（通信与信息系统专业论文）基于μcosⅡ的嵌入式tcpip协议栈的研究.pdf

摘要 随着计算机技术的发展，嵌入式系统已成为计算机领域的一个重要组成部 分，它是一种将底层硬件、实时操作系统和应用软件相结合的专用计算机系统。 嵌入式实时操作系统是嵌入式系统应用软件开发的支撑平台，网络化是主要趋 势之一。目前嵌入式系统己经广泛应用于国防、工业、交通、能源、信息技术 以及日常生活等各个领域，并成为近年来新兴的研究热点。本课题采用杭州立 宇泰电子有限公司的a r m s y s l 开发板( 采用的是s a m s u n gs 3 c 4 4 b o x 内核) 作为 硬件开发平台，采用嵌入式实时操作系统恤c l o s i l 作为软件开发平台，研究基 f t c o s 一1 i 的嵌入式t c p i p 协议栈。 本论文首先论述了a r m 处理器的体系结构和内核特点、s 3 c 4 4 b o x 的内部 结构、嵌入式实时操作系统g c o s i i 的特点及其任务管理、任务通信、内存管 理等机制其次在深入分析嵌入式实时操作系统l a c o s i i 及其内核原理的基础 之上，将 t c o s i i 系统成功移植到a r m 微处理器，并通过设计相应任务调度 。实例，对系统进行功能测试。g c o s i i 以其免费公开源码、面向中小型应用、 可抢占、多任务以及较好的移植性等突出特点，在备类嵌入式设备中得到广泛 应用。然而，g c o s i i 内核中不支持t c p i p 协议栈，因而无法适应嵌入式设备 网络化的需要。本课题在对t c p f l p 网络协议进行深入分析的基础上，针对嵌入 式系统的特点，对t c p i p 协议进行合理的简化：同时研究了嵌入式t c p i p 协 议栈l w l p 的特性，分析了它的内存管理机制、应用程序接口、工作流程以及网 络接口芯片r t l s 0 1 9 a s 的工作原理及驱动程序的实现；研究了将开放源代码的 t c p i p 协议栈l w i p 移植到t t c o s i i 系统上，实现嵌入式系统的网络联接。 在本论文的最后，对整个工作进行了归纳和总结，阐述了现已取得的阶段 性成果，提出了目前实现存在的问题，并对未来的发展方向进行了展望。 关键词：嵌入式系统a r m ，p , c o s t l ，网络化，l w l p a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r , e m b e d d e ds y s t e mh a sb e c o m eav e r y i m p o r t a n tp a r to fc o m p u t e rs c i e n c e ；i ti s ac u s t o m i z a t i o nc o m p u t i n gs y s t e mt h a t i n t e g r a t e sw i t hh a r d w a r e ，r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e ma n da p p l i c a t i o ns o f t w a r e e m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mi st h ep l a t f o r ms u p p o r t i n ge m b e d d e ds y s t e m a p p l i c a t i o ns o f t w a r ed e v e l o p m e n t i th a sb e e no n eo ft h eh o tt r e n d st h a tm a k i n gi t n e t w o r k i n g e m b e d d e ds y s t e mh a sn o ww i d e l yu s e da n db e c o m ea nr e s e a r c h i n gf o c u s i nm a n yf i e l d ss u c ha sn a t i o n a ld e f e n c e ，i n d u s t r yc o n t r o l ，t r a f f i c ，e n e r g ys o u r c e s ， i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dc i v i ll i v i n g w et o o kt h es a m s u n gs 3 c 4 4 b o xa r m b o a r dd e v e l o p e db yh a n g z h o ul iy ut a ie l e c t r o nl t da st h eh a r d w a r ep l a t f o r i l la n d t o o kr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mi i c o s i ia st h es o f t w a r ep l a t f o r ma n dr e s e a r c h t c p i pp r o t o c o ls t a c kb a s e do np c o s i i a tt h ef i r s t ，t h e p a p e ra n a l y z et h ec h a r a c t e r s o fa r m 7 t d m i ，s 3 c 4 4 b o x a r c h i t e c t u r ei nd e t a i l sa n da n a l y z et h ec h a r a c t e r so fg c o s i ii nd e t a i l ，t a s k m a n a g e m e n t ，t a s kc o m m u n i c a t i o na n dm e m o r ym a n a g e m e n t a f t e ra n a l y z i n gt h e e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mg c o s i ia n di t sk e r n e l ，w et r a n s p l a n t e dg c o s 1 10 1 3 a r mm i c r op r o c e s s o rs u c c e s s f u l l ya n dd e s i g n e dt a s k a t t e m p e rt o t e s t s y s t e m s l l m c t i o n g c o s i ii san e we m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mt h a th a ss e v e r a lo u t s t a n d i n g s t r o n g p o i n ts u c ha sf l e es o u r c ec o d e ，o r i e n t e ds m a l lo rm i d d l es c a l ea p p l i c a t i o n ， p r e e m p t i v ek e r n e l m u l t i m s ka n dp r e f e r a b l ep o r t a b i l i t y i th a sb e e nu s e di na l lk i n d s o fe m b e d d e ds y s t e m s h o w e v e r , b e c a u s et h ek e r n e lo fg c o s - i id i d n ti n t e g r a t ew i t h r c p i pp r o t o c o ls t a c k ，i tc a r l tm a k et h ee m b e d d e dd e v i c e sa c c e s st h ei n t e r a c t b a s i n g o nt h ed e e pa n a l y s i so ft c p i pn e t w o r kp r o t o c o la n dt h en e t w o r ks t r u c t u r eo f e m b e d d e ds y s t e m ，w es i m p l i f yt c p i ps t a c ka n di n t r o d u c et h ef e a t u r e so fe m b e d d e d t c p i ps t a c k l w i p ，a n da n a l y z e si t sm e m o r ym a n a g e m e n tm e c h a n i s m ，a p i ，w o r k f l o w , a n dn e t w o r ki n t e r f a c e ；e x p a t i a t e sp r i n c i p l eo ft h en e t w o r ki n t e r f a c e c h i p - r t l 8 0 19 a sa n dp a r t i c u l a ri m p l e m e n t a t i o no ft h ed r i v e r ；t h et h e s i sb r i n g f o r w a r dam e t h o do ft r a n s p o r t i n gt h eo p e ns o u r c et c p i ps t a c k l w i pt og c o s 一1 i s y s t e ma n dr e a l i z en e t w o r kc o n n e c t i o ni ne m b e d d e ds y s t e m t h el a s tc h a p t e ri sas u m m i n g u po f t h e a b o v es t u d i e s ；m o r e o v e r , s o m ep r o b l e m s s t i l le x i s t e di nt h ef i e l d ，a sw e l la st h ed i r e c t i o no ff u r t h e rd e v e l o p m e n to ft h es u b j e c t i sa l s op o i n t e di nt h i sc h a p t e r k e yw o r d s ： e m b e d d e ds y s t e m ，a r m ，u c o s i i ，n e t w o r k i n g ，l w l p i l 此页若属实，请申请人及导师签名。 独创性声明 y8 6 1 2 3 7 本人声明，所里交的论文是我个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缝方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书两使用过的材科。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。 研究生签名：立习日期妇嘘笸；【2 ， 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文盼规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：曼鹚 导师签名： 立压亟日期迎笸：诈 注：请将此声明装订在论文的目录前。 武汉理l k 学硕士学付论文 1 1 嵌入式系统概述 第1 章绪论 随着社会的嗣益信息化，计算机和网络已经全面渗透到日常生活的每。个 角落。任何一个普通人都可能拥有从小到大的各种使用嵌入式技术的电子产品， 小到r a p 3 、p d a 、掌上游戏机等微型数字化产品，大到网络寒电、智能家电、 年载电子设备等等。通常，嵌入式系统被定义为一种以应用为中心，以计算机 为基础，软硬件可裁减，适应对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的 争用计算机系统f l 】。从广义上讲，凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可称为 嵌入式系统；从狭义上讲，嵌入式系统强调是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和特定功能，用于特定场合的专用计算机系统i l 】。 目前。各种各样的新型嵌入式系统设备在应用数量上已经远远超过了通用计算 机。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、服务机器人正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式。 1 1 1 嵌入式处理器的分类 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式微处理器，目前据不完全统计， 全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1 0 0 0 多种，流行的体系结构有3 0 几 个系列。根据其现状，嵌入式计算机可分为以下4 类【圳： ( 1 ) 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。它具有体积小、重量轻、 成本低、可靠性高的优点。但是，在电路板上必须包括存储器、总线接口、各 种外设等器件，降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。嵌入式微处理器目 前主要有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c - 4 0 0 、p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m 系列。 ( 2 ) 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 嵌入式微控制器以某一种微处理器内核为核心，将整个计算机系统集成到 一块芯片中。它的主要特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降， 可靠性提高。嵌入式微控制器主要是5 1 系列的产品。 武汉理工大学硕士学位论丈 ( 3 ) 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 ) d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算法， 编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、f f t 、谱分析等方面d s p 算法正在大量进入嵌入式领域，所以，嵌入式d s p 处理器获得了广泛的应用。 比较有代表性的产品是t e x a si n s t r u m e n t s 的t m s 3 2 0 系列和m o t o r o l a 的 d s p 5 6 0 0 0 系列。 ( 4 ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s e r e ) 随着e d i 的推广和v l s i 设计的普及化，以及半导体工艺的迅速发展，在 个硅片上实现一个更为复杂的系统，这就是嵌入式片系统。s o c 可分为通用 和专用两类，通用s o c 如i n f i n e o n ( s i e m e n s ) 的t r i c o r e ，m o t o r o l a 的m c o r e ， e c h e l o n 和m o t o r o l a 联合研制的n e u r o n 芯片等：专用s o c 一般专用于某个或某 类系统中，如p h i l i p s 的s m a r t x a o 。由于整个嵌入式系统的大部分功能都集中在 一块或几块芯片上，应用电路变得非常简洁，对于减小体积和功耗，提高可靠 性和保密性都非常有利。 1 1 2 嵌入式操作系统的发展 许多简单的嵌入式系统弗不需要嵌入式操作系统。但是，随着嵌入式系统 复杂性的增加，操作系统显得越来越重要。因此，必须对复杂的嵌入式软件系 统进行合理的控制。 目前，嵌入式操作系统伴随着嵌入式系统的发展经历了4 个比较明显的阶 段【2 1 ： 第一阶段是无操作系统的嵌入算法阶段，是以单芯片为核心的可编程控制 器形式的系统同时具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。这一阶段系 统的主要特点是：系统结构和功能都相对单一，处理效率较低，存储容量较小， 几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简便，价格很低，以前在国内工 业领域应用较为普遍，但是已经远远不能适应商效的，需要大容量存储介质的 现代化工业控制和新兴的信息家电等领域的需求。 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础，以简单操作系统为核心的嵌入式系统。 这阶段系统的主要特点是：c p u 种类繁多，通用性比较弱：系统开销小，效 率高；操作系统具有一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业，用户界面不够 友好：系统主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。 武汉理 一大学硕士学位论文 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。这一阶段系统的主要 特点是：嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好：操 作系统内核小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管 理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能：具有大量 的应用程序接口( a p i ) ，开发应用程序简单；嵌入式应用软件睾富。 第四阶段是以基于i n t e m e t 为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的 阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e m e t 之外，但随着i n t e r n e t 的发展以 及i n t e m e t 技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式没备与 i n t e r n e t 的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。 i 1 3 嵌入式设备的网络化 工控设备、信息家电和个人通讯产品等嵌入式系统的智能化、网络化越来 越要求具有网络功能；企业的信息化改造也需要将大量的非网络设备接入网络， ：诈鼠通过w e b 浏览嚣对这些设备进行监控和统一管理。该技术把网络引入到广4 泛使用的微处理器的软件平台上，拓宽了网络的应用领域，同时也给嵌入式系 统带来了新的发展契机。 目前，国内外的嵌入式系统接入i n t e r a c t 主要有以下几种方式1 1 9 】： ( 1 ) m c u 加t c p p 协议方式 此种方式一般需m c u 象p c 机一样直接处理t c p i p 协议，一般需要高档 的处理器，如3 2 位的a r m 、s h 3 、m i p s 等m c u 和一些单周期指令速度较高 的8 位m c u 如a v r 、s x 等。 ( 2 ) m c u 加专用的t c p p 协议芯片或模块 该方案的软硬件设计相对简单，对m c u 的硬件资源需求也较低，只需内嵌 t c w i p 协议的芯片即可实现i n t e m e t 互联。 ( 3 1m c u 加上支持i n t e m e t 的r t o s r t o s ( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 实时操作系统是运行在嵌入式平台上的 一种操作系统。具有内核小，高度的模块化，较完备的文件目录管理，多任务、 图形窗口以及用户界面的功能。该方案通过r t o s 自身内核或是附加网络组件提 供对t c p i p 协议的支持。 ( 4 ) 采用专用嵌入式网络拚议 该方案最具有代表性的如e m w a r e 公司的e m i t ( e m b e d d e dm i c r o 武汉理1 大学硕士学位论文 i n t e r n e t w o r k i n gt e c l l l l o l o g y ) 由e m n e t 和e m g a t e w a y 两部分组成，e m n e t 协议运 行在m c u 内部，是为嵌入式系统和其他网络( 如r s 4 8 5 、1 r 、r f 和电力线等) 进行连接的网络协议。同时e m n e t 使得集成e m m i c r o 的嵌入式系统能够和嵌入 式微控制器网关e m g a t e w a y 进行有效的通信。嵌入式微控制器网关( 即 e m g a t e w a y ) 运行在计算机、t v 机顶盒或专用的家用电器服务器中，它是设备网 络和i n t e m e t 之间连接的桥梁。 1 2 嵌入式系统现状和发展趋势 由于嵌入式系统具有了体积小、可靠性高、实时性强、功耗低等优点“，其 已在军事国防、消费电子、信息家电、网络通信、汽车电子、工业控制等领域 都得到了广泛的应用。社会经济的不断发展产生了一些新的需求，同时也极大 地促进了嵌入式技术的广泛。中国已成为世界制造大国，但远不是技术强国。 近几年，在消费电子、工业应用、军事国防、网络设备等领域的嵌入式应用， 为中国提供了难得的发展机遇。嵌入式技术又刺激了许多新的应用需求，过去 在工业过程控制、电力系统、石油化工系统等方面，大部分低端型设备主要采 用8 位单片机。随着技术发展，目前许多设备除了进行实时控制，还需低成本 地实现将设备状态、传感器的信息等在显示屏上实时显示和远距离传送，低端8 位显然难以完成。嵌入式技术发展又在不断刺激新的技术的产生一信息家电、 医疗电子病历、微小型智能武器等方丽应用也目益广泛，应用深度也进一步加 强。 互联网的普及、微电子加工工艺的提高、3 c ( c o m p u t e r 、c o m m u n i c a t i o n 、 c o n s u m e r ) 技术的普遍融合、使用者需求的增多、信息服务应用的生活化、技术 的渗透性和融合性、设备的关联性以及个性化服务的普遍需求，2 1 世纪人们要 求移动化处理信息，即随时随地攻取信息、处理信息等，这些已成为信息社会 把握先机而制胜的必然武器。 1 。3 论文主要工作及意义 构建一个完整的实时嵌入式系统。没有必要从零开始，这样做工作量太大、 效率低而且实现的功能也由于没有经过严格的验证而缺乏稳定性。目前有众多 的开放源代码可供选择，其性能是经过很多人的使用检验是值得信赖的。其不 武汉理t 大学硕+ 学何论文 足之处还可通过修改其源代码来完善或修改以满足特殊应用的要求。因此本论 文采取的研究路线是利用网络上开放源代码实时操作系统g c o s i i 移植到a r m 歼发板，为了实现p c o s i i 的网络功能，选择嵌入式协议栈l w l p 作为”, c o s i i 的网络模块并将它嵌入到g c o s i i 内核上，使g c o s 1 1 支持网络通信功能。 本课题的具体工作主要包括以下几个内容： ( 1 ) 以杭州立宇泰电子有限公司的a r m s y s l 。开发板( 采用的是s a m s u n g s 3 c 4 4 b o x 内核) 为硬件平台，实时嵌入式操作系统, c o s i i 为软件平台， 研究了a r m 7 t d m i 的体系结构、s 3 c 4 4 b o x 内部结构：对源代码开放的实时操 作系统g c o s i i 的结构进行分析，分别从任务管理、中断管理、任务之间的通 信机制、时间管理四个方面对i t c o s - i i 的内核原理进行讨论； ( 2 )在上述分析研究的基础上，结合a r m 平台的要求和具体特点，将 a c o s i i 移植到a r m 开发板上，并通过设计相应的任务调度实例对系统进行功 能测试： ( 3 )研究l w l p 源码公开的嵌入式t c p i p 协议栈，分析了l w l p 的工作机 制、以太网控制器r t l 8 0 1 9 a s 的工作原理及其驱动实现； ( 4 ) 针对g c o s i i 内核中未集成t c p f l p 协议栈的问题，分析l w i p 在操作 系统t a c o s i i 上的移植，设计并实现一个基于实现l w i p 中操作系统封装层部分 的代码，在此基础上完成了l w l p 在l a c o s 1 1 一t 的移植工作，使“c o s 1 1 支持 网络通信功能。 研究基于a r m 与p c o s i i 的嵌入式系统的意义有以下三点： ( 1 )基于a r m 与p c o s i i 的嵌入式系统具有一定的应用前景，同时对于 以后利用开源代码开发嵌入式实时操作系统具有参考价值。因为相对于l i n t t x 具有良好的实时性能，l a c o s - i i 的商业价值得到了认可，一些基于r t c o s i i 的 商业软件也可以买到，如t c p f l p 协议栈、蓝牙通信软件、红外通信软件等； ( 2 ) 不受无内核源代码的困扰，可在现有代码的基础上进行二次甚至多次 开发应用于特定环境，并且可以借助网上免费的内核演进版本： ( 3 )同时可用于教学和实践。虽然现在商用的嵌入式实时系统软件已经t 分成熟，并为用户提供了强有力的开发工具和调试工具，但是商用嵌入式实时 操作系统价格昂贵，对于国内中小型系统的开发并不划算，因此采用免费软件 和开放代码不失为一种选择。 武汉理l 人学硕士学位论文 第2 章a r m 硬件开发平台 a r m 是由美国a d v a n c e dr i s cm a c h i n e sl i m i t e d 公司所设计。a r m 公司设 计了大量高性能、低成本、低功耗的r i s c 处理器适用于多种领域，比如嵌入 式控制、消费教育类多媒体、d s p 和移动式应用等【4 j l 。 a r m 3 2 位体系结构目前被公认为业界领先的3 2 位嵌入式r i s c 微处理器结 构。所有a r m 处理器共享这一体系结构。a r m 处理器本身按3 2 位设计，但同 时也配置t h u m b l 6 位指令集，即允许软件编码为1 6 位指令，这样与等价的3 2 位代码相比，占用的存储器空间更为节省，又保留了3 2 位系统的所有优点。 t h u m b 状态与正常的a r m 状态之间的切换是零开销的。 2 1a r m 7 t d m i 内核 a r m 7 t d m i 是目前使用非常广泛的3 2 位嵌入式r i s c 处理器。它是一种适 用于低端领域的a r m 处理器核。a r m 7 t d m i 的名字含义如下：t 代表1 6 位压 缩指令集；d 代表片上调试支持，允许处理器响应调试请求暂停；m 表示增强 型乘法器，可进行两个3 2 位数相乘丽直接产生6 4 位结果：i 表示嵌入式i c e 硬 件提供片上断点和调试点支持嘲。 2 1 1 处理器工作模式 a i t m 7 t d m l 支持7 种操作模式，如表2 1 所示。 表 1a r m 7 t d m l 支持的操作模式 处理嚣模式说明 用户u s r正常程痒执行模式 快速中断n q 支持高速数据传送或者通道 中断i r q处理用于通用中断处理 监控s v c 操作系统保护模式 终止a b t 虚拟存储器与存储保护 未定义t m d支持硬件协处理器的软什仿真 系统s y s 运行特权操作系统任务 6 武汉理i 。大学硕士学位论文 除用户模式外，其它模式均为特权模式1 3 i 。a r m 内部寄存器和一些片内外 设在硬件设计上只允许特权模式下访问。此外，特权模式可以自由地切换处理 器模式，而用户模式不能直接切换到别的模式。除用户模式和系统模式外的其 它5 种模式叫做异常模式。它们除了可以通过程序切换进入外，也可以由特定 的异常进入。至于系统模式，它与用户模式一。样，不能有异常进入，且使用与 用户模式完全相同的寄存器，然而它是特权模式，不受用户模式的限制。 2 1 2 处理器工作状态 由于在a r m 7 t d m i 中采用了a r mv 4 t 结构实现，该结构包含3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u r a b 指令集，因此a r m 7 t d m i 处理器有两种操作状态f 8 】： a r m 状态：3 2 位，这种状态下执行的是字方式的a r m 指令。 t h u m b 状态：1 6 位，这种状态下执行的是半字方式的t h u m b 指令。 处理器两种状态的切换： 可以使用b x 指令将a r m 7 t d m i 内核的操作状态在a r m 状态和t h u m b ：状态之间进行切换。由于所有的异常处理都在a r m 状态中执行，如果异常发，e 在t h u m b 状态下，处理器会切换到a r m 状态中，若异常处理完毕后，自动切 换回t h u m b 状态中。 2 1 3 寄存器组织 a r m 7 t d m i 共有3 7 个寄存器，3 1 个为3 2 位通用寄存器，6 个为状态寄存 器。处理器的状态和操作模式决定了程序员可以访问哪些寄存器【3 1 。 ( 1 ) 通用寄存器： r o r 7 ：与所有处理器模式无关的寄存器，是真正的通用寄存器，没有 体系结构所稳含的特殊用途。 ( 趸) r 8 - - r 1 4 ：与处理器模式有关的寄存器，在不同的模式下，对应到不同的 物理寄存器。其中r 1 3 又叫做s p ，一般用于堆栈指针；r 1 4 又叫做l r ，一般用 于保存返回地址。这两个寄存器在每种异常模式下都对应到不同的物理寄存器 上，例如l ri r q 、l rs v c 、l r 蠡q 等 r 1 5 ：又叫做程序计数器，即p c ，所有的模式下都使用同一个p c 。 ( 2 ) 状态寄存器： c p s r ：当前程序状态寄存器，所有的模式下都使用同个c p s r 。 武汉理工人学硕士学位论文 s p s r ：保存的程序状态寄存器，每种异常模式卜- 都有自己的s p s r ，县 育5 种s p s r ，即s p s ri r q 、s p s rf i q 、s p s rs v c 、s p s ra b t 、s p s ru n d 。u s r 和s y s 态卜没有s p s r 。 在a r m 状态下，有1 6 个可以直接访问的通用寄存器r 0 到r 1 5 。t h u m b 状态寄存器是a r m 状态寄存器的子集。可以直接访问8 个通用寄存器：r o 至 r 7 ，另外还有程序指针寄存器p c ，堆栈寄存器s p ，链接寄存器l r 和状态寄存 器c p s r i l oj 。a r m 状态寄存器与t h u m b 状态寄存器存在蓑映射关系如图2 1 所示。 a r mt h u m b r 0 l i 一1 r o 耍) 二豆 匿l r ( r 霉1 4 ) 二：一三习l rk 一1 l 鉴堡型卜一堕l c p s r 卜一_ i c p s r ! 堡垦卜一 艘驭一 图2 - 1 a r m 与t h u m b 状态寄存器映射关系 其中程序指针p c 即r 1 5 ，将记录当前程序的运行地址。a r m 每执行条 指令，都将把p c 增加4 个字节，同时相应的分支指令也会修改p c 的值。当前 处理器状态寄存器c p s r 将记录当前处理器的一些状态，包括算术逻辑单元的标 志，当前的处理器模式，中断禁止位等等。程序状态寄存器s p s r 主要是在处理 器异常发生时，用来保存c p s r 。每一种处理器模式下将使用一个s p s r 来保存 c p s r ，而u s i 模式和s y s 模式下不需要s p s r 。 2 1 4 存储器访问 a r m 7 t d m i 处理器使用了冯诺依曼( v o nn e u m a n n ) 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r 叮 以是8 位字节、1 6 位半字或者3 2 位字，字必须分配为占用4 字节而半字必须分 配为占用2 f 8 1 。 武汉理t 大学硕士学位论文 2 1 5 异常 异常是由内部或者外部源产生的以引起处理器处理的一个事件0 , 3j 。异常发 生时任何程序都必须暂时停止，处理器转而去处理异常的情况。异常处理程序 执行之前，被中断的程序的状态必须保存。a r m 支持7 种类型的异常，表2 2 列出了异常的类型以及处理这些异常的处理器模式。 表2 2 a r m 的异常类型 异常类型具体含义模式优先级地址 当处理嚣复位有效时，产生复位异常，程序跳转到复位 复位 s v clo x 0 0 异常处理程序处执行 未定义指当a r m 处理器或协处理器遇到不能处理的指令时产生 u n d6o x 0 4 异常，可使用该异常机制进行软件仿真 软件中断 该异常执行s w l 指令产生，可用于用户模式下的程序调 s w i 用特权操作指令，或使用该异常机制实现系统功能调用 s v c6o x 0 8 指令预取处理器预取指令的地址不存在，或该地址不允许当前指 中止令访问。存储器发出中止信号 a b t5o x o c 处理器数据访问指令的地址不存在或该地址不允许当 数据中止 a b t 2o x l o 前指令访问时，产生数据中止异常 当处理器的外部中断请求引脚有效，且c p s r 中的i 位为 i r o 0 时产生m q 异常，系统的外没可通过该异常请求中i r q 4 0 x 1 8 断服务。 当处理器的快速中断请求引脚有效，且c p s r 中f 位为0 f l of l o30 x l c 时产生f i q 异常。 2 2 基于3 c 4 4 b o x 处理器a r m 硬件开发平台 2 2 1a r m s y s l 开发板 杭州立宇泰电子有限公司的a r m s y s l 开发板采用的是s a m s u n g s 3 c 4 4 b o x 内核，并附带j t a g 调试模块，支持s d t 和a d s 调试，以太网控制 器模块。硬件包括：s a m s u n gs 3 c 4 4 b o x ( a r m 7 t d m i ) 微处理器、2 mf l a s h 、8 m s d r a m 、1 0 m 以太网接口、i d e 接口及多功能扩展口、u s b i 1 接口、1 6 m 3 2 m n a n d f l a s h 、i i s 接口、i i c 总线接口、4 通道p w m 输出、实时时钟系统、l c d 接口( 支持6 4 0 * 4 8 0 下单色或3 2 0 * 2 4 0 以下s t n d s t n 2 5 6 色) 、8 通道1 0 b i ta d c ( 采样速率为1 0 0 k s p s ) 、2 个r s 2 3 2 串行口、s i o 接口，兼容s p i s c i 接l l 、 e m b e d d e d i c e ( 2 0 脚标准j t a g ) 接口和可扩展的总线接口。其开发板如图2 2 。 武汉理工大学矮士学位论文 露2 之a r m s y s - l 开发板 2 2 2s 3 c 4 4 b o x 简介 s a m s u n g 公司的s 3 c 4 4 8 0 x 是基于以太网应用系统的高性价比1 6 3 2 位 r i s c 微控制器，内含一个由a r m 公司设计的1 6 3 2 位a r m 7 ) m ir i s c 处理 器内拨。s 3 c 4 4 b o x 的片上资源包括 9 1 ； e 2 ，5 v 供电的删7 t d m i 内核带8 k bc a c h e 。 专用外部存储器( f p e d o s d r a m r o m ) 的控制器。 e l c d 控制器( 支持2 5 6 色) 。 e 2 通道d m a 。 2 通道u a r t ( i r d a l 。0 ，1 6 一b y t ef i f o ) 。 l 遥道i i c b u s 控制器。 l 通道i i s 。b u s 控制器。 5 通道p w m 定时器和l 逶遴内部定时器。 7 1 个通用y o 端弱。 8 通道外部中断输入。 电源控制具有碰常、幔时钟、空闲、停止四种模式。 8 遥道1 0 位a d c 输入。 具表丑掰功能的实时时钟( r t c ) 。 其有p l l 的片上时钟发生器。 2 2 3 粼络接口控制芯片r t l 8 0 1 9 a s 要实现嵌入式i n t e r a c t 功能，则必须在嵌入式系统中增加以太网接口。在本 o 武汉理工大学硕士学位论文 论文研究中，采用的是s 3 c 4 4 b o x + r t l 8 0 1 9 a s ，r t l 9 0 1 9 a s 是r e a l t e k 半导体 公司生产的带有p n p 功能全双工以太网控制器，它带的全双工功能使得 r t l 9 0 1 9 a s 与同样有全双工功能的开关转换h u b 之间的数据接收和发送可以 同时进行“。 r t l s 0 1 9 a s 成本低，工作稳定，也是目前的1 0 m 网卡上最常见的一种芯片。 它的控制方式采用d m a 方式，封装是l o o p i n 的p q f p ，内部集成了1 6 k 的s r a m ， 用于收发缓冲，降低对主处理器的速度要求，并且提供8 位和1 6 位两种接1 2 t 。 r t l 9 0 1 9 a s 可以完成所有以太网接收和发送数据的功能，r t l 8 0 1 9 a s 与 s 3 c “b o x 的连接如图2 _ 3 所示。 $ 3 c 4 4 8 0 xr t l 9 0 1 9 a s d a t a 1 5 ：o 】 d a t a 1 5 ：l 】 a d d r 5 ：i s a f 4 ：o 】 v e e 50i o c s l 6 b s a 【9 ：8 1 s a 7 ：5 s a i l 9 ：1 0 1 n o el o r bt p o u t + n w el o w bt p o u r _ n g c s 3 a e n什i n + e x i n t li n t 0n m q 图2 _ 3r t l 8 0 1 9 a s 与s 3 c 4 4 b o x 的连接 0 i o c s l 6 b 引脚上的电压决定数据总线的宽度：高电平时为1 6 位总线模式， 低电平时为8 位总线模式。图2 3 中i o c s l 6 b 上拉接高电平，因此本系统中网 络接1 2 1 芯片工作在1 6 位模式。这时可以观察图2 - 3 中地址总线的连接方式，由 于工作在1 6 位模式，s 3 c _ a 4 b o x 的地址偏移了一位，a d d r f l 】接r t l s 0 1 9 a s 的s a 0 i 。在r t l 8 0 1 9 a s 数据手册中详细定义了以太网基地址表，而且可以通 过编程对网卡的基地址进行配置。r t l 8 0 1 9 a s 工作原理详见第四章。 2 3 集成开发工具 在本论文研究中，使用的集成开发工具是a r m a d s l 2 。：f f 发工具界面如图 2 - 4 ，a d s 的英文全称是a r md e v e l o p e rs u i t e ，是a r m 公司为了方便用户在 a r m 芯片上进行应用软件开发，推出的新一代a r m 集成开发工具。 武汉理工大学硕土学位论文 下丽就介绍下a d s 各组成部分1 6 l ： ( 1 ) 代码生成工具 代码生成工具( c o d eg e n e r a t i o nt o o l s ) 是由源程序编译、汇编、链接工具组 成。该工具提供了a r r n c c a r m c p p 两个编译器，使得开发人员可以用a n s i c 或 l s o c + + 高级语言进行软件产品的开发，有利于缩短开发周期。 ( 2 ) a r m 运行时库 a d s 提供a n s ic 和c + + 运行时库来支持被编译的c 和c + + 代码。 ( 3 ) g u i 开发环境 g u i 开发环境包括两个部分c o d e w a r r i o rf o ra r m 和a x d ( a r me x t e n d e d d e b u g g e r ) 。c o d e w a r r i o r 集成开发环境专为a r mr i s c 处理器而设计的，a x d 足a r m 的调试器，具有一般意义上调试器的所有功能，包括简单和复杂断点设 置、栈显示、寄存器和存储区的显示等。 ( 4 ) 指令模拟器 指令模拟器a r m u l a t o 实际上是a d s 提供了一个仿真软件，开发人员可以 在硬件设备尚未准备好的情况下，在p c 机上完成部分调试工作。 图2 - 4 a d s 开发工具界面 2 武汉理_ 1 人学硕士学位论义 第3 章基于a r m 的g c o s i i 系统移植 3 1 嵌入式实时操作系统弘c t o s - i i 简介 嵌入式软件的灵魂是嵌入式操作系统，目前，实时操作系统很多，这些操 作系统都具有高可靠性、很强的实时性等特点，但它们都是商业操作系统，价 格昂贵，g c o s - l l 的出现则是对这些商业操作系统的个很大的冲击。 g c o s - l i 是源码公开的实时操作系统，但并非是一个完整的实时操作系统， 它只是一个实时内核。要想在p c o s i i 内核上进行应用程序的开发，就需要程 序开发人员在实时内核的基础上建立自己的实时操作系统。旨先，把p c o s i i 移植到自己的硬件目标扳上，写出相应的驱动程序以及用户图形界面等等；然 后在这些接口函数之l ，加上用户自己的应用程序，就构成了