基于Linux的嵌入式WEB服务器的研究毕业论文.doc

山东师范大学硕士学位论文 1 基于基于 LinuxLinux 的嵌入式的嵌入式 WEBWEB 服务器的研究毕业论文服务器的研究毕业论文 目目 录录 中文摘要 III ABSTRACT V 第一章 引 言 1 1 1 嵌入式系统概述 1 1 1 1 嵌入式系统的概念 1 1 1 2 嵌入式系统的组成和特点 1 1 1 3 嵌入式系统的应用及发展趋势 2 1 2 嵌入式微处理器和操作系统概述 3 1 2 1 嵌入式微处理器 3 1 2 2 嵌入式操作系统 5 1 3 嵌入式 WEB 服务器 7 1 4 论文研究目的及主要研究工作 7 第二章 系统硬件的设计 9 2 1 微处理器选型 9 2 1 1 ARM7 微处理器系列 10 2 1 2 ARM9 微处理器系列 10 2 1 3 ARM9E 微处理器系列 11 2 1 4 ARM10E 微处理器系列 12 2 1 5 SecurCore 微处理器系列 12 2 1 6 StrongARM 微处理器系列 13 2 1 7 Xscale 处理器 13 2 2 S3C4510B 硬件平台的设计 13 2 2 1 电源电路的设计 19 2 2 2 晶振电路的设计 20 2 2 3 复位电路的设计 21 2 3 接口电路的设计 22 2 3 1 串行通信接口电路的设计 22 2 3 2 JTAG 接口电路的设计 23 2 3 3 SDRAM 接口电路的设计 24 2 3 4 Flash 存储器接口电路的设计 27 2 3 5 I2C 接口电路的设计 30 2 3 6 10M 100M 以太网接口电路的设计 31 第三章 嵌入式 LINUX 操作系统的移植 35 3 1 嵌入式 LINUX操作系统概述 35 3 2 建立开发环境 38 3 2 1 ADS1 2 集成开发环境 38 3 2 2 建立交叉编译环境 39 3 3 引导加载程序 BOOT LOADER的移植 39 山东师范大学硕士学位论文 2 3 3 1 Boot Loader 的烧录和存储 40 3 3 2 Boot Loader 的操作模式 40 3 4 CLINUX操作系统内核的移植 41 3 4 1 编译 Clinux 内核 41 3 4 2 内核的加载运行 42 第四章 TCP IP 在嵌入式系统的应用 43 4 1 TCP IP 协议 43 4 1 1 TCP IP 协议的层次模型 43 4 1 2 网络层协议 44 4 1 3 传输层协议 46 4 1 4 应用层协议 51 4 2 TCP IP 协议栈在 CLINUX下的实现 52 4 2 1 ARP 协议的实现 52 4 2 2 IP 协议的实现 52 4 2 3 TCP 协议的实现 53 4 2 4 HTTP 协议的实现 53 第五章 嵌入式 WEB 服务器的实现 55 5 1 嵌入式 WEB 服务器概述 55 5 2 BOA 服务器的移植 56 5 3 CLINUX下实现静态 WEB 页面的访问 57 5 4 CLINUX实现动态 WEB 页面的访问 58 第六章 总结与展望 61 6 1 研究工作总结 61 6 2 不足与展望 61 注 释 63 参考文献 64 致 谢 65 攻读硕士学位期间发表学术论文目录 66 山东师范大学硕士学位论文 3 第一章第一章 引引 言言 1 1 嵌入式系统概述 1 1 1 嵌入式系统的概念嵌入式系统的概念 随着嵌入式系统在消费电子 工业控制 航空航天 汽车电子 医疗保健 网络 通信等各个领域的广泛应用 嵌入式系统这个名词已经被各行各业的科技人员所熟悉 嵌入式系统已经走进千家万户 它正在以各种不同的形式改变着人们的生产 生活方 式 嵌入式系统 Embedded System 从广义上讲 凡是带有微处理器的专用软硬件 系统都可称为嵌入式系统 比如各类单片机系统 这些系统在完成较为单一的专业功 能时具有简洁高效的特点 但是由于它们没有使用操作系统 管理硬件的能力有限 很难实现多任务的功能 从狭义上讲 嵌入式系统是以应用为中心 以计算机技术为 基础 软硬件可裁减 符合应用系统对功能 可靠性 成本 体积 功耗等要求的专 用计算机系统 1 1 1 2 嵌入式系统的组成和特点嵌入式系统的组成和特点 嵌入式系统一般由硬件平台和软件平台两部分组成 其中硬件平台由嵌入式微处 理器和外围硬件设备组成 主要包括微处理器 存储器 I O 端口和图形控制器等 而 软件平台由嵌入式操作系统和应用软件组成 嵌入式系统是面向应用 产品和用户的 和通用计算机不同 嵌入式系统的硬件 和软件都必须高效率的设计 量体裁衣 尽量以最小的系统 最低的成本去实现目标 功能 它通常都具有低功耗 体积小 集成度高等特点 下面从硬件和软件两方面介 绍嵌入式系统的特点 1 硬件特点 嵌入式系统总是面向特定应用的 与通用计算机的硬件相比 它的硬件有如下特 点 1 体积小 集成度高 嵌入式系统总是去除冗余 力争用最小的系统完成目标功 能 山东师范大学硕士学位论文 4 2 低功耗 抗干扰能力强 能够在恶劣环境下正常工作 3 面向特定的应用 具体的嵌入式系统只能适合某一特定的应用 这是与通用计 算机的主要区别 2 软件特点 1 嵌入式软件的研发与硬件密切相关 由于嵌入式软件的开发是针对具体硬件平 台进行的 涉及到硬件驱动程序方面知识 2 软件代码要求高效率和高可靠性 由于嵌入式系统中存储空间有限 在软件的 编程过程中必须考虑软件的运行效率 同时选用高效率的编译工具 3 软件一般固化在 Flash 或 ROM 中 为了提高运行速度和系统的可靠性 同时缩 短系统复位时间 一般在嵌入式软件调试好后 会下载固化到目标板中的 Flash ROM 或 EPROM 中 1 1 3 嵌入式系统的应用及发展趋势嵌入式系统的应用及发展趋势 随着计算机技术的不断发展 嵌入式系统已经渗透到各个领域中 主要包括 1 虚拟现实 在教育技术中 虚拟现实已经越来越广泛的应用于教学活动中 其中 许多硬件 设备都是通过嵌入式系统来实现的 2 工业控制 目前已经有大量的 8 16 32 位嵌入式微控制器应用在工业过程控制 数控机床 电力系统 电网安全 石油化工系统等领域 3 交通管理 在车辆管理 流量控制 汽车服务等方面 嵌入式系统技术已经获得广泛的应用 内嵌 GPS 模块 GSM 模块的移动定位终端已经在各种运输行业得到了广泛的应用 4 信息家电 信息家电将成为嵌入式系统最大的应用领域 家用电器的网络化 智能化将引领 人们的生活进入一个全新的空间 嵌入式系统技术可以实现用户不在家 便可以通过 网络对家中电器进行远程控制 5 家庭智能管理系统 带有专用控制芯片的水 电 煤气表将替代传统的人工抄表 它能实现远程充值 控制和管理及更高标准的安全性能 山东师范大学硕士学位论文 5 6 消费类电子 消费类电子包括常见的数字电子产品 智能玩具等 它给人们的生活带来更多的 便捷和欢乐 嵌入式系统从上世纪七十年代出现以来 发展至今已有近 40 年历史 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系统 同时具有检测 伺服 指示设备相配合的功能 第二阶段是以嵌入式中央处理器为基础 以简单操作系统为 核心的嵌入式系统 这种嵌入式系统的主要任务是用来控制系统负载 以及监控应用 程序的运行 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入微控制器系统 这一阶段系 统的特点是嵌入式操作系统能够运行于各种不同类型的处理器上 操作系统内核精小 效率高 模块化程度高 具有文件和目录管理 支持多任务处理 支持网络操作 具 有图形窗口和用户界面等功能 具有大量的应用程序接口 开发程序简单 并且嵌入 式应用软件应用丰富 第四阶段是以网络操作为标志的嵌入式系统 这是今后的发展 趋势 2 未来嵌入式系统的主要发展趋势 1 由于嵌入式开发是一项系统工程 因此要求厂商不仅提供硬件 还要提供相应 的开发工具和操作系统的支持 2 随着因特网技术的成熟和宽带信息传送速度的提高 各应用领域对网络化 信 息化的要求不断提高 使得以往单一功能的产品向智能化 网络化方向发展 3 精简系统内核 算法 降低功耗和软硬件成本 4 给用户提供精巧 友好的多媒体人机界面 1 2 嵌入式微处理器和操作系统概述 1 2 1 嵌入式微处理器嵌入式微处理器 8 8 嵌入式系统硬件一般由嵌入式微处理器 存储器和输入 输出部分组成 其中嵌入 式微处理器是嵌入式硬件系统的核心 山东师范大学硕士学位论文 6 嵌入式微处理器的字长宽度可分为 4 位 8 位 16 位 32 位和 64 位 一般把 16 位及以下的称为嵌入式微控制器 32 位及以上的称为嵌入式微处理器 微处理器内部 仅包含单纯的中央处理器单元称为一般用途型微处理器 将 CPU ROM RAM 及 I O 等部件集成到同一个芯片上 称为单芯片微控制器 根据用途 可以分为嵌入式微控制器 嵌入式微处理器 嵌入式数字信号处理器 嵌入式片上系统 双核或多核处理器等类型 1 嵌入式微控制器 嵌入式微控制器 Micro Controller Unit MCU 又称为单片机 芯片内部集成 R OM EPROM RAM 总线 总线逻辑 定时 计数器 看门狗 I O 串行口 脉宽 调制输出 PWM A D D A Flash EEPROM 等各种必要功能和外设 嵌入式微 控制器具有单片化 体积小 功耗低 成本低 可靠性高等特点 约占嵌入式系统市 场份额的 70 嵌入式微控制器品种和数量很多 典型产品有 8051 MCS 251 MCS 96 196 296 C166 167 68K 系列 TI 公司的 MSP430 系列和 Motorola 公司的 68H12 系列 以及 MCU8XC930 931 C540 C541 并且有支持 I2C CAN BUS LCD 及众 多专用嵌入式微控制器和兼容系列 2 嵌入式微处理器 嵌入式微处理器 Embedded Micro Processing Unit EMPU 由通用计算机中的 CPU 发展而来 嵌入式微处理器只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件 去除其他 的冗余功能部分 以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求 通常嵌入式微处 理器把 CPU ROM RAM 及 I O 等集成到同一个芯片上 32 位微处理器采用 32 位的 地址和数据总线 其地址空间达到了 232B 4GB 目前主流的 32 位嵌入式微处理器系 列主要有 ARM 系列 MIPS 系列 PowerPC 系列等 3 嵌入式数字信号处理器 嵌入式数字信号处理器 Digital Signal Processor DSP 是专门用于信号处理方 面的处理器 芯片内部采用程序和数据分开存储和传输的哈佛结构 具有专门硬件乘 法器 采用流水线操作 提供特殊的 DSP 指令 可用来快速地实现各种数字信号处理 算法 使其处理速度比最快的 CPU 还快 10 50 倍 DSP 运算速度的提高主要依靠新工艺改进芯片结构 目前一般的 DSP 运算速度为 100MIPS 即每秒钟可运算 1 亿条指令 TI 的 TM320C6X 芯片由于采用超长指令字 山东师范大学硕士学位论文 7 结构设计 其处理速度已高达 2000MIPS 按照发展趋势 DSP 的运算速度完全可能再 提高 100 倍 达到 1600GIPS 4 嵌入式片上系统 嵌入式片上系统 System On Chip SOC 最大的特点是成功实现了软硬件无缝 结合 直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块 而且具有极高的综合性 在一个 芯片内部运用 VHDL 等硬件描述语言 即可实现一个复杂的系统 与传统的系统设计 不同 用户不需要绘制庞大复杂的电路板 一点点地连接焊制 只需要使用精确的语 言 综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标准 然后通过仿真之后 就可以直接交付芯片厂商进行生产 设计生产效率高 5 多核处理器 将两个或多个 CPU 核封装在一个芯片内部 可节省大量的晶体管和封装成本 同 时还能显著提高处理器的性能 另外 由于多核处理器对外的 界面 是统一的 用 户不会在主板 硬件体系方面做大的改变 从兼容性和系统升级成本方面来考虑有诸 多的优势 实现两个或多个内核协调工作通常采用对称多处理技术和非对称多处理技术两种 方式 例如 IBM Power 4 处理器采用对称多处理技术 将两颗完全一样的处理器封装 在一个芯片内 达到双倍或接近双倍的处理性能 由于共享了缓存和系统总线 因此 这种做法的优点是能节省运算资源 例如 TI 公司的 OMAP5910 双核处理器采用一种 非对称多处理的工作方式 即两个处理内核彼此不同 各自处理和执行特定的功能 在软件的协调下分担不同的计算任务 比如一个执行加密 而另一个执行 TCP IP 协议 处理 1 2 2 嵌入式操作系统嵌入式操作系统 嵌入式操作系统已经从简单走向成熟 有代表性的产品主要有 VxWorks Palm OS Windows CE C OS 及嵌入式 linux 等 占据了机顶盒 PDA 等的绝大部分市场 1 VxWorks VxWorks 操作系统是美国 WindRiver 公司于 1983 年设计开发的一种实时操作系统 VxWorks 拥有良好的持续发展能力 高性能的内核以及良好的用户开发环境 它以其 山东师范大学硕士学位论文 8 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 它是目前嵌入式系统领域中使用最广泛 市场占有率最 高的系统 它支持多种处理器 如 x86 MIPS RX000 Power PC ARM StrongARM 等 8 2 Palm OS 3Com 公司的 Palm OS 在掌上电脑和 PDA 市场上占有很大的市场份额 它有开放 的操作系统应用程序接口 API 开发商可以根据需要自行开发所需的应用程序 目前 共有 3500 多个应用程序可以运行在 Palm Pilot 上 其中大部分应用程序均为其他厂商 和个人所开发 使 Palm Pilot 的功能得以不断增多 3 Windows CE Microsoft Windows CE 是从整体上为有限资源的平台设计的多线程 完整优先权 多任务的操作系统 它的模块化设计允许它对从掌上电脑到专用的工业控制器的用户 电子设备进行定制 操作系统的基本内核至少需要 200KB 的 ROM 4 C OS C OS 是源码公开的实时嵌入式操作系统 C OS 的主要特点 公开源代码 系统透明 很容易就能把操作系统移植到各个不同的硬件平台上 可移植性强 C OS 绝大部分源码是用 ANSI C 写的 可移植性较强 可固化 C OS 是为嵌 入式应用而设计的 只要开发者有固化手段 C 编译 连接 下载和固化 C OS 可以嵌入到开发者的产品中成为产品的一部分 可裁剪 通过条件编译可以只使用 C OS 中应用程序需要的那些系统服务程序 以减少产品中的 C OS 所需的存储 器空间 占先式 C OS 完全是占先式的实时内核 这意味着 C OS 总是运行就 绪条件下优先级最高的任务 大多数商业内核也是占先式的 C OS 在性能上和它 们类似 8 5 嵌入式 Linux 随着 Linux 的迅速发展 嵌入式 Linux 现在已经有许多版本 包括强实时的嵌入式 Linux 如新墨西哥工学院的 RT Linux 和堪萨斯大学的 KURT Linux 和一般的嵌入式 Linux 版本 如 Clinux 和 Pocket Linux 等 其中 RT Linux 通过把通常的 Linux 任务优先级设为最低 而所有的实时任务的 山东师范大学硕士学位论文 9 优先级都高于它 以达到既兼容通常的 Linux 任务又保证强实时性能的目的 另一种常用的嵌入式 Linux 是 Clinux 它是针对没有 MMU 的处理器而设计的 它不能使用处理器的虚拟内存管理技术 它对内存的访问是直接的 所有程序中访问 的地址都是实际的物理地址 它专为嵌入式系统做了许多小型化的工作 8 由于嵌入式系统越来越追求数字化 网络化和智能化 因此原来在某些设备或领 域中占主导地位的软件系统越来越难以为继 因为要达到上述要求 整个系统必须是 开放的 提供标准的 API 并且能够方便地与众多第三方的软硬件沟通 Linux 主要特 点如下 Linux 是开放源码的 遍布全球的众多 Linux 爱好者又是 Linux 开发的强大技术 后盾 Linux 的内核小 功能强大 运行稳定 系统健壮 效率高 Linux 易于定制裁剪 在价格上极具竞争力 Linux 不仅支持 x86 CPU 还可以支持其他数十种 CPU 芯片 Linux 沿用了 Unix 的发展方式 遵循国际标准 可以方便地获得众多第三方软硬 件厂商的支持 Linux 内核的结构在网络方面是非常完整的 它提供了对十兆 百兆 千兆以太网 无线网络 令牌网 光纤网 卫星网等多种联网方式的全面支持 1 3 嵌入式 WEB 服务器 嵌入式系统已经应用在社会的各个领域中 但是 目前大多数嵌入式系统还处于 单独应用的阶段 以 MCU 为核心 与一些监测 伺服 指示设备配合实现一定的功能 在一些工业控制和汽车电子应用中 为了实现多个 MCU 之间的信息交流 利用 CAN RS 232 RS 485 等总线将 MCU 组网 但这种网络的范围比较有限 有关的通 信协议也比较简单 并且一般是孤立于 Internet 之外的 Internet 现已成为社会重要的 基础信息设施之一 是信息流通的重要渠道 如果嵌入式系统能够连接到 Internet 上 则可以方便 低廉地将信息传送到几乎世界上的任何一个地方 并可方便地实现远程 控制 构建嵌入式 WEB 服务器为嵌入式系统连入 Internet 提供了可能 山东师范大学硕士学位论文 10 1 4 论文研究目的及主要研究工作 论文主要从硬件和软件两方面来研究嵌入式 WEB 服务器 在硬件方面 通过比较 各种不同的微处理器的性能 最后选定一种应用广泛和性价比高的微处理器作为硬件 平台 以此平台为基础 构建所需的各种外围设备 满足开发的需要 在软件方面 主要运用开源代码 功能强大的 Linux 操作系统 经过裁剪 移植到开发板上 运用 TCP IP 协议实现连入 Internet 论文主要研究工作如下 1 研究选定嵌入式微处理器设计构建开发平台所需的外围接口电路 为下一步的 开发提供高效 可靠的硬件平台 2 研究嵌入式操作系统的移植方法和嵌入式 WEB 服务器的具体实现 为嵌入式 系统构建一个 WEB 服务器 通过 Internet 来实现对嵌入式终端系统的远程监控 需要 为该嵌入式系统构建一个 WEB 服务器 利用终端机的浏览器和客户软件直接访问嵌入 式 WEB 服务器 而不需要 PC 机来作为交互的媒介 3 研究网络通信原理 利用 TCP IP 协议和 Socket 套接字实现嵌入式 WEB 服务器 和客户端的网络通信 4 分析 CGI 原理 设计嵌入式 WEB 服务器应用程序 构建好了 WEB 服务器后 还要使用动态网页技术为其研发应用程序 因为单单的静态网页是满足不了服务器和 客户端交互的功能的 山东师范大学硕士学位论文 11 第二章 系统硬件的设计 2 1 微处理器选型 1 1 目前 32 位微处理器的种类很多 开发生产公司也不少 其中基于 ARM 技术的 微处理器应用约占据了 32 位 RISC 微处理器 75 以上的市场份额 成为市场的主流 产品 1 ARM Advanced RISC Machines 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 1991 年 ARM 公司成立于英国 剑桥 主要出售芯片设计技术的授权 我们通常所说的 ARM 微处理器 就是采用 ARM 知识产权 IP 内核的微处理器 现在已经遍及工业控制 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 ARM 技术正在逐步渗入到我们生活的各 个方面 ARM 微处理器目前包括下面几个系列 除了具有 ARM 体系结构的共同特点以 外 每一个系列的 ARM 微处理器都有各自的特点和应用领域 1 ARM7 系列 2 ARM9 系列 3 ARM9E 系列 4 ARM10E 系列 5 SecurCore 系列 6 Inter 的 Xscale 7 Inter 的 StrongARM 其中 ARM7 ARM9 ARM9E 和 ARM10 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 SecurCore 系列专门为安全要求 较高的应用而设计 以下我们来详细了解一下各种微处理器的特点及应用领域 山东师范大学硕士学位论文 12 2 1 1 ARM7 微处理器系列微处理器系列 ARM7 系列微处理器为低功耗的 32 位 RISC 处理器 最适合用于对性价比和功耗 要求较高的消费类应用 ARM7 微处理器系列具有如下特点 1 具有嵌入式 ICE RT 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 9MIPS MHz 的三级流水线结构 4 代码密度高并兼容 16 位的 Thumb 指令集 5 对操作系统的支持广泛 包括 Windows CE Linux Palm OS 等 6 指令系统与 ARM9 系列 ARM9E 系列和 ARM10E 系列兼容 便于用户的产 品升级换代 7 主频最高可达 130MIPS 高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用 ARM7 系列微处理器的主要应用领域为 工业控制 Internet 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 ARM7 系列微处理器包括如下几种类型的核 ARM7TDMI ARM7TDMI S ARM720T ARM7EJ 其中 ARM7TMDI 是目前使用最广泛的 32 位嵌入式 RISC 处 理器 属低端 ARM 处理器核 TDMI 的基本含义为 T 支持 16 位压缩指令集 Thumb D 支持片上 Debug M 内嵌硬件乘法器 Multiplier I 嵌入式 ICE 支持片上断点和调试点 2 1 2 ARM9 微处理器系列微处理器系列 ARM9 系列微处理器在高性能和低功耗方面提供最佳的性能 具有以下特点 1 5 级整数流水线 指令执行效率更高 2 提供 1 1MIPS MHz 的哈佛结构 3 支持 32 位 ARM 指令集和 16 位 Thumb 指令集 4 支持 32 位的高速 AMBA 总线接口 5 全性能的 MMU 支持 Windows CE Linux Palm OS 等多种主流嵌入式操作 系统 山东师范大学硕士学位论文 13 6 MPU 支持实时操作系统 7 支持数据 Cache 和指令 Cache 具有更高的指令和数据处理能力 ARM9 系列微处理器主要应用于无线设备 仪器仪表 安全系统 机顶盒 高端 打印机 数字照相机和数字摄像机等 ARM9 系列微处理器包含 ARM920T ARM922T 和 ARM940T 三种类型 以适 用于不同的应用场合 2 1 3 ARM9E 微处理器系列微处理器系列 ARM9E 系列微处理器为可综合处理器 使用单一的处理器内核提供了微控制器 DSP Java 应用系统的解决方案 极大的减少了芯片的面积和系统的复杂程度 ARM9E 系列微处理器提供了增强的 DSP 处理能力 非常适合于那些需要同时使用 DSP 和微控制器的应用场合 ARM9E 系列微处理器的主要特点如下 1 支持 DSP 指令集 适合于需要高速数字信号处理的场合 2 5 级整数流水线 指令执行效率更高 3 支持 32 位 ARM 指令集和 16 位 Thumb 指令集 4 支持 32 位的高速 AMBA 总线接口 5 支持 VFP9 浮点处理协处理器 6 全性能的 MMU 支持 Windows CE Linux Palm OS 等多种主流嵌入式操作 系统 7 MPU 支持实时操作系统 8 支持数据 Cache 和指令 Cache 具有更高的指令和数据处理能力 9 主频最高可达 300MIPS ARM9 系列微处理器主要应用于下一代无线设备 数字消费品 成像设备 工业 控制 存储设备和网络设备等领域 ARM9E 系列微处理器包含 ARM926EJ S ARM946E S 和 ARM966E S 三种类型 以适用于不同的应用场合 山东师范大学硕士学位论文 14 2 1 4 ARM10E 微处理器系列微处理器系列 ARM10E 系列微处理器具有高性能 低功耗的特点 由于采用了新的体系结构 与同等的 ARM9 器件相比较 在同样的时钟频率下 性能提高了近 50 同时 ARM10E 系列微处理器采用了两种先进的节能方式 使其功耗极低 ARM10E 系列微处理器的主要特点如下 1 支持 DSP 指令集 适合于需要高速数字信号处理的场合 2 6 级整数流水线 指令执行效率更高 3 支持 32 位 ARM 指令集和 16 位 Thumb 指令集 4 支持 32 位的高速 AMBA 总线接口 5 支持 VFP10 浮点处理协处理器 6 全性能的 MMU 支持 Windows CE Linux Palm OS 等多种主流嵌入式操作 系统 7 支持数据 Cache 和指令 Cache 具有更高的指令和数据处理能力 8 主频最高可达 400MIPS 9 内嵌并行读 写操作部件 ARM10E 系列微处理器主要应用于下一代无线设备 数字消费品 成像设备 工 业控制 通信和信息系统等领域 ARM10E 系列微处理器包含 ARM1020E ARM1022E 和 ARM1026EJ S 三种类 型 以适用于不同的应用场合 2 1 5 SecurCore 微处理器系列微处理器系列 SecurCore 系列微处理器专为安全需要而设计 提供了完善的 32 位 RISC 技术的安 全解决方案 因此 SecurCore 系列微处理器除了具有 ARM 体系结构的低功耗 高性 能的特点外 还具有其独特的优势 即提供了对安全解决方案的支持 SecurCore 系列微处理器除了具有 ARM 体系结构各种主要特点外 还在系统安全 方面具有如下的特点 1 带有灵活的保护单元 以确保操作系统和应用数据的安全 2 采用软内核技术 防止外部对其进行扫描探测 3 可集成用户自己的安全特性和其他协处理器 山东师范大学硕士学位论文 15 SecurCore 系列微处理器主要应用于一些对安全性要求较高的应用产品及应用系统 如电子商务 电子政务 电子银行业务 网络和认证系统等领域 SecurCore 系列微处理器包含 SecurCore SC100 SecurCore SC110 SecurCore SC200 和 SecurCore SC210 四种类型 以适用于不同的应用场合 2 1 6 StrongARM 微处理器系列微处理器系列 Interl StrongARM SA 1100 处理器是采用 ARM 体系结构高度集成的 32 位 RISC 微 处理器 它融合了 Interl 公司的设计和处理技术以及 ARM 体系结构的电源效率 采用 在软件上兼容 ARMv4 体系结构 同时采用具有 Interl 技术优点的体系结构 Interl StrongARM 处理器是便携式通讯产品和消费类电子产品的理想选择 已成功 应用于多家公司的掌上电脑系列产品 2 1 7 Xscale 处理器处理器 Xscale 处理器是基于 ARMv5TE 体系结构的解决方案 是一款全性能 高性价比 低功耗的处理器 它支持 16 位的 Thumb 指令和 DSP 指令集 已使用在数字移动电话 个人数字助理和网络产品等场合 Xscale 处理器是 Inter 目前主要推广的一款 ARM 微处理器 基于 ARM 系列微处理器 不同的微处理器能够满足不同的开发需求 根据本论文 的研究目标 构建嵌入式 WEB 服务器 用尽量少的硬件资源来满足我们的需求 这 也正是嵌入式系统开发的特点 选用三星公司生产的以 ARM7TDMI 为微处理器的硬 件平台 S34510B 其特点是没有内存管理单元 MMU 不能支持标准 Linux 操作系 统 但在该平台上可以运行经过裁减的 Clinux 操作系统 能够满足我们开发的需要 也符合嵌入式系统开发的原则 2 2S3C4510B 硬件平台的设计 3 S3C4510B 是三星公司推出的针对嵌入式应用的32位嵌入式处理器 它的核心是基 于ARM公司的ARM7TDMI实现的 集成了多种外围部件 主要有 8KB 的Cache SRAM 一个10 100Mbps 以太网控制器 提供MII接口 山东师范大学硕士学位论文 16 两个HDLC通道 每个通道可支持10Mbps 两个UART通道 两个DMA通道 两个32位定时 计数器 18个可编程I O口 中断控制器 支持21个中断源 包括4个外部中断 支持SDRAM EDO DRAM SRAM Flash等 具有扩展外部总线 JTAG逻辑测试部件 支持软 硬件开发 图 2 1 是 ARM Linux 评估开发板的结构框图 各部分基本功能描述如下 串行接口电路用于 S3C4510B 系统与其他应用系统的短距离双向串行通讯 复位电路可完成系统上电复位和在系统工作时用户按键复位 电源电路为 3 3V 到 5V 的 DC DC 转换器 给 S3C4510B 及其他需要 3 3V 电源 的外围电路供电 10MHz 有源晶振为系统提供工作时钟 通过片内 PLL 电路倍频为 50MHz 作 为微处理器的工作时钟 FLASH 存储器可存放已调试好的用户应用程序 嵌入式操作系统或其他在系 统掉电后需要保存的用户数据等 SDRAM 存储器作为系统运行时的主要区域 系统运行时的临时数据 堆栈均 位于 SDRAM 存储器中 10M 100M 以太网接口为系统提供以太网接入的物理通道 通过该接口 系统 以 10M 100Mbps 的速率接入以太网 JTAG 接口可对芯片内部的所有部件进行访问 通过该接口可对系统进行调试 编程等 I2C 存储器可存储少量需要长期保存的用户数据 系统总线扩展引出了数据总线 地址总线和控制总线 便于用户根据自身的特 定需求 扩展外围电路 山东师范大学硕士学位论文 17 5V D C D C R J45 9 D LED 14 JTAG 20 JTAG 10M H z S3C 4510B AR M 7TD M I PH YR S232 SD R AM FLASH I I C 图 2 1 ARM Linux 评估开发板的结构框图 Samsung 公司的 S3C4510B 是基于以太网应用系统的高性价比 16 32 位 RISC 微控 制器 内含一个由 ARM 公司设计的 16 32 位 ARM7TDMI RISC 处理器核 ARM7TDMI 为低功耗 高性能的 16 32 位内核 最适合用于对价格及功耗敏感的应用 场合 除了 ARM7TDMI 核以外 S3C4510B 比较重要的片内外围功能模块包括 2 个带缓冲描述符 Buffer Descriptor 的 HDLC 通道 2 个 UART 通道 2 个 GDMA 通道 2 个 32 位定时器 18 个可编程的 I O 口 片内的逻辑控制电路包括 中断控制器 DRAM SDRAM 控制器 ROM SRAM 和 FLASH 控制器 系统管理器 一个内部 32 位系统总线仲裁器 山东师范大学硕士学位论文 18 一个外部存储器控制器 S3C4510B 结构框图如图 2 2 所示 图 2 2 S3C4510B 结构框图 S3C4510B 的特性描述如下 体系结构体系结构 用于嵌入式以太网应用的集成系统 全16 32位的RISC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 含效率高 功能强的ARM7TDMI处理器核 高性价比 基于JTAG接口的调试方案 边界扫描接口 系统管理器系统管理器 支持ROM SRAM FLASH DRAM和外部I O 以8 16 32位的方式操作 山东师范大学硕士学位论文 19 带总线请求 应答引脚的外部总线控制器 支持EDO 常规或SDRAM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DMA接口 一体化的指令一体化的指令 数据数据 一体化的8KCache 支持LRC 近期最少使用 替换算法 Cache可配置为内部SRAM I2C 接接口 仅支持主控模式 串行时钟由波特率发生器生成 Ethernet 控制器控制器 带触发模式的DMA引擎 DMA发送 接收缓冲区 256B发送 256B接收 MAC发送 接收FIFO缓冲区 80B发送 16B接收 数据对准逻辑 支持端模式变换 100M 10Mbps的工作速率 与IEEE802 3标准完全兼容 提供MII和7线制10Mbps接口 站管理信号生成 片内CAM 可达21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PDA生成 HDLC High Level Data Link Control 高层数据链路协议高层数据链路协议 HDLC 协议特征 标志检测与同步 零插入与删除 空闲检测和发送 FCS生 成和检测 16位 终止检测与发送 地址搜索模式 可扩展到四字节 山东师范大学硕士学位论文 20 可选择CRC模式或非CRC模式 用于时钟恢复的数字PLL模块 波特率生成器 发送和接收支持NRZ NRZI FM 曼切斯特数据格式 回环与自动回波模式 8字的发送和接收FIFO 可选的1字或4字数据传送方式 数据对准逻辑 可编程中断 Modem接口 高达10Mbps 的工作速率 基于8位位组的HDLC帧长度 每个HDLC有2通道DMA缓冲描述符用于发送和接收 DMA控制器控制器 用于存储器到存储器 存储器到UATR UATR到存储器数据传送的2通道通用 DMA控制器 不受CPU干预 可由程序或外部DMA请求启动 可增减源地址或目的地址 无论8位 16位或32位数据传输 4种数据触发模式 UART 2个可工作于DMA方式或中断方式的UART模块 支持5 6 7 8位的串行数据发送和接收 波特率可编程 1位或2位停止位 奇 偶校验 间隔信号的生成与检测 奇偶校验 覆盖和帧错误检测 16时钟模式 支持红外发送和接收 定时器定时器 山东师范大学硕士学位论文 21 2个可编程32位定时器 间隔模式或触发模式工作 可编程可编程I OI O 口口 18个可编程I O口 可分别配置为输入模式 输出模式或特殊功能模式 中断控制器中断控制器 21个中断源 包括4个外部中断源 正常中断或快速中断模式 IRQ FIQ 基于优先级的中断处理 PLL 外部时钟可由片内PLL倍频以提高系统时钟 输入频率范围 10 40MHz 输出频率可以是输入时钟的5倍 工作电压工作电压 3 3V 偏差不超过5 工作温度工作温度 0oC 70oC 工作频率工作频率 最高为50MHz 封装形式封装形式 208 脚 QFP 封装 2 2 1 电源电路的设计电源电路的设计 在该系统中需要使用 5V 和 3 3V 的直流稳压电源 其中 S3C4510B 及外围部件 需要 3 3V 的电源 其他部分外围部件需要 5V 的电源 为简化电源电路的设计 现用 一个稳定的 5V 电源转换器 然后通过 DC DC 变换电路使其转换为 3 3V 的电源 电路 图如图 2 2 所示 山东师范大学硕士学位论文 22 图 2 3 电源电路 2 2 2 晶振电路的设计晶振电路的设计 晶振电路用于向 CPU 及其它电路提供工作时钟 为了获得更稳定的运行环境 在 该系统中 根据 S3C4510B 的最高工作频率以及 PLL 电路的工作方式 选择 10MHz 的 有源晶振 经过 S3C4510B 片内的 PLL 电路倍频后 最高可达 50MHZ 片内的 PLL 电路兼有频率放大和信号提纯的功能 因此 系统能以较低的外部时钟信号获得较高 的工作频率 以降低因高速开关时钟所造成的高频噪声 有源晶振的1脚接5V电源 2脚悬空 3脚接地 4脚为晶振的输出 可通过一个小 电阻 此处为22欧姆 接S3C4510B的XCLK引脚 电路图如图2 4所示 图2 4 晶振电路 山东师范大学硕士学位论文 23 2 2 3 复位电路的设计复位电路的设计 在系统中 复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行时用户的按键复位功 能 复位电路可由简单的RC电路构成 也可使用其他的相对较复杂 但功能更完善的 电路 本系统采用较简单的 RC 复位电路 经使用证明 其复位逻辑是可靠的 复位电 路如图 2 5 所示 图 2 5 复位电路 该复位电路的工作原理如下 在系统上电时 通过电阻R1向电容C1充电 当C1两 端的电压未达到高电平的门限电压时 Reset端输出为低电平 系统处于复位状态 当 C1两端的电压达到高电平的门限电压时 Reset端输出为高电平 系统进入正常工作状 态 当用户按下按钮S1时 C1两端的电荷被放掉 Reset端输出为低电平 系统进入复 位状态 再重复以上的充电过程 系统进入正常工作状态 两级非门电路用于按钮去抖动和波形整形 nReset 端的输出状态与 Reset 端相反 以用于高电平复位的器件 通过调整 R1 和 C1 的参数 可调整复位时间 山东师范大学硕士学位论文 24 2 3 接口电路的设计 2 3 1 串行通信接口电路的设计串行通信接口电路的设计 几乎所有的微控制器 PC都提供串行接口 使用电子工业协会推荐的RS 232 C标 准 这是一种很常用的串行数据传输总线标准 它主要用于近距离的数据传输 传输 数据的格式依次为起始位 数据位 奇偶校验位 停止位 S3C4510B的UART 通用异步收发器 单元提供两个独立的异步串行I O SIO 口 可工作于DMA方式或中断方式 它支持5 6 7 8位的串行数据发送和接收 1位或2 位停止位 奇 偶校验 波特率可编程 还支持红外发送和接收 RS 232 C标准采用的接口是9芯或25芯的D型插头 以常用的9芯D型插头为例 各引脚定义如表2 1所示 表2 1 9芯D型插头引脚信号描述 引 脚 名 称 功 能 描 述 1 DCD 数据载波检测 2 RXD 数据接收 3 TXD 数据发送 4 DTR 数据终端准备好 5 GND 地 6 DSR 数据设备准备好 7 RTS 请求发送 8CTS清除发送 9RI振铃指示 要完成最基本的串行通信功能 实际上只需要 RXD TXD 和 GND 即可 但由于 RS 232 C 标准所定义的高 低电平信号与 S3C4510B 系统的 TTL 电路所定义的高 低电平信号完全不同 TTL 电路采用的是正逻辑方式 即标准逻辑 1 对应 2V 3 3V 电平 标准逻辑 0 对应 0V 0 4V 电平 而 RS 232 C 标准采用负逻辑方式 标准逻 辑 1 对应 5V 15V 电平 标准逻辑 0 对应 5V 15V 电平 显然 两者间要进行 通信必须经过信号电平的转换 目前常使用的电平转换电路为 MAX232 串行接口电 路图如图 2 6 所示 山东师范大学硕士学位论文 25 图 2 6 串行接口电路 2 3 2 JTAG 接口电路的设计接口电路的设计 JTAG Joint Test Action Group 联合测试行动小组 是一种国际标准测试协议 主 要用于芯片内部测试及对系统进行仿真 调试 JTAG 技术是一种嵌入式调试技术 它 在芯片内部封装了专门的测试电路 TAP Test Access Port 测试访问口 通过专用的 JTAG 测试工具对内部节点进行测试 目前大多数比较复杂的器件都支持 JTAG 协议 如 ARM DSP FPGA 器件等 标准的 JTAG 接口是 4 线 TMS TCK TDI TDO 分别为测试模式选择 测试时钟 测试数据输入和测试数据 输出 JTAG 测试允许多个器件通过 JTAG 接口串联在一起 形成一个 JTAG 链 能实现 对各个器件分别测试 JTAG 接口还常用于实现 ISP In System Programlnable 在系统编 程 功能 如对 FLASH 器件进行编程等 通过 JTAG 接口 可对芯片内部的所有部件 进行访问 因而是开发调试嵌入式系统的一种简洁高效的手段 目前 JTAG 接口的连 接有两种标准 即 14 针接口和 20 针接口 14 针 JTAG 接口定义 表2 2 14针JTAG接口定义 引 脚 名 称 描 述 1 13 VCC 接电源 山东师范大学硕士学位论文 26 2 4 6 8 10 14 GND 接地 3 nTRST 测试系统复位信号 5 TDI 测试数据串行输入 7 TMS 测试模式选择 9 TCK 测试时钟 11 TDO 测试数据串行输出 12 NC 未连接 20 针 JTAG 接口定义 表2 3 20针JTAG接口定义 引 脚 名 称 描 述 1 VTref 目标板参考电压 接电 源 2 VCC 接电源 3 nTRST 测试系统复位信号 4 6 8 10 12 14 16 18 20 GND 接地 5 TDI 测试数据串行输入 7 TMS 测试模式选择 9 TCK 测试时钟 11 RTCK 测试时钟返回信号 13 TDO 测试数据串行输出 15 nRESET 目标系统复位信号 17 19 NC 未连接 本系统采用 14 针的 JTAG 接口 电路图如图 2 7 所示 图 2 7 JTAG 电路 山东师范大学硕士学位论文 27 2 3 3 SDRAM 接口电路的设计接口电路的设计 SDRAM 在系统中主要用作程序的运行空间 数据及堆栈区 当系统启动时 CPU 首先从复位地址 0 x0 处读取启动代码 在完成系统的初始化后 程序代码一般应调入 SDRAM 中运行 以提高系统的运行速度 同时 系统及用户堆栈 运行数据也都放 在 SDRAM 中 SDRAM具有单位空间存储容量大和价格便宜的优点 已广泛应用在各种嵌入式系 统中 SDRAM的存储单元可以理解为一个电容 总是倾向于放电 为避免数据丢失 必须定时刷新 充电 因此 要在系统中使用SDRAM 就要求微处理器具有刷新控 制逻辑 或在系统中另外加入刷新控制逻辑电路 S3C4510B及其他一些ARM芯片在片 内具有独立的SDRAM刷新控制逻辑 可方便的与SDRAM接口 但某些ARM芯片则没 有SDRAM刷新控制逻辑 就不能直接与SDRAM接口 在进行系统设计时应注意这一 点 目前常用的SDRAM为8位 16位的数据宽度 工作电压一般为3 3V 主要的生产厂 商为HYUNDAI Winbond等 他们生产的同型器件一般具有相同的电气特性和封装形 式 可通用 该系统中使用的是HY57V641620 简要描述一下SDRAM的基本特性及使用方法 HY57V641620存储容量为4组 16M位 8M字节 工作电压为3 3V 常见封装 为54脚TSOP 兼容LVTTL接口 支持自动刷新 Auto Refresh 和自刷新 Self Refresh 16位数据宽度 HY57V641620信号描