（测试计量技术及仪器专业论文）基于嵌入式系统的web+server的研究和实现.pdf

摘要 随着网络技术和半导体技术的高速发展，嵌入式设备的网络互联已经成为必 然的发展趋势。这两个领域的结合给人们的生活带来了极大的变革，使得基于嵌 入式系统的应用范围更加广泛。越来越多的嵌入式系统选择w 曲服务器的方式 和i n t e r n e t 网络进行数据的交互，因此研究基于嵌入式系统的高性能的w e b 服务 器将有着广泛的应用前景。 本课题是在基于s e p 3 2 0 3 微处理器( a r m 内核) 平台的g e 0 l m bl i t e 开发 板上，设计和实现了一种以太网嵌入式w 曲服务器。本论文研究工作包括：深 入研究s e p 3 2 0 3 处理器的硬件体系构架，在基于g e 0 1 m bl i t e 开发板以s e p 3 2 0 3 微处理器为核心的平台上实现p c o s i i 操作系统移植，n o r f l a s h 驱动和 a s i x 文件系统的实现，8 0 1 9 a s 网络接口模块的底层驱动实现，l w i p 协议栈的 移植，以及h t t p 协议的实现等。 在受限资源的基础上实现基于a r m 的嵌入式w e b 服务器，实现嵌入式技术 和i n t e m e t 技术有效结合，能够有效降低了成本，并为今后系统的扩展，实现工 业现场嵌入式设备网络互联，以及为远程监视、控制、诊断等功能提供了基础的 技术支持平台。 关键字：a r ms e p 3 2 0 3 微处理器 肛c o s - i i l w i p t h er e s e a r c 珏a n dd e v e l o p e m e n to fw e b s e r 医r b a s e do ne m b e d e d s y s t e a 1 6 i s t l a c t w 浊龇印辽d e 姥l 印嫩 癌o f 班畋辩谢s e 越耐城惠o 她l 蟛，酗减e dd e 落潞 蛐戚c 撕o n 姒也m e t 砌c hl l a sb e c o m ec e 砌扭d c v e 姊堍骶n d i th n g h m o v a t i o nt o p e o p l e l i v e s 谢mc o m b m a t i o no ft h et w 0d o m 曲1 s ，a n dn l a l ( e s 吐屺s c o p eo fa p p l i c a t i o ni n o r e 眦础i o nb a s 酣m ee 瑚l b e ds y 咖m w i m 血ei n 腓a s 她o fe m b e d e ds y s t e 必砌c h s e l e c tm e w a yo f 拜w 曲s 溯t oi n t e m e t 拜c 0 彻【i l 猢i 酬。珏t o 的n s a c t 西u s ，rh a s 融陆c r 嬲p e c tt o 鲰l d y 撼醢秘翩勰c e 谳觥掂s 醐硒m 嚣撵蝴如蛾c e s 俄sp 印e fd e s c f i b e se 列，e d 蝴d e v i c 豁b a s e do na r m 曲i p ，d c s i g l l saw e b 姗fw 场c h h 吲l0 n3 2 b “p r ( 脱豁o r a n di n t r o d u a 蜷g e o1m 鹏l 沁 e m p o l d e rb o 莉 b a s e do n s e p 3 2 0 3 “c r o p r o c e s s o r b a s e do nd e e p i yr e s e a r c hs e p 3 2 0 3 戚c r o p r o c e s s o r 姗眦es y 姗 姗u c n 聪，t h i sp 印e r 啦s or e s e a r c hk l u d e si 瑚【p l e m e n tl lc 幻s 一珏s y 呶髓m i g r a t i o nb a s 甜o n g 鼬l m b 毛i l e 锄p o l 如f 弱蕊诚氇s 琵3 2 0 3 戚e p 麴澈：s s o f 、n o 痊l a 盎蕊v e 、a s 曩l e s y s 搬n 、8 0 l9 a sn 蜣锹) _ 呔诬量e 峨酗擞o d 豳d r 主v e 、l w 王pp 她幻c o ls 蚀km i 嚣a 钯a 以h h p p r o t o c o le t c b a s e do n i h l p l e m e n t m ge m b e d e dw 曲s e r v e r 埘t ha r m ，t h e ne l n b e d c dh l t e m e t 拙6 融l o l o g yi sc o m et r i 瓣o nl i l m 锄陀s o w c e ，i t 脚u c e 也ec 0 s te 箍c i e n c y ，a l l di tp r o 访如t h eb 嬲a l 钕磷e 龌s w 塑d 矗纛a 圭勤r 舒觎d 速gs y 懿e 懿、弧巾l 锄熏穗堍e 趣嘲甜曲v i e e s 鞠潮氆i c 越i o 藏证a 辙蠹嫩、愆趣。绝w a 垂c 撼珏g 、c o 珏乏鳓l 、d i a 罂l o s ea l l ds oo 觳 1 ( e y w o r d s ：a r ms e p 3 2 0 3 m i c r o p 妁c e s s 甜 s l w 护 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作 所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者( 本人签名) ： 李佑 膨月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版( 中国科学技术 信息研究所；国家图书馆等) ，允许论文被查阅和借阅。本人授权南京林业大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以汇编和综合 为学校的科技成果，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密叮 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者( 本人签名) ：巷侈，陴6 月日 指导教师( 本人签名) ：记眸矽护旷年占 月日 致谢 在论文完成之际，我首先要向我的导师张浩平副教授表示衷心的感谢。从 2 0 0 5 年进入南京林业大学读研以来，我从张老师身上学到了很多的做人做事的 道理，同时也学到了很多专业知识，论文从选题、设计、撰写到定稿的过程中， 张老师都给予我及时的指导和点拨，使我把握住研究的主方向。 这三年来的学习对我来说是十分重要的，我的成长离不开张老师的支持、 关心和培养，再次感谢张老师! 衷心感谢信息学院刘云飞院长，封维忠副教授以及信息学院其他老师对我 的关心和培养。感谢他们在学习和生活上给我的帮助，他们的教导使我成长很快。 衷心感谢我的伯伯洪鹤桂、伯母杨晖在我从大学到研究生期间一直无私关 心、支持和帮助，衷心感谢他们对我的培养和教导，使我不断进步和成长! 同时我要感谢师弟范君，在我的论文撰写的过程中给与了我极大的帮助和 支持。 衷心感谢我在读研期间实习的单位联创科技( 南京) 有限公司i t 服务部的经 理徐晓公的帮助、衷心感谢i t 服务部资深网络工程师周镶玉、朱敏晓、周雨情、 方正、刘健的大力帮助、衷心感谢i t 服务部c c i e 张冬培的帮助、感谢联创安 全产品部经理吴冬的帮助、感谢i t 服务部苏正雷和陈文祥的帮助。 再次感谢师弟给于我的帮助，感谢家人以及同宿舍舍友的支持和关心。 再次对帮助我的人表示深深的谢意! 李伟 2 0 0 8 年6 月 l ：l论文背景 l 。重。主嵌入式系统的发展 第一章绪论 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 取得了更加迅猛的发展，各种装备与设备上的嵌入式系统在航天、航空、交通、 网络、电子、逶讯、金融、智能电器、智能建筑、仪器仪表、工业自动控制、数 控机床、掌上型电脑、各种智能i c 卡，第二代身份证验证、公共交通收费系统、 医药系统以及军事等领域得到广泛应用。 嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁 剪、适应应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗、电磁兼容等方面严格 要求的专用计算机系统j 。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。 1 1 2 嵌入式鬻e b 系统的发展 随着后p c 机时代的到来，引发了嵌入式电子信息产晶的产生，部分原来由 p e 实现的功能逐步由嵌入式产晶丽替代，如m p 3 愆，弘d ，数码相机等电子产 品的实现。随着互联网的成熟和发展，单一的信息节点不再满足于充当信息孤岛 的角色，而是需要和网络的其他节点相互联系实现信息数据的实时交互。因此， 嵌入式技术和i n t e m e t 技术的结合是当今嵌入式技术的发展趋势e 引。 信息电子技术的发展为嵌入式薹藏乏e f n e t 技术提供空闻，如面向l 技乏e f 毂e t 的信 息冰箱。这种信息电子技术的特点就是价格低廉、软件功能强大、全面支持 i n t e r n e t 访问、软件可通过网络升级、有效保护用户投资。嵌入式系统可以通过 各种无线形式( 如w | a 薹、b l u e t o o 也等) 和有线形式( t c p ，l p 、p p p 等) 的网络 连接方式实现它们之间的相互连接，因此，在网络逶信市场上极具生命力。随着 w 曲技术的发展，几乎改变了传统的信息表达形式，使得很多应用都是基于w 曲 技术的。而由于h t m l 语言的标准统一性，只要在嵌入式设备中有一个微型服 务器，就可以使用任意一种w 曲测览器接收和发送信息p l 。 嵌入式w 曲系统和传统的基予服务器的眠b 系统相比较而言有着以下的优 势：功耗低、体积小、性能高、成本低廉、可便携、易于布置实施等，在任务响 应实时性强、系统可靠性高、特殊应用环境场合如防水防爆要求等领域中比传统 的p c 辊服务器更具优势。 通过i n t e r n e t 互联网的功能，嵌入式w 曲系统可l 以和下位机的信息节点之问 实现智能化数据收集，并为上位机提供友好的访问界面。对于实现互联网功能的 嵌入式w e b 系统应用可以带来诸多优势：可以从全球任何位置通过互联矮实现 对下位机信息节点的监控，数据采集和系统控制；利用w e b 浏览器的通用性， 使用普通的p c 设备即可获取信息节点的数据，通过数据、表格、图片等多种形 式呈现给用户，丽用户端亦不需要专门的软件和设备”l 。 3 2 位a r 醚处理器大规模应用以前，嵌入式w e b 系统的实现是基于有限内 存资源的8 位或1 6 位系统，对应的芯片功能也有限，如p h a r l a p 公司的m i c r o w 曲、 a g r a n a t s y s t e m s 公司的e m w 曲。而随着a r m 微处理器的应用推广，嵌入式w e b 系统转向都采用了3 2 位的a r m 处理器。 1 1 3 论文中采用的软硬件技术背景 目前的国产的嵌入式微处理器逐步成熟，东南大学国家a s i c 巾心自主研发 的s e p 3 2 0 3 嵌入式徽处理器是1 6 3 2 位r 差s c 徽控制器，采用a r 醚7 t d m l 杰核， 面向低成本手持设备和其他通用嵌入式设备，为用户提供了面向移动终端应用的 丰富外设、低功耗管理和低成本的外存配置。 随着软件的代码质量要求高的提高和应用的复杂性，采用嵌入式实时操作系 统( 对o s ) 作为软件开发平台已经成为趋势。实对操作系统( 料o s 之一的 i c o s i i 在嵌入式系统的应用上适合小型控制系统，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，其特点可以概括为以下几个方面：公开 源代码，代码结构清晰，注释详尽，组织有条理，可移植性好，可裁剪，可固化。 鼙c 船s 1 l 内核属予抢占式，最多可以管理6 0 个任务。 l w i p 是开源f c p i p 协议栈的实现，该协议栈主要关注的是怎么样减少内存 的使用以及代码的大小，以使得l w i p 适用于资源有限的嵌入式系统平台。作为 轻量级盼协议栈，乞w l p 对a p 薹进行了裁减，简化了处理过程和内存要求，避免 不必要的数据包的复制。l w l p 支持多网络接口的l p 转发，对i c m p 、t c p 及u d p 、 p p p 协议支持，以及支持d h c p 实现动态分配i p 地址等1 5 l 。 重。2论文的主要工作和意义 本论文研究工作是基于南京博芯电子技术有限公司的g e o l m bl i t e 开发板， 该开发板是一个基予s e p 3 2 0 3 微处理器乎台。 在深入研究s 毯p 3 2 0 3 处理器的硬件体系构架基础生，本论文研究工作包括： 基于s e p 3 2 0 3 微处理器平台的肛c o s i i 操作系统移植，g e 0 1 m bl i t e 开发板 n o r f l a s h 驱动和a s i x 文件系统的实现，8 0 1 9 a s 网络接口模块的底层驱动实现， l w 至p 协议栈的移攮，以及h t 善p 协议的实现嘲。 如图1 1 所示，在嵌入式w 曲s e r v e r 的软硬件的整体框架图中，p c ，o s l l 2 操作系统接管底层的中断，接收来自开发板硬件平台的中断，识别中断源并调用 相关的硬件驱动完成中断处理。客户机及w 曲s e r v e r 需要访问的网页等信息存 放在n o r f l a s h 存储器中，和客户机的通信的接口是借助8 0 1 9 a s 硬件实现，因此 需要在嵌入式w e bs e r v e r 中实现的n o r f l a s h 驱动和8 0 1 9 a s 驱动。而w e bs e r v e r 是根据于客户机提交来的文件名信息，在n o r f l a s h 存储系统中进行文件名检索 并将检索结果反馈给客户机，这样需要借助文件系统来实现对w e b 文件进行统 一的管理，用以控制数据文件的存取。而w e bs e r v e r 和客户机之间的通信协议 则是通过移植l w i p 协议实现的，h t t p 协议则根据h t t p 的协议标准实现。 软件 硬件 其他应用软件代码 h r t p 协议 j tj ri r 。：，、n c t t1 d a s 文件系统l l w 口协议栈 l d 其他接口驱动n 。r f l 舔h 驱动i 8 0 1 9 a s 底层驱动 介介介介 uuuu g e o l m bl 妇目标开发板 其他硬件接口 n 。r f i a s h 存储剖 8 0 1 9 a s 硬件接口 ， 图1 1 嵌入式w e bs e r v e r 的软硬件的整体框架图 l 设备 _ g e o l 邸一l it e l 传感器l 8 0 1 9 a s 嵌入式乳bs e r v e r 图卜2 嵌入式w e bs e r v e r 的系统框架图 嵌入式w e bs e r v e r 可以通过交叉网线与p c 机的网卡直接相连，或通过直 通网线与局域网交换机或h u b 相连。嵌入式w e bs e r v e r 的以太网接口模块在 8 0 1 9 a s 的控制下进行以太网数据包的收发，完成与局域网内的其他网络设备的 通讯。在运行于g e 0 1 m b l i t e 平台的l w i p 协议的基础上，借助应用层构建的 h t t p 服务器协议，实现w e b 服务器的功能，并向局域网提供网络浏览服务。如 图卜2 所示【。 今后，通过这个平台可以在g e 0 1 m b l i t e 平台的g p i o 端口，将设备、传感器 通过嵌入式w e bs e r v e r ，连接到i n t e r n e t i n t r a n e t ，实现对这些设备和系统的数据 实时访问、监控。嵌入式w e bs e r v e r 提供的以h t m l 网页为基础的数据信息则 可通过标准浏览器查看。 论文具体研究工作包括： 3 分析s e p 3 2 0 3 处理器体系结构相关的底层代码，根据w 曲系统的需求， 对开发板提供的底层驱动进行剪裁和配置，构建并配置需要使用的相关 的功能模块。 研究与实现s e p 3 2 0 3 平台上的弘c o s i i 操作系统的移植，实现肛c o s i i 对中断和n o r f l a s h 驱动和a s i x 文件系统的支持，以支持基本的w e b 文 件的创建和读取。 研究并实现i 盯l 8 0 1 9 a s 网络接口设备驱动工作流程，并实现p c o s i i 对i 汀l 8 0 1 9 a s 网卡驱动的支持。 研究并实现s e p 3 2 0 3 平台上的l w i p 协议栈的移植，实现l w i p 和底层 8 0 1 9 a s 硬件驱动的衔接。 研究与实现h t t p 协议构建最终的嵌入式w e b 服务器平台，实现对l w i p 协议栈的调用，并能够通过p c 机的普通浏览器访问该w 曲平台存储于 n o r f l a s h 中的网页。 1 3论文的结构 本论文共分七章。 第一章介绍了嵌入式系统和嵌入式w e b 系统的发展，以及本论文所做的工 作和意义。 第二章对整个系统进行了简要的介绍，包括硬件平台s e p 3 2 0 3 的体系结构、 a r m 核的特性、g e 0 l m bl i t e 开发板特性和a d s 开发平台的说明。 第三章介绍“c o s i i 移植的主要工作：包括“c o s i i 的特性和结构分析， “c o s i i 的内核分析，以及p c o s i i 具体的移植工作。 第四章介绍n o r f l a s h 的工作原理以及相关驱动的实现，文件系统原理及 a s i x 文件系统的实现。 第四章介绍8 0 19 a s 的工作原理以及相关驱动的实现。 第五章介绍l w i p 网络协议栈的原理和移植工作，并对i p 层、t c p 层的处 理流程进行分析，并给出应用层中的h t t p 协议的实现。 第七章对本论文工作的总结和展望。 4 第二章硬件开发平台和开发环境 2 1 s e p 3 2 0 3 嵌入式微处理器 s e p 3 2 0 3 移动终端应用处理器是由东南大学国家专用集成电路系统工程技 术研究中心设计的1 6 3 2 位面向低成本手持设备和其它通用嵌入式设备的r i s c 微控制器。它为用户提供了面向移动终端应用的丰富外设，低功耗管理和低成本 的外存配置。s e p 3 2 0 3 采用a r m 7 t d m i 作为处理器内核，a m b a 2 o 总线构架， 0 2 5 微米c m o s 标准制作工艺【引。 2 1 1a r m 内核 a r m 即a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写，a r m 公司是1 9 9 0 年成立的设计 公司。a r m 公司是知识产权( i p ) 供应商，a r m 公司本身不生产芯片，靠转让 设计许可，由合作伙伴公司来生产各具特色的芯片。a r m 体系结构采用了若干 伯克利r i s c 设计中的特征，基于精简指令集计算机( r i s c ) 原理，指令集和相 关译码机制较为简单。目前a r m 公司的产品系列有：a r m 7 、a r m 9 、a r m l 0 、 a r m l l 等，并还在不断的推出新的产品系列。a r m 7 t d m i ( s ) 是a r m 7 的基础 上的改进版本，它是一种低功耗的3 2 位r i s c 微处理器核。其简单和全静态设 计的特点尤其适合于对价格和功耗敏感的应用产品，广泛应用于各类消费、汽车 电子、工业控制等产品中。a r m 7 t d m i 除了拥有a r m 7 的3 2 位集成芯片的基 本特色外，它还有如下特点【9 】： 支持t h u m b l 6 位压缩指令集； 支持d e b u g 功能，使处理器能够暂停，以响应一个d e b u g 请求； 具有m u l t i p l i e r ( 硬件乘法器) ，执行功能更强大，可以产生6 4 位的数据结 果； 内嵌硬件i c e ，支持b i 也a k p o i n t 和w a t c h p o i n t 。 2 1 1 2 寄存器组介绍 a r m 7 t d m i 处理器含有3 1 个通用的3 2 位寄存器和6 个状态寄存器。一般 情况下，只有1 6 个通用寄存器( r o 至r l5 ) 和1 或2 个状态寄存器对于程序员 来说是可见的。寄存器可用于否取决于处理器的模式。除了r 0 r 7 寄存器是在 各种模式下相同的，其他的寄存器可能在不同的模式中各不相同。 5 2 1 1 3 流水线设计 a r m 7 t d m i 采用一种3 段指令流水流，如图2 1 所示： l 取指译码执行 l 取指译码 执行 取指译码执行 读取：从存储器中取出指令并放进指令流。 译码：指令译码，数据控制信号将准备下一个周期这一阶段。指令拥有译 码逻辑，但不拥有数据路径。 执行：指令拥有数据路径；读取寄存器组：一个操作数被移位，a l u 产生的 结果被写回目标寄存器。 图2 1a r m 7 三级流水线 2 1 1 4 模式及异常处理 a r m 7 具有6 种工作模式，如表2 1 所示，各模式间的区别和切换是通过设 置c p s r 寄存器的m 【4 ：0 】域来完成的。 表2 1a r m 7 的工作模式 舅f 雾? 操作模式辆樊i ? 薹7 。m 1 4 ：0 l 篓0 毒一褰，i 奠为挚述- 冀：二? ，蓄：毫纛 囊，、操作模式种类o ：。 用户模式( u s e rm o d e ) 1 0 0 0 0 正常执行模式 快速中断模式( f i qm o d e ) 1 0 0 0 l 响应快速中断请求的模式 中断模式 ( i r qm o d e ) l o o l o 响应一般中断请求的模式 管理模式( s u p e r v i s o rm o d e ) 1 0 0 1 1操作系统的保护模式 发生数据存取拒绝与指令实现读取拒绝的模 中止模式( a b o r tm o d e ) 1 0 l l l 式 未定义模式( u n d e n n e d l l o l l 执行某些未定义的指令的模式 m o d e ) a r m 7 通过使用寄存器组保存状态来处理异常。原有的p c 和c p s r 值拷贝 到适当的r 1 4 和s p s r ，并且将p c 和c p s r 中的模式位强制设定为异常的特定 值。中断禁止位设置1 ，以防止异常的嵌套。为了重新进入中断处理程序，在重 新使能中断之前，r 1 4 和s p s r 应该被保存在主存中的一个堆栈中【1 0 l 。当多个异 常同时产生时，须根据优先级由高至低执行。各异常的优先级由高到低的顺序是： ( 1 ) r e s e t ( h i g h e s tp r i o “t y ) 6 ( 2 ) d a t aa b o r t ( 3 ) f i q ( 4 ) i r q ( 5 ) p r e f e t c ha b o r p t ( 6 ) u n d e 仃n e di n s t r u c t i o n ， ( 7 ) s o f t w a r ei n t e r r u p t ( 1 0 w e s tp r i o r i t y ) 由于a r m 7 在处理异常情况的时候有很多硬件完成的工作，而这些操作会 直接影响到操作系统内核的调度，所以接下来将把各种异常情况的硬件处理做一 个介绍。 r e s e t 当n r e s e t 引脚处于低电位时，a r m 7 将会立即取消正在执行的指令。紧接 着去读取目前的程序计数器值加4 的地址内所储存的指令。而当为高时，将执行 如下步骤： 将目前的程序计数器( p c ) 内值拷贝到r 1 4s v c 中去。 将目前的c p s r 内值拷贝到s p s rs v c 中去。 操作模式进入管理模式。将m 【4 ：o 】填成“l 0 0 1 1 ，接着设定c p s r 的i 位与 f 位为“1 ，最后将c p s r 的t 位清除为零。 将p c 的值置为0 x 0 0 。 abort a b o r t 异常表示当前存储器访问不能被执行。例如，在一个虚拟存储器系统 中，响应当前地址的数据可能已经被移到硬盘上，这样情况下会导致产生一个 a b o n 信号通知c p u 进出a b o r t 异常模式。a r m 7 在存储器访问周期检查是否 有该信号产生，并根据该异常发生时c p u 所处的状态做不同的处理。如果在一 条预取指令期间发生异常，则称为预取值中止( p r e f e t c ha b o i r t ) 。如果中止在数 据访问期间发生异常，则称为数据中止( d a t aa b o r t ) 。 预取中断或是数据中断产生时，a r m 7 d m i 执行如下操作： 存储中断指令地址加4 ( 预取指中止) 或是加8 ( 数据中止) 的地址到r 1 4a b t 中，存储c p s r 到s p s ra b t 中。 m 【4 ：o 】= 1 0 1 1 l ，设置c p s r 中的i 位。 p c 从0 x o c 地址( 预取指中止) 或是o x l o 地址( 数据中止) 获取下个指令。 为了在检查修改原因之后返回a b o r t ，用s u b sp cr 1 4a b t ，群4 指令( 对预 取中止) 或是s u b sp c r 1 4 一a b t ，撑8 指令( 对数据中止) 获取原来的数据，继续 执行原来代码1 1 1 】。 f i q 快速请求中断在n f i q 输入脚位被外部逻辑拉至低电位时开始响应。f i q 输 入可以接受异步输入，但要延时一个时钟以达到同步，此后才能影响指令的执行。 通过设置c p s r 中的f 位，f i q 可以禁止( 但是这在用户模式是不可能的) 。如 7 果f 位被清除，a r m 7 将在每个指令的结尾检查是否有f i q 中断。 当f i q 检查到时，a r m 7 执行如下操作： 存储下个指令地址加4 的地址放到r 1 4 f i q 中，存储c p s r 放到s p s rf i q 中。 m 4 ：0 】= 1 0 0 0 1 ，设置c p s r 中的f 和i 位。 p c 从o x l c 地址获取下个指令。 用s u b sp c ，r 1 4f i q ，撑4 指令获取原来的数据，继续执行原来代码。 i r q i r q 在n f i q 输入脚位被外部逻辑拉至低电位时开始响应。i r q 比f i q 优先 级更低，通过设置c p s r 中的i 位，i r q 可以禁止( 但是这在用户模式是不可能 的) 。如果i 位被清除，a r m 7 将在每个指令的结尾检查是否有i r q 中断。 当i r q 检查到时，a r m 7 执行如下操作： 存储下个指令地址加4 的地址到r 1 4 f i q 中，存储c p s r 到s p s ri r q 中。 m 【4 ：0 】- 1 0 0 l o ，设置c p s r 中的i 位。 p c 从o x l 8 地址获取下个指令。 用s u b sp c ，r 1 4i r q ，撑4 指令获取原来的数据，继续执行原来代码。 s w i ( 软件中断) s w i 执行时，微处理器将进入管理模式，通常执行如下操作： 存储下个指令地址加4 的地址到r 1 4s v c 中，存储c p s r 到s p s rs v c 中。 m 4 ：o 】_ 1 0 0 1 l ，设置c p s r 中的i 位。 p c 从0 x 0 8 地址获取下个指令。 用m o v sp c ，r 1 4s v c ，群4 指令获取原来的数据，继续执行原来代码。 u n d e n n e di n s t r u c t i o n ( 未定义指令) 当a r m 7 遇到不能处理的指令时，将转到协处理器执行该指令，如果协处 理器正忙，则a r m 7 将等待直到协处理器处于r e a d y 状态或是一个中断产生，如 果没有协处理器能够执行这条指令，a r m 7 将进入未定义指令模式。该模式可以 被用作一个没有协处理器硬件的系统的软件仿真，或是通过软件仿真的方法进行 一般指令集的扩展【1 2 】。 当a r m 7 处理未定义指令异常时，操作如下： 存储下个指令地址加4 的地址到r 1 4 一s v c 中，存储c p s r 到s p s r s v c 中。 m 4 ：0 】- 1 1 0 1 1 ，设置c p s r 中的i 位。 p c 从0 0 4 地址获取下个指令。 用m o v sp c ，r 1 4u n d ，群4 指令获取原来的数据，继续执行原来代码。 2 1 2s e p 3 2 0 3 体系结构 东芯i vs e p 3 2 0 3 f 5 0 ( 简称s e p 3 2 0 3 ) 移动终端应用处理器针对低成本个人移 动终端的应用需求，为用户提供了面向移动终端应用的丰富外设、低功耗管理和 低成本的外存配置。为了适应手持信息终端的多媒体处理需求，s e p 3 2 0 3 处理器 还集成了用于多媒体加速的m m a ( m u l t i m e d i aa c c e l e r a t o r ) 模块和a c 9 7 控制器 用于多媒体音频的解码和录音。 s e p 3 2 0 3 处理器内嵌由英国a r m 公司提供的a r m 7 t d m i 处理器内核，整个芯 片可以运行在7 5 m h z 。集成了支持黑白，灰度，彩色的l c d 控制器；多媒体加速 模块，用于提供多媒体处理定点矢量乘加的计算能力；支持低成本的n a n df 1 a s h 控制器并可从其直接启动；支持多种外存类型：s r a m ，n o rf 1 a s h ，s d r a m ；支持 实时钟( r t c ) ：支持四通道的定时器和两通道的p w m ；支持用于连接触摸屏通讯 的s p i 协议；支持两个u a r t 控制器，其中一个支持红外传输；支持u s b l 1d e v i c e 控制器用于p c 与移动终端之间的高速信息传输；支持m m c s d 卡控制器，用户可以 扩展系统的存储能力和外设功能；支持兼容a c 9 7 协议的控制器，用于音频文件的 播放和录制。s e p 3 2 0 3 处理器内嵌2 0 k b y t e 零等待的静态存储器( s r a m ) ，用于 多媒体处理时的核心代码与数据的存放，用户也可以将操作系统的核心代码或 l c d 帧缓存存放在该处理器中，用于提供更高的性能和更低的能量消耗；6 通道 d m a 控制器，为用户提供了高速的数据传输通道。为了支持低成本的系统方案， s e p 3 2 0 3 支持外部3 2 位1 6 位数据总线，结合a r m 提供的t h u m b 指令集，将大大降 低系统成本和功耗i 考虑到n a n df l a s h 的成本优势，s e p 3 2 0 3 处理器提供专用的 n a n df 1 a s h 控制器，并支持系统直接从n a n df l a s h 启动。s e p 3 2 0 3 处理器采用 l q f p l7 6 封装形式( 针对用户需求，我们还可以提供b g a 封装的版本) 。 s e p 3 2 0 3 处理器具备了以下优越特性： 采用业界标准的a r m 7 t d m i 处理器内核，易于软件系统的开发和调试，并降低 系统功耗。 提供u s bd e v i c e 和删c s d 支持，方便终端产品的数据传输与功能扩展。 提供s d r a m 控制器，提高系统性能同时降低系统成本。 针对低成本移动终端的需求，提供灵活的外部总线宽度配置，支持n a n df l a s h 直接启动。 内嵌多媒体加速器，除c o d e c 外不需要额外硬件支持，为用户提供m p 3 实时播 放和实时录音。 多种功耗管理模式，降低系统功耗。 2 2g e 0 l m b 硬件平台体系结构简介 整体结构 本文研究工作的硬件开发平台是南京博芯电子技术有限公司的 g e 0 1 m b l i t e 开发板，该实验教学系统平台采用的是s e p 3 2 0 3 微处理器，外扩 若干i o 模块的。 9 g e 0 l m b l i t e 开发平台由以往的g e o l 系列发展而来。硬件开发参数结构框 图如表2 2 所示，与本文研究工作密切相关的硬件模块包括存储系统、电源模块 和以太网8 0 19 a s 接口等。 表2 2g e 0 1 m b l i t e 硬件结构 a 二处理器 s e p 3 2 0 3 f 5 03 2 1 6 位嵌入式处理器，a r m 7 t d m i 内核， 7 5 m h z ，；，s d r a mlx8 m b 黟存储器： ， n 0 r f l a s hlx2 m b ：；舢一“，77 ： ， i u a r t2 u ，：_ 1 ；j f 以太网8 0 1 9 a s 1 0 m “，j ；皇 p ， w a t c hd o gl 弘? ? ，j 象。 u s bd e v i c e1 1 扩展接口 外围接口 m m c 卡 扩展接口 ，| j 誓，- ，!a c 9 7 控制器 扩展接口 v h ， ， ，：，工，五。7 。j 一啦， l ? ：? 4 。 l c d 扩展接口 + 7 。：7 7 j 调试接口j t a g 存储系统 s e p 3 2 0 3 处理器支持的片外存储器包括：s r a m 、r o m 、n o rf l a s h 、 s d r a m 及n a n df l a s h 。外部存储接口模块( e x t e r n a lm e m o r y i n t e r f a c e ，简称e m i ) 的功能即为提供对这些外部存储器的读写接口。支持 地址的r e m a p 功能，即两个逻辑地址指向同一个物理地址。支持从外部n o r f l a s h 启动以及从内部e s r a m 启动( 通过外部n a n df l a s h 初始化e s r a m ) 。 e m i 模块共有6 个可以配置地址空间的片选输出：n c s a ，n c s b ，n c s c ，n c s d ， n c s e ，n c s f 。每个片选空间最大支持6 4 m b y t e s 。可以通过配置寄存器及基址寄 存器设置各个片选的读写属性、数据宽度以及映射空间【l 3 。 表2 3 片选地址范围译码信息 溏疟鞣? 叠?垒向大小。裹0默谈地址寇由：! ；二耋j ：誓i 比较地址鬟笔! 霎 n c s a 6 4 m b y t e s o x 2 0 0 0 0 0 0 0一 0 x 2 3f f f f f f a d d r e s s 【3l ：2 6 】 n c s b 6 4 m b y t e s o x 2 4 0 0 0 0 0 0 o x 2 7 f f f f f f n c s c 6 4 m b y t e s o x 2 8 0 0 0 0 0 0 0 x 2 b f f f f f f l o n c s d 6 4 m b y t e s o x 2 c o o o o o o一 0 x 2 f f f f f f f n c s e 6 4 m b y t e s o x 3 0 0 0 0 0 0 0 一 o x 2 3f f f f f f n c s e 6 4 m b y t e s o x 3 4 0 0 0 0 0 0 一 o x 3 7 f f f f f f e m i 的6 个片选信号的地址范围都可以通过软件重新配置。6 个片选信号 也都可以被选择作为酞e m a p 的对象。如果一个片选n c s x 被选择作为r e m a p 的对象，只要其在存储器参数配置寄存器( s m c o n ) 中对应的使能位仍然有效， 则其仍可以在自己的地址范围内译码并产生片选信号。即，此时n c s x 信号由两 个信号叠加( 与操作) 而成。这样，如果被r 嚣m a p 的矬c s x 所设置的地址空阀 和需要r e m a p 到的地址空闻不重合，则在片选n c s x 上可以支持最大 2 车6 4 m b ”e s 的逻辑地址空间( 当然，这2 个6 4 m b y t e s 的逻辑地址空间对应相同 的6 4 m b y t e s 的物理地址空间) “l 。 2 3 软件开发平台体系结构简介 本文是基于a r ma d s 软件开发平台进行调试和开发的，a r ma d s 全称为 a r m d e v e l o p e rs u i t e 。是a r m 公司推出的a r m 集成开发工具。a d s 由命令行 开发工具，g u l 开发环境( c o d e w a r r i o f 和a x d ) ，实用程序和支持软件等部分组 成。 1 命令行开发工具 这些工具完成将源代码编译，链接成可执行代码的功能。 2 g u i 开发环境( c o d ew a r r i o r 和a x d ) c o d e w a r f i o rf o ra r m 是一套完整的集成开发工具，充分发挥了a r mr 至s c 的优势，使产品开发人员能够很好的应用尖端的片上系统技术该工具 是专为基于a r mr i s c 的处理器而设计的，它可加速并简化嵌入式开发 过程中的每一个环节，使得开发入员只需透过一个集成软件开发环境就能 研制出a r m 产品，在整个开发周期中，开发人员无需离开c o d e w 撕i o r 开发环境，因此节省了在操作工具上花的时间，使得开发人员有更多的 精力投入到代码编写上来，c o d e w a f r i o f 集成开发环境( 1 d e ) 为管理和开 ；发项躁提供了简单多样化的图形用户界面。用户可以使用a d s 的 c o d e w a i o “d e 为a r m 和t h u m b 处理器开发用c ，c + + ，或a r m 、汇编语言的程序代码。遥过提供下面的功能， c o d e w a r r i o fl d e 缩短了用 户开发项嚣代码的周期。 3 实用程序 f r o m e l f 这是a r m 映像文件转换工具。该命令将e l f 格式的文件作为输入文件， 将该格式转换为各种输出格式的文件，包括p l a i nb i n a r y ( b i n 格式映像文 件) ，m o t o r o l a3 2 - b i ts r e c o r df o r m a t ( m o t o r o l a3 2 位s 格式映像文件) ，i n t e l h e x3 2f o r m a t ( i n t e l3 2 位格式映像文件) ，和v e r i l o g - l i k eh e xf o r m a t ( v e r i l o g 1 6 进制文件) 。f r o m e l f 命令也能够为输入映像文件产生文本信息，例 如代码和数据长度。 a r m a r a r m 库函数生成器将一系列e l f 格式的目标文件以库函数的形式集合在。 起，用户可以把一个库传递给一个链接器以代替几个e l f 文件。 f i a s hd o w n i o a d e r 用于把二进制映像文件下载到a r m 开发板上的f l a s h 存储器的工具 4 支持的软件 a d s 为用户提供下面的软件，使用户可以在软件仿真的环境下或者在基于 a r m 的硬件环境调试用户应用程序。 a r m u l a t o r 这是一个a r m 指令集仿真器，集成在a r m 的调试器a x d 中，它提供对 a r m 处理器的指令集的仿真，为a r m 和t h u m b 提供精确的模拟。用户可 以在硬件尚未做好的情况下，开发程序代码。 第三章实时操作系统c ，o s 一的实现 肛c o s 是一款为实时控制系统而设计的多任务实时操作系统，也称为 r t o s 。p c o s - 提供了嵌入式操作系统的基本功能，其核心代码短小精悍，针 对硬件进行优化后，可以达到很高的执行效率。自该r t o s 问世以来，已经在许 多嵌入式处理器上进行成功的移植。肛c o s 在机器人医疗器械、引擎控制、 a t m 机、工业控制等领域获得了成功的应用，被证明是一个成熟稳定的实时内 核。除特别申明，本论文所涉及的“c o s 版本均为2 6 1 。 3 1i j l c o s 一的特性和结构 3 1 1i ic o s 一特性 公开源代码 肛c o s h 的源代码是公开的，这就意味着用户可以通过阅读源代码理解 p c o s i i 的工作机制和原理，并根据自身的需要，对代码的相关部分并进行相应 的修改和移植，以适应自身的项目需要。同时，源代码公开