（计算机系统结构专业论文）基于vxworks的dcs系统移植与驱动开发.pdf

s y s t e mp o r t i n ga n d d r i v e rd e v e l o p m e n to fd c s b a s e do nv x 何白r k s l uf a n g y o n g u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f z h a n gy u l i n at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a j u n e ，2 0 1 1 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作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责任由本人承担。 论文作者签名：习牡 日 期：土址二址 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或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鉴；本人授权济南大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 口公开i - i 保密(年，解密后应遵守此规定) 论文作者签名：雩垄良一导师签名： 济南大学硕 学位论文 目录 摘要v a b s t r a c t v i i 第一章绪论1 1 1 论文背景及发展现状1 1 2d c s 系统介绍2 1 3 嵌入式系统概论4 1 3 1 嵌入式系统概念4 1 3 2 嵌入式操作系统一4 1 3 3 嵌入式处理器5 1 4 论文的主要研究内容7 第二章m p c 8 31 3 e 硬件平台简介9 2 1 总体设计9 2 2 主要芯片选择1 0 2 2 1p o w e r p c 芯片1o 2 2 2f l a s h 芯片1 2 2 2 3r t c 芯片1 2 2 2 4 网络芯片1 2 2 3 本章小结。13 第三章实时操作系统v x w o r k s 1 5 3 1v x w o r k s 简介1 5 3 2w o r k b e n c h 开发工具简介l7 3 3v x w o r k s 内核2 0 3 3 1v x w o r k s 目录介绍2 0 3 3 2v x w o r k s 任务模型2 1 3 3 3v x w o r k s 内核类型2 3 3 3 4v x w o r k s 组件2 5 3 4v x w o r k s 设备驱动2 6 3 4 1v x b u s 设备驱动模型2 7 l 基于v x w o r k s 的d c s 系统移植与驱动开发 3 4 2 旧版本设备驱动模型3 2 3 5 本章小结3 2 第四章v x w o r k sb s p 及驱动模块设计3 3 4 1v x w o r k sb s p 3 3 4 1 1v x w o r k sb s p 概念介绍3 3 4 1 2v x w o r k sb s p 开发流程3 4 4 1 3v x w o r k s 启动顺序介绍3 5 4 1 4v x w o r k sb s p 文件介绍3 6 4 2v x w o m c s 最小系统开发移植一3 8 4 2 1v x w o r k sb s p 文件修改3 9 4 2 2v x w o r k s 时钟驱动51 4 2 3v x w o r k s 串口驱动5 5 4 3v x w o r k sf l a s h 驱动编写5 9 4 3 1t f f s 组件介绍5 9 4 3 2n o rf l a s h 驱动开发6 1 4 3 3 应用f l a s h 设备6 6 4 4v x w o m c sr t c 驱动编写6 6 4 4 11 2 c 总线协议介绍6 6 4 4 2d s13 3 9 芯片介绍6 7 4 4 3 驱动程序开发6 9 4 4 4r t c 时钟和系统时钟同步。7 4 4 5v x w o r k s 以太网驱动编写。7 4 4 5 1m p c 8 313 e 网络硬件平台7 4 4 5 2v x w o r k s 网络驱动开发基础7 5 4 5 3v x w o r k s 网络功能初始化7 7 4 5 4 网络驱动设计实现7 8 4 5 5 网络应用。8 2 4 6 本章小结8 3 第五章系统测试与运行。8 5 i i 济南大学硕七学位论文 5 1 系统环境搭建8 5 5 1 1 测试平台搭建8 5 5 1 2 编译环境搭建8 6 5 1 3 调试信息添加。8 7 5 2v x w o g k sb s p 及驱动模块测试8 8 5 2 1b o o t r o m 8 8 5 2 2v x w o r k s 最小系统8 9 5 2 3n o rf l a s h 模块一9 2 5 2 4r t c 模块9 3 5 2 5 以太网模块9 4 5 3 本章小结9 7 第六章结束语9 9 6 1 全文总结9 9 6 2 工作展望10 0 参考文献101 致谢10 5 f ；f j 。录10 7 一、在校期间发表的学术论文1 0 7 二、在校期间参加的项目10 7 三、在校期间获奖情况1 0 7 i i i 济南大学硕十学位论文 摘要 随着国内计算机应用技术的不断发展和深入，嵌入式系统应用开发逐渐成为 了一个新兴的热点领域。在工控领域，嵌入式系统应用从开始的单机控制发展到 离散控制系统( d c s ) ，又衍生出现了新的现场总线控制系统( f c s ) 。目前d c s 主 要是国外公司垄断，面对国内广阔的市场，d c s 国产化成了技术攻关的重点和 迫切的要求。 针对项目的技术要求，本文详细研究了v x w o r k s 实时操作系统及其在 m p c 8 3 1 3 e 硬件平台上的系统移植技术，主要的工作如下： 1 介绍了d c s 系统的基本概念和嵌入式系统的基础知识。为了提高系统的 可靠性，在d c s 硬件系统设计中，采用了m p c 8 3 1 3 e 硬件平台，并对外围设备 芯片的选择进行了具体的分析。 2 对嵌入式实时操作系统v x w o r k s 做了详细的分析，深入研究了v x w o r k s 的启动流程、内核类型和v x b u s 驱动程序架构模型。开发部署v x w o r k s 需要使 用专用的开发环境w o r k b e n c h 3 0 ，介绍了该开发环境的的基本界面。 3 基于m p c 8 3 1 3 e 硬件平台，研究了v x w o r k s 系统移植开发流程以及驱动 开发设计过程，这是本课题的重点。通过综合分析d c s 系统整体配置，划分了 v x w o r k s 下最小系统、f l a s h 的驱动程序、r t c 的驱动程序、以太网的驱动程序 几大支持模块。同时，具体分析了上述模块的驱动架构，并结合实际应用予以编 码实现。 4 对开发实现的各个驱动模块进行了测试，给出了具体的测试结果。通过 测试，可以很好的对驱动模块性能进行有效的评估和完善，从而也验证了系统的 可行性和可靠性。 关键词：嵌入式系统；v x w o r k m 系统移植；p o w e r p c ；d c s v 基于v x w o r k s 的d c s 系统移植与驱动开发 济南大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n d e p t hd e v e l o p m e n to fd o m e s t i cc o m p u t e ra p p l i c a t i o n st e c h n o l o g y , t h ee m b e d d e ds y s t e mi sa p p l i e dg r a d u a l l yt ob e c o m ean e wh o ts u b j e c t i nt h ef i e l do f n a t i o n a li n d u s t r i a lc o n t r o l ，t h ed e v e l o p m e n to ft h ee m b e d d e ds y s t e mi sb u i l tf r o mt h e s t a n d - a l o n ec o n t r o ls y s t e mt ot h ed i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ( d c s ) a n dt h en e w e r f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ( f c s ) d e r i v e df r o md c s a tp r e s e n t ，f o rt h es i t u a t i o nt h a t d c sm o n o p o l yb yf o r e i g nc o m p a n i e sa n dt h ev a s td o m e s t i cm a r k e t ，t h el o c a l i z e d p r o d u c t i o no fd c sb e c o m e st e c h n o l o g yr e s e a r c hp r i o r i t ya n du r g e n tr e q u i r e m e n t s a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h ep r o j e c t ，t h ep a p e rd e s c r i b e sv x w o r k s r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ( r t o s ) a n dt h ep r o c e s so fe n t i r es y s t e mp o r t i n gf o r v x w o r k sr t o sb a s e do nm p c 8 313 eh a r d w a r ep l a t f o r mi nd e t a i la n dt h em a j o r w o r k sa r es h o w na sf o l l o w s ： 1 t ob e g i n 晰t l l ，t h ep a p e rp r e s e n t st h e b a s i so fe m b e d d e ds y s t e mw h i l ea n o v e r v i e wo ft h ec o n c e p t so fd c s t oi m p r o v et h es y s t e mr e l i a b l i t y , t h em p c 8 3 13 ei s a d o p t e da st h eh a r d w a r ep l a t f o r mf o rt h eh a r d w a r es y s t e md e s i g n ，a n dt h ec h o i c e sf o r m a i nd e v i c ec h i pm o d u l e sa r ed e p i c t e di nd e t a i l 2 t h ev x w o r k sr t o si si n 仃o d u c e di nd e t a i l ，r e f e r r i n gt ov x w o r k ss t a r t u p p r o c e s s ，k e r n e lt y p e sa n dn e wd r i v e ra r c h i t e c t u r e v x b u s f u r t h e r m o r e ，t h er e l a t e d i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ( i d e ) w o r k b e n c h 3 0i sr e q u i r e d t ob u i l d v x w o r k sr t o sa n ds o m ef u n c t i o n sa b o u ti ta r er e f e r r e di nb r i e f 3 b a s e do nm p c 8 313 eh a r e w a r ep l a t f o r m ，t h ep r o c e d u r e so fs y s t e mp o r t i n ga n d d r i v e rd e v e l o p m e n tt h a ta r et h ef o c u so ft h ep a p e ra r ei n t r o d u c t e d a l l o wf o rt h e d e m a n d so ft h ep r o j e c ta n dt h eo v e r a l lc o n f i g u r a t i o na n a l y s i s ，t h e s es u p p o r tm o d u l e s a r ed i v i d e ds u c c e s s f u l l yt h a tc o n t a i nt h ev x w o r k sm i n i m u ms y s t e m ，e t h e m e td r i v e r , f l a s hd r i v e ra n dr t cd r i v e r m e a n w h i l e ，t h em o d u l e sa r ea n a l y s e df o rd r i v e r a r c h i t e c t u r ea n di m p l e m e n t e d ，c o m b i n e dw i mt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n s 4 t h es p e c i f i ct e s t i n gr e s u l t so ft h e s ed r i v e rm o d u l e sa r er e p r e s e n t e d t h e p e r f o r m a n c eo ft h em o d u l e sc a nb ea s s e s s e da n di m p r o v e db yt h es u c c e s s i v et e s i n g ， v i l 基于v x w o r k s 的d c s 系统移植与驱动开发 t h e r e b y , w h i c hh a sv e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；v x w o r k s ；s y s t e mp o r t i n g ；p o w e r p c ；d c s v i i i 济南大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 论文背景及发展现状 在经济飞速发展的今天，科学技术在国民经济中占据了重要的地位，被逐渐 推广到工业、军事、医疗、通信等高精尖领域中。而随着工业自动化技术的迅速 发展，综合自动化控制系统的水平也在不断提高；逐渐从单机控制系统发展到离 散控制系统( d c s ) ，接着又衍生出了新的现场总线控制系统( f c s ) ，并已开始应用 于d c s 的过程控制层。国际著名a r c 咨询机构于2 0 0 3 年发布了世界d c s 市场 预测报告：d c s 市场在中国未来几年内会稳步上升【l 】。d c s 将成为应用广泛的 控制系统，势必加速我国经济发展。 目前世界上d c s 系统主要制造商有f o x b o r o ( 美) 、s i e m e n s ( 德) 、a b b ( 瑞士) 、 e m e r s o n ( 美) 、h i t a c h ( e 1 ) 等。他们拥有一定的总线技术，占据着垄断地位，产 品远销各国。在国内d c s 厂家中，最大的供货商有浙大中控、合利时、上海新 华等。在应用开发d c s 的过程中，国内和国外著名的d c s 制造商存在一定的差 距。但是，我国科研技术人员在经过多年的学习和自主创新也已经取得可喜的成 果。国内在d c s 系统的研制上具有很大的发展空间。 一篇题为“分布式控制系统在中国的前景”的研究报告中指出，d c s 厂商在中 国的商机在增加。对于广阔的国内市场，d c s 系统的需求量会大幅上升，而且 面对国外昂贵的系统，国内廉价系统开发成本使国内d c s 制造商具有先天的优 势。而且，国家关键保密的基础设施中不可能引进国外的d c s 系统，只能自主 开发，所以生产具有自主知识产权的d c s 系统，对我国的工业发展具有重大的 意义。而且在d c s 的设计开发中采用广泛认可的硬件、软件、网络和通讯接口， 取代过时的、有专利性的d c s 结构成为新一代d c s 发展的方向1 2 】。 在工业控制领域，高实时操作系统v x w o r k s 的引入，无疑给嵌入式系统的 软件设计带来了一场新的革命，加速了产品的上市时间，也增大了竞争的砝码。 自从国外的基于v x w o r k s 的成熟的成功案例传入中国后，国内对v x w o r k s 操作 系统的应用，短短几年内，逐渐进入了国内工业控制、通信、国防、医疗设备等 嵌入式实时应用领域，特别是最近两年，v x w o r k s 越来越多的占据了国内的嵌入 基于v x w o r k s 的d c s 系统移植与驱动开发 式实时应用市场。在要求高可靠性高实时性的工业控制行业中显示出了巨大的应 用前景。 1 2d c s 系统介绍 d c s 自1 9 7 5 年问世以来，经历了三十多年的发展历程。在这期间，d c s 虽 然在系统的体系结构上没有发生重大改变，但是随着计算机技术的不断发展，也 促进了d c s 系统的从概念上乃至功能上的不断飞跃，其性能得到了巨大的提高。 总的来说，d c s 正在向着更加开放，更加标准化，更加产品化的方向发展3 1 。 d c s 集散系统：d c s 英文全称d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，中文 全称为集散型控制系统【4 ，5 1 。d c s 可以解释为在模拟量回路控制较多的行业中广 泛使用的，将控制所造成的危险性分散，而将管理和显示功能集中的一种自动化 高技术产品。d c s 一般由五部分组成：控制器、f o 板、操作站、通讯网络和图 形及编程软件 6 1 。d c s 系统主要架构如下图1 1 所裂7 】： 莨 系统孵络 a l l 现场控制站现场控制站 主处理器主处理器 由南由由 i l f翔】勤风笙譬硝口 e* 自h a m ilil i 篙l 1 篙ii 瓣i 1 篙i 图1 id c s 系统框架结构图 1 系统网络 系统网络是d c s 系统的基础。对于系统网络应该满足一定的实时性、可靠 性和可扩充性。系统网络的实时性是指在一定时间内必须确保信息传送的完成， 而且时间的长短要依据工业控制过程来确定。系统网络的可靠性则是指在任何情 况下的通信双方不能中断，这也决定了d c s 系统的网络要有一定的冗余特性， 2 济南大学硕e 学位论文 曼i ii； i i ii iii _ 舅曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼 如采用环形或者星形网络拓扑结构。系统网络的可扩充性则是指系统具有的最大 节点数量应该比实际使用的节点数要大。这样，节点可以随时被添加，而且也有 一定的冗余性来保证系统网络的负荷适当。 2 控制站 控制站也称为现场f o 控制站，是一个典型的工业控制嵌入式系统。它作为 d c s 系统的核心，承担者对下层模块的控制功能。系统的性能、可靠性等重要 指标也要依靠现场控制站来保证，因此，现场控制站一般采用专门的工业级计算 机系统。并且，控制站和现场的i o 模块连接要考虑各种信号干扰，一般由特定 的总线连接，如c a n 总线，p r o f i b u s 总线等。通过控制站可以避免由于一个站 点损坏而造成整个系统的失效，提高系统可靠性，也可以使各站点分别承担数据 采集和控制功能，有利于提高整个系统的性能。 3 工程师站 工程师站是d c s 系统中的一个重要的功能站，主要作用是对d c s 系统进行 应用组态设置。可以在工程师站上对控制系统实现定制各种各样的应用的功能。 只有在完成了正确的组态设置功能后，一个通用的d c s 系统才成为一个控制具 体应用的可运行系统。而且，工程师站可以对系统运行状态进行监控，以及时发 现系统异常进行处置。 4 操作员站 操作员站主要用于完成人机界面交互功能，通常采用通用的计算机系统，但 是要求的图形显示功能强，具有较高的硬件配置。 5 现场总线网络 现场总线网络已从过去的模拟式总线发展为广泛使用的全数字化总线网络。 它具有大大缩减铺线费用，传输数据量加大，更具有标准化以及提高整体系统可 靠性实现在线故障检测等优点。现代现场总线的应用将会使原始d c si o 结构彻 底改变，更具有互联性和开放性等特点。现在常用的现场总线有c a n 总线、 p r o f i b u s 总线等。 6 其他功能站 在现代d c s 系统中，除了上述几个站外，还有一些执行特殊功能的计算机 站，如：记录历史数据的历史站、进行运算的高级计算站，另外还有服务器站用 基于v x w o r k s 的d c s 系统移植与驱动开发 来监督控制层的工作等。 1 3 嵌入式系统概论 1 3 1 嵌入式系统概念 目前，嵌入式系统定义大同小异，从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的 综合体，面向特定应用，可以涵盖其他附属装置，具有功耗低、体积小、集成度 高的特点。根据i e e e 的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和 设备运行的装置”。目前国内普遍认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术 为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严 格要求的专用计算机系统【8 1 1 】。 本课题来源于d c s 系统设计中一个整体模块现场控制站。该控制站是一个 典型的嵌入式系统，主要由嵌入式操作系统和嵌入式硬件两部分组成。 1 3 2 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统是随着计算机技术的逐步发展而建立起来的，是一种专用于 嵌入式系统应用的操作系统软件1 2 。1 4 】。它是嵌入式系统中软件部分的主要组成部 分，一般包括与硬件底层相关的驱动软件、系统内核、驱动a p i 、通用协议、图 形界面、标准化的w e b 浏览器等。嵌入式操作系统和普通的操作系统有所不同， 更注重于系统实时高效性、硬件依赖性、软件固态化以及系统应用的专用性等方 面。因此，嵌入式操作系统具有如下特征：小巧、高实时性、强稳定性、可裁剪 性、可固化以及统一的系统接口【1 5 - 1 8 1 。 对几种常见的嵌入式操作系统进行介绍： ( 1 ) v x w o r k s v x w o r k s 操作系统是美国w i n d r i v e r 公司设计开发的一种嵌入式实时操作系 统( i 玎o s ) 。它以其良好的持续发展能力、高性能的内核、友好的用户开发环境、 卓越的实时性被广泛应用在通信、军事、工业控制、航空航天等高精尖技术及要 求高实时性的领域中。现在版本已经发行到v x w o r k s 6 8 ，且从原来的t o r n a d o 开发环境逐渐过渡到采用基于开源e c l i p s e 框架的w o r k b e n c h 集成开发环境。目 前，v x w o r k s 已经支持多种处理器，具有友好的开发环境，在市场占有率上逐渐 4 济南大学硕十学位论文 上升。 v x w o r k s 具有可裁剪的微内核、高实时性、高可靠性等一系列优点，但是价 格过高，部分源码开放，不便于被广泛学习使用。 ( 2 ) 嵌入式l i n u x 嵌入式l i n u x 操作系统近几年来成为了研究和应用热点。它的最大特点就是 源代码完全开放，遵循g p l 协议。因此，在应用当中，可以任意修改源代码， 可供参考实例较多，排除错误容易。 嵌入式l i n u x 仍然具有l i n u x 的大多数优点：稳定、良好的移植性、优秀的 网络功能、对多种文件系统的支持以及标准丰富的a p i 函数库等【1 9 】。目前常见 的嵌入式l i n u x 操作系统版本有r t - l i n u x 、u c l i n u x 、e m b e d i x 、x l i n u x 以及我们 国家的红旗嵌入式l i n u x 。 ( 3 ) w i n d o w sc e w i n d o w sc e 操作系统是m i c r o s o f t 推出的针对小容量、移动式、智能化的实 时嵌入式操作系统。它和w i n d o w s 操作系统在软件上有良好的兼容性，这无疑 将推动w i n d o w sc e 的市场占有率。该操作系统从模块化的角度进行设计，可以 由开发者根据产品应用选择不同的系统开发套装，如消费、通信、电子等类。而 且，它是一个支持多线程、完整优先级和多任务的操作系统1 2 0 。 但是，w i n d o w sc e 没有开放源代码，不便于开发人员进行学习应用，而且 占用的系统内存相对较多。 ( 4 ) u c o s - i i u c o s - i i 操作系统是一个源代码公开的易裁剪移植及占先式的实时多任务 操作系统，大部分源码使用a n s i c 编写。它专为嵌入式应用而设计，具有执行 效率高、占用空间小、实时性优良和良好的扩展性等特点。它仅仅是一个实时操 作系统内核，部分非必需功能需要由用户完成。由于大部分使用标准c 编写， 所以开发使用u c o s - i i 比较容易，但是商业应用需要付费【2 l 】。 1 3 3 嵌入式处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，经过一段时间的发展，现已经从最初的 4 位处理器发展到了6 4 位嵌入式处理器。和通用处理器相比具有功耗低、集成 基于v x w o r k s 的d c s 系统移植与驱动开发 度高、体积小等特点，具有广阔的发展前景。并且随着生产工艺技术的不断提高， 其性能将会进一步提升，和通用处理器的区别将会变得模糊。 现在，嵌入式处理器主要分为以下四类1 2 2 ： ( 1 ) 嵌入式微处理器( m p u ) 嵌入式微处理器是由计算机中的c p u 演变而来，具有3 2 位及以上处理能力， 具有较高的性价比。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器在工作温 度、抗电磁干扰、可靠性等性能方面一般都做了增强。并且，和其它计算机处理 器相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前 主要的嵌入式处理器类型有p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m s t r o n g a r m 系列等。 ( 2 ) 嵌入式微控制器( m c u ) 嵌入式微控制器的典型代表是单片机。它内部往往集成多种外设，如：r o m 、 r a m 、f l a s h 、定时计数器、看门狗、串行口、a f t ) 、d a 等。因此它的最大特 点就是体积小而所有功能内部模块化，从而功耗较低可靠性提高。 m c u 所具有的廉价高性能，品种繁多，比较有代表性的包括8 0 5 1 、m c s 2 5 1 、 6 8 k 等。 ( 3 ) 嵌入式d s p 处理器( e d s p ) d s p 处理器是专门用于信号处理的处理器。针对信号处理的特殊性，采用了 哈弗体系结构，并对指令算法进行了特殊的设计，执行速度快。主要应用在数字 滤波、f f t 等各种领域中。 目前最为广泛应用的如t i 的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 系列d s p 处理器。 ( 4 ) 嵌入式片上系统( s o c ) 嵌入式片上系统是目前嵌入式领域讨论的的热门话题之一，英文为s y s t e m o nc h i p ( s o c ) 。s o c 最大的特点是成功实现了软硬件结合开发，可以直接在处 理器片内嵌入相应的软件代码模块。通过在一个系统内部使用v h d l 等描述性 语言综合时序设计实现自己的功能，然后仿真通过后就可以交付芯片厂商进行生 产了。因此，通过这种方式设计的系统实现位于系统内部，减小了系统体积和功 耗的同时提高了系统的可靠性。 比较典型的s o c 产品是p h i l i p s 的s m a r tx a 。 综上所示，嵌入式处理器在嵌入式应用中扮演越来越重要的作用。但是随着 6 济南大学硕七学位论文 量置曼曼鼍曼曼皇曼曼曼皇i i 。i i ；i 舅曼曼曼曼皇曼鼍曼! 曼曼舅曼舅曼曼曼皇璺皇詈曼曼曼皇曼曼曼曼曼鼍皇! 皇曼曼曼曼皇曼曼! 曼皇! 舅曼曼曼曼量 嵌入式工艺技术的发展，也出现了上述两种或多种处理器的融合，如：嵌入式微 处理器和s o c 的融合、微控制器和d s p 的融合以及微控制器和c p l d f p g a 的 融合【2 3 】。 1 4 论文的主要研究内容 本文实现了d c s 系统中现场控制站底层软件的开发移植。现场控制站使用 f r e e s c a l e 公司的m p c 8 3 1 3 e 微控制器，并完成了实时操作系统v x w o r k s 在其上 的移植及驱动开发任务。软件开发环境为w i n d r i v e r 公司的w o r k b e n c h 3 0 v x w o r k s 集成开发编译环境和j e d i v i e w 下载调试工具。 本论文的主要内容包括如下几部分： 第一章：绪论。介绍本课题研究背景及国内外发展现状，并且简述d c s 系 统和嵌入式系统有关概念。 第二章：m p c 8 3 1 3 e 的硬件平台简介。介绍硬件平台总体设计以及硬件模块 部分。 第三章：实时操作系统v x w o r k s 。介绍嵌入式实时操作系统v x w o r k s 、编译 环境w o r k b e n c h 3 0 和v x w o r k s 设备驱动模型。 第四章：v x w o r k sb s p 及驱动模块设计。重点给出了本课题中整个系统的 b s p 及驱动模块设计实现过程。主要包括了最小系统移植、f l a s h 驱动、r t c 驱 动以及以太网驱动几大模块。 第五章：系统测试与运行。从测试的角度验证分析各驱动模块工作情况，并 给出了各驱动模块的运行效果。 第六章：结束语。对本课题所取得成果进行了总结，并指出了本课题的不足 和下一步的工作展望。 7 厂 基于v x w o r k s 的d c s 系统移植与驱动开发 8 济南大学硕士学位论文 2 1 总体设计 第二章m p c 8 3 1 3 e 硬件平台简介 如今，嵌入式应用已经成为一个热门话题。在进行嵌入式开发当中，首要解 决的就是嵌入式微处理器的选择。嵌入式微处理器作为嵌入式系统的核心，直接 决定了系统的硬件性能。在d c s 系统中，本课题采用了m p c 8 3 1 3 e 微处理器作 为现场控制站核心处理器，主要有以下考虑： ( 1 ) d c s 系统应用在工业控制领域，该领域要求系统具有高可靠性、安全 性，这就要求选择一款高性能低功耗的稳定的处理器。 ( 2 ) 在应用中，还取决于系统的外扩功能，需要有丰富的外设资源。在本 课题d c s 中考虑到数据安全性，使用了两个网口，一个用于网络通信，而另一 个用于数据备份。因此，选择一款专用的集成化处理器尤为重要，如：m p c 8 3 1 3 e 内含有2 个千兆以太网控制器，以及丰富的外设资源。 经过筛选比较，选定了m p c 8 3 1 3 e 作为主微处理器芯片，其体系结构如图 2 1 。面对d c s 系统，丰富的外设扩展功能也需要被支持。基于本课题外扩模块 主要分为下面几部分，如图2 2 ： ( 1 ) 串口。 串口是程序开发中必备的模块之一，通过它p c 机可以和目标板进行通信， 方便应用程序的开发和调试。在本课题中，前期串口作为调试通道，后期连接 r s 4 8 5 芯片，和下层模块进行通信。 ( 2 ) 以太网。 在嵌入式应用普及的今天，很大程度上取决于网络的应用，所以网络模块也 必不可少。以太网作为当前应用最普遍的局域网通信协议标准，可供选择的产品 多，开放性好。 ( 3 ) f l a s h 存储器。 f l a s h 存储器又称为闪存，具有可擦除、掉电不丢失数据、体积小而容量大、 安全性高、易于携带等一系列优点，可以用来存储程序代码和数据。近年来，f l a s h 全面应用逐渐取代了r o m 在嵌入式系统中的领导地位。 9 基于v x w o r k s 的d c s 系统移植与驱动开发 ( 4 ) r t c 时钟芯片。 r t c 时钟芯片主要用来给系统提供实时时钟。它作为一款外扩芯片在上电时 可以提供时钟，掉电时由电池供电依然保存实时时钟信息。这对d c s 系统校对 时钟是有重要意义的。 ( 5 ) r a m 存储器。 r a m 存储器可以用来存放正在执行的程序和数据，具有执行速度快，但掉 电丢失信息等特点。本课题采用了d d rr a m 和s d r a m 两种，用来存储程序 和数据。 ie 3 0 0 c 3 c o r eln 蕊i n t e r r u 习p tl 圈圈li k e n h a n c e d id d r ： 森 p c lid m a 到t h u s b 恶2 0 剥幽匿lu l p i 恶黜i 图2 1m p c 8 3 1 3 e 内部结构 ii ) e r 2 2 8 m b 卜一 e l d i 垃b u se 珏日丑 h l 网刚0 0 m is r a m 5 2 k b 卜一 l o c a l b u se 珏日卫 h i i 舰1 0 0 m m 咿c 略1 3 冠 l 蝴瞅卜 2 i 脚 h i2 u a r ti h i 2 r s 4 8 5 i 鼍攀刚i h l o c a lb u sb u s l r t c i蹦i 2 2 主要芯片选择 图2 2m p c 8 313 e 外扩模块整体结构 2 2 1p o w e r p c 芯片 在d c s 系统中，主要考虑的是工业控制系统的安全和稳定性，在众多的微 1 0 一眦一蚋 2 ， 济南大学硕十学位论文 处理器中选择了p o w e r p c 中的一款m p c 8 3 1 3 e 微处理器芯片。这款处理器具有 低功率、高集成度、价格低廉等优点，常被用于网络交换机、线卡、无线l a n s 、 智能n i c 和工业控制器等领域。这款芯片具有丰富的外设接口，具有如下特点【2 4 1 ， 总体架构可参看图2 1 ： ( 1 ) 内部嵌入了一个具有4 段流水线和低中断延迟的e 3 0 0 c 3p o w e r 架构处 理器核；该处理器核支持浮点运算，具有1 6 k 指令和数据c a c h e ，可以进行动 态电源管理，而且从软件上兼容p o w e r 架构下的f r e e s c a l e 处理器家族。工作频 率高达3 3 3 m h z 。 ( 2 ) 拥有d d r 和s d r a m 内存控制器，最大寻址空间5 1 2 m b ，可工作在 l6 位或3 2 位数据模式下。可被支持的s d r a m 不同类型可以通过软件进行配置， 并且支持自动刷新模式。 ( 3 ) m p c 8 3 1 3 e 已经包含了2 块以太网控制器( e t s e c ) 。并且以太网控制 器可以工作在10 10 0 10 0 0 m b p s 三速全双工模式下，支持多种通信协议标准，支 持硬件网络q o s 服务设置，可以进行t c p i p 加速设置，可以支持多种p h y 设 备选择。m p c 8 3 1 3 e 自带的网络处理的优秀特性，可以给d c s 系统设计带了了 很大的灵活性和高效性，从而方便网络的应用实施。 ( 4 ) m p c 8 3 1 3 e 通过高级本地总线控制器( e l b c ) 来管理外扩设备。高级 本地总线控制器可以支持从n o rf l a s h 和n a n df l a s h 两种方式启动。通过该控 制器方便了对外扩存储设备的统一管理，可以从软