（机械设计及理论专业论文）基于嵌入式linux和网络的机器人远程控制系统的研究.pdf

北京邮电大学硕士论文摘要 基于嵌入式l i n t l x 和网络的机器人远程控制系统的研究 摘要 嵌入式系统与网络技术的结合己经成为未来嵌入式系统的发展趋 势，基于a r m 的嵌入式系统由于其低功耗、低成本、高性能等优势己 经广泛的应用于工业控制领域。基于网络的机器人远程控制是嵌入式技 术、网络技术、控制技术和机器人学相融合所形成的一个较新的研究方 向。 本文主要阐述了机器人远程控制系统的设计过程；文章的首先介绍 了嵌入式系统、a r m 微处理器和l i n u x 网络技术；接着介绍了a r m 9 嵌入式平台的实现，包括硬件平台和软件平台的设计。硬件平台部分详 细介绍了系统的各个功能模块的定义，分析了器件选型以及主要模块的 性能和实现。软件平台部分主要介绍了包括交叉编译环境的建立、嵌入 式l i n u x 文件系统的创建、移植和烧写，应用程序的开发流程等。然后 详细介绍了嵌入式l i n u x 下c a n 总线驱动程序的设计和编写。最后详 细介绍了机器人远程控制的客户端和服务端的的设计和实现。实践证明 以a r m 微处理器为核心的嵌入式机器人远程控制系统满足机器人实时 控制和远程控制的需要。 关键词：嵌入式l i n u x ，c a n 总线，驱动，a r w 9 ，远程控制 北京邮电大学硕士论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho nr e m o t er o b o tc o n t r o ls y s t e m b a s e do ne m e d d e dl i n u xa n dn e t w o r k a b s t r a c t t h ec o m b i n a t i o no fe m b e d d e ds v s t e ma n dn e t w o r kt e c h n o l o g yh a s b e c o m et h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h ef u t u r ee m b e d d e d s y s t e m t h e e m b e d d e ds y s t e mb a s e do na i 洲i sb e i n gu s e db r o a di ni n d u s t r ya r e a , b e c a u s eo fi t sl o wp o w e r , l o wc o s ta n dg o o dc a p a c i t y t h er e m o t er o b o t c o n t r o ls y s t e mb a s e do nn e t w o r ki st h en e wr e s e a r c hd i r e c t i o n ，w h i c hi s c o m p o s e do fe m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g y , n e t w o r kt e c h n o l o g y , c o n t r o l t e c h n o l o g ya n dr o b o tt e c h n o l o g y 耽ep a p e rm a i n l ye x p a t i a t et h ed e s i g np r o c e s so ft h er e m o t er o b o t c o n t r o ls y s t e m f i r s to fa 1 1 i ti n t r o d u c e st h ee m b e d d e ds y s t e m , a r m m i c r o p r o c e s s o ra n dl i n u xn e t w o r kt e c h n o l o g y a f t e rt h a t ，i ti n t r o d u c e st h e i m p l e m e n to fa r m 9e m b e d d e dp l a t f o r m ，w h i c hi sc o m p o s e do fh a r d w a r e p l a t f o r md e s i g na n ds o f t w a r ep l a t f o r md e s i g n 1 1 1 ep a r to fh a r d w a r e i n r e o d u e et h ed e f i n i t o no fe a c hf u n c t i o nm o d u l e ，a n da n a l y z et h ec a p a b i l i t y a n di m p l e m e n to ft h em a i nm o d u l e t h ep a r to fs o f t w a r ei n t r o d u c et h e c o n s t i t u t i o no fe m b e d d e ds y s t e md e b u g g i n ge n v i r o n m e n t , t h ec o n s t i t u t i o n a n dt r a n s p l a n to f f i l es y s t e m , a n dt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so f t h ea p p l i c a t i o n p r o g r a m a n dt h e n ，i tp r o v i d e sad e t a i l e dd e s c r i p t i o no fh o wt od e s i g nt h e c a nb u sd r i v e ro ne m b e d d e dl i n u xp l a t f o r m a tl a s t i ti n t r o d u c e st h e d e s i g na n di m p l e m e n to ft h er e m o t er o b o tc o n t r o ls y s t e m , w h c i hi s c o m p o s e do ft h es e r v e ra n dc l i e n t t h er e s u l th a sp r o v e dt h a tt h ee m b e d d e d r e m o t er o b o tc o n t r o ls y s t e ms a t i s f i e dt h er e q u i r e m e n to fr e a lt i m ec o n t r o l a n dr e m o t ec o n t r 0 1 k e yw o r d s ：e m b e d e dl i n u x ，c a nb u s ，d i r v e r , a r m 9 ，r e m o t ec o n t r o l 北京邮电大学硕士论文声明 声明 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机 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地说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：童i 自煎丛 日期：i ! 1 2 ：垒墨 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学 校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段 保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在j 年解密后适用本授权书。非保密论文 注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：圣 邋终 导师签名：霍琵躺 日期：星竺21 堡至 f 日期：趔：垒：z 北京邮电大学硕士论文第1 章绪论 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 随着以计算机技术、通讯技术为主的信息技术的发展与瓦联网的广泛应用，计 算机的发展己显示出微型化和专业化的趋势，以台式计算机为主流的时代将进入以 嵌入式系统的形式存在的“后p c ”时代。而嵌入式系统是根据应用的要求，将操作 系统和功能软件集成于计算机硬件系统中，从而实现了软件与硬件一体化的计算机 系统，具有软件代码小，高度自动化，响应速度快等特点，特别适合于要求实时的 和多任务的体系。嵌入式的基础是以应用为中心的芯片设计和面向应用的软件开发。 a r m 体系作为专为嵌入式系统设计的处理器内核，由于其高性能、低功耗、易扩展 的特点，己成为嵌入式系统领域应用最广泛的处理器之一。而与此同时l i n u x 由于性 能优越、支持硬件平台广泛、源代码公开、具有极强的网络功能等优点成为设计嵌 入式系统一种很好的选择。由于嵌入式的这些优点，嵌入式系统已经渗透到各个领 域，尤其在机器人控制领域发挥重要的作用。机器人远程控制的研究始于2 0 世纪6 0 年代【l ，随着在空间、海洋以及危险作业领域的探索和开发，国外一些学者开始致 力于机器人远程控制的研究。由于近世纪年互联网的兴起和普及，通过i n t e r n e t 技 术进行远程操作机器人成为机器人研究的热点，通过机器人与远程环境的交互可以 实现人们直接地远程参与活动。 1 - 2 机器人远程控制发展现状 近年来，基于i n t e r n e t 的机器人远程控制得到了极大的发展并受到广泛的关注， 1 9 9 4 年加州k e n 6 0 l d b e r g 与m i c h e a lm a s h a 将一个简单的二连杆装置连入i n t e r n e t 开创了网络机器人的新时代【2 l 。随后众多机器人控制网站开通，形成了网络机器人 控制的高潮。这些机器人远程控制系统一般是基于i n t e r n e t 的，比较著名的有澳大 利亚的远程机器入、美国的t e l e g a r d e n 等。这种基于i n t e r n e t 的机器人控制提供了 简单易用的控制界面，访问者只需要通过浏览器上网，利用鼠标点击，即可轻松的 控制机器人。现在普通大众也可以容易地控制机器人来完成作业了，这对机器人的 普及宣传起了很大的推动作用，也开辟了机器人远程控制的新概念。机器人远程控 制有着广阔的应用前景，它可应用于太空保险、水下作业、危险地带作业、网络医 北京邮电大学硕士论文第1 章绪论 疗等重要领域。在太空探险领域，美国的火星登陆车是一个成功的应用，而且就耳 前来讲无人探险器仍是太空保险的丰要设备。1 9 8 4 年，从匹兹馒到底特律的网络于 术演示取得了成功，引起了巨大轰动，网络医疗成为备受关注的行业。其它的机器 人远程控制系统还有英国布托德福大学的“r o b o t i ct e l e s c o p e ”0 1 ，一个基于i q w 的展示网上交互的机器人系统；英国曼彻斯特大学的“f o r t yt w o ”1 4 1 ，一个摹于 i n t e r n e t 的移动机器人远程控制系统；日本名古屋大学的一个苯于i n t e r n e t 的，百- 联 网控制系统提供远程参观访问”1 ：加拿大的r y e r s o n 科技大学的“m a x ” 6 】。一个摹于 无线网络的移动机器人远程控制系统。 从甘前来看机器人远程控制越来越显示出它的应用价值，它已被应用到远程教 育、网上娱乐等日常领域。相信随着机器人技术和瓦联网技术的发展和机器人使用 的普及化，机器人远程控制必将得到更加广泛的应用。 1 3 论文的研究内容和组织 本论文课题来源于教育部科学研究重点项目，基于虚拟动态模拟的远程机器人 状态检测与智能控制技术( 1 0 4 0 4 3 ) 。本文内容包括a p 6 t 嵌入式平台的构建和实现， 嵌入式l i n u x 下c a n 驱动程序的设计和编写，机器人远程控制系统客户端和服务器 网络服务程序的设计和编写。把嵌入式系统、网络技术和机器人控制结合在一起， 实现了基于网络的机器人远程控制系统。对基于嵌入式l i n u x 平台的驱动程序和应 用程序的开发和移植，网络服务程序和机器人远程控制系统的设计都有一定现实意 义和启示作用。 论文的内容组织形式如下： 第一章：论述本课题研究的背景及意义。 第二章：对课题研究所涉及到的学科基础、技术基础作了必要的介绍。 第三章：介绍了课题的核心a k i v l 9 嵌入式系统的总体构成和主要的功能模块硬件结 构，如c a n 总线接口、以太网接口等。介绍了a r m 9 嵌入式系统软件平台的搭建 和设计过程。包括嵌入式交叉编译环境的建立、文件系统的介绍、内核和文件系统 建立和烧写过程以及应用程序的开发流程。 第四章：介绍了嵌入式l i n u x 下c a n 总线驱动程序的设计和编写。 第五章：介绍了机器人远程控制系统的设计和实现，包括客户端的设计和服务器的 设计。 第六章：结束语部分，针对本系统重点提出了今后的努力方向及工作内容。 北京邮电大学硕士论文第2 章综述 第2 章综述 机器人远程控制系统是一个复杂而庞大的系统，它涉及到嵌入式系统、a r m 微 处理器平台，l i n u x 网络编程技术等等。掌握这些技术是进行系统开发的基础，本 章将详细介绍嵌入式系统、a r m 微处理器以及l i n u x 网络编程技术。 2 1 嵌入式系统 2 1 1 嵌入式系统定义 由于目前嵌入式系统已经渗透到日常生活的各个方面，因此难以给“嵌入式系 统”下一个明确的定义。根据i e e e ( i 亘际电气和电子工程师协会) 的定义，嵌入式系 统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”( 原文为d e v i c e su s e dt o c o n t r o l ，m o n i t o r ，o ra s s i s tt h eo p e r a t i o no f e q u i p m e n tm a c h i n e r y o r p l a n t s ) 。上述定义并 不能充分体现出嵌入式系统的精髓。目前国内普遍被认同的定义是：以应用为中心、 以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体 积、功耗等严格要求的专用计算机系统。可以从以下几个方面来理解国内对嵌入式 系统的定义： 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合才会 具有生命力、才更具有优势。 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以及各个行业的具体 应用相结合后的产物。 嵌入式系统必须能够根据应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可 靠性、成本、体积等要求。 2 1 2 嵌入式系统的特点 从上文对嵌入式系统所作的定义可以得出嵌入式系统的几个重要特征： 嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式系统的专用性很强，其中的软件系 统和硬件的结合非常紧密，一般需要针对硬件进行系统的移植。同时针对不同 的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这 种修改和通用软件的“升级”是完全不同的概念。 系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功 北京邮电大学硕士论文第2 章综述 能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系 统安全。 高实时性嵌入式操作系统。这是嵌入式软件的摹本要求，而且软件要求固态存 储，以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性、实时性。 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯 片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 嵌入式软件开发走向标准化。为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函 数以及和专家库函数接口，用户必须白行选配r t o s ( r e a l t i m eo p e r a t i n g s y s t e m ) 开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障 软件质量。 嵌入式系统本身不具备自毛开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对 其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。开发 时往往有主机和耳标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行 机，开发时需要交替结合进行。 2 1 3 嵌入式系统的组成 包括硬件和软件两部分。 1 专有硬样包括嵌入式处理器、存储器和u o 端口及外围设备等。其核心是嵌入式 处理器。嵌入式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内核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己模块 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，以能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入式 微处理器为准： 4 ) 嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用子便携式的无线及移动的计算和 通信设备，靠电池供电的嵌入式系统更是如此。 2 应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，包括操作系统软件和应用程序。有时 设计人员把这两种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作 系统控制着应用程序编程与硬件的交瓦作用。嵌入式系统软件的特征如下： 1 ) 软件要求固态化存储。为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软 4 北京邮电大学硕士论文第2 章综述 件一般固化在存储器芯片或单片机本身中，而不存贮于磁盘等载体中。 2 ) 软件代码高质量、高可靠性。尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高、 片上存储器容量不断增加，但在大多数应用中，存储空间仍然是宝贵的，还 存在实时性的要求。为此要求程序编写和编译工具的质量要高，以减少程序 二进制代码长度、提高执行速度。 3 ) 系统软件( 0 s ) 的高实时性是基本要求。在多任务嵌入式系统中，对重要性各 不相同的任务进行统筹兼顾的合调度是保证每个任务及时执行的关键，单纯 通过提高处理器速度是无法完成和没有效率的，这种任务调度只能由优化编 写的系统软件来完成。 2 1 4 嵌入式系统分类 嵌入式处理器一般分成4 类( 如图1 1 所示) ，即嵌入式微处理器( m i c r o p r o c e s s o r u n i t ，m p u ) 、嵌入式微控制器( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ，m c 们、嵌入式d s p 处理器 ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) 和嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 。 1 嵌入式微控制器( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 微控制器是目前嵌入式系统工业的丰流。微控制器的片上外设资源一般比较丰 富，适合于控制，因此称为微控制器。m c u 低廉价格、优良的功能，所以拥有的 品种和数量最多。比较有代表性的包括8 0 5 l 、m c s 2 5 1 、m c s 9 6 1 9 6 2 9 6 、p 5 1 x a 、 c 1 6 6 1 6 7 、6 8 k 系列以及m c u 8 x c 9 3 0 9 3 1 、c 5 4 0 、5 4 1 ，并且具有很高的性价比。 2 d s p 处理器( d i g i m ls i g n a lp r o c e s s o r ) d s p 处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面 进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令执行速度。在数字滤波、频普分析等 仪器上，d s p 获得了大规模的应用。 3 嵌入式微处理器( m i c r op r o c e s su n i t ，m p u ) 嵌入式微处理器是由通用计算机中的c p u 演变而来的。它的特征是具有3 2 位 以上的处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。但与计算机处理器不同 的是，在实际嵌入式应用中，它只保留与嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其 他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现了嵌入式应用的特殊要求。 4 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 片上系统s o c 是追求产品系统最大包容的集成器件，是目前嵌入式应用领域的 热门话题之一。s o c 最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内 嵌入操作系统的代码模块。而且s o c 具有极高的综合性，在一个硅片内部运用 北京邮电大学硕士论文第2 章综述 v h d l 。等硬件描述语言，实现一个复杂的系统。用户不需要再像传统的系统设计 一样，绘制庞大复杂的电路板，一点点地连接焊制，只需要使用精确的语言，综合 时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直 接交付芯片，一商进行牛产。 2 1 5 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统e o s ( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ) 是嵌入式系统软硬件资源的 控制中心，负责嵌入式系统全部软、硬件资源的分配、调度作业，控制、协调并发 活动：以尽量合理有效的方法组织多个用户共享嵌入式系统各种资源。 1 嵌入式操作系统的特点： e o s 是相对于一股操作系统而方的，它除具备了一般操作系统最基本的功能，如 任务调度、同步机制、中断处理、文件处理等外，还有以下特点： 1 ) 可装卸性。开放性、可伸缩性的体系结构。 2 ) 强实时性。e o s 实时性一般较强，可用于各种设备控制当中。 3 ) 统一的接口。提供各种设备驱动接口。 4 ) 操作方便、简单、提供友好的图形g u i ，图形界面追求易学易用。 5 ) 提供强大的网络功能，支持t c p i p 协议及其它协议，提供t c p u d p 工p p p p 协议支持及统一的m a c 访问层接口，为各种移动计算设备预留接口。 6 ) 强稳定性，弱交互性。嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的干预， 7 ) 这就要负责系统管理的e o s 具有较强的稳定性。嵌入式操作系统的用户接口 一般不提供操作命令，它通过系统的调用命令向用户程序提供服务。 8 ) 固化代码。在嵌入式系统中，嵌入式操作系统和应用软件被固化在r o m 中。 辅助存储器在嵌入式系统中很少使用，因此，嵌入式操作系统的文件管理功 能应该能够很容易地拆卸，进而用各种内存文件系统。 9 ) 更好的硬件适应性，也就是良好的移植性。 2 常用的嵌入式操作系统： 嵌入式系统的应用环境复杂，嵌入式处理器的多样化，使嵌入式操作系统的种 类繁多，以适应不同的应用。常用的嵌入式操作系统有如下几种： 商业：w i n c e ，v x w o r k s ，s y m b i a n 。p a l m 等 开源：l i n u x ，t i c l i n u x ，u 6 o s i i 等 国内：d e l t a0 s ，i t o p e n 等 6 北京邮电大学硕士论文第2 章综述 商业化产品以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛的应用干通信、军事、航 空、航天等实时性要求极高的精尖技术领域，例如火星登陆探测器上使用的就是 v x w o r k s ：t u 其高昂价格使许多生产低端产品的小公司和教育及个人研究者望而却 步，嵌入式l i n u x 因其价格低廉、功能强大、易于移植正在被广泛采用。 3 嵌入式l i n u x 嵌入式l i n u x 操作系统以价格低廉、功能强大又易于移植而正在被广泛采用， 成为新兴的力量。l i n u x 为嵌入操作系统提供了一个极有吸引力的选择，它是个和 u n i x 相似、以核心为基础的、完全内存保护、多任务多进程的操作系统。支持广泛 的计算机硬件，包括x 8 6 ，a l p h a ，s p a r c ，m i p s ，p p c ，a r m ，n e c ，m o t o r o l a 等现有 的大部分芯片。程式源码全部公开，任何人可以修改并在g n u 通用公共许可证( g n u g e n e r a lp u b l i cl i c e n s e ) 下发行，这样，开发人员可以对操作系统进行定制，再也 不必担心像m sw i n d o w s 操作系统中“后门”的威胁。同时由于有g p l 的控制，大家 开发的东西大都相瓦兼容，不会走向分裂之路。l i n u x 用户遇到问题时可以通过 i n t e r n e t 向网上成千上万的l i n u x 开发者请教，这使最困难的问题也有办法解决。 l i n u x 带有u n i x 用户熟悉的完善的开发工具，几乎所有的u n i x 系统的应用软件都 已移植到了l i n u x 上。l i n u x 还提供了强大的网络功能，有多种可选择窗口管理器 ( xw i n d o w s ) 。其强大的语言编译器g c e 、g + + 等也可以很容易得到。不但成熟完善、 而且使用方便。 选择l i n u x 的原因 可应用于多种硬件平台。l i n u x 已经被移植到多种硬件平台，这对受开销、时 间限制的研究与开发项目是很有吸引力的。原型可以在标准平台上开发然后移 植到具体的硬件上，加快了软件与硬件的开发过程。 l i n u x 可以随意地配置不需要任何的许可证或商家的合作关系。唯一的限制是 开发者必须做出对l i n u x 社区有益的改动。 它是免费的，源代码可以得到。这是最吸引人的。毫无疑问，这会节省大量的 开发费用。l i n u x 世界就是一个自由、开放的王国。 优异的网络支持。微内核直接提供网络支持，而不必象其他操作系统要外挂 t c p i p 协议包。 l i n u x 的高度模块化使添加部件非常容易。 l i n u x 在台式机上的成功，也保证了1 i n u x 在嵌入式系统中的辉煌前景。 北京邮电大学硕士论文第2 章综述 2 2 a r m 微处理器 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为 是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。以a r m 体系结构设计的微 处理器具有高性能、低功耗和低成本的特点，它广泛应用于嵌入式系统设计领域， 是目前使用最广泛的3 2 微处理器。 2 2 1 a r m 微处理器的应用领域及特点 到日前为止，a r m 微处理器及技术已经深入到工业控制领域、无线通讯领域、 网络应用以及消费类产品中，在将来它还会取得更加广泛的应用。a r m 微处理器一般 具有如下特点： 1 体积小、低功耗、低成本、高性能： 2 持t h u m b ( 16 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件： 3 大量使用寄存器，指令执行速度更快： 4 大多数数据操作都在寄存器中完成： 5 寻址方式灵活简单，执行效率高： 6 指令长度固定。 2 2 2 a r m 微处理器系列 a r m 微处理器目前包括a r m 7 ，a r m 9 ，a r m 9 e ，a r m i o e ，s e c u r c o r e ，i n t e l 的x s c a l e ， i n t e l 的s t r o n g a r m 几个系列 1 3 1 ，除了具有a r m 体系结构的共同特点以外，每一个系 列的a r m 微处理器都有各自的特点和应用领域。其中，a r m 7 ，a r m 9 ，a r m 9 e 和a r m i o 为4 个通用处理器系列，每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的 需求。s e c u r c o r e 系列专门为安全要求较高的应用而设计。a r m 9 系列微处理器在高性 能和低功耗特性方面提供最佳的性能具有以下特点：5 级整数流水线，指令执行效率 更高：提供1 1 m i p s i b i b z 的哈佛结构：支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集：支持3 2 位的高速a m b a 总线接口：全性能的蛳u 。支持w i n d o w sc e ，l i n u x ，p a l mo s 等多种主流 嵌入式操作系统：m p u 支持实时操作系统：支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指 令和数据处理能力。 a r m 9 系列微处理器丰要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端 打印机、数字照相机和数字摄像机等。a r m 9 系列微处理器包含a r m 9 2 0 t ，a r m 9 2 2 t 和 a r m 9 4 0 t 二种类型，以适用于不同的应用场合。 北京邮电大学硕士论文第2 章综述 2 , 2 3 a r m 微处理器结构 1 r i s c 体系结构 传统的c i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，复杂指令集计算机) 结构有 其固有的缺点，即随着计算机技术的发展而不断引入新的复杂的指令集，为支持这 些新增的指令，计算机的体系结构会越来越复杂。1 9 7 9 年美国加州大学伯克利分校 提出了r i s c ( r 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 精简指令集计算机) 的概念，r i s c 并非只是简单地去减少指令，而是把着眼点放在了如何使计算机的结构更加简单合 理地提高运算速度上。r i s c 结构优先选取使用频最高的简单指令，避免复杂指令： 将指令长度固定，指令格式和寻地方式种类减少：以控制逻辑为主，不用或少用微码 控制等措施来达到上述目的。一般认为，r i s c 体系结构应具有如下特点：采用固定长 度的指令格式，指令归整、简单、基本寻址方式有2 3 种：使用单周期指令，便于流 水线操作执行；大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载存 储指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率。除此以外，a r m 体系结构还采用 了一些特别的技术，在保证高性能的前提下尽量缩小芯片的面积，并降低功耗：所有 的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，从而提高指令的执行效率：可用加 载存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率：可在一条数据处理指令中同时 完成逻辑处理和移位处理：在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率 2 a r m 微处理器的指令结构 a r m 微处理器的在较新的体系结构中支持两种指令集：a r m 指令集和t h u m b 指令 集。其中，a r m 指令为3 2 位的长度，t h u m b 指令为1 6 位长度，t h u m b 指令集为a r m 指令集 的功能子集，但与等价的a r m 代码相比较，可节省3 0 - 4 0 以上的存储空间，同时具 备3 2 位代码的所有优点。 2 2 4 a r m 技术的发展趋势 i 高度集成化的s o c 趋势 a r m 公司是一家i p 供应商，其核心业务是i p 核以及相关工具的开发和设计。半 导体厂商通过购买a r m 公司的i p 授权来生产自己的微处理器芯片。由此以来，各芯片 厂商结合自身已有的技术优势以及芯片的市场定位等因素使芯片设计最优化，从而 产生了一大批高度集成、各据特色的s o c 芯片。例如a t m e l 公司的a t 9 1 系列片内集成 了大容量f l a s h 和r a m 、高精度a d 转换器以及大量可编程v o 端口，特别适合于工业控 制领域。而众多的高集成度s o c 芯片由于其内核统一于a r m 核心，使得软、硬件平台 的移植变得相当容易。 9 北京邮电大学硕士论文第2 章综述 2 软核与硬核同步发展的s o p c ( 可编程的片上系统) 技术 随着亚微米技术的发展，f p g a 芯片密度不断增加，并以强大的并行计算能力和 方便灵活的动态可重购性，被广泛地应用于各个领域。f u 是在复杂算法的实现上， f p g a 却远没有3 2 位r i s c 处理器灵活方便，所以在设计具有复杂算法和控制逻辑的系 统时，往往需要r i s c 和f p g a 结合使用，s o p c 技术就是在这样的环境下诞牛的。同时 a s i c 相对于s o p c 由于减少弹性，且逐渐丧失价格优势而放慢了发展的步伐。 3 与d s p 技术融合 传统的嵌入式微处理器可以分为微控制器( m c u ) 、微处理器( m p u ) 和数字信号处 理器d s p ，然而随着技术的发展，它们之间的区别也变的越来越模糊，并有逐步融合 的趋势。现在不少的m c u 和m p u 具备了d s p 的特征，例如采用哈佛结构、增加了乘加运 算指令等：同时不少d s p 芯片内部也集成y a d d a 、定时计数器和u a r t 等。这种技 术融合趋势也有两条不同的技术路线：第一，在中低端应用中，在传统m p u 内部集成 d s p 宏单元以及在指令集中加入d s p 功能指令。第二，高端复杂应用中，向多内核、 并行处理的方向发展。 4 开发和调试手段不断完善 随着嵌入式系统的日益复杂化以及开发周期越来越短，开发和调试于段也发生 了很大的改变。硬件方面，由于o f p 和b g a 封装的逐渐普及，使得以探针方式为主的 b d m ( 背景调试模式) 力不从心：以边界扫描接口( j t a 6 ) 为基础的在电路仿真调试手段 正在普及，更为先进的的片上实时跟踪( t r a c e ) 技术也已浮出水面。软件方面，因为 软件规模不断扩大，必须采用嵌入式操作系统来管理软、硬件资源，同时传统的c 语言和汇编语言混合编程的模式也因为引入面向对象思想以及c + + 和j a v a 语言而发 生了很大改变。面向对象语言更适合大规模应用和平台级开发，代码复用和移植变 得更简单。 2 3 嵌入式l i n u x 网络技术 2 3 1t c p i p 技术 t c p i p 协议是一个比较复杂的协议集，它最初的设计是为了支持计算机和 a r p a n e t 网络之间通信。但随着被广泛的应用，它已经发展成为网络的标准协议。 l i n u x 系统很好的支持了b s d 套接口和全部的t c p i p 功能。 t c p i p 模型 1 9 9 0 年以前o s i ( 开放式系统) 七层模型在数据通信和瓦联网中占据，t 导地位， 1 0 北京邮电大学硕士论文第2 章综述 但随着互联网技术的发展，这种模型并没有成为最终的标准，而t c p i p 协议族却越 来越流行，并在实际的使用中得到不断的测试和完善，以至于在商用体系结构中成 为占据丰导地位的协议族。网络协议通常是在不同的协议层上进行开发，每一层分 别负责不同的通信功能。t c p i p 协议族，是一组不同层次上的多个协议的组合。每 一层负责实现不同的功能，如图1 2 所示： 应用层 传输层 网络层 f链路层 哥h t t p 、f t p 仁ot c p 、u d p 哥i p 、i c m p 、i g m p = 以太网驱动程序 图2 - 1t c p i p 协议族参考模型 i ) 链路层，也称数据链路层或网络接口层，通常包括操作系统中设备的以太网驱 动程序和计算机中的物理接口( 网络芯片) 。物理接口实现数字信号与模拟信号 的相互转化：发送数据时将数字比特流转化为模拟信号：接收数据正好相反以 太网驱动程序是链路物理接口与网络层交互的软件接口，网络层数据必须先交 付给以太网的驱动程序，由它将网络层数据打包并交付给物理接口，完成数据 发送。反之，以太网驱动程序在接收到数据时，要按照应用层可以接收的形式 进行处理并交付。 2 ) 网络层，又称作为互联网层，处理分组在网络中的活动，例如分组的选路。在 t c p i p 协议族中，网络层协议包括i p 协议( 网际协议) 、i c m p 协议( i n t e m e t 互联 网控制报文协议) 以及i g m p 协议( i n t e r n e t 组管理协议) 。i p 协议提供了一种不可 靠的、无连接的服务，即i p 不提供差错检验和跟踪，只是尽最大可能发送数据。 不可靠的意思是不能保证i p 数据报能完全正确地到达目的地。任何要求的可靠 性必须由上层来提供( 如t c p 协议) 。无连接的意思是e p 并不维护任何关于后续数 据报的状态信息。因为每个数据报的处理都是相瓦独立的，可以不按发送顺序 接收。如果一信源向相同的信宿发送两个连续的数据报( 先是a ，然后是b ) ，每 个数据报都是独立地进行路由选择，可能选择不同的传输路线，因此b 可能在a 到达之前先到达i c m p 协议通常被认为是i p 层的一个组成部分，分为差错报文和 北京邮电大学硕士论文第2 章综述 3 ) 4 ) 2 3 2 查询报文两类，在i p 数据报内部被传输。 传输层，丰要为两台丰机上的应用程序提供端到端的通信。传输层具有几种责 任：创建进程到进程( 程序到程序) 的通信。t c p 和u d p 都使用端口号来完成。在 传输层提供流控制和差错控制机制。t c p 提供全面的差错检验机制，而u d p 不提 供流控，提供的差错检验机制的水平也较低。为应用程序提供连接机制。t c p 协 议中，发送端建立与接收端的连接，将上层协议传来的数据分为可运输的块并 编号，逐个发送：接收端等待接收属f 同一进程( 由端口号标识) 的所有不同单 元，并交付给应用程序。u d p 协议不用建立连接，只从进程接收数据，并不可靠 地交给应用程序。 应用层，负责处理特定的应用程序细节。 嵌入式l i n u x 套接字 s o c k e t 在所有网络操作系统和网络应用程序中都是必不可少的，它是网络通信 中应用进程和网络协议之间的接口。在l i n u x 操作系统中，s o c k e t 属于文件系统的 一部分，网络通信可以被看作是对文件的读取和写入。这就使得用户对网络的控制 相对文件的控制一样方便。网络的s o c k e t 数据传输是一种特殊的i o s o c k e t 也是一 种文件描述符，它也有类似于对文件操作的函数调用。在t c p i p 协议地址族中，按 照提供服务的层次关系，套接字有b s d 和 n e t 之分。 1 l i n u x 套接口 b s d 套接字接口是为了方便开发人员进行t c p i p 程序开发而为t c p i p 协议所 开发的一组应用程序接口。由于它最早应用于b s du n i x 中，所以称为b s d 套接 字。它是一个通用的接口，它不仅支持各种网络工作模式还是进程间通信的一种方 法。一个套接字描述一个通信连接的一端，通信双方都有一个套接字来描述自己。 l i n u x 支持多种类型的套接字地址族，如表2 - 1 所示： 表2 - 1l i n u x 套接字地址族 地址族说明 u n u n i x 套接字域 i n e t使用t c p i p 协议的i n t e r a c t 地址族 a x 2 5 业余无线也x 2 5 口x 适用y - n o v e l li p x 地址族 a p p ie t a l k 适用于a p p l e t a l kd d p 地址族 x 2 5 适用j ：x 2 5 协议 北京邮电大学硕士论文第2 章综述 l i n u x 将套接字地址族抽象成为统一的b s d 套接字接口，这个接口是应用程序 的开发接口，由各种地址族专有的软件支持。b s ds o c k e t 支持不同的通信类型，具 体如表2 2 所示： 表2 - 2l i n u x 套接字类型 套接字类型说明 s t r e a m 提供町靠的顺序数据流，保证数据的正确性。 d a t a g r a m 提供双j 数据传送，不町靠，不保证信息到达。 r a w 可以直接处理下层协议，用来获取原始i p 数据包 r e i l i a b l ed e l i v e r e dm e s s a g e 功能和数据报相似，但能保证数据的到达 s e q u e n c e dp a c k e t s与流式套接字相似，但数据包的大小同定 p a c k e t l i n u x 特定的扩展，允许在设备级上处理数据包 l i n u x 从b s d 套接口协议层抽象出了套接口界面，此界面负责和各种不同的应 用程序之间进行通信。内核初始化时，内核中的各个地址族将会在b s d 套接口界面 登记。当应用程序创建和使用b s d 套接口时，将会在b s d 套接口和地址族之问建 立一个连接。此链接是通过交叉关联的数据结构和地址族表建立的。设置系统内核 时，一系列的地址族和协议将会保存在协议向量中。每个协议都有它的名字代表。 当系统启动并初始化套接口界面时，将会调用每一个协议的初始化例程。 2 数据流和数据报通信 s o c ks t r e a m 代表数据流套接口，它是面向连接的通信过程。s o c kd g r a m 代表数据报通信，使用u d p 协议来传送数据包，它是无连接不可靠的通信模式。下 面分别介绍数据流通信和数据报通信的模型。 1 ) t c p 数据流通信模型( 图2 - 4 ) 使用s o c k e t 的数据流通信首先在服务器使用s o c k e t 建立一个通信的端点，再用 b i