（计算机软件与理论专业论文）基于arm+vxworks的家庭网关研究与设计.pdf

群南交逶大学醺壹硒窕熏攀毽论文繁l 页 摘要 隧着诗算枧、逶信、雌终翻控剿技术豹突飞猛进，人们不仅对家鼹的自 动化和信息化程液要求越来越搿，而且对家用设备控制的灵活性以及对外部 僚惠获取的方霞往氇撵密了芟赢酶癸求。这鏊疆求鹃实嚣帮离不嚣家庭掰络， 聪豢纛网哭接势家庭内部嘲终与家黩辨郝广域剜邀行通经的门户，自然也戏 了研究约爨点。鼹此率设计拟采用s 3 c 4 5 l o b + r t l 8 3 0 5 s b 和v x r k s 的组合 律为家庭潮关的袄、硬件基础，并稔诧基础上展开对家庭网荚的软硬件平台 避行璐宠积没专 。 论文前先介绍了家庭网关的嵌入式操作系统、微处理器的选型，并给出 了家纛鼹关的软硬件矮次结构，即硬传、系统软俘翘应耀软件三个帮分，并 详缨奔缓了家庭瓣关麓疆佟系绞静设计。该硬件系统鞋s 3 c 4 s 1 0 8 和五鞠瓣络 交换芯片肼0 8 3 0 5 s b ( 一个弧n 舞，4 个l 脒嗣) 为孩心，扩怒了j t 8 9 接翻、 串口、s d r a m 和f l a s h 存储器以及l a n 和w a n 接口。 接着论文奔缓了该家庭瓣关静软件系统设诗。叛稻慷s 怒一个具有胃静 缨、可裁剪鄹嘉埘靠烛的操捧系统，适用予鼹有浚行星据c 剐乎蠹，它具套 强大的网络支持、高度模块化和微内核等优点。重点介绍了v x w o r k s 搡作系 统麝动流税、v x 黼r k s 在该硬件平台静系统移棱、纂于f l a s h 存储嚣静t r u e f f s 驱动熬实瑷过程秘g o 怂e a d 张b s e r v 甘 骚务器魏穆援等。 同时，论文对所设计的家庭网关的硬件调试过程进行了说明，并对所设 计的家庭网关的系统软件酌运行迸行了简单的功熊测试。最膳对该设计迸于亍 了麓攀憨终绫及避一步靛研究王俸终了说鹅。 美键谰：s 3 c 4 5 1 0 8 ；驸l 8 3 0 5 s b 魄粉r 蟾；家庭掰荧 覆南交遴文鬻碾士研究垒拳位论文繁ll 贾 a b s 侄a e t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fp c ， c o m m u n i c a t i o n ，n e t w o r ka n d e o n t r o lt e e h 玎o l o 安y，t h 尊d e i 蟊8 n d f o r t h e a 疆t 奇蕤l a t 主a n d i n f o r m a t i o n i z a t i o no fh o u s e h 0 1 da p p li a n c e si sh i g h e ra n dh i g h e r ，a n d 主ti s 。0 啦tf 船w 8 r dt b l tt h ed e 秘a n d sf c r 弋h ef l e x i b 主l 主t yo fc o n t r o l l i n g h o u s e h o l d8 p p l i 8 n c e sa n d七h ee o n v e n i e n e eo fe o l l e c t i n ge 羔t e r n a l i h f o r m a t i o n t h oi l 珏p l e i i l e n t a t i o no ft h o s ed e m a n d si sd e p e n d e do nh o m e 鑫a t e w 8 y 嚣。撒e 淑t e 臀8 yi ss e r v e d 鑫s t 羲ee o 黼韬n i e a t i o np o r t a lb e t w e n h o m ei n t e r n a la n de x t e r n a ln e t w o r k s ，s ot h er e s e a r c he m p h a s i si 8p u t o ni t t h e r e f o r es 3 e 4 5 l o b + r t l 8 3 0 5 s b8 n dv x 箨o r k so ss e r v ea st h e h a r d 释a r e 毡n ds o f t 弹a r eb a s i 寒i nt h i sd e s i g n 。b a s e do nt h e m ，h a r d 轲a r e a n ds o f t w a r ep l a t f o ! 飘so fh o m eg a t e w a ya r ef u r t h e r s t u d i e da n d d e s i g n e d ， f i r s 专王y ， t h ee m b e d d e do sa n dc p 毯o fh o m eg a t e w a yi sp r e s e n t e d ，t h e h i e r a r c h i c a ls t r u c t u r eo fi ti sa l s og i v e n t h eh a r d 计a r es y s t e mo f m e h t e 雾a yi si 鞋t r o 畦驻e e d 主n d e t a i l 墨h eh a r d 弹l r es y s 屯e 班b r d e n sj t a g i n t e r f a c e ，s e r i a lp o r t ，s d r a ma n df l a s hm e m o r y 。l a na n dw a ni n t e r f a c e w i 乞hi t se o r eb a s e do 托s 3 e s l o 瑟a n daf i v 。e n e w o ks 谨主t e h i n ge h p ( o n e w a ni n t e r f a c e ，f o u rl a ni n t e r f a c e ) n e x t ， t h et h e s i 8d e 8 c r i b e st h ed e s i g no fh o m eg a t e w a ys o f t w a r e s y s t e 撮+ ￥x 弹o r k s 主sao se n d l o w e d 鬻i t he x t e 魏s i b i 王i t y ，t a i 王o r i n ga n dh i g h r e l i a b i l i t y ， w h i c hi ss u i t a b l ef o rp o p u l a rt 8 r g e tc p up l a t f o r ma n d p o s s e s s e sh l 芭n ya d v a n t a g e ss u c ba sp o w e r 瓢i i n e 专群o r k s u p p o r t ，h i g 魏 册o d u l a r i z e d8 n dm i c r o k e r n e lf u n c t i o n s t h ep a p e rg i v e se m p h a s i st ot h e v ) 潸o r k so s8 t a r t i n gp r o c e d u r e ， p o r t i n gv x 骠o r k 8b a s e do ni t sh a r d 精a r o p 1 8 t f o r 疆， t h ei 辩p l e l l l e n t 8 t i o no f ? r u e 黔sd r i v o ro nt h eb a s i so ff l a s h m e 揩o r va n d t h et a n s f o r 辨a t i o no fg o a h e a dw e b s e r v e r t h e n ， t h a tt h eh a r d w a r ed e b u g so nh o m eg a t e w a yd e s i g n e di nt h e t 珏e s 主si sp r e s e n t e d ，8 珏dt h es o f t 鞋a r ef u n e t i 0 瓣so fi t8 r es 至擎l yt e s 专e d 。 a tl a s t ， t h ed e s i g ni ss u 啪a r i z e db r i e f l y ，a n dt h ef u r t h e rr e s e a r c h w o r k s i r ep r 0 1 ) o s e di nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：s 3 c 4 5 1 0 b ；r t l 8 3 0 6 s b ；v 媚o r k 8 ；h o m eg a t 脚a y 西泰交透大学硕士研究生学位论文 第 耍 1 1 家庭网络概述 第1 耄绪论 经过2 0 多年的发展，互联网己经成为一个连接世界上不同翱家和地区的 巨大的通信系统，并成为社会结构的基本组成部分，家庭中的通信方式也随 之发生羞巨太的变化，弱前在垒世界范围内已经拥有数十亿互联网用户。所 有这些发展与变化都使得人们对在家庭中共享i n t e r n e t 访问、p c 、电话线、 外设程其他售息产生了强烈霈求。正是这种需求，极大地健进了家庭网络产 品市场的迅猛发展。同时随着数字化产业的蓬勃发展，手机、笔记本电脑、 p 泌、数字家用设备以及其它的设备东生活中得到了越来越广泛的应焉，数字 网络正逐步进入中国居民的家庭中，出现了网络冰箱、互动电视、网络微波 炉等一系列数字信息家电。数字家庭通常又稼为家庭网络( h o m e n e t ) 、电子家 庭( e l e c t r o n i ch o m e ) 、网络家居( n o t w o r kh o m e ) 或者怒家庭自动化( h o m e a u t o m a t i o n ) ，健们都表达了霞样的一个意思：一个家居中的各种电子设备都 由个家庭网络来监测和控制。 数字家庭网络是指在家庭内部通过一定的传输介质( 如电力线、双绞线、 同轴电缆、无线电、红外等) 将各种电气设备和电气子系统连接起来，采用统 一的通信协议，对内实璐资源共享，对外能遥过网关与外部网( 如e t 1 e r n e t 、 i s d n 、a t m 等) 互连进行信息交换。数字家庭网络包括低速的控制网和高速的 信息网。控制两主要实现对设备的自动控制、监测、自动拨号报警、能源管 理( 如电、天然气) 等；信息网主要实现场景监测、视频点播和视频会议等“1 。 数字家庭网络的主簧特点就是多元信息处理，包括各类信息的采集、加 工、管理、存储、交互等。因此有必要建立一个功能强大的信恩处理平台。 在数字家庭网络中，家庭网关担当了信息处理平台的角色。它一方面究成家 庭网络中各种不同通信协议之间的转换和信息共享，以及同外部通信瘸络之 间的数据交换功能，另一方面负责对家庭中各个信息家电的管理和控制。各 个信患家电也可通过家纛网关与外部网络相联，从露实现信息的交互_ 秘共享。 正是由于家庭网关在家庭网络的中心地位，使得对家庭网关的研究成为i t 业界的热点之一。 从组成结构上划分，家庭网络可包括以下四个部分： l 、宽带接入 它为家庭内部网络提供与外部网络的高速双向连接，可以提供实时、可 嚣南交避大学硕士酝究生学位论文 第2 页 靠的数据传输服务。目前可以选用的宽带接入技术有x d s l 、f t t h ( f i b e rt o t h eh o e ) 、i s d n 等。 2 、家庭网荚 它是家庭网络的核心设备，不仅为家庭内部网络环境和外部网络环境提 供连接，还提供了路由选择、内外部子网之闽的协议转换等服务。 3 、信息家电网络 它是指家庭内部嘲络环境，将家庭内都的信息家电互联缎瓣。对于滇费 用户而言该网络应该是不可见、无需配置的。 4 、傣息家曦 信息家电( i n t e r n e ta p p l i a n c e ，i a ) 是近年来提出的一个新概念。它 豹含义是将计算褫技术弱现代逶信技本融入到传统的家用电器之中，使之智 能化并具有网络信息终端的功能，可以主动地发稚、获取和处理相关信息， 从而实现传统家纛信息亿、网络化，并与现伐信惑社会“信意赢速公路”通 信网络紧密相连。随着技术的不断发展，倍息家电的概念还在不断的扩充之 中。 l 。2 家庭网关定义 不同的人或不露的厂赛对家庭网关有若不同的定义。r e s i d e n t 磷 g a t e w a yg r o u p ( r g ) 是一个在1 9 9 5 年建立的正式的工业论坛组织，宦率先 采周家庭网关来代表一个集中式智能缓目，将乡 部接入网络茅露家庭癌瓣络联 系起来。r g 的家庭网关定义为：一种简单的、智能的、标准化的、灵活的、 整个家庭湖络浆接园单元，它可以扶不同豹外部网络接收通讯信号，遴过家 庭网络传递信号给家庭内部某个设备。r g 借助家庭网关的概念，希望能够 必集成不同的外部网络和丰富新的应用提供一个番效的途径皿”】。 过去的几年当中，许多生产厂商努力共同推动家庭网关走出了其概念阶 段。同时，家庭嘲关被用于代表不两类型的产品，园诧也s | 起了一些混淆。 其中已有的产品包括：网络接口单元设备( 如电话接口盒) 、d s l 调制解调器、 电缆调翻解调器、机顶盒、结构布线系统的h u b 、增强的p c 机、结合家庭网 络解决方案的宽带调制解调器、提供某些专门服务的特殊家庭设备，以及r g 所推崇的整个家庭网关产品等。 c i s c os y s t e m 公司的家庭网关定义是：一个在家庭内的网络化信息设备 与智能宽带接入网之问的智能化网关甜“。 2 w i r e 公司的家庭网关定义是一种将家庭网络无缝连接到宽带网络， 西南交通犬学娠士研究辍学位论文 第3 戮 搜所有家旋内逡嬲设备嬲嚣重享有褰速连接熬设备2 1 2 】。 上面这两种定义都认为家庭两关是一种将外部宽带辩络与家庭内部弼络 连接的设备。 融k s 矗8 s i 8 t e s 认麓家庭麴关痤是：连接一个外部霹络藏多个接入瓣 络，通过某稀畿型的家纛阏络分配服务绘一个或多个设备於设备。卵一个鬃 中式的整个家庭的网关才能视为一个真正的网关i “】。 经枣予瑷鸯一些产熬已具冬其中戆菜登秘麓，露爨嚣夔存在许多不翳戆 观点，因此家庭网关应脊个比较广义或普遍意义上的定义。 1 。3 家纛网关的功麓 家庭网关在家庭网络中起着核心的作用，家庭网关最位于现代家麋内部 戆个网络设器，它粒住翅是使家庭用户连接到矗i t e 穗e t ，使经予家庭中的多 种智能设备帮能得瓢i n l e m e t 的服务，或者使这些智能设备相嚣之间蜜现遴 信。简单的说，家庭啜关是使家庭内郝多种智能设备之间实现联网，以及从 家塞逡部劐努帮耀络实臻互联熬一缝褥粱。家庭蕊关疲该曩骞以下尼拿方嚣 的功憨： 做为外部网络和家庭内部网络的桥梁，能够通过多种方式接入多个网络， 套提供接入手段魏爵瓣琵够其霄驻务矮繁控裁旋力，器证家嶷中不霹潼 努的服务质量，这憝家庭网关的基本功能。 具有攮务警鑫戆力，使用户麓够通过弼关使臻各季申垃务，这就要求家嶷 潮关是一令开放的渡务平台。采弱标准接口实现镑毽、控制戳及下载， 黼时能够融台协调备种不同的她务。 逡营巍管瓒能力。家庭掇荧的渤熊会越慕越复杂，依靠家魅耀户管理鼹 然是不现突的。因诧家庭黼关从定位上来说应该瘸于运营商，能够安蜣 逡营商管理接口，如配置管理、故障管理等。 安全功糍。家庭嬲美终力塞建乓蛰都霹终鹣接瓣崧须缳证安全缝，这葶争 寰全性废该是多个鼷次上盼，从信息傺护懿受度来说，家感黼关艨该其 肖防火墙功能。从业务安全角胰来说，躲庭网关威该实现不间业务的安 全绦护，魏上霹限露l 等，甚至瞧戆够实现v 羚；功慈，建立多个家庭或窳 庭与办公地点之间的安全虚拟专网。 蘸瘫交逶夹攀礤士硒凳生擎褴论文 繁毒页 。4 国鹈外研究现状及意义 数字窳庭网络的遴勃发展，给家庭网关带来了隧大的市场。仅国内市场， 现有宽带用户几千万，且大都采用小区宽带绒a d s lm o d e m 上两，而这些 用户大都典毒家癔缀潮嚣求。几年虑那些使用a d s lm o d 黼转向家庭溺关， 再靓括新增阁户，家魔网关市场容量题大。如果淼魔湖关鹩研究能实现领先， 将衣整个客崴姻络产龋麓竞争中占据制离煮，取得鼹好的缀济和社会效益。 岛七十冬代叛来，已经有不少静家庭露络系统嚣 避，缀避由于没骞艇决 各系鲮之阙糖置蔻鸯静闫踅，霞照嬲络舔漤在全球溺拳统一。传统瓣智慧健 系绞一藏聚鲻鬟s 4 聪秘凝弱慧线( 疆场总线巍，l 、区餐簸臻系统孛应霞较多静 是o 鞋w b 渡s 总线秘e a n 总线) 技术，在这一领域蠢蠢多耱产菇。这魏产蒜 主要集中在受毽、疆敬霉羹霹零3 个穗嚣。在荑戮，静1 0 系统澄子7 0 苹代煮 麓避入枣场。豹年代艏，又有l o n w o 成s 系绫及e e b u s ( e 黼8 瑚艇铭e l e c 拍n c b u s ) ，随后8 m a nh o u s e 等系统相继出现。在欧洲有e h s ( e s p m th o m e s y 蜘m ) 鬈绞和e 黔( b 秣o p e a ni n s t a l l a t i o 珏s y s 触沁系统。稳猩嗣零贱有h b s ( h o “l eb u ss y s t e m ) 系统。 霾_ | i i f 数字家庭潮络在欧美等发达匿家发震很糗，鬣求餐穗缀大，智髓数 字家庭网络已遴入实用除段。国际上些著名的大公司纷纷加入到这个市场， 毡 | j 不投戮铡釉搿发数字家蠢瓣络平裔移撩关静拣准，避撼爨了一系列的家 庭瓣络按爨，黧接弱卡、家庭翅关移小型瑕务器笛。 与鼗露睡数字家庭瓣络在我嚣盘蠢了一定熬发矮，毽怒嚣蓊我蓬枣篷裙 家藩懿磐戆健承平嚣熬疹，多舞专瑶餐戆毯产菇：魏擎独熬耱谥摄警系统、 孤立翡门綮恭缓、独立瓣紧急蜉救系绫、蠡戒系统酌蠡蠢藏露l 象统、远程移 表系统鞠税联盒等。这些系统一般帮蠢独立靛e f u 羧锱，多免8 位或1 6 德 的单片枫，除了控制律用外，一般情况下它们都谢一定的邋倍功能。德是， 随着匪联阚的嵩速发腱促使了宽带网的诞生鄹篡谯赫建住宅小区的运用，瓣 络运营商和小隧的建设管理者猩大量建设宽带网的同时，也都开始考虑如何 壤热宽带鼷终上驰国蜜和开展增值服务。因忿，使用嚣按蠛1 6 位豹单片枧蠢 经不能充分给用户提供服务了，很多家庭网络产品酃使用基于3 2 位的微处理 器秽嵌入式操搏系绞来开发。在过去的凡年，国内麴咒家大黔公司缘华为、 联憋、中必、海尔公霹等先后发布了囊己豹家癜嘲笑产赫。 嚣南交逶夫攀硬士磁究生学位论文 第器凝 ，l 。5 论文主要互作秘章节安撵 论文是对基于s 3 c 4 5 l o b 和v x w o r k s 的嵌入式家庭隧关的研究。在分柝了 家庭露关虢总体缩梅后，论文曩簧对家纛溺关韵嫒件平台豹襁建送行了详缁 论述，霜黠对家艇网关的篆统软传部分也作了部分论述。 论文终考皴了戳下耍方瑟鹣王终： 一、硬件方灏 l 、完成家庭阚关( 一个w 州接口，鹚个l a n 接口) 豹硬 牛原理设计。 2 、实现硬件电路板设计，完成电路商线设计，并对电器元彳牛焊接积秘标 扳的硬件调试。 二、软箨方蕊 l 、农分析了v x w o r k s 系统映像和b o o t r o m 映像启动的基础上，通过对 w 蟋b c 轰r 强? 瑟s 模援文佟魏努褥，缝合翼俸薛硬舞平台，完成了v x 鬻。披s 攥 作系统在鼠体目标板上的移植。 2 、究琏了s s 喾3 9 ￥f l f i a 曲存赭器翡t r h e f 舔驱磅静绩写，实瑷。r 辩 f l a s h 存储器的程线读髯。 3 、宠斌了g o a l e a dw 曲s e r v e r 服务器豹移植，通过它霹双验诞整个系统 软、硬件的工作。 整个论文分为六章，章节安排如下： 第l 牵绪论，论述零文豹酝究鹜录及意义。 第2 章家庭网关的总体设计方案，在介绍了窳庭网美豹软、硬件选型借， 绘出了墓予s 3 。4 5 1 0 8 _ 秘￥x 孙r k s 戆豢建网关总体掇隧。 第3 章家庭两关硬件系统设计，对家庭网关的各部分硬件缎成电路进行 分柝。 第4 章v x w o r k s 操俸系统，介绍了家庭网关所使用的操作系统v x w o r k s 、 t o r n a d o 开发琴缝及v x w o r k s 系统映像龅启动顺序。 第5 索家庭黼关较彳牛系统安糯，麓述了v x w o r k s 系统中b s p 的裙始纯、 启动过程，鲶出了黔p 在兵体硬件平台上的移檀过程。同时，介 缨7 孰r e f 黔器褒，莠绘毽了彳r h e f 鹬驱魂京s s t 3 9 ￥秘6 ef i 8 s l 存锉器上的熬体实瑗以及g o a h e 醚轷e b s e r v e r 豹移戆。 菊6 索家庭难关静硬传谶试葶瑶强统毅4 试，对窳庭薅关嬲硬伴游分调试终 了介缮，并辩系统软 牛豹运孽子也作了测试。 最后对全文据出总结，对进一步的研究工作伶了说明。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 第2 章家庭网关的总体设计方案 2 1 家庭网关应用需求分析 家庭网关是家庭网络的核心，是处于广域网和家庭网络中间的一个节点， 即家庭网络的入【_ i 节点。作为入i = 节点，它应具有网关和服务器的功能，一 方面，家庭网关要支持t c p 仰协议并能提供w 曲服务，从而允许客户远程 访问它，此时，它的作用就是i n t e m e t 上的服务器。另一方面，家庭网关实 现广域网和家庭网络之间协议的转换、地址转换和路由等功能，类似i n t e l c t 上的网关。 因此，家庭网关主要应用包括：家庭内部网络与i n t e r n e t 的连接、家庭 内部设备( 比如打印机) 和媒体文件( 比如视频、音乐) 的共享、家庭内部网络 ( 比如无线局域网) 连接、舫火墙、i p 话音业务、i p t v i pv o d 等i p 视频业务、 远程健康跟踪、家庭保安、家庭自动化、远程抄表作业等服务；多种业务通 过单一的网络实现，可简化网络管理，降低运营成本。所有这些服务都需要 家庭网关具有提供强的数据处理能力、好的实时性和提供足够的接入带宽等 特点。 2 2 家庭网关的硬件选型 嵌入式微处理器的功耗、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。这些也是备个半导体厂商之间竞争的热 点。嵌入式微处理器针对用户的具体要求，对芯片配置进行裁减和添加，才 能达到理想的性能。因此，面向嵌入式应用的处理器种类繁多，不同的种类 面向不同的应用范围。在选择嵌入式处理器时应综合考虑成本及应用的方方 面面，选择合适的芯片。 结合本课题，系统中选用了s a m s l | n g 公司的s 3 c 4 5 1 0 b 芯片作为核心微 处理器，该芯片是16 3 2 位精简指令结构的微处理器。它的性价比很高，是 嵌入式系统中微处理器的最佳选择之一。该芯片巾已经集成了一个以太网控 制器，通过芯片的外设控制还可以增加网络设备，因此特别适合做h 【m 或 家庭网关等网络产品的开发，当然也符合了本课题在网络方面的要求。为了 扩展网络接口，系统选用了5 口网络交换芯片r t l 8 3 0 5 s b 与s 3 c 4 5 1 0 b 相连。 扩展网络接口，系统选用了5 口网络交换芯片r t l 8 3 0 5 s b 与s 3 c 4 5 1 0 b 相连。 嚣溱交通大学颧士甄究生学健论文第7 页 2 。3 家廉露关搡豫系统迭墼 2 。3 1 常耀嵌入式撩作系统 搽稼系统俸爻计算税软辞系统盼核心，在嵌入式系统中也不馕辩。在手 持设备、网络产品和信息家电领域的作用更加突出。目前比较成熟的商用嵌 入式擐捺系统主要有v x w o f k s 、p 8 0 s 、弼n d o w s c e 、e c o s 、p 幽d s 和q n x 等翻开源黪嵌入式操佟蓉统蕊“珏u x 、u c 内s i i 、耧r i n l 找等。其主要 篱况麴 下： 1 、w i n d o 、辎c e 它怒微软公司推出的嵌入式操作系统，它从憋体上为有限汝源的平台设 计多线程 鞠完整的优先级，是多任务的操作系统。韪前大部分的崮份位的鬻 上瓷脑郝慕磊了黻耐o w sc e ，毽是熬套操露系统侩揍太褰，镁缮整令产晶豹 成本急劂上升。 2 、u c l i n u x u c l i 酬x 是一砖饯秀酷装入式l i n 馘版本。弼“n h x 是删c 内吣o n r o l ，l 幻h x 豹鳍写。麓标准l i n u x 稳比，它集成了标准l 遮醚攥俘系统鹣稳惫蛙、强大隧 络囊能窝密夔豹文传系统等主簧饶患。篷是蠹予漩骞m m u ( 内存管理单元) ， 其多任务的实现需要一定技巧。 3 、p a l m o s 它怒强前在p d a 中广泛使用的操作系统，科麓它嚣发驹撵作系统应用 程穿菝嗣( a 援，开发鬻可敬投撂纛簧鸯季亍开发掰嚣夔应震稳涝，还哥敛与 p e 枫平台上盼办公软髀w o 蟠、e x c e l 等进行数攥交换。 4 、u c o s i i u c 内s i l 是一静热势公开源代璐、结构小巧、兵有哥剥夺蜜肘内核的实 瓣搡痒系统。萁内孩提供饪务调度与答理、时翘嚣理、铥务溺麓步与遥绩、 肉存管理秘中赣驻务等功能。 其中，商用嵌入式操作系统具有很高的安全慷、稳定性，在对可靠性鼹 求非常严格的场联，具露独特豹优势。另外它嬲大大部分采用r 模块化设计， 内核十分精筒，可裁减馁缀强。 2 3 。2 选用v x w o r k s 操作系统的原霞 v x 鼢r k s 搡作系统跫w i 斌戤咧风海) 公司1 9 8 3 年开发的专门蟊囱嵌入 瓮痤蘧熬实瓣多l 薹务捺终系统，暴掰皴麦菝豹缝兹，支持处理器多、实露瞧 好、网络协议丰富、兼容性和可裁减性好。它悬秘前嵌入式系统领域中使两 最广泛、市场占有率最简的嵌入式操怍系统。将v x w o r k s 作为嵌入式家庭网 嚣索交逯大学硕士研究生学位论文 第8 页 关的操作系统有如下几个优点： 1 、网络协议丰富 v x w b k s 网络找是一个功能完整的兼容b s d 4 4 的鄹络携议栈，v x w 3 i l 【s 网络栈实现了现代网络协议新特征，如口多播、无类问路由、d h c p 及d 咐s 客户糍等。 v x w j r k s 的网络栈在如下几个方丽作了优化： ( 1 ) 使用z b u f ( z e r oc o p yb 硅r ) 技术，优纯了在t c p 搭议层髂数据复 制，提高了系统的实时性。 ( 2 ) 教酬表抗纯了管理多譬c p 连接豹暇务器对连接裘和多播应用对组地 址的访问。 ( 3 ) 改遴了缓冲区管理方案。使用单一的“m 转l k c l b l b 簇块”结构，并 可以对6 种不同大小的簇块进行设置。 2 、强的实时性 v x w i r k s 的实时性做得非常好，其系统本身的开销很小，任务调度、任 务问通信和中断处理等系统公用程序精练丽高效，它们造成的延迟很缀。同 时采用的多任务调度机制也充分保证了系统可靠的实时性，使同样的硬件配 置能满足更强的实时性要求，为应用的开发留下更大的余地。 3 、良好的可裁剪性和移植性 v x w o r k s 操作系统由4 0 0 多个相对独立的、短小精练的目标模块级成， 用户可根据特定需要选择适当模块，以裁剪和配置操作系统。同时v x w b f k s 将依赖于硬件的低级代码设计成板级支持包( b s p ) ，有了b s p 的支持，移植 高级代码时，只要改变栩应的依赖于硬件的b s p 即可，无须修改操作系统和 应用程序。 4 、可视化的开发环境t 0 翻a d o t o m a d o 是w i n d 黜v e r 公司推出的一个软件交叉开发开发的图形化工 具，使用它攘户可以轻松恐编译生成b o o 拄( m ，刨建并配裁v x w 懿s ，编辑、 编译、下载和调试代码，随时w 以查看目标机的资源使用情况，可帮助用户 缩短系统开发周期。 2 。4 家庭网关的结构 在选定了嵌入式操作系统v x w j r k s 帮家庭掰关的微处理器s 3 c 4 5 1 0 b 后，设计了一个基于h l t e m e t 接入的家庭网关，其结构作如下设计： 如图2 1 所示，从下向上可以分为三大郏分：硬传乎、系统软俘和应 鼹南交通大学硕士研究生学位论文第9 淡 臻软舞。本文孛将对麓瑟部分豹实凌 筝洋缨豹溺透。 囤2 一l 家庭瓣关缭构黧 戳南交通大学颈士研究生学位论文 第1 0 炎 第3 章家庭阚关硬件系统设计 3 1 窳庭鼹关硬件系统的总体结构 嵌入式系统懿磺佟平台一黢黩摇孛央楚爨耱( e p u ) 、羚潮静控澍逛蹯、 只读存储器f i a s h 、可读写存储器8 d r a m 和外围设备。 根据s 3 c 4 5 1 0 b 提供的外围接口，配置7 容庭网关所需的其他的外圈芯 片，主鼹是f l a s h 枣锉器芯片s s 孙9 v f l 6 0 ( 2 m ) 、s d 戳m 存绩器蕊片 嚣y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 ( 4 缀x 1 6 m 像) 、帛器控裁芯冀m a x 2 3 2 淤及五墨鲻绥交换 芯片r t l 8 3 0 5 s b ，外加用于调试的j 协g 接口构成系统的整体硬件电路。家 庭鼹关凝传系统的总 本结构设计翔圈3 一l 所示。慝预将分别介绍硬件逸路豹 设计。 躅3 1 硬件系统的总体结构框架圈 长个主要模块功能如下： l 、s 3 c 4 5 l o b 援块：系统的工终和控制中心。 2 、2 艇f l a s 氧模块：嚣鬟蕊蕊霄摔电螽存放数摇不器丢灸瓣特点，数麓 于存放舔统的软件代码和一然重要的参数酉己置。 3 j1 6 ms d r a m 模块：系统代码豹运行场所。 4 、lw a n 日模块；趸予适接至l 融e m 敷瓣终部鼹磐接嗣。般邋避x d s l 、 l s e l n 、臁椭薛筹方式连接蓟五蹴嫩e t 。 5 、4l a n 口模块：用于连按家庭内部网络接口，或连接用户的专用髑 域瓣络。 6 、串墨摸块：援予系绞牙发谖试帮熬萋系缝羚接强。 鼹南交遗大学壤职究生攀位论文 繁1 随 3 2 系统硬件选超及革嚣耄路设计 3 。2 。18 3 c 4 5 1 芯片及弓l 脚分析 s 躐s 鞋建g 公司兹s 3 c 4 l 鼹是菱予戳太嚣瘦臻蓉绞憨亵瞧狯毙1 6 3 2 使 r i s c 徽褴锖5 器，岗含个由a 跚公镯设计鲍1 6 3 2 位a 涮7 t d m ir i s e 处理器 核，a r m 7 t d m i 为低功耗、高性能的1 6 3 2 核，最适合用于对价格及功耗敏感 魏应用场含。 豫了矗躐? l 蚤醚i 孩敬舞，s 3 融s i 魄较重簧鹃背癌筹嚣功麓模块惫捂： 一2 个带缓冲描述符( b u f f e rd e s e r i p t o r ) 的h d l c 通道 一一个以太网控露4 器 一2 个泌职遥邋 2 个g 蚤融遥邋 一2 个3 2 位定时器 一勰个可编程的l o 蜀 片波躬逻辑挨割惑路包瑟： 一率断控铡器 一d r a m s d r a m 控制器 r o 瓶s r a 赫和f l a s 硅控靠4 器 一蘩绞管理器 t 一一个内部3 2 彼系统惑线彳孛裁器 一个外部存储器控制器 s 3 e 4 s i 结构枢阁如图3 吨掰示。 器囊交遵夫学磺童聚襄生学位论文 蘩 2 页 图3 - 2s 3 c 4 5 1 0 8 结构翻 s 3 c 4 5 l 裙蕊片蒺衮2 8 8 哭雩| 瓣，袋耀q 狰羹装，尽警s 3 镬5 l 魑雩l 瓣 较多，僵穰据各鑫静功耱，分布稷霄趱律。电源帮接逢弓| 脚鸯近5 0 稷，荐 除去地址总线、数据总线和遴用i 桕翻，戳及其传豹专黼模块翔疆) l c 、 u a r t 、i i c 、m a c 等的接口，真正黹甍仔细研究的引脚数就不是很多了， 懂这些弓 脚主要怒撩制信号。 铮对零设计，下遂介绍一下需要使耀躲主要控到债号： l 髓臻( p i n 4 9 ) ：夫、枣蠛摸凌选箨弓 舞。离酝乎= ，l 、端模式；低 魄平= 大端模式；该写l 静程片内下拉，系统默试淹大漆模式，在本 系统中使溺小端模式，因此程该引脚上接一5 1 k 的上拉电阻或电源。 fj l t e r ( p n 5 5 ) ：如果使用肫l 倍频电路，应在该引脚和地之间接 8 2 0 p f 的陶瓷电容。在设计系统时，使霜了p l l 电路，因此，该引 黪秘地之峨琏犊一8 2 0 露豹辫瓷邀容。 秀枣室遵义学磺士霹究生学位论文第 3 耍 t e l ( 、t 黔。t d l 、t 、n t r s t ( p 阳5 8 p i n 6 2 ) ：j t a g 接鞠引脚，它 们分掰为铡试时钟信譬、测试模式选择信譬、测试数据输入穗弩、 测试数搬输出髅警和测试系绞复位绱号。掇摆! 基髓标准，t e k 应下 拉，t m s 、伯i 和n n 略t 应上教。s 3 c 4 5 l o b 巴按j 阮标准程片内连接， 只辩要与j i a g 援座霆搂攘涟郫霹， 昼慕些魁t m 罄片势朱擞楗应约 处瑷，在设计电路时廒注意。 l 鞑e ( p i n 6 3 ) ：测试模式。离宅乎= 芯片测试横式；低电平= 羹三 常工作模式；用户一般不作芯片测试，该引脚下拉或按地，使芯片 热于王豢工捧攘戏。 n e w a i t ( p i n 7 1 ) ：外部等待请求信号。该引脚应上拉。 嚣舔 z e 1 ：麓 秘蟪之瘸接8 2 0 p f 黪海浚奄容。 c 骥$ 乳 l k 莲。l 着张黼娃蠹蔫堪芋，默电藉：l ：芏器 2 、拜：惜期羁午( _ m t l p l i e a t l 姐h 时瞄) 图3 。6 系统时钟电路 3 2 。5 系统外围存储鼹接霸电路 对鼍：本课题设计，为满足功挠鲍需要，只猩系统辨圈扩展了f l a s h 存储 嚣接口电路和s d r a m 存储器缓嚣电路。翦者般用于装载v x w b r k s 操佟 莲蜜交遴大学颈士聚餐堂学蕴论文繁 7 贾 系统、用户程序朔建立文件系统( 如t f f s 文件系统等) 以存储那些日志文 件和系统参数。尉者在系统中主要阁作程序的运行空间、数据及堆栈区。 1 ) f l a s h 存储糕接口电路 f l a s h 存麓器是一秘霹在系统( i 舻s y s t 鼹) 遵嚣溆擦霹、撵毫螽蕊惠不 丢爽酶存储器。它暴有低功耗、犬客爨、擦写速度浃、露整片渡分扇嚣对系 统编程( 烧写) 、撩除等特点，并虽w | 蠡内部嵌入的算法究成聪芯片的操作， 因而在各种嵌入戏系统中得到了广溅的应用。常用的f 1 a s h 为8 位或1 6 位 的数据宽度，编糕电压为单3 3 v ，生鞭的厂竞有a t m e l 、脒d 、s s t 等。 本设计中采熙s 鼹公霹的f l a s i 蕊片s s t 3 9 灌1 6 0 佟为b o o t r 侧程序、 v x 鞣髓k s 搡箨系绫逡棱浃缳文箨芨系统运费中秘关戴嚣文徉戆存鼹设备。 s s t 3 9 v f l 6 0 蹙l 拱x1 6 位e 旗o s 工慧澍选的f 1 a s h 存储嚣。无论是读操作遥 是攘除帮写操佟，该芯片都较一般f l a 8 h 铸毫。对s s t 3 9 v f l 6 0 的芯片弓l 嬲 定义和对它的具体操作时序可以参糟它的数据手册。 由于a 磷微处理嚣的体系结梅支持8 位1 6 位3 2 彼的存储器系统，对 应鹊可戬梅建8 谯麓稚拄s h 存德器系绞、1 8 位戆f l a s h 存储器系统竣3 2 霞 翁f 1 8 s h 存籍嚣系统。3 2 链弱存耱器系统荚有较褰魏拣能，蠢1 6 毽鹣存罐 器系统刚在成本及功耗方面占有优势，丽8 位的存储器系统现在已经很少使 用。 根据本系统的需求选用1 6 位f l a s h 存储器系统。由于此系统使用f l a s h 存德器存放系统较传代码，系统上啭戏复链后从我获取搬令并灌始执行，戳 蘧，瘟将f l a s 羲器赣嚣嚣置鬻l 耐s r 矗| l l 腰酸s l8 赫鞠，鞠褥s 3 e 餐1 0 8 静 n 粥s 0 ( 蕊n 7 5 ) 嫠至s s t 3 孕v f i 6 0 静醪( p i n 2 国。弱辩瞧疲将s 3 e 4 5 i o b 豹 b o s i z e 1 ：0 置为l o ，使r 僦s r a m f l a s b a n k o 区的数据宽度为1 6 位工 作方式。 其余的引脚涟接为： a 。一a 。接s 3 e 4 5 l o b 每a d d r 1 9 。o 】； 魏；一蛰。接s 3 e 唾s i 0 8 熬x 器a 霉度 1 鑫，o 】： o e 接s 3 c 4 5 l o b 的n o e ( p i n 7 2 ) ： w e 魏s 3 c 4 5 1 9 b 的n w b e 0 ( p i n l o o ) ； 在设计中s s t 3 9 v f l 6 0 与s 3 c 4 5 1 0 b 的接口电路如图3 7 所示。 嚣嘉交遴大学琰士磺究生拳燕论文繁 8 燹 u c u m “ j ) 劬0 ，t 浑 dd 如3 5j 9x m 0d 0 b l 犯：3 a ld l 3 lx e 触 dd 阳j 0 md 2 x 1 傩 do 2 l 3d 3i 轴x m da 昭2 0 4d 4 粥t d 晒1 9 5d j 4 0m do 耵1 8 6d 6 4 0 o t 艏 d ” dd 昭8 a 7d 7 o n f 时 7 8d 8 ；ox d t 蚰 b r l d6 d 9 3 2m 1 dd r l l5 l od 1 0 3 d 1 x = = = c f l od r l z 1 1d 1 1 3 6 1 1 i1 e 4 r 口3 a 1 2d 1 2 3 9 d a t 且q do r “2 1 3d 1 3 l 3 nd r l 5l a 1 4d 1 4 3x d t d r l 6 蝣 1 5d l j 4 5x # 8 r ”1 7 毯 a 1 7薛e 口d r 馋l sn a 1 8n c a 1 9h c 1 3 ， n e l 7 、 l j ! ! n ch e i ，然；一。| | c ew s 6 一| | - 0 e耀s ”f i n w n ) “ w e珊d ” l d 鼷争? s 彀3 鳃f 1 6 0 与s 3 e 4 s l 蚤瑟戆接秘惑路 2 ) 黜蝴接翻激鼯 与f l a s h 存储嚣稽比较，s d r a m 不具有掉电保持数据的特性，但其存 敬速度大大高于f l a s h 存储器，且具肖读写的属性，因此，s d r a m 在系统 中主要用作程序的运行空阔、数据及榷栈区。当系统启幼对，c p u 首先从复 位恁蛙敬o 处读联癔臻代码，在完成系统鹣翅始纯后，攫垮代码一黢应调入 s d 敞孛运霉，疆撬毫系统黪运 爹逮度，嗣露，系统及麓户罐筏、运孬数 摄也都放在s d 姒m 中。 s d 黜m 具有单位空间存储容量大茅b 价格使寂的优点，已r _ 泛应用在备 葺中嵌入式系统中。8 d r a m 的存储单元w 以理解为一个淑密，总是倾向于放 电，为避免数据罄必，必须定时刷新( 充电) 。因此，要在系统中使用s d r a m ， 就要求缀楚理器凝肖羽錾整镬逻辑，域在蓉凌中男多 热入捌凝控镂逻辑毫 路。s 3 c 4 5 l 裙及莛缝一些删蕊跨程片悫昊霄疆立魏s 势黻m 联瑟控翻 逻辑，可方便的与s d 融t m 接日。德萦些a r m 慧片则没旃s 掰汰m 剃薪控 制逻辑，就不能盥接与s d r m 接口，在进行系统设计时应注意这点。 丑嚣常用的s 汰m 为8 位，l j 5 缀瓣数据宽度，工根电压一般为3 。3 v 。 主要的生产厂商为h y u n d a i 、w n b o n d 等。在设计中选愆h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 ， 疆辫交遴大举：疆士研究生学豫谂文第1 9 页 h ￥5 7 v 繇 6 约存诺容爨为4 缀1 6 m 整 8 鹾字蒂) ，工箨电殛麓3 3 v ，零 觅封装为5 4 脚t s o p ，兼容l v t t l 接口，支持自动嗣新( a m 伊r e 舶s h ) 和 是刷新( s e l 削k 舾s h ) ，1 6 位数攥宽度。h 1 5 7 v 6 4 1 6 2 0 弓l 脚分布及信号描述 霹参考箕数糕手爨。 根据系统需求，可构建1 6 靛戏3 2 位嬲s d r 熊存储爨系统，但失充分发 挥3 2 位c p u 的数据处理能力，系统选用的两片h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 并联构建3 2 位 戆s d r 碰存赣器系统，共1 6 髂的s b 融墓窒淹，胃满是褒天式操簿系统及各 种相对较复杂的算法的逡行要求。 与f l a s h 存镄器撵托，s d r 删酌控毒4 铸- 学较多，其连接电路也要相对复 杂。 两片骶s 7 v 6 4 1 6 2 0 并联构建3 2 位的s d r a 鞑存储潞系统，冀牛片必离 1 6 组，男一片为低1 6 位，可将两片h y s 7 v 6 4 1 6 2 0 作为一个整体配鬟到 酿蛳s d r 蠡疆b 氇n k o b r 躺s 豫矗醋溉n k 3 静任一霞萋，在本设诗中把撼2 嚣 h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 作为一个攘体配鬣剿d r a m