（电路与系统专业论文）嵌入式船用黑匣子数据存储系统.pdf

硕士警撼论文 m 知 礅s 奄趣s l s 摘要 本文以船舶用v d r ( 船舶航行数据记录仪) 黑匣子为背景详细介绍了一种 基于c o l d f i r e5 3 0 7 处理器、嵌入式操作系统u c l i n u x 和大容量n a n df 队s h 存储芯片翦阏络数撬存德系统。 目前，随着电予技术的发展、半导体技术的提高，以f l a s h 为主的固态大 容量存镶器已成为犬容量存储系统的主流解决方案。雨在备车申f l a s h 存储器中， n a n df l a s h 奎存疆器淤裹密度魏鬻浚筑擦写速发在大容量继荣应震中更熬缆 势。在系统软件方鬣，嵌入式搽佟系统的应用使得软件的编制更加灵活，系统 的性能熙加可靠和稳定。在系统资源允许的情况下，高速、低功耗的微处理器 和功能强大但代码糙简的嵌入式操作系统的结食使用成为大多数复杂系统的 主要瓣决方案。我销在控裁系统审傻翔m o t o r o l a 公司匏3 2 毽麓往能徽楚遴瓣 c o l d f i r e5 3 0 7 ，结合u c l i n u x 操体系统，并以韩图三星公司的1 2 8 mx8b i tn a n d f l a s h 芯片k 9 k 1 g 0 8 u o m 为存储单元以及r e a l t e k 公司的r t l 8 0 1 9 a si o m 以太网卡 稳或嵌入式鼹终存耱聚统。按皇定义豹转羧掺议觚班太网络接牧传竣过来瓣数 据流并以一定格式存储起来。 论文中主要阐逃了整个系统的硬件组成和软件框架。硬件组成部分包括 c o l d f i r e5 3 0 7 主控露8 模块的总体架构，s d r a m 、b o o tf l a s hr o m 、j f f sf l a s h r o m 、i o m 戬太霹接蕊帮n a n df l a s h 大容量存麓模块等静实瑗缓苇。软释部分 包括驱渤和操作系统的分别阐述。藻中着重介绍了c o l d f i r e5 3 0 7 系统中n a n d f l a s h 驱动的开发绷节和实现技巧。当然还包括u c l i n u x 操作系统的移槭和应 曩代码鹣嚣发。最瑟，本文详缨余缌丁该硝络存辕系统瘊采瘸静数据渡接翻按 议以及襻储系统酶繁瑾、配置、蒜错、备份等过程。 关键字：c o l d f i r e ，u c l i n u x ，t c p i p ，套接字，n a n df l a s h ，n o rf l a s h _ 礓士擎撩谂突 m 矗s 啊弧s 煎麟 a b s t r a c t t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e 也es o f t w a r ea n dh a r d w a r e c o n f i g u r a t i o n o ft h e e m b e d d e dn e t w o r kd a t as t o r a g es y s t e mb a s e do nc o l d f i m5 3 0 7 、u c l i n u xa n d n a n d f l a s h , i nt h eg r o u n d o f v d r ( v o y a g c d a t a r e c o r d e r ) a st h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ca n ds e m i c o n d u c tt e c h n i q u e t h ef l a s ha s t h es o l i ds t o r a g eh a sb e c o m et h ed o m i n a t i n gs o l u t i o nf o rs t o r a g eo fm a s sd a t a 船弛 n a n dh a s hh a sm o r e a d v a n t a g e i n h i 曲d e s e n i t y 、q u i c k e re r a s i n g a n d w r i t i n g , c o m p a r e dw i t ho t h e rf l a s h i ns y s t e ms o f t w a r ef i e l d ，t h ea p p l i c a t i o no f o p e r a t i o ns y s t e mm a k e t h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r em o r ee a s y 、m o r ea g i l e i fs y s t e m s o u r c ei s e n o u g h , t h ec o m b i n i n go fm i c r o c o n t r o u e rw i t hh i 曲s p e e d 、l o wp o w e r c o n s u m p t i o n a n de m b e d e d o p e r a t i o ns y s t e mw i t hs t r o n g f u n c t i o nb u tl e s sc o d ew i l t b et h em a i ns o l u t i o no fm o s tc o m p l i c a t e ds y s t e m ，i no u rs y s t e m , w ea d o p tm o t o r o l a 3 2 b l t sc o n t r o l l e rc o l d f i r e5 3 0 7 、u c i i n u xo p c r a t i o t xw s t e m 、1 2 8 m x8b i tn a n d f l a s ha n dl 嘶le l b c r u e tc a r dt om a k eae m b e d e dn e t w o r kd a t as t o r a g es y s t e m 。i tc a l l r e c e i v et h en e td a t aw i t hu s e rd e f i n e dt r a n s p o r t p r o t o c o l a n ds t o r ei tt oa h i g h - c a p a c i t ys t o r a g e d e v i c e t h i sa r t i c l ed i s c u s s e st h es y s t e mh a r d w a r e c o m p o s i t i o na n d s o f t w a r e a r c h i t e c t u r e t h eh a r d w a r ec o m p o s i t i o n p a r t i n c l u d c st h ef r a m e w o r ko ft h e c o l d f i r e5 3 0 7c e n t e rm o d u l e ，d e t a i l so ft h es d l r a m 、b o o th a s hr o m 、i 礤塔h a s h r o m 、1 0 me t h e m e ti n t e r f a c ea n dn a n dh a s hd a t as t o r ed e v i c ep a r t ，e t e 1 m e s o f t w a r ep a r tc o n s i s t so fd r i v e r sa n do p e r a t i n gs y s t e m s w ep u te m p h a s i so nt h e n a n dr a s hi n t e r f a c ed r i v e ro nc o l d f i r e5 3 0 7p l a t f o r m w ea l s oi n t r o d u c et h e p l a n t i n go f u c l i n u xo p e r a t i o ns y s t e ma n d a p p l i c a t i o nc o d ed e v e l o p m e n t o ni t 。i nt h e e n d , w ed i s c u s st h ep r o t o c o lo f n e td a t a t r a n s p o r t i n g 、t h ei m p l e m e n t a t i o n d e t a i la n d r e a l i z a t i o ns k i l l so f m a n a g i n g 、c o n f i g u r a t i o n 、e r r o rc h e c k i n g 、b a c k u p o ft h es t o r a g e s y s t e m k e y w o r d s ：c o l d f i r e ，u c l i n u x , t c p i p ，s o c k e t , n a n d f l a s h ，n o rh a s h 封 硕士学位论文 m a s 噩sn 珥s l s 第一章绪论 1 1 研制背景与目的 随着国际和国内船舶业的发展，各种新的技术和设备被应用到船舶航行中 以提高船舶航行的性能和可靠性。其中，安全性能是里面重要的一项。为此， 需要利用目前的设备和新的技术来建立一套船舶电子智能安全设备系统。 目前，船舶通信导航产品的种类繁多，包括各种收发信机、组合电台、雷 达、g p s 、电子海图等。而近年来几个国际组织，特别是国际海事组织、国际 航标协会、国际电信联盟共同推出的全球无线电应答器系统，也称船载自动识 别系统a i s ( a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ) ，是随着信息技术产业的发展 而出现在航海领域的新型应用系统。该系统集信息采集处理、无线电数据传输、 地理信息系统于一体，是一种安装于船舶或岸上的无线电通信导航设备，主要 用于防止船舶间的避碰、信息交换以及港岸管理。 a i s 的目的是使所有船舶都安装无线电应答器，使本船为其它装有无线电 应答器的船舶自动发现。这意味着不须人为介入便能够连续交换重要的航行数 据，包括当前航行状态和动态，如船籍、船位、航线、航速、航向、转向速度 等。由于a i s 使用海上移动v h f 波段交换数据，所以a i s 设备的成本相对于雷 达设备要低，然而它的“可视”范围却几乎等于雷达。正因为如此，a i s 可以 提供有效的避碰措施并极大地增强雷达功能。而且，由于安装a i s 的船舶的航 行信息都是在“空中”传播，因此当地船舶交管中心也可以收到。如果定期地 或按需地将船和固定航线的相关信息加在传送信息中，a i s 将成为一种船舶报 告系统。这些附加的信息包括船舶呼号、船名和实际吃水、通过g p s 得到准确 的地理位置以及通过其他偏布在船上的各种传感器采集到各种不同的信息，如 船舶的各种状态、运行状况，天气以及周围的情况等。为了安全起见和供日后 分析使用，这些数量庞大的信息除了实时采集并通过无线通信方式发送外，还 要即时的保存在船上的一种v d r ( v o y a g ed a t ar e c o r d e r 船舶航行数据记录仪) 中。 v d r 俗称“船舶黑匣子”，主要用于自动采集船舶各方面的航行信息和状态 硕士学位论文 m a s 皿t s 瑾s i s 信息。近年来，随着海上交通的发展，海上交通密度越来越高，交通事故也 随之增多，给生命和财产带来很大的损失，已引起全世晃的极大关注。大量海 损事故的发生有的是由于船员对环境局面判断失误、决策错误造成，有的是由 于船员操作错误造成。对于频频发生的海难事故，国际海事组织( i m o ) 极为重 视，在全面审查和修改船员培训、考试和发证的国际公约的报告中指出， 许多海上事故起因于船员的疏忽、过失和操作失误，约占事故总最的8 0 。因 此应认真采取预防措施，正确记录船舶操作信息，总结经验，吸取沉痛教训i 。 可见，准确记录船舶航行过程是极为重要的，一方面可有助处理海损事故和分 清责任，另一方面可为船员积累经验，有利安全航行。目前，国际上的船舶动 态和一些重要操纵信息，主要是靠人工记录，即驾驶人员将其操作过程记录在 航海日志上，轮机人员的操作也记录在轮机日志上。但是时常会出现由于操纵 频繁，忙于避碰、为避浅滩暗礁和保持船在航线上航行而无法及时记录，有的 小船舶可能出现不作记录，甚至有的为逃避和减轻操纵失误责任而伪造记录， 这就使得操纵资料不准确、不完整或不真实，不利于公正地处理海事纠纷，使 海事查处不能贯彻公平、合理、客观、实际的原则，同时也不利于船员积累经 验，提高业务素质。为了正确记录船舶操作信息，正确找出海损事故的真正原 因，促进航海事业的发展，在船舶上安装操作信息自动记录装置v d r ，即船用 黑匣子是十分必要，而且势在必行。 v d r 不仅为事故调查提供至关重要的证据，还可为驾驶者提供改善管理和 船舶操作状况的信息，即提供改良航线规划、控制船体应力、优化燃料配置的 关键信息：安装了v d r 的船舶能实时记录船位、驾驶室声音、雷达数据和操舵 命令和响应、船体开口状况等细微变化。其存储系统应具有完善的容错处理、 数据备份的功能，采用可靠和快速的数据传输方式，功耗小，并具有较强的抗 干扰能力。除此之外，还应具有良好的人机界面，为配置、管理等操作提供最 大的方便。 因此，a i s ( 船舶自动识别系统) 和v d r ( 船舶航行数据记录仪) 将有机 地组成一套完整的船舶航行安全系统，为船舶航行安全和海上生命安全提供最 好的保障。而本文所要研究的是v d r 的网络数据传输存取系统。 2 硕士学位论文 m a s l l 丑sn 瑾s i s 1 2 工作环境与要求 由于是工作在船舶上，该系统的工作环境可能会出现很恶劣的情况。作为 黑匣子存储系统则要求在恶劣的条件下，如高温、高压、剧烈抖动等，能正常 工作。并且能突发事故的情况下，如火灾、爆炸，能将数据完整的保存下来不 受损失。这样，系统内的数据才能真实的反映事故前船舶的各种状况，以便日 后能读取分析。所以，整套系统将放在一个坚固的容器内，该容器能承受周围 的高温和高压，避免外界环境的干扰。要求能防震。( 5 0 9 正弦波脉冲) 、防压( 耐 6 0 0 0 m 水深压力2 4 小时) 、防火( 耐2 6 0 摄氏度高温1 0 小时，耐1 1 0 0 摄氏度高 温l 小时) ，并能保证数据存储长达两年以上。该系统要至少能实时记录船舶 最近十二小时的船位、航速、驾驶室声音、通信声音等多项数据，并在电源出 现故障后正常工作2 个小时。这样不仅为船舶海上事故调查提供客观证据，还 可以使船舶在航行中及时发现隐患。另外，船用黑匣子具有防水、防爆、防火 性能，船舶沉没时能自动脱离船体浮上水面，方便搜救部门对海难船舶的救捞。 1 3 现状与发展前景 国际海事组织已对a l s 作为船舶安全设备提出强制性要求，并列入s o l a s 公约船舶修正案的新五章。从2 0 0 2 年起，所有3 0 0 总吨以上的新造船舶和客 轮都必须安装a i s 和v d r 设备。而我国交通部也在海上滚装船舶安全监督 管理规定中强制行要求，2 0 0 2 年8 月1 目前。所有海上客滚船都必须安装“船 用黑匣子”，即船载航行数据自动记录仪，否则海事部门将予以滞留。所以， 2 0 0 4 年之后国际国内船舶都将有批量安装，未来v d r 产品市场前景看好。目 前国际和国内只有少数几个厂家研制出v d r 产品。此时着手开发、试制和准 备推广并占领市场恰是时机。 其实，从8 0 年代末9 0 年代初开始，随着微电脑技术的飞速发展，国外有 些科技工作者已着手研究开芨船用黑匣子“1 。但是，由于船舶结构复杂、装置 差异较大以及信号提取难度较大，尤其是早期船舶的设备自动化程度很低，使 得船用黑匣子的研制比航空器黑匣子的难度大，研究成果进展缓慢。1 9 9 2 年， 英国的伯劳特吉脱公司( b r o a d g a t e ) 经过多年研究，试制出v e r 船用黑匣子， 3 _ 磺士攀羧论文 b l a s t e r s 瓢瑾s 蕊 在1 0 艘商用运输船舶上试装，使得船用黑匣予的研制有了较大的进展。该黑 藿子疑谗滚鑫翳秘露翊，还霹记蒙靛寓、簸角、生掇动绥、声誊、霍达蕊鼍， 船体应力等数据，侵该装置造价昂爨，没有得到广泛的应用。与此同时，其它 航海仪器的研究部门也先后推出了一些船用黑暾予，如劳氏船级社的船用黑匣 子在集装箱艇舶上鹩试瘸。美国鹣德营也有掘似豹成累出现，但是这些主要在 特定蝥舞静船靛主安装谴异l ，尚寒褥虱广泛懿疲蠲。1 9 9 0 箨以来，我酮鳖 研究部门和航海院校也开始进行了有关船用黑暇予的研究开发，取得了一媸进 展，如粲美航海学院与泉卅金海岸航海仪器科技公司台作研究的g c c - r i a 型 操箨痿悫役“1 ，在“震渲1 0 号”黟“兴筵轮”上试运行，势遥遘福建省秘委 组织酌整定。海军装镛所也研毹了n s a r l 型艇船航行运录器”3 并交付海军远洋 测量船使用。当时，采用的是比较老式的磁带存储介质或赭是e e p r o m ( 如 c c c - r i a 型) 。质采用的电源为5 v t 2 v ，功耗较大，处理器秘采集点数掇传输 接西迄为r s 2 3 2 或r s 4 2 2 形式，数糖传输数率较橙。毽这筏怒些蘸籁繇究工 作，其功能和性能仍肖待于进一步完善。 而近年来，随着我国电子技术的发展和占领市场的需要，一些厂家和研究 部门终予接出了玩较成熟豹v d r 产鑫。熟清华大学与孛远寨臻共囊组建豹憩寨 海兰倍数据记录辩技裔限公司、j 索赛维美高科技有限公司、山西科泰徽技术 有限公词、华瑞船用设备有限公司簿。虽然各v d r 厂商在系统设计“3 上略肖不 同，但为节约开发时嘲，大多数的厂家均采用现成的工控机粒成熟的操传装统 箨受v d r 数舞采集霸簸凑数圭掇系绞，采熏这释方案豹一大绞熹是整个系统棼 积较大。也有部分v d r 厂商采用自童开发的v d r 专用主机系统，其优点是设备 比较紧凑。各公司均采用以太网方案进行系统内部的数据传输，这为大量数据 黄输提供了充是豹豢宽。嚣且各厂巍戆v d r 均掇供事口模块以接收相关设答送 来的r s 2 3 2 、r s 4 2 2 竣r s 4 8 5 信弩。当然在接鞴模块的设计烹迮是大同小弗， 都强调了可扩展性和灵活性。目前丈部分v d r 厂商用的是l 3 公司的黑暾子存 储器。掰以，现在推出v d r 产品避是抢占市场的时机。 该襻簇系统震予瑕入式系统，其毒功耗羝、体程，l 、瞧徐滋褰、霹扩巍溲 好的特点，并且采用流行的以太湖接口。它不仅可以用予船用数据黑匣子，还 可以用乎其他众多的嵌入式存储领域，如陆上警辆数据采集存储、工厂生产线 t 矮士擎毯论文 m s t l 襄s 蔚瑶s i s 数据监按、航标遥测溉控、虚拟航标、铁路、公路、森林等移动目标监控以及 备秘建黢臻舍魏数撵载嶷等，昊套广泛弱痤翳蓊蓉。 1 4 论文内容安排 该谂文蠹窖安撵上势为嚣个部分：系统慈钵方案设诗、聚绞硬锌实瑰、系 统软静实现和系统运彳亍测试。 系统总体方案设计部分即第二鬻系统总体概述，主要讲述设计该系统所要 注意豹地方，以及棚皮豹解决方案。包括系统硬件方面如处瑷嚣、网终接鞠、 存镰蕊羚鹃选鍪，软传方面蠡嵌入或系统翡遥臻。交惹，箍逐该系统设诗串鹤 地址空间分配情况。 系统硬件实现部分即第三章系统硬件实现，主要讲述该系统中采用的她理 器、存德芯鸶和其豫终嚣蕊片豹其俗连接秘傻愆。 系统较俘实璎部分帮第四章系统软侮实现。主要讲述系统中存谵芯片的底 层驱动、存储部分的软件管理、自嫩义的网络协议接口以及服务器管理网礅等。 另外，述余绍了系统巾采用的u c l i n u x 操作系绕的移植、编译、及其上的期户 壤程等。 系统送行测试部分即第五章系统运行和测试，介绍了作者自己编写的辫户 端测试欺件并详细列出了用该测试软件对存储系统进行测试的方法和测试结 果。最爨，根据测试绫祟绘出了慧缝报告。 硕士学位论文 m a s l l 玻sn 磷i s 第二章系统总体概述 2 1 系统总体方案设计 我们将船载黑匣子数据存储器系统分为两大部分：用于数据处理、通讯及 管理的低功耗嵌入式计算机系统和用于数据存储的低功耗大容量数据存储器 阵列。因为作为黑匣子数据记录系统必须首要考虑的是数据安全，数据要在事 故发生后能及时的保存不被破坏。这就需要将分散的数据采集点、数据处理单 元和存储单元分开。这样可将存储单元重点保护使它受外界事件影响最小。目 前有很多芯片和软件系统可供选用，但要达到项目所要的要求，这必须根据需 要认真选择一个较好的方案。 2 1 1 关键问题及解决的办法 此项目研制中，我们认为关键的问题有以下几个： 低功耗系统 采用嵌入式计算机系统，对处理器和外围芯片尽量采用低电压范围内工作 的，达到低功耗和高性能的完美结合； 能同时处理多个数据采集点的数据并存储 由于存储系统要记录各个地方的不同的数据，各个数据采集点任何时候都 可以向存储系统传输数据要求存储。因此，存储系统必须要能同时响应多个请 求。对此，采用支持多线程和内含完善的网络协议的嵌入式操作系统可以很好 的解决。在多处理能力、响应速度、可靠性和稳定性上都有了保证。并且缩短 了软件开发周期。 大容量高速存储( 4 gb y t e ，i o i o o m 传输速率) 存储系统必须保证足够的容量，这样在事故后可以保存足够的数据置以供 分析。而且在存储速度上要求尽量的快，这样能及时地保存重要数据以免突发 事故导致丢失。在此，我们选用宽寻址c p u 芯片，避免外围进行寻址扩展，并 且采用1 6 1 3 2 位接口，降低数据传输次数；选用大容量的存储器，提高可靠性 和缩小体积、降低功耗以达到嵌入式产品的要求。在存储器的选用上首要考虑 硕士学拉论文 m a s 豇噩s 硼i s 的是擦除、写入的速度和存储密度。对于读出数据速度和接口上则其次。另外， 还要考虑抗损性，抗冲击性。表1 是几种主要存储介质的对比嘞： 存贮设备名称优点缺点 存贮量大，体积小，写入、相对固定，有机械运动部 硬磁盘读出速度比较快，可以盖件，易磨损，价格高 写 存贮介质便宜，可灵活装容量小，存贮速度慢，功耗 软磁盘卸，便于携带和交换俦输大体积大，有机械运动部 速率5 0 0 k b p s ( 3 5 寸软盘)件，易磨损，寿命有限 容量较大( 一般为6 4 0 mb体积大，记录头份量重，存 左右) ，压制成本低，光盘贮时间慢，写入时间过长 头和存贮媒体不接触，避 c d r o m 免了硬磁盘的鄢种划伤， 易于保存，传输速率 6 m b p s ( 4 0 倍速) 存贮容量大( 有的型号超价格略贵 过2 g b ) ，防水，防霉，不易 磁光盘 划伤，性能优越于c d - r o m ， 传输速率达l o m b p s 小巧灵活、具有很好的抗容量不太大、价格高 冲击性能、存取速度快。使 固态盘 用方便，具有良好的兼容 性 表1 主要存储介质性能对比 由于v d r 存贮的信息量大，并且所处的船舶环境恶劣，会经常受到如振动、 摇摆、冲击、雨水浸淋、火灾等的影响，因此在选择存贮介质时要求比较高。 综合考虑各种介质的性能特点，以f l a s h 为典型的固态盘为首选。 可靠、高速而方便的数据传输接口 对于一个存储系统的存储速度不仅是存储器的存储速度，还有数据传输获 取的速度。一个好的数据传输接口包括硬件接口，传输协议等，这将直接影响 到方便性、可靠性、高速性、可扩展性等。考虑目前工业上各幂申数据传输标准， 7 硕士学拉论文 m 翻砥s1 1 璎塔 都可以通过专用通信线在远方采集现场设备的数据、进行远程显示和控制。但 是，需要专用的通信介质，例如r s 4 8 5 、电流环路、l o n w o r k s 、c a n 、f i e l d b u s 、 电力线等等，也需要自己编写通信协议、配套的软件，以及要自己设计接口硬 件。于是我们选用目前流行的以太网络接口。t c p i p 协议是现成而公开的，且 通信协议非常的完善，对它的各种支持也最多。且以太网传输速率非常高，至 少可达到1 0 m 、甚至1 0 0 m 。完全可满足该设计的要求。 宽使用温区( - - 2 0 7 0 ) 、抗干扰性能好 由于是黑匣子的特殊要求，必须要能在各种恶劣环境下正常工作。所以应 该选用工业级或军品级芯片。 2 1 2 嵌入式处理器和操作系统的选型 在嵌入式处理器的选型上，采用美国m o t o r o l a 公司的c o l d f i r e3 2 位r i s c 结构微处理器系列。具体型号为c o l d f i r e 5 3 0 7 。 c o l d f i r e3 2 位r i s c 结构微处理器产品系列采用了一种新的内核4 ”，它 是在6 8 k 内核的基础上，对6 8 k 内核的功能进行增强发展而来，新内核的代码 执行效率很高，并保持了与6 8 k 的兼容性。目前，c o l d f i r e 已经发展出v 2 、 v 3 、v 4 等多种内核版本，对应每个版本又有多种不同的芯片种类。 c o l d f i r e 系列芯片在各种应用中表现出相当高的性能，适合从低端产品到 高端产品的多种应用。例如：m c f 5 2 0 6 e 在5 4 m h z 可达5 0 m i p s ，m c f 5 4 0 7 在1 6 0 m h z 可达2 5 7 m i p s 。 c o l d f i r e3 2 位r i s c 结构微处理器，具有优良的性能和低廉的价格，集成 了较多的外围接口，使芯片的使用效率得到了较大的提高。该系列芯片可被广 泛用于i n t e r n e t 设备、t a n 电话、低端路由器、i s d n 终端适配器、本地无线 基站、打印机、p o s 终端、工业自动化以及机顶盒等。 在嵌入式操作系统上，我们选用嵌入式l i n u x ”1 ”。目前，许多著名的嵌入 式操作系统已经支持c o l d f i r e 系列的芯片，如：v x w o r k s 、n u c l e a u s 、p s o s 、 嵌入式l i n u x 等。由于它们的结合，用户能够开发出面向多个领域的电子产品， 如：低端路由器、家用网关、w e b 电话、信息家电等等。v x w o r k 和p s o s 等系 统以功能强、性能可靠而被大量用于通信和个人手持设备中，但用户使用它们 的开发费用和产品价格稍显昂贵。这些商业的实时操作系统，比如v x w o r k s 和 8 硕士学位论文 m a s 弧s 硼玛 n u c l e a u s 等价格普遍比较昂贵，而且需要附加的c 编译器和相关的调试工具。 而像u c o s 等免费的实时操作系统，又没有很好的文件系统和t c p i p 协议的 支持。 所以，就我们的应用特点而言，u c l i n u x 可以说是最合适，性价比最高的 操作系统。嵌入式l i n u x 的内核从底层提供对硬件的支持，完成对硬件模块的 驱动，操作系统的构成主要包括网络系统、文件系统、内存管理、进程调度、 进程间通信等子系统。另外，它还提供开发上层应用程序的接口。由于c o l d f i r e 系列芯片是没有内存管理单元( 删) 的处理器，它不支持嵌入式l i n u x 的内存 管理功能，所以必须对内存的管理做特殊处理。一些嵌入式l i n u x 版本解决了 没有m m u 芯片的内存管理问题，并且使得系统的实时性更好。u c l i n u x 的 c o l d f i r e 版本就是一个典型的范例，该版本目前能够支持c o l d f i r e 高版本的 所有芯片，如：m c f 5 2 0 6 5 2 0 6 e 5 2 7 2 5 3 0 7 5 4 0 7 等。而且选择u c l i n u x 以后， 有很多l i n u x 下面的资源都可以直接使用，省却了专门编写驱动的时间，加快 产品的研发进度。 3 2 b i tc o l d f i r e 芯片与嵌入式l i n u x 的结合就使得成本较低、性价比高。 其一、开发的软件和硬件成本低：其二、有较多的开发样板供参考，用户不需 花太多的时间用于研究每一个细节，缩短开发周期；其三、统一的开发模式能 变化出形形色色的网络产品，有利于市场竞争。 2 1 3 存储芯片的选用 在嵌入式应用领域，f l a s h 无疑是作为非易失性存储介质合适的选择。而 f l a s h 可分为n o rf l a s h 和n a n df l a s h 【l “”。n o rf l a s h 芯片的特点是芯片内 执行( x i p ，e x e c u t ei np l a c e ) ，接口简单，按普通i o 地址寻址。这样应用 程序可以直接在f l a s h 内部运行，不需要再把代码读到r a m 中其缺点是写入、 擦除操作需要很长时间。但是，n o r 的读速度快。所以，主要应用在代码存储 介质中。而n a n d 接口比较复杂，但其结构提供极高的单元密度，可以达到高 存储密度，并且写入和擦除的速度很快。所以，主要用于数据存储。 对此，在主控板的程序存储器上我们选用的是n o rf l a s h 。这是由于它的 特点是程序能片内运行，无需拷贝到r a m 中。而c o l d f i r e5 3 0 7 没有片内程序 存储区，所以上电时的启动代码必须放在非易失性的存储器内，且要求能片内 9 硕士拳位论文 m a s t e r s 嘲 运行。所以，n o rf l a s h 是很好的选择。在我们的系统中，有2 块2 mx1 6 b i t 的n o rf l a s h ，对5 3 0 7 提供1 6 位接口。一块做为程序存储器并用作上电时启 动程序的存储。一块作为u c l i n u x 系统的j _ f f s 文件系统挂装区域。 处理器系统运行时，r a m 是必不可少的。c o l d f i r e5 3 0 7 内部自带4 k 字节 的s r a m 。s r a m 的特点是接口简单、存储速度快。但是价格比较贵。在我们的 系统中，由于要运行大量的程序需要大量的变量和堆栈存储空间。特别是，为 了加快程序的运行速度，上电后我们要将f l a s h 中的u c l i n u x 操作系统和在其 上编写的用户程序都拷贝到r a m 中运行。这样，我们就需要大容量的r a m 。但 如果采用大容量的s r a m ，在价格上显得不大合适。这就需要价格低廉且大容量 的其它类型的r a m 。对此，d r a m 是个比较好的选择。在我们的系统中有2 块4 m x1 6 b i t 的s d r a m ，一起组合成1 6 m h y t e s 的3 2 位接口存储单元，主要作为程 序运行的变量存储、堆栈设置并为将f l a s h 中程序拷贝到r a m 中能快速运行提 供足够的空间。 作为v d r ( 船舶航行数据记录仪) 需要容量大、体积小且非易失性的存 储介质。在嵌入式应用领域，f l a s h 是比较合适的选择。在主控板中我们已选 用n o rf l a s h 。而现在我们用到的是大容量的存储设备，容量要求达到4 g b y t e s 。 这时，n a n df l a s h 更具优势。关于n a n df l a s h 的介绍和它与n o rf l a s h 的区 别，我们在下面的章节做了介绍。在我们的存储板上，用到了3 2 片n a n df l a s h 。 其中，每片1 2 8 m 字节，一共达到了4 g 的容量。 2 1 4 数据传输接口的选用 v d r ( 船舶航行数据记录仪) 所记录的是船舶上各种不同的数据，它们来 自不同的采集点。此时，v d r 是作为一种服务器在运行。所以，这就需要一 种高速、可靠性高、抗干扰性好且支持多点传输的传输手段。工业控制领域中， 传统的技术已经可以实现通过专用通信线在远方采集现场设备的数据、进行远 程显示和控制。这就需要专用的通信介质，例如r s 4 8 5 、电流环路、l o n w o r k s 、 c a n 、f i e l d b u s 、电力线等各种其他现场总线。但这需要自己编写通信协议， 配套的软件。而且由于技术的发展和数据采集系统数据量的增大，使得很多传 统的数据采集系统中的现场总线不堪重负。于是，我们选用目前流行的以太网 来传输数据。 1 0 硕士擘襁鲁文 m a s n 弧s1 1 瑾s 瑶 首先，以太网传输速率很高至少可达到i o m 、甚至1 0 0 m 。而且，抗干扰性 好。由于以太网作为i n t e r n e t 的一部分来设计的，它在多用户互连上做的很 好，非常适合我们这种多客户端传输数据的情况。最后，它的通信协议非常的 完善，对它的各种支持也最多。 在网络接口芯片上，我们选用r e a l t e k 公司的i o mr t l 8 0 1 9 a s 以太网络芯 片。之所以选择r t l 8 0 1 9 a s 的主要原因是它极高的性价比和n e 2 0 0 0 兼容的架 构。n e 2 0 0 0 是非常好的以太网m a c 层架构，也是非常成熟的架构。n e 2 0 0 0 架 构以太网接口芯片的驱动程序和应用文档也是非常成熟，在u c l i n u x 操作系统 下也可以比较容易的应用。 2 2 系统总体架构 内存分配 c o l d f i r e 5 3 0 7 主控板内存分配 o x o o - - o x o o f f f f f f o x l 0 0 0 0 0 0 0 一o x l 0 0 0 1 0 0 0 0 x 2 0 0 0 0 0 0 0 o x 2 0 0 0 1 0 0 0 o x c 0 0 0 0 0 0 0 o x c 0 0 0 0 6 0 0 o x f f e 0 0 0 0 0 o x f f f f f f f f o x f f c 0 0 0 0 0 o x f f e 0 0 0 0 0 s d r a m ( 1 6 m b y t e s ，3 2 b i td a t ab u s ) 内部寄存器 内部s r a m 以太网控制器 f l a s hr o m ( 2 m b y t e s ，1 6 b itd a t ab u s ) f l a s hr o m ( 2 i b y t e s ，1 6 b i td a t ab u s ) c o l d f i r e 5 3 0 7 与主控板外围器件的接口 c o l d f i r e 5 3 0 7 对外存储空间扩展有c s o 到c s 78 个片选，和一个d r a m 接 口部件支持两个d r a i l 外扩部件。我们将两块s d r a m 都接到r a s 0 信号脚，也就 是共用一个片选。这样将两块1 6 位端口的d r a m 合并为一个3 2 位端口的外扩 r a m 来使用。两块n o rf l a s h 分别按到c s 0 和c s i 。接到c s o 的作为上电启动 代码和用户程序的存储空间，接到c s l 的可作为u c l i n u x 的j f f s 文件系统的 空间。网络接口芯片r t l 8 0 1 9 a s 接到片选c s 4 ，用来对其内部的3 2 个字节的 i 0 地址空间进行操作。最后，c s 7 引出连到n a n df l a s h 存储板，作为对n a n d f l a s h 读写的控制信号。 项士学位论文 m 越；t 皿s1 1 麟琏 c o l d f i r e 5 3 0 7 主控板与n a n df l a s h 存储板接口 整个系统分为主控部分和存储部分。其中存储部分分开放在加固的容器内 进行保护。存储扳和主控板间的控制信号和数据通过特殊的3 0 线的数据软线 传输。主控板外接5 v 直流电源，经变压后转变为3 3 v 和5 v 两种电源给主控 板。存储板所用的3 3 v 电源由主控板通过数据软线传进来，其地也通过软线 和主控板连在一块。该线在温度超过3 0 0 度后会自动熔断，以保证温度过高或 发生事故时不至于烧坏存储板。这样，存储板上的数据能在事故盾保存下来进 行分析。 硕士擎位论文 m a ! 勰s m 吼s 第三章系统硬件实现 3 1 基于m o t o r o i a3 2 位处理器c o l d f ir e5 3 0 7 的主控系统 3 1 1o p u 简介“”3 c o l d f i r e 系列微处理器是m o t o r o l a 公司延续其m 6 8 k 系列微处理器推出 的新一代内核的3 2 位高性能嵌入式微处理器。众所周知，m 6 8 k 系列微处理器， 像m c 6 8 0 4 0 等微处理器在工业控制领域，特别是在高能物理、航空航天、工业 生产等领域有着极其广泛的应用。m 6 8 k 系列微处理器处理能力强大，性能卓 越，对c 语言的支持也非常好。但是由于m 6 8 k 系列微处理器是c i s c ( 复杂 指令集，不易于流水线设计) 架构。随着控制系统对微处理器速度上要求的不 断升级，m 6 8 k 系列原有的架构不太容易提离c p u 整体的速度。于是m o t o r o l a 对m 6 8 k 的体系结构做了很好的改进，使得体系结构是c i s c 和r i s c ( 精简指 令集，易于流水线设计) 融合的架构( 称之为变长的r i s c 设计) ，便有了新一 代的c o l d f i r e 微处理器。c o l d f i r e 微处理器继承了m 6 8 k 系列优秀的指令集 设计和c i s c 架构的优点，融入了r i s c 架构的优点，在速度和架构之间得到 很好的平衡。而c o l d f i r e5 3 0 7 是c o l d f i r e 系列微处理器第三代内核的微处 理器。 c o l d f i r e5 3 0 7 地址线为a d d r e s s o ：3 1 ，3 2 位地址总线，其中a 2 4 到a 3 2 可以作为8 位并行i o 口使用。在我们的系统中就作为i o 口使用，也就是说 我们只使用a o 到a 2 3 这2 4 根地址线；则每个片选信号( c s n ) 可以寻址的空 间是1 6 m b y t e s 空间。其中c s o 来片选b o o tf l a s hr o m 。 c o l d f i r e5 3 0 7 微处理器运行在外部总线时钟4 5 m h z ，内部总线时钟9 0 m h z ， 可以达到7 5 m i p s 。c o l d f i r e5 3 0 7 是嵌入式微处理器，在设计之初就面向嵌 入式控制系统，所以整个系统的功耗还是比较低的，实际测量的结果是约5 0 0 毫安5 v 。它的这些特性，使得它在我们的控制系统中非常合适使用。 3 1 2b o o t s t r a p 部分”“” 所谓b o o t s t r a p ，也就是在复位时将c o l d f i r e 复位以后需要的一些配置 信息锁存到相关的内部寄存器中。这些配置内容主要包括：b o o tr o m 的总线 硕士攀位论文 m a s t e r sn m s 监 宽度。复位正常以后系统的总线时钟等。配置时不使用单独的引脚。而是使用 数据总线的低8 位来复用作为b o o t s t r a p 的配置引脚。因此这些相关数据线 ( d o 到d 7 ) 要通过4 k 7 欧姆电阻上拉或者下拉来完成复位时的配置工作。 d o 到d 7 的复用信息如表2 所示： 引脚名称配置功能说明 总线读时自动应答。该信号上拉时表示读c s o 上片选的b 0 0 tf l a s hr o m d 7时候需要插入1 5 个等待周期，而下拉的时候表示不需要等待周期。我 们将该信号下拉来禁止使用该等待功能。 b o o tf l a s hr 伽的数据线宽度。该2 位来选择b o o t 的时候c s o 上外接 f l a s hr 伽的总线宽度；0 0 表示3 2 往总线宽度，0 1 表示8 位总线宽度， d 6 ：5 而其余的设置表示1 6 位总线宽度。我们将该两位上拉表示我们使用1 6 位总线宽度的b o o tf l a s hr 删。 地址配置。该位用来选择复位以后a 2 4 到a 3 1 地址信号以及其他相关总 d 4线信号是作为地址线，还是作为并行1 0 口。我们将该信号线下拉，表 示它们将作为并行1 0 口信号。 锁相环配置。该2 位来选择系统使用哪个频率范围的外部时钟信号。我 d 3 ：2们使用4 5 髓z 时钟信号，根据c o l d f i r e5 3 0 7 手册应该将该两位中 d 3 上拉，d 2 下拉。 分频配置。该2 位来选择系统外部总线时钟( b c l k 0 信号) 是系统内部 d 1 ：0时钟的多少分频。我们选择最高的1 2 分频，根据c o i d f i r e5 3 0 7 手册 分别将d l 上拉，d o 下拉。 表2 d o 到d 7 的复用信息表 这样设置b o o t s t r a p 配置信号的上拉和下拉以后，我们就可以在复位的时 候向c o l d f i r e5 3 0 7 真实反映我们系统自身的配置，这样c p u 才可以正常工 作起来。 3 1 3 主控系统外围器件o ” s d r m 部分 c o l d f i r e5 3 0 7 芯片内部有4 k b y t e s 的内部s r a m ，可以单个时钟周期顺 序读写，是高速内部s r a m 。在系统上电以后，可以将堆栈指针指向该s r a m ， 初