（电路与系统专业论文）基于ARM9的嵌入式网关的设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

中文摘要 摘要 近年来，以太网互联网等网络架构逐渐在通信、自动化控制领域中得到广泛 的应用，以t c p 1 i l 网络传输协议为代表，成熟度较高的开放式网络通信技术正向 各种自动化系统渗透，连接并控制其设备。而在工业控制和通讯的嵌入式设备中， 更多的是采用其它协议。如何实现嵌入式设备的远程控制以及数据的远程传输便 成了一个亟待解决的问题。本论文正是基于这种现实意义而提出的解决方案。 本论文首先阐述了嵌入式网关的定义、研究意义以及发展趋势，然后在分析嵌 入式网关技术需求的基础上，提出了一种嵌入式设备接入以太网的解决方案，并 进行了具体实现。文中详细介绍了嵌入式网关设计的整体框架、硬件组成及其设 计平台、嵌入式网络编程、操作系统的内核修改以及操作系统移植等内容，其中 网络编程及操作系统的移植是整个设计的重点。 本设计以3 2 位a r m 9 2 0 t 处理器s 3 c 2 4 4 0 a 为主控芯片，以c s 8 9 0 0 a 为网络 接口控制芯片，来进行开发和研究。所以它不同于低端的单片机，它需要操作系 统作为开发平台，这就给整个设计带来了难度。在这方面，作者具体的研究了嵌 入式操作系统的系统引导程序、内核的裁剪和移植以及文件系统和驱动程序的配 置等内容。网络编程部分则主要完成t c p 口协议应用层通讯代码的编写。 在具体实现中，采用广州友善之臂公司的基于a r m 9 2 0 t 的嵌入式开发板 s b c 2 4 4 0 b 作为整个设计的硬件开发平台，软件上选用的是嵌入式操作系统“n u x ， 并对其内核进行了分析，通过裁剪l i n u x 内核来实现体积小、实时性高的特点。最 后将运行在操作系统上的开发板进行网口调试，最终实现了网口通信的功能，为 嵌入式设备上网提供了一种解决方案。 关键词：嵌入式网关；l i n u x 操作系统；t c p l p 协议 英文摘要 t h ed e s i g n0 fe m b e d d e dg a t e w a yb a s e do na 。r m 9 a b s t r a c t i i lr e c 饥ty e a 璐，e n l e n l e t i n t e m 就雠do n l 盯n e t 、) l ，o d 【i sa p p l i e d 掣铆心l y 锄d 、) l r i d e l y i l lm ed o m a i l lo f 伽舢i 训o n sa n d 础0 m a t i o n r 印r e s 饥t c db yt c p 佃 n e t w o r k 仃砒i 锄i s s i o nc ( m 蚰m i c a t i o np r o t o c o l ，t l l eo p e nn e t w o r kc o m m u l l i c a t i t e c 知1 0 l o g yw i n l1 l i g h c rm 枷t yi sp 锨n e a t i n gi l l t 0s e v e r a lo fa u t o m a t i o ns y s t 锄s ， c o m l e c t i n g 锄dc 0 n t r o l l i i 培m ee q u i p 】 n e n t s w l l i l ei ti s 砸姒a l l ya d o p t so m e rp r o t o c o l so f l ee l b e d ( 1 e dd e 订c eo fi n d u s t r i a lc o i i t r o la n dc o m m u n i c a t i o n h o wt oac _ h i e v e 廿l e r i 。| n o t ec o n t r o lf i o f l ee n l b e d d e dd e v i c ea i l dr l 玎n o t e 缸 u l s m i s s i o nf 0 r t 量l ed a l - ah a s b c c o m ea l lu r g e n tp r o b l e m asc _ h e m ei sp r o p o s e db a u s e do nn l i s 如删s i g 砸f i c a r l c ei n t l l i s p a p e r m 廿l i sp 印廿1 ed 面f l i t i o 玛s i 鲥f i c a i l c co fr 鹤e 鲫c ha n d 慨do fd e v e l o p m e n to f l ce m b e d d e dg a t e w a yi si i l 仃o d u c e d ，觚y n l e r las o l 嘶o ni sb 砌j g h tf o r w a r d 雅d a c l l i “e df 0 ra l l 翎曲e d d e dd 刊c ea c c e s st 0e t l l c n l c tb 弱c d0 nm e 趾a l y s i sf o rn l e t e c h i c a lr e q u i r e i i l e i l t so fe m b e d d c dg a t e w a y t h ef o l l o w i l l gc o n t e n t sa r ed e t a i l e d l y i 加的d u c e di nn l i sp a p e r ，i n c l u d i n gn l eo v e r a l ld e s i 印舭哪e w o r k ，m eh 鲫d w a r e 觚d 吐璩 d e s i 班p l a t 向n i l ，e m b c d d e dn e 咐。呔p r o 伊锄珊i n 岛o l ，e r a t i n gs y s t 锄k c n l e lr e s i o 璐， 嬲w e l la st h ep o r t i n go ft l l e o p e r a t i n gs y s t e m t h en e t w o d ( p r o 黟a m m i n ga n dn l e p o r t i n go fm eo p e r a t i n gs y s t 锄i st i l ef 0 c u so ft h ee 1 1 t i r cd e s i 盟 i i lt h ed 鼯i g n ，3 2 b i ta i t m 9 2 0 tp r o c e s s o rs 3 c 2 4 4 0 a 懿t h ek e m e ld l i p 跚l d c s 8 9 0 0 aa sm en e t 、) l ，o r ki n t e r f a c ec h i pa r es e l e c t e dt oe x p l o i te i n b e d d e dg a t e w a y ，a n d i tn e e d st ob e 邝i lo nm ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e i i l ，w h i c hi sm ed i 衔c u l 锣a 1 1 d d i 行醯e n tf b mt h el o w e n dm i c r o c o n t r 0 1 l e r t h ea u t h o rd om u c hw o r ko nt h e s ea s p e c t s ： m u c hr e s e a r c ha r em a d eo nt l l eb o o tl o a d e ro ft h ee m b e d d c do p e r a t i n gs y s t e r i l ，m e t a i l o ra n dp o i t i n go fk e n l e l ，f i l es y s t e l i l 觚dt l l ec o n f i g u r a t i o no ft l l e 出v a n ds 0o n t h em a i np a r to ft l l ep r o g r 锄o nt h en e t w o r ki st of i n i s ht l l e p r o g r a mo f c o m 珊i c a t i o n so n l et c p i p p r o t o c o l 印p l i c a t i o nl a y c r 英文摘要 i i ls p 撕6 ci i n p l e m 既t a t i o 玛i ta d o p t ss b c 2 4 4 0 bw l l i c hi sp r o d u c e db yt t l ef r i 础y a mo f 也ec ( 吼p a n y 鹪aw l l o l ed 鹤i g no fh 莉w a 托d e 、，e l o p m 咖p l a t f o m ，锄dt l l e 脚a r ep l a t f o r mi sm ee m b e d d e dij n l 0 p e 础n gs 皿锄1 1 1 ed 诅m c t e r i s t i co f 锄a l l s 幻豫a n d r c a l t i i 鹏h i 曲 i sa c l = l i e v e d b y幽g 圮 i 血慨k e n 试 f i i l a l l y ， c o m m l l i 】j c a t i o mo fn e t 、) l ，o r ki n t e ea r ca 幽e v e db ys y s t 锄d e b u g 西n 吕锄das o l u t i o n f 0 r 锄b e d d e dd e v i c e sc o 衄e c t i o nt 0t l l ei l l t 锄e ti sp r o v i d e d k e yw o r d s ：e m b e d d e dg a t e w a y s ；l i n u xo p e r a t i n gs y s t e m ；t c p ，i pp r o t o c o l 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑苇声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究t 作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文：基丛丛窆的壁式圆羞的遮让：。除论文中已经注明引 用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公 开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：参事孙谚年弓月狮 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密一( 请在以上方框内打。，) 论文作者签名：学年 日期： 导师签名：讪弓哩 谚年多月 基于籼的嵌入式网关的设计 第1 章绪论 随着信息技术的发展，嵌入式系统渗透于生活中的各个领域，嵌入式计算机 在应用数量上远远超过了各种通用计算机【l 】。一台通用计算机的外部设备中就包含 了6 - 1 0 个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显卡、显示器、网卡、声 卡、打印机、扫描仪、数码相机等均是由嵌入式处理器控制的。在制造工业、过 程控制、通信、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品 等方面均是嵌入式计算机的应用领域。在不同领域，这些嵌入式系统往往组成一 个个独立的嵌入式网络，随着i n t e n l e t 网的不断普及，将各种嵌入式网络接入 i i l t e m c t 变得越来越必要。回顾整个网络的发展历程，从巨型机时代网络化进程的 开始，到p c 时代开放式互联网络的出现，一个必然的趋势是嵌入式设备的网络化。 未来的网络会更一步发展，连接到网络上的不仅仅是p c 、p d a 这样的个人数 据处理设备，还会有大量的控制类设备连接到网络上。包括各种各样的环境和安 全控制装置、家用电器设备、商用设备、工业设备等等。它们连接到网络上实现 协调管理将是未来网络设备的发展趋势。一套新设计的智能化住宅中，估计连接 到网络上的p c 机数量为1 - 4 台，而连接到网络上的其他电子设备为2 0 3 0 个。现 在网络上主要的信息收发请求是有人操作的设备对其他有人操作的设备发出的， 未来网络上将大大增加智能设备互相之间的信息的收发。未来的智能住宅、智能 小区、智能工厂、智能办公楼、智能医院、智能学校、智能仓库、智能车站、智 能机场、智能酒店等等应用场所不可能在每一个需要采集信息的点上都设置一台 标准的p c 机，而是需要大量的充当神经末梢的嵌入式网关设备。 在这种无所不至的建设和发展趋势下，廉价、有效、可靠、使用方便的“透 明化”设计的小型乃至微型网络设备将是网络设备设计、制造、应用的一个个非 常重要的方向，甚至可能是规模最大的一个方向。 第l 章绪论 1 1 嵌入式系统及其发展趋势 1 1 1 嵌入式系统概述 什么是嵌入式系统( e m b c d d e ds y s t 锄) 。广义地讲，凡是不用于通用目的的 可编程计算机设备，就可以算是嵌入式计算机系统。举例来说，个人计算机( p c ) 不是一种嵌入式系统，因为它是用于通用目的系统。而一些电话系统就是采用个 人计算机技术建立的嵌入式计算机系统，最典型的嵌入式系统如手机、可视电话 等；另外还有一些嵌入式系统采用特殊的微处理器，如传真机、打印机等。 狭义上而言，嵌入式系统是指以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件 可裁剪、适用应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算 机系统。一般的嵌入式系统的设计过程是：从产品定义开始，接着进行硬件设计， 然后将软件或操作系统移植到硬件上，并且进行应用程序的开发，最后经过测试 与调试后即开始销售或使用【2 】。 对于嵌入式系统的理解因人而异，所以不同的书籍对嵌入式系统的定义也不 尽相同，但是基本的思想是相同的。我们可以从一下几个方面来理解嵌入式系统 的含义： 1 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，必须与具体应用相结合才会 具有生命力。正因为与具体应用的紧密结合，嵌入式系统才具有很强的专用性。 2 嵌入式系统将先进的半导体技术、计算机技术和电子技术，以及各个行业的具 体应用相结合，是一个技术密集、资金密集、学科交叉和不断创新的知识集成 系统。 3 由于嵌入式系统必须根据应用需要对硬件和软件进行裁剪，以满足应用系统对 功能、可靠性、成本、体积和功耗的要求。因此，嵌入式系统的开发难度比较 大，技术门槛较高。比较好的开发模式是：首先建立相对通用的硬件和软件基 础，然后针对具体的应用做最少量的改动。 由上述可以看出，嵌入式系统是一个外延极广的概念，凡是与产品结合在一 起的、具有嵌入式系统的特点的系统都可以成为嵌入式系统。 基于m m l 9 的嵌入式网关的设计 嵌入式系统已经广泛应用于通信、家电、汽车等领域，极大地便利了我们的 生活，而且它的应用也越来越受重视。m r r 的d a ：v i dc l a 咸首次提出的“后p c 时 代 一词，指出个人计算机提供的只是在这个过渡时期的解决方案，而非最佳的 方式，最终发展的应用将不会停留在桌面上的个人计算机，而是从桌面上蔓延下 来，进入用户的日常生活中。 目前国内在这一方面的发展逐渐受到重视，如一般公司都设有嵌入式系统专 职部门，学术单位则搭建嵌入式实验平台。从技术上看，嵌入式技术已经成熟， 但入门的专业门槛相对较高。例如，基本设计需要有计算机体系结构、硬件接口 电路、固件编程与实时操作系统、d s p 等背景知识，而高级设计更需要有传感器 与人工智能的相关知识。 1 1 2 嵌入式设备接入以太网的意义 随着互联网应用的日益普及，信息共享的程度不断提高【3 1 。如何通过互联网共 享以嵌入式系统为中心的小型嵌入式设备的信息，成为当今电子界的热门话题。 传统的互联网应用是以p c 为中心，如今，互联网应用正在转到以嵌入式设备为中 心。i a ( 1 1 1 t 锄e ta p p l i a i l c e ) 概念现在甚为流行，这表明互联网应用进入嵌入式互 联网的时代已经来临，把嵌入式系统和i n t 锄e t 连接已是一种趋势。 嵌入式设备接入以太网有什么意义昵【4 卅? 过去通过专用通信线在远方采集现 场设备的数据，进行远方显示和控制，但是通信介质要专用的，通信协议要自己 写，配套的软件和硬件要自己设计。因此，系统设计成本高，开发周期长。 同时，随着工业自动化和办公自动化的发展，在一些场合，分布式控制系统 的网络越来越庞大，现场总线越来越受地域、铺设成本、负载容量的限制。另外， 由于目前市场上c 舢妯u s 、b n 、o r l ( s 、p r o 助u s 、f f 等多种现场总线并存，使得基 于现场总线的控制系统的接口协议标准各异，难以统一。在这种情况下，利用廉 价的具有接入i n t e m e t 功能的嵌入式设备，可以使现场总线方式下的分布式控制系 统转换成基于以太网的分布式控制系统，从而使数据采集、信息传输等都能直接 在h l 仃a i l 酬i n t e m e t 上进行，既统一了标准，又使工业测控数据直接在h l t r 锄酬i i l t 锄c t 上动态发布、共享，供相关技术人员、管理人员进行实时处理或参考，这样就把 第l 章绪论 控制网和信息网有机地结合了起来，使得工厂或企业都拥有一个一体的网络平台， 无论从成本、管理、维护等方面考虑，都是一个最佳地选择。 另一方面，灵活、方便，安全性、可靠性高的以太网的飞速发展和普及，使 因特网已深入办公室、工厂与车间，使人们在工作的各个地点，都可以通过互联 网来交换信息。嵌入式设备的显示和控制只要能上网，就能很好的实现远程控制， 不需要专用的通信线路，现成的全球网任你传到各个角落。 综上所述，设计一种基于以太网的嵌入式控制系统来实现设备的远程控制将 具有非常广阔的应用前景。 1 1 3 嵌入式网络的发展趋势 市场的选择，最终导致了开放式网络时代的到来【7 - 9 】。今天的t c p 碑协议和以 太网是一种开放式网络。所有主要的操作系统，主要的计算机制造商( 大型机、 微型机和p c ) 都支持以太网和t c p 口协议。在这个开放式网络的基础上，产生 了不可计数的应用，从大型企业的网络解决方案到电脑游戏。既然已经存在一个 通用的标准，制造商就可以发展出一种基于网络的嵌入式解决方案，并且可以肯 定它将有很大的应用面。 回顾过去，我们可以看到这样一个发展过程【心】。计算机从一个相对昂贵，不 易使用，缺乏通信能力的设备变为大量普及、易于使用操作、可进行低成本通讯 的p c 。在这个过程中，一个明显的趋势，一些更为廉价的设备将变得更接近用户， 并且将具有更好的互操作性。根据这种趋势，一些更低成本的处理器将逐渐走向 普通用户，同时由于网络的影响，这些低成本的微处理器将会出现在网络中，从 而形成“嵌入式网络”。 开放式网络可以给企业带来很多好处。方便的数据信息获取带来迅速高效的 决策。从最低端的设备到超级计算机，企业有一个整体控制。开放式网络的可扩 展性使得企业可以保持已有的技术投资，相对于特定的网络标准，加入企业采用 一种新的解决方案，使已有网络系统将被推翻，从这一点上说，开放式网络为企 业运营降低了成本。 4 基于舢孙移的嵌入式网关的设计 嵌入式设备网络化是市场的需要。从最终的用户的角度看，他们希望所有设 备互联工作，这种互联越广泛越好，因为这意味着他们工作生活的自由度提高了。 当今社会是信息化的社会，快速获取最新信息是高效决策的关键。企业的管理者 希望他们的触角能够到达企业的任何位置，从而可以快速的进行资源配置，对生 产过程进行实时监控，并能够随时修正( 假如需要的话) ，重新配置资源。现代 企业具有多大的灵活性很大程度上决定了它是否在竞争中胜出。 从嵌入式设备制造者的角度来看，通常更关心成本因素。嵌入式设备的网络 化使得在进行售后服务时有了一个根本性的变革；通过因特网远程控制检测设备， 使得进行远程技术支持成为可能( 首先一点是被检测设备必须能够进行远程访 问) 。这种做法提高了设备维护的方便性，同时降低了维护的成本。 1 2 嵌入式网关 1 2 1 嵌入式网关的定义 顾名思义，网关( g a t e w a y ) 就是一个网络连接到另一个网络的“关口，【1 0 1 。 按照不同的分类标准，网关也有很多种。t c m p 协议里的网关是最常用的， 在这里我们所讲的“网关”均指t c p i p 协议下的网关。 那么网关到底是什么昵? 网关实质上是一个网络通向其他网络的i p 地址。如 图1 1 所示，为网关示意图。比如有网络a 和网络b ，网络a 的i p 地址范围为 “1 9 2 1 6 8 1 1 1 9 2 1 6 8 1 2 5 4 ”，予网掩码为2 5 5 2 5 5 2 5 5 0 ；网络b 的i p 地址范围为 “1 9 2 1 6 8 2 1 1 9 2 1 6 8 2 2 5 4 ”，子网掩码为2 5 5 2 5 5 2 5 5 0 。在没有路由器的情况下， 两个网络之间是不能进行t c p m 通信的，即使是两个网络连接在同一台交换机( 或 集线器) 上，t c p i p 协议也会根据子网掩码( 2 5 5 2 5 5 2 5 5 o ) 判定两个网络中的 主机处在不同的网络里。而要实现这两个网络之间的通信，则必须通过网关。 第l 章绪论 1 9 2 1 6 8 1 x 2 5 5 2 5 5 2 5 5 0 ，、- _ 、 网络a 幽i 石器妙 路由设备 ， 、 1 9 2 1 6 8 2 i 2 5 5 2 5 5 2 5 5 0 ，_ ，、_ 、 网络b 嘲 阿关ll9 2 1 6 8 1 1li 孵关，1 9 2 1 6 8 2 1 图1 1 网关示意图 f i g 1 1g 砷嘲啊ys c h 锄撕cd i a g r a m 由此，我们可以看到，网关系统是实现数据转发的装置。嵌入式网关也即是 在嵌入式系统的平台上搭建的网关，本文所设计的嵌入式网关系统为了嵌入式设 备端口和网口之间的数据相互转发的装置。 1 2 2 嵌入式网关的技术需求 从根本上讲，嵌入式设备只要加上t c p 口网络协议就可以上h n 咖c t 网。但 考虑到嵌入式系统所处于的工作环境等因素的影响，基于以太网的嵌入式系统必 须具备以下功能： 1 能够进行网络通信； 2 应具有多任务的控制能力，实时性和可靠性高； 3 应具有较强的控制能力和数据处理能力； 4 系统应具有较好的性价比，开发周期应较短，市场竞争力强等。 嵌入式网关的研究中涉及到许多关键技术，如现场总线的研究、嵌入式网关 协议、实时多任务操作系统( r t o s ) 、嵌入式i n t 锄e t 的实现等。要实现嵌入式 网关首先要确立总体网络结构，确立总体网络结构很重要的一点是要确立嵌入式 网络与h n 锄e t 的连接方式。原则上讲，嵌入式设备只要转变为w e b 服务器，再 加上t c p 口网络协议就可以连接h 锄e t 网。但由于嵌入式设备本身的特点，目 前在大量工业领域中采用的8 位和1 6 位m c u 上实现i n t 锄e t 通信协议是比较困难 的，如果将现有的嵌入式系统中的m c u 都更换成3 2 位或6 4 位的高性能处理器， 基于舢强伯的嵌入式网关的设计 从经济性和现实性来说都不太可能。所以在这项设计中，主要需要处理以下几个 问题： 1 协议转换。为了使数据能够正确传送到目的地，实现其他设备( 自动化控制设 备、通信设备) 与瑚伽c t 网的信息交互，需要解决的一个关键问题就是协议 转换。这里我们要实现的是串口协议与网络协议之间的转换。 2 网络编程。 3 驱动程序的编写。 4 操作系统的移植。操作系统的移植一向是嵌入式开发的重点，尤其是b 0 0 t l o a d 贫 引导程序的移植。b o o t l o a d e r 引导程序是嵌入式开发很重要的组成部分。它是 c p u 加电后第一个开始运行的代码，由它最终将操作系统启动起来并将控制 权交给操作系统内核。b o o o a d e r 引导程序最基本的功能是进行硬件的初始化 ( 包括c p u 的主频、s d 洲、中断、串口等) 和内核启动参数的设置并启动 内核等。功能强大的b 0 0 t l o a d c r 可以和主机进行交互，通过串口、u s b 口或者 网口下载映像文件，并可以对f l a s h 等存储设备进行管理。 在本论文中省去了驱动程序编写步骤，重点讨论了网络编程和操作系统移植。 1 3 论文的目的及作者完成的主要工作 论文的研究目的是为了实现一种将现场总线方式下的嵌入式控制系统转换成 基于以太网的嵌入式控制系统的方法，以解决当前现场总线控制系统中存在的接 口协议标准各异以及不同网络之间互通难的问题。 对当今的嵌入式设备网络化的趋势，人们已经有很多方案。第一种是：直接 把设备挂接到互联网络上。这种方案把嵌入式设备提升到与p c 机对等的地位，使 得访问控制具有相当的灵活性。但缺点就是每一个嵌入式设备都要实现以太网和 t c p i p 协议栈，成本高，不利于普及。第二种是：使用p c 作为中间转发设备。 这种方案具有实用性和成本低的优点，不过由于工作环境的限制，束缚了它的灵 活性，另外p c 机仅作为一种转发设备是一种浪费。第三种是：直接使用嵌入式设 第l 章绪论 备代替p c 作为转发网关。这种方案综合了前两种方案的优缺点，是一种最为实用 和容易普及的方案。本论文就是采用的第三种方案。 考虑到嵌入式网关的通用性，需要转换的协议的多样性( 嵌入式设备可以采 用r s _ 4 8 5 、c a n 等协议) ，我们选用功能强大的具有删9 2 0 t 内核的微处理器 二s 3 c 2 4 4 0 a 。跟传统的删7 内核的处理器相比，它有全性能的m m u ( 虚拟 内存管理单元) ，因此我们可以把裁剪好的“n u x 操作系统直接移植上去这样建立 起来的软硬件开发平台，其功能相当于一台装有嘲h a tl i 姗x 的p c 机，更能满足 实时性、准确性和速度要求较高的嵌入式设备。 由于i i n l 系统内核已经提供网络支持，而不必像其它操作系统要外挂t c p m 协议包，这样，其它协议与t c p 口协议的转换在软件层面已经转换为操作系统的 移植、i j n l l ) 【下的网络编程、进程间通信等问题，这样设计起来更加方便简捷。 综上所述，作者完成的主要工作有：设计了嵌入式网关设计的整体硬件及软 件框架；研究了嵌入式t c p m 协议并编写了嵌入式网络编程；实现了操作系统的 内核修改以及操作系统的移植等工作；调试了网口程序并在移植好的操作系统下 实现了网口通信。 具体地，为了便于研究，我们假设嵌入式设备通过串口接入嵌入式网关，以 此为例来主要研究网口部分的开发。在本文中，网络编程以及操作系统的移植是 重点，也是本设计要重点解决的问题。 1 4 本章小结 本章介绍了嵌入式系统及其发展趋势，详细阐述了嵌入式网关的定义，讨论 了嵌入式网关的开发背景、发展情况、技术要求以及论文的主要目的和作者所要 完成的主要工作。 基于创蝴9 的嵌入式网关的设计 第2 章嵌入式网关系统的总体框架和硬件电路的设计 2 1 嵌入式网关系统的功能简介及工作原理 网关是提供微机用户进入小型计算机和主机环境的链路。网关的重要功能是 完成网络层以上的某种协议之间的转换，所以网关又称为协议转换器，它将不同 网络的协议进行转换。 2 1 1 系统的功能简介 嵌入式网关是把t c p i p 协议栈固化在芯片内，使其具有以太网接入功能的一 种廉价的网络接入装置。体积很小的电路就能让控制和通讯设备采用标准的网络 协议接入，能方便地与其它任何网络设施通讯。 采用嵌入式网关技术，把一个设备接入标准的计算机网络的成本是采用p c 机 的几十分之一甚至是几百分之一。p c 机和服务器是网络上功能强大的信息存储和 处理中心，而嵌入式网关则是网络系统中最广泛分布的神经末梢，非p c 的各种专 用设备将会是计算机网络中最普遍的网络终端设备，而这些最普遍的网络终端设 备均可通过嵌入式网关实现网络的接入。本文中采用的嵌入式网关开发平台主要 由三星公司a l 蝴9 系列单片机s b c 2 4 4 0 b 和网卡芯片以及内存芯片等组成。 图2 1 嵌入式网络总体结构图 f i g 2 1e m b e d d e dn e 似o r kg e i l e r a ls n l l c t l l r ed i a g r a m p c 机 p c 机 第2 章嵌入式网关系统的总体框架和硬件电路的设计 在本设计中，嵌入式网关系统的功能如图2 1 所示。该网关的主要功能就是实 现其它协议与t c p 球协议的转换，使网络一端的嵌入式设备与以太网通信，从而 实现设备的远程控制和数据的远程传输。本文以3 2 位舢t m 处理器s 3 c 2 4 4 0 a 为 主控芯片，以c s 8 9 0 0 a 为网络接口控制芯片，开发嵌入式网关。 2 1 2 嵌入式网关的工作原理 本文网关所用的芯片选用的是三星公司的删9 系列处理器s 3 c 2 4 4 0 a ，它 具有高性能、低功耗的特性，同时外接了大容量s d 砒蝴和f l a s h ，以满足大数据 量的系统要求。嵌入式操作系统选用的是嵌入式l i l l i l x ，嵌入式l i n u x 是精简后的 “n u x 操作系统，为了节省开发时间，我们选用的是广州友善之臂公司的开发板 s b c 2 4 4 0 b 作为开发平台。 嵌入式网关的工作机理是m 蝴9 系列处理器s 3 c 2 4 4 0 a 首先初始化网络设备。 网卡的i p 地址和物理地址存在n 础中，单片机复位后首先调取这些数据以初始化 网络。网关处理器主要完成数据的解包和打刨1 0 】。当有数据过来，网关处理器对 数据包进行分析，如果是a r p ( 物理地址解析) 数据包，则程序转入吣处理程 序( 在网络上正是a l 冲协议将i p 地址和物理地址相映射) 。如果是i p 数据包且 传输层使用t c p 协议并且端口正确，则认为数据包正确并对数据进行解包，然后 将工作数据通过用户接口发送给最终用户。反之，如果网关处理器从用户接口收 到用户的工作数据，则将工作数据按照t c p 协议格式打包。送入网卡芯片，由网 卡芯片将i p 包传送到局域网中。 由此可知，网关主要处理协议的网络层和传输层，链路层主要由网络芯片完 成。因网关单片机将数据接收后通过用户接口输出，所以网络应用层由用户程序 来处理，用户可以根据需求对收到的数据进行相应处理。 2 2 嵌入式网关设计的总体框架 从结构的角度来讲，嵌入式网关由硬件层和软件层组成【5 】。硬件层由高性能的 嵌入式处理器和外围硬件接口组成，软件层由实时操作系统和在其上运行的软件 组成。其系统结构如图2 2 所示。 基于伽洲9 的嵌入式网关的设计 软件层 硬件层 应用程序 t c p m 协议串口协议任务管理 实时内核i u o s f l a s h i 通用接口嵌入式处理器 s d r a m 图2 2 系统结构图 f i g 2 2s y s t 锄s h u c t l l r ed i a g 姗 嵌入式微处理器是整个系统的硬件核心，理论上目前的任何一种通用微处理 器都可以胜任，在本设计中选取了删9 微处理器，一方面它时钟频率高指令执 行时间短，从而处理能力大大增强；另一方面它包含独立的数据指令c a c h e 和 m 弧，因此能用在要求有虚拟存储器支持的操作系统( 如l i n l l ) 【) 上。此外，删9 带有并行运算能力的r s c i ，使整个系统具有运行全面的t c p i p 协议能力。 由于在本论文中，我们假设外部设备是以串口形式输入，所以外围硬件接口 部分主要采用以太网接口和串行口。 嵌入式操作系统是整个系统的软件核心【以2 】。嵌入式网关能够接入标准的计 算机网络而不需要通过相对昂贵的p c 机，关键就在于嵌入式操作系统。不同计算 机互相之间能够进行网络通信，主要依赖通用的标准的计算机协议，而目前应用 最广泛的t c p 协议本身包含很多功能，是一个庞大的协议系统，这样的系统需 要比较大的平台。在嵌入式网关中由于对t c p i p 协议根据需要进行了精简和选择， 保留了有限的但是足够用的功能，系统的负荷能够降低到微型系统能够承担的水 平。在嵌入式网关内，经过精心设计的符合t c p i p 协议标准的网络接口，不仅能 使嵌入式网关设备互相之间能够通过网络进行通讯，而且还能与网络其他运行 w i n d o w s 、“彻x 、u n i x 等系统的主机之间交换信息。 本嵌入式网关的结构如图2 3 所示 第2 章嵌入式网关系统的总体框架和硬件电路的设计 图2 3 嵌入式网关结构框图 f i g 2 3t h es 虮l c n l r cd i a g r a mo fe m b e d d e dg a t i e w a y 在嵌入式硬件体系中，嵌入式处理器是整个系统的核心部件。嵌入式处理器 与通用处理器的最大不同点在于嵌入式处理器大多工作在特定用户群设计的系统 中。它通常把通用c p u 中许多板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入 式系统设计趋于小型化，并具有高效率、高可靠性等特征。在本设计中，我们采 用的是a r m 9 2 0 t 内核的s 3 c 2 4 4 0 a 。 嵌入式外围设备，我们采用了c s 8 9 0 0 a 以太网控制芯片、f l a s h 存储器、 s d 洲和串口芯片舭3 2 。嵌入式网关软件主要由嵌入式操作系统和应用软件 组成。 在嵌入式应用中，为了使嵌入式开发更方便、快捷，就需要具备相应的管理 存储器分配，中断处理，任务间通信和定时器响应，以及提供多任务处理等功能 基于灿洲9 的嵌入式网关的设计 的稳定的、安全的软件模块集合，即嵌入式操作系统。嵌入式操作系统的引入大 大提高了嵌入式系统的功能，方便了嵌入式应用软件的设计。 在本设计中，选用嵌入式i j n u x 作为操作系统，嵌入式i ，i n u x 操作系统是一种 多进程，多用户的通用操作。它具备免费、源代码公开、内核可裁剪、支持多线 程、网络功能强大、设计精巧、性能稳定的特点。嵌入式网关系统的l i l l 畎经过裁 剪和重新编译后只包括进程管理、内存管理、文件系统、若干个驱动程序和实用 的函数等。 2 3 硬件部分的设计 2 3 1 嵌入式网关的硬件开发平台 嵌入式处理器控制模块是整个网关的控制中心，它要为嵌入式操作系统提供 存储空间和运行环境，以便在嵌入式操作系统上运行协议转换程序和外设模块的 驱动等程序。为了缩短开发周期，降低开发成本，在本系统的开发中，我们采用 了广州友善之臂计算机科技有限公司的灿巩1 9 开发板s b c 2 4 4 0 b 作为开发平台。 这个开发套件是一个以韩国三星公司设计的a r m 9 系列芯片s 3 c 2 4 4 0 a 为基础设 计的完整的a i 蝴嵌入式“n u ) 【开发平台，提供嵌入式微处理器及其外围设备如存 储介质、控制电路、接口电路和嵌入式操作系统等系统开发所必需的相关软、硬 件组件。如图2 4 为本设计所使用的硬件开发平台s b c 2 4 4 0 b 。 以下是s b c 2 4 4 0 b 硬件开发平台的介绍： 开发板特性 c p u 处理器 - s 锄s u n gs 3 c 2 4 4 0 a ，主频4 0 0 m h z ，最高5 3 3 m h z s d r a m 内存 在板6 4 ms d r a m 3 2 b i t 数据总线 s d r a m 时钟频率高达l o o m h z 第2 章嵌入式网关系统的总体框架和硬件电路的设计 图2 4 硬件开发平台s b c 2 4 4 0 b f i g 2 4 皿ep l 肌t f o 衄o f h 锄量w 毒啪d 钾e l o p m e n t f l a s h 存储器 在板6 4 m n 锄df l a s h ，掉电非易失 在板l m n o r f l 础，掉电非易失 l c d 显示 支持各种单色伪彩真彩液晶屏( 分辨率最高可达1 0 2 4 x 7 6 8 ) 支持四线电阻触摸屏 接口和资源 一个1 0 m 以太网r j - 4 5 口 一个1 0 0 m 以太网l u _ 4 5 口 一个串行口，c o m 0 为r s 2 3 2d b 9 接口( 亦引出t t l 接口) ，c o m 2 和c o m 3 为 2 0 i i l m 间距t t l 电平接口( 详见用户手册) 基于础蝴9 的嵌入式网关的设计 一个u s bh o s t a 型接口s b1 1 协议) 一个u s bs l a v e b 型接口，s b l 1 协议) 一个s d 卡存储接口 一个2 0 间距2 0 针标准j 1 a g 接口，主要用来下载b i o s m v i 板载实时时钟电池 电源接口( 1 2 ，带电源开关和指示灯、 扩展接口 一个2 0 针g p i o 接口 两个全功能扩展串口 操作系统支持 “m 2 6 1 3 w i n d o w s c e n e t4 2 2 3 2 微控制器芯片s 3 c 2 4 4 0 a s 3 c 2 4 4 0 a 处理器是s 锄咖g 公司基于删公司的删9 2 0 t 处理器核【2 9 】， 主频4 0 0 m h z ，最高可达5 3 3 m h z ，这是目前世界上主频最快的嵌入式移动c p u ， 内核电压为1 3 v ，其低功耗，简单，优雅，且全静态设计特别适合于成本和功率 敏感型的应用。如图2 5 ，为删9 2 0 t 结构框图。 s 3 c 2 4 4 0 a 杰出的特点是其核心处理器( c p u ) ，是一个由a d v 狮c e d 黜s c m a c h i n e s 有限公司设计的1 6 3 2 位a r m 9 2 0 t 的r i s c 处理器。删9 2 0 t 实现了 m m i ，a m b ab u s 和h a r v a r d 高速缓冲体系结构。它采用了新的总线架构 a d v 趾c e dm i c r 0b u s 删t e c t l 鹏( a m b a ) 。这一结构具有独立的16 l 指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e 。每个都是由具有8 字长的行组成。通过提供一套完整的通用 系统外设，s 3 c 2 4 4 0 a 减少整体系统成本和无需配置额外的组件【1 3 】。 第2 章嵌入式网关系统的总体框架和硬件电路的设计 图2 5a r m 9 2 0 t 结构示意图 f i g 2 51 ks t n l c t u s c h e m 撕cd i a g r a mo f 删9 2 0 t 综合芯片的功能描述，可知s 3 c 2 4 4 0 a 集成了以下片上功能：1 2 v 内核供电， 1 8 v 2 5 v 3 3 v 存储器供电，3 3 v 外部狄) 供电，具备1 6 k bc a c h e ，m m u 微处理 器；外部存储控制器( s d r 气m 控制和片选逻辑) ；l c d 控制器( 最大支持4 k 色s t n 和2 5 6 k 色t f t ) 提供1 通道l c d 专用d m a ；4 通道d m a 并有外部请求 引脚，3 通道u 6 衄，l 通道i i c b u s 接口，l 通道i i s b u s 音频编解码器接口， 兼容s d 主接口协议1 o 版和m m c 卡协议2 1l 兼容版；端口u s b 主栅l 端口u s b 设备( 1 1 版) ；通道p w m 定时器和1 通道内部定时器看门狗定时器；8 通道l o 比特a d c 和触摸屏接口；日历功能的r t c ；1 3 0 个通用i o 口和2 4 通道外部中断 源；具有普通、慢速、空闲和掉电模式；具有p l l 片上时钟发生器。 s 3 c 2 4 4 0 a 的系统管理支持大、小端方式，并支持高速总线模式和异步总线模 式。s 3 c 2 4 4 0 a 将系统的存储空间分成8 个b 姐k ，每个b 锄k1 2 8 m 字节，总共l g 字节，其中6 个适用于r o m s 洲和其他，另外两个适用于r o m s 删s d 洲。 从b a i l l ( o 到b 觚k 6 都采用固定的b a i l k 起始寻址，b a i l l ( 7 具有可编程的b a n k 的起始 地址和大小。此外，s 3 c 2 4 4 0 a 还具有支持从n 触叮dn 硒h 存储器的启动，采用4 k b 基于a 鼬讧9 的嵌入式网关的设计 内部缓冲器进行启动引导，支持启动后n a n d 存储器仍然作为外部存储器使用等 很多功能。 2 3 3c s 8 9 0 0 a 网络芯片 c s 8 9 0 0 a 是用于嵌入式设备的低成本以太网控制器f 1 4 1 。它的高度集成设计使 其不再需要其它以太网控制器所必需的昂贵外部器件。c s 8 9 0 0 a 包括片上i 乙蝴， 1 0 b 够e t 传输和接收滤波器，以及带2 4 毫安驱动的直接i s a 总线接口。除了高度