（检测技术与自动化装置专业论文）基于arm的嵌入式网络系统研究.pdf

摘要 随着因特网技术的成熟，带宽的提高，再加上嵌入式产品本身的功能也不再单一，传统 的八位单片机由于其运行速度、寻址能力、功耗等问题已越来越不能满足日灏复杂的应用需 求a r m 内核处理器具有体积小、低功耗，低成本等一系列优点是嵌入式产品设备由8 位 机升级到3 2 位机的理想选择；同时为了更好地分配和管理资源系统，完成更为复杂的任务， 应根据硬件平台选择合适的嵌入式操作系统因此本文采用基于3 2 位a r m 核的微处理器 $ 3 c a s l 0 b 与u c l i n u x 相结合共同构建了一个嵌入式应用系统 论文首先对微处理器s 3 c 4 5 1 0 b 的结构、原理及功能等方面进行了详细的分析，同时也 对其外设的其他硬件单元作了一个简要的介绍；然后深入阐述了其软件平台u c l i n u x 的系统 结构、原理、编译、移植及用户程序的添加；最后重点详述了基于$ 3 c 4 5 1 0 b 的嵌入式网络 系统的具体应用设计过程 本文在研究过程中提出了在系统性能稳定、功能多样化等方面的改善方案，这也是本文 中的创新之处实验证明，本系统运行性能稳定，使用方便灵活，功能多样，达到了预期的 效果。 关键词： 嵌入式系统a r m嵌入式i n t e r n e t嵌入式u c l i n u xs 3 c a 5 1 0 b t il-1 7 以， ， jw i t h n t e m a tt c c 妇湖m a t u r a t i o n , t h ee x a l t a t i o no ft h eb 柚d w i d t h ，a n dt h ef u n c t i o no ft h e e m b c d d c dp r o d u c ti a l s on ol o n g e r i n g l e , h a d i t i o n a l8 - b l tm i c r o - c h i pc o n 自r o l i e rh a s n t a l 瑚d y 鞠d 蚰甜- g r a d u a l l yc o m p l i c a t e da p p l i e d n e e dm o r ea n d 脚他b e c a u s ei t s s p e e d ，a b i l i t y o f l o o k i n g f o ri n s t m c i i o n , c o s t a n ds o o n ， w i t has e r i e so fa d v a n t a g e sf o re x a m p l es m a l ls i z e , l o wc o s ta n dh i g hp e 出脚柚t h e p r o c e s rb a s e d0 1 1a r m k e r n e lj 5t h ei d e a lc h o i c et h a te m b e d d e dp r o d u c tu p g r a d e sf r o m8 - b i t p r o c e s s o rt o3 2 - b i tp r o c e s s o r a tt h es a 傩t i m e 讯s b o l l l _ dc h s u i t a b l ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mb a s e d0 1 1h a r d w a r e p l a t f o r mf o rt h es a k eo f d i s t n i b i i e n ga n dm a n a g i n g r e s o t l f c e 8s y s t e m , a c h i e v i n gm o r ec o m p l i c a t e d t a s k ，2 、 s ot h et h e s i sc o m b i n e sm i c r o p r o c e s s o r $ 3 c 4 5 1 0 bb a s e d0 1 13 2 - b i ta r mk e r n e la n du c l i n u x t o g e t h e rt od e s i g na ne m b e d d e du s i n gs y s t e m f i 稻yt h e 山e s i s 翻r r i 0 1 1d e t a i l e da n a l y s i st ot h es l i u c t t l r e , p f i n c i p l ca n df u n c t i o no ft h e m i c r o p r o c e s s o r $ 3 c 4 5 1 0 b ，a tt h es a m ct i m ei tm a k e sl i t t l ei n t r o d u c t i o no f o t h e rh a r d w a r ea n i t a t h e ni t ss o f t w a r ep h t f o r mo rs y s t e ms t r u c t u r e , p r i n c i p l e , e d i t i n g , t r a n s p l a n t i n ga n d a p p e n d i n gu s i n gp r o g n m m i n ga r ed e s c i b e d f i n a l l yi te m p h a s i z e s t h et o n e r e r ea p p l i c a t i o nd e s i g np r o c e s so ft h ee m b e d d e dn e 咖r k s y s t e mo f $ 3 c 4 5 1 0 b t h et h e s i sp 吐f o r w a r dt h ei m p r o v e m e n tp r o j e c ti nt h es y s t e mf u n c t i o ns t a b i l i t y , t h ef u n t i o n d i v e r s i f i c a t i o n , t h i s a l s o i s c r e a t i v e p o i n t o f t h e t e x t t h ee x p e r i m e n tp r o v e st h a tt h es y s t e mi ss t a b l e ，t h eu s a g ei sc o n v e n i e n t , a n di t st h ef u n c t i o n i sd i v e r s e ，s ot h es y s t c i l l0 0 m et oa ne x p e c t e dr e s u l t k e y w o r d ： 。 e m b e d d e ds y s t e m ，a r m ，e m b e d d e di n t e r a c t ，u c l i n u x ，$ 3 c 4 5 1 0 b r - t i ， p l 第一章绪论 j 。 f 。 t ： 1 ，i 引言 t 随着社会的日益信息化，计算机和网络已经全面渗透到日常生活的每一个角落对于我 们每个人来说，需要的已经不仅仅是那种放在桌上处理文档、进行工作管理和生产控制的计 算机“机器”任何一个普通人都可能拥有从小到大的、各种使用嵌入式技术的电子产品， 小到m i b 、p d a 等微型数字化产品，大到网络家电、智能家电、车载电子设备等 目前，各种各样的新型嵌入式系统设备在应用数量上已经远远超过了通用计算机在工 业和服务领域中，使用嵌入式技术的数字机床，智能工具、工业机器入、服务机器人正在逐 新改变着传统的工业生产和服务方式 但是，国内外大多数嵌入式系统是孤立于i n m r n e t 以外还处于单独应用的阶段，以m c u 为核心，与一些监测、伺服、指示设备配合实现一定的功能随着i n l e m c t 时代的到来，它 将给地球披上。电子皮肤”因此嵌入式设备的网络化研究势在必行，使嵌入式片上系统成 为瘦服务器预测未来l u m m e l 将向何处去，美国贝尔实验室总裁a u r an e l r a v a l i 等一批科 学家对此作出了预测：在这阶段。将会产生比p c 时代多出成百上千倍的瘦服务器和超级嵌 入式瘦服务器，这些瘦服务器将与我们这个世界你能想象到的各种物理信息、生物信息相连 接，通过i n t e r o e t 网自动的、设时的、方便的，简单的，提供给需要这些信息的对象由 此可见，如何设计和制造嵌入式瘦服务器、嵌入式髓关和嵌入式因特网路由器以成为嵌入式 i n t e r n c t 核心技术 。 当今国际国内很多厂商都提出了嵌入式设备 n t c m e t 网络化的方案，总体来说，可以分 为以下三类： 1 ) 通过专用的嵌入式网关相联 2 ) 通过专用的w e b 服务器实现。 3 ) 把标准网络技术一直扩展到嵌入式设备申，由嵌入式系统自身实现w e b 服务器功 能 前两种方案在简洁，实用方便方面明显不如第三种方案第三种方案的t c p i p 协议实 现又分为硬件固化和软件两种方式硬件固化指用网络芯片实现t c p i p ，形成独立于各种 微控制器的专用芯片，通过标准的输入输出口与单片机相连但对现在只实现简单应用的嵌 入式设各来说，要连接完整的协议无疑会增加硬件成本，造成浪费软件方式是把t c p i p 协议以软件方式嵌入到r 伽中，这是目前最经济、最易实现的方法。软件方法具体实现时， 又有两种不同的设计思想：对于低档的8 1 6 位m c u 的嵌入式系统，考虑到其系统速度和内 存的限制，不可能实现完整的t c p i p 协议，只能实现精简的t c p i p s 对于高档的删片上 系统可运行嵌入式实时操作系统，实现较完整的t c p ：p 协议而由于因特网技术的不断成 熟，带宽的提高，i c p 和a s p 在网上提供的信息内容日趋丰富，应用项目多种多样，像电话 手机、电冰箱、微波炉等嵌入式电子设备的功能不再单一，电器结构也更为复杂，为了满足 应用功能的升级，所以设计师一方面采用更为强大的嵌入式处理器如3 2 位、6 4 位a r m 或 3 8 6 e x 芯片等，另一方面采用具有广泛的硬件支持特性，网络支持功能强、可移植性好的实 时性操作系统如pc 0 s i i ，l i n u x 等 本论文所构建的嵌入式服务系统正是在这种环境f 提出的，因此具有极深远的研究价值 和意义 d l j 1 2 嵌入式系统概述 1 2 1 嵌入式系统简介t ： 。 ” 。 皇 ， ； ， ， 嵌入式系统最初的应用是基于单片机的2 0 世纪7 0 年代单片机的出现，使得汽车、家 电、工业机器人，通信装置以及成千上万种产品可以通过内嵌电子装置来获得更佳的使用性 能、速度更快，价格更低这些装置已经初步具备了嵌入式的应用特点，但是这时的应用只 是使用8 位的芯片执行一些单线程的程序，还谈不上。系统”的概念从2 0 世纪8 0 年代早 期开始，嵌入式系统的程序员开始用商业级的“操作系统”编写嵌入式应用软件，这使得开 发人员可以进一步缩短开发周期，降低开发成本并提高开发效率1 9 8 1 年。r e a d ys y s t e m 开发出世界上第一个商业嵌入式实时内核( v t r x 3 z ) 这个实时内核包含了许多传统操作系统 韵特征，包括任务管理、任务间通信、同步与相互捧斥中断支持，内存管理等功能2 0 世纪9 0 年代以后，随着对实时性要求的提高。软件规模不断上升，实时内核逐渐发展为多 任务操作系统，并作为一种软件平台逐步成为目前嵌入式系统的主流。 由于嵌入式系统本身是一个外延极广的名词，凡是与产品结台在一起的具有嵌入式特点的 控制系统都可以叫嵌入式系统，很难准确定义它，不过目前国内一个普遍被认同的定义是： 以应用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性，成 本、体积，功耗等严格要求的专用计算机系统可以从以下几个方面理解其定义： 嵌入式系统是面向用户、面向产品，面向应用的，它必须与具体应用楣结合才会 具有生命力、才更具有优势一 ， 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术以及各个行业的具体 应用相结台后的产物 嵌入式系统必须能够根据应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能，可 靠性、成本、体积等要求。 由嵌入式系统的定义可看出嵌入式系统的几个重要特征： l系统内核小由于嵌入式系统一般是应于小型电子装置，系统资源相对有限。所以 内核较之传统的操作系统要小得多 2 专用性强。嵌入式系统的个性比很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一 般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的 变化和增减不断进行修改。同时，针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改；程序的 编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全不同的概念 3 系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能的 设计及实现过于复杂这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。 + 4 高实时性的操作系统软件是嵌入式软件的基本要求而且软件要求固化存储。以提 高速度软件代码要求高质量和高可靠性 5 嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。嵌入式系统的应 用程序可以没有操作系统而直接在芯片上运行：但是为了合理地调度多任务，利用系统资源、 系统函数以及专家库函数接口，用户必须自行选配r t o s 开发平台，这样才能保证程序执行 的实时性、可靠性、并减少开发时问，保障软件质量。 6 嵌入式系统开发需要专门的开发r 具和环境由于嵌入式系统本身不具备自主开发 能力，即使设计完成以后用户通常也不能对其中的程序功能进行修改，因此必须有一套开 发i ：具和环境才能进行开发，这些f 具取l 环境一般是基丁通用计算机上的软硬件设备以及各 2 一 种逻辑分析仪、混合信号示波器等开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开 发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行 。 ， 因为嵌入式系统是由硬件和软件两大部分组成，所以其分类可从这两部分进行划分 k 嵌入式系统的硬件 一 ， 从硬件方面来讲，嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器据不完全统计，全世界嵌 入式处理器的品种数量已超过1 0 0 0 多种，流行体系结构有3 0 多种目前嵌入式处理器无论 是寻址空间，还是处理速度都比以前有了大幅度的提高 嵌入式处理器一般具有以下4 个特点； 1 对实时多任务操作系统具有很强的支持能力能够实现多任务并且有较短的中断响 应时间，从而使内核的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度 具有很强的存储区保护功能由于嵌入式系统的软件结构一般为模块化，为了避免 在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件 故障诊断 ， ， 处理器结构可扩展能够快速开发满足各种应用和高性能的嵌入式微处理器 低功耗。尤其是用于便携式的无线及移动计算和通信设备的嵌入式系统，功耗可以 达到m w 级甚至u w 级 嵌入式处理器一般可分成4 类，即嵌入式微处理器( m 叭d 嵌入式微控制器 卿) 嵌 入式d s p 处理器和嵌入式片上系统( s o c ) 嵌入式微处理器( m p u ) 嵌入式微处理器是由通用计算机中的c p u 演变而来的它的特征是3 2 位以上的处理器， 具有较高的性能与工业控制计算机相比。嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、 可靠性高等优点目前主要的嵌入式处理器类型有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c - 4 0 0 、p o w e rp c 、 6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m s t r o n g a r m 系列等 嵌入式微控制器( m c t r ) 嵌入式微控制器所谓典型代表是单片机从2 0 世纪7 0 年代末单片机出现到今天，虽然 已经过了2 0 多年的历史，但这种8 位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的 应用。单片机芯片内部集成了r o m e p r o m ，r a m 、总线、总线逻辑、定时，计数器、串行 口，i o 等各种必要功能和外设与嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化， 体积大大减小，功耗和成本都有所下降代表品种有8 0 5 1 、m c s 一2 5 1 、p 5 1 x a 、c 1 6 6 1 6 7 、 6 8 k 系列以及m c u 舒心3 q 嬲1 、c 5 4 0 、c 5 4 1 ，并且有支持1 2 c ，o 心- b u s 、l ( 卫及众多 专用m c u 和兼容系列 嵌入式d s p 处理器 d s p 处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了 特殊设计，具有很高的编译效率和指令执行速度。在数字滤波、f f r 、频谱分析等仪器上， d s p 获了大规模的应用。 嵌入式片上系统( s o q 片上系统s o c 是追求产品系统最大包容的集成器件，是目前嵌入式应用领域的热门话 题之一s o c 最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片上内嵌入操作系 统的代码模块。而且s o c 具有极高的综合性，在一个硅片内部运用v h d l 等硬件描述语言， 实现一个复杂的系统用户不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点 点地连接焊制，只需要使用精密的语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器 的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产由于绝大部分系统构件都是 在系统内部，整个系统就特别简洁不仅减少了系统的体积和功耗，而且提高了系统的可靠 性和生产效率 - ； 歹 t 比较典型的s o c 产品是p h i l i p s 的s m a r tx a ，还有少数通用系列如m o t o r o l a 的m - c o r e 等 2 嵌入式系统的软件 嵌入式系统的软件一般由操作系统和应用软件组成操作系统是连接计算机硬件与应 用程序的系统程序操作系统有四个主要任务；进程管理、进程间通信与同步、内存管理和 i o 资源管理；它基本功能是使计算机硬件便于使用，高效组织和正确地利用计算机的资源 嵌入式操作系统可分为实时操作系统和分时操作系统两类实时操作系统是指具有实时性， 能支持实时控制系统的操作系统。实时操作系统的首要任务是调度一切可以利用的资源完成 实时控制任务，其次才着眼于提高计算机系统的使用效率，它的特点是通过任务调度来满足 对于重要事件在规定的时间内做出正确的响应分时操作系统区别于实时操作系统则是它在 时间上的要求并不严格，时问上的延误或者时序上的错误一般不会造成灾难性的后果现在 大多数嵌入式操作系统都用的是实时操作系统u c o s 和u c l i n u x 都是典型的代表 实时操作系统系统又可以分为“硬实时系统”和“软实时系统”硬实时和软实时的区 别就在于对外界事件做出反应的时间硬实时系统必须是对事件做出及时的反应，绝对不能 错过事件处理的时限在硬实时系统中如果出现了这样的情况就意味着巨大的损失和灾难。 比如说航天飞机的控制系统，如果出现故障，后果则不堪想象软实时系统是指在系统负荷 较重时可允许发生错过时限的情况如液晶屏刷新就允许有短暂的延迟 以上主要介绍了嵌入式系统的发展历史、定义、特点及分类 1 2 2 嵌入式系统的应用领域， 嵌入式系统技术具有广阔的应用前景，其应用领域概括如下“； 1 工业控制 4 ：h ”，q ， 。- 其于嵌入式芯片的工业自动化设备具有很大的发展空间，目前已经有大量的8 、1 6 、3 2 位嵌入式微控制器应用在工业过程控制，数控机床、电力系统、电网安全，电网设备监测， 石油化工系统等领域。就传统的工业控制产品而言，低端型往往采用8 位单片机，但是随着 技术的发展，3 2 位，“位的微处理器逐渐成为工业控制设备的核心，在未来几年内必将获 得更大的发展 2 交通管理 ， ， 在车辆导航，流量控制、信息监测与汽车服务方面，嵌入式系统技术已经获得了广泛的 应用，内嵌g p s 模块、g s m 模块的移动定位终端已经在各种运输行业成功使用目前g p s 设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭，只需要几千元，就可以随时随地找到你的位置。 3 信息家电 家电行业是嵌入式应用的一个大行业。传统的电视机、电冰箱中也嵌有处理器，但是这 些处理器只是应用于控制方面现在，只有按钮、开关的家电显然已经不能满足人们的日常 需求，具有用户界面，能远程控制、智能管理的电器是未来的发展趋势。据i d g 发布的统 计表明，未来信息家电将会成长5 1 0 倍。 。 4 家庭智能管理系统 永、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，其中嵌入的专用控制芯片将代 替传统的人工检查，并实现更高、更准确和更安全的性能目前在服务领域中，一些手持设 备已经体现出了嵌入式系统的优势 5 p o s 网络及电子商务 j 公共交通无接触智能卡( c s c ) 发行系统、公共电话卡发行系统、自动售货机、各种智能 a i m 终端将全面走入人们的生活，到时手持一夤就可以行遍天下 6 环境监测 。 4 环境监测包括水文资料实时监测、防洪体系及水土质量监测、堤坝安全、地震监测网、 实时气象信息网、水源和空气污染监测等在很多环境恶劣、地况复杂的地区，嵌入式系统 将实现无人监测 7 机器人 声 一 ” 嵌入式芯片的发展将是机器人在微型化、智能化方面的优势更加明显，同时会大幅度降 低机器人的价格，使其在工业领域和服务领域获得更广泛的应用 除了以上这些应用领域，嵌入式系统还有其他方面的应用可以毫不夸张地说，嵌入式 系统已经进入到现代社会人们生活的方方面面，尤其是在控制方面的应用就远程家电控制 而言。除了开发出支持t c p i p 的嵌入式系统之外，家电产品的控制协议也需要制定和统一， 这需要家电生产厂家来做同样的道理，所有基于网络的远程控制器件都需要与嵌入式系统 之间实现接口，然后再由嵌入式系统来控制并通过网络实现所以，开发和探讨嵌入式系统 有着十分重要的意义 r 。 1 2 3 嵌入式系统的现状和发展趋势 随着信息化，智能化、网络化的发展，嵌入式系统技术也将获得广阔的发展空间美国 著名未来学家尼葛洛庞帝1 9 9 9 年1 月访华时预言，4 5 年后嵌入式智能( 电脑) 工具将是p c 和因特网之后最伟大的发明 。 进入2 0 世纪9 0 年代，嵌入式技术全面展开，目前已成为通信和消费类产品的共同发展 方向在通信领域，数字技术正在全面取代模拟技术在广播电视领域，美国已开始由模拟 电视向数字电视转变，欧洲的d v b ( 数字电视广播) 技术已在全球大多数国家推广数字 音频广播( d a b ) 也已进入商品化试播阶段而软件，集成电路和新型元器件在产业发展 中的作用日益重要所有上述产品都离不开嵌入式系统技术在个人领域中嵌入式产品将作 为个人移动的数据处理和通信软件手写文字输入，语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色 图形、图像已取得初步成效 目前一些先进的p d a 在显示屏幕上己实现汉字写入、短消息语音发布等功能对于企 业专用解决方案，如物资管理、条码扫描、移动信息采集等，这种小型手持嵌入式系统正发 挥着巨大的作用自动控制领域，嵌入式系统不仅可以用于a t m 机、自动售货机，工业控 制等专用设备，而且它与移动通信设备、g p s 、娱乐相结合同样可以发挥巨大的作用近期 长虹推出的a d s l 产品，就是把网络、控制，信息结合起来的，这种智能化、网络化将是 家电发展的新趋势 硬件方面，不仅有各大公司的微处理器芯片，还有用于学习和研发的各种配套开发包。 低层系统和硬件平台经过若干年的研究现在已经比较成熟，实现各种功能的芯片也应有尽 有。而且巨大的市场需求给我们提供了学习研发的资金和技术力量。 软件方面也有相当成熟的系统。国外商品化的嵌入式实时操作系统，已进入我国市场的 有w m d r i v e r 、m i c r o s o f t 、o n x 和n u c l e a r 等产品我国自主开发的嵌入式系统软件产品如 科银京成( c o r e t e k ) 公司的嵌入式软件开发平台d e l t a s y s t e m ，中科院推出的h o p e n 嵌入式 操作系统。由于是研究热点，读者可以在网上找到各种各样的免费资料，从各大厂商的开发 文档到各种驱动程序源代码应有尽有，甚至很多厂商还提供微处理器的样片这对于软件设 计来说不管是上手还是近一步开发，都相对来说比较容易 今天嵌入式系统带来的工业年产值已超过了i 万亿美元来自1 9 9 7 年美国嵌入式系统 大会的报告指出，未来5 年仅基于嵌入式计算机系统的全数字电视产品，就将在美国产生一 个每年1 5 0 0 亿美元的新市场美国汽车大王福特公司的高级经理也曾宣称，“福特出售的计 算能力已超过了i b m ”在国内“维纳期计划”和“女娲计划”一度闹得沸沸扬扬，机 顶盒、信息家电这两年更成了r r 热点，而实际上这些都是嵌入式系统在特定环境下的一个 特定的应有由此可以想象嵌入式计算机工业现阶段的规模和广度 信息时代、数字时代是得嵌入式产品获得了巨大的发展机遇，为嵌入式市场展现了美好 的前景，同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战从中可以看出未来嵌入式系统的几大发 ，展趋势： f 。 1 嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软硬件系 统本身，同时还要提供强大的硬件开发工具和软件包支持目前很多厂商已经充分考虑到这 1 一点，在主推系统的同时，将开发环境也作为重点推广比如三星在推广a l t m 7 a r m 9 芯片的同时还提供开发板和板级支持包( b s p ) 2 网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的加大而日益提高，使得以往 单一功能的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一，结构更加复杂 为了满足应用功能的升级，设计师们一方面采用更强大的嵌入式处理器如3 2 位、“位 r i s e 芯片或信号处理器d s p 增强处理能力，同时增强功能接口( 如u s b ) ，扩展总线类型 ( 如c a nb u s ) ，加强对多媒体、图形等的处理，逐步实施片上系统( s o c ) 的概念 3 网络互联成为必然趋势 未来的嵌入式设备为了适应网络发展的要求，必然要求硬件上提供各种网络通信接口， 传统的单片机对于网络支持不足，而新一代的嵌入式处理器已经开始内嵌网络接口，除了支 持t c p i p 协议，有的还支持i e e e l 3 9 4 、u s b ，c a n 、b l u e t o o t h 或i r d a 通信接口中的一种 或者几种，同时也提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件软件方面，系统内核支 持网络模块，甚至可以在设备上嵌入w e b 浏览器，真正实现随时随地用各种设备上网 4 精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本 未来的嵌入式产品是软硬件紧密结合的设备，为了降低功耗和成本，需要设计者选用最 佳的编程模型，不断改进算法，即尽量精简系统内核，只保留和系统功能紧密相关的软硬件， 利用最低的资源实现最适当的功能 5 提供友好的多媒体人机界面 嵌入式设备能与用户亲密接触，最重要的因素就是它能提供非常友好的用户界面、图像 界面和灵活的控制方式，使得人们感觉嵌入式设备就像一个熟悉的老朋友。这方面的要求使 得嵌入式软件设计者要在多媒体技术上多下功夫。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子 邮件以及彩色图形，图像都会使用户获得自由的感受目前一些先进的p d a 在显示屏幕上 已实现汉字写入、短消息语音发布，但一般的嵌入式设备要达到这个水平还有很长的路要走。 1 3 本课题的主要工作及意义 国际互联网( i n t e r n e d 是当今世界上最大的连接计算机的网络通讯系统i n t e r n e t 的兴 起和迅猛发展，是2 0 世纪信息技术发展的最伟大的成就之一它所提供的信息包括文字、 数据、图像、声音等多种形式，涉及社会的各个领域人们梦寐以求的全世界范围内大规模 的信息资源共享已成为现实随着网络技术的不断进步，一场新的、更加深入的i n t e r a c t 革 命正在悄悄酝酿一方面微处理技术的飞速发展和系统设计水平的不断提高：c p u 速度的 不断提高，r l s c 技术和虚拟技术的应用，外部电路的内部集成化另一方面嵌入式技术的 发展和成熟，各种网上信息产品，如：个人数字助理( p d a ) 、电视机机顶盒、网络电话、 防盗系统等嵌入式系统设备，都要求与i n t e m e t 联网，把微处理器技术应用到嵌入式i n t e r n e t 系统中将成为今后的发展方向。 传统的八位单片机由丁其运行速度、寻址能力、功耗等问题己越来越不能满足日渐复杂 的应用需求。a r m 内核处理器具有体积小、高性能、低功耗，低成本等一系列优点是嵌入 6 式电子产品设备由8 位机升级到3 2 位机的理想选择虽然嵌入式系统的应用程序完全可以 在裸板上运行，然而为了更好地分配和管理资源系统，完成更为复杂的任务，就要根据硬件 平台和实际应用选择适当的嵌入式操作系统a c l i a u x 具有稳定良好的移植性，优秀的网络 功能，完备的对各种文件系统的支持，以及标准丰富的a ll 等优点，被广泛应用于嵌入式 领域， ， f - ： 本论文的主要工作是采用基于3 2 位a r m 核的微处理器$ 3 c 4 5 1 0 b 与u c l i n x 相结合， 共同构建一个嵌入式w e b 服务系统首先对该嵌入式系统进行硬件平台设计，然后对其嵌 入式操作系统进行编译和移植，最后进行总体的软件设计和编程，实现了嵌入式w e b 服务 器的远程访问 。5 本论文的意义在于通过对嵌入式硬件、软件( 包括操作系统和应用软件) 以及嵌入式因 特网接入技术的研究，深入分析接入技术的原理，特点和应用范围，通过对因特网接入技术 的具体应用的试验性设计与实现，验证理论研究的结论“ 7 第二章基于a r m 的嵌入式微处理器 2 1 嵌入式微处理器的概述 嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器嵌入式微处理器则是嵌入式处理器中的一种， 它的基础是通用计算机中的c p u 在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保 留和嵌入式应用有关的母扳功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗虽然嵌入式微处理 器在功能上和标准微处理器基本是一样的，但为了嵌入式应用的特殊要求，所以在工作温度、 抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了一定程度的增强。嵌入式微处理器多数工作在用户自 己设计的系统中为了日益高速增长的各类嵌入式系统设计的需求，c p u 厂商设计了许多兼 有1 6 8 2 位微处理器并集成了许多外围功能的c p u 目前嵌入式微处理器有许多流行的处理核，芯片生产厂家一般郊基于这些处理核生产不 同型号的芯片现主要介绍以下几种典型的嵌入式处理器： 1 m 豫s ， m i p s 是m i c r o p r o c e s s o rw i t h o u ti n t e r l o c k e dp i p e l i n es t a g e s 的缩写，是一种处理器内核标 准，它是由m i p s 技术公司开发的b l i p s 技术公司是一家设计制造高性能、高档次的嵌入 式3 2 位和“位处理器的厂商，在r i s c 处理器方面占有重要地位m i p s 的定位很广，在 高端它有高性能6 4 位处理器内核2 0 k c 家族，在低端市场有高性能、低功耗的3 2 位处理器 内核m i p s 3 2 4 k c 。m i p s 芯片被广泛应用于机顶盒设备、视频游戏机、c i s c o 路由器及激光 打印机等 2 p o w e r p c 。 p o w e r p c 架构的特点是可伸缩性好，方便灵活p o w e r p c 处理器品种很多，既有通用 的处理器，又有嵌入式控制器和内核，应用范围非常广泛，从高端的工作站、服务器到桌面 计算机系统j 从消费类电子产品到大型通信设备等各个方面 基于p o w e rp c 架构的嵌入式处理器有： p o w e r p c 4 0 5g p m m 公司开发的p o w e rp c4 0 5g p 是一个集成了1 0 1 0 0 m b p s 以太网控制器、串行和并 行端口、内存控制器以及其他外设的高性能嵌入式处理器。它有如下特性：应用软件源代码 兼容所有其他的p o w e rp c 处理器；扩展了p o w e rp c 家族可伸缩性；专门应用于网络设备 包括有线通信、数字存储以及其他计算机设备等 m o t o r o l a ：p o w e rp c 1 朋c 8 2 3 e m p c 8 2 3 e 微处理器是一个高度综合的片上系统设备，它结合了p o w e rp c 微处理器核心 的功能、通信处理器和单硅成分内的显示控制器。这个设备可以在大量的电子应用中使用， 特别是在低能源、便携式、图像捕捉和个人通信设备方面m p c 8 2 3 e 微处理器使用带有大 量数据和指令高速缓存的双处理器结构设计方法。使用通用r i s c 整数处理器和特殊3 2 - - b i t 标量r i s c 通信处理器模块来提供性能。为了通信的需要，外设的设计独特，可以为高速数 字通信，成像，用户接口的增加和其他帕的支持提供嵌入式信号处理功能 3 x 8 6 x 8 6 系列是处理器是我们最熟悉的了，它起源于i n t e l 架构的8 0 8 6 ，在发展出2 8 6 、3 8 6 、 4 8 6 ，直到现在的p e n t i u m4 、a t h l o n 和a m d 的6 4 位处理器h a m m e r 基于x 8 6 处理器核的嵌入式微处理器有： g e o d es p i s c l 0 g e o d es p i s c l o 具有非妥协网络访问、硬件m p e g 2 音频和视频解码器、t v 解码器、 m o d e m ，1 0 1 0 0 m 以太网、各种同化通信和外设接口这使得g e o d e s p l s c l 0 成为快速开发 8 数字电缆和卫星机项盒、交互式电视的理想平台 朝田c 高度集成x 8 6 s o c 一 s t 微电子s t p c 高度集成的( s o c ) 系列与x 8 6 p c 兼容，其3 个新产品s t p ce l i t e 、 s p t cc o n s m m e r - i i s i t ca t l a s 是建立在0 2 5 u m 技术上的，该技术允许它们提供高集成、 低功耗和低成本的解决方案这三种产品的共同特点是：6 4 位、1 3 3 m h z 、8 k b 缓存等 4 6 8 k c o l d 脚c ， 、 m o t o r o l a6 8 0 0 ( 6 s 玛是出现得比较旱的一款嵌入式处理器，6 8 k 最初曾用在a p p l e2 上， 比i m e l 的舳8 6 还早现在6 8 k 芯片已经完全应用于嵌入式系统了，1 9 9 4 年m o t o r o l a 推出 了基于r i s c 结构的6 8 k c o l d f i l c 系统微处理器目前基于该架构的嵌入式微处理器主要有 m c f 5 2 7 2 ，它基于第二代c o l d f i l ev 2 核心，在6 6 m i t z 下操作速度为6 3 d h r y s t o n e2 1 m i p s ， 是迄今最高的v 2 性能 5 a r m s 劬n g a r m a r m 公司是全球领先的1 6 3 2 位r i s c 微处理器知识产权设计供应商a r m 公司通过 转让高性能、低成本，低功耗的r i s c 微处理器，外围和系统芯片设计技术给合作伙伴，使 他们能用这些技术来生产各具特色的芯片a r m 已成为移动通信、手持设备、多媒体数字 消费嵌入式解决方案的r i s c 标准a r m 处理器有三大特点：小体积、低功耗、低成本而 高性能；1 6 3 2 位双指令集；全球众多的合作伙伴 2 2a 心微处理器的概述 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类 微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字 ， 2 2 1a p j 4 微处理器简介及应用领域 a r m 公司自1 9 9 0 年正式成立以来，在3 2 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 e r ) c p u 开发领域不断取得突破，其结构已经从v 3 发展到v 6 。由于a r m 公司自成立以来，一直 以i p 提供者的身份向各大半导体制造商出售知识产权，而自己从不介入芯片的生产销售， 加上其设计的芯核具有功耗低、成本低等显著优点，因此获得众多的半导体厂家和整机厂商 的大力支持，在3 2 位嵌入式应用领域获得了巨大的成功，目前已经占有7 0 以上的3 2 位 嵌入式产品市场在低功耗、低成本的嵌入式领域确立了市场领导地位现在设计、生产 a r m 芯片的国际大公司已经超过5 0 多家，国内中兴通讯和华为通讯等公司也已经购买a r m 公司的芯核用于通讯专用芯片的设计。 到目翦为止，a r m 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域： 1 、工业控制领域：作为3 2 的r i s c 架构，基于a r m 核的微控制器芯片不但占据了高端 微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，a 腿微控制器 的低功耗、高性价比，向传统的8 位1 6 位微控制器提出了挑战 2 、无线通讯领域：目前已有超过8 5 的无线通讯设备采用了a r m 技术， a r m 以其高性 能和低成本，在该领域的地位日益巩固。 3 、网络应用：随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l 芯片正逐步获得竞争优势 此外，a r m 在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持。也对d s p 的应用领域提出了挑 战 4 、消费类电子产品：a 蹦技术在目前流行的数字音频播放器，数字机顶盒和游戏机中 9 得到广泛采用 5 、成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用a 腿技术手机中 的3 2 位s i g 智能卡也采用了a p , g 技术 除此以外， 瑚徽处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取得更加广泛的 ：应用 。 ， 2 2 2a r m 微处理器的系列及特点 且前非常流行的a r m 芯核有a r m 7 t d m i ，a r m 7 2 0 t 、a r m 9 t d m i 、a r m 9 2 2 t 、 a r m 9 4 0 t ，a r m 9 6 订、a r m l 们：d m i 和s u , , n g a r m 铮自v 5 以后，a r m 公司提供p i c c o l o d s p 的芯核给芯片设计者，用于设计a r m + d s p 的s o c 结构【1 6 】 在a r m 内核中有四个功能模块可供生产厂商根据不同用户的不同要求来配置生产这 四个模块分别用t 、d 、m 和i 来表示捌h t 表示t h u m b ，该内核可从1 6 位指令集扩充到3 2 位a r m 指令集 d t 表示d e b u g ，该内核中放置了用于调试的结构，通常它为一个边界扫描链j t a g 可 使c p u 进入调试模式，从而可方便地进行断点设置、单步调试 m ：表示m u l t i p l i e r ，是8 位乘法器 l ；表示e m b e d d e d l c el o g c ，用于实现断点观测及变量观测的逻辑电路部分，其中的 t a p 控制器可接入到边界扫描链 一a r m 7 m j a r m 7 采用a r m v 4 t ( n e w m a n ) 结构，分为三级流水，空间统一的指令与数据c a c h e ， 平均功耗为0 6 m w m h z ，时钟速度为6 6 m p , z ，每条指令平均执行1 9 个时钟周期其 中的a r m 7 1 0 ，a r m 7 2 0 和a r m 7 4 0 为内带c a c h e 的a r m 核a r m t r d m i ( t h u m b ) ：这 是公司授权用户最多的一项产品，a r m 7 指令集同t h u m b 扩展组合在一起，以减少内存容 量和系统成本同时，它还利用嵌入式i c e 调试技术来简化系统设计，并用一个d s p 增强 扩展来改进性能a r m 7 是小型、快速、低能耗、集成式r i s c 内核，用于移动通信。该产 品的典型用途是数字蜂窝电话和硬盘驱动器 二，a r m 9 ， 一 a r m 9 采用a r m v 4 t ( h a r v a r d ) 结构，五级流水处理以及分离的c a c h e 结构，平均功 耗为0 7 m w m i - i z 时钟速度为1