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东北大学硕士学位论文 摘要 网络包接收拥塞问题的研究与解决 摘要 计算机产业己 经发展到了所谓的后 p c时代，信息家电、机顶盒等各种新 的名词越来越为人们所熟悉，对嵌入式系统的研究开发已成了计算机领域的一 个热点。随着嵌入式系统的广泛应用，将嵌入式设备接入 i n t e r n e t 将成为一种 必然，这就极大的方便了人们对设备的远程访问、检测、控制，然而，对远程 设备的访问量过大或者远程设备受到恶意攻击时，嵌入式系统因其自 身处理速 度和资源的有限，很容易产生网络包接收拥塞现象。 本文在华恒a r m2 4 1 0 开发板和a r m l i n u x 操作系统环境下， 研究网络包 接收的拥塞问题。通过分析，网络包接收过程可分为网卡中断处理和 t c p / i p 处理两部分。当数据包到达网卡时进入网卡缓冲区，并且触发网卡中断处理程 序，数据包经过网卡中断处理后作为t c p / i p 处理的输入，等待t c p / i p 处理， 两种处理过程共享处理器，而网卡中断优先级高，所以就产生了不断从网络上 收取数据包，而数据包却得不到处理的情形。这个现象就是本文要解决的拥塞 问题，也称作收包活锁问题。 利用排队论中m / m / l 和二级串连排队网 络的理论进行分析， 得出降 低网络 包到达速率，可以提高系统接收网络包的吞吐率，在本文可以通过降低网卡中 断频率来实现。在此基础上本文实现了三种解决方案:批中断、关中断和轮询 机制。设计测试方案分别对上述三种解决方案进行测试，得出在轻量过载时， 批中断和轮询的方法都可以降低拥塞现象，而在重量过载的时候只有关中断的 方法能从一定程度上缓解拥塞。最后，综合三种解决方案的优缺点，提出 “ 轮 询一关中断”的解决方案，即正常负载时仍然沿用中断机制，轻量过载时采用 轮询的方法，重量过载时采用关中断的方法。 关键词嵌入式系统，n i c ，拥塞，中断，轮询 东北大学硕士学位论文 abs tract r e s e a r c h a n d s o l u t i o n s o f t h e ov e r l o a d p r o b l e m a b o u t n e t p a c k e t s r e c e i v i n g abs t r act t h e c o m p u t e r i n d u s t r y h a s d e v e l o p e d i n t o t h e s t a g e w h i c h i s c a l l e d p o s t - p c , t h e n e w w o r d s s u c h a s i n f o r m a t i o n a p p l i a n c e a n d s e t - t o p b o x b e c o m e mo r e a n d mo r e f a m i l i a r t o p e o p l e , a n d t h e r e s e a r c h o n e m b e d d e d s y s t e m b e c o m e s a h o t s p o t i n t h e c o m p u t e r d o m a i n . a s t h e a b r o a d u s e o f t h e e mb e d d e d s y s t e m s , t h e e m b e d d e d d e v i c e s w i l l i n e v i t a b l y b e c o n n e c t e d t o i n t e rne t , w h i c h m a k e s i t c o n v e n i e n t f o r t h e l o n g - d i s t a n c e v i s i t , c h e c k a n d c o n t r o l . h o w e v e r , w h e n t h e e m b e d d e d d e v i c e i s f r e q u e n t l y v i s i t e d o r b a l e f u l l y a tt a c k e d , t h e e m b e d d e d s y s t e m w i l l e a s i l y t u rn i n t o a o v e r l o a d s t a g e , b e c a u s e o f i t s t o w h a n d l i n g r a t e a n d l i m i t e d r e s o u r c e s . i n t h i s p a p e r , t h e o v e r l o a d p r o b l e m a b o u t n e t p a c k e t s r e c e i v i n g i s r e s e a r c h e d i n t h e e n v i r o n m e n t o f h h a r m2 4 1 0 a n d a r m l i n u x . b y a n a l y z i n g t h e p r o c e s s o f n e t p a c k e t s r e c e i v i n g , t h e p r o c e s s c a n b e d i v i d e d i n t o t w o p a r t s , t h e n i c i n t e r r u p t h a n d l i n g a n d t h e t c p / i p h a n d l i n g . wh e n d a t a p a c k e t s c o m e t o t h e n i c b u f f e r , t h e i n t e r r u p t s e r v i c e r o u t i n e w i l l b e t r i g g e r e d . a ft e r t h e h a n d l i n g o f t h e n i c i n t e r r u p t , t h e d a t a p a c k e t s w i l l b e a s t h e i n p u t o f t h e t c p / i p h a n d l i n g , w a i t i n g f o r t h e h a n d l i n g o f t c p / i p . t h e t w o h a n d l i n g p r o c e s s e s s h a r e t h e s a m e p r o c e s s o r , a n d p r i o r i t y o f n i c i n t e r r u p t i s h i g h e r , s o i t w i l l a p p e a r t h e s i t u a t i o n t h a t d a t a p a c k e t s a r e c o n t i n u o u s l y r e c e i v e d f r o m n e t w o r k s , b u t t h e s e p a c k e t s c a n t b e h a n d l e d b y t c p / i p . t h i s p h e n o m e n o n i s t h e o v e r l o a d p r o b l e m w h i c h w i l l b e r e s e a r c h e d i n t h i s p a p e r , c a l l e d r e c e i v e l i v e l o c k . a f t e r a n a l y z i n g w i t h t h e m / m/ 1 m o d e l i n t h e q u e u e t h e o r y , t h e c o n c l u s i o n i s d r a w n t h a t l o w e r t h e n i c i n t e r r u p t f r e q u e n c y c a n s o l v e t h e o v e r l o a d p r o b l e m . o n t h e b a s i s o f a n a l y z in g , t h r e e s o l u t i o n s a r e b r o u g h t f o r w a r d , t h e y a r e b a t c h i n t e r r u p t , d i s a b l e i n t e r r u p t a n d p o l l . d e s i g n t h e t e s t i n g p l a n f o r t h e t h r e e s o l u t i o n s , a n d t h e r e s u l t i s t h a t w h e n t h e o v e r l o a d i s l i g h t , t h e b a t c h i n t e r r u p t a n d t h e p o l l c a n s o l v e i n 东北大学 硕士学位论文a b s t r a c t t h e p r o b l e m , a n d w h e n t h e o v e r l o a d i s h e a v y , o n l y d i s a b l e i n t e r r u p t c a n d o t h e j o b . a t l a s t , i n t e g r a t i n g t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f t h e t h r e e s o l u t i o n s , a b e t t e r s o l u t i o n i s p u t f o r w a r d , w h i c h i s c a l l e d p o l l - d i s a b l e i n t e r r u p t , t h a t i s u s i n g i n t e r r u p t u n d e r n o r m a l c o n d i t i o n s , p o l l u n d e r l i g h t o v e r l o a d , a n d d i s a b l e i n t e r r u p t u n d e r h e a v y o v e r l o a d . k e y w o r d s e m b e d d e d s y s t e m, n i c , o v e r l o a d , p o l l i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发 表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 9 p 日期 : a o o . /a - . 习 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用 学位论文的规定:即学校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。本人授权东北大学可 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、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名;否则视为不同 意。 ) 导师签名: 签字日期: 右 、剑 学位论文作者签名: 签字日期:,) -4. -7 一 i - 东 t 大学硕士学 位论文 第一章 引言 竿 _ 音己i 宣 二 月 不 二j 1 r 1 . 1课题提出的背景 在现在日 益信息化的社会中，计算机和网络己经全面渗透到日常生活的每 一个角落。对于我们每个人，需要的已经不再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” ; 各种各样的新型嵌入式设备在应用 数量上已经远远超过通用计算机，任何一个普通人可能拥有从大到小的各种使 用嵌入式技术的电子产品， 小到m p 3 , 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。而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、 工业机器人、 服务机器人也将逐渐改变传统的工业和服务方式。 嵌入式系统可以 称为后 p c ( p o s t - p c )时代和后网络时代的新秀。与传统 的通用计算机，数字产品相比，利用嵌入式技术的产品有其自己的特点: 由于嵌入式系统采用的是微处理器，实现相对单一的功能，采用独立的操 作系统，所以往往不需要大量的外围器件.因而在体积上，功耗上有其自身的 优势。相比之下，一个使用wi n d o w s c e的p d a ，仅靠机内电源就可以使用几 天，而任何一台笔记本仅仅能够支持3 小时左右。 嵌入式系统是将计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应 用相结合后的产物，是一门综合技术学科。由于空间和各种资源相对不足，嵌 入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同 样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具 有竞争力。 嵌入式系统是一个软硬件高度结合的产物。为了提高执行速度和系统可靠 性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存 贮于磁盘等载体中。 片上系统， 板上系统的实现， 使得以p d a等为代表的这类 产品拥有更加熟悉的操作界面和操作方式， 比 着传统的商务通等功能更加完善、 实用。 为适应嵌入式分布处理结构和网络需求， 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。针对外部联网要求，嵌入设备必需配有通 东 t 大学硕士学 位论文 第一章 引言 竿 _ 音己i 宣 二 月 不 二j 1 r 1 . 1课题提出的背景 在现在日 益信息化的社会中，计算机和网络己经全面渗透到日常生活的每 一个角落。对于我们每个人，需要的已经不再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” ; 各种各样的新型嵌入式设备在应用 数量上已经远远超过通用计算机，任何一个普通人可能拥有从大到小的各种使 用嵌入式技术的电子产品， 小到m p 3 , 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。而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、 工业机器人、 服务机器人也将逐渐改变传统的工业和服务方式。 嵌入式系统可以 称为后 p c ( p o s t - p c )时代和后网络时代的新秀。与传统 的通用计算机，数字产品相比，利用嵌入式技术的产品有其自己的特点: 由于嵌入式系统采用的是微处理器，实现相对单一的功能，采用独立的操 作系统，所以往往不需要大量的外围器件.因而在体积上，功耗上有其自身的 优势。相比之下，一个使用wi n d o w s c e的p d a ，仅靠机内电源就可以使用几 天，而任何一台笔记本仅仅能够支持3 小时左右。 嵌入式系统是将计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应 用相结合后的产物，是一门综合技术学科。由于空间和各种资源相对不足，嵌 入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同 样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具 有竞争力。 嵌入式系统是一个软硬件高度结合的产物。为了提高执行速度和系统可靠 性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存 贮于磁盘等载体中。 片上系统， 板上系统的实现， 使得以p d a等为代表的这类 产品拥有更加熟悉的操作界面和操作方式， 比 着传统的商务通等功能更加完善、 实用。 为适应嵌入式分布处理结构和网络需求， 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。针对外部联网要求，嵌入设备必需配有通 东 北大学 硕士学 位论文第一章 引言 信接口， 相应需要t c p / i p 协议支持;由于家用电器相互关联 ( 如防盗报警、 灯 光能源控制、影视设备和信息终端交换信息)及实验现场仪器的协调工作等要 求， 新一代嵌入式设备还需具备i e e e 1 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，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。 发展至今的嵌入式 i n t e r n e t 技术己经具有了初步的雏形。国际上，一些厂 商己经开发出具有强大处理能力的嵌入式芯片; 一些简单通用的嵌入式i n t e r n e t 技术开发环境也己经出现; 其他的一些相关的嵌入软件技术， 如嵌入式w e b 服 务器和嵌入式网关以及嵌入式协议栈也已经有产品出现;在国内，东北大学计 算机网络与通信研究所一直在跟踪着嵌入式 i n t e rn e t 技术的发展，并且已 经基 于 开 放式网 络设备互 连模型 ( o n d c : o p e n n e t w o r k d e v i c e s c o n n e c t i v it y ) 成 功的将一种现场总线设备嵌入到 i n t e rn e t . 2 0 0 0年，沈阳东大新业信息技术有 限公司的嵌入式i n t e r n e t 非标设备接入服务器w e b i t 1 .0 通过了辽宁省科委组织 的技术鉴定，并己经形成产品。这些软件技术和硬件技术的出现为嵌入式 i n t e rn e t 技术的快速发展提供了强有力的动力。 目 前在各个厂商和相关机构的共 同努力下，嵌入式i n t e rne t 技术的标准也正在建立。 1 . 2课题的提出 随着嵌入式系统的发展，嵌入式系统接入 i n t e rn e t 已经成为必然，这就极 大的方便了人们对远程设备、仪器的管理， 检测和控制， 人们的生活真正进入 了网络时代。 设备在被正常访问的时候，人们通过 i n t e rn e t 发出对设备的控制命令，到 达设备的网卡产生中断，接收数据后再转交给应用程序进行处理。然而事情有 时候却总不尽如人意，当人们对远程设备访问过于频繁，甚至有人对设备进行 恶意攻击。 这个时候网络命令以非常高的速率发向设备的网卡，使得嵌入式设 备的处理机不断的被中断，从网络收取数据，然而由于处理机忙于处理网卡中 断，无暇处理接收到的数据，后续到来的命令、数据因为前面的数据得不到处 理而遭到丢弃，从而产生拥塞现象。 这就与最初人们使设备嵌入 i n t e r n e t 的设想日 标有所违背，怎么样才能解 决拥塞现象，使得当频繁访问网络设备的时候不再产生拥塞或者有相当大的改 善就成了it s 待解决的问题了。 本文就将针对这一问题进行分析， 提出解决方法。 东 北大学 硕士学 位论文第一章 引言 信接口， 相应需要t c p / i p 协议支持;由于家用电器相互关联 ( 如防盗报警、 灯 光能源控制、影视设备和信息终端交换信息)及实验现场仪器的协调工作等要 求， 新一代嵌入式设备还需具备i e e e 1 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，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。 发展至今的嵌入式 i n t e r n e t 技术己经具有了初步的雏形。国际上，一些厂 商己经开发出具有强大处理能力的嵌入式芯片; 一些简单通用的嵌入式i n t e r n e t 技术开发环境也己经出现; 其他的一些相关的嵌入软件技术， 如嵌入式w e b 服 务器和嵌入式网关以及嵌入式协议栈也已经有产品出现;在国内，东北大学计 算机网络与通信研究所一直在跟踪着嵌入式 i n t e rn e t 技术的发展，并且已 经基 于 开 放式网 络设备互 连模型 ( o n d c : o p e n n e t w o r k d e v i c e s c o n n e c t i v it y ) 成 功的将一种现场总线设备嵌入到 i n t e rn e t . 2 0 0 0年，沈阳东大新业信息技术有 限公司的嵌入式i n t e r n e t 非标设备接入服务器w e b i t 1 .0 通过了辽宁省科委组织 的技术鉴定，并己经形成产品。这些软件技术和硬件技术的出现为嵌入式 i n t e rn e t 技术的快速发展提供了强有力的动力。 目 前在各个厂商和相关机构的共 同努力下，嵌入式i n t e rne t 技术的标准也正在建立。 1 . 2课题的提出 随着嵌入式系统的发展，嵌入式系统接入 i n t e rn e t 已经成为必然，这就极 大的方便了人们对远程设备、仪器的管理， 检测和控制， 人们的生活真正进入 了网络时代。 设备在被正常访问的时候，人们通过 i n t e rn e t 发出对设备的控制命令，到 达设备的网卡产生中断，接收数据后再转交给应用程序进行处理。然而事情有 时候却总不尽如人意，当人们对远程设备访问过于频繁，甚至有人对设备进行 恶意攻击。 这个时候网络命令以非常高的速率发向设备的网卡，使得嵌入式设 备的处理机不断的被中断，从网络收取数据，然而由于处理机忙于处理网卡中 断，无暇处理接收到的数据，后续到来的命令、数据因为前面的数据得不到处 理而遭到丢弃，从而产生拥塞现象。 这就与最初人们使设备嵌入 i n t e r n e t 的设想日 标有所违背，怎么样才能解 决拥塞现象，使得当频繁访问网络设备的时候不再产生拥塞或者有相当大的改 善就成了it s 待解决的问题了。 本文就将针对这一问题进行分析， 提出解决方法。 东 北大学硕士学 位论文第一章 引言 1 . 3论文结构 本文内容共分为六章。第一章是引言，简要介绍了本课题的提出及背景。 第二章介绍了 本文的相关技术背景， 从嵌入式i n t e rne t 、 嵌入式系统与嵌入式操 作系统的发展和技术特点，并介绍了l i n u x 下驱动程序的相关原理，和本文的 软硬件环境。在第三章中，介绍了n i c的功能模块， 接收、发送帧的原理。 在 第四章中，是本文的重点，首先抽象出网络包接收模型，用排队论的理论进行 分析，根据结论提出改进的方法，本文提出了三种方法，即批中断、关中断和 轮询的方法，并且综合以上三种方法，提出一种更好的方案，即 “ 轮询一关中 断” 。第五章是对本系统的测试和分析。最后第六章是对全文的总结和展望。 东 北大学 硕士学 位论文第二章 技术背景 第二章 技术背景 2 . 1 嵌入式i n t e r n e t 技术综述 嵌入式 i n t e r n e t 是近几年发展起来的一项新兴概念和技术，是指设备通过 嵌入式模块而非p c系统直接接入i n t e rn e t ，以i n t e r n e t 为介质实现信息交互的 过程，通常又称作非 p c式 i n t e rn e t 接入i l l 。国外许多大公司如 e m w a r e , m i c r o c h i p , s i i , s c e n i x 等成立了 嵌入式i n t e rn e t 联盟， 来专门 讨论和制定 嵌入 式i n t e r n e t 领域的标准和开发相关的技术。 嵌入式i n t e r n e t 技术是将网络世界中目 前已 经实现了的人与人之间的互联， 进一步发展成为人与设备、设备与设备之间的互联。确切地说，不仅要为数以 亿计的p c ， 而且更为那些内置计算机芯片的几乎所有电 子设备提供运算和联网 功能。导致这场革命的核心技术就是嵌入式 i n t e rne t 技术的发展和成熟。嵌入 式i n t e r n e t 技术的实现不仅可以广泛应用于: 移动计算平台 ( p p c p d a ) 、家庭 信息环境 ( 机顶盒， 数字电视) 、 通讯计算平台( 媒体手机) 、 车载计算平台( 导 航器) 、 工业、 商业控制 ( 智能工控设备， p o s i a t m机) 、电子商务平台 ( 智能 卡应用，安全管理)等信息家电上，还可应用于与 i n t e rn e t 相联接的一切接入 设备，是未来信息家电的核心。 嵌入式i n t e r n e t 设备正逐渐成为我们生活中 可以 看见的东西。其中， 一些 是今天存在的，另一些则正在变为现实。它们将是一代在不经意中变得无处不 在的设备。为了出现一个全新普及的网络计算世界，需要给世界各地的亿万个 嵌入式计算机设备加入可靠的无线通信和传感的功能。对于大多数人，今天的 i n t e r n e t 是一个惊人的技术奇迹。 但是， 将来的网络将会达到复杂化和功能化的 水平， 使得今天的i n t e rne t 相比较之下看起来很原始， 这是因为i n t e r n e t 创造了 一个与现实世界隔离的网络世界。技术的发展将会使网络计算在我们日 常生活 中无处不在，这种普及来源于物质世界中的嵌入式技术和通信中的 i n t e r n e t 的 应用。 嵌入式 i n t e r n e t 系统的发展主要体现在芯片技术的进步上，以及在芯片技 术限制下的算法与软件的进步上。今天正在开发的嵌入式 i n t e r n e t 系统，到底 东 北大学 硕士学 位论文第二章 技术背景 第二章 技术背景 2 . 1 嵌入式i n t e r n e t 技术综述 嵌入式 i n t e r n e t 是近几年发展起来的一项新兴概念和技术，是指设备通过 嵌入式模块而非p c系统直接接入i n t e rn e t ，以i n t e r n e t 为介质实现信息交互的 过程，通常又称作非 p c式 i n t e rn e t 接入i l l 。国外许多大公司如 e m w a r e , m i c r o c h i p , s i i , s c e n i x 等成立了 嵌入式i n t e rn e t 联盟， 来专门 讨论和制定 嵌入 式i n t e r n e t 领域的标准和开发相关的技术。 嵌入式i n t e r n e t 技术是将网络世界中目 前已 经实现了的人与人之间的互联， 进一步发展成为人与设备、设备与设备之间的互联。确切地说，不仅要为数以 亿计的p c ， 而且更为那些内置计算机芯片的几乎所有电 子设备提供运算和联网 功能。导致这场革命的核心技术就是嵌入式 i n t e rne t 技术的发展和成熟。嵌入 式i n t e r n e t 技术的实现不仅可以广泛应用于: 移动计算平台 ( p p c p d a ) 、家庭 信息环境 ( 机顶盒， 数字电视) 、 通讯计算平台( 媒体手机) 、 车载计算平台( 导 航器) 、 工业、 商业控制 ( 智能工控设备， p o s i a t m机) 、电子商务平台 ( 智能 卡应用，安全管理)等信息家电上，还可应用于与 i n t e rn e t 相联接的一切接入 设备，是未来信息家电的核心。 嵌入式i n t e r n e t 设备正逐渐成为我们生活中 可以 看见的东西。其中， 一些 是今天存在的，另一些则正在变为现实。它们将是一代在不经意中变得无处不 在的设备。为了出现一个全新普及的网络计算世界，需要给世界各地的亿万个 嵌入式计算机设备加入可靠的无线通信和传感的功能。对于大多数人，今天的 i n t e r n e t 是一个惊人的技术奇迹。 但是， 将来的网络将会达到复杂化和功能化的 水平， 使得今天的i n t e rne t 相比较之下看起来很原始， 这是因为i n t e r n e t 创造了 一个与现实世界隔离的网络世界。技术的发展将会使网络计算在我们日 常生活 中无处不在，这种普及来源于物质世界中的嵌入式技术和通信中的 i n t e r n e t 的 应用。 嵌入式 i n t e r n e t 系统的发展主要体现在芯片技术的进步上，以及在芯片技 术限制下的算法与软件的进步上。今天正在开发的嵌入式 i n t e r n e t 系统，到底 东 北大学 硕士学 位 论文第 二章技术背 景 哪些明天定会取得应用上的成功，这是很难预料的。因为这不仅要取决于技术 的因素，还要取决于社会的因素。虽然预测未来是困难的，但不管怎样，展望 未来，明天的嵌入式 i n t e r n e t 系统将会比今天的更便宜、更小巧、更可靠、更 高效而且更智能化，因为这毕竟是它赖以发展并为人类所最能接受的简单而基 本的条件。 可以 看看我们今天在特殊场合中可能应用的具有了 这种嵌入式 i n t e rn e t 的 设备:家庭生活中的装置和设备;实验室中科学实验的可靠记录设备;关注病 人健康的全天自 动监测设备。我们己经知道了为这些应用所必需的技术基础: 快速的、 微型的、 节能的处理器; 大容量的、 廉价的计算机存储器; 支持i n t e r n e t 技术的w e b s e r v e r 和为这些设备设计的早期的软件。其中的一些技术为我们所 不知的， 但早已 在我们生活中普及。 大约有9 8 % 的处理器不是我们传统的桌面 计算机设备， 但这些处理器己应用在家庭生活中、 汽车上和工厂的机器设备上。 华盛顿大学的g a e t a n 。 先生和施乐公司p a l o a d o( 加利福尼亚州城市名) 研究中 心的r o y w a n t 先生指出 : 这些应用就快要成为现实了。 这一点 甚至于资 深的观察者都难以想象。工业界的合作，如b l u e t o o t h( 蓝牙技术)和h o m e r f ( 无线家用互联网协议)己经提出了嵌入式 i n t e r n e t设备的应用标准。基于 me m s( 微电 子结构系统)的稳定和精确的传感器在近几年里已 经添加到了 汽 车设备中。软件供应商正致力于为嵌入式 i n t e rn e t 计算机网络服务标准命名和 确立方向。w e b 页面已 经提供了标准界面来表达这些来自 于嵌入式 i n t e r n e t 系 统的全体数据。 绝大多数的情况可能在下一个5 年到 1 0 年内获得成功， 这还要依靠芯片生 产技术、无线电和传感器的设计技术和 i n t e rn e t 技术。一个更基本的前提是微 细加工技术能完成简单计算机、通信和传感技术。然而，即使如此，我们将如 何处理如谷粒或沙粒大小的嵌入式 i n t e rn e t 设备呢?我们将如何处理细胞工程 技术所能允许生产出的分子转换器呢?如果可以，比如个人细胞具有简单计算 机传感的能力，我们能够以一种有趣的方式来使他们连到 i n t e rne t 上吗?如果 这样发展下去， 我们可以使材料具有计算能力， 如智能涂料， 它能够通过i n t e rne t 向全世界汇报天气情况和非正常的建筑物受力情况。 这些情况，不管将来哪一种首先出现在普及的计算机世界中，如果它们真 的出现，我们希望在计算、通信和整个世界中，通过引入嵌入式 i n t e r n e t 设备 带来一场信息产业的革命，达到深刻的杏化。 东北大学硕士学位论文第二章 技术背景 2 .2嵌入式系统综述 2 .2 . 1嵌入式系统概述 目 前嵌入式系统技术己经成为了最热门的技术之一，吸引了大批的优秀人 才投入其中。但是对于何为嵌入式系统，什么样的技术又可以称之为嵌入式技 术，仍在讨论之中，有关嵌入式系统定义的问题，已经在很多论坛社区引发了 多次争论。就这个问 题我们可以分别从广义上和狭义上讲: 广而化之，可以认为凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可以称为嵌入 式系统。作为系统核心的微处理器又包括三类:微控制器 ( mc u ) 、数字信号 处理器 ( d s p ) 、 嵌入式微处理器 ( m p u ) 。 所以有人简单的说: “ 嵌入式系统是 指操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中。 ” 还有人认为嵌入式系统就 是 “ 以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对 功能、可靠性、 成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统” 。 应该说后者从 功能应用特征上比 较好的给出了嵌入式系统的定义，嵌入式的概念的分析根本 上应该从应用上加以切入。 从狭义上讲，我们更加强调那些使用嵌入式微处理器构成独立系统，具有 自己的操作系统并且具有某些特定功能的系统， 这里的微处理器专指犯位以上 的微处理器。按照这种定义，典型的嵌入式系统有使用x 8 6 的小型嵌入式工控 主板，在各种自 动化设备，数字机械产品中有非常广阔的应用空间;另外一大 类是使用i n t e l , m o t o r o l a 等专用芯片构成的小系统， 它不仅仅在新兴的消费电 子和通讯仪表等方面获得了巨大的发展应用空间，而且甚至有趋势取代传统的 工控机。现在大家更加清楚的看到:嵌入式技术的春天已经来了。所以也就难 怪嵌入式系统成为当前最热门的技术之一。 2 .2 . 2嵌入式系统的组成 嵌入式系统一般指非 p c系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理 器 / 微处理 器、 存储器及 外 设器 件和1 / o 端口 、 图 形扩展 器等; 软 件 部分包 括操 作系统软件 ( o s ) 和应用软件。 设计人员有时把这两种软件组合在一起，由 应 用软件控制系统的运作和行为;而操作系统控制应用软件与硬件的交互。 嵌入 东北大学硕士学位论文第二章 技术背景 2 .2嵌入式系统综述 2 .2 . 1嵌入式系统概述 目 前嵌入式系统技术己经成为了最热门的技术之一，吸引了大批的优秀人 才投入其中。但是对于何为嵌入式系统，什么样的技术又可以称之为嵌入式技 术，仍在讨论之中，有关嵌入式系统定义的问题，已经在很多论坛社区引发了 多次争论。就这个问 题我们可以分别从广义上和狭义上讲: 广而化之，可以认为凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可以称为嵌入 式系统。作为系统核心的微处理器又包括三类:微控制器 ( mc u ) 、数字信号 处理器 ( d s p ) 、 嵌入式微处理器 ( m p u ) 。 所以有人简单的说: “ 嵌入式系统是 指操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中。 ” 还有人认为嵌入式系统就 是 “ 以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对 功能、可靠性、 成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统” 。 应该说后者从 功能应用特征上比 较好的给出了嵌入式系统的定义，嵌入式的概念的分析根本 上应该从应用上加以切入。 从狭义上讲，我们更加强调那些使用嵌入式微处理器构成独立系统，具有 自己的操作系统并且具有某些特定功能的系统， 这里的微处理器专指犯位以上 的微处理器。按照这种定义，典型的嵌入式系统有使用x 8 6 的小型嵌入式工控 主板，在各种自 动化设备，数字机械产品中有非常广阔的应用空间;另外一大 类是使用i n t e l , m o t o r o l a 等专用芯片构成的小系统， 它不仅仅在新兴的消费电 子和通讯仪表等方面获得了巨大的发展应用空间，而且甚至有趋势取代传统的 工控机。现在大家更加清楚的看到:嵌入式技术的春天已经来了。所以也就难 怪嵌入式系统成为当前最热门的技术之一。 2 .2 . 2嵌入式系统的组成 嵌入式系统一般指非 p c系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理 器 / 微处理 器、 存储器及 外 设器 件和1 / o 端口 、 图 形扩展 器等; 软 件 部分包 括操 作系统软件 ( o s ) 和应用软件。 设计人员有时把这两种软件组合在一起，由 应 用软件控制系统的运作和行为;而操作系统控制应用软件与硬件的交互。 嵌入 东 北大学 硕士学 位论文第 二 章 技术背 景 式系统主要包括四个部分: 嵌入式微处理器、 外围硬件设备、 嵌入式操作系统， 以及应用软件系统。如图2 . 1 所示。 、 用 软 ， 嵌入式操作系统 软件平台 以 微处理器/ 微控制 器为核心的硬件平台 图2 . 1 嵌入式系统结构 f i g .2 . 1 t h e a r c h i t e c t u r e o f e m b e d d e d s y s t e m s 2 . 2 . 3嵌入式系统硬件部分 ( 1 ) 嵌入式处理器的特点 嵌入式系统的核心是嵌入式处理器。 嵌入式处理器一般具备以下4 个特点: ( a ) 对实时多任务有很强的支持能力、 能够完成多任务并且具有较短的中断 响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间缩减到最低限度。 ( b ) 具有很强的存储区保护功能，这是由于嵌入式系统的软件结构己模块 化，而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，同时这也利于软件的诊断。 ( c ) 可扩展的处理器结构， 以 便能最迅速地开发出满足应用的最高的嵌入式 处理器。 ( d ) 嵌入式处理器必须功耗很低， 尤其对用于便携式的无线及移动计算和通 信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此， 一般功耗限制在m w甚至u w级。 ( 2 ) 嵌入式处理器的分类 几乎每个半导体厂家都生产自己的嵌入式处理器，越来越多的公司成立了 自己的嵌入式处理器设计部门。嵌入式处理器的功能跨度很广，寻址空间从 东 北大学 硕士学 位论文第 二 章 技术背 景 式系统主要包括四个部分: 嵌入式微处理器、 外围硬件设备、 嵌入式操作系统， 以及应用软件系统。如图2 . 1 所示。 、 用 软 ， 嵌入式操作系统 软件平台 以 微处理器/ 微控制 器为核心的硬件平台 图2 . 1 嵌入式系统结构 f i g .2 . 1 t h e a r c h i t e c t u r e o f e m b e d d e d s y s t e m s 2 . 2 . 3嵌入式系统硬件部分 ( 1 ) 嵌入式处理器的特点 嵌入式系统的核心是嵌入式处理器。 嵌入式处理器一般具备以下4 个特点: ( a ) 对实时多任务有很强的支持能力、 能够完成多任务并且具有较短的中断 响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间缩减到最低限度。 ( b ) 具有很强的存储区保护功能，这是由于嵌入式系统的软件结构己模块 化，而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，同时这也利于软件的诊断。 ( c ) 可扩展的处理器结构， 以 便能最迅速地开发出满足应用的最高的嵌入式 处理器。 ( d ) 嵌入式处理器必须功耗很低， 尤其对用于便携式的无线及移动计算和通 信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此， 一般功耗限制在m w甚至u w级。 ( 2 ) 嵌入式处理器的分类 几乎每个半导体厂家都生产自己的嵌入式处理器，越来越多的公司成立了 自己的嵌入式处理器设计部门。嵌入式处理器的功能跨度很广，寻址空间从 东 北大学 硕士学 位论文第 二章技术背 景 6 4 k b到1 6 mb ， 处理速度从o i m i p s 到2 0 0 0 mi p s ， 常用封装从8 个引脚到 1 4 4 个引脚。目前，嵌入式处理器主要可以分为如下几类: ( a ) 嵌入式微处理器 嵌入式微处理器就是通用计算机里面对应的c p u 在应用中，一般是将微 处理器装配在专门设计的电路板上， 在母板上只保留和嵌入式相关的功能即可。 这样可以满足嵌入式系统体积和功耗大幅度减小的要求。目 前的嵌入式处理器 主要包括有 a m1 8 6 / 8 8 , 3 8 6 e x , s c - 4 0 0 , p o w e r p c , mo t o r o l a 6 8 0 0 0 , mi p s , a r m系列等等。 ( b ) 嵌入式微控制器 嵌入式微控制器又称单片机。 它是将一整个计算机系统集成到一块芯片上。 一般在单片机里面以一块嵌入式微处理器内核为核心，然后集成上 r o m / e p r o m , r a m、总线、 总线逻辑、 定时 / 计数器、 w a t c h d o g , 1 / o 、串 行 口、 脉宽调制输出、 a / d , d / a , f l a s h r a m, e e p r o m等等必要的产品和功能 外设。因为这些功能外设是集成在这块单片机芯片中的，因此需要生产出一系 列的产品方便用户的定制。目前的嵌入式微控制器主要有 8 0 5 1 , p 5 1 x a, mc s - 2 5 1 , mc s - 9 6 / 1 9 6 / 2 9 6 , c 1 6 6 / 1 6 7 , mc 6 8 h c 0 5 / 1 1 / 1 2 / 1 6 , 6 8 3 0 0 等等。目 前的嵌入式市场由 单片机占 领了约7 0 %的市场份额。 ( c ) 嵌入式d s p 处理器 在d s p ( d i g it a l s i g n a l p r o c e s s o r ) 中 专门 为 系统 结构 和指 令系统 进行设 计， 提高了编译效率和执行速度。在数字滤波、f f t 、谱分析、图像处理分析等领 域，d s p 正在大量进入嵌入式市场。 因为现在嵌入式系统的智能化例如需要推出各种带有智能逻辑的消费类产 品，生物信息识别终端， a d s l接入等都需要实现运算量较大的智能化算法， 而这些正是d s p 的强项。 目 前采用最多的是t i 公司的t ms 3 2 0 系列和mo t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 0 系列。 ( d ) 嵌 入式 片上系 统( s y s t e m