（计算机应用技术专业论文）无线局域网在嵌入式系统中的应用.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 2 l 世纪是信息的时代，是无线通信蓬勃发展的时代。目前无线通信还处在 p e r s o n at op e r s o n a 时代( 即个人通信) ，并逐步向p e r s o n at od e v i c e ( 人物 通信) ，d e v i c et od e v i c e ( 物物通信) 时代过渡。随着该时代的到来，越 来越多的嵌入式设备渴望摆脱线缆的束缚和具备与人、设备进行无线通信的能 力i 在此，以w l a n ( w i r e l e s s l o c a l a r e a n e t w o r k ，无线局域网) 、b l u e t o o t h ( 蓝牙) 等为代表的短距离无线通信技术将扮演着举足轻重的角色。融合嵌入 式技术与无线局域网通信技术的嵌入式系统，具备突出的无线通信的能力，是 目前与未来的发展热点之一。 本文研究了a r m 硬件系统架构；板级b o o t l o a d e r 设计；嵌入式l i n u x 内 核分析与移植；u s b 设备驱动程序的设计；t c p i p 协议栈移植：应用程序设 计；重点进行了嵌入式无线网卡设计，并进行了无线网卡驱动程序和无线网卡 配置管理程序的设计，这是系统实现无线通信的关键。 论文首先分析了无线通信的现状及相关的新技术，对无线局域网技术在嵌 入式系统应用的意义进行了研究。然后设计了无线局域网在嵌入式系统中应用 的软硬件总体结构，其中硬件电路设计的重点在设计以$ 3 c 2 4 1 0 x 芯片为微处 理器的主板和自主设计的以s i s l 6 3 u 无线网卡芯片为核心的嵌入式无线网卡 上，主板和嵌入式无线网卡通过u s b 接口相连。软件设计是在硬件电路设计的 基础上，构建交叉开发环境，设计b o o t l o a d e r ，移植u c l i n u x 嵌入式操作系统， 在l i n u x u s b 总线驱动程序和主控制驱动程序的支持下，设计了设备驱动程序， 尤其在分析研究了无线网卡芯片的固件和l i n u x 下无线局域网a p i 的基础上， 进行的嵌入式无线网卡驱动程序和无线网卡配置管理程序的开发，以及t c p i p 协议栈移植，为无线通信的实现奠定了基础。最后，设计了应用程序，进行系 统的功能性测试，并把该系统成功应用到电网远程抄表系统中。 现有的无线局域网还局限在迅驰笔记本在h o t s p o t ( 热点) 无线上网，或 者带无线网卡的p c 机借助a p 进入i n t e r n e t ：应用领域狭窄。把无线局域网引 入到嵌入式系统的嵌入式系统，使得嵌入式系统也具备无线通信的能力，可以 应用在工业现场、民用和商用等更广阔的领域，这是本文的主要特色之处。通 过在嵌入式系统中移植t c p i p 协议，设计嵌入式无线网卡的无线驱动程序， 从而使嵌入式系统具备了无线通信的能力。 关键词：无线局域网，嵌入式系统，b o o t l o a d e r ，u c l i n u x ，t c p i p 协议，u s b 设 备驱动程序，无线网卡驱动程序，无线网卡配置管理程序 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e2ls tc e n t u r yi st h ee p o c ho fi n f o r m a f i o n i ti st h ef l o u r i s h m e n to fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n a tp r e s e n t t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni ss t i l li nt h ea g eo f p e r s o n a t op e r s o n a a n di tb e g i n st ot r a n s i tt ot h ea g eo fp e r s o n at od e v i c ea n dd e v i c et o d e v i c eg r a d u a l l y a l o n gw i t ht h ea g e sc o m i n g ，m o r ea n dm o r ee m b e d d e dd e v i c e s l o n gf o rb r e a k i n ga w a yf r o mc a b l e s a n dp o s s e s st h e a b i l i t y o fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nw i t hp e r s o n ao rd e v i c e s s ot h et e c h n o l o g yo fs h o r t h a u lw i r e l e s s c o n u n a n i c a t i o np l a yi m p o r t a n tr o l e si ni t s u c ha sw l a n 、b l u e t o o t he t c t h e e m b e d d e dw l a na p p l i c a t i o ns y s t e mw h i c hs y n c r e f i z e so fe m b e d d e dt e c h n o l o g y a n dw l a nh a so u t s t a n d i n ga b i l i t yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nw h i c hi st h e d e v e l o p m e n th o t s p o tn o w a n di nt h ef u t u r e t h ea r t i c l eh a sar e s e a r c ho na r mm p u ( m i c r op r o c e s s o ru n i t ) a r c h i t e c t u r e ： b o a r d sb o o t l o a d e rd e s i g n ：e m b e d d e dl i n u xc o r em i g r a t i o no nm p u ；u s bd e v i c e d r i v e r s d e v e l o p m e n t ；t c p i pp r o t o c o l s m i g r a t i o n ：a p p l i c a t i o np r o g r a m s d e v e l o p m e n t ：t h ek e y s t o n ei s e m b e d d e dw l a nc a r dd e s i g n 、i t sd r i v e ra n d c o n f i g u r ep r o g r a m m e sd e v e l o p m e n t ；b e c a u s et h e ya r et h ek e yt or e a l i z ew i r e l e s s c o m m n n i c a t i o n f i r s t ，t h es t a t u sq u oa n dc o r r e l a t i v en e 、, vt e c h n o l o g yo fw i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r ka r ed e s c r i b e di nt h ea r t i c l e a n dh a sar e s e a r c ho f t l l ef u n c t i o n so f w l a ni n t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o no fe m b e d d e ds y s t e m t h e n ，t h ea r t i c l ed e s i g n saw h o l e s t r u c t u r eo fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ew h i c hw l a ni su s e di ne m b e d d e ds y s t e m t h e k e y s t o n eo fh a r d w a r e sc i r c u i ti so nd e s i g n i n gt h em a s t e rb o a r du s e db vs 3 c 2 4 1 0 x m p ua n de m b e d d e dw l a nc a r dw h i c hd e s i g n e di n d e p e n d e n t l yb ys i sl6 3 u t h e m a s t e rb o a r da n de m b e d d e dw l a nc a r di sc o n n e c t e db yt h eu s b p o r t b a s e i n go n t h eh a r d w a r e sd e s i g n ，t h es o f t w a r e sd e s i g nb u i l d sc r o s sc o m p i l i n ge n v i r o n m e n t ， d e s i g n s r e l e v a n tb o a r d sb o o t l o a d e r , m i g r a t ee m b e d d e du c l i n u x o p e r a t i o n s y s t e m ，a d d su s bb u sd r i v e ra n du s bh o s td r i v e rt ol i n u x sc o n f i g u r e ，d e v e l o p u s bd e v i c ed r i v e r , e s p e c i a l l ye m b e d d e dw l a nc a r dd r i v e r sd e v e l o p m e n t 、 、观a nc a r d s c o n f i g u r ep r o g r a m m e sd e v e l o p m e n tb a s i n g o nt h er e s e a r c ho f w l a nc a r d sf i r m w a r ea n dw l a na p ii nl i n u x a n dt c p i pp r o t o c o l sr e a l i s e m a k ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nb ep o s s i b l e f i n a l l yi td e s i g n sa p p l i c a t i o np r o g r a mt o t e s tt h ef u n o t i o no ft h es y s t e ma n da p p l i e si tt ol o n g d i s t a n c em e t e r i n gs y s t e mo f e l e c t r i c a ls y s t e ms u c c e s s f u l l y a tt h ep r e s e n tt i m e w l a ni sl i m i t e dt on o t e b o o kw h i c hu s i n gi nh o t s p o t o r p cw h i c ha c c e s s e st oi n t e m e tw i t hw l a nc a r d s s oi t ss c o p ei sv e r ys m a l l t h e e m b e d d e dw l a na p p l i c a t i o ns y s t e mw h i c hb r i n g sw l a ni n t oe m b e d d e ds y s t e m m a k ee m b e d d e ds y s t e mh a v et h ea b i l i t yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt o o ，t h e ni tc a n b eu s e dw i d e rf i e l ds u c ha si n d u s t r i a lf i e l d 、c i v i l ar e aa n dc o m m e r c i a la r e ae t c w h i c h i sa l s od i s t i n c tf e a t u r eo ft h i sa r t i c l e i tm a k e se m b e d d e ds y s t e mh a v et h ea b i l i t yo f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nb vt c p i pp r o t o c o l s m i g r a t i o n 、w l a nc a r dd r i v e r s d e s i g ne t c k e y w o r d s ：w l a n e m b e d d e ds y s t e m ，u c l i n u x ，t c p l p p r o t o c o l ，u s bd e v i c e d r i v e r , w l a nc a r dd r i v e r ，w l a nc a r dc o n f i g u r ep r o g r a m m e 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密回 。 学位论文作者签名 孙年占月r 日 重学荡 指导教师签名 f 0 鸯妇嘱 触“年b 月，日 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。 学位论文作者签名：多哮萄 日期：冲年易月j 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 背景和意义 第一章绪论 目前，无线通信还处在p e r s o n a lt op e r s o n a l 时代( 即个人通信) ，个人通 信发展的最终目标是任何人可以在任何地点、任何时间与其他任何人进行任何 方式的通信，尽管如此，也只是局限在人与人之间的信息交流。随着信息社会 的发展，智能将下移到设备，越来越多的嵌入式设备将更加智能化和信息化， 从而使人与设备之间有了更加强烈的无线通信需求，如通过手机就可以控制家 里的冰箱、洗衣机等信息家电工作，用手机控制汽车( 0 0 7 电影中邦德用的手 机可以控制自己的坐骑) 等。而设备与设备之间也渴望进行无线通信，如无线 工业现场总线，设备之间可以摆脱线缆的束缚，通过无线的方式进行通信。也 就是说，我们即将步入到p e r s o n a lt od e v i c e ( 人物通信) d e v i c et od e v i c e ( 物物通信) 的时代。 以微处理器为核心的嵌入式系统是当前的一大研究热点，其在工业、民用 和商用设备中的应用越来越广泛。人与嵌入式设备间的无线通信是一种 p e r s o n a lt od e v i c e 的通信方式，而嵌入式设备之间的无线通信则是一种 d e v i c et od e v i c e 的通信方式。本文主要研究嵌入式设备与p c 机的无线通信， 它属于p e r s o n a lt od e v i c e 的通信方式。 稍早的嵌入式设备与外部其他设备进行无线通信时，大多采用短消息( s m s ) 或自备电台的方式。但这两种方式有其固有的缺点：短消息的实时性无法保证， 自备电台由于使用公用频率，因而干扰比较严重，且受地形、气候的影响较大。 现在比较流行的是基于g p r s 网络的无线传输。g p r s 网络是在g s m 网络的 基础上增加了业务支持节点、网关支持节点和点对多点业务中心等功能实体后 发展起来的2 5 g 网络，它采用了信道复用技术，使每一个g p r s 用户都能够实 现永远在线。由于中国移动在g p r s 网络上增加了接入i n t e r n e t 的网关，所以 嵌入式设备不但可以在g p r s 网内进行无线数据传输，还可以通过g p r s 网络与 i n t e r n e t 上的设备相互通信。g p r s 的理论速率可达1 7 1 2 k b s ，实际应用中也 有2 0 1 0 0k b s 的速率，而且g p r s 是按流量收费的，没有流量时不收费。所 以对于只有少量突发数据传输、实时性要求不高以及有远距离传输需求的场合 是非常有效的无线传输的方式。 比较新的技术还有蓝牙和无线局域网技术。蓝牙工作在2 4 g h z 的i s m 频 段，采用跳频方式的扩展窄带信号频谱数字编码技术、时分双工传输方案，最 大传输速率也达到1 m b s 。蓝牙的功耗很低，当传输范围为l o m 时，最大发送功 率为l m w ，加大功率可以传的更远。蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开 放性全球规范，它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信 江苏大学硕士学位论文 环境建立一个特别连接，打印机、p d a 、桌上型电脑、传真机、键盘、游戏操 纵杆以及所有其它的数字设备都可以成为蓝牙系统的一部分。所以蓝牙一般适 用于办公室等无线个域网内。 无线局域网传输的距离较远，最远可达几百米，借助中继则可以传的更远。 无线局域网的移动性使其通信范围不再受环境的限制，拓展了网络传输的地理 范围，而且安装容易，使用方便，组网灵活，无线局域网可以将网络延伸到线 缆无法连接的地方，并可方便的增减、移动和修改设备，在适当的位置放置或 添加接入点( a c e s sp o i n t ，a p ) 或扩展点( e x t e n d p o i n t ，e p ) ，就可以满足扩 展网络的需要，节省缆线及其附件的费用，省去布线工序，会快速组网，可以 节省人员费用，并能将网络快速投入使用，提高了经济效益，对于临时需要网 络的地方，无线局域网可以低成本的快速实现，对于需要频繁重新布线或更换 地方的场合，无线局域网可以节省长期费用。在短距离通信时，直接进行点对 点的组网，在进行远距离通信时，可以借助中继接入到现有的i n t e r n e t 上。 不管是以g s m 、c d m a 为代表的广域移动通信还是以w l a n ( w i r e l e s s l o c a l a r e a n e t w o r k ，无线局域网) 、b l u e t o o t h ( 蓝牙) 为代表的新兴的短距离 无线通信技术，它们各有千秋，都在各自的领域里扮演着举足轻重的角色。本 文主要研究融合了嵌入式技术与无线局域网通信技术的嵌入式系统，它也是无 线通信目前与未来的发展热点之一。 在深入研究嵌入式系统和无线局域网技术的基础上，把无线局域网引入到 嵌入式系统中，实现了以$ 3 c 2 4 1 0 x 为微处理器，借助嵌入式无线网卡进行无 线通信的嵌入式系统。嵌入式系统无线传输的速率可提高到m b s 级，传输距 离可以达到几百米，借助中继能传的更远。可广泛应用于短距离高速无线互联。 本课题尝试在嵌入式系统中利用无线局域网自组织网络、无线局域网与因 特网主机进行数据的无线传输，对嵌入式系统的研究具有一定的理论价值。在 实际应用方面，本课题的研究内容有很强的实用性，对无线局域网在我国的进 一步应用提供了一个较高的平台。 1 2 现状和发展方向 目前，国内外对无线局域网的研究主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 无线局域网标准的制定：现在的无线局域网标准比较多，共有1 2 个标 准( 8 0 2 1 l 、8 0 2 1 1 a j 和8 0 2 1 i n ) ，局面比较混乱，迄今还没有一个统一 的标准，一定程度上阻碍了无线局域网的发展。 ( 2 ) 无线局域网服务质量q o s 的提高：由于无线局域网带宽和速率的限制 和有线网络相比，要想在无线网络上畅快淋漓地运行语音和视频这类对带宽有 着巨大胃口的应用，就必须为无线网络引入q o s 服务保障机制。通过对w l a n 的m a c 层协议提出改进，以支持多媒体传输，支持所有w l a n 无线广播接口的 江苏大学硕士学位论文 服务质量q o s 保证机制。 ( 3 ) 无线局域网安全的研究：由于无线局域网采用电磁波作为载体，在空 气中传输数据，作为一个完全开放的系统，更容易被窃听、入侵和破坏，相对 于有线网络存在更大的安全威胁。通过对w l a n 的m a c 层进行了修改与整合， 定义了严格的加密格式和鉴权机制，以改善w l a n 的安全性。 ( 4 ) 无线局域网速率的提高：现在速率最高的且比较成熟的标准是8 0 2 1 l a 最高速率为5 4 m b p s ，希望通过新技术和新的数据帧结构优化算法将w l a n 的传 输速率增加至l o o m b p s 以上，提高网络的吞吐性能。 ( 5 ) 无线局域网与其它同频段的网络或设备的共存性问题：蓝牙 ( b l u e t o o t h ) ，家庭射频( h o m e r f ) ，h i p e r l a n 2 ，d e c t ，微波炉，车库电动门等， 有的是同处于2 4 6 频段，有的共同工作在5 g 频段上，相互之间存在干扰问题。 1 3 研究内容 从2 0 0 4 年9 月进入课题开始，作者在导师的悉心指导下，研究了a r m 硬 件系统架构、板级b o o t l o a d e r 设计、嵌入式l i n u x 内核分析与移植、t c w i p 协 议栈移植、应用程序设计；重点进行了嵌入式无线网卡设计和相关无线驱动程 序的开发，这是嵌入式系统实现无线通信的关键。在一年多的时间里，作者完 成了以下工作： 第一章分析了无线通信的现状及相关的新技术，对无线局域网技术在嵌入 式系统应用的意义进行了研究。第二章对嵌入式系统进行了总体方案设计，并 从软硬件两个方面逐步进行细化。第三章详细介绍了嵌入式系统主板的硬件电 路设计，分析了微处理器$ 3 c 2 4 1 0 x 、存储器、外围电路和接口电路。采用p r o t e l 设计出了主板的硬件电路图，并总结了电路设计的一些经验。第四章着重介绍 了嵌入式无线网卡的硬件电路设计，基于无线网卡的设计思想和成功经验，并 结合嵌入式系统的特殊要求，采用台湾矽统科技公司的s i s l 6 3 u 无线网卡芯片 设计了一款嵌入式无线网卡。第五章详细介绍了系统的软件设计，从交叉开发 环境的构建到b o o t l o a d e r 设计、嵌入式l i n u x 的移植、在l i n u x 内核配置中 加载u s b 总线驱动程序和主控制器驱动程序基础上，设计了设备驱动程序，重 点进行了嵌入式无线网卡设计，并在分析研究了无线网卡芯片的固件和l i n u x 下无线局域网a p i 的基础上，进行了无线网卡驱动程序和无线网卡配置管理程 序的设计，最后到t c p i p 协议栈的移植，整个系统软件环境已经形成。第六 章完成了应用程序的丌发，并把嵌入式系统成功应用到电力系统的远程抄表 中。第七章总结本课题的成果和意义，并对未来的工作提出要求和展望。 江苏大学硕士学位论文 第二章嵌入式系统设计方案 嵌入式系统【i 】是指以计算机技术为基础、以应用为中心、软件硬件可裁剪， 功能、可靠性、功耗、体积、成本有着严格要求的专用计算机系统。追求“短、 小、轻、薄、快、省电、成本低”的目标。嵌入式系统设备己广泛应用于制造 工业、过程控制、仪器仪表、军事装备、消费类产品等领域。嵌入式系统由软 硬件组成，一般分为五个部分：处理器、存储器、输入输出、操作系统和应用 软件。如图2 1 所示： 图2 1 嵌入式系统组成结构 系统方案图如图2 2 所示，它包含软硬件两个组成部分。硬件部分主要以 $ 3 c 2 4 1 0 x 为微处理器，包含存储器、相关外围器件和嵌入式无线网卡接口模 块。软件主要有b o o t l o a d e r 、操作系统、相关驱动、协议栈以及应用程序。 2 1 硬件组成 图2 2 系统方案图 硬件设计分为两个板块：$ 3 c 2 4 1 0 x 2 】为微处理器的主板和嵌入式无线网卡。 主板设计是在借鉴开发板电路图的基础上，结合自身系统的功能需求，进 行相应修改和增添自身功能模块电路。主板以三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 x 微处理器 为核心，外接s s t 3 9 v f l 6 0 f 3 l 的f l a s h 作为系统程序的存储空间，采用 k 4 s 6 4 1 6 3 2 c h 的s d r a m 作为内存。1 个u s bh o s t 接口与无线模块通信，1 个u s bd e v i c e 接口与外部主机( 笔记本、p c 机或者嵌入式设备) 通信。这也 是选择$ 3 c 2 4 1 0 x 的一个原因，其上下两级都是u s b 接口，硬件设计简化。 4 江苏大学硕士学位论文 若采用a r m 7 系列微处理器的话，由于不支持u s bh o s t 接口，则要单独外 接一个u s bh o s t 控制器芯片，这样算来，成本上也没有优势，而且增加硬件 设计的复杂度，降低系统整体的耦合性。s 3 c 2 4 1 0 x 的一个串口用与p c 机连 接，用来输出调试信息，系统还引出了j t a g 信号线，作为将系统程序下载到 f l a s h 中的接口，同时也可用于硬件仿真。主板的硬件框图如图2 3 所示： 图2 3 嵌入式系统的组成结构图 嵌入式无线网卡采用的是台湾矽统科技推出的支持u s b 2 0 的无线网卡芯 片s i s l 6 3 u t 5 1 ，该芯片支持8 0 2 1 l b g 协议，功能丰富，集成度高，体积只 有拇指大小，价格适中。该网卡作为u s b 设备，通过主板上的u s b 主控制器接 口进行连接，实现无线传输功能。 2 2 系统软件方案 j 软件设计是基于硬件基础之上的，适应系统的整体需求而开发的。首先， 主板要与嵌入式无线网卡进行交互，t c p i p 网络协议解析及逆解析，接口驱动 问题，以及应用程序等。任务纷繁复杂，如果采用无操作系统的多进程的任务 调度，远远不能满足系统要求，很难胜任系统所要实现的功能，所以引入了嵌 入式操作系统。通过比较，选择了l i n u x 中的u c l i n u x 操作系统，首先，l i n t l x 6 1 是开源的，是包含内核、系统工具、完整的开发环境和应用的类u n i x 操作系 统，l i n u x 公开的内核源代码使得它成为目前最流行的操作系统。l i n u x 是真 正的抢占式多任务、多用户、多线程的操作系统，性能非常稳定，功能强劲， 且可运行于许多硬件平台，具有内置安全措施的分层的文件系统，支持多达3 2 种文件系统，支持大量的外部设备。其次，为u c l i n u x 是l i n u x 操作系统的精 简版本，主要用于微控制领域，其在嵌入式领域应用非常广泛，有许多成功案 江苏大学硕士学位论文 例可以借鉴和参考，对本系统有很好的支持。其次，要对系统的硬件进行管理， 针对系统底层硬件进行了相应的b o o t l o a d e r 开发；再次，由于系统用的是无线 网卡通信，还要进行无线网卡软件的设计。因为无线网卡芯片提供了基本的固 件，l i n u x 中也有相关w l a n a p i 函数的支持，所以只需要进行无线网卡驱动 程序和无线网卡配蚤管理程序的开发。系统中采用的都是u s b 接口，还要进 行u s b 驱动程序的开发，在l i n u x 配置时已选择了u s b 总线驱动和主控制器 驱动程序，故要进行u s b 设备驱动程序的设计；最后就是要进行t c p i p 网络 协议的移植和应用程序的开发了。 本章小结 本章分析了基于无线局域网的嵌入式系统的总体方案设计，根据系统的总 体要求，从硬件和软件两个方面考虑选择的原则和依据。功能是否达到预期的 要求，价格是否适中，系统的复杂性、健壮性等。 江苏大学硕士学位论文 第三章嵌入式系统硬件电路设计 3 1 $ 3 c 2 4 1 0 x 微处理器 $ 3 c 2 4 1 0 x 是韩国三星电子公司推出的一款基于a r m 9 2 0 t 内核的1 6 3 2 位 r i s c 嵌入式微处理器，它采用了一种叫做a m b a ( a d v a n c e dm i c r o c o n t r o l i e r b u sa r c h i t e c t u r e ) 的新总线架构。该处理器主要面向手持式设备以及高性价 比、低功耗的应用。图3 。l 为a r m 9 2 0 t 的结构框图，图3 2 为$ 3 c 2 4 1 0 x 在内 核外所集成的资源的功能框图。 图3 1a r m 9 2 0 t 的结构框图 i 圳b e $ 脚t c n 纰t 1 h 日 ；：= 书i n t 。n u n t c 。n t b 牟= 割。、怒茹。i u s 夺= 铡 。篡黼禁盆。 一| 州”旧 u 、s 阱w x f # = p 如m 叭 l # 书 s “；热，i # = 参 b u 。篇：i ；翌。f 牟= s 一“1 g = 今 图32 $ 3 c 2 4 1 0 x 在内核外所集成的资源的功能框幽 骂 一一一一一 江苏大学硕士学位论文 a r m 9 2 0 t 内核由a r m 9 t d m i 、存储管理单元n d u 和高速缓存组成。其中姗u 可以管理虚拟内存，高速缓存由独立的1 6 k b 地址和1 6 k b 数据高速c a c h e 组成。 a r m 9 2 0 t 有两个内部协处理器：c p l 4 和c p l 5 。c p l 4 用于调试控制，c p l 5 用于 存储系统控制以及测试控制。 $ 3 c 2 4 1 0 x 集成了一个l c d 控制器( 支持s t n 和t f t 带有触摸屏的液晶显示 器) ；s d r a m 控制器；3 个通道的u a r t ；4 个通道的d m a ：4 个具有p w m 功能的 定时器和一个内部时钟；8 通道的1 0 a d c 。$ 3 c 2 4 1 0 x 有很多丰富的外部接口， 例如触摸屏接口；1 2 c 总线接口；1 2 s 总线接口：2 个u s b 主机接口：1 个u s b 设备接口；2 个s p i 接口；s d 接口和删c 接口。在时钟方面$ 3 c 2 4 1 0 x 也有突 出的特点，该芯片集成了一个具有日历功能的r t c 和具有p l l ( m p l l 和u p l l ) 的芯片时钟发生器。m p l l 产生主时钟，能够使处理器工作在最高频率为2 0 3 m h z 。 这个频率可使处理器轻松运行在w i n c e 、l i n u x 等操作系统以及进行较为复杂 的信息处理。u p l l 产生实现主从u s b 功能的时钟。 $ 3 c 2 4 1 0 x 将系统的存储空间分为8 个b a n k ，每个b a n k 的大小为1 2 8 m b ， 共1 g b 容量。b a n k o 到b a n k 5 的地址是固定的，用于r o m 、s r 栅。b a n k 6 和b a n k 7 用于r o m 、s r a m 或s d r a m ，这两个b a n k 可编程且大小相同。b a n k 7 的开始地址 b a n k 6 的结束地址，灵活可变。所有内存块的访问周期都可编程，外部w a i t 扩展了访问周期。$ 3 c 2 4 1 0 x 采用n g c s 7 ：0 8 个通用片选线选择8 个b a n k 区。 $ 3 c 2 4 1 0 x 支持n a n d 闪存b o o tl o a d ，n a n d 闪存具有容量大、比n o r 闪存 更具竞争力的价格等特点，系统采用n a n d 闪存与s d r a m 组合，可以获得非常 高的性价比。$ 3 c 2 4 1 0 x 具有三种b o o t 方式，有o m 1 ：0 管脚选择：0 0 时处理 器从n a n d 闪存b o o t ；0 1 时从1 6 位宽的r o m b o o t ；1 0 时从3 2 位宽的r o m b o o t 。 用户将b o o t l o a d 代码和操作系统镜像放在外部的n a n d 闪存，采用n a n d j ；- 】存 b o o t 。处理器上电复位时，通过内置的n a n d 闪存访问控制接口将b o o t l o a d 代 码自动加载的内部的4 k b 的s r a m 中( 此时s r a m 定位于起始地址空间 o x 0 0 0 0 0 0 0 0 ) 并且运行，在b o o ts r a m 运行的b o o t l o a d 程序将操作系统的镜 像加载到s d r a m ，之后操作系统就能够在s d r a m 中运行。启动完毕，4 k bb o o t s r a m 就可以用于其它用途。如果从其它方式b o o t ，b o o tr o m 就要定位于内存 的起始地址空间o x 0 0 0 0 0 0 0 0 ，处理器直接在r o m 中运行b o o t 程序。 $ 3 c 2 4 1 0 x 对于片内的各个部件采用了独立的电源：内核采用1 8 v 供电； 存储单元采用3 3 v 供电，对于一般的s d r a k i 可以3 3 v 供电，对于移动s d r a m 可以采用v d d 等于1 8 v 2 5 v ，v d d q 等于3 0 3 3 v ，i o 采用独立的3 3 v 供电。 整个$ 3 c 2 4 l o x 芯片共有2 7 2 个引脚，采用f b g a 封装形式，如图3 3 所示。 江苏大学硕士学位论文 以$ 3 c 2 4 1 0 x 为处理器的外围电路原理图如图3 4 、3 4 、3 4 7 】【引，由 于芯片封装采用矩阵形式的f b g a 封装，引脚密集度很高，所有线路不能在一张 图上画出，整个芯片外围电路被分为三部分显示，但实际是作用在同一芯片上。 $ 3 c 2 4 1 0 x 采用5 级流水线，有a r m 和t h u m b 两种操作状态1 们，可通过 c p s r 中的一个位来标记。复位后$ 3 c 2 4 1 0 x 处于a r m 态。相对于其它微处理器， $ 3 c 2 4 1 0 x 还有以下一些特点： ( 1 ) $ 3 c 2 4 1 0 x 处理器有u s e r ( 用户模式) 、f i q ( 快速中断模式) 、i r q ( 外 部中断模式) 、s v c ( 超级用户模式) 、a b o r t ( 数据访问终止模式) 、s y s t e m ( 系 统模式) 、u n d e f i n e d ( 未定义指令终止模式) 等7 种运行模式。 图3 4 以s 3 c 2 4 l o x 为处理器的外嗣电路原理图 9 江苏大学硕士学位论文 醒脚3 4 以$ 3 c 2 4 1 0 x 为处理器的外围电路原理图 图”1 3 ，4 以$ 3 c 2 4 1 0 x 为处理器的外围电路原理图 在用户模式下，程序只能访问有限的系统资源，不能直接进行处理器模式 的切换，当需要进行模式切换时，应用程序可以产生异常中断，在异常处理过 程中进行处理器运行模式的切换。 ( 2 ) $ 3 c 2 4 1 0 x 共有3 7 个寄存器，其中包括3 1 个通用寄存器和6 个状态寄 存器，所有这些寄存器都是3 2 位的。任意时刻，可见的寄存器包括1 5 个通用 寄存器( r o r 1 4 ) 、一个或2 个状态寄存器以及程序计数器p c 。在所有的寄存 1 0 江苏大学硕_ 上学位论文 器中，有些是各模式共用的同一个物理寄存器，有一些是各模式自己拥有的独 立的物理寄存器。各运行模式下可见的寄存器组情况如图3 5 所示： a r ms t a r eg e n e r a lr e c j f i e f e r sa n dp r o gr a mc o i i n t e r s y s i 1 1 1si _ i s 啊 f i o n 2 r 1 r ? r j i j r 5 r 6 r 7 1 k h e 柏 r 9 _ q r “- n q r 1 1m r 1 2 i l q r 1 3 i l q r 1 4r l 口 r 1 ：一f c r ，) r 1 r 2 r 3 r 4 r s i q g r ? r r r 1 1 r i l r 1 1 r 1 2 r i ? “c 、r 1 4 r c r 1 0 p c i = r 1 3 r 1 4 l b t r 1 0 帅 r 1 4h k r l 3u n d r 1 4u n d a r ms l 。a t epr o g r a i ”s t a t u er e g i e t e r s c | 、s f ：c ；p s rp s hc p s rc p g rc f 峭r 区丞删区巫翻区重型区西剜区莶型 图3 5 $ 3 c 2 4 1 0 x 寄存器示意图 其中，每一列是一种运行模式下可访问的寄存器，不带黑三角的表示所有 运行模式共享一个物理寄存器，带黑三角的表示每种运行模式都有自己的一套 专用物理寄存器，在别的运行模式下访问不到。也就是说，在不同运行模式下 同一寄存器名称可能对应不同的物理寄存器。 c p s r 可以在任何运行模式下被访问。它包含了条件标志位、中断禁止位、 当前处理器模式标志以及其他的一些控制和状态位。 当特定的异常中断发生时，$ p s r 用来保存进入当前运行模式前的上一个运 行模式下的c p s r 。因为用户模式和系统模式不是异常中断模式，所以它们没有 $ p s r 。而其它每一种运行模式下s p s r 都对应一个专用的物理寄存器。 异常中断类型中断向量地址所处的处理器运行模式优先级 复位 0 ) 【0 0$ v c 1 未定义的指令 0 x 0 4 u n d e f i n e d6 软件中断0 x 0 8$ v c6 指令预取中止0 x o ca b o r t5 数据访问中止 o x l 0a b o r t2 保留 0 x 1 4 外部中断 o x l 8i r q 4 快速中断 o x l c f i q 3 表3 一l 各异常中断的中断向量地址、处理器运行模式及优先级间的关系 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) $ 3 c 2 4 1 0 x 中有复位中断( r e s e t ) 、未定义的指令中断( u n d e f i n e d i n s t r u c t i o n ) 、软件中断( s w i ) 、指令预取终止中断( p r e f e c ha b o r t ) 、数据访 问终止中断( d a t aa b o r t ) 、外部中断( i r q ) 、快速中断( f i q ) 等7 种异常中断。 上述异常中断发生时，对应每种异常中断，会跳转到某个特定的地址处去执行 指令。当几个异常中断同时发生时，会按照一定的次序来处理这些异常中断。 $ 3 c 2 4 1 0 x 定义了6 级中断，如上表3 一l 所示： 另外，外部中断有5 6 个中断源。当i r q 中断被触发时，寄存器i i s p r ( 地 址为o x o i e 0 0 0 2 0 ) 中记录了触发i r q 中断的具体中断源。所以i r q 中断服务程 序首先要确定具体的中断源，然后才能跳转到相应的中断服务程序处执行。对 应i r q 中断服务程序的源代码可列示如下： i s r i r q：i s r 中断服务程序 s u b s p ，s p ，# 4：腾出空位，准备存放中断服务程序首地址 s t m f d s p ! ，( r 8 一r 9 ) i d r r 9 ，一一i s p r i d r r 9 ， r 9 ：将i i s p r 的内容传入r 9 m o v r 8 ，# o x o 0 m o v s r 9 ，r 9 ，l s r # l b c sf 1 a d d r 8 ，r 8 ，# 4 bb o l d r r 9 ， r 9 s t r r 9 ， s p ，# 8 将l i s p r 逻辑左移 判断进位标志c 是否位l ，若为1 ，则跳 到标号1 处执行 否则，在r 8 中记录偏移量 h a n d l e a d c 是各i r q 中断服务程序首地址 存放的开始位置 r 9 中为刚刚发生中断的外部中断源中断 服务程序首地址存放位置 将中断服务程序首地址取出 放入堆栈中( 开始时腾出的空位) l d m f d s p ! ， r 8 一r 9 ，p c ：跳转到