（电路与系统专业论文）用嵌入式设备实现图像的网络传输.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果除文中已经注踢引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明本声明的法律责任由本人 ，一 承担 、一年 c v 、 论文作者签名：垒璧兰茎日期：型! 竺型 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 黼o ：弛师签蛘 日期：婴兰：! ! ! i 一 山东大学硕士学位论文 摘要 随着i n t e r n e t 及其相关技术的发展，我们已经进入了网络时代网络 。 已经渗透到日常工作、生活和学习的各个方面现在，不仅p c 机可以上 两，各种各样的嵌入式设备也可以上网本论文设计了一种用嵌入式设备 来实现图像信息在网络上传输的系统 目前，利用嵌入式设备上网的方案大体分为三种方式： ( 1 ) 微处理器加专用的网络协议栈芯片( 如微处理器与e 1 5 5 2 、 w e b c h i p p s 2 0 0 0 等互连) 此种方案的优点是：系统设计中不必考虑网络 协议本身的细节，只需解释并执行网络芯片传送的指令和数据就可以实现 与i n t e m e t 网络的互连其缺点是li n t e r n e t 是一种胖服务器加瘦客户机的 技术t 方案中的各种通信协议对存储器容量和运算速度的要求较高，因而 对系统设计提出了较高的指标要求和资源需求 ( 2 )嵌入式网络技术e m i t ( e m b e d d e dm i c r oi n t e r n e tw o r k i n g t e c h n o l o g y ) 在e m i t 方案中，嵌入式设备通过轻量级总线( 如r s 2 3 2 、 r s 4 8 5 、c a n 等) 与一个网络网关( e m g a t e w a y ) 互连并交换信息，网络 网关同时支持t c p i p 协议和h t t p 服务器，用户通过网络浏览器远程访 问网关获得服务该方案的优点是：嵌入式设备的m c u 只需处理较简单 的e m n e t 协议就能上网；缺点是：嵌入式设备必须通过高性能的网关或 p c 机才能上网 ( 3 ) 用微处理器加以太网控制芯片( n i c ) 实现网络接口该方案 中，微处理器可根据不同的需求，选用不同速度的微控制器芯片( 如 w 7 8 e 5 8 b 、a t 8 9 c 8 2 5 2 、s x 5 2 b d l 0 0 等) 来实现网络协议其优点是： 每台嵌入式设备能直接上网，可使用简化的t c p i p 协议；缺点是：嵌入 系统是高度专用的 本文提出的是用嵌入式设备实现图像信息网络传输的系统，采用第三 种上网方案，如图l 所示 图l 摄像系统网络接口示意图 本论文采用t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 作为嵌入式处理器，其任务是完成图像信 息的压缩处理，并控制网络接口芯片，实现嵌入式设备上网 山东大学硕士学位论文 本论文主要的研究内容有： ( 1 ) 根据监控图像的特点，研究一种新的高效变码率压缩算法：依 据信号差分脉冲编码( d p c m ) 、量化、d c t 变换之后存入帧存储器中数 据量的多少。实时的改变传输帧率和d c t 变换矩阵q ( 2 ) 用t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 的c p u 控制接口芯片r t l s 0 1 9 a s ，经过网 络耦合变压器上网 本论文讲述了嵌入式系统的特点及嵌入式设备的结构：介绍了 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 和t t c o s i i 嵌入式实时操作系统；着重阐述了 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 与r t l 8 0 1 9 a s 接口的硬件电路图、r t l s 0 1 9 a s 寄存器的 配置及网络驱动程序；提出了一种基于h 2 6 1 标准的改进的编码算法：根 据图像信号采集、量化后数据量的变化，实时的改变传输帧率和转换矩阵 的变码率 最后对全文进行了总结，指出方案的不足之处和进一步的研究方向， 给出了后续工作的研究重点 关键词：嵌入式系统；t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 ；r t l 8 0 1 9 a s ；t c p i p ：以太 网：网络接口；视频处理；压缩编码： 2 山东大学颈士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ei n t e r n e ta n dr e l e v a n tt e c h n o l o g y , w eh a v e a l r e a d ye n t e r e dt h ec y b e r t i m e s t h en e t w r kh a sa l r e a d yp e r m e a t e dt h r o u g ha l l r e s p e c t so fo u rr o u t i n e 。l i r ea n ds t u d y n o w , n o to n l yb yp cc a nw es u r ft h e i n t e r n e t ，b u ta l s ob yv a r i o u se m b e d d e de q u i p m e n t s i nt h i st h e s i s ，w ed e s i g n o n ek i n d o f s p e c i a l e m b e d d e d e q u i p m e n t s w h i c hc a nr e a l i z e i m a g e i n f o r m a t i o nt r a n s m i t t i n gi nt h ei n t e r n e t a tp r e s e n t ，e m b e d d e ds c h e m et h a te q u i p m e n ts u r f st h en e ta r ed i v i d e d i n t o t h r e e w a y so n t h e w h o l e 一 一 一 ( i ) t h ec h i p so ft h em i c r o p r o c e s s o ra n ds p e c i a l - p u r p o s ep r o c o t o li n n ，f o r i n s t a n c et h em i c r o p r o c e s s o ri n t e r c o n n e c t sw i t he 1 5 5 2 ，w e b c h i pp s 2 0 0 0 ，e t c t h em a j o ra d v a n t a g eo ft h i sk i n do fs c h e m ei s ：t h ed e s i g ne n g i n e e ro f a p p l i c a t i o ns y s t e mn e e d n tc o n s i d e ra n yp r o t o c o l s ，a n dt h eo r d e ra n dd a t a c o n v e y e do v e rc a nb er e a l i z e dc o n n e c t i n gw i t ht h ei n t e r n e tn e t w o r k , w h i c h o n l yn e e dt ob ee x p l a i n e da n dc a r r y e do u tb yt h en e t w o r kc h i p t h e s h o r t c o m i n gi s ：i n t e r n e ti sa l w a y sat e c h n o l o g yo ff a t s e r v e ra n dt h i nc l i e n t t h e r e f o r ew em u s te x p e c tr e l a t i v e l ym u c ht ot h ec a p a c i t yo ft h em e m o r ya n d t h es p e e do fo p e r a t i o n ，e t c al a r g en u m b e ro f8 1 6m e m o r yo fp r o c e s s o re x i s t l i m i t e di nu s i n g ，b e i n gv e r yd i f f i c u l ti no f f e r i n ge n o u g hs y s t e m a t i cr e s o u r c e s ( 2 ) e m b e d d e dn e t w o r kt e c h n o l o g y , t h es a m e 髂，e m b e d d e dm i c r o i n t e m e t w o r k i n gt e c h n o l o g y ( e m i t ) e m i ta d o p t st h ed e s k - t o pc o m p u t e ro r t h eh i g h p e r l e r m a n c ee m b e d d e dp r o c e s s o rw h i c hi sr e g a r d e da st h eg a t e w a y , c a l l e de m g a t e w a y ( t h ee m b e d d e dn e t w o r kg a t e w a y ) i ts u p p o r t st c p i p p r o t o c o l sa n do p e r a t e sh t t ps e r v i c er o u t i n ea b o v e ，f o r m st h es e r v e rt h a ta u s e rc a nc a r r yo nt h er e m o t ea c c e s st h r o u g ht h en e t w o r kb r o w s e r t h e e m g a t e w a y i sc o n n e c t e dw i t h p e r i p h e r a l h a r d w a r et h a t p a s s e s s u c h l i g h t w e i g h tb u s e sa sr s 2 3 2 ，r s 4 8 5 ，c a n ，e t c t h ea d v a n t a g eo ft h i ss c h e m e i s ：t h ec o m p l i c a t e dp r o c o t o li sr e a l i z e do nt h ep ct h r o u g he m g a t e w a y a p p l i c a t i o ns y s t e mm c uo n l yn e e d st od e a lw i t hs i m p l e re m n e ta g r e e m e n t s j o i nt h ei n t e r a c t t h es h o r t c o m i n gi s ：e m b e d d e de q u i p m e n tm u s ts u r ft h en e t t h r o u g hp co ro t h e rh i g h - p e r l e r m a n c ep r o c e s s o r ( 3 ) t h em i c r o p r o c e s s o ra n dt h ee t h e r n e tc o n t r o l e dc h i p ( n e t w o ri n t e r f a c e c h i p ，n i c ) r e a l i z et h ei n t e r f a c eo ft h en e t w o r k h e r e ，8 16m i c r o p r o c e s s o r s c a l ls e l e c tm a n yk i n d so ft y p e st or e a l i z et h ep r o c o t o l ，s e l e c tt h ed i f f e r e n t s p e e do fm i c r o p r o c e s s o r sa st h ek e yc h i pa c c o r d i n gt ot h ec o n c r e t ed e m a n d s ， 山东大学硕士学位论文 f o ri n s t a n c e 。w 7 5 e 5 8 b ，a t 8 9 c 8 2 5 2 ，s x 5 2 b d l 0 0 ，e t c i t sa d v a n t a g ei s ：s u r f t h en e td i r e c t l yt h r o u g he m b e d d e de q u i p m e n t s 1 1 1 es h o r t c o m i n gi s ：e x p e c t m e m o r yc a p a c i t ya n do p e r a t i o ns p e e dt oc o n t r o l l e rr e l a t i v e l yh i g h ，s op r o c o t o l s o f t w a r eu s e st h es i m p l et c p i pp r o t o c lg e n e r a l l y t h i st h e s i sh a sp r o p o s e do n ek i n ds y s t e mt h a tt r a n s m i ti m a g et h r o u g h n e t w o r kw i t he m b e d d e de q u i p m e n t s i ti st h et h i r dk i n do fn e ts u r f i n g s c h e m e sa d o p t e d 。n a m e l ym a k eu s eo fn e t w o r kc a r dc h i pt or e a l i z et h e i n t e r f a c eo ft h en e t w o r k t h i ss y s t e mi sd i v i d e di n t ot w om a j o rm o d u l e s ，s u c h a s 。am o d u l eo fd e a l i n gw i t hv i d e oa n dan e t w o r ki n t e r f a c e ，a sf i g 1s h o w s f i g1t h ew t t w e * ki n t e r n e fe - _ r 匐l t t h i st h e s i sa d o p t st m $ 3 2 0 v c 5 5 0 9a st h ee m b e d d e dp r o c e s s o rw h i c hn o t o n l yf i n i s h st h ei n f o r m a t i o no ft h ep i c t u r ed e a l e dw i t hc o m p r e s s i o na n d s t o r a g e ，b u tc o n t r o l st h ei n t e r f a c ec h i po fn e t w o r k , a n dr e a l i z et h ee m b e d d e d e q u i p m e n ts u r f i n gt h ei n t e r n e t t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so ft h i s t h e s i s i n c l u d e ： ( 1 ) a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i co fc o n t r o li m a g e s ，w ep r o p o s ean e w c o m p r e s sa l g o r i t h mw h i c hi sb a s e do nt h ed a t es t o r a g ea f e rs a m p l e ，s i g n a l d p c m ( d i f f e r e n c ep u l s ec o d e ) 。q u a n t i z e ，d c t d e p o s i ti nt h es i z eo ft h e m e m o r yd a t u mq u a n t i t yo ft h e 丘a m e a n dc h a n g et h ef r a m er a t ea n dd c t t r a n s m i t t e da n dv a r ym a t r i xqi nr e a lt i m e ， ( 2 ) c o n t r o li n t e r f a c ec h i pr t l s 0 19 a so fn e t w o r kc a r dw i t hc p uo f t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 。t h r o u g ht h ec o u p l i n gn e t w o r kv o l t a g et r a n s f o r m e r ，a n d c o n n e c tw i t ht h ep a i r e dl i n eo rt h ec o a x i a lc a b l e t h i st h e s i si sd i v i d e di n t o5c h a p t e r s ：i th a si n c l u d e dt h ec h a r a c t e r i s t i co f t h ee m b e d d e ds y s t e m ，t h es t r u c t u r eo ft h ee m b e d d e de q u i p m e n ts e p a r a t e l y ； i n t r o d u c e dt m $ 3 2 0 v c 5 5 0 9a n d p c o s i ie m b e d d e d r e a l t i m e o p e r a t i n g s y s t e m ，r e a l i z e dt t c o s i it r a n s p l a n t i n gi n t ot m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 ；h a se x p l a i n e d t h eh a r d w a r ec i r c u i td i a g r a mo ft m s 3 2 0 v c 5 5 0 9a n dr t l 9 0 1 9 a si n t e r f a c e 。 t h ed i s p o s i t i o no fr t l 8 01 9 a sr e g i s t e r , n e t w o r kc a r dd r i v e re m p h a t i c a l l y ；h a s p r o p o s e dan e wc o m p r e s s i o na l g o r i t h ma c c o r d i n gt o t h es i z eo ft h ed a t a q u a n t i t ya f t e rt h ec o l l e c t i o na n dq u a n t i z i n go ft h es i g n a lo ft h ep i c t u r e ，c h a n g e t h ea l g o r i t h mt u r n e di n t oo n ey a r do fr a t e st r a n s m i t t i n gt h e 行a m er a t ea n d c h a n g i n gm a t r i xi nr e a lt i m e ； 山东大学硬士学位论文 f i n a l l y , w ep o i n to u tt h ew e a kp o i n to ft h i sa r t i c l ea n dt h ef u r t h e r r e s e a r c hd i r e c t i o n , p r o v i d et h er e s e a r c hf o c a lp o i n to ft h ef o l l o w - u pw o r k k e y w o r d ：e m b e d d e ds y s t e m ；t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 ；r t l s 0 1 9 a s ；t c p i p ； e t h e r n e t ；n e t w o r ki n t e r f a c e ；v i d e op r o c e s s ；c o m p r e s sc o d e ； ， 山东大学硕士学位论文 6 p c m p u m c u d s p s o c r t o s i n t e m e t t c p ，i p h t t p 符号说明 p e r s o n a lc o m p u t e r m i c r o p r o c e s s o ru n i t m i c r o c o n t r o l l e ru n i t d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r s y s t e mo nc h i p 实时操作系统 互联网 传输控制，网络协议 h y p e rt e x tt r a n s f e rp r o t o c o l ，即超文本传输协议 山东大学颐士学位论文 第l 章嵌入式系统 i 1 嵌入式系统的特点及其发展 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 o 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1 2 1 3 一一 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，用于实现对其他设备的控制 ( c o n t r 0 1 ) 、监视( m o n i t o r ) 或管理( m a n a g e m e n t ) 等功能 早在二十世纪七、八十年代就已经有嵌入式微处理器应用于工业控制 等领域随着工业、医疗卫生、国防等各部门对智能控制需求的不断增长， 同时对嵌入式微处理器的运算速度、可扩充能力、系统可靠性、功耗和集 成度等方面提出了更高的要求为了适应各方面的需求，嵌入式微处理器 体系结构也经历了一个过程处理器的功耗也有了明显降低；集成度进一 步提高目前嵌入式系统已广泛应用于信息家电、移动通讯、手持信息设 备以及工业控制等领域，国外许多大处理器生产厂商( m o t o r o l a 、i n t e l 、 a m d 、日立、n s c 等) 纷纷推出各种嵌入式微处理器，最具有代表性的是： m o t o r o l a 的p o w e r p c 系列；i n t e l的s t r o n g a r m 系列和n a t i o n a l s e m i c o n d u c t o r 的x 8 6 系列美国国家半导体公司最近推出了一款高度集 成的微处理器s c l 4 0 0 ( 片上系统s y s t e m o n a c h i p ) ，它代表了目前嵌入 式微处理器的最高集成度 美国著名未来学家尼葛洛庞帝曾经预言，进入二十一世纪4 5 年之 后，嵌入式智能( 电脑) 工具将是p c 和因特网之后最伟大的发明我国著名 嵌入式系统专家沈绪榜院士9 8 年1 1 月在武汉全国第1 1 次微机学术交流 会上发表的计算机的发展与技术 一文中，也对未来l o 年以嵌入式芯 片为基础的计算机工业进行了科学的阐述和展望 典型的嵌入式操作系统通常要利用处理器完成多个任务每个任务也 称作一个线程，它是一个简单的程序，该程序执行时将独占c p u 这就使 得嵌入式计算机系统与通用型计算机系统相比具有以下特点： 1 嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式c p u 大多工作在为特 7 山东大学硕士学位论文 定应用设计的系统中，能够把通用c p u 中许多由扳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 2 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率、去除冗余，力争在同样的 硅片面积上实现更高的性能 3 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芯片中，而不是存贮于磁盘等外部载体 4 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，设计完成以后，通常用户不 能对其中的程序功能进行惨改 嵌入式系统在设计开发上也与通用计算机有着很大的不同，它非常受 限于自身的功能和具体的应用环境，如对外部事件必须保证即时响应有 体积、重量的限制，功率预算、散热必须符合环境要求，需要令人满意的 安全性、可靠性，系统本身的成本需求等 嵌入式系统在设计时需要重点考虑以下因毒： 1 实时性好由于嵌入式系统面向特定的用户有的不仅要求得到 正确的结果，而且对得到结果的时间延迟也有明确的限制，因此设计时必 须充分考虑到系统实时性的要求 2 可靠性高嵌入式系统是嵌入到其它的设备中，严重的人为误操 作、设备的损坏等都会造成系统的瘫痪因此对于其本身要求有较高的可 靠性 3 集成度高，功耗低嵌入式系统一般用于工业控制、家用电器、 移动通讯等领域，因此对于系统本身的体积有严格的要求，要求必须具有 较高的集成度 。4 环境适应能力强嵌入式系统的工作环境常常工作在高热、冲击， 光、强电磁场等环境中，这些因素会对系统产生不利影响，因此在设计时 应当充分考虑到对于这些外部干扰的防护措施 5 系统成本低任何系统的成本都是一个很关键的因素，当然嵌入式 系统也不例外，设计时应当在满足系统要求的前提下尽可能的降低成本， 这样的系统才有生命力 1 2 嵌入式系统的构成 嵌入式系统品种和数量繁多，从最通用的角度来看，可以分为以下三 个层面：硬件层，内核软件( 操作系统) ，应用软件层1 1 2 1 嵌入式系统的硬件层 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，目前据不完全统 s 山东大学硕士学位论文 计，全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1 0 0 0 多种，流行体系结构 有3 0 几个系列，嵌入式处理器的寻址空间一般从6 4 k b 到1 6 m b ，处理速 度从0 1m i p s 到2 0 0 0 m i p s ，常用封装从8 个引脚到1 4 4 个引脚根据嵌入 的处理器的不同，嵌入式系统可以分成下面几类： 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运用计算机中的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有关的母板功能为 了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽在功能上和标准的微处 理器基本一样，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面都做了各种增 强 嵌入式处理器目前主要有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c 4 0 0 、p o w e rp c ， 6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m 系列等 一一一一一 一 一一 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 ) 嵌入式微控制器又称单片机，顾名恩义，就是将整个计算机系统集成 到一块芯片中嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片 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、w a t c h d o g 、 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 必要功能和外设为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多 种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和 外设的配置及封装 和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是系统单片化，体积大 大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高 嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包 括8 0 5 l 、p 5 i x a ，m c s 2 5 l 、m c s 9 6 1 9 6 2 9 6 、c 1 6 6 1 6 7 ， m c 6 8 h c 0 5 ，1 1 1 2 1 6 、6 8 3 0 0 等近年来提供x 8 6 微处理器的著名厂商a m d 公司，将a m l 8 6 c c c h c u 等嵌入式处理器称之为m i c r o c o n t r o l l e r ， m o t o r o l a 公司把以p o w e rp c 为基础的p p c 5 0 5 和p p c 5 5 5 亦列入单 片机行列t i 公司亦将其t m s 3 2 0 c 2 x x x 系列d s p 做为m c u 进行推广 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 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其特别适合执行 d s p 算法( 如：数字滤波、f f t 、谱分析) ，编译效率较高，指令执行速 度也较高d s p 应用正在从通用单片机中| 以普通指令实现d s p 功能，过渡 到采用嵌入式d s p 处理器嵌入式d s p 处理器有两个发展来源，一是d s p 处理器经过单片化、e m c 改造、增加片上外设成为嵌入式d s p 处理器， t i 的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 ，c 5 0 0 0 等属于此范畴；二是在通用单片机或s o c 中 增加d s p 协处理器，例如i n t e l 的m c s - 2 9 6 和i n f i n e o n ( s i e m e n s ) 的t r i c o r e 推动嵌入式d s p 处理器发展的一个因素是嵌入式系统的智能化，例如 9 山东大学硕士学位论文 各种带有智能逻辑的消费类产品，生物信息识别终端，带有加解密算法的 键盘，a d s l 接入、实时语音压解系统，虚拟现实显示等这类智能化算 法一般都是运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些 正是d s p 处理器的长处所在 。嵌入式d s p 处理器比较有代表性的产品是t e x a si n s t r u m e n t s 的 t m $ 3 2 0 系列和m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 0 系列t m s 3 2 0 系列处理器包括用 于控制的c 2 0 0 0 系列，移动通信的c 5 0 0 0 系列，以及性能更高的c 6 0 0 0 和 c 8 0 0 0 系列另外p h i l i p s 公司今年也推出了基于可重置嵌入式d s p 结 构低成本，低功耗技术上制造的r e a l d s p 处理器，特点是具备双h a r v a r d 结构和双乘，累加单元，应用目标是大批量消费类产品 4 ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ) 随着e d i 的推广和v l s i 设计的普及化，及半导体工艺的迅速发展， 在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是s y s t e m o n c h i p ( s o c ) 各种通用处理器内核将作为s o c 设计公司的标准库这样除 个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均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 嵌入式片上系统可以分为通用和专用两类通用s o c 系列包括 i n f i n e o n ( s i e m e n s ) 的t r i c o r e ，m o t o r o l a 的m c o r e 专用s o c 一般专用于 某个或某类系统中，不为一般用户所知一个有代表性的产品是p h i l i p s 的 s m a r tx a ，它将x a 单片机内核和支持超过2 0 4 8 位复杂r s a 算法的c c u 单元制作在一块硅片上，形成一个可加载j a v a 或c 语言的专用的s o c i 2 2 嵌入式系统的操作系统 嵌入式处理器的操作系统是实现嵌入式系统功能的关键，对嵌入式处 理器系统软件和通用计算机的操作系统有所不同5 1 嵌入式系统的操作 系统要求： ( 1 ) 软件固态化存储 ( 2 ) 软件代码高质量、高可靠性 ( 3 ) 系统软件( 0 s ) 的高实时性 ( 4 ) 多任务操作系统 特别是，在嵌入式数字信号处理器中运行的操作系统必须满足系统实 时性的要求，而操作系统的实时性分为两种：硬实时方式和软实时方式 软实时系统使各个任务尽快运行，而不要求限定某个任务完成盯时间；硬 实时系统中各个任务不仅要执行无误，而且要准时，它是知识集成的平台 和走向工业标准化道路的基础 i o 山东大学硕士擘位论文 实时操作系统( r t o s ) 概述 目前嵌入式应用领域的一个发展倾向是采用实时多任务操作系统 ( r e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m ，r t o s ) 实时操作系统( r t o s ) 是和应用 复杂化直接相关过去一个单片机应用程序所控制的外设和履行的任务不 多，采取一个主循环和几个顺序调用的子程序模块即可满足要求随着应 用的复杂化，一个嵌入式控制器系统可能要同时控制监视很多外设，要求 有实时响应，有很多处理任务，各个任务之间有多种信息传递，如果仍采 用原来的程序设计方法存在两个问题一是中断可能得不到及时响应，处 理时闯过长，这对于一些控制场合是不允许的二是系统任务多，各种资 源如调度不当就会发生死锁，降低软件可靠性 实时操作系统( r t o s 是一个嵌入式系统启动后首先执行的背景程 序，用户的应用程序是运行于r t o s 之上的各个任务，r t o s 根据各个任 务的要求，进行资源( 包括存储器，外设等) 管理、消息管理、任务调度、 异常处理等工作在r t o s 支持的系统中，每个任务均有一个优先级 r t o s 根据各个任务的优先级，动态地切换各个任务，保证对实时性的要 求嵌入式系统以分时方式运行多个任务任务之间的切换应当以优先级 为根据只有优先服务方式的r t o s 才是真正的实时操作系统，时间分片 方式和协作方式的r t o s 并不是真正的“实时” 实时操作系统( r t o s ) 也体现了一种新的系统设计思想和一个开放 的软件框架，工程师在编写程序时，可以分别编写各个任务，不必同时考 虑所有任务运行，减小了程序编写的工作量一个项目开发的过程中，可 以有多个工程师同时进行系统的软件开发，各个人之问只要制订好规程和 协议即可，既缩短了开发时问，又降低了最终软件产品对于具体某个开发 者个人的依赖性 ， 实时操作系统( r t o s ) 的评价指标 r t o s 是操作系统研究的一个重要分支，追求的是实时性，可确定性、 可靠性评价一个实时操作系统一般可以从任务调度、内存管理、任务通 讯、内存开销、任务切换时间、最大中断禁止时间等几个方面来衡量 ( 1 ) 任务调度机制： r t o s 的实时性和多任务能力在很大程度上取决于它的任务调度机 制从调度策略上来讲，分优先级调度策略和时间片轮转调度策略；从调度 方式上来讲，分可抢占、不可抢占、选择可抢占调度方式；从时间片来看， 分固定与可变时闻片轮转 山东大学硬士肇位论文 ( 2 ) 内存管理：分为实模式与保护模式 ( 3 ) 最小内存开销： r t o s 的设计过程中，最小内存开销是一个较重要的指标，这是因为在 工业控制领域中基于降低成本的考虑，其内存的配置一般都不大，例如康 拓5 0 0 0 系列5 1 8 5 板，其基本内存配置仅为2 5 6 ks r a m + 1 2 8 ke p r o m ， 而在这有限的空间内不仅要装载实时操作系统，还要装载用户程序因此， 在r t o s 的设计中，其占用内存大小是一个很重要的指标，这是r t o s 设 计与其它操作系统设计的明显区别之一 ( 4 ) 最大中断禁止时间： 当r t o s 运行在核态或执行某些系统调用的时候是不会因为外部中 断的到来而中断执行的只有当r t o s 重新回到用户态时才响应外部中断 请求，这一过程所需的最大时间就是最大中断禁止时间。 ( 5 ) 任务切换时间： 当由于某种原因使一个任务退出运行时，r t o s 保存它的运行现场信 息、插入相应队列、并依据一定的调度算法重新选择一个任务使之投入运 行，这一过程所需时间称为任务切换时同 实时操作系统( 1 盯o s ) 的发展方向 ( 1 ) r t o s 的标准化 r t o s 开发商有数十家，提供了上百个r t o s ，它们各具特色。但这 也给应用开发者带来难题。应用代码的重用性难另外。操作系统技术规 范差别之大和使用的微控制器品种之繁多，便实时操作系统的标准化成了 一个大问题 美国i e e e 协会在u n i x 的基础上，制定了实时u n i x 系统的标准 p o s i x1 0 0 1 4 9 列协议。但仍有许多工作还待完成设在东京的i n d u s t r i a l t r o n ( t h cr t o sn u l c u s ，实时操作系统中心) 又称作i t r o n ( t 业实对操作 系统中心) ，组织制定了r t o s 的标准该组织于1 9 8 7 年发布了第一个i t r o n 规范，即i t r o n i ，其后，又着手开发针对8 位和1 6 位微控制器，并与1 9 8 9 年发布了u l t r o n 和i t r o n 2 两个技术规范u l t r o n 规范的内核在低档微 控制器中发挥重要作用。正成为日益变成屈指可数的标准内核规范 ( 2 ) 多处理器结构r t o s 、分布式实时操作系统和实时网络的研究 实时应用的飞速发展，对r t o s 的性能提出了更高的要求单处理器 的计算机系统已不能很好地满足某些复杂实时应用系统的需要，开发支持 多处理器结构的r t o s 已成为发展方向，这方面比较成功的系统有p s o s + m 等。至于分布式r t o s ，国外一些r t o s 厂家虽已推出部分产品，如q n x ， c h o r u s 、p l a n9 等，但分布式实时操作系统的研究还未完全成熟。特别是 山东大学硕士学位论文 在网络实时性和多处理器之间任务调度算法方面还需进一步研究 ( 3 ) 集成的开放式实时系统开发环境的研究 开发实时应用系统，只有r t o s 是不够的，需要集编辑、编译、调试、 模拟仿真等功能为一体的集成开发环境的支持开发环境的研究还包括网 络上多主机问协作开发与调试应用技术的研究、r t o s 与环境的无缝连接 技术等 i 2 3 应用软件 嵌入式系统的应用软件一般是在操作系统上编写的其特点是硬件相 关性小，通用性好，移植方便嵌入式系统的应用软件可用多种高级语言 编写然后用相应的编译器编译、连接成机器代码由于汇编语言有着高 效率的特点，在对性能和代码要求很高的部分，常用汇缄语言编写程序或 者是汇编和c 语言混合编写常见的编程语言有： ( 1 ) 汇编语言 ( 2 )c 椰m b e d d e dc + + ( 3 ) j a v a 1 3 本文的主要研究内容和论文安捧 随着i n t e r n e t 及其相关技术的发展，我们已经进入了网络时代网络 已经渗透到了日常工作、生活和学习的各个方面现在，不仅p c 机可以 上网，各种各样的嵌入式设备也可以上同目前，嵌入式设备上网的方案 大体分为