（机械电子工程专业论文）基于arm的手持智能终端系统的研究.pdf

中文摘要 随着嵌入式技术不断发展，嵌入式微处理器己被应用于各种工业控制测鼍系 统的电子测量仪器设备中。近年来，a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ) 嵌入式微 处理器技术发展迅速，并以其高性麓、小体积、低功耗的特性成为嵌入式领域应 用最广泛的3 2 位微处理器。 本课题进行了基于a 蹦的手持智能终端系统的研究。系统c p u 采用了基 于删7 t d m i 内核的s 3 c 4 4 b o x 微处理器；软件方面，采用功能强大而源码 免费开放的l i n u x 系统作为开发环境，同时采用专门针对微控制领域而设计的 l i n u x 系统的u c i i n u x 作为目标系统的操作系统( 简称a r m u c l i n u x 系统) ，并 对这种嵌入式系统在工业测量中的网络应用进行了研究，以期提高手持智能终 端系统测量设备的整体性能。 本文首先介绍了嵌入式系统概念、组成及其特点，并在分析l i n u x 操作系统 的现状和发展趋势的基础上，讨论了l i n u x 、u c l i n u x 与a r m 之间的关系。 接着分析了目标系统硬件平台的搭建，介绍了系统的总体设计方案，剖析了 嵌入式微处理器的特点及选型，外围电路芯片的选型及电路设计。 操作系统是嵌入式系统处理能力的保证。本文介绍了b o o t l o a d e r 概念、并剖 析了目前流行的b o o t l o a d e r ：u b o o t 的启动流程、体系结构及其向目标系统的移 植过程：探讨了嵌入式u c l i n u x 内核的组成、配置、编译及a r m u c l i n u x 向目标 系统平台的移植，根文件系统的建立。实现了l i n u x 的多任务多用户的工作环境。 接着，深入分析了目标系统网络通信机制的实现及其网络功能，充分体现 l i n u x 强大的网络功能。 最后用实验证明了u b o o t 的在目标系统f l a s h 上的调试及其烧写，u c l i n u x 在目标系统上的调试下载过程、文件网络传输过程及远程登陆，完成了整个系统 的设计。 关键词：a r m智能终端 s 3 c 4 4 b o x 嵌入式系统移植 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e dt e c h n o l o g y , e m b e d d e dm i c r o - p r o c e s s o ri s a p p l i e dt om o r ea n dm o r ee l e c t r o n i cm e a s u r ed e v i c e so f t h ei n d u s t r i a lc o n t r o lm e a s u r e s y s t e ma r e a s i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ea r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ) e m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o rt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tq u i c k l y , 3 2m i c r o p r o c e s s o ra p p l i c a t i o n b e c o m et h em o r ee x t e n s i v ei nt h ee m b e d d e da r e a sf o ri t sh i 曲p e r f o r m a n c e ，s m a l ls i z e ， l o wp o w e r c o n s u m p t i o n i nt h et h e s i s t h eh a n d i n t e l l i g e n tt e r m i n a ls y s t e mc o n s i s t so ft w op a r t s ： s 3 c 4 4 b o xm i c r o p r o c e s s o r ；u c l i n u xo p e r a t i o ns y s t e mo nt h em i c r o - c o n t r o la r e a s d e s i g n i n g ，b a s eo nt h el i n u xd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t e m b e d d e ds y s t e mn e t w o r k a p p l i c a t i o n si nt h ei n d u s t r i a lm e a s u r ea r ei n t r o d u c e d ，f o ri m p r o v i n gh a n d si n t e l l i g e n t t e r m i n a ls y s t e mm e a s u r ed e v i c e so v e r a l lp e r f o r m a n c e i nt h ep a p e r , f i r s t l y , t h ec o n c e p t i o n ，s t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fe m b e d d e d s y s t e ma r ei n t r o d u c e d ；s u b s e q u e n t l yl i n u x , u c l i n u xa n da r ma m o n gr e l m i o na r e d i s c u s s e d , a f t e rt h es t a t u sa n dt r e n dc h a r a c t e r i s t i c so fl i n u xo p e r a t i n gs y s t e ma r e a n a l y z e d s u b s e q u e n t l y , t h eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h et a r g e ts y s t e mi sa n a l y z e d t h e n , c h a r a c t e r i s t i c s ，s e l e c t i o no fe m b e d d e dm i c r o - p r o c e s s o ra n de x t e r n a li t c h i p sa r e a n a l y z e d o p e r a t i n gs y s t e mg u a r a n t e e st h ep r o c e s s i n ga b i l i t yo ft h ee m b e d d e ds y s t e m s o t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ec o n c e p t i o no f b o o t l o a d e r , a n da l s ot h ep o p u l a rb o o t l o a d e r - - u b o o t sp r o c e s ss t a r t e d ，s t r u c t u r ea n dt r a n s p l a n tt ot h et a r g e ts y s t e ma l ea n a l y z e d t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ec o m p o n e n t s ，c u t sd o w na n dc r o s s - c o m p i l e so ft h eu c l i n u x k e r n e l ，d i s c u s s e st h et r a n s p l a n to fa r m - u c l i n u xt ot h et a r g e ts y s t e ma n ds e t su pr o o t f i l es y s t e m i tr e a l i z e sw o r ke n v i r o n m e n to fl i n u xn u l t i u s e rm u l t i t a s k m e a n w h i l e , i tn o to n l ya n a l y s e sn e t w o r kf u n c t i o n so ft h et a r g e ts y s t e m ，b u ta l s o i n t r o d u c e sn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nr e a l i z a t i o n i tf u l l yr e f l e c t st h el i n u xp o w e r f u l n e t w o k i nt h el a s ts e c t i o no ft h et h e s i s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h ed e b u g g i n ga n d w r i t i n gu - b o o to nt h ef l a s ho f t h es y s t e m ，d e b u g g i n ga n dd o w n l o a d i n gu c l i n u x0 1 1 t h es y s t e m f i l en e t w o r kt r a n s m i s s i o nb e t w e e n t a r g e ts y s t e ma n dh o s ta r ei n t r o d u c e s k e y w o r d s ：a r m ，i n t e l l i g e n tt e r m i n a l ，s 3 c 4 4 8 0 x , e m b e d d e ds y s t e m ，t r a n s p l a n t 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，也不包含为获得苤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：善世霞签字日期：私彬7 年月矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞苤茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘鲎可以将掣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) 学位论文作者签名：吕步霞 签字日期：荔哆年月矿日 导师签名： 形同遗 签字日羚矽矿7 年月刁目 第一章绪论 1 1 课题提出的背景 第一章绪论 嵌入式系统是继i t 网络技术之后，又一个新的技术发展方向。由于嵌入式 系统具有体积小、性能强、功耗低、可靠性高以及面向行业应用的突出特征，目 前已经广泛地被应用于军事国防、消费电子、网络通信、工业控制等各个领域， 具有庞大的市场前景。随着计算机技术与通信技术的发展，嵌入式系统的研究与 开发也有着越来越重要的实际意义。 早先，嵌入式系统主要是随着单片机而被提出来的。但随着i n t e r n e t 的普及， 出现了信息家电，如p d a 、可视电话、移动电话、机顶盒和数码相机等嵌入式 设备。它们的市场需求也越来越大，同时也对嵌入式设备的网络功能和性能提出 了更高的要求。8 1 6 位单片机的速度和内存较难满足现在嵌入式设备的各种复杂 要求。随着集成电路的发展，3 2 位r i s c 处理器受到开发者的青睐。 a r m 公司是业界领先的1 6 3 2 位嵌入式r i s c 处理器技术提供商，占领了大 约7 5 的市场。它能够为一个完整系统的开发提供全面的技术支持，它的处理器 具有性能高、成本低和能耗省的特点。a r m 公司的a r m 7 ，删9 等系列的处理 器i p 内核正在迅速地成为嵌入式解决方案市场中主流i u s cc p u 核。 1 2 嵌入式系统的概念 嵌入式系统通常是面向特定应用的。所以，嵌入式系统本身不仅与一般p c 上的应用系统不同，而且针对不同的具体环境而设计的嵌入式系统之间的差别也 很大。 1 2 1 概念 目前，对嵌入式系统的定义多种多样，下面给出两种定义【1 1 【2 1 ： 一种是从技术的角度来定义；以应用为中心和以计算机技术为基础的，并且 软硬件是可以裁减的，能满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等指 标的严格要求的专用计算机系统。 另一种是从系统的角度来定义：根据电气工程师协会( i e e e ) 的定义，嵌入 第一章绪论 式系统是用来控制、监视、辅助设备、机器、工厂运行的装置( d e v i c e su s e dt o c o n t r o l ，m o n i t o r ，o ra s s i s tt h eo p e r a t i o no f , e q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 。 1 2 2 组成 嵌入式系统通常由嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入 式应用软件等几大部分组成f 2 1 【3 】【5 i t 2 8 】【3 0 】【3 1 1 。 1 嵌入式系统处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。嵌入式处理器与通用处理器的最大 不同点在于嵌入式c p u 大多工作在特定用户群设计的系统中。它通常把通用 c p u 中许多板卡完成的任务集成到芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于 小型化，并且具有高效率、高可靠性等特征。 嵌入式系统处理器可分为嵌入式微控制器( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) ， 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r op r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 、常用于计算机通信 领域的嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) 和高度集 成的嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 。 几乎每个大的硬件厂商都推出了自己的嵌入式处理器，因而现在市面上有 1 0 0 0 多种嵌入式处理器芯片，其中以a r m ，p o w e r p c ，m c 6 8 0 0 0 ，m i p s 等使用最 为广泛。 2 嵌入式外围设备 这里所说的嵌入式外围设备唧1 ，指在一个嵌入式硬件系统中，除了中心控制 部件( m c u ，d s p , e m p u ，s o c ) 以外的完成存储、通信、保护、调试、显示等 辅助功能的其他部件。根据外围设备的功能可以分为以下三类： ( 1 ) 存储器类型：静态易失型存储器( r a m ，s r a m ) 、动态存储器 ( d r a m ) ，非易失型存储器( r o m ，e p r o m ，e e p r o m ，f l a s h ) 。其中，f l a s h ( 闪存) 具有擦写次数多，存储速度快，容量大及价格便宜等优点，在嵌入式领 域得到广泛的应用。 ( 2 ) 接口类型：目前存在的所有接口在嵌入式领域都有广泛的应用，尤 其以下几种接口，其应用最为广泛。这些接口包括r s 一2 3 2 接口( 串口) ，i r d a ( 红外接口) 、s p i ( 串行外围设备接口) 、i i c ( 现场总线接口) 、u s b ( 通用串 行接口) 、e t h e r n e t ( 以太网接口) 和普通的并口。 ( 3 )显示类型：c r t ，l c d 和触摸屏等外围显示设备。 3 嵌入式操作系统 在嵌入式大型应用中，为了使嵌入式开发更方便、快捷，就需要具备相应的 管理存储器分配、中断处理、任务闻通信和定时器响应，以及提供多任务处理等 2 第一章绪论 功能的稳定安全的软件模块集合，即嵌入式操作系统。嵌入式操作系统的引入大 大提高了嵌入式系统的功能。方便了嵌入式应用软件的设计，但同时也占用了宝 贵的嵌入式资源。一般在比较大型或需要多任务的应用场合才考虑使用嵌入式操 作系统。 当今流行的嵌入式操作系统包括v x w o r k s ，p s o s ，l i n u x ，p a l mo s 等。每 一种操作系统都具有自身的优越性，用户可以根据自己的实际应用选择适当的操 作系统。 4 嵌入式应用软件 嵌入式应用软件是针对特定的实际专业领域的、基于相应的嵌入式硬件平台 的、并能完成用户预期任务的计算机软件。用户的任务可能有时间和精度的要求。 有些嵌入式应用软件需要嵌入式操作系统的支持，但在简单的应用场合下不需要 专门的操作系统。 嵌入式应用软件和普通的应用软件有一定的区别。由于嵌入式应用对成本十 分敏感，因此为减少系统的成本，除了精简每个硬件单元的成本之外，尽可能地 减少嵌入式应用软件的资源消耗也是不可忽视的重要因素。这就要求嵌入式应用 软件不但能保证准确性、安全性、稳定性以满足应用要求，还要尽可能的优化， 减少资源消耗。 1 2 3 特点 由于嵌入式系统是应用于特定环境下执行面对专业领域的应用系统，所以不 同于通用计算机系统应用的多样化和适用性。它与通用的计算机系统相比具有以 下特点【2 】【5 】【3 5 1 ： 1 嵌入式系统通常是面对特定应用的，一般都有实时要求。嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群所设计的系统中。它通常具有低功耗、体积小、集成度 高、成本低等优点，能够把通用的c p u 中许多由板卡完成的功能集成到芯片内 部，从而使嵌入式系统的设计趋于小型化、专业化，也能够使移动功能大大增强， 与网络的藕合也越来越紧。 2 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体工艺、电子技术和通信网 络技术与各领域的具体应用相结合的产物。这一特点决定了它必然是一个技术密 集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 3 嵌入式系统和具体应用有机的结合在一起，它的升级换代也和具体产品 同步进行。因此，嵌入式系统产品一旦进入市场，一般具有较长的生命周期。嵌 入式系统的硬件和软件都必须高效率的设计，在保证稳定、安全、可靠的基础上 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，才能最 3 第一章绪论 大限度的降低应用成本，从而在具体应用中对处理器的选择更具有市场竞争力。 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 或处理器内部的存储器中，而不存储在外部的磁盘等载体中。通常嵌入式系统还 需要能应付恶劣的环境和突然断电等情况。嵌入式系统本身不具备自举开发能 力。即使设计完成之后，用户通常也不能对其中的应用程序进行修改，必须有一 套交叉开发工具和环境才能进行开发。 1 3 嵌入式系统的现状和发展趋势 1 3 1 嵌入式系统的现状 随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式技术全面展开，目前已经成为 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，美国已经开始由模拟电视向数字电视转变，欧洲的数字电 视广播( d v b ) 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。所有上述产品中，都离不开嵌入式系统技术。在个人领域中，嵌入式产品将 主要是作为个人移动的数据处理和通信软件。由于嵌入式设备具有自然的人机交 互界面，g u i 屏幕为中心的多媒体界面给人以很大的亲和力。手写输入、语音拨 号上网、收发电子邮件彩色图形、图像已取得初步成效。 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。目前底层系统和硬件平台经过若干年的研究，已经相对比较成熟，实 现各种功能的芯片应有尽有。 从软件方面讲，也有相当多的成熟软件系统。国外商品化的嵌入式操作系统， 已进入我国市场的就有很多。我国自主开发的也有一些，如h o p e n 嵌入式操作 系统。而且网上也可以找到各种各样的免费资源，从各大厂商的开发文档到各种 驱动程序源代码。 目前嵌入式系统应用技术热点【4 1 【5 j 【8 1 f 3 5 1 主要是：移动性；网络技术发展重要 方向是宽度；网络家电；微电子机械( m e m s ) ；国防工业；生物微电子技术( d n a ) ； 电子商务；i n t e m e t 。 1 3 2 嵌入式系统发展趋势 信息时代、数字时代使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 4 第一章绪论 来嵌入式系统的几大发展趋势【2 1 1 4 1 5 1 8 11 ： 嵌入式产品将与互联网应用相互促进，快速发展，嵌入式产品将成为互联网 的主要终端之一，网上将出现大量的服务于嵌入式产品的软件，并有专门服务于 嵌入式产品的内容。网络互联成为必然趋势。 随着微电子技术的快速发展，芯片功能更加强大，s o c ( s y s t e mo r lc h i p ) 将 成为发展趋势，这不仅能降低成本，缩小产品体积，还将增强产品的可靠性。同 时，软件硬件的紧密结合，嵌入式软件与硬件界线更加模糊，嵌入式软件时常以 硬件形态存在，这种方式可提高实时性，增强可维护性。 无线通讯产品将成为嵌入式软件的重要应用领域，一方面，已有无线产品将 借助芯片技术和嵌入式软件来提高性能，另一方面当前许多嵌入式产品都将增加 无线通讯功能。因此，未来几年，蓝牙等相关技术会与嵌入式软件相互促进，共 同发展，使更多的产品具有通讯功能，使更多的通讯产品更好地为用户服务。 嵌入式操作系统会与嵌入应用软件协同发展。嵌入式系统中的重要角色包括 嵌入式应用软件，嵌入式系统应用领域千差万别，只有充分重视应用软件的发展， 才能满足丰富多彩的应用要求。 嵌入式操作系统是在多种硬件平台上发展起来的，随着嵌入式系统的广泛应 用，信息交换、资源共享机会增多，由此相关的标准问题也将日渐突出，如何建 立相关标准成为业界关注的问题。 1 4l i n u x 、u c l i n u x 与删 1 4 1l i n u x l i n u x 1 1 1 7 8 】是一个类似于u n i x 的操作系统。它起源于芬兰一个名为l i n u s t o r v a l d s 的业余爱好者，是现在最为流行的一款开放源代码的操作系统。l i n u x 从1 9 9 1 年问世到现在，短短l o 年的时间内已发展成为一个功能强大、设计完善 的操作系统，伴随网络技术进步而发展起来的l i n u xo s 已成为m i c r o s o f t 公司的 d o s 和w i n d o w s9 5 9 8 的强劲对手。l i n u x 系统不仅能够运行于p c 平台，还在 嵌入式系统方面大放光芒，在各种嵌人式l i n u xo s 迅速发展的状况下，l i n u xo s 逐渐形成了可与w i n d o w sc e 等e o s 进行抗衡的局面。目前正在开发的嵌人式 系统中，4 9 的项目选择l i n u x 作为嵌入式操作系统。 1 4 2u c l i n u x u c l i n u x i l 】f 5 】【8 】是一个完全符合g n ug p l 公约的操作系统，完全开放代码， 5 第一章绪论 现在由l i n e o 公司支持维护。u c l i n u x 的发音是“y o u s e e 1 i n u x ”，它的名字来自 于希腊字母“m u ”和英文大写字母“c ”的结合。“m u ”代表“微小”之意，字 母“c ”代表“控制器”，所以从字母上就可以看出它的含义，即“微控制领域 的l i n u x 系统” u c l i n u x 扶l i n u x 2 。0 2 4 内核派生而来，沿袭了主流l i n u x 的绝大部分特性。 它专门针对没有m m u 的c p u ，并且为嵌入式系统做了许多小型化的工作。它 通常用于具有很少内存或f l a s h 的嵌入式系统。u c l i n u x 是为了支持没有m m u 的处理器而对标准l i n u x 做出的修正。它保留了操作系统的所有特性，为硬件平 台更好地运行各种程序提供了保证。u c l i n u x 操作系统的用户可以使用几乎所有 的l i n u x a p i 函数，不会因为没有m m u 而受影响。 1 4 3u c l i n u x 和l i n u x 的异同 对于u c l i n u x 来说，由于其设计是针对没有m m u 处理器的，因此它不能使 用虚拟内存管理技术。虽然，u c l i n u x 仍然采用存储器的分页管理，系统在启动 时把实际存储器进行分页，在加载应用程序时把程序分页加载，但是，由于没有 m m u 管理，实际上，u c l i n u x 采用的仍是实存储器管理策略。所以，u c l i n u x 系 统对于内存的访问是直接的，即所有程序中访问的地址都是实际的物理地址，操 作系统对内存空间没有保护，各个进程实际上是共享一个运行空间。一个进程在 执行前，系统必须为进程分配足够的连续地址空间，然后全部载入到主存储器的 连续空间中。另外，u c l i n u x 有着特别小的内核和用户软件空间，在有些内核系 统调用上与l i n u x 有着差异。概括起来，主要有：内存保护方面；虚拟内存：通 用架构上内核：内核加载方式；文件系统。 1 4 4 基于a r m 上的u c l i n u x 基于a r m 上的u c l i n u x 有基于a r m 开发环境的和交叉运行环境的工具链。 它的内核完全开放，人们可以自己设计和开发出完全基于系统的、高效的应用系 统。u c l i n u x 提供了完成嵌入式功能的基本内核和所需要的所有用户界面，它是 多方面的。通常，基于a r m 上的u c l i n u x 需要三个基本元素【2 j i ，j 垆j ；引导工具； l i n u x 微内核，由内存管理、进程管理和事物管理构成；初始化进程。 另外，它还需要包含下述功能：硬件驱动程序、提供所需功能的一个或更多 个应用程序、个文件系统( 也许在r o m 或r a m 中) 、t c p f l p 网络堆栈。 在u c l i n u x 环境下开发基于a r m 的应用程序。由于目标系统上使用的u c l i n u x 提供的程序接口与通用l i n u x 所提供的基本一致，不一致的部分主要是u c l i n u x 不支持m m u 。所以，基于u c i i n u x 的应用程序开发一般也就成了在l i n u x 下的 6 第一章绪论 程序开发。在实际中，当宿主机具备调试程序所需要的硬件条件时，一般是先编 好程序，在宿主机上用宿主机平台的编译器编译并调试，无误后，再用交叉编译 器编译为基于a r m 的u c l i n u x 上的目标应用程序。 1 5 课题提出的意义 手持智能终端系统是工业控制测量系统中经常使用的电子测量设备。智能终 端对测量范围内的参数进行远程设置与监控，并且对系统反馈送回的参数进行重 新检测，还可以对系统进行自诊。它能够快速准确的反映出参数的微小变化，可 以进行远程监控、测量、记录，通过网络系统进行远距离数据传输。智能终端还 可以响应远程主机的请求，完成参数设定的操作，自动地根据工业控制的特点将 本地监测数据传送到远程主机上。 本文所设计的手持智能终端系统硬件环境是在功能强大的a r m 微控制器基 础上，软件开发环境是在l i n u x 操作系统下，进行嵌入式系统u c l i n u x 的内核裁 剪、移植。 基于a r m 微控制器和u c l i n u x 操作系统的手持智能终端系统是一个适合下 一代互联工业自动化测量设备的理想的小体积嵌入平台，它是实现生产现场i t 设施的全面集成成为可能。不仅实现远程集中监控，而且利用了现有设备进行网 络化改造，硬件改动较少，具有较好的实际应用前景。， 1 6 本文的主要研究内容 1 进行目标系统硬件平台的搭建，系统总体方案的设计，剖析嵌入式微处 理器的特点及选型，外围电路芯片的选型及电路设计。 2 。 剖析目前流行的b o o t l o a d e r ：u - b o o t 的启动流程、体系结构，进行移植； 探讨嵌入式u c l i n u x 内核的组成、配置、编译，进行a r m - u c l i n u x 向目标系统平 台的移植，根文件系统的建立。以期实现l i n u x 的多任务多用户的工作环境。 3 进行目标系统网络通信机制及其网络功能的探讨，充分发挥l i n u x 强大 的网络功能。 4 用实验来证明u b o o t 向目标系统f l a s h 的调试及其烧写，u c l i n u x 在目 标系统的调试下载过程、文件网络传输过程及远程登陆，完成整个系统的设计。 7 第二章基于a r m 的手持智能终端系统硬件平台搭建 第二章基于a r m 的手持智能终端系统硬件平台搭建 嵌入式系统主要有嵌入式处理器、相关支撑硬件和嵌入式软件系统构成，是 集软硬件于一体的可独立工作的系统。嵌入式系统硬件平台包括中央处理器、外 围的控制电路、只读存储器、可读写存储器和外围设备。和通用计算机不同，嵌 入式系统的硬件必须高效率地设计。手持智能终端系统在选择硬件芯片时，结合 了它们的功能、功耗、体积、成本、可靠性、电磁兼容性等多方面性能要求。 2 1 手持智能终端系统硬件平台总体设计 嵌入式系统微处理器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板功能，这样可以大 幅度减小系统体积和功耗。 手持智能终端系统硬件平台如图2 1 所示，主要有s a m s u n g 公司的 s 3 c 4 4 b o x 微处理器，1 0 m 以太网接口，i i c 总线接口，j t a g 调试接口，l c d 接 口( 支持6 4 0 * 4 8 0 以下单色或3 2 0 * 2 4 0 以下s t n d s t n 2 5 6 色) ，8 m 的s d r a m ，2 m 的f l a s h ，i d e 接口( - - i 挂接硬盘的存储设备) ，u s b l 1 接口，实时系统时钟，2 个r s 2 3 2 串行接口。 图2 1手持智能终端硬件平台功能模块图 8 第二章基于a r m 的手持智能终端系统硬件平台搭建 通过各种嵌入式处理器的特点和应用场合相比，结合我们手持智能终端系统 特定要求，本系统硬件平台决定采用嵌入式微处理器类型的嵌入式处理器。嵌入 式系统一个特点就是功能专一，成本控制得非常严格，要求对各种备选器件的性 能及其成本有着非常详尽的认识。 2 2 微处理器的选择 2 2 1 嵌入式微处理器的特点 随着嵌入式技术的发展，对嵌入式系统的要求已经越来越高。现在的嵌入式 设备要求有网络支持、较快的运行速度和复杂任务的处理能力。这些对于原先广 泛在工控领域得到应用的8 1 6 位单片机来说已经有点勉为其难了。集成电路的 迅速发展，3 2 位处理器的价格不断下降，使得3 2 位处理器已经在各类应用中得 到了广泛普及。而遵从r i s c 指令集的嵌入式微处理器以其特有的优势在各种嵌 入式领域大展身手。 现有的处理器【1 】【9 】【1 0 1 1 5 】【18 】【蚓翊可以概括为两类，一类为c i s c ( c o m p l e x i n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，复杂指令集计算机) ，如x 8 6 系列；另外一类就是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 ，精简指令集计算机) ，如a r m ，m i p s 。传统 的c i s c 结构有其固有的缺点，即随着计算机技术的发展而不断引入新的复杂的 指令集，为支持这些新增的指令，计算机的体系结构会越来越复杂，然而，在 c i s c 指令集的各种指令中，其使用频率却相差悬殊，大约有2 0 的指令会被反 复使用，占整个程序代码的8 0 。而余下的8 0 的指令却不经常使用，在程序 设计中只占2 0 ，显然，这种结构是不太合理的。 基于以上的不合理性，1 9 7 9 年美国加州大学伯克利分校提出了r i s c 的概念， r i s c 并非只是简单地去减少指令，而是把着眼点放在了如何使计算机的结构更 加简单合理地提高运算速度上。r i s c 结构优先选取使用频率最高的简单指令， 避免复杂指令；将指令长度固定，指令格式和寻址方式种类减少；以控制逻辑为 主，不用或少用微码控制等措施来达到上述目的。 到目前为止，r i s c 体系结构还没有严格的定义，一般认为，r i s c 体系结构 应具有如下特点【1 1 【9 】【1o 】【1 5 】【1 8 】【3 6 】【3 7 】： 1 采用固定长度的指令格式，指令归整、简单、基本寻址方式有2 到3 种。 2 使用单周期指令，便于流水线操作执行。 3 大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载存储 指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率。 9 第二章基于a r m 的手持智能终端系统硬件平台搭建 除此以外，a r m 体系结构1 1 1 1 9 1 1 3 6 1 d r l 还采用了一些特别的技术，在保证高性能 的前提下尽量缩小芯片的面积，并降低功耗： 1 所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，从而提高指令的 执行效率。 2 可用加载，存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率。 3 可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理。 4 在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。 5 当然，和c i s c 架构相比较，尽管r i s c 架构有上述的优点，但决不能 认为r i s c 架构就可以取代c i s c 架构。事实上，r i s c 和c l s c 各有优势，而且 界限并不那么明显。现代的c p u 往往采用c i s c 的外围，内部加入了r i s c 的特 性，如超长指令集c p u 就是融合了r i s c 和c i s c 的优势，成为未来的c p u 发 展方向之一。 就目前来说，砌s c 结构的处理器以其自身在嵌入式领域的独特魅力，使得 3 2 位r i s c 处理器成为现阶段嵌入式系统行业的保持其性能和将来兼容性的首选 产品类型。 2 。2 。2 嵌入式微处理器的选择 选择芯片要考虑系统的设计目标和芯片的性能、功耗、专业化水平以及其 成本。基于本系统手持智能终端设计的目标主要是应用在工业控制测量领域，我 们选择了基于a r m 7 e i 砷m 核的嵌入式微处理器。a r m 7 t d m i 是a r m 7 处理器 系列成员之一，是目前应用最广的3 2 位高性能嵌入式r i s c 处理器。下面是 a r m 7 t d m i 的性能特性【1 】【1 4 1 【1 7 】： 1 指令流水线 a r m 7 t d m i 使用流水线以提高处理器指令的流动速度。流水线允许几个操 作同时进行，以及处理和存储系统连续操作。a r m 7 t d m i 使用3 级流水线，因 此，指令的执行分为3 个阶段：取指、译码和执行。当正常操作时，在执行一条 指令期间，其后续的一个指令进行译码，且第3 条指令从存储器中取指令。 2 存储器访问 a r m 7 t d m i 核是冯诺依曼体系结构，指令和数据共用一条3 2 位总线。只 有加载、存储和交换指令可以访问存储器中的数据。数据可以是：8 位、1 6 位和 3 2 位。字必须是4 字节边界对准，半字必须是2 字节边界对准。 3 存储器接口 a r m 7 t d m i 的存储器接口被设计成在使用存储器最少的情况下实现其潜 能。速度的关键控制信号是流水作业的，以允许在标准低功耗逻辑下实现系统功 第二章基于a r m 的手持智能终端系统硬件平台搭建 能，这些控制信号方便了许多片内和片外存储器技术支持快速突发( b u r s t ) 访问模式的开发。a r m 7 t d m i 有4 种存储周期的基本类型：空闲周期、非顺序 周期、顺序周期和协处理器寄存器传送周期。 4 嵌入式i c e r t 逻辑 嵌入式i c e - r t 逻辑为a r m 7 t d m i 内核提供了集成的片上调试支持。可以 使用嵌入式i c e r t 逻辑来编写断点或观察断点出现的条件。嵌入式i c e r t 逻 辑包含调试通信通道( d c c ，d e b u gc o m m u n i c a t i o nc h a n n e l ) 。d c c 用于在目标 和宿主调试器之间传送信息。嵌入式i c e r t 逻辑通过j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o n g r o u p ) 测试访问口进行控制。a r m 7 t d m i 有2 个指令集：3 2 位a r m 指令集 和1 6 位t h u m b 指令集。 a r m 7 d t m i 核以其自身的独特设计，如基于r i s c 结构、没有m m u 模块 等，使其在成本上具有先天性的成本优势，且功耗很低，比较适合本文设计的系 统需要。a r m 7 t d m i 系列微处理器的典型处理速度为0 9 m i p s m h z ，常见的 a r m 7 t d m i 芯片系统主时钟为2 0 m h z 1 3 3 m ，在性能上也能保证应用的稳定 运行。 在众多的删7 1 d m l 内核的嵌入式微处理器中，我们选择了s a m s u n g 公司推出的1 6 3 2 位的r s c i 处理器s 3 c 4 4 b o x 。此款芯片能稳定工作在6 4 m h z 的系统频率上，集成了许多外围设备，如u a r t 、m a c 、u s b 、i d e 等，具有价 格低廉、功耗低、接口丰富等优点。当然s a m s u n g 的i c 设计水平，芯片生产 能力，市场推广能力，以及它的知名度也是我们考虑的一个重要方面。此款芯片 已经在工业控制、信息家电、移动产品、网络终端中得到了非常广泛的应用。 s 3 c 4 4 b o x t l l 】【1 9 1 通过提供全面的、通用的片上外设，大大减少了系统中除处 理器以外的元器件配置，从而使系统的成本大为降低。s 3 c 4 4 b o x 集成的各种片 上功能包括：8 k bc a c h e 和内部s r a m ，l c d 控制器，带自动握手的2 通道u a r t ， 4 通道d m a ，系统管理器( 片选逻辑，f p e d o s d r a m 控制器) ，带p w m 功 能的5 通道定时器和一个内部定时器，i o 端口，r t c ，8 通道1 0 位a d c ，i i c 总线接口，同步s i o 接口和p l l 倍频器。 s 3 c 4 4 b o x1 6 3 2 位r i s c 处理器被设计来为手持设备等提供一个低成本高 性能的方案。它的低功耗和全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感的应用。同 样的，s 3 c 4 4 b o x 还采用一种新的总线结构s a m b a i i ( 三星a r mc p u 嵌入式 微处理器总线结构) ，工作频率最大达6 6 m h z 。它包括了t h u m b 代码压缩器， 一个片上的i c e 断点调试支持和一个3 2 位的硬件乘法器。电源管理支持：正常， 慢速，空闲和停止模式。图2 2 为s 3 c 4 4 b o x 的体系结构图。 第二章基于a r m 的手持智能终端系统硬件平台搭建 图2 2s 3 c 4 4 b o x 的体系结构图 目标系统硬件平台有2 个r o m s 凡m s d r a mb a n k 和6 个r o m s r a m b a n k ，s 3 c 4 4 b o x 可以控制总线宽度和存取时间，存取时问由 b a n k c o n 0 b a n k c o n 7 控制( 具体数据查看手册) ，总线宽度由b w s c o n 配 置。b a n k 0 作为b o o tr o m 启动存储器，它的总线宽度由o m i ：0 1 控制( 具体 数据查看手册) ，存储器大小端的选择由e n d i a n 控制，如图2 3 所示。 1 2 第二章基于a r m 的手持智能终端系统硬件平台搭建 成张 肾l oi嚣k l 忸1 2 h 7 kln 7 k ：o m o 。j p !0 m l 、j u m p e rj p 20 腔 i 、j u m p e r：j p 3 * jj u m p e r j 8 ： 一2 e n d m 3 1 睁 图2 - 3 存储器大小端选择 存储地址空间分布如表2 1 所示。这个存储空间的分配方式也不是固定不变 的，可以通过修改嵌入式目标系统的b o o t l o a d e r 中的相关代码来改变。 表2 1 存储地址空间分布 内容 起始地址存储介质 b o o t