数，吞吐量通常比 平均响应时间的倒数要小一点。 实时系统根据响应时间可以分为弱实时系统、一般实时系统和强实时系 统三种。弱实时系统在设计时的宗旨是使各个任务运行得越快越好，但没有 严格限定某一任务必须在多长时间内完成，弱实时系统更多关注的是程序运 行结果的正确与否，以及系统安全性能等其他方面，对任务执行时间的要求 相对来讲较为宽松，一般响应时间可以是数十秒或者更长。一股实时系统是 弱实时系统和强实时系统的一种折衷，它的响应时间可以在秒的数量级上， 广泛应用丁消费电子设备中。强实时系统则要求各个任务不仅要保证执行过 程和结果的正确一陛，同时还要保证在限定的时间内完成任务，响应时间通常 要求在毫秒甚至微秒的数量级上这对涉及到医疗、安全、军事的软坡仆系 统来说是至关重要的。 时限( d e a d l i n e ) 魁实时系统中的一个m 要概念指的是对任务截j r 时 间的要求，根据时限对系统性能的影响程度，实时系统义可以分为辆实时系 统( s o f tr e a 卜t i m e s y s t e m ) 利坝实时系统ch a r d1 e a l 一t i i l l o s y s t o ) 。软 实时指的是虽然对系统响应时间有所限定但如果系统响应时间不能满足要 求并不会导致系统产生致命的错误或者崩溃：硬实时则指的赴对系统响虑 时问有严格的限定，如果系统响应时间不能满足要求，就会引起系统产生致 命的错误或者崩溃。如果一个任务在时限到达之时尚未完成，对软实时系统 米说还是可以容忍的，最多只会降低系统性能，但对硬实时系统来说则是无 法接受的因为这样带来的后果根本无法预测甚至可能是灾难性的。在目 前实际运用的实时系统中，通常允许软硬两种实时性同时存在。其中一些事 件没有时限要求，另外一些事件的时限要求是软实时的，而对系统产生荧键 影响的那些事件的时限要求则是硬实时的。 d 嵌入式系统的应用软件 嵌入式应用软件是针对特定应用领域。基于某一固定的硬件平台，用米 达到用户预期目标的计算机软件由于用户任务可能有时间和精度上的要求， 因此有些嵌入式应用软件需要特定嵌入式操作系统的支持。嵌入式应片】软件 和普通应用软件有一定的区别它不仅要求其准确性、安全性平l 稳定性等方 面能够满足实际应用的需要，而且还要尽可能地进行优化，以减少对系统资 6 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 课题任务和目标 本课题的主要任务是根据实际需要最终搭建系统的硬件系统和软件系 统。 硬件系统设计包括电源电路、晶振电路、复位电路、n a n d f l a s h 存储器 电路、s d r a m 存储器电路、u a r t 接口电路、j t a g 接口电路、以太网接口电路、 t f tl c d 接口电路等电路模块的选型、设计、调试。 软件系统设计包括b o o t l o a d e r 的移植、嵌入式l i n u x 操作系统的移植、 相关硬件模块的驱动程序的设计、嵌入式系统图形界面m in i g u l 的移植。 本课题的目标是使搭建的系统在实际应用中可行、可靠真正体现出前 沿技术的优势。 1 3 课题意义 r m 处理器和嵌入式l i n u x 搛作系统是当前i t 领域比较热门的两人前沿 技术，止是因为这两个前 【 技术使得实际构建出的系统性能强、体 ； 小、成 本低、具有相当强的可扩展性完全能够取代当前初高中课科实验平台中j “ 泛使刚基丁ip c 平数据采集忙的系统组成，同时也更好解决了这种结构带米的 价格昂贵、体积庞火等诸多劣势。 2 本论文的组织结构 本论文按照分析和设计的过程进行组织和编排。其结构如f ： 第一章介绍了嵌入式系统的基本概念、历史发展、体系结构以及软 硬件系统的特点。 第二章介绍了a r m 处理器的历史、架构、各系列的比较以及a r m 处 理器的特点和优势。 第三章详细介绍了嵌入式l i n u x 操作系统的特点、优势、以及它的 开发调试流程。 第四章根据实际需要详细介绍了实际搭建硬件系统的方法和步骤， 包括硬件的选型、设计、焊接、调试。 第五章根据实际需要详细介绍了实际搭建软件系统的方法和步骤， 包括底层软件调试、嵌入式l i n u x 操作系统的配置和移植、相关硬 8 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 件模块的驱动程序设计、m i n i g u 图形界面的移植等。 第六章对本课题进行了总结，并对下一步工作提出了一些建议和设 想。 第四章和第五章是本课题的重点和难点也是作者根据实际经验详述的 心得体会。 9 北京交通大学硕士学位论文第二章嵌入式a r m 处理器 a 蹦l o e 系列处理器具体应用于以下场合： 下一代的无线设备，包括视频电话、p d a 、笔记本屯脑和i n t e r n e t 设备等。 数字消费品，包括机顶盒、家庭网关、m p 3 播放器和 l p e g 4 播放器 等。 成像设备，包括激光打印机、数字照相机和数字摄像机等。 工业控制，包括马达控制和能量控制等。 汽车、通信和信息系统。 a r m l o e 系列处理器主要具有以r 主要特点： 支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集的3 2 位r i s c 处理器。 包括了d s p 指令集。 人级整数流水线。 在典型的0 13um 的生产：i ：艺f ，主频可以达到4 0 0 m i p s 晌- l 生能。 单一的3 2 位a m b 总线接门。 可选的v f p 9 浮点处理协处理器。 在实时控制平三维图像处理时主频可以达到6 5 0 m f l o p s 。 高性能的a f i b 系统。 m m u 支持w i n d o wc e 、p a l mo s 、s y m b i a no s 、l i n u x 等。 统一的数据c a c h e 乖i 指令c a c h e 。 提供o 1 8um 、o 1 5um 及0 1 3um 的生产工艺。 表2 4 详细对比了a r m l 0 e 系列处理器的性能特征。 舭u i l 0 e 性能特征 c a c h e 紧密耦合存能器管 a 髓1 1 l m n bd s pj a z e l | c ( 指令存b 器理 总线 数据)( t c m ) 接口 a r m l 0 2 03 2 k 3 2 无 m m u 双 有存尤 ka h b a r m l 0 1 21 6 列1 6 无 m m u 双 有宵光 k a h b a r m l o 三6 可变有 m m i t 上m 双 有有有 玎sm ua h b 衰2 4a r m l 0 e 系列处理器的性能特征 1 6 - 北京交通大学硕士学位论文第二章嵌入式a r m 处理器 a r m l l 性能特征 c a c h e 紧密耦存储a h b 总 d s pj a z e u es i m d 浮 ( 指 合存储器管线接【= j虹 令，数 器理 一 三 据)( t c m 掉 a r ) 1 1 l ；64 6 4 k 有 m l 虹； 四个“有宵包无 j 七 位a h b a r 、i l1 3 64 6 4 k 有 m m u 四个6 4有有肯有 盱s 位a h b 表2 6 r m l l 系列处理器的性能特征 基于a 融i 的i n t e微处理器 c a c h e 大紧密鹕合存储器 a h bt l n i i 】1 bd s pj a z e l l o 小( 指令存储器管理 总线 ，数据)( t c m ) 按l _ j s t r o l l 1 6 列8 k 丸 m m un a 尤九允 a r m x s c a i o3 2 刚3 2 k 光 m m un | & 仃“止 表2 7 幕卡a r m 的i n t e i 系列处理 | ；的性能特征 总而言之，a r m 的成功在于它极商的性能以及极低的能耗，使得它能够 与高端的m i p s 和p o w e r p c 嵌入式微处理器相抗衡。另外，即使根据市场需要 进行功能的扩展。也是a 蹦取得成功的一个重要因素。随着更多厂商的支持 和加入，可以预见，在将来一段时间之内，a r m 仍将主宰3 2 位嵌入式微处理 器市场。 北京交通大学硕士学位论文 第三章嵌入式l i n u x 操作系统 第三章嵌入式l i n u x 操作系统 l i n u x 从1 9 9 1 年问世到现在，短短的十几年时间已经发展成为功能强大、 设计完善的操作系统之一，不仅可以与各种传统的商业操作系统分庭抗争， 在新兴的嵌入式操作系统领域内也获得了飞速发展。嵌入式l i n u x ( e m b e d d e d l i n u x ) 是指对标准l i n u x 经过小型化裁剪处理之后，能够削化在容量只有几 k 或者儿m 字节的存储器芯片或者单片机中，适合于特定嵌入式应刖场台的 专用l i n u x 操作系统。 1 嵌入式l i n u x 的优势 嵌入式l i n u x 的开发平研究是操作系统领域中的一个热点口前已经开 发成功的嵌入式系统中，人约有一半使川的是l i n u x 。l i n u x 之所以能在嵌入 武系统市场上取得如此辉煌的成果与其自身的优良特性琏分不开的。 1 1 广泛的硬件支持 l i n u x 能够支持x 8 6 、 r m 、m i p s 、a l p l 、p o w e r p c 苍多种体系结 = ：f 目 前已经成功移植到数十种硬件平台，儿乎能够运行在所有流行的c p u 上。 l i n u x 有着异常丰寓的驱动程序资源，支持各种主流硬件改备平最新硬什技 术甚至可以在没有存储管理单元( m m u ) 的处理器上运行这些都进一步促 进了l i n u x 在嵌入式系统中的应用。 1 2 内核高效稳定 l i n u x 内核的高效和稳定已经在各个领域内得到了大量事实的验证 l i n u x 的内核设计非常精巧，分成进程调度、内存管理、进程问通信、虚拟 文件系统和网络接口五大部分，其独特的模块机制可以根据用户的需要，实 时地将某些模块插入到内核或从内核中移走。这些特性使得l i n u x 系统内核 可以裁剪得非常小巧，很适合于嵌入式系统的需要。 1 3 开放源码，软件丰富 l i n u x 是开放源代码的自由操作系统，它为用户提供了最大限度的自由 1 9 北京交通大学硕士学位论文 第三章嵌入式l i n u x 操作系统 度，由于嵌入式系统千差万别，往往需要针对具体的应用进行修改和优化， 因而获得源代码就变得至关重要了。l i n u x 的软件资源十分丰富每一种通 用程序在l i n u x 上几乎都可以找到，并且数量还在不断增加。在l i n u x 上开 发嵌入式应用软件一般不用从头做起，而是可以选择一个类似的自由软件作 为原型，在其上进行二次开发。 1 4 优秀的开发工具 开发嵌入式系统的关键是需要有一套完善的开发和调试1 具。传统的嵌 入式开发调试工具是在线仿真器( i n c i r c u i te m u l a t o r ，i c e ) 它通过取代 目标扳的微处理器，给目标程序提供一个完整的仿真环境从而使开发者能 够非常清楚地了解到程序在目标板上的工作状态，便于监视和调试程序。在 线仿真器的价格非常昂贵，而且只适合做非常底层的调试如果使川f | 勺是嵌 入式l i n u x ，一旦软硬件能够支持止常的串口功能时即使不川在线仿真器 也可以很好地进行开发利调试+ i ：作，从而：竹省了一笔不小的开发赞川。嵌入 式l i n u x 为开发者提供了一套完整的 j 具链( 1 i 0 0 1c h a i n ) ，它利j ：i = g n u 的 g c c 做编译器，用g d b 、k g d b 、x g d b 做凋试j i ：具，能够微方便地实现从操作 系统到麻h j 软件各个级别的调试。 1 5 完善的网络通信和文件管理机制 l i n u x 至诞生之日起就与i n t e r n e t 密不可分，支持所有标准的i n t e r n e t 网络协议，并且很容易移植到嵌入式系统当中。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 等文件系统这些都为开发嵌入式系统麻川打下了很 好的基础。 2 嵌入式l i n u x 的发展 目前，嵌入式l i n u x 系统的研发热潮正在蓬勃兴起，并且i 片据了很大的 市场份额，除了一些传统的l i n u x 公司( 如r e d h a t 、m o n t a v is t a 等) 正在从 事嵌入式l i n u x 的开发和应用之外，i b m 、i n t e l 、m o t o r o l a 等著名企业也开 始进行嵌入式l i n u x 的研究。虽然前景一片灿烂，但就目前而言嵌入式l i n u x 的研究成果与市场的真正要求仍有一段差距要开发出真正成熟的嵌入式 2 0 北京交通大学硕士学位论文第三章嵌入= i = l _ n u x 操作系统 方法。 嵌入式操作系统的内核调试相对来讲比较困难，这是因为在内核中不便 于增加一个调试器程序，而只能通过远程调试的方法，通过串口和操作系统 内置的”调试桩。( d e b u gs t u b ) 进行通信，共同完成调试过程。调试桩可以 看成是一个调试服务器，它通过操作系统获得一些必要的调试信息，并且负 责处理宿主机发送来的调试命令。具体到嵌入式l i n u x 系统内核，调试时可 以先在l i n u x 内核中设置一个调试桩，用作调试过程中和宿主机之间的通信 服务器，然后就可以在宿主机中通过调试器的串口与调试桩进行通信，井通 过调试器控制目标机上l i n u x 内核的运行。 嵌入式应用软件的调试可以使用本地调试和远程调试两种方法，相对丁 操作系统的调试而言，这掰种方式都比较简单。如果采_ 【l ；| 的是本地阔试，首 先要将所需的阔试器移植到目标系统中然后就可以直接在目标机i 二运行凋 试器来凋试应用程序了：如果采川的是远程调试，则需要移植一个渊试服务 器到目标系统中，井通过它与宿主机上的调试器共同完成廊州挥序的凋试。 在蛾入式l in u x 系统的开发中，远程调试时目标机上使川的调试服务器通常 烂g d b s e r v e r ，而宿主机上使川的调试器则是g a b ，两者相互配台共同完成调 试过程。 3 4 系统测试 嵌入式系统的硬件一般采j = j 专j j 的测试仪器进行测试，而软什则需要有 相关的测试技术和测试工具的支持，并要采用特定的测试策略。测试技术指 的是软件测试的专门途径以及能够更加有效地运用这些途径的特定方法。 在嵌入式软件测试中。常常要在基于目标机的测试和基于宿主机的测试之间 做出折衷，基于目标机的测试需要消耗较多的时间和经费，而基于宿主机的 测试虽然代价较小，但毕竟是在仿真环境中进行的，因此难以完全反映软件 运行时的实际情况。这两种环境下的测试可以发现不同的软f ，| ：缺陷，关键是 要对目标机环境和宿主机环境下的测试内容进行合理取舍。 测试工具指的是那些能够用来辅助测试的工具，测试工具主要用来支持 测试人员的测试工作本身不能直接用来进行测试，测试工具一股都是通用 工具。测试人员应该根据实际情况对它们进行适当的调整。嵌入式软件测试 中经常用到测试工具主要有内存分析工具、性能分析工具、覆盖分析工具、 2 8 北京交通大学硕士学位论文第三章嵌入式l - 丌u x 操作系统 人员和硬件开发人员的视线。本文讨论了嵌入式l i n u x 系统的基本知识、开 发流程、开发工具、调试工具、测试工具等，并指出了嵌入式系统的开发与 一般通用计算机软件开发的不同点及应该注意的事项，这些都是今后在进行 嵌入式l i n u x 系统开发时必须具备的基础知识。 3 0 - 北京交通大学硕士学位论文 第【j ：i i 帚碗件系统实现 八通道1 0 b i t 精度a d c 模数转换接口 两通道s p i 接口( 可配置为g p l 0 ) i i s 数字音频输入输出接口 e i n t 外部中断接口( 可配置为g p i o ) 1 0 m 以太网接口一多功能总线扩展接口 i d e a t a 硬盘接口 两只发光二极管指示灯 1 电源电路 系统由外部提开芙电源提供5 v 直流电源。经由1 5 a 白恢复保险丝井 通过开发扳内l d o 分别稳压至1 路3 3 v ( 位丁接口扳内) 平2 路1 8 v ( 位 丁核心板内) 。同时保险丝后端的5 v 直流电源还向u s b 士机接口习= | ll c d 接 口提供电源。而r t c ( 实时时钟) 考虑到需要在开发板断电后仍能继续i 作j 故采川独立的锂电池供电。 2 晶振电路 晶振电路用于向c p u 及其他电路提供二【= 作时钟。在该系统中，s 3 c 2 d 1 0 使 川无源晶体x 1 ( 位于核心扳内) 作为系统p l l 和u s bp l l 的基准输入时钟 源并经内部p l l 产生c p u 的下作时钟和u s b 的总线时钟。 实时时钟r t c 采用外部3 2 7 6 8 k h z 无源晶体x 2 ( 位丁：核心板i j 4 ) 作为 r t c 时钟注意：尽管系统时钟m p l l 在c p u 复位之后就开始【：作，但是m p l l 的输出直到软件向m p l l c 0 n 寄存器写入有效值之后才真正作为系统的主时 钟。在此之前系统时钟直接从外部晶体获得。因此尽管用户仍然想保留原 来的时钟设置也应该在c p u 复位之后重新将m p l l c o n 原来的值写入 m p l l c o n 寄存器( 例如在执行s o f t r e s e t 之后) 。没有使用到的通用i o 口 资源均可配置为通用i o ( g p i o ) 使用，例如t f tl c d 、u a r t 、s d 卡删c 卡主机控制器、s p i 接口( 可配置为g p l 0 ) 、e i n t 外部中断接口( 可配置为 g p l 0 ) ，甚至可以通过多功能总线扩展口来扩展更多的i o 。如图4 一l 所示。 3 2 北京交通大学颐士学位论文 第四章硬件系统实现 k a n d f l a s h 中。如图4 3 所示为n a n d f l a s h 存储器系统的实际应用电路图。 圈4 3n a n d f l b s h 存储系统电路圈 5 s d r a m 存储器接口电路 与f l a s h 存储器相比较s d r a m 不具有掉电保持数据的特性但其存取 速度大大高于f 1 a s h 存储器且具有读写的属性，因此，s d r a m 在系统中主 要用作程序的运行空间，数据空间及堆栈区。当系统启动时，c p u 首先从复 位地址o x 0 处读取启动代码，在完成系统的初始化后程序代码一般应调入 s d r a m 中运行，以提高系统的运行速度，同时，系统及用户堆栈、运行数据 也都放在s d r a m 中。 s d r a m 具有单位空间存储容量大和价格便宜的优点，已“泛应删在各种 嵌入式系统中。s d r a m 的存储单元可以理解为一个电容，总是倾向于放电， 为避免数据丢失，必须定时刷新( 充电) 。因此，要在系统中使用s d r a m ，就 要求微处理器具有刷新控制逻辑，或在系统中另外加入刷新控制逻辑电路。 北京交通大学硕士学位论文第四章硬件系统实现 u 4h 啊惭1 昭时卅 l 旺 2 3 0 d q 0 2 l 删 l o d 珏 2 4 ld 。l 4 l 脒 l 雕 西5 l a 孙 l d d n 2 6 2 d q 2 7l 删 l d d 眺 2 9 3 d 0 3 8 l 从 l 盯 3 0 4 d q 4 1 0 l 删 l 髓 3 l 5d 。5 l d o 舯 3 2 “d 0 6 l l l 叫 l r d 3 3 a 7 d q 7 1 3l 洲 l d d 刚 3 4 a 8 d 。8 4 2l 删 a 9d 4 4 l a 嬲揣：篓 1 0 d q l 0 4 5l 删 2 2 r； a l l d q l l 4 7 l a _ u 广 a 1 2 d q l 2 4 8 l 嘣n 从m k _ s | l 2 0 b a 0 d 。1 3 5 0l b m u d 临f 1 l r 臻 2 l5 1l 删 b ld q l 4 5 3l 啉i d q l 5 d n p ”某l d q m 1 9 u d q m n s c s 1 8 鼬 w l i e n b a l l l ：b l l s 】i a s 氅熄鬻警畿赛 s c i c e岱c a s 1 7 甜 2 十3 狮bs d l i a 乩 。 s c l kn w e 1 6e 5 ：兰曼? 埘b a l 2 8 砌 t e l 、口 。 v 5 s 0v d d o l ( u i u n md 厢 4 l v 嚣lv d d l 1 4 c o n m c li o 5 42 7 l a d d 勉4 “v 8 5 21 d d 2 l a d d 砣5 63 b u t 山n l k b 址i 1 2 姗0 v d d q o 9 1 2 8 m b 肿，b i l l d 4 6 璐q l v d d q l 4 3 m 崦l d d r 2 5 “ 5 2 v s s q 2v d d q 2 4 9 l a d d i 2 6 v s s q 3删 = = c g = 3 7 - 北京交通大学硕士学位论文第四章硬件系统实现 u 5h y 5 7 、石6 1 6 2 0 盯h l d d 豫 2 32l d w l d d 2 4 a 0 d q 0 4l a w u l h 2 5 a ld o l 5l d m l d d f 皤2 6 a 2 d q 2 7l b w l o d 拍 2 9 a 3d 0 3 8 l b l d d 盯3 0 a 4 d q 4 1 0 l 口 1 u i 口o i 碍 3 1 a 5d 0 5 1 il o m l d d r 93 2 a 6 d q 6 1 3l o t l d 口r - o 3 3 a 7d 0 7 l b o r 3 4 a 8d q 8 4 2 l d t l d 口r f 2 2 2 a 9d 0 9 4 4 l o t l d o r t 83 5 a 1 0d o l 0 4 5 l 口盯 l d d r 4 3 6 a 1 ld o l l 4 7l a 盯 b h k | l 2 0 a 1 2d o l 2 4 8l d t b a 0 d q l 3 5 0l d 1 l 口d r 2 52 15 ll b t b a ld o l 4 5 3 l n 盯 b r 州b e 21 5 d o l 5 l d q m l t b e a 3 9 1 9c 3 udqm_iscs 1 8l n 5 # ： l s c h e3 7 n s l t a s 1 7l n s c s c 砭en s c a s l s c l h 3 81 6l - v e sclk“we v d 2 8 v s s 0v d d 0 1 4 1 v s s lv d d l 1 4 5 42 7 vss2、)d2 63 1 2 vssq0、rddq0 9 4 6 、塔s q lv d d q l 4 3 5 2 v s s q 2v d d q 2 4 9 、，s s q 3v d d q 3 兰生c 2 i 兰 图4 43 2 位s d r 删存储器系统的实际应用屯路翻 6 串行接口电路 几乎所有的微控制器、p c 都提供串行接口，使用电子工业协会( e i a ) 推荐的r s 一2 3 2 一c 标准，这是一种很常用的串行数据传输总线标准。早期它被 应用于计算机和终端通过电话线和m o d 蹦进行远距离的数据传输，随着微型 计算机和微控制器的发展，不仅远距离，近距离也采用该通信方式。在近距 离通信系统中，不再使用电话线和m o d 酬，而直接进行端到端的连接。 如图4 5 所示为m a x 2 3 2 的常见应用电路图。 3 8 北京交通大学硕士学位论文第四市碗件系统实现 翻4 5m a x 2 3 2 的常见应用电路到 为缩小电路板面积，系统对u a r t o 或u a r t l 都使用了9 芯的d 型插头。 7 j t a g 接口电路 j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ，联合测试行动小组) 是一种国际标准测 试协议，主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试j t a g 技术是一种 嵌入式调试技术，它在芯片内部封装了专门的测试电路t a p ( t e s ta c c e s s 3 9 北京交通大学硕士学位论文第四章碗件系统实现 p o r t ，测试访问口) ，通过专用的j t a g 测试工具对内部节点进行测试。目前 大多数比较复杂的器件都支持j t a g 协议，如a r h 、d s p 、f p g a 器件等。标准 的j t a g 接口是4 线：t m s 、t c k 、t d i 、t d 0 ，分别为测试模式选择、测试时钟、 测试数据输入和测试数据输出。 j t a g 测试允许多个器件通过j t a g 接口串联在一起，形成一个j t a g 链， 能实现对各个器件分别测试。j t a g 接口还常用于实现i s p ( i n s y s t e m p r o g r a m m a b l e 在系统编程) 功能如对f l a s h 器件进行编程等。 通过j t a g 接口可对芯片内部的所有部件进行访问，因而是开发凋试嵌 入式系统的一种简洁高效的手段。目前j t a g 接口的连接有两种标准。即1 4 针接口和2 0 针接口，如表4 一l 和表4 2 所示，其定义分别如。f 所示。 1 4 针j t a g 接口定义： 24681 01 21 4 135 7 r91 11 3 引脚名称 描 述 l 、1 3v c c接电源 2 、4 、6 、8 、l o 、1 4g n d 接地 3n t r s t测试系统复位信号 5 t d i测试数据串行输入 7t m s测试模式选择 9 t c k测试时钟 l l t d 0测试数据串行输出 1 2n c未连接 2 0 针j t a g 接口定义 表4 一l1 4 针j t a 6 接口定义 4 0 加 伯 伯 仃 侣 侣 饵 侣 伫 9 8 7 6 5 4 3 2 ， 北京交通大学硕士学位论文 第四章硬件系统实现 圈4 61 0 m 1 0 0 m 以太网接口电路 4 2 北京交通大学硕士学位论文第四章硬件系统实现 9 印刷电路板的设计注意事项 在本小节结束之前，对该系统的印刷电路板( p c b ) 设计中应注意的事项 作一个简要的说明。 在系统中，s 3 c 2 4 1 0