（计算机应用技术专业论文）基于ucosⅡ的ic卡门禁系统设计和实现.pdf

中文摘要 pc o s i i 是一种可移植、可固化、可裁剪的多任务实时操作系统，由 于其源码公开、注释详尽、内核设计概念清晰，已成为目前广泛使用的嵌入 式操作系统。8 0 x 8 6 体系结构在嵌入式领域也获得了广泛的应用和支持。以 8 0 x 8 6 做为目标系统比起以其他嵌入式环境，如评估板，仿真器等，更容易进 行代码的测试，无须不断地烧写e p r o m ，不断地向e p r o m 和仿真器中下载程序 等等，用户只需要简单地编译、链接和执行。 本文介绍了作者参与设计与实现的一种i c 卡门禁系统。该系统是嵌入 式系统的一种应用，系统采用8 0 x 8 6 芯片，以uc o s - i i 作为其操作系统。为 此，作者首先完成了| lc o s - i i 在8 0 x 8 6 硬件系统上的定制与优化工作；在此 基础上设计和开发了相关的硬件和应用软件，包括：8 0 x 8 6 内的主控模块处 理，插卡事件的处理和通讯事件处理程序。同时，还设计开发了i c 卡门禁系 统的一些管理软件。经测试该系统运行情况良好，达到了预期的设计目标。 关键词：嵌入式系统软件移植l ac o s - i i门禁系统 a b s t i 认c t t h el a c o s - - i ii sak i n do fm u l t i - t a s k sr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mt h a tc a i lb e t r a n s p l a n t e d , a n ds o l i d i f i a b l ea n dt a i l o r a b l e b e c a u s ei t ss o u r c ec o d e sa r eo p e n ， h a v ed e t a i l e da n n o t a t i o n s ，a n di t sk e r n e ld e s i g nc o n c e p ti sv e r yc l e a r , i - t c o s hh a s b e e nb e c o m i n gaw i d e l yu s e de m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m t h e8 0 x 8 6s y s t e mg e t e x t e n s i v ea p p l i c a t i o n sa n ds u p p o r t si nr e a l mo ft h ee m b e d d e ds y s t e m s c o m p a r e dw i t ho t h e re m b e d d e de n v i r o n m e n t s ，s u c ha sv a l u a t i o nb o r d ，e m u l a t o r , e t c 。t h e8 0 x 8 6s y s t e m , b e i n gu s e da st a r g e ts y s t e m , t e s t i n gc o d ei sm o r ee a s i l y , n e e dn o tt ow r i t ee p r o mc o n s t a n t l y , d o w n l o a dp r o g r a m st oe p r o m ，a n d e m u l a t o rc o n s t a n t l y , t h eu s e r so n l yn e e dt oc o m p i l e 、l i n k 、 r a nt h ec o d e s t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ed e s i g na n dt h er e a l i z a t i o no ft h ei cc a r dc o n t r o l a tg a t es y s t e m ，p a r t i c i p a t e db yt h ea u t h o r t h es y s t e mi sak i n do fa p p l i c a t i o no ft h e e m b e d d e ds y s t e m ，t h es y s t e ma d o p t sa8 0 x 8 6c h i p ，u s et h ei t c o s i ia si t so p e r a t e s y s t e m f o rt h i sp u r p o s e ，t h ea u t h o rc o m p l e t e dt h ec u s t o m i z ea n do p t i m i z a t i o n w o r ko ft h el x c o s i io nt h e8 0 x 8 6f i r s t b a s e do nt h i sw o r k ，t h ed e s i g na n d d e v e l o p m e n to fr e l a t e dh a r d w a r ea n da p p l i c a t i o ns o f t w a r ew a sc a r r i e do u tb yt h e a u t h o r , i n c l u d i n g ：t h em a i nc o n t r o lm o d u l ei nt h e8 0 x 8 6 ，c a r di n s e r t i o ne v e n t p r o c e s s i n ga n dc o m m u n i c a t i o ne v e n tp r o c e s s i n g a tt h es a m et i m e ，t h ea u t h o ra l s o d e s i g n e da n dd e v e l o p e ds o m em a n a g e m e n ts o f i w a r e so ft h ei cc a r de n t r a n c e g u a r ds y s t e m t h r o u g ht e s t i n g ，t h es y s t e mh a sg o o dp e r f o r m a n c e ，a n dh a sa c h i e v e d t h ea n t i c i p a t e dd e s i g nt a r g e t k e yw o r d s te m b e d d e ds y s t e m s o f t w a r et r a n s p l a n t a t i o n p c o s - i i e n t r a n c eg u a r ds y s t e m 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂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了谢意。 学位论文作者签名：朝喂傻 签字日期： 哆年，月节日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨凄盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文储签名：嘉眇廖 签字日期： 9 7 年 月斗日 | 导师躲；鹤导师签名：；惭 签字日期： 哆年厂月吵日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 随着现代计算机技术的飞速发展和互联网技术的广泛应用，从p c 时代过渡 到了以个人数字助理、手持个人电脑和信息家电为代表的3 c ( 计算机、通信、 消费电子) 体的后p c 时代。后p c 时代里，嵌入式系统扮演了越来越重要的角 色，被广泛应用于信息电器、移动计算机设备、网络设备和工控仿真等领域。 嵌入式系统的开发也成为近年i t 行业的技术热点口3 。嵌入式系统设计日趋复杂， 嵌入式操作系统就必不可少了。从8 位1 6 位单片机发展到以c p u 核为代表的 3 2 位嵌入式处理器，嵌入式操作系统将替代传统的由手工编制的监控程序或调 度程序，成为重要的基础组件。更重要的是嵌入式操作系统对应用程序可以起到 屏蔽的作用，使应用程序员面向操作系统级开发应用软件，并易于在不同的嵌入 式处理器上移植。 嵌入式系统的最大特点就是个性突出，每个具体的嵌入式系统都会有自己 独特的地方，当其有某种特殊需要时如果操作系统能给予支持，则往往会有事 半功倍之效。因此一个商业化嵌入式操作系统能否在模块化的基础上提供定制 模块，可能会成为用户能否选择它的关键。 uc 0 s - i i 是一种可移植、可固化、可裁剪的可剥夺型多任务内核。由于其 源码公开、注释详尽、内核设计概念清晰，已成为世界上学习和使用频率较高 的实时操作系统。全世界数百种设备已经在使用pc 0 s - i i ，包括手机、路由器、 不问断电源、飞行器、医疗设备和工业控制设备。目前，它支持x 8 6 、a r m 、 p o w e r p c 、m i p s 等众多体系结构，其稳定性和可用性是经过实践验证的。 u c 0 s - i i 作为一个优秀的实时操作系统，它具有良好的可扩展性和可移植性， 已经被移植到各种体系结构的微处理器上，而8 0 x 8 6 体系结构在嵌入式领域也获 得了广泛的应用和支持，将u c o s i i 移植n 8 0 x 8 6 平台上，能够加快在8 0 x 8 6 平台上的应用和开发，并为更高层次上的扩展和改进打下基础。 1 2 嵌入式实时操作系统的概述 1 2 1嵌入式系统的简介 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪， 适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机 第一章绪论 系统。它是集软硬件于一体的可独立工作的“器件”。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四个部分组成，用于实 现对其他设备的控制、监视或管理等功能雎1 。嵌入式系统随着应用方式不同， 可有i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 级、芯片级和模块级等3 种不同体系结构形 式。以x 8 6 处理器构成的计算机系统模块嵌入到应用系统中，这样可充分利用 了目前常用的p c 机的通用性和便利性。 嵌入式操作系统是一种实时的、支持嵌入式系统应用的操作系统软件，就 像我们日常所用计算机的桌面系统中的微软公司的w i n d o w s - - 样重要。是嵌入式 系统( 包括硬、软件系统) 极为重要的组成部分，通常由一个体积很小的内核 及一些可以根据需要进行定制的系统模块组成。能够运行在各种不同的硬件平 台上，提供最基本的程序运行环境和接口，成为应用软件运行的基础。主要包 括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界 面、标准化浏览器b r o w s e r 等。与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统 实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较 为突出的特点3 j 。 1 2 2 嵌入式实时操作系统的发展历史 从1 9 8 1 年r e a d ys y s t e m 发展了世界上第1 个商业嵌入式实时内核( v r t x 3 2 ) ， 到今天已经有近2 0 年的历史。2 0 世纪8 0 年代的产品还只支持一些1 6 位的微处理 器。这时候的r t o s 还只有内核，以销售二进制代码为主。产品主要用于军事和 电信设备。进入2 0 世纪9 0 年代，现代操作系统的设计思想，如微内核设计技术 和模块化设计思想，开始渗入r t o s 领域。进入2 0 世纪9 0 年代后，r t o s 在嵌入式 系统设计中的主导地位已经确定，越来越多的工程师使用r t o s ，实时操作系统 的使用，能够简化嵌入式系统的应用开发，有效地确保稳定性和可靠性，便于 维护和二次开发h 3 。pc o s - i i 的鲜明特点就是源码公开，便于移植和维护。在 | lc o s - i i 官方的主页上可以查找到一个比较全面的移植范例列表。但是，在实 际的开发项目中，仍然没有针对项目所采用芯片或开发工具的合适版本。 随着嵌入式系统的广泛应用，传统的前后台程序开发机制已经不能满足 日益复杂的实现要求，因而现场常常采用嵌入式产时操作系统r t o s ( r e a lt i m e o p e r a t i o ns y s t e m ) 开发实时多任务系统。嵌入式实时操作系统一般可以提供 多任务的任务调度、时间管理、任务问通信和同步以及内存管理m m u ( m e m o r y m a n a g e ru n i t ) 等重要服务，采用嵌入式实时操作系统( r t o s ) 可以更合理、更 有效地利用c p u 的资源，简化应用软件的设计，缩短系统开发时问，更好地保证 系统的实时性和可靠性。在嵌入式应用中使用r t o s 已经成为当前嵌入式应用的 第一章绪论 一个热点。 1 2 3 嵌入式实时操作系统的特点 与其他类型的操作系统相比，嵌入式操作系统具有以下一些特点。 ( 1 ) 体积小。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那样 大容量的存储介质，而大多使用闪存( f l a s hm e m o r y ) 作为存储介质。这就要 求嵌入式操作系统只能运行在有限的内存中，不能使用虚拟内存，中断的使用 也受到限制。因此，嵌入式操作系统必须结构紧凑，体积微小。 ( 2 ) 实时性。大多数嵌入式系统都是实时系统，而且多是强实时多任务系统， 要求相应的嵌入式操作系统也必须是实时操作系统( r t o s ) 。实时操作系统作为 操作系统的一个重要分支已成为研究的一个热点，主要探讨实时多任务调度算 法和可调度性、死锁解除等问题。 ( 3 ) 特殊的开发调试环境。提供完整的集成开发环境是每一个嵌入式系统开发 人员所期待的。一个完整的嵌入式系统的集成开发环境一般需要提供的工具是 编译连接器、内核调试跟踪器和集成图形界面开发平台。其中的集成图形界 面开发平台包括编辑器、调试器、软件仿真器和监视器等瞄1 。 1 3 门禁系统概述 门禁系统是最近几年才在国内广泛应用的又一高科技安全设施之一，现已 成为现代建筑的智能化标志之一。在越来越注重商业情报和安全的今天，对进 出些重要机关、科研实验室、档案馆、以及关系到国计民生的公用事业单位 的控制中心、民航机场等场所的工作人员，给予进出授权控制。 现在，人们对门禁系统的应用不再局限在单一的出入口控制，而是主要应 用于智能大厦或智能社区的门禁控制等与其它系统联动控制等多种控制功能。 因此，门禁系统应选择开放性的硬件平台，具有多种通讯方式，为实现各种设 备之间的互联和整合奠定良好的基础，另外还要求系统应具备标准化和模块化 的部件，有很大的灵活性和扩展性。 对于市场的多样性，用户要求市场能提供满足不同要求的门禁系统，而产 品设计工程师则必须权衡系统的灵活性、速度、成本、计划和可用工具之间的 关系。本文将描述嵌入式系统和门禁系统的关键特性，并探讨在选择或开发硬 件和软件组件的基础上开发高效嵌入式系统的解决方案，同时详细说明实现嵌 入式操作系统移植和门禁子系统硬件设计原理与软件实现方法。 第一章绪论 1 4 作者主要工作 本论文主要研究嵌入式操作系统uc o s - i i 在8 0 x 8 6 上的定制与优化过程， 以及基于l lc o s - ii 的门禁子系统设计原理与实现。 首先，研究嵌入式实时系统构成和评价实时操作系统性能的评价指标。 其次，分析了uc o s - i i 的任务管理、任务调度、时钟中断的工作原理及关 系。 然后，研究在8 0 x 8 6 上移植定制的方法和优化过程，并给出了测试程序，证 明了定制与优化的可行性。 最后，完成嵌入式操作系统在门禁系统中的应用，验证i tc o s - i i 在8 0 x 8 6 系统上的应用的有效性。并对研究工作进行总结，给出今后研究工作的展望。 1 5 论文结构 第一章绪论，主要介绍选题背景及意义，论文的主要结构和内容安排。 第二章实时系统概述，简单介绍pc o s - i i 实时操作系统内核。 第三章l ac o s - i i 的定制与优化过程，给出移植的测试例子，并验证其可行 性。 第四章1 tc o s - i i 的实际应用：门禁子系统的设计与实现，验证了pc o s - i i 在8 0 x 8 6 系统上的应用的有效性。 第五章给出了全文的研究结论与展望。 第二章嵌入式实时操作系统pc o s - l l 第二章嵌入式实时操作系统uc o s - ii 概述 本章从理论上阐述了uc o s - i i 系统的特点、内核的基本组成。作为实时操 作系统最主要的就是它的时序的设计，而时序是通过时钟的中断实现的，系统 提供了对任务的多种管理方式，通过任务控制块的参数实现就绪任务的实时响 应。所以本章仅从任务和时钟的中断两方面来阐述uc o s - i i 的工作原理的。 2 1 i ic o s - i l 的性能特点 源代码公开性 hc o s - 1 1 的源代码是完全公开的，而且结构紧凑，清晰易读，注解也 很详细。 可移植性( p o r t a b l e ) 绝大部分的pc o s - i i 源代码是用移植性很强的c 语言写的。只有与处 理器相关的部分是用汇编语言写的，这样非常便于移植到其他微处理 器上。能在绝大多数8 位、1 6 位、3 2 、以及6 4 微处理器、微控制器及 d s p 上运行。 可裁剪性( s c a l a b l e ) 可以按照应用程序的需要使用uc o s i i 中系统服务，这样可以减少系 统中的l lc o s - i i 所需的存储器空问( r a m 和r o m ) 。这种可裁剪性是靠 条件编译实现的 多任务性 l jc o s - i i 可以管理6 4 个任务，其中有8 个保留给系统。应用程序最 多可以有5 6 个任务。 可确定性 全部uc o s - i i 的函数调用与服务的执行时间都是可以确定的，它不会 受应用程序的功能制约。 可固化性( r o m a b i e ) pc o s - i i 是为嵌入式应用而设计的，只要有固化手段，它可以嵌入到 设计者的产品中成为产品的一部分。 占先式( p r e e m p t i v e ) pc o s - i i 是完全可剥夺型的实时内核，即l lc o s - i i 总是运行就绪条 件下优先级最高的任务。 任务栈 第二章嵌入式实时操作系统uc o s i i 每个任务都有自己单独的栈，i ic o s - i i 允许为每个任务建立有不同的 栈空间，而且可以通过函数确定栈的使用空间。 中断管理 中断可以使正在执行的任务暂时挂起，如果优先级更高的任务被该中断 唤醒，则高优先级的任务在中断嵌套全部退出后立即执行，中断嵌套 层数可达2 5 5 层晦】。 2 2pc o s - i l 的内核 在传统的操作系统结构中，通常把操作系统的全部或者大部分功能都作为 操作系统的内核，它们的层次主要表示为调用关系，但是现代操作系统的一个 突出特点是把更多的代码放到更高的层次：用户层中去。尽最大努力把大部份 操作系统成分和功能放到用户模式去运行，希望留下一个尽量小的内核，他们 完成操作系统最基本的核心功能，这称之为内核技术。 在x 8 6 的目标环境中，i jc o s - l l 核心代码尺寸一般不超过1 5 1 ( 字节大小，结 构非常紧凑。它可以完成6 0 多个系统调用，如任务、定时器、信号量、事件标志、 邮箱、队列和内存管理，已经包含了传统嵌入式操作系统内核的功能，而这是9 0 年代的嵌入式操作系统内核，如v x w o r k s 和v r t x s a 才有的技术口1 。 2 3uc o s - i l 的任务 i lc o s - i i 内核提供的基本服务是任务切换。内核负责为每个任务分配c p u 时问，并且负责各任务之间的通讯。 一个任务，就是一个简单的程序，该程序可以独享c p u 控制权。在实时 应用的过程中，设计者把问题分割成多个任务，并动态的为每个任务赋予一定 的优先级，使每个任务至少能解决一个问题阳1 。 从实现角度来看，uc o s - i i 是一组c 函数库，应用程序代码与内核函数库 连接在一起，生成一个目标代码。任务通常是一个无限的循环。它拥有自己的代 码和堆栈空间( 保存该任务的寄存器、返回地址和i 临时参数) ，一般都是空函数， 不会返回任何值。任务执行一次后，设置延时参数o s t i m e d l y 。表明在经过 o s t i m e d l y 个时钟周期后再次运行，然后任务进行切换，使其他任务运行。例如： v o i dt a s k ( v o i d ) 参数定义； f o r ( ；) 任务执行代码； 第二章嵌入式实时操作系统c o s i i o s t i m e d l y ( ) ；延时函数：清除任务就绪标志，设置延时的时钟周期。 o s s c h e d ( ) ：调用o s s c h e d ( ) 进行任务调度。 ) 2 4 uc o s - i i 任务的状态与转换 通常情况下，每个任务都处在以下这五种状态之一曲1 。 休眠态 休眠态表示该任务驻留在内存中，但并不被多任务内核所调度。 就绪态 就绪表示该任务已经准备好，可以运行了，但由于该任务的优先级比 正在运行的任务的优先级低，所以暂时还不能运行。 运行态 运行态的任务是指该任务掌握了c p u 的控制权，正在运行中。 挂起态 挂起状态也可以叫做等待事件态w a i t i n g ，指该任务在等待某一事件 的发生 被中断状态 发生中断时，c p u 提供相应的中断服务，原来正在运行的任务就进入 了被中断状态。 图2 1 表示pc o s i i 中一些函数提供的服务，这些函数使任务从一种状 态变到另一种状态。 图2 1 任务状态转换 第二章嵌入式实时操作系统uc o s - i i uc o s 提供了以下原型函数， 建立任务：o s t a s k c r e a t e ( ) 对任务进行管理。 请求删除任务：o s t a s k d e l r e q ( ) 恢复任务：o s t a s k r e s u m e ( ) 堆栈检验：o s t a s k s t k c h k ( ) 删除任务：o s t a s k d e l ( ) 挂起任务：o s t a s k s u s p e n d ( ) 改变任务的优先级：o s t a s k c h a n g e p r i o ( ) 获得有关任务的信息：o s t a s k o u e r y ( ) 2 5uc o s - i i 的任务调度( s c h e d ui e r ) 任务调度主要是协调任务对计算机系统内资源( 如内存、i 0 设备、c p u ) 的 争夺使用。任务调度又称为c p u 调度，其基本原理是按照某种原则为处于就绪 状态的进程分配c p u 。由于嵌入式系统中内存和i o 设备一般都和c p u 同时归 属于某任务，任务调度可分为”剥夺型调度”和”非剥夺型调度”两种基本方式。 所谓”非剥夺型调度”是指：一旦某个进程被调度执行，则该进程一直执行 下去直至该进程结束，或由于某种原因自行放弃c p u 进入等待状态，才将c p u 重新分配给其他任务。 。 所谓”剥夺型调度”是指：一旦就绪状态中出现优先权更高的进程，或者运 行的任务已用满了规定的时间片时，便立即剥夺当前任务的运行( 将其放回就绪 状态) ，把c p u 分配给其他任务口训。 作为实时操作系统，i lc o s i i 是采用的可剥夺型实时多任务内核。可剥 夺型的实时内核在任何时候都运行就绪了的最高优先级的任务。如果是中断服 务子程序使一个高优先级的任务进入就绪态，到中断服务完成时，内核让此时 优先级最高的任务运行( 不一定是那个被中断了的任务) ，如图2 - 2 。任务级系 统响应时间得到了最优化，且是可知的。 l o wp r i o d t yt 镐l c isr m a k e st h eh i g t a s k t 量 鬣溺i p r i o 啊蜮删y “蘸溺 t i 二 图2 - 2 可剥夺内核 第二章嵌入式实时操作系统uc o s i i i jc o s - i i 调度工作的内容可以分为两部分：最高优先级任务的寻找和任务 切换1 。其最高优先级任务的寻找是通过建立就绪任务表来实现的。内核将系 统中处于就绪态的任务在就绪表( r e a d yl i s t ) 进行标注，通过就绪表中的两个 变量o s r d y g r p 和o s r d y t b l 口可快速查找系统中就绪的任务。在u c o s - i i 中每 个任务有唯一的优先级，因此任务的优先级也是任务的唯一编号( i d ) ，可以作 为任务