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国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 嵌入式系统设计正在向着软硬件相结合的方向发展，嵌入式操作系统应用越 来越广泛，而基于a r m 处理器和嵌入式l i n u x 的嵌入式计算机以其设计灵活、 软硬件可裁剪、性能优越、成本低等特点秘优势，倍受设计者和使用者青睐。目 前国内相关方面的研究较多，但实际的行业应用相对较少，本课题对a r m 处理 器加嵌入式l i n u x 的应用进行了深入的研究探索，提出相关设计思路，为嵌入式 技术如何在相关领域的应用进行了大量的研究工作。 本文结合基于a r m 处理器的p c 1 0 4 总线嵌入式计算机的开发过程，对嵌 入式系统研究中的关键技术进行了研究。同时由于传统的x 8 6 嵌入式设备存在许 多弊端以及当前删处理器的迅猛发展，堤出了用 r m 处理器替代x 8 6 在工 业控制领域应用的思路，并在1 圪思路指导下完成了基本职究和具体设计。 本文首先探讨了嵌入式系统应用的特点及发展趋势，重点对嵌入式系统的软 硬件发展情况和趋势进行了研究；进而，深入研究了a r m 处理器和嵌入式l i n u ) ( 架构的具体设计和应用方法，利用这一基本模式提出和实现p c 1 0 4 嵌入式计算 机的设计和研发。在此基础上，对删和x 8 6 各个方面的性能进行了分析比较。 最后设计开发了两款基于这个架构的针对不同应用场合的嵌入式计算机。 关键词：嵌入式系统，a i m 处理器，l i n u x ，p c ，1 0 4 总线，c a n 总线，片上系 统 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t t h ed e s i g n0 ft h ee m b e d d e ds y s t e mi s a d v a n c i n gt o w a r d sc o m b 抽a t i o n0 f s o f t w a r ea l l dh a r d w a r c ，a n dt h ee m b e d d e do p e m t i o ns y s t c mi sa p p l i e dm o r ea 1 1 dm o r e c x t e n d e d t h ee m b e d d c dc o m p u t c rb a s e do n 删a i l dl i n u x 删船c t sd e s i 印e a t t e n t i o nb yi t sc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha sn e x i b i l i t y d i m i n i s h a b i eo fs o f h v a r ca i l d h a r d w a r c ，h 噜h i yp e r f o m a n c e ，l o wc o s t ，a i l ds oo n t h er e s e a r c hi nm ef i e l di sa b r o a d ， b u tt h eu s ei s1 i t t l ei nc h i n a s oi i lt l l i st h e s i s ，w ew o r ka tm e 印p l i c a t i o n ，b r i n g f o n v a r ds o m ed e s i 驴，a n dd oi o t so f r c s e a r c hi n 廿l i s 五e l d 1 1 1t h ep r o c e s so f d e s 啦p c 1 0 4e m b e d d c dc o m p u t e rb 船e do n 删，w eg od e e p i n t ot h ek e yt e c h n i q u eo f 锄b e d d e ds y s t c m b e c a u s eo ft h ed i s a d v a n t a g eo f f r a d i t i o n a lx 8 6e m b e d d e dc o m p u t e r 锄dt h es p e e d yd e v e l o po f 删p r o c e s s o r ，w e p u tf b n v a r dt h ei d e ar e p l a c i n gx 8 6b y 删i ni n d u s t r i a l 印p l i c a t i o n ，a n di m p l e m e n t t h ed e s i g ni np r o d u c t i o n f i r s t ，w ed i s c u s s 山ef e a t u r co f m ea p p l i c a t i o no f e 埘l b e d d e ds y s t 锄，e m p h a s i z i n g o nd e v e i o p m e n tt r e n do f 垃删w a r ea n ds o f h a r er e s p e c t i v e iy s c c o n d l y w ei a y e m p h a s i so nt h ea r c h i t e c t u r eo f 删 1 i i l kw i 也l i n l l ) 【 u s i n gi t t od e s 蛳a n d i m p l e m e n t e m b e d d e d c o m p u t e ri m e f a t e d w i mp c 1 0 4a n d c o m p a r i n g t t l e p e r f b 珊a n c eo f 删a n dx 8 6i na 1 1 唧e c t s f i n a l l y b a s e d0 nm ea r c h j t e c t u r c ，w e d e s i g t la n di m p l e m e n t 押ok i n d so fe m b e d d e dc o m p u t e r i nd i 仃c r e i l ta p p l i c a t i o n k e y w o r d s ： e m b e d d e ds y s t e m ，a 蹦，l i n u x ，p c 1 0 4b u s ，c a nb l l s ，s o c 垦堕型兰垫查盔兰竺茎生堕堂垒丝苎 图目录 图2 1a r m 9 2 0 t 内核结构”1 图2 2s 3 c 2 4 l o 硬件组成结构”1 图2 3l i n u x 内核体系结构示意图“ 图2 4 存储器空间分配示意图， 图3 1a r m 处理器架构示意图”1 图3 2p c 1 0 4 计算机系统结构示意图 图3 3a r m 和p c 1 0 4 总线接口原理框图 图3 4p c 1 0 4 总线i 0 读时序“ 图3 5p c 1 0 4 总线i 0 写对序“ 图3 6a r m 变延迟i o 读时序 图3 7p c 1 0 4 总线控制器的工作流程图 图3 8c a n 驱动处理流程图， 图4 i 平台照片。， 图4 2 系统结构框图 图4 3 系统层次结构示意图 图4 4g u i 平台照片 图4 5g u i 系统层次结构示意图， 第i i i 页 8 9 3 5 8 0 3 4 4 5 6 3 l 2 3 5 6 1 1 l 2 2 2 2 2 2 3 4 4 4 4 4 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 国防科学技术大学研究生院学位论文 表目录 表3 1a r m 和x 8 6 性能对照表3 8 表4 1e m c 测试结果报告表4 4 表4 2 高低温测试结果报告表4 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究贼果。尽我所知，除了文孛特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使周过的材料。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昀说明并表示谢意。 学位论文题目：基王i 堂曲墼! q ! 虽盛让莲扭遮i 土 学位论文作者签名：砼z 虹毡日期：础f 年j 2 月日 学位论文版权使用授权书 本入完全了解国劳科学技术大学有关保留、使周学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文挡，允许论文被查阅和借闻；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，可阻采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书，) 学位论文题目：基士! 哒曲婴! 塑遨盛j 土莲扭遮盐 学位论文作者签名：! 盒d ! ! 毯日期：2 口口f 年1 2 月5 日 作者指导教师签名：缝塑 留辩：拥丁年f 2 月多曩 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 随着社会信息化的日益发展，计算机和网络已经全面渗透到日常生活的每一 个角落。对于我们每个人来说，需要已经不再局限于放在桌上处理文档、进行工 作管理和生产控制的通用计算机。任何入都有可能拥有大大，j 、小的、使用嵌入式 技术的电子设备。可以说现在已经进入了嵌入式系统全面应用的时代，在当今数 字信息技术和网络技术高速发展的后p c 时代，嵌入式系统已经被广泛应用于移 动计算平台( p d a 、掌上计算机) 、信息家电( 数字电视、机顶盒、网络设备) 、 无线通信设备( 手机、股票接收设备) 、工业商业控制( 智能工控设备、p 0 s a t m 机) 、电子商务平台、航空航天、以及军事应用等诸多领域。各种各样的新型嵌 入式系统设备在应用上已经远远超过了通用计算机，嵌入式系统技术是当今最热 门的概念之一。 1 1 嵌入式系统概述 1 1 1 嵌入式系统发展状况 随着微电子技术的飞速发展，c p u 已经变成低成本器件。在可能的情况下， 各种枧电设备已经或者正在嵌入c p u 构成的嵌入式系统。据v i r g i n j at e c h 公司 报告嵌入式系统中所使用的c p u 数量已经超过通用p c 中c p u 数量的3 0 倍。 而且随着嵌入式开发技术的不断成熟，开发形式、手段和工具，开发平台和 开发语言等嵌入式系统设计手段发生的变化，对嵌入式系统的要求也越来越高。 现在系统研究的重点已从通用系统转向专用系统，以及从一般性能转向可靠性、 可用性、安全性、自主性、可扩展性、功能性、灵活性、成本、体积、功耗及可 管理性上。 1 1 2 嵌入式系统及特点 “嵌入式系统”实际上是“嵌入式计算机系统”的简称。它是以应用为中心， 以计算机技术为基础，软、硬件可裁减，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川。“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统” 是嵌入式系统的三个基本要素。 与通用计算机系统相比，嵌入式系统有如下几个重要特点： ( 1 1 嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式系统大多工作在为特定用户 设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用 第l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋 于小型化，移动能力大大增强。 ( 2 ) 嵌入式系统技术是一门新兴的交叉学科。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相结合的学科。这一点就决 定了它必然是个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 ( 3 ) 系统精简和高效利用。嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计， 量体裁衣、去除冗余，力争最高的性能和最低的成本，控制系统成本，提高系统 稳定性，增强市场竞争力。 ( 4 ) 系统和应用软件的统一。嵌入式系统没有系统软件和应用软件的严格区 分，也不要求功能的设计及实现过于复杂，把高效性和实时性作为嵌入式软件的 基本要求。 ( 5 ) 嵌入式系统必须是能满足对象系统控制要求的计算机系统。与这个特点 相呼应，这样的计算机系统必须配置有与对象系统相适应的接口电路。 ( 6 ) 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，如果独立于应用自行 发展，则会失去市场。嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理 能力、电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约，这些也是各个半导体厂商之间 竞争的热点【。 1 1 3 嵌入式系统分类 由于嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成，所以其分类也可以按照硬件和 软件进行划分。 1 1 3 1 嵌入式的硬件成分 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，目前据不完全统计，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。 嵌入式处理器的寻址空间一般从6 4 k b 到4 g b ，处理速度从o 1m i p s 到2 0 0 0 m m s 【3 1 。根据其现状，嵌入式计算机可以分成以下几类。嵌入式微处理器( m p u ) 、 嵌入式微控制器( m c u ) 、嵌入式d s p 处理器( d s p ) 、嵌入式片上系统( s o p c ) ， 其中微处理器与微控制器在嵌入式领域应用最为广泛。 现代计算机都是以微处理器为中心的。微处理器的芯片内只包括c p u 本身， 而不包括存储器、i o 接口等其他的功能模块，例如p e m i 啪等就是这样的。所 以微处理器是全方位的、可以为之配上任何外设芯片以满足各种不同的需要，一 般都用在通用计算机系统中。 微处理器的特点，特别是c p u 芯片中不包括i o 接口电路，更没有其他外 围功能模块这一点，使得嵌入式系统的开发和生产都倾向与开发另外一种类型的 处理器。首先，这种处理器芯片中除了c p u 以外还需要有一些i ，o 接口电路以 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 及一些面向特定功能应用的功能模块；其次，用于嵌入式系统的c p u 不一定需 要像通用c p u 郧么强而齐全的功能，但是却要求小巧和省电。这撵的c p u 芯片 就是微控制器。 其中a 础以处理器是微控制器的典型代表。a r m 处理器是一种高性能、低 功耗的r j s c 器件，它由英国a r m 公司设计，世界上几乎所有的主要半导体厂 商都生产基于a r m 体系结构的通用芯片，或在其专用芯片中嵌入a r m 的相关 技术。基于a r m 内核的处理器年产量突破5 个亿，市场份额超过了7 5 ，成为 业界的龙头。 实际上，各厂齑的a r m 处理器都在芯片上集成了些接口电路以及其 他功能模块，甚至包括部分内存。与其他的处理器芯片相比，删处理器的一 个显而易见的好处是成本上的优势。删处理器将一些接口电路和功能模块集 成在c p u 芯片上，因此在价格上往往是很合算的，当然好处还远不止于此。 首先，采用a r m 处理器可以在相当程度上缩短产品的设计、开发以及调试 周期，从而节约了开发时间。 其次，由于系统中芯片数量减少，系统复杂度下降，整个系统的故障率降低。 而且系统的体积也可以缎小。这对于需要嵌入在其他设各或装置中的系统具有重 要意义。 还有，a r m 处理器采用了流水线技术，带有高速缓存，大大提高了处理器 的运算速度：r j s c 技术的实现简化了处理器的设计难度，保证了a r m 处理器 的超低功耗。 正是因为a r m 处理器具有上述独特的性能特点，因此删处理器已经毫 无争议的成为了嵌入式设计的首选，也代表了下一代处理器的发展方向。相信随 着嵌入式技术的深入发展。a r m 处理器憋获得更广阔的发展应用空间， 1 j 3 2 嵌入式操作系统现状 嵌入式操作系统并不是个新生事物。从2 0 世纪8 0 年代起国际上就有一些 i t 组织开始进行商用嵌入式操作系统和专用操作系统的研发，这其中涌现出一 些著名的嵌入式操作系统。经过多年发展目前世界上已经有一大批十分成熟的 实时嵌入式操作系统。其中使用最为广泛的有v x w j r k s 、嵌入式l i n u x 、u c o s ， 下面分别对这三个操作系统的特点进行描述。 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 公司于1 9 8 3 年设计开发的一种实时嵌 入式实时操作系统( r t o s ) 。由于具有良好的持续发展能力、高性能的内核以及 友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域占据席之地。值得一提的是， 美国p l 实验室研制豹著名的“索杰纳”火星车采用的就是奴如r k s j 2 】， v x w o r k s 的突出特点包括： ( 1 ) 可靠性。稳定、可靠一直是v x w o r k s 的一个突出优点，v x w o r k s 以其良 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 好的可靠性在中国赢得了越来越多的用户。 ( 2 ) 实时性。v x w o r k s 的实时性非常好其系统本身的开销很小进程调度、 进程间通信、中断处理等系统公用程序精练而有效，它们造成的延迟很短。 v x w o r k s 提供的多任务机制中对任务的控制采用了优先级抢占( p r e e p t i v e 野i o r n ys c h e d u 2 j n g ) 和轮转调度( r o u n d - r o b i ns c h e d u l i n g ) 机制，也 充分保证了可靠的实时性，使同样的硬件配置能满足更强的实时性要求，为 应用的开发留下更大的余地。 ( 3 ) 可裁减性，v x w o r k s 由一个体积很小的内核及些可以根据需要进行定 制的系统模块组成。v x r k s 内核最小为8 k b ，即便加上其它必要模块，所 占用的空间也很小，且不失其实时、多任务的系统特征。由于它的高度灵活 性，用户可以很容易地对这一操作系统进行定制或做适当开发，来满足自己 的实际应用需要1 4 】。 嵌入式l i n u x ： 自由免费软件l i n u x 的出现对目前商用嵌入式操作系统带来了巨大冲击。作 为候选的嵌入式操作系统，l i n u x 有一些很吸引人的优势，它已经被成功移植到 多个不同结构的c p u 和硬件平台上，具有很好的稳定性、各种性能的升级能力， 而且对各种驱动的支持，在嵌入式操作系统中是最丰富的【扪。 同时，相对于v x w o r k s 这样的商用操作系统，l i n u x 有着得天独厚的优势。 首先，嵌入式l i n u x 出于代玛开放性，不存在黑箱技术，遍布全球的众多 l i n u x 爱好者就是l i n u x 开发的强大技术后盾； 其次，嵌入式l i n u x 拥有强大的网络功能，在嵌入式联网日趋成熟的今天， 这个优势显得非常明显，l i n u x 甚至支持蓝牙等新技术。其他任何操作系统对于 新技术的支持远没有l i n u x 那么迅速； 再次，l i n u x 的内核小、功能强大、运行稳定、系统健壮、效率高： 另外，l i n u x 沿用了u n i x 的发展方式，遵循国际标准，可以方便的获得众 多第三方软硬件厂商的支持； 最后，良好的开发环境和软件开发者的广泛支持是嵌入式l i n u x 发展迅速的 最大优势。l i n u x 有着非常优秀的完整开发工具链，有十几种集成开发环境，其 中很多是免费的，大大降低了开发费用。l i n u x 的自由精神吸引了成千上万的程 序员投入到l l n u x 的开发和涮试中来，这使得l i n u x 在短对简内就成为一个功能 强大的操作系统。 目前，国际上一些著名的公司已经选中了嵌入式l i n u x 作为开发嵌入式产品 的工具。如三星公司的l i n u xp d a ，t r a n s j i l e t a 公司的l j n u x 智能手机，n e t g e m 的机顶盒等。 l i n u x 在嵌入式领域的异军突起不过是近两年的事情，但是对有嵌入式操作 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 系统需求的技术人员调查却显示：过去一年中有5 2 的用户正在或开始使用嵌入 式l i n u x 操作系统进行开发工作。由此不难看出l i n u x 作为开发嵌入式产品的操 作系统所具备的巨大潜力。 u c o s ： u c o s 是除l i n u x 外。另一个著名的免费公- 丌源代码、结构小巧、具有可剥 夺实时内核的实时操作系统。其内核提供任务调度与管理、时间管理、任务间同 步与通信、内存管理和中断服务等功能【”。由于与处理器硬件相关的部分是用汇 编语言，因此u c o s 非常适合小型控制系统，具有执行效率高、占用空间小、实 时性能优良和可扩展性强等特点，最小内核可编译至2 k 。 u c o s 由于其微内核的结构，并有详尽的源代码讲解和注释，使得系统变得 透明，很容易就能把操作系统移植到各种不同的硬件平台上。u c o s 已经有了1 0 几年的使用实践，而且该实时操作系统几乎被移植到了所有的嵌入式c p u 上。 但，也是由于u c o s 的微内核结构，它仅仅提供了个实时内核，这就意味 着它不像其他实时操作系统那样提供给用户的只是一些a p i 函数接口，有很多工 作往往需要用户自己去完成。把u c o s 移植到目标硬件平台也只是系统设计工作 的丌始，后面还需要针对应用需求对u e o s 进行功能扩展，包括低沉的硬件驱动、 文件系统、用户图形接口等，从而建立一个实用的r t o s 。 简单的说，小型控制系统可充分利用u c 0 s 小巧且实时性强的优势，但是对 于比较复杂的系统，u c o s 并不是最佳选择。 1 2 嵌入式系统最新发展趋势 嵌入式l i n u x 的一大特点是与硬件芯片( 如s 0 c 等) 的紧密结合。它不是一个 纯软件的l i n u x 系统，而比一般操作系统更加接近于硬件。嵌入式l i n u x 的进一 步发展，逐步地具备了嵌入式r t o s 的一切特征：实时性及与嵌入式处理器的紧 密结合。 着眼于未来的嵌入式系统的发展，我们基于对嵌入式l i n u x 技术的深入研 究，对嵌入式处理器及s o c 系统的深刻理解和研究。可能减轻系统开发者对b s p 丌发的难度要求，并使得嵌入式l i n u x 能够成为普及的嵌入式操作系统，而大大 提高嵌入式l i n u x 的易用性，提高开发出的高智能设备的安全性、稳定性，同时 也大大提高智能设备的计算能力、处理能力。 1 3 课题所做的工作和论文安排 根据当前嵌入式系统在国内外的发展状况，并结合实验室的实际情况，论文 在研究的过程中，实现了嵌入式系统设计在软硬件两个部分上的自主研发。本课 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 题主要研究了嵌入式系统的开发特点，阐述了嵌入式系统开发流程，提出了一种 基于a i t m 处理器的p c i 0 4 嵌入式计算机体系结构，并结合具体的应用背景开发 了几款专用的嵌入式系统产品。 第二章根据实际设计经验，研究嵌入式系统的基本开发流程，以及在开发过 程中需要注意的关键步骤和相关的理论指导和经验总结。 第三章研究比较删处理器和x 8 6 计算机的基本架构，提出了基于a r m 处理器的p c 1 0 4 嵌入式计算机体系结构，完成系统软硬件设计实现，攻克了相 关的关键技术，并在应用中得到了实际检验。 第四章深入研究探索、并自主研发了两款分别应用于不同领域的p c 1 0 4 嵌 入式计算机，将p c ，1 0 4 设计等关键技术在开发过程中进行了实现，最后在功能、 整体性能等方面进行了测试和细致分析。 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章嵌入式系统开发流程 嵌入式系统的开发是一个软硬件协同开发的过程。根据开发经验，我们把嵌 入式系统的开发大致划分为硬件选型、软件选型、硬件设计与调试、系统移植、 驱动开发这几个步骤。 在本章中将根据嵌入式系统开发的实际经验，研究总结开发过程各个环节的 设计方法，以及把研究工作落实到开发的关键步骤、把工作重点放在关键技术的 攻免e 。 2 1 硬件平台选型 嵌入式系统在硬件架构上以嵌入式处理器为中心，配置存储器、i o 设备、 通信模块等必要的外设，其中处理器的选型是最重要的。 设计者在选择处理器时要考虑的主要因素有： 处理性能。一个处理器的性能取决于多个方面的因素，如时钟频率，内 部寄存器的大小，指令是否对等所有的寄存器等f 7 j 。对于许多需要使用处理器的 嵌入式系统设计来说，目标不是在于挑选速度最快的处理器，而是在于选取能够 完成功能的处理器和i o 子系统。如果是面向高性能的应用设计，那么建议考虑 某些新的处理器，其价格相对低廉，如i b m 和m o t o r 0 1 ap o w e rp c 。 技术指标。当前，许多嵌入式处理器都集成了外围设备的功能，减少了 芯片的数量，降低了整个系统的开发费用。开发人员首先考虑的是，系统所要求 的一些硬件能否无需过多的胶合逻辑( g 1 u el o g i c ) 就可以连接到处理器上。其次 是考虑该处理嚣的一些支持芯片，如d 鼢控制器，内存管理器，中断控霈g 器，串 行设备、时钟等的配套。 功耗。嵌入式微处理器最大并且增长最快的市场是各种消费类电子产品 和有特定用途的工业场合。这些产品中选购的微处理器典型的特点是要求高性 能、低功耗。许多c p u 生产厂家已经进入了这个领域。今天，用户可以买到一颗 嵌入式的微处理器，其速度像笔记本中的p e n t i u m 一样快；而它仅使用普通电池 供电即可，并且价格很便宜。 软件支持工具。仅有一个处理器，没有较好的软件开发工具的支持也是 不行的，因此选择合适的软件开发工具对系统的实现会起到很好的作用。 是否内置调试工具。处理器如果内置调试工具可以大大缩小调试周期， 降低调试的难度。 是否有成熟的评估板设计。许多处理器供应商可以提供评估板来验证理 论是否正确，决策是否得当。 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 在这个过程中，我们主要从处理器性能、软件的支持程度、成本、功耗、稳 定性这几个方面进行分析，选择 s a m s u n g 公司推出的a r m 处理器s 3 c 2 4 1 0 作为核 心器件，下面介绍一下选择a r m 处理器的原因。 在以前的嵌入式系统中，大多采用c i s c 复杂指令集计算机架构。该体系由于 指令集庞大，指令长度不固定，指令执行周期有长有短，使指令译码和流水线的 实现在硬件上非常复杂，给：茜= 片的设计带来了很大的麻烦。跟c i s c 相比，采用 r i s c 精简指令集开发出来的计算机则很好地解决了这些弱点，尤其是采用r i s c 技术的a r m 处理器以其硬件结构单纯、成本低、省电良好、性价比高、实时性强、 人机界面友好等优良特性受到了嵌入式系统的青睐，现在a r i 处理器在工控领域 中占的份额越来越大。 s 3 c 2 4 1 0 芯片基于a r m 9 2 0 t 内核，采用五级流水线，提供1 1 m i p s 的性能是高 性能和低功耗的宏单元。a r m 9 2 0 t 具有全性能的删u 指令和数据c a c h e 以及高速 a m b a 总线接口内核结构如图2 1 所示。 图2 1a r m 9 2 0 t 内核结构【8 j s 3 c 2 4 1 0 提供了一套比较完整的通用系统的外围设备，并且使整个系统消耗 降到最低，它的硬件组成结构如图2 2 所示。正是因为它具有很多常用的功能模 块，所以也免去了添加配置附加设备的麻烦。片上集成的功能主要包括以下几个 方面： ( 1 )1 8 v 删内核，3 3 v 存储器，3 3 v 外部i o ，具有1 6 k b 指令缓存、1 6 k b 数 据缓存和m m u 的微处理器： ( 2 ) 外部存储控制器s d r a m 控制和片选逻辑； ( 3 ) l c d 控制器支持上到4 k 色的s t n 和2 5 6 k 色的t f t ，1 通道l c d 专用d m a ； ( 4 ) 具有外部请求引脚的4 通道d 姒； ( 5 ) 3 通道u a r t ( i r d a l o1 6 一b y t et xf i f o 和1 6 一b y t er xf i f o ) 和2 通道s p i ； ( 6 )1 通道i i c 总线控制器，1 通道i i s 总线控制器： ( 7 )1 o 版本的s d 主机接口和兼容的2 1 l 版本的m u l t i 州e d i a 卡协议； 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( 8 ) 2 个u s b 主机和1 个u s b 设备，支持u s b l 1 协议； ( 9 ) 4 通道p w m 计时器，1 通道内部计时器： ( 1 0 ) 看门狗电路； ( 1 1 ) 1 1 7 个通用i o 口，2 4 通道外部中断源； ( 12 ) 电源控制常规缓慢空闲和断电模式； ( 1 3 ) 8 通道1 0 位a d c 和触摸屏接口： ( 1 4 ) 具有日历功能的实时时钟r t c ； ( 1 5 ) 具有锁相环的片上时钟发生器。 由s 3 c 2 4 l o 的上述特点可以看出这种芯片功能强大，集成了各种常用的重要 接口，如u a r t 、s p i 、i i c 、s d 卡、u s b 接口和触摸屏接口等。接口应用范围很广， 适用于工业控制等领域。而且，s a m s u n g 公司采用了独特的设计技术，在控制器 内部集成了n a n d f l a s h 控制器，对n a n d f l a s h 提供支持，这可以进一步简化硬件电 路的设计并压缩产品成本：而且，现在应用比较广泛的几大嵌入式操作系统都对 s 3 c 2 4 1 0 提供了良好的支持，因此在使用s 3 c 2 4 1 0 不用担心没有充足的软件资源。 乍冷l 乍令i 眨s 1 i o 乍令i 盯c 仁冷i a o c f 国 图2 2s 3 c 2 4 1 0 硬件组成结构【8 】 第9 页 里堕型堂垫查查鲎竺窒生堕堂堡堡苎 2 2 软件平台选型 以嵌入式处理器为中心，开发人员搭建好硬件电路时仅提供了裸机运行平 台，要使整个系统有限的硬件资源充分利用起来，还需要嵌入式操作系统的软件 支持。 硬件方案确定之后，操作系统的选择就相对轻松了。硬件的不同，会影响操 作系统的选择。低端无m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ，存储器管理单元) 的c p u ， 可选择使用u c l i n u x 操作系统；而相对高端的硬件系统，则可以用普通的嵌入 式l i n u x 操作系统。u c n n u x 和普通的l i n u x 有各自的优势和缺点。其实，可 用于嵌入式系统软件开发的操作系统很多，但关键是如何选择一个适合开发项目 的操作系统。经过开发实践，我们认为应该从以下几点进行考虑： 操作系统提供的开发工具。有些实时操作系统( r t o s ) 只支持该系统供应 商的开发工具，因此，还必须向操作系统供应商获取编译器、调试器等；而有些 操作系统使用广泛，且有第三方工具可用，因此，选择的余地比较大。 操作系统向硬件接口移植的难度。操作系统到硬件的移植是一个重要的 问题，是关系到整个系统能否按期完工的一个关键因素。因此，要选择那些可移 植性程度高的操作系统，避免操作系统难以向硬件移植而带来的种种困难，加速 系统的开发进度。 操作系统的内存要求。均衡考虑是否需要额外花钱去购买r a m 或e e p r o m 柬迎合操作系统对内存的较大要求。 丌发人员是否熟悉此操作系统及其提供的a p i 。 操作系统是否提供硬件的驱动程序，如网卡等。 操作系统的可剪裁性。有些操作系统具有较强的可剪裁性，如嵌入式 l i n u x 、t o r n a d o v x w o r k s 等等。 操作系统的实时性能。 在操作系统选择的这个过程中，首先考虑了u c o s ，因为u c o s 结构简单，代 码量也比较少，而且移植过程也不复杂，非常适合于初学者。但是考虑到u c 0 s 作为一个微模式的内核，系统内核中并不提供设备驱动程序，而且u c o s 对 s 3 c 2 4 l o 的支持并不好，因此放弃了u c o s 。 我们把目光投向了另一款操作系统嵌入式l i n u x 。l i n u x 为嵌入操作系统 提供了极有吸引力的选择，它是一个和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。l i n u x 系统因其卓越的性能、开放的源代码、模 块化设计、支持多种硬件平台以及函数接口符合国际和工业标准等优点，在操作 系统中尤其是嵌入式系统中得到了广泛的应用【9 1 。相对于其他嵌入式操作系统， l i n u x 在很多方面独具特色。和目前流行的专用嵌入式操作系统相比，嵌入式 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 l i n u x 操作系统具有以下优势： 首先，l i n u x 是模块化设计的操作系统。用户可以方便地对其进行配置，去 除系统不需要的模块以减小开销。 第二，l i n u x 已经成功地运行在多种体系的处理器上，其中大部分都可以用 于嵌入式系统。 第三，具有小巧的功能完善的内核。嵌入式操作系统的硬件容量都非常有限， 通常是采用软件固化的方法，将程序和操作系统“嵌入”到整个产品中。l i n u x 内核小，并且裁减方便，从根本上解决了嵌入式应用中，体积和功能的矛盾 1o 】。 第四，l i n u x 在进程管理、内存管理方面功能强大，可以满足嵌入式系统绝 大多数应用的复杂要求【l “。 第血，l i n u x 秉承u n i x 的强大功能，它由u n i x 衍生而来，但比u n i x 要简洁和 小巧得多。它遵从了u n i x 操作系统的设计原则，符合p o s i x 标准，并且在实现技 术上更为精巧和灵活。 第六，强大的网络支持功能。l i n u x 诞生于i n t e r n e t 并具有u n i x 的特性，这 就保证了它支持所有标准i n t e r n e t 协议，并且可以利用l i n u x 的网络协议栈将其 丌发成为嵌入式的t c p i p 网络协议栈【l ”。 第七，具有很高的适应性和可靠性。和其它运行于p c 上的系统相比，因为 l i n u x 继承了u n i x 的优点，在适应性和稳定性方面性能是非常突出的，而嵌入式 l i n u x 也是如此【9 j 。 第八嵌入式l i n u x 的可移植性。将l i n u x 移植到新的微处理器体系比较容易， 一般是将其移植到一种新型的目标板，其中包含有独特的外设。大部分的内核代 码都是相同的，因为它们与微处理器无关，所以，移植的工作多集中在一些存储 器管理及中断处理程序上，一旦完成。它们将非常稳定。 第九，支持大量的周边硬件设备。l i n u x 上的驱动已经非常丰富，它们支持 各种主流硬件设备和最新硬件技术。 最后，软件开发者的广泛支持。l i n u x 的自由精神吸引了成千上万的程序员 投入到l i n u x 的开发和测试中来，这使得l i n u x 在短时间内就成为一个功能强大的 操作系统。 正是由于l i n u x 在嵌入式应用中体现出如此众多的优势，因此我们选择l i n u x 作为了实际应用的操作系统。 2 3 硬件调试 硬件调试是嵌入式系统进行实际调试的第一步。首先保障硬件电路完好、没 有设计问题，然后才能进行软件设计。否则在调试的过程中，会因为过多的不确 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 定因素，影响调试进度。关于嵌入式系统的硬件调试，方法众多，在实际研究工 作中，采用了有别予传统调试方式的j t a g 调试技术。 借助于示波器、逻辑分析仪、仿真器等传统的调试工具及方法存在过分依赖 芯片引脚、不能在处理器高速运行下正常工作、占有系统资源且不能实时跟踪和 设置硬件断点、价格过于昂贵等弊端。目前嵌入式高端处理器常常运行在1 0 0 m h z 以上，并且内部控制以及内部存储器的总线信号并不体现在外部引脚上。这种深 度嵌入、软件负责的发展趋势给传统的调试工具带来了不便，这就需要更先进的 调试技术和工具进行配套【”。因此片上调试技术应运而生，这里讲述使用最广的 j t a g 技术。 j t a g 是为了满足当今嵌入式系统调试的需要而被i e e e l l 4 9 1 标准所采纳， 它遵循1 1 4 9 1 标准，是面向用户的测试接口，是a r m 处理器调试的基础。 在a r m 处理器中，芯片内包含了一个测试访问接口控制器( t a p ) 。它由一个 1 6 状念的有限状态机以及若干寄存器组成。一旦进入调试状态，通过不同的测 试指令来完成不同的测试功能。包括用于外部电气连接和外围芯片功能额外部模 式，以及用于芯片内部功能测试的内部模式。其优点如下： 可以通过j t a g 操作扫描测试整个板的电气连接，特别为表贴元件提供方便： 可以软件下载、执行、调试和控制，为实时跟踪调试提供路径： 可以提供实时跟踪和硬件断点的功能； 可以进行多内核和多处理器的板级和芯片级的调试。 虽然j t a g 调试不占用系统资源，能够调试没有外部总线的芯片，代价也非 常小；但这种调试手段还是存在一些局限性，由于j t a g 是通过串口次传递数 据，速度比较慢，自身还不能完成多种事件触发等复杂调试功能。因此，j t a g 调试功能还有待进一步完善。 2 4 系统移植 嵌入式l i n u x 的移植包括内核配置，内核编译，和内核安装3 个步骤。这三 个步骤并不是相互独立的，而是相互关联的有机整体，其中内核配置是系统移植 过程中的关键技术。下面对这整个流程中的基本概念和关键技术进行研究探讨。 2 4 1l i n u x 内核结构 嵌入式l i n u x 除了本身体积较少以外，还保留了l i n u x 操作系统中非常有特色 的优点：用户可以自己裁减内核。用户完全可以根据不同的任务来选定特定操作 内核模块，而将不用的部分去掉，减少体积，从根本上解决了体积和功能的矛盾。 因此l i n u x 在不同平台( 不同平台是指采用了同一处理器，但外围设备有差别的 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 平台，而不是采用不同处理器的硬件平台：后面这个工作一般有芯片设计厂商完 成。) 之间的移植主要集中在对系统的配置和裁减上。 一个实际的嵌入式系统通过了l i n u x 软件层的抽象后，包含6 个方面的功能或 特性： 启动程序。包括：系统初始化程序、硬件驱动程序等。 内存管理。包括：内存资源分配等。 进程管理。包括：进程调度、进程问通信、中断处理策略等。 设备管理。包括：串并设备管理、输入输出设备管理等。 文件管理。包括：常规文件管理、目录管理等。 通信网络管理。包括：节点管理、网络互联、网络管理接口等。 概括而言，l i n u x 主要具有两个功能：其一是管理硬件资源，其二是屏蔽具 体硬件差异并为应用程序提供虚拟机。于是，l i n u x 必定由进程控制、内存管理、 设备驱动、文件系统等子系统构成。进程控制、内存管理等核心部分与目标计算 机的体系结构密切相关，必须针对目标计算机单独开发；而设备驱动、文件系统 和网络部分只涉及具体的外设，与处理器结构无关。 图2 3l i n u x 内核体系结构示意图1 1 o 】 图2 3 给出了l i n u x 系统体系结构示意图。虚拟的迸程模型以及虚拟的内存模 型与硬件体系结构无关，在所有的平台上，这些虚拟模型的定义都是致的。但 是，这些模型的实际处理函数( 硬件操作原语) 以及数据( 寄存器、内存、堆栈) 是针对具体的硬件体系结构面设计的。 由于l i n u x 支持的功能众多，但是实际设计的嵌入式系统又千差万别。因此， 针对一个具体的嵌入式系统，配置在功能和体积上非常合适的l i n u x 系统是项烦 第1 3 页 国防科学技术火学研究生院学位论文 杂的工作。根据在操作系统开发过程中积累的经验，实际上在配置时，大部分选 项可以使用其缺省值，只有小部分需要根据用户不同的需要选择。选择的原则是 将与内核其它部分关系较远且不经常使用的部分功能代码编译成为可加载模块， 有利于减小内核的长度，减小内核消耗的内存，简化该功能相应的环境改变时对 内核的影响；不需要的功能不要选；与内核关系紧密而且经常使用的部分功能代 码直接编译到内核中。 2 4 2 开发环境的建立与交叉编译 由于嵌入式系统资源有限，所以很难在嵌入式系统的硬件平台上进行软件开 发。通常解决的方法是在p c 上编好程序，通过交叉编译生成可在目标板运行的二 进制代码，然后将生成的二进制代码下载到目标板的特定位置运行。需要交叉编 译环境是嵌入式软件开发时的一个显著特点。所谓交叉编译环境是指编译、链接 和调试嵌入式应用软件的环境，它与运行嵌入式应用软件的环境有所不同，通常 采用宿主机目标机模式。一般而言，宿主机就是通