（计算机系统结构专业论文）基于μclinux的嵌入式usb主从机系统.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 嵌入式系统是一个快速发展的领域。嵌入式系统的研究内容涉及到计算机学 科的各个方面，主要的技术热点包括嵌入式操作系统、系统芯片设计、应用软件 开发和各种服务性的研究工作。 随着嵌入式技术在信息电器、移动计算机设备、网络设备和工控仿真等领域 的广泛应用，通过公共标准接口在不同设备之间进行数据交换的需求迅猛增长。 作为业界事实标准的u s b 接口应用于嵌入式设备中存在亟待解决的问题，即带 有u s b 接口的设备间的数据交换仍离不开目前大量扮演u s b 主机角色的p c 机， 无法实现真正的移动数据交换。故而，本文从目前市场形势与学院学科建设需求 出发，兼顾教学试验与应用开发，结合嵌入式系统和u s b 系统的特性，构建基 于i l c l m u x 的嵌入式u s b 主从机系统，使之既可以作为u s b 主机读写u s b 设备 ( 如u 盘) ，又可以作为u s b 设备与p c 机交互。 论文首先搭建了基于a r m 的嵌入式系统开发板软件平台，即设计实现具有 双启动模式的系统引导程序b o o t l o a d e r ，根据硬件板资源环境对p c l m u x 内核进 行裁剪、配置、编译和移植。然后进一步分析u s b 主机遵从的协议及其工作原 理，并结合：l i n t t x 下一般设备驱动的开发，研究心l i n u x 的u s b 子系统，在此 基础上设计p h i l i p si s p l l 6 1 主机控制器驱动程序，编译进g c l i n u x 操作系统， 从而实现板上的u s b 主机功能。论文在研究本系统所使用的操作系统i j c l i n u x 的过程中，对g c l i n u x 内存管理策略进行分析，针对应用中存在的问题提出一种 改进的内存管理算法，在预知系统的一些应用的前提下可以提高物理内存分配回 收效率。 一 在嵌入式应用中实现u s b 并不那么简单，作为近年新出现的u s b0 t g ( u s bo n - t h e - g o ) 两大功能之一的嵌入式u s b 主机为实现两u s b 设备直接通 信铺路。关于此方面的研究国内外均处于起始阶段，尚不成熟。 本文给出的在基于a r m 7 开发板上的以i _ t c l i n u x 操作系统为支撑的u s b 主 机实现方案无论对于研究嵌入式u s b 设备的点对点通信还是作为相关产品测试 原型都有一定的理论意义和实用价值，应用前景广阔本文所作的工作对u s b o t g 设备的软硬件应用开发和研制也具有一定的参考价值。 关键词i l c l i n u x ：嵌入式系统：主机控制器；通用串行总线 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 ds y s t e mi saf a s td e v e l o p i n ga r e a e m b e d d e dc o m p u t e rs y s t e mr e s e a r c h c o v e r sa l la s p e c t so fc o m p u t e rd i s c i p l i n e s i t sm a j o rh o tt e c h n o l o g i e si n c l u d e o p e r a t i n gs y s t e m s , s y s t e mc h i pd e s i g n ，a p p l i c a t i o ns o f t w a r ed e v e l o p m e n ta n ds e r v i c e s r e s e a r c h a st h ee m b e d d e dt e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di nt h ei n f o r m a t i o ne l e c t r i c a l a p p l i a n c e s ，m o b i l ec o m p u t e re q u i p m e n t , n e t w o r ke q u i p m e n t , i n d u s t r i a lc o n t r o l s i m u l a t i o na n do t h e rf i e l d s ，t h er e q u i r e m e n t so fe x c h a n g eo fd a t ab e t w e e nd i f f e r e n t e q u i p m e n tt h r o u g hs t a n d a r dp u b l i ci n t e r f a c e si sg r o w i n gr a p i d l y u s bi n t e r f a c e , a st h e i n d u s a ys t a n d a r d , i se m b e d d e di ns o m ee q u i p m e n th o w e v e r , t h ee x c h a n g eo fd a t a b e t w e e nd i f f e r e n te q u i p m e n tt h r o u g hu s bi n t e r f a c es t i l lr e l i e so np c ar e a lm o b i l e d a t ae x c h a n g ec a n tb er e a l i z e d , t h o u g hp ci st h eu s bh o s ti nm o s tc a s e sa tp r e s e n t a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n tm a r k e ts i t u a t i o na n dt h ec o l l e g ea c a d e m i cb u i l d i n gn e e d s ， t a k i n gi n t oa c c o u n tt e a c h i n gt e s t i n ga n da p p l i c a t i o n sd e v e l o p m e n gc o m b i n e dw i ma n e m b e d d e ds y s t e ma n du s bs y s t e mc h a r a c t e r i s t i c s ，t h i sa r t i c l ed e s i g n e da ne m b e d d e d u s bh o s ts y s t e mb a s e di t c l i n m qw h i c hc a nr e a d w r i t eu s b d e v i c e a s ( s u c ha sud i s c ) a sau s b h o s la l s oc a nc o m m u n i c a t ew i t hp ca sau s b d e v i c e i nt h i sa r t i c l e , as o f t w a r ep l a t f o r mo fae m b e d d e ds y s t e md e v e l o p i n gp l a t f o r mb a s e d 0 1 1 a g mi sr e a l i z e da tf i r s t t h a ti st os a y , w en e e dt od e s i g nap r o g r a mb o o t i n g s y s t e mw h i c hi sc a l l e db o o f l o a d e r i nt h i ss y s t e mi ti sd u a l m o d e a c c o r d i n gt ot h e h a r d w a r er e s o t - g , e sa n de n v i r o n m e n ti _ t c l i n u xk e r n e li s e d i t e d , c o n f i g u r a t e d , t r a n s l a t e da n dp o r t e di n t ot l l eb o a r d t h e nf u l t h e ra n a l y s i so ft h eu s bp r o t o c o la n d t h ew o r kp r i n c i p l e si sd e c r i b e di nt h ea r t i c l e i ta l s or e s e a r c ht h eu s bs u b s y s t e mi n t a c l i n u x , c o m b i n e dw i t ht h eg e n e r a le q u i p m e n t - d r i v e nd e v e l o p m e n ti nt h ec o n t e x to f 心l i n u x o nt h eb a s i so f t h ea b o v e ，p h i l i p si s p l l 6 1h o s tc o n t r o l l e r - d r i v e np r o g r a mi s d e s i g n e da n dt r a n s l a t e di n t ob c l i n u xo p e r a t i n gs y s t e m , a c h i e v i n gt h eu s bh o s t f u n c t i o n so nt h eb o a r d d u r i n gr e s e a r c hi s c l i n u xo p e r a t i n gs y s t e mu s e di nt h es y s t e m ， p c l i n u xm e m o r ym a n a g e m e n ts t r a t e g yi sa n a l y s e d w ef o u n dt h a tt h e r ei s s o m e s h o r t c o m i n ge 硒s f i n gt oa p p l i c a t i o n s s oa ni m p r o v e da l g o r i t h mi sp u tf o r w a r d , w h i c h c a ni m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f p h y s i c a lm e m o r ya p p l i c a t i o n sa n dr e c o v e r y i ti sn o ts i m p l et oa c h i e v eu s bf u n c t i o ni ne m b e d d e ds y s t e ma p p l i c a t i o n s i n r e c e n ty e a r s ，a ne m b e d d e du s bh o s t si so n eo ft h et w om a j o rf u n c t i o n so fe m e r g i n g u s b0 t g ( u s bo n - t h e - g o ) i tp a v e st h ew a yf o rt h er e a l i z a t i o no fd i r e c t c o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nt w ou s be q u i p m e n t s t h er e s e a r c ho nt h i sa r e ai si ni t s i f 山东大学硕士学位论文 s t a r t - u pp h a s e ，w h i c hi sn o tm a t u r e t h i sd i s s e r t a t i o ns u p p o r tab l u ep r i n tw h i c hr e a l i z e sau s bh o s tf o u n c t i o no f t h e b o a r d b a s e d0 na r m 7i nt h ec o n t e x to fu c l i n u x t h e r ea r es o m et h e o r e t i c a l s i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u e ，n o to n l yf o rr e s e a r c ho f p e a r - t o p e a rc o m m u n i c a t i o n b e t w e e ne m b e d d e du s be q u i p m e n t s 。b u ta l s of o rr e l a t e dp r o d u c ta sat e s t i n g p r o t o t y p e i th a sab r i g h tf u t u r e w h a ti sd o n ei nt h i sp r o j e c ti sa l s ou s e f u lt or e s e a r c h t h ea p p l i c a t i o n sa n dd e v e l o p m e n t so f u s b0 t gd e v i c e s k e y w o r d s ：i t c l i n u x ；e m b e d d e ds y s t e m ；h o s tc o n t r o l l e r ；u n i v e r s a ls e r i a l b u s i i i 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承担。 论文作者签名；奎盘鱼日期： 2 卯占妒f 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：至选导师签名： 辑一 口6 咖。r 山东大学硕士学位论文 1 1 背景及意义 第1 章绪论 随着现代计算机技术的飞速发展和互联网技术的广泛应用，从p c 时代过渡 到以p d a ( p e r s o n a ld i g i 词a s s i s t a n t 个人数字助理) 、手持个人电脑和信息家电 为代表的3 c ( 计算机、通信、消费电子) 一体的后p c 时代，嵌入式系统在其 中扮演着越来越重要的角色，被广泛应用到信息电器、移动计算机设备、网络设 备和工控仿真等领域。嵌入式系统的开发成为近年i t 行业的技术热点。 嵌入式系统【1 l 主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统闭及应 用软件系统等组成，集软、硬件于一体。嵌入式系统由于其体积小、性能强、可 靠性高、及面向行业应用等突出优势获得了突飞猛进的发展，展现出其巨大市场 潜力。对于嵌入式系统的研究与开发也有着越来越重要的实际意义。 以信息家电为代表的互联网时代嵌入式产品，为嵌入式市场注入新生命的同 时，也对嵌入式系统技术，特别是软件技术提出新的挑战，即对轻便的移动应用、 多媒体的信息处理和日趋增长的功能密度、灵活的网络联接的支持【3 】。 一方面，为了满足应用功能要求的升级，嵌入式设计师们在采用更强大的嵌 入式处理器如3 2 位、6 4 位r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t i n g 精简指令集) 1 4 1 芯片或数字信号处理器d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 【4 】增强处理能力的同时也 开始采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性、简化应用 程序设计、保障软件质量和缩短开发周期 5 1 1 6 1 在嵌入式开发解决方案硬件方面，3 2 位r i s c 处理器越来越受到开发者的青 睐。其中采用a r m m 技术的处理器因其具有性能高、成本低和能耗省的特点占领 了大约7 5 0 5 的市场。a r m 7 、a r m 9 等系列的处理器迅速地成为便携式通信设备、 手持计算、多媒体数字消费类电子产品的嵌入式解决方案中的主流芯片。 在嵌入式开发解决方案软件方面，后p c 时代的嵌入式系统设计日趋复杂， 嵌入式操作系统必不可少。目前，国外商品化的嵌入式操作系统有、，x 、r k s 嘲、 w m d o w s c e 9 1 、q n x 和n u c l e a r 等。我国中科院也推出t h o p e n 嵌j x 式操作系统1 2 1 。 9 0 年代末l i n u x 这一著名的开源操作系统也应用到嵌入式领域，相继出现了 g c l i n u x l l o 】【l l 】、r t l i n u x 等嵌入式l i n u x 操作系统f 1 2 1 1 ”】，它们的开源为我们的研究 开发工作提供了宝贵资源。 山东大学硕士学位论文 另一方面，为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，面向2 1 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。新一代嵌入式设备还需具备 i e e e l 3 9 4 、u s b ( u n i v e r s a ls 舐a lb u s ，通用串行总线) 1 1 4 c a n ( c o n t r o l l e ra r e a n e t w o r k ) 1 s ! 、b l u e t o o t h 或i r d a 通信接口，同时也需要提供相应的通信组网协议软 件和物理层驱动软件。 与此同时，移动设备和嵌入式市场的爆炸性增长促进了通过公共标准接口在 不同设备之间进行方便的数据共享需求的增长。其中以u s b 的应用最为广泛， 这不仅稳固了其作为业界标准接口的地位，也使其成为嵌入式系统i o 连接的事 实标准。 但是在目前u s b 的拓扑结构中大量的扮演h o s t 主机1 1 6 1 角色的仍是p c 机，拥 有u s b 接口的嵌入式设备之间的数据交换如果离开p c ，就“失灵”了。这正是 目前u s b 应用中的弱点。 业界和用户的需求呼唤主机实现嵌入式化，从而实现基于u s b 的点对点通 信。在这种背景下，u s b 主机的嵌入式应用成了移动嵌入式系统领域新的兴奋 点。然而，在嵌入式应用中实现u s b 并不那么简单，与p c 系统相比嵌入式系 统资源有限，设计工作面l 临很多挑战和局限性。关于嵌入式u s b 主机的研究， 国外也处于起始阶段，仅有不多的半导体公司提供接口芯片，而且相关资料比较 少，技术尚不成熟。因此，对嵌入式u s b 主从机系统的研究工作既有很强的应 用价值和市场前景，又存在很多技术实现难点。总之，研究嵌入式u s b 相关理 论和实现技术不仅有必要而且具备鲜明的时代意义。 1 2 课题提出及其方案论述 基于上述的嵌入式系统领域发展现状和u s b 应用于嵌入式领域面临的挑战 及其主机端嵌入式化过程中亟待解决的问题，本课题从嵌入式系统特性出发，结 合目前市场形势与学院学科建设及教学工作需要，综合考虑研究的理论价值和现 实意义提出构建基于心l i n u x 的嵌入式u s b 主机系统。 同时本课题的研究也极具实际应用价值，比如工业或野外作业数据采集领域 中，我们常常需要使用u s b 优盘作为数据存储的载体，那么就要在项目中实现 一个嵌入式的u s b 主机来把采集的数据存储到优盘中；若用于消费类电子产品 中，其市场前景也非常广阔。 本课题分两个阶段完成：首先搭建起一个嵌入式系统开发平台，然后在该平 2 山东大学硕士学位论文 m i ! ! 目! ! 目| ! ! e e e ! ! ! 目e ! ! j ! ! ! ! 目e ! j ! ! ! ! e ! 目e 目! e ! ! ! ! e ! ! 曼 台上进行二次开发实现u s b 主机端的嵌入式化，从而构建起一个完整的嵌入式 u s b 主机系统。 做嵌入式开发首先是硬件方案的确立。要满足u s bh o s t 功能，主机方面则 最好有2 5 m i p s 以上的处理能力，才能保证u s b 全速通信【1 4 1 ，因此对核，t , c p u 有 一定的性能要求。目前能实现任务要求的硬件方案主要有三种：一是直接采用已 经内嵌了u s b h o s t 的m c u 。二是采用传统成熟的主机功能的芯片与高性能c p u 或m c u 的搭配。三是采用具有u s bo t g l l 7 1 功能的芯片加上高性能的c p u 或 m c u 。 第一方案的系统集成度与可靠性、性能都相对较高，但价格也相对较高，适 合于高端应用。第二方案在性能方面没有太大的损失，可以满足要求，但系统的 集成度相对较低，价格也适中，适合一般的应用。而第三方案与第二方案相比， 功能性能方面相近，但系统有一定的局限性，而且价格方面也没有优势。 考虑到该平台应能同时满足院校教学实验和嵌入式应用开发的一般需求，而 不仅限于实现嵌入式u s b 主机功能，本文经过论证采用第二种方案，以便利用 核心c p u 实现其他功能扩展。而在嵌入式硬件平台中，a r m 结构的各种衍生 m c u 、m p u 性能与功能可以满足设计要求，所以在本方案中采用s a m s u n g 公司 的a r m 7 内核的s 3 c 4 5 l ( 5 0 m h z ) 微处理器芯片作为核心m p u 。其次系统 要有大量的程序存储区，一般f l a s h 的需求大概在1 0 - - 6 0 k b 左右。设计的嵌入 式u s b 主机支持的类越多，那么需要的程序空间就越大。本系统板设计了4 m f l a s h 以满足系统功能要求。除u s b 接口功能模块外，本系统板上还设计了串口 功能模块、以太网接口模块、键盘扩展板接口模块、l c d 扩展板接口模块，以 期实现一个完整的嵌入式u s b 主机系统。其中u s b 模块使用p h i l i p s 的i s p i l 6 1 u s bh o s t s l a v e 控制器提供了两路u s b h o s t 和一路u s b s l a v e 口，使本系统 既可以成为u s b 主机也可以作为u s b 设备，还可以工作在u s b 桥接方式下。 就基于本系统硬件平台的软件方案考虑，为了可靠地完成设计的要求、实现 平台的可开发性与可扩展性，加快开发的进度，需要引入一个开放的操作系统。 由于$ 3 c 4 5 1 0 b 是一款无m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n t u n i t ) 1 1 5 1 的微处理器，加之 对操作系统本身的可移植性【1 6 l 的考虑，本方案采用了g c l i n u x 操作系统。它专用于 目标板【1 刀使用了无m m u 的处理器的系统，是对l i n u x 进行裁剪优化后的小型化 的嵌入式操作系统l l s l 。其源码开放为我们提供了一些资源优势，提高了本课题的 可行性。 山东大学硕士学位论文 1 3 本文的工作及研究成果 综上所述，本方案的最终目标为在基于l r m 嵌入式硬件平台和嵌入式 l i u n x 操作系统的支持下实现嵌入式系统的u s bh o s t 功能。 论文工作分两阶段完成： 第一阶段为搭建基于s 3 c a 5 1 0 b + g c l i n u x 的嵌入式开发平台。作者在本课题 组中主要负责实现软件平台构建，主要的工作有：设计实现符合硬件板要求的系 统启动引导程序b o o t l o a d e r 和在a r m 板上移植心l i n u x 内核。为此作者深入研 究了b o o t l o a d 程序和p c l i n u x 内核源代码，对一般b o o tl o a d 程序进行了优化， 利用m a k e 文件研究理清了p c l i n u x 内核源代码的编译过程，使用交叉编译技术 编译“c l i n u x 内核。最后在研究i t c l i n u x 内核时，发现对于实际嵌入式系统的开 发应用其内存管理策略存在的问题，并提出了改进算法。 第二阶段为在该嵌入式开发平台上实现嵌入式u s b 主机功能以构建完整地 嵌入式u s b 主机系统。作者在此主要负责主机控制器驱动的实现，为此从研究 u s b 协议规范和u s b 体系结构入手，结合具体芯片的特点，总结心l i n u x 系统 下设备驱动程序开发的一般方法，编写了u s b 主机控制器的驱动程序，实现系 统板上u s b 接口模块的主机功能。 总结起来，论文的研究成果包括以下方面； 1 针对开发板设计实现具有双启动模式的启动引导程序b o o t l o a d e r 。区别 一般b o o t l _ o a d e r 中对f l a s h 的读写和擦除使用c 语言实现，本系统改用汇编语 言直接编写这段在嵌入式系统开发调试阶段使用频率较高的代码，既提高了其执 行效率，又减少了其占用的空间，节约了宝贵的f l a s h 资源。 2 对u c l i n u x 内核进行裁剪、配置、交叉编译并成功移植在系统硬件平台 上。总结了p c l i n u x 移植过程需要注意的事项和m a k e 文件。 3 深入研究了嵌入式操作系统p c l i n u x 的内存管理策略，分析了其内存管 理策略存在的问题，给出改进算法，改善了内存分配回收效率。但该方案有一定 局限性，即需要预先知道该嵌入式系统中的一些应用程序。 4 编写了基于c i i n u x 操作系统的i s p l l 6 1 的u s b 主机控制器驱动程序， 并采用静态编译方式加载到“c l i n u x 内核上以实现主从端之间的通信，从而在基 于s 3 c 4 5 1 0 b + i s p l l 6 l 硬件平台和o c l i n u x 操作系统的嵌入式实验板上实现嵌入 式u s b h o s t 功能。 4 山东大学硕士学位论文 1 4 本文的组织 本文包括七章，既给出了基于心l i n u x 的嵌入式u s b 主从机系统的完整方 案( 侧重软件) ，又介绍了作者在课题研究工作过程中的研究成果。 第一章绪论。从软硬件两方面描述了嵌入式系统当前的发展概况，从嵌入 式系统应用发展新需求角度说明研究嵌入式u s b 主从机系统的意义所在，并指 出了实现技术上的难点。从而在理论意义和应用价值两方面论述论文选题的背景 及意义，并总结了本文完成的工作及成果。 第二章嵌入式系统开发平台概述。描述了本系统所用实际硬件平台环境， 侧重介绍软件开发涉及的主要硬件；分析了构建软件开发平台需要完成的工作， 包括软件方案确定、开发环境建立、开发工具简介。 第三章系统引导程序的设计实现。说明了b o o t l o a d e r 的概念与任务、描述 了本系统b o o tl o a d 程序的操作模式与结构框架，并详细给出了其实现与优化， 最后介绍了载入系统的方法。 第四章心l i n u x 的移植及其内存管理改进。分模块分析了心l i n u x 内核，通 过对m a k e f i l e 文件的解析探究了g c l i n u x 内核的编译过程，详细给出了如何移植 t t c l i n u x 。结合嵌入式系统应用中的常见情况提出了改善“c l i n u x 内存空间浪费的 管理方案。 第五章基于心l i n u x 实现u s b 主从机功能原理。简要介绍了u s b 系统与 u s b 主从机系统工作原理，分析了p c l m u x 中的设备驱动程序和u s b 子系统。 第六章嵌入式u s b 主机系统的软件设计实现。简要介绍与软件相关的硬件 概况，详细介绍如何进行u s b 主从机系统的软件设计，主要是结合i s p l l 6 1 芯 片的具体情况对主机控制器驱动的实现。 第七章总结与展望。 山东大学硕士学位论文 第2 章嵌入式系统开发平台概述 在嵌入式系统设计开发中软件对硬件依赖性较强，本章首先对系统软件将要 运行的硬件板环境做必要介绍，然后明确了软件平台要完成的工作，最后介绍如 何建立完备的嵌入式系统软件开发环境。， 2 1 嵌入式系统的组成及其开发步骤 嵌入式系统是以应用为中心，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、 成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统【1 8 】。 1 嵌入式系统的组成 嵌入式系统可分为嵌入式硬件系统与嵌入式软件系统两大部分。具体的组成 如图2 - 1 所示，下面分别介绍各部分。 应用层 o s 层 应用程序 文件系统 图形用户接口 嵌入式操作系统( l i n u x ，u c l i n u x 、u c o $ - i i 等) 驱动层 b s p m a l 硬件抽象层板极支持包 硬件层 d a a ，d 嵌入式 微处理器 通用接口( 串口，并 旦! 堕! 曼! 坠奎塑量 r o m 竺竺兰竺 人机交互接口皿e d 、l c d ，触摸屏，鼠标，键盘等) 嵌入式系统 图2 - 1 嵌入式系统组成 软件 硬件 嵌入式处理器 嵌入式系统的核心是各种类型的嵌入式处理器( m c u 、d s p 、e m p u 、s o c ) ， 与通用处理器最大的不同点在于嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群专门设计 的系统中，它将通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成到芯片内部，以利于系 统设计趋于小型化及其效率和可靠性的提高。其体系结构经历了从c i s c ( 复杂 6 山东大学硕士学位论文 i ! e ! ! ! ! ! ! ! e j ! ! ! ! e 目! ! e ! ! e ! ! ! ! e ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! e 目目e ! ! 目e ! e ! ! ! ! g ! 指令集) 至r i s c 和c o m p a c t r i s c 的转变，寄存器位数则由8 位、1 6 位、3 2 位 发展到6 4 位。日前以a r m 、p o w e r p c 、m c 6 8 0 0 0 、m i p s 的使用最为广泛。 嵌入式外围设备 嵌入式硬件系统中，除中心控制部件以外的用于完成辅助功能的部件都可算 作嵌入式外围设备。按其功能大致可以分为存储设备( 如f l a s h 、r a m 、s r a m 、 d r a m 、r o m ) 、通信设备( 如串行接口u a r t 、u s b 、以太网接口、i e e e l 3 9 4 接口、红外线接口、蓝牙) 和显示设备( 如液晶显示器l c d 和触摸板) 三类。 嵌入式操作系统 为了使嵌入式系统的开发更加方便和快捷，需要有专门负责管理存储器分 配、中断处理、任务调度等功能模块的软件，这就是嵌入式操作系统。嵌入式操 作系统是嵌入式系统软硬件资源的控制中心，通常包括与硬件相关的底层驱动程 序、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形用户界面( g u i ) 等。与通用操 作系统相比它在系统实时性、硬件依赖性、软件固化性以及应用专用性等方面具 有更加鲜明的特点，一般需要经过针对专门平台的移植才能正常工作。 嵌入式应用软件 嵌入式应用软件是针对特定应用领域，基于某一固定的硬件平台，用来达到 用户预期目标的计算机软件。和普通应用软件相比，它不仅在准确性、安全性和 稳定性等方面要能满足实际应用需求，还要尽可能地进行优化，以减少对系统资 源的消耗，降低硬件成本。 2 嵌入式系统的开发步骤 一个完整的嵌入式系统的开发一般分以下几个步骤1 9 1 1 2 0 1 ： 硬件平台的设计 硬件平台的稳定性和可靠性直接影响后期嵌入式产品的开发，是嵌入式软件 开发的基础。设计时要根据需求分析选择合适的嵌入式微处理器以及其它外围设 备，同时也要考虑将来系统功能的扩展。 b s p 的开发和调试 b s p ( b o a r ds u p p o r tp a c k e t ) 即板级支持包，介于硬件板和操作系统之间的 一层，主要目的是为了使操作系统能够更好的运行于硬件系统上。 嵌入式操作系统的裁剪 针对嵌入式系统的硬件配置环境，对操作系统进行裁剪设计，一方面卸载和 7 山东大学硕士学位论文 删除用不到的模块，另一方面修改和简化需要的模块，增减板级支持包的功能。 嵌入式操作系统内核的配置和编译 当系统设计确定后，就可以对具体操作系统的内核进行合理配置和编译，形 成新的应用于嵌入式硬件系统的内核，最后一般生成内核映像文件，下载到系统 的f l a s h 中，完成内核的量身定做。 文件系统的建立 由于每一种操作系统支持很多文件系统，对于嵌入式操作系统要针对板子上 的f l a s h 、各种存储卡、u 盘等裁剪出相应的文件系统，完成文件系统的建立。 用户程序的编写和简单的仿真调试 根据用户的需求开发应用程序，并尽可能采用一些开发工具对应用程序进行 仿真和调试。 系统下载和脱机运行 确定系统功能达到目标后，把最终形成的映像文件通过特定工具下载到系统 板，然后去掉调试系统，加电复位运行。 2 2 基于a r m 的嵌入式开发系统硬件平台概述 论文第一阶段搭建的嵌入式系统软件开发平台工作在自行设计的a r m 嵌入 式硬件平台上。下面介绍该硬件平台功能和核心c p u 芯片。 2 2 1 嵌入式系统开发板的功能结构介绍 该系统板主要包括；主板最小系统( 基本配置) 、外围扩充子板、仿真连接卡、 电源及连接电缆，总体结构如图2 - 2 所示。系统板各部分基本功能描述如下： 串行接口电路用于s 3 c 4 5 1 0 b 系统与其他应用系统的短距离双向串行通讯； 复位电路可完成系统上电复位和在系统工作时用户按键复位； 电源电路为5 v 到3 3 v 的d c d c 转换器，给s 3 c 4 5 1 0 b 及其他需要3 3 v 电源的 外围电路供电； 1 0 m 弛有源晶振为系统提供工作时钟，通过片内p l l 电路倍频为5 0 m h z 作为 微处理器的工作时钟； 4 mf l a s h 存储器可存放已调试好的用户应用程序、嵌入式操作系统或其他在系 统掉电后需要保存的用户数据等： s d r a m 存储器作为系统运行时的主要区域，系统及用户数据、堆栈均位于 山东大学硕士学位论文 s d r a m 存储器中； 图2 - 2 嵌入式开发系统板的结构框图 u s b 接口提供了两路u s b h o s t 和一路u s b s l a v e 口，使本系统既可以成为 u s b 主机又可以成为u s b 设备，还可以工作在u s b 桥接方式下； 1 0 m ，1 0 0 m 以太网接口为系统提供以太网接入的物理通道； j t a g 接口可对芯片内部的所有部件进行访问，通过该接口可对系统进行调试、 编程等； i i c 存储器可存储少量需要长期保存的用户数据； 系统总线扩展引出了数据总线、地址总线和必须的控制总线，便于用户根据 自身的特定需求扩展外围电路。 2 2 2 核心处理器$ 3 c 4 5 1 0 b 概述 在进行软件开发之前，有必要先对该系统的核心处理器芯片s 3 c 4 5 l o b 及其工 作原理进行比较详细的了解，以便进行特定应用系统的设计。 s a m s u n g 公司的s 3 c a 5 1 0 b 是基于以太网应用系统的高性价比1 6 3 2 位s c 微 控制器，内含一个a 瑚7 t d m i 处理器核，适合用于对价格及功耗敏感的应用场合讲1 。 1 s 3 c 4 5 l o b 的c p u 内核 s 3 c 4 5 l o b 的。町内核是由a r m 公司设计的基于r i s c 的通用3 2 位 9 圈一一一一一一一一一 山东大学硕士学位论文 a r m t t d m i 微处理器核。与c i s c 系统相比较，r i s c 架构的指令集和相关的译码 电路更简洁高效1 2 2 。 a r m 7 t d m i 处理器区别于其他a r m 7 处理器的一个重要特征是其独有的称 之为t h u m b 的架构策略。该策略由3 6 种基于标准3 2 位a r m 指令集构成，但 重新采用1 6 位宽度优化编码的指令格式，能获得非常高的代码密度。a r m 7 t d m i 内核既能执行3 2 位的a r m 指令集，又能执行1 6 位的t h u m b 指令集，因此允 许用户以子程序段为单位，在同一个地址空间使用t h u m b 指令集和a r m 指令 集混合编程，以便在代码大小和系统性能上进行权衡，从而为特定的应用系统找 到一个最佳的编程解决方案。 2 $ 3 c 4 5 1 0 b 的片内外围功能模块t 2 1 】 除了a r i 7 i d 核以外，$ 3 c 4 5 1 0 b ：1 ：较重要的片内外围功能模块包括：2 - i 带缓冲描述符( b u f f e rd e s c r i p t o r ) 的h d l c 通道、2 个i ，a r t 通道、2 i - g d m a 通 道、2 个3 2 位定时器、1 8 个可编程白勺i o 口片内的逻辑控制电路包括：中断控制 器、d r j 删s d r a m 控制器、r o m s r a m 和f l a s h 控制器、系统管理器、一个内 部3 2 位系统总线仲裁器、一个外部存储器控制器。 3 s 3 c 4 5 l o b 的寄存器 $ 3 c 4 5 1 0 b 内建3 7 个3 2 位的寄存器：3 1 个通用寄存器和6 个状态寄存器。 某一时刻寄存器能否访问由处理器的当前工作状态和操作模式决定。根据微处理 器内核的当前工作状态，可分别访问a r m 状态寄存器集和t h u m b 状态寄存器集； a r m 状态寄存器集包含1 6 个可以直接访问的寄存器：r 0 r 1 5 。除r 1 5 以外，其余的寄存器为通用寄存器，可用于存放地址或数据值。r 1 6 是当前程序 状态寄存器c p s r ，用于保存状态信息。 t h u m b 状态寄存器集是a r m 状态寄存器集的一个子集。可以访问的寄 存器有。8 个通用寄存器r 0 r 7 ，程序计数器p c 、堆栈指针寄存器s p 、连接 寄存器l r 和当前程序状态寄存器c p s r 。 在每一种特权模式下，都有对应的堆栈指针寄存器s p 、连接寄存器l r 和备 份的程序状态寄存器s p s r 。为处理异常s 3 c 4 5 1 0 b 使用内核的分组寄存器来保 存当前状态，原来的p c 值和c p s r 的内容被拷贝到对应的r 1 4 ( l r ) 和s p s r 寄存器中，p c 和c p s r 中的模式位被调整到相应被处理的异常类型的值。 $ 3 c 4 5 1 0 b 的内核支持7 种类型的异常，每种异常都有其固定的优先级和对应的 特权处理器模式，具体可参考 2 1 。s 3 c 4 5 1 0 b 的特殊功能寄存器具体查阅 2 1 。 山东大学硕士学位论文 4 $ 3 c 4 5 1 0 b 的系统管理器 s 3 c a 5 1 0 b 的系统管理器( s y s t e mm a n a g e r ) 在整个系统工作中起重要作用。 1 ) 系统管理器寄存器( s y s t e mm a n a g e rr e g i s t e r s ) 系统管理器使用一组专用的特殊功能寄存器来控制外部存储器的读写操作， 通过对该组特殊功能寄存器编程，可以设定：存储器的类型、外部数据总线宽度 及访问周期、定时的控制信号、存储器组的定位、存储器组的大小。 系统管理器通过设置特殊功能寄存器的值来控制访问外设必需的控制信号、 地址信号和数据信号的产生和处理，控制对r o m 、s r a m 、f l a s h 组的访问，控制 对多达四个d r a m 组和四个外部i 0 组以及一个特殊功能寄存器映射区域的访问。 2 ) 系统存储器映射( s y s t e mm e m o i ym a p ) 关于$ 3 c 4 5 1 0 b 系统存储器映射，以下是几个应当注意的重点1 2 2 ： $ 3 c 4 5 1 0 b 采用统一编址的方式，将系统的片内外存储器、特殊功能寄存 器和外部的i ，o 设备都映射到6 4 m b 的地址空间。地址空间又分为若干个存储器 组，可以通过配置包含基指针( b a s ep o i n t e r ) 和尾指针( e n d p o i n t e r ) 的特殊功 能寄存器设定每个存储器组的大小和位置。用户可利用基指针和尾指针设置连续 的存储器映射。具体操作即把某个存储器组的基指针地址设置为前一个存储器组 的尾指针地址。要注意在设定存储器组的控制寄存器时，每两个相连的存储器组 的地址空间决不能重叠，即使这些组被禁用。 四个外部i o 组被定义在一个连续的地址空间中。只需要将基指针