（计算机应用技术专业论文）嵌入式系统中的蓝牙应用研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 捅要 嵌入式计算机系统与无线通信应用的智能化与多媒体化趋势已日益明朗，无 论是以g s m 、w c d m a 为代表的广域移动通信还是以b l u e t o o t h ( 蓝牙) 、w l a n ( 无线局域网) 为代表的短距离通信技术，在全球一体化的信息社会中都发挥着 举足轻重的作用。融合具备无限潜力的嵌入式技术与蓝牙通信技术，构建集电子、 计算机、与通信技术于一体的嵌入式蓝牙应用系统，是目前与未来发展的方向之 一6 本文内容主要涉及a r m 体系架构及b o o t l o a d e r 设计，嵌入式l i n u x 内核分 析与移植，蓝牙协议栈研究与应用设计等。 嵌入式蓝牙应用系统是一个融合计算机、电子、通信技术的软硬件综合体。 硬件平台采用a r m 7 t d m t 嵌入式微处理器。软件平台的核心，采用针对无m m u ( 内存管理单元) c p u 丽设计的u c l i n u x 嵌入式操作系统，选择依据是a r a m 7 t d m i 内核的微处理器无m m u 。此外，研究的重点之一，蓝牙协议栈采用优秀的开源 协议栈b l u e z 。 论文首先描述了嵌入式系统与无线通信的发展及相关新技术，并分析了蓝牙 技术的应用现状和发展趋势，对蓝牙技术在嵌入式系统中应用的意义进行了阐 述。然后提出了嵌入式蓝牙应用系统的软硬件总体结构，并逐步对硬件电路设计 和软件模块设计进行了细化。其中硬件电路重点在a r m 应用板与蓝牙硬件模块 电路设计，软件设计中，首先分析了l i n u x 内核的核心思想与算法，针对u c l i n u x 完成了在s 3 c 4 4 b o x 目标板上的移植工作，并研究了蓝牙的核心技术与b l u e z 协议栈，对蓝牙框架的核心协议层结合应用设计需求进行了深入的剖析，完成了 s d a p ( 蓝牙服务发现剖面) 、s p p ( 串口仿真与电缆替代剖面) 、d u n p ( 拨号网 络剖面，实现广域通信网络的接入) 、l a p ( 局域网接入剖面) 等网络相关应用 剖面的研究设计。 研究与设计中，考虑到采用u s b 实现映像等文件的高速下载，在b 南t l o a d e l 执行过程中须要响应硬件中断，引入了二级中断机制进行b o o l l o a d e r 设计。提供 了嵌入式l i n u x 内核的体系级到板级移植的完整实现方法，并结合u c l i n u x 系统 的关键机制之一m a k e 文件，总结了嵌入式l i n u x 的运作机制与核心开发理念。 最终实现了融合a r m 微处理器、嵌入式l i n u x 、b i u e z 蓝牙协议栈、g s m g p r s 多工协议等技术的蓝牙应用剖面设计，并应用到远程用电管理系统中，。这些是 应用系统设计工作中具有特色的核心技术。 关键词：嵌入式系统，蓝牙，a r m ，b o o t l o a d e r ，嵌入式l i n u x ，u c l i n u x 移 植，b l u e z ，蓝牙应用翻面 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t e m b e d d e dc o m p u t e rs y s t e m w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na r ep r o g r e s s i n gt o i n t e l l i g e n c ea n dm u l t i m e d i as t a g e n o to n l yg s m ，w c d m a ，b u ta l s ob l u e t o o t ha n d w l a na r ea l lp l a y i n gi m p o r t a n tr o l e si n t h eg l o b a l & & i n f o r m a t i o n a ls o c i e t y i n t e g r a t i n ge m b e d d e ds y s t e ma n db l u e t o o t hw h i c ha r eb o t hc o m p e l l e n tt e c h n o l o g i e s ， e m b e d d e db l u e t o o t hs y s t e mc a nb ec o n s t r u c t e d t h es y s t e mi sb a s e do ne l e c t r o n i c s c o m p u t e rs c i e n c ea n dc o m m u n i c a t i o n s ，w h i c hw i l lb et h et i d ea tp r e s e n ta n di nt h e f u t u r e t h ea r t i c l ec o n c e m sa r mm p u ( m i c r op r o c e s s o ru n i t ) a r c h i t e c t u r e ，b o o t l o a d e r d e s i g n ，e m b e d d e dl i n u xc o r em i g r a t i o no nm p u ，a n db l u e t o o t hp r o t o c o l ss t u d y 、 a p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n te t c e m b e d d e db l u e t o o t h a p p l i c a t i o ns y s t e ms y n c r e t i z e sc o m p u t e r s c i e n c e ， e l e c t r o n i c sa n dc o m m u n i c a t i o n s i nt h e s y s t e m ，h a r d w a r ep l a t f o r mb a s e s o n 删7 t d m im p u ，a n dt h es o f t w a r ep l a t f o r mi so nt h eb a s eo fu c l i n u x ，w h i c hi s d e s i g n e df o rm p uw i t h o u tm m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ) b e c a u s ea r m 7 t d m i m p u sh a v en om m u u c l i n u xi sc h o o s ef o r0 1 1 1 d e s i g n m o r e o v e r , o n eo fi m p o r t a n t p o i n t si nt h es y s t e md e s i g n i b l u e t o o t hp r o t o c o lb l u e zi sa n a l y z e da n du s e d f i r s t l y , t h ec o n c e p t d e v e l o p m e n ts t a t u so fe m b e d d e ds y s t e ma n db l u e t o o t ha r e d e s c r i b e di nt h ea r t i c l e ，p l a c i n ge m p h a s e so nt h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o n ，f o r e g r o u n do f b l u e t o o t ht e c h n o l o g y , a n dt h em e a n i n go fr e s e a r c ho nb l u e t o o t h n e x t , t h em a c r o f r a m e w o r ki n c l u d i n gs o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h ee m b e d d e db l u e t o o t hs y s t e mi s d e s i g n e d t h e nt h em a c r of r a m e w o r ki sp a r t e di n t oh a r d w a r ea n ds o f t w a r ew h i c ha r e d e s i g n e di nd e t a i l s t h eh a r d w a r ed e s i g n ，t h ee m p h a s e si sa r me m b e d d e do b j e c t b o a r dc i r c u i td e s i g n ，a n db l u e t o o t hp e r i p h e r a lc i r c u i td e s i g n i ns o f t w a r ed e s i g n ， p i v o t a la r i t h m e t i c so fl i n u xk e r n e la r ep a r s e df r r s t l y , t h e nu c l i n u xo si sm i g r a t e do n a r ms 3 c 4 4 b o xo b j e c tb o a r d b l u e t o o t hp i v o t a lt e c h n o l o g ya n db l u e za r e r e s e a r c h e d d e e p l y f i n a l l y , p r o f i l e ss d a p ( s e r v i c ed i s c o v e ra p p l i c a t i o np r o f i l e ) 、 s p p ( s e r i a lp o r tp r o f i l e ) 、d u n p f d i a l - u pn e t w o r k i n gp r o f i l e ) 、l a p ( l a na c c e s sp r o f i l e ) a r ed e s i g n e d i nt h ea r t c l e ，s e c o n dl e v e li n t e r r u p tm e c h a n i s mi si m p o r t e dt od e s i g nb o o t l o a d e r , i no r d e rt os u p p o r ti n t e r r u p tr e s p o n s ed u r i n gb o o t l o a d e ri sr u n n i n g , w h i c hi sf o rf i l e s d o w n l o a d i n gb yu s bw a ya n do t h e ra i m s a ni n t e g r a t e ds c h e m ef r o mm p u a r c h t e c t u r et oo b j e c tb o a r di no r d e rt om i g r a t ee m b e d d e dl i n u xi sg i v e n ，p i v o t a li d e a i i 堡苎查兰堡主鲎壁堡壅 a n dm e c h a n i s mt od e v e l o pa p p l i c a t i o n su n d e re m b e d d e dl i n u xa r ee x p o u n d e df r o m o n eo ft h ea n g l e m a k ef i l e i n t e g r a t i n ga l lt h e t e c h n o l o g ym e n t i o n e da b o v ea n d g s m g p r sm u l t i p l e x i n g p r o t o c o lr e a l i z a t i o n ，e m b e d d e db l u e t o o t hs y s t e m i s b u i l d e dw i t hae l e c t r i cp o w e rm a n a g e m e n tp r o j e c ti nb a c k g r o u n d a l lt h ea b o v ea r e c h a r a c t e r i s t i cc e n t r a lt e c h n o l o g i e si nd e s i g n k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y e g e m ，b l u e t o o t h ，a r m ，b o o t l o a d e r , e m b e d d e dl i n u x u c l i n u xm i g r a t i o n , b l u e z ，b l u e t o o t hp r o f i l e 1 1 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于， r 。1 不保剃 学位论文作者签名 训6 年房月6 日 船扣附厩 。l ，年6 月6 日 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。 学位论文作者签名：占砖毛乙 ，1 日期：加参年步月伊日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 嵌入式系统的发展 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机理论为基础，软件硬件可剪裁，适应 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i j 】。一般的 嵌入式系统具有以下特征：系统内核小：专用性强：系统可裁剪：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 ) 的需求；嵌入式软件开发逐步走向标准化；嵌入式系统开发 需要特定开发工具和环境1 1 1 。 目前嵌入式系统在传统的工业控制和商业管理领域已经具有广泛的应用，在 家庭领域更具有广泛的应用潜力，此外还有在多媒体智能手机，车载导航器等方 面应用1 1 1 。可以预见嵌入式系统具有如下发展趋势：低功耗嵌入式系统为满足 高可靠性要求，低功耗的系统将应运而生；j a v a 虚拟机与嵌入式j a v a 将成为开发 嵌入式系统的有力工具；嵌入式系统的多媒体化和网络化；嵌入式系统的智能化。 无线通信是一个欣欣向荣的产业，目前正呈现出公众移动通信保持增长，宽 带无线通信热点不断的全球趋势。近年来，无线通信频率资源的稀缺，消费类电 子的需求激增，工业自动化控制等领域应用的发展，使得以蓝牙，r f i d ( r a d i o f r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 为代表的一批无线短距离通讯技术应用市场迅速扩大1 2 j 。 中国无线短距离市场目前还处于起步阶段，但是同样有着前景无限的未来。 蓝牙是由爱立信，i b m , i n t e l 等公司发起创立的新一代短距离无线通信技术。 其实质是要进一步融合通信和计算机技术，建立通用的无线电空中接口及控制软 件的公开标准。蓝牙诞生的初衷是“解除电缆恶梦，给用户于以无线的自由”l j j ， 它是一种线缆替代技术，定位在“最后l o 米”【4 l 。 b l u e t o o t hs i g ( b l u e t o o t hs p e c i a li n t e r e s tg r o u p ) 对于蓝牙的定位是可以广泛 地应用与个人网络设备如手机、耳机、汽车免提等领域。由于蓝牙技术目前专为 个人网络应用而设，通过改进技术可增加蓝牙技术在其他新领域内的应用1 4 j 。 据i n - s t a t 报告。蓝牙已确立了作为语音和数据传输的短距离无线解决方案 的地位。2 0 0 5 年是蓝牙产品连续第四年出货量翻番。预计2 0 0 9 年出货量将增长 至8 6 6 亿件。据i d c 的研究报告，2 0 0 5 全球销售的手机中1 3 的具备蓝牙功能， 而封2 0 0 8 年这一比例将攀升到5 3 。越来越多的手机制造商开始在其手机中植 入蓝牙芯片，而这无疑又会带动蓝牙耳机的需求增长。在汽车市场，a b i r e s e a r c h 预计2 0 0 8 年将有超过2 2 0 0 万辆汽车采用蓝牙技术，这一数字占据了全球1 6 的汽车市场。蓝牙芯片的全球出货量在2 0 0 3 年就已超越w l a n ( w i r e l e s sl a n ) ， 不过其应用仍然局限在手机与相关应用，其他的应用市场还没有完全打开 4 j 。伴 随b l u e t o o t h1 2 产品的上市，则可望逐渐以语音与p c 应用为出发，打玻蓝牙封 闭的应用环境【2 1 。 江苏大学硕士学位论文 在中国，蓝牙市场的发展同样速度惊人，蓝牙技术更适合在中国这样人1 2 1 密 集、商业经济活动集中的国家发展。可以预测，中国的个人网络终端市场是巨大 的，蓝牙技术在中国有着广阔的市场前景。 蓝牙的灵魂在于统一与开放，2 0 0 4 年蓝牙s i g 在其未来3 年的发展蓝图中， 展示了一系列旨在改进蓝牙规范的举措，包括提升性能、增强安全性、优化耗电 量及可用性等，藉以保有蓝牙技术在个人通信技术领域的市场地位，并在新的市 场领域确立其发展方向。 同时，b l u e t o o t hs i g 还宣布采用蓝牙核心规范2 0 版本及更高数据传输速率。 新规范提高了数据传输速率( 可达当前速率的3 倍) 并降低了功耗，这将大大改善 蓝牙用户使用多个蓝牙设备协同工作以及传输大型数据文件时的体验，同时还将 延长移动设备的电池使用时间1 4 1 。 另外，为了迸一步推广蓝牙技术标准的全球化进程，b l u e t o o t hs i g 还将其v 1 2 或v 2 0 e d r ( e n h a n c e d d a t a r a t e ) 提供给中国信息产业部，以促进中国蓝牙技术标 准的开发。这可以看作是b l u e t o o t hs i g 开辟中国市场的一个重要举措【2 1 。 蓝牙的数据传输速率是它的致命伤，蓝牙v 1 o b 只能达到1 m b p s 的理论速率， 在最新发布的蓝牙v 2 0 e d r 标准中，数据速率得到了很好的加强，可以达到3 t 0 m b p s 的理论速率。2 0 0 5 年符合蓝牙v 2 0 e d r 的芯片已开始进入市场，这将进 一步增强蓝牙的技术优势。当然，这相比w l a n 、u w b ( u l t r a w i d e b a n d ) 无线通 信技术而言，速率缺陷仍未得到根本解决。2 0 0 5 年5 月，蓝牙s i g 宣布将与u w b 超宽带通信开发小组合作，融合蓝牙与u w b 之长，这将使蓝牙的长期发展蓝图 得到进一步拓展。满足视频应用等大数据量传输要求。通过这一合作，蓝牙技术 现有的核心价值，例如低功耗、低成本和特有的自组网连接方法等将得以维持； 同时能够支持需要更高数据流量的未来应用。2 0 0 5 年l o 月f r e e s c a l e 半导体公司 推出了业界首件融合蓝牙协议栈和u w b 射频技术的通信芯片t 4 1 。这是蓝牙借力 u w b 发展的里程碑，同时也昭示着蓝牙的无限未来。 蓝牙技术的发展呈现出以下趋势：芯片价格持续下降；芯片越来越小巧：向 单芯片方向发展；产品具有兼容性：众多操作系统支持蓝牙；干扰问题的解决； 支持漫游功能；高数据传输速率【4 1 。 1 2 嵌入式蓝牙应用开发意义 蓝牙是有着广阔前景的无线通信技术，有着巨大的市场空间和潜力，对该技 术的研究与应用开发有着重要的意义。 蓝牙核心技术仍然掌握在国外巨头手上，要打破国外的技术垄断，根本的一 点就是研发出具有自有知识产权的产品。一方面，开发出具有自主知识产权的蓝 牙产品，尤其是嵌入式蓝牙产品，可使人们生活更加便捷。另一方面，对蓝牙技 术的研究可以为蓝牙技术本身的发展带来机遇，进一步推动无线通信的发展f 2 】。 江苏大学硕士学位论文 蓝牙在中国，正是方兴未艾时，为此我们必须历经一段付出代价的学习和研 究过程以期待新的突破。 1 3 研究内容 本人在硕士学位课题的研究期间对嵌入式系统与蓝牙的核心技术进行了较 为深入的研究和探索。主要包括a r m 微处理器架构及b o o t l o a d c r 设计技术，嵌 入式l i n u x 内核、应用开发与移植，蓝牙协议栈等。论文中完成了s 3 c 4 4 b o x 嵌 入式硬件电路设计、一个小型b o o t l o a d e r 的设计、u c l i n u x 在s 3 c 4 4 b o x 目标板 上的移植、b l u e z 协议栈分析等工作，在此基础上，重点进行了嵌入式系统环境 下的蓝牙应用研究与开发，即进行了基于g a p ( g e n e t i ca c c e s sp r o f i l e ) 、 s d a p ( s e r v i c ed i s c o v e r ya p p l i c a t i o np o m l e l 、s p p ( s e f i a lp o r tp r o f i l e ) 等剖面的蓝牙 连网应用剖面d u n p ( d i a l - u pn e t w o r k i n gp r o f i l e ) 、l a p ( l a na c c e s sp r o f i l e ) 的应 用设计。其中重点放在s d a p 、s p p 、和d u n p 的设计上。对l a p 进行一定程度 的深入研究，并完成主要的设计工作。 第章主要分析了嵌入式系统与无线通信的概念与发展，并重点介绍了蓝牙 技术的现状、发展前景和迸行蓝牙研究工作的意义。第二章主要给出了课题的嵌 入式蓝牙应用研究的软硬件系统总体设计结构。第三章对硬件电路设计进行了细 化，主要介绍了a r m 目标板相关外围电路设计，蓝牙硬件模块电路设计。第四 章对l i n u x 内核的核心思想与算法进行了解析，并针对u c l i n u x 进行了详细的总 结，最后完成了u c l i n u x 在s 3 c 4 4 b o x 目标扳上的移植工作。第五章结合b l u e z 协议栈分析了蓝牙的核心技术，对蓝牙框架的核心协议层针对应用设计的需要进 行了深入剖析，对b l u e z 的各文件和重要函数进行了细致的分析和研究，为蓝牙 应用设计奠定坚实基础。第六章完成了s d a p 、s p p 的应用设计，并在此基础上 对d u n p 、l a p 两个联网应用剖面进行了研究设计。第七章对系统进行了测试。 第八章总结本课题的成果和意义，并对未来的工作提出要求和展望。 论文的主要贡献在于提供了基于嵌入式系统环境的蓝牙应用开发设计方案 与设计中的关键技术细节，并在设计过程中引入了具备一定特色的技术。主要表 现在：1 ) 中断向量表是b o o f l o a d e r 与嵌入式l i n u x 内核联系的关键点，在没有 引入二级中断机制的情况下，处理器总会到0 地址处的第一级中断向量表处取指 令运行。根据系统设计的b o o t l o a d e r 执行过程中要能响应中断的需要引入二级中 断机制，以实现在b o o t l o a d e r 执行过程中可以响应中断，实现设计中需要的u s b 下载处理。2 ) 从u c l i n u x 系统的关键机制m a k e 文件角度阐述嵌入式l i n u x 开发 的核心理念，并提供嵌入式l i n u x 的体系级到板级的完整移植方案与实现。3 ) 融合嵌入式a r m 微处理器、嵌入式l i n u x 、b l u e z 蓝牙协议栈、g s m g p r s 多 工协议设计等技术的蓝牙应用剖面设计，并将其应用到智能用电管理系统中。 江苏大学硕士论文 第二章嵌入式蓝牙应用总体设计 嵌入式蓝牙应用系统涉及软硬和通信技术等多方面要点，良好的总体方案设 计是系统设计成功的关键，本章提出系统设计的总体方案，分别从硬件方案和软 件方案两个方面介绍。 2 1 嵌入式硬件结构总体设计 嵌入式计算机系统( 简称嵌入式系统) 主要由嵌入式微处理器、外围硬件设 备、嵌入式操作系统以及应用软件等组成1 5 】。 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。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。嵌入式应用软件和普通应用软件有一定的区别，它不仅要求其准确性、 安全性和稳定性等方面能够满足实际应用的需要，而且还要尽可能地进行优化， 以减少对系统资源的消耗，降低硬件成本。作为嵌入式软件的核心，嵌入式操作 系统典型产品有：v x w o r k s 、v r t x 、n u c l e u s 、l y i l k 、p a l m o s 、q n x 另外还有 嵌入式l i n u x 家族，w i n d o w sc e 等1 6 】。 嵌入式微处理器方面，r j s c 技术推动着计算机体系结构从封闭的c i s c 向开 放的结构发展。全球各大c p u 芯片制造厂商争相开发生产r i s c 芯片，目前的 典型结构为a r m 系列、m i p s 和s h l l l 。一般的嵌入式实时操作系统都支持上述 r i s c 微处理器。a r m 公司是一家i p 供应商，其核心业务是i p 核以及相关工具 的开发和设计。a r m 公司的i p 核也由a r m 7 , a r m 9 发展到今天的a r m l l 版本。 a r m l l 囊括了t h u m b 2 ，c o r e s i g h t ，t m s z o n e 等众多业界领先技术，同时由单一 的微处理器内核向多核发展，为高端的嵌入式应用提供了强大的处理平台。【7 j 一般而言计算机体系架构设计主要由以下几部分组成：指令集设计，c p u 核 的设计，流水线技术，存储器层次结构设计，1 1 0 系统设计。r i s c 思想的提出从简化 指令集的角度降低了微处理器的开发难度和成本，同时提高微处理器的并行度。【8 j 越l m 微处理器特点：体积小、低功耗，低成本、高性能；支持t h u m b ( 1 6 位) _ a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好地兼容8 1 6 位器件：大量使用寄存器，指 令执行速度更快；大多数数据操作都在寄存器中完成；寻址方式灵活简单，执行 效率高；指令长度固定1 7 j ； a r m 体系的设计是基于r i s c 思想的，其代码密度性能介于其他多数r i s c 微处理器和c i s c 微处理器之间。后期引入的t h u m b 指令集则大大提高了代码 密度。删主要使用3 2 位的r i s c 指令，但是指令代码利用率低，a r m 为了 弥补此不足，在新型a r m 构架( v 4 t 版本以上) 定义了1 6 位的t h u m b 指令集。 江苏大学硕士论文 另外，为了加速通信和多媒体中有关数字信号的处理，a r m 微处理器在r i s c 的基础上增加了d s p 核中的关键部件，双核协同工作。 由于a r m 架构的微处理器主要用于嵌入式系统，因此a r m 构架在设计中 十分注意低电压、低功耗处理，设计中采用了以下一些措施：降低电源电压；减 少门的翻转次数，当某个功能电路不需要时，禁止门翻转；减少门的数目，即降 低芯片的集成度；降低时钟频率。a r m 的低功耗，使得a r m 在专门针对嵌入 式系统的微处理器市场中始终处于有利的地位。对于a r m 7 系列微处理器，当 核电压是3 3 v 时，每m h z ，其功耗只为1 1 m w f 7 1 。a r m 还其他采用了一些特 别的技术，在保证高性能的前提下尽量缩小芯片的面积。 目前广泛应用的a r m 微处理器有a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、 a r m l 0 e 系列、s e c u r c o r e 系列和i n t e ls t r o n g a r m 、x s c a | e 系列【7 】。 鉴于a r m 微处理器的众多技术和市场优势，本系统硬件设计中，嵌入式 m p u 采用基于a r m 7 t d m i 内核的s 3 c 4 4 b o x 微处理器。硬件平台的设计上， 重要部件有晶振( 时钟) 电路，复位电路，键盘、l e d 等人机交互接口，为下 载调试软件还设计了j t a g 接口电路。存储系统采用了2 m b 的s s t 3 9 v f l 6 0 f l a s h 、8 m b 的h y 5 7 6 4 1 6 2 0s d r a m 。为方便接入l a n 网络，设计了r t l 8 0 1 9 网络芯片接口电路。另外鉴于本课题是基于远程电力抄表系统项目的，为了采集 r s 4 8 5 接口的智能表数据，设计了4 8 5 接口电路。本系统的蓝牙应用设计采用的 方式是将蓝牙模块独立设计，与嵌入式硬件平台通过u a r t 接口经电平转换后 的r s 2 3 2 接1 3 相连。这样设计的目的是采用模块化结构设计，可以降低硬件调 试难度，同时也是基于硬件平台的可重用性考虑。 图2 - 1 硬件设计结构框图 2 2 嵌入式蓝牙应用系统的软件总体结构设计 系统的软件设计基于嵌入式l i n u x ( u c l i n u x ) 操作系统平台，在操作系统提 5 江苏大学硕士论文 供的b l u e z 蓝牙协议栈基础上进行各种蓝牙应用剖面的设计与开发。本论文主要 完成了s d a p 服务发现应用剖面、d u n p 拨号网络剖面、l a p 局域网接入剖面 的设计工作。 二二j 巫至三三二二 一一一 i ：。j ! n - 一! ! 兰登竺曼 图2 2 嵌入式蓝牙应用系统软件结构 u c l i n u x 操作系统平台主要由：启动代码、硬件没备驱动程序、嵌入式l i n u x 内核、文件系统等几部分组成。另外内核中提供了t c p i p 和蓝牙b l u e z 协议栈。 2 3 本章小结 本章首先设计了嵌入式蓝牙应用系统的硬件结构，并阐述了基于该硬件平台 的依据和优势。接着，第二部分设计了基于u c l i n u x 嵌入式蓝牙应用系统的软件 框架。 6 | 蚕蒜三回圈薹 江苏大学硕士论文 第三章嵌入式蓝牙应用硬件与b o o t l o a d e r 设计 a 附m p u 是硬件平台乃至整个系统的核心，本章给出基于a r m 微处理器的硬 件平台关键电路设计原理图及设计思路分析，另外操作系统引导启动程序 b o o t l o a d e r 是与硬件密切相关的，它联系着硬件平台与软件平台。因此 b o o t l o a d e r 的设计也是本章工作的重点。 3 1a r m 微处理器架构 3 1 1a r m 处理器状态与模式 a r m 7 t d m i 处理器核有两种工作状态，3 2 位a r m 状态、1 6 位t h u m b 状态p j 。 a r m 7 t d m i 核的操作状态可能通过b x 指令( 分支和交换指令) 在a r m 和t h u m b 状态之间切换。a r m 处理器有7 种工作模式，即用户模式、f i q 模式、i r q 模 式、监管模式、数据访问中止模式、未定义指令中止模式和系统模式。除用户模 式外，其他为特权模式【7 1 。其中，除系统模式外，其他5 种特权模式又称为异常 模式。 3 1 2 寄存器组织 a r m 处理器核有3 7 个寄存器，其中包括3 1 个通用3 2 位寄存器：未分组寄 器r 0 r 7 、分组寄存器r 8 r 1 4 、程序计数器p c ( r 1 5 ) 和6 个状态寄存器瞵j 。 a r m 处理器每种工作模式下有一组相应的物理寄存器。 通用寄存器r 0 一r 7 在所有的处理器模式下指的都是同一个物理寄存器。对 于r 8 - - r 1 2 寄存器组，仅在f i q 模式下有自己的专有物理寄存器。r 1 3 寄存器 除用户模式与系统模式共用一个寄存器外，其它模式都有相应的物理寄存器； r 1 3 寄存器通常用作栈指针，但并非强制性这样使用。r 1 4 又称链接寄存器( l i n k r e g i s t e r ) ，各处理器工作模式均有自己的物理r 1 4 中存放当前予程序的返回地 址。当异常中断发生时，该异常模式下的物理r 1 4 被设置成该异常模式将要返 回的地址，有些异常模式下，r 1 4 的值可能与将返回的地址有个偏移量。程序计 数器r 1 5 记作p c 。 c p s r ( 当前程序状态寄存器) 可以在任何处理器模式下被访问。每一种异 常模式下都有个专用的物理状态寄存器s p s r ( 备份程序状态寄存器) 。当特定 的异常中断发生时，这个寄存器用于存放c p s r 的状态值。吲在异常，中断返回时， 可用s p s r 保存的值来恢复c p s r 。因用户模式和系统模式不是异常，中颧模式， 故没有s p s r 。严禁在用户模式或者系统模式中访问s p s r 。 3 1 3 异常与中断 江苏大学硕士论文 a r m 中定义的异常类型( 按优先级从高到低顺序) ：复位、数据中止、f i q 、 i r q 、预取指中止、未定义指令、软件中断。其中，复位、f i q 、i r q 是外部产 生的与指令流无关的异常，软件中断、未定义指令和预取指中止属于指令执行引 起的直接异常，其他为指令执行引起的间接异常。未定义指令与软件中断因采用 互斥的指令编码，故不会同时发生。 a r m 体系中通常有以下3 种方式控制程序的执行流程：1 ) 在程序正常执行 过程中，每执行一条a r m 指令，程序计数器寄存器( p c ) 的值加4 个字节：每 执行一条t h u m b 指令，程序计数器寄存器的值加2 个字节。2 ) 通过跳转指令。 3 ) 异常冲断的处理。 a r m 体系中“中断向量表”指定了各异常中断及处理子程序之间的对应关系， 它可以放在存储地址的低端或高端。中断向量表的大小为3 2 字节，其中每个异 常中断占据4 个字节大小，剩下4 字节空间保留。 中断向量表各表项中存放一条跳转指令或者一个向p c 寄存器中赋值的数据 访问指令。a r m 处理器对异常中断的响应过程如下：c p s r 的状态值保存到将 要执行的异常中断模式对应的s p s r 寄存器。2 ) 设置c p s r ，使处理器进入相应 的执行模式。3 ) 将引发异常的指令的下一条指令地址保存到新异常工作模式对 应的r 1 4 中。4 ) 根据中断向量表给p c 强制赋值，从而跳转到相应的异常中断 处理程序处执行。 3 2 嵌入式蓝牙应用系统硬件电路设计 s 3 c 4 4 b o x 采用单一的f l a t 地址空间( 2 5 6 m ) ，分为8 个b a n k 存储体来进行 管理( 8 x 3 2 m = 2 5 6 m ) 。( b a n k 0 支持最大2 8 m 字节外接存储器，另外的4 m 字 节空间被系统保留为特殊功能寄存器地址) 【l0 】。其中b a n k 0 b a n k 7 支持r o m 和 s k a m ，b a n k 6 和b a n k 7 还支持d r a m 、s d r a m 。$ 3 c 4 4 0 b x 通过引脚 n g c s 0 - n g c s 7 选择b a n k ：引脚n g c s 0 用于选择b a n k g ，引脚n g c s l 选择选择 b a n k l 。依此类推。地址线a d d r 0 一a d d r 2 4 用于选择每个b a n k 中的对应单 元。 3 2 1f l a s h 接口电路设计 电路设计中，c e 是f l a s h 的片选线，】与s 3 c 4 4 b o x 的n g c s 0 相连，则 f l a s h 的地址范围固定为0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 0 x 0 0 1 脚。读写使能，o e 、w e 分别与 $ 3 c 4 4 8 0 x 的h o e 及n w e 相连。数据线d a t a 1 5 o 】与s 3 c 4 4 b o x 的d a t a 1 5 0 】 连接。s s t 3 9 v f l 6 0 是1 6 位输出1 ，s 3 c 4 4 b o x 对它的每次访问，它都将输出 双字节。s s t 3 9 v f l 6 0 的地址线a 1 9 0 1 依次与s 3 c 4 4 b o x 的a d d r 2 0 1 1 连 接。 在该电路设计方案中，s 3 c 4 4 b o x 对s s t 3 9 v f l 6 0 的控制主要通过 江苏太学硕士论文 b a n k c o n 0 寄存器来完成。 圈3 - 1f l a s h 电路 3 2 2 网络控制器接口电路设计 s 3 c “b o x 内部没有集成网络控制器，可以通过外扩的方式加入。本电路中 通过扩展r t l 8 0 1 9 a s1 0 m 网卡芯片达到使嵌入式系统接入网络的目的。 9 江苏大学硕士论文 图3 - 2 r t l s 0 1 9 接口电路 3 2 3s d r a m 接口电路设计 h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 是结构为4 b a n k x l m x l 6 b i t 的s d r a m ，要求的电压范围是 3 0 v - 3 6 v 。 i z l 电路设计中，s d r a m 的片选线n s c s 与s 3 c 4 4 b o x 的n g c s 6 连接。s c l k 与s 3 c 4 4 b o x 的s c l k 连接，在s c l k 的上升沿，其它输入信号可被输入 s d r a m 。s c k e 与s 3 c 4 4 b o x 的s c k e 连接，s c k e 高电平时，s c l k 才有效。 n s r a s 和n s c a s 及n w e 分别与s 3 c 4 4 b o x 的n s r a s 和n s c a s 及n v c - e 连接。 数据线d a t a 1 5 o 与s 3 c 4 4 b o x 的d a t a 1 5 0 】连接。地址线a 1 l o 】依次 与s 3 c 4 4 b o x 的a d d r 1 2 l 】连接。信号线b a 0 和b a l 用于对该s d r a m 中 的b a n k 进行选择。l d q m 和u d q m 分别与s 3 c 4 4 b o x 的n w b e 0 和n w b e l 连接，用于控制数据线上的数据是高“氐8 位格式还是1 6 位数据格式。 i ：黜黪 j 蕊、 圈3 - 3s d r a m 电路 该电路设计中，s 3 c 4 4 b o x 主要通过b a n k c o n 6 寄存器控制s d r a m 。 3 2 4 串口电路设计 s 3 c 4 4 b o x 内部集成了两个u a r t 控制器，可以工作在中断或d m a 模式下 【1 0 。通过u a r t 进出c p u 的数据均是q 3 3 v 数字信号，为提高串行通信距离 和抗干扰能力，采用串口电平转换芯片将其转换成r s 2 3 2 电平。 江苏大学硕士论文 图3 - 4 串口电路 3 - 2 5 串口扩展与r s 4 8 5 接口电路 考虑到本课题的应用背景为基于g p r s 的远程抄表系统，其中抄表终端与智 能电表的接口为r s 4 8 5 总线，故这里设计了采用s n 7 5 l b c l 8 4 电平转换芯片的 4 8 5 接口电路。 图3 - 5 串口扩展与r s 4 8 5 接口电路 3 2 6 蓝牙模块电路设计 本课题应用设计采用爱立信r o k1 0 10 0 7 蓝牙芯片组，添j n j , l , 匿电路构建完 整的蓝牙模块。 芯片内部集成了高性能的射频收发器p b a 3 1 30 i 0 3 、基带控制器、f l a s h 、 电源管理器和1 3 m h z 晶振。从功能模块结构看可鲋分为射频收发器、基带控制 粤串 江苏大学硕士论文 器、链路管理器和h c i 主机控制器接口等固件、h c i 传输层接口。天线要另外 添加，芯片组内部并不包括。 本应用设计中，关键的电路是蓝牙芯片组的u a r t 通过m a x 3 2 3 2 c 电平转 换芯片将u a r t 电平转换成标准r s 2 3 2 电平。 基于r o k1 0 10 0 7 的应用设计中，需要注意的关键问题如下： 1 ) 电源与