（计算机应用技术专业论文）基于嵌入式网络的多路数据采集模块的研究.pdf

哈尔傧理 大学t 学硕士学位论史 基于嵌入式网络的多路数据采集模块的研究 摘要 随着计算机技术、通信技术的飞速发展，在我们通过计算机进行网络互 连的同时，许多领域的嵌入式设备如数据采集、智能仪表、工业控制等也有 接入网络的需求。嵌入式网络技术是近几年发展起来的新技术，它创新性地 提出低价微控制器( m c u ) 可作服务器这一理念，使底层监测设备与 i m e m e v i n t r a n e t 很容易无缝连接，真正做到远程监测。 本论文对基于嵌入式网络的多路数据采集模块进行了深入的研究，在此 基础上，以s a m s u n g 公司的$ 3 c 4 5 1 0 b 开发板为开发平台，以1 1 c l i n u x 为嵌 入式操作系统，开发了一个多路数据采集模块。该模块包括硬件和软件两部 分。在硬件部分，论文详述了主控电路和数据采集电路的设计与实现，并给 出了硬件调试的方法。在软件部分，本文进行了b o o t l o a d e r 和“c l i n u x 操作 系统的移植，并在p c l i n u x 操作系统上进行了驱动程序和应用程序的开发。 最后，针对驱动程序静态加载这种嵌入式系统调试的方法，进行了改进。 该模块充分利用了$ 3 c 4 5 1 0 b 丰富的网络功能和p c l i n u x 嵌入式操作系 统的特点，实现了最高采样率1 5 m s p s ，1 2 b i t 垂直分辨率的8 通道数据实 时采集，并可通过以太网实现数据传送和实时监控的功能。经测试表明，该 模块已经达到设计要求，运行稳定。整个模块成本低廉，功能全面，具有较 好的应用价值和推广价值。 关键词数据采集；嵌入式网络；a r m , i c l i n u x 堕堡堡塞三查兰三耋堡兰兰堡篁圣 r e s e a r c ho nt h em u l t i c h a n n e ld a t a a c q u i s i t i o n m o d u l eb a s e do ne m b e d d e dn e t w o r k a b s t r a c t a st h eg r e a td e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y ，w h e n w el i n ko u rc o m p u t e r st ot h ei n t e r n e t ，a tt h es a m et i m e ，m a n yo t h e re m b e d d e d d e v i c e ss u c ha sd a t aa c q u i s i t i o n i n t e l l e c t u a li n s t r u m e n t i n d u s t r i a lc o n t r o la n ds o o na l s oh a v et h ed e m a n d so fl i n k i n gt ot h ei n t e r n e t t h ee m b e d d e dn e t w o r ki sa n e w t e c h n o l o g yt h a th a sb e e nd e v e l o p i n gr e c e n t l y 。i tp u t sf o r w a r dt h ei n n o v a t i v e c o n c e p tt h a tt h el o wc o s tm c u c a nb eu s e da st h es e r v e r ，s ot h eb o o ts u p e r v i s e d e v i c ec a nb el i n k e dt ot h ei n t e r n e t i n t r a n e tc o m p a c t l ya n dm a k i n gt h er e m o t e s u p e r v i s o r yb e c o m er e a l i t y t h i sp a p e rp u t se m p h a s i so nr e s e a r c h i n gt h em u l t i c h a n n e ld a t aa c q u i s i t i o n m o d u l eb a s e do ne m b e d d e dn e t w o r k ，o nt h i sb a s e ，t h ee v a l u a t i o nb o a r dp r o d u c e d b ys a m s u n gc o r p o r a t i o ni st a k e na st h er e s e a r c hp l a t f o r ma n dt h eg c l i n u xi s t a k e f ta st h ee m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e mt o e x p l o i tt h em u l t i c h a n n e l d a t a a c q u i s i t i o n m o d u l e t h i sm o d u l ec o m p r i s e so ft w o p a r t so fh a r d w a r ea n d s o f t w a r e f o rt h eh a r d w a r e ，t h i sp a p e rd e a l sw i t ht h ed e s i g n i n ga n dr e a l i z a t i o n a b o u tt h em a i nc o n t r o lc i r c u i ta n dd a t aa c q u i s i t i o nc i r c u i t ，a n dg i v e st h em e t h o d o fd e b u g g i n g a n df o rt h es o f t w a r e ，t h eb o o t l o a d e ra n dg c l i n u xs y s t e ma r e r e p o t t e d ，a n dt h e d r i v e ra n da p p l i c a t i o ni sp r o g r a m m e do np c l i n u xo p e r a t i o n s y s t e m 。a tl a s t ，s o m ei m p r o v e m e n ti sd o n ea i ma tl o a d i n gt h ed r i v e rs t a t e l y w h i c hi st h em e t h o do f t h ee m b e d d e ds y s t e md e b u g g i n g t h i sm o d u l em a k e sf u l lu s eo ft h ea b u n d a n tn e t w o r kf u n c t i o no fs 3 c 4 5l o b a n dt h ec h a r a c t e r so fe m b e d d e dl i n u x 、a n dr e a l i z e st h em a x i m u ms a m p l er a t eo f 】5 m s p s ，】2b i tv e r t i c a lr e s o l u t i o no fe i g h tc h a n n e l sr e a lt i m ed a t aa c q u i s i t i o n d a t at r a n s m i s s i o na n dr e a lt i m es u p e r v i s i o nb ye t h e r n e t t h r o u g ht e s t i n g ，i t i n d i c a t e st h a tt h em o d u l em e e t st h ed e m a n da n dr u n ss t a b l y t h em o d u l ei sl o w c o s t f u l lf u n c t i o n h a sb e t t e ra p p l i c a t i o na n de x t e n s i o nv a l u e k e y w o r d s d a t aa c q u i s i t i o n ；e m b e d d e dn e t w o r k ；a r m ；t a c l i n u x i i ， 啥尔滨理王大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明；此处所提交的硕士学位论文基于嵌入式网络的多路数据采 集模块龚馨疆究，蔗本入在导簿攒导下，在跨零滚理工丈学玫读颟圭学位絮裁独 巍进行研究工作所取得的成果。搬本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人 穗发表或撰写遥豹研究成果。对本文磺究工作徽穗贡献静个人和集体，均8 在文 中以明确方式注明。本声明的法棒结果将完全由本人承搬。 作者签名；杠宁孚 网期：2 0 0 6 年3 月1 1 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于嵌入式网络的多路数据采集模块的研究系本人在哈尔滨理工大学攻 渎硬圭学位期瓣在导爨攒导下完残熬醺女学位论文。本论文豹霹 突残暴熬嚷笨滨 熙工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈 容滨理z 大学关于傈存、侵麓学经论文懿烧定，溺意学校绦餐劳翔有关部门提交 论文和电子版本，允许论文被查阅和借阕。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影 印、缩印或其他复铡手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文聪予 保密口，在年解密詹适用授权书。 苓俣密浮。 ( 请在以上相应方框内打，) 7 作者签名：卡- 印乎 日期：2 0 0 6 年3 月1 1 日 导师签名： 才恤 l 目期：2 0 0 6 年3 月l i 旦 哈尔滨理下大学t 学硕七学位论文 1 1 课题的背景和意义 第1 章绪论 近年来，随着计算机技术、通信技术的飞速发展，除了通过计算机进行网 络互连，许多领域的嵌入式设备如数据采集、智能仪表、工业控制、数控机床 等也有接入网络的需求。嵌入式网络“技术是近几年发展起来的新技术，它创 新性地提出低价微处理器( m c u ) 可作服务器这一理念，使底层监测设备与 i n t e r n e t i n t r a n e t 无缝连接有了可行方案，真正做到远程监测。这样构建的监测 系统有如下特点：监测设备同时也充当网络服务器，信号转换、采样及 t c p i p 通信等功能集成到一块，所以系统结构简单，尺寸微小，价格低廉； 采用t c p i p 网络协议标准，系统组网容易，传输数据多、速率快；客户端 可做到无需任何额外程序，通过w e b 浏览器( 1 e ) 就能对设备进行监测。伴随着 信息家电的出现，嵌入式设备的网络化必将拥有更加广阔的发展前景。因此， 研究和构建基于以太网的嵌入式系统是非常有必要的，也是极为迫切的。 与此同时，随着电子计算机的广泛应用，社会的数字化程度越束越高， 数据采集在测量和控制领域中的地位也随之越来越显得重要。由于集成电路制 造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠性的单片数据采集系统( d a s ) ，目 | j i 有的d a s 产品精度已达2 4 位，有的采集速度达到每秒几亿次以上。互联网 技术和r r 技术的飞速发展，也为利用以太网技术构建远程高速数据采集与控 制系统提供了可能。基于t c p i p 协议，可以把数据采集与控制方案变得“透 明”，使生产过程的数据采集与计算机设备间实现“透明”的数据传输! 在国外，基于嵌入式网络的数据采集系统的发展相对来说比较迅速，在国 内，嵌入式系统的发展相对较慢，基于嵌入式网络的嵌入式设备相对来说较 少，因此有必要对基于嵌入式网络的数据采集系统作深入的研究。 基于嵌入式网络的数据采集系统，具有小型便携、使用灵活方便、交互操 作性好，传输速率高、兼容性强、器件可重复使用、可靠性高、易维修、功耗 低，移动性好等优点，因此，研究、构建基于嵌入式网络的数据采集系统平 台，是一项十分有必要的工作。一 哈尔演理丁大学t 学够十学位诊丈 1 2 嵌入式系统发展综述 嵌入式系统定义为：以应用为中心，以计算机为基础，其软硬件可配置、 可剪裁，对功能、可靠性，成本、体积、功耗有严格约束的一种专用系统。广 义而言，嵌入式系统是指作为某种技术过程的一个核心处理环节，能直接与现 实环境接口或交互的信息处理系统。确切地说，在这种应用环境中，信息处理 系统处于嵌入式工作状态，即实时就绪与环境互动，其典型例子如i p c t 业过 程控制或实验监测中的应用。嵌入式系统通常由硬件和软件两部分组成。简单 的嵌入式系统由微控制器或单片机及嵌入式软件组成“1 。 嵌入式系统的出现至今己经有几十年的历史了，嵌入式技术也历经了几个 发展阶段。进入9 0 年代后，以计算机和软件为核心的数字化技术取得了迅猛 发展，不仅广泛渗透到社会经济、军事、交通、通信等相关行业，而且深入到 家电、娱乐、艺术、社会文化等各个领域，掀起了一场数字化技术革命。多媒 体技术与i n t e r n e t 的应用迅速普及，消费电子、计算机、通信( 3 c ) 一体化趋势 日趋明显，嵌入式技术再度成为一个研究热点。综观嵌入式技术的发展，大致 经历了以下4 个阶段： 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，同时具有与监 测、伺服、指示设备相配合的功能。这种系统大部分应用于一些专业性极强的 工业控制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直 接控制，运行结束后清除内存。这一阶段系统的主要特点是：系统结构和功能 都相对单一，处理效率较低存储容量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入 式系统便用简便、价格低廉。以前在国内工业领域应用较为普遍，但是已经远 远不能适应高效的、需要大容量存储介质的现代化工业控制和新兴的信息家电 等领域的需求。 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以专用简单操作系统为核心的嵌入式 系统。这一阶段系统的主要特点是：c p u 种类繁多，通用性比较弱；系统开销 小，效率高；操作系统具有定的兼容性和扩展性：应用软件较专业，用户界 面不够友好；系统主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。这一阶段系统的主要 特点是：嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操 作系统内核精小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录 管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗i ：3 以及用户界面等功能；具有大 哈尔演理t 大学t 学硕+ 学位论文 量的应用程序接口以及用户界面等功能，开发应用程序简单；嵌入式应用软件 丰富。 第四阶段是以基于i n t e m e t 为标志的嵌入式系统，这是个正在迅速发展的阶 段。目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e m e t 之外，但随着i n t e m e t 的发展以及 i n t e m e t 技术与信息、家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与 i n t e r n e t 的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。这才是真正意义上的嵌入式系 统。它有三个基本组成部分：嵌入式微处理器，嵌入式操作系统和在其上开发 的应用程序。 目前，嵌入式微处理器在市场上有很多，比较流行的有a r m 系列，m i p s 系列，x 8 6 系列( i n t e l 3 8 6 e x ，a m d 4 x x ) 等，其中a r m 系列占据了大部分的 市场分额。流行的嵌入式操作系统有：l i n u x ，v x w o r k s ，w i n c e ，p a l m o s 等”，。但很多专业操作系统都是商业化产品，其高昂的价格使许多低端产品的 小公司望而却步；而且，源代码封闭性也大大限制了开发者的积极性。 l i n u x 是一种在网络上诞生并发展起来的操作系统，它的诞生己有1 0 来年 的历史，由于其开放源码的优势和自身一些特有的功能，l i n u x 在嵌入式系统 和服务器领域己经占据了很大的市场。将它作为嵌入式操作系统具有很多显著 的优点! 首先，l i n u x 的核心源代码是免费的，任何人都可以从互联网上得 到!其次，l i n u x 的核心代码是开放的，所有人都可以根据自己的意图修改和 定制，开发适合自己的产品! 第三，l i n u x 核心代码可以裁减至f j l 3 0 多字节，这 可以大大地降低开发产品的成本和适应嵌入式系统的发展趋势! 第四，l i n u x 核心代码采用移植性比较好的c 语言编写，所以它可以很容易地移植到很多微 处理器上! 另外，结合国内实情，当前我国对自主操作系统的大力支持，也为 源码开放的l i n u x 的推广提供了广阔的发展前景1 6 1 。 根据一家专门进行嵌入式l i n u x 系统信息发布的网站h t t p ： w w w l i n u x d e v i c e s c o m 的调查，有5 2 的用户决定在未来2 4 个月内使用 l i n u x 作为嵌入式系统的开发原型，而只有2 1 的人仍然使用专有操作系统， 1 9 的人仍然使用w i n d o w s 系列操作系统做嵌入式系统开发。这充分说明了 利用l i n u x 开发嵌入式系统的生命力。由于l i n u x 嵌入式系统的强大的生命力 和利用价值，越来越多的公司和大学都不同程度地表现出对它的研究兴趣。所 以基于l i n u x 的嵌入式系统必将是未来嵌入式领域的领导者”。 哈尔滨理t 大学t 学西卜学位论文 1 3 数据采集技术发展综述 将外部世界存在的温度、压力、流量、位移以及角度等物理量应用非电量 电测技术转换成电信号模拟量( a n a l o gs i g n a l ) ，然后再转换为数字信号( d i g i t a l s i g n a l ) ，再收集到计算机并进一步予以处理、传输、显示与记录这一过程，即 称为“数据采集”m ，。 数据采集技术是以前端的模拟信号处理、模拟信号数字化、数字信号处理 和计算机控制技术等技术为基础而形成的一门综合技术。它在许多领域得到了 广泛的应用。数字技术促进了上述这些领域的发展，而反过来又对数据采集系 统提出了愈柬愈高的要求。一个大型的数据采集系统由以下几个部分组成：数 据测量、数据采集、数据传送、数据存储、数据处理、分析和显示等。 数据采集系统起始于2 0 世纪5 0 年代，1 9 6 5 年美国首先研究了用在军事上 的测试系统，目标是测试中不依靠相关的测试文件，由非熟练人员进行操作， 并且测试任务是由测试设备高速自动控制完成的。由于该种数据采集测试系统 具有高速性和一定的灵活性，可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测 试任务，因而得到了初步的认可。2 0 世纪8 0 年代后期，数据采集系统发生了 极大的变化。工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，使系统的成本降 低，体积减小，功能成倍增加，数据处理能力大大加强12 0 世纪9 0 年代至 今，在国际上技术先进的国家，数据采集技术已经在军事、航空电子设备及宇 航技术、工业等领域被广泛应用! 由于集成电路制造技术的不断提高，出现了 高性能、高可靠性的单片数据采集系统( d a s ) ，目前有的d a s 产品精度很高， 可以达到2 4 位；有的d a s 产品速度很快，采集速度可以达到每秒几亿次以 上! 目前，数据采集技术已经成为一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的 应用! 现阶段数据采集系统采用更先进的模块式结构，根据不同的应用要求， 通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可扩展或修改系统，迅速地 组成一个新的系统! 该阶段并行总线数据采集系统向高速、模块化和即插即用 方向发展，典型系统有v x i 总线系统，p x i 、p c i 总线系统等，数据位已达到3 2 位总线宽度，采样频率可以达到1 0 0 m s p s ，由于采用了高密度，屏蔽型，针孔 式的连接器和卡式模块，可以充分保证其稳定性及可靠性，但其昂贵的价格是 阻碍它在自动化领域普及的一个重要因素。串行总线数据采集系统向分布式系 统结构和智能化方向发展，可靠性不断提高! 数据采集系统物理层通信，由于 哈尔滨理t 大学t 学硒+ 学位论文 采用r s 4 8 5 双绞线，电力载波，无线和光纤，所以其技术得到了不断发展和完 善! 其在工业现场数据采集和控制等众多领域得到了广泛的应用”! 在当今网络化时代，以i n t e m e t 为代表的计算机网络通信的发展和应用取得 了前所未有的突破和成功，网络化测量、采集和( 对网中仪器设备的) 控制技 术正随着网络技术的发展而迅速发展。网络化、分布式的数据采集优势体现在 采集范围扩大，处理能力增强，信息索取更加方便，并且能够适应场合变更的 需要。凭借这些优良的性能，网络化测量和控制己经成为数据采集技术发展的 必然趋势。为适应未来技术发展的趋势，施耐德电气公司第一个推出了工业控 制领域的开放的t c p s p 以太网m o d b u st c p i p 。该技术采用i t 行业广泛应用的 技术t c p i p ，底层协议采用开放的m o d b u s ，第一次真正地将工业数据采集与 控制网络和i t 网络融合为一体，使用户彻底摆脱了各种行业的工业数据采集与 控制网络的束缚和限制，进入了工业控制领域的新境界! 基于t c p i p 协议，可以把数据采集与工控方案变得“透明”，使生产过程 的数据采集与工厂的各种控制设备和计算机设备日j 实现透明传输数据! 同时使 用户真正可以享受最新i t 技术带来的各种好处，使企业的生产系统，e r p 系 统，m e s 系统透明实现了无缝的连接，也为制造业用户未来的电子商务应用提 供了生产控制系统的基础! 随着技术的发展，以太网标准在过去五年中，特别 是在确定性，速度和优先法则等方面有了很大提高，以太网越来越能够满足工 业应用的需要，现场总线的通信功能完全可由以太网较好地完成! 在与传统现 场总线的对比测试中，以太网显示出了明显的优势! 使其能够胜任数据采集和 控制对实时性、可靠性、抗干扰性的严格要求，以太网已被证明是未来数据采 集和控制网络的最佳解决方案! 其应用于现场设备控制层是控制网络发展的趋 势! 并将极大地促进信息从传感器到管理层的集成2 ”。 传感器技术、计算机技术和网络技术的长足发展以及由此所产生的测量需 求成为数据采集技术发展的不竭动力，并对数据采集技术提出了更新、更高的 要求：测量的方法、可测量的种类和范围应不断拓宽和更新，准确度要提高， 可靠性要增强，并能够适应各种不同的实验环境需要。简而占之，基于网络的 测量、采集和控制是数据采集技术发展的必然趋势。 1 4 课题研究内容 本课题是基于嵌入式网络的多路数据采集模块的研究与实现，来源于横向 课题。与传统的数据采集模块相比，本课题有两个优势所在：其一，在数据采 哈尔埃理t 大学t 学够 学位论文 集模块软件部分加入了t c p i p 协议簇，硬件部分接入互联网，这样可以充分 利用互联网资源，把前端数据采集模块跟远端p c 机联系起来，使得远端数据 的及时采集及处理成为可能；其二，数据采集模块软件部分采用i _ t c l i n u x 操作 系统。该操作系统内核紧凑，具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管 理，支持多任务、网络等功能；具有大量的应用程序接口，开发应用程序简 单。 本论文详细的阐述了基于嵌入式网络的多路数据采集模块的设计与实现， 主要包括硬件电路的设计与实现、软件的设计与开发以及系统调试。本文所做 的工作主要包括： 1 硬件电路设计方面，完成了系统主控电路的设计和数据采集电路的设 计，主控电路包括：电源电路、晶振电路、复位电路、存储器电路、串口电 路、网络电路。数据采集电路包括：放大电路、增益控制电路、滤波电路、 a d 转换电路和d a 转换电路。设计完成之后，用p r o t e l 9 9 s e 软件设计硬件原 理图，p c b 图，做电路板。电路板完成之后进行电路调试。 2 软件设计方面，建立交叉编译环境，完成了b o o t l o a d e r 和嵌入式操作 系统i _ t c l i n u x 的移植，并在此基础上完成驱动程序和应用程序的开发。然后构 建嵌入式系统软件调试环境，完成了字符设备驱动程序和应用程序调试，最后 进行系统整体联网调试。 哈尔滨理t 大学t 学硕十学伊论文 第2 章a r m 嵌入式处理器及嵌入式操作系统 嵌入式系统有三个基本组成部分：嵌入式微处理器，嵌入式操作系统和在 其上开发的应用程序。前两者的选择在一个嵌入式系统的开发过程中占据非常 重要的位置。目前，在嵌入式微处理器的市场上，a r m 系列占据了大部分市 场分额。流行的嵌入式操作系统有：l i n u x ，v x w o r k s ，w i n c e ，p a l m o s 等。 2 1a r m 嵌入式处理器 2 1 1a r m 嵌入式处理器 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c l u n e s1 ，既可以认为是一个公司的，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。 a r m 公司是专门从事基于r s i c 技术芯片设计开发的公司，它本身不直 接从事芯片生产，而是转让设计许可给合作公司来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，根绝各自不 同的应用领域，加上适当的外围电路，从而形成自己的a r m 微处理器芯片进 入市场。目前，全世界有几十家大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，从而使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具竞争力。 2 1 2a r m 嵌入式处理器的应用领域及特点 到目| j i 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： 1 工业控制领域：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 无线通信领域：目前己有8 5 以上的无线通信设备采用了a r m 技 术，a r m 技术以其高性能和低成本的特点，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进行了优化，并获得广泛 哈尔滓理t 大学_ 学硕十学位论文 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、数字机项 盒和游戏机中得到了广泛采用。 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。 除此以外，a r m 处理器及技术还应用到许多其他领域，并会在将来取得 更加广泛的应用。 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 h 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 1 3a r m 微处理器系列 a r m 微处理器目前包括下面几个系列，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。 1 a r m 7 系列。 2 a r m 9 系列。 3 a r m 9 e 系列。 4 a r m l 0 e 系列。 5 s e c u r c o r e 系列。 6 。i n t e l 的x s c a l e 和s t r o n g a r m 其中，a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 和a r m l 0 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。以下详细介绍各种处理器的特点及应用领 域。 1 a r m 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 哈尔滨理- 大学工学硕+ 学位论文 和功耗要求比较高的消费类应用。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 能够提供0 9 m i p 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 h u m b 指令集。 5 对操作系统支持广泛，包括w i n d o w sc e ，l i n u x ，p a l mo 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 i o e 系列兼容，便于用 户的产品升级换代。 7 主频可高达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 系列微处理器包括如下几种类型的核：a r m 7 t d m i ， a r m 7 ) m i s ，删7 2 0 t ，a r m 7 e j 。其主要应用领域为：工业控制、 i n t e m e t 设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多媒体和嵌入式应用。其 中，a r m 7 t d m i 是目前使用最广泛的3 2 位嵌入式r j 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 u m b ； d ： 支持片上d e 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。 2 a r m 9 微处理器系列 a r m 9 系列微处理器包括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。 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5 级整 数流水线，指令执行效率更高；提供1 i m i p s m h z 的哈佛结构；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。 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。 3 a r m 9 e 微处理器系列 a r m 9 e 系列微处理器包括a r m 9 2 6 e j s ，a r m 9 4 6 e 5 和a r m 9 6 6 e 5 三 种类型，a r m 9 e 系列微处理器为可综合处理器，使用单一的处理器内核提供 了微控制器、d s p 、j a v a 应用系统的解决方案，极大的减少了芯片的面积和系 统的复杂程度。a r m 9 e 系列微处理器提供了增强的d s p 处理能力，很适合于 那些需要同时使用d s p 和微控制器的应用场合。 主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、存储设 哈尔清理t 大学t 学够卜学位论文 备和网络设备等领域。 4 a r m1 0 e 微处理器系列 a r m1 0 e 系列微处理器包括a r m1 0 2 0 e a r m1 0 2 2 e 和a r m1 0 2 6 e j s 三种类型。a r m l 0 e 系列微处理器具有高性能、低功耗的特点，由于采用了新 的体系结构，与同等的a r m 9 器件相比较，在同样的时钟频率下，性能提高 了近5 0 ，同时，a r m l 0 e 系列微处理器采用了两种先进的节能方式。 主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、通信和 信息系统等领域。 5 s e c u r c o r e 微处理器系列 s e c u r c o r e 系列微处理器包含s e c u r c o r es c l 0 0 、s e c u r c o r es c l l 0 、 s e c u r c o r e s c 2 0 0 、s e c u r c o r es c 2 1 0 4 四种类型。s e c u r c o r e 系列微处理器号为 安全需要而设计，提供了完善的3 2 位r i s c 技术的安全解决方案，因此， s e c u r c o r e 系列微处理器除了具有a r m 体系结构的低功耗、高性能的特点外， 还提供了对安全解决方案的支持。 主要用于一些对安全要求较高的应用产品及应用系统，如电子商务、电子 政务、电子银行业务、网络和认证系统等领域。 6 i n t e ls t r o n g a r m 微处理器系列和x s c a l e 微处理器 i n t e ls t r o n g a r ms a 1 1 0 0 处理器采用a r m 体现结构高度集成的3 2 位 r i s c 微处理器。它融合了i n t e l 公司的设计和处理技术，以及a r m 体系结构 的电源效率，才用在软件上兼容a r m y 4 体系结构，同时采用具有i n t e l 技术优 点的体系结构。此系列处理器是便携式通信产品和消费类电子产品的理想选 择，己成功应用于多家公司的掌上电脑系列产品。 x s c a l e 处理器是基于a r m v s t e 体系结构的解决方案，是一款性能全、性 价比高、功耗低的处理器。它支持1 6 位的t h u m b 指令和d s p 指令集，已使用 在数字移动电话、个人数字助理和网络产品等场合。x s c a l e 处理器是i n t e l 目 前主要推广的一款a r m 微处理器。 2 2 嵌入式操作系统 2 2 1 实时操作系统 所谓“实时”，对于计算机系统而占意味着不但要求逻辑结果正确，而且 有时间的要求，即这个结果必须产生截止期限之前。实时系统是对外来事件在 哈尔浓理t 大学t 学够t + 学伊论交 限定时间内能作出反应的系统，这类系统总是嵌入在一个大环境中。即嵌入在 所谓宿主系统中，因此实时系统一般也是嵌入式系统。实时操作系统是指一个 能够在定制的时日j 范围内完成特定的功能或者对外部的异步事件做出响应的操 作系统。实时的概念有“软实时”和“硬实时”两种“”。 从表现上讲，实时操作系统是实时嵌入式系统在启动之后运行的一段背景 程序。应用程序是运行在这个基础之上的多个任务。实时操作系统根据各个任 务的要求，进行资源( 括存储器、外设等) 管理、消息管理、任务调度和异常 处理等工作。在实时操作系统支持的系统中，每个任务都具有不同的优先级 别，它将根据各个任务的优先级来动态地切换各个任务，以保证对实时性的要 求。这种体系结构简化了编程结构，比过去的循环控制的体系结构有了很大的 改进。 从性能上讲，实时操作系统与普通的操作系统存在的区别主要体现在“实 时”二字上。在实时计算中，系统的正确性不仅仅依赖计算的逻辑结果，而且 依赖结果产生的时日j 。从这个角度看，可以把实时系统定义成“一个能够在指 定或者确定的时日j 内完成系统功能和对外部或内部及同步或异步操作做出响应 的系统”。这个定义要求实时操作系统应具备以下最基本的处理能力： 1 系统应该有在事先定义的时间范围内识别和处理离散事件的能力。 2 系统能够处理和存储控制系统所需要的大量的数据。 2 2 2 常见的嵌入式操作系统 软件技术的进步，特别是嵌入式操作系统的推出，为开发复杂嵌入式系统 应用软件提供了底层支持和高效率开发平台。嵌入式操作系统一般可以分为商 用型和免费型两种，商用型的操作系统实时性好，功能稳定、可靠、有完善的 技术支持和售后服务，但往往价格比较昂贵，常见的v x w o r k s ， w i n d o w s e m b e d d e d ，p s o s ，p a l m0 s 等。免费型操作系统在价格方面具有优势，目前 主要有l i n u x 和j a c o s ，在目前很多领域中部用广泛使用这两种操作系统。 针对本课题，对操作系统的选型有以下几方面的考虑：多任务、硬件支 持、开发资源、开发费用、t c p i p 网络协议栈支持、稳定性、内核大小等 等。下面我们对常用的几款嵌入式操作系统进行几方面的比较，见表2 - l 所 示。 综合比较各项特性，可以看出：l i n u x 操作系统在许多方面性能是最能满 足本课题的设计需要。作为一款优秀的多任务多用户操作系统，l i n u x 不仅在 ：窒尘篓竺：奎兰：茎竺耋茎堡丝三 服务器领域取得成功，在嵌入式领域也获得飞速发展。它非但丝毫不逊于 v x w o r k ，w i n d o w sc e 等商业操作系统，反而有以下几个突出的特点： 表2 - 1 常用的嵌入式实时操作系统比较 特性 v x w o r k s q n x w i n c el i n u x p c o s 一1 1 任务调度 优先级剥夺式优先级f i f o剥夺式时间优先级剥夺 优先级剥夺 机制 和优先级轮转调度。时间片轮转，支式f i f o 调度 式( 可在一 片轮转持优先级继定程度上避 承免优先级翻 转) 开发软件丰富 一般丰富丰富较少 包 硬件支持 p o w e rp c 、在x 8 6 上，3 2 位x 8 6 、 x 8 6、 几乎可移植 x 8 6 、c p u 3 2 、可移植到p o w e rp c 、a r m，到所有 s p a r c、 p o w hp c 、a r m 、m i p sm l p s、c p u m i p s ；支持 m i p s 、a r m等a l p h a、 r i s c 、d s p 技 等构架s p a r c 等 术 网络协议有有有 有无 栈 开发费用很高较低高很低很低 源码公开否是否是是 实时性很高很高较高较高 很高 稳定性 极高高高高高 内核大小较大小很大较小小 应用领域对稳定性，可一般的工业消费电子、广泛用于网适用性较 靠性和实时性系统，通信手持设备等络戍用及中广，尤其适 要求极高的领等领域小型系统合小系统开 域发 1 开放源码、软件资源丰富：l m u x 的内核源码、驱动程序、开发上具 1 2 哈尔泞理_ 大学t 学博+ 学位论文 包、应用程序都是完全免费公开的开放源代码使用户获得最大的自山度， 节省了上作量，缩短了开发周期，降低了开发成本。 2 内核功能强大：内核高效稳定，小巧灵活，易于剪裁。 3 支持多种体系结构和硬件平台：支持几乎所有流行的c p u ，支持大量 外围设备，驱动程序丰富。这进一步促进了l i n u x 在嵌入式系统中的应用。 4 完善的网络功能、图形和文件管理机制：内核集成了大量的网络应用 程序，支持全部的标准互联网协议和几乎所有的联网技术，这使l i n u x 很 适合嵌入式系统的网络应用。支持e x t 2 ，f a t 3 2 ，n t f s ，j f f s 2 等多种文件 系统。在图形系统方面也有许多成熟优秀的图形开发上具。 5 功能可定制：继承u n i x 设计思想，内核与用户界面完全独立，可根 据需求灵活定制各功能模块。 6 开发环境成熟完善：具有一系列开发上具和功能强大的i d e 。 虽然l i n u x 在实时性方面略显不足，但己经能够满足本课题的要求，所以 l i n u x 是一个很好的选择。而几款商业操作系统虽然在性能方面都很不错，但 开发成本很高，剪裁性不是很好，其中q n x 相对低廉但开发资源不是很丰 富。而另一款非商业的操作系统t t c o s i i 虽然也是开放源码、成本低廉、但开 发上具较少，且需要另外移植网络协议栈。 随着l i n u x 的迅速发展，如今的l i n u x 有许多发行版本，如r e d h a t ， s u s e ，m a n d r a k e ，d e b i a n ，s l a c k w a r e 等等，另外，嵌入式l i n u x 现在已经有 许多的版本，包括强实时的嵌入式l i n u x ( 如新墨西哥工学院的r t - l i n u x 和堪 萨斯大学的k u r t - l i n u x ) 和一般的嵌入式l i n u x 版木( 如t t c l i n u x 和 p o c k e t l i n u x 等) 。其中，r t - l i n u x 通过把通常的l i n u x 任务优先级设为最低， 而所有的实时任务的优先级都高于它，以达到既兼容通常的l i n u x 任务又保证 强实时性能的目的。另一种常用的嵌入式l i n u x 是i j t c l i n u x ，它是针对没有 m m u 的处理器而设计的。它不能使用处理器的虚拟内存管理技术，它对内存 的访问是直接的，所有程序中访问的地址都是实际的物理地址。它专为嵌入式 系统做了许多小型化的工作 2 2 3l 咀c l i n u x 在g c l l i n u x 这个英文单词中“表示m i c r o ，小的意思，c 表示c o n t r o l ，控 制的意思，所以l a c l i n u x 就是m i c r o - c o n t r 0 1 l i n u x ，字面上的理解就是