（计算机系统结构专业论文）工程项目中的vxworks操作系统移植与网络驱动分析实现.pdf

摘要 大幅面工程扫描仪作为一种图形图像输入设备在国内军事、测绘、建筑方面 等特殊领域的数字化应用有着广泛的需求，有自主知识产权的大幅面工程扫描仪 需求的日益增加，为控制扫描仪工作的嵌入式系统软件提供了广阔的市场前景。 作者所在项目组设计并开发多c c d 大幅面扫描仪系统，通过e c 5 1 7 1 3 工控 板进行多路c c d 管理、同步，完成多路扫描数据拼接，由网络将数据实时、准确 的传入上位机，从而由上位机软件对图像数据进行进一步处理，最终得到满足用户 需求的图像。 作者的任务是熟悉v x w o r k s 实时嵌入式操作系统的b s p 开发，根据多c c d 大幅面扫描仪嵌入式系统的需求，实现v x w o r k s 操作系统向e c 5 1 7 1 3 开发板的移 植，提供稳定的应用程序运行环境。参与工程项目的设计与实现过程，并成功解 决了移植过程中所出现的e c 5 1 7 1 3 工控板嵌入式开发板i n t e l 8 2 5 6 2 网卡驱动的加 载问题，提供了大幅面扫描仪稳定的网络数据传输。 文章首先就嵌入式实时操作系统的应用情况进行说明，并简单介绍了嵌入式 实时操作系统v x w o r k s 及其集成交叉开发环境t o r n a d o ；接着从硬件平台与软件结 构上对项目实际情况进行了系统描述，并对工程项目系统移植过程中出现的网络 驱动加载问题，从网络设备驱动程序和p c i 设备支持两个方面进行了深入的分析， 给出了最终解决方案；最后完整的给出了b o o t r o m 与v x w o r k s 操作系统的生成方 法与过程。 关键词：v x w o r k s 实时操作系统i n t e l 8 2 5 6 2e n d 驱动程序b s p a b s t r a c t l a r g e s c a l es c a n n e r , a sag r a p h i c si n p u td e v i c e , i sw i d e l yn e e d e db yt h em i l i t a r y , m a p p i n g ，a n db u i l d i n gi n d u s t r yf o rd i g i t a lg r a p h i c s i ti sm o r ea n dm o r es t r o n g l yt h e n e e df o rt h el a r g e s c a l es c a n n e rw i t hi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s ，w h i c h p r o v i d e st h eg o o dm a r k e tp r o s p e c t sf o rd e v e l o p i n ge m b e d d e ds y s t e ms o f t w a r e o f c o n t r o l l i n gt h es c a n n e r o u rt e a md e s i g n e da n dd e v e l o p e ds y s t e ms o f t w a r ef o rl a r g e s c a l es c a n n e rw i t h f o u rc c d ，w h i c hc a l lm a k em u l t i c h a n n e lc c do ft h et h es c a n n e rb em a n a g e da n d s y n c h r o n o u st h r o u g he c 5 - 1 713b o a r d ，a n ds p l i c et h em u l t i - c h a n n e ls c a n n i n gd a t a ，t h e n s e n dt h ed a t at op ca c c u r a t e l ya n dr e a l t i m et h r o u g hn e t w o r k a f t e rp cg e t st h ed a t a , i t w i l ld of u r t h e rp r o c e s s i n ga n dg e tt h ed i g i t a li m a g et h a tm e e t so u ru s e r sn e e d s t h ea u t h o r st a s ki st op r o v i d ev x w o r k sr e a l t i m ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m e n v i r o n m e n t ，a n da c c o r d i n gt ot h en e e d so fl a r g e f o r m a tf o u r - c c ds c a n n e re m b e d d e d s y s t e m ，r e a l i z ev x w o r k so p e r a t i n gs y s t e mt r a n s p l a n t i n g ，a n da c h i e v es t a b l eo p e r a t i n g e n v i r o n m e n to ft h en e t w o r ka n dv x w o r k so p e r a t i n gs y s t e m i nt h ep r o j e c t i o n ，t h et a s k i sb ed o n es u c c e s s f u l l y , t h e l o a d i n gp r o b l e m s ，w h i c ha p p e a r si nt h ep r o c e s so f t r a n s p l a n t a t i o na b o u ti n t e l 8 2 5 6 2d r i v e ro fe c 5 17 13e m b e d d e dc o n t r o ld e v e l o p m e n t b o a r d ，i sw e l ls o l v e d ，f i n a l l y , t h es t a b l en e t w o r kd a t at r a n s m i s s i o ni sa c h i e v e df o r l a r g e f o r m a ts c a n n e r i nt h ep a p e r , t h ea p p l i c a t i o no fe 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 mi si n t r o d u c e d f i r s t l y , a n dab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h ee 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 mv x w o r k s a n dt o r n a d oi n t e g r a t e dc r o s s d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ti sm a d e ；t h e nb a s e do nt h e h a r d w a r ep l a t f o r ma n ds o f t w a r es t r u c t u r e ，t h ep r o j e c to nt h ea c t u a ls i t u a t i o ni sd e s c r i b e d ， t h el o a d i n gp r o b l e mi sa n a l y z e di nt w ow a y so ft h en e t w o r kd e v i c ed r i v e r sa n ds u p p o r t f o rp c ie q u i p m e n t ；t h eb s pc o n f i g u r a t i o no ft h et a r g e t e de q u i p m e n ti sc o m p l e t e da n d i n t e l 8 2 5 6 2d r i v i n gt h em i g r a t i o np r o c e s si sp r e s e n t e d ；i nt h ee n d , t h ef o r m a t i o no f b o o t r o ma n dv x w o r k so p e r a t i n gs y s t e mi sg i v e ni n t a c t l y k e y w o r d ：v x w o r k sr t o s i n t e l 8 2 5 6 2e n dd r i v e rb s p 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知；除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：生查叁 日期 7 0 o g ；口 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：赤杏久日期窭堕：主：! ： 导师签名：莹塑整 日期墨! 竺：誓! 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀下匕 1 1 课题背景及来源 随着数字技术的发展，国内外对图形图像输入设备的需求越来越广泛。大幅 面扫描仪作为一种图形图像输入设备，主要用于实现军事、测绘、建筑等一些特 殊领域的数字化。该类专用扫描仪有着广泛的市场，是我军和我国企事业单位迫 切需要的设备，该类设备的需求也为控制扫描仪工作的嵌入式系统软件提供了广 阔的市场前景。 目前国内由于技术有限，一般都是通过进口国外的大幅面工程扫描仪来满足 这方面的需求，然而国外的产品价格昂贵，扫描质量也不能完全满足用户的要求， 因此研究设计拥有自主知识产权的大幅面工程扫描仪具有很高的社会价值和经济 价值。 在这样的背景下，我们提出了设计开发多c c d 大幅面扫描仪的课题项目。该 课题设计开发一款大幅面工程扫描仪项目，同时采用多c c d 的结构，提高扫描速 度和提高扫描精度，旨在实现扫描仪设备的图像能够实时、准确的通过工业控制 板传给上位机，从而由上位机对图像进行处理。 本人的任务是完成工程项目中的v x w b r k s 操作系统移植和网络驱动的加载， 提供应用程序实时数据的网络高速传输。在为大幅面扫描仪提供这样的系统运行 环境支持的背景下，嵌入式开发板所集成的i n t e l 8 2 5 6 2 网络驱动无法正常加载，于 是本文对操作系统移植与网络驱动支持方面进行研究，从v x w o r k s 对p c i 设备支 持与网络驱动协议两方面入手，成功地解决了网络驱动的加载并完成了向 e c 5 1 7 1 3 工控板移植v x w o r k s 操作系统，提供了工程项目的支持。本文给出了具 体的分析与实现的过程。 1 2 嵌入式系统应用现状与特征 1 2 1 嵌入式系统的应用现状 嵌入式计算机是一种内装专用设备系统的高速计算机。它的主要功能是作为 一个大型工程系统中的信息处理部件，用来控制专门的硬件设备的。这种嵌入式 系统自动化程度高、反应速度快，用户不需要知道装置内计算机的存在，往往不 2 工程项目中的v x w o r k s 系统移植与网络驱动分析实现 提供用户编程接口，是一种具有一些专用的i 0 设备，特别是提供给用户的接口是 专用的。 据统计，目前每年只有1 0 2 0 的微处理器芯片用于台式计算机或笔记本电 脑，8 0 左右的微处理器芯片是为嵌入式计算系统设计和制造的。嵌入式计算机系 统被广泛地用于办公自动化、消费、通信、汽车、工业和军事领域，其中，办公 自动化、消费和通信领域占据的份额最大，约9 0 以上。嵌入式的典型应用有【l 】： 1 ) 过程控制( p r o c e s sc o n t r 0 1 ) ，即对生产过程中各种动作流程的控制，这种 控制是在对被控对象和环境进行不断观测的基础上做出的及时的、恰当的 反应。在控制过程中，计算机扮演这种新的角色。它通过传感器从外部接 受有关过程的信息，对这些信息进行加工处理，然后对执行机构发出控制 指令。 2 ) 通信设备( t e l e c o m m u n i c a t i o n ) ，如交换机、路由器、桥接器、集线器、 m o d e m 等。 3 ) 智能设备( i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t ) ，如示波器、医疗仪器等。 4 ) 消费产品( c o n s u m e rp r o d u c t ) ，如洗衣机、微波炉、电视机、游戏机等。 5 ) 机器人( r o b o t ) 。 6 ) 计算机外设设备( c o m p m e rp e r i p h e r a l ) ，如打印机、磁盘驱动器等。 7 ) 军事电子设备和现代武器，如雷达、坦克、战机等。 1 2 2 嵌入式系统的基本特征 从以上的应用中，我们能感觉到嵌入式系统的一些基木特征 2 】： 1 ) 嵌入式系统是计算机系统，由智能单元( 即微处理器) 控制。 2 ) 嵌入式系统大多是专用系统，提供的功能通常带有针对性。 3 ) 嵌入式系统与桌面系统不同，一般不对用户提供再开发环境，用户与系统 交互的唯一接口就是系统提供给用户的最终应用。 4 ) 基于成本、体积、功耗和性价比等因素考虑，对操作系统的处理性能和可 裁减性有特殊要求。因此紧凑型要求明显。 5 ) 针对某些特殊的应用，嵌入式系统常常需要很高的可靠性和长时间无人值 守的工作能力。 6 ) 实时性要求。在给定的硬件环境条件下，系统实时性主要靠操作系统和应 用软件保证。 7 ) 嵌入式可以独立存在( 如计算器、m p 3 播放器等) ，也可以潜入到其他系 统中提供相对独立的功能。 正由于嵌入式计算机系统具有上述特点，嵌入式计算机系统的软件则是更具 第一章绪论 3 有特色的软件：嵌入式系统软件对外部事件的响应快，并且有确定的硬实时性要 求；具有处理异步并发事件的能力；具有快速启动、出错处理和自动复位，除此 之外嵌入式系统软件的应用软件与操作系统之间的界限模糊，往往是一体化设计 的程序；软件开发困难，要使用交叉开发环境，必须要有强大的开发工具的支持。 1 3 1 实时系统 1 3 实时嵌入式系统 实时系统是对事件在限定时间内能做出反应的系统。限定时间的范围很广， 可以从微秒级( 如信号处理) 到分级( 如联机查询系统) 。与非实时系统的不同之 处在于，在实时系统中，实时系统对外部事件的相应有时间要求，其所谓的正确 性不仅取决于处理结果逻辑上的正确性，更取决于获得该结果所需要的时间，即 要在给定的时间内完成事件的识别、处理，并给出正确的结果。 实时系统可分为软实时系统和硬实时系统。硬实时系统的特征是系统要求的 响应时间和处理时间确定，如果超出所要求的时间，所产生的结果无法预测并且 是灾难性的。软实时系统对于响应时间和处理时间的要求较低，如果时间超出， 结果只可能使系统的性能下降。所谓联机事务处理，如银行计算机系统、飞机订 票系统等，可算是典型的软实时系统。他们不要求严格的时间确定性，响应时间 一般在毫秒到秒之间。通常所指的实时系统都是指硬实时系统，根据具体系统的 性能不同，它们的响应时间通常在微秒到毫秒之间。 在实时系统中，主要有三个指标来衡量系统的实时性：响应时间( r e s p o n s e t i m e ) 、生存时间( s u r v i v a lt i m e ) 、吞吐量( t h r o u g h p u t ) 。 1 ) 响应时间( r e s p o n s et i m e ) ：是计算机识别一个外部事件到做出响应的时 间，在控制应用中，它是最重要的指标，如果时间不能及时地处理，系统 可能就会崩溃。对于不同的过程，有不同的响应时间要求。 2 ) 生存时间( s u r v i v a lt i m e ) ：是数据有效等待时间，在这段时间里，数据 是有效的。 3 ) 吞吐量( t h r o u g h p u t ) ：是在一个定时间内，系统可以处理的事件的总数。 例如通信控制器用每秒钟处理的字符数来表示吞吐量，吞吐量可能是平均 响应时间的倒数，但它通常要小一些，因为在每次响应后，可能需要一段 时间进行清理，这段时间就称为恢复时间( r e c o v e r yt i m e ) 。 4 工程项目中的v x w o r k s 系统移植与网络驱动分析实现 1 3 2 实时嵌入式操作系统及特征 同样作为操作系统，实时嵌入式操作系统与通常意义上的操作系统在基本功 能上是一致的，但必然存在明显的差异。实时嵌入式操作系统负责实时嵌入式系 统的所有软硬件资源的分配、调度工作、控制和协调并发活动，如任务调度、内 存管理、同步机制、异常和中断处理、任务间通信等，具有一般操作系统的基本 功能：同时必须体现其实时处理和嵌入式系统特征。 与通用操作系统相比，实时嵌入式操作系统具有如下一些特点【2 】： 1 ) 实时性。大多数嵌入式系统工作在实时性要求很高的环境中，对外部事件 的相应，包括数据的获取、处理和数据的输出都必须在d e a d l i n e 规定的时 间内完成。 2 ) 小型化、可裁减。嵌入式系统所能提供的资源有限，所以实时嵌入式操作 系统必须做得小巧，以满足嵌入式系统的硬件限制，同时必须能够根据应 用的要求进行裁减，取出多余的部分，或者简化相应的模块。 3 ) 强稳健性。大多数嵌入式系统一旦开始运行就不需要人过多的干预，在这 种条件下，要求作为操作系统资源总管的操作系统具有较高的稳定性。 4 ) 固化代码。在嵌入式系统中，操作系统与应用软件代码通常被固化在嵌入 式系统的r o m 中。 5 ) 交互性弱。多数实时嵌入式操作系统工作过程不需要人的干预，因此提供 给用户的操作的接口相对简单，主要通过系统调用命令向用户程序提供服 务。 6 ) 专业化强。每一种实时嵌入式操作系统通常面向特定类型或几种相近类型 的应用。 1 3 3 操作系统实时性能的衡量 实时嵌入式操作系统的实时性是有别于其他操作系统的主要特征之一，本文 进而描述操作系统的实时性衡量标准，给出实时性能保证的主要因素。 1 ) 任务切换时间( t a s ks w i t c ht i m e ) 。系统中两个具有相同优先级任务之间 切换所需要的平均时间。 2 1 抢占时间( p r e e m p t i o nt i m e ) 。系统中某个高优先级任务抢占低优先级任 务花费的平均时间。 3 ) 中断等待时间。从c p u 收到中断请求到执行中断服务程序的第一条指令 所需的时间。 第一章绪论 5 4 ) 信号量延迟时间。从一个任务释放信号量到另一个等待信号量的任务被激 活的时间延迟。 5 ) 死锁解脱时间。指系统解开死锁所需的平均时间，造成死锁的原因是高优 先级任务抢占某一低优先级任务后，进而需要刚刚被强占任务所拥有的资 源。 6 ) 任务间消息传递延迟。非零长度的消息在任务间传递的操作系统内部延迟 时间。 7 ) 数据报吞吐量。任务间利用操作系统通信原语传递数据，每秒所传递的字 节数。 以上指标的实际数值一定是基于特定处理器和周围硬件环境测定的。比较不 同的实时操作系统应该基于同样的硬件环境，只有这样，数据才有参考意义。一 个好的实时操作系统一定敢于给出其不同硬件环境下采取不同基准程序得到的测 试数值。 1 4v x w o r k s 嵌入式操作系统环境 1 4 1v x w o r k s 操作系统的特点 2 0 世纪8 0 年代w i n dr i v e r 公司推出了v x w o r k s ，它是专门为实时嵌入式系 统设计的3 2 位操作系统。v x w o r k s 具有高性能内核和友好的开发界面，已被广泛 应用于包括美国航天局火星探路者等的大量嵌入式设备上。其特点是【3 】： 1 ) 实时性强。作为专门配合硬实时系统而定制的操作系统，其w i n d 内核保 证任务间切换时间被严格限制在毫秒量级。v x w o r k s 在8 0 4 8 66 6 m h z 下的t c ( 任务切换时间) 、t s ( 系统调用时间) 和中断响应时间都在几个微 秒，如果c p u 频率更高的话，这些性能会更好 2 ) 支持多任务。v x w o r k s 通过多个任务来控制相应多重的、离散的现实世界 中的事件。每个任务都可以直接或共享的访问大多数的系统资源和内存空 间，并拥有自己的存放局部变量的栈和寄存器值、延时定时器、时间片定 时器等的控制块。只要内存足够，程序员可以创建任意多的任务。 3 ) 体积小可裁减。v x w o r k s 系统是简洁高效的系统，一个同时支持网口、串 口和多任务的操作系统，文件大小只有5 0 0 k b 左右。将用户程序嵌入操 作系统后，大小也不会超过2 m b 。v x w o r k s 的可裁减性使得开发者可以 对操作系统的功能、大小进行增减，从而为自己的应用程序保留更多的系 统资源。 6 工程项目中的v x w o r k s 系统移植与网络驱动分析实现 4 ) 支持多种c p u 。v x w o r k s 操作系统支持的c p u 是各式各样的嵌入式c p u ， 不同的b s p 对应不同的c p u ，而用户可以在不同的c p u 间通用。 5 ) 支持网络通信和串口通信。驱动方面，v x w o r k s 提供了很多网口的源代码 驱动，在协议方面，支持到t c p i p 层；软件方面则完全支持b s ds o c k e t 。 除了以太网，v x w o r k s 还支持通用的串口通信，利用超级终端在p c 上对 其进行监视和控制。 6 ) 内核和定制任务可以分开编译、动态下载。 7 ) 支持用户定义启动任务。所有程序编写测试完成，可以将用户程序直接连 接到操作系统中，实现自启动的用户程序，如果用户程序支持，可以从网 络下载新的v x w o r k s ，写入f l a s h 中，实现操作系统的在线更新。 1 4 2v x w o r k s 的开发环境t o r n a d o t o m a d o 是w r s ( w i n dr i v e rs y s t e m si n c 1 公司1 9 9 5 年9 月最新发布的实时操 作系统嵌入式软件开发环境。该公司成立于1 9 8 1 年，从事实时操作系统及实时软 件开发与生产的专业软件公司，是实时系统领域全球公认的最具领导作用的公司。 t o m a d o 是一个开放的，而且独立于硬件的软件解决方案，它可以运行在9 0 的3 2 位嵌入式处理机体系结构上，从而加速设计和开发的进程。它是嵌入式实时 操作系统v x w o r k s 的开发调试环境，是实现嵌入式实时应用程序的完整的软件开 发平台，是交叉开发环境运行在主机上的部分。主要提供的是v x w o r k s 系统的裁 减工作，以及提供v x w o r k s 的镜像编译环境，其中还包含了一些调试所要用到的 交叉调试工具。 运行t o r n a d o 的一方称为宿主机，而运行v x w o r k s 的一方称为目标机，二者 根据实际应用可以通过采用网络或串行线连接。宿主机的工作目录在t o m a d o k h o s t 下，而目标系统的目录与文件在t o m a d o t a r g e t 下。t o r n a d o 开发环境如图1 1 所示： 第一章绪论 7 | ， ，、：，、 一，：? ， ，。一； 主机系统：_ ，： ，：目标系统 = t 一 ：，。t o r n a d o 一t 。： ：， ：i ，：。：。、 o ：“： ：。，：- ? ：， = 。：+ ： 应用程序 ： 以。 太 网， 服层 l 由| v x w o r k s t t q e g f 究 w i l l d s h 功 器 口 网络文件 i o j 编 c r o s s w i n d 辑 等 系统 系统系统 器 连 浏览器 | _ 接 p o s t x 接口 方 ：。 w i n d v i e w ， 式 操作系统内核 微内核w i i l d 目标代理 v x s i m 一目标代理 b s p 图1 1t o m a d o 开发环境图 t o r n a d o 的核心工具有： 1 ) 集成仿真器v x s i m 。v x s i m 是完整的原型模拟工具。可以允许硬件开发完 成之前先行开发软件，在开发早期进行软件的测试。 2 ) 集成的c 和c + + 编译器和m a k e 工具。提供给用户支持c 语言和c + + 语 言的交叉编译器和类库。 3 ) w i n d s h e l l ：c 语言命令解释器，用于控制目标机，可以直接解释和执行c 语言表达式、调用目标机上的c 函数、查看符号表中的变量等。 4 ) 软件逻辑分析仪w i n d v i e w ：可以让程序开发的人员看到正在目标机上运 行的任务、中断、对象的运行情况的工具。 5 ) 系统对象检查工具b r o w s e r ：t o r n a d o 的一个图形化组件，可以提供目标 机中系统对象，如任务、信号灯、消息队列、内存分区等等的信息。 6 ) 集成调试器c r o s s w i n d ：支持任务和系统级调试，支持混合代码和汇编代 码显示，支持多目标机同时调试。 1 5 本论文的主要工作 1 ) 相关文献资料的阅读，包括v x w o r k s 操作系统、如何开发v x w o r k s 下的 应用程序、如何进行b s p 开发包的开发、操作系统的移植以及如何使用 v x w o r k s 的开发工具t o r n a d o 等。 2 ) 对嵌入式系统中需要使用的c p u 和各种外围设备，给出所选硬件平台的 相关性能。归纳整理与应用有关的信息，从而引出工程项目的硬件平台以 8 工程项目中的v x w o r k s 系统移植与网络驱动分析实现 及软件系统的组成，对项目的系统软件进行功能的划分，多方面的介绍了 多c c d 大幅面扫描仪工程项目。 3 ) 介绍有关v x w o r k s 网络驱动程序编写，分析v x w o r k s 中网络部分的结构， 给出v x w o r k s 中开发b s p 的流程。对v x w o r k s 中的有关网络驱动的部分 进行深入分析，介绍了具体需要实现的工作。找到了v x w o r k s 中网络驱 动函数所要实现的网络驱动接口层，并对所要实现的网络接口层的接口函 数进行详细的分析，整理接口函数和网络协议层和硬件链路层之间的具体 关系。 4 ) 介绍v x w o r k s 向e c 5 1 7 1 3 工控板的移植的实现过程。解决了v x w o r k s 操作系统移植过程中出现的网络驱动的加载问题。通过分析v x w o r k s 操 作系统对于p c i 设备的支持，按照v x w o r k s 操作系统移植步骤，成功将 网络驱动程序移植到v x w o r k s 的镜像中，实现了项目研祥e c 5 1 7 1 3 工控 板的i n t e l 8 2 5 6 2 网卡的成功驱动，提供了稳定的数据传输与应用程序运行 平台。 1 6 论文结构安排 第一章为绪论，主要阐述了课题的背景，课题来源，以及作者的主要研究内 容和所做工作，本章的最后对论文的结构做了说明。 第二章给出了硬件平台以及软件系统的组成，对项目的系统软件进行了功能 的划分，多方面的介绍多c c d 大幅面扫描仪工程项目。 第三章为v x w b r k s 的网络驱动架构分析，主要分析了v x w o r k s 操作系统的 e n d 模块的具体实现。 第四章主要对v x w o r k s 下p c i 设备支持分析，介绍了p c i 配置空间与v x w o r k s 对p c i 设备的加载过程。 第五章为工程项目中的v x w o r k s 操作系统移植过程，详细介绍了在v x w o r k s 下的b s p 开发与操作系统的移植过程。 第六章为结束语，主要总结了作者的创造性工作，说明了存在的问题和不足 并提出了下一步的研究方向。 第二章基于v x w o r k s 操作系统得多c c d 大幅面扫描仪 9 第二章基于v x w o r k s 操作系统的多c c d 大幅面扫描仪 2 1 多c c d 大幅面扫描仪嵌入式系统 在多c c d 大幅面扫描仪嵌入式系统中，为了实现多路c c d 进行管理、同步， 并且对多路扫描数据进行拼接，在传统的扫描仪系统架构上进行了实质性的改变， 这个改变是在p c 机与扫描仪设备之前添加了一层嵌入式目标机控制系统，通过使 用该目标机来完成对多路c c d 的管理、控制、同步以及图像的采集、拼接等。多 路是指一个控制设备控制着多个从属子设备，命令由主控制器发送从属子设备， 如同一个树结点有多个孩子结点。扫描仪采集的数据是从各个叶子结点采集来的， 通过u s b 总线传给工控机。扫描仪设备嵌入e c 5 1 7 1 3 开发板，工控机后端通过 u s b 与扫描仪芯片l m 9 8 3 3 相连。多路采集的数据经过处理后通过i n t e l 8 2 5 6 2 以 太网卡实现向上位机的发送。 2 2 项目开发环境 本项目是采用e c 5 1 7 1 3 ( i n t e l8 4 5 g v ) 开发板( p e n t i u m 4 处理器) 基于v x w o r k s 嵌入式操作系统开发的。上位机主要完成对开发板采集的数据进行处理，采用的 是v c 环境下的上层应用软件，具有显示、打印和处理图片功能。开发板的操作系 统及应用程序采用的是v x w o r k s5 5 操作系统、t o r n a d 0 2 2 编辑器生成的v x w o r k s 嵌入式控制系统映像。 2 2 1 硬件平台介绍 所选硬件平台总体配置如下： 处理器：p e n t i u m 4 处理器 系统内存：支持最大5 1 2 m bs d r a m i d e 控制器：可连接两个i d e 设备 固态盘接口：一个c f 插槽 多个i o 接口：两个u s b 接口、一个并口、一个p s 2 键盘鼠标接口 网络接口：i c h 2 集成i n t e l 8 2 5 6 2 e tl o l o o m b p s 以太网卡 开发板e c 5 1 7 1 3 采用的是i n t e l8 4 5 g v 芯片组和p e n t i u m 4 处理器，是一种x 8 6 1 0 工程项目中的v x w o r k s 系统移植与网络驱动分析实现 硬件结构体系，主要完成基于v x w o r k s 强实时性嵌入式操作系统下的数据采集和 数据拼接功能。大幅面扫描仪中采用c c d 扫描仪控制芯片，进行多路扫描，它的 u s b 接口可以实现u s b l 1 的功能。其中开发板和大幅面扫描仪之间采用的是u s b 接线连接，u s b i 1 全速传输时可以达到1 2 m b s ，多路u s b 基本上可以解决大幅 面扫描仪大量数据的实时传输需求。上位机和开发板之间采用的是网线( 交叉线) 连接，网络接口为开发板集成的i n t e l 8 2 5 6 2 以太网卡，直连网线的传输基本上能达 到1 0 0 m b s ，能够满足嵌入式系统对所处理数据的实时大量传输。 v x w o r k s 系统可以通过多种方式启动，如：软盘、网络和串口下载、硬盘( c f 卡) 等。c f 卡( c o m p a c t f l a s h ) 是1 9 9 4 年由s a n d i s k 最先推出的，具有存储容量 大、兼容性能好、价格低、它体积小、重量轻、不易损坏等优点。这些良好的特 点使得c f 卡成为很多电子设备的首选存储介质，基于c f 卡的以上特点，在本项 目中采用c f 卡作为启动盘。 目前扫描仪中最常用的光电器件为c c d ，其全称为电荷耦合器件( c h a r g e c o u p l e dd e v i c e ) 。一个电荷耦合器件是一种由很多细小的探测器构成的固态电子 元件，这些探测器可以寄存模拟电荷量，其值正比于照射它的光强度。在平板扫 描仪中，这些探测器在一片上排成一行( 扫描三次) 或三行( 扫描一次) ，并在原 始图像的整个宽度上进行采样将其记录为一整行。当一行采样完成后，c c d 将电 荷量发送给模数转换器，将它转换为二进制数据，接着又去采样下一行电荷量。 不同的电荷耦合器件具有不同的光灵敏度和附加电噪声，其质量与数量直接影响 到扫描质量，工程项目中采用l m 9 8 3 3 扫描仪控制芯片。图2 1 是开发板的内部结 构图： 图2 1p e n t i u m 4 开发板内部结构图 第二章基于v x w o r k s 操作系统得多c c d 大幅面扫描仪 l l 8 4 5 芯片组是由8 2 8 4 5 ，和i c h 2 ( 8 2 8 0 1 b a ) 构成的，其封装结构是3 6 0 e b g a ， i 8 4 5 芯片组中所包含的m c u ( 内存和控制器中心) 率先采用0 1 8 微米工艺制造， 而i n t e l 之前推出的i 8 5 0 等其它芯片组采用的是o 2 5 微米制造工艺，其新工艺的使 用不仅能够降低制造成本而且可以使内核芯片的体积缩小将近一半。 从上图我们可以知道，开发板是由p e n t i u m 4 处理器，m c u ( 内存管理单元) ， 以及i c h 2 ( 南桥芯片组) 组成的。其中外围设备接口主要由i c h 2 芯片来控制， 包括u s b 接口，音频接口、网卡接口、硬盘接口、f l a s hb i o s 和p c i 接口等。m c u 控制s d r a m d d r 和a g p 4 x 。 以上我们简单地介绍了一下i n t e l8 4 5 g v 开发板的结构，下面是系统结构原理 图，如图2 2 所示： l m 图2 2 系统结构原理图 在这个框架中，下位机采用v x w o r k s 操作系统。系统启动时，首先运行开发 板上的v x w o r k s 操作系统，这时根据上位机发送的命令，通过扫描仪设备驱动控 制扫描仪的扫描。扫描完的数据通过该u s b 驱动接口传至v x w o r k s 中，其中的应 用程序进行图像拼接操作，拼接完以后图像数据通过网络接口传给上位机显示。 1 2 工程项目中的v x w o r k s 系统移植与网络驱动分析实现 传输速率由以嵌入式开发板i c h 2 集成芯片控制的i n t e l 8 2 5 6 2 以太网1 2 1 的速率决 定，传输过程中最高可以达到1 0 0 m b p s 。 2 2 2 软件系统的组成 通信设备的软件是基于嵌入式实时操作系统v x w o r k s 的，它的设计与嵌入式 系统密不可分，是一种以应用为中心、以计算机为基础、软硬件可裁剪的专用计 算机系统。该嵌入式软件由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以 及用户开发的应用程序等四部分组成，用于对其它设备的控制、监控或管理等功 能。 1 ) 嵌入式操作系统：它是一种用途广泛的系统软件，过去主要用语工业控制 和国防系统领域。它负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、调度工 作，控制、协调并发活动； 2 ) 嵌入式支撑软件：支撑软件是用于帮助和支持软件开发的软件，通常包括 数据库和开发工具。 3 ) 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。由于用户任务可能有时 间和精度上的要求，因此有些嵌入式应用软件需要特定嵌入式操作系统的 支持。 多c c d 大幅面扫描仪嵌入式系统的软件设计在v x w o r k s 操作系统的基础上完 成，采取该方案的优点是软件设计难度减低，软件结构清晰，可扩展性好，易于 维护和升级。根据接口设备的需求，该系统软件的开发主要负责完成网络通讯、 u s b 通讯、图象处理等任务。针对上述任务需求，该嵌入式软件将分为以下几个 功能模块单独进行开发： 操作系统移植模块，其中主要包括i n t e l 8 2 5 6 2 以太网卡、c f 卡的加载 等，用以提供稳定的网络数据传输。 t c p i p 网络通讯模块，v x w o r k s 与w i n d o w s 之间网络通信采用传输 层t c p 协议。由于t c p 的稳定性，传输过程中不会受到外来干扰， 速度能够基本达到网络硬件的极限，满足 u s b 驱动模块。此模块主要是通过u s b 口接收l m 9 8 3 3 采集芯片数 据缓冲区中的数据，涉及到l m 9 8 3 3 扫描芯片驱动和采集程序。 图象处理模块，对图像数据进行拼接、裁减，生成真实图像数据。 第二章基于v x w o r k s 操作系统得多c c d 大幅面扫描仪 1 3 2 3 多c c d 大幅面扫描仪嵌入式系统项目工作流程 项目中的扫描仪系统软件是与嵌入式控制系统相关的系统软件，用于使嵌入 式系统运行，向下通过u s bh o s t1 1 与扫描仪的采集通道相连，向上通过i n t e l 8 2 5 6 2 以太网口与p c 主机相连，最终完成扫面数据的采用、缓冲、传输。 扫描仪设备上电后，首先启动目标板v x w o r k s ，由v x w o r k s 负责初始化u s b 主控制器，u s b d ，加载i n t e l 8 2 5 6 2 网卡驱动，加载l m 9 8 3 3 驱动，最后由应用程 序初始化设备，设备回零，等待上位p c 机用户的操作。其工作流程大体如下： 1 ) 扫描仪设备上电，启动目标板v x w o r k s 操作系统。v x w o r k s 采用c f 卡自 启动，启动时负责初始化u s b 主控制器和u s b d ，加载i n t e l 8 2 5 6 2 网卡 驱动，加载l m 9 8 3 3 驱动，最后加载应用程序。 2 )目标板应用程序初始化设备，等待上位机操作命令。 3 ) 接收上位机操作命令并解释命令，控制l m 9 8 3 3 的工作。 4 ) 目标板系统完成实时数据采集、拼接等，通过i n t e l 8 2 5 6 2 网络接口将扫描 数据逐行发送到p c 机。 5 ) 由p c 机的上层应用软件对数据进行处理，包括图片的显示、打印等。 下图2 3 为多c c d 大幅面扫描仪系统工作流程图： 图2 3 系统软件工作流程图 一liiiii 1 4 工程项目中的v x w o r k s 系统移植与网络驱动分析实现 2 4 项目系统软件功能划分 软件系统位于用户p c 机与扫描仪芯片之间，向上接受用户操作，向下采集 l m 9 8 3 3 数据，对数据进行裁减、拼接，并最终将数据逐行发送到用户p c 机。 1 ) 初始化模块。负责加载l m 9 8 3 3 驱动，初始化扫描仪设备，设备回零等。 创建服务端程序，等待接受用户操作。 2 ) 接受p c 用户机用户模块。接受用户上微机操作，将用户操作转化成为设 备所能识别的命令，控制设备工作。 3 ) 数据采集、拼接模块。采集多路l m 9 8 3 3 图像数据，将多路图像数据拼接 成一行真正图像数据，并裁减出用户需要的数据，加入缓冲队列。 4 ) 数据发送模块。通过i n t e l 8 2 5 6 2 网络接口将缓冲队列中的图像数据逐行发 送到用户p c 机。 系统中，程序以任务方式运行，根据系统软件的功能划分，首先创建的任务 实t i n i t ，其优先级设置为1 0 0 ，是操作系统运行起来后第一个用户任务，实现 l m 9 8 3 3 驱动的加载并初始化设备，启动服务端程序后创建优先级为2 0 0 的 t r e c v c o m m a n d 任务，随后进入阻塞状态等待用户的连接。上位机发送操作命令后， t r e c v c o m m a n d 任务对命令进行解释，根据命令创建相应的任务。所创建的任务主 要有图像处理任务t s c a n ( 优先级为5 0 ) 、图像数据发送任务t s e n d l m a g e ( 优先级 为2 0 0 ) 、扫描头移动任务t m o v e s c a n n e r ( 优先级为2 0 0 ) 等。 2 5 小结 本章节介绍了多c c d 大幅面扫描仪嵌入式系统中的开发环境，给出了硬件平 台以及系统工作的流程，对项目的系统软件进行了功能的划分。在此基础明确了 操作系统的移植目标。提供工程软件稳定的运行环境及u s b 与网络通信支持，成 为移植的最终目的。 第三章系统移植中的网络驱动架构分析 1 5 第三章系统