（电路与系统专业论文）嵌入式Linux系统上EPA协议的研究与实现[电路与系统专业优秀论文].pdfVIP

大连理工大学硕士学位论文 摘要 当前，随着嵌入式技术的飞速发展，嵌入式处理器的功能越来越强大，品种也越来 越丰富。其中a r m 微处理器得到了广泛的应用，文中介绍了a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器的片 上资源和主要特性，以及在d u t 5 0 0 0 实验平台上的应用。随着嵌入式设备的复杂化和 智能化，嵌入式操作系统逐渐成为嵌入式设备的必要管理系统。l i n u x 以其开源、安全、 稳定和兼容性，成为嵌入式开发的主要操作系统之一。 研究了嵌入式l i n u x 系统的内核结构、启动过程、内核裁剪、进程管理、内核编程 技术，以及嵌入式l i n u x 文件系统的配置。深入分析了内核技术的中断控制、中断处理 机制、原子操作、时间管理和网络设备驱动原理。 e p a ( e t h e m e tf o rp l a n ta u t o m a t i o n ) 是一种实时工业以太网标准。在e p a 的通信 模型中，数据链路层协议是在i s o i e c8 8 0 2 3 协议规定的数据链路层基础上进行了扩 展，增加了一个e p a 通信调度管理实体，用于对e p a 设备向网络上发送报文的调度管 理。e p a 在数据链路层的调度是以时间同步为前提，将e p a 报文划分优先级，采用基于 时间片调度和报文优先级调度相结合的算法进行调度。 研究了e p a 通信调度方法，设计了e p a 通信调度规则，通过l i n u x 内核中的服务 质量接口( 即q o s ) ，利用调度规则中的报文队列操作函数，来实现数据链路层报文的 调度管理。针对e p a 组态参数在l i n u x 内核空间和用户空间的传递问题，设计了组态参 数结构，并在l i n u x 内核中的网络输入输出控制接口函数中，对e p a 进行组态。 研究了e p a 应用层协议及具体的实现方法，包括套接字映射实体、系统管理实体 和应用访问实体。根据e p a 报文中封装的设备i p 地址、功能块实例标识a p p i d 和功能 块实例中的参数索引o b j e c t l d ，对不同的设备、进程和参数进行区分、请求、响应、设 置和管理。 在台式计算机上进行了嵌入式l i n u x 内核的裁剪、调试和交叉编译；在d u t 5 0 0 0 实验平台上，进行了嵌入式l i n u x 的内核测试、驱动程序测试和e p a 调度程序测试。 关键词：嵌入式系统；l i n u x 系统；e p a ；数据报文；通信调度 嵌入式l i n u x 系统上e p a 协议的研究与实现 r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fe p ap r o t o c o l o ne m b e d d e dl i n u xs y s t e m a b s t r a c t a tp r e s e n t ，晰廿1t h er a p i dd e v e l o p m e n to fe m b e d d e dt e c h n o l o g y ，f u n c t i o no fe m b e d d e d p r o c e s s o r si sm o r ea n dm o r ep o w e r f u l ，v a r i e t i e sb e c o m em o r ea n dm o r er i c h a m o n gt h e m ， a r m m i c r o p r o c e s s o rh a sb e e nw i d e l yu s e d t h i sp a p e rd e s c r i b e st h eo n c h i pr e s o u r c e sa n dt h e m a i nf e a t u r e so fa t 91r m 9 2 0 0p r o c e s s o r ，a sw e l la sa p p l i c a t i o n so nd u t 5 0 0 0e x p e r i m e n t p l a t f o r m a se m b e d d e dd e v i c e sb e c o m e m o r ec o m p l e xa n di n t e l l i g e n t ，e m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e mf o re m b e d d e dd e v i c e sh a sb e c o m ean e c e s s a r ym a n a g e m e n ts y s t e m d u et oi t so p e n s o u r c e ，s e c u r i t y ，s t a b i l i t ya n dc o m p a t i b i l i t y ，l i n u xb e c o m e so n eo ft h em a j o ro p e r a t i n gs y s t e m i ne m b e d d e dd e v e l o p m e n t t h ep a p e rp r o v i d e sas t u d yo ne m b e d d e dl i n u xs y s t e m ，i n c l u d i n gk e m e ls t r u c t u r e ，t h e b o o t c o u r s e ，c o r ec u t t i n g ，p r o c e s sm a n a g e m e n t ，c o r ep r o g r a m m i n gt e c h n o l o g y ，a n d c o n f i g u r a t i o no fe m b e d d e dl i n u xr o o tf i l es y s t e m t h ep a p e ra l s og i v e so u td e e pa n a l y s i so n t h ec o r et e c h n o l o g yo fl i n u x ，i n c l u d i n gi n t e r r u p tc o n t r o l ，i n t e r r u p th a n d l i n gm e c h a n i s m ， a t o m i co p e r a t i o n ，t i m em a n a g e m e n t ，a n dd r i v i n gp r i n c i p l eo fn e t w o r kd e v i c e e p a ( e t h e m e tf o rp l a n ta u t o m a t i o n ) i sar e a l - t i m ei n d u s t r i a le t h e m e ts t a n d a r d i nt h e e p a sc o m m u n i c a t i o nm o d e l ，t h ed a t al i n kl a y e rp r o t o c o li st h ee x p a n s i o nb a s e do nt h ed a t a l i n kl a y e rp r o t o c o lp r o v i d e db yt h ei s o i e c8 8 0 2 - 3 ，w h i c ha d d st h ee p ac o m m u n i c a t i o n s c h e d u l i n gm a n a g e m e n te n t i t y ，u s e df o rs c h e d u l i n ga n dm a n a g i n gt h en e t w o r kp a c k e ts e n d e d b ye p ae q u i p m e n t e p as c h e d u l i n gi nt h ed a t al i n kl a y e ri sb a s e do nt h ep r e m i s eo ft i m e s y n c h r o n i z a t i o n ，i tc l a s s i f i e sp a c k e tp r i o r i t y ，i sas o r to fc o m b i n a t i o na l g o r i t h mb a s e do nt i m e s l i c es c h e d u l i n ga n dp a c k e tp r i o r i t ys c h e d u l i n g t h ee p ac o m m u n i c a t i o ns c h e d u l i n gm e t h o di ss t u d i e da n de p ac o m m u n i c a t i o n s s c h e d u l i n gr u l ei sd e s i g n e d t h r o u g hq u a l i t yo fs e r v i c ei n t e r f a c e ( i e ，q o s ) i nt h el i n u xk e r n e l ， u s i n gt h em e s s a g eq u e u em a n i p u l a t i o nf u n c t i o n si ns c h e d u l i n gr u l e s ，p a c k e ts c h e d u l i n g m a n a g e m e n ti sr e a l i z e di nt h ed a t al i n kl a y e r f o rd e l i v e r yp r o b l e m so ft h ee p ac o n f i g u r a t i o n p a r a m e t e r sb e t w e e nt h ek e r n e ls p a c ea n du s e rs p a c ei nl i n u xs y s t e m ，t h ec o n f i g u r a t i o n p a r a m e t e rs t r u c t u r ei sd e s i g n e d t h ee p ap a r a m e t e r sa r ec o n f i g u r e di nt h en e t w o r ki n p u ta n d o u t p u tc o n t r o li n t e r f a c ef u n c t i o no f t h el i n u xk e r n e l t h ep a p e r p r o v i d e sas t u d yo nt h ea p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o lo ft h ee p aa n dt h es p e c i f i c i m p l e m e n t a t i o nm e t h o d s ，i n c l u d i n gs o c k e tm a p p i n ge n t i t y ，s y s t e mm a n a g e m e n te n t i t ya n d i i 大连理工大学硕士学位论文 a p p l i c a t i o na c c e s se n t i t y a c c o r d i n gt oi pa d d r e s so fd e v i c ei ne p ap a c k e t ，a p p l da n d p a r a m e t e ri n d e xo b j e c t l do ff u n c t i o nb l o c ki n s t a n c e ，d i f f e r e n te q u i p m e n t s ，p r o c e s s e sa n d p a r a m e t e r sa r ed i s t i n g u i s h e d ，r e q u e s t e d ，r e s p o n d e d ，s e tu pa n dm a n a g e d t h ec u t t i n go fe m b e d d e dl i n u xk e m e l ，d e b u g g i n ga n dc r o s s - c o m p i l i n gi so p e r a t e di nt h e d e s k t o pc o m p u t e r e m b e d d e d l i n u xk e r n e lt e s t i n g ，d r i v e r s p r o g r a mt e s t i n ga n de p a s c h e d u l i n gp r o g r a mt e s t i n ga r eo p e r a t e do nd u t 5 0 0 0e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；l i n u xs y s t e m ；e p a ；p a c k e t ；c o m m u n i c a t i o n s c h e d u l i n g i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 作者签名：曹盖强 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 日期：型! 芏年j 三月j 王日 嗍啤坦月乡日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 嵌入式系统的应用与开发是当今计算机行业发展的一个热点。现今嵌入式系统的应 用领域主要有：国防、通信、电子、办公自动化、机顶盒、掌上电脑( 或p d a ) 、手机 软件、工业控制、信息家电等领域。随着嵌入式应用的深入，嵌入式应用系统的开发和 定制变得越来越重要，而嵌入式操作系统又是嵌入式系统的核心。由于l i n u x 是一个 免费、开放源代码、协作开发的操作系统，它允许用户根据自己的实际需要进行修改和 裁减，并且l i n u x 还具有其它操作系统所难以比拟的安全性和稳定性，因此l i n u x 成为 嵌入式开发的主要操作系统之一。e p a ( 工业以太网) 是应用于工业控制领域的以太网 技术，它在技术上与商用以太网( 即8 0 2 3 标准) 兼容，同时又满足工业控制网络通信 的需求。e p a 具有以下特点【l j ：1 、具有较好的响应实时性：2 、容错性高，在网络局部 链路出现故障的情况下，能在很短的时间内重新建立新的网络链路；3 、软硬件开销较 小；4 、开放性好；5 、满足环境适应性和电磁兼容性的要求；6 、可靠性高，能够长时 间连续稳定运行；7 、满足安全性要求；8 、总线供电；9 、安装方便。因为e p a 标准的 设计完全满足了以上工业控制网络的要求，所以e p a 标准在工业控制领域得到了广泛 的应用。一个优秀的开源操作系统l i n u x 和一个完善的e p a 工业以太网标准的结合，成 为工业控制领域的新亮点。 1 1嵌入式系统的发展现状 1 1 1 嵌入式系统的概念及发展历史 嵌入式系统并没有一个标准的定义，i e e e 是这样定义嵌入式系统的：嵌入式系统 是控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置。i e e e 的定义主要是从应用领域 考虑的，嵌入式系统的实质是以应用为中心，以计算机技术为基础，软、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 2 1 。嵌入 式系统是面向应用的，这一点和通用计算机有着本质的区别。在满足应用的前提下尽可 能的缩小体积，提高系统的反映速度。嵌入式系统主要由嵌入式处理器，相关硬件，嵌 入式操作系统和应用软件等组成。 嵌入式系统自底向上包含3 个部分：硬件平台、嵌入式操作系统和嵌入式应用程序， 如图1 1 所示。硬件平台的核心是嵌入式处理器，它是指令的运算中心。此外，硬件电 路还包括处理器外围电路，片外的存储器r o m 、r a m 和f l a s h ，以及各种实现具体功 能的转换和通信电路等等。操作系统初始化、支配、调度和协调硬件平台的各种资源， 使硬件高效、稳定的运行，同时给应用程序提供调用硬件的接口。 嵌入式l i n u , x 系统上e p a 协议的研究与实现 图1 1 嵌入式系统体系结构 f i g 1 1 s t r u c t u r eo fe m b e d d e ds y s t e m 嵌入式系统发展的三个阶段i j j ： 第一代是单板机，出现在2 0 世纪7 0 年代，只是使用8 位芯片，执行一些控制逻辑。 第二代是单片机，出现在2 0 世纪8 0 年代，单片机一般内部都集成了寄存器、 r o m e p r o m 、总线逻辑、计数器、看门狗、i o 、串行口、脉宽调制输出、a d 和d a 等各种必要功能，可以连接定时器、f l a s hr a m 、e e p r o m 等外设，使其形成了一套独 立的计算机系统，完成各种控制和运算任务。与单板机相比，单片机最大的特点是体积 大大减少，功耗和成本下降，可靠性提高。 第三代是嵌入式处理器，2 0 世纪9 0 年代，在分布控制、柔性制造、数字化通信和 数字化家电等巨大需求的牵引下，要求嵌入式系统要有高速度、高精度、实时处理能力 【4 】，这使得嵌入式处理器具有更高的运算能力和速度，因此处理器由8 位发展到1 6 位， 再到后来的3 2 位，现在主流的嵌入式系统大多采用3 2 处理器，其中3 2 位a r m 体系结 构已经成为一种事实上的标准。 1 1 2 嵌入式处理器 嵌入式系统由软件和硬件两个部分构成，从硬件角度来说，嵌入式处理器是嵌入式 硬件中最核心的部分，主要可分为四大类p j ： ( 1 )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 ) 嵌入式微控制器实际上指的是单片机，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。 与嵌入式处理器相比，微控制器最大的特点是单片化，体积大大减少，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，比较有代表性的包括 8 0 5 1 、m c s 2 5 1 、m c s 9 6 1 9 6 2 9 6 、p 5 1 x a 、6 8 k 系列、c 1 6 6 1 6 7 等，以及众多专用 m c u 和兼容系列。 ( 2 )嵌入式微处理器( m i c r op r o c e s s o ru n i t ，m p u ) 大连理工大学硕士学位论文 嵌入式微处理器由通用计算机c p u 演变而来，通常情况下，都是具有3 2 位以上的 处理器，具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点。与通用计算机处理器相比， 嵌入式处理器只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这 样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。目前主要的嵌入式处理器类型有 m i p s 、6 8 0 0 0 、p o w e r p c 、s c 一4 0 0 、3 8 6 e x 、a m l 8 6 8 8 、a r m s t r o n g a r m 系列等。 ( 3 ) 嵌入式d s p 处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，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有特 殊的设计，具有很高的编译效率和执行速度。在数字滤波、f f t 、谱分析等各种仪器上 d s p 获得了大规模的应用。d s p 处理器比较有代表性的产品是t i 公司的t m s 3 2 0 系列 和f r e e s c a l e 公司的d s p 5 6 0 0 系列，另外，i n t e l 的m c s 。2 9 6 和s i e m e n s 的t r i c o r e 也有 各自的应用范围。 ( 4 ) 片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) s o c 是追求产品系统最大包容的集成器件 6 1 ，s o c 最大的特点是成功实现了软硬件 无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。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。这样以来，除个别无法集成 的器件外，整个嵌入式系统大部分都可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将 变得很简洁，对于减小体积和功耗，提高可靠性非常有利。比较典型的s o c 芯片有p h i l i p s 的s m a r tx a ，m o t o r o l a 的m c o r e 、n e u r o n 芯片等。 1 1 3 嵌入式系统软件 随着嵌入式硬件的发展，嵌入式软件变得越来越复杂，从最初的控制程序逐步发展 为嵌入式操作系统( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m s ，e o s ) 。e o s 的出现大大简化了应用 程序的设计，并可以有效保障软件质量和缩短开发周期。在众多的e o s 中，l i n u x 以其 体积小、源码开放、跨平台性好、裁剪移植简单等诸多优势越来越受到人们的关注。嵌 入式l i n u x 系统有如下的优点【7 】： ( 1 ) 其源代码公开，人们可以任意修改，以满足自己的应用需求。 ( 2 ) 遵从g p l ，无需为每例应用交纳许可证费。 ( 3 ) 有大量的应用软件可用。其中大部分都遵从g p l ，是开放源代码和免费的， 可以稍加修改后应用于用户自己的系统。 ( 4 ) 有大量的、免费的、优秀的开发工具【8 】，且都遵从g p l ，是开放源代码的。 ( 5 ) 有庞大的开发人员群体。无需专门的人才，只要懂u n i x l i n u x 和c 语言即 可。随着l i n u x 在中国的普及，这类人才越来越多。所以软件的开发和维护成本很低。 嵌入式l i n u x 系统上e p a 协议的研究与实现 ( 6 ) 优秀的网络功能，这在i n t e m e t 时代尤其重要。 ( 7 ) 稳定，这是l i n u x 本身具备的一个很大的优点1 9 。内核精悍，运行所需资源 很少，十分适合嵌入式应用。 ( 8 ) 支持的硬件数量庞大 1 0 】，嵌入式l i n u x 和普通l i n u x 并无本质区别，p c 上 用到的硬件嵌入式l i n u x 几乎都支持，。而且各种硬件的驱动程序源代码都可以得到，为 用户编写自己专有硬件的驱动程序带来很大方便。 1 1 4 嵌入式系统开发流程 嵌入式系统设计开发流程主要包括【1 1 】：用户需求分析、系统设计、系统实现，以及 测试等流程，一般情况下采用软硬件同步设计的方法，其基本流程如图1 2 所示。 图1 2 嵌入式系统的开发流程图 f i g 1 2e x p l o i t in gf l o wc h a r to fe m b e d d e ds y s t e m 1 2 课题研究的背景 当前，以太网和无线通信技术在工业企业综合自动化系统中的信息管理层、监控级 网络得到了广泛应用，并有直接向下延伸，应用于工业测量与控制系统的现场设备级网 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 络的趋势【1 2 1 。在此大环境下，e p a ( e t h e r n e tf o rp l a n ta u t o m a t i o n ) 1 3 1 是在国家标准化 管理委员会、全国工业过程测量与控制标准化技术委员会的支持下，由浙江大学、浙江 中控技术有限公司、中国科学院沈阳自动化研究所、大连理工大学、重庆邮电学院、清 华大学、上海工业自动化仪表研究所、机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、北京华 控技术有限责任公司等单位联合成立的标准起草工作组，经过3 年多的技术公关而提出 的基于工业以太网的实时通信控制系统解决方案。 e p a 实时以太网技术的公关，以国家“8 6 3 计划c i m s 主题系列课题“基于高速 以太网技术的现场总线控制设备 、“现场级无线以太网协议研究及设备开发”、“基 于蓝牙技术的工业现场设备”、“监控网络及其关键技术研究”，以及“基于e p a 的 分布式网络控制系统研究和开发 ，“基于e p a 的产品开发仿真系统”等滚动课题为 依托，先后解决了以太网用于工业现场设备间通信的确定性和实时性、网络供电、互可 操作、网络安全、可靠性和抗干扰等关键性技术难题【1 4 】，开发了基于e p a 的分布式网 络控制系统，首先在化工、制药等生产装置上获得成功应用。在此基础上，标准起草工 作组起草了我国第一个拥有自主知识产权的现场总线国家标准用于工业测量与控制系 统的e p a 通信标准。 e p a 通信标准的制定大大促进了以太网进入工业控制领域的步伐，e p a 不但可以和 商用以太网很好的兼容，而且能够满足工业现场要求的确定性【l5 1 、实时性、安全性和抗 干扰等条件。因此，e p a 标准获得了很多设备制造商的青睐，并将其应用到具体的嵌入 式现场设备和监控设备中。 1 3 课题主要内容及论文结构 课题内容主要研究以a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器为核心的嵌入式系统，包括此平台下 l i n u x 内核的分析、修改和移植，植入e p a 的通信调度管理实体，在此系统上实现工业 以太网实时性的要求，同时可以和公共以太网兼容，并具有互访问能力。 主要研究内容如下： ( 1 ) 研究分析l i n u x 操作系统内核的启动过程、组织结构和运行原理。 ( 2 ) 掌握l i n u x 内核的裁剪过程和建立根文件系统的过程。 ( 3 ) 研究e p a 协议标准，及在a r m 体系结构下l i n u x 内核中的实现。 ( 4 ) 研究用c 语言实现的套接字映射实体、e p a 系统管理实体和e p a 应用访问 实体。 论文结构共分五章： 嵌入式l i n u x 系统上e p a 协议的研究与实现 第一章介绍嵌入式系统的概念、发展状况、以及嵌入式系统的硬件、软件和开发过 程。介绍工业以太网的概念，阐述e p a 标准的制定过程和主要目的。 第二章主要阐述a r m 体系结构和编程模型，以及a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器的片上资源 和结构图分析，最后介绍了实验平台d u t 5 0 0 0 的系统资源和硬件结构。 第三章详细分析了l i n u x 的内核结构、启动过程、进程管理、中断和中断处理机制， 以及内核同步方法、数据保护、内核时问概念、时间管理和l i n u x 的网络体系结构等： 第四章介绍e p a 的通信模型和通信调度原理，研究e p a 通信调度在l i n u x 内核中 的实现，以及e p a 应用层协议中套接字映射实体、系统管理实体和应用访问实体的设 计与实现。设计了l i n u x 内核中的e p a 调度规则，通过l i n u x 的服务质量接口，对e p a 报文进行调度。研究了e p a 应用层协议栈的实现方法。 第五章讲述在a r m 平台下移植兼容e p a 通信协议的l i n u x 内核，包括内核的裁剪 与编译、下载与运行的过程；利用b u s y b o x 建立基本的根文件系统，并对根文件系统进 行完善；下载驱动程序和应用程序，最后运行系统，得出了e p a 通信调度的测试结果。 大连理工大学硕士学位论文 2a r m 微处理器体系结构 2 1 a r m 体系结构及编程模型 2 。1 1a r m 微处理器简介 a r m 全称为a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ，其实是一家位于英国剑桥区的电子公司名 字。a r m 是全球著名的3 2 位嵌入式r i s c 芯片内核的设计公司，也是a r m 的产品商 标，其产品a r m 嵌入式内核已被全球各大芯片厂商采用。a r m 的核心业务是销售芯 片核心技术知识产权( i p ，i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 。当前，采用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理器遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统和无线系统等领域。 a r m 处理器特点1 1 6 j ： ( 1 ) 体积小、功耗低、成本低、高性能； ( 2 ) 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能够兼容8 位和1 6 位器件； ( 3 ) 大量使用寄存器，因而指令执行速度更快； ( 4 ) 绝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，采用固定长度的指令格式。 a r m 处理器家族包括a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 、a r m l1 和s e c u r c o r e 几个系列【l7 1 。其中a r m 9 系列又包含a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 和a r m 9 4 0 t 三种类型。 本课题用到的a t m e l 公司的a t 9 1 r m 9 2 0 0 就是融合了a r m 9 2 0 t 核心架构的处理器。 2 1 2a r m 9 2 0 t 内部功能 a r m 提供一系列内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案。下面以a r m 9 2 0 t 为例来说明a r m 的硬件构架。一个a r m 9 2 0 t 的c p u 内核架构如图2 1 所示。 从2 1 图可知，a r m 芯片的核心由一个a r m 9 t d m i 的3 2 为r i s c 处理器、一个 数据缓存( d a t ac a c h e ) 、一个数据存储管理单元( d a t am m u ) 、一个指令缓存( i n s t r u c t i o n c a c h e ) 、一个指令存储管理单元( i n s t r u c t i o nm m u ) 、一个写缓冲( w r i t eb u f f e r ) 和 一个回写存储器单元( w r i t eb a c kp at a g 洲) 构成，实现指令与数据的并行处理j 这些部件又通过a m b a 总线( a m b ab u s ) 相互传输数据。另外，还有4 个与外围部 件进行数据交换的接口：总线接口( a m b ab u si n t e r f a c e ) 、扩展协处理器接口( e x t e r n a l c o r p r o c e s s o ri n t e r f a c e ) 、跟踪接i ：i ( t r a c ei n t e r f a c e ) 和j t a g ，它们可以连接d m a 控 制器、u a r t 、u s b 、中断控制器和电源管理器等。这个a r m 核心通过与外围部件的 共同工作，完成整个嵌入式系统的数据处理任务。 嵌入式l i n u x 系统上e p a 协议的研究与实现 图2 1a r m 9 2 0 t 的c p u 核构架 f i g 2 1 c p uk e r n e ls t r u c t u r eo fa r m 9 2 0 t a s b 卜 1 ：o 】 2 1 3a r m 编程模型 所谓编程模型，指的是开发人员在软件编程时对象的特点。而a r m 编程模型也就 是a r m 体系结构的特点。删处理器的运行模式有7 种，分别为： ( 1 ) 用户模式( u s e r , u s r ) ：正常程序执行时，a r m 处理器所处的状态。 ( 2 ) 快速中断模式( f i q ，f i q ) ：用于快速数据传输和通道处理。 ( 3 ) 外部中断模式( i r q ，i r q ) ：用于通常的中断处理。 ( 4 ) 特权模式( s u p e r v i s o r ，s v e ) ：供操作系统使用的一种保护模式。 ( 5 ) 数据访问中止模式( a b o r t ，a b t ) ：当数据或指令预取终止时进入该模式，用 于虚拟存储及存储保护。 ( 6 ) 未定义指令终止模式( u n d e f i n e d ，u n d ) ：用于支持硬件协处理器软件仿真。 ( 7 ) 系统模式( s y s t e m ，s y s ) ：用于运行特权级的操作系统任务。 通常情况下，应用程序运行在用户模式下，这时应用程序不能访问一些受操作系统 保护的系统资源，同时应用程序也不能直接进行处理器模式的切换。当应用程序发生异 常中断时，处理器进入相应的异常模式。在每一种异常模式中都有一组属于自己的寄存 大连理工大学硕士学位论文 器，供相应的异常处理程序使用，这样可以保证异常模式时，用户程序下的寄存器值不 被破坏。系统模式属于特权模式，他和用户模式由完全一样的寄存器，在该模式下，可 以访问所有的系统资源，也可以直接进行处理器模式切换。但是应该注意，从用户模式 进入到系统模式，并不是通过异常过程进入的。图2 2 列出了各种处理器模式下可见的 寄存器情况。 s y s t e m & u s e r r 0 r l r 2 r 3 r 4 r 5 r 6 r 7 r 8 r 9 r 1 0 r 1 1 r 1 2 r 1 3 r 1 4 r 1 5 ( p c ) i t , = 分组寄存器 a r m 状态下的通用寄存器与程序计数器 c p s r ls p s r _ f i q s u p e r v i s o r a b o r t i r q u n d e f i n e d i 如 r l r 2 r 3 r 4 r 5 r 6 r 7 r 8 r 9 r l o r ll r 1 2 l r 1 3 一s v c l r 1 4 一s v c r 1 5 ( p c ) r o r l r 2 r 3 r 4 r 5 r 6 r 7 r 8 r 9 r 1 0 r l l r 1 2 l r 1 3 一a b t l r 1 4 一a b t r 1 5 ( p c ) a r m 状态下的程序状态寄存器 c p s r ls p s r s v c c p s r ls p s r _ a b t r 0 r 1 r 2 r 3 r 4 r 5 r 6 r 7 r 8 r 9 r 1 0 r l l r 1 2 l r 1 3 一i r q lr 1 4 _ i r q r 1 5 ( p c ) c p s r s p s r _ i r q 图2 2 各种处理器模式下可见的寄存器情况 f i g 2 2 v i s i b l er e g i s t e r si na l ls o r t so fp r o c e s s o rm o d e s a r m 处理器共有3 7 个寄存器，其中3 1 个为通用寄存器，6 个为状态寄存器，这些 寄存器都是3 2 位的。a r m 处理器运行在每一种模式下时，都会使用属于自己的一组寄 存器组，通常包括1 5 个通用寄存器( r 0 - r 1 4 ) 、一个或两个状态寄存器及程序计数器 ( p c ) 。每一种模式下的寄存器组是部分重叠的。 嵌入式l i n u x 系统上e p a 协议的研究与实现 通用寄存器中r 0 - r 7 是所有处理器模式共用的一组寄存器，也就是说，在从一种 模式切换到另一种模式时，必须保存它们的值。r 8 r 1 4 为备份寄存器，其中对于r 8 r 1 2 来说，每一个寄存器对应两个不同的物理寄存器，r 1 3 和r 1 4 对应6 个不同的物理寄存 器。r 1 3 通常用作堆栈指针，采用“r 1 3 ”这样的记号来区分各个物理寄存器， 的取值为：u s r 、s v c 、a d t 、u n d 、i r q 和f i q 这六种。r 1 4 寄存器有两种特殊的作 用：一是在用户模式下，r 1 4 用做连接寄存器( l r ) ，存放子程序被调用时的返回地址。 二是在异常处理模式下，r 1 4 用来保存异常的返回地址。r 1 5 为程序计数器( p c ) ，由 于a r m 采用了流水线机制，因此p c 的值为当前指令地址的值加8 个字节，也就是说， p c 指向当前指令的下两条指令的地址。 在a r m 处理器中，程序状态寄存器用来保存程序执行时的各种状态值，包括条件 标志位，中断禁止位，当前处理器模式标志和其他一些位。程序状态寄存器分为c p s r 和s p s r 两种类型。在任何一种处理器模式下，都会由一个共用的c p s r ，另外，异常 模式下还会有一个专用的s p s r ( 备份程序状态寄存器) 。当异常发生时，这个寄存器 用于存放当前程序状态寄存器的内容，当退出异常处理时，再把s p s r 中的值恢复到 c p s r 中，c p s r 和s p s r 格式是相同的。 2 2a t 9 1r m 9 2 0 0 处理器简介 a t 9 1 r m 9 2 0 0 是a t m e l 公司围绕a r m 9 2 0 ta r mt h u m b 处理器构建的系统。它有 丰富的系统与应用外设及标准接口，从而为低功耗、低成本、高性能的计算机宽范围 应用提供一个单片解决方案。a t 9 1 r m 9 2 0 0 工作于1 8 0 m h z 时性能高达2 0 0 m i p s 。功耗 低，v d d c o r e 电流为3 0 4 m a ，待机模式电流为3 1 m a 。 2 2 1a t 9 1r m 9 2 0 0 片上资源 作为一款高性能的工业级微控制器，a t 9 1 r m 9 2 0 0 内部集成了丰富的外围功能模块 和标准接口，为高性能的嵌入式应用提供了灵活的解决方案。它拥有1 6 k 字节的数据缓 存，1 6 k 字节的指令缓存，写缓冲器含有调试信道的内部仿真器；内部存储器，s r a m 为1 6 k ，r o m 为1 2 8 k ：外部总线接口( e b i ) 支持s d r a m ，b u r s tf l a s h 及n a n df l a s h 。 片内集成了非常丰富的外围功能模块，包括全功能m m u 虚拟内存管理单元、内部1 6 k b s r a m 和1 2 8 k br o m 、e b i 接口控制器、增强的时钟和p m c ( 电源管理控制器) ，带 有2 个p l l ( 锁相坏) 的片内振荡器，4 个可编程的外部时钟信号，包括定时中断、看 门狗、秒计数器的系统定时器，带报警中断的实时时钟，带有8 级优先级、可单个屏蔽 中断源的a i c ( 先进中断控制器) ，7 个外部中断源和1 个快速中断源，4 个3 2 位的i o 大连理工大学硕士学位论文 控制器，2 0 通道外围数据控制器( p d c 或d m a ) ，1 个1 0 m b i t s s 1 0 0 m b i t s s 以太网控 制器，1 个u s b 2 0 主机接口，1 个u s b 2 0 设备接口，2 个多媒体卡接口，3 个s s c ( 同 步串行口控制器，兼容i i s ) ，4 个u a s r t ( 通用同步异步串行口) ，1 个主从s p i ( 串 行设备接口) ，1 个两线串行接口t m ( 主模式) ，j t a g i c e 接口等【1 8 1 。 2 2 2a t 9 1r m 9 2 0 0 处理器主要特性 ( 1 ) 处理器：其内核a r m 9 t d m i 基于a r m v 4 t 架构，具有两套指令集：3 2 位 高性能a r m 指令集和1 6 位高代码密度的t h u m b 指令集，采用5 级流水线结构：取指 令( f ) 、指令译码( d ) 、执行( e ) 、数据存储器( m ) 、写寄存器( w ) 。 ( 2 ) 引导程序：a t 9 l i 洲9 2 0 0 复位后自动检测b m s 引脚，b m s 为高电平时，处 理器从内部r o m 启动，低电平时，从连接n c s 0 上的f l a s h 存储器启动。 ( 3 ) 增强的中断控制器：提供3 2 个可独立屏蔽的中断源向量，其中，中断源0 为快速中断输入( f i q ) ，中断源1 为系统外设( s t 、r t c 、p m c 、d b g u ) ，中断 源2 到中断源3 1 控制3 0 个嵌入式外设中断或外部中断。可编程选择边沿触发或是电平 敏感的内部中断；可编程选择的正负边沿触发或高低电平触发的外部中断源。8 级优 先控制器处理1 3 1 个中断源的优先级。 ( 4 ) 电源管理控制器：集成了两个振荡器和两个p l l ，产生系统所有的时钟，优 化整个系统功耗，有四种工作模式：正常模式、空闲模式、慢时钟模式及