（模式识别与智能系统专业论文）嵌入式系统网络化技术应用研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘要 网络化已经成为嵌入式系统发展的一大趋势，而通过网络对嵌入式设备进行 远程监控与管理则是嵌入式设备网络化技术的一大应用。在研究分析了当前国 内外主要的几种嵌入式系统网络化技术，并对其进行比较分析的基础上，本文 进一步提出了基于嵌入式微处理器与嵌入式操作系统的嵌入式家庭网关方案。 并对该方案的几大关键模块进行了设计并予以实现。 首先基于嵌入式微处理器的硬件平台，设计了嵌入式家庭网关的电路，包括 串口电路模块( 用于实现同家居内部网络的通信) 、网络接口模块( 用于与互联 网通信) 以及存储器电路模块等。 嵌入式w e b 服务器是通过互联网远程访问嵌入式家庭网关，并通过网关对 家居网络设备进行监控和管理的重要手段。本文研究分析了w e b 服务器的机制 及工作原理，及其模块化、可移植性、可裁减性及安全性等设计思想，在此基 础上，设计实现了嵌入式w e b 服务器，并对影响w e b 服务器性能的因素进行 了分析，提出了本w e b 服务器进一步改进的方向。 最后进行了应用软件系统的开发，定制了家居网络协议，并用软件予以实现， 实现了通过互联网与嵌入式家庭网关应用程序的交互，达到远程监控与管理的 目的，并通过软件仿真的方式进行了仿真验证。 关键词： 嵌入式i n t e r n e t嵌入式家庭网关u c l i n u x 嵌入式w e b 服务器家居网络 西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n n e c tl h ee m b e d d e ds y s t e mt on e t w o r kh a v eb e c o m eam a i nt r e n d r e m o t ec o n t m la n dm a n a g e m e n tt oe m b e d d e ds y s t e mt h r o u g hn e t w o r ki so n e i m p o r t a n ta p p l i c a t i o no fe m b e d d e ds y s t e mn e t w o r k i n gt e c h n o l o g y a n a l y z i n g a n dc o m p a r i n gs e v e r a lt e c h n o l o g yf o re m b e d d e ds y s t e mn e t w o r k i n gb o t ha t h o m ea n da b r o a da tp r e s e n t ，w eb r i n gf o r w a r do n es c h e m eo fe m b e d d e d r e s i d e n t i a l g a t e w a yb a s e do n e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ra n de m b e d d e d o p e r a t es y s t e m ，t h e nw ed e s i g na n dr e a l i z et h es e v e r a lk e ym o d u l e so ft h i s s c h e m e f i r s t l y ，w ed e s i g nt h ec i r c u i to fe m b e d d e dr e s i d e n t i a lg a t e w a yh a r d w a r e p l a t f o r mb a s e do ne m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ni n c l u d i n gs e r i e sp o r tc i r c u i t m o d u l e ( f o rc o m m u n i c a t i o n w i t h i nr e s i d e n t i a f n e t w o r k ) n e t w o r k i n t e r f a c e m o d u l e ( f o rc o m m u n i c a t i o n w i t hi n t e r n e t ) a n d m e m o r ym o d u l e ，e t c e m b e d d e dw e bs e r v e ri st h e k e y m e t h o dt h a ta c c e s se m b e d d e d r e s i d e n t i a lg a t e w a yt h r o u g h i n t e r n e t ，a n dm o n i t o ra n dm a n a g ed e v i c e si n r e s i d e n t i a ln e t w o r k t h r o u g h r e s i d e n t i a l g a t e w a y t h i sp a p e ra n a l y z et h e m e c h a n i s ma n dt h ew o r k i n ge l e m e n t so fe m b e d d e dw e b s e r v e 5o nt h i sb a s e ， d e s i g n a n dr e a l i z eo n ee m b e d d e dw e bs e r v e 5a n d a n a l y z ef a c t o r st h a t i n f l u e n c et h e p e r f o r m a n c eo f e m b e d d e dw e bs e r v e r , t h e n b r i n g f o r w a r d w o r k ss h o u l dd ot oi m p r o v et h ee m b e d d e dw e bs e r v e r f i n a l l y ，d e v e l o p et h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r es y s t e m ，c u s t o m i z er e s i d e n t i a l r e t w o r k p r o t o c 0 1 t h e n r e a l i z et h e p r o t o c o i j n s o f t w a r e r e a l i z et h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e ni n t e r n e ta n dr e s i d e n t i a l n e t w o r k ，a c h i e v e t h e o b j e c t i v eo fr e m o t ec o n t r o la n dm a n a g e m e n t ，a n dv a l i d a t et h es y s t e mi n m e t h o do fs o f t w a r ee m u l a t i o n k e y w o r d s = e m b e d d e di n t e r n e te m b e d d e dr e s i d e n t i a lg a t e w a y u c l i n u x e m b e d d e dw e bs e r v e r r e s i d e n t i a ln e t w o r k 西北_ i _ = 业大学碗十学位论文 第一章序论 1 1 嵌入式系统及其网络化趋势 嵌入式系统的概念最早出现于上世纪7 0 年代左右，此时的嵌入式系统很多 都不采用操作系统，它们只是为了实现某个控制功能，使用一个简单的循环控 制对外界的控制请求进行处理。根据i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定 义，嵌入式系统是“控制、监视、或者辅助设备、机器和车间运行的装置”( 原 文是：d e v i c e su s e dt oc 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 fe q u i p m e n t 。 m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 。这主要是从应用上加以定义的。目前，国内一个普遍认 同的定义是：以应用为核心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁减，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。现在 人们讲嵌入式系统时，某种程度上是指近来比较热的具有操作系统的嵌入式系 统。 互联网已经进入一个崭新的时代，它成为我们日常生活的一部分。无论是在 家中、在办公室或者其他地方，都能方便地连接到网络上。随着互联网的普及， 嵌入式系统已越来越重视网络特性。 传统的技术已可以实现通过专用通信线在远方采集现场设备的数据进行远 程显示和控制。然而，通信介质要专用的，例如r s 4 8 5 、电流环路、l o n w o r k s 、 c a n 、f i e l d b u s 等等；也需要自己编写通信协议，配套的软件和硬件要自己设 计。 以太网是当今最受欢迎的局域网之一，现已成为社会重要的基础信息设施， 是信息流通的重要渠道。如果我们能充分利用现有的网络基础，将嵌入式的设 备连接到i n t e r n e t 上来，就可以实现很好的网络管理功能，方便、低廉地将 信息传送到世界上的任何一个地方。 将众多的小设备挂到i n t e r n e t 网上的意义如下： 不需要铺设专用的通信线路，通过i n t e r n e t 就可以将设各的监控延伸到 全球的任何一个角落； t c p i p 协议是现成而公开的，可以利用各种w e b 浏览器软件读取信息： 信息直接反映在色彩丰富的网页上，形式可以是数据、文字、图象、表 格，实时数据会自动更新，设备的操作会有及时可见的反馈： 每次信息传输都可以让相应的客户机按照各自的需要给予显现和操作； 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 堕j ! 三些查堂堡二! 堂垡堡：! 兰 一 入式模块而非p c 系统直接接入i n t e r n e t ，以i n t e m e t 为介质实现信息交互的过 程，通常又称为非p ci n t e r n e t 接入。国外许多大公司如e m w a r e 、m i c r o c h i p 、 s | | 等联合成立了嵌入式i n t e r n 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。随着嵌入式i n t e r n e t 产品的开发和应用，远程监控、 数据采集和系统重构等领域将会发生深刻的变革”。 1 2 嵌入式系统网络化技术研究现状 嵌入式系统网络化技术的主要技术难点在于：如何利用嵌入式系统自身有限 的资源实现t c p i p 协议栈及w e b s e r v e r ，接入i n t e r n e t 并可从i n t e r n e t 进行访 问。对于这一技术问题，国内外目前已经出现几种解决方案，讨论如下： 1 2 1 高档m c u + e o s 方案 采用3 2 位的高档单片机，在e o s ( 实时多任务操作系统) 的平台上进行软 件开发，在嵌入式系统中实现t c p i p 的协议处理。对t c p i p 协议的具体处理 主要有两种方法。 一种方法是采用嵌入式操作系统e o s ，用软件方式直接处理t c p l p 协议。 实时操作系统的功能越来越强大，许多都具有对图像界面和t c p i p 的支持能 力。采用这种方式最灵活，能按用户需求实现很多复杂的功能，当然灵活的同 时带来的是开发复杂度的增加。 另一种是采用固化了t c p i p 协议的硬件芯片，如s e i k oi n s t r u m e n t s 公司 的s 7 6 0 0 a 等，它支持h t t p 、s m t p 、p o p 3 、m i m e 等多种协议，通过外部 硬件电路处理t c p i p 协议。也可用u b i c o m 公司( 原s c e n i x 公司) 的s x 单片机加虚拟外设的方式。s x 单片机的最大特点是支持虚拟外设，将许多功能 模块( 如d t m f 接收与发送、t c p l p 协议等) 设计成软件功能模块，需要使 用某功能时直接调用相应模块，其效果等同于安装对应硬件外设电路。 这两种方式类似于在m c u 上实现p c 机加网卡的功能，m c u 直接处理t c p l p 协议，开发成本较高，且开发周期较长，对开发人员的开发能力要求较高。 1 2 2 低档m c u + 精简t c p i i p 协议栈 根据嵌入式应用的特点，将t c p i p 协议栈做大幅度的简化，只保留其中最 核心的部分，这样，就可以大幅度减少对于系统资源的需求，从而可以在低成 本、低速度、小内存的m c u 上实现网络连接，这样的方案的优点是廉价，便 于广泛应用：缺点是：a 开发周期长，对开发人员有较高要求：b 协议栈需要 长期深入测试、修改才能达到可靠性要求。 还有一种方式就是m c u + 网络芯片的集成方案，这种方式的典型代表是 2 亘苎! ：些查兰塑主兰堡照兰 一一 w e b i t ，w e b i t 是沈阳东大激业信息技术股份有限公司研制辨发的嵌入式系绞接 入i n t e r n e t 的一个实用产品，它将m c u 和以太网控制器鬃成到一块小板卡上， 将它装入到嵌入系统中裁可以完成嵌入系统与i n t e m e t 凰的联接。它将协议处 理部分独立出来，开发人员省去了网络部分的设计，可将主要精力放在应用系 统本身。其开发成本相对较低，但实现功能也相对鞍为简单。 ，2 3p cg a t e w a y + 专用阐 如前面所述，农8 位和1 6 位m c u 上实现i n t e m e t 通信协议是比较困赡的， 如柒将现育嵌入式系统中的m c u 都更换成3 2 位或6 4 位的高性熊处理器，从 经济性和现实性上来说都不太可能。于是出现了第三种方寨：采用专用网络( 如 r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 ，c a nb u s 等) 掇一，j 、批筚片祝逐绩在一起，然蔚再将该专甭 网络连接到一个p c 上，该p c 作为网关将专用网络上的信息转换为t c p i p 协 议数据包，然嚣发到疆土实现信怠共享。该方案可以连接多种单片机。但存在 如下缺点：a 需要依赖p c 机作网哭进行协议转换，在多个单片机系统分散的 涪撬下，专斓阚络撩线投为不便；b 需要在p c 辊上安装专门静协议转换软件， 该软件通常由专门的第三方软件茼提供，费用较高。这一技术的代装是e m l t 。 e 醚l t 并不能谴设备壹按其各i n t e r n e t 静遥接能力，丽楚鬻要一个被称 为e m g a t e w a y 的网关，它可以是一台以w i n d o w s 为操作系统的鬻通p c ，它 支赫t c p i i p 协议势藐夔供h t t p 黢努，姨瑟允诲用户暹蓬浏筵器来远程访麓它， 这使得它像i n t e r n e t 服务器；另一方面，e m g a t e w a y 通过r s 2 3 2 、r s 4 8 5 和 c a n 慧线辍霪缀溺媛及m o d e m 、r f 、i r 泓等方式，涛多个袋入式设备或鬻麓 家电连接在一起，并担当t c p i p 和轻量级网之间有关协议的转换任务，这又使 它缘i n t e m e t 瓣关”“”。 上述三种方案的分析比较如下袭所示： 表接 慧薅考察绔类 高端，实现完整协议栈精简协议橇轻掇级协议( 如 弱l l 蛰 典裂的处理器需 3 2b i t ， 3 0 m h z8 b i t 8 m h z 8 b i t 8 m h z 求 典型内存需求 5 0 k b ”er o m6 k b y t er o m1 k b y t er o m 5 k b y | er a m 2 4 0 3 2 kr a m3 0b y t e r a m 常用的物理胺e t h e r n e t8 e a i ，e t h e r n e l 轻燎级( s e r i a l ) 是否兼褰妒捺谈怒蠢鼹程度兼容不兼容 连接剐何处 i n t e m e th u b ，r o u t e r i s p 专j 1 ；| 网关 3 两北工业大学硕| 学位论文 续表1 总体方案分类 多用户支持是 有限有限 实现范例c o n t r o l s e w e r t ”o n ap p p u d p i pd e m oo ne m m i c r oo na m m c 2 0 0 1h c 9 0 8 g p 3 2h c 9 0 8 g p 3 2 u c l i n u x + e z z 3 2 8t c p i po i ls c e n i xp h a r l a s u c l i n u x + c o l d f i r et c p i i po n8 0 5 1m i c r o w e b l i n u x + p c i 0 4p p p t c p i po np i c等等 l i n u x + a r mm c u 等 v x w o r k s + m p c 8 6 0 等 1 3 嵌入式家庭网关概述 1 3 1 研究现状 网关是智能家庭局域网的核心部分，负责家庭局域网和i n t e r n e t 的接入，为 适用于普通家庭用户，网关一般设计为非p c 的廉价设备。采用t i n y t c p i p 技 术和高性能微处理器实现。目前，对于家庭网关，各组织和厂商还未形成统一 的定义。目前几种主要的定义如下： r g ( r e s i d e n t i a lg a t e w a yg r o u p ) 的家庭网关定义为：一种简单的、智 能的、标准化的、灵活的整个家庭网络接口单元，它可以从不同的外部网络接 收通讯信号，通过家庭网络传递信号给某个消费设备。 c i s c os y s t e m 公司的家庭网关定义是：一个在家庭内的网络化信息设备与 智能宽带接入网之间的智能化网关。2 w i r e 公司的家庭网关定义是：一种将家 庭网络无缝连接到宽带网络，使所有家庭内连网设备同时享有高速连接的设备。 尽管以上定义皆不相同，但都说明了家庭网关应具备的两个主要功能： 1 外部接入网连接到家庭内部，同时将家庭内部网络连接到外部的一种 物理接口； 2 使住宅用户可以获得各种家庭服务( 包括现有的服务和未来可能出现 的服务) 的平台。 目前许多公司都开发了自己的家庭网关产品，然而却缺乏通用的家庭网关标 准。开放服务网关组织( o s g j ) 当前正在制订服务网关的规范。该规范包含的 技术的主要特点是：需要开放的和独立的平台：目标是成为一个标准；应有较 高的独立性和保密性；应支持不同类型的家庭连网协议；应具有较高的可靠性。 但是因为不同的外部接入网络的特点不同，不同的服务提供商有不同的商业 4 堕! ! 三些查兰堡兰兰竺丝兰一一 模式，存在不同的已有的或正在研发的网络接口设备，它涉及许多不同的技术 或商业问题，因此在可预见的将来不会有一个单一的家庭网关解决方案出现。 1 3 2 市场前景 家电行业是嵌入式应用的一大行业。传统的电视、电冰箱、等中也有微处理 器，但是这些处理器只是控制方面应用。现在只有按钮、开关的家电已经不能 满足人满日常生活的需要，具有用户界面、能远程控制、智能管理的电气是未 来发展的趋势。掘l d g 发布的统计数据表明，未来信息家电将会成长5 1 0 倍。 国际、国内知名的l t 企业和传统家电制造商纷纷联手开拓网络家电，将信 息技术、网络技术引入家电生产领域，网络冰箱、网络微波炉、网络空调等信 息化家电新产品层出不穷。网络家电产品带动了智能家庭、智能小区等相关产 业的发展，具有可观的市场前景和利益回报。网络家电产品由于其很高的技术 含量和巨大的市场潜力，已经成为衡量家电企业高科技性和前瞻性的标准之一。 这些网络家电都需要通过家庭控制中心与i n t e r n e t 相连，实现统一的管理和远 程监控，这就需要家庭网关，它不仅负责各种不同类型子网之问的协议转换，而 且还要完成家居智能控制和i n t e r n e t 接入功能，借助家庭网关，可通过因特网 检查家庭网内的各信息家电状态及进行控制等。 信息家电的发展在我国有着良好的市场基础。中国是世界上最大的家电生 产国并具有最大的保有量，家电更新量巨大，智能建筑、智能小区发展迅速。 中国建设部、信息产业部联合申请的“建筑及住宅社区控制网络通讯协议( 编 制中) ”计划2 0 0 4 年推出。考虑到中国的这些市场状况和特点，可以推断家庭 网关在中国具有良好的发展前景”，。 1 。4 研究意义及本文的主要工作 随着我国经济综合实力的不断增强，我国信息产业也有了飞速发展，取得了 巨大进步，但是在产品技术水平、市场占有率方面，与国外发达国家甚至部分 新兴发展中国家都有很大差距，要迎头赶上必须走技术创新的路子，大力采用 嵌入式系统，广泛采用微处理器微控制器及嵌入式软件，提高产品数字化智能 化水平，提高产品的性能价格比；无论是改造旧产品还是发展新产品以及实现 技术创新，嵌入式系统部是有效手段和得力工具。嵌入式系统设计及开发并没 有形成类似于高档计算机产业的垄断局面，国内外研究水平差距并不很大，这 为我们迎头赶上、振兴民族信息产业提供了难得的机遇。 嵌入式系统已经广泛应用于国防、家庭、工业、商业及医疗卫生等方方面面， 给国计民生带来了极大的社会效益和经济效益，以嵌入式系统为核心的嵌入式 5 西北工业人学硕士学位论文 产品已成为i n t e r n e t 的主要信息终端。进行嵌入式系统网络化技术及其应用方 面研究，对于提高我国信息安全水平、加强国防建设、提高人民群众的生活质 量以及促进我国信息产业的发展并走向世界，具有非常重大的理论意义和实用 价值。 本文研究了嵌入式系统的发展及开发特点，分析比较了国内外对嵌入式系统 接入i n t e r n e t 的几种实现方案，掌握了嵌入式i n t e r n e t 技术的开发方法。并根 据当前信息家电的普及及信息化家庭网络的需求，对信息家庭的智能信息终端 接入i n t e r n e t 并实现远程监控、管理等，提出了基于嵌入式微处理器和嵌入式 操作系统的嵌入式家庭网关解决方案，主要进行了以下工作： 1 研究了家庭网关的系统构建方式及应用模型，对开发方案进行了设计 论证，通过分析比较，选择了合适的嵌入式系统软、硬件开发平台以及嵌入式 系统开发的仿真平台。 2 根据设计的系统要求，设计了嵌入式系统的硬件电路，包括串行接口 模块、网络接口模块、外部存储器模块等，并可进一步扩展设计。 3 参考各种研究资料，研究并设计实现了嵌入式家庭网关系统的核心模 块一一嵌入式w e b 服务器( e m b e d d e dw e bs e r v e r ，e w s ) ，并实现了其可 裁减性、安全性、可移植性及模块化等方面的设计与实现，为将来系统的进一 步的开发以及将本e w s 应用于其它嵌入式产品打下了基础。 4 开发了嵌入式管理软件系统，实现了串口驱动、网络驱动等驱动模块， 定义了家庭内部网通讯协议，并成功用软件实现。 5 通过软件仿真技术，验证了软件系统的正确性。 本文具体内容安排为： 第一章为序论，第二章为开发方案论述，第三章为硬件电路的设计说明，第 四章为嵌入式w e b 服务器的设计及实现，第五章为嵌入式管理软件的设计及 实现，最后一章即第六章为总结与展望。 6 西北工业大学硕上学位论文 第二章开发方案论述 2 。1 总体方案 最基本的智能家庭网关由嵌入式e t h e r n e t 、t i n yt c p i p 协议栈、t i n y w e b s e r v e r 、家庭智能控制与管理程序、内部网络协议转换等五大部分构成。 在此基础上，还可扩展t i n yw e b b r o w s e r 等功能。智能家庭网关的主要功能模 块简述如下： 1 嵌入式t c p i p 协议栈( t i n y t c p i p ) 家庭网关和外部i n t e r n e t 网络 通信的协议基础。在复杂系统中，t c p i p 协议栈一般都作为操作系统的一部分， 通过软件实现。当前比较流行的嵌入式操作系统基本上都包含t c p i p 协议栈， 适合于中高档微处理器实现。 2 嵌入式w e b 服务器( t i n y w e b s e r v e r ) 家庭网关面向外部通信网络 和远程监控用户的窗口，家庭内部各种智能应用终端的信息和状态均以网页的 形式通过w e b 服务器传送给远程监控用户，远程监控用户通过网页以c g i 形 式改变和控制家庭智能终端的参数和状态。 3 家庭智能控制与管理程序智能家庭网关，乃至整个智能家庭局域网 的核心，负责所有智能应用终端的控制和管理功能。主要根据远程监控用户的 指令完成对各种不同智能应用终端的参数设置和控制，并提供一套有效合理的 控制和管理策略。 4 内部网络协议转换智能家庭局域网的枢纽，担负着智能家庭局域网 内部各种不同协议子网之间的协议转换工作，是处于智能家庭网关中与物理层 接口的底层软件，也是智能家庭网关的基础。 本文以嵌入式处理器为核心设计网关硬件平台，设计以太网接口与i n t e r n e t 实现互连，设计r s 2 3 2 串行接1 ：3 ，通过r s 2 3 2 - - r s 4 8 5 双向转换器接入基于 r s 4 8 5 总线的家庭内部网，用于实现对家居内部网络的访问与控制。以嵌入式 操作系统作为软件系统开发平台。实现各管理软件及通信协议等，系统应用模 型如图所示： 7 西北工业大学硕_ - 学位论文 图1 嵌入式家庭网关应用模型 下面，就本文的软硬件开发平台的选择进行说明。 2 2 软、硬件开发平台的选择 2 2 1 硬件平台的选择 各式各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件最核心的部分。目前，世界上具 有嵌入式功能特点的处理器已经超过1 0 0 0 种，流行的体系结构包括m c u 、m p u 等3 0 多个系列。根据现状，嵌入式处理器可分为四大类： 1 嵌入式微控制器( m c u ) 嵌入式微控制器的典型代表是单片机，单片 机内部集成各种必要的功能和外设，和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，从而使功耗和成本下降、可靠性增强。微控制 器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适 合于控制，因此称为微控制器。 2 嵌入式d s p 处理器( d s p ) d s p 处理器是专门用于信号处理方面的 处理器，其在体系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 t 、频谱分析等各种仪器上d s p 获得了大规 模的应用。 3 嵌入式微处理器( m c u ) 嵌入式微处理器是由通用计算机种的c p u 演变而来的。它的特征是具有3 2 位以上的处理器，具有较高的性能。但与计算 机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功 能硬件，去除其它的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应 8 堕些王些奎兰堡主兰竺堡奎一 用的特殊要求。和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、可靠性高的优点。 4 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ) 。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之。s o c 的最大特点 是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器内集成嵌入式操作系统的代码模 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。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，不仅减小了系统的体积和功耗，而且提高了系统的可靠性，提高 了设计生产效率。 本文要开发嵌入式网关，对系统的性能要求相对较高，传统的微控制器已经 无法满足需要，而片上系统s o c 又因成本过高，不适合应用于对成本要求严格 的嵌入式家庭网关方面，因此本文采用的是嵌入式微处理器。 嵌入式微处理器有许多流行的处理器核，芯片生产厂家一般都基于这些处理 器核生产不同型号的芯片。和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、可靠性高的优点，目前全世界嵌入式处理器的流行体系 结构主要有s c - 4 0 0 、p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m 等。其中除了6 8 k 系 列采用了c i c s 指令集外，其它的都是基于r i s c 架构。1 。 本文对当前市场上几种主要的嵌入式微处理器进行了深入的分析和比较，具 体如下表所示： 表格2 当前主要嵌入式微处理器比较 x 8 6 系列m o t o r o l a 系列a r m 系列 1 c p u 性能价格比良1 抗干扰能力强，可靠性和稳定性1 成本低，功耗低，高 好 突出性能 性2 开发简单，软件兼锌2 强大的通讯功能，非常适合通信2 火餐使用寄存器，指 能性好。类产品令执行述度更快，寻 特3 软件资源丰富3 _ f 氐功耗，高性能而低成本适合于址方式灵活简单，执 点4 开发平台简单嵌入式系统开发行效率高 5 目前有大量t 控1 0 43 支持t h u m b ( 1 6 位) 扳，c p c i 板可使用方a r m ( 3 2 位) 双指令 便二次开发。集能微好的兼容8 位，1 6 位器件 9 西北工业大学硕士学位论文 续表2 当前主要嵌入式微处理器比较 1x 8 6 系列c ，c + + 开发m o t o r o l a 系列北+ + 开发环境c c + + 开发平台 支环境 1c o d e w a r r i o r2 g n u1 a d sa r m 公司提 持 2 c a d - u i3 d i a b供 的 3 p a r a d i g m 4s d s 2 s d ta r m 公司提 开 4 g n u 5 g t e e n h i i l 供 发 5d i a b 3 g n u 免费平台 环 6 g r e e nh i l l 境 支1 1 8 6 3 8 6 4 8 6 全仿 16 8 h c l 2 1 6 支持b d m 调试器 a r m 系列支持j t a g 持真器2 6 8 k 系列全仿真器规范 的2 s c 5 2 0 支持j t a g 3 c p u 3 2 系列支持b d m 调试器目前支持a r m 调调试器4 c o l d f i r e 系列支持b d m 调试 的调试器： 试3 p i i p i i p l l l 支持器1j e e n s d t 仿j t a g 调试器5p p c 8 x x 5 x x 支持b d m 调试2 t r a c e l c ds d t a d s 真4 g e o d e t mg x 支持器3 m u l t i l c es d t a d s 方j t a g 调试器 6p p c 8 2 x x t x x 支持j t a g 调试 4 h i t o o lh i t o o l 式器 经过分析研究，在本系统中，选用了基于a r m 微处理器核的三星公司的 $ 3 c 4 5 1 0 b 处理器，主要基于以下考虑： 1 $ 3 c 4 5 1 0 b 处理器是一款高性能、低功耗的优秀的微处理器芯片，非 常适合于嵌入式系统开发。 2 $ 3 c 4 5 1 0 b 处理器，使用a r m 7 t d m l 内核，取消了m m u ( m e m o r y m a n a g e m e n tu n i t 内存管理单元) ，降低了成本，有利于嵌入式系统的成本控 制。 3 $ 3 c 4 5 1 0 b 处理器主要关注于嵌入式i n t e r n e t 应用，内部集成以太网控 制器，特别适合于网络相关应用，正满足于本系统开发的需求。 4 $ 3 0 4 5 1 0 b 处理器已经被广为接受，目前成为国内出货量最大的一款 a r m 芯片，且已在许多领域成功批量应用，这也证明了其设计的成功。且相关 开发资料比较多，有利于加快开发时间和提高开发质量。 2 2 2 软件平台的选择 为了使嵌入式系统的开发更加方便和快捷，需要有专门负责管理存储器分 1 0 堕苎三些查兰堡主兰堡笙兰 一 一 配、中断处理、任务调度等功能的软件模块，这就是嵌入式操作系统。嵌入式 操作系统是用来支持嵌入式应用的系统软件，是嵌入式系统极为重要的组成部 分，通常包括与硬件相关的底层驱动程序、系统内核、设备驱动接口、通信协 议、图形用户界面( g u i ) 等。 嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理复杂的系统 资源，能够对硬件进行抽象，能够提供库函数、驱动程序、开发工具集等。但 与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时性、硬件依赖性、软件固 化性以及应用专用性等方面，具有更加鲜明的特点： 1 微内核结构 大多数嵌入式操作系统采用了微内核结构，内核只提供基本的功能，比如： 任务的调度、任务之间的通信与同步、内存管理、时钟管理等。其它的应用组 件，比如网络功能、文件系统、g u i 系统等均工作在用户态，以系统进程或函 数调用的方式工作。因而系统都是可裁减的，用户可以根据自己的需要选用相 应的组件。 2 任务调度 在嵌入式系统中，任务即线程。大多数的嵌入式操作系统支持多任务。多任 务运行的实现实际是靠c p u 在多个任务之间切换、调度。每个任务都有其优先 级，不同的任务优先级可能相同也可能不同。 3 硬实时和软实时 嵌入式系统对时间的要求较高，称之为实时系统。有两种类型的实时系统： 硬实时系统和软实时系统。软实时系统并不要求限定某任务必须在一定的时 间内完成，只要求各任务运行得越快越好；硬实时系统对系统响应时间有严格 要求，一旦系统响应时间不能满足，就可能会引起系统崩溃或致命的错误，一 般在工业控制中应用较多。 4 内存管理 大多数嵌入式系统针对没有m m u 的处理器设计，不能使用处理器的虚拟内 存管理技术，采用的是实存储器管理簧略。因而对于内存的访问是真接的，它对 地址的访问不需要经过m m u ，而是直接送到地址线上输出，所有程序中访问的 地址都是实际的物理地址；而且，大多数嵌入式操作系统对内存空间没有保护， 各个进程实际上共享一个运行空间。一个进程在执行前，系统必须为它分配足 够的连续地址空间，然后全部载入主存储器的连续空间。在开发应用程序时， 必须考虑内存的分配情况并关注应用程序需要运行空间的大小。 5 内核加载方式 西：i l ：t 业大学硕l 学位论文 嵌入式操作系统内核可以在f l a s h 上直接运行，也可以加载到内存中运行。 f l a s h 的运行方式，是把内核的可执行映像烧写到f l a s h 上，系统启动时从f l a s h 的某个地址开始执行。这种方法实际上是很多嵌入式系统所采用的方法。内核 加载方式是把内核的压缩文件存放在f l a s h 上，系统启动时读取压缩文件在内 存里解压，然后开始执行。这种方式相对复杂一些，但是运行速度可能更快， 因为r a m 的存取速率要比f l a s h 高。 由于嵌入式系统的内存管理机制，嵌入式操作系统对用户程序采用静态链接 的形式。在嵌入式系统中，应用程序和操作系统内核代码编译、链接生成一个 二进制影像文件来运行。 嵌入式操作系统的种类繁多，大体上可分为两种一商用型和免费型。商用型 的实时操作系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，但往往价格 昂贵，目前应用比较广泛的有w i n d o w sc e 、v x w o r k s 、p a l mo s 、p s o s 等。 免费型的实时操作系统在价格方面具有优势，目前影响力比较大的有主要有嵌 入式l i n u x 和u c o s 等伽1 。目前主流的嵌入式操作系统分析如下表所示 表格3 当前主流的嵌入式操作系统比较 w i n d o w sc ev x w o r k sp a l mo s嵌入式l i n u x 核心占5 0 0 k b 的根据需要情况，内核心几卜k b ，核心从几十k b 到 大小r o m 和2 5 6 k b 的核占1 6 k b 到整个嵌入式环5 0 0 k b ，整个嵌入 r a m4 8 8 k b ，境也不犬式环境最小1 0 0 k b 可开用户开发定制不方较强的可定制性可以方便的开用户可以方便的开 发定便，受m i c r o s o f t 公发定制发定制，可以自由 制司限制较多卸装用户模块 提供目标代码目标代码目标代码目标代码或源代码 形式 通用适应于多种c p u 和支持多种处理器，适应于多种支持x 8 6 ：占片等3 0 性 多种硬件平台 如x 8 6 、i 9 6 0 、s u nc p u 和多种硬 多种c p u 采i 多种硬 s p a r c 、p o w e r p c 、 件平台件平台，开发和使 m i p s r x 0 0 0 替 用都很容易 c o d e w a r r i o r 开发f o rp a l m o s ， 编译e m b e d d e dt o o l st o r n a d og n ug n u 开发套件 工具p a l m p i l o t s d k 1 2 西北工业大学硕士学位论文 续表3 当前主流的嵌入式操作系统比较 适用应用领域较广应用领域非常广应用领域较由于l i n u x 内核结 的应w i n d o wc e 是为新泛，特别适用于对广，特别适于构及功能等原因， 用领一代非传统的p c可靠性、实时性要掌上电脑的开嵌入式l i n u x 应用 域设备而设计，这些求特别高的领域。领域非常厂泛，它 设备包括掌上电特别适于进行信息 脑、手持电脑以及家电的开发 用于车载电脑等 在本系统中，选择的是嵌入式l i n u x 操作系统中的u c l i n u x 嵌入式操作系 统，主要基于以下考虑： 1 嵌入式家庭网关属于信息家电范畴，对成本要求极为严格，购买昂贵 的商用嵌入式操作系统显然不可行，而嵌入式l i n u x 操作系统是免费的而且是 已证明的可靠而富有效率的开发平台，采用嵌入式l i n u x 操作系统有利于降低 嵌入式系统的开发成本。 2 嵌入式l i n u x 操作系统拥有强大的网络功能，对各种网络协议均有完善 的支持，非常适合与嵌入式信息设备的开发。 3 本系统选择的硬件平台基于a r m 7 t d m i ，没有m m u ，在嵌入式l i n u x 操作系统系列中，u c l i n u x 是比较理想的支持n o m m u 处理器的嵌入式l i n u x 操作系统。 4 嵌入式l i n u x 操作系统源代码开放，网络上无数自由软件爱好者对其进 行开发及完善，相关开发资源非常丰富，可加快开发进度及提高开发质量。 2 3 软件仿真环境的选择 2 3 1 嵌入式系统的调试方法 使用集成开发环境开发基于a r m 的应用软件，包括编辑、编译、汇编、链 接等工作全部在p c 机上即可完成，调试工作则需要配合其他的模块或产品方 可完成，目前常见的调试方法有以下几种： 1 指令集模拟器：部分集成开发环境提供了指令集模拟器，对执行文件 的机器指令进行解释，并仿真执行每一条机器指令，产生相应的硬件响应，可 方便用户在p c 机上完成一部分的调试工作，但是由于指令集模拟器与真实的 硬件环境还是有一定的差别，因此即使用户使用指令集模拟器调试通过的程序， 1 3 堕! ! 三些查兰堡主堂些笙兰 在移植到硬件系统平台时还要进行一定的修改，用户最终必须在硬件平台上完 成整个应用的开发。 2 驻留监控软件：驻留监控软件( r e s i d e n tm o n i t o r s ) 是一段运行在目 标板上的程序，集成开发环境中的调试软件通过以太网口、并行端口、串行端 口等通讯端口与驻留监控软件进行交互，由调试软件发布命令通知驻留监控软 件控制程序的执行、读写存储器、读写寄存器、设置断点等。 驻留监控软件是一种比较低廉有效的调试方式，不需要任何其他的硬件调 试和仿真设备。a r m 公司的a n g e l 就是该类软件，大部分嵌入式实时操作系统 也是采用该类软件进行调试，不同的是在嵌入式实时操作系统中，驻留监控软 件是作为操作系统的一个任务存在的。 驻留监控软件的不便之处在于它对硬件设备的要求比较高，一般在硬件稳定 之后才能进行应用软件的开发，同时它占用目标板上的一部分资源，而且不能 对程序的全速运行进行完全仿真，所以对一些要求严格的情况不是很适合。 3 j - _ a g 仿真器：j t a g 仿真器也称为j _ f a g 调试器，是通过a r m 芯片 的j _ r a g 边界扫描口进行调试的设备。j t a g 仿真器比较便宜，连接比较方便， 通过现有的j t a g 边界扫描口与a r m c p u 核通信，属于完全非插入式( 即不使 用片上资源) 调试，它无需目标存储器，不占用目标系统的任何端口，而这些是 驻留监控软件所必需的。另外，由于j t a g 调试的目标程序是在目标板上执行， 仿真更接近于目标硬件，因此，许多接口问题，如高频操作限制、a c 和d c 参 数不匹配，电线长度的限制等被最小化了。使用集成开发环境配合j t a g 仿真 器进行开发是目前采用最多的一种调试方式。 4 在线仿真器：在线仿真器使用仿真头完全取