（计算机应用技术专业论文）嵌入式系统internet方案的设计与实现.pdf

摘要 嵌入式i n t e r n e t 是一门方兴未艾的技术，有着广阔的市场前景。目前，许多 公司都在致力于嵌入式i n t e m e t 技术的开发，并提出了多种嵌入式系统与i n t e m e t 互联的解决方案。如e m w a r e 公司的e m i t 技术、m i c r o c h i p 公司的i p i c 系列 单片机、s c e n i x 公司的s x 系列单片机、s e i k o 公司的i c h i p $ 7 6 0 0 a 芯片以及 p & s 公司的w e b c h i p p s 2 0 0 0 芯片就是其中的代表产品。 本文在分析了嵌入式系统应用的特点和目前嵌入式i n t e r n e t 发展现状的基础 上提出了面向8 1 6 位m c u 嵌入式系统，以嵌入式网关为中心的解决方案。该方 案采用三星公司的s 3 c 4 5 1 0 b3 2 位m c u ，操作系统采用l ac l i n u x ，目标是开发 出低成本、高性能、配置简便灵活，可支持多种简单的通信协议的功能强大的嵌 入式网关。该网关支持t c p i p 协议，运行w e b 服务程序，形成一个用户可以通 过网络浏览器进行远程访问的服务器。 本文从总体设计和软件设计、硬件设计方面给出了系统的详细规划。同时具 体阐述了各个模块的开发实现过程。 文章结束处对整个课题项目作出总结，并指出了在项目开发过程中存在的一 些问题以及下一步继续努力的方向。 关键词：嵌入式系统，嵌入式i n t e r n e t ，嵌入式网关，l ac l i n u x a b s t r a c t t h ee m b e d d e di n t e r n e tt e c h n o l o g yi sb e i n g i nt h ea s c e n d a n t ，i t sm a r k e tp r o s p e c t i sv e r yp r o s p e r o u s n o w a d a y s ，m a n yc o m p a n i e sa r et a k i n gu pw i t ht h ed e v e l o p m e n t o fe m b e d d e di n t e m e tt e c h n o l o g y , a n dh a v eb r o u g h tf o r w a r dav a r i e t yo fs o l u t i o n st o e n a b l ee m b e d d e d s y s t e m s i n t e m e t t h e r e p r e s e n t a t i v ep r o d u c t s o fw h i c ha r e e m w a r e se m i t t e c h n o l o g y , m i c r o c h i p si p i cs e r i e ss i n g l e c h i p ，s c e n i x s s xs e r i e s s i n g l e c h i p ，s e i k o si c h i p $ 7 6 0 0 a a n dp & s sw e b c h i pp s 2 0 0 0 b a s e do nt h ea n a l y s e so fe m b e d d e ds y s t e m sa p p l i c a t i o n sa n dt h ee m b e d d e d i n t e m e t sr e c e n t l yp r o g r e s sa c t u a l i t y , ag a t e w a y c e n t e r e ds o l u t i o ni sb r o u g h tf o r w a r d ， w h i c ha i m sa t8 16 b i te m b e d d e d s y s t e m t h e s o l u t i o ni n t r o d u c e s s a m s u n g s s 3 c 4 510 b3 2 b i tm c u ，a d o p t suc l i n u xa sr t o s ，i no r d e rt op r o v i d eap o w e r f u l e m b e d d e dg a t e w a y , w h i c hi sl o wc o s t ，h i g hp e r f o r m a n c e ，e a s i l yc o n f i g u r a b l ea n d s u p p o r t sm a n ys i m p l ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s t h eg a t e w a ys u p p o r t st c p i er u n sa w e bs e r v e r , a c t sa sar e m o t es e r v e rw h i c hc a nb ee a s i l ya c c e s s e db ye n du s e rt h r o u g h ab r o w s e r i nt h i s p a p e r , w eg i v e d e t a i l l a y o u t so ft h e s o l u t i o nf o rc o l l e c t i v i t y d e s i g n ， s o f t w a r ed e s i g na n dh a r d w a r ed e s i g n a n dd i s c u s st h ed e v e l o p m e n ta n di m p l e m e n t p r o c e s so f t h ei m p o r t a n t m o d u l e s a tt h ee n do ft h ep a p e r , w es u m m a r i z et h ew h o l ep r o j e c t ，a n dp o i n to u ts o m e p r o b l e m s c a n l ef o r t hd u d n gt h ed e v e l o p i n g p r o c e s sa n d w h a tw es h o u l dd on e x t k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，e m b e d d e di n t e m e t ，e m b e d d e dg a t e w a y i i 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得电子科技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 中作了明确的说明并表示谢意。 签名： ( 窭l i ) 墨。日期：加千年月3 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：尊莎唧 日期：。悻j 月3 日 嵌入式系统i n t e r n e t 方案的设计与实现 第一章引言 1 1 课题背景、现状及意义 随着科技的高速发展，我们已经进入数字信息技术和网络技术高速发展的 后p c 时代，这中间被人们时刻关注的的嵌入式系统也以极快的速度被推广到 各个应用领域，比如：移动计算平台( p d a 、掌上计算机) 、信息家电( 数字电 视、机顶盒、网络设备) 、无线通信设备( 智能手机、股票接收设备) 、工业 商业控制( 智能工控设备、p o s a t m 机) 、电子商务平台、甚至军事应用领域 等。可以说嵌入式系统与我们日常生活息息相关，它拥有极其广泛的市场。据 统计，嵌入式系统为全球每年带来的工业产值已超过了1 万亿美元。毫无疑问， 这为它的继续发展注入了强大的动力。 本课题研究的是嵌入式系统的一个分支技术一嵌入式i n t e m e t 技术。 嵌入式i n t e m e t 技术的出现是i n t e m e t 发展历史上的一个里程碑，它依托于 i n t e m e t 、w e b 和嵌入式三大技术。嵌入式i n t e m e t 技术是一种设备接入技术和 异种网络互连技术，主要解决的问题是通过w e b 和嵌入式技术实现从不同予 网、不同的物理区域对接入到i n t e m e t 的设备和异类子网进行监控、诊断、测 试、管理、及维护等功能，从而使接入到i n t e m e t 的各种设备或其它类型的子 网具有远程监控、诊断和管理的功能。 嵌入式i n t e r n e t 具有的主要优点在于它可以从设备的角度来看i n t e m e t ，把 i n t e r n e t 的功能嵌入到设备中，称为e m b e d d e di n t e m e td e v i c e ( e i d ) ，通过这种 方式来方便设备操作，简化远程控制。以前如果想要控制远程设备，我们必须 通过专有线路，费时、费力且非常不方便，如果想要控制可以移动的设备简直 是不可能。有了嵌入式i n t e m e t 技术后，可以利用浏览器通过现有的i n t e m e t 来 控制设备，而不是专线；人们可以控制他们想要控制的一切，只要在设备的旁 边有i n t e m e t ，而不管该设备现在或将来移动到什么地方。 嵌入式i n t e m e t 技术的实现方法有很多种，体系结构不同，使用的芯片不 同，采用的底层技术不同、采用的软件技术不同等等。从管理的角度可以把嵌 入式i n t e m e t 技术的发展分为三个阶段，即集中式管理阶段、分散式管理阶段、 智能管理阶段，在不同的阶段有不同的实现方法。随着嵌入式i n t e m e t 的迅速 发展，针对不同的软硬件环境以及应用场合，国内外也先后提出了很多不同的 嵌入式系统的i n t e m e t 解决方案。 嵌入式设备与i n t e m e t 的结合代表着嵌入式系统和网络技术的真正未来， 嵌入式系统i n t e r n e t 方案的设计与实现 它具有巨大的市场潜力，目前，包括s i e m e n s 、p h i l i p s 和m o t o r o l a 在内的数十 家公司联合成立了“嵌入式i n t e r n e t 联盟( e t d ”，共同推动这一技术的发展。 1 2 课题任务 本课题的目标是瞄准目前大量的基于8 1 6 位m c u 的嵌入式应用，为它们 提供一个简单易行、实用可靠的i n t e m e t 解决方案。针对8 1 6 位m c u 的特点， 本课题提出以r s 2 3 2 、u s b 等轻型协议将8 1 6 位m c u 组网，然后以功能强大 的3 2 位m c u 作为网关为它们提供网络功能，使得远程用户无论身处何时何地 都可以通过浏览器浏览和管理这些嵌入式设备。 该课题的主要任务包括： ( 1 ) 通过大量的资料查询和调研，全面了解嵌入式系统的设计方法和开发 方法： ( 2 ) 分析和研究目前的嵌入式系统i n t e m e t 解决方案的特点以及适用场合； ( 3 ) 深入了解产品研发所需要的具体流程； ( 4 ) 对嵌入式网关进行了总体设计和模块划分，并对主控程序、通信模块、 用户接口、系统管理等各个模块进行详细的设计与实现。 1 3 论文编排 本课题主要是8 1 6 位m c u 嵌入式系统基于轻型网络协议的i n t e m e t 方案 的实现。因此本论文首先对嵌入式系统作了简单的介绍，然后分析和比较目前 各个嵌入式系统i n t e m e t 解决方案的优缺点以及应用场合，最后对本方案的设 计和实现做了详细的介绍。 本论文共分为六章，每章的内容安排如下： 第一章引言 介绍了本课题的开发背景、现状及意义，以及课题任务和本论文的编排结 构。 第二章嵌入式系统 介绍了嵌入式系统，首先列举了嵌入式系统的特点，其次介绍了嵌入式系 统的体系结构设计，接下来描述嵌入式系统开发环境，最后分析了嵌入式系统 的部份开发方法。 第三章嵌入式i n t e m e t 方案 2 嵌入式系统i n t e r n e t 方案的设计与实现 一 介绍了当前嵌入式系统i n t e m e t 解决方案和其现状，阐述了嵌入式系统 i n t e m e t 解决方案具体的实现和应用。 第四章系统设计 介绍了基于$ 3 c 4 5 1 0 b 和uc l i n u x 的嵌入式i n t e m e t 解决方案的设计。 第五章模块实现 对嵌入式网关进行模块细划，主要分为主控程序、通信模块、用户接口、 系统管理等。阐述了各个模块具体设计与实现的过程。 第六章结束语 总结全文，并对下一步工作提出了建议。 嵌入式系统i n t e r n e t 方案的设计与实现 第二章嵌入式系统 21 嵌入式系统介绍 近年来，随着软硬件资源的成熟与完善，嵌入式系统的应用得到迅猛的发 展，其领域涉及通信、自动化、信息家电、军事等各个方面。i d g 发布的统计 数字表明，未来的四五年内，信息家电市场会成长5 倍1 0 倍。信息家电作为 家庭信息终端，之所以变得火爆，一个很重要的原因就是嵌入式系统的引入。 嵌入式系统以其得天独厚的优势，广泛地应用于各种信息产品，其数量之大、 种类之多，标志着嵌入式系统的应用发展浪潮已经来临。 2 1 1 嵌入式系统的定义 嵌入式系统般指非p c 系统，它以应用为中心、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。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( 要求 实时和多任务操作) 和应用程序编程。这种系统具有软件代码小，高度智能化， 响应速度快等特点，特别适合于要求实时的和多任务的体系。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。 2 1 2 嵌入式系统的组成 现在的嵌入式系统已经广泛地应用在各个领域，在不同的应用场合，嵌入 式系统呈现的外观和形式是各不相同的，但通过对其内部结构进行分析，可发 现嵌入式系统都具有如图2 1 所示的结构： - 4 嵌入式系统i n t e r n e t 方案的设计与实现 ：坠垫蜊蹙一j 图2 1 嵌入式系统结构 1 、硬件层 硬件层由嵌入式微处理器、存储器系统、通用设备接口和i o 接口( a d 、 d a 、i o 等) 组成。在一片嵌入式微处理器基础上增加电源电路、时钟电路和 存储器电路( r o m 和r a m 等) ，就构成了一个嵌入式核心控制模块。其中 操作系统和应用程序都可以固化在r o m 中。 2 、中间层 硬件层与软件层之间为中间层，也可以被称为硬件抽象层( h a r d w a r e a b s t r a c tl a y e r ，h a l ) 或板级支持包( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ，b s p ) ，它把系 统软件与底层硬件部分隔离，使系统的底层设备驱动程序与硬件无关，一般应 具有相关硬件的初始化、数据的输入输出操作和硬件设备的配景等功能。b s p 具有以下两个特点； ( 1 ) 、硬件相关性：因为嵌入式实时系统的硬件环境具有应用相关性，所以， 作为高层软件与硬件之间的接口，b s p 必须为操作系统提供操作和控制具体硬 件的方法。 ( 2 ) 、操作系统相关性：不同的操作系统具有各自的软件层次结构，因此， 不同的操作系统具有特定的硬件接口形式。 在实现上，b s p 是一个介于操作系统和底层硬件之间的软件层次，包括了 系统中大部分与硬件相关的软件模块。设计一个完整的b s p 需要完成两部分工 作：嵌入式系统初始化以及b s p 的功能和设计硬件相关的设备驱动。 嵌入式系统 n t e r n e t 方案的设计与实现 f 1 1 、嵌入式系统初始化 系统初始化过程总是可以抽象为三个主要环节，按照自底向上、从硬件到 软件的次序依次为：片级初始化、板级初始化和系统级初始化。 片级初始化：主要完成c p u 的初始化，包括设置c p u 的核，心寄存器和控 制寄存器，c p u 核心工作模式以及c p u 的局部总线模式等。片级初始化把c p u 从上电时的默认状态逐步设置成为系统所要求的工作状态。这是一个纯硬件的 初始化过程。 板级初始化：完成c p u 以外的其他硬件设备的初始化。除此之外，还要设 置某些软件的数据结构和参数，为随后的系统级初始化和应用程序的运行建立 硬件和软件环境。这是一个同时包含软硬件两部分在内的初始化过程。 系统级初始化：这是一个以软件初始化为主的过程，主要进行操作系统初 始化。b s p 将对c p u 的控制权转交给操作系统，由操作系统完成余下的初始化 操作，包括加载和初始化与硬件无关的设备驱动程序，建立系统内存区，加载 并初始化其他系统软件模块，比如网络系统、文件系统等。最后，操作系统创 建应用程序环境并将控制转交给应用程序的入口。 ( 2 ) 、硬件相关的设备驱动程序 b s p 另一个主要功能是硬件相关的设备驱动。与初始化过程相反，硬件相 关的设备驱动程序的初始化和使用通常是一个从高层到底层的过程。尽管b s p 中包含硬件相关的设备驱动程序，但是这些设备驱动程序通常不直接由b s p 使 用，而是在系统初始化过程中由b s p 把它们与操作系统中通用的设备驱动程序 关联起来，并在随后的应用中由通用的设各驱动程序调用，实现对硬件设备的 操作。设计与硬件相关的驱动程序是b s p 设计中另一个关键环节。 3 、软件层 软件层由实时多任务操作系统( r t o s ) 、文件系统、图形用户接口( g u i ) 、 网络系统及通用组件模块组成。r t o s 是嵌入式应用软件的基础和开发平台。 r t o s 实际上是段嵌入式目标代码中的程序，系统复位后首先执行，相当于 用户的主程序，用户的其他应用程序都建立在r t o s 之上。r t o s 是一个标准 的内核，它将c p u 时钟、中断、i 0 、定时器等资源都封装起来，留给用户的 是一个标准的a p i 函数接口。 4 、功能层 功能层由基于r t o s 开发的应用程序组成，用来完成对被控对象的控制功 能。功能层是面向被控对象和用户的，为方便用户操作，往往需要提供一个友 6 嵌入式系统i n t e r n e t 方案的设计与实现 好的人机界面。 21 3 嵌入式系统的应用 嵌入式系统广泛应用在制造业的控制系统中，比如化工厂、水泥厂、半 导体厂、食品加工厂、导弹研制部门、核能厂等等。在最近几年，随着能够连 接网络特别是i n t e r n e t 的设备的出现，嵌入式系统在多个方面的应用不断增长。 按照嵌入式系统在应用领域中的应用划分，可分为如下几个方面： 消费类电子产品； 控制系统和工业自动化： 数据通信； 网络信息设备： 电信； 无线通信。 在这里以嵌入式系统在网络信息设备中的应用为例进行说明。 能够与网络连接并能够在网络上传输各类信息的设备被称为“网络信息设 备”。通常网络是运行t c p i p 协议栈的企业内部网络或i n t e r n e t 网络。这种系 统有两个方面的要求： t c p i p 协议栈应嵌入到软件中； w e b 服务器( h t t p 服务器) 应嵌入到系统中。 图2 2 显示了信息设备在i n t e m e t 环境中如何工作。在嵌入式设备中嵌入了 w e bs e r v e r ，用户可以通过i n t e m e t 使用传统的桌面浏览器访问w e bs e r v e r 对嵌 入式设备进行控制。 图2 2 2 1 4 嵌入式系统的特点 嵌入式系统是应用于特定环境下执行面对专业领域的应用系统，与通用的 计算机系统相比具有以下特点： 7 嵌入式系统i n t e r n e t 方案的设计与实现 1 、嵌入式系统通常是面向特定应用的，一般都有实时要求。嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群所设计的系统中。它通常具有低功耗、体积小、集成 度高、成本低等特点，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，从而使嵌入式系统的设计趋于小型化、专业化，也能使移动能力大大增强， 与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、半导体工艺、电子技术和通信网络 技术与各领域的具体应用相结合的产物。这一特点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 、嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也和具体产品 同步进行。因此，嵌入式系统产品一旦进入市场，一般具有较长的生命周期。 4 、嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，在保证稳定、安全、可 靠的基础上量体裁衣，去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能。 这样，才能最大限度地降低应用成本，从而在具体应用中对处理器的选择更具 有市场竞争力。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处理器的内部存储器件中，而不存储于外部的磁盘等载体 中。 5 、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 不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套交叉开发工具和环境才能进行开 发。 2 2 嵌入式系统的硬件体系结构 嵌入式系统是围绕微处理器来构造的，微处理器通过总线接收从各种外部 设备传来的计算工作。因此可以认为嵌入式系统是由微处理器通过总线将各种 外部设备连接起来的一个专用系统。 2 2 1 微处理器 嵌入式处理器是嵌入式硬件系统的核心，所提供功能的强弱直接决定了嵌 入式应用的适应范围和开发复杂度。 根据处理器配景情况，嵌入式处理器可以分成下面几类： l 、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 ) 嵌入式微处理器是由通用微处理器( m c u ) 简化而来。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，这样 可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微 r 嵌入式系统i n t e r n e t 方案的设计与实现 处理器虽然在功能上和m c u 基本是一样的，但在功耗、功能配置、封装形式、 可靠性等方面一般都做了相应的改变。 e m p u 具有体积小、功耗少、成本低、可靠性高的优点。由于片内周边 电路不足，就必须在电路板上装有r o m 、r a m 、总线接口和各种外设接口等 器件，从而降低了系统的可靠性和保密性。 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。顾名思义，就是将整个计算机系统的主要硬 件集成到一块芯片中。m c u 一般以某一种微处理器的c p u 为核心，芯片内集 成了r o m e p r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、定时器、计数器、w a t c h d o g 、 i o 、串行口、脉宽调制输出、f l a s hr a m ( 闪存) 和e e p r o m 等各种必要功 能和外设接口，也可以集成a d 、d a 转换接口。为适应不同的应用需求，一 般一个系列的m c u 具有多种衍生产品。每种衍生产品的c p u 都是一样的，不 同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使m c u 最大限度地和应用需求 相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。和e m p u 相比，m c u 的最大 特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。m c u 是目前嵌入式系统工业的主流。m c u 的片上外设资源一般比较丰富，适合于 控制。 3 、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 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算 法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、f f t 、频谱分析等方 面，d s p 算法正在大量进入嵌入式领域，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。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、增加片上外设而成为嵌入式 d s p 处理器，t i 公司的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 。 4 、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经来临，这就是片上系统( 简称 s o c ) 。各种通用处理器的c p u 以及面向应用领域的功能块将作为i p c o r e ( 知 识产权核) 放人s o c 设计公司的标准库。和许多其它嵌入式系统外设一样，成 为超大规模集成电路( v l s i ) 设计中一种标准的器件，并用标准的v h d l 等语 言描述，存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可 9 嵌入式系统i n t e r n e t 方案的设计与实现 以将设计图交给半导体工厂制作样品。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，使应用系统电路板变得很 简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。 2 22 总线 微处理器是嵌入式系统的重要组成部分，但如果没有通过总线将微处理器、 存储器、外设等设备连接起来，整个嵌入式系统是不能实现的。 l 、总线协议 大部分总线协议的基本构件是四周期握手协议，如图2 3 所示。握手保证 当两个设备想通信时，一个准备好发送，另一个准备好接收。握手使用两根用 来进行握手的电线e n q ( 表示查询) 和a c k ( 表示应答) 。在握手期间，有专用 的电线用来传输数据。四周期握手描述如下： 匪 翘 结构 设备1 设备2 l234 行为 幽2 3 四周期握手协议 1 ) 设备1 升高它的输出电平来发查询信号，它告诉设备2 应准备好监听数 据。 2 ) 当设备2 准备好接收数据时，它升高它的输出电平来发应答信号。这时， 设备l 和2 已准备好发送或接收。 3 ) 一旦数据传送完毕，设备2 降低它的输出电平表示它已经接收完数据。 4 ) 看见应答信号变低，设备1 降低它的输出电平。 在握手结束时，双方握手信号均为低电平，就像开始握手前一样。因此， 系统回到其初始状态，为下一次以握手方式传输数据做准备。 2 、d m a 标准总线事务要求c p u 在每个读写事务中间。然而，某些数据传输类型无 1 0 嵌入式系统i n t e r n e t 方案的设计与实现 须c p u 加入。例如，有一个高速i o 设备要将一块数据传输到存储器。当然可 以写一段程序交替读设备写存储器，但c p u 不介入而让设备和存储器直接通信 要快些。这种能力要求c p u 外的别的单元能控制总线上的操作。 直接存储器访问( d m a ) 是允许读写不由c p u 控制的总线操作。d m a 传 输由d m a 控制器控制，它从c p u 请求总线控制。得到控制权后，控制器直接 在设备和存储器之间执行读写操作。 图2 4 给出了带有d m a 控制器的总线配置。d m a 要求c p u 提供两个附 加的总线信号： c 1 0 c k r w a d d r e s s d a t ar e a d y d a t a 图2 4 带d m a 控制器的总线 1 ) 总线请求是c p u 的输入信号，通过它d m a 控制器请求总线所有权。 2 ) 总线授权信号表示总线已经授权给d m a 控制器。 3 、系统总线配置 一个微处理器系统可能含有多条总线。如图2 5 所示，高速设备可连到高 速总线上；而低速设备连到别的总线上。一个被称为桥的小逻辑电路使总线可 以互连。这样做的原因概括如下： 图2 5 多总线系统 越高速总线通常提供越宽的数据连接。 高速总线通常要更昂贵的电路和连接器。而可通过使用较慢、较便宜 的总线来降低低速设备成本。 嵌入苎至竺! ! ! ! 竺! ! 塑壅竺堡兰量窭翌 十一 桥允许总线独立操作，这样在i 0 操作中可提供某些并行性。 4 、a r m 总线 由于a r mc p u 由许多不同制造商制造，芯片外提供的总线随芯片变化而 变化。a r m 已经为单芯片系统创建了一个独立的总线规格说明。a m b a 总线 支持将多个c p u 、存储器和外围设备集成在片上系统中。如图2 6 所示，a m b a 规格说明包括两条总线。a m b a 高性能总线( a h b ) 是为高速传输而经过优化 的，直接连到c p u 上。它支持好几个高性能总线的特性：流水线技术、突发传 输、分离事务和多总线主控器。 a m b a 高性能总线 图2 6a r ma m b a 总线系统的组成部分 5 、s h a r c 总线 由于s h a r c 将程序存储器和数据存储器包含在芯片上，因此它使用不同 的总线配置。有两种重要的外部接口：外部存储接口和主机接口。s h a r c 的 d m a 系统可用来在内存和外存或设备之间传输数据。 1 ) 外存接口 外存接口允许s h a r c 寻址达外存的4 g 字。外存可存放指令或数据。外 部数据总线宽度从1 6 位到4 8 位不等，这取决于存储器访问类型( 浮点，指令 等) 和访问期间是否用d m a 。处理器中不同单元能访问的外存的数量不同。 d m 总线和i o 处理器可访问整个外部地址空间，而p m 地址总线只有2 4 位宽， 可访问1 6 m 字。交换器存储器接口直接。 2 ) 主机接口 主机接口可用来将s h a r c 连到标准微处理器总线上。由于c p u 可将d s p 操作设置为由s h a r c 执行，因此它被称为主机系统。主机接口为总线授权实 现一个典型的握手。主机接1 2 1 信号如图2 7 所示。一旦主机处理器通过h b r ， h b g ，r e d y 获得总线控制权，它可以读或写s h a r c 的内存和i o p 寄存器。 1 2 嵌入式系统i n t e r n e t 方案的设计与实现 m r h b g c s r e a d y s b t s 主机总线请求 主机总线授权 芯片选择 主机总线应答 中止总线三态 图2 7s h a r c 主机接口信号 3 ) s h a r c d m a s h a r c 将一个板上的d m a 控制器作为i o 处理器的一部分。d m a 控制 器可执行外部端口块数据传输和在链接端口、串口上的数据传输。通道有不同 的用途，包括外存、链接端1 2 、串口。控制器有1 0 个可以连到外部目标的通道。 外部端口d m a 通道和链接端口h d m a 通道可用于双向传输，而串口d m a 通 道是单向的。 2 2 3 存储设备 1 、存储设备组织 a d d r e s s 图2 8 存储设备的内部组织 在存储器内部，数据是存放在如图2 8 所示的二维阵列存储单元中。因为 阵列以二维被存储，芯片收到的n 位地址被分成行地址和列地址( n - r + c ) 。行 列选定一个特定存储单元。如果存储器外部宽度为1 位，那么列地址仅一位； 对更宽的数据，列地址可选择所有列的一个子集。大部分存储器包括一个启用 ( e n a b l e ) 信号，它控制存储器引脚的数据的三态。在读写存储器上的读写信 号图中的刚w 控制数据传输的方向，存储器芯片读写数据引脚常常不是独立 的。 2 、随机存储器 随机存储器( r a m ) 可以被读和写。它们被称为随机存取是因为与磁盘不 同，地址可以以任意次序被读。有两大类随机存储器( r a m ) ：静态随机存储 器( s r a m ) 和动态随机存储器( d r a m ) 。这两类存储器有明显不同的特征， 综述如下： s r a m 比d r a m 快。 s r a m 比d r a m 耗电多。 1 3 嵌入式系统i n t e r n e t 方案的设计与实现 在一个芯片上可以置放更多的d r a m 。 d r a m 需要周期性刷新。 3 、只读存储器 只读存储器( r o m ) 用固定数据预编程。它在嵌入式系统中非常有用，因 为许多代码或数据不随时间改变。只读存储器对辐射感应的错误也相对不敏感。 有几种可用的只读存储器。最大的区别是工厂编程的只读存储器( 有时被 称为掩模编程只读存储器( m a s k - p r o g r a m m e dr o m ) ) 和现场可编程只读存储 器。前者从工厂定购时己写入特定程序。它们一般被成千上万地大量订购，但 很明显，只有当r o m 以一定数量安装时工厂编程才有用。另一方面，后者可 在实验室内被编程。编程单元有时被称为r o m 熔固器。为r o m 编程，用户 以标准格式生成一编程文件，将r o m 插进r o m 熔固器，发送文件到熔固器 给r o m 编程。 2 2 4 i 0 设备 l 、定时器和计数器 定时器和计数器的区别主要在用处，而不是其逻辑电路。它们都是由带有 保存当前值的寄存器和向当前寄存器值加1 的一个增量输入的加法器逻辑电路 组成。然而，定时器让它的计数连到周期性时钟信号上以测量时间间隔，而计 数器让它的计数连到非周期性信号上以计算外部事件的发生次数。因为同样的 逻辑电路可用这两个目的，所以该设备经常被称为“计数定时器”。 2 、a d 和d a 转换器 模数( a d ) 转换器和数，模( d a ) 转换器( 通常分别记为a c c 和d a c ) 经常用作非数字设备到嵌入式系统的接口。因为a d 转换器需要更复杂的电路， 所以它也需要更复杂的接口。 3 、键盘 键盘基本上由一个开关阵列组成，但它还包括一些逻辑电路来简化它到微 处理器的接口。 1 ) 单个开关 开关使用机械接触来断开或接通电路。机械开关的主要问题是颤动。当通 过按下连接到开关臂上的按钮将开关压上时，压的力导致接触颤动几次才停下 来a 这种颤动显现为按了几次开关，给出错误输出。硬件消颤电路使用一个单 步定时器。软件也可用来消除开关输入颤动。原始的键盘就是开关的集合( 每 - 1 4 嵌入式系统i n t e r n e t 方案的设计与实现 个开关在其中有自己的一对引出线，这使得当需要大量键时，原始键盘会变得 不实用。 2 ) 微处理器控制的键盘 更加昂贵的键盘，如用在p c 中的键盘，通常包括一个微处理器来预处理 键盘输入。p c 键盘通常使用一个4 位微处理器在计算机和键盘之间提供接口。 微处理器可提供消颤，它还有其他功能，编码键盘使用编码来表示被按下的开 关，编码键盘的核心是开关扫描阵列。与原始键盘不同，扫描键盘阵列每次只 读开关的一行。阵列左边的多路分路器选择要读的行。当扫描输入为l ，该值 被送到该行每列，如果某个键被按下，那么在该列1 被探测到，由于每列只有 一个键被激活，因此该值唯一代表了一个键。行地址和列输出被用来编码，用 电路来给出不同的编码。 2 2 5 组件接口 1 、存储器接口 s r a m 的总线接口比d r a m 简单，是因为d r a m 的r a s 和c a s 要多路 复用并且要刷新。总线的r w 经常直接连到s r a m 上。s r a m 接口的主要问 题是地址译码。芯片使能引脚用于简化大存储器的接口。 2 、设备接口 一些i o 设备接口被设计成直接连到特定的总线上，形成无逻辑接口。当 把设备连到不是专门为它设计的总线上时，接口逻辑是必需的。 i o 设备通常需要比存储器小得多的地址范围，所以地址必须被更精确地 译码。还需要额外的逻辑来让总线读写设备寄存器。图2 9 展示了一种类型的 接口逻辑。 r w 夕麓 收发器 r w 图2 9 逻辑接口 刈旷圈 r e g i d l r e 9 2 l 圃 r e g v a l r w 设各 嵌入式系统i n t e r n e t 方案的设计与实现 2 3 嵌入式系统软件体系结构 2 3 1 实时操作系统r t o s 介绍 现在嵌入式系统使用r t o s 作为其开发平台越来越普遍。使用r t o s 作为 开发平台可能会有较快的开发进度，便于增加新功能，维护方便等。但有的 r t o s 成本较高。 r t o s 是针对不同处理器优化设计的高效率实时多任务内核。它把系统的 底层硬件封装起来，向用户提供底层服务的系统调用( a p i ) ，并根据单个任务 的优先级为各任务合理分配c p u 。 2 3 2 体系结构 一个典型的嵌入式r t o s 可以包括以下部分，如图2 1 0 所示。各部分含义 如下。 r t o s 基本内核：这是嵌入式r t o s 体系中最核心、最基础的部分。在 微内核结构中，必须拥有任务( 进程线程) 管理、中断( 包括时钟中断) 管理、 基本的通信管理和存储管理四部分。其中，对外设的管理只是提供设备中断管 理接口，不负责具体操作。 r t o s 扩展内核：这是为方便用户使用而对r t o s 系统进行的扩展。它 建立在基本内核基础上，提供g u i 、t c p i p 、浏览器、动态下载、电源管理和 文件管理等编程接口。 设备驱动程序接口：这是建立在r t o s 系统内核与外部硬件之间的一 个硬件抽象层，用于定义软件与硬件的界限，方便r t o s 系统的移植和升级。 在有些嵌入式r t o s 中，没有专门区分这一部分，统归于r t o s 系统基本内核。 应用编程接口：这是建立在r t o s 编程接口之上的、面向应用领域的 编程接口( 也称为应用编程中间件) 。它可以极大地方便用户编写特定领域的嵌 入式应用程序。 l 应用编程接口a p i l r 。 l r t o s 基本内核 l l 一进程线程管理i f 一时钟管理f l 一中断设备驱动管理l l 一通信管理l 一存储管理i r t o s 扩展内核 一图形处理接口g u i 一网络管理 一文件管理 一浏览器 一电源管理 一动态加载 一1 6 嵌入式系统i n t e r n e t 方案的设计与实现 图2 1 0 嵌入式r t o s 体系结构 2 4 嵌入式系统开发平台 2 4 1 开发平台的分类 通用计算机具有完善的人机接口界面，在上面增加一些开发应用程序和环 境即可进行对自身的开发。丽嵌入式系统本身不具备自开发能力，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，研制嵌入式应用系统的工具称为嵌入式系统开发工具。 嵌入式处理器是一个复杂的高技术系统，要在短时间内掌握并开发出所有功能 是很不容易的，而市场竞争则要求产品能够快速上市，这一矛盾要求嵌入式处 理器能够有容易掌握和使用的开发工具平台。提高用户和程序员的时间投入回 报率。 好的开发工具除能够开发出处理器的全部功能以外，还应当是用户友好的。 目前嵌入式系统的开发工具平台主要包括下面几类： 1 、实时在线仿真系统i c e ( i n - - c i r c u i te m u l a t o r ) 嵌入式系统开发工具通常除了具备通用机的软硬件资源如：键盘、显示器、 主机、操作系统等，硬件上一定要有在线仿真器和e p r o m 写入器，软件上要 有与嵌入式处理器有关的交差汇编程序、仿真调试程序、e p r o m 写入程序、 高级语言编译器、实时多任务操作系统等。这样的一个完整的用于开发嵌入式 应用系统的系统称为实时在线仿真系统。 其中在线仿真器本身就是一个嵌入式系统，它具有与所要开发的嵌入式应 用系统相同的嵌入式处理器，其仿真过程为：当一个嵌入式系统接线完备后， 由于自身无调试能力，无法验证好坏，可把应用系统的处理器拔掉，插上仿真 器提供的仿真头，仿真头是仿真器处理器信号的延伸，也就是说应用系统和仿 真器共用一个处理器，当我们在开发系统上通过仿真器调试嵌入式应用系统时， 就像使用应用系统的真实处理器一样，而觉察不出这种替代，这就是所谓的仿 真。除了“出借”c p u 外，还可“出借”存储器，即，在应用系统调试期间其 程序存储器芯片也可拔掉仿真器把应用系统的一部分数据存储器“变换”成应 用系统的程序存储器，这部分数据存储器与应用系统的程序存储器有相同的存 储空间可存放应用系统待调试的程序，在开发系统上使用这部分存储器仿佛使 用自己设计的应用系统中的存储器一样。可见在线仿真器的作用主要是取代应 用系统的处理器和程序存储器，沟通开发系统与应用系统的联系，达到最接近 真实的情况下，对软件和硬件进行联合调试的目