（电力电子与电力传动专业论文）嵌入式web服务器在嵌入式实验平台上的实现.pdf

a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s 、i t l lm o r ea n dm o r ep e r s o n a lc o m p u t e r sb e e ni n t e r c o n n e c t e dw i t he a c ho t h e r b yi n t e r a c ta n de m b e d d e dd e v i c e sb e e nu s e dw i d e l y , t h e r ei sat r e n dt h a ts m a r ti n f o r m a t i o n d e v i c e sa r eb e c o m i n gw e bd e v i c e s t h ei n t e r n e tw e bt e c h n o l o g ys a t i s f i e st h ed e m a n df o rt h i s t r e n d t h i sj o bs t u d i e sh o wt oi m p l e m e n ta ne m b e d d e dw e bs e r v e rw h i c hi st h ek e yo f i n t e m e tw e bt e c h n o l o g yo nu c l i n u x b a s e do na n a l y s i so fh t t pe n g i n em o d e l su s e do nd e s k t o p ，an e wm o d e la p p r o p r i a t et ob e i m p l e m e n t e do ne m b e d d e ds y s t e mi sr a i s e du p t h em o d e lc a nd e a lw i t l lm u l t i p l er e q u i r e c o n n e c t i o n se f f e c t i v e l y g e tm e t h o d ，p o s tm e t h o da n dh e a dm e t h o da r es u p p o r t e d a c c o r d i n gt o h t t ps p e c i f i c a t i o n c g ii su s e dt om a k e e m b e d d e dw e bs e r v e rb e c o m m u n i c a t e d 、i t l le m b e d d e ds y s t e m a n db a s i ca u t h e n t i c a t i o ns c h e m ed e f i n e di nr f c 2 6 1 7i ss u p p o r t e dt om a k ee m b e d d e dw e bs e r v e rm o r es e c u r e l yo ni n t e r n e t n 他d e s i g no fe m b e d d e de x p e r i m e n tb o a r di si n t r o d u c e df i r s t l yi nt h i sp a p e r s e c o n d l y , a f t e r c o m p a r i s o no fc o m m o ne m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m s ，u c l i n u xf i n a l l yi sc h o s e na st h e e m b e d d e do s n l et r a n s p l a n to fu c l i n u xa n da p p l i c a t i o nn o t eo fu c l i n u xa r ea l s om e n t i o n e d h e r e l a s t l yi st h ea n a l y s i so fk e yt e c h n o l o g i e so fe m b e d d e dw 曲s e r v e ra n dt h ed e t a i l so f e m b e d d e dw e bs e r v e ri m p l e m e n t a t i o n h o wt od e a lw i t h m u l t i p l ec o n n e c t i o n sa n d m a n a g e m e n to f c o n n e c t i o nf s m i se x p l a i n e di nd e t a i l k e y w o r d s u c l i n u x ，e m b e d d e dw e bs e r v e r ，e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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。尽我所知，除了文巾特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我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 谓 意。 研究生签名：塑：堕塑日期： 硝、争 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：羟! 窒霸 导师签名：日期：堕：墨! ： 第一章绪论 1 1 课题背景 1 1 1i n t e r n e t 的发展和现状 第一章绪论 i n t e r n e t 和w e b 技术的出现，对于信息获取、商务应用可以说是一场革命。它对整个现代社会都产 生了巨大的影响，可以说是继工业革命以后的摄大的技术革命。i n t e r n e t 晟早应用于美国的军事、国防， 继而扩展到美国国内的学术机构，再而迅速覆盖了全球的各个领域，运营性质也由科研、教育为主逐颧 转向商业化。 1 9 6 9 年，美国国防部的国防高级科研计划局( a d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c ta g e n c y 简称a r p a ) 建立 了一个采用存储转发方式的分组交换广域翻- - a r p a n e t ，该网络仅有四个结点，分别建在加州大学洛杉 机分校( u c l a ) 斯坦福研究所( s r i ) 、加州大学圣大巴比分校( u c s b ) 以及犹他大学( u t a h ) ，该网络 是为了验证远程分组交换网的可行性而进行的一项试验工程，以防止核战争爆发引起大量电话业务中断 导致军事通信瘫痪的局面出现。a r p a n e t 就是今天i n t e r n e t 的前身。 虽然初期a r p a n e t 各结点之间的连接只能使用5 6 k h p s 的专线，但是网络的扩展是相当惊人的。1 9 7 2 年首届国际计算机通信会议( i c c c ) 上首次公开展示了a r p a n e t 的远程分组交换技术，当时a r p a n e t 已有 约2 0 个分组交换结点机和5 0 台主机。在总结最初的建网实践经验的基础上，开始了被称为网络控制协 议( n c p ) 的第二代网络协议的设计，a r p a 随后又组织有关专家开发了第三代嗍络协议t c p i p 协议， 该协议于7 0 年代中期由斯坦福大学的v i n t o nc e r f 和b b n 的r o b e r t k a h u 开发，1 9 8 3 年正式在a r p a n e t 上启用这是i n t e r n e t 发展中的一个里程碑。 1 9 8 3 年，a r p a 将网络控制权交给防卫通信局( d c a ) ，并将a r p a n e t 分割成两个部分，一部分是专用 于国防的m 1 n e t ( 一个非保密的军事通信网络) 另外一部分仍称称a r p a n e t 。与此同时，美国还相继建 成了c s n e t 和b i t n e t 两个网络。a r p a n e t 的建立，产生了网络互联的概念。 1 9 8 6 年，美国国家科学基金会建立了以a r p a n e t 为基础的学术性网络，即n s f n e t 。它是i n t e r n e t 发 展中的一个先驱。为了达到信息资源共享的目的，n s f n e t 把全美国的主要研究中心和5 个科队教育用的 计算中心的近8 万台计算机联成一体，并与a r p a n e t 相连。随后又把由各大学校园网络为基础构成的地 区性网络再互联成为全国性网络。同时，n s f 又大力倡导网络用户发扬奉献精神，反对以盈利为目的而使 用网络。在此期间，n s f 投入大量经费支持n s f n e t 的发展，支付了大约1 0 的线路租用费。到了1 9 9 0 年，a r p a n e t 的大部分已被n s f n e t 所取代。 n s f n e t 的形成和发展，使它成为i n t e r n e t 的最重要的组成部分。与此同时，许多国家相继建立本国 的主干网并接入i n t e r n e t 例如加拿大的c a n e t 、欧洲的e b o n e 和n o r d u n e t 、英国的p i p e x 和j a n e t ， 以及日本的w i d e 等。 i n t e r n e t 虽初的宗旨是用于支持教育和科研活动，而不是用于商业性的盈利活动。1 9 9 1 年，n s f 放 松了有关i n t e r n e t 使用的限制，开始允许使用i n t e r n e t 进行部分商务活动，例如“宣布一些科学研究与 教学过程中所用的新产品和服务。但不允许做广告。”随着i n t e r n e t 规模的迅速扩大政府已无法在财 政上提供更多的支持，因此鼓励民唰公司眶r i t 、m c i 与i b m 来形成一个非盈利性组织一一刚络服务促进 协会( a n s c ) ，以促进i n t e r n e t 在商业中的应用。 1 9 9 4 年，n s f 宣布不再给n s f n e t 在运行、维护上的经费支持，由m c i 、s p r i n t 等公司运行、维护。 这样不仅商业用户可以进入i n t e r n e t ，而且i n t e r n e t 的经营也商业化了。 1 9 9 5 年，n s f n e t 结束了它作为i n t e r n e t 主干网的历史使命，i n t e r n e t 从学术性网络转化为商业性 网络。 随着各国信息基础设施( 信息高速公路) 建设步伐的加快，i n t e r n e t 刚络规模与传输速率的不断扩 大，在网上的商务活动也日益增多一些太的公司纷纷加入i n t e r n e t 的行列。同时还出现了专门从事 i n t e r n e t 活动的企业，例如向单位和个人提供i n t e r n e t 接八服务的所谓i n t e r n e t 服务提供商，并建立 了各自的主干网络。 东南大学硬士学位论文 1 1 2w e b 技术和嵌入式系统的结合 i n t e r n e t 可以提供多种网络服务，比如通过s m t p ( 简单邮件传输协议) 收发邮件，通过f t p ( 文件 传输协议) 。但是，i n t e r n e t 能得到如此太规模的流行，珊w 技术居功至伟。可以说如果没有w 硼和h t t p 技术就不会有这么多人使用i n t e r n e t ，正是w 科技术把i n t e r n e t 的结构、服务和应用引上了一个新台阶。 嵌入式系统也是最近几年比较流行的一个名词，其实嵌入式系统并不是个全新的概念，嵌入式系统 在微型机时代就已经存在了，像硬盘控制器就是比较早的嵌入式系统。嵌入式系统经历了漫长的独立发 展的单片机道路，这几年由于3 2 位机的盛行，才得到了迅猛的发展。 移动电话、手表、电子游戏机、p d a 、电视、冰箱等家用电子与通信产品，电动机车、电动自行车乃 至电车等电动交通工具的控制核心，无不与嵌入式系统息息相关。而在后p c 时代，家电、玩具、汽车、 智能手机、数码相机、先进的医疗仪器乃至即将到来的智能型房屋、智能型办公室、与其他跟电相关的 器材设各更是缺少不了嵌入式系统这个核心技术。 如果将嵌入式系统和i n t e r n e t 技术结合起来会有什么效果呢? 可以大胆的设想一下，夏天，您可以 在到家前几分钟，用手机连上互联网，通过浏览器打开家中装有嵌入式控制系统的空调；冬季，随时通 过远程遥控提前启动家中独立供暖系统。这已不仅是科幻小说家虚拟的一个故事了，而是现代技术自4 造 的一个真实的场景，是嵌入式系统和i n t e r n e t 技术结合的产物。这种技术被称为嵌入式w e b 技术。嵌入 式w e b 技术融合了嵌入式系统技术和互联网技术。嵌入式w e b 技术可以让用户在普通的个人计算机上通 过w e b 浏览器访问嵌入式系统。 嵌入式w e b 技术除了可以用于构建智能家庭外还可以用于很多工业领域。在工业监控系统中，采用 w e b 技术的远程监控系统和传统的基于现场总线的监控系统相比较，前者更易于和i n t e r n e t 实现无缝连 接，它使得嵌入式设各的远程控制和管理方式都有了改变，不再需要专用的通信线路，传输的信息也不 在局限于数据信息。在电力系统中也嵌入式w e b 技术也有用武之地。电力系统足一个包含了电能生产、 传输和使用的复杂系统，各种生产设各地域分布广泛，设备类型众多、数量巨大，对这些设备的监控、 诊断和维护成为提高系统管理水平的重要内容。因此可以将嵌入式w e b 技术应用于电力系统的远程监测 与故障诊断，变电站自动化系统中的设备保护和控制。 1 2 课题主要内容 在上一节中介绍了嵌入式w e b 技术在智能家居和工业监控领域的应用，它们有一个共同点，用户可 以通过客户端浏览器，在远离设各现场的地方对设备进行访问控制。关键问题是，被访问的设各必须能 对浏览器提供访问服务，也就是说，被访问的设备应该是一台能提供w e b 服务的服务器。这种运行于嵌 入式设备上的服务器通常被称为为嵌入式, e b 服务器，它是嵌入式w e b 技术的核心。我的课题就是设计 一个在嵌入式实验平台上运行的嵌入式w e b 服务器，并且还可以扩展为工业级的应用。 嵌入式试验平台的核心是嵌入式处理器，目前市场上的嵌入式处理器种类繁多，那么怎样才能选中 一款处理器，使得它既能满足嵌入式系统实验教学的需要，又能不落后于市场。在经过分析和筛选后最 终选择了目前比较流行的、基于a p j l f 7 t d m i 核心的处理器。 在早期的嵌入式系统中，处理器以8 位机和1 6 位机为主流，由于资源的限制，一般都不采用操作系 统，而是由开发者至底而上完成整个软件系统的构建。采用这种方式构建嵌入式系统有两个主要缺点， 一是工作量比较大，比如要做个网络应用系统就必须至底而上重新实现整个网络协议栈；另一个问题 就是软件系统的可移植性比较差。而如果采用嵌入式操作系统构建系统，则将能极大的提高开发效率， 提高产品的可靠性，也能保证软件系统的移植性。课题对目前比较流行的嵌入式操作系统进行了比较， 结合教学和产品开发的需要，选择了开放源代码的嵌入式l i n u x 作为嵌入式w e b 服务器的软件平台。课 题所需要做的工作就是完成嵌入式l i n u x 在嵌入式试验平台上的移植。 嵌入式w e b 服务器是课题研究的重点。嵌入式w e b 服务器是嵌入式w e b 技术的核心，w e b 浏览器通 过h t t p 协议访问w e b 服务器，嵌入式w e b 服务器通过h t t p 引擎将嵌入式设备的数据发到网络上。嵌入 式设备上的数据分为两类，一类是不变的数据，也可称为静态数据，它们以静态页面存储在嵌入式系统 的存储器中，当浏览器提出请求时，w e b 服务器即将其取出发送给浏览器显示。另一类数据是变化的数 据，比如设备传感器的值，它们需要嵌入式设备动态生成。w e b 服务器根据浏览器的请求，通过应用程 序接口获得实时数据，并将其转变成页面数据发送给浏览器。另外，浏览器还可以接收用户的输入，将 输入信息发送给w e b 服务器，对嵌入式系统进行系统设置和设备控制。 2 第一章绪论 嵌入式w e b 服务器技术的核心是h t t p 引擎。在课题中对h t t p 引擎实现的几种典型模型进行了分析 和对比，并提出了一种适合嵌入 式应用的h t t p 引擎实现模型。 h t t p 引擎可以采用3 中协议，分 别是h t t p 0 9 、h t t p l 0 和 h t t p i 1 。h t r p i 0 是在h t t p o 9 的基础上发展起来的，它设计的 初衷是以科研交流为主要目的 的。但是随着w w w 的日益推广 应用，w w w 称为i n t e r n e t 上虽主 要的流量来源，h t t p l - 0 在大规 模的企业应用中暴露出许多问 题，导致用户请求相应慢，网络 拥塞严重以及安全问题等越来越 阻碍着w w w 的有效使用和进一步 推广。h t t p 1 1 针对h t t p 1 0 的 弱点，做了很多改进。在课题中 主要以h t t p 1 1 标准为基础，同 时兼容h t t p 1 0 。因为h t t p o 9 在实际应用中已经非常少见，在 圈1 眠入式w e b 技术体系结构 实现时没有提供对h t t p 0 9 的支持。 在嵌入式w e b 应用中，w e b 服务器必须能给浏览器提供实时数据，同时用户也需要通过浏览器对设 备进行控制，这些实时数据通常由嵌入式应用程序动态生成，控制指令也需要服务器传递给嵌入式应用 程序执行。这就需要一种机制可以让嵌入式w e b 服务器和嵌入式应用程序进行交互。目前通常使用二 种接口机制，分别是公共网关接口( c g i ) 、服务器端脚本技术( s e r v e r - - s i d es e r i p t i n g ) 。课题在对这 两种接口机制进行分析比较后，采用c g i 方案实现了对交互应用的支持。 一3 东南大学硕士学位论文 2 1 设计原则 第二章嵌入式实验平台硬件设计 嵌入式实验平台的主要目的是用来辅助嵌入式系统课程的教学，它的使用对象是工科院校的教师和 学生。我们在设计平台的基本思想是尽可能的提高平台的适应性和扩展性。它应该能满足多层次的使用 需求。首先，教师可以将之用作嵌入式系统课程的实验教学平台，可以在提高学生动手能力的同时加深 对学生嵌入式系统的理解让学生在实践中得到提高；其次，平台提供的丰富的i 0 设备可以作为高年 级学生做毕业设计的一个硬件平台；另外，平台只需做简单的扩展就可以作为研究生进行课题研究、教 师进行项目开发设计使用的一个研究性平台。在硬件选型和实验设计中都将遵循此基本原则。 2 2 实验平台系统设计 嵌入式实验平台的硬件系统框图如图2 所示 图2 嵌入式实验平台 2 2 1 为什么选用a r m 嵌入式微处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件，目前据不完全统计，全世界嵌入式处理嚣的品种总量已经 超过1 0 0 0 多种，流行体系结构有3 0 几个系列其中8 0 5 1 体系的占有多半。生产8 0 5 1 单片机的半导体 第二章嵌入式实验平台硬件设计 厂家有2 0 多个。共3 5 0 多种衍生产品，仅p h i l i p s 就有近1 0 0 种。现在几于每个半导体制造商都生产嵌 入式处理器，越来越多的公司有自己的处理器设计部门。 就我国大部分高校目前的嵌入式系统教学而言，整体仍然停留在2 0 世纪8 0 年代初发展起来的以8 位5 1 单片机为核心的单片机教学水平上。目前教学内容设置、教学方法、教学手段、教材编写体系与这 门课程以实际应用为主的基本特征严重脱节。教学要立足丁二现在，但也要适当的超前。目前8 位机越来 越走向低端应用，而3 2 位机的应用即将到来，这主要是由两方面的因素引起，一个因素是需求推动，另 一个因素是技术进步拉动。 随着人们的生活水平的提高，人民对生活质量的追求也逐步提高。因此，人们对智能产品的需求增 加了，且对智能产品要求提高了。并随着网络的发展，越来越多的产品需要具有联网功能。这一切需要 智能产品具有一个更强劲的“芯”，这是8 位机很难做到的。 在个人电脑行业有著名的“摩尔定律”，它已经主宰个人电脑行业很多年了。在嵌入系统领域虽然 “摩尔定律”没有那么明显，但技术的进步已经使3 2 位系统不再高高在上，3 2 位微控制器的价格已经不 比8 位机高多少有些系统使用3 2 位机其燕体成本甚至比用8 位机还要低。这样，使用3 2 位系统就没有技 术和成本的障碍了。 那么选用a r m 7 还是a r m 9 呢? 表2 ia r m 7 和a r m 9 对比 工艺流水线主频 市场定位 a r m 7 0 2 5 u m o ，3 5 u m 3 级 5 0 - 6 6 m h 低端 a r m 9 0 1 8 u m o 2 5 u m5 级2 0 0 删 高端 由表2 1 可以看出a r m 9 在性能上比a r m 7 有很大的提高，但为教学来说，并不一定要求芯片有较高的 性能，更关心的是基本原理，从这个角度出发，我们觉得选用a r m 7 作为教学平台的主芯片更能实现教学 目标。 从应用来看，a r m 7 在3 2 位处理器中也占了很大的份额，可以说a r m 7 在3 2 位微处理器中的地位类似 于5 1 在8 位单片机中的地位，从这个角度来说采用a r m 7 更适合教学的目的。最终选定三星公司的 a r m 7 t d m i 内核的s 3 c a 4 b o ，这一款是目前网上比较流行的嵌入式处理器，有很多学习资源可以利用，所 以也便于学生学习和使用。 2 2 2 外围电路选择原则 嵌入式应用中的外围器件非常丰富。很难取舍。选择外围器件的原则应该是既能满足嵌入式课程教 学的要求又能兼顾实用研究。 首先要保证能构成一个嵌入式最小系统，这个最小系统至少府包括电源管理、存储器系统、调试接 口和串口。其中存储器系统通常包括用来固化程序的f l a s h 和用来执行代码的r a m 。其次在一般的硬件接 口实验中比较常见的硬件如键盘、l e d 指示灯、模拟信号采用、e e p r o m 也必须支持。另外为了能做一些 高端应用实验和进行研究开发，还结合$ 3 c 4 4 8 0 的特点扩展了一些嵌入式系统常用构件，包括因特网接 口、u s b 接口、l c d 显示屏、c f 卡和红外接口等。 一5 东南大学硕士学位论文 2 3 系统设计要点 2 3 1 电源电路 根据本系统芯片应用要求，需要提供三路电源：5 v 、 3 3 v 和2 5 v 。2 5 v 用于$ 3 c 4 4 8 0 的内核工作电源，5 v 和 3 3 v 用于所有外围数字芯片的工作电源，$ 3 c 4 4 8 0 的1 0 口 电压也是3 3 v 。整个系统输入电源取用外接5 v ，通过 1 0 0 0 u f 和4 7 0 u f 的电解电容平滑和0 0 1 u f 的无极性电容 高频滤波后提供给电源转换级芯片。电源转换级芯片采 用线性稳压器l t l 0 8 4 c t 3 3 和l t l 0 8 4 c ta d j 。 l t l 0 8 4 c t 3 3 ，输出3 3 v 电压，l t l 0 8 4 c ta d j 为可调型， 输出2 5 v 电压。l t l 0 8 4 c ta d j 通过在芯片可调端( a d j ) 和输出端外接分压电阻来调整输出电压，参考芯片手册， 输出电压和分压电阻的关系如下：y o u r = v r e f ( i + r i o i r 1 0 2 ) + i a d jr 2 ( 其中v f 为固定1 2 5 v ，第 二项为破级可忽略) ，经计算，r 1 0 1 、r 1 0 2 都选用1 5 0 欧 姆。电压转换芯片的输出经l o o u f 电解电容稳定后提供给 各级后端使用。 2 3 2 调试接口 a r m 7 t d m i 体系结构中包含了符合i e e e l l 4 9 1 标准 圈3 电源电路 的t a p 控制器和i c e r t 逻辑块组成的边界扫描控制系统实现f f t e g 在线调试接口，可以实时读取微处理 器内部各寄存器以及外部存储单元的内容，观察程序运行状态。 t a p 控制器外接引脚及其功能如下： ( 1 ) n t r s t ( t a pc o n t r o l l e rr e s e t ) ( 2 ) t m s ( t a pc o n t r o l l e r 如d e s e l e c t ) ：控锖o t a p 控制器状态机的顺序； ( 3 ) t c k ( t a pc o n t r o l l e rc l o c k ) ： 为3 t a g 逻辑提供时钟信号； ( 4 ) t d i ( t a pc o n t r o l l e rd a t a i n p u t ) ：测试指令和数据的输入端 ( 5 ) t d o ( t a pc o n t r o l l e rd a t a o u t p u t ) ：测试指令和数据的输出端； 根据i e e e l l 4 9 1 标准，n t r s t 、t m s 、 t d i 、t d o 必须有内部上拉电阻，为减少静 态电流吸收，在$ 3 c 4 4 8 0 的设计中没有将 这些上拉电阻放入a r m t t d m i ，因此这四个 引脚必须外接上拉电阻，使之被驱动到合 适的电平以获得正常的电路操作。 2 3 3 存储器接口设计 复位t a p 控制器，启动边界扫描系统 6 稀 一 萤萤 蔓虽 面， 一 一 。ol h毋产i 第二章嵌入式实验平台硬件设计 s 3 c 4 4 b o x 的存储控制器将存储空间划分为8 个b a n k s ，每个b a n k 3 2 m 字节，同时每个b a n k 都可以通 过寄存器来设置该地址空间的总线宽度为8 位、1 6 位和3 2 位。在这8 个b a n k s 中2 个被用作f p e d o s d r a m 专用的存储空问，并且支持接口自刷新模式。另外的6 个b a n k s 的地址空间都可用做r o m 和s r a m 的殃射 空间。每个存储器b a n k 的操作周期都是可编程的。芯片上电以后的存储器映射图见表5 ： 0 x 1 0 0 00 0 0 0 o x o e 0 00 0 0 0 0 x o c 0 00 0 0 0 0 x o a 0 00 0 0 0 0 x 0 8 0 00 0 0 0 0 x 0 6 0 00 0 0 0 0 x 0 4 0 00 0 0 0 0 x 0 2 0 0 0 0 0 0 0 x o l c o 0 0 0 0 0 x 0 0 0 00 0 0 0 s r o m d r a m s d r a m ( n g c s 7 ) 3 2 m b l s r o m d r a m s d r a m ( n g c s 6 ) 3 2 m b s r o m ( n g c s s ) 3 2 m b l s r o m ( n g c s 4 )3 2 m b f l s r o m ( n g c s 3 ) 3 2 m b 1r j s r o m ( n g c s 2 ) 3 2 m b j i s r o m ( n g c s l ) 3 2 m b 1 特殊寄存器 ( 4 m b ) s r o m r n g c s 0 ) 1 2 8 m 一 图5 $ 3 c 4 4 8 0 复位后的存储器地址映射图 实验平台内存地址空问分配见表2 2 表2 2 起始地址终止地址使用数据宽度( b i t ) o x 0 0 0 00 0 0 00 x 0 2 0 00 0 0 0 1 n o rf l a s h1 6 o x 0 2 0 00 0 0 0 0 x 0 4 0 00 0 0 0 一ln a n df l a s h1 6 o x 0 4 0 00 0 0 0o x 0 6 0 00 0 0 0 1p s 2 1 6 0 x 0 6 0 00 0 0 00 x 0 8 0 00 0 0 0 1 n i c1 6 0 x 0 8 0 00 0 0 00 x o a 0 00 0 0 0 1u s b1 6 0 x o a 0 00 0 0 00 x o c 0 00 0 0 0 1 c f1 6 o x o c 0 00 0 0 0 0 x o e 0 00 0 0 0 一ls d r a m1 6 0 x o e 0 00 0 0 0o x l 0 0 00 0 0 0 1s d r a m 1 6 b a n k o 分配给启动f l a s h ( n o rf l a s h ) ，系统上电后。p c 指针白动指向b a n k 0 的第一个单元，开始进 行系统自举。b a n k 0 的数据宽度是由芯片的外部引脚来配甓的，而其它b a n k 是由软件配置的； b a n k l 接n a n df l a s h ，作为系统硬盘使用，可以构造文件系统，存放海量数据； b a n k 2 接键盘鼠标控制器占用系统外部中断3 ： b a n k 3 接i s a 总线兼容的i o m 以太网控制器r t l 8 0 1 9 a s ，占有系统外部中断0 ，1 6 位数据宽度： b a n k 4 接u s b 设备端接口芯片，占用系统外部中断2 ，8 位数据宽度； b a n k 5 接c f 卡，占用系统外部中断l ； b a n k 6 和b a n k 7 接s d r a m ，如果同时使用b a n k 6 和b a n k 7 ，则要求连接相同容量的存储器，而且其地 址空间也必须是连续的。 7 东南大学硕士学位论文 2 3 4 以太网设计 以太网芯片使用嵌入式应用中应用较广泛的i o m 以太网控制器r t l 8 0 1 9 。r t l 8 0 1 9 是r e a l t e k 公司生 产支持即插即用( p n p ) 、n e 2 0 0 0 兼容的i o m 以太网控制器。它的3 种低电压工作模式非常适合嵌入式的 应用。它还支持全双工模式，这样使它的实际带宽可以达到2 0 m l l z 。r t l 8 0 1 9 还可以智能的检测接口类型 是l o b a s e t ，b n c 还是a u i 。 r t l 8 0 1 9 a s 有3 种工作方式。第一种为跳线方式，i o 基地址和中断由跳线决定：第二种为即插即用 方式，i 0 基地址和中断由软件进行自动配置；第三种为免跳线方式，i o 基地址和中断由外接的9 3 c 4 6 里的内容决定。使用哪种方式由r t l 8 0 1 9 a s 的第6 5 脚j p 决定。j p 脚是输入引脚，当j p 脚为低电平时， r t l 8 0 1 9 a s 工作在第2 种或第3 种方式，具体由9 3 c 4 6 里的内容决定。r t l 8 0 1 9 a s 悬空时，引脚的输入状 态为低电平( 其他引脚也是这样，悬空的输入脚的电平为低电平，里面有一个l o o k 的下拉电阻) r t l 8 0 1 9 a s 工作在第2 ，3 种工作方式，需要使用9 3 c 4 6 芯片。如果把j p 脚接高电平，r t l 8 0 1 9 a s 的i 0 和中断就不 是用9 3 c 4 6 的内容决定，而是由芯片6 4 ，6 5 ，7 8 ，7 9 ，8 0 ，8 l ，8 2 ，8 4 ，8 5 等引脚的配置决定。在嵌入 式设计中通常采样第一种方式，即配置信息由芯片引脚决定。在、台设计中也采用了方式一，见图6 。 工作方式一芯片6 5 脚( j p ) 接高电平此时r t l 8 0 1 9 a s 的i o 和中断线由6 4 ，6 5 ，7 8 。7 9 ，8 0 ，8 1 ， 8 2 t8 4 ，8 5 等引脚的配置决定。其中，6 4 脚a u i 决定使用a u i 还是b n c 接口。我们用的网卡的接口一般 是b n c 的，根少用a u i 。b n c 接口方式支持8 线双绞或同轴电缆。高电平时使用a u i 接1 ：3 。悬空为低电平， 使用b n c 接口将该引脚悬空即可。8 5 ，8 4 ，8 2 ，8 1 ( i o s 3 - - 1 0 s o ) 决定芯片的i o 基地址。全部悬空后 i 0 基地址即位3 0 0 i 。因此可以将s a s - - s a 7 接地，s a 8 、s a 9 拉高。7 8 、7 9 、8 0 引脚用来配置中断线。 全部悬空后即为中断0 。 地址线设计时需注意，r t l 8 0 1 9 的数据地址和寄存器地址的位宽不一样，数据地址的位宽是1 6 位， 而寄存器是8 位的。如果将4 4 8 0 对应于r t l 8 0 1 9 的存储器b a n k 配置为1 6 位，然后直接将$ 3 c 4 4 8 0 的地 址线o a d d r o 和r t l 8 0 1 9 的地址线a d d r o 直接相连，那么就只能访问r t l 8 0 1 9 的偶数寄存器。因此在设计 中将4 4 8 0 的a d d r l 和8 0 1 9 的a d d r o 相连，然后在访问时将寄存器的地址乘2 ，在编程时只需左移一位。 8 第二章 嵌入式实验平台硬件设计 图6 以太网接口 一9 一 东南大学硕士学位论文 第三章嵌入式操作系统研究【5 】【6 1 【7 】 3 1为什么要使用嵌入式操作系统 在进行嵌入式系统软件开发之前通常会问这样一个问题；系统采用什么样的软件结构、需不需要使 用操作系统。这个问题需要根据系统的实际情况来回答。有些嵌入式系统，比如自动售货机，执行的功 能很简单，硬件所能提高的能力有限，软件的规模也很小，这样的系统使用嵌入式操作系统只能增加硬 件的负担，降低系统的性能。而有些大型的嵌入式系统比如火星探测器，如果不采用嵌入式操作系统就 根难保证软件的质量，系统的可靠性。是否使用嵌入式操作系统的争论非常类似于是否使用高级语言的 争论。正象高级语言一样，采用嵌入式操作系统使你可以更快地开发产品。它可能要求一些额外的开销， 但是随着技术的进步，这种开销正在变的微不足道。 嵌入式操作系统e o s ( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ) 在软件体系结构中属于系统软件的层次，它 负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分配、调度作，控制、协调并发活动。嵌入式操作系统的出现大大 提高了嵌入式系统开发的效率。在嵌入式操作系统中开发嵌入式系统，不仅极大的减少了系统开发的总 工作量而且提高了嵌入式应用软件的可移植性。嵌入式操作系统是相对于一般操作系统而方的，它具 备了一般操作系统最基本的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件处理等。但仅仅具有这些通 用操作系统的功能还不够，它还应用具各一些在嵌入式系统运行环境下的特点： 更好的硬件适应性。由于嵌入式设备硬件平台的多样性c p u 芯片的快速更新，嵌入式操作系 统要求具有更好的硬件适应性，也就是良好的移植性。 占用更少的硬件资源。由于嵌入式系统所能提高的资源有限，所以嵌入式操作系统必须做的小 巧以满足嵌入式系统硬件的限制。 可裁减性。由于嵌入式系统根据不同的应用有不同的需求，因此嵌入式操作系统也应该能适应 嵌入式系统的需求进行裁减，对嵌入式操作系统的各个功能模块进行优化和删除。 具有很高的可靠性。 提供强大的网络功能支持t c p i p 协议及其它协议，提供t c p u d p i p p p p 协议支持及统一 的m a c 访问层接口，为各种移动计算设备预留接口。 强稳定性，弱交互性。嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的干预，这就要负责系统管 理的e o s 具有较强的稳定性。嵌入式操作系统的用户接 】一般不提供操作命令，它通过系统的 调用命令向用户程序提供服务。 固化代码。在嵌入式系统中，嵌入式操作系统和应用软件被固化在嵌入式系统计算机的r o m 中。辅助存储器在嵌入式系统中很少使用因此，嵌入式操作系统的文件管理功能应该能够很 容易地拆卸而用各种内存文件系统。 3 2 嵌入式操作系统现状 目前现有的嵌入式操作系统有几十种，这些操作系统可以分为两类：一种是从运行在个人电脑以上 的系统平台上的操作系统向下移植到嵌入式系统中形成的嵌入式操作系统，比较有代表性的如微较公司 的w i n d o w sc e ，开源的嵌入式l i n u x ，s u n 公司的j a v ao s 等。这类系统经过个人电脑或高性能计算 机等产品的长期运行考虑，技术日趋成熟，其相关的标准和软件开发方式由于应用广泛已被用户普遍接 受，同时积累了丰富的开发工具和应用软件资源。另一种是专门针对嵌入式系统而开发的，典型的如 w i n d r i v e r 公司v x w o r k s ，i s i 的p s o s ，q n x 系统软件公司的q n x ，a t i 的n u c l e u s 等，这类产品在 操作系统的结构和实现上都针对所面向的应用领域的不同要求如系统的事实性要求、高可靠性要求等进 行了精巧的设计，而且提供了独立而完备的系统开发和测试工具。 3 3 嵌入式操作系统的选择 选择一个合适的嵌入式操作系统，对嵌入式系统的开发来说足至关重要的一步，操作系统选择的好 坏直接影响了系统开发的进度快慢甚至还会决定嵌入式系统能否达到应有的功能和性能。由上一节的 研究可以发现，针对不同应有领域而设计的嵌入式操作系统有几十种，那如何选择一个合适的操作系统 第三章嵌入式操作系统研究 呢? 从产品开发的角度来看，一般可以遵循以下原则： 市场进入时间 制定产品时问表与选择操作系统有关系，它取决于开发者对操作系统的熟悉程度。目前是 w i n d o w s 程序员可能是人力资源最丰富的。现成资源最多的也就可能是w i n c e 。使用w i n c e 能够很快进入市场。因为w i n c e + x 8 6 做产品实际上是在做减法，去掉你不要的功能，能很快 出产品，但伴随的可能是成本高，核心竞争力差。而某些高效的操作系统可能由于编程人员缺 乏，或由于这方面的技术积累不够，影响开发进度。 可利用资源 产品开发是以快速、低成本、高质量的推出适合用户需求的产品为目的的。集中精力研发出产 品的特色，其他功能尽量由操作系统附加或采用第三方产品，因此操作系统的可利用资源对于 选型是一个重要参考条件。l i n u x 和w i n c e 都有大量的资源可以利用，这是他们被看好的重要 原因。其它实时操作系统由于比较封闭，开发时可以利用的资源比较少，因此多数功能需要自 己独立开发。从而影响开发进度。近来的市场需求显示，越来越多的嵌入式系统，均要求提供 全功能的w e b 浏览器。而这要求有一个高性能、高可靠的g u i 的支持。 系统定制能力 嵌入式产品不同于传统p c 的w i n t e l 结构的单纯性，用户的需求是千差万别的，硬件平台也都 不一样，所以对系统的定制能力提出了要求。要分析产品足否对系统底层有改动的需求，这种 改动是否伴生着产品特色? l i n u x 由于其源代码开放的天生魅力，在定制能力方面具有优势。 成本 成本是所有产品不得不考虑的问题。操作系统的选择会对成本有什么影响呢? l i n u x 免费， w i n c e 等商业系统需要支付许可证使用费，但这都不是问题的答案。成本是需要综合权衡以后 进行考虑的选择某一系统可能会对其它一系列的因素产生影响，如对硬件设备的选型、人员 投入、以及公司管理和与其它合作伙伴的共同开发之间的沟通等许多方面的影响。 实验平台是个较特殊的嵌入式产品，它选择嵌入式操作系统的目的是为了辅助教学，因此在嵌入式 操作系统的选择上有其特殊性。 首先、它所选择的嵌入式操作系统应该具有通用性和普遍性，这样便于教学。嵌入式l i n u x 由于属 于类u n i x 系统，而类u n i x 系统在国外有着几十年的应有和教学的历史一直是国外教学用操作系统的 主流。在计算机水平较高的国家，工科大学研究用操作系统一般也以类u n i x 系统为主。而微软的w i n d o w s c e 由于继承了w i n d o w s 熟悉的图形界面，并且可以使用w i n d o w s 9 5 9 8 的开发工具，也有很多潜在开 发者。近年来u c o s 也在国内掀起了一股学习嵌入式操作系统的热潮，熟悉u c o s 的开发者也很多。 而其它的操作系统在国内则不具有这样的优势。 其次、在选择教学平台用嵌入式操作系统时还要考虑是否有丰富的开发资源可以参考。在这方面表 现较好的要算嵌入式l i n u x 和w i n d o w sc e 。l i n u x 作为开放源代码的操作系统具有天然的优势，而 w i n d o w s 在国内长期的垄断地位也造就了一大批的拥护者。而u c o s 虽然由于比较简单，在国内研究者 很多，但真正用于产品开发的却并不是很多，相对资源也比较少。其它的嵌入式操作系统也都存在资源 匮乏这个问题。 另外、从便于学生学习交流的角度来看，源代码公开的操作系统和其它操作系统相比较，在技术上 不会