（电路与系统专业论文）基于powerpc和ucosⅡ的一种嵌入式系统.pdf

西北1 业人学硕十学位论文 摘要 摘要 在微控制器和d s p 的嵌入式系统研究方面，随着半导体工艺的发展和芯片设 计水平的进步，他们的性能大幅度的提高，系统的规模增大，片上嵌入式软件变 得越来越复杂。而实时操作系统引入嵌入式系统和d s p 系统，使嵌入式软件开发 从手工作业转变成工业化协作生产，就成为解决这问题的优先途径。嵌入式系 统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用结合后 的产物，这就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的 知识集成系统。 本文主要做了以下工作： 首先围绕开发以m o t o r o l a 公司的m c o r e 系列微控制器m m c 2 1 0 7 为核心的硬 件平台，研究了如何针对系统的需求进行硬件电路设计，具体包括如何选取芯片， 如何进行接口电路设计，以及在设计和调试过程中应该注意的问题等。试验结果 证明该系统具有低功耗、功能强大、成本低的特点，充分利用了m m c 2 1 0 7 芯片提 供的资源。其次在硬件平台的基础上成功的移植了实时嵌入式操作系统u c o s - - i i ，将系统所要实现的功能分成多个任务分别设计任务程序，在操作系统的调度 管理下进行系统的运行。 第一章给出了嵌入式实时系统的定义，分析了实时操作系统的评价指标，并 阐述了当今的嵌入式处理器的研究现状和发展趋势。 第二章介绍了税控收款机的整体设计以及软件功能的划分。 第三张详细介绍了移植u c o s i i 的过程和方法，并在实践中证明了移植的有 效性。 第四章详细介绍了税控收款机主板的硬件设计，主板包括c p o 、l c d 液晶驱 动、f l a s h 、串口等常用的外设。 第五章介绍了驱动爱普生m u l1 0 i i 型针式打印头的打印机驱动板的硬件电 路设计。 最后对研究工作进行总结，并给出今后研究工作的展望。 关键词：嵌入式系统，实时操作系统，u c o s i i ，删c 2 1 0 7 ，m u l l o l l 舶北t 业大学硕i ：学位沦文 a b s t r a c t a b s t r a c t e m b e d d e d s y s t e m i sa p r o d u c t i o nw h i c hc o m b i n e sc o m p u t e rt e c h n o l o g y ， s e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g y , e l e c t r o nt e c h n o l o g ya n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n si n e v e r y i n d u s t r y t h i sd e c i d e st h a ti tm u s tb e a k n o w l e d g e i n t e g r a t e ds y s t e m w i 血 t e c h n o l o g y i n t e n s i t y ，c a p i t a l i n t e n s i t y , h i g h l yd i s p e r s i b l e ，c o n t i n u a l l yi n n o v a t i v e w i t h t h ed e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o rt e c h n i c sa n dt h ea d v a n c e m e n to fs l u gd e s i g n i n g t h ep e r f o r m a n c ei si m p r o v e d ，s y s t e ms i z ei se n l a r g e d ，e m b e d d e ds o f t w a r eo nt h ep l u g i sb e c o m i n gc o m p l e x i t yi nt h er e s e a r c ho f m i c r o c o n t r o l l e ra n dd s pe m b e d d e ds y s t e m w h e ne m b e d d e ds y s t e ma n dd s p s y s t e ma r ei n t r o d u c e dt or e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m t h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e ms o f t w a r et u r n st oi n d u s t f i a l i z a t i o nc o o p e r a t i o n p r o d u c t i o nf r o mh a n d w o r k t h i si st h ef i r s tw a y t os o l v et h ep r o b l e m t h i st e x td o e st h ef o l l o w i n gw o r km a i n l y ： f i r s t l y , i tb a s e do nt h eh a r d w a r ep l a t f o r mt h a tt h ec o r ei sm o t o r o l ac o m p a n y s m m c 2 1 0 7s l u g t h i st e x tr e s e a r c h e sh o wt od e s i g nh a r d w a r ec i r c u i ta g a i n s td i t i e r e n t s y s t e m t h e yi n c l u d eh o wt oc h o o s es l u g ，h o wt od e s i g ni n t e r f a c ec i r c u i t ，a n dt h e p r o b l e ms h o u l db ep a i da t t e n t i o ni nt h ed e s i g n i n ga n dd e b u g g i n gp r o c e s s t h et e s t i n g r e s u l ti m p r o v e st h a tt h i ss y s t e mm a k e st h em o s to fr e s o u r c ep r o v i d e db ym m c 2 1 0 7 s l u g ，a n di th a st h ec h a r a c t e r i s t i c so f l o wc o n s u m e dp o w e r , s t r o n g l yf u n c t i o n ，l o wc o s t s e c o n d l y , r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mu c o si sr e p l a n t e ds u c c e s s f u l l yb a s e do nt h e h a r d w a r ep l a t f o r m t h i sd i v i d e sf u n c t i o ni n t os e v e r a lt a s k s a n dd e s i g n st a s kp r o g r a m s s e p a r a t e l y t h i ss y s t e mo p e r a t i o ni ss c h e d u l e du n d e ro p e r a t i o ns y s t e m t h ef i r s tc h a p t e rs h o w st h ed e f i n i t i o no fe m b e d d e dr e a l t i m es y s t e m ，a n a l y s e s e v a l u a t i n gi n d i c a t o ro fr e a l t i m eo p e r a t i o ns y s t e m ，a n de x p a t i a t e st h er e s e a r c hs t a t u s q u oa n dd e v e l o p m e n tt r e n do fe m b e d d e dp r o c e s s o rn o w t h es e c o n dc h a p t e ri n t r o d u c e st h ew h o l ed e s i g na n dt h ed i v i s i o no fs o f t w a r e f u n c t i o no f t a xc o n t r o l l e dr e c e i v e r t h et h i r dc h a p t e ri n t r o d u c e st h ep r o c e s sa n dm e a n so fr e p l a n t i n gu c o si nd e t a i l t h ev a l i d i t yo fr e p l a n t i n gh a sb e e ni m p r o v e di np r a c t i c e t h ef o r t hc h a p t e ri n t r o d u c e st h em a i n b o a r d sh a r d w a r ed e s i g no ft a xc o n t r o l l e d r e c e i v e r t h em a i n b o a r dc o n t a i n sc o m m o nf a c i l i t y , s u c ha sc p u ，l c dd r i v e ，f l a s h ， s e r i a li n t e r f a c e ，a n ds oo n t h ef i f t hc h a p t e rg i v e st h eh a r d w a r ed e s i g no fd r i v e b o a r do np r i n t e r t h i s d r i v e b o a r dd r i v e se p s o nm u l l o i i s t y l u sp r i n th e a d a tt h ee n do ft h i st e x t ，i tc o n c l u d e st h er e s e a r c h ，a n dg i v e st h ef u t u r eo ft h e r e s e a r c h k e w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，r e a l t i m e o p e r a t i n gs y s t e m ，u c i o s - i i ， m m c 2 1 0 7 ，m u l l 0 一i i i i 阳北【业人学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 随着计算机技术的发展，嵌入式系统已成为计算机领域的一个重要组成部 分，并成为近年来新兴的研究热点。 1 1 嵌入式系统及其发展趋势 嵌入式系统在于结合微处理器或微控制器的系统电路与其专属的软件，来达 到系统操作效率成本的最高比。例如移动电话、手表、电子游戏机、p d a 、电视、 冰箱等民用电子与通信产品，电动机车、电动脚踏车，乃至于电动汽车等电动交 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 时代的来i 晦，家电、 电玩、汽车、新一代手机、数码相机、先进的医疗仪器乃至于即将到来的智能型 房屋、智能型办公室、与其他跟电有关的器材设备更是缺少不了嵌入式系统这个 核心技术。 1 1 1 嵌入式系统概述 那么什么是嵌入式系统呢? 嵌入式系统就是以嵌入式应用为目的的，将计算 机硬件和软件结合起来，完成特定的任务和功能的计算机系统。由于被嵌入对象 的体系结构、应用环境、要求不同，嵌入式系统有许多类型。嵌入式系统从形式 上，可分为系统级、板级和器件级。系统级就是指各种工控机，如p c i 0 4 等。板 级就是指各种类型的带c p u 的主板及o e m 产品。器件级就是以单片机最为典型， 后来许多半导体厂商以嵌入式应用为目标，形成嵌入式微处理器，并有许多嵌入 式操作系统支持。通常嵌入式系统是针对某以特定领域而设计和应用的，即要求 其产品体积小、实时性好、系统可靠性高，又要求产品的性价比要高。所以对电 子工程师来说，如何针对某种具体应用来选择嵌入式处理器，使嵌入式操作系统 与之相配合是非常关键的。 嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计算机的 外部设备中就包含了5 1 0 个嵌入式处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、 显示器、m o d e n 、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、等都是由嵌入式处 两北i 业人学硕 ：学位论文 筇一章绪论 理器控制的。在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航天、 航空、军事装备等方面均是嵌入式计算机的应用领域。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具 体应用相结合的产物，这一点就决定了它必然是个技术密集、资盒密集、高度 分散、不断创新的知识集成系统。 1 1 2 嵌入式处理器硬件介绍及选型 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，目前掘不完全统计，全 世界嵌入式处理器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 l 体系的占有多半。生产8 0 5 1 单片机的半导体厂家有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。现在几乎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。嵌入式处理器的寻址空 f e i j 一般从6 4 k b 到1 6 m b ，处理速度从0 1m i p s 到2 0 0 0m i p s ，常用封装从8 个引 脚到1 4 4 个引脚。根据其现状，嵌入式计算机可以分成下面几类。 ( 1 ) 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i e r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。在应用中，将微处理器装配 在专门设计的电路板一h ，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度 减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在 功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方 面一般都做了各种增强。 和工业控制计算机相比，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，但是在电路板上必须包括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。嵌入式微处理器及其存储器、 总线、外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机。如s t d b u s 、p c i 0 4 等。 近年来，德国、日本的一些公司又开发出了类似“火柴盒”式名片大小的嵌入式 计算机系列o e m 产品。 嵌入式处理器目前主要有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c 一4 0 0 、p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、 m i p s 、a r m 系列等。 ( 2 ) 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是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，芯片内部集威 r o m e p r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、定时计数器、w a t c h d o g 、i o 、串行口、脉 西北“f 业大学硕士学位论文 第一章绪论 宽调制输出、a d 、d a 、f l a s hr a m 、e e p r o m 等各种必要功能和外设。为适应不 同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理 器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机最 大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。 和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从 而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微 控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。 嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，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 一2 5 1 、m c s9 6 1 9 6 2 9 6 、c 1 6 6 1 6 7 、m c 6 8 h c 0 5 11 1 2 i 6 、6 8 3 0 0 等。另外还有许多半通用系列如：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 l ： 支持1 2 c 、c a n b u s 、l c d 及众多专用m c u 和兼容系列。目前m c u 占嵌入式系统约 7 0 的市场份额。 特别值得注意的是近年来提供x 8 6 微处理器的著名厂商a m d 公司，将 a m l 8 6 c c c h c u 等嵌入式处理器称之为m i c r o c o n t r o l l e r ，m o t o r o l a 公司把以 p o w e rp c 为基础的p p c 5 0 5 和p p c 5 5 5 亦列入单片机行列。t i 公司亦将其 t m s 3 2 0 c 2 x x x 系列d s p 做为m c u 进行推广。 “ ( 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 ) d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行d g p 算法， 编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、f f t 、谱分析等方面d s p 算 法f 在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 处理器有两个发展来源，一是 d s p 处理器经过单片化、e m c 改造、增加片上外设成为嵌入式d s p 处理器，t i 的 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 等属于此范畴；二是在通用单片机或s o c 中增加d s p 协处理 器，例如i n t e l 的m c s 一2 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 。 推动嵌入式d s p 处理器发展的另一个因素是嵌入式系统的智能化，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i ) s p 处理器的长处所在。 嵌入式d s p 处理器比较有代表性的产品是t e x a si n s t r u m e n t s 的t m s 3 2 0 系 列和m o t o r o i a 的d s p 5 6 0 0 0 系列。t m s 3 2 0 系列处理器包括用于控制的c 2 0 0 0 系 列，移动通信的c 5 0 0 0 系列，以及性能更高的c 6 0 0 0 和c 8 0 0 0 系列。d s p 5 6 0 0 0 目前已经发展成为d s p 5 6 0 0 0 ，d s p 5 6 1 0 0 ，d s p 5 6 2 0 0 和d s p 5 6 3 0 0 等几个不同系列 的处理器。另外p h i l i p s 公司今年也推出了基于可重罨嵌入式d s p 结构低成本、 硼北：1 ：业大学硕士学位论文 第一章绪论 低功耗技术上制造的r e a hd s p 处理器，特点是具备双h a r v a r d 结构和双 乘累加单元，应用目标是大批量消费类产品。 ( 4 ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ) 随着e d i 的推广和v l s i 设计的普及化，及半导体工艺的迅速发展，在一个 硅片上实现个更为复杂的系统的时代已来临，这就是s y s t e mo hc h i p ( s o c ) 。 各种通用处理器内核将作为s o c 设计公司的标准库，和许多其它嵌入式系统外设 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 等语言描述，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图交给半导 体工厂制作样品。这样除个别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洁，对于减小体积和功 耗、提高可靠性非常有利。 s o c 可以分为通用和专用两类。通用系列包括i n f i n e o n ( s i e m e n s ) 的 t r i c o r e ，m o t o r o l a 的m c o r e ，某些a r m 系列器件，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，不为一般用户 所知。个有代表性的产品是p h i l i p s 的s m a r tx 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m v a 或c 语言的专用的s o c ，可用于公众互联网如i n t e r n e t 安全方面。 一般单片机的速度比较慢，更重要的是它的r o m 和r a m 空间比较小，不能运 行较大的程序，因为基于多任务的操作系统需要的任务堆栈很多，需要很大的 r a m ，排除考虑使用单片机。考虑到开发环境，d s p 需要开发用的仿真器，其价 格比较贵，所以又排除考虑使用d s p 。m o t o r o l a 公司是世界上最著名的微控制器 生产厂商之一，它的产品价格比较低，性价比比较高，配以简单的j t a g 仿真器 就可以行进嵌入式开发。 1 1 3 嵌入式操作系统与选型： 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系 统( 包括硬、软件系统) 极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软 件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等b r o w s e r 。 嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理越来越复杂的系 统资源；能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱 出来；能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。与通用操作系统相 比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及 西北二 业大学硕十学位论文 第一章绪论 应用的专用性等方面具有较为突出的特点。实时系统是指能在确定的时间内执行 其功能并对外部的异步事件做出响应的计算机系统。其操作的正确性不仅依赖于 逻辑设计的讵确程度，而且与这些操作进行的时间有关。“在确定的时间内”是 该定义的核心。也就是说，实时系统是对响应时问有严格要求的。实时系统对逻 辑和时序的要求非常严格，如果逻辑和时序出现偏差将会引起严重后果。实时系 统有两种类型：软实时系统和硬实时系统。软实时系统仅要求事件响应是实时的， 并不要求限定某一任务必须在多长时间内完成；而在硬实时系统中，不仅要求任 务响应要实时，而且要求在规定的时间内完成事件的处理。通常，大多数实时系 统是两者的结合。实时应用软件的设计一般比非实时应用软件的设计困难。实时 系统的技术关键是如何保证系统的实时性。 1 9 8 1 年r e a d ys y s t e m 发展了世界上第一个商业嵌入式应用实时内核一一 v r t x 3 2 ，r t o s 发展到今天已经有2 0 多年的历史，2 0 世纪8 0 年代除了有v r t x 外， 还有i p i 公司的m t o s 和i s i 公司的p s o s ，产品主要用于军事和电信设备。2 0 世 纪9 0 年代，现代操作系统的设计思想，如一内核设计技术和模块化设计思想开始 渗透到r t o s 领域。1 9 9 5 年r e a d ys y s t e m 退出新以代实时内核v r t x s a ，w i n d r i v e r 推出v x w o r k s 。现在，中国市场上流行的r t o s 有v x w o r k s 、p 8 0 s 、v r t x 、n u c l e l l s 、 q o x 和w i n c e 等。以上这些系统都是价格比较贵的用于商业用途的。 随着新的处理器越来越多，世界上已经有几千种r t o s 内核，他们当中有许 多是开放源代码的，使用者不用付任何版费，还可以在此基础上任意剪裁、修改 实时内核。其中典型的代表是l i n u x 系统。l i n u x 是一种开放源代码，原本被设 计为桌面系统，现在广泛应用于服务器领域。u c l i n u x 正是面向嵌入式应用而开 发的r t o s 。现在已经出现各种版本的嵌入式l i n u x 系统，另一个著名的嵌入式 r t o s 是源代码公开的u c o s i i ，并且免费使用，本设计选用的操作系统是u c o s i i 。 1 1 4 嵌入式系统的发展趋势 嵌入式系统工业是不可垄断的高度分散的工业。从某种意义上来说，通用计 算机行业的技术垄断的，占整个计算机行业9 0 的产业，8 0 采用i n t e 的8 x 8 6 体系结构，芯片基本上出自i n t e l 、n d 、c y r i x 等几家公司。在几乎每台计算机 必备的操作系统和文字处理方面，m i c r o s o f t 的w i n d o w s 及w o r d 占8 0 一9 0 ， 凭借操作系统还可以搭配其他应用程序。因此当代的通用计算机工业的基础被人 为是由w i n t e l 垄断的工业。嵌入式系统则不同，它是2 个分散的工业，充满了 阳北i 业大学硕士学位论文 第一章绪论 竞争、机遇和创新，没有哪个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市场。即 使在体系结构上存在着主流，但各不相同的应用领域决定了不可能有少数公司、 少数产品垄断全部市场。因此嵌入式系统领域的产品和技术，必然是高度分散的， 留给各个行业的中小规模高技术公司的创新余地很大。另外，社会上的各个应用 领域是在不断向前发展的，要求其中的嵌入式处理器核心也同步发展，这也够成 了推动嵌入式工业发展的强大动力。嵌入式系统工业的基础是以应用为中心的 “芯片”设计和面向应用的软件产品开发。 随着二十一世纪的来临，全球化的趋势越来越明显，i n t e r n e t 作为获取信 息的便携手段已逐渐被人民所共识。另外，未来i n t e r n e t 接入设备将呈现多元 化的特征，因此嵌入式操作系统作为嵌入式i n t e r n e t 接入设备的灵魂必然向完 善的i n t e r n e t 支持方向发展，并随着i n t e r n e t 的发展而发展。 总之，嵌入式产业关联度大，市场前景好。中国有巨大的市场需求，有从事 操作系统方面的开发队伍。发展嵌入式软件将有利于增强企业持续创新能力，有 利于刺激消费，有利于培植新的经济增长点。 1 2 选题背景及本文主要工作： 基于上述观点，研究设计了基于m m c 2 1 0 7 处理器的嵌入式应用系统，该系统 在p r o t e 环境下开发，采用高速p c b 设计方法，保证了系统硬件的可靠性。系 统充分利用了m m c 2 1 0 7 处理器的高性能、低功耗、低成本的优点，为税控收款机 提供了经济、完善的解决方案，这正是本课题提出的意义所在。 本文主要做了以下的工作： 首先围绕开发以m o t o r o l a 公司的m m c 2 1 0 7 处理器为核心的硬件平台，研究 了如何针对系统的需求进行硬件电路设计，具体包括如何选取芯片类型，如何进 行接口电路设计，以及在设计和调试过程中应该注意的问题等。 然后研究开发了本税控收款机所需要的软件，把u c o s 一1 i 实时嵌入式操作 系统移植到m m c 2 1 0 7 上，并且总结出了开发调试软件的方法以及需要注意的问 题。系统的开发环境是开发工具c o d e w a r r i o r 和u c 0 s i i 源代码，在w i n d o w s x p 的p c 机上开发。 本论文的研究开发工作是在实践的基础上完成的，成功的设计出以m o t o r o l a 公司的m m c 2 1 0 7 处理器为核心的嵌入式硬件系统，通过调试该硬件系统正常运 行，并在此基础上成功的嵌入u c o s i i 操作系统，系统运转正常，成功的实现 了税控功能。 6 两北r 业火学硕士学位论文 第二章税控l i 5 款机的整体设计及软件功能划分 第二章税控收款机的整体设计及软件功能划分 在这一章围绕本课题的任务，进行了税控收款机系统的整体设计，作为嵌入 式系统在税收方面的实际应用，本文的设计方案具有参考价值。本章介绍系统的 整体设计以及工作原理。 2 1 系统的整体设计和工作原理 2 1 1 税控收款机的介绍 税控收款机是一种具有法律严肃性和不可破坏性的带有计税功能的收款机， 不仅是商业企业经营管理的得力助手，也是税务人员常驻店内采集销售数据的执 法代表。它内部装有自动记录但不能更改和抹掉的计税存储器，记录着每日的营 业数据和应纳税额，是向纳税机关纳税的凭据。它采用特殊“铅封”手段固定在 机器内部，除税务和专职注册维修人员外任何人不能打开。 税控收款机的产品定位主要是用于集商务、税控、管理等功能于一体，对数 据的传输和存储要求相当高，对于数据的要求，要达到正确传输与存储，正确的 数据生成，正确的数据反馈等，因此，对安全性的要求也相当高。 税控收款机是具有特定税控功能的收款机，所以它不仅要满足商家经营管理 的要求，还要满足税务局税收征管的需求，因此税控收款机应从多方面考虑税控 系统的安全性，保证税务数据的完整性、可靠性。 税控收款机系统，由两部分组成，即在各个商店、饭店、旅店等其他消费场 所使用的税控收款机和税务局的税控机管理系统。 2 1 2 工作原理 整个系统为数字化智能系统，税控收款机由嵌入式系统、打印机、钱箱、l c d 显示屏、键盘和相关的附件组成。 首先用户买来收款机，同时收款机还随机附带一张税控卡。税控卡是用于控 制税控收款机税控数据，鉴别税控收款机身份，并与用户卡、税务管理卡相互认 7 两北j 业火学硕十学位论文 第漳税控收款机的整体设计及软什功能划分 证；存储用户信息并确保税控数据不被篡改；生成发票税控码并对传递的税控数 掘进行电子签名。通过税控系统完成i c 卡的初始化工作，即是指纳税人在使用 卡之前，要到税务机关进行初始化登记。登记之后，收款机就可以投入使用了。 在f f 常的买卖过程中，首先要持税控卡到税务局购买发票，把发票下载并安 装到收款机上。销售过程中，用户用税控收款机记录每一笔交易，并根据税率计 算出需要交纳的税金，在打印机上打印出发票，同时税控收款机应能够记录与安 全相关的活动，以便通过审计记录判断发生了哪些与安全相关的活动以及哪个用 户应对这些活动负责。税控收款机的安全功能应记录包括以下事件： 系统初始化应用软件维护 系统时洲的更改 鉴别失败事件用户权限的管理 外部接口通讯 当购买的发票用完的时候，可持税控卡到税务局购买发票，重新下载并安装 新的发票。纳税人在用税控机开完发票以后，可持卡到税务机关进行报税。 2 2 税控收款机的开发流程 m c o r e 是m o t o r o l a 公司近年来推出的一系列新型的3 2 位微控制器，适合于 构建高端的嵌入式系统。m m c 2 1 0 7 是该系列中具有片内f l a s h 存储器的品种，以 m 2 1 0m i c r or i s cc o r e 为c p u ：最高系统时钟可达3 3 m h z ；具有低工作电压( 2 7 v 置3 v ) ，宽韵操作温度范围( 一4 0 + 8 0 c ) 以及很低的功耗。故本方案选用 这款芯片来作为系统的处理器。收款机的研制过程见流程图2 1 。 幽北工业人学硕l 学位论文 第章税控收款机的挺体设计及软件功能划分 图2 一l 收款机研制流程图 2 3 税控收款机的整体框图 税控收款机原理框图如图2 - - 2 所示，收款机由4 块电路扳组成，控制主板、 i o 接口板、打印机驱动板和 v f d 和l c d 液晶驱动板。其中，控制主板是整个系统的核心，决定系统的性 能和造价。主扳的主要组成部分有n o rf l a s l t 、n a n df l a s h 、r a m 、钱箱驱动电 西北i l 业人学硕士学何沦文第二章税控收款机的整体殴汁及软俐功能划分 路、实时时钟、蜂鸣器、稳压电路、掉电保护电路、串口通信电路、1 c 驱动 电路和j t a g 接u 电路。n o rf i ，a s h 是用来存储操作系统和应用软件的，n a n df l a s i 是用来存储销和税收数据的。掉电保护电路是在系统忽然掉电的时候，用电池来 给系统供电，让系统在短时间内保存数据，不让数据丢失。这样，在系统重新上 电的时候，就可以取出上次掉电时保存的数据，继续上次的操作。 图2 2 收款机原理框图 将操作系统和应用软件存储在n o rf l a s h 中，当系统上电开始运行的时候， 系统对r a m 、l c d 显示模块、打印机、键盘、钱箱逐个自检，如自检全部通过， 系统开始正常工作。 首先加载操作系统到r a m 中，操作系统再进一步调度应用软件。当系统检测 到读卡器中有i c 卡插入，丌始效验i c 卡的密码，如密码正确，对i c 进行正确 的读写；密码不正确，不产生读写操作。销售过程中，收款员键入商品的名称和 数量，处理器接收到数据，计算出相应的数据，并存储在税控存储器中。需要报 税的时候，税控收款机将税控存储器中的数据取出，写到税控卡中，实现了i c 卡报税。同时在销售过程中，c p u 一宣驱动l c d 和v f d 显示模块。l c d 显示模块 是主显，动态的显示操作情况，反馈收款员操作的信息，收款员可以通过主显观 察自己操作的情况。v f d 是客显，是供顾客使用的，顾客可以通过客显来得知自 己商品的价钱。当销售完毕后，就可以通过打印机打印发票。 i j t i i w i 业大学硕士学位论文 第二章税控收款机的糕体设计及软件功能划分 2 4 软件功能划分 税控收款机与用户的接口有矩阵键盘( 包括条码枪，从软件角度看条码枪等 效于键舒) 和l c d 显示，其中矩阵键盘是用户唯一直接控制税控机运行状态的设 备，因为我们在税控机系统设计中采用了多任务机制，因此系统必须准确无误的 将用户输入的键传送给当前任务，并且在发生任务切换时系统应保存被换出任务 的界面、加载被换入任务的界面，这个工作就由总控模块来完成。 总控模块接收到键盘模块发来的消息，如果是换档，总控模块会保存当前任 务的界面，弹出被加载任务的界面，刚被加载的任务成为当前任务：如果不是换 档键，总控模块会将键盘模块发来的消息转发给当前任务。图2 3 是本系统主 控软件流程图： 1 j h 北工业火学硕一l “学位论文第二章税控收款机的整体设计及软件功能划分 n 劁2 - - 3 主控软件流程图 西北t 业大学硕士学位论文 第三章u c o s - - i i 操作系统 第三章u c 0 s i i 操作系统 在这一章，我们来详细的介绍u c o s i i 操作系统以及移植u c o s - - i i 过程 中需要注意的问题。所谓移植，是指使一个实时操作系统能够在某个微处理器平 台上运行。本设计中的所有移植代码使在c o d e w a r r i o r 开发环境下进行的。 3 1 嵌入式操作系统u c 0 s i i 简介 u c o s l i 是由j e a nj l a b r o s s e 先生撰写的，经过了l o 年的发展，并且在 学多行业得到成功的应用。它是一个源码公开、可移植、可固化、可裁减、占先 式、支持多任务的实时操作系统。 3 1 1 u c 0 s i i 的特点： ( 1 ) 公开源代码： ( 2 ) 可移植性： 绝大部分u c o s i i 的源代码是用移植性很强的a n s ic 写的。和微处理器 硬件相关的那部分是用汇编语言写的。汇编语言写的部分已经压缩到最低限度， 使得u c o s i i 便于移植到其他微处理器，条件是只要该微处理器有堆栈指针， 有c p u 内部寄存器入栈、出栈指令。另外，使用的c 编译器必须支持内嵌汇编或 者该c 语言可扩展、可连接汇编模块，使得关中断、开中断能在c 语言程序中实 现。u c o s i i 可以在绝大多数8 位、1 6 位、3 2 位、以至6 4 位微处理机、微控 制器、数字信号处理器上运行。 ( 3 ) 可固化：u c o s i i 是为嵌入式应用而设计的，这就意味着，只要读 者有固化手段( c 编译、连接、下载和固化) ，u c o s i i 可以嵌入到产品中，成 为产品的一部分。 ( 4 )可裁减：可以只使用u c o s i i 中应用程序需要的那些系统服务。也 就是说，可以只使用很少几个u c o s i i 调用，而另一个应用则可以使用所有的 u c o s i i 功能。这样可以减少产品中的u c o s i i 所需要的存储器空问，这种 可裁减性是靠条件编泽实现的。只要在用户的应用程序中用# d e f i n ec o n s t a n t s 西北j ：业大学硕士学位论文 第三章u c o s i i 操作系统 语句定义哪些u c 0 s 一1 i 中的功能是应用程序需要的就可以了。 ( 5 ) 占先式：u c o s i i 完全式占先式的实时内核。这意味着u c o s 一1 i 总是运行就绪条件下优先级最高的任务。 ( 6 ) 多任务：u c 0 s i i 最多可以管理6 4 个任务，其中保留8 个给系统， 应用程序最多可以有5 6 个任务。赋予每个任务的优先级必须是不同的，这意味 着u c o s i i 不支持时间片轮转调度法。 ( 7 ) 可确定性：全部u c o s i i 的函数调用与服务的执行时间具有可确定 性。也就是说，全部u c 0 s i i 的函数调用与服务的执行时间是可知的。也就是 说，u c o s i i 系统服务的执行时间不依赖于应用程序任务的多少。 ( 8 ) 任务栈：每个任务有自己独立的栈，u c o s i i 允许每个任务有不同 的栈空间。以便压低应用程序对r a m 的需求。可以使用u c o s 1 1 的栈空间校验 函数，可以确定每个任务到底需要多少栈空间。 ( 9 ) 系统服务：u c o s i l 提供很多系统服务，例如邮箱、消息队列、信 号量、块大小固定的内存申请与释放、时间相关函数等。 ( 1 0 ) 中断管理：中断可以使难在执行的任务暂时挂起。如果优先级更高 的任务被该中断唤醒，则高优先级的任务在中断嵌套全部退出后立即执行，中断 嵌套层数可达2 5 5 层。 3 1 2 内核结构 多任务系统中，内核负责管理各个任务，或者说为每一个任务分配c p u 时间 及其相关的资源，并且负责任务之间的通信，内核提供的基本服务是任务切换。 使用实时内核可以大大化简应用系统的设计，因为实时内核允许将应用程序分成 蓿干个任务，由实时内核来管理它们。内核提供必不可少的系统服务，诸如信号 量管理，邮箱、消息队列、延时等，实时内核使得c p u 的利用效率更有效。 接下来从几个方面对u c o s 一1 i 的内核作出介绍： ( 1 ) 临界区的处理机制 所谓i 临界区，即多个任务共享的资源，在某一时刻只允许一个任务访问。 u c o s i i 在处理临界区时，代码需要关中断，处理完毕后再开中断，以避免同 时有其他任务或中断服务进入i 临界区代码。u c o s i i 提供了两个宏 o se n t e rc r i t i c a l 0 和o se x i tc r i t i c a l 。0 来实现对临界区的排他性操作。 ( 2 ) 任务定义及状态 u c o s i i 的任务是一个无限的循环，一个任务可以有返回类型，有形式参 两北l 业大学硕士学位论文 第三章u c o s 一1 i 操作系统 数变量，但是任务是绝对不会返回的。当任务完成以后，任务可以自我“删除”， 即u c o s - i i 不理会这个任务了，这个任务的代码也不会再运行。u c o s - - i i 可 以管理多达6 4 个任务，其中空任务( i d l e ) 和统计任务( s t a t i s t i c s ) 被系统 占用。 任务在建立时必须被赋予不同的优先级，优先级的数值越小，则任务的优先 级越高。u e o s i i 总是运行进入就绪状态的优先级最高的任务。 图3 一lu c o s i i 任务状态转换过程图 图3 1