（计算机科学与技术专业论文）嵌入式开发平台的研究及实现.pdf

学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各 项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论 文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文； 学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权 按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为 目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签 w 雹年3 其 e l 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签 年月日 炒了年乡月叫e l 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签 7 苫年乡月力e l 摘要 摘要 当今，以信息家电为代表的互联网时代嵌入式产品，逐渐展现出了嵌入式 市场的美好前景，在为嵌入式领域注入更多活力的同时，也对嵌入式领域的技 术研发提出了新的挑战。这主要包括：支持日趋增长的功能密度、灵活的网络 联接、轻便的移动应用和多媒体的信息处理。此外，在嵌入式系统低功耗化、 智能化、网络化和多媒体化以及提供精巧的多媒体人机界面等方面提出了更高 的要求。 随着各种需求的增长，嵌入式设备特别在高性能化、网络化、高度h m i ( h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ) 化方面有了更严格的要求，现代化的嵌入式研发要求开发 周期尽量缩短、开发成本尽量降低等等。嵌入式软件的开发变得越来越困难。 而且，嵌入式软件的开发环境一直处于标准化迟缓的状态，所以存在着中间软 件及驱动程序等软件部件流通不畅的问题。 为了解决上述问题，以促进软件部件的流通、提高其可移植性、缩减嵌入 式产品研发周期，迫切需要开发一种包括硬件和开发环境在内的嵌入式集成开 发平台。在巨大商机的吸引下，国际众多大型嵌入式相关的研发公司，如微软、 风河、摩托罗拉，纷纷投入巨大的人力、财力进行嵌入式开发平台的研发。 由 于他们在行业领域具有广泛的客户基础和丰富的技术经验，其产品很快就占领 了较大的市场份额。但是国外的嵌入式系统平台的共同问题是价格昂贵，且核 心技术和若干标准都受限于国外的开发商。 面对如此市场机遇，我们要想在嵌入式领域发展壮大，必须抓住嵌入式系 统和嵌入式集成开发环境协同研发的特点。利用嵌入式研发平台，并丰富其对 不同行业的支持能力、个性化产品定制能力、研发期交互调试能力等，将会促 进嵌入式产品更快更好地占领国际市场。 本项目根据海尔集团的总体战略要求，结合其深厚的科研力量，实现嵌入 式系统研发平台的自主产权化。本课题将完成具有自主知识产权的嵌入式系统 开发平台( 主要工作包括动态可配置实时嵌入式操作系统、基于a r m 的s o c 片 上系统的a m b a 总线及相关i p 核的研制) 。以此开发平台为基础，开发出系列 具有自主知识产权的、面向信息家电的嵌入式系统产品，如通信接口i p 、基于 摘要 8 0 2 1 1 b 的无线网关以及便携式数据采集终端等。 关键字：嵌入式操作系统，a r m ，数据采集终端，可重构的，实时 a b s t r a c t n o w a d a y s ，i n f o r m a t i o na p p l i a n c e s ，ar e p r e s e n t a t i v ef o rt h ei n t e m e te r ao f e m b e d d e dp r o d u c t s ，g r a d u a l l ys h o wab r i g h tf u t u r ef o rt h ee m b e d d e dm a r k e t i ti s i n j e c t e d m o r ev i t a l i t y ，a tt h es a m et i m e ，e m b e d d e d t e c h n o l o g y r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n th a sb r o u g h tn e wc h a l l e n g e s t h i sm a i n l yi n c l u d e s ：s u p p o r tf o rt h e g r o w i n gf u n c t i o n a ld e n s i t y ，f l e x i b l e n e t w o r kc o n n e c t i v i t y ，p o r t a b l em u l t i m e d i a m o b i l ea p p l i c a t i o n sa n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g i na d d i t i o n ，t h er e q u i r e m e n t so f e m b e d d e ds y s t e m so fl o w p o w e r ，i n t e l l i g e n t ，n e t w o r k i n g ，m u l t i m e d i aa n dp r o v i d i n g s o p h i s t i c a t e dm u l t i m e d i ai n t e r f a c ee t ci sb e c o m i n gm o r ea n dm o r eh i g h e r w i t ht h ei n c r e a s ei n d e m a n d ，t h ee m b e d d e d d e v i c e s p a r t i c u l a r l y i n h i g h p e r f o r m a n c e ，n e t w o r k b a s e d ，h i g hh m i ( h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 埘t hr e g a r d t om o r es t r i n g e n tr e q u i r e m e n t s ，m o d e mr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fe m b e d d e d r e q u i r e m e n t sd e v e l o p m e n tc y c l ea ss h o r ta sp o s s i b l e ，t or e d u c ed e v e l o p m e n tc o s t s ， e t c s om a k ee m b e d d e ds o f t w a r ed e v e l o p m e n th a sb e c o m em o r ea n dm o r ed i f f i c u l t m o r e o v e r ，t h ee m b e d d e ds o f t w a r ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n th a sb e e n s l o wi n s t a n d a r d i z e ds t a t e ，s ot h ep r o b l e m so fs o f t w a r ec o m p o n e n t ss l u g g i s hc i r c u l a t i o ni s e x i s t ，s u c ha si n t e r m e d i a t es o f t w a r ea n dd r i v e r ，e t c i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e mt op r o m o t et h ef l o wo fs o f t w a r ec o m p o n e n t st o e n h a n c ei t sp o r t a b i l i t y ，t oe m b e d d e dr e d u c ep r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l e ，u r g e n tn e e d t od e v e l o pa ni n t e g r a t e de m b e d d e dd e v e l o p m e n tp l a t f o r mi n c l u d i n gt h eh a r d w a r ea n d d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t b ea t t r a c t e db yh u g eb u s i n e s so p p o r t u n i t i e s ，m a n yl a r g e i n t e m a t i o n a le m b e d d e dr e l a t e dr e s e a r c hc o m p a n i e s ，s u c ha sm i c r o s o f t ，w i n dr i v e r ， m o t o r o l a ，h a v ei n v e s t e dh u g em a n p o w e ra n df i n a n c i a lr e s o u r c e si nd e v e l o p m e n to f e m b e d d e dd e v e l o p m e n tp l a t f o r m b e c a u s eo fh a v i n gab r o a dc u s t o m e rb a s e do nt h e a r e a so ft h ec o m p u t e ri n d u s t r y ，a n dt h ew e a l t ho ft e c h n i c a le x p e r t i s e ，i t sp r o d u c t s q u i c k l yo c c u p i e dt h el a r g e rs h a r eo ft h em a r k e t b u tf o r e i g ne m b e d d e ds y s t e m p l a t f o r mh a sac o m m o ni s s u ew h i c hi se x p e n s i v e ，a n dan u m b e ro fc o r et e c h n o l o g i e s a n ds t a n d a r d sa r es u b j e c tt of o r e i g nd e v e l o p e r s 3 a b s 耵a c t 一 f a c e dt oo fs u c hm a r k e to p p o r t u n i t i e s ，i no r d e rt od e v e l o pa n dg r o wu pi nt h e f i e l do fe m b e d d e d ，w em u s ts e i z et h ee m b e d d e ds y s t e m sa n de m b e d d e di n t e g r a t e d d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tc o l l a b o r a t i v e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tc h a r a c t e r i s t i c s u s i n ge m b e d d e dd e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，a n de n r i c h i t sa b i l i t yt os u p p o r td i f f e r e n t s e c t o r s ，p e r s o n a l i z e dp r o d u c tc u s t o m i z a t i o nc a p a b i l i t i e s ，r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to f i n t e r a c t i v ed e b u g g i n gc a p a b i l i t i e sw i l lp r o m o t et h ee m b e d d e dp r o d u c t sf a s t e r a n d b e n e ro c c u p y i n gt h ei n t e r n a t i o n a lm a r k e t 1 1 1 ei t e mu n d e rh a i e rg r o u p so v e r a l ls t r a t e g y ，c o m b i n e dw i t hi t ss t r o n gr &d c a p a b i l 耐t oa c h i e v ee m b e d d e ds y s t e md e v e l o p m e n tp l a t f o r m f o ri n d e p e n d e n t p r o p e t t yr i g h t s t h i si s s u ew i l lb ec o m p l e t e dw i t ht h e i ro w ni n t e l l e c t u a lp r o p e r t y e i n b e d ( 1 e ds y s t e md e v e l o p m e n tp l a t f o r m ( m a i n l yi n c l u d e sd y n a m i cc o n f i g u r a t i o n r e a l t i m ee m b e ( 1 d e do p e r a t i n gs y s t e m ， b a s e do nt h ea r ms o cs y s t e m - o n 。c h i p a m b ab u sa 1 1 dt h ed e v e l o p m e n to fn u c l e a r - r e l a t e di p ) o n t h i sb a s i s ，a sd e v e l o p m e n t p l a t = f o r mf o rt h ef o u n d a t i o n ，w ec o u l dd e v e l o p e das e r i e so fi n f o r m a t i o na p p l i a n c e s f o rt 1 1 ee m b e d d e ds y s t e mp r o d u c t sw h i c hi si n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s ， s u c ha si pc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，b a s e do nt h e8 0 2 1lbw i r e l e s sg a t e w a y ，t h e p o r t a b l ed a t aa c q u i s i t i o nt e r m i n a l sa n d s oo n k e y w o r d ：e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，a r m ，p e r s o n a l d i g i t a l t e r m i n a l ， r e c o n f i g u r a b l e ，r e a lt i m e 4 第1 章引言 1 1 前言 第1 章引言 进入9 0 年代以来，以计算机技术、通信技术和软件技术为核心的信息技术 取得了空前迅猛的发展，各种装备与设备上嵌入式计算与系统的广泛应用极大 地推动了行业的渗透性应用。在这一大趋势下，嵌入式系统作为i t 产业新崛起 的一个崭新分支，正在全球范围内迅猛发展，得到了世界各国的广泛的关注。 它的出现是微处理器技术、超大规模集成电路v l s i 技术、网络通信技术、嵌入 式软件技术相结合的产物 1 。嵌入式系统把全球最新科技产业成果带入社会生 产生活的各个领域，为各行业产品提供具有行业个性化特点的智能平台，为高 科技在生活中的实用化建起了“应用”的桥梁 3 。 当今，以信息家电为代表的互联网时代嵌入式产品，展现出了嵌入式市场 美好前景，在为嵌入式领域注入了更多活力的同时也对嵌入式研发技术提出新 的挑战。这主要包括：支持日趋增长的功能密度、灵活的网络联接、轻便的移 动应用和多媒体的信息处理，另外，在嵌入式系统低功耗化、嵌入式系统的智 能化、嵌入式系统的网络化和多媒体化、提供精巧的多媒体人机界面等方面提 出了更高的要求 1 。 1 2 什么是嵌入式系统开发平台 i e e e 对于嵌入式系统的定义是：a ne m b e d d e ds y s t e mi st h ed e v i c e su s e d t oc 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 fe q u i p m e n t ， m a c h i n e r y o rp l a n t s 。嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置 。 在中国嵌入式系统领域，比较认同的嵌入式系统概念是：嵌入式系统是以 应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁减，适用于应用系统对功 能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入 式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分 组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 嵌入式系统开发平台包含软件与硬件系统。硬件包括处理器微处理器、 9 第1 章引言 存储器及外设器件和i 0 端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件( o s ) ( 要求实时和多任务操作) 和应用程序编程。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 与硬件的交互作用。由于资源的不同，嵌入式系统开发平台的组成与结构、复 杂程度等亦不相同。最简单的嵌入式系统开发平台包括c p u 、内存及串口，如单 片机开发装置。最理想的嵌入式系统开发平台其软件以外的硬件系统都是以i p 的形式存在，电子产品( 目标嵌入式系统) 的设计过程就是i p 的开发与组合一) 测试与验证一 流片及大规模生产。 1 3 产业背景及主要嵌入式系统平台分析 1 3 1 产业背景及国际发展状况 嵌入式操作系统的研发始于上世纪8 0 年代，像当时r e a d ys y s t e m 公司推 出的v r t x 、i n t e g r a t e ds y s t e mi n c o r p o r a t i o n 推出的p s o s 以及w i n d r i v e r 公 司的v x w o r k s 、o n x 公司的q n x 等。它们采用全抢占调度方案，响应时间很短； 采用微内核技术，设计追求灵活性，可配置、可裁剪、可扩充、可移植；强实 时和高可靠性，适应各种主流c p u 的版本，非常适合嵌入式应用。商用嵌入式 实时多任务操作系统把嵌入式系统的开发工作从小范围内解放出来，促使嵌入 式应用扩展到更广阔的领域。 到9 0 年代，在分布控制、柔性制造、数字化通信和数字化家电等巨大需求 的牵引下，嵌入式应用进一步加速发展。发展到9 0 年代末期，在计算机、控制、 通信互相融合的基础上，开始了计算机和家电融合的新浪潮，d v d 、数码相机、 数码摄像机、数码彩电等数字化、智能化的家用电器走出实验室，走向商品货 架。在跨入数字化社会的过程中，嵌入式体系结构，包括嵌入式硬件、嵌入式 软件、嵌入式开发环境起着开路先锋的作用。特别是嵌入式系统集成开发平台 的出现，为嵌入式产品市场占有额的重新分配，起了相当重要的推动作用。 近几年来，嵌入式系统和嵌入式技术的国际会议、国内会议、学术论坛或 集成电路厂商的展销活动逐年增多。微软、i n t e l 、t i 、i b m 、s u n 等信息产业的 知名厂商都针对新兴的嵌入式系统市场投入巨资进行研究与开发，推动了嵌入 式应用水平的不断提高和应用范围的不断拓展。巨额的投资费用、逼近设计极 l o 第1 章引言 限的性能功耗之比、越来越苛刻的产品面市时间、行业起落不定的不可预测风 险等因素综合在一起，人们对软硬件资源可复用的嵌入式开发平台的需求不断 增加。 我国的嵌入式研究的起步较晚。不过，目前一些科研院所和高新技术企业 正积极的投入到嵌入式系统开发平台领域。在国内技术力量相对薄弱和国外技 术垄断的情况下，我们的嵌入式开发平台，在整体实力上与国外有着较大的差 距，在与国外产品的竞争中，处于明显的劣势。但这也恰恰是我们要努力开展 这方面研究的原因和动力。进入2 0 世纪9 0 年代后，借助国内技术创新和对外 经济技术合作的基础，我国的嵌入式技术也有了较快的发展。经过国家政策的 扶持和科技工作者多年的努力，目前业已成为国家产业的一个重要发展方向。 嵌入式相关产品几乎包括了生活中的所有电器、通讯、媒体设备等。 1 3 2 主要嵌入式系统开发平台 1 3 2 1v x w o r k s 系统及平台 v x w o r k s 是美国风河系统公司( w i n dr i v e rs y s t e m 公司，即w r s 公司) 推 出的高性能、可裁减的实时操作系统，以其良好的可靠性和卓越的实时性被广 泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中。 尤其以成功应用于火星探测车和爱国者导弹等高科技产品而声名鹊起。 y x w o r k s 是一种功能强大而且比较复杂的操作系统，包括了进程管理、存储 管理、设备管理、文件系统管理、网络协议及系统应用等几个部分。v x w o r k s 只 占用很小的存储空间，并可高度裁减，保证了系统能以较高的效率运行。所以， 仅仅依靠人工编程调试，很难发挥它的功能并设计出可靠 3 、高效的嵌入式系 统，必须要有与之相适应的开发工具。 t o r n a d o 是与y x w o r k s 相配套的集成开发环境，以其提供完善而实用的编辑、 编译、链接、源代码级调试等诸多调试工具和调试手段而闻名。 y x w o r k s 是专门为实时嵌入式系统设计开发的操作系统，为程序员提供了高 效的实时多任务调度、中断管理、实时的系统资源以及实时的任务间通信。在 各种c p u 平台上提供了统一的编程接口和一致的运行特性，尽可能地屏蔽了不 同c p u 之间的底层差异。 第1 章引言 另外在架构上，即v x w o r k s 操作系统与目标板底层硬件之间，还有一个重 要部分一板级支持包b s p ( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ) 。板级支持包的开发，在整 个嵌入式系统的开发过程中起着至关重要的作用。板级支持包对各种板子的硬 件功能提供了统一的软件接口，它包括硬件初始化、中断的产生和处理、硬件 时钟和计时器管理、本地和总线内存地址映射、存储空间大小、实时内核载入 等。每个板级支持包包括一个r o m 启动( b o o t r o m ) 或其他的启动机制。 v x w o r k s 是一个性能获得普遍好评的通用嵌入式操作系统，但v x w o r k s 软件 的许可证费用非常昂贵，目前单套开发系统售价在8 万左右，l i c e n s e 授权另计， 且一般情况下源代码不开放。 1 3 2 2w i n d o w sc e 在嵌入式操作系统这个领域中，微软公司并不是早期开创者，直到1 9 9 6 年 1 1 月微软公司才推出第一个嵌入式操作系统w i n d o w sc e1 0 。 不过，这并不 意味着微软的产品在这个市场上的地位无足轻重。微软公司在1 9 9 6 年推出 w i n d o w sc e1 0 版， 在1 9 9 7 年推出w i n d o w sc e2 0 版，而后推出w i n d o w sc e 3 0 版。随着微软公司每一个w i n d o w sc e 新版本的推出，w i n d o w sc e 在市场 上的份额也逐年增加。目前任何一个嵌入式操作系统厂家，都不能小视w i n d o w s c e 在这个市场上的越来越大的份额和影响。微软公司自2 0 0 0 年6 月宣布了n e t 战略之后，n e t 已经从战略规划变成了现实。为了配合微软n e t 战略的实施， 2 0 0 2 年1 月2 3 日，微软( 中国) 有限公司宣布w i n d o w sc e n e t 正式在中国发 布。w i n d o w sc e n e t 实际上就是w i n d o w sc e 的第四版。w i n d o w sc e n e t 的 许多特性是嵌入式系统开发人员所梦寐以求的，如支持蓝牙无线通信技术；可 以小至2 0 0 k b 的体积：广泛的c p u 选择：对多媒体的普遍支持；使用i n t e r n e t e x p l o r e r5 5 浏览；良好的安全性以及丰富的开发工具等。 目前微软已经对w i n d o w sc e 的源代码进行开放，北京大学、清华大学和北 京航空航天大学等就有机会阅读其源代码，对于更好地应用和配置w i n d o w s c e 是非常有益的。但是，w i n d o w s c e 嵌入式软件的使用费用仍是相当昂贵，此外开 发w i n d o w s c e 的集成开发工具的费用，我们也不得不进行考虑。 1 2 第1 章引言 1 3 2 3 嵌入式l l n u x l i n u x 本身就是一个优秀的操作系统，而且它的源代码是开放的，因此备受 青睐。随着嵌入式系统应用的流行，各大企业已经纷纷将l i n u x 嵌入式系统的 开发作为自己的研究发展战略，例如联想、华为和中兴公司等都成立了自己的 嵌入式部门。但由于嵌入式l i n u x 系统的应用往往牵涉到商业机密，故不便向 外透露。所以很多技术还存在这样或者那样的障碍。其次，考虑到软件使用者 在使用过程中的维护、培训、测试，以及针对某种芯片的修改等费用，l i n u x 就 绝对不再是一套免费的软件了 2 。 l i n u x 之所以在嵌入式应用中受到如此重视，来源于它在服务器领域的成 功。i b m 、h p 、s u n 等公司都因为各自在服务器市场的利益而支持l i n u x 。而为 了和i b m 在数据库及其应用软件市场的较量中不处于下风，o r a c l e 也开始支持 l i n u x 。但这些并不能成为l i n u x 作为嵌入式开发平台就一定能够成功的理由。 l i n u x 必须遵循g p l 许可协议，而g p l 协议做了这样的规定：作为开源软件 的使用者或受益者，他有权使用开源软件并对其进行修改，但他必须把开发的 结果也以开源的形式进行发布或公开发表给认可g p l 协议的第三方 5 。 随着我国加入w t o 从而使得知识产权保护日益和国际接轨，以及国际间技 术交流的增多，忽视g p l 的存在绝对是一种短视的行为。因此，l i n u x 软件虽然 可以免费获得，但考虑到先期的技术支持和后期的产品版权问题，l i n u x 不再是 一款最优软件。 1 3 2 4h o p e n 嵌入式操作系统及平台 在我国，一些研究所和公司早已开始关注嵌入式软件的发展，例如，中国 科学院北京软件工程研制中心于1 9 9 4 年决定研制开发嵌入式操作系统。到现在， 中国科学院北京软件工程研制中心已研制出了h o p e n 等嵌入式软件。 h o p e n 操作系统由中国科学院北京凯思吴鹏软件工程技术有限公司研发，经 过几年的不懈努力，其产品从h o p e n l 0 、2 0 发展到目前的h o p e no s3 0 ，在 技术、功能和系统的易用性方面日趋成熟完善；同时，h o p e n 操作系统支持的产 品在信息家电、手持无线设备、网络计算机等方面也得到了广泛的应用。 h o p e n 核心模块是h o p e no s 的核心部分，是一个多任务全程可抢占式调度 1 3 第1 章引言 的实时操作系统核心，提供实时系统所需要的基本要素一多任务、由优先级驱 动的急者优先式调度方法和快速现场切换，包括： 中断处理：所有的硬件中断和软件中断首先由内核确定由哪一个中断处理 程序处理，然后进行保护中断现场的操作后转入相应的中断处理程序。 任务切换：完成应用任务的管理，是操作系统内核的核心部分，具有创建 任务、设置任务属性、获取任务属性等功能。 进程间通讯：提供应用任务之间通信、同步和互斥机制，对各任务之间的 协调工作起着重要的作用。为此内核提供了四种机制：消息队列、事件、互斥 锁、信号灯。 内存管理：提供申请可变大小数据块和申请固定大小数据块的管理。 在核心基本模块基础上，用户可以组合h o p e n 虚拟文件系统、h o p e n 虚拟网 络系统等，构成不同的h o p e n 核心模式。 目前：h o p e n 主要应用于手机、机顶盒、掌上电脑、数字电视、移动通信等 设备应用。 1 4 项目主要研究内容及拟解决的技术难点 1 4 1 研究的主要内容 本项目研究的主要内容有： 1 ) 硬件开发板设计与开发； 2 ) 动态可配置实时嵌入式操作系统的研制； 3 ) 基于i n t e r n e t 可重配置逻辑的应用软件平台的实现； 4 ) 对前期实现的基于a r m 的s o c 片上系统a m b a 总线的功能拓展； 5 ) 通信接口等相关i p 核的研制； 6 ) 在对嵌入式系统开发平台相关技术研究的基础上，实现硬件可重构与软 件可配置的嵌入式系统开发平台； 7 ) 以此开发平台为基础，开发出系列具有自主知识产权的、面向信息家电 的嵌入式系统产品，如基于8 0 2 1 1 b 的无线网关、家庭网络核心s o c 平台以及 便携式数据采集终端等。 1 4 第1 章引言 1 4 2 拟解决的主要技术难点 本课题不但涉及到平台的硬件及软件设计技术，还涉及到嵌入式操作系统、 可重构技术、i p 技术、接入网络协议、家庭内部网络协议及控制技术等若干领 域，这些技术的综合利用为本课题带来极大的挑战性。本课题拟解决以下主要 技术难点： 1 ) 嵌入式操作系统内核的微型化、实时性能及动态再配置机制； 2 ) 基于i n t e r n e t 可重配置逻辑的应用软件实现方法及配置逻辑的辅助生 成； 3 ) 家庭网络系统的无线传输技术与电磁兼容性能； 4 ) w p a n 家庭网络实验验证系统体系结构的实现； 5 ) i p 开发规范、软硬件功能划分及i p 验证； 6 ) 嵌入式系统测试平台的建立及测试规范。 1 5 本项目的目的及意义 随着各种需求的增长，特别是嵌入式设备在高性能化、网络化、高度h m i ( h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 化有更严格的要求。现代化的嵌入式研发要求开 发周期尽量缩短、开发成本尽量降低等等，嵌入式软件的开发变得越来越困难。 而且，嵌入式软件的开发环境，又一直是处于标准化迟缓的状态，所以存在着 中间软件及驱动程序等软件部件流通不畅的问题。 为了解决上述问题，以促进软件部件的流通，提高其可移植性，缩减嵌入 式产品研发时间，迫切需要开发一种包括硬件和开发环境在内的嵌入式集成开 发平台。在巨大商机的吸引下，国际众多大型嵌入式相关的研发公司，如微软、 风河、摩托罗拉，纷纷投入巨大的人力、财力进行嵌入式开发平台的研发。由 于他们在行业领域具有广泛的客户基础和丰富技术经验，其产品很快就占领了 较大的市场份额。 有数据显示，美国风河公司的t o r n a d o 开发环境和v x w o r k s 操作系统，目 前在国际市场上拥有1 5 左右的市场占有率；美国微软的v i s u a ls t u d i o 和w i n c e 产品，由于市场目标定位比较高，但也有近1 0 的市场占有率，这个数字还在 不断的提高。但是，目前商业的嵌入式开发平台也受到来自开源软件的冲击。 1 5 第1 章引言 例如，免费开源的g c c 和g d b 开发环境相对于商业化的嵌入式开发平台产品， 不需要高昂的l i c e n s e 和开发环境的费用，在市场也占有相当大份额。根据 t e n g i n e 社区公布的数据显示：全球近4 0 亿台的智能设备安装了使用g c c 环境 下开发的t - k e r n e l 系统，在嵌入式市场占有6 0 的市场份额 3 5 ! 中国做为发展中的大国，同时也是一个消费的大国。国际上的嵌入式研发 企业纷纷将目光转移到中国。国内的嵌入式产品的开发环境已经被许多国外的 开发平台所占据，由于国外的嵌入式系统平台的共同问题是价格昂贵，且核心 技术和若干标准都受限于国外的开发商，由此造成了每年在嵌入式的直接资金 外流就有上亿元，而由此产生的间接资金外流数目更是几倍于这个数字。因此， 尽快拥有自主知识产权的、高性能、低成本的可视化嵌入式集成开发平台，已 是当务之急。国内的海尔、东软、中科院等部门院所，相继投入大量的人力、 物力、财力，进行该项目的科研攻关。 1 6 第2 章主要研究方案及技术路线 2 1 整体方案 第2 章主要研究方案及技术路线 本课题在原来国家8 6 3 项目及课题组过去几年工作的基础上完成嵌入式系 统开发平台及相关任务。嵌入式系统开发平台开发主要由三部分组成：硬件开 发板t k i 0 设计开发、h o s 嵌入式操作系统研发、h i d e 二次集成开发环境研发。 本课题除完成一个面向信息家电的嵌入式系统开发平台之外，还完成利用该平 台所开发的系列产品，如，家庭网络核心平台、配套使用的无线宽带路由器与 无线便携式数据采集终端等。 嵌入式系统开发平台的硬件是在板级完成的，主要芯片有c p u 、d r a m 、f l a s h 、 f p g a 等，其中a m b a 总线的控制器及桥接器、2 3 2 总线接口、以太接口及u s b 接 口均以i p 的形式出现，其它接口芯片的i p 将在以后完成，本项目中采用第三 方产品。 嵌入式系统开发平台可以适合于多种r i s cc p u 。在硬件方面，由于a m b a 总 线接口是以i p 的形式存在，更换c p u 对整体开发平台的改动量较少，软件方面 的更改主要是更改引导程序b o o t l o a d e r 。 a m b a 总线是s o c 设计方法中的片内总线 3 6 ，在本课题中之所以采用片内 总线，其主要目的是考虑开发平台未来的发展，即将来会更多地使用基于a r m 的c p u ，并将硬件的各种器件使用i p 的形式，形成基于s o c 的嵌入式系统开发 平台。 在原来操作系统的基础上增加新出现的驱动程序，如8 0 2 1 l b 、键盘、l c d 等。 2 2 系统模型设计思想 本项目对嵌入式系统开发平台的系统模型设计采用基于平台的设计思想。 基于平台的设计已经出现了若干年，而且也有若干基于该原理推出的芯片、芯 片组、体系结构及中间件，包括操作系统、编译器、设备驱动程序及网络通讯 协议等。 1 7 第2 章主要研究方案及技术路线 基于平台的设计是以在设计流程中所有关键节点上对平台的定义为基础 的。所谓一个平台，代表在设计流程中的一个层，该层是所涉及到的后续设计 步骤的抽象。系统模型是从较高抽象级到较低抽象级的多个平台的层次结构， 即较高抽象层隐藏了低一级抽象层不相关的细节。嵌入式系统设计流程则相当 于通过定义平台层、细化子层并从一层平台转换到另一层平台的实现过程。 基于平台的设计方法的目的是嵌入式系统产品制造与设计的经济性和平台 资源的可复用性，以谋求在与开发时间有关的生产成本及与性能、功能及产品 体积等限制条件相关的成本之间寻求平衡。 在本项目中，我们将基于平台的设计定义为：建立一个稳定的基于微处理 器的体系结构，该体系结构能够快速地扩展，能为某些应用进行定制及为用户 提供快速的解决方案。本项目对基于平台设计的各个关键因素进行规范的定义， 通过这些关键因素建立设计流程的基本框架。 基于平台的设计方法采用如下基本原则： 将设计看作为一个“中间过程”，其中规范说明的每一步细化等价于下一步 实现的抽象。 精确定义层的标识是处于细化与抽象处理发生的位置。层用于支持设计将 低一层的细节进行隔离，但又有足够的信息来查看低层的抽象。使用参数的方 法来传递信息，从而完成对抽象当前层的设计选择。 平台的定义：将一个平台定义为设计流程中的一个抽象层，用于在设计流 程中将可能出现的细化转换为后续抽象层( 平台) 。这里将两个相连的层及其之 间的“填充看作为一个唯一的层，从上面看为顶部抽象层，从下面看为底部 抽象层。 平台栈( p l a t f o r ms t a c k ) 的定义：一个平台栈( p l a t f o r ms t a c k ) 是一 对平台，其中的工具与方法用于将上一层的抽象映射到下一层的抽象。 应用程序接口( a p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e ，a p i ) 的定义：体系结 构平台的概念本身并不涉及到应用软件的复用，体系结构平台必须抽象到一个 层上，在该层上应用软件能够“看 到硬件的更高一层接口，将该层称为应用 程序接口( a p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e ，a p i ) ，或者称为程序员模型。使 用一个软件层来实现这个抽象( 见图2 1 ) ，该层也将体系结构平台的基础部分 进行了封装，即： 1 8 第2 章主要研究方案及技术路线 ( 1 ) 通过操作系统对可编程核及内存子系统进行了封装； ( 2 ) 通过设备驱动程序对i o 子系统进行了封装； ( 3 ) 通过网络通讯子系统对网络连接进行了封装。 在基于平台设计的概念框架中，编程语言是i s a 的一个抽象，而a p i 是多 种计算资源( 并发模型由实时操作系统r t o s 提供) 及外设( 设备驱动程序) 的 一个抽象。a p i 是体系结构平台对软件层的唯一抽象。由于a p i 是以这种方式定 义的，应用软件对每一个平台实例都是可以复用的。由于a p i 本身就是一个平 台，这里也将a p i 称为a p i 平台。 图2 1 分层的软件结构 在基于平台设计的概念框架中，r t o s 负责有效计算资源任务的管理及任务 与内存子系统之间通讯的管理。若在一个多核的系统结构平台中，r t o s 负责管 理跨越不同计算引擎的软件进程。 1 9 第3 章硬件体系结构 第3 章硬件体系结构 本项目所实现的嵌入式系统开发平台满足目前大多数信息家电领域产品的 开发。该平台无论是在系统硬件构架方面还是在软件的体系结构方面对于该领 域的嵌入式系统具有较好的代表性。 嵌入式系统开发平台的硬件结构如图3 1 所示。系统核心包含一个r i s e 处 理器、f l a s hr o m 、s d r a m 、d m a 控制器、外围i o 设备。根据c p u 与整体结构的 不同，外围i 0 设备可以嵌入到嵌入式系统开发平台c p u 中，也可以作为硬件 系统的外部接口，包括以太口、u s b 口、1 3 9 4 接口、无线接口等。常见的宽带 接口包括c a b l e 和d s l 。通常m a c 层在a s i c 上实现，而p h y 层可以外接到a s i c 。 图3 1 嵌入式系统开发平台的硬件结构 3 1 目标板功畿分布 嵌入式软件的运行离不开硬件支持。与普通计算机一样，我们开发的硬件 板将包括一下三个主要部分：嵌入式处理器( c p u ) 、外围电路和外部接口支持( 拓 展外设) 3 3 。其基本体系结构如图3 2 所示。 第3 章硬件体系结构 3 2 硬件基本配置 图3 2 硬件基本体系结构 3 2 1s 3 c 4 5 1 微处理器 s a m s u n g 公司的$ 3 c 4 5 1 0 b 芯片，该芯片是基于以太网应用系统的高性价比 1 6 3 2 位r i s c 微控制器，内含一个由a r m 公司设计的1 6 3 2 位a r m 7 t d m ir i s c 处理器核，a r m 7 t d m i 为低功耗、高性能的1 6 3 2 核。采用了2 0 8 脚的s q f p 封装， $ 3 c 4 5 1 0 b 比较重要的片内外围功能模块包括： 2 个带缓冲描述符的h d l c 通道； 2 个u a r t 通道； 2 个d m a 通道； 2 个3 2 位定时器 第3 章硬件体系结构 1 8 个可编程的i o 口； 存储控制器可以以8 位、1 6 位、3 2 位