（通信与信息系统专业论文）基于powerpc405的网络下载器研究.pdf

摘要 随着互联网的发展和视频内容的丰富，人们对网络下载设备的性能要求也越 来越高。越来越多的影音、数据资源的容量达到数十、数百o b ，从网络上下载 它们即使是“宽带刀也需要数十小时才能完成，人们需要长时间等待在电脑前， 浪费了时间又损害了身体健康，这种传统的下载方式既浪费能源，又增加了安全 隐患。网络下载设备的研究和发展，是我国信息产业发展过程中的重要课题之一， 对我国的国民经济建设有着重要的实际意义。 本课题根据网络下载的特点，采用p o w c r p c 处理器，研究和开发网络下载 设备的解决方案。该网络下载器不仅可以作为网络存储器，还可以自动从网络上 下载指定的资源。当用户在计算机上确定了下载目标之后，通过软件和连线将任 务送达下载器，而后无论用户是否打开计算机，下载器只需通过电源线和网线就 可以独立地工作，自动将目标文件下载到用户的存储介质上。 本文首先简要介绍了网络下载器的主要原理，阐述了本设计的系统组成方 案；然后详细介绍了硬件平台搭建的主要方法及原理，主要包括m p u 、存储器、 网络接口、p c i 与s a t a 接口和其他外部接口的硬件连接；而后阐述了本系统p c b 版图的绘制方法；介绍了系统的调试过程和方法，包括调试工具以及硬件调试时 的要点，最后介绍了嵌入式实时操作系统v x w o r k s 板级支持包的移植。 关键词：网络下载器嵌入式系统p o w e r p c 4 0 5v x w o r k s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r ka n dt h ea b u n d a n c eo fv i d e o ，p e o p l en e e dm o r e p o w e r f u ln e t w o r kd o w n l o a d a b l ed e v i c e s n o w a d a y s ，t h ec a p a c i t yo fv i d e o sa n dd a t a h a si n c r e a s e dr a p i d l y , f r o mt e e n so fg bt oh u n d r e d so fg b i tw i l lt a k es e v e r a lh o u r s t od o w n l o a dt h e mb yw i d eb a n d p e o p l eu s u a l l yh a v et ow a i ti nf r o n to ft h ec o m p u t e r f o rd o w n l o a d i n gt h er e s o u r c e sf r o mt h ei n t e r a c t ，w h i c hn o to n l yw a s t e st h et i m ea n d e n e r g ys o u i c c s , b u ta l s od a m a g e st h e i rh e a l t ha n di n c r e a s e st h eh i d d e ns a f e t yt r o u b l e r e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n go fn e t w o r kd o w n l o a d a b l ep l a t f o r m i so n eo ft h e i m p o r t a n tt a s k sd u r i n gt h ed e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y w si n f o r m a t i o ni n d u s t r y i ti s s i g n i f i c a n tt ot h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n t o fo u rc o u n t r y a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r eo fn e t w o r kd o w n l o a d a b l ee q u i p m e n t ，w ed e s i g nak i n d o fn e t w o r kd o w n l o a d a b l ep l a t f o r mb a s e do np o w e r p c 4 0 5p r o c e s s o lt h i sp l a t f o r m n o to n l yc a nb eu s e da san e t w o r km e m o r i z e rb u ta l s oc a nd o w n l o a dt h en e t w o r k r e s o u r c e si n t e l l i g e n t l y w h e nt h ed o w n l o a d a b l et a r g e ti sc o n f i r m e db yt h ec o n s u m e r , t h i sp l a t f o r mw i l ld o w n l o a dt h et a r g e tn om a t t e rw h e t h e rt h ec o m p u t e ri so p e r a t i n go r n o t i ti su s e dc o n v e n i e n t l yo n l yb yc o n n e c t i n gt h ep o w e ra n de t h e r n e tc a b l e f i r s to fa l l ，t h i sp a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e dt h a tt h em a i np r i n c i p l eo fn e t w o r k d o w n l o a d a b l ep l a t f o r ma n dt h ed e s i g no fs y s t e ms t r u c t u r e a f t e r w a r d s ，i td e t a i l st h e t h e o r ya n dt h em e t h o do fb u i l d i n gh a r d w a r ep l a t f o r m ，i n c l u d i n gt h ec o n n e c t i o no f m p u 、m e m o r y 、n e t w o r ki n t e r f a c e 、p c it os a t aa n do t h e ri oi n t e r f a c e t h e n ，t h e w a yo fp r o t r a c t i n gp c bi si n t r o d u c e d f u r t h e r m o r e ，t h i sd i s s e r t a t i o na l s og i v e st h e p r o c e s sa n dt h em e t h o do fd e b u g g i n g ，i n c l u d i n gd e b u g g i n gt o o l sa n dp r i n c i p l e s i nt h e e n d ，t h et r a n s p l a n t a t i o no fr e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e mv x w o r k s i si n t r o d u c e d k e yw o r d s ：n e t w o r kd o w n l o a d a b l e p l a t f o r m ，e m b e d d e ds y s t e m ， p o w e r p c 4 0 5 ，v x w o r k s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：弗王鑫签字日期：2 矿。7年，月z 尹e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：崭压鑫 导师签名： j 明水 签字日期：z 0 0 7 年 月2 7 e l签字日期：2 口厶7 年，月z 夕e l 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 网络存储是一项用于网络内容存储的新兴存储技术，是互联网( i n t e r n e t ) 技 术和万维网( w w w ) 发展的产物。这项技术最早于1 9 9 7 年出现于美国，用于把存储 设备直接连接到用户网络上，就象普通的文件服务器那样。网络存储设备实际上 是一个瘦的网络终端设备( t h i nn e t w o r kt e r m i n a l ，也称网络家电n e t w o r k a p p l i a n c e ) ，其作用类似于一个专用文件服务器。这种设备的微内核进行过特别 的优化，非常适合于处理来自网络的u o 请求，不仅响应快，而且数据传输速率 高。它可以方便地接入到用户网络上，是一种即插即用的网络设备。为用户提供 了易于安装、易于使用和管理、可靠性高和可扩展性好的网络存储解决方案。 1 2 网络下载器简介 目前，在国内外已有不少的网络下载存储设备产品，但针对个人和小规模用 户的网络存储设备则很少，能够自动从网络上下载资源的类似产品更没有出现。 作为桌面计算机下载的替代产品，可以减少对于用户漫长等待时间带来的影响。 有效节约能源，有效的降低了因长期开机带来的安全隐患。经调查研究，此类产 品有很大的需求和实用意义的。本课题就旨在研究一种网络下载器，它不仅可以 作为网络存储器，还可以自动从网络上下载指定的资源。当用户在计算机上确定 了下载目标之后，通过软件和连线将任务送达下载器，而后不管用户是否打开计 算机，下载器只需接插电源线和网线就可以独立地工作，自动将目标文件下载到 用户的存储介质上。 该嵌入式网络下载器具有如下特点： 1 易于安装、使用和管理：网络下载器接入用户网络就能使用，无需安装任 何服务器软件；初级用户无需配置就可以使用，而高级用户可以使用网络下载器 内部已提供的工具，方便地进行远程配置和管理：安装、卸装均无需关掉网络； 可随意移动。 2 高性能优化和智能化：网络下载器具有一般文件服务器具有的所有功能， 第一章绪论 包括用户管理、安全管理、磁盘使用管理等。同时，它的嵌入式软件经过了专门 优化，可同时处理来自网络上多个用户及来自多种不同操作系统的请求，以实现 最短的响应时间和提供最高的数据处理能力。该系统通过网络上的任一主机在线 或离线，确定下载任务，此后独立运行。具备失败后重新链接的智能化处理，直 至完成下载任务。 3 高可靠性和可扩充性：网络下载器的硬件和软件都是专用的，经过优化配 置，可靠性高。此外，系统软件是固化的，可抗病毒侵袭。由于该设备是即插即 用的，数据存于盒内硬盘，并支持网络硬盘存取或高速移出，用户可以根据需要 在网络中安装任意台。 4 跨平台和网络：网络下载器支持多种客户平台，包括w i n d o w s 、 w i n 9 5 w i n 9 8 、w i n d o w sn t 、u n i x l i n u x 、m a c i n t o s h 、n e t w a r e 等。还支持多种 流行的网络协议，包括f t p ，e m u l e ，b t ，h t t p 等i n t e r n e t 上的许多协议。 5 低价格：网络下载器在提供给用户高性能的同时，更给用户省钱。它的硬 件是一个经过特别优化的单板机，具有最佳的性能价格比。另一方面，用户无需 为不需要的功能付出，如显示器、键盘及其它的控制元器件。用户也无需购买和 安装专用的文件服务器软件，如n o v e l ln e t w a r e ，w i n d o wn t 等。 6 安全性好：网络下载器的操作系统和核心软件都是固化的，不会受到病毒 的危害。未经授权的用户不能存取其它用户的数据和文件。符合c 2 级安全标准。 7 节约电能：设置完下载任务后，其上位机( p c ) 就可以关机，减少系统耗能， 远远低于台式机的功耗，具备“绿色环保”特性。 该嵌入式网络下载器的规格如下所示： c p u ：p p c 4 0 5 运行在2 0 0 m l z ，内部1 6 k 数据缓存和1 6 k 指令缓存，内 部有4 k 高速r a m 内存：3 2 旧，板载4 m b y t e sb o o tn o rf l a s h 和1 2 8 m b y t e sn a n df l a s h 操作系统：嵌入式实时操作系统v x w o r k s ，支持实时多任务和多线程 网络：包括了双端口1 0 1 0 0 以太网控制、8 0 2 1 l a b 网点接入 板载调试用串口：也可以作为外接m o d e m 、c d m a 、g p r s 等用的串口 低电压：在2 0 0 m h z 耗电小于1 w 纠错：完全的u d m ac r c 错误检查 网络协议支持：f t p ，e m u l e ，b t ，h t t p 等 文件保护：智能关机文件一致性保护 r a i d 支持：可支持r a i d0 和r a i d1 通常扩展网络存储容量的方式是在用户计算机或服务器上直接增加额外的 磁盘，或者在用户网络上增加通用的文件服务器。该网络下载器与其它扩充存储 第一章绪论 容量的解决方案的比较，无需专业人士来安装和维护，普通用户只需花费十分钟 就可以使用，并且它无需维护，没有使用过程中的后顾之忧。该网络下载器的应 用主要有以下一些方面： 海量数据下载( g r e a tc a p a c i t yd a t ad o w n l o a d ) ：只需接插电源线和网 线就可以独立地工作，通过f t p ，e m u l e ，b t ，h t t p 等多种协议，自动将用户指 定的目标文件下载到存储介质上。 远程办公室服务器( r e m o t eo f f i c es e r v e r ) ：易于安装、易于管理、使 用方便、易于远程管理，从而易于实现远程文件共享。 工作组文件共享：把大型文件、常用的文件存储在网络下载器中，可提 高网络中应用服务器的性能，减小网络传输瓶颈。 图形库( g r a p h i c sl i b r a r y ) ：可把大的图形文件、c a d 文件等存储在网 络下载器中，以提高用户的访问速度，无需从存档中调取这些文件。 便携式服务器( p o r t a b l es e r v e r ) ：易于携带大量的文件。 数据备份( w o r k s t a t i o nb a c k u p ) ：备份重要数据，也可以作为应用服务 器日常增量备份用。此外，还可用于网络中主文件服务器更新时临时存放数据和 用户文件。 家庭服务器：可用于家庭家电网络中，用于存储音视频节目、儿童教育 节目，或用作家庭知识服务器。 第一章绪论 1 3 基于p p c 4 0 5 的嵌入式网络下载器硬件结构 g p i o 扩展接1 2 i 意瑟 删j t a g 接m 爵刮r s 2 3 2 电平转换例 r s 2 3 2 接口 s a t a ap c i 转 、_ 1 s a t a 控制 ，1卜 硬盘接 g o 刮以太网收发器险刮以太网变压器 口 ， 芯片 n 叫 ( s i l 3 51 2 ) p c i p p c j e 总线 4 0 5 i 电源电路l r j 4 5 接口 f l a s h 弋7 蚓s d r a mi l 时钟 l 蚓f l a s h r o m 詹“女曲l。 互比啦阳 图1 1 基于p p c 4 0 5 的嵌入式网络下载器框图 本系统选择p p c 4 0 5 作为该嵌入式系统的控制核心，如图1 1 所示，该系统 上电后，外部复位电路释放复位信号，p p c 4 0 5 开始上电复位，从固化在f l a s h r o m 软件读取上电配置字，完成时钟的设定和系统的初始化。然后，p p c 4 0 5 调用固化在f l a s hr o m 中的操作系统，利用操作系统对整个系统进行控制。 1 电源 本系统的供电为5 v 、3 3 v 和1 8 v 。5 v 的直流电源输入经过d c d c 器件转 换成3 3 v 和1 8 v ，3 3 v 为系统中f l a s h ，s d r a m ，以太网收发器芯片，r s - 2 3 2 接口芯片，复位，晶振电路，局部总线转换电路和p p c 4 0 5 的输入输出提供电压； 1 8 v 为p o w e r p c 4 0 5 内核提供电压。 2 时钟 本系统3 3 m h z 频率的主时钟采用四脚有源晶振提供。 3 复位 本系统采用外部复位控制方式，即通过外部芯片来实现整个系统的上电复 位，当供电电平达到门限电平时，外部芯片释放复位信号，系统中各个芯片同时 开始工作o 复位电路采用复位管理芯片i m p 8 1 1 s 为p p c 4 0 5 提供上电和手动复位 信号。 4 存储器 第一章绪论 本系统所使用的存储器为s d r a m 、4 m b y t e sb o o tn o rf l a s h 和1 2 8 m b y t e s n a n df l a s h 。其中s d r a m 用于暂时存储数据和系统调用的程序，n o rf l a s h 为4 m b ，用于长期存储各种系统程序和应用程序。 5 通信接口 本系统包括1 个r s 2 3 2 接口、2 个i o 1 0 0 b a s e - t 自适应以快速太网接口。 其中以太网芯片能产生中断信号，当p p c 4 0 5 检测到来自以上接口的中断请求后， 通过操作系统调用中断服务程序，实现与外界的通信。板载一个调试用r s 2 3 2 串口，也可以作为外接m o d e m ，c d m a ，g p l 毽用的串口。 6 扩展接口 本系统提供1 个扩展接口，将数据和地址等系统信号扩展出来，为进步开 发做准备。该接口是p p c 4 0 5 的l o c a lb u s 通过标准贴片的1 0 0 p i n 接插件引出， 非常方便扩展类似d s p 子板，f p g a 子板等自定义的局部总线板卡。 7 a g 接口 为了最初进行在线仿真与调试，系统提供了) t a g 接口，该接口符合 l e e e l l 4 9 1 标准( 标准测试接口端口和边界扫描结构) 。 1 4 本课题的主要任务 本课题的任务是设计一个基于p o w e r p c 4 0 5 的嵌入式网络下载器，它不仅可 以作为网络存储器，还可以自动从网络上下载指定的资源。根据嵌入式系统的要 求和功能需求，合理划分硬件和软件的功能。设计硬件电路，包括原理图和p c b 版图，选择合适的元器件，制作印刷电路板并调试硬件电路，进行嵌入式操作系 统的移植开发。 第二章网络下载器开发的硬件与软件环境 第二章网络下载器开发的硬件与软件环境 2 1 嵌入式系统 嵌入式系统是指以应用为中心，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、功耗等有严格要求的专用计算 机系统。嵌入式系统由微处理器、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，它是可独立工作的“部件”，用于实现对其它设备的控 制、监视或管理等功能。 嵌入式系统包括硬件和软件两部分，硬件部分包括处理器微处理器、存储 器及外设器件和1 o 端口、图形控制器等。嵌入式系统一般不具备像硬盘那样大 容量的存储介质，而大多使用e p r o m ，e 2 p r o m 或闪存( f l a s hm e m o r y ) 作为存储介 质。软件部分包括操作系统和应用程序，有时设计人员把这两种软件组合在一起。 操作系统控制着应用程序与硬件的交互作用：而应用程序控制着系统的运作和行 为。嵌入式系统集应用软件和硬件于一体，具有软件代码少、高度自动化、响应 速度快等特点。嵌入式设备与嵌入式系统有所不同。嵌入式设备是指内部有嵌入 式系统的产品和设备，如掌上p d a 、手机、移动计算设备、电视机项盒、数字电 视、多媒体、汽车、微波炉、数码相机、家庭自动化系统、电梯、空调、自动售 货机、工业自动化仪表与医疗仪器等各类电器设备。 嵌入式系统的核心是微处理器，其性能直接影响整个系统性能的高低和系统 使用的方式与成本。嵌入式系统的微处理器一般具备以下4 个特点： 1 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应 时间，从而使内部的代码和实时操作系统的执行时间减少到最低限度。 2 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模 块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区 保护功能，同时也有利于软件诊断。 3 可扩展的处理器结构，能迅速地扩展出满足应用的最高性能的嵌入式微 处理器。 4 嵌入式系统的微处理器功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计 算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此。 嵌入式系统的微处理器与通用处理器的最大不同点在于其大多工作在为特 第二章网络下载器开发的硬件与软件环境 定用户群设计的系统中。它通常把通用计算机中许多由板卡完成的任务集成在芯 片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，并具有高效率、高可靠性等特 征。大的硬件厂商推出自己的嵌入式处理器，因而现今市面上有1 0 0 0 多种嵌入 式处理器芯片，其中使用最为广泛的有p o w e r p c 、a r m 、m i p s 、m c 6 8 0 0 0 等。 2 2p o w e r p c 体系结构处理器 p o w e r p c 是由a p p l e 公司、i b m 公司和m o t o r o l a 公司组成的联盟( 简称为a i m ) 共同设计的，属于r i s c 体系结构。自从1 9 9 2 年1 0 月推出第一个p o w e r p c6 0 1 产品以来，到1 9 9 5 年已形成了一个完整的处理器产品系列，应用领域涉及便携 机、工控机、p c 机、工作站、服务器以及多处理器并行体系。p o w e r p c 微处理器 的性能与同期的p e n t i u m 芯片相当，但价格便宜。 p o w e r p cr i s c 处理器实现性能的最强原因就在于修改了指令处理设计，它 比传统处理器的指令效率要高得多。尽管它完成一个操作所需的指令数比r i s c 处理器要多，但完成操作的总时间却减少了。这主要是因为前者采用了超标量处 理器设计和高速内存缓冲器。p o w e r p c 内核的主要特点如下： ( 1 ) 分支处理器设计 p o w e r p cr i s c 处理器设计了多级内存高速缓冲区，以便让那些正在访问( 或 可能会被访问的) 数据和指令总是存储在高速内存中。这种内存分层和内存管理 设计令系统的内存访问性能非常接近高速内存，但其成本却与低速内存相近。而 且p o w e r p c 还引入了独立的分支处理器来进一步解决这个问题，这个处理单元在 读入指令队列后，会找出其中的跳转指令，然后预取跳转指令所指向的新的内存 地址的指令，这样就大大提高了指令预取的效率。 ( 2 ) 超标量( s u p e rs c a l e ) 设计。 p o w e r p c 的设计者并不满足处理器只是在一个时钟周期内处理一条指令，他 们希望能同时处理更多的指令。在p o w e r p c 内部，集成了多个处理器，这些处理 器可以并行独立工作，这样就可以在一个时钟周期内执行多条指令。另一方面， 分支单元、浮点运算单元和定点运算单元，每个单元都有自己独立的指令集并可 独立运行。 ( 3 ) 可处理“字节非对齐”的数据存储。 大多数r i s c 处理器要求存储器件的访问必须是字节对齐的，也就是说对于 任何1 6 位的数据操作必须在偶数地址上进行，而对3 2 位的数据操作，地址必须 是4 的倍数。而p o w e r p c 可以处理字节非对齐的数据存储器访问，对这种特性可 以让它兼容许多从c i s c 处理器移植过来的指令和数据结构。 第二章网络下载器开发的硬件与软件环境 ( 4 ) 同时支持大小端数据类型。 p o w e r p c 和6 8 k 系列处理器都采用了大端( b ig e n d i a n ) 模式的字节顺序， 即数据的高字节存放在低地址中。为了能和其他小端( s m a l l - e n d i a u ) 模式的处 理器或是外设进行数据交换。p o w e r p c 也可以工作在s m a l l - e n d i a n 模式下，它 可以通过一些特殊指令访问s m a l l - e n d i a n 的数据。 2 3i b mp o w c r p c4 0 5 处理器 2 3 1p o w e r p c4 0 5 处理器内部结构 本系统选用p o w e r p c4 0 5 处理器作为系统的肝u ，该处理器可以用在各种嵌 入式设备上，例如无线局域网接入点( w l a na c c e s sp o i n t s ) 、d s l 路由器( d s l r o u t e r s ) 、线缆调制解调器( c a b l em o d e r n ) 和其他网络应用设备。它是基于i b m p o w e r p c4 0 5 处理器，主频速度2 0 0 瑚z 。p o w e r p c4 0 5 处理器功耗只有1 w ，性 能可以达到3 0 4 m i p s 。它还集成了双端口的l o m b p s l o o m b p s 以太网，同时加入 了对8 0 2 1 l a b 无线通信的支持。如下如图所示。 图2 1p o w e r p c 4 0 5 功能模块图 - 8 第二章网络下载器开发的硬件与软件环境 p o w e r p c4 0 5s o c 芯片上有一个4 0 5 c p u 的核心单元，它是一个3 2 位的r i s c ( 精简指令集) c p u 。运行速度为1 3 3 姗z 2 0 0 蛐z 2 6 6 姗z 。4 0 5 c p u 中有1 6 k b 的 指令高速缓存( i n s t r u c t i o nc a c h e ) 和1 6 k b 的数据高速缓存( d a t ac a c h e ) 。一般 来说，指令高速缓存和1 6 k b 的数据高速缓存越大，c p u 的性能就越高，但价格 也会更贵，所以要在性能和价格之间选一个平衡点。4 0 5 c p u 有一个内存管理单 元m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ) ，用于支持虚拟内存到物理内存映射的管理 和虚拟内存的保护。4 0 5 c p u 的核心单元中有4 k b 的s r a m 内存( o c mo nc h i p m e m o r y ) 集成到芯片中，s r a m 的存取速度是零等待读写，可以保持和c p u 相同 的存取速度，速度远快于s d r a m ，应用程序可以根据实际需要使用该片内内存来 存放关键的和需要频繁访问的数据，可以提升系统的速度。4 0 5 c p u 中有j t a g 单 元，用于嵌入式软件调试( d e b u g i n g ) ，也就是说c p u 本身就提供了强大的调试 功能，c p u 将调试功能的硬件信号传输出来，让外部的硬件可以通过这些管脚来 控制c p u 的动作，比如读写内存寄存器、设置指令执行断点和数据访问硬件断 点、单步执行等功能。使用c p u 内嵌的调试单元可以完成在线仿真( i c ei n c i r c u i te m u l a t o r ) 的功能。但是价格却要低很多，所以被越来越多的开发者使 用。4 0 5 c p u 还有一个追踪单( t r a c e ) ，这个高级的调试功能可以记录在硬件断点 触发前的一段时间c p u 的全部动作( 指令和所访问的数据) ，这个高级的调试功 能对于解决一些难于解决的问题很有帮助，比如系统死机后，可以知道由于执行 了什么动作引起的，如果发生了非法内存访问，也能知道是由于哪个软件模块造 成的。p o w e r p c4 0 5s o c 芯片上有一个中断控制器( i n t e r r u p tc o n t r o l l e r ) ，用 于所有中断的管理。 在p o w e r p c4 0 5s o c 芯片上有一个c p u 内部高速总线( p l bp r o c e s s o rl o c a l b u s ) 是6 4 位，4 0 5 c p u 内部高速数据数据总线的运行频率是c p u 运行频率的一 半。6 4 位的数据总线可以大大的提升整个系统的性能，因为在同样的时间内， 相对于3 2 位的数据总线，可以传送两倍的数据。在c p u 内部高速数据总线上有 三个高速的数据传输设备：p c ib r i d g e ，s d r a m 控制器( s d r a mc o n t r o ll e r ) 和 外部设备控制器( e x t e r n a lp e r i p h e r a lc o n t r o ll e r ) 。 p c ib r i d g e 是国际标准的接口规范，在台式p c 上得到了广泛的应用。凡是 遵循p c i 接口规范的设备都可以连接到p o w e r p c4 0 5 的板子上。s d r a m 控制器用 于管理所有的内存。外部设备控制器用于控制其它的外部设备。在4 0 5 c p u 内部 高速数据总线上配置了裁决器( a r b it e r ) ，用于对数据总线上所有设备对总线的 请求进行优先级的裁决，凡是处理时间要求高的设备应该赋予较高的优先级。内 部高速数据总线上的d m a 控制器用于内存与内存之间，以及内存与外部设备之间 的高速数据交换。内部高速数据总线上的m a l 单元是一个以太网网桥的裁决控制 第二章网络下载器开发的硬件与软件环境 单元( e t h e r n e tb r i d g ea r b i t e rc o n t r o l l e r ) 。 在p o w e r p c4 0 5s o c 芯片上配置了相对慢速的总线，用于连接慢速的外部设 备。这就是片上周边总线( o p bo n c h i pp e r i p h e r a lb u s ) ，通过一个o p bb r i d g e 挂到高速数据总线p l b 上。o p b 总线上有两个串行口( u a r t ) ，一个l l c 接口( 用 于连接串行e e p r o m 设备) ，一个通用i o ( g e n e r a lp u r p o s ei o ) 接口，该i o 接口通过软件来控制输入输出操作，还有通用的时钟控制单元g p t ( g e n e r a l p u r p o s et i m e r ) ，该时钟控制单元用来完成实时应用的精确的时间控制，p o w e r p c 4 0 5s o c 芯片上还有两个l o m b p s l o o m b p s 以太网m a c 单元，用于连接以太网。 2 3 2p o w e r p c4 0 5 处理器的外部接口 p o w e r p c4 0 5 内核的外部接口主要包括p l b 接口、d c r 接口、c p m 接口、j t a g 接口、o c m 接口和中断控制器接口。 1 局部总线p l b 接口 局部总线p l b ( p r o c e s s o rl o c a lb u s ) 接口用于p o w e r p c 4 0 5 内核与高性能设 备的连接。p l b 总线支持3 2 b i t 的地址线和6 4 b i t 的数据线。在p o w e r p c 4 0 5 内 核中，p l b 接口包括i s p l b 接口和d s p l b 接口两种，用于外部设备分别与 p o w e r p c 4 0 5 指令缓存和数据缓存的连接。 2 设备控制寄存器d c r 接口 设备控制寄存器d c r ( d e v i c ec o n t r o lr e g i s t e r ) 接口用于p o w e r p c 4 0 5 内核 快速访问外部设备的控制和状态寄存器。在p o w e r p c 4 0 5 内核中，d c r 接口支持 l o b i t 的地址线和3 2 b i t 的数据线，通过m f d c r 指令和m t d c r 指令可以访问外部 设备的控制和状态寄存器。 3 时钟和电源管理c p m 接口 在p o w e r p c 4 0 5 内核中，有c o r e 、t i m e r 和j t a g 三个时钟域。通过c p m ( c l o c k a n dp o w e rm a n a g e m e n t ) 接口，外部逻辑可以控制p o w e r p c 4 0 5 内部时钟。 4 j t a g 接口 3 t a g 接口用于p o w e r p c 4 0 5 与外部调试工具的连接。通过j t a g 接口，可以 单步跟踪p o w e r p c 4 0 5 的运行状态。 5 中断控制器接口 中断控制器接口用于控制和管理p o w e r p c 4 0 5 外部中断。p o w e r p c 4 0 5 内核支 持c r i t i c a l 和n o n c r i t i c a l 两级中断。 6 片上存储控制器o c m 接口 o c m ( o n - c h i pm e m o r yc o n t r o l l e r ) 接口是p o w e r p c 4 0 5 内核与o c ms r a m 的 专用接口。通常，与p o w e r p c 4 0 5 指令缓存连接的s r a m ( i s p l b ) 用于存放开机 第二章网络下载器开发的硬件与软件环境 引导b o o t 代码、中断处理程序等，与p o w e r p c 4 0 5 数据缓存连接的s r a m ( d s b p l b ) 用于存放数据缓存， 2 4b d l 2 0 0 0 仿真器 在嵌入式系统的开发过程中，仿真器也是不可缺少的设备，它可以跟踪和查 看处理器内部的寄存器空间，可以在线读写f l a s h 存储器，可以查看存储器中的 内容，下载程序等等，加快了开发的速度。本项目我们选用性价比较好的a b t r o n 公司的b d l 2 0 0 0 仿真器( 见图2 - 2 ) 。 b d l 2 0 0 0 由一个m c 6 8 3 6 0 微处理器，5 1 2 k 字节存储器和1 0 2 4 k 字节闲存组成。 该仿真器支持的目标机电压18 v 一5 v 。b d m 支持c p u l f f 3 2 ，3 2 + 、 p o w e r p c 4 x x 8 x x c d d ik e 系列嵌入式处理器。 t a g 支持a r m ，m c o r e 、 p o w e r p c 4 x x 6 x x 7 x x 7 4 x x 8 2 x x ，x s c a l e 、m i p s 3 2 、t r i c o t e 系列嵌入式处理器。 它是通过r s 2 3 2 串口( 最高1 1 5 k ) 或者1 0m 以太网连接计算机，并且通过 t t a g 接口与目标机相连。b d l 2 0 0 0 与目标机的通信速率1 6 m b i t i s ，程序下载速率 3 2 0 k b s ，仿真器可以进行各种型号闶存( f l a s h ) 的在线编程。b d l 2 0 0 0 的固件 和编程逻辑可以由用户通过一个w i n d o w s 对话框配置和更新，且具有强大的抗电 磁干扰优化设计。 图2 - 2b d l 2 0 0 0 仿真器 通过在b d l 2 0 0 0 上加载不同的固件( f i r m w a r e ) 可实现对不同嵌入式处理器 和调试器的支持，奉项目使用的是加载固件后支持p p c 4 x x 处理器和v x w o r i 【s g d b 调试器的b d i g c bm p c 4 x x 6 x x 。 第二章网络下载器开发的硬件与软件环境 2 5 嵌入式实时操作系统v x w o r k s v x w o r k s 是美国w i n dr i v e rs y s t e m 公司( 以下简称风河公司，即w r s 公司) 推出的一个实时操作系统。w r s 公司组建于1 9 8 1 年，是一个专门从事 实时操作系统开发与生产的软件公司，该公司在实时操作系统领域被世界公认为 是最具有领导作用的公司。 作为业界优秀的嵌入式实时操作系统，v x w o r k s 具有以下显著特点： 1 可靠性 操作系统的用户希望在一个工作稳定，可以信赖的环境中工作，所以操作系 统的可靠性是用户首先要考虑的问题。而稳定、可靠一直是v x w o r k s 的一个突 出优点。自从对中国的销售解禁以来，v x w o r k s 以其良好的可靠性在中国赢得了 越来越多的用户。 2 实时性 实时性是指能够在限定时间内执行完规定的功能并对外部信号作出响应的 能力。实时性的强弱是以完成规定功能和作出响应时间的长短来衡量的。 v x w o r k s 的实时性做得非常好，其系统本身的开销很小，进程调度、进程 间通信、中断处理等系统公用程序精练而有效，它们造成的延迟很短。v x w o r k s 提供的多任务机制中对任务的控制采用了优先级抢占( p r e e m p t i v ep r i o r i t y s c h e d u l i n g ) 和轮转调度( r o u n d - r o b i ns c h e d u l i n g ) 机制，也充分保证了可靠的 实时性，使同样的硬件配置能满足更强的实时性要求，为应用的开发留下更大的 余地。 3 可裁减性 用户在使用操作系统时，并不是操作系统中的每一个部件都要用到。例如图 形显示、文件系统以及一些设备驱动在某些嵌入系统中往往并不使用。 v x w o r k s 由一个体积很小的内核及一些可以根据需要进行定制的系统模块 组成。v x w o r k s 内核最小为8 k b ，即便加上其它必要模块，所占用的空间也很 小，且不失其实时、多任务的系统特征。由于它的高度灵活性，用户可以很容易 地对这一操作系统进行定制或作适度开发，来满足自己的实际应用需要。 正是因为v x w o r k s 具有以上显著特点，故本系统选用v x w o r k s 操作系统。 第二章网络下载器开发的硬件与软件环境 2 6 基于p o w e r p c4 0 5 网络网络下载器的v x w o r k s 系统的开发 。 2 6 1v x w o r k s 的开发方法 我们设计的这块板子没有软件的自开发能力，所以我们需要一台p c 机来辅 助开发。这里p c 机称为宿主机( h o s t ) ，用户自己开发的板子为目标机( t a r g e t ) 。 宿主机上要有一个集成开发环境( i d e ) 来辅助我们的软件开发，这套集成开发环 境可以运行在w i n d o w s 2 0 0 0 n t 或u n i x 下，包括交叉编译器( c r o s sc o m p ile r ) 和交叉调试器( c r o s sd e b u g g e r ) 。所谓交叉编译器就是在宿主机上编译生成可以 在目标机上运行的代码i m a g e ，交叉调试器就是通过宿主机和目标机之间的某种 耦合方式实现前后台调试。宿主机上的这套集成开发环境为t o r n a d o ，编译生成 目标机上的可执行的v x w o r k s 映象。在系统安装的时候，集成调试环境和v x w o r k s 的源文件( 一些o b j 文件) 都安装到宿主机上，编译生成的在目标机上运行的映 象内包含操作系统。 2 6 2 开发板与用户的交互 在使用p c 时，可用显示器来显示p c 输出的信息，使用键盘和鼠标输入信 息，但是在本系统的硬件设计中，没有配置一个像p c 机上一样的图形字符显示 器，也没有键盘和鼠标。为了方便调试，采用r s 2 3 2 串口来输出和接收信息。 本系统有r s 2 3 2 串口，可以通过电缆将串口和p c 机上的串口连接起来，然 后在p c 机上运行r s 2 3 2 串口通信程序( 如w i n d o w s 自带的超级终端) 来和目 标板进行交互，这样就可以通过超级终端来输入和输出信息。 2 6 3 基于p o w e r p c4 0 5 和v x w o r k s 的网络下载器的开发流程 以下是我们设计此嵌入式系统的整个开发流程。 1 研究p o w e r p c4 0 5 处理器。 2 研究v x w o r k s 操作系统特点。 3 设计开发平台的硬件电路板，包括原理图设计、布线、调