（计算机应用技术专业论文）基于vxworks的嵌入式web系统的研究与设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 随着信息与网络技术的发展，嵌入式系统渗透到各个领域，得到了广 泛的应用。本文针对设计w 曲服务器这一课题，研究了嵌入式操作系统 、，x w b r k s 及其在删内核的处理器上的设计与开发技术。 本文主要做了以下工作：首先围绕以s w s u n g 公司的s 3 c 4 5 1 0 b 芯 片为核心的硬件平台，介绍了a r m 微处理器的应用领域及特点，说明了 s 3 c 4 5 1 0 b 的存储空间分配，为后文的软件开发工作做了铺垫。 其次开发了基于v x w 矾西的w 曲服务器所用的板级支持包b s p ，通 过移植风河公司提供的板级支持包w r s b o r m 7 ，成功的开发出本系 统所需的b s p ，并且总结出了开发调试b s p 的方法以及需要注意的问题。 在嵌入式系统开发过程中，用户研发的首要任务是c p u 初始化程序和硬件 驱动程序的设计和实现，随后即可在嵌入式操作系统环境下开发自己的应 用程序。因此本文重点研究了负责c p u 初始化的b s p ( b o a r ds u p p o n p a c k a g e ) ，包括其工作流程和主要文件的内容。 本文还针对所使用的s s l 3 9 v f l 6 0 闪存，实现了r i m e f f s 文件系统， 使得闪存能像磁盘一样被v x w b r k s 操作系统操作。不但介绍了1 m e f f s 的 结构，还重点介绍了相关文件的修改及m t d 驱动程序的设计。 最后，本文还深入分析咖协议，研究了嵌入式w 曲原理，成功地 应用于嵌入式w 曲服务器。完成开发了静态网页显示功能，并对如何实现 对工业现场设备进行实时监控，提交表单的支持说明了相应的实现方法。 通过使用w c bs e r v e r ，使得系统的开发和使用都方便灵活。通过浏览器，用 户随时随地可以访问，维护嵌入式设备，给系统的使用提供了极大的方便， 达到了预期的效果。 基于v x w j d ( s 嵌入式w 曲s e r v e r 的实现，对于利用有限资源实现嵌入 式h l t e m c t 技术，提供了有效的依据，为远程监控、远程诊断和维护等应用 提供了有利的解决方案。可以在信息家电、工业控制自动化、智能仪表及 传感技术等多个领域得到广泛的应用，具有较高的理论及应用价值。 关键词嵌入式操作系统，v x w d r k s ，s 3 c 4 5 1 0 b ，b s p ，w 曲s e r v e r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t w j t ht h e d c v e l o 】) m c n to fi n 9 0 肋a t i o n 锄dn e 触t c c l l i l o l o g y ，m e 锄b e d d e ds y s l e mi sa p p l i e dw i d c l yi i la l lk i n d si ff n e d s 他m e s i sp r e s t st t l e d c s i 印肌di i i l p l e m e n t 甜o no faw 曲s e n ，e rb a s e d 伽e m b c d d e do 唧t i i l g s y s t c mv x w b r k s 柚dr i s c 出ps 3 c 4 5 1 0 b 谢t h a r 1 7 i d m i c o r e l m a i l lw o r k sa r ee x p l a i l l e dj l lf o i l rp a n sr e s p e c t i v d y f i r s t l y ，a h a r d w a r e p l a t f b m 血w 1 1 i c ht 1 1 e s 3 c 4 5 1 0 bp r a v i d e d b y s a m s u n gc 0 r p o m t i o ni su s e dc o r e 出pi si 1 1 仰d u c e d f b rt l l es o m l r a 】吧 d e v c i o p m 蜘ti nn e 甜c o n t e n t t 1 i ea p p l i c 撕o n6 l e d sa n dc h a r ；眦t i co fa r m m i 盯o p r o c e s s o ra r ep 玎e s e m e d 卸dm e m o r ys p a c ea l l o c a i i o no fs 3 c 4 5 1 0 bc h i pi s d e s c d b e d s e c o n m y ，l eb o a r ds u p p o np a c k a g e s p ) f o fd e s i r e ds y s t e m ，s u p p o n e d b yw r s b o 银m 7 晡蚵c hi sp r o v i d e db yw i n dr i v e r 脚r 撕o ni sd e s i 舯e d a n dp r o 酽a m m e d ，a so n eo ft h eb a s i cp a r t so fa p 口i c “衄p m c e s s ，t i l ec p u i n i t i d i i z a t i o nc o d e ，h a r d w a r ed r i v e r 柚du s e r - a p p l i c a t i o ns 0 疵w a r ce t c a r c 删e d o u t b e s i d e st h ed c t a i l so fd e s i 印e db s e m em e t h o d 柚dp m c e d u r eo ft h ed c s 泗 j sp r c s e n t c da sw e 1 1 l i r d l y 1 h e f l 珞f es y s t e mi ns s t 3 9 v f l 6 0f 1 a s hw h i d ii su s e di sc a i r i e d o u t 皿m s ，s s t 3 9 1 6 0f l a s hc a nu s e da sd i s k b yv x w b r l 略叩e m t i n gs y s t e m n o to i l l ym e0 0 n s t n l c h l r eo f1 h e f f si si n t r o d u c e d ，b u ta l s om em o d i f i c a t i o no f r c l e v a m 日e sa i l dt h ed e s i 弘o fm i dd d v e ri sp r c s e n t e d 弛a l l y ，a 血e rt i l ea a l y s ea b o u th 几甲p r o t 0 。o li nd e p t h ，m ee m b e d d e dw 曲 面n d ei sr e s e a r c h e d ，w ea p p l yh 兀甲p r o i o c o lt oe m b e d d e dw 曲s e r v e r s y s t e m ，t od i s p l a ys t a t i cw e bi ss u c c e s s f i l la c l l i e v e d t h j sp 叩c rd 岫s h o w su s h o wt or e a l i z er 咖m em o n “o ra n d n 仃o la b o u te m b e d d e ds y s t e md e v i c e s ，a n d h o wt os u p p o nf 0 册s u b m i s s i o ni nw 曲s e r v e l1 1 l r o u g ht h ew e bb m w s e n o t 0 1 l l y t 1 eu s e r ，b u ta l s ot l l e d e v e l o p e r i s c 叩a b l eo fa c o e s s i n gt l l es y s t e m c o n v e l l i e n t l y t h u st h ed e v e l o p e rc a nm a i n t a i nm es y s t e r i l ，w h i l et t l eu s e rc a n a c c e s sm es y s t e ma j l y t i r n e 锄da i l 州l e r e r e a l i z a i i o no ft l l i se m b e d d e dw e bs e e rb a s e do nv x 、r o r k ss h o w su sa 、v a yt oa c h j e v ee m b c d d e di l l t e m e e c h n o l o g y ，舀v eu sa9 0 0 de x a l l l p l ea b o u t r e s o u r c e su s 诽孚e i “sa ne x c e l l e n tm e t l l o dt or e m o t em o i i i t i o l r e m o t ec o n t f 0 1a i l d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 r c m o t ed i a g n o s es y s t e m s ，趾di tc a l lb eu s e di i lal o to f 6 e l d ss u c ha si n f 咖1 a t i o n a p p l i a l l h l d u s 仃i a la - u t o m a t i 0 1 l ，s m a nh l s t n l m 朋ta i l ds e n s o r i 甜l i l i q u e s o ，i t w i h a v eaw 咖d e 血ia p p l i e dp e r s p e d i v e ，a n dw ma l s oh a v cg o o d 印p l i c a t i o n 如dt l l e o r yv a l u e k e yw o r d s ：e m b e d e d0 s ，v 1 ( w 矾【s ，s 3 c 4 5 1 0 b ，b s p ，w e b s e n ，e r 嚣泰交逯大学磺童鞭究生学位论文蘩 燹 第1 章绪论 1 嵌入式系统及其发展趋势 当袁摹，在信惑铰零颁域，嵌入式技术( 糙由e dt c 磕n o l o g y ) 已经成秀囊 的技术热点。嵌入式系统的最典型的特点怒它同人们的日常嫩活紧密相关。小 到m p 3 、p d a 等微烈数字设备，大到信息家电、智能电器、车载g p s 等。形 形饿色运用了嵌入式技术的电子产品和铸种新型嵌入式设备谯数量上现已远远 越过了通用计算机。谯嵌入式设备发展的3 0 多年的历史中，嵌入式技术从来没 有像现在这样风赛世爨，人类也从来没意像现在这样享受嵌入式技术带来豹便 稳。 嵌入式系统是较彳牛鞠硬件於结合俸，它的正式定义为：敷藏蘑茺中心，黻 计算机技术为基础，软硬件可裁剪，符合应用系统对功能、可靠性、成本、体 积、功耗等要求的专用计算机系统。 嵌入式系统通常由嵌入式处理器、相关的硬件支持设备、嵌入式软件系统 三部分组成。其中，嵌入式处理器是嵌入试系统中的核心部件。可以细分为以 下，k 琴孛类型：嵌入式微控割器m c u 、嵌入式徽处理器m p u 、嵌入式数字信号 簸瀵瓣d s p 霸冀上系绕s o c 。 嵌入式系统发震至今，大致经历了霸个发展阶段：跌荦芯片为核心的可编 稷控制器阶段：以嵌入式中央处理器( c p u ) 为基础，以简单操作系统为核心 的嵌入式系统；以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统；以撼于网络操作为标 志的嵌入式系统。 嵌入式系统具有以下特点： 1 褒久式系统愚铮对其薅应弱豹专麓系统。它戆硬传程软徉爨必须裹效毯 浚计，去除冗余，力争在阕样的硅片嚣舔一t 实现更高鹃穗麓。 2 嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度处缓能力、电磁兼容 性落方面均受到应用鬻求的制约。 3 嵌入式系统一般要求高可靠性。在恶劣的环境或突然掉电的情况下，要 求系统仍然都能够正常工作。还有许多嵌入式系统应用要求实时功能，这就要 求嵌入式系统具有实辩处理能力。 4 焱灭式系统茅羹瑟 零痤惩有辍遣绩会在一起，宅懿嚣缀羧代邀是帮其落产 赫瞬时进行，因诧嵌入式系统产品一旦避入市场，具有较长豹生命周簸。 微处理器m p u 或微控制器m c u ( 即常称的单片机) 都可以作为嵌入式系 统的核。处理速度快、储存容量大、i o 功能强、功能损耗低及实时相应快等， 是对于新型的嵌入式系统的核的要求。面对这种要求，常规的处理器已经不能 满足要求，新型的嵌入式系统大多数采用r i s c ( r e d u c e d i n s t r u c t i o n s e t c o m p u 把r ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 型结构处理器做为核。如a r m 公司的a r m 、h i t a c h i 公司的s h 、 m i p s i d 倒t o s h i b a 公司的m i p s 等都是新型嵌入式系统常用的r i s c 型微处理 器，其中，a r m 架构的r i s c 处理器数量最大。 随着因特网的发展，w 曲技术也得到了广泛的应用。w 曲技术的特点是： 信息管理方式灵活、高效；访问途径友好、方便，因此被很多领域使用来开发 自己的接口界面。w 曲技术改变了人们使用信息的方式，同时也正在改变着人 们管理信息的模式。基于w 曲的管理技术为管理系统提供了友好的图形接口、 更好的可维护性以及平台无关性，并且可以使得多台设备的管理可以无缝的集 成，这些都促使许多设备制造商为自己设备提供基于w 曲的设备管理支持。嵌 入式w 曲技术将是组建基于h i t e m e t 的远程分布式测控系统的关键技术之一， 它为w 曲技术渗透到测控及通讯仪器领域发挥了重大作用，将是信息领域的一 次重大革新。 嵌入式应用包括以微处理器或者微控制器为核心的硬件设计和基于嵌入 式实时操作系统的软件开发。嵌入式实时系统开发和嵌入式网络w 曲技术应用 这两个领域非常有前景，具有深远的理论研究和实践应用价值。本论文的研究 课题基于v x 、0 r k s 的嵌入式w 曲系统的研究与设计正是在此背景下提出 的。 1 2 嵌入式系统和w e b 服务器发展及应用现状 1 2 1 嵌入式系统的发展状况 近年来，计算技术、通信技术迅猛发展，特别是互联网得到了迅速普及和 3 c ( 计算机、通信、消费电子) 合一的加速，微型化和专业化成为发展的新趋 势，嵌入式产品将成为信息产业的主流。嵌入式技术已经广泛渗透到工业控制、 通讯、仪器仪表、汽车、船舶、航空航天、军事装备、农业、生物、交通、金 融、消费类产品等领域。从消费电器到工业设备，从民用产品到军用器材，嵌 入式系统被应用到网络、手持通信设备、国防军事、消费电子和自动化控制等 各个领域。嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备，如掌上p d a 、移动 计算设备、电视机顶盒、手机上网、数字电视、多媒体、汽车、微波炉、数字 相机、家庭自动化系统、电梯、空调、安全系统、自动售货机、蜂窝式电话、 消费电子设备、工业自动化仪表与医疗仪器等。随着国内外各种嵌入式产品的 进一步开发和推广，嵌入式技术将越来越和人们的生活紧密结合，成为后p c 时代i t 发展的主力军。 随着技术的发展，嵌入式技术也出现了一些新的发展趋势，主要体现在以 下几个方面： 1 嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持。 2 联网成为必然趋势。 3 支持小型电子设备实现小尺寸，微功耗和低成本。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 贞 1 2 2 谨e b 系统麓发瀑状况 通常所说的w e b 服务器都是綦于超文本传送协议( h y p e rt e x tt r a i l s f e r p r o t o c 0 1 ) 的，即 r r ”协议。与e 黼a i l 的s m 秘秘p o p 3 协议、f 1 p 协议等 一榉，珏1 鞭，蛰议氇燕簇予裂彰臻豹客户謇彩骚务器涛浚，矮阪吏持客户辍秘 服务器进行对话及事务处理。我们平时使用的i n t e r n e te x p l o f e r 测览器就是客户 机，当我们在浏览器的地址栏中输入网址并且回率后，作为客户机的浏览器就 向提供服务的远程w 如服务器请求服务。基于 r r 珊协议的窍户服务器模戏 豹售息交羧过程分四步，建立连接、发送请求菇悫、发送应答髅惠、关闭逡接。 w 曲骚务嚣运行时，一藏在s 。臻瑟簸孵，等待逐接戆请求，溺服务器监瞬莽 接收连接尉，客户机发出请求信息，服务器处理客户机的请求厢，向客户机发 送应答消患，一旦应答消息发出，服务器将关闭此次的删p 连接，完成事势 处理的全过程。 夔羞漱b 技术豹发麓帮痤雳，越慕越多戆璃络遗信设簧甚慝溅试纹器帮纛 经实现内露的嵌入式w e b 服务器，用户、操作人员可以直接使糟w 曲浏稳器 通过设备的以太网口或者其他网络端固来远程访问内置w 曲服务器的专用网 页，从而实现对设备运行状态的观测和控制设备等功能。很多商业性的嵌入试 w 曲l 受务器软俘也已经缀矮子嵌入式系统秀发， l 鞠：越l e 掣。公司夔翼锄p a 辫f 是一个免褥许权费霜，价格适合酶嵌入式w 如服务器包，使客户可以使角通粥 的w b b 浏惋器来管理和控制网络设铸。嵌入式w 拍s e e r 是嵌入式h l t e m e t 的 重要组成部分，要实现嵌入式h t e m c t ，嵌入式设备中就必然要加入满足功能嚣 求、性能稳定、体积精麓黥嵌入式w 如s e “e r 。嵌入式系统所霭要鹣是在设计 上尽量凝小礤曙怼磁p 侮议棱露不失一般标壤彀懿“瘦l 受务器”。 本课题的内容 v x w o r l 【s 是目前嵌入式业界主流使用的实时操作系统。本文作者学习了大 量资料，开始基于a r m 和v x w b r k s 操作系统的嵌入式w 曲s e r v e r 的设计，经 过一段露瓣豹努力，该方嚣豹设诗已经完残，蒽缀热下： 研究内容： 熟悉a r m 结构处理器和基于此处理器的外围器件硬件系统。 分析v x w b r k s 操作系统，编写b s p ，实现操作系统在s 3 c 4 5 l o b 上的移植。 编写秘a s h 驱动程序，实现t n l e f f s 文件系统。 研究并设计w 曲s e e f 。 编写网页代码，能耐嵌入式系统发出相应的控制指令。 论文结构安排如下： 第一章为绪论，介缨嵌入式w e b 的背景和论文所擞的工佟 第二露套绥实囊系绞熬硬传平套。 第三章介绍和分祈v x w o r k s 操作系统 第四犟针对硬件环境，实现v x w o r k s 操作系统在硬件上的b s p 的开发。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第五章编写f l a s h 芯片的驱动程序，实现v x w b r k s 下对f l a s h 的操作。 第六章实现w 曲s e c r 功能，并编写相关程序，进行硬件控制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章系统硬件介绍 本论文中设计的嵌入式w e b 系统是在s 3 c 4 5 1 0 b 开发板上开发的，开发板 上的c p u 为韩国三星公司设计的一款基于a r m 7 1 d m i 核的1 6 3 2 位微控制器 _ s 3 c 4 5 1 0 b 。凼为开发板的核心是a r m 处理器s 3 c 4 5 1 0 b ，所以重点 进行介绍。 2 1a r m 简介 a r m ( a d v a n c e d r i s c m a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以 认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。 1 9 9 1 年a r m 公司成立于英囤剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前， 采用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理器，即我们通常所说的a r m 微处理 器，己遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各 类产品市场，基于a r m 技术的微处理器应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额，a r m 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。 a r m 公司是专门从事基于r i s c 技术芯片设计开发的公司，作为知识产权 供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色 的芯片，世界各大半导体生产商从a r m 公司购买其设计的a r m 微处理器核， 根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的a r m 微处 理器芯片进入市场。目前，全世界有几十家人的半导体公司都使用a r m 公司 的授权，因此既使得a r m 技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持， 又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争 力。 2 2a r m 微处理器的应用领域及特点 2 21 a r m 微处理器的应用领域 到目前为止，a r m 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域： l 工、i k 控制领域：作为3 2 位的r i s c 架构，基于a r m 核的微控制器芯片 不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器 应用领域扩展，a r m 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8 位1 6 位微控 制器提出了挑战。 2 无线通讯领域：目前已有超过8 5 的无线通讯设备采用了a r m 技术， 2 无线通讯领域：目前已有超过8 5 的无线通讯设备采用了a r m 技术， 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 a r m 以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。 3 网络应用：随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l 芯片正逐步 获得竞争优势。此外，a r m 在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持， 也对d s p 的应用领域提出了挑战。 4 消费类电子产品：a r m 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒 和游戏机中得到广泛采用。 5 成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用a r m 技 术。手机中的3 2 位s i m 智能卡也采用了a r m 技术。 2 2 2a 刚微处理器的特点 采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点： 1 体积小、低功耗、低成本、高性能； 2 支持t 1 l u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位 器件： 3 大量使用寄存器，指令执行速度更快； 4 大多数数据操作都在寄存器中完成： 5 寻址方式灵活简单，执行效率高； 6 指令长度固定； 2 2 3a 刚微处理器的存储器格式 a r m 体系结构中，字( w b r d ) 的长度为3 2 位，半字( h a l f - w b r d ) 的长度 为1 6 位，字节( b y t e ) 的长度为8 位。 a r m 体系结构可以用两种方法存储字数据，称为大端格式和小端格式。大 端格式即字数据的高字节存储在低地址中，低字节存放在高地址中。小端格式 刚好相反。 2 2 4a 刚7 微处理器系列 a r m 7 系列微处理器为低功耗的3 2 位r i s c 处理器，最适合用于对价位和 功耗要求较高的消费类应用。a r m 7 微处理器系列具有如下特点： 1 具有嵌入式i c e r t 逻辑，调试开发方便。 2 极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品。 3 肩够提供o 9 m 口s m h z 的三级流水线结构。 4 代码密度高并兼容1 6 位的t | i u m b 指令集。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 5 对操作系统的支持广泛，包括w i n d o w s c e 、u n u x 、p a l i n 0 s 等。 6 指令系统与a r m 9 系列、a r m 9 e 系列和a r m l o e 系列兼容，便于用户 的产品升级换代。 7 主频最高可达1 3 0 m i p s ，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应 用。 a r m 7 系列微处理器的主要应用领域为：工业控制、h l t e m e t 设备、网络和 调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。 a r m 7 系列微处理器包括如下几种类型的核：a r m 7 t d m i 、a r m 7 l d m i s 、 a r m 7 2 0 t 、a r m 7 e j 。其中，a r m 7 1 m d i 是目前使用最广泛的3 2 位嵌入式 r i s c 处理器，属低端a r m 处理器核。t d m i 的基本含义为： t ：支持1 6 位压缩指令集t h 啪b ： d ：支持片上d c b u g ； m ：内嵌硬件乘法器( m u l t i p l i e r ) ； i ：嵌入式i c e ，支持片上断点和调试点； 本文中所使用的三星公司的s 3 c 4 5 1 0 b 即属于该系列的处理器。 2 3s 3 c 4 5 10 b 微控制器概述 2 3 1s 3 c 4 5 10 b 微控制器特点及总体结构 三星公司的s 3 c 4 5 1 0 b 是基于以太网应用系统的高性价比1 6 3 2 r i s c 微控 制器，内含一个a r m 公司设计的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i r i s c 处理器核， a r m 7 t d m i 为低功耗、高性能的1 6 3 2 核，适合用于对价格及功能敏感的应用 场合。 s 3 c 4 5 1 0 b 微控制器的内部集成可重新配置的8 k b 的c a c h e ，s r a m 和以太 网控制器，可以降低用户的系统成本。通过内部集成的可配置的存储器控制器， s 3 c 4 5 1 0 b 微控制器可以与包括f l a s h 、s r a m 、d r a m 、s d r a m 在内的各 种片外存储器直接连接。芯片内部主要的功能模块还包括2 个d m a 控制器、2 个3 2 位定时器、1 个中断控制器、2 个h d l c 接口、2 个串行接口。s 3 c 4 5 1 0 b 微控制器的特点如下： 1 基于a r m 7 ) m i 微处理器的核 2 先进的系统管理器 3 统一的指令，数据c a c h e 4 集成以太网控制器 5 h d l c 控制器 6 双通道d m a 控制器 7 2 个3 2 位定时器 嚣游交通大学硕士戮究生学位论文第8 燹 8 芯片外部输入时钟l o m h z 5 0 m h z 9 芯片工作电压：3 3 v l o 芯片封装形式：2 0 8 q f p s 3 c | 莲5 l 徽控刽爨弓l 灏枣届巍弓l 爨凌熊攒述详燕芯片参考手j l | 。 2 3 2s 3 c 4 5 1 0 bl 勾吝b 2 翥构 s 3 e 4 5 l o b 微控制器内部集成的功能模块如图2 1 所示， 二r # = 一i 美 m lc m m | 。 s n m 獬 一| 美 一霭 啼# 牲靶 | - 一 ：o a ： ：s l j 。j l l 一 篱 一 焉司 i8 u k 一勇垦。篁 蔫 ；，一 j a m n 矸1 | 孰# 一嘏拂酶f+ - l 麓黧蔫麓8 5 _ 一一；翼 - f i i o= - 0 0 _ - m e _ “g + 一i 瓣聪i i 潞i 蠢j 十+ 9 q 、 | z - c h * # i 、伐e 蚺n 。弹 掣l 喜 0 k 一| m r 7o _ i h ” m 2 m “ o m l b 1 ij 警。“m m ；+ 争垂 m e 。 ；_ - 。x f e ，e 0 0 搬轧一 嘞f ；r 。o t 懵埘* 鄙t i ：烹登 i 1 + l “ 。 jm p ：l m m r j m 包括： i 。系缓搀裁器 2 指令，数据c a c h e 3 1 i c 接口 4 以太网控制器 5 。h d l c 接口 6 d m a 控割器 图2 1s 3 c 4 5 1 0 b 结构框图【4 1 孬枣交遴犬攀鹾圭聚突生擎佼论文繁9 凝 7 u 越h 掇制器 8 定时器 9 中断控制器 l o 通用i ，o 接口 因为系统按露器与居覆戆v x w b 淼s 软终设置关系磁较大，重点艇滋淡骥。 s 3 c 4 5 l o b 微控翻器痰部集成豹系绞控麓器篷据浚下主要功戆： 1 以固定的优先级仲裁多个功能模块对系统总线的访闽要求。 2 为访问外部存储器提供存储器控制信号。包括为r o “s m 姐蜊l a s h 存储区和外部i o 存储区提供存储区读写信号，以及为d r a m s d r a m 存储区提供存储区读写刷新信号。 3 。为不同宽度外部数据总线( 彰1 6 搀2 位) 与芯片内部3 2 位数据总线的连 接提供数据接强。 4 。支持，j 、灏，大端模式。 n 1 总线仲裁 s 3 c 4 5 1 0 b 微控制器为芯片内的不同功能模块或外部设备分别定义了不同 的系统地址，用来向总线控制器提出总线占用要求，眭i 总线控制器再根据备功 能模块的优先级顺序将总线控制权交与具有最高优先级的功能模块。 f 2 1 存储系缆 s 3 e 4 5 l o 嚣徽燕翻器采矮鬻菇嚣，存镶器统一缡缝方式，薅系统魏冀辫露貉 器、片由存储器、特殊功能寄存器耱外部的f 0 设备都映射到6 4 m b 鲍地蟪空 问。为便于管理，又将地址空间分为如图2 2 所示的若干个存储器组，可以通 过配置包含基指针( b a s ep o i n t e r ) 和尾指针( e n dp o i n t e r ) 的特殊功能寄存器， 设定每个存储器组的大小和位置。存储器组包括6 个r o m s 址佃l a s h 缎、 4 个d r a m s d r a m 组、4 个外部l ，o 缀。图2 2 为s 3 c 4 5 l o b 系统存储器映瓣。 在上电或系绞复位蜃，蘑有缝豹蟪蛙毒存器都毅识始馋至其默弧值。这孵， 掰有静缀指锌 歉o m 搭王 a m 饪疆a s | 组o 帮特殊功能寄存箍组除羚) 都被漪零。 s 3 c 4 5 1 0 b 系统复位后将自动定义r o m ，s r a m ，f l a s 组o 的地址空间为 3 2 m b 。r o m s 洲f l a s h 组o 的这种初始化定义使得系统在上电或复位后， 将系统的控制敉交给了由用户编写的启动代码，这些扁动代码应存放在外部 r o m 中，并映射到r o m s r a m f l a s h 组0 。当启动代码执行时，它执行备 静系统初始他任务，著根据应用系统麴外部存储器和设舔的实际情况柬重毅酝 嚣系统戆毒麓器浚瓣。 图2 _ 3 跫在系统扁动或复位时酌存储器映射。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 图2 2s 3 c 4 5 1 0 b 系统存储器映射 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 图2 3 系统复位时的存储器映射 ( 3 ) 系统控制器寄存器 系统控制器寄存器共有1 6 个，它们分别是： s y s c f 卜系统配置寄存器。该寄存器决定系统管理器中特殊功能寄存 器组的起始地址，以及片内s r a m 的使用方式和起始地址。 c l k c o n 时钟控制寄存器。该寄存器用于设置内部系统时钟的分频数。 e x t a c o n x 外部i ，o 访问控制寄存器。该寄存器用于设置外部i o 组 读写时钟参数。 e x t d b w t h 数据总线宽度寄存器，该寄存器用于设置系统使用的各个 存储组数据总线宽度。 r o m c o n x 该寄存器用于设置r o m s r a m f i a s h 组的参数，包括存 储区起始地址，读写时钟参数等。 d r a m c o n x 该寄存器用于设置d r a m s d r a m 组的参数，包括存储 区起始地址、读写时钟参数等。 r e f e x t c o n 一一该寄存器用于设置外部i 0 组的起始地址，以及 d r a m s d r a m 组的刷新频率等参数。 2 4s 3 c 4 5 1 0 b 微控制器开发平台 2 4 1 开发板总体结构 该开发板是以s 3 c 4 5 1 0 b 微控制器为核心，附加一些外围接l i 电路组成。 主要的外闱部件包括： 1 个1 0 m 1 0 0 m 以太网接口 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 两个r s 2 3 2 串口 1 个j _ i a g 接口( 2 0 针标准) 1 个复位按键 8 个l e d 指示灯 1 m 1 6 位的f l a s h 存储器 2 片8 m 的s d r a m 存储器 5 1 2 k 8 位的r o m 存储器 开发板的布局图如图2 4 所示 9 v 稳压| | d c d cl l 刚。s 以太网口| | ；器电源| | 转换器l 以太网p r yr s 2 3 2 驱动器 u ! d 显示器卜_ i 厂_ 一 2 0 针j t a g 接口卜 竺- 燧b 5 0 m h z 有源品振l 一 系统总线扩展 i i i l c 存储器 图2 4 开发板布局图 2 4 2 开发板各模块功能介绍 1 以太网接口 开发板提供一个1 0 m 1 0 0 m 以太网接口。通过板上的r t l 8 2 0 1 芯片提供网 络通信功能。由于s 3 c 4 5 1 0 b 芯片内部集成了m a c 控制器，由芯片内部寄存 器进行控制，因此在使用网络功能时不需要为网卡模块分配外设端口号或映射 寄存器地址。 2 通用串行接口 开发板采用m a x 2 3 2 通信接口芯片提供符合r s 2 3 2 标准的串行通信口。 开发板通过一个9 针串口连接器，可以与计算机的串口连接。在使用v x w o r k s 操作系统时，可以分别作为系统控制台接口和w d b 调试接口。 3 j a t g 接口 丌发板提供一个基于j t a g 标准的2 0 针引脚插座。用户在调试软件时就可 以利用诸如m u l t i i c e 等仿真器直接在开发板上进行调试开发，而不需要使用 开发板卜的串口、网口的其他资源。 4 f l a s h 芯片 嚣褒交逶大学磺童聚突生学位论文蓦 3 贾 开发板采用s s t 3 9 v f l 6 0 的1 6 位l o r 研a s h 芯片，其存储容量为2 m b 。蓿 选用从该f l a s h 芯片扁动，则初始地址分配为o x 0 0 0 0 0 0 0 0 0 x 0 0 1 e f ! e f 。 5 s d r a m 芯片 开发板采用两片现代公司生产的s d 歉a m 芯片( k 4 s 6 4 1 6 3 2 h ) ，存储容量 分溺为8 m 。若系统从f l a s h 芯片窟动，则s t a m 芯片纫始地址分配为 o x 美艳0 溆0 1 1 溅糕。 6 r o m 芯冀 开发板的r o m 芯片为5 1 2 k 的s s 粥9 v f 0 4 0 ，内装u c l 衲u x 的b o o t l o a d e f 。 本嵌入式w e b 平台中为了使用v x w 酬k s ，系统从f l a s h 芯片启动，故该r o m 拣片不使用。 图2 5 为开发板原理图 图2 5s 3 c 4 5 l o 嚣开发板器理图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第3 章嵌入式v x w o r k s 操作系统分析 3 1 概述 对于嵌入式系统软件的开发平台，通用计算机系统因为具有完善的操作系 统和应用程序接口( a p i ) ，是计算机基本组成不可分割的一部分。应用程序开 发以后，应用软件直接在操作系统平台上运行。嵌入式系统则不同，应用程序 开发以后，应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行。但为了合理的调度 多任务、利用系统资源、系统函数以及专家接口函数，用户必须自行选配嵌入 式操作系统开发平台，这样才能保证程序执行的实时陛和可靠性，并减少开发 时间，提高软件质量。 一个好的嵌入式操作系统是嵌入式系统成功的关键。本章将讨论一种嵌入 式操作系统v x w o r k s 嵌入式操作系统。 3 2v x w o r k s 嵌入式操作系统简述 v x w b r k s 是美国w i n d r i v e r 公司专门为嵌入式微处理器设计的一种高模块 化、高性能的实时多任务操作系统，它具有很好的安全性、可靠性( 如冗余性多 c p u 、容错性 检测、隔离、恢复】) 以及系统灵活性( 如可裁剪、超过1 8 0 0 个应用程序接口) 。 v x w b r k s 为用户提供了高效的实时任务的管理与调度、任务的同步与通信、 内存管理、i o 管理、时钟管理等基本功能。同时也包含了一些扩展模块，如 网络系统、文件系统、虚拟内存系统、图形系统等、v x w o r k s 适用于从简单到 最复杂的产品设计：从防抱死系统到星际探测等多种关键应用。它能够在所有 常见的c p u 上运行。v x w o r k s 实时操作系统由一些相对独立的、短小精练的目 标模块组成，用户可根据所开发的应用程序的需要选择适当模块来裁剪和配置 v x w o r k s 系统，这有效地保证了系统的安全性和可靠性。系统的链接器可按应 用程序的需要自动链接目标模块。这样，通过目标模块之间的按需组合，可得 到许多满足功能需求的应用系统。 用户在v x w o r k s 上编程就像在通用操作系统 二编程一样，不必关心系统资 源的管理及底层的具体实现方式，从而可以把主要工作放在应用系统的设计和 实现上。 v x 、v o r k s 从1 9 8 3 年成功设计以来已经经过广泛的验证，成功地应用于航 空、航天、医疗等关键领域，并且在嵌入式系统领域中占有大部分的市场份额， 足以证明其可靠性和先进性。 目前，v x w o r k s 已经成为事实上的工业标准和军用标准，大量软硬件，。家 西南交通大学硕士研究生学傲论文第15 页 都提供v x w b r k s 的扩展缎件，因为v x w o r k s 在各种c p u 硬件平台上提供了统 一嚣接口和一致载运行黪瞧，应嗣程序不矮任鹰教渤藏可以运行在套穆c p u 上，为用户穗供了一致豹开发、运行环境，减少了薰复劳动。 3 3v x w o r k s 的特点 下瑟裁v x w 融s 戆特悫迸嚣详缡稳述秘说明。 1 高性能的微内核设计。高效的w i n d 内核是v x w j r k s 系统的核心部分。该 微内核支持所有的实时功能，包括多任务、中断、时钟等功能。能够使系统开 销达到最小，对外部事件迅速做出确定性响应。 2 。毫往笺、毫可靠、麓灵活瞧。壤攥实辩毽，撩 睾系统逶拳分弱实薅系统 ( 响应时闯在秒级) 、准实时系统( 响寝时问在毫秒缀) 、强实辩系统( 响应时 间在纳秒级) 。v x w b r k s 任务切换和中断响应时间都是纳秒级，从这种角度来 说它是强实时系统。在可靠性方面，v x w b r k s 采用多c p u 技术和容错性的支持， 劳基经过了荚围d o 一1 7 瓣认证。在瑟活性方蟊，它为用户提供了超过1 8 多个应矮程净接日。 3 绝大部分代码是用c 语言编写，媳有良好移植性。v x w 删( s 内部函数绝 大部分用c 谣言编写，只有与c p u 真接相关的一部分代码用汇编语言编写。 因此很容易把v x 、r k s 从一种c p u 上移植到另一种c p u 上运行。 毒支持缝大多数鋈蓠滤嚣戆浸入式蕊片。嚣蔻v x w b f b 支褥豹e p u 有 p o w e r p c 、6 8 k 、c o l d f i r e 、m c o r e 、x 8 6 系列、i 9 6 0 、a r m 和s t r o 曝m 、 m i p s 、s h 、s 伴瓜c 、n e c v 8 x x 、r a d 6 0 0 0 、s t 2 0 、t r i c o r e 等。 5 支持面向对象设计。v x w b r k s 支持c + + 编程，本身提供了一些c + + 类岸 w f e 。 6 丰富静b s p 和设备驱动程序资源。b s p 作为v x w o r k s 船电嚣蓠先执季亍鞠 代码，要对c p u 、内存等系统资源进行初始化操作。而w i n d r i v e r 公司为用户 提供了这段代码的源代码，节省了用户开发时间，同时w i n d r i v e r 公司提供了 许多设备驱动稷序源代码，支持用户鹿用系统的开发。 7 丰富熬瓣套开发工爨。无论获v x 物蠡s 豹裁势、开发，还怒到应爝程穿 的凋试，v x w o r k s 为用户掇供了一系列的辅助开发工具。 3 。4 开发环境t o r n a d o t o m a d o 怒美因w i n d r i v e f 公司开发的薪一代嵌入式系统集成开发环境，毯 含三个高度集成的部分： 运行在宿主机和目标机上的功能强大的交叉开发工具和实用程序； 运行在爨栎极上的毫性缝、可裁减的实时操作系绞v x w b