（计算机软件与理论专业论文）基于arm平台的嵌入式网络控制器的设计与实现.pdf

ab s t r a c t abstract wi t h t h e d e v e l o p m e n t o f c o m p u t e r , as w e l l as c o m m u n i c a t i o n , i n t e g r a t e c i r c u i t a n d c o n t r o l t e c h n o l o g y , t h e t r a d i t i o n a l i n d u s t ry c o n t r o l f i e l d i s g o i n g t h r o u g h a n u n p r e c e d e n t e d c h a n g e , d e v e l o p i n g t o w a r d s n e t w o r k i n g . i n o r d e r t o m e e t t h e i n d u s t ry c o n t r o l n e e d s i n f u t u r e t h i s p a p e r h as d e s i g n e d a n d r e a l i z e d a n e m b e d d e d n e t wo r k c o n t r o l l e r . i n t h i s p a p e r , a u t h o r h a s d e s i g n e d a n d r e a l i z e d o n e p o w e r f u l e m b e d d e d n e t w o r k c o n t r o l l e r w i t h s 3 c 2 4 1 0 w h i c h i s a 3 2 b it s m i c r o p r o c e s s o r w i t h o n e e t h e r n e t i n t e r f a c e , o n e u s b h o s t i n t e r f a c e , o n e u s b d e v i c e i n t e r f a c e , t h r e e r s 2 3 2 u a r t , o n e c a n e x t e n d e d c a r d , o n e r s 4 8 5 s e r i a l e x t e n d e d c a r d , o n e r s 4 2 2 s e r i a l e x t e n d c a r d , 8 c h a n n e l s 1 0 - b i t s a d , 1 c h a n n e l s 1 2 - b i t s d a , 4 c h a n n e l s p wm o u t p u t , o n e 2 4 0 x 3 2 0 t f t l c d d i s p l a y t o u c h s c r e e n i n t e r f a c e . a n d b ase d o n i t a l o n g w i t h t h e e mo s wi n d o w s c e , t h e p a p e r t h o ro u g h l y d i s c u s s e s h o w t o e s t a b l i s h a d e v e l o p me n t p l a t f o r m o f e m b e d d e d s o f t w a r e . a f t e r i n v e s t i g a t i n g a n d a n a l y z i n g c a n o p e n p r o t o c o l t h o r o u g h l y , a u t h o r h a s r e a l i z e d e m b e d d e d c a n o p e n p r o t o c o l i n c o n t r o l l e r , w h i c h m a k e s t h e c o n t r o l l e r s t r o n g e r in c o m m u n i c a t i o n a b i l i ty a n d n e t w o r k c o n t r o l a b i l i ty , a n d o ff e r s t h e e x p e r i m e n t p l a t f o r m f o r s t u d i e s o f n e w - 勿 p e n e t w o r k c o n t r o l s a l g o r i t h m s . b as e d o n t h e d i s c u s s io n o f t h e s t a n d a r d t c p / i p p r o t o c o l , s o m e e m b e d d e d t c p / i p p r o t o c o l t e c h n o l o g y o f wi n d o w s c e a n d s o c k e t c o m m u n i c a t e p r o g r a m i s r e a l iz e d i n 俪 c o n t r o l l e r a n d , w h i c h m a k e s t h e c o n t r o l l e r c a n c o n n e c t t o i n t r rne t o r i n t e rne t . o n t h e b as i s o f f i n i s h i n g t h e e m b e d d e d n e t w o r k c o n t r o l l e r h a r d w a r e a n d s o ft w a r e d e s i g n , a u t h o r h a d a p p l i e d t h e c o n t r o l l e r t o c e n t r a l c o m p u t e r i z e d n u m e r i c a l c o n t r o l u n i t i n n e t w o r k i n g c n c s y s t e m , m a k i n g c n c s y s t e m a n d e q u i p m e n t a b l e t o m e e t t h e n e e d o f m i n i a t u r i z a t i o n , n e t w o r k i n g a n d i n t e g r a t i o n . f i n a l l y , c o m b i n i n g w i t h t h e c o m p u t e r c o n t r o l l a b o r a t o ry c o n s t r u c t i o n , t h e s t r u c t u r e o f n e t w o r k e x p e r i m e n t p l a t f o r m o f t h r e e l a y e r s o f i n d u s t r i a l n e t w o r k s ( i n f o r m a t i o n l a y e r , t h e c o n t r o l l a y e r a n d e q u i p m e n t l a y e r ) h a d b e e n f in i s h e d . i t h as r e a l i z e d t h e r e a l n e t w o r k i n t e r c o n n e c t i o n o f t h e l a b o r a t o ry , a n d o ff e r e d a h i g h - p e r f o r m a n c e p l a t f o r m f o r s t u d i e s o f n e t w o r k c o n t r o l . k e y w o r d s : e m b e d d e d n e t w o r k c o n t r o l l e r ; e m b e d d e d t c p / i p p r o t o c o l ; c a n o p e n p r o t o c o l ; e m b e d d e d c n c s y s t e m ; t h r e e l a y e r i n d u s t ry 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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 南昌大李 或其他 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作了明确的说明并表示谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 手 写 ): j 番 签 字 日 期 : d 刃 年 子月 砂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了 解南昌大学有关保留、使用学位论文的 规 定， 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。 本人授权南昌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， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学 位 论 文 作 者 签 名( 手 写 ) :j雷导 师 签 名 、手 写 ):p 1 4 yl 签 字 日 期 : 2 呵年6 月 z s 日 签 字日 期: 。 夕 年6月犷 日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址: 电话: 邮编 : 第 1 章 绪论 第一章 绪论 1 . 1课题的研究背景 随着计算机技术、 通信技术、 集成电路技术、 控制技术及智能传感技术的 迅速发展及相互渗透和结合， 在工业控制领域出 现了一种新兴的控制技术 现场总线。 现场总 线技术的出 现带来了 工业控制领域的第三次革命， 即现场总 线系统将传感器测量、 补偿计算、 数据处理和控制分散到现场设备，实现了控 制分散化和智能化. 现场总线是对d c s( 集散控制系统) 的扩展， 突破了d c s 相对封闭的限制， 将测控任务分散到现场设备中， 上位机只负责监控以及一些 复杂的优化和先进控制的功能。目 前应用比较广泛的现场总线协议有:c a n , p r o f i b u s , f f和 l o n w o r k s 等。 但现有的各类现场总线标准互不通用， 给各个 厂商设备的一 致性和互操作性造成了 很大的障碍i l l 同时自 动化领域对自 动控制系统化的需求， 使得现场总线与工厂信息系统 纵向连接的呼声越来越高。 根据工厂管理、 生产过程及功能需求， 简化的c m i s 体系结构可分为3 层， 即工厂级， 车间级和现场级。企业现在发展的方向是提 供一个一体化的解决方案， 把三部分集成到一起进行综合应用。可现场总线是 为了实现 p l c设备的互连而出现的，在现场总线上传输的数据量还是比较小 的。 这样，人们在继续发展现场总线的同时，逐渐把目光转向了以太网 ( e t h e r n e t ) 和t c p / i p 协议。 当前的做法是希望工业控制设备能够支持t c p / i p 以及其他i n t e r n e t 协议，从而能够通过用户熟悉的浏览器查看设备状态、设置 设备参数、或者各设备采集到的数据通过网络传送到 wi n d o w s 或 u n i x / l i n u x 服务器上的数据库中 进行管理。目 前，支持t c p / i p协议的工业以太网正渗透 到了工业领域的信息层， 既然现场总线有非开放性的局限， 而且面临着与企业 信息层的直接整合，那么开发基于以太网的现场总线产品就能解决这个问题。 但是， 从实际的应用来讲，以太网完全取代现场总线也是不可能的。 现场总线 是工业控制领域催生的， 它自 出 现就带着工业控制领域的特征 本质安全以 及极强的抗电磁干扰特性，以太网设备还不具备这些特征。从通信的角度看， 第 i 章 绪论 1 . 2课题的研究意义和研究内容 1 . 2 . 1课题的研究意义 可以看出在工业控制领域正进行一场网 络化信息化的革命， 国际上各大工 业自 动化公司也正在推出新一代的工业控制系统， 我国在工业控制系统方面落 后于西方发达国家， 要想赶上世界先进水平就必须发展自 己的工业控制网络并 开发相应的高层协议和应用软件。而嵌入式网络控制器正是构成此网络的核 心， 因此开发一个既有专用性又有一定通用性， 并兼具以 太网和现场总线网络 的多功能嵌入式网络控制器， 在此基础上研究高层协议和应用软件， 并搭建新 型的工业网络平台，对建立我国自己的工业控制体系将具有巨大的意义。 1 . 2 . 2课题的 研究内容 针对目 前工业控制系统的问题和需要， 本课题主要设计与实现一款兼有以 太网和c a n总线并具有多种控制接口的嵌入式网络控制器，并以此为基础实 现网络化的嵌入式数控系统，搭建三层工业网络平台。 课题研究主要内容如下: ( 1 ) 对现有的嵌入式网络控制器的方案进行了比较。选择了三星公司的 s 3 c 2 4 1 0 ( a r m9 2 0 t内核)高性能嵌入式处理器为核心，针对嵌入式网 络控制器需要的各个功能进行方案分析与器件选型， 并完成了 嵌入式网络 控制器的原理图设计与硬件实现。 ( 2 ) 对现有的 嵌入式操作系统进行了 分析， 并选 择w i n d o w s c e 做为嵌 入式网 络控制器的操作系统， 对它进行了 深入的研究， 并成功将其移植到了该控 制器上，完成了 嵌入式软件开发平台的搭建。 ( 3 ) 编 写 代 码 完 成 嵌 入式 网 络 控 制 器c a n , r s - 4 8 5 , r s - 4 2 2 , r s - 2 3 2 ， 以 太 网等模块的驱动程序开发，满足了 后续应用层开发的需要。 ( 4 ) 在深 入研究c a n o p e n 协议的 基础上在嵌入 式网 络控 制器上 编程实 现， 完 成控制器基于c a n总线的 通信; 并分析了m i c r o c a n o p e n 协议 使其满足 低成本设备层控制器通信的需要。 ( 5 )深入研究t c p / i p 协议的基础上掌握w i n c e 平台 下的win d o w s s o c k e t s 编 第 1 章 绪论 程基础，完成了嵌入式网络控制器基于以太网的通信。 ( 6 )结合计算 机数 控实 验室建设的 需要， 在该嵌 入式网 络控制器的基 础上组建 网络化的嵌入式数控系统， 并完成三层工业网络实验平台的搭建。 整个网 络实验平台以嵌入式网络控制器为核心。 底层的实物伺服控制单元， d s p 单元，i / o逻辑控制单元构成了实验平台的设备层。在设备层上采用了 c a n总线 和4 8 5 . 4 2 2 总线， 嵌入式网 络控制器通过m i c r o c a n o p e n 等 协议和设备层的设备进行通信。 嵌入式控制器、 监视设备及无线报警设备 一起构成了 系统的 控 制层， 他们之间通过c a n o p e n 协议进行通信， 完成 实验平台的控制、 监视与报警。 实验平台的控制层和设备层通过嵌入式网 络控制器的以 太网接口与平台信息层的服务器、 数据库管理设备和网络监 视设备相连接，并通过实验室的网关接入到 i n t e rn e t ，以实现实验室平台 的网络监控。 第2 章 嵌入式网络控制器总体设计 第二章 嵌入式网络控制器总体设计 2 . 1嵌入式网络控制器实现方案比较及选择 为了满足未来工业网络控制层控制系统的需要及兼容现有的控制网络， 嵌 入式网络控制器需要同时具备现场总线接口和以太网接口， 并需要一定的控制 能力和可扩展性。 2 . 1 . 1现场总线 现场总线技术是将微控制器植入现场测量， 控制仪表中， 使它们各自 都具 有数字计算和数字通信能力。现场总线是继 d c s之后的又一种新型的工业控 制系统， 它的出现带来了 工业控制领域的一场深刻的革命。 现场总线代表了一 种突破意义的控制思想， 改变了原有的控制体系结构， 使模拟与数字混合的分 散型控制系统 ( d c s ) 更新换代为数字的现场总线控制系统。 真正做到危险分 散、 控制分散、 集中监控和全数字化。 到目 前为止， 现场总线技术己 经有二十 多年的历史， 现在已 经形成了多种总线标准，如c a n ( c o n t r o l a r e a n e t w o r k . 控制局域网 络) 、f f ( f o u n d a t i o n f i e l d b u s 现场基金会) 、 h a r t ( h i g h w a y a d d r e s s r e m o t e t r a n s d u c e r ，可寻址远程传感器数据通路) 、 p r o f i b u s ( p r o c e s s f i e ld b u s ) 和l o n w o r k ( l o c a l o p e r a t i n g n e t w o r k ， 局部 操作网) 等。 要发 展 我国自 主知识产权的现场总线产品并能够与国际接轨，采用c a n总线技术显 然是比 较适合的。首先， c a n 总线协议是免费开放的，这使得在技术开发的 过程中没有屏障， 具有了更大的灵活性。 其次，国际上众多的知名半导体芯片 制造商 如m ic r o c h i p , p h i l ip s , a t m e l , t i 等均推出了 支持c a n协议的 芯片， 这对系统的开发提供了 更多的选择。 另外， 基于c a n的应用层协议c a n o p e n 也为 基于c a n的 现场总 线应用开发带来了 极大的 方便 u 7 1 第2 章 嵌入式网络控制器总体设计 2 . 1 . 2信息层接入方案 控制系统要实现控制层和信息层的连接，需要支持 t c p / i p协议即实现嵌 入式i n t e m e t 。实现的方法主要有以下几种: ( 1 ) 采用嵌入式操作系统的高性能3 2 位处理器软件实现t c p / i p 协议 如三星公司的 s 3 c 2 4 1 0 x嵌入式处理器， 是一款功能齐全性能优异基于 a r m 9 2 0 t内 核的r i s c型处理器。 c i r r u s l o g i c公司生产的以 太网 控制芯 片c s 8 9 0 0 a同 样是一款低功耗、性能优越的1 6 位以 太网控制器，功能强大， 其物理层接口、 数据传输模式和工作模式等都能根据需要而动态调整， 通过内 部寄存器的设置来适应不同的应用环境。 c s 8 9 0 0 a内部功能模块主要是8 0 2 .3 介质访问控制块 ( ma c ) . 8 0 2 .3介质访问控制块支持全双工操作，完全依照 i e e e 8 0 2 .3 以 太网标准 ( i s o / i e c 8 8 0 2 - 3 , 1 9 9 3 ) ，它负责处理有关以太网 数据 帧的发送和接收， 包括: 冲突检测、 帧头的产生和检测， c r c校验码的生成和 验证。 通过对发送控制寄存器 ( t x c m d )的初始化配置， ma c能自 动完成帧 的冲突后重传。如果帧的数据部分少于 4 6 个字节，它能生成填充字段使数据 帧达到8 0 2 . 3 所要求的 最短长度。 它 的 主 要 特 点 如 下 s 1 . . 符合i e e e 8 0 2 .3 以 太网标准，并带有i s a接口; . 片内4 k字节r a m; . 适用于u o操作模式，存储器操作模式和d ma操作模式; . 带有传送、接收低通滤波的1 o b a s e 一连接站口; . 支持1 o b a s e 2 , i o b a s e 5 和1 o b a s e - f 的a u i 自 动重发; . 最大电 流消耗为5 5 m a ( 5 v电 源) ; . 全双工操作; . 支持外部e e p r o m. 另外，要实现c s 8 9 0 0 a与主机之间的数据通讯， 在电 路设计时可根据具 体情况灵活选择合适的数据传输模式。 c s 8 9 0 0 a支持的传输模式有i / o模式和 m e m o r y 模式， 另外 还有d m a模式。 其中， u o模式访问c s 8 9 0 0 a存储区的 缺省模式，比较简单易用。 使用如s 3 c 2 4 1 0 x一类高档处理器配上c s 8 9 0 0 a实现i n t e rn e t 接入的系统 结构一般如图2 . 1 所示。软件一般为嵌入式操作系统 ( 如 w i n c e . l i n u x )及 第2 章 嵌入式网络控制器总体设计 t c p / i p 协议栈。 由于处理器的性能强大， 系统可以实现复杂的功能， 应用灵活， 软件编程比较简单， 成本相应的也较低。同时这个方案将工业控制和信息层通 信在硬件上有机的分离开， 便于处理器和以太网控制芯片的升级， 具有一定的 扩展性。 s 3 c 2 4 1 0 x ( ar m9 2 0 t ) e mo s( 嵌入式操作系统) t c p / i p 协议栈 8 0 2 . 3 mac ( p h y s i c a l m e d i u m i n t e r f a c e l a y e r ) m i i ( p h y s i c a l me d i u m d e p e n d a n t l a y e r ) p h y 图2 . 1高性能处理器接入方案 ( 2 ) e m w a re公司的e m i t ( e m b e d d e d m i c r o i n t e m e t w o r k i n g t e c h n o l o g y ) 技 术19 1 11 0 1 e m i t 利用e m g a t e w a y 先通 过轻量 级总 线与多 个 嵌入式设备连接起来， 形 成轻型网络， 然后再把这个嵌入式系统轻型网络与大型高性能t c p / i p网络( 如 i n t r a n e t , i n t e r n e t ) 连接。 如图2 .2 , e m g a t e w a y 类似于 大 型网 络中 的网 关， 提 供t c p / i p到微型局域网( r s 4 2 2 / 4 8 5 , c a n , 1 2 c等) 到大网的连接功能。 e mi t 网关式的方案，在系统小的时候不失为一种好 】 n t e m e t 接入方案，但是当总线 设备数量增加到一定时， e m i t 方 案中 的e m g a t e w a y 会成为一个 通信的 瓶颈， 而且一旦e m g a t e w a y出 现故障，网 关内 所有设 备都 将失 去与网 络的 通信，因 此这种方法不适合用于对可靠性要求较高的场合，也不适合系统的拓展。 第2 章 嵌入式网络控制器总体设计 图2 . 2网 关式接入图 ( 3 ) 单片 机控制网 络接口 芯片实 现 1 1 1 普通 1 6 位或者8 位单片机和通用网络接口芯片相结合.网络接口芯片主 要用的是r t l 8 0 1 9 a s . r t l 8 0 1 9 a s 是由台 湾r e a l t e k 公司生产的网 络接口 芯片， 此芯片支持e t h e m e t 1 1 , i e e e 8 0 2 . 3 , 1 o b a s e 2 , i o b a s e 5 , i o b a s e t等;支持 8 位/ 1 6 位数据总线的s r a m用于收发缓存，降低了对主处理器的要求。 这种方案类似于第一种方案， 但是采用了通用的器件，成本更小， 没有功 能强大的操作系统的支持， 所以 受处理器速度的限制， 它并不能完成全部的网 络功能，传输速度也有限，可扩展性不强。 ( 4 ) 高 速m c u 加 虚 拟 软 件 包 方 案 112 13 14 1 如d a l l a s公司推出的基于5 1 内核的d s 8 0 c 4 0 0网络处理器，它内嵌了 i o m / 1 0 0 m b p s 的以 太网控制器， 支持m i i 接口， 通过物理层接口 芯片可以 方便 的接入以太网。 处理器内部r o m事先存有t ini o s以及i p v 4 / i p v 6 双协议栈， d a l l a s 公司提供适用于它的免费软件开发包， 使开发周期大为缩短。 但因为 使用的是5 1内核，处理速度有限，仅适合于低成本控制性能要求不太高的场 z 峨 7 u 综上所述，在现场总线中选择 c a n 总线，在 i n t e rn e t接入上选择 s 3 c 2 4 1 0 x + c s 8 9 0 0 a来完成嵌入式网络控制器的设计与实现， 既能很好的满足 第2 章 嵌入式网络控制器总体设计 性能要求也保持了一定的扩展性。 2 . 2 ar m体系结构和 s 3 c 2 4 1 0概述 2 .2 . 1 a r m体系结构 a r m是a d v a n c e d r i s c m a c h in e : 的 缩写。 a r m体系结构目 前被公认为是 业界领先的3 2 位嵌入式r i s c微处理器结构。 所有a r m处理器共享这一体系 结构。 a r m处理器具有小体积、低功耗、 低成本、高性能等特点. 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 集。与等价的3 2 位代码相比，占用的内存空间节省高达 3 5 %，然而却保留了 3 2 位系统所有的优势。在一些a r m版本中还提供了j a z e l le 及d s p 技术，提 高了a r m的性能和灵活性。 a r m还提供了两个前沿特性 嵌入式i c e - r t 逻辑和嵌入式跟踪宏核，用以辅助带深嵌入式处理器核的、高集成的s o c器 件的调试。允许在代码的任何部分 甚至在r o m中设置断点。 a r m所提供的1 6 / 3 2 位嵌入式r i s c内核有以下几个系列: a r m7 , a r m9 , a r m 9 e , a r m1 0 , s e c u r c o r e , s t r o n g a r m和i n t e l x s c a l e 。 每个系列的 产品的 设计都尽量遵循高性能、 低功耗的原则以 满足用户日 益复杂的 应用需求 1 s 1 2 . 2 . 2 s 3 c 2 4 1 0 概述 s 3 c 2 4 1 0 芯片是三星公司推出的基于a r m 9 2 0 t内核的一款性能强大的嵌 入式处理器。 该处理器采用五级流水线和哈佛结构， 提供1 . 1 m i p s / m h z 的性 能，是高性能和低功耗的硬宏单元。 a r m9 2 0 t具有全性能的m m u 、指令和 数据c a c h e 以 及高 速a m b a总线接口 1 6 1 。内 核结构如图2 .3 所示。 第2 章 嵌入式网络控制器总体设计 图2 . 3 a r k 9 2 0 t 内核结构 l cdd m a bus cc 冲 汀 nand con t na nd f l a s h日 i= l o 翻 山甘 a 如mo 丫c ot打 cb比 c 油 ur 苗时 m ip l l i 口c 口pl 0 民tg 粉勃褂片树抖 图2 . 4 s 3 c4 1 0内部结构 ( 功能模块) s 3 c 2 4 1 0 提供了 一套比 较完整的 通用系统的外围 设备， 并且使得整个系统 消耗最小。正是因为它具有很多常用的功能模块， 所以也免去了添加配置附加 设备的麻烦。其内部结构如图2 .4 所示。片上集成的功能主要包括以下几个方 面: 第2 章 嵌入式网络控制器总体设计 . 1 .8 v a r m 内核，3 .3 v存储器， 3 .3 v外部i / 0 ，具有 1 6 k b指令缓存， l 6 k b数据缓存和mmu的微处理器; . 外部存储控制器( s d r a m控制和片 选逻辑) ; . l c d控制 器( 支持上到4 k 色的s t n和2 5 6 k 色的t f 劝，1 通道l c d专用 dma; . 具有外部请求引脚的4 通道d ma; . 3 通道u a r t ( i r d a 1 .0 , 1 6 b y t e t x f i f o和1 6 b y t e r x f i f o ) , 2 通道s p i ; . 1 通道i i c总线控制器，1 通道i i s 总线控制器; . 1 . 0 版本的s d主机接口和兼容的2 . 1 1 版本的mu l t i - me d i a 卡协议; . 2 个u s b 主机，1 个u s b设备( u s b 1 . 1 ) ; . 4 通道p w m 计时器， 1 通道内 部计时器: . 看门 狗电 路; . 1 1 7 个通用v 0口， 2 4 通道外部中断源; . 电 源控制:常规、 缓慢、空闲和断电 模式; . 8 通道1 0 位a d c和触摸屏接口: . 具有日历功能的实时时钟r t c ; . 具有锁相环的片上时钟发生器。 综上所述， s 3 c 2 4 1 0 是一款性能卓越的嵌入式处理器，能够满足嵌入式网 络控制器的需要 ; 1 8 1 2 . 3嵌入式操作系统与wi n d o w s c e 嵌入式系统 ( e m b e d d e d s y s t e m ) 是指有特定功能 或用途的 计算机硬、 软 件的集合体，分为嵌入式软件系统和嵌入式硬件系统。 嵌入式系统开始于 2 0 世纪 8 0年代单片机的使用。单片机技术己 经渗透到各个领域，且与人们的日 常生活密不可分， 给人们生活和工业生产带来极大方便。单片机的功能强大， 从信号采集、处理到传输都能由单片机来完成。 但是， 随着网络时代的来临， 许多电子设备需要联网和更智能化、更强的计算能力，比如音频、视频的数据 采集、处理和传输;丰富的图形界面等。 单片机越来越不能满足应用对象的需 求，开发工作也变得越来越复杂、庞大。随着微电子技术的进步，芯片的制造 成本大大降低，而功能却大大增强，1 6 位和3 2 位的嵌入式微处理器逐渐成为 第2 章 嵌入式网络控制器总体设计 嵌入式系统设计的主流。 但是， 只有嵌入式微处理器是不够的， o e m ( 原始设 备制造商)还需要有一个运行于嵌入式微处理器上的操作系统。 嵌入式操作系统是对通用操作系统的继承与发展， 具有操作系统的 基本功 能， 包括指令执行、 任务调度、存储管理、设备管理和中断处理等。但是，由 于嵌入式系统的硬件环境和程序运行需要有很大限制， 所以嵌入式操作系统要 模块化及可延展性、 实时性能好， 通信能力强大， 有良 好的可移植性， 能够用 在根据应用要求选择的微处理器中。很多软件厂商迎合嵌入式系统发展的需 要，推出了多种不同特点的嵌入式操作系统。例如 mi c r o s o ft公司的 w i n d o w s c e , 3 c o m公司的p a l m o s , s y m b i a n 公司的e p o c 、中 科院 凯思集 团的h o p e 。 以 及l i n u x 等。 wi n d o w s c e操作系统是微软为实现” 信息随手可得11 的设想而努力开发的 成果。 通过w i n d o w s c e ，微软提供了 标准的开放式平台，极大地减少了 硬件 制造商 ( i h v ) 、 软 件开发 商( s h v ) 以 及最终 将采 纳新一代非p c 技术 解决 方案的 客户多方之间的矛盾。 wi n d o w s c e是一个功能强大的开放的，抢先式多任务 并具有强大通信能力的3 2位实时嵌入式操作系统。它也是一个全新的、可移 植的、实时的、 模块化的操作系统， 具有流行的微软程序开发界面， 提供许多 快速开发嵌入式系统的工具。 适用于快速构建新一代内 存少、 体积小的智能设 备. 例如工业控制器、手持式设备、 智能电话、机顶盒和零售点设备等。目前 的掌上电脑( p d a ) 、全球定位系统( g p s ) 、地理信息系统( g i s ) 、车载 p c ( a u t o p c ) ， 有很多 采用w i n d o w s c e 操作系统。 w i n d o w s c e的 主要 特点如 下: ( 1 )新内核 wi n d o w s c e看上去和w i n d o w s 9 x / n t很像， 但它不是这些操作系统的简 化版，也不是从这些系统移植过来的。wi n d o w s c e具有全新的内 核和任务调 度、内存管理策略。 ( 2 ) 可移植性 由于wi n d o w s c e 操作系统几乎完全是用c语言编写的， 所以可移植到众 多的3 2位微处理器上:支持各种处理器家族，包括 x 8 6 , p o w e r p c . a r m, mi p s和 s h等系列。微软为每个支持的处理器家族提供完整的系统库。 w i n d o w s c e 可以 通过o e m适配 层o a l ( o e m a d a p t a t i o n l a y e r ) 适配到 任何硬 件平台. o a l 是驻留在c e内核和硬件之间的代码层。 原始设备制造商使用这 第2 章 嵌入式网络控制器总体设计 些代码把c e适配到自己的硬件上。o a l链接c e的内核和定制的硬件。 ( 3 )实时性 wi n d o w s c e 2 . 1 及其以前的版本实时性能不强，但 wi n d o w s c e 3 .0及以 后的版本实时性能得到明显改善。现在wi n d o w s c e的实时性能主要通过以下 技术实现: 支持嵌套中断， 高优先级的中断并不需要等待低优先级的中断服务 例程 ( i s r )完成;2 5 6个线程优先级，可以灵活调度嵌入式系统的任务;通 过固定高优先级中断服务线程 ( i s t )的最大调度延迟改善线程响应时间;使 用a p i 函数c e s e t t h r e a d q u a n t u m和c e g e t t h r e a d q u a n t u m 修改操作系统中线程 的线程量;中断服务子程序的响应时间非常短;支持信号量。在基于 w i n d o w s c e的参考平台上， 使用a r m 9 微处理器， 系统可以 在2 - 5 g s 内启动 一个中断服务例程 ( i s r ) ， 在9 0 - 1 7 0 g s内 启动相应的中 断服务线程。 如果 考 虑其它因素，如 c p u类型、时钟频率、总线速度等的影响，许多实际的基于 wi n d o w s c e 平台的响应时间更短。 ( 4 )模块化 由于存储器资源在移动和嵌入式设备中非常有限，w i n d o w s c e设计成一 个模块化操作系统， 设计者只需选择那些需要的模块以满足指定平台的存储器 要求。 w i n d o w s c e的结构如图2 . 5 所示，主要包括4 个模块:内核 ( k e r n e l ) . 图形窗口事件子系统 ( g w e s ) 、文件系统 ( f i l e s y s )和通信模块 ( c o m m u n i c a t i o n s ) . k e rn e l 负责中断处 理、 进程和线 程管理、 虚拟内 存管理 和其它相关任务; g we s ( g r a p h i c s w i n d o w i n g a n d e v e n t s s u b s y s t e m ) 相当 于 桌面w i n d o w s 的图 形设备 接口g d i 和用 户库: f i l e s y s 用于 永久存储， 包括文 件系统、注册表和数据库;c o m m u n i c a t i o n s 模块负责与桌面 p c 、其它c e设 备和因 特网的互联。 每个模块又分成许多小组件。 裁减w i n d o w s c e 时， 可以 只选择那些需要的组件。 第2 章 嵌入式网络控制器总体设计 w i n 3 2入p i s c or e d l l , wi n s oc k , o l e , commc t r l , c ommd l g, wi n i n e t 图2 . 5 w i n d o w s c e 的基本结构 ( 5 ) w i n 3 2 兼容性 w i n d o w s c e采用与 wi n d o w s 9 5 / n t相同的编程模型，它的 ”i是 wi n 3 2 a p i 的一个子集， 大约有6 0 0 个a p i 函数， 可以实现所有的嵌入式应用。 c e 只支持u n i c o d e码，c e a p i 删除了wi n 3 2 a p i 中包含a n s i 字符串 参数 的 函数 。c e 还 支 持 当 前 流 行 的 软 件 技 术 和 运 行 库 ，如 mf c ( mi c r o s o ft f o u n d a t i o n c l a s s )、a t l ( a c t i v e t e m p l a t e l i b r a ry ) e v c ( e m b e d d e d v i s u a l c + + ) , e v b ( e m b e d d e d v i s u a l b a s i c ) . w i n 3 2 的 兼容 性可 以容易地把现成的wi n d o w s 应用程序移植到wi n d o w s c e中。 目 前有许多开发 人员精通 wi n d o w s编程技术，他们只需学习很少的知识就可以开发 wi n d o w s c e应用程序。 到目 前为止，工业控制系统中的自 动化设备仍然受专用硬件或工业化 p c 平台的限制。 专用硬件通常十分耐用， 并能抗恶劣环境， 但是只能用于单一的、 特定的用途。 虽然工业化p c比 专用硬件更具有灵活性， 但是由 于振动、 灰尘、 潮湿、高温以 及其它环境问题的影响，工业化p c平台经常会出现故障和数据 丢失。w i n d o w s c e操作系统是一个适合互连工业自 动化设备的理想的小体积 嵌入式 平台。由 于采用m s m q ( m i c r o s o ft m e s s a g e q u e u i n g ) 这样的 先进应用 服务， 使wi n d o w s c e实现与生产现场i t设施的全面集成成为可能。 它还具有 很强的实时性能， 支持确定性的响应时间控制。wi n d o w s c e能从闪存启动， 从而避免了暴露在灰尘、高温和震动环境下，使它可以适应恶劣的生产环境。 基于w i n d o w s c e的嵌入式控制系统提供统一的、可伸缩的 解决方案， 将专用 第2 章 嵌入式网络控制器总体设计 硬件的耐用性与p c的灵活性结合在一起。因此wi n d o w s c e在工业控制领域 有着很好的应用前景， 在嵌入式网络控制器中采用w i n d o w s c e作为核心操作 系 统 是比 较 合 适的 0 9 1 2 . 4嵌入式控制系统的总体设计 综合各方面， 嵌入式网络控制器采用s 3 c 2 4 1 0 为核心处理器， 选用合适的 芯片设计完成控制器的内部存储系统包括 6 4 m b的 n a n d f l a s h , 6 4 m b的 s d r a m和2 k b的i 2 c e e p r o m， 再配上1 路s d / mm c接口和i 路i d e 接口 用以提供大容量的外部设备存储; 通信系统包括1 路以太网接口、 1 路u s b h o s t 接口、i 路u s b d e v i c e 接口、3 路r s 2 3 2串口和3 个p c i 插槽，这3 个p c i 插槽分别给1 个c a n总线扩展卡、1 个r s 4 8 5 扩展卡和1 个r s 4 2 2 扩展卡使 用，以 此提供1 路c a n , 1 路r s 4 8 5 和i 路r s 4 2 2 接口;输入输出系统包括 8 路a / d , 1 路d / a和4 路p wm; 人机交互接口包括一个2 4 0 x 3 2 0 的t f t l c d 显示触摸屏，u s b鼠标和u s b键盘。 并以此为基础结合嵌入式操作系统 wi n d o w s c e搭建嵌入式软件开发平 台， 编写 底层驱 动程序， 在上层研究t c p / i p 协议及c a n o p e n 协 议并实 现 控制 器基于w i n d o w s c e 的c a n o p e n 协议栈及t c p / i p 通信的开 发。 并开发应用软 件使控制器满足计算机控制实验室三层工业网络实验平台搭建的需要。 2 . 5小结 本章针对第一章提出的嵌入式网络控制器的需求， 对现有的现场总线及信 息网络接入技术做了比较， 现场总线方面选择了国内应用广泛、短帧传输、无 破坏仲裁技术、可靠性高、抗干扰性强的c a n总线，在信息网接入方面选择 了应用灵活功能强大