（计算机系统结构专业论文）基于windows+ce操作系统下usb设备驱动程序研究与开发.pdf

摘要 摘要 w i n d o w sc e 操作系统是微软针对嵌入式领域开发的一个全新的操作系统，具 备抢占式多任务功能以及强大的通信能力，广泛应用在信息设备、移动设备、电 子产品以及嵌入式应用等非p c 领域。随着计算机技术、网络技术和多媒体通信技 术的发展，以及p d a 、信息家电、机顶盒等为代表的嵌入式系统应用的广泛发展， 嵌入式系统已经越来越走近普通人的生活，随之而来的，就是对嵌入式软、硬件 设计的广泛需要。 本课题所涉及的研究方向是探索在、m n d o w sc e5 0 嵌入式操作系统下进行 u s b 总线设备驱动程序开发相关原理。u s b 总线已经成为微机与功能繁多的外部 设备连接的重要标准手段，所以以、i n d o w sc e5 0 为操作系统的嵌入式产品具备 对u s b 总线的支持将能连接更多的具有u s b 总线接口形式的功能设备，扩大产品 的应用领域，成为该产品的一个突出竞争优势。因此本课题的研究内容具有很大 的理论意义以及实际应用价值。 在研究过程中，由于在嵌入式系统下开发u s b 总线驱动的相关成果资料较少， 本课题横向类比了相关领域如w i n d o w s ，l i n u x 系统下u s b 总线设备驱动程序开 发的各类成熟和较成熟思想，结合、i n d o w sc e 操作系统下开发相关的各种中英文 资料，并分析该操作系统自带的各种驱动源代码示例，从而提出以流驱动模式为 策略的框架下具体开发该类总线设备驱动程序的流程。 分析w i n d o w sc e 操作系统对于u s b 总线的支持，并结合在a r m s y s 2 4 1 0 嵌入式开发板上关于w 曲e y e2 0 0 0 的u s b 摄像头的开发步骤，详细阐述了w i n d o w s c e 下u s b 摄像头驱动程序开发的策略，并根据该策略开发出u s b 总线实验设备 的驱动程序，这是本课题的主体部分。由于针对的应用领域不同，相对于成熟的 如w i n d o w s ，l i n u x 等大型操作系统，、n d o w sc e 嵌入式系统中设备驱动程序开 发机制较为精简，可以根据不同的功能设备灵活的实现二者的通信。本文所总结 的驱动开发策略是流驱动的形式，可以运用于产生流式数据的设备或者与这种方 式相关相近的设备驱动程序开发中。 关键词：w i n d o w sc e 嵌入式操作系统，流驱动，u s b 设备驱动，u s b d 协议 栈入口函数。 a b s t r a c t a b s t r a c t w i n d o w sc ei sai l e 、叩e r a t i n gs y s t 锄f o r 锄b e d d e dd “e l o p m e n t b e c a u s eo f i t s p r e e m 州v em u l t i - t a s kc a p a b i l i t y 锄dp o w e r 如1 c o m m u m c a t i o na b i l i t y ，i ti s i m p l e m e l l t e dw i d d yi nt h ei n f o 彻a t i o ne q u i p m e l l t m o b i l ed e v i c e s ，e l e c t n i cp r o d l i c t s ， e i l l b e d d e d 印p l i c a t i o n sa i l de v 饥n o n p c6 e l d s t h e 锄b e d d e ds y s t e i i lh a sc o m ei n t o p e o p l e sd a i l yh f ew i m m ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n 0 1 0 9 y n e f w o r k j n g t e c m o l o g y ，m u l t i m e d i ac o m m u l l i c a t i o n 佃c b j l o l o g 蜘锄dw i t ht h ew i d eu s eo fe i ：n b e d l e d p r o d u c t s ，f o re x 锄p l e ，p d a ，i n f o n i l a t i o na p p l i a i l c e ，s t ba 1 1 ds oo n 1 kd e v e l o p m e n t a n dw i d eu s eo f 锄b e d d e ds y s t e n lp u tf o r w a r dd e m a n d sf o rs o r w a r e 觚dh a r d w a r e i m p r 0 v 锄e n t s 7 m st o p i ci st oe x p l o r et l l ep r i n c i p l e so fu s bb u sd r i v e rp r o 伊跗1d e v e l o p m e l l to n m ew i n d o w sc e5 oo p e r a t i n gs y s t e m u s bb u sh a sb e c o m es t a j l d a r dm e a n so ft l l e c o n n e c t i o no fp ca i l de x t e m a ld e v i c e sn o w w i n d o w sc e5 on ch o s t sw i t ht l l es u p p o r t o ft 1 1 eu s bb u sw i l lb ea b l et 0c o l l i l e c tm o r eu s bb u si n t e r f a c ef i m c t i o n se q u i p m e n t a i l de x p a n dm ea r e ao ft h ea p p l i c a t i o n ，w m c hw i l lb e c o m ea 1 1o u t s t a l l d i n gc o m p e t i t i v e a d v a n t a g ef o r t h ep m d u c t n u s l ei s s u eo fm i sc o n t e i l th a sg r e a tt l l e o r e t i c a l s i 印i f i c a l l c ea n dp r a c t i c a la p p l i c “o nv a l u e t 1 1 e r ea r es of e wd a t aa b o u tt h ed e v e l o p m e n to fu s bb u sd e v i c ed 打v e ru n d e r 钮1 b e d d e ds y s t e mf o r s t u d ya 1 1 dr e s e 鲫c h ，s of i r s t l y t h i s t o p i cc o m 】? a r e d l e d e v e l o p m e n tu s b b u sd e v i c ed r i v c ru n d e rw i n d o w sa n dl i n u ) 【，锄dn 1 锄s t u d i e dt 1 1 e o l l l i n ee n 百i s ha n do t l l e rr e l a t e dd o c 眦e n t s ，i ta n a l y z e ds o r t so fd e v i c ed v e r ss o u r c e d e si nw i n d o w sc e o p e r a t i n gs y s t e m ，a t1 a 文t h i st o p i cp r o p o s e dan e wd e v e l o p m e n t w o r k n o wo fu s bb u sd e v i c ed r i v e rp r o 伊锄，w 1 1 i c hi sb a s e do nt h e 劬m e w o r ko f s t r 。e 锄d r i v e rm o d e ls t r a t e 盱 t h em a i np a no f t l i i sp a p e ri st oa n a l y z et 1 1 es u p p o r to f w 证d o w sc e o sf o ru s b b u s ，e l a b o r a t eo nt h es t r a t e g yo fu s bc 锄e r a s “v e rp r o 芦锄d e v e l o p m e l l t ，w h i c h c o m b i n e st h ed e v e l o p m e i l tp r o c e s so fw 曲e y e2 0 0 0u s bc 锄e r ao n 删s y s 2 4 1 0 d e v e l o p m e n tb o a r d ，a n dd e v e l o pt 1 1 e 缸v e rp r 0 伊锄o fe x p 谢m e i l t a le q u i p m e n t su s b b l l s c o m p a r e dw i m t h e l a 唱eo p e r a t i n gs y s t e m ss u c ha sw i n d o w sa n dl i n u x ，m ed e s i 舯 a b s t r a c t m e c h a j l i s mo fd e v i c ed r i v c fi nw i n d o w sc e 锄b e d d e ds y s t e mi ss i m p l e y o uc 0 u l d i m p l 锄e n t n e x i b l ec o n u l l i c a t i o nb e t w e e nw i n d o w sc e s y s t e n la n dd i 航r e n t p 甜p h e r a le q u i p m e n t s t h es t r e 锄一d d v e rm o d e ls 仃a t e g ys u m m a r i z e db yt h i sp a p e rc a n b e 印p l i e dt om es t r e 锄d a t ag e i l e r a t ee q u i p m e n to rs i m i l a rd e 访c ed r i v e rd e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：w i n d o w sc e 锄b e d d e do p e r a t i n gs y s t e i i l ，s t r e 锄拍v u s bd 嘶c e d r i v e r s ，u s b dp r o t o c o ls t a c k si m p o r t 矗m c t i o n i i i 主要术语表 主要术语表 v i 图索弓 图索引 2 1 嵌入式开发板逻辑结构图4 2 2 删处理器的组织结构图5 2 3s 3 c 2 4 1 0 内部结构图7 2 _ 4a r m s y s 2 4 1o 存储空间分配8 2 5w i n d o w sc e 操作系统模型图l o 3 1e v c 开发界面l9 3 2u s b 描述符类型2 1 3 3 流接口驱动架构2 9 3 4 、i n d o w sc e 操作系统下u s b 结构图3 4 4 1u s b 设备描述符3 9 4 2u s b 驱动程序执行流程4 2 4 3u s b 设备端点和管道的拓朴结构图。4 4 4 - 4u s b i n s t a l l d r i v e r ( ) 函数实现流程图4 9 4 5u s b d e v i c e a t t a c h ( ) 函数实现流程如图5 l 4 6u s b d e v i c e n o t i f i c a t i o n 函数实现流程如图一5 3 4 7u s b u n i n s t a l l d r i v 呱) 函数实现流程图一5 4 4 - 8i s s u e i s o c h t r a n s 矗川) 函数实现流程图5 8 4 9 视频捕捉图6 4 v i i 图图图图图图图图图图图图图图图图图图 表索弓 表索引 表2 1w i n d o w sc e 注册表根键1 6 表2 2 与注册表有关的注册表函数1 6 表2 3 与键值有关的注册表函数1 6 v i i i 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作了明 确的说明并表示谢意。 签名垒缝笙 日期：年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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。本人授权电子科技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应遵守此规定) 签名：进鲣导师签名：歪! 量互三 日期：年月日 第一章绪论 1 1 课题背景与意义 第一章绪论 嵌入式系统以应用为中心，以计算机技术为基础，采用可剪裁软硬件，适用 于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。它一般 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的应用程序等4 个 部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理功能。嵌入式系统最典型的 特点是与人们的日常生活紧密相关，任何一个普通人都可能拥有各类运用了嵌入 式技术的电子产品。事实上，新型嵌入式设备在数量上已经远远超过了通用计算 机。 近年来，由嵌入式系统所控制的嵌入式产品越来越多应用到人们的生活当中， 与我们的日常生活息息相关。大到航空航天领域和工厂流水线，工业机器人，小 到手机、m p 3 、掌上通，日常生活中的扫描仪，数码相机，触摸屏，机顶盒，银 行a t m 等等各种形态的产品极大满足了人们的日常需求。由多媒体信息构成的家 庭小型网络、未来数字家庭、汽车电子、平板电视和信息安全将成为未来嵌入式 应用的主要领域【。3 c ( c o m p u 衙，c o i 砌u 1 1 i c a t i o n ，c o n s u m e r ) 与3 g 都将为嵌入 式系统在消费电子领域提供更多商机。所以嵌入式应用领域市场有着无比广阔的 市场需求和发展前景1 2 j 。 嵌入式系统是相对于常见的个人p c 和专用的大型、小型机系统而言的，是一 种应用广泛的系统软件。通常所说的嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t 锄s ) 的含义为：以 具体的产品为形态，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统具体 需求，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统【3 1 。从八十 年代末开始，陆续出现了一些嵌入式操作系统，比较著名的有v x w o r k s 、p s o s 、 n e c u l e u s 和、i n d o w sc e n e t ，嵌入式l i i l u x 等。、i n d o w sc e n e t 是微软公司推出 的一种嵌入式操作系统，主要是面对低端的智能化移动电子设备如通信设备、消 费类电子产品、嵌入式应用等非p c 领域【4 j o 、i n d o w sc e n e t 是一个3 2 位、多任 务、多线程的实时嵌入式操作系统，包含大量的新增特性和改进特性，如蓝牙 ( b l u e t o o t h ) 和8 0 2 1 1 零配置设定等无线技术；设备仿真特性可以对完整的设备 环境进行仿真而无需任何额外的硬件投资：可以利用平台向导特性从众多的预置 电子科技大学硕士学位论文 设备设计中进行选择；丰富的多媒体和w e b 浏览功能以及强大的联网能力，实时 性和小内存体积占用使得w i n d o w sc e n e t 成为各个不同领域嵌入式操作系统的首 选。此外由于w i n d o w sc e n e t 系统的开发环境及流程与桌面操作系统w i n d o w s 有很多的相似性，因此受到广大从事嵌入式领域开发的程序员的欢迎【5 】。 嵌入式设备是嵌入式系统的传统应用领域，也是嵌入式市场需求较多，增长 较快的市场。在桌面p c 系统正在向多媒体、通信及大容量存储等高端应用的领域 发展的时候，源于二者的应用需求不同，嵌入式设备领域的系统设计者需要的是 小尺寸和低功耗以及软件与桌面p c 兼容这样的特性。嵌入式设备操作系统需要严 格的实时处理功能，高可靠性，良好的开放性，对人机界面、开发环境、可操作 性、成本等也有特别的要求。鉴于此，嵌入式市场将遵循它特定的发展方向。 人们需要使用p c 机和嵌入式设备通信，甚至让嵌入式设备作为主机和其他嵌 入式设备通信。在各种数据传输方式中，通用串行总线( u s b ) 以其具备的诸多 优势，越来越受到欢迎。u s b 最早出现于1 9 9 4 年1 1 月，目的是简化p c 外设的连 接，使p c 接口的扩展更加容易。u s b 具有数据传输可靠、速度快、即插即用、节 省系统资源、成本低、兼容性好等一系列优点，是计算机外设连接技术的重大变 革。经过多年发展，目前u s b 已经发展到2 0 版本，支持低速( 1 5 m b s ) 、全速 ( 1 2 m s ) 、高速( 4 8 0 m s ) 三种传输速率，并且出现了u s bo t g 等补充协议。 目前u s b 已经成为p c 机必备的通信接口。而u s b 总线是由i i l t e l 、m i c r o s o r 、 c o m p a q 、n e c 等几家大型的计算机软硬件厂商联合推出的新型的计算机外围设备 串行通信接口标准。短短的十几年中，u s b 总线已经成为微机外设连接的重要标 准手段，其技术得到了广泛的应用。随着u s b 设备的普及，特别是对于一些嵌入 式开发厂商来讲，由于设备所采用的操作系统不同，相应的硬件接口也不一样， 嵌入式开发人员的驱动程序开发任务也变得越来越繁重【6 】。能够支持已有的各种 u s b 总线功能设备，将扩大嵌入式产品的应用领域和不同的市场需求，因此开发 相关操作系统的u s b 总线设备驱动程序具有很大的实际意义。 本论文以嵌入式系统应用为背景，在以杭州立宇泰公司提供的a i 洲s y s 2 4 1 0 开发板上进行u s b 设备驱动程序的开发研究工作。u s b 总线现今已经成为计算机 外设非常通用的接口总线，所以嵌入式产品对于u s b 接口也有着不同层次的支持。 本论文中所使用的操作系统w i l l d o w sc e 是微软针对嵌入式领域开发的一个全新 的系统，具备抢先式多任务功能以及强大的通信能力，专门应用在信息设备、移 动设备、电子产品以及嵌入式应用等非p c 领域。在嵌入式操作系统w i n d o w sc e 下实现系统支持u s b 总线设备将会大大增加主机挂接外部设备的能力，是主机具 2 第一章绪论 备多种多样的功能。由于在w i n d o w sc e 操作系统下开发u s b 设备驱动程序的相 关资料较少，在刚开始阶段很大程度上是要参考其它较成熟的操作系统下u s b 总 线设备驱动程序的开发资料。 1 2 项目目标 本课题的目标是：在基于杭州立宇泰公司提供的删s y s 2 4 1 0 嵌入式开发 板上，移植、m n d o w sc e n e t5 0 嵌入式操作系统，实现具有u s b 接口的摄像头 驱动程序。该课题要求研究分析u s b 通用串行总线协议的基本原理以及如何在 该嵌入式系统下开发u s b 总线设备驱动程序，并提出整套可行的实施方案。 1 3 论文组织 本论文其余部分组织如下： 第二章是嵌入式系统整体架构分析。主要介绍嵌入式系统开发的硬件平台， 嵌入式w i n d o w sc e 操作系统及其在本次论文中用到较多的注册表和设备管理器 分析。 第三章是、i n d o w sc e 操作系统下u s b 驱动概述。主要介绍了、研n d o w sc e 操作系统下开发u s b 驱动程序所要用到的开发环境，u s b 总线协议相关技术分析 及w i n d o w sc e 嵌入式操作系统下流接口驱动架构及u s b 驱动的实现。 第四章是w i n d o w sc e 嵌入式操作系统下u s b 摄像头驱动程序开发及其入口 函数和主要函数模块的设计实现。 第五章结论与展望。总结论文的意义、目的和工作内容。 1 4 本章小结 本章简要描述了本次课题的背景与意义、项目的目标，以及论文的总体组织。 随着嵌入式技术在应用领域的快速发展，在w i i l d o w sc e n e t 操作系统下开发u s b 总线设备驱动程序是具有重要的意义的。 电子科技大学硕士学位论文 第二章嵌入式系统整体框架分析 2 1 硬件开发平台 本次实验选用的是杭州立宇泰电子有限公司提供的a i 洲s y s 2 4 1 0 一b 嵌入式 开发套件，其综合实验开发板逻辑结构如图2 1 所示【7 】： 2 1 1 微处理器 图2 1 嵌入式开发板逻辑结构图 本次实验的开发板配置了1 6 3 2 位r i s c 处理器s 3 c 2 4 1 0 ，s 3 c 2 4 1 0 微处理器 是一款由s 锄s u n g 公司为手持设备设计的低功耗、高集成度且内含一个a r m 9 2 0 t 核微处理器，a r m 即a d v a n c e dr i s cm a c l l i n e s 的缩写。 a r m 处理器的三大特点： ( 1 ) 小体积、低功耗、成本低、高性能 ( 2 ) 1 6 位3 2 位双指令集 ( 3 ) 全球众多合作伙伴 4 第二章嵌入式系统整体框架分析 删处理器本身是3 2 位设计，但也配备1 6 位指令集，以允许软件编码为更 短的1 6 位指令。与等价的3 2 位代码相比，占用的存储器空间节省达3 5 ，t i l u n 曲 状态与正常的a i 蝴状态之间是零开销切换。a 1 w 处理器当前有5 个产品系列： a r m 7 ，a r m 9 ，a r m 9 e ，a r m l 0 和s e c u r c o r e 。a i 己m 7 ，a r m 9 ，a r m 9 e 和a r m l o 是4 个通用处理器系列。其中，a i 蝴9 2 0 t 系列是高性能和低功耗特性方面最佳的 处理器【8 】。它具有： 5 级流水线 提供1 1 m 口s m h z 的哈佛结构 全性能m m u 指令和数据c s c h e 高速a m b a 基于总线的接口 剐b a 总线是一个己建立的、用于s o c 设计框架的开放标准。她很快崛起并 成为构建s o c 和开发i p 库的事实标准。目前，a m b a 先进的高性能总线( a h b ) 接口正由所有新的a 姒处理提供支持，设计者能够开发具有全同步设计的系统。 通过提供总线解决方法，多层a h b 代表了一个重要的进展。总线解决方法适用于 多主机系统，减少了延迟时间并增加了带宽。多层a h b ( a m b a ) 完全与当前的a h b 规范兼容。删处理器的组织结构图如图2 2 所示： m m u 双8 k c a c h e 嵌入式i c h e t m 9 接口 a i 己m v 4 t n l u m b 扩充 a s b 接口 图2 2 删处理器的组织结构图 s 3 c 2 4 1 0 处理器是s m a s u n g 公司基于a r m 公司的a r m 9 2 0 t 处理器核，采用 o 1 8 m u 制造工艺的3 2 位微控制器。该处理器拥有：独立的1 6 l 指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e ，m m u ，支持t f t 的l c d 控制器，n a n d 闪存控制器，3 路u a i ， 4 路d m a ，4 路带p w m 的t i m e r ，i o 口，i 汀c ，8 路1 0 位a d c ，t o u e hs c r e e n 接口，i i c 。b u s 接口，i i s b u s 接口，2 个u s b 主机，1 个u s b 设备，s d 主机和 m m c 接口，2 路s p i 。s 3 c 2 4 1 0 处理器最高可运行在2 0 3 m h z 下【9 1 。 s 电子科技大学硕士学位论文 s 3 c 2 4 l o 内部结构图如图2 3 所示： 通过提供一系列的完整的系统外围设备，s 3 c 2 4 1 0 大大减少了整个系统的成 本。消除了为系统配制额外器件的需要，s 3 c 2 4 1 0 主要集成了以下片上功能： 1 8 v 2 0 v 内核供电，3 3 v 的存储器供电，3 3 v 的外部i o 供电 具备1 6 k b 的i c a c h e 和1 6 k b 的d c a c h e m m u 外部存储控制器( s d r a m 控制和片选逻辑) l c d 控制器提供l 通道l c d 专用d m a 4 通道d m a 并有外部请求引脚 3 通道u 灿盯2 通道s p i l 通道多主i i c b u s 1 通道i i s b u s 控制器 兼容s d 主接口协议1 0 版本和m m c 卡协议2 1 1 兼容版 2 端口u s b 主栅l 端口u s b 设备( 1 1 版) 4 通道p w m 定时器和1 通道内部定时器 看门狗定时器 1 1 7 个通用i o 口和2 4 通道外部中断源 功耗控制模式：具有普通、慢速、空闲和掉电模式 8 通道1 0 比特a d c 和触摸屏接口 具用日历功能的中i 盯c 具用p l l 片上时钟发生器 6 第二章嵌入式系统整体框架分析 图2 3s 3 c 2 4 1 0 内部结构图 7 电子科技大学硕士学位论文 2 1 2 存储器 s 3 c 2 4 1 0 处理器可以对9 个b a n k 进行寻址，每个b a n k 最大的地址空间是 1 2 8 m ；为了使处理器对各个设备的访问互不干扰，我们将不同的设备映射到不同 的b a n k 内。在删s y s 2 4 1 0 开发板上，删s y s 2 4 1 0 存储空间分配如图2 4 所 示，可以看到，除了b 觚l ( o 分配给了n o 川a s h ，b a n k 3 分配给了以太网控制器设备， b a n k 6 分配给了s d ra m ，其它空间还末分配。 0 m 【1 ：o 】= 0 1 ，l oo m 【1 ：0 产o o o x f f f ff f f f o x 6 0 0 0 o o o o o x 4 8 0 0 0 0 0 0 o x 4 0 0 0o f f f 0 x 4 0 0 0 o o o o 0 x 3 8 0 0 0 0 0 0 o 【3 0 0 0o 0 0 0 o x 2 8 0 0 o 0 0 0 o x 2 0 0 0 o 0 0 0 o x l 8 0 0 o o o o o x l 0 0 00 0 0 0 o x 0 8 0 0o o o o o x 0 0 0 0o o o o n o t u s e d s f r a r e a 没有采用n 勰d f l 驾h 做为启动r o m采用n 卸d n 雒h 做为启动r o m 图2 4a r m s y s 2 4 1 0 存储空间分配 2 1 2 1n a n d f l a s h 存储器 a r m s y s 2 4 1 0 的核心板上包含6 4 mn a n d f l a s h 存储器，内部可以存放启动 代码( 2 4 l0 l o a d e 怕o o t l o a d e r ) ，或者、i n d o w sc e 映像文件。 2 1 2 2s d r a m 存储器 核心板包含6 4 ms d 洲，用于设置程序堆栈和存放各种变量。由两片1 6 位 数据宽度的s d 洲存储器并联为3 2 位数据宽度的s d r a m 存储系统，并映射到 s 3 c 2 4 1 0 的b a n k 6 ，地址范围从0 x 3 0 0 0 0 0 0 0 0 x 3 3 f f f f f f 。 第二章嵌入式系统整体框架分析 2 1 2 3n o r f l a s h 存储器 s 3 c 2 4 1 0 核心板上包含1 m b 的n o r f l a s h 存储器( 2 9 l v 8 0 0 ) ，内部可以存放少 量启动代码( 例如u 2 4 1 0 m o n b i n ) ，n o i 讧l a s h 存储器映像到s 3 c 2 4 1 0 的b a n k 0 ，地 址范围是从0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 0 x 0 0 1 0 0 0 0 0 。 2 1 3u s b 接口 s 3 c 2 4 1 0 a 带有2 个u s b 口，一个固定为h o s t ，另一个可配置成h o s t 或d e v i c e 。 在a i m s y s 2 4 10 上引出了2 个h o s t ( u s b l j o w n 、u s b l ) 口，一个s l a v e ( u s b 2 ) 口供用户使用。其中u s b l - d o w n 固定做为h o s t 使用，u s b l u p 和u s b 2 不能同 时使用，需要使用s l 拨动开关切换哪一个有效。 2 1 4u a l 异步串行通信口 a i w s y s 2 4 1 0 上提供3 路串口( 每路都可配置成查询方式，中断方式，或d m a 工作模式) 。其中c o m l 具有7 路r s 2 3 2 电平信号，c o m 2 具有5 路r s 2 3 2 电平 信号，这样的设计使串中适合与m o d 锄设备接口。3 个串口都经过r s 2 3 2 电平转 换后引出，其中c o m l 做为缺省的信息输出口。 2 1 5 触摸屏 a r m s y s 2 4 1 0 嵌入式开发系统提供了s h 6 时8 0 英寸真彩t f t 型液晶屏模 块，模块带有一块背板，并配有+ 1 2 v 电源。 2 1 6 系统电源 s 3 c 2 4 1 0 系统内核采用1 8 v 供电，外围采用3 3 v 供电。因此开发板有外部电 源提供5 v 电源，经芯片可为外设提供2 5 a 电流，保证用户扩展的需要。而i 盯c ( 实 时时钟) 考虑到开发板断电后继续工作，故采用锂电池单独供电。 2 2 操作系统概述 w 缸d o w sc e 是为各种嵌入式系统和产品设计的一种压缩的、具有高效的、可 升级的操作系统。其多线性、多任务、全优先的操作系统环境是专门针对资源有 限而设计的，这种模块化设计使嵌入式系统开发者和应用开发者能够定做各种产 9 电子科技大学硕士学位论文 品，例如家用电器，专门的工业控制和嵌入式通信设备。w i n d o w sc e 支持各种硬 件外围设备及网络系统；包括键盘、鼠标设备、串行端口、以太网连接器、调制 解调器、通用串行总线( u s b ) 设备、音频设备、并行端口、打印设备及存储设备， 例如p c 卡。w i n d o w sc e 的设计目标是：模块化及可伸缩性、实时性能好，通信 能力强大，支持多种c p u 【10 1 。 w i n d o w sc e 的架构 i 女一1 。i 客户应用程序 应用层 1 n 钯m 吼各尸服务l 用户接口 w i n d o w sc e 应用程序 国际化 客户和服务开发 坦椎磊缔昆 c o r e d l l 对象存储 多媒体图形窗口和事件子设备通信服务 技术系统 管理器 和网络 核心 o a l o e m 驱动程序 启动加载程序ii 配置文件 、 硬件层7 图2 5w 铀d o w sc e 操作系统模型图 w i n d o w sc e 的操作系统模型图2 5 所示。在图中可看出操作系统分为四层， 最低层是硬件层，指由c p u 、存储器、i o 端口、扩展板卡等硬件设备组成的嵌入 式硬件系统。中间两层是操作系统层和o e m 层，这两层构成了实际的操作系统， 1 0 第二章嵌入式系统整体框架分析 最顶层是应用层【l l 】。 2 2 1w i n d o w sc e 操作系统核心特性 1 内存架构 w i l l d o w sc e 操作系统提供了灵活的内存访问机制，使系统中不同类型的应用 程序可以充分的使用系统提供的洲、r o m 以及闪存，并有选择的有效利用处 理器提供的虚存、保护等功能。内存管理可以分为三个部分： ( 1 ) 物理页面管理：主要负责跟踪系统的物理内存的使用情况，为换页程序抓 取有用的物理页面，释放不使用的物理页面等； ( 2 ) 虚存管理：主要管理系统的地址映射，页面的换进换出等； ( 3 ) 堆管理：主要管理进程空间内部的动态内存释放与回收，以支持程序的动 态数据结构。 在系统中3 2 位的虚拟地址提供了4 g 的虚拟空间，对于嵌入式应用来说，内 存一般很小，因而系统在使用内存方面做了些限制，以实现更高的存储管理。这 些限制包括：大量的系统保留空间，这些地址空间实际上经常不被映射到任何物 理页面；系统进程数量最多只有3 2 个，每个进程的实际可用内存空间受限制( 3 2 m ) ； 有固定的进程共享内存；有r o m 地址映射【1 2 】。 由于限定了进程空间的大小和进程的数目，内存布局变得相对简单，系统提 供3 3 个s l o t ( 内存槽) 供这些进程使用，其中s l o t o 是全局的共享内存，底部的一些 s l o t 由重要的系统进程使用核心部分的s t a t i c r t u a la d d r e s s e s 部分专门用来映射 r o m 、外设等资源。n ks 1 0 t 是n k e 的进程空间，n k e x e 是一个核心态进程， 包括了操作系统核心的代码。对物理内存相对比较紧缺的系统来说，进程空间和 进程数目的限制能力将有效地缓解内存系统可能的压力。例如，某个应用系统限 制6 个进程，那么系统映射中将永远不会用到多于7 个的s l o t ，系统做地址映射， 将可以不必关心别的部分。 2 调度 w i n d o w sc e 操作系统提供了多级别的调度能力，它的调度器基本上可以看成 一个具有增强实时性能的、更多体系结构的、结构简单的w i n d o w sx p 调度器。 3 实时能力 w i n d o w sc e 操作系统实时能力的设计目标参考了大量g m p t g ( g e n e r a l m o r o r sp o w e n r a i ng r o u p ) 的调查研究，它的设计目标可以适应大部分( 9 5 ) 硬实时 电子科技大学硕士学位论文 系统的要求：1 m s 定时周期的误差约为1 0 0 “s ，在2 0 0 m h z 的x 8 6 系统下可以期望 达到5 0 p s 。实时能力的另一个重要指标是中断延时，在w i n d o w sc e 操作系统中， 中断延时和中断处理方式密切相关，当采用i s r 直接处理时，延时非常短，较长 的延时通常发生在采用i s t 方式处理中断事务的情况，调度系统保证在此种情况 下的延时不超过1 0 0 “s 【j 。 4 设备驱动程序 w i n d o w sc e 操作系统集成了大量的设备驱动程序，它们作为系统特性存在， 在p l a t f o 硼b u i l d e r 中可以方便地从一个特定平台配置中加入或者删除。这些驱动 程序涵盖面广，包括了大多数常用的设备类中的典型产品，例如n e 2 0 0 0 兼容性网 卡、标准触摸屏等。 w i n d o w sc e 操作系统的另一个显著特性是系统提供类驱动程序模型来实现 的类驱动程序，例如i e e e l 3 9 4 火线设备驱动程序，开发者只要根据模型实现驱动 的底层部分就可以支持一种具体地1 3 9 4 设备。这些类驱动程序模型为应用程序的 公共接口提供了可能性，典型地应用模型就是d i r e c t x 接口，应用开发者可以根据 d i r e c t x 接口高效率地访问设备驱动程序和硬件。 5 高级电源管理 高级电源管理是作为设备管理模块的一个部分实现的，在w i n d o w sc e 系统的 设备管理部分中，电源管理器提供了一个符合a c p i 标准的电源管理基本接口，并 使用设备管理的事件传递机制处理相关的电源事件。实际电源管理的实现者则是 电源管理驱动程序( 它实现电源管理接口) 和每种具体的设备驱动程序的电源管理 例程。 2 2 2w i n d o w sc e 应用系统基础设施 1 应用程序接口 w i n d o w sc e 操作系统提供了符合w i n d o w s 平台标准的开发环境，它实现了 w i n 3 2a p i 的个子集，覆盖了大部分的w i n 3 2 功能。m f c 和a t l 也包括在 w i n d o w sc ea p p l i c a t i o nf r 锄e w o r k s 中，它们主要用于支持使用e m b e d d e d m i c r o s o f tv i s u a lc + + 语言来开发w i n d o w sc e 的应用程序，类似w i l l 3 2a p i 二者提 供了应用接口层的w i n d o w s 平台的可移植性【14 1 。 2 网络通信 w i n d o w sc e 操作系统网络模块的设计目标主要体现在以下几点： 1 2 第二章嵌入式系统整体框架分析 高效性：提供最好的网络( 无线和有线) 应用平台。 包容力：支持广泛的网络类型和选项。 易使用：通过系统提供的a p i ，用户可以容易地开发出各种网络应用。 可拆卸：这是整个网络系统架构的特征，系统可以拆成很多独立的部分。 应用系统可以根据需要选择其中的一部分，这样可以降低系统开销，使系统 更加灵活。 3 数据存储 w i n d o w sc e 提供了三种类型的文件系统：基于r a m 的文件系统、基于r o m 的文件系统，以及用于支持a t a ( a d v 锄c e dt e c l l l l o l o g ya t t a c l n e n t ) 设备和s d r a m 卡等外围存储设备的f a t 系统。 4 图形用户界面 w i n d o w sc e 操作系统的图形窗口事件子系统( g w e s ：g m p l l i c s ，w i n d o w sa 1 1 d e v e n t ss u b s y s t e m ) 集成了w i n 3 2 a p i 、用户界面( u i ：u s e ri n t e r f a c e ) 、图形设备接口 ( g d i ，g r a p l l i c sd e v i c ei i l t e r f a c e ) 。g w e s 构成了w i n d o w sc e 操作系统的窗口、对 话框、各种常规控件、菜单以及资源，这些特性使得使用者可以方便的操纵应用 程序。g w e s 提供灵活的可配置性，并且支持电源管理。即使没有图形界面的系 统同样可以使用窗口、消息机制以及电源管理的特性。 5 多语言和国际化支持 w i n d o w sc e 操作系统的核心支持u i l i c o d e 字符集标准，包括中、日、韩等国 的语言支持，多语言的用户界面，m u i 是w i n d o w s2 0 0 0 x p 所具有的诱人特色之 一，在w m d o w sc e 操作系统中，这一特色被引入，开发者可以通过m u i 函数构 造自己的多语言操作界面的软件。因此系统具有良好的多语言显示能力。另外它 还包括了中日韩三国语言的输入法，其中汉字的输入法最为复杂，基本输入法的 使用和功能与一般桌面w i n d o w s 系统的输入法相似。 6 安全 w i l l d o w sc e 操作系统提供安全机制帮助用户实现安全的网络通信( 通过s s l 实现) 、安全数据存储、标准加密体系、标准认证机制等。系统主要提供了三个模 块辅助安全系