（检测技术与自动化装置专业论文）基于arm的嵌入式系统及其网络通信研究.pdf

摘要 嵌入式系统是一种将底层硬件、实时操作系统和应用软件相结合的专用计 算机系统，随着后p c 时代的到来，嵌入式系统在经济社会和人们的日常生活 中得到了越来越广泛的应用，已成为r r 发展的一个热点。同时，由于互联网的 应用日益普及，信息共享的程度不断提高，嵌入式系统设备网络化的需求也越 来越迫切，连通性、网络化正逐渐成为各类测控装置、现场仪器仪表以及家用 智能电器设计的发展方向，特别是与i n t e m e t 的结合。因此，嵌入式设备的i n t e m e t 网络化已成为目前网络发展的一个重要方向和必然趋势。据网络专家预测，将 来在互联网上传输的信息中，有7 0 来自小型嵌入式系统。 本文分析嵌入式系统的特点及基本结构，并比较了现有的嵌入式系统接入 i n t e m c t 的一些比较成熟的方案。在此基础上以a r m 7 处理器为核心完成了嵌 入式系统的硬件平台及网络接口设计，在此平台上实现了嵌入式系统i i i t e m e t 的通信。 系统采用p h i u p s 公司的a r m 7 处理器i j p c 2 2 1 0 作为主控芯片，并在嵌 入式最小系统的基础上设计了串行总线接口及以太网接口，便于实现嵌入式系 统网络化连接的多样性。在软件方面，移植了免费公开源码、面向中小型应用、 可抢占、多任务的实时嵌入式操作系统c o s 。由于c 0 s i i 内核中不支持 t c p ，妒协议栈，而嵌入式设备的i l l t e m e t 连接必须符合t c p ，讲网络协议规范。 为了适应嵌入式系统网络化的需要，本文通过对t c 即p 网络协议栈的深入分 析，提出了一种针对嵌入式系统的t c p 刀 p 协议的裁减优化方案，并对设计中的 一些关键技术作了比较详细的分析，实现了基本的a r p 协议、i p 协议、i c m p 协议、t c p 协议、u d p 协议，同时给出了协议具体的实现方法，构建了一个满 足嵌入式系统实时性、简单性、灵活性特点的嵌入式t c p ，口协议栈。最后，在 此t c p ，i p 协议基础上还实现了一个简单的嵌入式w 曲s e r r 。 本文实现的t c p 职协议栈及嵌入式系统，具有成本少、体积较小、传输速 度快、使用方便等特点，在远程数据采集、工业控制等领域有着广泛的应用前 景。 关键词：嵌入式系统； t c p i p ：弘c o s - ；a i t m 处理器 a b s t r a c t a sac u s t o m i z a t i 彻 c o m p u 血gs y s t e m t h a t i n t e 鲫t e w i t h h a r d w a r c ， a l - t i n l c o p e t a t i n gs y s t e m 孤da p p l i c a t i 衄s 0 脚a r e ，e m b e d d e ds y s t e mh a sb e c o m e m o r ew i d e l yu s e di nt h ea r e a0 fs o c i a ia d a i 墙a n dp e o p l e sl i v i n gw 量i j l ep o s t p ce r a i s i n g i th a sb c c o m eak c ya s p e c ti i lr r i n d u s 仃孓m e 孤w h n e ，弱ar 髂u l to f t h e i n t e m e tp o p u l a r i z a t i o na n dt l l ej i l l p m v e0 fi n f 0 彻a t i o ns h a r e dd e g r c e ，t l l ed e m 锄d0 f n e m o r k 仃e n di ne m b e d d e ds y s t e mi sm o r ea n dm o ”i i n p e m t i v e n e t 、o r k 衄d c o 栅c c t i v i t yi sn a wb e c o m h gl h ed e v c l 叩m e b l a ld i r e c t i o no fv a r i o u sm e s u r e 柚d c 0 曲f o ld e v i c c s 、k a li i l s t n 蚰e n t s 觚di n t e l l i g c mh o m ea p p i i 绷c c s ，e s p e c i a l l yt l l e c o 衄e c t i w i t hi n t e m e t t h u s n 峙c o n n e c t i o nb e t w e 姐e m b e d d e dd e v i c c sa n d h t e m c th 嬲b e c o m e 卸i m p o n 柚td i r e c t i o n 锄dn c c e 鼯a r yt r e n d a c c 0 柑i n gt 0t h e f o r e c 勰tb yn e t w o r ke x p e n ，i tw i l lb e7 0 i n f 0 咖a t i o nt r a 鹏m i t t c di nt h ch l t e m c t m 髓f b me m b e d d e ds y s t c m 。 n i sp a p c ra n a l y s 既t h ec h 啪c t e r i s t i c 柚db 勰i cs t u c t l i r co fe m b e d d e ds y s t e m 觚dc o m p a r c s m ca d v a n c e dt c c h n o l o g yu s e di ne i l i b e d d c ds y s t e mc o 蚰e c tt 0 h l t e m e t n i st l l e s i sc o m p l e t e st h eh a r d w a r cp l a t f o 肌柚dn e 抑o r ki m e f f a c ed e s i 萨 b a s e do n 慢m 7p d d c c e s s o rc o r e ，肌da l s oc 0 皿e c t st h es y s t e mt oi n t e m e t n i ss y s t e m1 l s e sl p c 2 2 1 0 ，w h i c hi sp r o d u c c db yp h i l i p sa n db a s c do na r m 7 a r c l l i t e c t u r c ，勰m a i nc o n t r o l l e r t h e nw ed e s i g n ss e r i a lb u sa i l de l h e m e ti i l t e r f a o e b a s e do nt h es i m p l ee m b e d d e ds y s t e mp m t o t y p ei l l0 r d e rt 0r c a l i z ct h ed i v e r s i t yo f e m b e d d e ds y s t c mn e t w o r k w et m s p h n t e s c 0 s - i io p e r a t i n gs y s t c mw h i c hc o d e i sf f c e 、u s e di ns i m p l ea p p l i c a t i o ns i t u a t i o na i l dh 勰m u l t i t a s kk e m e l 1 1 l c 锄b e d d e d s y s t e mc o n i l c c t s t oi l l t e i c tm u s ta c c o r dw i t l lt c p 口c r i t e r i o n b u t 弘o ，0 s i i o p e r a t j n gs y s t e md o e s n ts u p p o r tt c p i pp r o t o c 0 1 s oi l lo r d c rt 0a d a p tt h en e e do f e m b e d d e ds y s t 锄n e t w o r k ，t h i st h c s i sr a i s e sao p t i m i z ep l 柚o fe i n b e d d e dt c 跏pb y a n a l y z i n gt c p i pp f o t o c o i 锄ds o m ek e yt e c l l i l o l o g yd e 印l y r c a l i z e st h eb 勰i c a l a r p 、口、i c m p 、t c p 、u d pp r o t o c o l 柚da l s o 舀v e st h ei d i o 铲a p l l i cm e t h o d a “勰t ， t h cp a p e rc o n s t n i c t s 姐e m b e d d e dt c p 口p r o t o c o lt 0f u m lt h en e e d so fr e a l t i m e 、 s i m p l e n e s s 柚da 舀i i t ya b o u te m b e d d e ds y s t e ma n d as i m p l ew e bs e r v e rb a s e do n t h i s 7 i h e1 p i pp m t o c o la n de m b e d d e ds y s t e mr e a l i z e d b yt h i s t h e s i sh a v e c h a r a c t e r i s t i c so fl e s sc o s t 卸db u l k 、h i g ht r a n s p o ns p e e da n de 勰yt 0u s e nc a nb e i l i s e dw i d e i yi nm 扎y 丘e l d ss u c h 鹳t e l e d a t ac o l i o c t j o n 、i l l d u s 仃yc o n t r 0 ia i l ds oo n k e y w o r d s ： e m b e d d e ds y s t e m ； t c 蛋似p ： 卢c 0 s - ；a r mp r o s s o r 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文i 作 的知识产权单位属丁曲北i 业人学。学校有权保留并向国家有关部域机构送交论文的复 印f ，l ：希| i b 子版。本人允订：论文被布阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有天数据库进行检索，可以采川影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰；的文章一律注明作者单能为撕北r 业 人，学。 保密论文待解密后适_ l j 本声明。 学位沦文作者签名 指导教师签名 q 年3 月1 旧奠哆年弓渺 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所节交的学位论文，是本 人任导师的指导1 、进行研究l 作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引州的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人域集体已经公开发表域撰写过的研究成 果，不包含本人或其他已中请学1 _ 7 = 或其他用途使_ l 过的成果。对本文的研究做“重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学何论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：缢墨 2 。订年3 月t f 日 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 嵌入式系统的概述 1 1 1 嵌入式系统的定义 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、功耗严格要求的专用计 算机系统“4 。它是计算机技术、半导体技术和电子技术在实际应用系统中相结 合的专用系统，它的迅速发展推动了f r 产业进入了崭新的、以嵌入式系统为核 心的后p c 时代( p o s t p ce m ) 。一个完整的嵌入式系统由处理器、外围设备、 操作系统和应用程序4 部分组成。 1 1 2 嵌入式系统的特点 嵌入式系统和一般传统的p c 机上的应用系统不同，它具有以下特点： 1 通用计算机行业中，占整个计算机行业9 0 的个人电脑产业，绝大部分采 用的是i n t e l 的x 8 6 体系结构，而芯片厂商则集中在h l t e l ，a m d ，c v r 奴等 几家公司，操作系统方面更是被微软占据垄断地位。但这样的情况却不会 在嵌入式系统领域出现。这是一个分散的，充满竞争、机遇与创新的工业， 没有哪个公司的操作系统和处理器能够垄断市场。 2 嵌入式系统通常是面向用户、面向产品、面向特定应用的嘲。嵌入式系统中 的c p u 与通用型c p u 的最大不同就是前者大多工作在为特定用户群设计 的系统中。通常，嵌入式系统c p u 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部，从而有利 于整个系统设计趋于小型化。 3 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 器芯片或单片机中，而不是存贮于磁盘等载体中。由于嵌入式系统的运算 速度和存储容量仍然存在一定程度的限制，另外，由于大部分嵌入式系统 必须具有较高的实时性，因此对程序的质量，特别是可靠性，有着较高的 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 要求。 4 受限于嵌入式系统自身资源与空间的不足，嵌入式系统本身并不具备在其 上进行进一步开发的能力。嵌入式系统的开发模式采用宿主机目标机 相连构成交叉开发环境。另外，还需要编译器、链接器等作为开发工具。 在设计完成以后。用户如果需要修改其中的程序功能，也必须借助于一套 开发工具和环境。 1 2 嵌入式系统微处理器 嵌入式系统的核心部件就是各种类型的嵌入式处理器，据v j r g i i l i at c c h 公 司报告，嵌入式系统中所使用的c p u 数量已经超过通用p c 中c p u 数量的3 0 倍，全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1 0 0 0 多种，流行体系结构有3 0 几个系列，一般将嵌入式处理器分为四类： 1 嵌入式微控制器( m c u ) ，俗称单片机 其最大特点是单片化，体积小，从而使功耗和成本较低、可靠性高。微控 制器是日前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富， 适合于控制，因此称微控制器，目前占嵌入式系统约7 0 的市场份额。 2 嵌入式d s p 处理器 d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，采用了h a r v a r d 结构，使 其适合于执行d s p 算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。主要应用在数 字滤波、f f t 、谱分析等需要d s p 算法的嵌入式领域，尤其适合在运算量较大， 特别是向量运算、指针线性寻址等较多的智能化算法中，而这些正是d s p 处理 器的长处所在。嵌入式d s p 处理器有两个发展来源，一是d s p 处理器经过 单片化、e m c 改造、增加片上外设成为嵌入式d s p 处理器，1 1 的 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 等属于此范畴：二是在通用单片机或s 0 c 中增加d s p 协 处理器，例如i i l t e l 的m c s 2 9 6 和s j e m e n s 的1 h c o r c 。 3 嵌入式微处理器( m p u ) 嵌入式微处理器是在具体应用中，在通用计算机中的c p u 的基础上，将微 处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，大 幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器 虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可 靠性等方面一般都做了各种增强。 嵌入式处理器目前主要有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c 4 0 0 、p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 m i p s 、a r m 系列等。 4 嵌入式片上系统( s o c ) 意即在一个芯片上设计了整个系统。s o c ( s y s t e m 彻c l l i p ，片上系统) 是 a s i q ，a p p l i c a t i o ns p c c i f i ci n t e 乒a t e dc i r c u i t s ) 设计方法学中的新技术。是指以嵌 入式系统为核心，以i p 复用技术为基础，集软、硬件于一体，实现了软硬件的 无缝结合，直接在处理器内嵌入操作系统的代码模块，并追求产品系统最大包 容的集成芯片，在一个芯片上实现信号采集、转换、存储、处理和加等功能， 包含嵌入软件及整个系统的全部内容，其优点是大大降低耗电量、减少体积、 丰富系统功能、提高速度、节省成本。 1 3 嵌入式系统发展及in t e r n e t 技术在嵌入式系统中的应用 进入2 1 世纪后，随着信息时代、数字时代的到来，嵌入式系统朝小型化、 智能化、网络化等方向发展，传统的p c 机应用领域已经远远不能满足我们的 需要，发展和研究嵌入式专用系统已成为一个必然的趋势。目前嵌入式系统已 经广泛渗透到人们的工作、生活中，从家用电器、手持通讯设备、信息终端、 仪器仪表、汽车、航天航空、军事装备、制造工业、过程控制等，越来越成为 r r 技术的热点。同时，由于r r 技术发展的推动，3 2 位a r m 体系结构已经成 为一种事实上的标准，随着高端3 2 位c p u 价格的不断下降和开发环境的成熟， 促使3 2 位嵌入式处理器日益挤压原先由8 位微控制器主导的应用空间。随着 a r m 处理器在全球范围的流行，3 2 位的r i s c 嵌入式处理器已经逐渐成为高中 端嵌入式应用和设计的主流“1 。 1 3 1 嵌入式操作系统概述及在嵌入式系统中的应用 目前，有相当一部分的嵌入式系统仍然采用的是不带有操作系统的前后台 系统，如洗衣机、微波炉、电话、玩具等等。然而，随着硬件的发展，嵌入式 系统的应用领域日益扩大，提供的应用功能也越来越复杂，传统的前后台系统 近来在有些应用领域越来越力不从心了，如高性能的手持设备、移动设备和复 杂的工业控制装置等，需要嵌入式操作系统的支持。而嵌入式操作系统所使用 的技术，基本上是从台式计算机操作系统下推而来的。 嵌入式操作系统通常具有一个标准操作系统所有的功能：将c p u 时间、中 断、加、定时器等资源封装起来，只留给用户标准的a p i 系统调用；对任务进 3 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 行合理调度以保证实时性和可靠性等，能够有效管理复杂的系统资源，并且把 硬件虚拟化。 嵌入式操作系统具有以下特点： 1 可裁剪，开放性、可伸缩性的体系结构； 2 良好的移植性，避免重复开发； 3 强实时性。嵌入式操作系统实时性一般较强，可用于各种设备控制当中； 4 体积小，适应系统资源限制； 5 操作方便、简单、提供友好的图形g u i 。 目前常见的嵌入式操作系统有：w i n d o w sc e 、o s e 、n u d e u s 、v x w b r i 【s 、 c o s u 、u n i l x 等。 本论文的设计中所采用的是c o s u 系统，它是一种源代码免费公开、结 构小巧、具有可剥夺实时内核的实时操作系统。其内核提供任务调度与管理、 时间管理、任务间同步与通信、内存管理和中断服务等功能，最多可管理6 4 个 任务。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，而 且针对处理器的移植相对简单，最小内核可编译至2 k b 。它通过了联邦航空局 ( e a a ) 商用航行器认证，自1 9 9 2 年问世以来，已经被应用到数以百计的产品 中去。 1 3 2i n t e r n e t 技术在嵌入式系统中的应用与发展 1 3 2 1 嵌入式系统中应用i n t e r n e t 技术的研究背景和意义 嵌入式系统正在向多媒体化和网络化方向发展，连通性、网络化正逐渐成 为各类测控装置、现场仪器仪表以及家用智能电器设计的发展方向，特别是与 l i i t e m e t 的结合，h t e m e t 和信息家电、工业控制技术等结合日益密切使嵌入式 系统设备将具有更广阔的发展前景“1 。将嵌入式设备接入i n t 锄e t 的技术，可 将i n t e m e t 从p c 机延伸到8 位、1 6 位、3 2 位单片机，并实现基于i l l t c m e t 的远程数据采集、远程控制、自动报警、上传，下载数据文件、自动发送e m a i l 等功能，大大扩展i l l t e r n e t 的应用范围。嵌入式i n t e m c t 技术的历史虽然不长， 但发展却十分迅速。随着互联网的应用日益普及，信息共享的程度不断提高， 通过互联网共享以单片机应用系统为中心的小型嵌入式设备的信息，已经成为 当今电子界的热门话题。 嵌入式i n t e m e t 技术将千千万万的设备或设备组成的网络连接到因特网的 世界。它解决了以低端微处理器为核心的嵌入式系统和无处理器的传统独立设 4 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 备的h i t e m e t 接入问题。网络化终端设备能将管理者的控制信息及时下发并将基 础信息瞬问上传。从而，我们可以利用歪浏览器或网络应用程序，对远程设备 进行监控。 2 1 世纪是嵌入式i n t e m e t 的时代，美国贝尔实验室总裁a m nn e t r a v a j i 的 一批科学家对此做出了预测：嵌入式h t e m e t “将会产生比p c 时代多成百上千 倍的瘦服务器和超级嵌入式瘦服务器，这些瘦服务器将与我们这个世界你能想 到的各种物理信息、生物信息相联接，通过h n e m e t 网自动地、实时地、方便地、 简单地提供给需要这些信息的对象。”据网络专家预测，将来在互联网上传输 的信息中，有7 0 来自小型嵌入式系统。 1 3 2 2in t e r n t 技术在嵌入式系统中的实现方法 嵌入式系统接入i i i t e m c t 同p c 机接入i n t e m c t 一样，必须通过相应的通 信协议。随着h t e m c t 成为目前世界上最大的互联网，t c p ，p 协议逐渐演变为 事实上的通信协议标准，h i t e m e t 技术在嵌入式上的应用是t c p ，口协议向嵌入 式领域的一个延伸。嵌入式系统接入h t e m e t 最终通过t c p 球协议，对信息 进行t c p 口协议处理，使其变成可以在h t e m c t 上传输的口数据报，这样 就可以方便、低廉地将信息传送到几乎世界上的任何一个地方删。 目前，将嵌入式系统接入h l t e m e t 有如下几种实现方案： 1 p c 作为代理服务器或网关： 这种方案的实现是将一台桌面p c 或高性能的嵌入式计算机作为代理服 务器或网关，采用专用网络( 如r s 2 3 2 一c 、r s 4 8 5 、c a n 、1 2 c 总线等) 将嵌入式系统连接在一起，嵌入式系统与p c 机的通信靠各种总线来实现， 而p c 机则通过t c p i p 协议进行通信。这样，客户端就可以通过p c 代理服 务器或网关访问嵌入式系统，实现嵌入式系统接入i n t e m e t 。 这种方案可以连接多种嵌入式系统，且对嵌入式系统硬件要求也较 低，可以实现传统的、资源相当有限的8 位单片机嵌入式系统的i n t e r n e t 接入，但也有其明显的缺点。首先是无论需要联网的嵌入式系统成本高低 和数量多少，它都必须依赖至少一台p c 机作为网关或代理服务器，成本 较高。其次是在一些特殊的环境场合以及嵌入式系统较多且分散的情况 下，各种总线布线很不方便，p c 机难以应用。 2 采用专用的协议栈芯片： 这种方案的核心是使用一个硬件协议栈芯片与嵌入式系统中的嵌入式处理 器相连接，组成嵌入式系统的核心，协议栈芯片完成t c p i p 协议的打包工作， 对主处理器提供某个类似外设的接口方式，把网络数据帧的处理硬件化。这时， 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 软件只需要增加一段和协议栈芯片通信的接口程序即可，在占用较低系统资源 的条件下就可以快速地完成网络通讯。因此开发难度小、周期短。其缺点是系 统的硬件成本比较高，而且由于使用的是硬件协议栈，扩展不灵活。典型的代 表是日本s e i k o 公司以i r e a d y 芯核为基础，开发的s 7 6 0 0 芯片以及w i z n e t 公 司推出的硬件t c p 口协议栈芯片w 3 1 0 0 。图1 1 所示为此方案的连接结构示 意图 图1 1 专用协议栈芯片方案 3 嵌入式处理器+ 以太网网卡： 这种方案是使嵌入式处理器加载t c p i p 协议控制以太网网卡进行 数据传输，并通过t c p i p 协议联接到互联网。远程控制端的操作通过路 由器找到目标后，由网卡芯片的接口传入微控制器。通过在微控制器中加 载的驱动程序转换成物理帧格式，再由t c p ，i p 协议转换成应用层的控制 命令。此方案的优点是无需经过网关代理，成本比较低，而且扩展起来非 常方便灵活，有利于产品的维护和二次开发。再配上小型嵌入式实时操作 系统的支持，就可略实现性价比很高的嵌入式多任务i n t e m e t 平台。此方 案无需象台式计算机那样提供全套的t c p i p 网络通信协议，实际上，只需要根 据特定的应用要求，提供一个t c 哪p 协议族的子协议集即可，而且在实时性要 求不是非常高的情况下，甚至可以简化这些协议，同时由于嵌入式系统内部 资源相对有限，要完成其与l i l t e m e t 连接一般也需要精简t c p ，i p 协议。如 图所示为此方案的原理示意图 图1 2 以太网网卡方案 基于以上方案背景，综合考虑以太网接入方式技术成熟程度、可靠性、通 6 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 信速度及软硬件成本等各因素，本文在所开发的嵌入式系统的硬件平台中以太 网通信部分采用了嵌入式处理器加以太网接口控制芯片，即上述第三种设计方 案。 1 4 本论文的任务 本文分析目前嵌入式系统的发展及l i i t 哪e t 技术在嵌入式系统中的应用，研 究并设计一个基于a r m 7 核处理器的嵌入式硬件平台，详细分析研究了t c p m 技术在嵌入式系统上的实现，在此系统上移植口c o s 嵌入式操作系统，实现 与i n t 咖e t 的通信。系统采用的是p h i l i p s 公司的l p c 2 2 1 0a r m 芯片，它是基 于a r m 7 核的支持实时仿真和嵌入式跟踪的3 2 位c p u 微控制器，对代码规模 有严格控制，并且支持j 1 a g 调试功能。同时，在此平台上外扩了多种通信接 口，硬件易于扩展，非常适合二次开发及应用。 根据需要完成的工作，将论文结构安排为六章，章节内容安排如下： 第一章：绪论，简要叙述了嵌入式系统及嵌入式h l t 锄e t 技术的发展情况及 研究意义。 第二章：基于a r m 7 的嵌入式硬件平台设计，介绍了嵌入式平台的硬件结 构及原理。 第三章：研究标准t c p ，口协议模型和运行机制，为设计并实现适合本平台 的t ( ：p 仰协议栈提供理论基础。 第四章：详细的分析了嵌入式操作系统u c 0 s 的内核原理，并实现了在此 硬件平台上的系统移植。 第五章：详细分析并介绍嵌入式t c p 讲协议栈的实现过程。 第六章：论文总结及展望。 7 西北工业大学硕士学位论文第二章嵌入式系统硬件平台设计 第二章嵌入式系统硬件平台设计 嵌入式系统的硬件电路设计包括两部分内容。一是系统扩展，即微处理器 内部的功能单元，如r o m 、r a m 、联) 接口、定时器计数器、中断系统等不 能满足系统的要求时，必须在片外进行扩展。此时要选择适当的芯片并设计相 应的电路。二是系统的设备的配置，即按照系统功能要求配置外围设备， 如按键、显示器、a d c 、d a c 等等，有时需要设计合适的接口电路。设计嵌入 式系统的硬件电路应遵循以下原则： 对于实时嵌入式系统，选择相关器件首先要考虑必须满足实时性的要求； 根据系统功能尽可能选择合适的处理器，尽量朝s o c 方向设计硬件系统“； 尽可能选择典型电路，并符合处理器常规用法。为硬件系统的标准化、模 块化打下良好的基础； 系统扩展与i ，o 的配置应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当余地， 以便进行扩展及二次开发； 在响应时间要求不是极高的情况下，可以将软件能实现的功能尽可能由软 件实现，以简化硬件结构，即所谓的“硬件软件化”“”； 处理器外围电路较多时，必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时会引起系 统工作不稳定。可通过增设线驱动器增强驱动能力或采用低功耗芯片来降 低总线负载。 9 西北工业大学硕士学位论文第二章嵌入式系统硬件平台设计 2 1 系统硬件平台总体设计 圈l 蒜霎腥l - - _ 。_ _ _ _ 。- 。_ _ _ _ _ _ - 。一 图2 1系统平台总体框图 如图2 - 1 所示为系统的硬件平台，整个系统主要包括以下模块： 1 最小系统模块：包括电源系统、晶振、复位电路和存储器模块； 2 人机交互模块：按键模块； 3 对外通信模块；包括j t a g 、串行接口、和以太网模块。 2 2 嵌入式微处理器l p c 2 2 1 0 简介 2 2 1l p c 2 2 1 0 概述 l p c 2 0 0 0 系列微控制器基于a r m 7 i d m i sc p u 内核。支持a r m 和1 1 l u m b 指 令集，芯片内集成丰富外设，而且具有非常低的功率消耗。使该系列微控制器特 别适用于工业控制、医疗系统、访问控制等场合。 l p c 2 2 1 0 是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 i d m i s “ c p u 的微控制器，对代码规模有严格的控制，可使用1 6 位1 1 1 u n l b 模式将代码规模 降低超过3 0 ，而性能的损失却很小，1 4 4 脚封装，具有极低的功耗，多个3 2 位 定时器，8 路1 0 位a d c ，p w m 输出以及多达9 个外部中断。通过配置总线l p c 2 2 l o 最多可提供7 6 个g p l o 而且内置了宽范围的串行通信接口。 1 0 西北工业大学硕士学位论文第二章嵌入式系统硬件平台设计 2 2 2l p c 2 2 1 0 内部框图及简介 图2 2l p c 2 2 1 0 内部框图 从图2 2 可以看出，l p c 2 2 1 0 微控制器包含四大部分：a r m 7 1 ：d m i s c p u ；a r m 7 局部总线及相关部件：灿 b 高性能总线及相关部件；v l s i 外设 总线及相关部件。 l p c 2 2 1 0 微控制器将a r m 7 1 d m i s 配置为小端模式( u t t l e e n d i 姐) ，棚 外设分配了2 m 字节的地址范围，它位于4 g 字节a r m 寻址空间的最顶端，每 个a h b 外设都分配了1 6 k b 的地址空间。l p c 2 2 l o 微控制器的外设功能( 除中 断控制器) 都连接到v p b 总线，a h b 到氆的桥将v p b 总线与a h b 总线相 连。v p b 外设也分配了2 m 字节的地址范围，从3 5 g b 地址点开始。每个v p b 外设都分配了1 6 k b 的地址空间。 2 3 最小系统接口电路设计 2 3 1电源模块分析设计 对于一个嵌入式系统硬件设计而占，电源模块为整个系统提供能量，是整 个系统工作的基础，是一个很重要的部分。整个系统的电源供应一般有两种形 西北工业大学硕士学位论文第二章嵌入式系统硬件平台设计 式： ( 1 ) 利用电池供电 这种电源供应方式要求整个板的设计、芯片的选择、外围的扩展等都要考 虑功耗。因为很多嵌入式产品，如手机、p d a 等都耍求是低功耗的，这与其他 的系统设计有明显的不同。 ( 2 ) 直接利用外部交流电 这种电源供应方式对系统的功耗要求并不那么苛刻，但需要比较好的电压 转换电路设计。本文的系统采用的就是第二种电源供应方式。对于电压转换电 路，要考虑的因素有很多，如升压电路还是降压电路以及升降电压的范围。在 电压转换电路里，一般需要一个核心的电源转换芯片，对此芯片的选择要考虑 以下几个因素“4 ： 整个系统所需要的电压大小和正负极性。如一般的系统所需电压为3 v ， 3 3 v ，5 v 等。对于电压的极性，有的电路需要正、负极性电压都存在，有 的电路只需要正极性电压； 整个系统所需要的电流量。因为即使相同的电压转换芯片，它们的输入电 流和提供的输出电流都可能不同。在选择芯片时，其输出电流要满足系统 的要求。 对于l p c 2 2 1 0 微控制器，它有4 组电源输入：v 3 3 d 、v 3 3 a 、v 1 8 d 、 v 1 8 a 。d 表示数字电源，a 表示模拟电源。理想情况下需要提供4 组独立的 电源，它们需要单点接地或大面积接地。当然还要为系统中其它的部件提供5 v 电源。对电源的要求为： i ，o 口操作电压范围：+ 3 0 + 3 ，6 v ( 3 3 ( 1 1 0 ) ) ； 内核和片内外设操作电压范围：+ 1 6 5 + 1 9 5 v ( 1 8 ( 1 8 3 ”； 而电路中有些模块需要供电电源为+ 5 v 1 0 。 综合以上分析，应使用一个a c ( 交流) 、d c ( 直流) 变换器将市电2 2 0 v 交流电变换成低压直流电压输入；其次，在系统板上要用稳压集成块来提供稳 压电源，这主要考虑选择输出电流大，精度高，稳定性好的稳压电源芯片。由 于l p c 2 2 1 0 对电源要求精度高，所以先用一个+ 5 v 的稳压芯片将输入电压降到 + 5 v ，再用线性低压差稳压芯片给电路提供3 3 v 和1 8 v 电源。 经过比较采用了s i p c x 公司的低压差模拟电源( l d o ) 芯片s p x l l l 7 ，它 的主要特点是：0 8 a 稳定输出电流；1 a 稳定峰值电流：3 v 可调节；低静态电 流：0 8 a 时低压差为1 1 v ；o 1 线形调整率；0 2 负载调整率；过流及温度保 护；多种封装供选择。 西北工业大学硕士学位论文 第二章嵌入式系统硬件平台设计 s p x l l l 7 的输入电压不宜太高，太高的电压会使芯片的发热量上升，影响 芯片的性能。这样，就需要将前级电路调整一下。通过之前的分析，前级的输 出选择为+ 5 v 。选择+ 5 v 作为前级的输出有两个原因： 1 ) 这个电压满足s p x l l l 7 的要求； 2 ) 目前很多器件还是需要5 v 供电的，这个5 v 可以兼做前级和末级了。 电路原理图如下： a ) 末级电源电路原理图： 罩 图2 33 3 v 电源电路原理图 b ) 前级电源电路原理图： 图2 - 4 + 5 v 电源电路原理图 2 3 2 时钟电路分析设计 i j p c 2 2 1 0 微控制器可以使用外部晶振或外部时钟源，内部p l l 电路可调整 系统时钟频率，使系统运行速度更快( c p u 最大操作时钟频率为6 0 m h z ) 。倘 若不使用片内p u ，功能及i s p 下载功能，则外部晶振频率范围是1 3 0 m h z ， 外部时钟频率范围是1 5 0m h z ；若使用片内p l l 功能或i s p 下载功能，则外 部晶振频率范围是1 0 2 5 m h z ，外部时钟频率范围是1 0 2 5 m h z 。 本文的系统采用了外部1 1 0 5 9 2 m h z 晶振，电路原理如图2 5 所示，用1 m o 电阻r 4 5 并接到晶振的两端，使系统更容易起振。用1 1 0 5 9 2 m h z 的晶振可以 便串口波特率更精确，同时能够支持i j p c 2 2 1 0 微控制器芯片内部的p l l 功能和 i s p 功能。 西北工业大学硕士学位论文 第二章嵌入式系统硬件平台设计 降扣气1 ，t丫 图2 5 晶体振荡器电路原理图 2 3 3 复位电路分析设计 由于a r m 芯片的高速、低功耗和低工作电压导致其噪声容限较低，对电 源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性和电源监控可靠性等诸多方面也提 出了更高的要求。a r m 微控制器在上电时状态并不确定，这造成微控制器不能 正确工作。为解决这个问题，所有微控制器均有一个复位逻辑，它负责将微控 制器初始化为某个确定的状态。这个复位逻辑需要一个复位信号才能工作。一 些微控制器在上电时会产生复位信号，但大多数微控制器需要外部输入这个信 号。这个信号的稳定性和可靠性对微控制器的正常工作有重大影响。 本系统的复位电路使用了低功耗微处理器复位监控芯片s p 7 0 8 s ，以提高系 统的可靠性。由于在进行j t a g 调试时，n r s t 和t r s t 是可由j t a g 仿真器控 制复位的，所以使用了三态缓冲门7 4 h c l 2 5 进行驱动。 2 5 日 图2 6 复位电路原理图 电路原理如图2 6 所示：信号n r s t 连接到l p c 2 2 1 0 芯片的复位脚面；吾巨_ ， 信号n t r s t 连接到l p c 2 2 1 0 芯片内部j t a g 接口电路的复位脚丽。使用三 态缓冲门7 4 h c l 2 5 进行驱动。当复位键r s t 按下时，s p 7 0 8 s 立即输出复位信 1 4 西北工业大学硕士学位论文第二章嵌入式系统硬件平台设计 号，其引脚r s t 输出低电平导致7 4 h c l 2 5 a 、7 4 h c l 2 5 b 导通，信号i 瓜s t 和 n t r s t 将输出低电平使系统复位。平时s p 7 0 8 s 的r s t 输出高电平，7 4 h c l 2 5 a 和7 4 h c l 2 5 b 截止，由上拉电阻r 3 和r 4 将信号n r s t 和n t r s t 上拉为高电平， 系统可正常运行或进行j 1 a g 仿真调试。 微控制器在复位后可能有多种初始状态，具体复位到哪种初始状态是在复 位的过程中决定的。复位逻辑可能通过片内只读存储器中的数据决定具体的初 始状态，但更多的是通过复位期间的引脚状态决定，也可能通过两者共同决定。 2 3 。4 存储器接口电路设计 对于大部分微控制器来说，存储器系统不是必需的，但如果微控制器没有 片内程序存储器或数据存储器时，就必须设计存储器系统。由于l p c 2 2 1 0 微控 制器没有片内程序存储器，且内部数据存储器容量太小，所以就必须设计外部 存储器系统，这是通过微控制器的外部总线接口实现的。 在此系统中，扩展了4m b i ts r a m ( i s 6 1 l 、7 2 5 6 1 6 a l ) 和1 6m b “f ia s h ( s s l 3 9 v f l 6 0 ) ，i s 6 1 l v 2 5 6 1 6 a l 芯片是美国i s s i 公司的高速n o r 型f 乙峪h 器件，采用c m o s 技术，存储容量为1 6 m b i t ，1 6 位数据宽度，工作电源3 3 v 。 电路原理如图2 7 所示。 图2 7 外扩1 6 m b i th a s h 电路原理图 存储器连接使用了1 6 位总线方式，数据总线使用了d o d 1 5 ，地址总线 使用了a 1 a 2 0 ，对于1 6 位的s r a m ，b l s 0 和b l s l 信号用于控制低字节和 高字节的写操作。 1 5 西北工业大学硕士学位论文第二章嵌入式系统硬件平台设计 l p c 2 2 1 0 没有片内f i a s h ，所以只能使用外部的f l a s h 保存用户最终的 程序。 2 3 5j t a g 接口电路 j 1 a g 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 ，i a p ( t c s t a c c e s sp o r t ，测试访问口) ，通过专用的j t a g 测试工具对具有j t a g 接口芯片的硬件电路进行边界扫描和故障检测“。l p c 2 2 1 0 有一个内置j t a g 调试接口，通过这个接口可以控制芯片的运行并获取内部信息。j t a g 调试接口 框图如图2 8 所示，调试接口电路原理如图2 9 所示，图中，j t a g 接口上的信 号n t r s t 连接到l p c 2 2 1 0 芯片的t r s t 引脚，以达到控制l p c 2 2 1 0 内部j 1 a g 接口电路复位的目的( 但不控制c p u 复位) 。 图2 。8j t a g 调试接口框图 v d d 3 3 2l o - j 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 图2 9j t a g 调试接口电路原理图 1 6 西北工业大学硕士学位论文第二章嵌入式系统硬件平台设计 2 4 各接口模块电路设计 2 4 11 2 c 总线接口 1 2 c ( i n t e r h t e g r a l e da r c