（计算机应用技术专业论文）嵌入式系统的网络通信研究.pdf

竺! ! 皇查查堂堡主：! = 生堡苎 摘要 嵌入式w e b 技术是嵌入式技术领域研究的热点，开发出低成本、高通用性的嵌入 式w e b 服务器将会极大地促进低端控制设备的信息化。 本文对e g i 在嵌入式w e b 服务器中的实现进行了深入探讨，并详细地介绍了具体 实现细节，该系统已成功应用圳, a r m 7 t d m i ( $ 3 c 4 5 1 0 b ) 和u c l i d u x 为核心的嵌入式 系统中。虽然在目前情况下，把嵌入式w e b 技术应用于控制系统还存在现实的困难， 如空间太小、速度不能满足高的实时性等。但采用这种方式的控制系统具有控制分 散、丌放性好、使用简单、稳定性好等优点，而且可以通过浏览器进行远程多点监 控和远程支持，是未来控制系统发展的一个趋势。 关键词：嵌入式系统，网络通信，u c l i n u x ，动态w e b 服务器，c g i a b s t r a c t e m b e d d e dw e bt e c h n o l o g yi saf o c u si nt h ef i e l do fe m b e d d e dt e c h n o l o g ys t u d y t h e d e x ，e l o p m e n to fl o wc o s t h i g hu n i v e r s a l i t ye m b e d d e dw e b s e r v e r 、v i l l g r e a t l yp r o m o t et h e i n f o r m a t i o n i z a t i o no fl e s sd e v e l o p e dc o n t r o le q u i p m e n t t h i st e x tw i l ld i s c u s si n d e t a i lt h er e a l i z a t i o no fc g io ne m b e d d e dw e bs e r v e ra n d i n t r o d u c es p e c i f i cp r o c e d u r e s t h es y s t e mh a sa l r e a d yb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e di ne m b e d d e d s 5 ，s t e mw i t ha r m 7 t d m i ( $ 3 c 4 5 1o b ) a n du c l i n u xa si t sc o r e a tp r e s e n t ，a l t h o u g ht h e r ea r e r e a l i s t i cd i m c u l t i e si nt h ea p p l i c a t i o no fe m b e d d e dw e bt e c h n o l o g yi nc o n t r o ls y s t e m ，i e i t s s p a c ei st o ol i m i t e da n di t ss p e e dc a n n o ts a r i s f yh i g hr e a l - t i m er e q u i r e m e n te t c ，i t h a st h e a d 、，a n t a g e so fd i s p e r s e dc o n t r o l ，g o o do p e n i n gc a p a c i t y , e a s yo p e r a t i o n a n dg o o ds t a b i l i t ) e t c m o r e o v e ri tc a nr e a l i z el o n g - r a n g ea n dm u l t i - s p o t sm o n i t o r i n ga n db es u p p o r t e dt h r o u g ha b r o w s e r w h i c hi sat r e n do f d e v e l o p m e n to f c o n t r 0 1s y s t e mi nt h ef u t u r e z h a n gw e i ( c o m p u t e rs y s t e m a n d a p p l i c a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f m ay o n g g u a n g k e yw o r d s ：e m b e d d e d s y s t e m ，n e t w o r kc o r r e s p o n d e n c e ，u c l i n u x ，d y n a m i cw e b c g i 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文嵌入式系统的网络通信研究，是本人在导师 指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，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享有著作权的内容。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。 特此申明。 签名： 鱼牟日 1 木彳易日期：竺! ：! ：! 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、并向有戈 部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制州：保存学 位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交漉为目的，复制赠送和交换学 位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：墨生差 曰 期：丝正：! ：! 翩签名：碰 日期：趔：纽 华北电力人学硕十学何论文 1 1 嵌入式系统的发展现状 1 1 ，1 嵌入式系统的定义 第一章引言 嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可剪裁，适应 应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。它主要 出嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用软件等部分组成。 主要用于实现对其它设备的控制、监视和管理等功能，它通常嵌入在主要设备中运 行。 和通用的计算相比，嵌入式系统往往具有功能单一、体积小、功耗低、可靠性 高、可剪裁性好、软硬件集成度高、计算能力相对较低等特点。目前，嵌入式系统 的应用已广泛渗透到人们的工作、生活中，如家用电器、手持通讯设备、信息终端、 仪器仪表、汽车、航空航天、军事装备、制造工业、过程控制等。由嵌入式系统带 来的工业年产值己超过1 万亿美元。美国著名未来学家尼葛洛庞帝9 9 年1 月访华 时曾预言，4 j 年后嵌入式智能( 电脑) 工具将是p c 和因特网之后最伟大的发明。 据统计，嵌入式处理器的数量占分散处理器的9 4 ，而p c 机用的处理器只占6 。 汽车大王福特公司的高级经理曾称：“福特出售的计算能力已超过了i 蹦i ，用 市场观点来看，p c 已经从高速增长进入到平稳发展时期，其年增长率由上世纪9 0 年代中期的3 5 逐年下降，单纯由p c 机带领电子产业蒸蒸日上的时代已经成为历史， 根据p c 时代的概念，美国b u s i h e s sw e e k 杂志提出了“后p c 时代”的概念。 根据美国嵌入式系统专业杂志r t c 报道，2 l 世纪初的十年中，全球嵌入式系统 市场需求量具有比p c 市场大1 0 至1 0 0 倍的商机。1 9 9 8 年在芝加哥举办的嵌入式系 统会议上，与会专家一致认为，2 1 世纪嵌入式系统将无所不在，它将为人类生产带 来革命性的发展，实现“p c se 、r e r y w h e r e ”的生活梦想。“ 1 1 2 嵌入式系统的特点 与通用型计算机系统相比较而言，嵌入式计算机系统具有以下特点： 1 嵌入式系统通常采用面向特定应用的嵌入式c p u 嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它们通常都具有低功耗、 体积小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内 一1 华北电力大学硕十学位论文 部，从而使嵌入式系统的设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越 来越紧密。 2 对软、硬件的设计要求高 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，力争在 同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有 竞争力。 3 以特定应用为目标 嵌入式系统往往和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品 同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，都具有较长的生命周期。 4 固化存储 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。 5 丌发环境很重要 嵌入式系统本身不具各自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也不能对其 中的程序功能进行修改，必须借助于一套丌发工具和环境才行。”1 1 13 嵌入式系统的发展历程 嵌入式系统的出现至今已经有3 0 多年的历史，近几年来，计算机、通信、消 费电子的一体化趋势同益明显，嵌入式技术已成为一个研究热点。纵观嵌入式技术 的发展过程，大致经历了四个阶段。 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，具有与监测、伺服、 指示设备相配合的功能。这类系统大部分应用于一些专业性强的工业控制系统中， 一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制。这一阶段系统 的主要特点是：系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没 有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简单、价格低，在早期工业控制领域应用较 为普遍，但已远不能适应当今高效的、需要大容量存储的现代工业控制和新兴信息 家电等领域的需求。 第二阶段是以嵌入式微处理器为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。 主要特点是：c p u 种类繁多，通用性比较弱：系统丌销小，效率高；操作系统达到 一定的兼容性和扩展性：应用软件较专业化，用户界面不够友好。 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。主要特点是：嵌入式操作 系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核小、效率高， 并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、多任务管理、网络支持、 图形窗口以及用户界面等功能：具有大量的应用程序接口a p i ，丌发应用程序较简 华北电力人学硕士学位论文 单：嵌入式应用软件丰富等特点。 第四阶段是以i n t e r n e t 为标志的嵌入式系统。这是一个正在迅速发展的阶段。 虽然目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e r n e t 之外，但随着i n t e r n e t 的发展以及 i n t e r n e t 技术与信息家电、工业控制技术的结合日益密切，可以预言，嵌入式设备 与i n t e r n e t 的结合代表着嵌入式系统和网络技术的真正未来。0 3 1 1 4 当今嵌入式技术的热点 综上所述，今天的嵌入式技术已经达到了一个新的高度，尤其具有以下三个发 展热点： 1 由8 位1 6 位嵌入式微处理器向3 2 位r i s c 嵌入式微处理器过渡 r i s c 技术的兴起，给计算机体系结构带来了重大的变革。如果把简单的、固定 长度的、单周期执行指令的r i s c 计算系统，与传统的、复杂的、可变指令长度的、 并行执行的c i s c 计算机系统相比较的话，会看出在相同的条件下，采用r i s c 技术 的微处理器的运算速度要快2 、5 倍，具有巨大的性价比优势，更适合应用于嵌入式 系统中。r i s c 技术推动着计算机体系结构从封闭的c i s c 向开放的结构发展。因此， 世界上各大芯片制造厂商争相开发生产r i s c 微处理器芯片，目前的最高时钟速率 可达? o o m h z ，同时亦有多种( 实时) 嵌入式操作系统支持上述r i s c 处理器。现在 已广泛应用的3 2 位r i s c 嵌入式微处理器的有a r m 、m i p s 和s h 三大系列。 近年来国际上有一种新的趋向，即可以通过购买芯片核心模块的知识产权，在 其基础上再根据需求将多个知识产权模块或经修改、补充而组合起来，完成自己的、 新的微处理器设计。这样就加快了微处理器芯片的设计进程。典型的例子是a r m 技 术和a r m 微处理器芯片的广泛应用，现在各大半导体厂商大多可生产基于a r m 内核 的衍生产品。 另一个新的趋向是，现在的嵌入式微处理器多数都有丰富的片上外围模块。通 过在微控制器上集成常用的电路，例如：并行输入输出接口、定时器、比较器、 模数转换接口、串行通信接口、w a t c h d o g 电路、l c d 控制器、较大容量的程序存 储器和数据存储器、i i c 总线接口、网络接口等，有的甚至还把语音、图像处理部 件也集成到嵌入式微控制器中，真f 使嵌入式微控制器成为“万用机”。 2 嵌入式操作系统逐步走向成熟，与嵌入式系统的结合同益紧密 多年来，嵌入式设备中没有操作系统。其主要原因有两个：首先，诸如洗衣机、 微波炉、电冰箱这样的设备仅仅需要一道简单的控制程序，以管理数量有限的按钮 和指示灯，根本没有使用操作系统的必要；其次，这类嵌入式系统的应用往往只具 有有限的硬件资源，不足以支持一个操作系统。然而，随着硬件技术的发展，尤其 是嵌入式微处理器技术的发展，嵌入式系统变得越来越复杂，在最初的控制程序中 华北电力人学硕十学位论文 已加入了许多新的功能，而这些功能中有很多完全可以由操作系统提供。于是，上 个世纪7 0 年代末期丌始出现了一些嵌入式操作系统，它们的出现大大简化了应用 程序的设计，具有一定的可移植性和可扩充性，可以有效地保障软件质量和缩短开 发周期。 软件是实现嵌入式系统功能的关键。对嵌入式操作系统软件和应用软件的要求 与通用计算机的软件系统有所不同，表现在：( 1 ) 嵌入式系统软件要求固化存储。 为了提高进程的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 或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中；( 2 ) 要求软件代码具有高质量和高 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，由于各种原因( 如系统成本因素) 存储空蒯仍然是宝贵的，此 外还可能存在着实时性的要求。为此要求程序编写和编译工具的质量要高，以减少 程序二迸制代码长度，提高执行速度：( 3 ) 系统软件的高实时性往往是整个系统的 基本性能要求。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和 合理调度，是保证每个任务及时执行的关键。对此，单纯通过提高处理器的速度是 无法完成的。这种任务调度只能由优化编写的操作系统软件来完成，因此系统软件 的高实时性是基本要求；( 4 ) 多任务操作系统是走向工业标准化道路的基础。 i 3 嵌入式i n t e r n e t 技术全面应用 嵌入式i n t e r n e t 技术是近几年随着计算机网络技术的普及而发展起来的一项 新兴概念和技术，它通过为现有嵌入式系统增加因特网接入能力来扩展其功能。一 般是指宿主设备通过嵌入式模块而非宿主系统直接接入网络，利用嵌入式设备作为 中间介质实现基于i n t e r n e t 的信息交互的过程。随着嵌入式i n t e r n e t 产品的开发 和应用，远程监控、数据采集和系统重构等领域将会发生深刻的变革，会带动出更 多的嵌入式系统的潜在应用。”嵌入式i n t e r n e t 是一门综合技术，涉及到集成电路、 嵌入式操作系统和网络通讯，它的兴起会进步加快各个行业的信息化步伐。 1 。2 课题的目标、意义和主要内容 1 ，2 1 课题的目标和意义 可见，在未来嵌入式技术的发展进程中，3 2 6 4 位微处理器将在系统中占主导 地位，嵌入式操作系统的功能将更加强大，系统与网络、与i n t e r n e t 的结合将日 益密切，甚至是直接嵌入到i n t e r n e t 中去应用，以此为基点推动嵌入式系统向更 广泛、更深入的方向发展。伴随以上三个学科技术的发展成熟，嵌入式系统软硬件 模块的功能会更加完善，种类会更加丰富，使用会更加灵活方便。 当前，基于各种网络平台( 包括局域网、广域网和i n t e r n e t ) 的嵌入式系统应 华北电力人学硕十学位论文 用已成定局。可以预见，在不久的将来，种类繁多的嵌入式网络应用产品的数量将 以爆炸式的速度飞速增长。一方面，人们会越来越依赖于网络嵌入式产品，享受由 它们带来的方便快捷的服务；但是，另一方面，人们又要解决由此而产生的个不 可回避的问题，即如何有效地控制和管理这些海量的、分散的、性能各异的“瘦” 网络服务设备。 对此，最简单、直观的做法是：在( 远程) 嵌入式设备上运行w e b 服务器进程 并结合动态网页技术编写不同的h t m l 页面，由嵌入式设备向( 本地) 主机发布设 备状态信息或其它采集到的数据流；( 本地) 主机作为客户端通过w w w 浏览器，既 可以查看设备数掘又可以“上传”对嵌入式网络设备的配置或控制命令，完成各种 灵活、友好的交互功能。 这一方案的关键是如何实现从客户端向服务器端的数据上传。为此会有许多工 作要做：首先，由于受到嵌入式设备软硬件资源的限制，很多在通用机上业已成熟 的做法在此并不一定能够简单地照搬平移过来；再有，嵌入式系统的应用程序必须 是量身定制的，换句话说，嵌入式系统应用程序的开发、调试紧密依赖于其运行的 环境开发过程中的方式、方法，实验过程中的步骤、次序都应该认真谋划、分析、 总结，这不仅对开发人员的软硬件综合素质有很高的要求，同时又与在通用机上开 发、调试程序的路数不同；最后，在选定嵌入式网络服务的设计方案时还应综合考 虑系统的运行环境，功能、性能指标，安全性、实时性要求等其它限定因素才可实 淹。 综上所述，本课题的目标是：综合考虑嵌入式系统的约束条件的，提出并试验 一种基于嵌入式系统的动态w e b 服务器，实现从客户端向服务器端的数据上传。 这样，不仅使嵌入式设备具有良好的性能和低廉的价格，实现嵌入式设备处于 “无人值守”的远程控制功能，还可避免专门去为各种嵌入式设备编写专用的图形 交互界面。所实现的动态w e b 服务器通用性强，能够在嵌入式平台上高效率地运行； 更主要的是它作为一种手段，实现了本地主机与远程嵌入式设备的控制命令和相关 数据的交互，为深入开发其它嵌入式系统应用提供了一个基础平台和起点，有着广 泛的应用前景。这也正是本课题的意义所在。 1 2 2 课题的主要内容 本文选题紧紧扣住嵌入式系统( 技术) 的发展热点，有代表性地选择一款流行 的、基于3 2 位r i s c 技术内核的嵌入式微处理器芯片( a r m 7 t d m i $ 3 c 4 5 1 0 b ) 作为 研究和实践的硬件平台；有代表性地选择己引起广泛关注的u c l i n u x 嵌入式操作系 统作为研究和实践的软件平台：有代表性地选择嵌入式i n t e r n e t 技术作为研究和 实践的主攻目标，研究分丰斥嵌入式网络通信服务的支持过程和应用开发方法，通过 华北电力人学硕士学何论文 对嵌入式系统三大热点技术的追踪，最终实现一个基于u c l i n u x 和a r m 7 t d m i ( $ 3 c 4 5 l o b ) 嵌入式网络通信服务实例。 首先，在第二章中分析了基于a r m 7 t d m i3 2 位r i s c 内核微处理器$ 3 c 5 4 l o b 的 嵌入式硬件系统，并着重强调了网络接口电路的分析和设计。 接着，在第三章中介绍了嵌入式操作系统u c f i u x 。对其交叉编译环境的建立， 程序的丌发步骤、次序等进行论述，并结合所使用的硬件平台完成u c l i n u x 的移植。 第四章侧重于网络、w e b 服务器和c g i 动态网页的工作原理的论述。对于l i n u x 网络编程中用到的s o c k e t 套接字技术也作了相应的说明。 第五章是本文的重点内容，研究并实现了一个基于u c l i t 3 u x 和a r ms 3 c 4 5 1 0 b 的嵌入式动态w e b 服务器的实例。 最后，在第六章对本课题的工作作出回顾和总结，指出了下一步继续努力的方 向。 本章小结 本章是绪论部分，着重介绍了嵌入式系统，并对当今嵌入式技术的发展热点作 了进一步的分析，点明并提出了本文的研究内容和意义。 华北电力大学硕十学位论文 第二章基于$ 3 c 4 5 1 0 b 的硬件系统 2 1 a r m 系列嵌入式微处理器 21 1 嵌入式微处理器核概述 微处理器是嵌入式硬件系统的核心。目前，有许多种流行的嵌入式微处理器内 核，芯片生产厂家一般都基于这些处理器核生产不同型号的芯片，简要介绍如下： 1 m i p s m i p s ( m i c r o p r o c e s s o r w i t h o u ti n t e r l o c k e dp i p e l i n es t a g e s ) 是一种处理器内核标 准，它是由m i p s 技术公司开发的。m i p s 公司是一家设计制造高性能、高档次3 2 6 4 位嵌入式微处理器的厂商，在r i s c 处理器市场中占有重要地位。m i p s 公司始建于 上个世纪8 0 年代初，曾推出了r 2 0 0 0 、r 3 0 0 0 、r 4 0 0 0 、r 8 0 0 0 等微处理器系列， 1 9 9 9 年，m i p s 公司发布了m i p s 3 2 和m i p s 6 4 架构标准，集成了原来所有的m i p s 指令集，增加了许多更强大的功能。 m i p s 的定位很高，在高端和低端市场均有它的产品，被广泛应用在便携式计算 系统、数字消费产品、工业控制等领域。 2 p o w e r p c p o w e r p c 架构的特点是可伸缩性好，方便灵活。p o w e r p c 处理器品种很多，既 有通用的处理器，又有嵌入式控制器和内核，应用范围非常广泛，从高端的工作站、 服务器到桌面计算机系统，从消费类电子产品到大型通信设备等各个方面。 目前，p o w e r p c 通用微处理器和嵌入式微处理器的主频从2 5 m h z 一7 0 0 m h z 不 等，它们的能量消耗、整合程度、价格差异悬殊。 3 x 8 6 x 8 6 起源于i n t e l 架构的8 0 8 0 ，是当前通用计算机上的主流c p u 。同时i n t e l 公 司也推出了基于x 8 6 系列产品的嵌入式微处理器芯片，主要有以下几个系列：i 9 6 0 系列、嵌入式3 8 6 4 8 6 系列，以及最新推出的基于s t r o n g a r m 核的s a l l 0 、s a l l 0 0 、 s a l l l 0 系列和2 0 0 2 年推出的x s c a l e 系列等。 其中s a l l l 0 功能极其强大，已经把液晶控制器、外设接口( u s b 、i r d a 、u a r t 、 p c m c i a ) 、音频解码器c d e c 等部件模块和c p u 集成到了同一个芯片内，可以方便 地嵌入到各神掌上设备；x s c a l e 核心是s t r o n g a r m 的改进产品，也是i n t e l 公司下 一代s t r o n g a r m 芯片发展的基础。 7 1 华北叱力人学硕十学位论文 2 12a r m 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，是目前最成功的处理器内核提供商，主要出 售芯片设计技术的授权。目前，采用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理器，即我 们通常所说的a r m 微处理器，己遍及工业控制、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约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 j 以上的市场份额，a r m 技术f 在逐步渗入到我们生活的各个方面。 a r m 公司是专门从事基于r i s c 技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商， 它本身并不直接从事芯片生产，而是靠转让设计许可幽合作公司生产各具特色的芯 片；世界各大半导体生产商从a r m 公司购买其设计的a r m 微处理器核，根据各自不 同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的a r m 微处理器芯片进入市场。 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，因此既使得a r m 技 术获得了更多的第三- 方工具、制造和软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品 更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。 到目前为止，a r m 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域： 1 工业控制领域 作为3 2 的r i s c 架构，基于a r m 核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市 场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，a r m 微控制器的 低功耗、高性价比，向传统的8 位1 6 位微控制器提出了挑战。 2 无线通讯领域 目前已有超过8 5 的无线通讯设备采用了a r m 技术，a r m 以其高性能和低成本、 低功耗，在该领域的地位日益巩固。 3 网络应用 随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l 芯片正逐步获得竞争优势。此外， a r m 在语音及视频处理上行了优化，也获得广泛支持，对d s p 的应用领域提出了挑 战。 4 消费类电子产品 a 胁技术在目| j 流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。 j 成像和安全产品 现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用a r m 技术。手机中的3 2 位s i m 智能卡也采用了a r m 技术。 除此以外，a r m 微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取得更 加广泛的应用。”。 r 华北电力人学硕十学位论文 2 1 3 a r m 系列嵌入式微处理器的特点 采用r i s c 架构的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 支持t h u m b ( 1 6 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 亏速度更快； 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； 相对于同时代的其它嵌入式处理器，a r m 处理器能兼顾到高性能、低功耗、低 价格等诸多优势。 2 1 4 a r m 7 t d m i 内核 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 l o e 、s e c u r c o r e 、i f i t e r 的 s t r o n g a r m 系列和i n t e r 的x s c a e 系列等几大系列，以及其它厂商基于a r m 体系结 构的处理器。它们除了具有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 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链来满足不同应用领域的需求。例 如s e c u r c o r e 系列就是专门为有较高安全性要求的应用而设计的。 a r m 7 是一种小型高性能、低功耗3 2 位r i s c 处理器内核，最初是为便携式通信 设备开发的，适用于对价位和功耗要求敏感的消费类应用。a r m 7 微处理器系列具有 如下特点； 具有嵌入式i c e r t 逻辑，调试开发方便。 极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品。 能够提供三级流水线结构。 代码密度高并兼容1 6 位的t h u m b 指令集。 对操作系统的支持广泛，包括g i n d o w sc e 、l i f l u x 、u c - o s i i 、p a l mo s 等； 夺指令系统与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。 主频最高可达1 3 0 m h z ，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用。 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 r n 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 系列微处理器又可细分为如下几种类型的内核：a r m 7 t d m i 、a r 1 7 t d m i s 、 a r m 7 2 0 t 、a r m 7 e j 。其中，a r m 7 t 、t d t 作为低端a r m 处理器核，是a r m 微处理器中的 华北电力人学硕十学能论文 经典产品，也是目前使用最广泛、授权许可最多的3 2 位嵌入式r i s c 处理器，它把 a r m 7 的指令系统与t h u m b l 6 位精简指令集相结合，减少了存储器的容量，有着卓越 的代码效率，使得利用1 6 位宽度的存储器就可达到3 2 位存储器才有的效率。 其中标识符t d m i 的基本含义为： 夺t ：支持1 6 位压缩指令集t h u m b ，使内核可从1 6 位指令集扩充到3 2 位a r m 指令集； 夺d ：支持片上d e b u g ，该内核中放置了用于调试的结构，通常它为一个边界 扫描连j t a g ，可使c p u 进入调试模式，从而方便地进行断点设置、单步调试； 冷m ：内嵌8 位硬件乘法器) u h i d l i e r ； 夺i ：嵌入式i c e ( e m b e d d e di c el o g i e ) ，支持片上断点和调试点。 a r m 9 具有五级流水线，在同样的工艺条件下，它的性能是a r m 7 t d m i 的两倍以 上，典型应用是网络通信和机顶盒市场。a r m l 0 具有比a r m 9 更高的性能，有六级流 水线、哈佛结构总线，它的性能又几乎是a r m 9 的两倍以上，主要应用于下一代手 持通信产品、多媒体和数码电子消费类产品。 2 1 5 a p d v l 系列微处理器的选型分析 鉴于a r m 微处理器的众多优点，随着国内外嵌入式应用领域的逐步发展，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，所以，对a r m 芯片做一些对比研究是十分必要的。 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间，就需要选择a r m 7 2 0 t 以 上带有m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ，内存管理单元) 功能的a r m 芯片，a r m 7 2 0 t 、 a r m 0 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 、a r m 9 4 6 t 、s t r o n g a r m 都带有m m u 功能。而a r m 7 t b m i 则没有 m m u ，不支持w i n d o w sc e 和标准l i n u x ，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 r m 7 t 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，并在稳定性和其他方面都有上佳表现。 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0 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 h z 1 3 3 m h z ，a r m 9 系列微处理器的典型处理速度为1 1 m i p s m h z ，常见的a r m 9 的系统主时钟频率为l o o m h z 一2 3 3 m h z ，a r m i o 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 华北电力人学硕士学位论文 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。 3 ：苍片内存储器的容量 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，如a t m e l 的a t 9 1 f 4 0 1 6 2 就具有高达2 m b 的片内程序存储空间，开发人员在设计时可考虑选用这种类型，以 简化系统的设计。 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，我们称之为片内外围电路，如u s b 接口、 i i c 接口、l c d 控制器、键盘接口、r t c 、a d c 和d a c 、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，同时提高系统的可靠性。“ 2 2 s 3 0 4 5 1 0 b 体系结构 22 1 s 3 6 4 5 1 0 b 及其片内外围模块介绍 s a m s u n g 公司的$ 3 c 4 5 1 0 b 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 肼公司设计的】6 3 2 位a r m t t d m ir i s c 处理器核，a r m t t d m i 为低功耗、高性能的1 6 3 2 核，最适合用于对价格及功耗敏感的应用场合。 除了a r m 7 t d m i 核以外，$ 3 c 4 5 1 0 b 比较重要的片内外围功能模块包括： 夺2 个带缓冲描述符( b u f f e rd e s c r i p t o r ) 的h d l c 通道 夺2 个u a r t 通道 夺2 个g d m a 通道 夺2 个3 2 位定时器 夺1 8 个可编程的i 0 口 夺片内的逻辑控制电路包括： 中断控制器 d r a m s d r a 控制器 r o m s r a m 和f l a s h 控制器 系统管理器 夺1 个内部3 2 位系统总线仲裁器 华北电力人学硕十学位论文 夺l 卜外部存储器控制器。 一田 厂磊i 一 兰! 兰 l 喳一二塑：卜 固 因 卜网 f 习- 髫撒r 阐 二：jp c 卜 - + j 2 期嚣。 _ l 譬争。| ；黼爹一 m m ni 整榭台一 lc “t # 、l 十 2f r t ：r f 嚣o 霹苇；1 -叫罂l r l 月f j t “n t “4l 图2 1 $ 3 c 4 5 1 0 b 结构图 2 2 ，2 $ 3 c 4 5 1 0 b 微处理器内核 $ 3 c 4 5 1 0 b 的内核是由a r m 公司设计的通用3 2 位a r m 7 t d m i 微处理器核，整个内 核架构基于r i s c 规则。与c i s c 系统相比较，r t s c 架构的指令集和相关的译码电路 更简洁高效。 1 指令集 a r m 7 t d m t 处理器区别于其他a r m 7 处理器的一个重要特征是其独有的称之为 t h u m b 的架构策略。该策略为基本a r m 架构的扩展，由3 6 种基于标准3 2 位a r m 指 令集、但重新采用1 6 位宽度优化编码的指令格式构成。由于t h u m b 指令的宽度只 为a r m 指令的一半，因此能获得非常高的代码密度。当t h u m b 指令被执行时，其1 6 位的操作码被处理器解码为等效的3 2 位标准a r m 指令，然后a r m 处理器核就如同 执行3 2 位的标准a r m 指令一样执行1 6 位的t h u m b 指令。也就是说t h u m b 架构为1 6 位的系统提供了一条获得3 2 位性能的途径。 a r m 7 t d m i 内核既能执行3 2 位的a r m 指令集，又能执行1 6 位的t h u m b 指令集， 因此允许用户咀子程序段为单位，在同一个地址空间使用t h u m b 指令集和a r m 指令 集混合编程，采用这种方式，用户可以在代码大小和系统性能上进行权衡，从而为 1 2 华北电力人学硕十学何论文 特定的应用系统找到一个最佳的编程解决方案。 夺3 2 位的a r m 指令集由1 3 种基本的指令类型组成，可再细分为如下的四大类： 4 种分支指令：用于控制程序的执行流程、指令的特权等级以及在a r m 代码与t h u m b 代码之间进行切换。 3 种数据处理指令：用于操作片上的a l e 、桶型移位器、乘法器以完成 在3 1 个3 2 位的通用寄存器之间的高速数据处理。 3 种加载存储指令用于控制在存储器和寄存器之间的数据传输。其中一 种为方便寻址进行了优化；另一种用于快速的上下文切换；第三种用于 数据交换。 3 种协处理器指令用于控制外部的协处理器，这些指令以开放、统一的 方式扩展用于片外功能指令集。 几乎所有的3 2 位a r m 指令都可以条件执行。 夺1 6 位的t h u m b 指令集为3 2 位a r m 指令集的扩展，共包含3 6 种指令格式；4 种分支指令、1 2 种数据处理指令( 为标准a r m 数据处理指令的一个子集) 、8 种加 载存储寄存器指令、4 种加载存储乘法指令。在同一种处理模式下，每一条l d 位 的t h u m b 指令都有对应的3 2 位a r m 指令。 2 工作状态转换 a r m t t d m i 内核支持两种工作状态，可通过软件或异常处理在这两种工作状态间 切换，这两种工作状态是； 夺a r m 状态：此时执行3 2 位字对齐的a r m 指令。 冷t h u m b 状态：此时执行1 6 位半字对齐的t h u m b 指令。 3 a r m 7 t d m i 内核支持7 种操作模式 用户模式：正常的程序执行状态。 夺f i q ( f a s ti n t e r r u p tr e q u e s t ) 模式：用于支持特殊的数据传送与通道处理。 夺i r q ( i n t e r r u p tr e q u e s t ) 模式：用于通用的中断处理。 夺管理模式：- f 十用于操作系统的保护模式。 夺中止模式；当数据或指令预取中止时进入该模式。 冷系统模式：种用于操作系统的特权用户模式。 夺未定义模式：当执行了未定义指令时进入该模式。 可用软件控制操作模式的切换，同时外部的中断和异常处理也会导致操作模式 的切换。绝大多数的用户应用程序运行在用户模式。当系统响应中断或异常、或访 问受保护的系统资源时，处理器会进入特权模式( 除用户模式以外的所有模式) 。 4 寄存器 s 3 c 4 5 1 0 b 内建3 7 个3 2 位的寄存器。其中有3 1 个通用寄存器，6 个状态寄存 器。但并不是所有的寄存器都能总是被访问到。在某一时刻寄存器能否被访问，出 1 - i l 电力人学硕十学位论文 处理器的当前工作状态和操作模式决定。 圈2 2a r m 状态下的寄存器组织 墅2 , 3t h u m b 状态下的寄存器组织 根据微处理器内核的当前工作状态，可分别访问a r ) , i 状态寄存器集和t h u m b 状 态寄存器集： 夺a r m 状念寄存器集包含1 6 个可以直接访问躬寄存器：r o r 1 5 。除r 15 以外， 其余的寄存器为通用寄存器，可用于存放地址或数据值。另外一个( 第1 7 个) 寄 存器是当前程序状念寄存器c p s r ，用于保存状态信息。 华北电力人学硕+ 学位论文 夺t h u m b 状态寄存器集是a r m 状态寄存器集的一个子集。可以访问的寄存器有： 8 个通用寄存器r o r 7 ，程序计数器p c 、堆栈指针寄存器s p 、连接寄存器l r 和当 前程序状态寄存器c p s r 。 夺t h u m b 状态下的寄存器组织与a r m 状态下的寄存器组织的关系： t h u m b 状态下和a r m 状态下的r o r 7 是相同的。 t h u m b 状态下和a r m 状态下的c p s r 和所有的s p s r 是相同的。 t h u m b 状念下的s p 对应于a r m 状态下的r 13 。 t h u m b 状念下的l r 对应于a r m 状态下的r 1 4 。 t h u m b 状态下的程序计数器对应于a r m 状态下r 1 5 在每一种特权模式下，都有对应的分组堆栈指针寄存器s p 、连接寄存器l r 和 备份的程序状态寄存器s p s r 。 j 异常 当正常的程序执行流程被中断时，称为产生了异常。例如程序执行转向响应一 个外设的中断请求。在优先处理异常时，处理器的当前状态必须保留，以便在异常 处理完成之后程序流程能正常返回。并且，多个异常可能会同时发生。为处理异常， $ 3 c 4 5 1 0 b 使用内核的分组寄存器来保存当前状态，原来的p c 值和c p s r 的内容被拷 贝到对应的r 1 4 ( l r ) 和s p s r 寄存器中，p c 和c p s r 中的模式位被调整到相应被处 理的异常类型的值。$ 3 c 4 5 1 0 b 的内核支持7 种类型的异