（计算机系统结构专业论文）嵌入式系统研发平台的设计与应用.pdf

l ， 摘要 p 3 5 2 0 8 1 g o d s o n 嵌入式系统研发平台的、计是g o d s o n 酞入式系统研发项日的重要组成部 分，其目的是为g o d s o n 畋入式系统研发提供有效的研发平台和涠试手段。暾入式系统研 发平台是一个支持嵌入式系统研发的可配置快述成刑平台可以迅速实现战入式系统殴计方 案，定成_ l 亓的设计方案易丁修改，田而可以人人提高i 欹入式系统开发谜度，降低开发成本释i 风险 本论文所设计的咝茎圣丘岍发平台以“龙芯”嵌入式微处理器为核心- 结台城入式 操作系统干麻h 软刊，西己置以必要的硬仆支撑电路开发0 0 d s o n 嵌入式系统；同时提供 了完善的嵌入式系统运彳了控制 i i 同收功能，提供了证人的嵌入式系统调试功能 i i 友好的户 界面。嵌入式系统研发平台是嵌入式系统研究中必不可少的i 具而拥有白主版权的酞入式 系统是我国计算机系统发展战略的一个重点，所以对嵌入式系缆研发平台的研究有助丁我国 计算机产业的发展。 本论文楚在详细分析g o d s o n 微处理器体系结构与嵌入式系统结构乖功能并且实现 了g o d s o n 酲入式系统研发平台的基础上完成的。i 本论文完成的主要l ：作有： l 介鲋g o d s o n 嵌入式系统的项目背景以及嵌入式系统研发平台在此项目中的地 佗分析g o d s o n 嵌入式系统研发平台的设计需求。 总结了战入式系统殴计的方法，分析了嵌入式系统研发平台的结构和功能了解了 r i s c 微处理器剌m i p sr 4 0 0 0 微处理器的体系结构+ 为g o d s o n 嵌入式系统研发 平台的设计i ：作奠定了基础。 详细分析了g o d s o n 嵌入式系统研发平台。将g o d s o n 嵌入式系统研发平台分 为硬r i ：干i f 软忭两部分分析，其中硬中【：部分进一步分为外部接口模块、系统接口模块、 综合控制模块、结果和状态同收模块；软件部分进一步分为控制与分析科序模块、 驱动程序层模块和软什仿真机模块。 讨论了g o d s o n 嵌入式系统研发平台的应州：开发g o d s o n 嵌入式系统；进一 步讨论了使州嵌入式系统研发平台开发婴墨q 墅由罡互丛a 由于g o d s o n 嵌入式系统已经使用嵌入式系统研发平台开发成功，所班本论文讨论的 蹬计方案和实现方法是正确和可行的。作为嵌入式系统研发必不可少的辅助：t 具，本研发平 豁j 撬 、，乒 畎 “糸：无谭t 强r i 州取盯，j 肫i j a b s t r a c t t h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n tp l a t f o r mo fg o d s o ne m b e d d e ds y s t e mi so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tp a r t so fg o d s o ne m b e d d e ds y s t e mp m j e c t t h i sd e s i g na n dd e v e l o p m e n tp l a t f o r m a c t sa st h eo n l yd e s i g ne n v i o n m e n ta n dd e b u g g i n gt o o lf o rd e v e l o p i n gg o d s o ne m b e d d e d s y s t e m i ti s ar a p i dp r o t o t y p i n gp l a t f o r mf o re m b e d d e ds y s t e md e s i g na n dd e v e l o p m e n t t h e p l a t f o r mc a na c c o m p l i s hd e s i g np r o j e c tq u i c k l y ，a n dt h ea c c o m p l i s h e dp 婀e c t c a nm o d i f ye a s i l y s ow ec a ns p e e de m b e d d e ds y s t e md e s i g n i n ga n dr e d u c et h ec o s ta n dt h ev e n t u r eb yu s i n gt h e p l a t f o r m t h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n tpa t f o r m ，w i t hg o d s o n e m b e d d e dp r o c e s s o r a s i t sk e r n e l ，i n c l u d ee m b e d d e do sa n da p p l i c a t i o ns o f t w a r ea n dc i r c u i t i t p r o v i d e sp o w e r f u l f u n c t i o no fc o n t r o la n dc a l l b a c kw i t ha l lf r i e n d l yu 1 s i n c ea np o w e r f u le m b e d d e ds y s t e mi s i m p o r t a n t f o r o u rc o u n t r y + t h es t u d yo f d e s i g na n dd e v e l o p m e n t p l a t f o r m o f e m b e d d e ds y s t e m w i l l s p e e d j u pt h ed e v e l o p m e n to f o u rc o u n t r y sc o m p u t e ri n d u s t r y t h i st h e s i sb a s e so nt h ea r d u o u sa n a l y s i so ft h eg o d s o np r o c e s s o r sa r c h i t e c t u r ea n d t h ea c c o m p l i s ho f d e s i g na n dd e v e l o p m e n tp l a t f o r m t h eo u t l i n eo f t h et h e s i si sa sf o l l o w s ： i n n o d u c t i o nt ot h eb a c k g r o u n do f g o d s o ne m b e d d e ds y s t e mp r o j e c ta n dt h ep o s i t i o n w h i c ht h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n tp l a t f o r mi ni t ，a n a l y s i so ft h ed e m a n d so fd e s i g n i n g g o d s o n d e s i g na n dd e v e l o p m e n tp l a t f o r m s u m m a r i z i n go n h o wd e s i g nt h ee m b e d d e ds y s t e m ，a n a l y s i so ft h es t r u c t u r ea n d f u n c t i o no ft h ep l a t f o r m e s t a b l i s h i n gt h eb a s i ce n o u g hd e t a i l st os u p p o r tt h ep l a t f o r m d e s i g n i n g a n a l y s i so ft h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n tp l a t f o r m t h ep l a t f o r m i s c m n p o s eo ft h e h a r d w a r e p o r t i o n a n ds o f t w a r ep o r t i o n p r o v i n g t h a tt h ep l a t f o r mh a sm e tt h eg o a l ：d e v e l o p i n gt h eg o d s o n e m b e d d e ds y s t e n h d e s i g n i n g t h ek d - e o sr o u t e rs y s t e m s i n c ew eh a v es n c c e s st od e s i g nt h eg o d s o ne m b e d d e ds y s t e mw i t ht h ep l a t f o r m ，i ti s p r o v e d t h a t p l a t f o r mi sv a l i d n e s s a n d f e a s i b i l i t y a sei n d i s p e i a a b i ea u x i l i a r yt o o li ne m b e d d e d s y s t e md e s i g n i n g , t h ep l a t f o r md e s c r i b e dh e r em a k s as u c c e s s f u ls t e p t h ei n v a l u a b l ee x p e r i c e s a n di n f o r m a t i o nc o l l e c t e da r eg r o u n d w o r kf o rt h ef u r t u r ew o r ko f t h es a l t ”p r o j e c t 第2 负 ? “一量 ：量 | 提入止系统研发，卜爵的 l 计o j 应用 1 绪言 告今世界已经步入“信息时代”，我国是计算机廊川人国，但是计算机系统开发水平却 逐遥落后丁世界先进水平，而且著距越拉越人。改革开发二十年米，我国的信息产业有了巨 人的进步。取得了有目共睹的成绩，但是我们也要看到我们的信息产业仍然处丁一个较低的 水平，核心技术仍然掌握在国外人公司手中。由r 核心技术掌握在国外人公司手中，我们豹 企业只能跟在蜘人的后面发展，而且只能做利润搬低的“纽装j i ：厂”，所以我们必须在信息 产业的核心技术上有所突破。 i 妖八式系统是随着计算机技术干微电子技术的发雁产生山来的，它已被r 泛的应川于航 空航天、通信设备、r 业控制平信息家电等领域，形成了巨人的产业。为了推进我国对于嵌 入式计算机系统的研究，中国科学技术人学对嵌入式系统的开发技术进行研究，包括嵌入式 系统软仆，硬p l ：协同设计技术以及嵌 式系统研发平台等。本文主要论述的是嵌入式系统研 发平台的研究与实现。 嵌入式系统研发平台下开发嵌入式系统软件和硬件并且对开发出的嵌入式系统进行 测试，它对下嵌入式系统研发起着重要的怍刚。建立一个高效、正确的嵌入式系统研发平台 是十分必要的。 1 。1 嵌入式系统研发的必要性 计算机技术雨j 微屯子技术的发展推动了嵌入式计算机系统的产生，使计算机系统的分类 义问到了通川计算机和专川计算机系统两人类别，当今的专刚计算机系统就是指嵌入式系 统。嵌入式系统是将系统软、硬t | ：功能都集成到硅片上。由软件和i 硬件协同j i ：作来完成特定 功能的系统，它的核心是嵌入式微处理器，还包括一系列相关的硬件霸| 软件。现在嵌入式系 统已被广泛的疵州，据国外权威机构预测，在未来的儿年内嵌入式系统未来的市场可能迓 到儿干亿美元。丑三避由于有这么j “阔的市场前景，所以越来越多的国内外公司进入嫩入式系 统领域，嵌入式系统市场的竞争也越米越激烈。嵌入式系统是由微处理器芯片实现的小型专 门化计算机系统，它与传统的计算机系统有着巨大的差异，我们与国外先进技术的羞划并不 是根人，新一代嵌入式系统的研究和开发给我 】提供了一个赶超世界先进水平弁勺机遇，我们 不应该放弃这个难得的机会。 第5 页 嵌入止系统研发，卜台的驶计o j 啦用 1 _ 2 嵌入式系统设计模式 暾入式系统是由软什和慢件协同j ：作完成特定功能的系统所以嵌入式系统的设计主要 包括体系结构设计，硬件设计和软忭设计二部分。设计时通常权衡产品推出时间、性能、成 本等方面要求止确的划分山嵌入式系统软、埂竹部分，确定系统体系结构然后分别完成 系统埂仆象i 软仆部分的设计。 目前嵌入式系统设计采川先硬什屙软仆的设计摸式即首先根据嵌入式系统的需求划分 系统的软、硬作部分，完成嵌入式系统体系结构的殴计，然后埂仆设计者按照划分好的便什 部分改计硬r j ：结构，软仆设计者根据设计好的硬什部分设计软什结构，最厉测试设计出的戢 入式系统。这种设计模式存在着报人的缺点：由丁碗什设计过稃中缺乏对软扑构架和i 实现机 制的清晰了解。硬什设计j ：作带有一定的盲目性，这种盲目性通常反映在封系统软硬f i ：的合 理划分以及对最终系统性能的把握上造成所设计的硬件结构难以在性能和成本之橱达到理 想的选择点一严重时会造成在软件设计中硬件方案的修改甚至重新设计，从而影响系统的开 发成本和开发时间。 随着计算机技术和微屯子技术的发展以及嵌入式计算机系统市场需求的不断扩人，越 来越多的国内外公司进入嵌入式系统领域，嵌入式系统市场的竞争也越来越激烈。随着竞争 的越来越激烈，各个公司为了生存平发展必颁更快更好的设计出嵌入式芯片域嵌入式软件， 或者利州已有的硬仆、软仆迅速开发山嵌入式系统。在这种情况f 采川一种更先进、高效 的战入式系统设计模式己迪在眉睫。 嵌a 式系统设计i ：作的一个基本发展趋势是软硬忭协同设计( h a r d w a 耐s 0 如v a m c o d e s i g n ) 。世界上许多研究机构和人学都开展了这方面的研究一1 ：作，如i b m 的w a t s o n 研 究中心、德国的t u b i n g e n 人学、m u n c h c n 技术学院和e f l a n g e n - n u m b e r g 人学等这些研究 i ：佧取得了一系列成果( 如e r l a n g e n - n u m b e r g 大学的p h o e n i x 系统等) ，对嵌入式系统的设 计过拌产生深远影响。软硬什协同设计方法的基本流程如下闰： 第6 页 嵌入系统研发3 卜卉的 l 计j j 应用 两种暾入式系统设计模式备有特点，它们的扰缺点如下： 传统的先硬竹斤软f 【：设计模式有一定的盲目性，但是这种设计模式比较成熟，现在 人部分嵌入式系统设计仍然使州它，特圳是对于相对简单的嵌入式系统，这种设计 模式更加适合； 软硬件协同设计模式楚嵌入式系统设计模式的发展趋势，但是这种模式还不成熟， 尤其缺少完善的系统描述建模语言，而且这种设计模式比较复杂，现在还有许多问 题需要解决。 通过分析上面两种嵌入式系统设计模式，同时根据我竹jg o d s o n 嵌入式系统的实际情 况，我们选择以先硬件后软件的设计模式为基础，同时有选择的吸收软硬件协同设计模式中 的一些优点的方法设计我计j 的嵌入式系统。这种设计的基本过程是一个以性能和实现成本为 尺度的循环优化过程整个设计过程通常可分为如下几个步骤： 1 系统描述：朋一种或多种系统级描述语言对所要设计的嵌入式系统进行功能和性能 描述如使用c 语言等。 2 早期分析：使刚分析工具对描述结果进行概念级分析，分析的结果将使得系统的描 述得到调整和优化，直至基本符合要求。 t # 4 q j页。一“ 7 第 肤八“糸统岍发卜什帕墩计。j 艇用 3 4 5 系统综合：将系统的功能描述转化成种实现结构圈，这种实现结构| j i 通常只是一 种内部图形表示，如循环控制流群| 鳘f ，然后对其1 ，点进行软硬件划分。 实现综合：对丁划分为硬什实现的模块，将其描述通过转换j ：月转换成硬件描述语 言如v e r i l o g ，然后进行高层平低层硬制：综台：对丁划分为软什实现的摸块，将其 描述通过转换1 具转换成某种料i i 序设计语言，然后进行编泽。 系统实现：将上述硬件结果输入酞入式系统研发平台进行实时测试返 - ，成功后加 载系统软仆，通过对运行结果的同收年1 1 分析，献定是否接受殴计结聚戏者为用到 第一步进一步优化系统描述提供依据。 1 3 嵌入式研发平台 在以上这种酞入式系统设计方法中，嵌入式系统研发平台是一种实用的嵌入式系统开发 1 3 1 , ，一般由外部控制机羽f 硬仆平台组成。外部控制机是台计算机，上面安装着对应的控 制科序、监控鞲序、平f 评估诊断程序，通过这些稗序控制嵌入式系统运行、同收运行结果、 以及对同收结果进行错误和性能评估等：硬件平台上主要包括大容最的可编程逻辑器件 ( f p g a ) 、存储器、微处理器芯片雨其他辅助也路它以全实时方式实现协同设计所产生 的硬什结果。 1 4 本论文所做的工作 本人作为中国科学技术人学计算机系系统结构实验生战入式系统研究与开发小纽j 臼主 力成员之一，2 0 0 1 年初加入“嵌入式系统研究与开发”这一课题。参与了中国科学院计算 所g o d s o n 嵌入式系统的研发领导一个小组完成了g o d s o n 嵌入式系统研发平台的设 计、编码、调试井且使川本平台完成了“龙芯”微处理器年g o d s o n 嵌入式系统的研发 测试。 本论文以g o d s o n 嵌入式系统的体系结构为背景在分析了嵌入式系统研发平台的基 础上，针对g o d s o n 嵌入式系统的特点和要求，设计实现了g o d s o n 嵌入式系统研发平 台，并它对“龙芯”微处理器平g o d s o n 嵌入式系统进行了开发和测试。 闻此，本论文在开篇的绪论中首先解释了研究项目的背景，简单介纠了嵌入式系统设计 模式分析了传统先硬件后软件设计模式和软硬件协同设计模式的优缺点，然后介纠了我们 所采刚的嵌入式系统设计方法并且进步的指出了嵌入式系统研发平台在这种系统设计方 法中的地位审i 作用。 本论文的第二章中对普通嵌入式系统研发平台结构和功能进行了分析，首先简单介绍了 越入式系统研发平台的功能：然后将嵌入式系统研发平台分为硬件结构和软件结构两部分进 第8 页 “键j ：j ，、t、，? ：k 窖藿暑，t 斡；虹m 堂垒些墨堑翌! 垄：! 鱼箜堂生：! 些旦 行了深入的阐述：根据研发平台硬件的功能，我制将硬件结构分为存储器霸f 微处理器模块、 接口模块和核心模块二个子模块进行详细分析：同时将研发平台软件分为接口软件、控制与 分折软什、软仆仿真机二部分简单介纠。 本论文的重点楚第二章，本章主要结合g o d s o n 嵌入式系统的实际情况，详细介绑和 分析了g o d s o n 嵌入式系统研发平台的设计与实现。首先本章简单介蜊了可编稃逻辑器1 ，| = 和硬仆描述语言，接着介州了g o d s o n 嵌入式研发平台，然后按j ! g o d s o n 嵌入式研发 平台硬件设计乖f 软什设计两方面进行仔细分析。g o d s o n 嵌入式系统研发平台硬件结构改 计分为四个子模块：分别是外部接口模块、系统接口模块、综合控制模块、结果羽l 状态阿收 模块。结合对并行接口、串行接口通信、存储器读弓、系统总线平“龙芯”微处理器初始化 数据等相关问题的简要介纠，本章深入分析了这四个研发平台硬制：子模块的酸计。研发平台 软什设计相对比较简单分为上层麻i l i 科序、驱动程序层和软制：仿真机三部分。本章介绍了 平台软什的功能霸嚏r 成，然后结合对w i n d o w s 操作系统下应脚程序控制系统硬件的流程 的分析，介- * i t t 上层应i _ | j 程序和驱动程序层的设计由于软件仿真机不在本研发平台的范畴 内，所以没有介纠。 最后在第四章中介荆了g o d s o n 酞入式系统研笈平台的应用，并且进一步介绑了 k d e o s 路由器的研发平台。 第9 页 藩n 。_ - ；。女臻：翥泓旋t 壁垒些墨鉴婴丝三! 三垒些墼生：! 生旦 2 嵌入式系统研发平台结构与功能 酞入式系统研发主要包括体系结构设计、便件殴计和软什设计二个部分。传统的嵌入式 系统敬计模式中将二者制裂开，系统的体系结构土要是基r 埂f l ：结构，由埂p l ：l ：n 师设计。 硬f q ：1 样师详细设计山计算机系统的体系结构后，进行独立的仿真、测试，完成系统体系结 构的定删然斤软忭1 料师开始系统软什的殴计：作。由r 软仆部分必颁在懊忭结构设计完 成厉才能设计系统的软埂r 卜殴计不能并行完成，所以会浪费宝贵的时间；周时系统软r | ：是 住已有埂件体系结构的基础上进行设计，为了适廊已有的硬仆体系结构，会降低系统软f l ：的 效率进而降低整个系统的性能：如果在软f l ：设计中发现硬t i ：体系结构问题，需要对系统硬 f l 进行修改，可能会导致系统体系结构的重新设计，导致巨_ 人的浪费。但是传统设计模式成 熟、简单，所以我们以传统设计摸式为基础，针对传统殴计方法的缺点，结合软硬什协同设 计模式的一些优点，设计了白己的嵌入式系统设计方法。 这种嵌入式系统设计方法是一个以性能和实现成本为尺度的循环优化过程，它分为系统 描述、甲期分析、系统综合、实现综合和监测运行五个步骤。嵌 式系统研发平台在这个循 环中处丁重要的地位，它既是一次循环的结粜，通过研发平台实时测试运行分析系统设计 的性能和成本；义是r 一轮系统优化l 臣计的开始，如果设计的系统性能不能令人满意，可以 依据本轮设计重新开始新一轮的设计，直到设计的系统性能满足要求。 2 1 嵌入式系统研发平台的功能 嵌入式系统研发平台实际上是一个可配置的快速成型平台。根据系统描述羊”早耕分析焉 设计山嵌入式系统的体系结构，划分山系统的硬件雨i 软f l ：功能以及两者间的接i ；3 ：然后根据 确定盘| 的硬 i ：莆i 软仆功能分别设计嵌入式系统硬件和软件部分：将设计妤的嵌入式系统硬件 快速配置在嵌入式系统研发平台上，加载嵌入式系统软件，在嵌入式系统研发平台上实时运 行嵌入式系统。 系统运行的结果和信息被嵌入式系统研发平台及时、准确的采样、回收：根据得到的系 统运行信息，研发平台迅速的完成嵌入式系统错误定位和i 调试、系统性能分析，并且将分析 结果反馈给嵌入式系统设计者作为f 一轮设计的依据。 嵌入式系统研发平台是由研发平台硬扑年软件构成的，下面对它们进行详细的分析。 2 2 嵌入式系统研发平台的硬件结构 嵌入式系统主要由嵌入式微处理器、相关支撑埂件、嵌a 式操作系统及应用软件系统等 第1 0 页 ，e 一： 嵌人式系统研发平台的l 爱计与应用 组成。研发平台硬件主要完成对嵌入式系统相关支攘硬件的快速成型，提供系统运行必需的 相关辅助电路；平台软件负责嵌人式系统初始化、运行、监测和回收等功能，完成嵌入式系 统的鼍试和性能分折。 般丽言，嵌人式系统硬件的快速成型主要是由研发平台上的可编程逻辑m f l = ( f p ( 谴) 模块完成的；为了实现提供嵌入式系统的实对运行，还需要t l - 蚀g , 须的时钟部件、电源部件、 存储器部件等相关电路；同时还有个嵌人式徽处理器擂槽，上面插入嵌入式系缱配套的擞 处理器；为了实现嵌入式系统实时运行信息的回收，需要有专用的接口模块将运行结果传送 到外部控制机上，由外部控制机上的平台软件完成对嵌人式系统运行结果躯调试和分析。 从某种意义上来说，硬件平台起到了主板的作用，嵌入式系统在硬件平台上实时运行， 并且将运行结果通过外部连线传回到外部控制机中。 为了更好的研究与分析嵌人式研发平台的硬件部分，我们可以将它进一步分为存请嚣和 徽处理器部件模块、接口模块和核心模块三个部分，对于比较葡革的系统时钟和电源，我们 就不进行详细分析了。 图：嵌人式系统研发平台的硬件部分 第l t 重 堡垒丛墨竺! | ! ! 垄：芏垒竺壁生：! 堡旦 2 , 2 1 存储器和微处理器部件 嵌入式微处理器是| 挠入式系统的“人脑”，嵌入式系统研发平台士要通过嵌入式微处理 器运行嵌入式软什的结聚分析啦入式系统的性能。嵌入式系统开发育两种方式，一种是使j e i 已有的啦入式微处理器开发嵌入式系统( 包括嵌入式系统软仆) 通常情况r 的嵌入式系统 开发都属丁这种方式：兄一种实际上是开发嵌入式微处理器这种情况比较少见，但是对丁 我们米说也有报重要的意义。这两种嵌入式系统开发方式f ，晓入式系统研发平台的结构是 相同的它都只需要提供一个微处理器插樽微处理器插捕根据测试的微处理器引脚决定， 一般常川的引脚有s o c k e t 7 、s o c k e t 3 7 0 蒋也可以根据实际情况自己定义。对于第二二 种方式，有可能馒埘可编样逻辑器件( f p g a ) 设计嵌入式馓处理器，但是一般f i 勺可编稃逻 辑器件的引脚与殴计的微处理器引脚不相同，所以还需要设计一个转插板，实现两者引脚信 号的转换。 战入式系统软什存放在存储器部什中，存储器部t | ：还刚于存放程序运行结栗等。一般嵌 入式系统研发平台通过外部控制机将宿动程序乖1 系统软干r i = 写入存储器部件中，然后启动嵌入 式微处理器，执行嵌入式系统软州：，将软忭执行结果写入存储器部件中外部控制机再从存 储器部什中读出氍序执行结果。另一种更好的方法是嵌入式微处理器启动后自动加载启动 样序然后微处理器向外部控制机发山命令，外部控制机根据接收到的命令向硬件平台的存 储器部忭加载系统科序和麻州科序。这种方法需要一个e p r o m 来存储启动秘序同时还要 解扶嵌入式微处理器与外部控制机的以机通信问题。 传统的嵌入式软仆一股对交互能力没有太高的要求，所以在嵌入式系统研发平台中没有 考虑对嵌入式软什交互能力调试的支持但是现在嵌入式系统的一个发展趋势就是提高系统 的交互能力提供友好的户交互界面，这就需要研发平台提供这方面调试的功能。斛机通 信就是微处理器透明使用外部控制机外设例如使用键盘、显示器、硬盘等设备。这样嵌入 式系统在调试时可以通过外部控制机的键 ； 幸| 籍入数据利信息，从外部控制机的硬；| ；| ：上读出或 写入数据，将系统信息直接显示在外部控制机的显示器上，可以提供对有交互界面的嵌入式 系统的调试极人的方便嗷入式系统的研发乖1 测试。 z 2 2 接口模块 嵌入式系统研发平台的基础就是在硬件平台上运行嵌入式系统，同时外部控制桃控制、 监视嵌入式系统的运行和同收运行结果，通过分析同收的运行结果f f 勺定位系统错误，调试嵌 入式系统、确定系统性能等。外部控制机实际上是一台外部p c 机，嵌入式系统研发平台的 软f l ：在外部控制机上运行外部控制机和硬件平台通过外部连线通信硬件平台上的接口模 块完成通信的具体实现。 第1 2 页 撒入止系统研发，卜台的议计o i 应用 在现代计算机中，荐外嗣设备是通过总线接口同主机连接，并且总线接口都是标准化的。 这样做的优点是：可使土机的设计同外隔设备的种类和数量无关，可使外围设备的设计同主 机的类型无戈，有利r 提高系统的灵活性、可扩充性雨f 可靠性有利丁系统软件的一致性。 当前已有多种通_ l i 外阐接口这些接口一般具有多种功能，可以通过程序改变接口的功能。 以适麻多种设备的需要。外部控制机上一般提供并行接口、串行接口或u s b 接口这些接 口备有个的特点嵌入式系统可以根据实际需要采i l 其中一种或多种接口。每种接口都有标 准的引脚数，例如井行接口一般有2 5 根引脚。串行接口有9 根引脚。每个引脚都有特定的 含义。首先根据实际需要确定嵌入式系统研发平台使j 【f 的接口类型然后在便什平台上加入 总线接口硬件平台上的接口模板就是将总线接口引脚信号转换成嵌入式硬中卜平台上核心逻 辑可以识删的传输命令、数据等。接口模块可以使川现有的专瑚芯片，如i n t e l8 2 5 5 并 行接口芯片、i n - t e l8 2 5 1 串行接口芯片等；也可以通过对可编科逻辑器t j ：编群，自己设 计对应的逻辑，实现相应的接口功能。 2 2 3 核心模块 z 所以称为核心模块是因为这个模块在嵌入式系统研发平台中具有重要的作坩。它实 际上就是个( 域数个) 可编群逻辑器件( f p g a ) ，通过对这个模块快速编程，可以实现 嵌入式系统相_ 戈支撑硬件部分的快速成型。根据所设计的嵌入式系统的实际情况不同这部 分的具体组成莆i 功能也有很大的著别，但是一般而言它都包括以f 一些功能： 负责存储器部仆的访问： 时钟和i 电渊的控制： 嵌入式微处理器启停平| j 系统运行模式控制( 单拍、多拍剥i 连续运行) ； 微处理器相黄控制信号霸f 内部状态的网收等许多重要功能： 在嵌入式系统研发平台的硬件平台上，本模块处于核心的地位，控制和操作其她的儿个 模块，如徽处理器、存储器部十 ：、时钟羊i i 电源、以及系统接口棋块等：虽然实际情况千变万 化但是为了便于分折_ 和l 设计，我们仍可以根据核心模块的功能将它分为存储器读写模块、 微处理器控制模块雨系统同收模块三部分。 第1 3 页 ，g 馨妻 肤 “糸统埘r 发中竹噼世计与麒h j 幽：硬件平台上核心模块年【j 其他模块的关系 2 。2 3 1 存储器读写模块 存储器部什是嵌入式系统的重要组成部分，嵌入式系统执行的程序都先要加载在嵌入式 系统研发平台上的存储器部1 ，j = 中，然后才能运行；同时系统软件执行结果，一般也会存在存 储器部件中。在研发平台上，外部控制机通过接口模块加载程序、回收运行结果：微处理器 读写执行存储器中的程序并且将运行结果返圊到存储器中。所以对存储器部件而肓有两 个模块访问它：接口模块录f 微处理器模块。存储器读写模块的功能就是正确处理两个模块的 读写请求，根据接口模块或微处理器模块发来的读写命令，产生对存储器部件的读写信号： 同时确定发山命令的模块使数据流向l e 确。 现在常用的存储器部件有d r a m 、s r a m 和ff l a s h 等。d r a m 称为动态随机存储器， 它的特点是容量人，价格便宜速度较快但是由于需要设计专用的刷新电路，所以实现比 较复杂：s r a m 称为静态随机存储器，它的特点是速度快，实现简单但是价格昂贵，容 量较小：f a l s h 叉称为闪存，它和以上两种存储器不一样它是一种非易失性存储器也 就是断电后。f l a s h 中的i j 容不会丢失，它价格比较贵，速度较慢，容量小，读写复杂。 根据嵌入式系统研发平台的实际特点可以选用合适的存储器类别和相应的存储器插槽。每 种存储器部件和相应的插槽信号引脚现在都有专门的标准存储器读写模块只需要根据选定 第1 4 页 ；，酿# o 一一 ：堂垒些墨望里茎：! 鱼堕丝生! 生里 器r ：的标准产生正确的引脚信号，就可以完成存储器的读写。 幽：存储器溪写模块 2 2 3 2 。徽处理器控制模块 嵌入式系统研发平台的重要功能之一就是支持系统的调试，这就需要支持系统运行模式 控制，系统运行模式是指嵌入式系统运行是在单拍、多拍还是连续的方式f 运行。研发平台 上嵌入式系统运行是由系统时钟驱动的控制系统运行模式实际上就是控制研发平台上的时 钟，也就是控制时钟模块次放山的时钟脉冲数。 嵌入式系统设计中，微处理器的中断控制是比较重要，也是比较容易出错的地方，为了 便于系统设计调试提供完备的中断摸拟功能是非常有必要的。微处理器在启动之后需要进 行初始化设置，初始化信息通常放在研发平台上的e p r o m 中，通过专用的微处理器引脚串 行加a - 这就需要提供相应盼逻辑负责驱动韧始化数据加载。低功耗的嵌入式系统是现在嵌 入式系统研发的一个重点，为了降低嵌入式系统的功耗，提供系统可变电压是有效的方法， 比如应垌广泛的m p c 8 2 3 e 嵌入式微处理器支持n o r m a lh i g l l 、n o r m a ll o w 、d o z e 、s l e 印、 d e e p - s l e e p 和p o w e r - d o w n 多种模式，每种模式对应不同的电压所以研发平台上也可能需 要控制电源电压的相应模块。 系统运行模式控制、时钟控制、中断模拟、微处理器韧始化、电源管理还有其他许多功 能构成了微处理器控制模块，我“j 在设计中可以根据嵌入式系统的实际情况选择支持其中某 些功能。 第t 5 页 ：算辫ji 嵌入式系统研发，p 台的设计1 应用 2 2 3 3 系统回收模块 嵌入式系统研发平台对于硬忭平台上运行的嵌入式系统实时监测、性能分析、调试和错 误定位等，这些功能都是由外部控制机上的软州：完成的。外部控制机上的软1 ，| = 需要得到埂r i ： 平台上嵌入式系统运行结果年信息，然后进行进一步的分析，才能实现酞入式系统的调试和 性能评估等功能。嗽入式系统运行的数据希信息范阐报广根据实际的情况变化也组人，但 一般总要包括以r 内容： 嵌入式系统软什运行结果： 嵌入式系统中重要寄存器的内容特别是微处理器中寄存器的内容； 嵌入式微处理器引脚信号： 这些信息的同收是由硬仆平台上的系统同收模块完成的。系统网收模块采集到需要搜集 的信号利数据，通过埂件平台的接口模块发送到外部控制机上。 2 3 嵌入式系统研发平台的软件结构 嵌入式系统研发平台软中卜运行在外部控制机中，根据实际研发豹嵌入式系统的具体情 况嵌入式系统研发平台软件部分的组成结构、功能有报人的不同，但是它最基本的功能应 该包括以r 儿种： 控制嵌入式系统研发平台的运行； 同收嵌入式系统在硬件平台上的运行信息； 将i 亓收信息与软件仿真机结果比较，进行调试和错误定位等： 所以我们可以把它分为接口软忭、控制与分析软件羽i 软t l ：仿真机三部分进行进一步豹研 究。 第1 6 页 同圃 图：嵌人式系统研发平台软件结构图 2 3 1 接口软件 嵌入式系统研发平台使用外部控制机控制平台的运行、回收运行结果、一定系茂性格等。 外部控制机通常是一台独立的微机，通过外部连线与硬件平台相连，外部控制机通过接1 ：3 软 件实现与硬件平台的通信，发送控制信号和数据给硬件平台，同时回收硬件平台上系统运行 的结果。与硬件平台的通信通过外部控制枫的并行接口或串行接口进行，为了实现应用程序 命令与硬件接口信号之闯的转换，需要在两者之闯加人底层驱动程序层。 在d o s 时代，应用程序是直接控制硬件的，但是程序设计者必绣对硬件非翥了解，设 计硬删程嗣e 常困难。髓着w 瑚) w s 撵作系统的流行和引人了系统权限分壤藏念， 应用程序已经很难直接对计算机硬件进行直接操作，转而在应用程序与硬件之间加入了瓤动 程序层。设备驱动程序提供连接到计算机硬_ f 辛的软件接e l ，应用程序以一种耘范的方式访问 硬件，而不必考虑必须如何控制硬件。 2 3 2 控制与监控软件 嵌人式系统研发平台的运行是由外部控制机的控麓软件控翻的，控捌软件构璃蟾捉謦实 厍情况变化很大，但一般包括以下功能： 簟雾鬟。誉 壁垒些墨堡! ! 垄兰堡堕堡堡! ! 生旦 地址空间分配、译码； 设置畋入式系统的控制方式( 组合成微程序) 及启动模式( 单拍、单指、断点、连 续操作) 控制字： 殴置断点值和定时方式设置酞入式系统群序的启动首地自 ( 即程序计数器初值) 、 向时钟谍模块送山启、停控制信号等： 庄嵌入式系统逆行前，程序和微群序加载( 写、读、校验) 及近续逆行时的暾 式 系统c p u 中断请求平通讯： 此外还可向月：备中断功能的嵌入式c p u 发中断请求； 控制机将控制软什产生的命令通过接口软什传送给硬仆平台。由丁控制与监控软f i ：支持 的功能比较多，为了方便h j 户的使川需要提供一个比较友好的川户界面，将这些功能集成 剑一个视窗埘户界面中。现在的软件都可以设计山令人比较满意的用户界面例如v b 、v c 、 c + + b u i l d e r 等，根据实际情况，改计者可以使刚相应的软件一【：具设计。 2 3 3 软件仿真机 为了实现嵌八式系统实时监测，及时商看嵌入式系统远行状态，确定系统运行错误需 要将埂仆平台上嵌入式微处理器运行结果_ 和i 内部状态返同给外部控制机；同时在外部控制机 上运行软件仿真机，将两者的结果进行比较判断。 软f ，| ：仿真机楚在宿主机器上逆行井模拟日标体系结构机器行为的一种软t l ：系统。它可以 解释并执行目标体系结构机器上可执行的程序，问时记录系统状态和结果。不同的仿真机由 丁开发目的雨i 着重点的不同在速度、心途、仿真目标军仿真程序等方面都有银人著别，所 以划分的方式也很多。例如，从仿真的目标上划分，就有单( 多) 处理器仿真机、内存系缆 仿真机、特定外设仿真机等；从实现技术上划分。有记录驱动型仿真机霸i 程序驱动型仿真机； 从仿真层次上划分，有门级仿真机嗣i 系统级仿真机。 f j 级仿真机并行模拟所有被仿真对象的再个部件的i ：作状态。仿真的内容不仅包括逻辑 电信号，而且还包括准确的延迟时间因此具有仿真准确的优点，广泛应用于数字电路设计 中但是它的缺点是运行速度非常慢；系统级仿真机是从功能上整机仿真计葬机体系结构的 各个部f l ：，可以为计算机体系结构设计和操作系统的研发提供重要的评估参数它的缺点是 不能提供足够详细且准确的机器的机器状态，但是它的运行速度比较快。因此可以将两种仿 真机结台起来使川，比如首先使用系统级仿真机确定系统的正确性与性能，如果发现有错谡， 再在有可能有错误的地方使用门级仿真机进行进一步详细的调试。通过两种仿真机的合理配 合，可以快速准确的搜集这些参数，并且与硬件平台上嵌入式系统运行结果与参数比较判 断系统的正确性和性能。 第1 8 页 堡! 兰生! 墨竺! ! 垄羔鱼塑墼生兰堕旦 2 4 小结 本章简单介纠了嵌入式系统研发平台的功能结台嵌入式系统的结构描述了嵌入式系 统研发平台的软作和硬件组成，并对它的软件羽i 硬t i ：部分进行了进一步的分析。 第 0 、 0 ，v # 页i 9 嵌入式系统研发，卜白的髓 卜- i 如用 3 g o d s o n 嵌入式系统研发平台的设计 为了发展国内的计算机产业，掌握嵌入式计算机系统核心技术，中科院计算所与中国科 学技术人学联台对战入式计算机系统进行研究，设计开发了g o d s o nl 投入式系统。 g o d s o n 嵌入式系统主要包括了嵌入式微处理器、嵌入式操作系统、嵌a 式应j 【f 软忭和湘 天支撑硬f ，| ：等。g o d s o n 眨八式系统的核心部仆是“龙芯”微处理器，“龙芯”微处理器采 j t r i s c 结构为了提高“龙芯”微处理器的兼容性，它与m i p sr 4 0 0 0 微处理器兼容，支 持r 4 0 0 0 指令集。m i p sr 4 0 0 0 微处理器在世界上戊h 广泛，采_ l | j 与m i p sr 4 0 0 0 微处理器 指令集兼容的方法可以运行人越m i f sr 4 0 0 0 环境f 的庶_ j 4 j 程序，人人增强“龙芯4 撤处理 器的应刚领域。为了提供g o d s o n 嵌入式系统的研究设计支撑环境，我们开发了g o d s o n 嵌入式系统研发平台住这个平台上研发测试了“龙芯”微处理器并以此为基础，进一步 研发拥有白主版权的嵌入式计算机系统。 3 1 g o d s o n 嵌入式系统研发平台简介 g o d s o n 啦入式系统研发平台是为了满足g o d s o n 嵌 式系统研发需求而设计的快 速成型平台。它拥有许多优点： 能够提供更人的山存空间( s r m i 最人1 6 m ：f l a s h 最人4 m ) ； 支持更宽的总线带宽( 3 2 传) ： 支持并行接口平【l 串行接口： 能够实时远行g o d s o n 嵌入式系统，并将系统状态返回给外部控靠4 枫处理； 为硬件，软州：调试提供强大的辅助功能，例如断点执行、单步跟踪等等，提高了开 发速度和效率。 由丁有以上优点，g o d s o n 嵌入式系统研发平台在g o d s o n 嵌入式系统的研发过程 中发挥了重要的忭川：同时g o d s o n 嵌入式系统的成功研发也证明了g o d s o n 嵌入式系 统研发平台是止确的。 g o d s o n 嵌入式系统研发平台进一步可以分为研发平台硬件部分希i 软件部分，以硬件 部分为主。 3 2 g o d s o n 嵌入式系统研发平台硬件设计 g o d s o n 嵌入式系统研发平台的硬件部分主要包括硬件平台和外部控制机两个部分 第2 0 厦 。；笼蘩：蛰 仳 儿示现r 废r 苜唧砹计。，j 雌，f 】 两者通过井口线连接。外部控制机通常是台p c 机外部控制机通过运行嵌入式系统研发 平台软f ：控制嵌入式系统研发平台运行平同收运行结果、分析运行结果；硬件平台主要包 括存储器部r f ：、嵌入式微处理器、可编科逻辑器f i ：和其他相关也路，嵌入式微处理器在硬f ： 平台上运行，运行结果亓| 收到外部控制机。按照硬f l ：平台的功能，硬忭平台主要分为外部接 口模块、系统接口模块、综台控制模块、同收模块、微处理器模块、存储器模块等儿个部分， 它”j 的具体功能如r ： 外部接口模块实现外部控制机与埂什平台的通信，支持嵌入式系统外用设备； 系统接口模块负责存储器的访问：包括微处