（计算机应用技术专业论文）基于ucosⅡ的交换机计费采集器设计与实现.pdf

摘要 本文中提出并实现的基于u c o s i i 的交换机计费采集器从电信的实际需求 出发，充分利用嵌入式“以应用为中心”的特点，根据本应用的需求，适当地选 择硬件、嵌入式操作系统并进行“当且仅当”的应用软件开发，使整个采集点系 统尽可能的精简，从而减少投资成本和运行维护成本。 在计费采集器的具体实现上，笔者根据应用的需求选择了$ 3 c 4 5 1 0 b 作为微 处理器，系统软件采用了u c o s 实时操作系统以及l w i p 微型协议栈。整个开 发过程中，完成了u c o s i i 和l w i p 向硬件平台的移植，硬件驱动程序、应用层 软件等的设计、开发。 本计费采集器功能的实现，为整个固定电话用户实时查询话费系统提供了远 端功能，解决了交换机端计费数据采集的难点，使得整个查询系统能够以较低的 成本实现。 关键字： 嵌入式系统、计费采集器、u c o s 一、l w i p 、t c p i p 、移植、任务 a b s t r a c t t h ec h a r g i n gc o l l e c t o rb a s e do nu c o s i ii sd r i v e nb y s h a n g h a it e l e c o m r e q u i r e m e n t s f o l l o w i n g t h ef a m o u sr u l eo f a c t a c c o r d i n g t oa c t u a l c i r c u m s t a n c e s ”a b o u te m b e d d e ds y s t e m ，t h ew r i t e rd e s i g n st h ea p p l i c a t i o nf u l l y d e p e n d e n to nt h ea p p l i c a t i o n sr e q u i r e m e n t s ，w h i c hg r e a t l yr e d u c et h ec o s t d u r i n gd e v e l o p m e n t ，s a m s u n g $ 3 c 4 51 0 bi ss e l e c t e da st h em i c r o p r o c e s s o r a n d u c o s i ip l u sl w l pa r es e l e c t e da st h es y s t e ms o f b , v a r e b a s e do nt h e s e ，t h ew r i t e r f i r s tp o r t su c o s i ia n dl w i pt ot h eh a r d w a r ep l a t f o r m ，t h e nd e v e l o p st h ee t h e r n e t c a r dd r i v e r , t h ec o md r i v e ra n df i n a l l yt h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r e t h er e a l i z a t i o no ft h ec h a r g i n gc o l l e c t o ru s i n ge m b e d d e ds y s t e ms o l v e st h e p r o b l e ma b o u tc o l l e c t i n gc h a r g i n gd a t aa tt h es i d eo fe x c h a n g ew i t hal o wi n v e s t m e n t ， w h i c hm a k e si tp o s s i b l et oo f f e rc u s t o m e r st or e a l t i m eq u e r yf o rt h e i rt e l e p h o n ef e e k e y w o r d s ： e m b e d d e ds y s t e m ，c h a r g i n gc o l l e c t o r , u c o s i i ，l w i p , t c p i p , p o r t i n g ，t a s k 图序列表 图3 1 计费采集器在查询系统中的位置 图3 2 嵌入式计费采集器开发框图 图3 3 嵌入式计费采集器的硬件框图一 8 + ，9 图3 4 $ 3 c 4 5 1 0 b 体系结构1 1 图3 - - 5 $ 3 c 4 5 1 0 b 系统复位后的存储器映射1 2 图3 6 交换机计费采集器内存映射图1 3 图3 7 交换机计费采集器系统硬件架构1 4 图3 8e v 4 4 b o i i 的以太网模块框图一1 6 图3 9e v 4 4 8 0 1 i 的存储器映射表图1 7 图3 1 0u c o s 硬件和软件体系结构2 0 表4 1a r m 处理器模式2 l 表4 2a r m 状态下的寄存器组织2 3 表4 3a r m 体系结构所支持的异常2 4 表4 4 异常进，u 退出2 5 图4 1 中断处理流程3 0 图4 2 任务创立时a r m 堆栈结构3 4 图4 3e v 4 4 8 0 的初始化流程3 6 图4 4 堆栈初始化3 7 图4 5u c o s 在e v 4 4 8 0 上运行4 0 图5 1t c p i p 的四层协议4 l 图5 2 系统软件示意图4 2 图5 - - 3 l w i p 中的内存分配函数一4 3 图5 - - 4p b u fr a m 和p b u fr o m 4 4 图5 5p b u fp o o l 一4 5 图5 - - 6 m e m p c 中的数据结构4 5 图5 7 内存分配结构4 6 图5 8t c p 层处理4 8 图5 9l w i p 中a p i 5 1 图5 1 0 使用独立进程的l w i p 功能结构一5 3 图5 1 1 消息队列中的数据结构5 7 图5 1 2 定时事件队列5 8 图6 1 内部i o 积存器和对应的b a n k 6 1 图6 2 与中断相关的寄存器6 5 图6 3 中断处理流程6 6 图6 4 网卡发送流程6 8 图6 5 驱动程序接收流程- - 6 9 图7 1m a i nt a s k 处理消息的流程7 4 图7 - - 2c o mq u e r y 处理流程75task 图7 - - 3 计费采集器任务及其通讯7 6 基于u c o s 的交换机计费采集器设计与实现 1 绪论 1 1 课题背景 自第一台计算机问世后，计算机技术得到了迅猛发展。而后p c 时代的到来， 使得人们开始越来越多地接触到一个新的概念嵌入式产品。尽管人们未必意 识到这一点，但实际生活中却时刻都在和嵌入式打交道，因为像手机、p d a 、 v c d 机、机顶盒等都属于嵌入式产品，还有车载g p s 系统、数控机床、网络冰 箱等同样都采用嵌入式方法。如果说p c 机的发展带动了整个桌面软件的发展， 那么数字化产品的广泛普及必将为嵌入式软件产业的蓬勃发展提供无穷的推动 力。如今嵌入式软件在信息电器、移动计算设备、网络设备、工控、仿真、医疗 仪器等领域都有着广泛的应用。美国汽车大王福特公司的高级经理曾宣称，“福 特出售的计算能力已超过了i b m ”，由此可以想见嵌入式计算机工业的规模和 广度。 目前，国外对嵌入式系统的研究已经进入成熟发展阶段，各大公司都推出了 自己的嵌入式产品和相关开发平台，而芯片厂商也不断研制出最新的嵌入式芯片 以适应市场需求。在国内，情况则相对滞后一些，嵌入式芯片几乎依旧依靠国际 几大芯片供应商；平台的研究从近几年才开始，同时开发出来的嵌入式产品在成 本、价格、实用性等方面不是十分成熟。因此国内对嵌入式系统的研究和开发有 着巨大的发展空间，为我们正在从事嵌入式开发的学生提供了一个宽广的舞台、 一个千载难逢的机会。 而笔者在参加嵌入式系统的学习过程中，正好参与了上海电信公司的一个关 于固定电话用户实时查询话费的研发项目。该项目主要是为固话用户提供电话或 网上查询的方法，使用户能随时随地查询到自己的实时电话费用，以克服大型交 换机传统的b u l k b i n i n g 计费方式的不足( 此方式对用户收费采用月结算的方式， 用户只能得到每月账单，而不能象移动电话那样可查询到实时话费) 。系统采用 c l i e n t s e r v e r 方式，一个查询中心，每个交换机端设一个采集点，用来从交换机 端实时取得用户的话费数据。如果系统实现，可以使普通电话用户实时进行话费 查询，消除用户的疑虑，减少有关通话费用的申告，从而大力提升电信的整体服 务水平和形象。但是，在每个交换机端设一个通用计算机实现的采集点，会使投 资成本较高，而且需要配备额外的维护人员。因此，笔者从实际出发，结合自己 的专业，提出了采用嵌入式的方法来设计远端采集点。这样可以充分利用嵌入式 “量体裁衣”的特点，根据应用的需求，适当地选择硬件、嵌入式操作系统以及 相应的应用软件开发，使整个采集点系统尽可能的精简，以减少投资成本和运行 维护成本。当然，在此项目的研发过程中，笔者为了进一步深入学习嵌入式系统， 基于u c o s - i i 的交换机计费采集器设计与实现 提高自己嵌入式开发的能力，在选择操作系统上舍易求难地选择了u c o s i i 而 放弃了u c l i n u x 。这样选择的目的一方面是u c o s i i 完全能满足系统的需求， 另方面笔者希望从u c o s i i 这个微小的操作系统核出发，通过硬件驱动程序、 网络软件、应用层软件等的设计开发，一步步深入掌握嵌入式系统各个层面的开 发方法。 1 2 本文章节安排 第一章简要介绍选择本课题的一些背景情况。第二章对嵌入式系统的概念、 特点、处理器以及嵌入式操作系统进行了简单介绍。第三章则阐明了本系统的整 体设计思路，包括系统框架、硬件选型、嵌入操作系统选择等等，此外还就所选 择的硬件和操作系统u c o s 作了比较详细的介绍。从第四章开始，则进入了 具体开发阶段：第四章讲述u c o s i i 在硬件平台上的移植；第五、六章则讲了 网络层的开发，包括t c p i p 和硬件驱动的实现：第七章则涉及到具体的应用功 能一计费采集的开发，最后进行了全文总结。 基于u c o s - i i 的交换机计费采集器设计与实现 2 嵌入式系统概述 2 1 嵌入式系统简介 所谓嵌入式系统就是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁 剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算 机系统。它把计算机直接嵌入到应用系统中，融合了计算机软硬件技术、通讯 技术和半导体微电子技术，是信息技术的最终产品。 嵌入式系统从出现到现在经历了一个从简单到复杂的发展过程，大致可分为 三个阶段。第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制形式的系统，大部分用于工 业控制系统中，一般没有操作系统的支持。第= 阶段以嵌入式实时操作系统为标 志，嵌入式操作系统内核精小、效率高并具有高度的模块化和扩展性，它运行于 各种不同类型的微处理器上。第三阶段则是以基于因特网为标志的，是一个正在 迅速发展的阶段。嵌入式系统在这几十年不断发展的过程中，和通用计算机相比， 形成了一些比较明显的特征： 1 面向应用，以应用为中心 “面向应用，以应用为中心”是嵌入式系统区别与通用计算机系统的最明显 特点，因为嵌入式系统一般都是在特定的领域内、完成特定功能的计算机系统。 在每个嵌入式系统的开发过程中，无论是软件还是硬件的设计，都应把“以应用 为中心”作为设计原则，使系统在满足功能的同时尽可能的精简，只有这样才能 使设计出来的系统功耗低、体积小、集成度高，真正体现嵌入式系统的优势。现 在嵌入式领域中频繁出现的用语“量体裁衣”，也是要求以应用为目标，根据产 品的特征，对硬件层、操作系统层、应用软件层进行“当且仅当”的选择、裁减 和开发。 2 软件代码高质量和高可靠性 尽管半导体技术的发展，使处理器速度不断提高，芯片商存储器容量不断增 加，但在大多数嵌入式应用中，存储空间仍然是宝贵的。为此，要求程序和编译 工具的质量要高，以减少程序二进制代码长度，提高执行速度。 3 软硬件紧密结合 嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，不仅软、 硬件体系结构内部，各层次、模块之间的祸合度也要比通用计算系统强。硬件操 作往往需要特定的软件控制，而软件运行又需要特定的硬件环境支持。因此，一 般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据 系统硬件的变化和增减不断进行修改。 4 需要特定的开发环境和开发工具 基于u c o s - i i 的交换机计费采集器设计与实现 通用计算机具有完善的人机接口界面，在上面增加一些开发应用程序和环境 即可进行开发。而嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户 通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进 行开发，这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分 析仪、混合信号示波器等。 嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用 户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 在下面的几节中将简单介绍嵌入式微处理器和嵌入式操作系统以及本系统的开 发环境。 2 2 嵌入式微处理器 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，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，流行体系结构有3 0 几个系列。 目前由于控制系统的越来越复杂及芯片价格的不断下降，中高端嵌入式系统一般 会采用3 2 位的c p u 。常见的3 2 位c p u 有很多系列，如x 8 6 ，m i p s ，a r m ， p o w e rp c 8 x x ，p o w e rp c6 8 k ，h i t a c h is h 系列等。 x 8 6 系列的嵌入式微处理器主要由i n t e l 和a m d 生产。采用x 8 6 系列具 有开发方便和移植容易等优点，但集成度低，外加的芯片多了以后会导致系统可 靠性差、体积大、功耗高等不足，在应用上带来了很大局限性。 m i p s ( m i c r o p r o c e s s o r w i t h o u ti n t e r l o c k e dp i p e l i n es t a g e s ) 系列的微处理器， 在网络、通信、多媒体娱乐等领域得到了广泛应用，特别适用在游戏机中，但是 由于价格较高，主要用于高端设备，在国内的开发应用也不是很广。 p o w e rp c 系列的c p u 性能高，采用r i s c 技术，发热量小，速度快，接 口很丰富，芯片上集成了两个处理器，其中一个专用于处理网络和接口数据，可 以支持多个1 0 m 1 0 0 m 、e 1 、a d s l 、i s d n 接口，特别适合对网络性能要求较 高及有多个接口的场合。在整个嵌入式系统中用量不大，但在网络和通讯市场的 用量很大。 a r m 系列的微处理器性能高，采用r i s c 技术，结构简单、处理速度快、 处理功能强、发热量小，在3 2 位嵌入式应用领域目前已经占有7 5 以上的r i s c 嵌入式产品市场。目前，其应用几乎已经深入到各个领域：工业控制领域、无限 通讯领域、网络应用、消费类电子产品、成像和安全产品等等。采用r i s c 架构 的a r m 微处理器一般具有如下特点： 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； 大量使用寄存器，指令执行速度更快； 4 基于u c o s i i 的交换机计费采集器设计与实现 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； a r m 公司只卖技术不生产产品，由于其突出的性能，连i n t e l 和 m o t o r o l a 也不得不买a r m 的p 核来生产a r m 系列的c p u ，所以生产a r m 系列c p u 的厂商很多。目前a r m 微处理器包括下面几个系列：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、i n t e l 的s t r o n g a r m 、 i n t e l 的x s c a l e 等，它们除了具有a r m 体系结构的共同特点以外，每一个系列的 a r m 微处理器都有各自的特点和应用领域。 在本嵌入式计费采集器的开发中将采用a r m 7 系列的微处理器。 2 3 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系 统极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备 驱动接口、通信协议等。它以尽量合理有效的方法组织多个用户共享嵌入式系统 的各种资源。 与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依 赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。而且，由于嵌 入式系统资源相对有限，嵌入式操作系统内核中不必要的部分都可根据实际需求 进行裁减，因此内核较之传统的操作系统要小的多。此外，嵌入式操作系统还有 一个特点就是针对不同的平台，系统不是直接可用的，一般需要经过针对专门平 台的移植，操作系统才能正常工作。 目前比较著名的嵌入式操作系统有w i n d o w sc e 、v x w o r k s 、p s o s 、q n x 、 p a r mo s 和n e c u l e u s 等，这些专用操作系统均属于商业化产品，故价格昂贵， 使许多低端产品的小公司望而却步；而且，由于它们各自的源代码不公开，使得 每个系统上的应用软件与其它系统都无法兼容，对它们的软件移植变得很困难： 并且由于这种封闭性还限制了开发者的积极性。 因此，u c o s 和u c l i n u x 操作系统作为两种免费且公开源码的嵌入式操作系 统，在当前得到了广泛应用。u c o s 结构小巧、具有可剥夺实时内核。其内核提 供任务调度与管理、时间管理、任务间同步与通信、内存管理和中断服务等功能， 比较适合小型控制系统，具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展 性强等特点，最小内核可编译至2 k 。u c l i n u x 则是继承了标准l i n u x 的优良特性， 针对嵌入式处理器的特点专门设计的一种操作系统，具有内嵌网络协议、支持多 种文件系统，开发者可利用标准l i n u x 的先验知识等优势。其编译后的目标文件 可控制在几百k 量级。 基于u c o s i i 的交换机计费采集器设计与实现 对于交换机计费采集器来说，由于其功能比较单一，同时对实时性有一定的 要求，而且要求投资成本尽可能小，因此在操作系统的选择上将采用结构小巧的 u c o s 一。 2 4 嵌入式系统的开发环境 嵌入式系统的集成化开发环境，都采用交叉开发方法，在u n i x 、w i n d o w s 、 l i n u x 等主机平台上开发与之连接的目标机上运行的软件。开发环境包括可裁 剪的微内核实时多任务操作系统，主机上的编译、调试、查看等工具，以及利用 串口、网络、i c e 等与目标机的连接工具。但在嵌入式系统中由于软硬件的紧密 结合，软件系统的开发往往严重依赖于硬件系统的选择和配置。采用不同的c p u 系列或不同的嵌入式操作系统，通常会有不同的集成开发环境。比如c a d u l 的w o r k b e n c h ，对x 8 6 系列c p u 的开发环境和工具处于业界领先位置；又如 c o d e w a r r i o ri d e ，提供统一的图形用户界面来集成各种开发工具，支持多种主 机平台、多种编程语言、多种处理器和多种实时操作系统；还有w i n d r i v e r 提供 的t o r n a d o 开发环境，为基于v x w o r k s 的开发提供了强有力的支持：而a r m 公 司也有a r m a d s ，s d 呵系列。对于a r m 系列，更是有很多第三方的集成环境， 比如e m b e s ti d e 、m i e e t e e kh i t o o l 等等。 笔者在本系统的开发中，处于资金、方便等的考虑，采用了免费的g n u a r m - e l f - a s ，a r m e l f - g c c ，a r m e l f l d 工具编译链接源文件，生成e l f 目标代码后，到h i t o o l 集成环境下进行调试。 2 5 本章小结 作为本嵌入式计费采集器的开发基础，本章主要介绍了嵌入式的基本概念以 及嵌入式微处理器和嵌入式操作系统。从上面的介绍可知，嵌入式系统软硬件结 合非常紧密，因此本文在以后的章节中，将本着嵌入式“以应用为中心”的开发 原则，进行软硬件的协同设计。 6 基于u c o s - i i 的交换机计费采集器设计与实现 3 交换机计费采集器的整体设计 3 1 功能架构分析 固定电话用户实时查询话费系统的主要功能就是为每个用户提供实时查询 当前电话总费用的服务。它采用c s 的结构，一个服务中心，而每个交换机侧各 有一个计费采集点，本论文中的嵌入式计费采集器在固定电话用户实时查询话费 系统中的位置如下： 图3 一l 计费采集器在查询系统中的位置 从图中可以看出嵌入式计费采集器的对外接口主要有两个：一方面与计费查 询中心通过局域网相连，另一方面通过串口与交换机相连。因此在选择硬件的时 候，需满足这些需求。 计费采集器的主要功能是以s o c k e t 方式接收查询中心端的查询请求，通过 串口向交换机获得相应用户的计费信息并将结果返回给查询中心。此外，采集器 还需维护串1 2 1 及s o c k e t 端口的正常工作。对于串1 2 1 的不能由程序自动解决的错 误，上报给查询中心，由查询中心处理；对于与查询中心的s o c k e t 连接通过握 手消息保证连接的正常，当在一个规定的时间内收不到查询中心的握手消息，本 地s o e k e t 会重新开启。根据以上功能，计费采集器主要有四个任务：查询主任 基于u c o s i i 的交换机计费采集器设计与实现 务、查询请求接收任务、交换机端的查询任务和串口监控任务。查询请求接收任 务负责接收远端的查询请求，放入队列。查询主任务轮询队列，若有查询请求， 则通过串口查询获得相关计费信息，若队列中有其他消息，对之作相应处理。串 口监控任务每隔一定时间检查串口是否正常。 当然，正如我们前面所述，嵌入式的开发与硬件紧密结合，不同的硬件会涉 及到软件的移植或驱动程序的开发。因此，在本嵌入式计费采集器的开发中，还 将进行如下功能的开发： 所选的嵌入式操作系统向所选微处理器系统的移植 串口驱动程序的开发( 限于篇幅，这部分将不在本文论述) 网络协议t c p ，i p 的开发 网络驱动的设计与开发 由此，我们得出整个系统的开发框图如下： 图3 2 嵌入式计费采集器开发框图 3 2 硬件开发环境设计 3 2 1 硬件需求 根据嵌入式系统的设计特点及3 1 节计费采集器的功能可以得出本系统的主 要硬件有嵌入式微处理器、用于存放嵌入式操作系统和应用的f l a s h m e m o r y 、系 统运行的主存、以太网芯片、对于f o 的资源需要有u a r t 口和交换机连接及以 太网络的接口等等。 基于u c t o s i i 的交换机计费采集器设计与实现 对于作为嵌入式系统核心的嵌入式微处理器，笔者准备选取a r m 7 系列的 微处理器。计费采集器的功能相对简单，但作为电信单位的服务系统，要求以最 少的投入取得最好的社会效应。从前面章节对嵌入式微处理器的分析来看，a r m 架构的微处理器应用广泛。性能高。成本低，开发方便，比较适合计费采集器的 要求。此外，由于本系统比较简单，对系统的主频要求也不是很高，并不需要 m m u 等的功能，因此笔者将采用a r m 7 系列中的a r m 7 t d m i 作为系统的微处 理器。a l t m 7 t m d i 是目前使用最广泛的3 2 位嵌入式r i s c 处理器，属于低端 a r m 处理器核，其典型处理速度为o 9 m i p 刚乜，系统主时钟为 2 0 m h z 1 3 3 m h z 。 对于存储设备，处于体积、功耗等的考虑，一般在嵌入式系统中不会使用硬 盘，而是采用f l a s h m e m o r y 存放嵌入式操作系统和应用软件。本计费采集器的 功能单一，而且准备采用内核很小的u c o s 嵌入式操作系统，因此对存储设备的 要求较低。笔者将采用f l a s hm e m o r y 来存放u c o s 和相应的应用软件，大小为 2 m b ；而对于本系统的主存的需求，采用s d r a m ，并且由于计费采集器的应用 较为简单，可以预知其需要的内存资源不多，且在本系统中将采用的嵌入式u c o s 操作系统对内存的要求也不高，放整个系统对于主存的要求将控制在8 m b 之内。 除了嵌入式微处理器和存储设备，从前面的介绍中可以得出本系统还需一块 网络芯片，因此系统的硬件框架图如下： 图3 3 嵌入式计费采集器的硬件框图 3 2 2 硬件设计 根据上节中交换机计费采集器对硬件的需求，笔者决定采用基于a r m 架构 的三星公司$ 3 c 4 5 1 0 b 作为微处理器。该微处理器是三星公司专为网络通讯设备 和一般应用提供的高性价比的微控制器解决方案，它使用a r m 7 t d m i 核，工作 基于u c o s i i 的交换机计费采集器设计与实现 在5 0 m h z 。之所以选择此款类型的微处理器，一个主要的原因是因为该芯片内 部集成了以太网控制器和u a r t 接口。因此，对于本应用系统来说，选用了此 款芯片后，就免去了在硬件系统的设计中进行网络芯片和串口的扩充工作，减少 了增加附加配置的需要，从而使得硬件设计和定制相对简单，并且费用降至最低。 而且，$ 3 c 4 5 1 0 芯片在性能和功能上完全能满足本系统的需求，并且由于其性能 高、成本低，完全符合本系统的设计初衷。下面笔者将简单介绍一下该芯片的特 点，并且以此芯片为基础，选择相应的存储器。 3 2 2 1 s 3 c 4 5 1 0 b 简介 三星公司的$ 3 c 4 5 1 0 b 是一款基于1 6 3 2 位r i s c 微处理器内核的高性价比、 高性能微处理器。在芯片内部集成了网络控制器，面向基于以太网的应用系统。 它使用a r m 公司的a r m 7 t d m i 作为微处理器内核。a r m 7 t d m i 是一款低功 耗的通用微处理器内核，特别适用于对功耗和成本敏感的应用场合。 除了网络控制器，芯片内部还集成了下列部件：8 k bc a c h e 、i i s 总线控制 器、2 通道的h d l c 、2 个u a r t 通道、2 个d m a 通道、2 个定时器、1 8 个通 用i d 口、中断控制器等等。 在系统管理上： 为不同类型的存储器( 包括r o m s r a m 、f l a s hm e m o r y 、d r a m 和外 部i o ) 提供8 1 6 ，3 2 位的外部总线支持 支持大、小端访问模式 可编程的访问时序 高性价比的内存和外围d m a 接口 提供6 个r o m ，s 础山腮l a s hb a n k ：4 个d r a m s d r a mb a n k 和4 个i ob a n k 以及特殊寄存器区域。可以通过设置特殊寄存器配置系统 内存空间。整个地址空间可达6 4 m 字节。 4 字的写缓冲 在以太网控制器上： 提供突发方式的d m a 引擎 d m a 发送接收缓冲区( 2 5 6 字节发送，2 5 6 字节接收) m a c 发送接收f i f 0 缓冲区( 8 0 字节发送，1 6 字节接收) 1 0 1 0 0 m 传输速率 l v l i i 接口 半双工或全双工模式。在半双工模式下，控制器支持i e e e 8 0 2 3 的 c s h i a c d 协议；在全双工模式下，控制器支持包括用于流控的暂停操作 的i e e e 8 0 2 3m a c 控制层协议。 0 u c o s i i基于的交换机计费采集罂设计与实现 片内c a m ( n - i 达2 1 个目的地址) 在u a r t 上： 提供2 个带d m a 和中断的u a r t 支持5 位、6 位、7 位、8 位串行数据传送接收 可编程波特率 1 或2 位停止位 奇偶校验 支持i r d a l 0 总之，$ 3 c 4 5 1 0 b 在a r m 7 t d m i 基础上进行了一系列完整的通用外围器件 的扩展，使系统费用降至最低，消除了增加附加配置的需要。具体体系结构图如 下所示： 图3 4 $ 3 c 4 5 1 0 1 3 体系结构 基于u c o s i i 的交换机计费采集器设计与实现 3 2 2 2 存储器选择 在$ 3 c 4 5 1 0 b 中，提供了多达6 4 m 的地址访问空间，并可以通过软件的方 法对内存空间进行配置。其存储特点如下： 支持数据存储的大川、端选择( 通过外部引脚进行选择) ； 地址空间：具有6 个r o m ，s 凡址仰l a s hb a n k ；4 个d r a m s d r a m b a n k 和4 个i ob a n k ；在同类的存储器之间的起始地址和长度均可 变( 除了r o m o ) 对所有存储体的数据访问宽度均可进行改变( 8 位1 6 位3 2 位) ： $ 3 c 4 5 1 0 b 在上电或复位后，所有b a n k 的地址寄存器被恢复戍缺省值，也 即除了r o m 0 外，其他的b 越呵k 都是未定义的。而r o m 0 的基地址指针和结束 值分别被设置为0 x 0 0 0 和0 x 2 0 0 。系统复位后的内存映射情况如下： r 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一l 0 x 3 f f f f f f o x 3 f f s 0 0 0 ( 0 0 0 0 0 0 0 s p e c i a lf u n c t i o nr e g i s t e r s u n d 酣n e d a r e a r 燃l a s hb e n k 0 n 甜w 吣啊鹩i b b ) r o m s r a m 蒂l a s hb a n k0 a r e a ( a c c e s = s i b j e ) l 一一 图3 5s 3 c 4 5 1 0 b 系统复位后的存储器映射 系统复位后将r o m 0 的基址定为0 x 0 0 ，使得系统在启动后执行的引导代码 应该放在r o m 0 中。至于其他b a n k 的配置，可以通过特殊寄存器r o m c o n 0 r o m c o n 5 、d r a m c o n 0 d r a m c o n 3 、e x t a c o n o e x t a c o n l 以及 e x t d b w t h 和r e f e x t c o n 完成。通过它们，可以配置b a n k 的起始地址、 结束地址和数据访问宽度。设置非常灵活，但是所有的b a n k 不可重叠。 根据本系统对存储器的需求，笔者选用了l 片2 m b 的f u j i t s u m b m 2 9 l v l 6 0 t ef l a s h 芯片，用于存放操作系统和应用；选用1 片8 m b 的e s m t m 1 2 l 6 4 1 6 4 as d r a m 芯片作为系统内存，接在d r a m s d r a mb a n k 0 上面。 系统上电以后，p c 指针自动指向r o m 0 的第一个单元，开始进行系统自举；完 成系统的初始化工作后，将u c o s 一和应用程序拷贝至s d r a m 中运行。交换 基于u c ? o s - i i 的交换机计费采集器设计与实现 机计费采集器的内存映射图如下所示； i - 。一一 特殊寄存器 f r e es p a c e 系统主存：8 m f r e es p a c e 系统f l a s h ：2 m 一0 x 3 f f f f f f - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一o x 3 f f 8 0 0 0 - - - - - - - - - - - 一0 x 2 8 0 0 0 0 0 0 x 0 2 0 0 0 0 0 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一0 x 0 0 0 0 0 0 0 l 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一l 图3 6 交换机计费采集器内存映射图 3 2 2 3 系统硬件架构 在有了微处理器和存储器后，本交换机计费采集器的硬件还包括一些其他设 备，主要是以太网的物理接口层芯片。 般而言，从硬件的角度看，以太网接口电路主要由m a c 控制器和物理层 接v i ( p h y s i c a ll a y e r ，p h y ) 两大部分构成。而s 3 c a s l 0 b 包含的网络控制器实 际上只提供了以太网m a c 控制，但并未提供物理层接口，因此，需外接一片物 理层芯片以提供以太网的接入通道。常用的单口1 0 m 1 0 0 m b p s 高速以太网物理 层接口器件主要有r t l 8 2 0 1 、d m 9 1 6 1 等，均提供m i i 接口和传统7 线制网络接 口，可方便的与$ 3 c 4 5 1 0 b 相接。以太网物理层接口器件主要功能般包括：物 理编码予层、物理媒体附件、双绞线物理媒体子层、i o b a s e - t x 编码解码器和 双绞线媒体访问单元等。在本系统中，笔者准备采用r t l 8 2 0 1 作为以太网的物 理层接口。此外，它通过t s 6 1 2 1 ( 一个1 0 1 0 0b a s e - t 绝缘变压器) 接一个r j 4 5 的端口连向以太网。因此本系统用到的所有硬件架构图如下： 基于u c o s i i 的交换机计费采集器设计与实现 图3 7 交换机计费采集器系统硬件架构 3 2 3 硬件开发环境 有了系统的硬件框图，我们就可以定制系统的硬件平台，建立本应用系统 的硬件开发环境。由于本系统是研发项目，为了节省早期的开发成本及加快开 发进度，在具体硬件的制作上，本系统选取了在功能上能完全满足需求的 e v 4 4 8 0 开发板。e v 4 4 8 0 使用三星的s 3 c 4 4 b o x 作为微处理器，同时集成很 多其他设备，是用于手持设备和通用嵌入式应用的完整系统。下面就e v 4 4 8 0 开发板在计费采集器用到的一些特性、特点作简要介绍。 3 2 3 1 e 、，4 4 8 0 开发板介绍 e v 4 4 b o x 开发板包括了以下部件：三星的s 3 c 4 4 b o x 作为微处理器、b o o t f l a s h 、s d r a m 、l c d 接口、两个串行口、一个以太网接1 2 1 、u s b 接1 2 1 、键盘 接口、i s s 接口、r q c 、j t a g 接口和8 段l e d 。虽然e v z l 4 b o x 的资源非常丰 富，但笔者在开发过程中根据计费采集器的实际需求，只用到了闪存、动态存储 器、串口和以太网接口，对于不相关的硬件不作任何处理，以便比较好地保证整 个系统能够在需要的时候尽量少作修改地移向定制的硬件。下面就与开发密切相 1 4 基于u c o s 的交换机计费采集器设计与实现 关的一些部件和特性作简单介绍。 1 微处理器s 3 c 4 4 b 0 x s 3 c 4 4 b o x 是三星公司专为手持设备和一般嵌入式应用提供的高性价比和 高性能的微控制器解决方案，它包括1 6 3 2r i s c 微处理器核、8 k bc a c h e 、 可选的内部s r a m 、l c d 控制器、两个u a r t 通道、4 个d m a 通道、系 统管理( 芯片选择逻辑，f p e d o ，s d r a m 控制器) ，6 通道p w m 定时器、 7 1 个通用i o 端口、r t c 、8 通道1 0 位a d c 、8 个外部中断源、i s s 接口 等等。其最突出的特点是采用了a r m 公司的1 6 3 2 位a r m t t d m i r i s c 结 构( 主频6 6 m h z ) 。 2 电源供应 e v 4 4 8 0 l i 的c p u 工作在2 5 v ，而i ，o 工作在3 3 v 。电源是通过一个d c 转换器实现的。由于嵌入式计费采集器工作在程控交换机处，所以能保证电 源的稳定供给。 3 时钟源及分配 e v 4 4 8 0 1 1 支持系统时钟源，并且只提供) l ( p l l ) ；虽然p l l 在板子 重启后即开始工作，但需要软件对p l l c o n 寄存器进行配置后才真正有效。 4 系统重置 系统重置信号( n r e s e t ) 必须持续5 个c l k 才能被识别。 5 系统配置 s 3 0 m b 0 支持大、小端模式以及字节半字字的访问模式。但在b o o t r o m 及小端模式时只支持半字的数据访问。( 注；在a r m 中一个字是指3 2 位) 6 b o o t r o m b o o tr o m 采用的是富士通的2 9 l v l 6 0 t e ( 1 m x1 6 b i t ) 的闪存，数据宽 度为半字。此芯片用于嵌入本应用的嵌入式操作系统和应用层软件。 7 以太网接口 1 0 m 1 0 0 m 的双绞线以太网接口，芯片为s m s cl a n 9 1 c 1 1 3 。它同 s 3 c 4 4 b o x 微处理器通过n g c s l 选片信号相连，并利用了中断信号e x i n t l 。 对于该芯片同数据网络的连接，通过t s 6 1 2 1 ( 一个1 0 1 0 0b a s e - t 绝缘变 压器) 接一个r j 4 5 的端口连向以太数据网络。具体如下图所示： 基于u c o s i i 的交换机计赞采集器设计与实现 图3 8e v 4 4 8 0 1 1 的以太网模块框图 8 u a r t 接口 e v 4 4 b o i i 提供两个u a r t 接口( p i ，p 2 ) 。 9 内存设计和控制 s 3 0 4 4 8 0 x 有6 个r o m ，s r a m 的存储体( b a n k 0 b a n k 5 ，其中b a n k 0 是系 统白举存储体) 和2 个r o m s r a m l e d o ，s d r a m 存储体( b a n k 6 - b a n k 7 ) ， 其中b a n k 6 和b a n k 7 的类型需一致，比如r o m & r o m 、s d r a m s d r a m 等等。s 3 0 1 4 8 0 x 上的系统管理器可以通过软件的方式对每个存储体的访 问时间和数据宽度进行控制。各个存储体的访问时间分别由系统特殊寄存器 b a n k c o n 0 7 控制：访问数据宽度由b w s c o n 控制；由于r o mb a n k 0 用作系统自举存储体，因此它由硬件控制，o m 1 ：o l 就是为了这个用途。系 统重启后，特殊寄存器b w s c o n ，b a n k c o n 0 7 ，r e f r e s h ，b a n k s i z e ， m r s r b 6 厂7 就起作用了。特殊寄存器的配置例子如下： l d rr 0 = s m r d a