（电力电子与电力传动专业论文）基于arm芯片和uclinux系统的嵌入式以太网网关的研究.pdf

浙江人学硕 学位论文基十a r m 芯片和u c l i n u x 系统的以太网网关的研究j a b s tr a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm i c r o p r o c e s s o l t e c h n o l o g ya n ds o f t w a t e t e c h n 0 1 0 9 y ，a sw e l la st h ei n c r e a s i n gm a t u r e n e s sa n dw i d e s p r e a d o fn e t w o r k t e c h n o l o g y n e t w o r k e de m b e d d e ds y s t e m s a r ew i d e l yu s e d t h ee m b e d d e d s y s t e m si sb e c o m i n gt h ec e n t e ro fi n t e r e s ti nt h ei ti n d u s t r ya n db r i n g i n g a l o n ga1 a r g em a r k e t m e a n w h i l e ，t h es u b s t a n t i v ee m b e d d e da p p l i c a t i o n s c a l lsf o rb e t t e rp e r f o r m a n c ea n df u n c t i o n a l i t yo fe m b e d d e ds y s t e m s 8 1 6b i tm i c r o c o n t r 0 1 l e r sc a n tm e e tt h es p e e da n dm e m o r yd e m a n do ft h e i n t e r n e te m b e d d e dd e v i c e s o w i n gt ot h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e g r a t e d c if c u i t s ( i c ) t e c h n o l o g y ，t h ee m b e d d e dt e c h n 0 1 0 9 yb a s e do n3 2b i tr j s c p r o c e s s o r s i sb e c o m i n gm u c hm o r ep o p u l a r a r m ( a d v a n d e e dr i s cm a c h i n e s ) ist h e i n d u s t r y sl e a d i n gp r e y i d e r o f3 2 一b i te m b e d d e dr i s c m i c r o p r o c e s s o r sw i t ha l m o s t7 5 o ft h em a r k e t a r mo f f e r saw i d er a n g e o fp r o c e s s o rc o r e sb a s e do nac o m m o na r c h i t e e t u r ea n dd e l iv e r i n gh i g h p e r f o r m a n c et o g e t h e rw i t h l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n ds y s t e md o s t t h ee t h e r n e tg a t e w a yb a s e do na r mc h i pa n du c l i n u xs y s t e mr e s e a r c h e d int h i st h e s i si sa ne m b e d d e ds y s t e mb a s e do n3 2 咄i ta r mm i c r o p r o c e s s o r $ 3 c 4 5 1 0p r o d u c e db ys a m s u n g a tf i r s t ，t h eh a r d w a r es y s t e mt a k i n g $ 3 c 4 5 1 0 b a st h ec o r ew a sb u i1 t a n dt h e nw ep r o g r a m m e db o o l o a d e ra n dp o r t e dt h e u c l i f l u xo st ot h eh a r d w a r e s y s t e m a f t e rt h a t ，t h e c o m m u n i c a t i o n a p p l i c a t i o ns o f t w a r ew a sd e s i g n e dt oi m p l e m e n tt h ec o m m u n i c a t i o r lb e t w e e n e t h e r n e ta n dr s 4 8 5f i e l d b u ss y s t e mm a k i n gu s eo ft h e p e r f e c tt c p i p p r o t o c o l s t a c ko fu c l i n u x t h et h e s i s i n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n dk n o w l e d g eo fe m b e d d e ds y s t e m ， n e t w o r ka n do p e r a t i n gs y s t e m i ta l s od i s o u s s e st h ew a yo fs e l e c t j n gt h e e n t i f es c h e m e ，t h eh a r d w a r ec i r e u i t sa n dt h e i rd e b u g g i n g ，b o o t l o a d e rc o d e t h ec o m p il eo ft h ek e r n e lo fe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mu c l i n u xa n df i1 e s y s t e m ，a sw e l la st h ed e s i g no fa p p li c a t i o ns o f t w a r e a tl a s t ，as u mu p a n dp r o s p e c to ft h ise m b e d d e ds y s t e ma r egiy e n 第2 页 浙汀大学硕卜学位论文基于a r m 芯片干几u c l i n u x 系统的以太网刊关的乜丌究j 第一章绪论 无所不在的网络给网络接入设备带来了巨大的发展机遇。而随着网络接入市 场的迅速增氏，嵌入式网络接入开始成为嵌入式系统技术中最令人关注的一个领 域。在嵌入式网络技术的推动下将会形成这样一个局面：在网络上传输的信息中， 将有7 0 的信息来自嵌入式系统，也许将有数以亿计的汽车、通信设备、家用 电气以及工厂系统接入到不同网络中，然后在组成一个庞大的i n t e r n e t 互联网。 本文研究了一种基于a r m 芯片和嵌入式操作系统u c l i n u x 的，在以太网与 r s 4 8 5 总线之间的进行数据交换的嵌入式网关。在这里，我们着重介绍了从处理 器选型、硬件搭建、硬件调试、系统启动程序( 即b o o t l o a d e r ) 的编写、操作 系统的移植、交叉编译环境的建立，以及网络应用程序的编写。 第一节嵌入式技术的发展现状 传统上，我们一般按照计算机的体系结构、运算速度、适用范围等方面将计 算机分为大型计算机、中型计算机、小型计算机和微型计算机( 也就是p c 机) 。 但是随着半导体技术和微电子技术的迅猛发展，我们现在进入了一个嵌入式的世 界。在我们的周围，到处是嵌入式系统的身影。比如，手机，p d a ，网络设备，电 脑等事实上，嵌入式计算机在数量上远远超过了各种通用的计算机。在工业流水 线控制、通讯、仪器仪表、汽车、船舶、航空航天、军事装备、消费类产品等领 域内，嵌入式计算机都已经大显身手。现在，嵌入式系统带来的工业年产值已超 过了1 万亿美元。美国著名未来学家尼葛洛庞帝1 9 9 9 年1 月访华时预言：4 5 年后，嵌入式智能产品将是继p c 和因特网之后的最伟大的发明。 1 1 1 嵌入式系统的发展历程 自2 0 世纪7 0 年代第一个嵌入式系统问世至今，按其技术的发展大致经历了 一下四个阶段： 1 ) 是以单：匿片可编程控制器为核心的系统，同时配置监测、伺服、指示 等功能； 2 ) 以嵌入式c p o 为基础，以简单操作系统为核心的阶段： 3 ) 以完善的嵌入式实时操作系统为标志，这个阶段的特点是操作系统内 核精简、效率高、模块化及可扩展： 4 ) 以i n t e r n e t 为标志的嵌入式系统。 1 1 2 嵌入式计算机系统的定义和组成 嵌入式计算机系统的正式定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软 硬件可裁剪，符合应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗的严格要求的专 用计算机系统。 嵌入式系统是一个典型的软硬件混合系统。如图1 一l l 所示，有两类嵌入 式的层次结构。第一类是没有嵌入式操作系统支持的。第二类是有嵌入式操作系 第4 负 浙江大学顺十学位论义 f 摹于a r m 芯片和u c l i n u x 系统的以太网网关的研究j 应闱( a p p 沁n t 沁1 1 ) 梅趣缓ii 蔺敏l p ) 撵付系( o s ) 驰i 啦：抽椎k ；( h a ! 】 艘什r h r h “e ) 水带# 蕾作彖按点蚪骺撇仆泉境曩妊 图1 1 1 嵌入式系统结构图 1 1 3 嵌入式产品分类 嵌入式产品一般分为以下几类： 1 )信息电器：后p c 时代，计算机将无处不在，家用电器将向数字化和 网络化发展。电视机、电冰箱、微波炉、电话等都将嵌入计算机并通过家庭控制 中心与i n t e r n e t 连接，转变为网络家电。届时，人们在远程用手机等就可以控 制家里的电器，还可以实现远程医疗、远程教育等。目前，智能小区的发展打开 了机顶盒市场，机顶盒将成为网络应用的终端。它不仅可以使模拟电视接收数字 电视节目，而且还可以上网。 2 )移动计算设备：移动计算设备包括手机、p d a 、掌上电脑等各种移动 设备。中国拥有最大的手机用群。而掌上电脑或p d a 由于易于使用、携带方便、 价格便宜等特点，未来几年将在我国得到快速发展。p d a 与手机已呈现融合趋势， 用掌上电脑( 或p b a ) 上网，人们可以随时随地地获取信息。 3 )网络设备：网络设备包括路由器交换机、w e bs e r v e r 、网络接入盒等 各种网络设备。基于l i f l u x 地网络设备，其价格低廉，将为企业提供更为廉价的 网络方案。 4 ) 工控、仿真等：在工控领域，嵌入式设备早就得到了广泛的应用。我 国的工业生产需要完成智能化、数字化改造，智能控制设备、智能仪表自动化控 制等为嵌入式系统提供了很大的市场。而工控、仿真、数据采集等军用领域一般 都要求操作系统。 1 1 4 嵌入式系统的处理器选择 嵌入式系统的硬件环境是嵌入式操作系统( o p e r a t i n gs y s t e m ) 和应用程序 运行的硬件平台。由于嵌入式系统是嵌入于宿主设备的计算机系统，完成宿主设 备的功能要求，所以不同的应用通常会有不同的硬件环境。嵌入式系统的核心是 嵌入式处理器。嵌入式微处理器一般具备以下4 个特点：1 ) 对实时多任务有很 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 实时内核的执行时间减少到最低限度。2 ) 具有功能很强的存储区保护功能。这 是出于嵌入式系统的软件结构已经模块化，而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，以能最迅速地扩展出满足应用的最高性能的嵌入式处理器。 4 ) 嵌入式微处理器必须是低功耗，尤其是用于便携式的无线及移动计算和通信 第5 页 浙江大学坝1 学位论文 基fa r m ，b 片和u c l i n u x 系统的以太刚附关的彤 究j 设备中靠电池供电的系统更是如此，有时功耗必须在m w 甚至u w 级。 目前全球的处理器品种数目已经超过了1 0 0 0 种，流行体系结构有3 0 几个系 列，主要分为四大类：第一娄是嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n n e m p u ) 。嵌入式微处理器目前主要有a r m 系列、a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c 一4 0 0 、p o w e r p c 、6 8 0 0 0 、m i p s 等。第二二类是嵌入式微控制器( e m b e d d e d m c r o c o n t r d l e ru n l t ， e m c u ) ，即我们熟悉的单片机。比较通用的系列包括8 0 5 1 、p 5 1 x a 、m c s 一2 5 1 、 m c s9 6 1 9 6 2 9 6 、c 1 6 6 1 6 7 、m c 6 8 h c o s 1 1 1 2 1 6 、6 8 3 0 0 、a v r 、p i c 等。第 三类是d s p 处理器( e m b e d d e dd i g it a s i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) 。d s p 处理器 对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算法，编译效率较高， 指令执行速度比较高。在数字滤波、f f t 、谱分析等方面d s p 算法正在大量进入 嵌入式领域。第四类是嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ) 。用户只需定义出其整 个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除个别 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， 应用系统电路板变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。 在本项目中我们选用的是嵌入式微处理器a r m 系列中的三星公司提出的 s 3 c 4 5 1 0 b3 2 b i t 芯片。关于a r m 芯片以及$ 3 c 4 5 l o b 的详细介绍，在以后的章节 中将有所展开。 第二节网络技术 网络的兴建起源于资源共享，如巨型存储器的共享、高速行式打印机及数据 库等的共享网络。网络是服务性质的，因而就其体系结构而言为服务器客户机 结构。 网络从局域网发展到广域网，再到异种、异构网络相联的网际网。i n t e r n e c 互联网就是最大的全球性的网际网。网上传输的是数据流、声音流和视像流，统 称之为信息。信息在传输过程中的各个层次上需要遵循与之相应的协议。为了压 缩互联网上信息的流量，规定向网上提交的信息使用h t m l 超文本标记化格式， 网上任何一处的接收者，使用任何一种h t m l 浏览器，都可以在网页上看到、听 到或以其它形态体现信息的存在。换句话说，在互联网上、由w e b 服务器发布的 信息，任何一台客户机，用任一种w e b 浏览器，都可以在网页读出信息。 后p c 机时代涌现了大量的网上信息产品( i n f o r m a t i o na p p l i c a t i o n s ，也 称信息电器) ，如w e b 个人数字助理( p d a ) 、w e b 可视电话、移动电话的g p s 或c d m a 产品、t v 顶视盒、电视会议机、数码相机等嵌入式设备，它们都要求与 互联网联网，已经嵌入了挂网所需的硬件和软件。大量的嵌入式设备，如仪器仪 表等，在数据采集和显示、过程控制、工业自动化、家庭自动化等的实时应用， 已经到了享受网络方便的时候了。它们将成为互联网的发展沃土，顺应“网络服 务”向“网络应用”发展的方向。 现有嵌入式设备连接网络有几种方案： 1 专用芯片： 能实现接入互联网的专用芯片有很多种。第一种是单片机应用系统内部支持 t c p i p 协议。它实质上由m c u 及内部固化t c p i p 协议的芯片组成应用系统的核 心。比如s c e n i xs e m i c o n d u c t o r 公司的s x s t a c k 和s e i k o 公司的$ 7 6 0 0 a 芯片 等。第二种是利用e m w a r e 公司开发的e m i t 技术。根据e m w a r e 公司的电子设备 网络协议，在应用系统的单片机内部使用e m n e t 协议，再通过e m g a t e w a v 与 第6 页 浙江人学碗l 学位论文f 基于a r m ，出h 和u c l i n u x 系统的以太嘲叫关的研究j i n t e r n e t 网连接。该方案由于复杂的网络协议是通过e m g a t e w a y 在p c 机上实 现的，应用系统m c u 只使用较简单的e m n e t 协议，因此对m c u 的要求较低。但应 用系统设计工程师必须熟悉e m n e t 协议和相关的接口，原来客，o 应用系统的m c u 也不一定符合要求，并且软硬件设计的工作量仍然较大。同时，应用系统的单片 机处理e m n e t 协议要占用一定的系统资源。i i c r o c h i p 公司和p i l l p s 公司都在 此基础上有相关的产品开发平台。第三种由力源公司开发研制，它是m c u 应用系 统通过w e b c h i p 网络芯片与g a t e w a y 连接，再进入互联网。w e b c h i p 内部固化了 m c u n e t 协议，它与e m g a t e w a y 和o s g i 协议兼容。应用系统设计工程师完全不必 考虑任何网络协议，只需要解释并执行w e b c h i p 传送过来的指令和数据就可以实 现与互联网络连接。m c u n e t 网络协议由w e b c h i p 来完成。选用这种芯片，设计 比较简单。 2 通用j ! ；= 片。 主要有3 2 位微处理器+ 实时操作系统和8 位微控制器+ 精简t c p i p 协议栈 两种方式。前者采用3 2 位高档单片机，在嵌入式o s ( 多任务嵌入式操作系统) 的平台上进行软件开发，在嵌入式系统中实现t c p i p 的协议处理。后者则是将 t c p i p 协议栈做大幅度的简化，只保留其中最核心的部分，从而大幅度减少对 网络资源的要求，从而可以在低成本、低速度、小内存的控制器上实现网络连接。 专用芯片的优点很明显，它集成了系统所需实现的功能。设计比较简单，硬 件电路相对简单，也不需要其它中间环节的支持，软件实现也比较简单。同时， 产品的技术支持也比较好。但是它的缺点也很明显。首先，它由于专业性，所以 存在系统兼容的问题。其次，功能比较固定，不利于系统的功能扩展和软硬件升 级。而且，在价格上，专用芯片比其他通用芯片实际上要贵，成本更高。最后， 在实际产品应用中，还存在芯片供货上的风险，即如果所采用芯片的供应方出现 倒闭、提价、停产等不可预测的问题，将不能保证芯片的正常、廉价的获得。 而通用芯片虽然存在初期开发时投入比较大、设计相对比较复杂的问题，但 是它的优点正好解决了专用芯片的缺点，首先，通用芯片的兼容性比较好。也就 是说，便于不同芯片之间程序代码的移植。其次，便于功能扩展和软硬件升级。 第三，成本随着半导体器件迅速发展的趋势迅速下降。同时，在芯片的供应方面 也不存在依赖某一家公司的局面。另外，高档的微处理器和实时嵌入式操作系统 办同工作，能确保系统的高可靠性和高可扩展性。 综台考虑以上方案，我们选择了3 2 位微处理器$ 3 c 4 5 i o b + 实时操作系统 u c li n u x 的以太网接入开发方案。 第三节本文的选题意义和主要研究内容 1 3 1 选题意义 随着网络技术的发展，在工业控制等各个领域，嵌入式系统将越来越多地支 持联网功能。人们对联网的嵌入式系统的功能和可靠性都提出了越来越高的要 求。同时，随着微电子技术和半导体技术的迅速发展，高档处理器的成本大幅度 下降。随着软件技术的发展，嵌入式操作系统日趋成熟。所以，根据嵌入式系统 的发展趋势，在硬件上，虽然8 位控制器仍将长期存在，但是1 6 位和3 2 位的处 理器正处在一个高速发展的阶段特别是3 2 位机，其应用和产值都将会超过8 位机。在软件上，嵌入式操作系统的使用将会大大增加。在开发语言上，汇编语 言和c 语言会继续占主导地位，c + + 和j a v a 也将会有一定市场。 第7 页 浙江人学坝十：学位论文 f 基fa r m 芯片和u c l i n u x 系统的以太网网关的研究j 在电力电子领域内，通过大量文献阅读和实地调研，发现国内许多诸如电力 电子监控系统等需要通过联网以实现电力电子实时监控的领域内大多利用r s 2 3 2 或r s 4 8 5 通过上位机进行监控，但是这些监控一般适用于距离短、范围小，且有 专人看管的场合。当远程监控时，这些系统就显得力不从心了。 在这种背景下，本文选择对一个基于3 2 位微处理器和嵌入式操作系统 u c l ir l l i x 的嵌入式系统进行研究，显然是顺应了嵌入式发展的这种趋势。本文从 硬件核心3 2 位微处理器的选型，其他硬件部分的设计，系统启动程序的编 写，嵌入式操作系统和文件系统的移植，到最后的网络应用程序的编写，完成了 对一个嵌入式系统从计划设计到开发调试的完整过程的研究。在实用中，这套系 统也为电力电子装置的联网监控提供了一个重要的功能强大的而且稳定性好的 选择方案。 本文致力于基于高档微处理器和嵌入式操作系统的嵌入式系统的开发和研 究。希望通过本文的工作，能总结出一些此类嵌入式系统开发的经验，希望能有 助于今后这方面研究工作的进一步展开。 1 3 2 研究内容 嵌入式以太网网关的硬件设计 嵌入式以太网网关的软件设计 本文后面章节的内容是这样安排的： 第二章介绍了嵌入式系统的整体方案。第二章介绍了系统的整体框图。在 第一节中，介绍了系统的硬件设计方案和各部分芯片选择。第二节介绍了系统的 软件设计方案和系统软件流程的设计。 第三章和第四章是整篇论文的重点。第三章介绍了a r m 芯片系列及$ 3 c 4 5 】o b 芯片，a r m 仿真器的使用，嵌入式系统硬件的各部分具体电路和调试过程。第四 章介绍了嵌入式系统中，交叉编译环境的建立，u c l i n u x 的背景知识，操作系 统的移植，t c p i p 协议栈介绍，以及利用l i n u xb s d 4 3 套接字和双口r a m 操作 编写网络应用软件的过程。 第五章为总结与展望。 第8 页 浙江大学硕 学位论文 基于a r m 芯片和u c l i n u x 系统的咀太网网关的研究1 第二章项目总体方案 我们所设计的这套系统是为了实现以太网和r 9 4 8 5 现场总线之间数据交换 的一个嵌入式网关系统。在设计的过程中，必须充分了解作为核心控制单元的 a r m 芯片的资源，包括存储空间、i o 接口、网络接口、中断信息、内部资源配 置等等各方面的细节。根据微控制器的外围电路要求，和系统功能要求，做出最 优的硬件方案。因为系统中芯片的引脚比较复杂，而且系统的工作频率比较高， 所以在p c b 的设计时，尤其要注意干扰问题。同时，根据系统所需要达到的功能 要求，做出软件上的方案。图2 一l 是项目的一个总体实现方案的框图。 以 r s ，1 8嵌入 太 b 烈 式 l j 、 朗 l 以太 a i a 现场 、| 叫_ 1 湖笑 n r w 转 、j ， 恻 r a h 总线系统 换 门 图2 1 系统整体框图 第一节硬件方案 在本项目中，经过对芯片成本和性能的综合比较和分析，我们选择了a r m 芯 片。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 ) 功能的a r m 芯片，a r m 7 2 0 t 、 a r m 9 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u 功能。而a r m t t d m i 则没 有m h u ，不支持w i e d o w sc e 和标准l i h u k ，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。从开 发成本的角度考虑，我们选择了a r m t t d m i 内核的三星公司的$ 3 c 4 5 1 0 b 芯片。 我们设计的系统，包括2 mf l a s hm e m o r y 电路、1 6 ms d r a m 电路、一个2 3 2 串e l 电路、一个以太网转换e l 电路、一个双口r a m 电路，以及包括电源、复位、 指示灯等其他电路。功能示意图如图2 一l 一1 。 第9 页 浙江人学坝f j 学位论文 f 基于a r m 芯片和u c l i n u x 系统的以太嗍例关的研究j 厂 图2 1 一l 硬件整体框图 u - | i j _ _ _ _ _ _ 其中各部分元器件选择情况如下： 1 )主控制芯片：采用的是8 3 c 4 5 1 0 b 。 2 )f 1 a s h ：采用的是一块a m 2 9 l v l 6 0 d 芯片。这是一块1 6 m e g a b i t ( 2 m 8 一b i t l m 1 6b i t ) 的工作电压为3 v 的c m o sf 1 a s h 存储芯片。在这里，我们 采用的是1 m 1 6b i t 模式。 3 )s d r a m ：采用的是两块h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h g 芯片。这是一种存储容量为4 组x1 6 m 位( 8 m 字节) 的工作电压为3 3 v 的c m o ss d r a m 。两块芯片分别负责数 掘总线的高1 6 位和低1 6 位，组成3 2 位的4 m 3 2 一b i t 的存储系统。 4 )以太网接口电路：因为$ 3 c 4 5 1 0 b 芯片内已经内嵌了以太网的控制器， 所以我们只需要在外围添加以太网的物理层接口芯片即可。这里我们采用的是 r t l 8 2 0 1 芯片。 5 ) r s 一2 3 2 串行通讯电路：采用的是一块m a x 3 2 2 3 e 芯片。这块芯片是3 v 供电、带自动关闭功能的串行通讯接口芯片。 6 )双口r a m 电路：采用的是i d t 7 1 3 4 芯片。i d t t l 3 4 是一种4 k 8 的高 速双口r a m 芯片。它具有l a 和s a 两种型号。它提供两套完全独立的端口这两 套端口都具有独立的数据线、地址线、读写控制线，以及片选等控制线。所以可 以在两端异步地对双口r a m 中任意的数据单元进行读写操作。同时，i d t 7 1 3 4 的 访问速度很快。其访问速率可以达到几十个r i g 级。同时，需要在$ 3 c 4 5 l o b 端连 接电平转换和5 三态总线收发器芯片7 4 l v c 2 4 芯片，在现场总线端接入锁存芯片 7 4 l s 5 7 3 芯片。 7 )电源及其他部分电路：电路板上5 v 电源( 供双口r a m 芯片和7 4 l s 5 7 3 芯片) 由外接1 2 v 电源经l 7 8 0 5 c t 芯片获得；3 3 v 电源由得到的5 v 电源经 l t l 0 8 6 c f 3 3 芯片获得。其他电路包括：由a d m 3 4 8 5 芯片搭建的r s 一4 8 5 接口电 路；由d s l 8 1 9 芯片搭建的复位重启电路：三个l e d 指示灯；一个用于显示的七 段数码管电路。 以上仅提供了各个部分的电路的芯片选择方案。具体的芯片介绍、各部分电 第1 0 页 j 型型剖 浙汀人学硕l 学位论文 基ra r m 芯片和u c l i n u x 系统的以a 网网关的研究j 路和调试情况将在第三章中做详细的介绍。 第二节软件方案 2 2 1 方案选择 在本项目中，我们选择了嵌入式操作系统u c l i f l u x 系统做为我们的软件开发 平台。首先需要解释的是两个问题：为什么要选择操作系统，以及为什么要选择 嵌入式操作系统中的u c l i n u x 系统。 为什么要选择操作系统? 一直以来，嵌入式系统的开发大多都没有操作系 统。早期的硬件设备很简单，软件的编程和调试工具也很原始，与硬件系统配套 的软件都是从头编写。程序大都采用宏汇编语言。设计者针对不同的应用领域， 编写出不同的源代码，实现特定的功能。很显然，如果在嵌入式开发中引入操作 系统的身影，必然使开发变得复杂，开发周期加长。但是，如果仔细分析，我们 会发现，随着系统越来越复杂，操作系统就显得很必要。因为( 1 ) 操作系统能有 效管理越来越复杂的系统资源，实现越来越复杂的功能，满足更多的要求；( 2 ) 操作系统能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱 出来。( 3 ) 操作系统能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序，使程序 设计者有更多的资源可以利用。( 4 ) 操作系统还能够增加系统的可靠性，可移 植性和易维护性。所以我们选择了采用在3 2 位处理器上搭建操作系统平台。 为什么要选择u c l i n u x 系统? 在7 0 年代的后期，出现了嵌入式系统的操作 系统。发展到现在，市场上出现了许多著名的嵌入式操作系统，其中包括商业的 嵌入式操作系统，如v x w o r k 、n e c u l e u s 、q n x 、w i d d o w sc e 、j i n i 和国内开发 的h o p e n 等，以及很多从l i n u x 中发展出来的源代码公开的嵌入式操作系统，如 r t l i n u x 、e m b e d i x 、x l i n u x 和u c l i n u x 等。在这些系统中，我们选择了u c l i m i x 系统。首先，我们选择源代码公开的从l i n u x 中发展出来的操作系统，因为使用 商业操作系统的成本过高。而从硬件的角度考虑，作为核心微处理器的$ 3 c 4 5 1 0 b 的内核是a r m 7 t d m i 。这种内核是不带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 单元的。而u c i n u x 正好是专门针对没有m m u 的c p u 。u c l i n u x 从l i n u x 2 0 2 4 内核派生二来，沿袭了主流l i n u x 的绝大部分特性。它通常用于具有很少内存或 f l a s h 的嵌入式系统。由于u c l i n u x 在标准的l i n u x 基础上进行了适当的裁剪和 优化，形成了一个高度优化的、代码紧凑的嵌入式l i n u x ，虽然它的体积很小， u c l i n u x 仍然保留了l i n u x 的大多数的有点：稳定、良好的移植性、优秀的网络 功能、完备的对各种文件系统的支持、以及标准丰富的a p i 等。经过分析和比较， 我们采用了u c l i n u x 作为我们应用软件运行的操作平台。 2 2 2 系统具体软件方案 在软件上，我们把任务分为了三个大块： 1 ) b o o t l o a d e r 的编写。 2 ) 操作系统和文件系统的移植。 3 )网络应用程序的编写。 在第一部分中，b o o t l o a d e r 主要负责u c if l u x 内核的启动，它用于初始化系 统资源，包括s d r a m 。这部分代码用来建立u c l i n u x 内核运行环境和从f 1 a s h 中 装载文件系统。将b o o t l o a d e r 的二进制目标代码烧入f l a s h 的起始地址。 第二部分是软件流程中的核心步骤。首先需要在进行开发的计算机上建立交 第1 i 页 浙江大学硕十学位论文 f 基于a r m 芯片和u c l i n u x 系统的以太网网关的研究j 叉编译的环境，然后对u c l i n u x 的内核进行修改和裁剪，编译出二进制代码，烧 入系统的f l a s h 中。同时还必须在交叉编译的环境中，生成文件系统的二进制代 码，也烧入f l a s h 中。 第三部分，利用u c li n u x 中完备的t c p i p 协议栈和b s d4 3 套接字，编写 网络应用程序，实现系统与以太网上作为服务器的计算机通信，同时编写利用双 口r a m 与现场总线系统通信的应用软件。 软件的流程框图如图2 2 一l 所示。 戍用软件 彳 | i 操作系统取文件系统 彳产 b o o t l o a d e r 图2 - - 2 一l 软件流程框图 以上各个步骤的具体情况，将在第四章中做详细的介绍。 第1 2 页 浙江大学颂卜学位论文 基于a i t m 芯片和u c l l n u x 系统的以太网阿关的圳究j 第三章硬件系统与调试 在第二章中，我们对硬件系统的整体方案和各个部分电路的芯片方案进行r 介绍。下面我们给出具体的硬件电路和调试过程。 第一节主控制芯片$ 3 c 4 5 1 0 b 在这一节中，我们将首先简单介绍a r m 系列芯片的一般特点和主要子系列， 以及s 3 c 4 5 1 0 b 所属的a r m t t d m i 内核的特点。然后再介绍作为系统主控制器的 $ 3 c 4 5 1 0 b 的特点和功能。 a r m ( a d v a n c e dr i s c l a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以认 为足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，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，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 微处理器应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额，a r m 技术正在 逐步渗入到我们生活的各个方面。 3 1 1a r m 微处理器的特点和系列 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： a r m 微处理器目前包括下面几个系列，以及其它厂商基于a r m 体系结构的处 理器。a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、a r m i o e 系列、s e c u r c o r e 系列、1r l t e r 的x s c a l e 和i n t e r 的s t r o n g a r m 。除了具有a r m 体系结构的共同特点以外，侮 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 i o 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。 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： 1 ，具有嵌入式j c e r t 逻辑，调试开发方便。 2 极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品。 3 能够提供0 9 m i p s m t t z 的三级流水线结构。 4 代码密度高并兼容1 6 位的t h u m b 指令集。 5 对操作系统的支持广泛，包括w in d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等。 6 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。 第1 3 页 浙江大学顺i 学位论文 基于a r m 芯片和u c l i n u x 系统的以太例网关的研究j 7 主频最高可达i3 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。 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 系列微处理器包括如下几种类型的核：a r m 7 t d m i 、a r m 7 1 、d m i s 、a r m 7 2 0 t 、 a r m 7 e j 。其中，a r m t t m d i 是目前使用最广泛的3 2 位嵌入式r i s c 处理器，属低 端a r m 处理器核。t d m i 的基本含义为： t ：支持1 6 为压缩指令集t h u m b ； d ：支持片上d e b u g ； m ：内嵌硬件乘法器( m u l t i p l i e f ) i ：嵌入式i c e ，支持片上断点和调试点； 我们采用的三星公司的$ 3 c 4 5 1 0 b 即属于该系列的处理器。 3 1 2 $ 3 c 4 5 1 0 b 芯片 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，内合出a r m 公司设计的1 6 3 2 位a r m t t d m ir i s c 处理器核。 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：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；2 个u a r t 通道；2 个g d m a 通道：2 个3 2 位定时器：1 8 个可编程的i o 口。片内的逻辑控制电路包括：中 断控制器；d r a m s d r a m 控制器：r o m s r a m 和f l a s h 控制器；系统管理器；一个 内部3 2 位系统总线仲裁器；一个外部存储器控制器。 s 3 c 4 5 1 0 b 结构框图如图3 一l 一1 所示。 浙江人学硕士学位论文 f 基于a r m 芯片和u c l i n u x 系统的以太刚嗍关的研究j 图3 一l 一1 $ 3 c 4 5 1 0 b 结构框图 $ 3 c 4 51 0 b 的特性描述如下： 1 )体系结构：用于嵌入式以太网应用的集成系统；全1 6 3 2 的r i s c 架 构；支持大、小端模式，内部架构为大端模式，外部存储器可为大、小端模式： 内含效率高、功能强的a r m 7 t d m i 处理器核；高性价比、基于j t a g 接口的调试方 案；边界扫描接口。 2 ) 系统管理器：支持r o m s r a m 、f l a s h 、d r a m 和外部i 0 以8 t 6 3 2 位的方式操作；带总线请求应答引脚的外部总线控制器；支持e d o 常规或s d r a m 存储器；可编程的访问周期( 可设定0 7 个等待周期) ；4 字的写缓冲；高性价 比的从存储器到外围的d m a 接口；一体化的指令数据c a c h e ；一体化的8 kc a c h e ； 支持l r c ( 近期最少使用) 替换算法；c a c h e 可配置为内部s r a m 。 3 ) i i c 接口：仅支持主控模式；串行时钟由波特率发生器生成。 4 ) e t h e r n e t 控制器：带猝发模式的d m a 引擎；d m a 发送接收缓冲区( 2 5 6 字节发送，2 5 6 字节接收) ：m a c 发送接收f i f o 缓冲区( 8 0 字节发送，1 6 字节 接收) ；数据对准逻辑；支持端模式变换；l o o m l o m b p s 的工作速率：与i e e e 8 0 2 3 标准完全兼容；提供m i i 和7 线制1 0 m b p s 接口；站管理信号生成；片内c a m ( 可 达2 1 个目的地址) ；带暂停特性的全双工模式；支持长短包模式；包拆装p d a 生成。 5 ) h d l c ( t l i g h l e v e d a t al i n kc o n t r 0 1 ) 高层数据链路协议：t l d l c 第1 5 页 浙江人学硕i 学位论文 r 基于a r m 芯片和u c l i n u x 系统的以太刚刚关的砌f 究i 协议特征：标志检测与同步：零插入与删除；空闲检测和发送；f c s 生成和检测 ( 1 6 位) ；终止检测与发送；地址搜索模式( 可扩展到四字节) ；可选择c r c 模 式或非c r c 模式：用于时钟恢复的数字p l l 模块；波特率生成器；发送和接收支 持n r