（计算机应用技术专业论文）基于嵌入式linux的web和邮件服务器的设计与实现.pdf

中文摘要 翥士萎墨黻薹于凌垄逾硕士生：车飞锋( 签名)趁竺! 型 指导教师：孟开元( 签名) 壶互越 嵌入式l i n u x 作为一种源码开放、安全可靠的系统平台，已成为嵌入式系统的首选 操作系统。随着i n t e r a c t 的迅猛发展，如何让嵌入式系统接入网络已经成为信息领域研 究和应用的热点，越来越受到人们的重视。 本论文采用h t t p 协议和c g i 技术设计和实现了一个嵌入式w e b 服务器，该w e b 服务器能与客户端浏览器进行动态交互，实现了对嵌入式设备的状态监测和远程控制。 通过在嵌入式l i n u x 下设计与开发邮件收发系统，可以实现系统报警、动态交互以及发 送报表等功能。 论文首先介绍了a r m 和嵌入式l i n u x 操作系统的特点和当前的发展概况。然后阐 述了以a t 9 1 r m 9 2 0 0 为核心的开发平台的硬件组成及其实现，再以此硬件平台为基础， 详细论述了嵌入式系统软件开发流程以及移植到具体硬件平台需要完成的工作，如 u b o o t 的移植、l i n u x 内核的编译与裁减、文件系统的制作等。最后设计并实现了嵌入 式w e b 服务器和邮件发送系统。 关键词：a r m ；嵌入式l i n u x ；w e b 服务器；邮件服务器 论文类型：应用研究 ( 本研究得到陕西省自然科学基金项目“面向移动视频信息处理的嵌入式软、硬件平台 技术的研究( 2 0 0 6 f 4 4 ) 基金的资助) u 英文摘要 s u b j e c t ：d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ew e b & m a i ls e r v e rb a s e do ne m b e d d e d l i n u x s p e c i a l t y ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n n a m e ： c h e f e i f e n g ( s i g n a t u r e ) i n s t r u c t o r ：m e n gk a i y u a n ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t a sa no p e n - s o u r c e ，s e c u r ea n dr e l i a b l es y s t e mp l a t f o r m ，e m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n g s y s t e mh a sb e c o m et h ef i r s tc h o i c eo fe m b e d d e ds y s t e m s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f i n t e m e t ，h o wt om a k ee m b e d d e ds y s t e m sa c c e s sn e t w o r kh a sb e c o m et h eh o tt o p i co fr e s e a r c h a n da p p l i c a t i o ni nt h ef i e l do fi n f o r m a t i o na n di ta t t r a c t sm o r ea n dm o r ep e o p l e sa t t e n t i o n u s i n gt h eh t t pp r o t o c o la n dc g it e c h n o l o g y , t h ep a p e rd e s i g n e da n dr e a l i z e da l l e m b e d d e dw e bs e r v e rw h i c hc o u l dd y n a m i c l yi n t e r a c t 、肮t 1 1t h eb r o w s e ro ft h ec l i e n tt o a c h i e v et h es t a t u sm o n i t o r i n ga n dr e m o t ec o n t r o lo ft h ee m b e d d e dd e v i c e s t h ed e s i g na n d d e v e l o p m e n to f m a i ls y s t e mi ne m b e d d e dl i n u xc a nr e a l i z et h ea l a r mo ft h es y s 舛e m ，d y n a m i c i n t e r a c t i o na n ds e n d i n gr e p o r tf o r m s t h ep a p e rf l r s ti n t r o d u c e dt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ec u r r e n td e v e l o p m e n t so ft h ea r m a n de m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m , t h e ne l a b o r a t e dt h eh a r d w a r ec o m p o s i t i o na n dt h e i m p l e m e n t a t i o no ft h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mw h o s e c o l ei sa t 91r m 9 2 0 0 ，t o o kt h eh a r d w a r e p l a t f o r ma st h ef o u n d a t i o n , e l a b o r a t e dt h ee m b e d d e ds y s t e ms o f t w a r ed e v e l o p m e n tf l o wa s w e l la st h ew o r kw h i c ht r a n s p l a n tt h es o f t w a r et ot h ec o n c r e t eh a r d w a r ep l a t f o r mi nd e t a i l t h e w o r kc o n t a i n st h eu - b o o tt r a n s p l a n t a t i o n ，l i n u xk e m e ic o m p i l i n ga n dr e d u c t i o n , f i l es y s t e m b u i l d i n ga n d o n f i n a l l yt h ee m b e d d e dw e bs e r v e ra n dt h em a i lt r a n s m i s s i o ns y s t e mw a s d e s i g n e da n dr e a l i z e d k e yw o r d s ：a r m | e m b e d d e dl i n u x ；w e bs e r v e r ；m a i ls e r v e r t h e s i s ： a p p l i c a t i o ns t u d y ( t h et h e s i si ss u p p o r t e db y t h es t u d yo fp l a t f o r mi ne m b e d d e ds o f t - a n d - h a r dw a r e o r i e n t e dt oi n f o r m a t i o np r o c e s s i n gi nm o b i l ev i d e o ( 2 0 0 6 f 4 4 ) 9 9 9s c i e n c er e s e a r c h f o u n d a t i o no fs h a a n x ip r o v i n c e ) i i i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 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做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：日期： 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名： 导师签名： 日期：溯岁、上即 日期：翻：兰：竺 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 1 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 随着微处理器技术的发展，嵌入式系统已成为计算机领域的一个重要组成部分。小 到m p 3 、手机、p d a 、智能电子仪表等微型数字化产品，大到数字家电、车载g p s 卫 星定位器以及一些工业控制设备等都可以称为嵌入式系统。 根据i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义：嵌入式系统是“用于控制、监视 或者辅助操作机器和设备的装置 。国内一般定义为：“以应用为中心，以计算机技术为 基础，软硬件可裁减，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。也就是说，嵌入式系统是一个计算机硬件与软件的集合体，有时还涵盖机 械或其它的附属装置，它是为了完成某种特定的功能而设计的。可以认为凡是带有微处 理器的专用软硬件系统都可以称为嵌入式系统。a r m 是目前使用广泛的主流的嵌入式微 处理器【l 】，而软件方面主要用源代码开放的l i n u x 操作系统1 2 1 。 嵌入式系统可能存在于生活的方方面面中，从家里的洗衣机、冰箱，到作为交通工 具的自行车、汽车，到办公室里的远程会议系统等等，都属于可以使用嵌入式技术开发 和改造的产品。目前大多数嵌入式系统还处于单独应用的阶段，以m c u 为核心，与一 些监测、伺服、指示设备配合实现一定的功能。i n t e m e t 现已成为社会重要的基础信息设 施之一，是信息流通的重要渠道，如果嵌入式系统能够连接到i n t e m e t 上面，则可以方 便地、低廉地将信息传送到几乎世界上的任何一个地方。因此如何将嵌入式设备有效的 接入互联网，并通过w e b 实现嵌入式设备和控制中心的交互，是当前嵌入式技术的热点 问题。 作为新一代嵌入式系统的核心，嵌入式网络软件主要负责嵌入式环境下的网络连接、 网络通讯以及网络信息的获取。从功能角度来说，嵌入式网络软件主要包括：嵌入式网 络浏览器、嵌入式邮件客户端、嵌入式网络服务器和网络协议栈等网络应用软件【3 】。其 中，嵌入式网络浏览器主要用于嵌入式环境下的网络信息浏览，比如手机中的w a p 浏 览器；嵌入式邮件客户端主要用于嵌入式环境下的电子邮件通讯；嵌入式网络服务器主 要用于嵌入式设备的网络控制与管理【4 】；而网络协议栈则主要负责嵌入式环境下的网络 连接与通讯。 尽管i n t e m e t 提供w w w 、s m t p 和f t p 等许多服务，但是发展最快且被广泛使用 的还是w w w ( 也称w e b ) 服务。w e b 服务是指用户通过w e b 浏览器接入网络，读取 w ，e b 服务器的内容和信息的技术，就是同上所说的上网浏览信息。嵌入式w 曲服务器就 是指将嵌入式设备进行网络化，使其成为支持t c p i p 等i n t e m e t 有关协议的w e b 服务器， 用户就可以使用w e b 浏览器进行远程监测管理该嵌入式设备。由于h t m l 语言的标准 西安石油大学硕士学位论文 同一性，只要在嵌入式设备中有一个微型服务器，就可以使用任何一种w e b 浏览器接收 和发送信息。所以如何设计这种特别的w e b 服务器，如何在嵌入式设备中安置w e b 服 务器，就成为嵌入式w e b 服务器的发展和研究方向。 嵌入式w e b 服务器技术是嵌入式技术网络化的重要应用，它的出现，极大的推动了 嵌入式系统的应用，同时对嵌入式技术图像化、远程控制等都具有重要意义： 不需要铺设专用的通信线路，通过现有的i n t e r n e t 网络线路就可以将设备的监控 延伸到世界的任何地方； t c p i p 协议是非常成熟和公开的协议，可以利用各种w - e b 浏览器软件读取信息； 信息直接反映在色彩丰富的网页上，形式可以是数据、文字、图像、表格，实 时数据会自动更新，设备的操作会有及时可见的反馈； 每次信息传输都可以让相应的客户机按照各自的需要给予显现和操作。 作为基本的电子邮件通讯软件，嵌入式邮件客户端在嵌入式网络软件中具有非常重 要的地位，目前己经成为仅次于嵌入式网络浏览器的第二大嵌入式网络软件【5 】。就国内 而言，正在进行的数字电视广播网络的建设，将大大促进电信网、广播电视网和计算机 网的三网融合，从而使未来的数字电视成为综合性的家庭娱乐平台，嵌入式邮件客户端， 将成为其中一种重要的网络应用软件。 本课题得到陕西省自然科学基金项目：“面向移动视频信息处理的嵌入式软、硬件平 台技术的研究( 2 0 0 6 f 4 4 ) 和北京安控科技发展有限公司的支持。 1 1 2 课题研究的意义 i n t e r n e t 的迅猛发展，传统的c l i e n t s e r v e r ( 客户机服务器) 体系结构【6 】，渐渐的在 某些方面显示出它的局限性，b r o w s e r s e r v e r 结构( 浏览器, i l l 务器) 1 6 】的出现恰恰弥补 了这种缺陷。b s 方式已成为一种时尚，大部分网络应用系统都是以这种b s 方式与网 络用户交换信息。b s 的基础是客户端要有一个浏览器程序，服务器端要有一个与之对 应的w e b 服务器。显然，w r e b 服务器在b s 方式下起着决定性的作用，因此，一般互联 网站都采用功能强大的通用w e b 服务器。但对于嵌入式系统，所需的w e b 服务功能比 较简单，如果仍然采用大型的通用w e b 服务器，无疑是一种资源的浪费。解决方法是使 用功能相对简单、体积更小、消耗资源更少的简单w e b 服务器，于是嵌入式w e b 服务 器 7 1 就应运而生了。 油田的生产现场一般都比较分散，日常生产管理难度大、成本高，有些现场的工作 状况主要靠工人一天一次的巡视报告来判断，其可靠性主要靠工人的劳动态度保证，有 时发生故障不能及时被发现，得不到及时地处理和有效地解决。如果设计一个嵌入式 w e b 服务器，该w e b 服务器能与客户端浏览器进行动态交互，这样就可使管理人员无论 何时何地，都可以十分方便地利用w e b 浏览器对其进行远程的管理和控制，实现了对嵌 入式设备的状态查看和远程控制。 2 第一章绪论 通过在嵌入式l i n u x 下设计与开发邮件收发系统，可以实现系统报警、动态交互和 发送报表等功能。该邮件系统按照s m t p 和p o p 3 协议的规范，实现邮件系统的收发功 能，包括邮件服务器和邮件客户端两部分。邮件服务器实现邮件的保存和传送功能。客 户端可以执行邮件编辑、发送和接收邮件等操作。 1 2 国内外研究现状 嵌入式系统软件，支撑软件及应用软件近年有迅猛的发展。嵌入式操作系统国外有 v x w o r k s 、w i n c e 、p a l m o s 等。我国开发的有中软l i n u x 2 0 及红旗l i n u x 等；嵌入式 w e b 浏览器国外开发的有a c c e s sn e t f r o n t 、l i n e oe m b e d i x 、微软p a c k e t i e 等。我国有 h o p e nb r o w s e r 、深圳茁壮i p a n e t 等；嵌入式软件开发平台及工具如j a v a2m i c r oe d i t i o n ( j 2 m e ) 用于消费类产品，国内外有大量嵌入式应用软件已广泛用于各类嵌入式系统中。 对于嵌入式w e b 服务器方面的研究国内现状不容乐观。目前国外这方面的研究相对 很多，如邮m 研究项目，它是一个为微控制器和嵌入式系统而设计的小型t c p i p 协议 栈；又例如c m x 公司的m i c r o n e tt c p i p ，它是为8 位或1 6 位微处理器而设计的，支 持大部分的标准协议，连接方式有以太网连接、拨号连接和直接连接方式。其他的产品 如p h a r l a 公司的m i c r ow e b ，a g r a n a ts y s t e m s 公司的e m w e b ，e m w a r e 公司的e m m i c r o ， a l l e g r o 公司的r o m p a g e r ，w i n dr i v e r 公司的w i n d ，还有b o a 、e n e a 、p i e o w e b 、c h i p w e b 、 i p i e 、n e t a e q u i r e 、v o y a g e r 、q u i o t i x 等。国内也相应提出了w e b i t 0 协议标准，但是相对 滞后，缺少具体的工程实现方面的研究和具体产品的开发。 应用方面国内外基本相近。目前都是主要应用于各种计算机网络设备的配置与监控 方面。有些公司已经推出了多种以不同方式连接i n t e m e t 的网络化仪器和设备，例如 a g i l e n t 公司研制出了具有w e b 浏览器远程接入功能的逻辑分析仪：c i s c o 公司己开始销 售具备w e b 管理界面的交换机等。但是随着这一技术的成熟与发展，加之这一技术的优 点，目前的文献大都预见：这一技术必将广泛的应用于其它领域，例如：水文资料实时 监测，防洪体系及水土质量监测、堤坝安全，地震监测网，实时气象，水源和空气污染 监测，家政系统：水、电、煤气表的自动抄表，安全防火、防盗系统等。 面对国内外嵌入式w e b 服务器技术发展的差距，考虑到其广泛的应用前景，这一技 术的研究与开发具有一定的迫切性和必要性。 现有的电子邮件客户端都是在p c 上使用的，如在w i n d o v a 3 平台上的有国外的 m i c r o s o f to u t l o o k 、国内的f o x m a i l ，以及l i n u x 平台上的l i a m a i l 、b a l s a 等，虽然这些 产品功能强大，也比较完善，但这些程序都是调用了大量的w i n d o w s 和l i n u x 操作系统 的类库，特别是图形用户界面的类库，由于嵌入式系统的应用程序要求具有响应快、存 储空间小、实时性好、运行时占用内存小等特点，所以不能直接移植到我们需要开发的 嵌入式系统中。 因此，在嵌入式l i n u x 内核和图形用户界面软件平台上，开发适合嵌入式系统需要 3 西安石油大学硕士学位论文 的电子邮件系统，具有成本低、存储空间小、响应速度快等特点，可以广泛使用在各种 嵌入式系统中，具有较高的经济价值。 1 3 课题的研究内容及结构 本课题主要研究了基于嵌入式l i n u x 的w e b 服务器的软、硬件设计及其实现，同时 将此进行延伸，研究了基于嵌入式w e b 的邮件收发系统。本课题采用理论与实践相结合， 整篇文章分为六个部分，分别概述如下： 第一章为绪论，主要论述了课题的研究背景和意义、国内外的研究现状及本论文的 研究内容和结构安排等。 第二章为系统硬件平台的设计和建立，首先对a r m 微处理器进行了简介，其次介 绍了硬件平台的设计，包括器件选型、硬件平台的核心板电路设计和扩展板电路设计等。 第三章介绍系统软件的设计，先简述了嵌入式操作系统l i n u x ，其次介绍了开发环 境的构建，再对启动程序b o o t l o a d e r 、l i n u x 的移植进行了较为详细的论述，最后是根 文件系统的制作及系统测试。 第四章介绍了嵌入式w e b 服务器的设计及实现，先对嵌入式w e b 服务器技术及发 展状况进行了概述，接着对h t t p 协议及s o c k e t 编程进行了简介，最后是嵌入式w e b 服务器的移植及c g i 动态页面的实现。 第五章为嵌入式邮件发送系统的设计，内容包括系统设计的总体思路，各功能模块 的设计与实现。 第六章对全文进行了总结和展望。 4 第二章系统的硬件设计 第二章系统的硬件设计 从第一片a r m 处理器设计研发出来距今已有2 0 多年。经过2 0 多年的发展，a r m 己成为3 2 位嵌入式应用领域、全球范围内最广泛使用的处理器。a r m 公司将a r m 核 授权给几乎所有的半导体公司，由这些公司根据其市场定位设计和制造出各种基于a r m 核且具有自己公司产品特色的s o c 芯片，广泛应用于嵌入式系统的开发中。下面将对 a r m 微处理器进行简要的介绍。 2 1a r m 简介 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 既可以认为是一个公司的名字，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。1 9 8 5 年4 月2 6 日，第一个a r m 原 型在英国剑桥的a c o r n 计算机有限公司诞生，由美国加州s a nj o s ev l s i 技术公司制造。 2 0 世纪8 0 年代后期，a r m 很快开发成a c o r n 的台式机产品，形成英国的计算机教育基 础。1 9 9 0 年，为广泛推广a r m 技术而成立了独立的公司：a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s l i m i t e d ( 简化为a r ml i m i t e d ，a r m 公司) 。此时，a r m 代表着a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ， 新公司成立于1 9 9 0 年1 1 月，由苹果电脑、a c o r n 电脑集团和v l s it e c h n o l o g y 合资组建。 当时，a c o r nc o m p u t e r s 推出了世界上首个商用单芯片r i s c 处理器- a r m 处理器。 目前，a r m 微处理器已遍及工业控制、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人们生活的各个方面【l j 。 a r m 的成功，一方面得益于它独特的公司运作模式，另一方面，当然来自于a r m 处理器自身的优良性能，a r m 处理器有如下特点： 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) 双指令集，能很好地兼容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 微处理器包括下面几个系列的处理器产品以及其它厂商基于a r m 体系结构的 处理器。a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 e 、a r m l l 、s e c u r c o r e 、o p t i m o d e 数据引 擎内核、m p c o r e 多处理器、s t r o n g a r m 及x s c a l e 处理器系列。 其中，a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 和a r m l 0 e 为4 个通用处理器系列，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。s e c u r c o r e 系列专门为安全要求较 高的应用而设计陟1 0 1 。 5 西安石油大学硕士学位论文 2 2 硬件平台设计 进行嵌入式操作系统及驱动程序的移植，都需要对所要移植的目标硬件平台有比较 深入的理解。本文选用的c p u 是a t m e l 公司的a r m 9 2 0 t 核的a t 9 1 r m 9 2 0 0 微处理器， 是专门为i n t e m e t 设备和手持设备等开发的高性能、低功耗的微处理器。a t 9 1 r m 9 2 0 0 即为一款带m m u 的a r m 微处理器，可在其上运行标准的l i n u x 操作系统，以减少软 件开发时间。下面将简要介绍硬件系统的开发平台、器件选型及部分硬件接口电路的设 计等。 2 2 1 开发平台硬件设计概述 本开发平台的硬件设计由主板和扩展板两部分构成。主板包括了本系统要正常运行 所必备的基本电路，除了处理器还包括运行程序和缓冲数据所必须的s d r a m 、固化程 序用的f l a s h 存储器和产生时钟的晶振等，而扩展板提供串口、c a n 等扩展接口电路。 系统的结构框图如图2 1 所示： 以太网接口 3 2 ms d r a mi i 8 mf l a s h| | e t h e r n e tp h y 罴bd e v 竺i c ep o r 旧t 删一0 0 l ，l - - - j 、j u sr _ 1 e p r o mi i c a n 总线接口ll 系统电源 i c e 调试端口 2 3 2 调试串口 图2 1 开发平台系统框图 整个开发平台以a t 9 1 r m 9 2 0 0 为核心，通过其外围控制器以及接口芯片控制着各个 功能模块。u b o o t 、l i n u x 内核、文件系统都烧写在f l a s h 中，系统启动之后，u b o o t 将内核、文件系统拷贝到s d r a m 上运行。 2 2 2 器件选型 嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成。嵌入式系统的硬件核心部件是各种类型的 嵌入式微处理器。因此，嵌入式硬件平台的选型主要是嵌入式处理器的选型。在一个系 统中使用什么样的嵌入式处理器内核主要取决于应用的领域、用户的需求、成本、开发 的难易程度等因素。首先，考虑处理器的时钟频率、内部寄存器的大小、指令系统等； 其次，由于嵌入式系统已被广泛应用于便携式和移动性较强的产品中，而这些产品并不 6 第二章系统的硬件设计 是一直都有充足的电源供应，往往是靠电池来供电，所以这些产品中的微处理器要求高 性能、低功耗；还有，就是通常要考虑系统外围设备：是否有通用串行接口、以太网接 口、外设接口、d a 或a d 转换器等；另外，还应考虑处理器的寻址空间，是否需要片 上f l a s h 存储器，处理器是否容易调试，仿真调试工具的成本和易用性等相关的信息。 在实际过程中，挑选最好的硬件是一项很复杂的工作，充满着各种顾忌和干扰，包 括其他工程的影响以及缺乏完整或准确的信息等。成本是一个关键因素。注重成本时， 一定要考虑产品的整体成本，而不要只看到c p u 。有时一个快速而廉价的c p u 可能会 成为这个产品的成本居高不下的根源，因为往往还需要加上总线和延迟逻辑，以便使系 统的各种外设能够协同工作。一个设计者应该尽量制订一个合理的预算，进行必要的系 统功能分析，以使所选用的硬件能够完成所需要的处理任务。 a r m 微处理器的选型主要有下面三个指标： 系统的工作频率。系统的工作频率在很大程度上决定了a r m 微处理器的处理能 力。a r m 7 系列微处理器的典型处理速度为0 9 m i p s m h z ，常见a r m 7 芯片系 统主时钟为2 0 1 3 3 m h z ；a r m 9 系列微处理器的典型处理速度为1 1 m i p s m h z ， 常见a r m 9 芯片系统主时钟为1 0 0 2 3 3 m h z ； 芯片内存储器的容量。大多数a r m 微处理器片内存储器的容量都不大，需要用 户在设计时外扩存储器； 片内外围电路的选择。除a r m 微处理器核以外，几乎所有a r m 芯片均根据不 同的应用领域，扩展相关功能模块，并集成在芯片之中，称之为片内外围电路。 设计者应分析系统的需求，尽可能采用片内外围电路完成所需的功能，这样可 以简化系统的设计，同时提高系统的可靠性。 a r m 9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。具有以下特点【l o 】： 5 级整数流水线，指令执行效率更高； 提供1 1 m i p s m 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； 全性能的m m u ，支持w m d o w sc e 、l i n u x 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 系列包括a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 和a r m 9 4 0 t3 种类型。本文介绍的 a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器采用a r m 9 2 0 t 核【1 1 】。它是一款带m m u 的a r m 微处理器，可在 其上运行标准的l i n u x 操作系统，以减少软件开发时间。 2 3a t 9 1 r l v l 9 2 0 0 简介 a t 9 1 r m 9 2 0 0 是完全围绕a r m 9 2 0 一a r m t 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的接口，从而为低功耗、低成本、高性能的计算机宽范围应用 7 西安石油大学硕士学位论文 提供一个单片解决方案。图2 - 2 为a t 9 1 r m 9 2 0 0 内部框刚1 2 1 。 图2 - 2 t 9 1r m 9 2 0 0 内部结构图 a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器芯片，除了具有a r m 9 系列微处理器一般的特性外，还具有如 下特点： 1 8 0 m h z 运行时有2 0 0 m i p s 的处理能力； 8 第二章系统的硬件设计 1 6 k b 的数据c a c h e ，1 6 k b 的指令c a c h e ； 全功能m m u 支持w i n c e 和l i n u x ； 1 6 i 的内部s 洲和1 2 8 k b 的内部i 的m ； 外部总线接口e b i ： 支持s d r a m 、s r a m 、b u r s tf l a s h ，可以无缝连接到c o m p a c t f l a s h ， c o m p a e t f l a s h ，s m a r t m e d i a t ma n dn a n df l a s h ： 全电源管理功能； 带有8 个优先级、单个屏蔽中断源、s p u r i o u s 中断保护的先进中断控制器； 7 个外部中断源和一个快速中断源； 4 个3 2 位的p i o 控制器可以达到1 2 2 个可编程i o 引脚( 每个都有输入控制、 可中断及开路的输出能力) ； 2 0 通道的外部数据控制器( d m a ) ； 1 0 1 0 0 m 的以太网接口； 两个全速的u s b2 0 主接口和一个从接口； 3 通道1 6 位的定时计数器( t c ) ； 两线接口( t w i ) ； i e e e l1 4 9 1 j t a g 标准扫描接口； 工作环境温度- 4 0 。c + 8 5 。 2 4 基于a t 9 1 r m 9 2 0 0 系统硬件平台的设计 2 4 1 核心板电路设计 核心板包括了本系统要正常运行所必备的基本电路，除了处理器还包括运行程序和 缓冲数据所必须的s d r a m 、固化程序用的f l a s h 存储器和产生时钟的晶振等，由于这部 分电路属于高频电路，为减少对其他扩展部分电路的干扰，故单独设计成一块电路板。 2 4 1 1f l a s h 存储器接口电路 f l a s h 存储器是一种可在系统( i n s y s t e m ) 进行电擦写，掉电后信息不丢失的存储器。 它具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编程( 烧写) 、擦除等特点， 并且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作，因而在各种嵌入式系统中得到了广泛的应 用。常用的f l a s h 为8 位或1 6 位的数据宽度，编程电压为3 3 v 。主要的生产厂商为a t m e l 、 a m d 、h y u n d a i 等。本文设计的开发平台选用3 2 m b 线性f l a s h ，采用i n t e l 公司的 t e 2 8 f 2 5 6 j 3 c 1 2 5 芯片。t e 2 8 f 2 5 6 j 3 c 1 2 5 的单片存储容量为3 2 m 字节( 2 5 6 m 位) ，工 作电压为2 7 v - - 一3 6 v ，采用5 6 脚t s o p 封装，1 6 位数据宽度，可以以8 位( 字节模式) 或1 6 位( 字模式) 数据宽度的方式工作。f l a s h 存储器使用n c s 0 提供片选，首地址为 9 西安石油大学硕士学位论文 o x l 0 0 0 0 0 0 0 。 本系统设计的f l a s h 电路原理图如图2 3 所示。 u s 2 4 1 2s d r a m 接口电路 3 3 d o 图2 - 3f i a s h 接口电路原理图 r 1 3 4 7 x s d r a m 具有单位空间存储容量大和价格便宜的优点，已广泛应用在各种嵌入式系 统中。s d r a m 是多b a n k s 结构，当其中一个b a n k 在进行预充电期间，另一个b a n k 可以 被读取，无需等待，大大提高了存储器的访问速度。核心板s d r a m 采用两片i s s i 公司 的i s 4 2 s 1 6 1 6 0 b 芯片并联构建3 2 位的s d r a m 存储器系统，单片的存储容量为4 ( b a n k s ) 4 m 1 6 位( 3 2 m 字节) ，工作电压为3 3 o 3 v ，常见封装为5 4 脚t s o p 2 ，兼容l v t t l 接口，支持自动刷新( a u t o r e f r e s h ) 和自刷新( s e l f - r e f r e s h ) ，1 6 位数据宽度。本s d r a m 存储器系统共6 4 m b 的空间，可满足嵌入式操作系统及各种相对较复杂的算法的运行要 求。与f l a s h 存储器相比，s d r a m 的控制信号较多，其连接电路也相对复杂。 s d r a m 存储器电路原理图如图2 4 所示。 1 0 引旺伯住竹博幅 d d d d d ddddd 帚 叭琵体 畦舴团融臣刚 一一一一|；： 棚：堇溅一棚一一 口l 2 3 4 5 5 7 8口口t 2 3 4 tt 加剐起脂m：2加肘朋加雕舭剐雕剐越剐恐能地恐越 孙卧卧 母一2 研 d p 一霉q 2 4 2 底板扩展电路设计 图2 - 4 $ d o a m 接口电路原理图 2 4 2 1 串行接口电路 a t 9 1 r m 9 2 0 0 的u s a r t ( u n i v e r s a ls y n c h r o n o u sa s y n c h r o n o u sr e c e i v e rt r a n s c e i v e r ) 提供一个全双工通用同步异步串行连接。数据帧格式可编程( 数据长度，奇偶校验位， 停止位数) 以支持尽可能多的标准。u s a r t 支持r s - 4 8 5 总线提供的特殊操作模式，通 过i s 0 7 8 1 6 智能卡插槽、红外收发器并与调制解调器连接。 ( 1 ) r s 2 3 2 串行总线接口 r s 2 3 2 是一种串行通信接口标准，自2 0 世纪6 0 年代开始，它就以各种不同的形式 在使用。虽然r s 2 3 2 作为一种连接标准正逐渐被高速网络，比如以太网取代，但它对 嵌入式系统来说仍然是一种非常重要而且简单的连接工具。r s 2 3 2 标准采用的接口是9 芯或2 5 芯的d 型插头。要完成最基本的串行通信功能，实际上只需要r x d ，t x d 和 g n d 即可，但由于r s 2 3 2 标准所定义的高、低电平信号与a t 9 1 r m 9 2 0 0 系统的1 r l 电路所定义的高、低电平信号完全不同，1 凡的标准逻辑，“1 一对应2 3 3 v ，标准逻 辑“0 对应0 - 0 4 v 电平，而r s 2 3 2 标准逻辑“1 对应5 1 5 v 电平，标准逻辑“o 对应+ 5 + 1 5 v 电平，显然，两者之间要进行通信必须经过信号电平的转换。 本文的r s 2 3 2 电平转换电路采用m a x 3 2 3 2 作为电平转换芯片，m a x 3 2 3 2 提供两 组驱动器和接收器，工作电压为3 3 v 5 v 。 西安石油大学硕士学位论文 r s 2 3 2 接口电路如图2 5 所示。 m a x 3 2 3 2 7 酷j f j d 图2 5r s 一2 3 2 接口电路原理图 ( 2 ) r s 4 8 5 串行总线接口 r s 4 8 5 接口具有良好的抗噪声干扰性、长传输距离和多站能力等优点，使其成为工 业应用中一种重要的串行接口。 本文中的r s 4 8 5 串口t t l 4 8 5 电平转换电路采用m a x 4 8 5 e p a 作为电平转换芯片。 r s 4 8 5 通信可以和r s 2 3 2 通信复用，由跳线来选择；r s - 4 8 5 通信使用传输芯片 m a x 4 8 5 e p a 控制传输数据，输入输出通道经光电隔离，并在输出口加一个双向瞬态电 压抑制t v s ( t r a n s i e n tv o l t a g es u p p r e s s i o n ) 管，用来抑制浪涌电流。 r s 一4 8 5 接口电路如图2 - 6 所示。 图2 - 6r s - 4 8 5 接口电路原理图 2 4 2 2c a n 总线 c a n 总线是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行数据通信协议，它是一种多 主总线，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其它节点发送信息， 而不分主从，节点之间有优先级之分，因而通信方式灵活；c a n 可以点对点、一点对多 点( 成组) 及全局广播等几种方式传送和接收数据；c a n 采用非破坏性位仲裁技术，优 1 2 第二章系统的硬件设计 先级发送，可以大大节省总线冲突仲裁时间，在重负荷下表现出良好的性能。 a t 9 1 r m 9 2 0 0 通过其s p i 总线访问c a n 控制器，片选信号为w s p ic s 2 。从c a n 出来的两根信号线经c a n 网络滤波器8 2 c 2 5 1 输出到c a n 端子上。 c a n 总线接口电路原理如图2 7 所示。 图2 - 7c 州总线接口电路原理图 2 4 2 3 网络部分 a t 9 1 r m 9 2 0 0 内部带有网络控制器，支持媒体独立接e l ( m e d i ai n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ， m i i ) 和带缓冲d m a 接口( b u f f e r e dd m ai n t e r f a c e ) b d i 。可在半双工或全双工模式下 提供1 0 m 1 0 0 m b p s 的以太网接入。在半双工模式下，控制器支持c s m a c d 协议，在全 双工模式下支持i e e e 8 0 2 3m a c 控制层协议。因此，a t 9 1 r m 9 2 0 0 芯片实际上已包含了 以太网m a c 控制，但并未提供物理层接口，因此，需外接一片物理层芯片以提供以太 网的接入通道。本文设计的开发平台选用d m 9 1 6 1 e 作为以太网的物理层接口，然后经 过网络滤波器c l 3 2 5 4 n 4 网络滤波，接i u 4 5 接口。 本文设计的以太网接口电路原理如图2 8 和图2 - 9 所示。 1 3 c 一- c 6 6 1 倪n f 3 ，v r 驾1 口 3 j y r 4 41 0 k 慷 r 4 6a 2 - - 、，、- c 7 4 一 0 f c 7 s 一 0 0 n f 3 9 c 7 6 1 0 0 n f c 7 7 1 0 0 n f ，s v r 5 4 张 西安石油大学硕士学位论文 r e f - c l i , x t 2 ) i f l t ) 0 3 t ) 0 2 t ，1t x * t ) 0 0 t e h t xc l k s o u 盯e r ) 0 3 正 d r 3 r ) 0 2 拍o r 2 r ) 0 1 l a d r l r ) o o 肚r or x + r xe n r xc t k s c r a m e n i 嘟s e r r x _ d v ，t 芒s t m o d e c o l 胴哺i c r s