（电路与系统专业论文）基于ARM9的嵌入式系统研究及CAN总线扩展实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

中文摘要 摘要：嵌入式系统已经广泛的应用到生产、生活的各个领域。嵌入式操作系统作 为嵌入式系统最重要的组成部分也得到了快速的发展，特别是l i n u x 操作系统，凭 借自身开源、稳定、高效等方面的优势得到了广泛的应用。 本文在以$ 3 c 2 4 1 0 a 为核心的硬件开发平台上，构建嵌入式l i n u x 软件开发环 境，研究嵌入式l i n u x 系统的相关移植。 本文研究了b o o t l o a d e r 的启动原理，并对v i v i 进行配置和修改，完成系统 b o o t l o a d e r 的移植，并结合硬件平台的特点对l i n u x 内核进行配置、裁减和移植。 通过对比分析常见文件系统的特点，实现了c r a m f s 与y a f f s 的混合文件系统 在系统中的应用。 在重点研究了l i n u x 字符设备的驱动特点的基础上，采用芯片m c p 2 5 1 0 和 m c p 2 5 5 1 实现了硬件平台的c a n 总线接口扩展，并为c a n 总线控制器编写和移 植了相应的驱动。研究了基于m i n i g u i 的嵌入式图形界面设计方法，设计了简易 驾驶辅助系统显示界面，并成功移植到网络文件系统n f s 上，研究和实现控件高 级编程和位图操作编程。 本文就研究过程中遇到的问题进行总结，并在本文研究成果的基础上，指出了 下一步研究的几个可能的方向，使系统更加完善，应用性更强。 关键词：嵌入式系统；a r m ；l i n u x ；c a n ；m i n i g u l 分类号：t p 3 3 2 a b s t r a c t a b s t r a c t ：e m b e d d e ds y s t e m sh a v e b e e na p p l i e dt oaw i d er a n g eo fp r o d u c t i o na n d t h ev a r i o u sa r e a so fd a i l yl i f e a n di th a sb e e nl a r g e l yf a c i l i t e db yt h er a p i dd e v e l o p m e n t o fn e t w o r kt e c h n o l o g y ，c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dm i c r o e l e c t r o n i c s ，w h i c hm a k e si tt ob e o n eo ft h eh o ta r e a so fc o m p u t e ra p p l i c a t i o n a st h em o s ti m p o r t a n tp a r to fe m b e d d e d s y s t e m ，e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e da tar a p i dp a c ea sw e l l ，w i t h l i n u xo p e r a t i n gs y s t e mi np a r t i c u l a r l i n u xo p e r a t i n gs y s t e mh a sb e e nw i d e l yu s e db y v i r t u eo fi t so p e ns o u r c e ，s t a b l e ，h i g h - p e r f o r m a n c ea d v a n t a g e s w i t ht h ei n t e n t i o nt os t u d yt h et r a n s p l a n t a t i o no fe m b e d e dl i n u xs y s t e mt oa h a r d w a r ep l a t f o r mw h i c hu s e s $ 3 c 2 4 10a si t sc o r e ，t h er e s e a r c h e rh a sd e s i g n e da s o f t w a r ee n v i r o n m e n tf o r t h ed e v e l o p m e n to fe m b e d e dl i n u xt ot h ep l a t f o r m t h er e s e a r c hi n i t i a l l ys t u d i e dt h eb o o t i n g - u p f u n c t i o n i n gp r i n c i p l eo fb o o t l o a d e r a n dm a k e sr e l e v a n tc o n f i g u r a t i o na n dm o d i f i c a t i o nt ov i v i ，w h i c hr e a l i z e st h e t r a n s p l a n t a t i o no fb o o t l o a d e r c o n f i g n r a t i o n ，t a i l o r i n ga n dt r a n s p l a n t a t i o nt ot h el i n u x k e m e lh a sb e e nm a d eo nt h eb a s i so fa na n a l y s i so nt h es t r u c t u r ea sw e l la sf u n c t i o n i n g m e c h a n i s mo ft h el i n u xk e r n e lw i t has p e c i f i cc o n s i d e r a t i o no nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e h a r d w a r ep l a t f o r m c o n p a r a t i v ea n a l y s i so nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o n v e n t i o n a lf i l e s y s t e mh a sc o n d u c t e da n db a s e do nw h i c hh y b r i d m i x e df i l es y s t e m ( c r a m f sa n d y a f f s ) h a sb e e na p p l i e di nt h el i n u xs y s t e m s of o r t hw a sm a d ea n dt h es t r e s sw a sp u to nt h ef e a t u r e so fl i n u xc h a r a c t e r e q u i p m e n td r i v e r i nt h ep r o j e c t ，t h ea p p l i c a t i o no fc h i pm c p 2 5 10a n dm c p 2 5 51 e n a b l e dt h ee x t e n t i o no fc a nb u si n t e r f a c et ot h eh a r d w a r ep l a t f o r ma n da l s oh e l p s w r i t ea n dp o r tn e c e s s a r yd r i v e r st oc a nb u sc o n t r o l l e r t h er e s e a r c hh a ss t u d i e dt h e w a yo fe m b e d d e dg u id e s i g nb a s e do nm i n i g u ia n dh a sd e s i g n e dt h ei n t e r f a c eo f s i m p l i f i e dd r i v e ra s s i s t a n c es y s t e m ，i m p l e m e n t i n ga n dp o r t i n ga d v a n c e dp r o g r a m m i n g o fc o n t r o la n dm a p p i n gm o d ea n dc o o r d i n a t es p a c e t h es t u d ys u m m a r i e st h em a j o rs t e p sc o n d u c t e da n dp r o b l e m se n c o u n t e r e dw h i l e d o i n gt h er e s e a r c h ，b e s i d e s ，i n d i c a t e saf e wp o s s i b l ed i r e c t i o n sf o rf u t u r er e s e a r c h ，s o t h a tt h es y s t e mc a nb ef u r t h e ri m p r o v e da n dt h u sb ew i d e l ya p p l i e dt os p e c i f i cf i e l do f s t u d y k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；a r m ；l i n u x ；c a n ；m i n i g u i c i 。a s s n o ：t p 3 3 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特i i i i 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：享衾采 签字日期： 如。夕年歹月巧日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：蹄歹月巧日 导师签名： 睐嘉 签字日期：支印年月巧日 致谢 本论文的工作是在我的导师路勇老师的悉心指导下完成的，路勇老师严谨的 治学态度和求实的科学态度使我终身受益，在研究生阶段的学习中，路老师都热 情、细心的给予我们指导，同时也在生活上给予我们关怀和帮助。路老师在知道 我们学习和研究专业知识的同时，也教导我们树立正确的社会观、人生观和价值 观，教会我们做人的道理。在此向路老师致以衷心的感谢和诚挚的谢意。 杜普选教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见， 在此表示衷心的感谢。 李哲英教授、骆丽教授对我的论文工作和论文撰写都提出了许多的宝贵意见， 在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，王强、李博、王雪丽、李文勇、赵琛等同学 对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢多年来我的父亲和母亲对我的鼓励和支持，没有他们的的默默付 出，我也不会有学习的机会和良好的学习环境。同时也感谢我的朋友们，感谢他 们他们的支持。同时，感谢所有关心和帮助过我的人。 最后感谢评委在百忙之中抽出时间评审我的论文。 1 引言 1 1研究背景与意义 随着在工业控制系统、消费电子、航空航天、汽车电子、医疗保健、网络通 信等各个领域的广泛应用，嵌入式系统是当今最热门的计算机应用领域之一。嵌 入式系统逐渐被各行各业的人所熟悉。其实，它已经走进了人们的生活，正在以 各种不同形式地改变着人们的生产和生活方式。嵌入式产品的巨大需求不仅为嵌 入式市场展现了美好前景，注入了新的生命，同时也为嵌入式相关技术的推广和 发展提供了巨大的动力。而对于嵌入式平台的开发和嵌入式操作系统特别是嵌入 式l i n u x 系统的研究己经成为嵌入式领域研究热点问题。嵌入式系统的相关开发也 成为诸多公司、科研机构、高校等争先研究的技术热点【i 】。 随着计算机软件技术的发展和嵌入式处理器性能的不断提高，在上世纪八十 年代开始出现各种各样的商用嵌入式操作系统，这些操作系统大部分是为专用微 处理器而开发的。其中许多嵌入式操作系统已经被广泛应用，如w i n d o w s c e 、 v x w o r k s 、u c o s i i 、l i n u x 、q n x 、p a l m o s 等。嵌入式操作系统的使用，使嵌入式 系统的可靠性、稳定性得到很大提高，同时使得嵌入式系统的多任务处理能力得 到大大的增强，功能更加强大。 在各种嵌入式操作系统中，l i n u x 操作系统是发展最快，应用范围最广的开源 操作细听。凭借结构清晰、易于移植、扩展性好等优势，l i n u x 已经成为嵌入式开 发的首选。l i n u x 操作系统最大特点就是开源，所有的l i n u x 开发都在g p l ( g n u p u b l i cl i c e n s e ) 的版本控制之下，任何人都可以通过网络得到l i n u x 的内核源代码， 因此，吸引了无数的软件爱好者，对自由软件发展起到了前所未有的推动作用。 因此，对嵌入式系统的研究，特别是嵌入式操作系统的研究，对l i n u x 操作系 统的研究为我国发展自己的嵌入式操作系统提供了重要的条件和良好的契机。对 整体提升我国自主创新能力、提高相关领域科技水平具有重大意义。 1 2国内外发展现状及趋势 中国己成为仅次于美国世界第二大消费电子市场，也就意味着对于嵌入式系 统的研究具有的重要研究意义和经济效益。 随着网络技术和电子技术的发展，嵌入式产品与互联网应用相互促进，快速 发展，嵌入式产品已经成为互联网的主要终端之一。面向2 1 世纪的嵌入式系统要 求配备标准的一种或多种网络通信接口来满足嵌入式分布处理结构和互联网通信 的需求。目f j i 的因特网技术只连接了极少的嵌入式终端，大量的嵌入式设备需要网 络连接来提升其服务能力和应用价值。互联网必将推动嵌入式相关技术的迅速发 展和提高，掀起一场新的技术浪潮。 s o c 推进了嵌入式软件与硬件系统进一步融合。嵌入式s o c 技术的出现，改 变了传统嵌入式系统的设计观念。基于i p 构件库的设计技术将会成为嵌入式系统 设计的主流，i p 构件库正在造就一个新兴的软件行业。3 g 终端产品、数字电视、 流媒体行业的需求促进了多核嵌入式处理器技术的发展，特别是位处理器与核的 融合，形成的嵌入式多媒体技术，代表着前沿嵌入式技术的发展方向之一。 l i n u x 经过二十多年的发展己经发展成为一个稳定、成熟的操作系统。l i n u x 在嵌入式领域的优势和强大生命力，吸引很多国内外的公司开发出了各种各样的 商用嵌入式l i n u x 版本，进一步推动了嵌入式l i n u x 系统研究和应用。而且l i n u x 操作系统能够支持绝大多数c p u 体系结构。我国在嵌入式操作系统方面的研发起 步较早，如科银京成的d e l t a o s 起步于1 9 9 0 年，凯思集团开发的o p e n 起步于1 9 9 4 年，但市场化程度、研究和开发的整体水平不高，与国际领先水平还有较大的差 距。国内的嵌入式设备生产商大多数还是采用国外的商用嵌入式操作系统，如 w i n d o w s c e ，v x w o r k s 等。嵌入式操作l i n u x 系统发展极为迅速，正逐渐成为嵌入 式操作系统的主流，已形成与w i n d o w s c e 等嵌入式操作系统进行有力竞争的局面， 而中科红旗的红旗l i n u x 、东软的n e u l i n u x 等正是基于l i n u x 的开源操作系统【2 1 。 1 3当前主要研究方向 随着l i n u x 的迅速发展和广泛应用，笔者认为，目前对于嵌入式l i n u x 系统的 研究主要集中在下几个方面： 系统的实时性研究。l i n u x 本身并不是一个实时的操作系统，随着广泛的应用 于工控、航天等系统实时性要求高的领域，提高l i n u x 系统的实时性就显得尤 为必要和重要。 系统小型化研究。嵌入式设备资源有限的，对软件的体积就有了限制和要求。 对l i n u x 系统进行合理的配置和裁剪，提供标准的接口的小型化系统也是目i j i 广泛研究的课题之一。 网络化研究。随着信息网络技术、微电子技术的发展，对嵌入式设备的实现功 能有了更高的要求，如嵌入式分布处理结构、应用上网等，这就要求嵌入式系 统要求配备一种或多种标准的网络通信接口女h i e e e l 3 9 4 、c a n 、u s b 、b l u e 2 t o o t h 等和相应的网络协议( t c p 口) 。对嵌入式系统的网络化研究是当前最热 点的研究方向之一。 人机交互、智能化和多媒体。运用嵌入式g u i ( q t e 、m i n i g u i ) 设计实现美 观、直观方便、功能齐全人机交互界面，通过显示屏进行信息交互。设计更加 智能化的嵌入式设备，如智能家居系统、g p s 、p d a 等，都具有很好的智能化 功能和多媒体功能，能够进行了良好的人机交互。 开发应用于专业领域的嵌入式设备和应用软件开发。基于嵌入式l i n u x 系统的 特点和实际需要开发用于特定环境的嵌入式设备，如视频监控设备、工业控制 系统、医疗器械等。 1 4论文主要工作及结构 根据国内外嵌入式l i n u x 系统的研究现状，结合实验室的条件，本课题将以北 京金一倍公司的j y b 2 4 1 0 a 开发板为目标平台，建立了系统开发所需要的编译和 调试环境，构建了实现n f s 、超级终端、g d b 远程调试的嵌入式软件平台。在了解 了嵌入式l i n u x 系统移植方法和所做工程实践的基础上，建立了一个完整的嵌入式 l i n u x 系统，其中包括研究b o o t l o a d e r 启动原理，对v i 访进行了分析和移植，研究 和解决了对l i n u x 内核的裁减和移植，构建适合开发板的根文件系统，并研究和实 现了混合文件系统，分析和研究了c a n 总线协议，设计实现对开发板的c a n 总 线接口的扩展，研究嵌入式l i n u x 字符设备驱动的设计方法，实现c a n 总线驱动 程序，最后分析了基于m i n i g u i 的嵌入式l i n u x 图形界面设计和移植的实现方法。 本文的结构安排如下： 第一章绪论，概括的介绍了课题的背景、发展现状及研究的意义。概括了本 文研究的内容及具体工作的安排。 第二章嵌入式l i n u x 系统概述，介绍了嵌入式系统的概念、特点及构成，嵌入 式处理器分类和常见嵌入式操作系统，嵌入式l i n u x 操作系统的特点及发展方向。 第三章介绍了本文的硬件开发平台，构建了嵌入式l i n u x 软件丌发平台。 第四章实现了基于$ 3 c 2 4 1 0 的嵌入式l i n u x 移植，包括b o o t l o a d e r 的配置和移 植、内核的剪裁及文件系统的实现。 第五章实现嵌入式l i n u x 驱动程序开发与移植，c a n 总线接口设计以及驱动 实现。 第六章介绍了嵌入式g u i 的相关内容，实现了基于m i n i g u i 的嵌入式l i n u x 图形界面设计与移植。 第七章结论。 2 嵌入式系统原理 本章将介绍嵌入式系统的相关概念和特点，嵌入式系统的组成部分。重点介 绍嵌入式操作系统，特别是嵌入式l i n u x 系统的特点和优势。 2 1嵌入式系统的概念 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。狭义上而言，嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软 件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专 用计算机系统。 国际电气与电子工程师协会( i e e e ) 对嵌入式系统的定义：嵌入式系统是用来控 制或监视机器、装置或工厂等大规模系统的设备。可以看出嵌入式系统是软件和 硬件的综合体。 2 2嵌入式系统的特点 嵌入式系统通常具有以下特点【3 】： 系统的内核小。嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式c p u ，通常具有低 功耗、体积小、集成度高等特点，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操 作系统小很多，从而有利于设计趋于小型化，移动能力大大增强，与网络的耦 合也越来越紧密。 专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密， 一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要 根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。 系统精简。嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，嵌入式系统一般没 有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这 样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。 高实时性的系统软件( o s ) 是嵌入式软件的基本要求。软件代码要求高质量和高 可靠性，为了提高执行速度和系统的可靠性，一般软件要求固态存储。 多任务的操作系统使嵌入式软件开发走向标准化。嵌入式系统的应用程序可以 没有操作系统直接在芯片上运行；但是要实现多任务、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r t o s ( r e a lt i m eo p e r a t i n g 4 s y s t e m ) 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。 嵌入式系统开发需要开发工具和环境。由于其本身不具备自主开发能力，即使 设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开 发工具和环境才能进行开发。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程 序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。 2 3嵌入式系统的组成 嵌入式系统是硬件和软件的综合体。嵌入式系统硬件部分包括处理器微处理 器、存储器、外部器件、i o 端口等。软件部分包括操作系统和应用软件，往往二 者是紧密结合的。 2 3 1 嵌入式处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的单元。而据不 完全统计，目前世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1 0 0 0 种，流行体系 结构有3 0 多个系列。嵌入式处理器的寻址空间一般为6 4 k b - 一3 2 m b ，处理速度为 0 1m i p s 一2 0 0 0 m i p s 。 l 、嵌入式处理器的分类【4 】： 1 _ ) 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。在应用中，将微处理器装配 在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用相关的母板功能，这样可以大幅度 减小系统体积和功耗为了满足嵌入式应用的特殊要求，在工作温度、抗电磁干扰、 可靠性等方面都做了增强。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、 重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式处理器类型有3 8 6 e x 、p o w e r p c 、m i p s 、a r m 系列等。 2 ) 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 ) 嵌入式微控制器的典型代表是单片机，一般以某种微处理器为核心，内部集 成r o m e p r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、定时计数器、看门狗、i o 、串行口、 脉宽调制输出、a d 、d a 、f l a s hr a m 、e e p r o m 等各种必要功能和外设。和嵌 入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗 和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的 片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。 5 3 ) 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , e d s p ) d s p 处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方 面进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算法，具有很高的编译效率和指令的执 行速度。在数字滤波、f f t 、谱分析等方面d s p 算法正在大量进入嵌入式领域， d s p 应用正从在通用单片机中以普通指令实现d s p 功能，过度到采用专门的嵌入 式d s p 处理器。 4 ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ) s y s t e mo nc h i p 就是在一个硅片上实现更为复杂的系统。各种通用处理器内核 将作为s o c 设计公司的标准库，和许多其他嵌入式外设一样成为v l s i 设计中标 准的器件，用标准的v h d l v e r i l o gh d l 等语言描述，存储在器件库中。用户只需 定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。 这样除个别无法集成的器件之外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块 芯片中，对于减小集体和功耗，提高可靠性非常有利。 2 、a r m 处理器【3 】【5 】【6 】 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 既可以认为是一个名字，也可以认为是一 类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。目前，采用a r mi p 核的微处 理器已经遍及工业控制、消费电子产品、通信系统、网络系统、无线系统、军用 系统等各类产品市场。基于a r m 技术的微处理器约占据了3 2 位r i s c 微处理器 7 0 以上的市场份额，a r m 技术正在逐步进入到我们生活得各个方面。 a r m 处理器具有以下特点： 采用r i s c 架构的a r m 处理器一般具有如下特点： 体积小、低功耗、低成本、高性能 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) x 2 指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件 大量使用寄存器，指令执行速度更快 大多数数据操作都在寄存器中完成 寻址方式灵活简单，执行效率高 指令长度固定 a r m 微处理器目前包括下面几个系列，a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、a r m l 0 系列、s e c u r c o r e 系列、i n t e l 的x s c a l e 、a r m l l 系列、c o r t e x 系列，以及其它厂商基于a r m 体系结构的处理器，除了具有a r m 体系结构的共 同特点以外，每一个系列的a r m 微处理器都有各自的特点和应用领域。其中， a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、a r m l 0 系列、a r m l l 系列、c o r t e x 系列是通用处理器系列，每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领 域的需求。 a r m 9 系列微处理器在高性能和低功耗方面提供最佳的性能，包含a r m 9 2 0 t 、 6 a r m 9 2 2 t 、a r m 9 4 0 t 三种类型，具体有以下特点： 5 级整数流水线，指令执行效率更高。 提供1 1 m i p s 肿h z 的哈佛结构。 支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集。 支持3 2 位的高速a m b a 总线接口。 全性能的m m u ，支持w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等多种主流 嵌入式操作系统。 m p u 支持实时操作系统。 支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力。 a r m 9 系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、 高端打印机、数字、照相机和数字摄像机等。 2 3 2 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统就是支持嵌入式系统工作的操作系统，是嵌入式应用软件的 基础和开发平台。一般可以提供内存管理、多任务管理和外围资源管理的功能。 嵌入式操作系统可以分为两类，一类是面向控制、通信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 、i s i 的p s o s 、q n x 系统软件公司的q n s 、a t i 公 司的的n u c l e u s 等；另一类是面向消费电子产品的非实时操作系统，这类产品包括 个人数字助理( p d a ) 、移动电话、机顶盒、电子书、w e b p h o n e 等。 几种主流性嵌入式操作系统比较【7 】【8 】： v x w o r k s v x w o r k s 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( r t o s ) ，是t o r n a d o 嵌入式开发环境的关键组成部分。v x w 6 r k s 具有 良好的持续发展能力、高性能可裁剪内核以及友好的用户开发环境；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。 但是v x w o r k s 操作系统本身以及开发环境都是专有的，价格昂贵，而且对每 一个应用一般还要另外收取版税。同时，一般不通供源代码。另外，由于其专用 性，故需要专门的技术人员进行升级和维护，这就导致软件的开发和维护成本都 非常高。对硬件的支持数量有限也是v x w o r k s 限制自身发展的重要因素。 w i n d o w sc e w i n d o w sc e 与w i n d o w s 系列有较好的兼容性，这是w i n d o w sc e 得到推广的 重要原因。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 。w i n d o w sc e 作 7 为嵌入式操作系统的缺陷在于：无开放源代码，使应用开发人员很难实现产品的 定制；在效率、功耗方面与其他嵌入式系统相比没有优势，且占用系统内存较大， 运用程序庞大；版权许可费也是制约其发展的重要原因。 p a l mo s 3 c o m 公司的p a l mo s 在p d a 市场上占有很大的市场份额，它有开放的操作 系统应用程序接口( a p i ) ，开发商可以根据需要自行开发所需要的应用程序。 嵌入式l i n u x 系统 做为嵌入式操作系统的一个新成员，l i n u x 最大的特点是源代码公开并且遵循 g p l 协议，以其自身的诸多优势，吸引了许多开发者的目光。据i d g 预测嵌入式 l i n u x 系统在未来两年将占的嵌入式操作系统份额的5 0 。 2 3 3 嵌入式l i n u x 系统的优势 对比上文所介绍的嵌入式操作系统，简要的说，嵌入式l i n u x 系统可以弥补上 述系统中存在的缺陷和不足，且具有以下优势： 自由的操作系统，开放源码。l i n u x 上的软件资源非常丰富，每一种通用 程序在l i n u x 上都可以找到。 多任务内核非常稳定，它的高效和稳定性已经在各个领域。l i n u x 内核小 巧灵活，易于裁剪，这使得它很适合嵌入式的应用。 支持多种体系结构，例如x 8 6 、a r m 、m i p s 、a l p h a 、s p a r c 等， 目前，l i n u x 已经被移植到数十种硬件平台上，几乎支持所有流行的c p u 。 具有非常高效强大的网络功能，支持各种流行的网络协议，网络就是l i n u x 的强项。 支持大量的外围硬件设备，内核绝大部分代码都是关于设备驱动的，它们 支持各种主流硬件设备和最新硬件技术。 支持多种文件和图形系统，具有良好的兼容性极好的用户界面。 优秀的完整开发工具链，有十几种集成开发环境，其中很多是免费的，大 大降低了丌发费用。 有着丰富完整的文档、技术说明，更重要的就是得到软件开发者的广泛支 持。 系统的更新速度快，补丁齐全，易于维护。 8 2 4本章小结 本章介绍了嵌入式系统的基本概念和基本特点，从硬件和软件两个方面分析 了嵌入式系统的构成，介绍了当前嵌入式处理器的分类及各自的特点和功能。重 点介绍了a r m 处理器。举例介绍了几种常见的嵌入式操作系统，概括介绍了各自 的特点及应用。重点介绍了嵌入式l i n u x 操作系统，分析了嵌入式l i n u x 操作系统 的特点及未来发展的方向。 9 3a r m l i n u x 开发平台与开发环境 嵌入式l i n u x 系统的研究和开发需要特定的硬件和软件平台。本章将介绍和分 析系统开发的硬件平台j y b 2 4 1 0 开发板的基本组成和功能特点，为系统搭建嵌入 式开发和调试环境。 3 1硬件开发平台 本文采用的硬件平台是由北京金一倍科技发展有限公司设计生产的一款基于 a r m 9 的嵌入式电脑平台j y b 2 4 1 0 a ，它基于三星公司的a r m 处理器$ 3 c 2 4 1 0 a ， 采用6 层板设计。$ 3 c 2 4 1 0 a 使用a r m 9 2 0 t 核，内部带有全性能的m m u ( i 为存处 理单元) ，它适用于设计移动手持设备类产品，具有高性能、低功耗、接1 2 1 丰富和 体积小等优良特性。 3 1 1 $ 3 c 2 4 1 0 a 简介 $ 3 c 2 4 1 0 a 处理器是s a m s u n g 推出的1 6 3 2 位r i s c 处理器，它采用了a r m 公司的a r m 9 2 0 t 内核，0 1 8 u m 工艺的c m o s 标准宏单元和存储器单元，为手持 设备和一般类型应用提供了低价格、低功耗、高性能小型控制器的解决方案。 $ 3 c 2 4 1 0 a 芯片集成了大量的功能单元，大大减少了系统的成本，消除了为系统配 置额外期间的需要，主要包括 1 8 v 2 v 内核供电，3 3 v 存储器供电，3 3 v 外部i o 供电 具有16 k b 的i - c a c h e ，16 k b 的d c a c h e m m u 。 内置外部存储器控制器( s d r a m 控制和芯片选择逻辑) 。 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 ，提供一通道l c d 专 用d m a 。 4 通道带外部请求引脚的的d m a 。 3 通道的通用异步串行端口( u a r t ) ( i r d a l 0 ，1 6 b y t et xf i f oa n d 1 6 b y t er xf i f o ) ，2 通道s p i 1 通道多主i i c b u s l 通道i i s b u s 控制器。 与s d 主接口协议1 o 和多媒体卡( m m c ) 协议版本2 1 1 兼容。 2 端口u s bh o s t 1 端口u s bd e v i c e ( v e r l 1 ) 。 4 通道p w m 定时器和1 通道内部定时器。 l o 看门狗定时器。 1 1 7 个通用i o 口和2 4 通道外部中断，5 6 个中断源。 功耗控制模式：标准、慢速、空闲、掉电模式。 8 通道1 0 b i t a d c 和触摸屏接口。 带日历功能的实时时钟( r t c ) 。 芯片内置p l l 片上始终发射器。 1 6 3 2 位r i s c 体系结构，使用a r m 9 2 0 tc p u 核的强大指令集。 带m m u 的先进的体系结构支持w i n c e 、e p o c 3 2 、l i n u x 。 指令缓存( c a c h e ) 、数据缓存、写缓存和物理地址t a gr a m ，减小了对 主存储器带宽和性能的影响。 a r m 9 2 0 tc p u 支持a r m 调试的体系结构。 内部先进的位控制器总线( a m b a ) ( a m b a 2 0 ，a h b a p b ) 图3 1 显示了$ 3 c 2 4 10 内部结构图b l o c kd i a g r a m 9 】 撩l 器乍冷ia 凇l h u 恻c o n | 车冷 8牟冷l m p t c o n t i e x t m a 耐e r 8夺冷i 。p o 驴w e 。r 。i n a n dc o n t ， n a n df b hb o o ts 牵= 刽。m m e 州m o 。r y 鹇c o 蝴n t m l o a d e r 量l 一胤酽”k b d d g e & d m a ( 4 c h ) 图3 1 $ 3 c 2 4 1 0 结构框图 f i 9 3 1 $ 3 c 2 4 1 0b l o c kd i a g r a m 3 1 2 目标平台 $ 3 c 2 4 1 0 a 使用a r m 9 2 0 t 核，内部带有全性能的m m u ( 内存处理单元) ，它 适用于设计移动手持设备类产品，具有高性能、低功耗、接口丰富和体积小等优 良特性。j y b 2 4 1 0 a 正是基于此芯片本身的各种特点而设计。j y b 2 4 1 0 a 在尽可 能小的板面上( 1 2 0 m m x 9 0 m m ) 集成了6 4 ms d r a m 、6 4 mn a n df l a s h 、1 mb o o t f l a s h 、r j 4 5 网卡、音频输入与输出、u s bh o s t 、u s bs l a v e 、标准串口、s d 卡插 座、用户按键和一些用户灯等设备接口，并且使用2 0 m m 插针槽引出c p u 的大部 分信号引脚，不仅可以作为嵌入式电脑系统的一个主板模块，而且适合于项目或 产品的原型设计i 1 0 j 。 系统采用的硬件平台j y b 2 4 1 0 a 的总体结构如图3 2 所示 j t a g 接口 电源管理 时钟电路 复位电路 以太网接口llu s b 接口 s 3 c 2 4 1 0 a l c d 接口 f l a s h 系统 l e d 显示 按键电路 总线扩展电路r 一l由ni l 叫s d r m 存储系统1 ll串口- 3ii 一 图3 2 硬件平台j y b 2 4 1 0 a 的总体结构图 f i g u r e3 - 2t h eo v e r a l ls t r u e t u r eo fh a r d w a r ep l a t f o r m 通过表3 1 列出了j y b 2 4 1 0 a 开发板的硬件特性，表3 2 列出了j y b 2 4 1 0 a 开 发板的接口特性。 1 2 表3 1j y b 2 4 1 0 a 的硬件标准特性表 t a b l e3 1j y b 2 4 1 0 as t a n d a r dh a r d w a r ef e a t u r e st a b l e 表3 - 2j y b 2 4 1 0 a 的接口特性表 t a b l e3 - 2j y b - 2 410 ai n t e r f a c ep r o p e r t i e st a b l e 1 3 3 1 3 系统子模块 目标板的资源比较丰富，下面说明部分模块的原理和功能，其余模块详见【1 0 】 1 、f l a s h 模块 s a m s u n g $ 3 c 2 4 10 支持n o rf l a s h 和n a n df l a s h 启动，在j y b 2 4 10 a 上可 以通过b o o t s e l 跳线设置启动。由于n o rf l a s h 的片选信号为n g c s o ，所以 n o rf l a s h 的地址范围是0 x o h 0 x f f f f f h 。注意，如果开发板从n a n df l a s h 启动，则0 x o h 一0 x f f f 的4 k 空间被$ 3 c 2 4 1 0 的片内s r a m 占据，此时n o rf l a s h 的读写操作将是无效的。 图3 2n a n df l a s h 硬件原理图 f i g u r e3 - 2n a n df l a s hh a r d w a r es c h e m a t i c 2 、通用i o 口：c o n g p i o $ 3 c 2 4 1 0 内部资源众多，j y b 2 4 1 0 a 引出了剩余资源的引脚供用户扩展之用。 c o n g p i o 包含1 0 路中断，6 路a d 输入，1 组s p i 接口等，如图3 3 所示 图3 -