（计算机系统结构专业论文）基于arm的嵌入式网络平台的设计与实践.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 基于a r m 的嵌入式网络平台的设计与实现 摘要 近年来，i n t e m e t 迅猛发展，己遍及到社会的各个领域。但是i n t e m e t 在带给人们极 大便利的同时，也充斥着许多不安全隐患。为了安全的使用网络，需要有平台运行防火 墙、入侵检测等程序，因此设计开发了基于a r m 的嵌入式网络平台。 本平台以a r m 处理器为核心，接有多种类型的存储器。设计了多网络接口来满足 应用中的各种需要。并且能够通过j t a g 接口进行系统调试，通过串口实现用户和系统 的信息交互，通过u s b 口下载程序映象等来实现系统的升级和维护。 本文首先介绍了有关嵌入式系统的背景知识及其组成部分，通过比较不同的嵌入式 微处理器、嵌入式操作系统以及嵌入式i n t e m e t 技术等，根据实际的需求，确定了基于 a r m 的嵌入式网络平台的总体方案。在给出了平台的总体设计方案之后，本文着重介 绍了硬件电路的设计和实现，包括电路模块的划分和各模块详细的设计原理。然后对启 动引导代码b o o t l o a d e r 的功能、设计以及相关问题进行了一定的研究和讨论。接着对 h l d k 交叉编译环境的建立，和l i n u x 在该硬件平台上的具体移植过程，主要是多网络 接口的识别做了说明。最后对系统的硬件调试做了一些介绍。 关键词：a r m ；l i n u x ；网络平台：系统调试 东北大学硕士学位论文 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fa ne m b e d d e d n e t w o r k p l a t f o r mb a s e do na 肼 a b s t r a c t i u t e r n e th a sb e e nd e v e l o p i n gr a p i d l ya n ds t r e c t c h i n gt oe v e r yf i e l d so fs o c i a ll i f ei nr e c e n t y e a r s a l t h o u g hi tb r i n g su sm u c hc o n v i e n c e ，i t sf i l l e dw i t hm a n yf a c t o r so fr i s k s i no r d e r t o u s en e t w o r ks a f e l y , s o m ep l a t f o r mo i lw h i c ht or n nt h e p r o g r a m so ff i r e w a l l ，i n t r u f i o n d e t e c t i o na n ds oo ni sn e e d e d s oa l le m b e d d e dn e t w o r kp l a t f o r mb a s eo na r mi sd e v e l o p e d a n dd e s i g n e d 1 1 1 i sp l a t f o r mi sb a s e do na r m p r o c e s s o gc o n n e c t e dw i t hs o m ek i n d so fm e m o r i e s ， m a n yn e t w o r ki n t e r f a c e sa l ed e s i g n e dt os a r i s f yk i n d so fr e q u i r e m e n t s a n di t c a nd e b u g t h r o u g hj t a gi n t e r f a c e ，r e a l i z ei n f o r m a t i o na l t e m a t i o nb e t w e e nu s e r sa n ds y s t e m ，a n dr e a l i z e s y s t e mu p g r a d i n ga n dm a i n t e n a n c eb yt h el o a d e do f p r o g r a mi m a g et h r o u g hu s b i n t e r f a c e a tf i r s t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n dk n o w l e d g ea b o u te m b e d d e ds y s t e ma n di t s c o m p o n e n t s c o m p a r i n ge m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r ，e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，i n t e m e t t e c h n o l o g y , a n da c c o r d i n gw i t ha c t u a ld e m a n d s ，t h es o l u t i o no fe m b e d d e dp l a t f o r mw i t h n e t w o r kb a s e do na r mi sp r o p o s e d a f t e rp r o v i d i n gt h ew h o l ed e s i g np l a no ft h ep l a t f o r m ， t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fh a r d w a r ec i r c u i ti sd i s c u s s e di nd e t a i l s ，i n c l u d i n gt h e d i v i s i o no fm o d u l e sa n dt h ed e s i g np r i n c i r ) l eo fm o d u l e s t h e nc e r t a i nr e s e a r c ha n dd i s c u s s i o n o nt h ef u n c t i o n ，d e s i g na n dr e l e v a n tp r o b l e m so fb o o t l o a d e ri sc a r r i e do u t n e x t ，t h e s e a i n g - u po fh l d kc r o s s i n gc o m p i l i n ge n v i r o n m e n ta n dt h ep r o c e d u r eo fp o r t i n gl i n u x k e r n e lt ot h en e wh a r d w a r ep l a t f o r mw h i c hi sm a i n l yt h ei d e n t i f i c a t i o no f m a n yn e t w o r kc a r d s a r ee x p l a i n e dd e t a i l e d l y a tl a s t ，m e t h o d so f d e b u g g i n ga n dt e s t i n gf o rh a r d w a r es y s t e ma r e i n t r o d u c e d k e yw o r d s ：a r m ：l i n u x ；n e t w o r kp l a t f o r m ；s y s t e md e b u g g i n g i i 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：弘旗袍 日期： 7 1 0 口6 。p2 - 、o f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校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。本人同意东北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、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名 签字日期： 导师签名： 签字目期： 东北大学硕士学位论丈第一章引百 1 1 背景介绍 第一章引言 进入二十一世纪，全球数字化、信息化的进程不断加快，而嵌入式系统作为其核心 组成部分也正在i t 领域掀起新一轮投资热潮。随着信息产业和微电子技术的发展，嵌 入式系统的功能只渐强大，应用愈加广泛。嵌入式系统在工业自动化、智能仪表、航空 航天、军事工业以至人们的日常生活中的应用日益增多，例如有军用电子装备、工业机 器人、电子秤、条形码阅读器、银行点钞机、心脏起搏器、专家系统等无不与嵌入式技 术息息相关。司以晚，随着国内外各种嵌入式产品的进一步开发和推广，嵌入式技术与 人们的生活会更加紧密结合。 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。在一些工业和汽车应用中，为了实现多个m c u 之 蚓的信息交流，通常利用c a n 、r s 2 3 2 、r s 一4 8 5 等总线将m c u 组网，但这种网络的 有效半径比较有限，有关的通信协议也比较少，并且一般是孤立于i n t e r n e t 以外的f ”。 i n t e r n 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 r n e t 上面，则可以方便、低廉地将信息传送到几乎世界上的任何一 个地方。嵌入式技术和阱太网技术的结合就成为了近些年新兴的发展方向。在各种专用 于工控的现场总线协议争夺市场的同时，已经有人预言以太网将是最后的赢家。在各大 公司纷纷推出其以太网计划后，这个进程被大大加快了。可以说嵌入式i n t e m e t 技术是 信启、技术的一个新的发展，是信息产业的一个新的亮点【“。 以往按照计算机的体系结构、运算速度、结构规模、适用领域，将其分为大型计算 机、中型计算机、小型计算机和微计算机，并以此来组织学科和产业分工，这种分类沿 袭了约四十年。近十年来随着计算机技术的迅速发展，情况发生了根本性变化，例如7 0 年代末定义的微计算机演变来的个人计算机( p c ) ，如今已占据了全球计算机工业的 9 0 的市场，其处理速度也超过了当年大、中型计算机的能力。随着计算机技术和产品 对其他行业的广泛渗透，以应用为中心的分类方法变得更为切合实际，也就是按计算机 的嵌入式应用和非嵌入式应用将其分为嵌入式计算机和通用计算机。 通用计算机具有计算机的标准形态，通过装配不同的应用软件，以相似面目出现并 应用在社会的各个方面，其典型产品为p c ；而嵌入式计算机则是以嵌入式系统的形式 隐减在各种装置、产品和系统中。一台通用计算机的外部设备中就包含了多个嵌入式微 处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、网卡、m o d e m 、声卡、打印机、 扫描仪、u s b 集线器等均是由嵌入式处理器控制的。 东北大学硕士学位论文 第一章引言 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m s ) 是嵌入式计算机及其应用系统的总称，以应用 为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、嵌入于各种设备及应用产品内部，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。嵌入式系 统提供用户接口、管理有关信息的输入输出、监控设备工作，使设备及应用系统有较高 功能和性价比。 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和各个行业的具体应用 相结合后的产物，这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。 从某种意义上来说，通用计算机行业的技术是垄断的。占整个计算机行业9 0 的 p c 产业，8 0 都采用i n t e l 的8 x 8 6 体系结构，芯片基本上出自i n t e l ，a m d ，c y r i x 等几 家公司。在几乎每台计算机必备的操作系统和文字处理器方面，m i c r o s o f t 的w i n d o w s 及w o r d 占8 0 9 0 ，凭借操作系统还可以搭配其他应用程序。因此当代的通用计算 机工业的基础被认为是由w i n t e l ( m i c r o s o f t 和i n t e l9 0 年代初建立的联盟) 垄断的工业。 与传统的通用计算机行业不同，嵌入式系统是个分散的工业，它是面向用户、面 向产品、面向应用的，其中充满竞争、机遇与创新，没有哪一个系列的处理器和操作系 统能够垄断全部市场。即便在体系结构上存在着主流，但是嵌入式系统涉及到广泛的应 用领域，产品五花八门，各不相同的应用领域决定了不可能有少数公司、少数产品垄断 全部市场。这就为广大的中小型高技术公司留下了巨大的发展与创新空白j 。另外，嵌入 式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等方面均受到应 用要求的制约，这些也是各个半导体厂商之间竞争的热点。而且社会上的各个应用领域 是在不断向前发展的，要求其中的嵌入式处理器核心也同步发展，这也构成了推动嵌入 式工业发展的强大动力。 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。嵌入式系统中的软件， 一般都固化在只读存储器中，而不是以磁盘为载体，可以随意更换，所以嵌入式系统的 应用软件生命周期也和嵌入式产品一样长。另外，各个行业的应用系统和产品，和通用 计算机软件不同，很少发生突然性的跳跃，嵌入式系统中的软件也因此更强调可继承性 和技术衔接性，发展比较稳定。 嵌入式处理器的发展也体现出稳定性，一个体系一般要存在八到十年的时间。一个 体系结构及其相哭的片上外设、开发工具、库函数、嵌入式应用产品是一套复杂的知识 系统，用户和半导体厂商都不会轻易地放弃一种处理器。 嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机。随着现代社会信息化进程 的加快，嵌入式系统被广泛的地应用于军事、家用、工业、商业、办公、医疗等社会各 个方面，表现出很强的投资价值。从国际范围来看，作为数字化电子信息产品核一t l , 的嵌 入式系统目前其硬件和软件丌发工具市场已经突破两千亿美元，嵌入式系统带来的全球 工业年产值更是达到了一力i 亿美元，随着全球经济的持续增长以及信息化的加速发展， 东北大学硕士学位论文 第一章引言 _ _ _ - _ _ _ - _ _ - _ _ - - - _ _ ，_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ - _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一- - _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ - - _ - - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 嵌入式系统市场必将迸一步增长。在我国，信息化与全面小康社会建设更是对嵌入式系 统市场的发展提出了巨大需求。据统计，2 0 0 4 年我国嵌入式软件市场销售额达到了2 2 4 ，l 亿元，比2 0 0 3 年增长了1 9 1 。我国的信息家电年需求量达到几亿台，每一类数字化 家电产品都有千力台以上的市场需求量。以数码相机为例，根据预测，在未来三年内， 我国数码相机市场将保持5 0 以上增速，到2 0 0 7 年达到8 0 亿元的规模。嵌入式软件在 数码相机中扮演若关键性的角色，对摄像过程的控制、数字影像的采集与编辑、以及数 码相机与其他电于产品的联结都需要嵌入式软件的支持。另外，在工业控制以及商用中， 我国每年也需要几百万台嵌入式系统。由此可见，我国在未来几年内存在着巨大的嵌入 式系统投资机会，对广大科技企业来讲是发展的黄金期。 1 2 课题的提出 随着科技的进步，网络应用已遍及到人们生活，工作等的各个领域中信息化达到 空前程度。无论是个人还是公司，若想得到及时、全面、丰富的信息，最快捷有效的方 式就是通过网络。网络使人们的知识领域、思维形式、工作方式等受到前所未有的冲击 和影响，使人们能够“足不出户，知晓天下事”。但是它在带来极大方便的同时，有一 个问题绝不能被忽略，就是网络上充斥着各种不安全因素，例如信息泄漏、信息窃取、 数掘篡改、数据删除和计算机病毒等。为了安全的使用网络，提出了防火墙、入侵检测、 代理服务器、n a t 网关等技术。 过去，由小型机或者p c 机上专门运行防火墙、入侵检测、代理服务器等程序，这 样就造成了价格偏高、资源闲置、应用范围受限等不足之处。 随着半导体工艺的进步和微电子技术的发展，嵌入式微处理器在处理能力、运算速 度、支持外围接口没备等方面的性能大幅度提高，有的已经达到低档p c 机的处理水平， 并且价格相对便宜。同时嵌入式系统与网络结合，产生了嵌入式i n t e r n e t 技术。嵌入式 i n t e m e t 既保留了嵌入式设备小巧、智能、功耗低、运行稳定等特点，又借助于i n t e r n e t 把对现场设备的控制延伸到地球上几乎每一个角落。 基于此，可以设计一个嵌入式网络平台，以高性能的嵌入式微处理为核心，并多设 计几个网口，以适应作为网关或者运行防火墙、代理服务器等网络应用程序时所需要处 理的网络数据流量非常大这一特点。由于此嵌入式网络平台的开发具有针对性，只选择 所需要的硬件类型以及适合的操作系统，所以具有价格低廉、体积小巧、稳定性高、功 耗低等无法比拟的优势。这罩对嵌入式网络平台的设计和实现做了一些尝试。 东北大学硕士学位论丈第二章相关技术介绍 第二章相关技术介绍 嵌入式系统丌发不仅涉及到硬件知识和设计，也涉及软件知识和设计。嵌入式系统 产品的丌发必须综合考虑，否则产品的科研开发将无法达到预期的目的。本文将从嵌入 式系统的组成、嵌入式系统的系统结构、处理器的选择、操作系统的选择与网络的接入 结构等几个方面综合比较，进行软、硬件选型，从而确定该平台的设计方案。 2 1 嵌入式系统的组成 嵌入式系统主要3 个部分组成。 ( 1 ) 嵌入式系统的硬件。和通用计算机不同，嵌入式系统的硬件设计必须量体裁衣、 去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能更具有竞争力。嵌入式 处理器要针对用户的具体需求，对芯片配置进行裁剪和添加才能达到理想的性能；但同 时还受用户订货量的制约。因此不同的处理器面向的用户是不一样的，可能是一般用户， 行业用户或单一用户。嵌八式系统的硬件包括嵌入式核心芯片、存储器系统及外部接口。 其中嵌入式处理器可分为。 低端的微控制器( m i c r o c o n t r o l l e r u n i t ，m c u ) 。它俗称单片机，将整个计算机 系统集成到一块芯片中。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 f l a s hr o m 、r a m 、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 输出等各种必要功能模块和外围部件。它显而易见的优势就是成本低。采用微控制器可 以在相当程度上缩短产品的设计、开发以及调试时间，从而节约用于这方面的开支。嵌 入式微控制器目i u 的品种和数量最多，比较有代表性的包括m c s - 5 l 、m c s 一9 6 1 9 6 2 9 6 、 m o t o r o l a r 的6 8 3 0 0 和众多专用m c u 和兼容系列。 中高端的嵌入式微处理器( 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 ) 。它是由通 用计算机中的c p u 演变而来的。与计算机处理器不同的是，它只保留与嵌入式应用紧 密相关的功能硬件，去除其他冗余功能，配上必要的扩展外围电路，满足嵌入式应用中 的低功耗和低资源的要求，具有功能很强的存储区保护功能和丰富的调试功能，以及对 实时多任务的很强的支持能力。嵌入式微处理器目前主要有x 8 6 、p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、 m i p s 、a r m 系列等。 通信领域的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，使其适合执行d s p 算法，编译效率和指令执行速度都较高。 在数字滤波、f f t 、频谱分析等方面，d s p 算法正在大量引入嵌入式领域。d s p 应用正 从在通用单片机中以普通指令实现d s p 功能，过渡到采用d s p 处理器。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 s 3 2 0 系列和m o t o r o l a r 的d s p 5 6 0 0 0 东北大学硕士学位论史第二童相关技术夸绍 第二章相关技术介绍 嵌入式系统盯发不仅涉及到硬件知识和设计，也涉及软件知识和设计。嵌入式系统 产品的丌发必须综台考虑，否则产品的科研开发将无法达到预期的目的。本文将从嵌入 式系统的组成、嵌入式系统的系统结构、处理器的选择、操作系统的选择与网络的接入 结构等几个方面综合比较，进行软、硬件选型，从而确定该平台的设计方案。 2 1 嵌入式系统的组成 嵌入式系统丰要3 个部分组成。 ( i ) 嵌入式系统的硬件。和通用计算机不同，嵌入式系统的硬件设计必须量体哉衣、 去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能更具有竞争力。嵌入式 处理器要针对用户的具体需求，对芯片配置进行裁剪和添加才能达到理想的性能；但同 时还受用户订货量的制约。剧此小同的处理器面向的用户是不一样的，可能是般用，、， 行业用户或单一用户。嵌入式系统的硬件包括嵌入式核心芯片、存储器系统及外部接口。 其中嵌入式处理器可分为。 低端的微控制器( m i c r o c o n t r o l l e r u n i t ，m c u ) 。它俗称单片机，将整个计算机 系统集成到一块芯片中。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 f l a s h r o m 、r a m 、总线逻辑、定时器计数器、w a t c h d o g 、f o 、串行口、脉宽调制 输出等各种必要功能模块和外围部件。它显而易见的优势就是成本低。采用微控制器可 以在相当程度上缩短产品的设计、开发以及调试时间，从而节约用于这方面的丌支。嵌 入式微控制器目i 0 的品种和数量最多，比较有代表性的包括m c s 5 1 、m c s 9 6 1 9 6 2 9 6 、 m o t o r o l a r 的6 8 3 0 0 和众多专用m c u 和兼容系列。 中高端的嵌入j _ l = 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 ) 。它是由通 用计算机中的c p i j 演变而来的。与计算机处理嚣不同的是，它只保留与嵌入式应用紧 密相笑的功能硬件去陈其他冗余功能，配上必要的扩展外围电路，满足嵌入式应用中 的低功耗和低资源的要求，具有功能很强的存储区保护功能和丰富的调试功能，以及对 实时多任务的很强的支持能力。嵌入式微处理器目前主要有x 8 6 、p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、 m i p s 、a r m 系列等。 通信领域晌d s p 处理器( d i g i t a ls i g n a l p 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引使其适合执行d s p 算法，编译效率和指令执行速度都较高。 在数字滤波、f f t 、频谱分析等方面，d s p 算法正在大量引入嵌入式领域。d s p 应用正 从在通用单片机中以普通指令实现d s p 功能，过渡到采用d s p 处理器。嵌入式i ) s p 处 理器比较肯代表性的产品是t e x a s i n s t l m e n t s 的t m s 3 2 0 系列和m o t o r o l a r 的d s p 5 6 0 0 0 理器比较有代表性的产品是t e x a s i n s t r u m e n t s 的t m s 3 2 0 系列和m o t o r o l a r 的d s p 5 6 0 0 0 东北大学硕士学位论文 第二章相关技术介绍 系列。 高度集成的片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 。随着e d a 的推广和v l s i 设计 的普及，以及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现多个更为复杂的系统的时代已 经来临，这就是片上系统s o c 。它结合了许多功能模块，将整个系统做在一个j 卷片上。 它的优点包括：可以通过改变内部工作电压降低芯片功耗：减少芯片对外的引脚数；减 少外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递，加快微处理器数据处理的速度等。 ( 2 ) 嵌入式系统的软件。嵌入式系统的软件主要包括两大部分，分别是嵌入式操作 系统和应用软件。 操作系统( o p e r a t i n gs y s t e m ，o s ) 是计算机e e l , 不可少的系统软件口l ，负责对计算 机硬件直接控制及管理，使整个计算机系统协调一致并有效的工作。大型的嵌入式系统 中，操作系统也是必须的。虽然目前使用的嵌入式操作系统有几十种，但是常用的不过 几种，一种操作系统适合于一定的应用范围。常用的嵌入式操作系统包括v x w o r k s 、 g c o s i i 、w i n d o w sc e 、l i n t t x 、p a l m o s 、q n x 、p s o s 等【”。 v x w o r k s 。v x w o r k s 操作系统是美国w i n d r i v e r 公司开发的一种实时操作系统。 它以良好的可靠性和卓越的实时性被广泛的应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技 术及实时性极高的领域中。它的主要特点包括高性能实时内核、与p o s 兼容、自由 配置能力和友好的丌发调试环境。 p c o s i i 。h c o s i i 其实只是一个实时操作系统的内核，它只包含了进程调度、 时钟管理、内存管理，以及和进程间的通信与同步等基本功能，而省去了i o 管理、文 件系统、网络等额外模块，可移植性很强。它的进程调度是按抢先式多任务系统设计的， 最多可以同时运行6 4 个进程，且所有进程的优先级不同。 w i n d o w s c e 。它是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权和多 任务的操作系统。它的模块化设计允许它对从掌上计算机到专用工业控制器的用户电子 设备进行定制。操作系统的基本内核大小至少为2 0 0 k b 。 嵌入式l i n u x 。随着l i n u x 的迅速发展，嵌入式l i n u x 现在已经有许多版本，包 括实时的嵌入式l i n u x ( r t - l i n u x 和k u r t - l i n u x ) 和一般的嵌入式l i n u x ( 如1 t c l i n u x 和p o c k e tl i n u x 等) 。其中，r t - l i n u x 把所有的实时任务的优先级设置成高于其他通常 的l i n u x 任务，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g c l i n u x ，它是针对没有m m u 的处理器设计的，专为嵌入式系统 设计+ 的十分精简的内核。 p a l m o s 。这是3 c o r n 公司开发的操作系统，它在掌上计算机和p d a 市场上占有 很大的份额。它有丌放的操作系统应用程序接口( a p d ，开发商可以根据需要白行开发 所需的应用程序。 q n x 。q y x 是一个实时、可扩充的操作系统，遵循p o s l x 相关标准，并提供 了一个很小的微内核以及一些可选的配合进程，因此q n x 内核非常小巧，而且运行速 度极快。用户可以根据实际需要，将系统配置成微小的嵌入式操作系统或包括几百个处 东北走学硕士学位论乏第二辛相关技术介绍 理器的超级虚拟操作系统。 p s o s 。p s o s 是i s i 公司研发的产品。它是一个专为嵌入式微处理器设计的具有 模块化、高性能、完全可扩展的实时操作系统，它提供了一个完全多任务环境，在定制 或是商业化的硬件卜提供高性能和高可靠性。它包含单处理器支持模块、多处理器支持 模块、文件管理模块、t c p i p 模块、图形界面等。开发者可以利用它来实现从简单的单 个独立设备到复杂、网络化的多处理器系统。 嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，它的种类非常多，不同的 嵌入式系统具有完全不同的嵌入式应用软件，它的特征主要包括。 软件要求固态存储 为了提高执 j ：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，丽不是存储于磁盘等载体中。 软件代码i 箭质量、高可靠性 尽管半导体披术的发展使处理器速度不断提高，片上存储器容量不断增加，但在大 多数应用中，存储，剐日j 仍然是宝贵的，还存在实时性的要求。为此要求程序编写和编译 1 具的质量要高，从而减少程序二进制代码长度，提高执行速度。 系统软件( o s ) 的高实时性是基本要求 在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证 每个任务及时执们约关键，单纯通过提高处理器速度是无法完成的，这种任务调度只能 山编写性能优化的系统软件来完成，因此系统软件的高实时性是基本要求。 提供强大的网络功能，支持t c p t p 协议及其他协议，协议栈可裁减。 ( 3 ) 嵌入式系统的丌发工具和开发系统 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 行对自身的丌发。1 仃嵌入式系统丌发需要开发工具和环境，它本身不具备自举丌发能力， l , i j 使没计完成以肝川户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有- 一套丌发：f 具和环境j 能进仃丌发。嵌入式系统的硬件和软件位于嵌入式系统产品本身，丌发【具 则独立于嵌入式系统产品之外，包括各种逻辑分析仪、混合信g - 示波器语言编译器、连 接定位器、调试器等，这些工具一起构成了嵌入式系统的开发系统和丌发工具。 2 2 嵌入式系统分类 嵌入式系统可以分为裸机系统和有操作系统的嵌入式系统。 裸机系统的舰模比较小，一般由汇编语言或者c 语言编写。汇编语言是面向计算机 埂件的，它直接箭理和控制计算机硬件，例如直接访问寄存器，访问接口电路等。而且 各种计算机都有自己的汇编语言，缺乏通用性，移植性很差。而c 语言的一个很突出的 优点就是可移植悱较好。好的程序设计应该是模块化和层次化的，这样的系统通常采用 如i 刳2 1 所示的结构。其中输入输出模块以嵌入式微控制器为运行平台，实现了嵌入式 查i ! 垄堂翌主兰堡笙圭堑三兰塑墨垫查坌丝 微控制器的f o 接口的软件支持，它属于设备驱动程序。而应用软件则实现了嵌入式系 统的功能，如控制功能、数据处理等，这些功能设计和硬件无关。 应用软件 输入倚出模块( 与 硬件相关) 嵌入式微控制器硬件 图2 1 裸机系统结构 f i g 2 1s t r u c t u r eo f n a k e ds y s t e m 规模较大的有操作系统的嵌入式系统通常采取如图2 2 所示的结构【5 。其中设备驱 动程序模块包括中断服务程序、驱动程序a p i 。中断服务程序与嵌入式处理器的硬件直 接相关，比如中断优先级的设置，中断信号的触发等都依赖于硬件。大多数嵌入式操作 系统允许中断服务程序使用操作系统的功能调用，如信箱、信号量、队列等用于用户任 务和系统任务的同步和通信。在系统移植的时候需要修改驱动程序中依赖于操作系统的 代码和依赖于处理器硬件的代码。 幽22 有操作系统的嵌入式系统结构 f i g 2 2s t r u c t u r eo fe m b e d d e ds y s t e mw i t ho s 在嵌入式系统丌发过程中，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 ) 是一个很重 要的软件组成部分。计算机的操作系统如w i n d o w s 系列、l i n u x 系列等，它们的运行平 台是标准的、兼容的。但是嵌入式系统则不然，嵌入式处理器多种多样，目前它们的运 行平台不下几百种，甚至更多；即使使用同一体系的嵌入式处理器设计的嵌入式系统， 它们的配置参数仍各有不同。而操作系统的提供商为了解决硬件平台的差异性，通常把 操作系统的共性部分利用标准的c 语言实现，把依赖于硬件的部分( 使用的存储器的种 类和参数，外部设备的配置，地址分配等) 提供给用户进行编码，操作系统规定了一个 接口和支持平台，这一部分代码称为板级支持包。一般的，板级支持包进行初始化硬件 系统，如硬件配置寄存器、存储器配置、操作系统需要的i j o 参数配置等。 规模较大的嵌入式系统软件需要嵌入式操作系统( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ， 东北大学硕士学位论文第二章相关技术介绍 e o s ) 丌发平台。为了合理地调度多任务，管理和利用系统资源、系统函数，以及和专 用库函数接口，刖户必须自行选配e o s 开发平台，这样才能保证程序执行的实时- 陆、 可靠性，并减少丌发时间，保证软件质量。一个优秀的e o s 是嵌入式系统的关键。它 是相对于一般操作系统而言的，具备了一般操作系统最基本的功能，如任务调度、同步 机制、中断处理、文件功能等。为了适应不断发展的嵌入式产品的要求，e o s 还需要具 有以下特点。 ( 1 ) 更好的碰川- 适应性，也就是良好的移植性，支持尽量多的硬件平台； ( 2 ) 占有更少的硬件资源，例如占用存储器几千到几万字节； ( 3 ) 高可靠性： ( 4 ) 提供强大n 0 网络功能，支持t c p i p 协议及其他协议，协议栈可裁减； ( 5 ) 友好高效的g u i ( 图形用户接口) ： ( 6 ) 实时性： ( 7 ) 可裁减性，例如可设计成微内核结构和模块化结构1 1 4 】。 2 3a r m 简介 嵌入式微处耻器和工业控制计算机相比，具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高 的优点。与8 位或肖1 6 位的嵌入式微控制器相比，具有处理能力强、运行速度快、支 持外设广泛等优势。为了满足嵌入式系统的实用性及其强大复杂的功能要求，选择了嵌 入式微控制器，计il 选择了a r m 内核的芯片。 a l m 即a d x ，a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写。a r m 公司于1 9 9 0 年成立，是一家设计 公司。a r m 是知u 产权( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ，i t ) 供应商，本身不生产芯片，靠转让 设计许可，由合作伙伴公司来生产各具特色的芯片i6 1 。作为3 2 位嵌入式r i s c 微处理器 业界的领先供应商，a r m 公司商业模式的强大之处在于它在世界范围有超过1 0 0 个合 作伙伴，从而保证了大量的丌发工具和丰富的第三方资源。 a r m 处理器丫丁t 大特点。 ( 1 ) 耗电少，成本低，功能强； ( 2 ) 1 6 3 2 位双指令集； ( 3 ) 全球众多介作伙伴保证供应。 a r m 内核以填高性能、小体积、低功耗、紧凑代码密度和多供应源的出色结合而 著笔，它的r i s c 竹能业界领先，以小尺寸集成，具有最低的芯片成本，在非常低的功 耗和价格f 提供了高性能的处理器。a r m 已成为移动通信、手持计算、多媒体数字消 费等嵌入式解决方案的r i s c 标准。 a r m 体系结构基于精简指令集计算机( r i s c ) 原理nr i s c 指令集和相关的译码 机制比复杂指令集计算机( c i s c ) 的设计更简单，这种简单性使得该体系结构有如下的 优点。 东北大学硕士学位论文 第二章相关技术介绍 ( 1 ) 高指令吞吐率； ( 2 ) 出色的实时中断响应； ( 3 ) 体积小，性价比高的处理器宏单元。 a r m 处理器本身是3 2 位设计，但也配备了1 6 位t h u m b 指令集，以允许软件编码 为更短的1 6 位指令。与等价的3 2 位代码相比，占用的存储器空间节省高达3 5 ，而且 保留了了3 2 位系统所有的优势。t h u m b 状态与正常的a r m 状态之间的切换是零开销 的，如果需要，可逐个例程使用切换。这允许设计者完全控制其软件的优化。 a r m 处理器当前有5 个产品系列：a r m 7 、a r m 9 、a r m g e 、a r m l 0 和s e c u r c o r e 。 其中前四个是通用处理器系列，每个系列提供一套特定的性能来满足设计者对功耗、性 能和体积的要求。s e c u r c o r e 是第五个产品系列，是专门为安全设备而设计的。 ( 1 ) a r m 7 系列：a r m 7 系列为低功耗3 2 位内核，最适用于对价位和功耗敏感的消 费类应用。a r m 7 系列具有嵌入式i c e r t 逻辑：非常低的功耗；能提供o 9 m i p s m h z 的三级流水线和冯诺依曼结构。主要应用领域为因特网设备、网络和调制解调器设备以 及移动电话等多种多媒体和嵌入式应用 8 1 。 ( 2 ) a r m 9 系列：是高性能和低功耗特性方面最佳的硬宏单元。它具有五级流水线， 提供1 1 m i p s m h z 的哈佛结构。主要应用于先进的引擎管理、仪器仪表、安全系统、 机顶盒、高端打印机、p d a 、网络计算机和智能计算机。 ( 3 ) a r m 9 e 系列：为可综合处理器。带有d s p 扩充、嵌入式i c e r t 调试逻辑：提 供1 1 m i p s m h 2 的盘级流水线和哈佛结构：紧耦合存储器( t c m ) 接口，可使存储器 以最高的处理器速度运转；可直接连接到内核上，非常适用于必须有确定性能和快速访 问时间的代码。主要应用于店面终端、智能电话、免提连接、巡航控制和反锁刹车等自 动控制解决方案。 ( 4 ) a r m l 0 系列：为硬宏单元，具有d s p 扩展、嵌入式i c e r t 、全性能m m u 、 六级流水线、内部6 4 位数据通路以及提供2 5 m i p s m h z 。a r m l 0 系列专为数字机顶盒、 管理器和智能电话等高效手提设备而设计，为复杂的视频游戏机和高性能打印机提供高 级的整数和浮点运算能力。 ( 5 ) s e c u r c o r e 系列：专为安全需要而设计，具有特定的抗篡改( r e s i s tt a m p e r i n g ) 和反工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 特性。它还有灵活的保护单元，以确保操作系统和应用 数据的安全。 2 4 实时多任务操作系统( r t o s ) 实时多任务操作系统( r e a lt i m em u l t i t a s k i n go p e r a t i o ns y s t e m ，r t o s ) 是嵌入式应 用软件的基础和丌发平台。通用计算机具有完善的操作系统和应用程序接口( a p i ) ， 是计算机基本组成不可分离的一部分，应用程序的开发以及完成后的软件都在o s 平台 上面运行，但一般不是实时的。嵌入式系统则不同，应用程序可以没有操作系统直接在 东北大学硕士学位论文 第二辛相关技术介绍 芯片上运行；但是为了合理地调度多任务、利用系统资源等，需要使用r t o s 丌发平台， 这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，劳减少开发时间，保障软件质量。 r t o s 是一段嵌入在目标代码中的软件，用户的其他应用程序都建立在r t o s 之上。 不但如此，r t o s 还是一个可靠性和可信性很高的实时内核，将c p u 时阳j 、中断、i o 、 定时器等资源都包装起来，留给用户一个标准的a p i ，并根据各个任务的优先级，合理 地在不同任务之i s j 分配c p u 时间。 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，优秀商品化的r t o s 可以面对几十个系列的嵌入式处理器m p u 、m c u 、d s p 、s o c 等提供类同的a p i 接口， 这是r t o s 基于设备独立的应用程序开发基础。因此基于r t o s 上的c 语言程序具有极 大的可移植性。据专家测算，优秀r t o s 上跨处理器平台的程序移植只需要修改1 5 的内容。在r t o s 基础上可以编写出各种硬件驱动程序、专家库函数、行业库函数、产 品库函数，和通用性的应用程序一起，可以作为产品销售，促进行业内的知识产权交流， 因此r t o s 又是一个软件开发平台 r t o s 最关键的部分是实时多任务内核，它的基本功能包括任务管理、定时器管理、 存储器管理、资源管理、事件管理、系统管理、消息管理、队列管理、旗语管理等，这些 管理功能是通过内核服务函数形式交给用户调用的，也就是r t o s 的a p i 。 r t o s 的引入，解决了嵌入式软件开发标准化的难题。随着嵌入式系统中软件比重 不断上升、应用程序越来越大，对开发人员、应用程序接口、程序档案的组织管理成为 一个大的课题。引入r t o