（计算机应用技术专业论文）基于嵌入式的计算机病毒免疫系统平台设计研究.pdf

摘要 摘要 随着计算机技术特别是网络技术的迅猛发展，计算机病毒的更新、传播速度越来 越快，危害也越来越大。目前，病毒检测技术已经取得了很大的进步，但传统的病毒 检测系统仍然存在一些缺陷，特别对新病毒和变形病毒的检测等方面都存在不尽人意 的地方，需要探索新的技术来提高病毒检测系统的整体性能。 本文在分析了目前常用的基于主机的病毒防御系统的不足之后，提出了采用嵌入 式系统构建病毒免疫系统的方案。它具有自身安全，启动快捷，效率高等特点；同时， 它融入了生物免疫系统的机理，具有很强的自学习能力。 本文研究的目的在于从硬件和操作系统两个方面对该系统平台设计提供参考方 案。 本文从最小系统的角度出发，提出了采用$ 3 c 2 4 1 0 微处理器和嵌入式l i n u x 操作 系统构建该平台的硬件解决方案和操作系统解决方案。在硬件设计方面，本文从电源、 f l a s h 、内存、调试单元、串口接口单元和u s b 接口单元等几个方面给出了具体的 实现方法。在b o o tl o a d e r 方面，在探讨了b o o tl o a d e r 的概念和工作原理之后，分析 了u b o o t 的启动流程，并给出了u b o o t 的移植方案；操作系统上，本文首先介绍了 几种常用的嵌入式操作系统，并着重分析了嵌入式l i n u x 的特点；然后，给出了嵌入 式l i n u x 的移植方案。最后，本文以u s b 接口电路为例，介绍了驱动程序开发技术。 关键词：最小系统；$ 3 c 2 4 1 0 ；u b o o t ；l i n u x ；驱动程序 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f c o m p u t e rs c i e n c e ，e s p e c ia ll yn e t w o r k ，t h eu p d a t ea n ds p r e a d o f c o m p u t e rv i r u sb e c o m em o r eq u i c k l y , t h a tb r i n g sm o r ed e s t r u c t i o n c u r r e n t l y , t h o u g h g r e a ta d v a n c e m e n to fv i r u sd e t e c t i o nh a sb e e nm a d e ，t h e r es t i l le x i s ts o m ed r a w b a c k s a f t e rd i s c u s s i n gt h es h o r t so ft h es e r v e r - b a s e dv i r u s p r o t e c t i o n ，as e l f - s a f e ，q u i c k r e s e t a n de f f e c t i v es o l u t i o nb a s e do ne m b e d d e ds y s t e mi sp r e s e n t e di nt h e e s s a y t h en e w s o l u t i o nu s e st h em e c h a n i s mo f b i o l o g yi m m u n es y s t e m ，w h i c hm a k e si tg r e a ts e l f - s t u d y a b i l i t y t h e a i mo ft h i se s s a yi st oi l l u s t r a t et h e d e s i g nr e f e r e n c eb o t ho nh a r d w a r ea n d o p e r a t i o ns y s t e mo ft h ep l a t f o r mf o rt h es o lu t i o n u s i n gt h em e t h o d o l o g yo fm i n i m u ms y s t e m ，t h eh i g hl e v e ld e s i g n ，b a s e do n $ 3 c 2 410 a n dl i n u x ，i sg i v e n o nh a r d w a r e ，t h ei m p l e m e n t a t i o no fp o w e r , f l a s h ，m e m o r y , d e b u g g i n g ，u a r t ，u s ba r ei l l u s t r a t e d o nb o o tl o a d e r , t h ec o n c e p ta n dw o r k i n gt h e o r e m a r ed i s c u s s e d ，f o l l o w e dw i t ht h ew a yt ot r a n s p l a n tt h eu b o o t o no p e r a t i o n s y s t e m ，m u c h e m p h a s i si sp a i do na n a l y s i so fl i n u xa n dt h ep r o c e s so f t r a n s p l a n t i n gi t f i n a l l y , w i t ht h e e x a m p l eo fu s b ，w ei n t r o d u c et h ed e v i c ed r i v e rd e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：m i n i m u ms y s t e m ，$ 3 c 2 4 10 ，u 。b o o t ，l i n u x ，d e v i c ed r i v e r 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京信息科技大学关于收集、保存、使用学位论文的 规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子 版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本 学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向中国科学技 术信息研究所等国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用 于学术活动。 学位论文作者签名：周j 尹 加7 年夕月t 6 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本授 权书。( 注：论文属公开论文的，作者及导师本处不签字) 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文题目为基于嵌入式的计算机病毒免 疫系统平台设计研究学位论文，是本人在导师指导下，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的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的作 品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承 担。 作者签字：7 刘u 矿 门 一 沙口7 年1 月日 第一。章引言 第一章引言昂一早5l 百 1 1论文研究的动机 反病毒技术是当前计算机安全研究的一个重要领域。随着计算机技术特别是网络 技术的迅猛发展，计算机病毒的更新、传播速度越来越快，危害也越来越大。目前， 病毒检测技术已经取得了很大的进步，但传统的病毒检测系统仍然存在一些缺陷，特 别对新病毒和变形病毒的检测等方面都存在不尽人意的地方，需要探索新的技术来提 高病毒检测系统的整体性能。 目前大多数病毒防御措施都是基于主机的。它具有以下缺点：第一，后发性。后 发性是指病毒进入主机之后才能开始查杀，而此时病毒有可能已经发作。我们希望在 病毒进入计算机之前就对其进行查杀，在其外围形成一个防护墙，对进出计算机的数 据进行检查。第二，自身安全性不保证。自身安全性不保证是指安装于主机上的病毒 防御措施本身存在着不可靠性。这种不可靠性主要表现为病毒在进入主机时，首先破 坏了这些防御措施，致使这些防御措施无法正常工作，从而导致系统安全性得不到保 证。 嵌入式系统具有的自身安全，启动快捷，效率高等特点。由于该系统同主机相分 离，在数据进入主机之前，它先进行榆测，这样能够克服传统的病毒处理的后发性缺 点。同时，由于嵌入式系统本身的安全性，它能够保证自身不受破坏等特点，从而保 证了系统的可靠性。使用该系统进行病毒免疫与防御的主机不需要去担心其防御或免 疫系统自身的安全和可靠性问题。 生物免疫系统是保护生物机体免受外部病原体危害的一种生理机制。它是一个分 布式的自适应系统，采用多层防护机制保护生物体免受外部病原体侵害。生物免疫系 统具有多样性、自组织、免疫记忆和鲁棒性等优点，这也是计算机病毒检测系统所需 要的一些特性。生物免疫系统和病毒检测系统的功能具有惊人的1 ：开似性，因为它们要 解决的问题都可以被描述为识别白我和非我并将非我清除。因此我们希望将一些免疫 原理引入到病毒检测系统中。 本系统采用嵌入式作为平台，以生物免疫系统为模型，分别从平台没计和模型设 计两个方而对系统进行研究。本文主要从平台的角度研究系统的设计，并给出适合该 系统的硬件解决方案和操作系统解决方案。 第一章引言 1 2基于a r m 的嵌入式系统概述 1 2 1 嵌入式系统的定义和特点 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于 应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统【l 】。它一 般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部 分组成【2 d j ，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 嵌入式系统一般指非p c 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器微处 理器、存储器及外设器件和i 0 端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件( o s ) ( 要求实时和多任务操作) 和应用程序编程。有时设计人员把这两种软件组合在一起。 应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作 用。 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下4 个特点 1 4 】： 1 ) 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时问， 从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度； 2 ) 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构己模块化， 而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能， 同时也有利于软件诊断； 3 ) 可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微 处理器； 4 ) 嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用j f 便携式的无线及移动的计算和通 信设备中靠电池供电的嵌入式系统更足如此，如需要功耗只有m e 甚至w a r 级。 嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点【4 】： 1 ) 嵌入式系统通常足面向特定应用的。嵌入式c p u 与通用型的最大不同就足嵌 入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、 集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由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，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密； 2 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具 体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分 散、不断创新的知识集成系统； 3 ) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争 第一章引言 在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择吏具有 竞争力； 4 ) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同 步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期； 5 ) 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器 芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中； 6 ) 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，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。 1 2 2 $ 3 c 2 4 10 简介 嵌入式系统的高速发展极大地推动了a r m 嵌入式微处理器的发展。以前的嵌入 式系统大多采用c i s c ( 复杂指令集计算机) 架构，该体系由于指令集庞大，指令长 度不固定，指令执行周期有长有短，使指令译码和流水线的实现在硬件上非常复杂， 给芯片的设计带来了很大的麻烦。跟c i s c 相比，开发出来的r i s c ( 精简指令集计 算机) 则很好地解决了这些弱点。r i s c 以其硬件结构单纯，成本低，省电良好的优 良特性受到了嵌入式系统的青睐，尤其是3 2 位r i s c 处理器，而a r m 正是3 2 位 r i s c 微处理器l 引。 本平台使用的就是一种比较流行的，在手持式便携式设备应用广泛的a r m 芯片 一一s 锄s u n g 公司推出的$ 3 c 2 4 1 0 。 $ 3 c 2 4 1 0 芯片基于a r m 9 2 0 t 内核，采用五级流水线和哈佛结构，提供 1 1 m i p s m h z 的性能，是高性能和低功耗的硬宏单元。a r m 9 2 0 t 具有全性能的 m m u 、指令和数据c a c h e 以及高速a m b a 总线接i s 6 1 。图1 1 为其内核结构。 图1 ia r m 9 2 0 t 内核结构 3 第一章引言 作为$ 3 c 2 4 1 0 芯片的c p u 芯核，1 6 3 2 位a r m 9 2 0 tr i s c 微处理器采用0 1 8 1 a m c m o s 标准单元结构，具有独立的1 6 k b 指令缓存和1 6 k b 数据缓存。$ 3 c 2 4 1 0 内部 结构较复杂，提供可扩展的功能模块较多，主要有a r m 9 2 0 t 内核( 1 6 3 2 b i tr i s c c p u ) ，独立的1 6 k b 指令和1 6 k b 数据缓存，m m u 虚拟内存管理单元，l c d 控制器 ( 支持s t n 和t f t ) ，n a n df l a s hb o o tl o a d e r ，系统管理单元( s d r a m 控制器等) ， 3 通道u a r t ，4 通道d m a ，4 通道具备p w m 功能的定时器，i o 口，r t c ( 实 时时钟) ，8 通道1 0 b i t 精度a d c 和触摸屏控制器，i i c 总线接口，i i s 数字音频总 线接口，u s b 主机，u s b 设备，s d m m c 卡控制器，2 通道s p i 和p l l 数字锁相 环组成。其内部结构如图2 所示。 l c d ) l 、e n db 今# 刮，俐0 i 。； i or 搿 u 黔r 、r _ 瓮= = = 刮书刚钱 扩筘钟i g o蛐 拿一纠牝螺玎 0 7 t 姒s hl l 1 d h 、 o t l o - k d e r 障剖鳓 f 一矿 ii竺：!i#o 瓮刮兰：l 目爿 扛钮 臣弹 apb 仁捆 “凄潍饼b$ ，t 蚓对c 0 ；i ”臻 仁爿斌 +弘i1：”n s 踊旧仁刮艘苌。鬟 图1 2 $ 3 c 2 4 1 0 内部结构( 功能模块) $ 3 c 2 4 1 0 提供了一套比较完整的通用系统的外围设备，并且使得整个系统消耗最 小。正是因为它具有很多常用的功能模块，所以也免去了添加配置附加设备的麻烦。 片上集成的功能主要包括以下几个方面： 1 ) 1 8 v a r m 内核，3 3 v 存储器，3 3 v 外部i o ，具有1 6 k b 指令缓存1 6 k b 数 据缓存和m m u 的微处理器； 2 ) 外部存储控制器( s d r a m 控制和片选逻辑) ； 3 ) l c d 控制器( 支持上到4 k 色的s t n 和2 5 6 k 色的t f t ) ，l 通道l c d 专用 d m a ： 4 ) 具有外部请求引脚的4 通道d m a ； 5 13 通道u a r t ( i r d a l 0 ，1 6 b y t et xf i f o 和1 6 b y t er xf i f o ) ，2 通道s p i ； 6 ) 1 通道i i c 总线控制器，1 通道i l s 总线控制器； 7 ) 1 0 版本的s d 主机接1 和兼容的2 1 1 版本的m u l t i m e d i a 卡协议； 8 ) 2 个u s b 主机，1 个u s b 设备( u s b l 1 ) ； 9 ) 4 通道p w m 计时器，1 通道内部汁时器； 4 第一章引占 1 0 ) 看门狗电路； 1 1 ) 1 1 7 个通用i o 口，2 4 通道外部中断源； 1 2 ) 电源控制：常规、缓慢、空闲和断电模式； 1 3 1 8 通道l o 位a d c 和触摸屏接口： 1 4 ) 具有日历功能的实时时钟r t c ； 1 5 1 具有锁相环的片l 时钟发生器。 s a m s u n g 公司推出的这款a r m 芯片$ 3 c 2 4 1 0 内部结构复杂、功能强大，如上 文所述片上已经集成了很多功能，因此我们能很方便地在片外添加外部设备来实现这 些功能。因此，在本平台的设计中，我们使用该微处理器作为平台的核心。 13 本课题的研究内容和研究思路 u s b 接u 的存储设备，由于其高速的存储速度、低体积的外观、携带方便等特 点，越来越受广大消费者的喜欢。本文以u s b 存储设备为外部数据对象对病毒免 疫系统平台进行研宄。本系统的基本框图如图13 所示。 图l3 系统基本框图 当主机需要使用u s b 存储中的数据内容时它必须通过病毒免疫系统的中转。 这样，有效地避免了主机直接接触未知危险区域。u s b 存储中的数据在经过病毒免 疫系统的处理、确认数据安全之后，才进入主机。这样有效的防止了主机遭受病毒、 木马等等的攻击与破坏。从而有效地保证了主机以及土机数据的安全性。 本文针对上述所讨论的病毒免疫系统，对其嵌入式硬件平台及操作系统的设计进 行详细的研究，并提出切实可行的设计方案。 嵌入式系统包括硬件和软件两个方面。从硬件上讲，最小系统包括嵌入式处理器 和存储器，毗及一些必要的外围器件，如品振和电源等。从软件上讲，最小系统包括 b o o t l o a d e r 、操作系统和用户程序；甚至只有简单的引导代码和用户程序的软件系统 也可以称得上是最小系统。 本文研究的内容也是从硬r f ：和软什两个方面进行的。硬件方面，本文从最小系统 的角度出发，提m 了设汁该系统所必须的儿个硬件模块。在对各个模块进行了研究之 第一章引言 后，给出了相应的设计方案；软件方面，本文从b o o tl o a d e r 和嵌入式操作系统着手， 给出了u b o o t 和l i n u x 在$ 3 c 2 4 1 0 上的移植方案，并以u s b 驱动为例介绍了设备驱 动程序的开发。 1 4本论文的组织结构 本文是对基于a r m 的计算机病毒免疫研究所需要的硬件平台的研究总结。根据 系统要求，选择高性能芯片打造硬件平台，并将u b o o t 和l i n u x 系统移植到平台上。 本文主要包括如下内容： 第一章：引言，从本文的研究动机出发，给出了嵌入式系统的定义和特点以及 $ 3 c 2 4 1 0 的简单介绍。在此基础上，描述了本文的主要研究内容和研究思路。 第二章：解决问题的总体方案，从本文要解决的问题出发，给出了最小系统的定 义。在这个定义之上，介绍了硬件系统和软件系统的总体设计。 第三章：硬件解决方案设计，从电源、时钟、复位电路、f l a s h 单元、内存单元、 调试单元、u a r t 接口和u s b 接口等介绍了硬件各个模块的设计方案。 第四章：b o o tl o a d e r 解决方案，给出了b o o tl o a d e r 的概念和工作原理，详细介 绍了u b o o t 以及其在本文所讨论的硬件平台上的移植。 第五章：操作系统解决方案，在介绍了嵌入式操作系统的概念之后，详细介绍了 l i n u x 及其在本文所讨论的硬件平台上的移植。 第六章：l i n u x 设备驱动程序研究，主要介绍了在l i n u x 下设备驱动程序开发的 基本流程和要点，并在最后详细介绍了l i n u x 下u s b 设备驱动程序的开发。 最后，总结了本文的主要研究工作。 6 第二章解决i 兀】题的总体方案 第二章解决问题的总体方案 本章首先给出了最小系统的定义。在这个基础上，结合病毒免疫系统所需要的外 设接口，讨论了硬件系统的设计和软件系统的设计。硬件系统和软件系统构成了整个 病毒免疫系统的平台部分。 2 。1最小系统的定义 嵌入式是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁减，适用于应用 系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌 入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成， 用于实现对其它设备的控制、监视和管理等功能【7 驯。 所谓系统就是要可以独立实现某些特定功能的一个产品。如果功能相对简单，那 么一个嵌入式处理器带一些非常少的辅助元件就可以实现一个最小系统。最小系统就 是用最少的元器件组成的嵌入式处理器可以工作的系统。 嵌入式系统包括硬件和软件两个方面。从硬件上讲，最小系统包括嵌入式处理器 和存储器，以及一些必要的外围器件，如晶振和电源等。从软件上讲，最小系统包括 b o o tl o a d e r 、操作系统和用户程序；甚至只有简单的引导代码和用户程序的软件系统 也可以称得上是最小系统。 2 2硬件系统设计 $ 3 c 2 4 1 0 处理器有两个版本：$ 3 c 2 4 1 0 a 和$ 3 c 2 4 1 0 x 。两者的区别仅在于处理 器内核工作电压和运行速度不同。$ 3 c 2 4 1 0 a 的内核工作电压为2 0 v ，最高运行速度 为2 6 6 m h z ；$ 3 c 2 4 1 0 x 的内核工作电压为1 8 v ，最高运行速度为2 0 3 m h z 。其它方 面，两者没有任何区别【l o j 。本文以$ 3 c 2 4 1 0 x 为研究对象，但是所涉及的设计原理和 设计方法同样适用于$ 3 c 2 4 1 0 a 处理器。 a r m 处理器最小系统一般包括： a r m 处理器芯片； 电源电路、复位电路、晶振电路； 存储器( s d r a m 和f l a s h ) ； u a r t 接口电路； 第二章解决问题的总体方案 j t a g 调试接口。 通常，为了系统的调试方便，可以通过i o 口链接若干l e d ，用于指示系统的工 作状态。 在本课题研究中，由于病毒免疫系统还需要u s b 接口，用于插入u s b 外设以及 进行u s b 通信；因此，本课题所研究的最小系统除了需要满足最小系统的基本硬件 之外，还需要增加u s b 外设的接口实现部分。 本课题所研究的基于$ 3 c 2 4 1 0 、用于实现病毒免疫系统的最小系统的设计方法如 图2 1 所示。 r 一 s 3 c 2 4 1 0 审 电 源 管 i 理 系： 统； i ，j 图2 1 硬件总体设计图 v 厂一 c ： j l 1 田l ；接 ；口 电| 路i l _ j 硬件系统功能各部分功能介绍如下： 电源管理系统：电源管理系统对系统提供两种电压，1 。8 v 电压供a r m 内核 使用，3 。3 v 电压供存储单元和i o 使用； 时钟系统：$ 3 c 2 4 1 0 外部需要1 2 m h z 时钟输入，片内两个锁相环。一个锁 相环为u s b 模块提供时钟；另一个锁相环产生三个时钟，f c l k 为a r m 内核提供时 钟，h c l k 为a h b 总线上的设备提供时钟，p c l k 为a p b 总线上的设备提供时钟。 时钟系统还包括3 2 7 6 8 k h z 的r t c 时针一输入。r t c 时钟部分不是我们研究的主要内 容； f l a s h ：用于存放系统引导程序、操作系统、以及系统掉电后需要保存的用户 数据； s d r a m ：做系统内存使用，具有容量大、存取速度快、成本低等特点； j t a g 接口：通过j t a g 接口利用边界扫描对$ 3 c 2 4 1 0 内部部件进行访问。 边界扫描技术是系统调试的主要手段和可测性设计的主要技术； 串口：利用串口和p c 机相连，实现开发人员和目标板的交互，方便开发和 调试； 第二章解决问题的总体方案 u s b 模块：u s b 设备接口用于挂接外部u s b 存储；u s b 主机用于系统与主 机之间的通信。 2 3软件系统设计 软件系统的设计主要包括：b o o tl o a d e r ( 即引导代码) ，操作系统，文件系统， 驱动程序和应用程序等几个方面。操作系统在整个软件实现工程中具有核心重要的地 位。对于最小系统来说，文件系统和应用程序的作用并不突出。而且，应用程序的实 现部分在该系统研究的软件部分中另有介绍。所以本文主要研究b o o tl o a d e r 和操作 系统等内容。 u b o o t 类似w i n d o w 下的b i o s ，全称u n i v e r s a lb o o tl o a d e r ，是遵循g p l 条 款的开放源码项目。从f a d s r o m 、8 x x r o m 、p p c b o o t 逐步发展演化而来。u b o o t 不仅仅支持嵌入式l i n u x 系统的引导，当前，它还支持n e t b s d ，v x w o r k s ，q n x ， r t e m s ，a r t o s ，l y n x 0 s 嵌入式操作系统。这是u b o o t 中u n i v e r s a l 的一层含义； 另外一层含义则是u b o o t 除了支持p o w e r p c 系列的处理器外，还能支持m i p s 、 x 8 6 、a r m 、m o s 、x s c a l e 等诸多常用系列的处理器。这两个特点正是u b o o t 项 目的开发目标，即支持尽可能多的嵌入式处理器和嵌入式操作系统。就目前来看， u b o o t 对p o w e r p c 系列处理器支持最为丰富，对l i n u x 的支持最完善。u b o o t 有 其独特的优势，源码开放，支持多种嵌入式操作系统，支持多个处理器系列，有较高 的可靠性和稳定性，有丰富的开发调试文档与强大的网络技术支持。这蝗优点是致使 它被广泛应用的原因，也是选择移植到$ 3 c 2 4 1 0 板子上的原因【l l j 。 l i n u x 是一个成熟而稳定的网络操作系统。将l i n u x 植入嵌入式设备具有很多优 点。首先，l i n u x 的代码是开放的，任何人都呵以获取并修改之，用之开发自己的产 品。其次，l i n u x 是可以定制的。其系统内核最小只有1 3 4 k b 。一个带有中文系统和 用户图形界面的核心程序也可以做到不足1 m b ，并且同样稳定。另外，它和多数u n i x 系统兼容，应用程序的开发和移植相当容易。同时，具有良好的可移植性，人们已经 成功使l i n u x 运行于数百种硬件平台上。 l i n u x 作为嵌入式操作系统的优势主要有以下几点【l 厶”】： l 、可应用于多种硬件平台。l i n u x 已经被移植到多种硬件平台，这对于经费， 时问受限制的研究与开发项目是很有吸引力的。原型可以在标准平台上开发后移植到 具体的硬件上，加快了软件与硬件的开发过程。l i n u x 采用一个统一的框架对硬件进 行管理，从一个硬件平台到另一个硬件平台的改动与上层应用程序无关。l i n u x 可以 随意的配置，不需要许可证和任何商家的合作关系，源代码可以免费得到。这使得采 用l i n u x 作为操作系统不会产生任何关于版权的纠纷。毫无疑问，这会节省大量的开 9 第二章解决问题的总体方案 发费用。本身内置网络支持，而目前嵌入式系统对网络支持要求越来越高。l i n u x 的 高度模块化使添加部件更加容易； 2 、l i n u x 是一个和u n i x 相似，以内核为基础的、具有完全的内存访问控制，支 持大量硬件( 包括x 8 6 ，a l p h a 、a r m 和m o t o r o l a 等现有的大部分芯片) 等特性的一 种通用操作系统。其程序源代码全部公开，任何入可以修改并在g u n 通用公共许可 证( g n ug e n e r a lp u b l i cl i c e n s e ) 下发行。这样，开发人员可以对操作系统进行定制， 适应其特殊需要； 3 、l i n u x 带有u n i x 用户熟悉的完善的开发工具，几乎所有的u n i x 系统的应用 软件都已经移植到了l i n u x 上。l i n u x 还提供了强大的网络功能，有多种可选择窗口 管理器( x w i n d o w s ) 。其强大的语言编译器g c c ，c + + 等也可以很容易得到，不但 成熟完善，而且使用方便。 基于l i n u x 具有、高效稳定、可移植性好、源代码公开等优点，而且l i n u x 可以 很好的支持a r m 处理器，所以本文选择l i n u x 作为软件系统的主要研究内容。 2 4 本章小结 本章首先对最小系统作了明确的定义。如果功能相对简单，那么一个嵌入式处理 器带一些非常少的辅助元件就可以实现一个最小系统。最小系统就是用最少的元件组 成嵌入式处理器可以工作的系统。在这个定义之上，介绍了硬件系统和软件系统的总 体设计。硬件系统包括电源管理系统、时钟系统、f l a s h 、s d r a m 、j t a g 接口、 串口、u s b 接口等。软件系统包括b o o tl o a d e r 、l i n u x 操作系统和驱动程序等。 1 0 第三章硬件解决方案设计 第三章硬件解决方案设计 硬件系统包括电源管理系统、时钟系统、f l a s h 、s d r a m 、j t a g 接口、串口和 u s b 模块等。本章以硬件总体设计为依据，对各功能单元进行详细的研究与讨论。 3 1 电源管理单元的研究与设计 电源是电子产品中的一个组成部分。为了使电路性能稳定，往往需要稳定高效的 电源。便携式电子产品采用电池供电，如何使稳压电源部分性能满足电路的要求、耗 电省( 能延长电池的寿命) 、安全性好、占空间小、重量轻是便携式电子产品的一个 重要任务。 3 1 1电源的分类与特点 根据不同的工作原理，可以将电源分为三类：线性稳压电源、开关稳压电源和电 荷泵电源。它们各自都有一定的特点和适用范围，这里分别简述如下。 1 、线性稳压电源 线性稳压电源是因其内部调整管工作再线形范围而得名的。一般认为线性稳压电 源的输入电压和输出电压之间的电压差( 一般称为压差) 大，调整管上的损耗大，效 率低。但近年来开发出各种低压差( l d o ) 的新型线性稳压器i c ，一般可达到当输 出1 0 0 m a 电流时，其压差在1 0 0 m v 左右的水平( 甚至7 0 8 0 m v 的水平) ，某些小电 流的低压差线性稳压器其压差仅几十毫伏。这样，调整管的损耗较小，效率也有较大 的提高；因此，可以延长电池寿命。另外，线。陀稳压电源外围元件最少，输出噪声最 小，静态电流最小，价格也最便宜。 2 、开关稳压电源 与线性稳压电源不同的一类稳电源就是开关型直流稳压电源，它的电路型式主要 有单端反激式，单端正激式、半桥式、推挽式和全桥式。它和线性电源的根本区别在 于它变压器不工作在工频而是工作在几万赫兹到几兆赫兹。功能管不是工作在线性区， 而是饱和及截i 上区，即开关状态；开关电源因此而得名。d c d c 是开关稳压电源中 的一种。 在便携式电子产品钟，开关稳压电源土要是指d c d c 变换器。由于器件中有一 个工作再开关状态的晶体管( 一般足m o s f e t ) ，故称开关电源。开关管二 作于饱和 第三章硬件解决方案设计 导通和截至两种状态；所以，开关管管耗小并且与输入电压无关，效率高( 一般可达 8 0 0 0 - 9 5 ) 。d c d c 变换器可以组成升压式( v o u t v i n ) 和降压式( v o u t v i n 。用电压反转器i c 组成的负电压可输出较大的电流。 便携式电子产品中采用电荷泵电路来获得负压更为简单，并且带有线性稳压输出的电 荷泵i c ；所以在便携式电子产品中电压反转式d c d c 变换器也很少用到【1 4 】。 3 、 电荷泵电源 电荷泵有三类：开关式调整器升压泵、无调整电容式电荷泵和可调整电容式电荷 泵。三类电荷泵的工作过程均为：首先贮存能量，然后以受控方式释放能量，以获得 所需的输出电压。开关式调整器升压泵采用电感器来贮存能量，而电荷泵采用电容器。 电容式电荷泵通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较控制器实现电压提升，采 用电容器来贮存能量。电荷泵是无须电感的，但需要外部电容器。工作于较高的频率， 因此可使用小型陶瓷电容o l a f ) ，使空间占用最小，使用成本低。电荷泵仅用外部电 容即可提供士2 倍的输出电压。其损耗主要来自电容器的e s r ( 等效串联电阻) 和内部开 关晶体管的r d s ( o n ) 。电荷泵转换器不使用电感，因此其辐射e m i 可以忽略。输 入端噪声可用一只小型电容滤除。它输出电压是工厂生产精密予置的，调整能力是通 过后端片上线性调整器实现的，因此电荷泵在设计时可按需要增加电荷泵的开关级数， 以便为后端调整器提供足够的活动空间。电荷泵十分适用于便携式应用产品的设计。 从电容式电荷泵内部结构来看，它实际上是一个片上系统。 在便携式产品中，常常利用低压差线性稳压源( l d o ) 将5 v 主电源转换为3 3 v ， l d o 具有低成本、小尺寸、低静态电流及易于实现等特点，但其转换效率很低，在 这种应用中效率一般为6 7 。一种可替代的方案是采用降压型开关稳压器，转换效率 典型值可达9 0 ，但需要外接电感，占线路板尺寸较大，价格相对较高。另一种解决 方案是采用电荷泵，弥补了l d o 与开关稳压电源的不足，具有低成本、小尺寸、易 实现、转换效率高等特点。电荷泵器件占用的空间要小得多。它们受到青睐，除了可 以用于不同的应用以外，还有一个间接的原因就是人们认为基于电感的功率源可能带 来不可克服的e m i 问题。 3 1 2 电源单元电路设计 第三章硬件解决方案设计 由上文分析可知：线性稳压电源方案具有低噪声、廉价等优点；但同时也具有效 率低、发热较大等缺点。对于开关电源方案与线形电源的优缺点刚好相反。结合本系 统的需要，采用线性电源稳压方案，为系统提供1 8 v 和3 3 v 两种直流电源。其中 1 8 v 电源为$ 3 c 2 4 1 0 的a r m 内核供电；3 3 v 电源为$ 3 c 2 4 1 0 的存储器及外部设备 接口供电。为简化系统电源电路的设计，要求整个系统输入的电压为高质量的5 v 直 流稳压电源。5 v 输入电压经过d c d c 转换器可完成5 v 到3 。3 v 和1 8 v 的电压转换。 由5 v 电压转换为3 3 v 电压的电路如图3 1 所示。 3 2 时钟电路设计 图3 1 电源电路部分原理图 时钟电路用于向c p u 和其他电路提供工作时钟。$ 3 c 2 4 1 0 需要两路时钟输入： 一路是c p u 工作时钟输入；另一路提供给实时时钟r t c 电路。 本设计中，c p u 工作时钟由外部1 2 m 时钟输入，经内部锁相环产生$ 3 c 2 4 1 0 处 理器所需的时钟信号。包括： 1 f c l k ，该信号对c p u 内核提供时钟； 2 h c l k ，该信号为a h b 总线上的设备提供时钟； 3 p c l k ，该信号为a p b 总线上的设备提供时钟。 $ 3 c 2 4 1 0 的时钟控制逻辑可以在不用锁相环的情况下产生比较慢的时钟信号，用 户还可以通过软件对每个外设提供和切断时钟信号，从而达到降低功耗的效果【l5 。1 6 l 。 实时时钟单元可以在系统无电源的情况下靠备份电池工作。实时时钟单元采用 3 2 7 6 8 m h z 时钟输入。同时，实时时钟单元具有系统警告功能。工作时钟和实时时 钟输入电路原理如下图3 2 所示。 第三章硬件解决方案设计 3 3 复位电路设计 图3 2 实时时钟电路原理图 x 丁l n c x t o r t c r t ec l o c k 复位对于一个系统来说很重要，各个单元要进行正常工作状态，需要呵靠的复位， 而一旦m c u 出于未知状态，比如程序“跑飞 或进入死循环，就需要进行将系统复 位。正常情况下，一般有上电复位和手动复位。 如果电源电压出现波动，系统会非正常复位。这时候会发生复位时间不够从而造 成一些错误甚至死机。所以，复位电路也是有必要的。它具备如下功能： 1 上电复位：保障上电时能正确地启动系统； 2 掉电复位：当电源失效或电压值降低到某一点压值以下时，复位系统。 u 3 1 a 图3 3 复位电路原理图 由于a r m 的高效、低功耗、低j f ：作电压的特点导致其噪声容限低，这对电源监 1 4 第三章硬件解决方案设计 控可靠性方面也提出了更高的要求。分立元件实现的监控电路受温度、湿度、压力等 外界的影响比较大，而且对不同元件的影响也不一致；同时，较大面积过多过长时间 的引脚容易引入射频干扰，功耗大也是很多应用难以接受的。而集成电路能很好的解 决此类问题 1 7 - 1 8 】。 因此，本设计选用了目前比较常用的复位电路。该电路具有成本小、原理简易等 特点；同时，它还可保证系统在不同异常条件下可靠的复位，防止系统失控。复位电 路原理图如图3 3 所示。 3 4 f l a s h 单元的研究与设计 f l a s h 0 9 1 是一种可进行电擦写、调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，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广泛的应用。 f l a s h 作为一种非易失闪存技术的存储器。现在市场上主要的有两种：n o r 和 n a n d 。大多数情况下，闪存只是用来存储少量的代码，这时n o r 闪存会更合适唑； 而n a n d 则是高密度数据存储的理想解决方案。 3 4 1n o rf l a s h 和n a n df l a s h 的比较 n o r 的特点是芯片内执行( x i p ，e x e c u t ei np l a c e ) ，这样应用程序可以直接在 f l a s h 闪存内运行，不必再把代码读到系统r a m 中。n o r 的传输效率很高，在1 一- - 4 m b 的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。 n a n d 结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度 也很快。应用n a n d 的困难在于f l a s h 的管理和需要特殊的系统接口。 下面分别从性能、接口、容量和成本、可靠性和耐用性、易用性等多个方面对 n o rf l a s h 和n a n df l a s h 进行比较： l 、 性能比较 f l a s h 闪存是非易失存储器，可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。 任何f l a s h 器件的写入操作只能在空或己擦除的单元内进行，所以大多数情况下， 在进行写入操作之前必须先执行擦除。n a n d 器件执行擦除操作是十分简单的，而 n o r 则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为0 。 由于擦除n o r 器件时是以6 4 1 2 8 k b 的块进行的，执行一个写入擦除操作的 时间为5 s ；与此相反，擦除n a n d 器件是以8 - - - - 3 2 k b 的块进行的，执行相同的操作 最多只需要4 m s 。 第三章硬件解决方案设计 执行擦除时块尺寸的不同进一步拉大了n o r 和n a n d 之间的性能差距，统计表 明，对于给定的一套写入操作( 尤其是更新小文件时) ，更多的擦除操作必须在基于 n o r 的单元中进行。这样，当选择存储解决方案时，设计师必须权衡以下的各项因 素： n o r 的读速度比n a n d 稍快一些； n a n d 的写入速度比n o r 快很多； n a n d 的4 m s 擦除速度远比n o r 的5 s 快； 大多数写入操作需要先进行擦除操作； n a n d 的擦除单元更小，相应的擦除电路更少。 2 、 接口差别 n o rf l a s h 带有s r a m 接口，有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地存取其内 部的每一个字节。 n a n d 器件使用复杂的i o 口来串行地存取数据，各个产品或厂商的方法可能各 不相同。8 个引脚用来传送控制、地址和数据信息。n a n d 读和写操作采用5 1 2 字节 的块，这一点有点像硬盘管理此类操作，很自然地，基于n a n d 的存储器就可以取 代硬盘或其他块设备。 3 、容量和成本 n a n df l a s h 的单元尺寸几乎是n o r 器件的一半，由于生产过程更为简单，n a n d 结构可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量，也就相应地降低了价格。 n o rf l a s h 占据了容量为1 1 6 m b 闪存市场的大部分，而n a n df l a s h