（计算机应用技术专业论文）基于s3c44b0 x的μcosⅡμclinux平台实现和剖析.pdf

摘要 摘要 删7 t d m i 是一种高效，低功耗的r i s c 处理器，以该内核为核心的 s 3 c 4 4 b o x 是一款基于以太网应用的高性价比1 6 3 2 位微控制器，非常适合嵌 入式产品。本文的研究目标是实现基于s 3 c 4 4 b o x 的i t c o s i i & p c l i n u x 平台， 重点移植和剖析o s & f s 。 具有实时性、源码公开的代表微内核的p c o s - i i 内核小，易剪裁，移植性 好。本文基于a r ms d t 2 5 开发环境，介绍了i t c o s i i 的移植过程和方法，改 写了i - t c o s i i 系统与c p u 相关的程序文件，并根据s a m s u n g 提供的d e m o 板的启动代码，结合本平台的实际s d r a m 、f l a s h 等外围器件配置设计了基 于本平台的启动代码。 代表宏内核的斗c t i n u x 由于代码开放性以及强大的网络功能，在中低端嵌入 式网络设备中有广泛应用，与其它的嵌入式操作系统相比，具有更多的优势。 本文在基于p c 的r e d h a t 9 环境下，利用a r i i l 交叉编译工具移植p c l i n u x ，采用 b l o b 作为系统的b o o t l o a d e r 。文章剖析了c l i n u , x 内核和文件系统，并分析了 它的网络模块，阐述了“c l i n u x 的文件组织和它与b l o b 、驱动、文件系统之 间的关系，着重分析了i t c l i n u x 和l i n u x 的内存与进程实现等核心特征。 本系统的硬件原理图在c a d e n c e 公司的o r c a d 环境下设计，采用a l l e g r o 进行p c b 设计，考虑抗干扰问题，通过设计基于s 3 c 4 4 8 0 x 的最小系统，方便 了硬件系统的实现和调试，以保证系统硬件的可靠性。系统充分利用s 3 c 4 4 b o x 处理器高性能、低功耗、低成本的优点，扩展平台的通用接口，为今后开发基 于该平台的应用系统提供了捷径。 本文在研究a r m 7 t d m i 核心的微处理器s 3 c 4 4 b o x 的内部结构和编程特 点的基础上，实现了基于s 3 c 4 4 b o x 的肛c o s i i & i t c l i n u x 嵌入式平台。对 o s & f s 进行了移植和剖析，完成系统的硬件设计，对移植结果进行了测试，在 此基础上总结了嵌入式平台的2 种开发方式和步骤，并重点剖析了肛c l i n u x 操 作系统内核和它的网络模块，揭示了系统的实现原理，描述了肛c l i n u x 中t c p i p 实现思路。 关键词：嵌入式；i t c o s ：u c l i n l l ) 【；a r m ；c a d e n c e a b s t r a c t a b s t r a c t a r m 7 t d m ii sar i s cc o r ew i t hh i 出p e r f o r m a n c ea n dl o w p o w e r s 3 c 4 4 b o x b a s e dt h i sc o r ei sac o s t - e f f e c t i v e1 6 3 2r i s cm i c r o p r o c e s s o rf o ri n t e m e t a p p l i c a t i o n s ，s oi ti sag o o gs o l u t i o nf o re m b e d d e ds y s t e m o u rr e s e a r c hi sc a r r i e d o u tap l a t f o r mb a s e ds 3 c 4 4 b o x ，肛c o s i ia n dt s c l i n u x ，w i t he m p h a s i so np o r t i n g a n da n a l y z i n go sa n df s 心，o s - 1 1w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co fr e a l - t i m ea n dl i t t l ek e r n e ls i z e i sa m i c r o - k e r n e lo sa n do p e ni t ss o u r c ec o d e i ti se a s yt oc u s t o m i z ea n dp o r ti t t h i s t h e s i si n t r o d u c e sh o wt op o r ti x c o s - i ib a s e da r ms d t 2 5i d eb y m o d i l y i n gt h e s o u r c ef i l eo fi t c o s i ir e l a t e dt oh a r d w a r es u c ha sc p u a r e rm a s t e r i n gt h e c o n f i g u r eo fo u rh a r d w a r ep l a t f o r m ，i n c l u d i n gs d r a m ，f l a s h ，e t c ，t h e b o o t l o a d e ri sa l s or e a l i z e do nt h eb a s eo ft h eb o o t l o a d e rf o rd e m ob o a r db y s a m s u n g r t c l i n u xi sam o n o l i t h i c - k e m e lo s f o ri t ss o u r c ec o d ei so p e na n d 1 1 i g b p o w e r e di nn e t w o r k i ti sw i d e l ya d o p t e di nm i d d l e - l o wn e t w o r kd e v i c e st h a n o t h e ro s b a s e dr e d h a t 9i np c ，w op o r t i _ t c l i n u xb ya r mc r o s s - c o m p i l et o o l s i nt h e p l a t f o r m , t h eb o o t l o a d e ri sr e a l i z e do nb l o b t h et h e s i sa n a l y z et h ek e r a e la n d f so f 弘c i i n u x ，n e t w o r km o d u l e ，w h i l ed e s c r i b et h er e l a t i o na m o n gi x c l i n u x ，b l o b ， f sa n dt h ef i l es t r u c t u r eo fi _ t c l i n u x ，w i t ht h ee m p h a s i so nt h ek e yc h a r a c t e r i s t i co f i t c l i n u xa n dl i n u x ，s u c ha sm e m o r ya n dp r o c e s sm a n a g e m e n t t h es c ho fo u rs y s t e mi sd e v e l o p e di no r c a df o r mc a d e n c e ，w h i l ep c bi s d e s i g n e db ya l l e g r ow i t ht a k i n ge m i i n t oa c c o u n t al e a s ts y s t e mb a s e ds 3 c 4 4 b o x i sd e s i g n e di no r d e rt om a k eh a r d w a r es y s t e mr e a l i z a t i o na n dd e b u g g i n ge a s y s 3 c 4 4 b o xh a sm a n ya d v a n t a g e s ，i n c l u d i n gh i 曲p e r f o r m a n c e ，l o wp o w e r , l o wc o s t ， g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c e ，e t c ，w h i c hp r o v i d ea ne a s yp a t h t o d e v e l o pt h e a p p l i c a t i o n s a f t e rr e s e a r c h i n gt h ei n t e r n a ls t r u c t u r ea n dp r o g r a m m i n gc h a r a c t e ro f $ 3 c 4 4 b o xw i t ha r m 7 t d c o r e t h i st h e s i sr e a l i z e dt h ee m b e d d e dp l a t f o r m w e i i a b s t r a c t p o r ta n da n a l y z eo s & f s ，c o m p l e t et h eh a r d w a r ed e s i g n ，a n dt e s tt h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r es y s t e m f i n a l l y , t h et h e s i ss u m m a r i z e s2m e t h o dh o wt o d e v e l o pa e m b e d d e dp l a t f o r m ，a n de m p h ao na n a l y z i n gt h ek e r n e la n dn e t w o r km o d u l e t h e t h e o r yo f i _ t c l i n u xa n dt h et c p i pp r o t o c o ls t a c ki sd e s c r i b e d k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；i t c o s - i i ：i x c l i n u x ；a r m ；c a d e n c e i 缩略词 缩略词英文 缩略词 o s o p e r a t i n gs y s t e m f s f i l es y s t e m a r ma d v a n c e dr i s cm a c h i n e r i s cr e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r s c h s c h e m a t i c p c bp r i n t e dc i r c u i tb o a r d e m i e l e c t r om a g n e t i ci n t e r f e r e n c e v i i 中文 操作系统 文件系统 高级精简指令集机器 精简指令集计算机 原理图 印刷电路板 电磁干扰 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京机械工业学院关于收集、保存、使用学位论 文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷 本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用 影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目 录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按 有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内 容用于学术活动。 学位论文作者签名：占拿 2 影年p ；月辨 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 签名： 占雏 耐年一号月衅日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 嵌入式处理器的特点及各种类型的嵌入式处理器 嵌入式处理器一般具备4 个特点【9 】： 对实时和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。 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。 可扩展的处理器结构，能迅速地扩展出满足应用的高性能嵌入式处理器。 嵌入式处理器的功耗必须很低，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。 嵌入式处理器可分成下面几类： ( 1 ) 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m u ) 嵌入式微处理器采用“增强型”通用微处理器( c p u ) 。由于嵌入式系统通常 应用于环境比较恶劣的环境中，因而嵌入式微处理器在工作温度、电磁兼容性 以及可靠性方面的要求较通用的标准微处理器高。但是，嵌入式微处理器在功 能方面与标准的微处理器基本上是一样的。根据实际嵌入式应用要求，将嵌入 式微处理器装配在专门设计的主板上，只保留和嵌入式应用有关的主板功能， 这样可以大幅度减小系统的体积和功耗。和工业控制计算机相比，嵌入式微处 理器组成的系统具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，但在其电路 板上必须包括r o m 、r a m 、总线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的 可靠性，技术保密性也较差。由嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安 装在一块电路主板上构成一个通常所说的单板机系统。嵌入式处理器目前主要 有a t m e l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c 4 0 0 、p o w e rp c 、a r m 系列等。 ( 2 ) 嵌入式微控制器o “i c r o c o n 仃o l l e ru n i t ，m c u 嵌入式微控制器又称单片机，它将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌 入式微控制器一般以某种微处理器内核为核心，根据某些典型的应用，在芯片 第1 章绪论 内部集成了r o m e p r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、定时计数器、看门狗、 i o 、串行口、脉宽调制输出、a d 、d a 、f l a s h 、r a m 、e e p r o m 等各种必 要功能部件和外设。和嵌入式微处理器相比，微控制器的单片化使应用系统的 体积大大减小，从而使功耗和成本大幅度下降、可靠性提高。通常，嵌入式微 控制器可分为通用和半通用两类，比较有代表性的通用系列包括8 0 5 1 、p 5 1 x a 、 m c s - 2 5 1 、m c s 9 6 1 9 6 2 9 6 、等。而比较有代表性的半通用系列，如支持u s b 接口的m c u8 x c 9 3 0 9 3 1 、c 5 4 0 、c 5 4 1 支持1 2 c 、c a n 总线、l c d 等的众多 专用m c u 和兼容系列。 传统的嵌入式系统c p u 包括嵌入式微处理器和嵌入式微控制器。 ( 3 ) 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) 在数字信号处理应用中，各种数字信号处理算法相当复杂，一般结构的处 理器无法实时的完成这些运算。由于d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊 设计，使其适合于实时地进行数字信号处理。在数字滤波、f f t 、谱分析等方 面，d s p 算法正大量进入嵌入式领域，d s p 应用正从在通用单片机中以普通指 令实现d s p 功能，过渡到采用嵌入式d s p 处理器。 嵌入式d s p 处理器有两类 9 】： d s p 处理器经过单片化、增加片上外设成为嵌入式d s p 处理器，的 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 等属于此范畴。 在通用单片机或s o c 中增加d s p 协处理器，例如i n t e l 的m c s 2 9 6 和 i n f i n e o n ( s i e m e n s ) 的t r i c o r e 。 另外，在有关智能方面的应用中，也需要嵌入式d s p 处理器，例如各种带 有智能逻辑的消费类产品，生物信息识别终端，带有加解密算法的键盘，a d s l 接入、实时语音压解系统，虚拟现实显示等。这类智能化算法一般都是运算量 较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些正是d s p 处理器的优势 所在。 ( 4 ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 随着e d a 的推广和v l s i 设计的普及化，以及半导体工艺的迅速发展，可 以在一块硅片上实现一个更为复杂的系统，这就产生了s o c 技术。各种通用处 理器内核将作为s o c 设计公司的标准库，和其他许多嵌入式系统外设一样，成 为v l s i 设计中一种标准的器件，用标准的v h d l 、v e r i l o g 等硬件语言描述， 存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计 第1 章绪论 图交给半导体工厂制作样品。这样除某些无法集成的器件以外，整个嵌入式系 统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简单，对 于减小整个应用系统体积和功耗、提高可靠性非常有利。s o c 可分为通用和专 用两类，通用s o c 如i n f i n e o n ( s i e m e n s ) 的t h c o m 、m o t o r o l a 的m c o r e ，以及 某些a r m 系列器件，如e c h e l o n 和m o t o r o l a 联合研制的n e u r o n 芯片等；专用 s o c 一般专用于某个或某类系统中，如p h i l i p s 的s l n a r t x a ，它将x a 单片机内 核和支持超过2 0 4 8 位复杂r s a 算法的c c u 单元制作在一块硅片上，形成一 个可加载j a v a 或c 语言的专用s o c ，可用于互联网安全方面。 与其他计算机技术相比，i n t e m e t 的发展速度更是迅猛，人们已经逐步从喜 欢网络变得离不开网络，更让我们惊讶的是互联网正在从现在的在人与人之间 提供通讯渠道逐步转变为在设备与设备之间提供通讯渠道，并且未来设备之间 的网络信息流量将远远大于人与人的通讯信息量，这些巨大的信息量将如何产 生呢? 未来远远超过人类人口数量的嵌入式系统将是产生信息流量的主力军， 现在任何一个嵌入式系统的设计都很难将网络功能排除在外。除了传统的以太 网等网络技术，在嵌入式系统中广泛采用的将是无线网络技术，在不同的频段、 不同的调制技术和网络通讯协议的驱动下，嵌入式设备上的无线网络技术也必 将百花争艳。 在嵌入式硬件平台中还有一个很重要的技术就是电源管理技术。随着无线 网络技术的成熟，越来越多的嵌入式系统将会甩开恼人的网线和电源线，被设 计成可移动的设备。这些设备将主要依赖电池供电，如何让设备在电池的驱动 下工作时间更长就成为一重要的问题。因此在嵌入式系统的设计中选择什么电 池技术和电池产品，硬件设计上如何进行电压转换以更加节能，电源设计在电 能不足的情况下如何进行数据保护并完成任务等问题就成为重要的技术问题。 嵌入式系统的硬件平台是面向特定应用需求的硬件平台，除了上述的各种 技术之外，嵌入式系统的重要发展趋势是进行s o c 设计，从将自身嵌入到其他 大型系统中转变为整个系统嵌入在一个芯片内，即s y s t e mo nc h i p ( s o c ) ，随着 技术的不断积累和应用需求的稳定和标准化，s o c 将会逐步成为嵌入式系统设 计的主要实现方式。 第1 章绪论 1 2 嵌入式操作系统 随着现代电子计算机技术的飞速发展和互联网技术的广泛应用，从p c 时代 过渡到了以个人数字助理( p d a ) ，个人手提电脑，和信息家电为代表的 3 c ( c o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o n 、c o n s u m e r ) 为一体的后p c 时代。后p c 时代，嵌 入式扮演了越来越重要的角色，被广泛应用于信息电器，移动计算机设备，网 络设备，和工控仿真等领域。嵌入式系统的开发也成为近年玎行业的技术热点。 完成简单功能的嵌入式系统一般不需要操作系统，如以前很多m c u 5 1 系列 单片机组成的小系统，就只是利用软件实现简单的控制环路。但是随着后p c 时代的来临，嵌入式系统的设计日趋复杂，嵌入式操作系统就必不可少了。 从8 0 年代起，国际上就有一些i t ( i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ) 组织、公司，开 始组织进行商用嵌入式系统和专用操作系统的研发。这其中涌现了一些著名的 操作系统，如m i c r o s o f t 公司的w i n c e 和w i n d r i v e r s y s t e m 公司的v x w o r k s 就 分别是非实时操作系统和实时操作系统的代表。但是商用产品的造价都非常昂 贵，用于一般用途会提高产品成本从而失去竞争力。 l - t c o s i i 操作系统，是性能优良源码公开且被广泛应用的免费嵌入式操作 系统，可以作为研究实时操作系统的典范。i t c o s i i 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能强等特点。本文概述了 嵌入式系统的背景知识，并简要介绍嵌入式实时操作系统p c o s i i 的原理、内 核结构、源代码的文件组织以及移植到a r m 处理器上的关键代码。 作为操作系统的核心i t c l i n u x 内核负责管理系统的进程、内存、设备驱动 程序、文件系统和网络系统，决定着系统的各种性能。c l i n u x 内核的源代码是 完全公开的，任何人只要遵循g p l 就可以对内核加以修改并发布给他人使用， 因此在广大编程人员的支持下，i _ t c l i n u x 的内核版本不断更新，新的内核修改了 旧的内核的缺陷，并增加了许多新的特性，用户如果想在自己的系统中使用这 些新的特性，或想根据自己的系统量身定制更高效、更稳定可靠的内核，就需 要重新编译内核。m 1 1 t c l i n u x 内核采用模块化的组织结构，通过增减内核模块的方式来增减系统 的功能，因此，正确合理的设置内核的功能模块，从而只编译系统所需功能的 代码。 第1 章绪论 1 3 课题的背景及其意义 在2 0 0 4 年7 月到2 0 0 4 年l l 这段时间里我们课题组基于实验室购买的商业 开发平台a r m 7 + b t c o s i i 开发了一个p d a 软件系统，研究了该软硬件系统， 并且对于该系统进行了一些改进。由于该硬件有些问题( 触摸该平台触摸屏的同 一个位置得到的坐标值不是一个基本稳定值) ，并且i j f c o s i i 本身仅仅只有一个 内核，对于图形的支持不是很好，而且在该平台上只能使用c 语言编程，所以 我们决定自己开发一个新的平台，该平台采用l i n u x 作为操作系统，使用q t e 图形库，而且需要修改触摸屏的问题。我们把这个意见提出给导师，导师同意 我们的想法。作为研究嵌入式系统的研究生，不仅仅要会编程，更重要的是从 系统的角度深入理解和实践软硬件知识，从这个角度出发，我们决定毕业设计 的课题搭建一个开发平台，为了跨度不至于过大，仍然采用s 3 c 4 4 b o x ，但是 需要重新制板，解决触摸屏的问题。我主要负责再清硬件，并且移植和剖析f s 和o s ，重点研究网络模块，我的另外2 个同学负责驱动和g u i ，在实际的实施 过程中，我们彼此之间相互协作和帮助。 选择本课题目的很明确，总结和深入研究生期间的学习和工作。整理自己 对于嵌入式系统的理解，在系统平台的搭建上进行一个详细的整体性的研究， 比较1 tc o s i i 和uc l i n u x 的区别，以及搭建平台上的不同，总结开发嵌入式系 统的2 种开发模式，重点剖析i t c l i n u x 内核和它的网络特性。 嵌入式系统的实现难点在于平台搭建和调试，在于怎样使得平台稳定、可 靠、高效，因此本课题的研究和实现有着理论与实践意义，通过研究和实现该 平台，可以深入理解嵌入式专业要求的软硬件理论知识，可以为本专业积累最 基础但很重要的成果，可以为自己走上工作岗位起到承上启下的铺垫作用。 1 4 本论文完成的工作 本文剖析、比较了在两个项目中分别采用的、代表两种不同类型的嵌入式 操作系统：肛c o s - i i 和g c l i n u x 。p c o s - i i 代表微内核操作系统，“c l i n u x 代表 宏内核操作系统。论文对两操作系统的内核运行方式、进程调度、实时性、任 务间的通信与同步、内存管理、文件系统、网络协议、以及设备驱动等方面进 行剖析、比较。本文详细描述了肛c o s - i i 和i - l c l i n u x 在a r ms 3 c 4 4 b o x 硬件 第1 章绪论 平台上的移植过程。 主要工作： 1 、理清嵌入式系统的内涵和外延，即硬件框架和软件框架，以及嵌入式系 统的难点和我准备攻关的地方。 2 、了解a m 芯片资料的硬件结构和体系结构并学习a r m 汇编语言。 3 、使用c a d e n c e 设计硬件原理图和p c b 图。 4 、开发环境的搭建。 5 、o s & f s 的移植，研究移植过程，完成交叉编译、配置b o o t l o a d e r 、内核 修改和配置、文件系统创建。这是建立目标系统的运行环境的首要条件，也是 搭建平台的关键。 6 、调试和测试平台。 7 、o s & f s 的剖析，描述了l i n u x 内核和驱动，以及内核和文件系统的关系， 着重分析了c l i n u x 和l i n u x 的内存管理原理。 8 、网络通讯模块的研究，着重于网络通讯的构架和在l i n u x 中的实现。 较为深入的理解及创建性的工作： l 、嵌入式系统的内涵和外延探讨。 2 、比较肛c o s i i 和 z c l i n u x 内核和驱动以及文件系统的不同。 3 、比较并总结了2 种嵌入式平台开发方法。 4 、设计了基于s 3 c 4 4 b o x 的最小系统。 1 5 论文章节安排 本文内容主要可划分为四个部分。 第一部分( 第2 、3 章) 描述了本系统的硬件部分，实现基于s 3 c 4 4 b o x 的最 小系统。 第二部分( 第4 章) 描述了移植系统软件o s & f s 之前的理论与实践准备工 作，包括主机的开发环境配置。 第三部分( 第5 、6 、7 ) 描述系统软件部分，实现了o s & f s 向目标板的移植， 并剖析了o s 的内核，对比了斗c o s i i 和i t c l i n u x 内核特性和移植的不同，还 分析了系统硬件的网络实现及斗c l i n u x 中t c p i p 协议栈实现方式。 第四部分( 第8 章) 总结了全文内容并提出下一步工作的一个可能方向。 第2 章s 3 c 4 4 b o x 简介及与o s & f s 相关部分的分析 第2 章s 3 c 4 4 b o x 简介及与o s & f s 相关部分的分析 2 1s 3 c 4 4 b o x 概述 2 1 1 简介 s a m s u n g 公司推出的1 6 3 2 位r i s c 处理器s 3 c 4 4 b o x 为手持设备和一般类 型应用提供了高性价比和高性能的微控制器解决方案。为了降低成本， $ 3 c 4 4 b o x 提供了丰富的内置部件，包括：8 k bc a c h e ，内部s r a m ，l c d 控 制器，带自动握手的2 通道u a r t ，4 通道d m a ，系统管理器( 片选逻辑， f p e d o s d r a m 控制器) ，代用p w m 功能的5 通道定制器，i o 端口，r t c ， 8 通道1 0 位a d c ，i i c b u s 接口，i i s b u s 接口，同步s i o 接口和p l l 倍频器。 s 3 c 4 4 b o x 还采用了一种新的总线结构，即s a m b a i i ( 三星a r mc p u 嵌入式 微处理器总线结构) 。1 6 j s 3 c 4 4 b o x 的杰出特性是它的c p u 核，是由a r m 公司设计的1 6 3 2 位 删7 t d m 【r i s c 处理器( 6 6 m h z ) 。a r m 7 t d m i 体系结构的特点是它集成了 t h u m b 代码压缩器，片上的i c e 断点调试支持，和一个3 2 位的硬件乘法器。 s 3 c 4 4 b o x 通过提供全面的、通用的片上外设，大大减少了系统电路中除处理 器以外的元器件配置，从而最小化系统的成本，集成了手持设备和通用嵌入式 系统应用的解决方案。图2 1 描述了s 3 c 4 4 8 0 x 内部结构图。 2 1 2 特性 系统管理器 o 支持大4 端方式； o 寻址空间：每b a n k 3 2 m 字节( 共2 5 6 m 字节) ； o 支持每b a n k 可编程的8 1 6 3 2 位数据总线宽度； o7 个b a n k 具有固定的b a n k 起始地址和可编程的b a n k 大小 o1 个b a n k 具有可编程的b a n k 起始地址和b a n k 大小： 笙! 雯塑璺竺里! 茎塑金垦兰q ! 竺! 塑茎塑坌塑坌塑 o8 个存储器b a n k ： 一6 个r o m ，s r a m 存储器b a n k ； 图2 1s 3 c 4 4 b o x 内部结构图 一2 个r o m s r a m d r a m ( 快速页面，e d o 和同步d r a m ) o 所有的存储器b a n k 具有可编程的操作周期； 0 支持外部等待信号延长总线周期： o 支持掉电时d r a m s d r a m 的自刷新模式； o 支持均匀非均匀的d r a m 地址。 第2 章s 3 c 4 4 b o x 简介及与o s & f s 相关部分的分析 2 2 从程序员角度看a r m 体系结构 a r m 作为3 2 位微处理器，编程方式与传统的5 1 系列完全不同。要正确移 植u c o s 和pc l i n u x ，首先要理解a r m 的编程方式。下面详细介绍从程序 员的角度来看a r m 编程，资料来自于a r m 体系结构手册，该手册可以从网上 下载，见参考文献【2 1 】。 2 2 1体系结构直接支持的数据类型 a r m 处理器支持下列数据类型： 字节：8 位 半字：1 6 位( 必须分配为占用2 个字节) 字：3 2 位( 必须分配为占用4 个字节) a r m 结构第4 版及以上都支持这三种数据。a r m 7 t d m i 是删结构第4 版v 4 t 。 2 2 _ 2 处理器状态 删7 t d m i 使用a r mv 4 t 结构，该结构包含3 2 位a r m 指令集和1 6 位 t h u m b 指令集。因此，a r m 7 和s t r o n g a r m 处理器都有两种操作状态。a r m 状态：3 2 位，这种状态下执行的是字方式的a r m 指令【2 ”。t h u m b 状态：1 6 位，这种状态下执行的是半字方式的t h u m b 指令。a r m 和t h u m b 状态之间的 切换并不影响处理器模式或寄存器内容。可以用b x 指令将内核的操作状态在 a r m 状态和t h u m b 状态之间进行切换。所有的异常处理都在a r m 状态中执 行。关于异常处理，详见后面章节。 2 2 3 处理器模式 a r m 体系结构支持7 种处理器模式：用户模式、快中断模式、中断模式、 管理模式、中止模式、未定义模式和系统模式。a r m 7 完全支持这7 种模式， 具体参考表2 1 。 表2 1 a r m 处理器模式 第2 章s 3 c 4 4 b o x 简介及与o s & f s 相关部分的分析 处理器模式说翱备涟 用户( u a e r ) 正常露謦z 律填式幂触直接切揍狲其它穰式 绥中断( f i q ) 熏持拇罐数据措输及通道鲢骥p i q 异常响应时避入此模式 中断c i r ) 用予：霞甩中糖鲢理i r a 异索喷盎聪落入此横式 管理8 粥)摄伴素装蒜护代爵幕境复挝对避 她模式 中止( 蚍)熏撼斑担内存翻，蠛存储器慑护没有大用烛 来定义删)麦拇叠悻协箍理鼙豹较怦仿真豪宠冀指令异常撼入此辏式 蒹烧( s r s )支持螺伊蓉统瞻挎糗任务等茸用户攘式类似但可 ；点直接切 捷判箕它特权筷斌 除用户模式外，其它模式均为特权模式。a r m 内部寄存器和一些外设在硬 件设计上只允许( 或可选为只允许) 特权模式下访问。此外，特权模式可以自由 的切换处理器模式，而用户模式不能直接切换到别的模式。 有5 种处理器模式称为异常模式，它们是：快中断模式、中断模式、管理模 式、中止模式和未定义模式。它们除了可以通过程序切换进入外，也可以由特 定的异常进入。当特定的异常出现时，处理器进入了相应的模式。每种模式都 有某些附加的寄存器，以避免异常退出时用户模式的状态不可靠。 2 2 4 内部寄存器 在a r m 处理器内部，有3 7 个用户可见的寄存器。 3 1 个3 2 位寄存器。在a r m 公司文件中，它们的名称为：r 0 r 1 5 、r 1 3s v e 、 r 1 4 _ s v e 、r 1 3 一a b t 、r 1 4 _ a b t 、r 1 3 _ u n d 、r 1 4 _ u n d 、r 1 3 _ i r q 、r 1 4 _ i r q 和 r 8 - 丘q - r 1 4 _ f i q 。 6 个状态寄存器。在a r m 公司的文件中，它们的名称为：c p s r 、s p s r _ s v c 、 s p s ra b t 、s p s ru n d 、s p s ri r q 、s p s rf i q 。 这些寄存器并不是同一时间可以被访问的。处理器状态和操作模式决定了 程序员可以访问哪些寄存器。u c o s 的移植在a r m 状态下进行的，下面介 绍a r m 状态下寄存器集。 第3 章硬件设计 第3 章硬件设计 a r m 7 t d m i 是目前低端的a r m 核( 并非芯片。a r m 核与其它部件如r a m ， r o m ，片内外设组合在一起才构成现实的芯片) ，具有广泛的应用。在a r m 6 的基础上，a r m 7 增加了6 4 位乘法指令( 带m 后缀) ，支持片上调试( 带d 后缀) ， 高密度1 6 位的t h u m b 指令扩展( 带t 后缀) 和e m b e d e d i c e 观察点硬件( 带i 后 缀) ，形成了a r m 7 t d m i 。a r m 7 t d m i 处理器使用流水线来增加处理器指令流 的速度。这样可以几个操作同时进行，并使处理和存储器系统连续操作。 a r m 7 t d m i 使用三级流水线指令，因此指令分三个阶段执行，即取指，译码， 执行。在正常操作过程中，在执行一条指令的同时对下一条指令进行译码，并 将第三条指令从存储器中取出。1 2 j 本系统设计了一个最小系统，其它的模块通过s 3 c 4 4 b o x 的系统总线进行 扩展，这样的设计思路方便了系统硬件的调试和布线，有助于问题的简化。图 3 1 描述了系统硬件的组成框图，因为s 3 c 4 4 b o x 本身提供了图3 1 中描述的外 设的接口，因此电路设计很简单。我参考s a m s u n g 公司提供的d e m o 板的p d f 原理图采用c a d e n c e l 5 2 完成了s c h 和p c b 的设计，并生成g e r b e r 文件。其中 r t l s 0 1 9 芯片提供1 0 m 以太网的通讯能力，复位芯片负责克服电源的抖动、保 持复位针脚的低电平等功能，从而有效地启动和复位s 3 c 4 4 b o x 。 图3 1s 3 c 4 4 b o x 的最小系统框图 第3 章硬件设计 3 1 原理图与p c b 设计 该系统的硬件原理图在c a d e n c e 公司的o r c a d 环境下开发，采用a l l e g r o 进行p c b 设计，考虑抗干扰问题，以保证系统硬件的可靠性。系统充分利用 a r m 处理器高性能、低功耗、低成本的优点，扩展平台的通用接口，为今后开 发基于该平台的应用系统提供捷径。 原理图的绘制应采取主副图，分功能块的形式。从顶向下的结构，思路清 晰；各个模块输入输出明确，修改方便；别人也容易看懂。原理图和p c b 图之 间的桥梁是n e t l i s t ，一般来说原理图和p e b 图是互相影响的，最终的目的是要 方便布线，并且电路实现预期的功能。图3 2 为s c h 的截图，该图示例了主副图 的设计原理。该图左边的3 个绿色框代表3 个副图，右边为s 3 c 4 4 b o x 芯片。 图3 2s 3 c 4 4 b o x 的最小系统原理图截图 第3 章硬件设计 平台的p c b 设计。布线是p c b 设计工程师最基本的工作技能之一。走线 的好坏将直接影响到整个系统的性能，大多数高速的设计理论也要最终经过布 线得以实现并验证，由此可见其在高速p c b 设计中是至关重要的。目前常用的 布线工具有p r o t e l 9 9 s e ，c a d e n c e ，m e n t o r 公司出的p o w e r p c b 等。我使用 c a d e n c e l 5 2 ，原理图使用其中的o r e a d 完成、布线采用a l l e g r o 完成。c a d e n c e 公司是全球最大的电子设计自动化公司，它的e d a 软件在全球计算机、通信和 航空航天和民用消费类电子产品的设计、研发部门中获得越来越多的青睐。e d a 软件为工程师提供了许多功能完善的工具包【1 1 。c a d e n c e 公司对印刷板级的电路 系统设计流程，包括了原理图输入、生成，数字、模拟及混合电路仿真，f p g a 可编程逻辑器件设计、印刷电路板图的编辑、自动布局、布线，印刷电路板图 的输出及生产制造、m c m 电路的版图设计，以及针对高速p c b 板m c m 电路 的物理分析等，从前到后提供了完整的输入，分析，版图编辑和制造的全线e d a 辅助设计工具。平台整个设计流程如图3 3 所示。生产p c b 的工厂根据提供的 g e r b e r 文件就可以制造出p c b 板，一般小量生产，2 层板很便宜，2 层板以上 的多层板价格较高。s 3 c 4 4 b o x 工作频率为6 6 m h z ，并且系统是最小化系统， 因此干扰源少，干扰效果不明显，系统可以采用2 层布局，但是为了系统的可 靠性和未来的扩展，这里应该采用4 或者6 层板设计。基于最小化系统的特点， 这里采用4 层板，4 层与6 层板层一般布局如图3 4 所示，采用这样的布局的好 处是信号层的信号有很好的电源参考平面【4 】。图3 5 为p c b 的截图，该图示例了 多层板布线，该图层是板子顶层信号层。 争 。忍 暑e 掣c c t r a 咽 广爿f g e r b e r 工具 l ：二l 自 原理图 布局布线输出 图3 3 系统硬件平台设计流程 第3 章硬件设计 圣 x x 6 层援4 层扳 图3 4p c b 板层布局( 代表信号层，- 代表电源或地层) 图3 5s 3 c 4 4 b o x 的最小系统p c b 的顶层信号层布线截图 3 2 硬件系统调试 当系统设计制作完成时，必须经过仔细的调试，才能保证系统按照设计意 图正常工作。掌握正确的调试方法可使调试工作变得容易，大大缩短系统的开 发时间，反之，可能会使整个系统的开发前功尽弃，以失败告终。 本节以单元电路为单位，并结合自身在系统调试时所遇到的一些具有代表 性的问题，循序渐进的介绍整个系统的调试过程。在此建议：当印刷电路板制作 完毕后，不要急于焊接元器件，首先对照原理图仔细检查印刷电路板的连线， 确保无误后方可焊接。同时，尽可能的以各单元电路为单位，一个个焊接调试， 以便在调试过程中遇到困难时缩小故障范围，在系统上电后，应先检查电路工 作有无异常，芯片在工作时有一定的发热是正常的，但如果有芯片特别发烫， 第3 章硬件设计 则一定有故障存在，需断电检查确认无误后方可继续通电调试。一般的思路是 先把板子关于电源的部分焊接好，使用示波器测量和芯片连接的电