（通信与信息系统专业论文）基于web嵌入式监控系统设计和实现.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 如今，网络化已经成为嵌入式系统发展的一大趋势，而通过网络对嵌入 式设备进行远程监控与管理则是嵌入式设备网络化技术的重要应用。在研究 分析了国内外嵌入式系统远程监控技术并对其分析比较的基础上，本文提出 了基于嵌入式微处理器与嵌入式操作系统的远程监控系统设计方案，并通过 开发板对系统进行了模拟实现。 本文首先论述了嵌入式系统的特点和应用领域，阐述了主流a 剐微处理器 的功能和特点。由于l i n u x 对a r m 技术的有力支持，且l i n u x 具有内核可裁减， 网络功能强大，代码开放的特点，如果把l i n u x 移植到嵌入式系统中，能更好 的充分发挥a r m 和l i n u x 的优势。因此，系统选用主流的a r m 微处理器硬件平台， 操作系统使用u c l i n u x 。通过对u c l i n u x 的裁减、配置和编译将其移植到 s m a r t a p d j 2 2 0 0 开发平台作为系统的开发平台。 本文研究分析了w e b 服务器的机制及其工作原理，在u c l i n u x 操作系统上 配置编译了b o aw e b j 匣务器，并在这个系统平台上进行了远程监控系统设计 通过系统i o 对系统功能进行了模拟实现。设计完成后，用户在终端浏览器上， 可以对远程设备进行监测和控制，从而实现远程监测功能。 关键字：嵌入式系统：u c l i n u x ；a r m ；b o a 服务器；远程监控；c g i 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h en e t w o r kh a sa l r e a d yb e c o m eam a j o rt e n d e n c yf o rt h e d e v e l o p m e n to f e m b e d d e ds y s t e m s ，w h i l et h er e m o t ec o n n o la n dm a n a g e m e n tt o t h ee m b e d d e ds y s t e mb yt h en e t w o r ki sa ni m p o r t a n ta p p l i c a t i o no fe m b e d d e d e q m p m e n tn e t w o r kt e c h n o l o g y 。b a s e do nt h er e s c a r e ha n da n a l y s i sa b o u tt h e e m b e d d e dl o n g - d i s t a n c en e t w o r km o n i t o rs y s t e mt e c h n o l o g y ，w h i c hh a sb e e n c o m p a r i n g b e t w e e nd i f f e r e n tt e c h n o l o g i e sb o t ha th o m ea n da b r o a da tp r e m ，t h i s p a p e rp r o p o s et h ed e s i g np l a no fl o n g - d i s t a n c en e t w o r km o n i w rs y s t e mb a s e do n a ne m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ra n da l le m b e d d e do p c r a t m gs y s t e m ，t h es i m u l a t i o n o f t h i ss y s t e mh a sb e e nc a r r i e do nb yad e v e l o p m e n tb o a r d n 坨p a p e rd i s c u s s e dt h ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h ea p p l i c a t i o nf i e l do ft h e e m b e d d e ds y s t e m ，a n de x p a t i a t e dt h ef u n c t i o na n dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e m a i n s t r e a ma r mm i c r o p r o c e s s o r 。b e c a u s el i n u xc a ns u p p o r tt h ea r m t e c h n o l o g ye f f e c t i v e l y a n dh a s t h ec h a r a c t e r i 【s t i co ft h er e d u c i b l ek e r n e l ，t h e s t r o n gn e t w o r kf u n c t i o n ，t h eo p e n r s o l i r c ec o d e ，i f l i n u xi st r a n s p l a n t e di n t ot h e e m b e d d e ds y s t e m ，t h ea d v a n t a g eo f a r ma n dl i n u xc o u l db ee x e r t e d 。t h e r e f o r e t h es y s t e ms e l e c t st h em a i n s 位e a ma r m m i c r o p r o c e s s o rh a r d w a r ep l a t f o r m ，a n d t h eo p e m t i gs y s t e ms c l e c t su c l i n u x 。t h r o u g hr e d u c i n g ，c 0 嘶g 嘶ga n d c o m p i l i n g u c l i n u x ，u c l i n u xi s t r a n s p l a n t e d t ot h ed e v e l o p p l a t f o r m o f s m a r t a r m 2 2 0 0 ，w h i c hi sa c t e da st h ep l a t f o r mo f s y s t e ma p p l i c a t i o n 。 sp a p e ra n a l y z e dt h eb o aw e bs e 帐m e c h a n i s ma n dt h ep r i n c i p l eo f w o r k ，t h e nb o aw e b = r v e rw a sc o n f i g u r e da n dc o m p i l e do nu c l m u xo p c c a t i n g s y s t e m 。n 地r e m o t em o n i t o rs y s t e md e s i g nh a sb e e nc a r r i e do nt h i ss y s t e m d e v e l o p m e n tp l a t f o r m t h es y s t e mf u n c t i o nh a sb e e ns i m u l a t e db ys y s t e mi 0 。 w h e nt h ed e s i g ni sc o m p l e t e d , au s e rc a nm o m t o ra n dc o n t r o lt h el o n g d i s t a n c e e q u i p m e n to nt h et e r m i n a lb r o w s e r ，t h u st h el o n g - d i s t a n c em o n i t o rf u n c t i o ni s r e a l i z e d 。 k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ：u c l i n u x ；a r m ；b o aw e bs e r v e r ：r e m o t ec o n 仃o l s y s t e m ；c g i 哈尔滨工程大学硕七学位论文 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本论文的研究做出重要贡 献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律后果由本人承担。 作者( 签字) ：! 乏渣臼：1 日 期：嘲年j 月叶日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本文的研究背景 进入二十一世纪，以计算机技术、通信技术和软件技术为核心的信息技 术取得了迅猛的发展，i n t e m e t 已成为现代社会重要的基础信息设施，是全球 范围内信息流通的重要渠道。 随着i n t e m e t 技术的飞速发展，人们期望着各种嵌入式设备能够通过 i n t e m e t 联在一起，形成覆盖地球表面的“电子皮肤”，为用户提供更为广泛 的资源共享、信息通信和状态控制服务。在未来的一段时间内，将会产生比 p c 时代多上千倍的瘦服务器和超级嵌入式瘦服务器。这些服务器将与世界上 的各种物理信息、生物信息相联接。通过i n t e m e t 自动的、实时的、方便的、 简单的提供信息给需要这些信息的对象。可以想象，在不久的将来，人类的 工作生活中，嵌入式设备将无所不在通过嵌入式i n t e m e t ，人们可以远程控 制嵌入式设备，实现远程的设备髓控，通过i n t e r n e t 将整个世界变为一个“地 球村”，嵌入式i n t c m e r 将极大地改变人类的生产和生活方式 1 2 嵌入式系统 何谓嵌入式系统? 简单地说，嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬 件可裁剪对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机 系统1 1 1 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，因此，嵌入式系统一 般具有功耗低、体积小、集成度高等特点 最早的嵌入式系统是为了满足某些特殊的控制要求而设计的特殊控制系 统随着电子技术的发展，各种各样的性价比高的微处理器相继出现，嵌入 式系统已由原先单一的，非实时的控制系统发展成多元的、可以进行实时控 制的复杂系统如今，i n t e r n e t 迅速发展，它通信距离远，容量大，传输可靠 的特点正是嵌入式系统所急需发展的方向，将嵌入式系统接入互联网，可以 方便地把信息传送到网络上的任何一个地方为实现远程监控奠定了基础。 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 嵌入式i m e m e t 正是起源于把嵌入式系统与i n t e m e t 结合起来的想法。以 i n t e m e t 技术为基础，使嵌入式系统与i n t e r n e t 相互连接，实现嵌入式系统与 i n t e n e t 的有机结合通过i n t e r n e t 将控制的距离扩展到整个互联网，如今， 基于i n t e m e t 的嵌入式监控系统已经是成为嵌入式系统的一个新兴的应用领 域， 1 3 嵌入式w e b 服务器 要想通过i n t e r n e t 实现设备的远程监控，一般采用在嵌入式系统中构建 w e b 服务器的方法。嵌入式w e b 服务器建立在系统应用层之上，它的主体是 一组实现超文本传输协议( h y p e r t e x tt r a n s f e rp r o t o c o l ，h t t p ) 、安全套接 层协议( s e c u r es o c k e tl a y e r ，s s l ) 、通用网关接t ( c o m m o ng a t ei n t e r f a c e ， c 0 1 ) 等标准的组件包嘲。上层应用程序通过它实现友好界面的远程数据访问 和功能调用。它的驻留程序调用这些组件响应h r r p 请求，以w e b 页面的形 式向客户端浏览器提供数据浏览功能；通过应用程序使客户端方便的进行服 务器端数据的修改、添加、删除它采用b r o w s e r s e r v e ( 浏览器服务器) 的 应用模式。服务器下的m m l 网页、c o i 程序等，配合w e b 服务器共同工 作，提供远程浏览器客户端的各种服务，从而使远程数据访问和远程控制成 为可能。 嵌入式w e b 服务器基于系统应用设计和实现，屏蔽了操作系统和硬件的 差异，使得嵌入式w e b 服务器应用可以适应不同平台。 1 4 本文的研究内容及意义 本文主要研究内容是在a r m 平台上移植u c l i n u x 操作系统，并构建b o a 嵌入式w e b 服务器，实现对远端设备的监测和控制。 本文详细地介绍了u c l i n u x 操作系统在s 2 0 0 平台上的移植方 法和过程，在u c l i n u x 下构建b o aw e b 服务器，以及利用w e b 服务器设计和 实现数据监测和设备远程监控的应用。 本论文的内容： 第一章：绪论主要讲述本文的研究背景、研究内容及意义。 第二章：s m a s t a r m 2 2 0 0 开发平台。阐述a r m 微处理器的特点和体系 结构，以及基于a r m 7t d m i 微处理器的s m a r t a r m 2 2 0 0 开发平台的特点和 哈尔滨工程大学硕士学位论文 功能。 第三章：嵌入式操作系统。介绍了嵌入式操作系统发展的现状，重点介 绍了u c l i n u x 嵌入式操作系统的特点和功能。 第四章；u c l i n u x 系统移植。详细介绍了r e dh a t 9 0 下a r m 交叉编译 环境的构建方法，u c l i n u x 操作系统的内核编译，u c l i n u x 下根文件系统的 构建方法和系统文件在开发板上的固化。 第五章：远程监控系统整体设计。详细介绍了在构建好的删+ u c l i n u x 开发平台下，构建b o a w e b 服务器方法，以及远程监控应用程序的设计和实 现过程。 第六章：结论。作为结束语，对所做工作进行总结，指出不足，并对嵌 入式w e b 未来的发展形势做出展望。 基于w e b 的嵌入式系统研究是未来嵌入式系统发展的趋势，对其进行深 入研究对于工业控制领域和智能家居方向的嵌入式应用有深远的意义。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章s m a r t a r m 2 2 0 0 开发平台 2 1 嵌入式系统简介 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪， 适应系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系 统【3 】。按照嵌入式系统的定义，只要满足定义中三要素的计算机系统，都可 称为嵌入式系统。 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应 用软件系统等组成，嵌入式系统是可独立工作的“器件”。 嵌入式系统的硬件部分，包括微处理器、存储器及外设器件和i o 端口 等。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那样大容量 的存储介质，而大多使用e p r o m 、e 2 p r o m 或闪存( f l a s hm e m o r y ) 作为 存储介质。 嵌入式系统的软件部分包括操作系统和应用程序。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。 2 2 嵌入式系统特点 嵌入式系统是一个以计算机技术为基础，涵盖了微电子技术、电子信息 技术、软件编程和硬件设计等多项技术领域的综合性应用。随着后p c 时代 来临，嵌入式系统已经被广泛应用于诸多领域中，呈现出系统复杂化，应用 多样化，硬件集约化、软件平台化的特点。但从根本上说，嵌入式系统之所 以称为嵌入式系统，主要由于它具有以下一系列特点： ( 1 ) 功能适用、够用； ( 2 ) 可靠性高，无病毒，存储介质无机械硬盘，抗干扰能力强； ( 3 ) 体积和尺寸小； ( 4 ) 功耗低，无需散热风扇，无噪音； ( 5 ) 价格低，市场竞争力强； ( 6 ) 环境适应性强； ( 7 ) 操作使用人性化、仪表化； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 8 ) 有多种类型的软、硬件支持平台； ( 9 ) 无须经常更新换代； 由于嵌入式系统的这些特点和高性能、低成本的特性，在各种大型和复 杂的领域，嵌入式系统已经逐步取代了单片机的地位，成为设备应用的首选 h 2 3 嵌入式系统的应用 嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备，如移动计算设备、数字 电视、汽车、智能家居、安全系统、自动售货机、消费电子设备、工业自动 化仪表与医疗仪器等。随着i n t e r a c t 的不断普及发展，嵌入式系统与i n t e m e t 相互结合已经成为嵌入式系统重要的发展方向，嵌入式i m e m e t 技术正在逐 步走向成熟，并将在许多领域内得到广泛应用： 在嵌入式监控领域，已经有不少公司开发出了许多新型的产品。远程监 控方面，人们可以通过互联网远程访问工业现场的设备状态，向设备发出操 作指令在智能家居和信息家电领域，在家电中置入嵌入式设备，可实现远 程设备控制，自动打开、关闭空调，电视，或者对安警设备进行自动控制， 在网络带宽允许的情况下，还可以实现视频监控功能。总之，远程监控系统 在i n t e r n e t 技术支持下，己经从高成本的复杂系统变成了低成本的控制系统。 可以断言，控制系统的网络化时代已经到来，目前国际上正在应用和推广的 i p v 6 协议，将彻底改变m 地址缺乏的状况，从而为嵌入式i n t e r n e t 的发展铺 平道路“。 2 4 嵌入式处理器 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般具备四个特 点： ( 1 ) 对实时和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操作系统的执行时阃减少到最低限度； ( 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，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，以便于迅速地扩展出满足应用的高性能的嵌 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 入式微处理器； ( 4 ) 嵌入式微处理器的功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计 算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，功耗只能为m w 甚至 t t w 级 根据现状，嵌入式计算机可分成下面几类： ( 1 ) 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 嵌入式微处理器采用“增强型”通用微处理器。由于嵌入式系统通常应 用于环境比较恶劣的环境中，因而嵌入式微处理器在工作温度、电磁兼容性 以及可靠性方面的要求较通用的标准微处理器高。但是，嵌入式微处理器在 功能方面与标准的微处理器基本上是一样的。根据实际嵌入式应用要求，将 嵌入式微处理器装配在专门设计的主板上，只保留和嵌入式应用有关的主板 功能，以减小系统的体积和功耗。 和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器组成的系统具有体积小、重量 轻、成本低、可靠性高的优点，但在其电路板上必须包括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。 由嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路主板上构 成一个通常所说的单板机系统。 ( 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，根据某些典型的应用，在芯片内部集成了 i m 佃r o m 、r 址l 总线、总线逻辑、定时，计数器、看门狗、l o 、串行 口、脉宽调制输出、a 巾、d a ，f l a s hr a m 、e e p r o m 等各种必要功能部件 和外设。和嵌入式微处理器相比，微控制器的单片化使应用系统的体积大大 减小，从而使功耗和成本大幅度下降、可靠性提高。 嵌入式微控制器目前在产品的品种和数量上是所有种类嵌入式处理器中 最多的，上述诸多优点决定了微控制器是嵌入式系统应用的主流。微控制器 的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。 ( 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 ) 在数字信号处理应用中，各种数字信号处理算法相当复杂，一般结构的 处理器无法实时的完成这些运算。由于d s p 处理器对系统结构和指令进行了 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 特殊设计，使其适合于实时地进行数字信号处理。在数字滤波、f f t ，谱分 析等方面，d s p 处理器取得了广泛的应用。 ( 4 ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 随着v l s i ( 超大规模集成技术) 设计的普及化，以及半导体工艺的迅速 发展，可以在一块硅片上实现一个更为复杂的系统，这就产生了s o c 技术 除某些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单，对于减小整个应用系统体积和功 耗、提高可靠性非常有利闱嗍。 2 5a r m 处理器及其特点 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 1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国剑桥，专门从事基于r i s c 技术芯片设计 开发的，a r m 公司作为知识产权供应商，靠转让设计许可由合作公司生产芯 片，公司主要出售芯片设计技术的授权。目前，全世界有几十家大的半导体 公司都使用a r m 公司的授权，采用a r m 技术知识产权的微处理器，已遍及 工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市 场，基于a r m 技术的微处理器应用占据了3 2 位r i s c 微处理器8 0 以上的 市场份额，取得了市场主导地位。本设计中选用a r m 微处理器作为处理器 芯片，它不仅价格低廉，通用性好，而且可以更方便、更容易的利用网络上 众多的共享资源进行系统开发8 2 5 1a r m 微处理器的特点 a r m 微处理器之所以能被人们认可，取得如此广泛的应用，主要是因为 a 鼬垤微处理器具有如下特点： ( 1 ) 体积小、低功耗、低成本、高性能； ( 2 ) 支持t h u m b a r m 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； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 5 2a r m 微处理器系列 a r m 微处理器目前包括下面几个系列，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。 一a r m 7 系列 一a r m 9 系列 一a r m 9 e 系列 一a r m l o e 系列 - - s e c m c o r e 系列 一h i e r 的x s c a l e m c c r 的s u - o n g a r m 其中，a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 和a r m l 0 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嗍。 在所有a r m 微处理器系列中，a r m 7 t d m i 微处理器系列应用最广，采 用a i 蝴7 t d m l 微处理器作为内核生产芯片的公司最多，同时其性能价格比 也是最高的，a r m 7 t d m i 主要用于低端的消费电子领域和工业控制场合。 本设计采用也是这个类型的芯片，因此，主要对a r m t t d m i 微处理器的结 构原理进行介绍。 2 5 3a r m 7 微处理器 a r m 7 系列微处理器为低功耗的3 2 位r i s c 处理器，最适合用于对价位 和功耗要求较高的消费类应用。a r m 7 微处理器系列具有如下特点： 一具有嵌入式i c e r t 逻辑，调试开发方便； 一极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品； 一能够提供0 9 m i p s m h z 的三级流水线结构； 一代码密度高并兼容1 6 位的t h u m b 指令集： 一对操作系统的支持广泛，包括w i n d o w s c e 、l i n u x 、p a l mo s 等； 一指令系统与a r m 9 系列、a r m 9 e 系列和a r m i o e 系列兼容，便于用 户的产品升级换代； 一主频最高可达1 3 0 m i p s ，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂 应用哪： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a r m 7 系列微处理器的主要应用领域为：工业控制、i n t e m e t 设备、网络 和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。 a r m 7 系列微处理器包括如下几种类型的核：删碱l i 、a r m 7 2 0 t ， 嘘m 7 t d m 【s 、a r m 7 e j 。其中，朋l m 7 t m d i 是目前使用最广泛的3 2 位嵌 入式砒s c 处理器，属低端a r m 处理器核。 螺m 7 t d m i 各字原意如下： a r m 7 ：a r m 63 2 整型核的3 v 兼容版本 - t ：1 6b i t 压缩指令集t h u m b d ：在片调试支持下，允许处理器响应调试请求暂停。 - m ：增强型乘法器，与以前处理器相比性能更高，产生全6 4b i t 结果。 - i ：嵌入式i c e 硬件提供片上断点和调试点支持。 灿t m 7 微处理器共有3 7 个寄存器，被分为若干个组( b a l 憾) ，这些寄 存器包括： - - 3 1 个通用寄存器，包括程序计数器( p c 指针) ，均为3 2 位的寄存器。 一6 个状态寄存器，用以标识c p u 的工作状态及程序的运行状态，均为 3 2 位，目前只使用了其中的一部分。 a l u 讧微处理器支持两种指令集：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 5 4a r m 微处理器应用选型 鉴于a r m 微处理器的众多优点，a r m 微处理器获得了广泛的重视和应 用。但是，由于a r m 微处理器有多达十几种的内核结构，几十个芯片生产 厂家，以及千变万化的内部功能配置组合，给开发人员在选择方案时带来一 定的困难。以下从应用的角度出发，对在选择a r m 微处理器时所应考虑的 主要问题做一些简要的探讨。 ( 1 ) a r m 微处理器内核的选择 a r m 微处理器包含一系列的内核结构，以适应不同的应用领域，用户如 果希望使用w i n c e 或标准l i n u x 等操作系统以减少软件开发时问，就需要选 择a r m 7 2 0 t 以上带有m m u ( m e m o r y m a n a g e m e n t u n i t ) 功能的a r m 芯片， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a r m 7 t d m i 则没有m m u 。不支持w i n d o w sc e 和标准i i 埘。但目前有 u c l i n u x 等不需要m m u 支持的操作系统可运行于a i 蝴7 1 d m i 硬件平台之 上事实上，u c l i n u x 已经成功移植到多种不带m m u 的微处理器平台上， 并在稳定性和其它方面都有上佳表现， ( 2 ) 系统的工作频率 系统的工作频率在很大程度上决定了a r m 微处理器的处理能力。a r m 7 系列微处理器的典型处理速度为o 9 m i p s m h z ，常见的a r m 7 芯片系统主时 钟为2 0 m 匦1 3 3 姗z ，a r m 9 系列微处理器的典型处理速度为1 i m i p s m h z ， 常见的a r m 9 的系统主时钟频率为1 0 0 m h z 2 3 3 m h z ，a r m l 0 最高可以达到 7 0 0 m h z 。不同芯片对时钟的处理不同，有的芯片只需要一个主时钟频率，有 的芯片内部时钟控制器可以分别为a r m 核和u s b 、u a r t 、d s p 、音频等功 能部件提供不同频率的时钟，可根据设计的速度要求选用。 ( 3 ) 芯片存储器的容量 大多数的a r m 微处理器片内存储器的容量都不太大，需要用户在设计 系统时外扩存储器，但也有部分芯片具有相对较大的片内存储空间，用户在 设计时可考虑选用这种类型，以简化系统的设计。节省开发时间。 ( 4 ) 片内外围电路的选择 除a r m 微处理器核以外，几乎所有的a r m 芯片均根据各自不同的应用 领域，扩展了相关功能模块，并集成在芯片之中，称之为片内外围电路，如 u s b 接口、1 2 c 接口、l c d 控制器、键盘接1 3 、r t c ( 实时时钟) 、a d c ( 模 数转换) 和d a c ( 数模转换) 、d s p 协处理器等，设计者应分析系统的需求。 尽可能采用片内外围电路完成所需的功能，这样既可简化系统的设计，同时 也提高了系统的可靠性。 在本设计中，由于主要是用于工业现场和一些小型的控制场合，所以可 以采用删7 1 d m i 的微处理器，降低设计成本。在此基础上，考虑性能和 接口等各种园素，对各厂家的产晶迸行筛选后，最终决定选用广州周立功公 司的s m a r t a r m 2 2 0 0 开发板 2 6s m a r t a r m 2 2 0 0 开发平台 s m a r t a r m 2 2 0 0 是一款基于a r m 7 t d m i 微处理器的嵌入式系统开发平 哈尔滨工程大学硕士学位论文 台，支持多种嵌入式操作系统。s m a r t a r m 2 2 0 0 开发板全面支持1 2 种型号的 1 4 4p i na r m 7l p c 2 1 0 0 和l p c 2 2 0 0 系列的微控制器，主板采用4 层p c b 设 计。工业制板，开发板抗干扰性能好，质量可靠，性能稳定。板上硬件资源 丰富，便于进行各种系统的开发。其开发板附带的主要资源有： 2 m 字节n o rf l a s h ，用于存储b o o t l o a d e r 或其它固化程序； 嚣m 字节p s r a m ，可以满足各种操作系统和应用程序的内存需求； 一1 6 m 字节n a n df l a s h ，可以存储操作系统和应用程序文件。 - - t f t 6 7 5 8p a c k 板，2 4 0 ) ( 3 2 0 的1 r i 玎真彩色液晶屏； 1 s p l1 6 1p a c k 板，支持u s b l i h o s l m e v i c e 固件编程与驱动程序开 发： 外设p a c k 和g p i o 输出接口，可连接外部电路的开发和使用： 标准2 0 针j t a g 调试接口e 1 m 跟踪调试接口，可进行系统调试； s i ) 卡接口，支持s 功m m c 卡读写； c f 卡和i d e 硬盘接口，便于进行存储容量扩展； 诋1 1 ，8 0 1 9 a s 全双工1 0 m 网卡芯片。可进行基于网络的系统开发； 一标准m o d e m 直接接口，进行远程数据通信； r s 2 3 2 转换电路，可与上位机进行串行通信完成u a r t 实验； - - 3 个1 2 c 器件，可完成基于1 2 c 的系统开发； 4 个独立的l e d ，1 7 个按键，1 个蜂鸣器； 2 路l o 位a 仍转换接口； 一附有4 x 4 键盘，z l g 7 2 9 0 键盘管理和显示控制； 一多种可选配适配器： 可支持各种型号c p up a c k ，按需求和喜好配置主a r m 芯片； m g 2 4 0 】【1 2 8 单色点阵图形液晶模块； - - c a n 接口板，方便组装现场总线； 电p s 模块，进行地理定位实验； p d i u s b d l 2u s b i 1d c v i p a c k i s p l l 8 lu s b i 1d e v i c ep a c k t 州 开发板还附带了详细的开发文档和硬件驱动源程序，便于用户对系统原 理进行分析和理解，加快用户应用系统开发的进程。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 s m a r t a r m 开发板的硬件结构如下所示： 图2 1s m a r t a r m 2 2 0 0 开发板功能框图 元件布局如下所示： 图2 2 元件布局图 2 7 本章小结 本章简要介绍了嵌入式系统的基本概念，对a r m 微处理器的特点和产 围圈围圈圈 哈尔滨工程大学硕士学位论文 品系列进行了简单介绍。并对a r m 微处理器的选型原则和应用情况做了详 细介绍对于本设计，属于一般的工业控制和家庭应用，采用a r m 7 t d m i 的微处理器是一个正确合适的选择，结合设计的实际硬件需求情况，选用广 州周立功公司的s m a r t a r m 2 2 0 0 开发平台s m a r t a r _ m 2 2 0 0 不仅功能强大， 价格低廉，而且由于其优良的制作工艺，可以捧除设计过程中硬件问题的干 扰，加上其附带的详细的开发文档，在实际的设计过程中，将会对整个设计 过程起到积极的作用。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章嵌入式操作系统 3 1 嵌入式操作系统的定义和特点 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。 ，嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，它主要负责管理计算机 上的系统资源，为用户提供使用计算机及其外部设备的接口，它能够提供库 函数、驱动程序、工具集以及应用程序它管理所有硬件资源，提供应用软 件一个合适的操作环境。 嵌入式操作系统是嵌入式系统的灵魂。从某种意义上说，没有操作系统 的计算机是没有用的。在嵌入式应用中，只有把操作系统移植到系统中去， 才是真正的计算机嵌入式应用。 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、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。嵌入 式系统由于硬件的限制，通常只具有极稀少的硬件资源，如主频较低的c p u 、 较小的内存、采用小容量的固态电子盘芯片d o c ( d i s k o n c h i p ) 或d o m ( d i s k 0 1 1 m o d u l e ) 替代磁盘等。在使用电池的系统中，它还必需具有低功耗的特性， 以延长电池的使用时间。 3 2 嵌入式操作系统的种类 嵌入式操作系统根据应用对象不同，大体分成下列几类： ( 1 ) 基于w i n d o w s 兼容的；嵌入式l i n u x 、w i n d o w s c e 、e p o c 等； ( 2 ) 工业与通信类：v x w o r k s ，p s o n ，q n x 、v r t x 、n e e t f l e u s 等 ( 3 ) 单片机类；i r m x ，c m x 、m c o s 等 ( 4 ) 面向i n t e n e t 类；p a l mo s ，v i s o r 、h o p e m 、p p s m 等。 从操作系统的本身特性来说，嵌入式操作系统可以分为两类，一类是面 向控制、通信等领域的实时操作系统，如w i n d r i v e r 公司的v x w o r k s 、i s i 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的p s o s 、q n x 系统软件公司的q n x 、a l l 的n e c u l e u s 等；另一类是面向消 费电子产品的非实时操作系统，这类产品包括个人数字助理( p d a ) 、移动电 话、机顶盒、电子书、w e b p h o n e 等1 。这里重点介绍一下工业控制领域常用 的实时操作系统。 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正确程度，而且与 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 时系统是对响应时间有严格要求的。在这些场合，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。 ，实时操作系统可分为可抢占型和不可抢占型两类。 对于基于优先级的系统而言，可抢占型实时操作系统是指内核可以抢占 正在运行任务的c p u 使用权并将使用权交给进入就绪态的优先级更高的任 务不可抢占型实时操作系统使用某种算法并决定让某个任务运行后，就把 c p u 的控制权完全交给了该任务，直到它主动将c p u 控制权还回来 实时操作系统主要用于对系统时间由严格要求的场合，如航空航天、以 及对时间有严格要求的工业控制场所一般家用和消费类产品，对实时性的 要求一般不高。可以采用非实时性的操作系统”“ 3 3 嵌入式l i n u x 操作系统 高端嵌入式系统要求许多高级的功能，如图形用户界面和网络支持。很 多高端实时操作系统供应商已经提供了这些功能，但其价格也很高，一般人 难以接受微软的w i n d o w sc e 也有此类功能，但是它不具备大多数嵌入式 系统要求的实时性能，而且移植性能差，使用范围比较有限。 l i n u x 操作系统从1 9 9 1 年问世到现在，短短的十几年时问已经发展成为 功能强大，设计完善的操作系统之一，可运行在x 8 6 、a l p h a 、s p a r e ，m i ls 、 p p c 、m o t o r o l a 、n e c 、a i u “等多种硬件平台，而且开放源代码，可以定制； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 可与各种传统的商业操作系统分庭抗争。目前，越来越多的企业和研发机构 都转向嵌入式l i n u x 的开发和研究上从下表可以看出专用嵌入式实时操作 系统与嵌入式l i n u x 的各种差异： 表3 1 专业嵌入式操作系统与开源l i n u x 比较表 专用嵌入式实时操作系统嵌入式l i n u x 操作系统 版权费生产产品需交纳一份版权费免费 购买费用数十万元( r m b )免费 技术支持 开发商提供有限的技术支持 全世界自由软件开发者提供支持 网络特性另加数十万元( r m b ) 购买免费且性能优异 软件移值难( 因为是封闭系统)易，代码开放( 有许多应用软件支持) 短，新产品上市迅速，有许多公开的 开发周期长，因为可参考的代码有限 代码可以参考和移植 实时性能好 须改进，可用r t _ l i n u x 等模块弥补 稳定性较好较好。但在高性能系统中须改进 l i n u x 嵌入式系统的特点： 第一、l i n u x 系统是层次结构，而且内核完全开放。l i n u x 是由很多体积 小且性能高的微内核系统组成。在内核代码完全开放的前提下，不同领域和 不同层次的用户可以根据自己的应用需要方便地对内核进行改造，低成本的 设计和开发出满足自己需要的嵌入式系统。 第二、强大的网络支持功能。l i n u x 诞生于因特网时代并具有u n i x 的特 性，支持所有标准因特网协议，并且可以利用l i n u x 的网络协议栈将其开发 成为嵌入式的t c p ，m 网络协议栈此外，l i n u x 还支持e x t 2 、f a t l 6 、f a t 3 2 、 r o m f s 等文件系统，为开发嵌入式系统应用打下了很好的基础。 第三、l i n u x 具备一整套工具链，容易白行建立嵌入式系统的开发环境 和交叉运行环境，可以跨越嵌入式系统开发中仿真工具的障碍 第四、l i n u x 具有广泛的硬件支持特性。无论是i u s c 还是c i s c 、3 2 位 还是6 4 位等各种处理器，l i n u x 都能运行。l i n u x 通常使用的微处理器是i n t e l x 8 6 芯片家族，但它同样能运行于m o t o r o l a 公司的6 8 k 系列c p u 和i b m 、 a p p l e 、m o t o r o l a 公司的p o w e r p cc p u 以及i n t e l 公司的s t r o 删c p u 等 处理器。l i n u x 支持各种主流硬件设备和最新硬件技术，甚至可以在没有存 哈尔滨工程大学硕士学位论文 储管理单元( m m u ) 的处理器上运行。 + 由于l i n u x 具有对各种设备的广泛支持性，因此，它能方便地应用于机 顶盒、p d a 、掌上电脑、w a p 手机