（计算机软件与理论专业论文）ppp协议在μcosⅡ操作系统中的设计与实现.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 p p p 协议在 t c / o s - i i 操作系统中的设计与实 现 摘要 近年来，随着通讯技术、网络技术和半导体技术的飞速发展以及嵌入式技术 的进步，嵌入式系统对人类生活产生了巨大影响，并将继续改变人们未来的生活 方式。但是孤立于 i n t e r n e t 的嵌入式系统已不再适应当代的发展趋势。随着 “ 普 适计算” 、 “ 数字家庭”等新需求的提出，必然对未来的设备提出了更高的要求， 不仅具有传统的计算、控制等能力，而且还要将嵌入式系统连接到因特网，充分 利用网络资源，实现更广范围的信息共享和更多类型的信息服务。 研究嵌入式系统，一个必不可少的基础工作就是实现嵌入式操作系统在相关 处理器平台上的移植;同时，随着网络在生活中的作用越来越大，让嵌入式设备 接入i n t e r n e t 有着重要意义。 在日常生活中， 通过mo d e m上网还是个普遍的方式， 这样 在u c / o s - i i 实时 操作 系统 上设 计一 个p p p 协 议， 以 实 现设备网 络通 信， 有 着 重大的 意义。 基于这种情况下， 本课题提出了 基于a r m 7 t d m i 处理器的 w c / o s - i i 操作系统上p p p 协议的设计与实现。 首先， 简述了系统硬件平台a r m7 t d mi 处理器的体系结构和相应的指令集。 之后分析了实时操作系统“ c / o s - i i 的任务管理、 时钟管理、 中断管理、 内 存管理、 任务间的通讯与同步等功能， 为后面在该操作系统上p p p 协议的设计与实现提供 了基础。 并且对与处理器相关的代码部分进行了 修改与编译，实现了l c / o s - i i 在 a r m开发板上移植， 为p p p 协议的设计与实现提供了系统软件开发平台。 最后， 重点的介绍了在该系统平台上p p p 协议设计与实现的具体过程， 主要对m a in 主模 块、l c p 模块、p a p 模块、 n c p 模块和p p p 模块等五个方面的设计与代码编写。 通过测试，验证了a r m开发板的p p p 协议的网络通信。 关键词 a r m p c / o s - i i 嵌入式系统 移植 p p p 东 北大学 硕士学 位论文abs t r act d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i on o f p p p i n t c / o s - 1 1 o p e r a t i n g s y s t e m ab s t r a c t n o w a d a y s , w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , n e t w o r k t e c h n o l o g y , s e m i c o n d u c t o r t e c h n o l o g y a n d e m b e d d e d s y s t e m t e c h n o l o g y , e m b e d d e d s y s t e m w i l l h a v e g r e a t i n fl u e n c e o n h u m a n l i f e a n d c h a n g e p e o p l e s l i f e s t y l e c o n t i n u e d l y in t h e f u t u r e . b u t t h e e m b e d d e d s y s t e m i s o l a t e d f r o m i n t e r n e t w i l l n o t b e s u i t a b l e f o r t h e r e c e n t d e v e l o p m e n t t r e n d . wi t h t h e n e w r e q u i r e m e n t s o f u b i q u i t o u s c o m p u t i n g a n d d i g i t a l f a m i l y c o m i n g o n , t h e f u t u r e e m b e d d e d d e v i c e s n e e d t o f u l f i l l p e o p l e s h i g h e r r e q u i r e m e n t . n o t o n l y d o t h e y h a v e t h e c a p a c i t y o f t r a d i t i o n a l c o m p u t i n g a n d c o n t r o l l i n g , b u t a l s o t h e y m a y a c c e s s i n t e rn e t . b y u s i n g n e t w o r k r e s o u r c e , t h e y w i l l s h a r e i n f o r m a t i o n a n d m o r e k i n d s o f i n f o r m a t i o n s e r v i c e . f o r s t u d 外 n g e m b e d d e d s y s t e m , i t i s a v i t a l a n d b a s i c s t e p t o p o r t e m b e d d e d o p e r a t i n g s y s t e m i n r e la t i v e p r o c e s s o r . f u r th e r m o r e , w i t h g r e a t u s e s o f i n t e rn e t i n l i f e , m a k i n g e m b e d d e d d e v i c e s a c c e s s i n t e rn e t i s v e ry i m p o r ta n t . i n d a i l y l i f e , i t i s a v e ry p o p u l a r m e t h o d t o a c c e s s i n t e rn e t b y mo d e m . d e s i 娜n g p p p t o e n a b l e e m b e d d e d d e v i c e s t o c o m m u n i c a t e w i t h o u t s i d e i s v e ry i m p o r ta n t . u n d e r t h i s c i r c u m s t a n c e , w e c o m e u p w i t h t h e r e s e a r c h a r t i c l e : d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n o f p p p i n p c / o s - i i b a s e d o n a mr 7 t d mi p r o c e s s o r . f i r s t l y , t h e s t r u c t u r e o f h a r d w a r e p l a t f o r m o f s y s t e m , a r m7 t d m i p r o c e s s o r a n d r e l a t i v e i n s t r u c t i o n s e t a r e n a r r a t e d . t h e n t h e f u n c t i o n s o f t a s k m a n a g e m e n t , c l o c k m a n a g e m e n t , i n t e r r u p t m a n a g e m e n t , m e m o ry m a n a g e m e n t a n d c o m m u n i c a t i o n s b e t w e e n b o t h t a s k s a r e a n a l y s e d , w h i c h w i l l p r o v i d e t h e f o u n d a t i o n f o r d e s i g n a n d 一 i i i - 东 北大 学 硕士学 位论文a b s t r a c t im p l e m e n t a t i o n o f p p p i n p c / o s - i i . a n d b y m o d i f y i n g a n d c o m p i l i n g t h e s e c o d e s r e l a t e d w i t h p r o c e s s o r , c / o s - i i w i l l b e p o r t e d o n a r m d e v e l o p m e n t b o a r d , w h i c h p r o v i d e s s o ft w a r e p l a t f o r m f o r d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n o f p p p . i n t h e e n d , t h i s a rt i c l e i n t r o d u c e s t h e c o u r s e o f d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n o f p p p o n t h e s o ft w a r e a n d h a r d w a r e p l a t f o r m e m p h a t i c a l l y , i n c l u d i n g d e s i g n o f m a i n m o d u l e , l c p m o d u l e , p a p m o d u l e , n c p m o d u l e a n d p p p m o d u l e . n e t w o r k c o m m u n i c a t i o n c a n b e i m p l e m e n t e d s u c c e s s f u l l y b y t e s t i n g o n a r m d e v e l o p m e n t b o a r d . k e y w o r d s a r m , ix / o s - i i , e m b e d d e d s y s t e m , p o rt in g , p p p w 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。 论文 中所取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外， 不包含其他人 己经发表或撰写过的研究成果， 也不包括本人为获得其他学位而 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 己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名: 4 , -) -) 日期:办u r . 9 . / o 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、 使 用学位论文的规定:即学校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。本人授权东北 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、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名;否则视为不同 意 。) 学位论文作者签名: 签字日 期:, fi j t- d ) 司 脸 导师签名 签字 日期 东北大学硕士学位论文第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1嵌入式系统概述 嵌入式系统作为计算机的一种应用形式，是指嵌入在宿主设备中的微处理机 系统，它所强调的要点是辅助它所在的宿主设备去实现对被控对象的控制、监视 和管理等功能。 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、功耗严格要求的专用计算机 系统 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，具有特定功能，用于特定场合的专用计算机系统。 嵌入式系统的三个基本要素:嵌入性、专用性与计算机系统。 ( 1 ) 嵌入性。 嵌入式系统需要嵌入到对象系统中， 实现对被控对象的智能化控 制，因此其必须满足对象系统的环境要求，如物理环境 ( 小型) 、电气/ 气氛环境 ( 可靠) 、成本 ( 价廉)等要求。 ( 2)专用性。 嵌入式系统专用性很强， 软件与硬件紧密结合， 通常进行系统的 移植时，根据产品的具体情况不断修改系统的应用软件和硬件配置资源。因此嵌 入式系统必须具有软硬件的可裁减性， 满足被控对象的最小软、 硬件配置等要求。 ( 3 ? 计算机系统。嵌入式系统作为能够满足对象系统控制要求的计算机系统， 其必须配置有与刘 一象系统相适应的接口电路。 嵌入式系统是由 硬件和软件两大部分组成， 其中硬件包括嵌入式处理器和外 围硬件设备，软件包括嵌入式操作系统及用户应用软件。 嵌入式系统的核心二嵌入式处理器+嵌入式操作系统+应用程序 东北大学硕士学位论文第一章 绪论 1 .2嵌入式系统的特点 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具 体应用相结合后的产物，因而它是一个技术密集、资余密集、适用面广、不断创 新的知识集成系统。 嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比， 具有以下特点: ( 1 ) 嵌入式系统是面向 用户、 面向产品、 面向 应用的。 嵌入式处理器与通用型 处理器最大的不同就是嵌入式c p u大多工作在为特定用户群设计的系统中， 因而 其功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等方面均受到应用 要求的严格制约。通常，嵌入式处理器具有功耗低、体积小、集成度高的特点， 把通用计算机系统中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，使得嵌入式系统设 计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的祸合也越来紧密。 ( 2 ) 系统精简性。 嵌入式系统一般都没有系统软件和应用软 件的明 显区分， 不 要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面有利于控制系统开发成本，同时 也有利于系统的安全。 ( 3 ) 高实时性嵌入式操作系统。 这是嵌入式系统软件的基本要求， 而且软件要 求固态存储，以提高速度。软件代码要求高质量、高可靠性和实时性。 ( 4 ) 软件的固态化。 为了 提高系统的执行速度和系统的可靠性， 嵌入式系统中 的软件一般都固化在存储器芯片或微控制器本身中， 没有磁盘等存储载体d 1 ( 5 ) 嵌入式系统软件开发开始走向标准化。 为了 合理地调度多任务、 利用系统 资源、系统函数以及专家库函数接口，用户可以自行选择 r t o s ( r e a l t i m e o p e r a t i n g s y s t e m ) 开 发平台， 这 样刁 能 保证了 程 序执行的 实时 性、 可靠 性， 并 减 少了开发时间，保障了软件质量。 ( 6 ) 嵌入式系统本身不具备自 主开发能力， 即使设计完成以 后用户通常也不能 对其中的某些程序功能进行修改的，必须有自己的一套开发工具和环境才能进行 开发。在通常的嵌入式系统软件中，使用交叉编译工具进行开发，主要在宿主机 上进行程序的开发，在目 标机上进行程序的执行，开发时需要交替结合进行。 东北大学硕士学位论文第一章 绪论 1 . 3嵌入式系统的组成 嵌入式系统一般指的都是非 p c系统，它包括了硬件和软件两部分组成。对 于硬件系统来说，主要包括了嵌入式处理器、存储器和1 / o端口及外围设备等。 软件平台部分主要包括了操作系统软件和运用程序。有时设计人员把这两种软件 组合在一起。运用程序控制着系统的运作和行为;而操作系统控制着运用程序编 程与硬件的交互作用。 1 . 4嵌入式系统的开发模式 宿主机一目 标机 ( h o s t t a r g e t )模式，这是嵌入系统常用的开发模式， 其中宿主机是指完成操作系统的裁减和应用软件开发的计算机;目 标机通常是指 待开发去实现对被控对象智能化控制的硬件平台2 4 1 。 实现原理: 在宿主 机上完成 软件功能，然后通过串口或者以网络将交叉编译生成的目 标代码传输并下载到目 标机匕 并在监控程序或者操作系统的支持下利用交叉调试器进行分析和调试， 最后目 标机在特定环境下脱离宿主机单独运行。 采用宿主机一目标机开发模式进行嵌入式系统软件开发， 具有整体思路清晰， 便于系统分工，容易同步开发的特点。 在宿主机一目 标机开发模式中，交叉编译 和远程调试是系统开发的重要特征。 ( 1 ) 交叉 编译。 宿主机上c p u结构体系和目 标机上的c p u结构体系是不同的。 为了实现裁减后的嵌入式操作系统和应用软件在目 标机上正常运行起来，这要求 在代码移植之前， 在宿主机上建立一个新的编译环境， 进行与目 标机c p u相匹配 的 编译， 这种编译的方式就称为交叉编译川 。新建立的 编译环境就叫交叉编译环 境。交叉编译环境下的编译工具在宿主机上配置编译实现，必须是针对目标机 c p u体系的编译工具。 只有这样，才对源代码编译生成的可执行的映像文件， 才 会被目 标机上c p u所识别. ( 2 ) 远程调 试。 远程调试是一种允许调试器以 某种方式控制目 标机上被调试程 序的运行方式，并具有查看和修改目 标机上内存单元、寄存器以及被调试进程中 东北大学硕士学位论文第一章 绪论 1 . 3嵌入式系统的组成 嵌入式系统一般指的都是非 p c系统，它包括了硬件和软件两部分组成。对 于硬件系统来说，主要包括了嵌入式处理器、存储器和1 / o端口及外围设备等。 软件平台部分主要包括了操作系统软件和运用程序。有时设计人员把这两种软件 组合在一起。运用程序控制着系统的运作和行为;而操作系统控制着运用程序编 程与硬件的交互作用。 1 . 4嵌入式系统的开发模式 宿主机一目 标机 ( h o s t t a r g e t )模式，这是嵌入系统常用的开发模式， 其中宿主机是指完成操作系统的裁减和应用软件开发的计算机;目 标机通常是指 待开发去实现对被控对象智能化控制的硬件平台2 4 1 。 实现原理: 在宿主 机上完成 软件功能，然后通过串口或者以网络将交叉编译生成的目 标代码传输并下载到目 标机匕 并在监控程序或者操作系统的支持下利用交叉调试器进行分析和调试， 最后目 标机在特定环境下脱离宿主机单独运行。 采用宿主机一目标机开发模式进行嵌入式系统软件开发， 具有整体思路清晰， 便于系统分工，容易同步开发的特点。 在宿主机一目 标机开发模式中，交叉编译 和远程调试是系统开发的重要特征。 ( 1 ) 交叉 编译。 宿主机上c p u结构体系和目 标机上的c p u结构体系是不同的。 为了实现裁减后的嵌入式操作系统和应用软件在目 标机上正常运行起来，这要求 在代码移植之前， 在宿主机上建立一个新的编译环境， 进行与目 标机c p u相匹配 的 编译， 这种编译的方式就称为交叉编译川 。新建立的 编译环境就叫交叉编译环 境。交叉编译环境下的编译工具在宿主机上配置编译实现，必须是针对目标机 c p u体系的编译工具。 只有这样，才对源代码编译生成的可执行的映像文件， 才 会被目 标机上c p u所识别. ( 2 ) 远程调 试。 远程调试是一种允许调试器以 某种方式控制目 标机上被调试程 序的运行方式，并具有查看和修改目 标机上内存单元、寄存器以及被调试进程中 东 北大 学硕士学 位论又第 一章 绪 论 变量值等各种调试功能的调试方式。调试器是一个单独运行着的进程。在嵌入式 系统中，调试器运行在宿主机的通用操作系统之上，被调试的进程运行在日标机 的嵌入式操作系统中，调试器和被调试进程通过串口或者网络进行通信，调试器 可以控制、访问被调试进程，读取被调试进程的当前状态，并能够改变了被调试 进程的运行的状态。 1 . 5嵌入式系统的应用和发展趋势 1 .5 . 1嵌入式系统的发展 从2 0 世纪7 0 年代单片机的出现到当今高性能低功耗的嵌入式处理器的大规 模的运用，嵌入式系统经历了软件和硬件逐渐发展与成熟的历程。其发展大致经 历四个阶段: ( 1 ) 是以8 位单片 机为 核心的嵌入式系统， 它具 有开发监测、 控制、 通信、 指 示等设备的功能。这类系统大部分运用于一些专业性强的工业控制系统中，一般 没有操作系统的支持，只能进行单任务处理。主要通过汇编语言进行编程，移植 性很差， 这一阶段系统的主要特点是: 系统结构和功能相对单一， 处理效率较低， 存储容量较小， 几乎没有用户接口 2 4 1 。由 于其使用简单、 价格低，以前在国内工 业领域运用较为普遍， 但是已经远不能适应高效的、需要大容量存储的现代工业 控制和新兴信息家电、通信等领域的需求。 ( 2 ) 这一阶段是以 高性能的1 6 位、 3 2 位或更高位的嵌入式c p u为基础、 以简 单操作系统为核心的嵌入式系统。 其主要特点是: c p u种类繁多，由于主要用汇 编语言编译的，通用性比较弱、系统开销小、效率高;操作系统达到了一定的兼 容性和扩展性; 应用软件较专业化2 4 1 ( 3 ) 是以 较完善的嵌入式操作系统为特征的 嵌入式系 统。 其主要特点是: 由 于 在这阶段，主要使用了a n s i c语言编程，移植性和兼容性都很好;嵌入式操作 系统可运行于各种不同 类型的微处理器上;且操作系统内核小、效率高，并具有 东 北大 学硕士学 位论又第 一章 绪 论 变量值等各种调试功能的调试方式。调试器是一个单独运行着的进程。在嵌入式 系统中，调试器运行在宿主机的通用操作系统之上，被调试的进程运行在日标机 的嵌入式操作系统中，调试器和被调试进程通过串口或者网络进行通信，调试器 可以控制、访问被调试进程，读取被调试进程的当前状态，并能够改变了被调试 进程的运行的状态。 1 . 5嵌入式系统的应用和发展趋势 1 .5 . 1嵌入式系统的发展 从2 0 世纪7 0 年代单片机的出现到当今高性能低功耗的嵌入式处理器的大规 模的运用，嵌入式系统经历了软件和硬件逐渐发展与成熟的历程。其发展大致经 历四个阶段: ( 1 ) 是以8 位单片 机为 核心的嵌入式系统， 它具 有开发监测、 控制、 通信、 指 示等设备的功能。这类系统大部分运用于一些专业性强的工业控制系统中，一般 没有操作系统的支持，只能进行单任务处理。主要通过汇编语言进行编程，移植 性很差， 这一阶段系统的主要特点是: 系统结构和功能相对单一， 处理效率较低， 存储容量较小， 几乎没有用户接口 2 4 1 。由 于其使用简单、 价格低，以前在国内工 业领域运用较为普遍， 但是已经远不能适应高效的、需要大容量存储的现代工业 控制和新兴信息家电、通信等领域的需求。 ( 2 ) 这一阶段是以 高性能的1 6 位、 3 2 位或更高位的嵌入式c p u为基础、 以简 单操作系统为核心的嵌入式系统。 其主要特点是: c p u种类繁多，由于主要用汇 编语言编译的，通用性比较弱、系统开销小、效率高;操作系统达到了一定的兼 容性和扩展性; 应用软件较专业化2 4 1 ( 3 ) 是以 较完善的嵌入式操作系统为特征的 嵌入式系 统。 其主要特点是: 由 于 在这阶段，主要使用了a n s i c语言编程，移植性和兼容性都很好;嵌入式操作 系统可运行于各种不同 类型的微处理器上;且操作系统内核小、效率高，并具有 东 北大 学硕士学 位论又第 一章 绪 论 变量值等各种调试功能的调试方式。调试器是一个单独运行着的进程。在嵌入式 系统中，调试器运行在宿主机的通用操作系统之上，被调试的进程运行在日标机 的嵌入式操作系统中，调试器和被调试进程通过串口或者网络进行通信，调试器 可以控制、访问被调试进程，读取被调试进程的当前状态，并能够改变了被调试 进程的运行的状态。 1 . 5嵌入式系统的应用和发展趋势 1 .5 . 1嵌入式系统的发展 从2 0 世纪7 0 年代单片机的出现到当今高性能低功耗的嵌入式处理器的大规 模的运用，嵌入式系统经历了软件和硬件逐渐发展与成熟的历程。其发展大致经 历四个阶段: ( 1 ) 是以8 位单片 机为 核心的嵌入式系统， 它具 有开发监测、 控制、 通信、 指 示等设备的功能。这类系统大部分运用于一些专业性强的工业控制系统中，一般 没有操作系统的支持，只能进行单任务处理。主要通过汇编语言进行编程，移植 性很差， 这一阶段系统的主要特点是: 系统结构和功能相对单一， 处理效率较低， 存储容量较小， 几乎没有用户接口 2 4 1 。由 于其使用简单、 价格低，以前在国内工 业领域运用较为普遍， 但是已经远不能适应高效的、需要大容量存储的现代工业 控制和新兴信息家电、通信等领域的需求。 ( 2 ) 这一阶段是以 高性能的1 6 位、 3 2 位或更高位的嵌入式c p u为基础、 以简 单操作系统为核心的嵌入式系统。 其主要特点是: c p u种类繁多，由于主要用汇 编语言编译的，通用性比较弱、系统开销小、效率高;操作系统达到了一定的兼 容性和扩展性; 应用软件较专业化2 4 1 ( 3 ) 是以 较完善的嵌入式操作系统为特征的 嵌入式系 统。 其主要特点是: 由 于 在这阶段，主要使用了a n s i c语言编程，移植性和兼容性都很好;嵌入式操作 系统可运行于各种不同 类型的微处理器上;且操作系统内核小、效率高，并具有 东北大学硕士学 位论文第一章 绪论 高度的模块化和扩展性;具备了文件和目 录管理、多任务、网络支持、图形窗口 以及用户界面等功能;具有了大量的应用程序接口a p i , 以方便开发应用:嵌入式 应用软件丰富。 ( 4 ) 这一阶段是在第三阶段的基础上增强并完善i n t e rn e t 功能的嵌入式系统。 即为嵌入式i n t e r n e t 技术就是实现嵌入式系统连接到i n t e rne t 的技术， 要求嵌入式 系统在软件支持丁 c p / i p 等网络协议栈，以实现嵌入式设备i n t e rn e t 通信协议2 1 , 在硬件上具有一定的计算和存储能力， 提高高效处理网络数据包需要的网络带宽。 嵌入式 i n t e r n e t 技术的目 标就是将小型简单的低成本嵌入式系统连接到因特网， 充分利用网络资源，实现更广范围的信息共享和更多类型的信息服务。对于嵌入 式网络协议不同传统的网络协议，它具有以下的特点: 满足系统实时性的要求:系统响应外界不定事件不仅要快，而且响应时间要 确定。 ( a ) 相对于传统的网络协议来说，代码精简、存储开销小。 ( b ) 结 构灵 活、 可 移植性、 可配 置性和 可 裁减性 2 1 ， 能 适应多 种应用需 要。 这 是一个正在迅速发展的阶段。目 前还有很多嵌入式系统还孤立于 i n t e rne t 之外， 但随着i n t e rne t 的迅速发展以及i n t e rne t 在日常生活中重要性， 让嵌入式系统接入 i n t e rn e t 是未来发展必然趋势; 并随着无线网络的发展， 最终嵌入式设备可以通过 无线方式接入网络，以实现 “ 普适计算”的目的。 1 . 5 .2嵌入式系统的应用 由于嵌入式系统具有了可靠性高、实时性强、功耗低等优点，其已在家用电 器、手持通讯设备、信息终端、仪器仪表、汽车、航天航空、军事装备、制造工 业、过程控制系统和网络监控系统都得到了广泛的应用。 ( 1 ) 工业控制。 基于嵌入式处理器的工业控制系统具有广泛的应用范围， 目 前 其已 在工业过程控制、数控机床、电路系统、电网设备监控、 石油化工系统等领 域获得了广泛的应用，逐渐取代传统基于 8位或 1 6位单片机的工业控制装置的 3 2 位或更高位的微控制器成为了工业控制设备的主流。 东北大学硕士学 位论文第一章 绪论 高度的模块化和扩展性;具备了文件和目 录管理、多任务、网络支持、图形窗口 以及用户界面等功能;具有了大量的应用程序接口a p i , 以方便开发应用:嵌入式 应用软件丰富。 ( 4 ) 这一阶段是在第三阶段的基础上增强并完善i n t e rn e t 功能的嵌入式系统。 即为嵌入式i n t e r n e t 技术就是实现嵌入式系统连接到i n t e rne t 的技术， 要求嵌入式 系统在软件支持丁 c p / i p 等网络协议栈，以实现嵌入式设备i n t e rn e t 通信协议2 1 , 在硬件上具有一定的计算和存储能力， 提高高效处理网络数据包需要的网络带宽。 嵌入式 i n t e r n e t 技术的目 标就是将小型简单的低成本嵌入式系统连接到因特网， 充分利用网络资源，实现更广范围的信息共享和更多类型的信息服务。对于嵌入 式网络协议不同传统的网络协议，它具有以下的特点: 满足系统实时性的要求:系统响应外界不定事件不仅要快，而且响应时间要 确定。 ( a ) 相对于传统的网络协议来说，代码精简、存储开销小。 ( b ) 结 构灵 活、 可 移植性、 可配 置性和 可 裁减性 2 1 ， 能 适应多 种应用需 要。 这 是一个正在迅速发展的阶段。目 前还有很多嵌入式系统还孤立于 i n t e rne t 之外， 但随着i n t e rne t 的迅速发展以及i n t e rne t 在日常生活中重要性， 让嵌入式系统接入 i n t e rn e t 是未来发展必然趋势; 并随着无线网络的发展， 最终嵌入式设备可以通过 无线方式接入网络，以实现 “ 普适计算”的目的。 1 . 5 .2嵌入式系统的应用 由于嵌入式系统具有了可靠性高、实时性强、功耗低等优点，其已在家用电 器、手持通讯设备、信息终端、仪器仪表、汽车、航天航空、军事装备、制造工 业、过程控制系统和网络监控系统都得到了广泛的应用。 ( 1 ) 工业控制。 基于嵌入式处理器的工业控制系统具有广泛的应用范围， 目 前 其已 在工业过程控制、数控机床、电路系统、电网设备监控、 石油化工系统等领 域获得了广泛的应用，逐渐取代传统基于 8位或 1 6位单片机的工业控制装置的 3 2 位或更高位的微控制器成为了工业控制设备的主流。 东 北大学 硕士学 位论文第 一章 绪论 ( 2 ) 交通管理。 嵌入式系统在车辆导 航、 流量控制和信息监控等方面获得了 广 泛的应用，目前内嵌g p s模块、g s m模块和 g p r s模块的移动定位终端已成功 的应用于交通运输行业。 ( 3 ) 信息家电 领域。 嵌入式系统技术在冰箱、 空调、 彩电等传统家电产品的应 用，将使家电产品具有了良好的用户界面、智能管理、远程控制，从而进一步推 动家电产品的网络化、智能化、信息化。 ( 4 ) 环境监控。环境监控包括水文资料实时监控、防洪体系及水土质量监控、 地震监控网、实时气象信息网、水源和空气污染监控等。嵌入式系统在环境监控 上的应用， 将实现对环境恶劣、 地况复杂的地区进行无人监控。 特别， 对于外星球 上环境的监测有很大的作用。 ( 5 ) 机器人控制。嵌入式处理器在机器人控制方面的应用，进一步推动了机 器人向微型化、智能化方面的发展，扩展了机器人在工业领域和困难服务领域的 应用空间。 1 .6课题提出的背景 在当 前的 信 息 时 代中， 是 一 个网 络 信息 的 时 代。 i n t e r n e t . i n tr a n e t 与e x t r a n e t 等以令大凉 异的不可阻挡之势发展着。据统计，在互联网上的业务量近年来正以 几何指数规律增长; 同时网上的业务范围也在不断地扩大， 除了传统地信息检索、 电子邮件、 远程登录、 文件传输等业务外， 各种新业务， 如电子商务、 视频会议、 远程监控、远程教学、远程医疗等都在蓬勃发展。可以预言， 2 1世纪将是以 i p 网络和i p业务的信息化时代，i n t e rn e t 将会影响人类生活的方方面面。 由于在现实中，嵌入式系统对生活的影响有很大作用，无论是家庭电器，还 是外在交通系统，不论小的微型手持通信设备，还是大到航空卫星，都有嵌入式 系统的运用。据统计，目 前嵌入式系统带来的工业年产值己超过了1 万亿美元。 美国著名未来学家尼葛洛庞帝于 1 9 9 9 年 1 月访华时曾预言，4 -5年后嵌入式智 能工具将是继p c和因特网之后最伟大的发明。 根据美国嵌入式系统专业杂志r t c 报道，2 1 世纪初的十年中，全球嵌入式系统市场需求量具有比p c市场大 1 0至 东 北大学 硕士学 位论文第 一章 绪论 ( 2 ) 交通管理。 嵌入式系统在车辆导 航、 流量控制和信息监控等方面获得了 广 泛的应用，目前内嵌g p s模块、g s m模块和 g p r s模块的移动定位终端已成功 的应用于交通运输行业。 ( 3 ) 信息家电 领域。 嵌入式系统技术在冰箱、 空调、 彩电等传统家电产品的应 用，将使家电产品具有了良好的用户界面、智能管理、远程控制，从而进一步推 动家电产品的网络化、智能化、信息化。 ( 4 ) 环境监控。环境监控包括水文资料实时监控、防洪体系及水土质量监控、 地震监控网、实时气象信息网、水源和空气污染监控等。嵌入式系统在环境监控 上的应用， 将实现对环境恶劣、 地况复杂的地区进行无人监控。 特别， 对于外星球 上环境的监测有很大的作用。 ( 5 ) 机器人控制。嵌入式处理器在机器人控制方面的应用，进一步推动了机 器人向微型化、智能化方面的发展，扩展了机器人在工业领域和困难服务领域的 应用空间。 1 .6课题提出的背景 在当 前的 信 息 时 代中， 是 一 个网 络 信息 的 时 代。 i n t e r n e t . i n tr a n e t 与e x t r a n e t 等以令大凉 异的不可阻挡之势发展着。据统计，在互联网上的业务量近年来正以 几何指数规律增长; 同时网上的业务范围也在不断地扩大， 除了传统地信息检索、 电子邮件、 远程登录、 文件传输等业务外， 各种新业务， 如电子商务、 视频会议、 远程监控、远程教学、远程医疗等都在蓬勃发展。可以预言， 2 1世纪将是以 i p 网络和i p业务的信息化时代，i n t e rn e t 将会影响人类生活的方方面面。 由于在现实中，嵌入式系统对生活的影响有很大作用，无论是家庭电器，还 是外在交通系统，不论小的微型手持通信设备，还是大到航空卫星，都有嵌入式 系统的运用。据统计，目 前嵌入式系统带来的工业年产值己超过了1 万亿美元。 美国著名未来学家尼葛洛庞帝于 1 9 9 9 年 1 月访华时曾预言，4 -5年后嵌入式智 能工具将是继p c和因特网之后最伟大的发明。 根据美国嵌入式系统专业杂志r t c 报道，2 1 世纪初的十年中，全球嵌入式系统市场需求量具有比p c市场大 1 0至 东 北大学硕士学位论文第一章 绪论 1 0 0倍的商机。随着信息化、智能化、网络化的发展， 嵌入式系统技术必将获得 更广泛的发展空间。 1 . 7课题的提出 对于嵌入式系统来说， 要发挥巨大的作用， 必须具有实时多任务处理的功能。 因此， 在这个嵌入式系统中加入一个实时嵌入式操作系统，有很大的必要性。通 过i c / o s - i i 和u c l i n u x 两个嵌入式操作系统的比 较可知， l c / o s - i i 操作系统中没 有完备的网络协议栈，要实现嵌入式设备网络通信，必须要有自己的网络协议; 另外， 鉴于目前p p p协议使用的普遍性和广泛性。 因此， 在这里提出了p p p协议 在p c / o s - i i 操作系统中的设计与实现。 通过p p p 协议 在“ c / o s - i i 上的 实现， 能让嵌入式设备接入i n t e r n e t , 进行信息 互访，为后来的 “ 普适计算”的发展提供了一个有利条件。 东 北大学硕士学位论文第一章 绪论 1 0 0倍的商机。随着信息化、智能化、网络化的发展， 嵌入式系统技术必将获得 更广泛的发展空间。 1 . 7课题的提出 对于嵌入式系统来说， 要发挥巨大的作用， 必须具有实时多任务处理的功能。 因此， 在这个嵌入式系统中加入一个实时嵌入式操作系统，有很大的必要性。通 过i c / o s - i i 和u c l i n u x 两个嵌入式操作系统的比 较可知， l c / o s - i i 操作系统中没 有完备的网络协议栈，要实现嵌入式设备网络通信，必须要有自己的网络协议; 另外， 鉴于目前p p p协议使用的普遍性和广泛性。 因此， 在这里提出了p p p协议 在p c / o s - i i 操作系统中的设计与实现。 通过p p p 协议 在“ c / o s - i i 上的 实现， 能让嵌入式设备接入i n t e r n e t , 进行信息 互访，为后来的 “ 普适计算”的发展提供了一个有利条件。 东北大学硕士学位论文第二章系统的硬件平台 第二章系统的硬件平台 嵌入式系统硬件平台包括c p u、外围的控制电路、只读存储器、可读写存储 器和外围 设备。 i n t e g r a t o r / a p 开发板选用了a r m 7 t d m i 芯片。 该 芯片是1 6 / 3 2 位 精简指令结构的处理器。它的性价比很高，是嵌入式系统中处理器的最佳选择之 一，本章主要对a r m7 t d m i 处理器的硬件系统进行详细的分析。 2 . 1系统硬件平台的概述 本课题是在以a r m 7 t d m i 为内 核的i n t e g r a t o r / a p 开发 板进行开发的，其主 要构件如下所示: a r m7 t d mi 处理器: 2 5 6 k b片内f l a s h程序存储器，具有i s p 和i a p功能; 3 2 k b静态 r a m; 向量中断控制器; 标准a r m测试/ 调试接口，兼容现有工具; 两个u a r t , 其中一个带有完全的调制解调器接口; 1 2 c串行接口; s p i 串行接口: 两个定时器; 实时时钟; 看门狗定时器; 通用1 / o口; 复位按钮; 其开发板的体系结构如图2 . 1 所示。 东北大学硕士学位论文第二章系统的硬件平台 第二章系统的硬件平台 嵌入式系统硬件平台包括c p u、外围的控制电路、只读存储器、可读写存储 器和外围 设备。 i n t e g r a t o r / a p 开发板选用了a r m 7 t d m i 芯片。 该 芯片是1 6 / 3 2 位 精简指令结构的处理器。它的性价比很高，是嵌入式系统中处理器的最佳选择之 一，本章主要对a r m7 t d m i 处理器的硬件系统进行详细的分析。 2 . 1系统硬件平台的概述 本课题是在以a r m 7 t d m i 为内 核的i n t e g r a t o r / a p 开发 板进行开发的，其主 要构件如下所示: a r m7 t d mi 处理器: 2 5 6 k b片内f l a s h程序存储器，具有i s p 和i a p功能; 3 2 k b静态 r a m; 向量中断控制器; 标准a r m测试/ 调试接口，兼容现有工具; 两个u a r t , 其中一个带有完全的调制解调器接口; 1 2 c串行接口; s p i 串行接口: 两个定时器; 实时时钟; 看门狗定时器; 通用1 / o口; 复位按钮; 其开发板的体系结构如图2 . 1 所示。 东北大学硕士学位论文第二章系 统的 硬件平台 图2 . 1 a r m i n t e g r a t o r / a p体系结 构图 f i g . 2 . l a r m i n t e g r a t o r / a p b l o c k d i a g r a m 东北大学 硕士学 位论文第 二章 系 统的 硬件平台 2 .2关于a r m 7 t d m 1 处理器 a r m 7 t d m i 处理器是a r m通用3 2位微处理器家族的成员之一，,a r m 处理 器具有优异的性能，但功耗却很低;使用门的数量也很少。a r m 结构是基于精 简指 令集计 算机 ( r i s c ) 原 理而 设计的 指令集和相关的 译码机制，比 复杂 指令集计 算机要简单得多，这样的简化实现了: ( 1 ) 高的 指 令吞吐量; ( 2 ) 出 色的 实时中 断响 应; 3 ) d 、 的高性价比的 处理器宏单元; 2 .2 . 1指令流水线 a r m 7 t d m i处理器使用流水线1 1) 来增加处理器指令流的 速度， 这样可使几个操 作同时进行并使处理和存储器系统连续操作流水线使用 3个阶段， 因此指令分 3 个阶段执行: 取指 译码 执行 ar m t b wn b p c p c取指指令从存储器中取出 p c - 4 p c - 2译码对指令使用的寄存器进行译码 p c - 8 p c - 4执行从寄存器组中 读出寄 存器， 执行移 a l u操作， 寄存器写回到寄存器组。 程序计数器( p c ) 指向被取指的指令而不是指向正在执行的指令。在正常操作 过程中在执行一条指令的同时 对下一条指令进行译码，并将第三条指令从存储器 中取出。 东北大学硕士学位论文第 二章系 统的硬件平台 2 .2 .2存储器访问 a r m7 t d mi 处理器使用了冯诺依曼v o n n e u m a n n