（计算机系统结构专业论文）基于sopc的嵌入式网络通信系统的研究与设计.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 嵌入式系统的应用越来越广泛，随着嵌入式系统与网络的日益结 合，在嵌入式实时操作系统中引入t c p i p 协议栈，以支持嵌入式设备 接入网络，成为嵌入式领域重要的研究方向。作为嵌入式系统的基础 元件之一，f p g a ( 现场可编程门阵列) 的面貌正日新月异：逻辑单元 不断增加、单位成本和功耗不断降低，而根本的设计灵活性和快速转 换能力却始终未变。f p g a 之所以越来越多地在嵌入式系统中得到应 用，主要得益于它在低成本和低功耗两方面均取得了很好的进步，从 而能够满足o e m 日益紧迫的上市周期、不断缩减的成本结构和低功耗 要求。当嵌入式系统与f p g a 、s o c ( 片上系统) 、s o p c ( 可编程片 上系统) 相结合时，在未来对人们的影响更为深远。 在f p g a 自动化设计过程中，布局起到了十分关键的作用，因为 布局质量的高低直接影响到了布线及f p g a 的整体性能。由于布线资 源占用了f p g a 约7 0 8 0 的芯片面积和约5 0 6 0 的信号时延，而 一个好的布局算法能够减少布线拥挤并最小程度减少布线资源的占 用，因此在工艺条件一定的情况下，布局算法对f p g a 的设计起着至 关重要的作用。但是目前的布局算法普遍存在收敛速度慢、易陷于局 部最优等问题。因此，本文给出了将蚁群与粒子群混合算法应用于 f p g a 布局问题，即在蚁群布局算法中引入粒子群优化算法思想，称为 粒子群蚁群布局算法( v s a c ) 。p s a c 算法结合蚁群算法和粒子群算法 的优点，并利用了交叉变异的思想，对每个粒子进行交叉变异操作， 并且与个体极值和全局极值进行交叉，考虑了优生的思想，因此可以 显著提高计算效率，具有较大的实用价值。 s o p c 是基于f p g a 的片上系统，代表了f p g a 的发展方向，本文 将s o p c 与嵌入式网络系统相结合，提出了基于s o p c 的嵌入式网络 通信系统。首先，基于n i o s l i 软核处理器建立了嵌入式网络通信系统 硬件平台，给出了s o p cb u i l d e r 及q u a r t u s 设计的系统硬件结构，从 而能够满足嵌入式系统产品日益紧迫的上市周期、不断缩减的成本结 山东大学硕士学位论文 构和低功耗要求。然后，在n i o s l ii d e 开发环境下给出了软件设计过 程，操作系统采用了目前流行的嵌入式实时操作系统p c o s i i ，并将 目前流行的嵌入式网络协议栈l w l p 移植到n i o s 系统中。最后，分析 了对基于s o p c 的嵌入式网络通信系统中的嵌入式网络协议栈的进程 模型，及该协议栈中各层协议实现过程。在此基础上，提出了从内存 管理、任务调度及协议内容三个方面对该嵌入式网络协议栈进行性能 改进的方案。 关键宇：f p g a 布局；s o p c ；nio si l 处理器；l wip i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t e m b e d d e dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r ew i d e l ya p p l i e dn o w a se m b e d d e dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r ei n c r e a s i n g l yi n t e g r a t e d w i t ht h en e t w o r k ，i n t r o d u c i n gt h et c p i pp r o t o c o ls t a c ki n t oe m b e d d e d r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e mt os u p p o r te m b e d d e dd e v i c ea c c e s sn e t w o r k b e c o m e sa ni m p o r t a n tr e s e a r c ha r e af o re m b e d d e ds y s t e m a sab a s i c c o m p o n e n to fe m b e d d e ds y s t e m ，f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) d e v e l o pr a p i d l y t h el o g i cc e l l sa r eg r o w i n ga n dt h eu n i tc o s t sa n dp o w e r c o n s u m p t i o na r er e d u c i n g w h i l ef u n d a m e n t a ld e s i g nf l e x i b i l i t ya n dr a p i d c o n v e r s i o nc a p a c i t yh a sr e m a i n e du n c h a n g e d t h er e a s o nw h ym o r ea n d m o r ef p g ah a v ea p p l i e di ne m b e d d e ds y s t e mi st h a ti t sl o w - c o s ta n dl o w p o w e rc o n s u m p t i o nh a sb o t ha c h i e v e dg o o dp r o g r e s s s oi tc a nm e e tt h e i n c r e a s i n g l yp r o d u c tl i s t i n gc y c l e s ，c o n s t a n t l yr e d u c i n gt h ec o s ts t r u c t u r e a n dl o wp o w e rr e q u i r e m e n t s w h a t sm o r e ，w h e ne m b e d d e ds y s t e m c o m b i n e sw i t hf p g a ，s o c ( s y s t e mo nc h i p ) a n ds o p c ( s y s t e mo n p r o g r a m m a b l ec h i p ) ，t h ec o m b i n a t i o nw i l ld r a wm u c hm o r ei m p a c to n f u t u r e i nt h ef p g a d e s i g na u t o m a t i o n ，t h eq u a l i t yo fp l a c e m e n td r a wad i r e c t i m p a c to nr o u t i n ga n dt h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo ff p g a ，s op l a c e m e n t p l a yav e r yc r u c i a lr o l e t h er o u t i n gr e s o u r c e so c c u p ya b o u t7 0 t o8 0 o ft h ec h i pa r e aa n da b o u t5 0 t o6 0 o ft h es i g n a ld e l a y o nt h es a m e t i m e ，ag o o dp l a c e m e n ta l g o r i t h mc a nr e d u c er o u t i n gc o n g e s t i o na n d m i n i m i z er o u t i n gr e s o u r c et ob eo c c u p i e d t h e r e f o r e ，o nt h ec u r r e n t p r o c e s sc o n d i t i o n s ，p l a c e m e n ta l g o r i t h mp l a y sav i t a lr o l e f o rf p g a d e s i g n b u tt h ec u r r e n tp l a c e m e n ta l g o r i t h m sh a v es o m ew i d e s p r e a d p r o b l e m ss u c ha ss l o wc o n v e r g e n c e ，e a s i l yc a u g h ti nl o c a lo p t i m ae t c s o ， t h i st h e s i s p r e s e n t sm i x e do fa n tc o l o n ya n dp a r t i c l es w a r mf o rf p g a p l a c e m e n t ( p s a c ) p s a cc o m b i n e sa n tc o l o n ya l g o r i t h mw i t hp a r t i c l e i i i 山东大学硕士学位论文 s w a r ma l g o r i t h m ，a n dt a k e sa d v a n t a g eo ft h ec r o s s - v a r i a t i o no ft h ei d e a w h a t sm o r e ，p s a cr u nc r o s s v a r i a t i o no p e r a t i o nf o re a c hp a r t i c l ea n d c r o s sw i t hi n d i v i d u a le x t r e m u ma n dg l o b a le x t r e m u m ，t h a ti s ，i tc o n s i d e r s t h ei d e ao fe u g e n i c ，s oi tc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h ec o m p u t a t i o n a l e f f i c i e n c y s o p ca r ef p g a - b a s e ds y s t e m o nc h i pa n dr e p r e s e n tt h ed i r e c t i o no f d e v e l o p m e n to ff p g a t h i st h e s i sr e p r e s e n t s a ne m b e d d e dn e t w o r k c o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a r d w a r eb a s e do ns o p cw h i c hc o m b i n e s e m b e d d e d s y s t e m w i t hs o p c f i r s t ，t h ee m b e d d e dn e t w o r k c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，s e tu pb a s e do nn i o s l i ，c a nm e e tt h ei n c r e a s i n g l y p r o d u c tl i s t i n gc y c l e s ，c o n s t a n t l yr e d u c i n gt h ec o s ts t r u c t u r ea n dl o w p o w e rr e q u i r e m e n t s s e c o n d ，o nt h en i o s l ii d ec o n d i t i o n ，t h es o f t w a r e d e s i g np r o c e s si sr e p r e s e n t e da n do p e r a t i n gs y s t e mu s e st h ec u r r e n t p o p u l a re m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m 肛c o s i i t h e n ，t h ec u r r e n t p o p u l a re m b e d d e dn e t w o r kp r o t o c o ls t a c kl w l pi st r a n s p l a n t e di n t ot h e n i o ss y s t e m f i n a l l y ，t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ep r o c e s sm o d e li nt h e e m b e d d e dn e t w o r k p r o t o c o l s t a c ko ft h ee m b e d d e dn e t w o r k c o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do ns o p c ，t h i st h e s i sr e p r e s e n t st h a tt h e p e r f o r m a n c eo ft h ee m b e d d e dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi si m p r o v e d f r o mt h r e ea s p e c t si n c l u d i n gm e m o r ym a n a g e m e n t ，t a s ks c h e d u l i n ga n d c o n t e n to ft h ep r o t oc o ls t a c k k e y w o r d s ：f p g apia o e m e n t ，s o p o ，nio si ip r o c e s s o r 。l wlp 原创性声明和关于论文使用授权的说明 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。除文中已经注明引用的内容外，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 究做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 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：二堑l 日期：叠竺墨型 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) 论文作者签名：刍辱 导师签名： 翠 群 山东大学硕士学位论文 _ii iimi n i i 1 1 选题背景 1 1 1 选题背景与意义 第一章绪论 本课题的研究以国家自然科学基金可信软件基础研究重大研究计 划子项目“嵌入式分布系统可信性研究”( n s f c9 0 7 18 0 3 2 ) 为背景。 随着计算机技术在各个领域的不断深入与发展，人们对自动监测 技术的要求也越来越高，浩如烟海的嵌入式设备如仪器仪表、数据采 集和显示、过程控制、工业自动化、家庭自动化等设备的实际应用， 进一步拓宽了网络技术的应用范围。将各种检测控制系统、嵌入式系 统接入i n t e r n e t ，就可以方便、快捷地在世界上的任何一个地方通过网 络浏览器获取外界信息并进行远程实时控制。它们将成为i n t e r n e t 网的 发展沃土，顺应“网络服务”向“网络应用”扩展的大潮。 嵌入式系统是应用于具有专门用途的产品，并且基于计算机技术 的一种系统。人们每天面对的很多设备都使用了嵌入式系统，无论消 费品还是生产设备。近年来，嵌入式系统的发展呈现出几个特点。首 先，在硬件领域，s o c 和s o p c 技术发展迅速，两大f p g a 厂商x i l i n x 和a l t e r a 都推出了自己内含c p u 以及其外围电路的f p g a ，嵌入式系 统的设计和实现朝着基于s o p c 的方向发展1 4 1 1 ；其次，嵌入式软件的 开发工具和操作系统日趋完善。 因此，嵌入式网络通信系统的应用将会越来越广泛，随着嵌入式 系统与网络的日益结合，在嵌入式实时操作系统中引入t c p i p 协议栈， 以支持嵌入式设备接入网络，成为嵌入式领域重要的研究方向。当其 与f p g a 、s o c 、s o p c 相结合时【4 0 1 ，在未来对人们的影响更为深远。 1 1 2 问题的提出 在基于e d a 的f p g a 自动化设计中，布局起到了十分关键的作用， 山东大学硕七学位论文 因为布局质量的高低直接影响到了布线及f p g a 的整体性能。由于布 线资源占用了f p g a 约7 0 8 0 的芯片面积和约5 0 6 0 的信号时 延，而一个好的布局算法能够减少布线拥挤并最小程度减少布线资源 的占用，因此在工艺条件一定的情况下，布局算法对f p g a 的设计起 着至关重要的作用。尽管f p g a 的设计过程越来越简单，但f p g a 布 局问题仍然是n p h a r d 问题。 嵌入式系统引入f p g a 、s o p c 技术，从而能够满足嵌入式系统产 品日益紧迫的上市周期、不断缩减的成本结构和低功耗要求。然而， 由于嵌入式系统本身特点所限，以太网的数据传输速率就一直是整个 系统性能的瓶颈，如何提高嵌入式网络通信系统的实时性，是国内外 学者研究的热点。 针对上述问题，本文作为“可信软件基础研究重大研究计划子项 目嵌入式分布系统可信性研究”的一个子课题，首先讨论了f p g a 自 动化设计中的布局问题，提出了蚁群与粒子群混合的f p g a 布局算法； 然后，采用s o p c 技术设计实现了基于s o p c 的嵌入式网络通信系统， 并给出了嵌入式网络通信系统的性能改进方案。 1 2 国内外研究与发展概况 1 2 1f p g a 布局算法 f p g a 布局算法是f p g a 自动化设计中的一个研究重点，尽管很多 研究者做了大量的工作，f p g a 布局问题一直是f p g a 中的一个没有很 好解决的问题。迄今为止，所提出的算法大都属于以下几种类型之一 或是这几类基本算法的组合例如，模拟退火算法，遗传算法，蚁群算 法及粒子群算法等。 ( 1 ) 模拟退火算法。此算法模拟物质结晶的退火程序算法，对退温 历程具有很强的依赖性，在各温度下需要足够多次的抽样，在理论上 的全局收敛对退温历程的限制条件很苛刻，因此优化时间往往较长。 另一方面其实验性能具有质量高和初值鲁棒性强的优点。有人研究了 2 山东大学硕士学位论文 用模拟退火算法求得全局最小点的概率，发现这个概率接近l ，因此可 以肯定模拟退火算法能跳出局部极值点，找到全局最小点。 ( 2 ) 遗传算法。遗传算法是一类可用于复杂系统优化计算的鲁棒搜 索算法，遗传算法具有很强的可并行性和全局搜索能力，但由于选择 操作对当前群外的解空间无搜索能力，当种群中各个体的分布“畸形” 时交配操作的进化能力有限，小概率的变异操作也很难增加种群的多 样性。所以如果算法收敛准则设计不好，遗传算法经常会出现进化缓 慢或“早熟”收敛的现象。 ( 3 ) 蚁群算法。蚁群算法是一种基于群体的启发式算法，模仿自然 界中蚁群在寻找食物时总能找到两点之间最短路径的特性，用信息素 作为蚂蚁个体之间交换信息的载体。与其他启发式算法相比，蚁群算 法在求解性能上，具有很强的鲁棒性和搜索较好解的能力，因此被广 泛用于众多领域，求解各种问题。但是蚁群算法也存在一些缺点，如 收敛速度慢、易陷于局部最优等。 ( 4 ) 粒子群算法。该算法是近年来发展起来的一种新的进化算法。 p s o 算法属于进化算法的一种，和遗传算法相似，它也是从随机解出 发，通过迭代寻找最优解，它也是通过适应度来评价解的品质。 但是 它比遗传算法规则更为简单，它没有遗传算法的“交叉”和“变异 操作。它通过追随当前搜索到的最优值来寻找全局最优。 1 2 2 嵌入式网络通信系统 随着f p g a 设计技术的发展，嵌入式系统的设计和实现朝着基于 s o p c 的方向发展。s o p c 与嵌入式系统相结合，提高了嵌入式系统开 发的效率和质量，缩短了开发周期。目前已经有学者提出了基于n i o s 的嵌入式网路通信系统，并在系统中采用了嵌入式网络协议栈，取得 了一定成果。但由于嵌入式系统本身特点所限，以太网的数据传输速 率就一直是整个系统性能的瓶颈，如何提高嵌入式网络通信系统的传 输性能，是国内外学者研究的热点。 山东大学硕士学位论文 1 3 论文的主要工作 本文共分六章，各章的主要内容如下： 第一章介绍了选题背景和研究现状，分析了f p g a 设计中布局算 法的局限及嵌入式网络通信系统与f p g a 技术相结合优势，进而确定 了本文研究的主要工作。 第二章首先介绍了嵌入式网络通信系统各个组成部分，包括嵌入 式系统、嵌入式实时操作系统“c o s i i 及各种嵌入式t c p i p 协议栈： 然后，给出了f p g a 及s o p c 技术的自动化设计流程；最后介绍了n i o s i i 集成开发环境平台，并分析了h a l 的基本原理。 第三章针对f p g a 设计过程中的布局问题，提出了粒子群蚁群布 局算法( p s a c l 。本章首先引出了布局问题的数学描述：然后分析了蚁 群算法与粒子群的原理及特点，在此基础上提出了蚁群与粒子群混合 的优化算法( p s a c ) ，并给出了p s a c 算法的思想及详细内容；最后通 过实验验证了算法的可用性和高效性。 第四章给出了基于s o p c 的嵌入式网络通信系统的软硬件设计过 程。本章首先给出了采用s o p cb u i l d e r 及q u a r t u s 设计的系统硬件结 构，然后在n i o s i ii d e 开发环境下给出了软件设计过程，重点分析了 嵌入式实时操作系统g c o s i i 及嵌入式网络协议栈l w i p 的移植过程。 第五章首先介绍嵌入式网络协议栈的层次结构及实现方式；然后 分析了基于s o p c 的嵌入式网络通信系统中嵌入式网络协议栈的进程 模型，以及该协议栈中各层协议实现过程；最后从软件方面，提出了 从内存管理、任务调度及协议内容三个方面对该嵌入式网络协议栈进 行性能改进的方案。 第六章对全文进行总结，并对今后的工作提出了展望。 4 山东大学硕士学位论文 第二章嵌入式网络通信系统及f p g a 技术简介 随着i n t e r n e t 技术的发展，在许多领域都引起了飞跃性的变化。嵌 入式系统应用领域中一个新的趋势就是开始在嵌入式设备上集成网络 通信功能，比如网络监控、网络数据采集系统等，以便于通过网络与 远程设备进行信息的交互和增强系统的互连性，仅仅需要一根网线就 可以轻轻松松完成系统的互连。随着f p g a 设计技术的发展，嵌入式 系统的设计和实现朝着基于s o p c 的方向发展。s o p c 与嵌入式系统相 结合，提高了嵌入式系统开发的效率和质量，缩短了开发周期。 本章首先介绍了嵌入式网络通信系统各个组成部分，然后介绍了 f p g a 及s o p c 自动化设计技术，并给出了基于e d a 工具的f p g a 和 s o p c 的设计流程。 2 。1 嵌入式系统与网络协议栈 嵌入式系统本身不同于通用系统，它是面向特定应用的，对功能、 成本、体积、功耗等都有严格要求，其最主要的两个特点是：( 1 ) 系统 的内存、处理器的处理能力、电源的能量、外设的接口等资源相对有 限：( 2 ) 系统对实时性的要求比较高。因此其硬件和软件都必须高效的 设计。 为了适应嵌入式分布处理和网络连接的需求，面向2 l 世纪的嵌入 式系统要求配备标准的一种或多种网络通信接口。针对外部联网要求， 嵌入式设备必须配置网口，相应的需要协议软件支持。但是传统的协 议在实时性方面做的不够好，而是把大量的精力花在保证数据传送的 可靠性及数据的流量控制上。在实时性要求比较高的嵌入式领域，协 议并不能满足其实时性要求。另外，传统的t c p i p 协议的实现过于复 杂，需要大量系统资源，而嵌入式系统的资源往往十分有限。因此， 为嵌入式系统联网提供支持的协议，为了满足嵌入式系统实时、资源 有限和规模可定制的特点，应具有很好的实时性和一定的可剪裁性。 并且代码要尽可能精简。基于以上考虑，有必要将传统协议在不违背 协议标准的前提下加以改进并实现，使其实时性得到提高，并且对协 山东大学硕士学位论文 议进行适当剪裁使其占用的存储空间尽可能减少，从而满足嵌入式系 统应用的要求。 2 1 1 嵌入式系统 嵌入式系统【l6 】是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬 件可剪裁，对功能、可靠性、成本、体积、功耗都有严格要求的专用 计算机系统。与通用计算机不同，嵌入式系统针对具体应用，一般具 有成本敏感性。其硬件和软件都必须进行高效率的设计，量体裁衣、 去除冗余，力争在同样的体积下实现更高的性能。理想的嵌入式系统 是完成目标功能的最小系统，这样的产品才更具有竞争力。这类系统 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应用程 序等四个部分组成。嵌入式系统具有以下特点【3 】： ( 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的、专用性强。 ( 2 ) 多种技术的结合体。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导 体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物。 ( 3 ) 硬件与软件的相互依赖性。由于嵌入式系统的专用性决定了它 的设计目标是单一的，硬件与软件的依赖性强，因而一般软硬件要进 行协同设计( c o d e s i g n ) ，以求达到共同完成预定的功能，并满足性能、 成本和可靠性目标。 ( 4 ) 系统对用户是透明的。用户在使用设备时只是按照预定的方式 使用它，既不需要用户进行编程，也不需要用户知道设备内计算机系 统的设计细节，用户也不能改变它。 ( 5 ) 大多是实时控制系统。嵌入式计算机系统如工业仪器、控制装 置、数控系统、信息家电、军用设备等均是实时系统。 ( 6 ) 系统资源有限。无论是系统的内存，处理器的处理能力，电源 的能量，外设的接口等资源均相对有限。 2 1 2 嵌入式实时操作系统l a c o s i i 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，是 山东大学硕士学位论文 嵌入式系统( 包括硬、软件系统) 极为重要的组成部分。p c o s i i 3 1 】 是源码公开的嵌入式实时操作系统，它专门为计算机的嵌入式应用设 计的，绝大部分代码是用c 语言编写的。c p u 硬件相关部分是用汇编 语言编写的、总量约2 0 0 行的汇编语言部分被压缩到最低限度，为的 是便于移植到任何一种其它的c p u 上。用户只要有标准的a n s i 的c 交叉编译器，有汇编器、连接器等软件工具，就可以将p c o s i i 嵌入 到开发的产品中。i t c o s i i 具有如下显著特点： 占先式内核 r t c o s i i 是一个占先式的内核，即已经准备就绪的高优先级任务 可以剥夺正在运行的低优先级任务的c p u 使用权。这个特点使得它的 实时性比非占先式的内核要好。通常我们都是在中断服务程序中使高 优先级任务进入就绪态( 例如发信号) ，这样退出中断服务程序后，将 进行任务切换，高优先级任务将被执行。但是因为我们无法确定发生 中断时程序到底执行到了什么地方，我们也就无法判断要经过多长时 间数据处理程序才会执行，中断响应时间无法确定，系统的实时性不 强。如果使用i a c o s i i 的话，我们只要把数据处理程序的优先级设定 的高一些，并在中断服务程序中使它进入就绪态，中断结束后数据处 理程序就会被立即执行。这样我们可以把中断响应时间限制在一定的 范围内。对于一些对中断响应时间有严格要求的系统，这是必不可少 的。 基于优先级 p c o s i i 和l i n u x 等分时操作系统不同，不支持时间片轮转法。 它是一个基于优先级的实时操作系统。每一个任务的优先级必须不同 ( i 上c o s i i 把任务的优先级当作任务的标识来使用，如果优先级相 同，任务将无法区分) 。进入就绪态的优先级最高的任务首先得到c p u 的使用权，只有等它交出c p u 的使用权后，其他任务才可以被执行。 因此i t c o s i i 具有很高的实时性，它可以保证重要任务总是优先占有 c p u 。 资源保护 7 山东大学硕士学位论文 t t c o s i i 对共享资源提供了保护机制。t t c o s - i i 是一个支持多任 务的操作系统。我们可以把一个完整的程序划分成几个任务，不同的 任务执行不同的功能。对于共享资源( 比如串口) ，i t c o s i i 也提供了 很好的解决办法，一般情况下使用的是信号量方法。我们创建一个信 号量并对它进行初始化，当一个任务需要使用一个共享资源时，它必 须先申请得到这个信号量。在这个过程中即使有优先权更高的任务进 入了就绪态，因为无法得到信号量，也不能使用该资源。在1 t c o s i i 中称为优先级反转。简单的说，就是高优先级任务必须等待低优先级 任务的完成。在上述情况下，在两个任务之间发生优先级反转是无法 避免的。所以在使用i t c o s i i 时，我们必须对所开发的系统了解清楚 才能选择对于某种共享资源是否使用信号量。 2 1 3 嵌入式t c p i p 协议栈 为了适应嵌入式分布处理和网络连接的需求，嵌入式设备必须配 置e t h e r n e t 网口，相应的需要嵌入式t c p i p 协议栈支持。目前流行的 几种嵌入式t c p i p 协议栈有： 1 ) b s dt c p i p 协议栈 b s d 3 5 1 栈历史上是其他商业栈的起点，大多数专业t c p i p 栈( 如 v x w o r k s 内嵌的t c p i p 栈) 是b s d 栈派生的。这是因为b s d 栈在b s d 许可协议下提供了这些专业栈的雏形，b s d 许用证允许b s d 栈以修改 或未修改的形式结合这些专业栈的代码而无须向创建者付版税。同时， b s d 也是许多t c p i p 协议中的创新( 如广域网中饿拥塞控制和避免) 的开始点。 2 ) u c i p 协议栈 u c i p 【36 】是由g u yl a n c a s t e r 编写的一套基于i - t c o s 且开放源码的 t c p i p 协议栈，亦可移植到其它操作系统，是一套完全免费的、可供 研究的t c p i p 协议栈，u c i p 大部分源码是从公开源码b s d 发布站点 和k a 9 q ( 一个基于d o s 单任务环境运行的t c p i p 协议栈) 移植过来。 u c i p 具有如下一些特点：带身份验证和报头压缩支持的p p p 协议，优 化的单一请求回复交互过程，支持i p t c p u d p 协议，可实现的网络 山东大学硕士学位论文 功能较为强大，并可裁减。u c i p 协议栈被设计为一个带最小化用户接 口及可应用串行链路网络模块。根据采用c p u 、编译器和系统所需实 现协议的多少，协议栈需要的代码容量空间在3 0 6 0 k b 之间。 3 ) l w i p 协议栈 瑞士计算机科学院( s w e d i s hi n s t i t u t eo fc o m p u t e rs c i e n c e ) 的a d a m d u n k e l s 等开发的一套用于嵌入式系统的开放源代码t c p i p 协议栈 f 3 们。l w i p 的含义是l i g h tw e i g h t ( 轻型) i p 协议，l w i p 可以移植到 操作系统上，也可以在无操作系统的情况下独立运行。l w i p 协议栈实 现的重点是在保持t c p 协议主要功能的基础上减少对r a m 的占用， 一般它只需要几十k 的r a m 和4 0 k 左右的r o m 就可以运行，这使 l w i p 协议栈适合在低端嵌入式系统中使用。l w i p 的特性如下：支持 多网络接口下的i p 转发，支持i c m p 协议，包括实验性扩展的u d p ( 用户数据报协议) ，包括阻塞控制、r t t 估算、快速恢复和快速转发 的t c p ( 传输控制协议) ，提供专门的内部回调接口( r a wa p i ) 用于提 高应用程序性能，并提供了可选择的b e r k e l e y 接1 2 1a p i 。 4 ) u l p 协议栈 专门为8 位和16 位控制器设计的一个非常小的t c p i p 栈【1 2 】。完 全用c 编写，因此可移植到各种不同的结构和操作系统上，一个编译 过的栈可以在几k br o m 或几百字节r a m 中运行。u i p 中还包括一个 h t t p 服务器作为服务内容。 5 ) t i n y t c p 协议栈 t c p i p t 3 7 1 的一个非常小和简单的实现，它包括一个f t p 客户。 t i n y t c p 是为了烧入r o m 设计的并且现在开始对大端结构似乎是有用 的( 初始目标是6 8 0 0 0 芯片) 。t i n y t c p 也包括一个简单的以太网驱动 器用于3 c o m 多总线卡。 选择一个嵌入式t c p i p 协议栈可以从四个方面来考虑： 是否提供易用的底层硬件a p i ，即与硬件平台的无关性。 协议栈需要调用的系统函数接口是否容易构造。 对于应用支持程度。 占用的系统资源是否在可接受范围内，是否有裁减优化的空 间。 9 山东大学硕士学位论文 皇皇曼曼曼蔓曼皇曼曼曼i w 鼍量曼兰皇曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼鼍皇皇曼璺皇皇曼曼! 曼曼曼量曼曼曼量皇曼鼍曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼皇皇 在上述网络协议栈中，b s dt c p i p 协议栈可完整实现t c p i p 协 议，但代码庞大，7 0 k b 15 0 k b 之间，裁减优化有难度。u i p 和t i n y t c p 协议栈代码容量小巧，实现功能精简，从而限制了在一些较高要求场 合下的应用，如可靠性与大容量数据传输。l w i p 和u c i p 是同量级别 的两个开源协议栈，两者代码容量和实现功能相似，l w i p 没有操作系 统针对性，它将协议栈与平台相关的代码抽象出来，用户如果要移植 到自己的系统，需要完成该部分代码的封装，并为网络应用支持提供 了a p i 接口的可选性。u c i p 协议最初是针对c o s 设计，为方便用 户移植实现，同样也抽象了协议栈与平台相关代码，但是协议栈所需 调用的系统函数大多参照c o s 内核函数原型设计，并提供了协议栈 的测试函数，方便用户参考，其不足在于该协议栈对网络应用支持不 足。根据以上分析，本课题选用了l w i pt c p i p 协议栈。 2 2f p g a 及s o p c 设计技术 作为嵌入式系统的基础元件之一，f p g a 的面貌正日新月异：逻辑 单元不断增加、单位成本和功耗不断降低，而根本的设计灵活性和快 速转换能力却始终未变。f p g a 之所以越来越多地在嵌入式系统中得到 应用，主要得益于它在低成本和低功耗两方面均取得了很好的进步， 从而能够满足o e m 日益紧迫的上市周期、不断缩减的成本结构和低功 耗要求。 2 2 1f p g a 自动化设计技术 f p g a 即现场可编程门阵列 2 2 1 ，它是在p a l 、g a l 、e p l d 等可编 程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路( a s i c ) 领 域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服 了原有可编程器件门电路数有限的缺点。f p g a 的使用非常灵活，同一 片f p g a 通过不同的编程数据可以产生不同的电路功能。f p g a 在通 信、数据处理、网络、仪器、工业控制、军事和航空航天等众多领域 得到了广泛应用。随着功耗和成本的进一步降低，f p g a 还将进入更多 1 0 山东大学硕士学位论文 的应用领域。f p g a 是大规模的可编程器件，由逻辑单元和互联网络两 部分组成，其基本结构 1 7 1 如图2 1 所示： 基本逻觯元 图2 1 f p g a 结构不恿图 基本逻辑一般由可配置逻辑单块c l b ，输入输出模块( i n p u to u t p u t b l o c k ，i o b ) 和互连资源( i n t e r c o n n e c t i o nr e s o u r c e ，i r ) 以及一个用于存 放编程数据的s r a m 组成。现在绝大部分的f p g a 都采用了岛型( i s l a n d s t y l e ) 结构，也有r o w b a s e d 结构的f p g a 架构，但其实现原理相似。 随着f p g a 和s o p c 技术的发展，基于f p g a 的嵌入式系统 1 s l 与传统的基于a s i c 技术的嵌入式系统相比，具有设计周期短、产品 上市速度快、设计风险和设计成本低、集成度高、灵活性大、维护和 升级方便、硬件缺陷修复和排除简单等优点。但是基于f p g a 的嵌入 式系统的应用一直受到f p g a 器件的成本、容量、功耗等问题的困扰。 随着f p g a 设计和制造技术的发展，以上问题逐步得到解决。现在， f p g a 已经代替存储器成为推动i c 制造技术发展的主要动力。x i l i n x 的s p a r t a n i i i 器件采用了9 0 n m 、3 0 0 n m 的工艺，并很快推出了采用相 应工艺制造的器件。就可用逻辑门和i o 的数量来说，新型f p g a 可 轻松满足1 0 0 万门级s o c 系统的要求。除了逻辑门和i o 数量， s p a r t a n i i i 系列f p g a 还可以提供近2 m 位的块r a m 和1 0 4 个硬连线 的l8 l8 乘法器，而v i r t e x i ip r of p g a 则可提供高达10 m 位块r a m 和5 5 6 个乘法器，这些对于d s p 系统的实现非常关键。同时，f p g a 的 山东大学硕士学位论文 成本在迅速降低。x i l i n x 的10 0 万门级的s p a r t a n 3 ，批量价格低于 1 2 美元。a l t e r a 的c y c l o n e 系列f p g a1 2 1 1 每1 0 0 0 个逻辑单元( l o g i c c e l l ，l e s ) 的价格低于l 美元。使用c y c l o n e 实现一个3 2 位的经济型 的n i o si i 内核( n i o s i i e ) ，只占用不到35 美分的器件资源。在降低功 耗方面，x i l i n x 即将推出的s p a r t a n l hl 系列器件最多可以降低 s p a r t a n l i i 器件9 8 的静态功耗。 目前，f p g a t 2 2 1 的主要发展动向是：随着大规模现场可编程逻辑器 件的发展，系统设计进入”片上可编程系统”( s o p c ) 的新纪元；芯片朝 着高密度、低压、低功耗方向挺进：国际各大公司都在积极扩充其i p ( 知识产权) 核库，以优化的资源更好的满足用户的需求，扩大市场； 特别是引人注目的所谓f p g a 动态可重构技术的开拓，将推动数字系 统设计观念的巨大转变。基于e d a 工具的f p g a 开发流程2 7 1 如下： 1 ) 电路的设计与输入 电路设计与输入是指通过某些规范的描述方式，将工程师构思输 入给e d a 工具。常用的设计输入方法有h d l 和原理图设计输入等。 原理图设计输入法在早期应用的比较广泛，它根据设计要求选用器件， 绘制原理图，完成输入过程。这种方法优点是直观，便于理解，元件 库资源丰富。但在大型设计中，可维护性差，不利于模块重构与重用。 在大型的工程设计中，通常使用h d l 语言，它的特点是利于自顶而下 设计，利于模块的划分与复用。 2 ) 功能仿真 电路设计完成后，要用专门的仿真工具对设计进行功能仿真，验 证电路功能是否符合设计要求。常用的仿真工具有m o d e lt e c h 公司的 m o d e l s i m 、s y n o p s y s 公司的v c s 等。 3 ) 综合优化 综合优化是指将硬件描述语言、原理图等设计输入翻译成由与、 或、非门，r a m ，触发器等基本逻辑单元组成的逻辑连接( 网表) ，并 根据目标与要求优化所生成的逻辑连接，输出e d f 和e d n 等标准格式的 网表文件，供布局布线器工具进行实现。 4 ) 实现与布局布线 利用f p g a c p l d 布局布线适配器将综合后的网表文件，针对某一 山东大学硕士学位论文 具体的目标器件进行逻辑映射操作，其中包括底层器件配置、逻辑分 割、逻辑优化、布局布线。该操作完成后，e d a 软件将产生针对此项 设计的适配报告和j e d 下载文件等多项结果。适配报告指明了芯片内 资源的分配与利用、引脚锁定、设计的布尔方程描述