（动力机械及工程专业论文）基于arm7的μclinux移植及其应用研究.pdf

西华大学硕士学位论文 基于a r m 7 的p c l i n u x 移植及其应用研究 动力机械及工程专业 研究生：谭航指导教师：谭善文 嵌入式系统是一个综合应用计算机技术、电子技术和半导体技术 的系统，它在各个行业都有非常广泛的应用在微处理器系统研究方 面，由于半导体工艺的发展和芯片设计水平的进步，它们的性能得到 大幅度的提高，系统的规模进一步的增大，片上嵌入式软件变得越来 越复杂而将嵌入式操作系统( e o s ) 引入微处理器和微控制器系统， 使嵌入式软件开发变得相对容易，这成为了解决软件集成问题的有效 途径。 目前，嵌入式操作系统还没法形成像p c 平台那样一支独秀的局 面，它需要根据不同的应用来进行裁减。比较著名的商业嵌入式操作 系统有国外的w i n d o w sc e 、v x w o r k s 、国内的d e l t a0 s 等，而且源 代码公开的嵌入式操作系统也不断涌现，如# c l i n u x 和u c o s 等。操 作系统的多样性和代码的公开性使其在不同领域得到了广泛的应用， 并创造了巨大的经济价值。随着嵌入式系统和自动化技术的迅速发 展，嵌入式操作系统的研究将逐渐成为嵌入式领域中的一项重要内 容。 本论文主要研究了嵌入式系统的启动过程以及嵌入式操作系统 p c l i n u x 在a r m 7 ( l p c 2 2 9 0 芯片) 上的移植过程，最后在该操作系 统上开发了嵌入式网络驱动程序，并通过网络实现了远程控制 论文的第一章阐述了嵌入式系统和嵌入式操作系统，并对几种典 型的嵌入式微处理器和嵌入式操作系统进行了分析。 第二章介绍了本论文使用的硬件平台，分析了嵌入式微处理器核 心a r m 7 t d m i s 和p h i l i p 生产的芯片l p c 2 2 9 0 ，并简单的介绍了 m a g i c a r m 试验开发平台。 第三章介绍了本论文使用的软件平台，对嵌入式操作系统# c t i n u x 西华大学硕士学位论文 进行了阐述、搭建了l i n u x 下的交叉开发环境，最后深入的研究了嵌 入式微处理器l p c 2 2 9 0 的启动过程并在l i n u x 下用s k y e y e 软件仿真 了该芯片的启动过程，仿真结果证明对启动代码的开发是成功的 第四章分析了t c l i n u x 的启动过程、中断系统，在此基础上实现 了l c l i n u x 操作系统在m a g i c a r m 开发板上的移植，最后给出了 m c l i n u x 的运行结果，结果表明本文的操作系统移植是正确的。 第五章对网络芯片d m 9 0 0 0 的硬件进行了分析，并在j u c l i n u x 下 开发了它的驱动程序通过网络做了一个远程控制实验，实验结果进 一步验证了本文的研究取得了令人满意的效果，并且具有良好的实际 应用价值。本章在最后构建了一个基于网络的测控系统，充分运用了 现代的w e b 服务器技术，实现了测控系统的网络化 最后对研究工作进行总结，并给出今后研究工作的展望。 关键字；嵌入式系统t c l i n u xl p c 2 2 9 0 网络驱动远程控制 西华大学硕士学位论文 r e s e a r c ho n t c l i n u xp o r t i n ga n di t sa p p l i c a t i o n b a s e do na r m 7 m a j o r ：d y n a m i cm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g m d c a n d i d a t e ：t a nh a n g s u p e r v i s o r ：t a ns h a n w e n e m b e d d e ds y s t e mw h i c hi s w i d e l ya p p l i e di na l lp r o f e s s i o n si sa s y n t h e s i ss y s t e mo ft h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , e l e c t r o n i c t e c h n o l o g ya n ds e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g y d u et ot h ed e v e l o p m e n to f s e m i c o n d u c t o rt e c h n i q u ea n dt h ei m p r o v e m e n to fc h i pd e s i g nl e v e l ，t h e i r p e r f o r m a n c eh a sb e e ng r e a t l ye n h a n c e d ；t h es c a l eo fs y s t e mh a sb e e n i n c r e a s e d ；a n dt h ee m b e d d e ds o f t w a r eh a sb e c o m em o r ea n dm o r e c o m p l e xi nt h em i c r o p r o c e s s o rs y s t e mr e s e a r c ha s p e c t b u tw h e nt h e e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ( e o s ) w a si n t r o d u c e di n t om i c r o p r o c e s s o r a n dm i c r oc o n t r o l l e rs y s t e m ，t h i sm a d et h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e d s o f t w a r er e l a t i v e l ye a s y ，a n dt h i sb e c o m e sa ne f f e c t i v ew a yt os o l v et h e s o f t w a r ei n t e g r a t i o np r o b l e m s a tp r e s e n t ，e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mw h i c hs h o u l db em o d i f i e d a c c o r d i n g t ot h e d i f f e r e n ta p p l i c a t i o n si sn o ta s o u t s t a n d i n ga sp c p l a t f o r m t o d a y , t h e r e a r eal o to ff a m o u sc o m m e r c i a le m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e m s ，s u c ha so v e r s e a sw i n d o w sc e ，v x w o r k s ，d o m e s t i c d e l t ao s ，e t c ，a n dm o r ea n dm o r ef r e ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ma r e d e v e l o p e d ，l i k e z c l i n u x ，u c o s ，a n ds oo n t h em u l t i p l i c i t yo fo p e r a t i n g s y s t e ma n dt h ep u b l i c i t yo f c o d em a k ei tt ob ew i d e l ya p p l i e di nd i f f e r e n t d o m a i n s ，a n dt h i sh a sc r e a t e dh u g ee c o n o m i cv a l u e s a l o n gw i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to ft h ee m b e d d e ds y s t e ma n dt h ea u t o m a t e dt e c h n o l o g y , t h e r e s e a r c ho fe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mw i l l g r a d u a l l y t ob e c o m e 锄 m 堕竺奎兰堡圭堂垡笙壅 i m p o r t a n tc o n t e n ti ne m b e d d e dd o m a i n t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h es t a r t i n gp r o c e s so fe m b e d d e ds y s t e ma s w e l la st h er e p o t t i n gp r o c e s so fe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m u c l i n u xo n a r m 7 ( t h el p c 2 2 9 0c h i p ) f i n a l l y t h i s p a p e rd e v e l o p se m b e d d e d n e t w o r kd r i v e ro nt h i so p e r a t i n gs y s t e m ，a n dr e a l i z e st h el o n g d i s t a n c e c o n t r o lt h r o u g ht h en e t w o r k t h ef i r s t c h a p t e re l a b o r a t e st h ee m b e d d e ds y s t e ma n de m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e m ，a n da n a l y z e s s o m e t y p i c a lm i c r o p r o c e s s o ra n d e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m t h es e c o n dc h a p t e ri n t r o d u c e st h eh a r d w a r ep l a t f o r mu s e db yt h i s p a p e r a n a l y z e st h ea r m t t d m i sc o r eo fe m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ra n d l p c 2 2 9 0c h i pp r o d u c e db yp h i l i pc o m p a n y , a n ds i m p l yi n t r o d u c e st h e e x p e r i m e n td e v e l o p m e n tp l a t f o r mo fm a g i c a r m t h et h i r dc h a p t e ri n t r o d u c e st h es o f t w a r ep l a t f o r mu s e d b ym yp a p e f ， i l l u s t r a t e st h ee m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e m - m c f i n u x ，b u i l d s a n o v e r l a p p i n gd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n tf o r p c l i n u x u n d e r l i n u x ， t h o r o u g h l ys t u d i e st h es t a r t i n gp r o c e s so fe m b e d d e dp r o c e s s o r - - l p c 2 2 9 0 ， a n ds i m u l a t e st h es t a r t i n gp r o c e s so ft h i sc h i pb ys k y e y es o f t w a r eu n d e r l i n u x t h es i m u l a t i o nr e s u l th a sp r o v e dt h ed e v e l o p m e n to fs t a r t i n gc o d e i ss u c c e s s f u l t h ef o u r t hc h a p t e ra n a l y z e st h es t a r t i n gp r o c e s sa n dt h ei n t e r r u p t i o n s y s t e mo ft h e m c l i n u x ，a n ds u c c e s s f u lr e a l i z e st h er e p o t t i n go ft h e z c l i n u xo p e r a t i n gs y s t e mo nm a g i c a r md e v e l o p m e n tb o a r d t h ec h a p t e r g i v e sa no p e r a t i n gr e s u l tf o rp c l i n u xi nt h ee n d ，a n dt h er e s u l ts h o w st h a t t h er e p o t t i n go fo p e r a t i n gs y s t e mi nt h i sp a p e ri sc o r r e c t t h ef i f t hc h a p t e ra n a l y z e st h eh a r d w a r eo fn e t w o r kc h i p - - d m 9 0 0 0 a n dd e v e l o p si t sd r i v i n gp r o g r a mu n d e r m c l i n u x f i n a l l ya l o n g - d i s t a n c e c o n t r o le x p e r i m e n tt h r o u g ht h en e t w o r ki sc o n d u c t e d t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l tf u r t h e rc o n f i r m e dt h a tt h ee f f e c to b t a i n e db yt h er e s e a r c ho ft h i s a r t i c l ei ss a t i s f a c t o r y ，a n dt h i sh a sg o o dp r a c t i c a la p p l i c a t i o nv a l u e 1 v 西华大学硕士学位论文 a tl a s t ，t h i s p a p e rs u m m a r i z e st h ep r e v i o u sw o r k sa n dg i v 伪 e x p e c t a t i o n sf o rf u t u r ew o r k s k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，, u c l i n u x ，l p c 2 2 9 0 ，n e t w o r kd r i v e r , l o n g - d i s t a n c cc o n t r o l v 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 作者签名： 溯年i , e l 泸e l 导撇：洛叩年日 西华大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 嵌入式系统概述 随着计算机技术的发展，嵌入式系统己不仅仅属于计算机领域的个研究 热点，在电子、工业控制、航天等领域都有很广泛的应用嵌入式系统实际上 是“嵌入式计算机系统”的简称，它几乎包括了我们周围的所有电器设备，几 乎带一点智能的仪器设备舸以称为个嵌入式设备。嵌入式系统已经大量的 出现在日常生活中，如常见的个人数字助理( p d a ) 、手机、机顶盒、汽车、 微波炉、电梯、安全系统、自动售货机、医疗仪器、洗衣机、自动取款机和自 动税款机( p o s 机) 等。同样在通用计算机不适合应用的场合，嵌入式系统也 有广大的发展空间。与通用计算机不同，嵌入式系统是针对具体应用的专用系 统，它_ 般具有成本敏感型，它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，好的嵌入式系统可以根 据任务灵活的增减硬件和软件i 。 1 2 嵌入式系统的组成 嵌入式系统通常由嵌入式处理器、外围设备、嵌入式操作系统和应用软件 等几大部分组成。嵌入式处理器包括嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、d s p 和嵌入式片上系统等外围设备是指在个嵌入式系统中，除了嵌 式处理器以 外用于完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的其它部件根据外围设备的 功能可以分为存储器、通信接口和入机交互设备三大莞嵌入式操作系统是为方 便管理多任务和各硬件功能模块而引入的，它具有高实时性，因此也被称为实 时操作系绩p 。 嵌入式系统的应用软件是针对特定应用领域，基于相应的嵌入式硬件平 台，并能完成用户预期的计算机软件。用户的任务可能有时间和精度的要求 有些应用软件需要嵌入式操作系统的支撑，但在比较简单的应用场畲下不需要 专门的操作系统。 西华大学硕士学位论文 1 3 几种典型的嵌入式处理器介绍 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm k a o p r o c e s s o ru n i t ，勘仰i u ) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。在应用中，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，这样可以 大幅度减少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样的，但在工作温度、抗电愀、 可靠性等方面般都做了各种增剃硐 嵌入式处理器目前主要有x 8 6 、p o w e r p c 、6 8 0 0 、m i p s 、a r m 系列等 嵌入式微控铝4 器( m k a x x 瑚t r o l l e ru n i t ，m c u ) 嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成蛩卜 块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成 r ( 讯垤p r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、定吨针数器、w 虹o g 、i o 、 串口、脉宽调制输出、a d 、d a 、f l a s h r a m 、e l p r o m 等个中必要功能和外 设。为适应不同的应用需求，一般个系列的单片机具有多种衍生产品，每种 衍生产品的处理器内核都是样的，不同的是存储器和外设的配置及封装这 样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗 和成本。 嵌入式微控制器目前的产品和数量最多，比较有代表性的通用系列包括 8 0 5 1 、m c s - 9 0 1 9 6 f 2 9 6 、6 8 3 0 0 等。另外还有许多半通用系列如：支持u s b 接 口的m c u 8 x c 9 3 0 , c 5 4 0 、c 5 4 1 ；支持e c 、c a n b u s 、l c d 的m c u 以及兼 容系列目前m c u 占嵌入式系统约7 0 的市场份额硼 嵌入式d s p 处理器( f m e d d e dd i 鳓a ls i g n a lp i o 嘲，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，指令执行速度也较高。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，d s p 应用正从在通用单片机中以普通指令 实现d s p 功能，过渡到采用嵌入式d s p 处理器。 嵌入式d s p 处理器比较有代表性的产品使t e x a si n s t r u m e n t s 的t m s 3 2 0 系列和m o t o r o l a 的d s p s 0 ( x d 系列。t m s 3 2 0 系列处理器包括用于控制的c 2 0 0 0 系列，移动通信的c 5 0 0 0 系列，以及性能更高的c 6 0 0 0 和c 8 0 0 0 系列。d s p 5 6 0 0 2 西华大学硕士学位论文 目前也发展为d s p 5 6 0 0 0 ，d s p 5 6 1 0 0 ，d s p 5 6 2 0 0 和d s p 5 6 3 0 0 等几个不同系 列的处理裂。 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc u p ，s o c ) 随着e d a 的推广和v l s i 设计的普及化，及半导体工艺的迅速发展，在 个硅片上实现个更为复杂的系统的时代已来临，这就是s y s t e mo nq i i p ( s o c ) 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系统大 部分集成到块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体 积和功耗、提高可靠性非常有利。 s o c 可以分为通用和专用两类。通用系列包括s i e m e n s 的t r i c o f ，m o t o r o l a 的m o 玳，专用s o c 般用于某个和某类系统中，不为般用户所知。个 有代表性的产品是p h i l i p s 的s m a r t x a ，它将x a 单片机内核和支持超过2 0 4 8 位复杂r s a 算法的c c u 单元制作在块硅片上，形成爪可加载j a v a 或c 语言的专用的s o c ，, - i n 于公众互联网如i n t e m e t 安全方面。 嵌入式微处理器( e m p u ) 和工业控制计算机相比，具有体积小、重量轻、 成本低和可靠性高的特点。与嵌入式微控制器( m c u ) 相比较，它在运行速 度上，所支持外设的广泛匕，以及寻址空间的大小上又占据了绝对的优势从 技术技术e 看，m c u 代表的是8 0 年代的技术。e m p u 则代表的是9 0 年代的 技术。m c u 往往是8 位、1 6 位的，而e m p u 则往往是3 2 位和6 4 位的。 尽管m c u 在体积匕，功耗以及成本上比e m p u 有很倒的优势，但是， 为开发个实用的，功能强大的嵌入式系统，选择e m p u 还是不错的选择。 在e m p u 中，a r m 系列、m i p s 系列属于r i s c ，摩托罗拉的6 8 k 、 p o w e r p c 系列和x 8 6 系列等属于c 蟋c 。 1 4 嵌入式操作系统概述 在大型嵌入式应用系统中，为了使嵌入式开发更方便、快捷，则需要具备 种稳定、安全豹软件模决集合，用以管理存储器分配、中断处理、任务阅通 信和定时器响应，以及提供多任务处理等，即嵌入式操作系统。嵌入式操作系 统的引入大大的提高了嵌入式系统的功能，方便了应用软件的设计，但同时也 占用了宝贵的嵌入式系统资源般在比较大型或者需要多任务的应用场合才 会考虑使用嵌入式操作系统。因为嵌入式操作系统常常有实时要求，所以嵌入 3 西华大学硕士学位论文 式操作系统又是“实时操作系统”。商业免费的有l i n u x 的嵌入式操作系统版本， 如p ( 2 i n u x ，a r i n l 等，学习免费的嵌入式操作系统有u c o s - h 、 s m a l lr t o s l 5 0f o r a r m 擎哪。 且前主流的嵌入式操作系统很多，它们般都会提供任务调度、存储管理、 中断和时钟管理以及操作系统与用户的接口函数( a p i 函数) 等最为基本的管 理模块。 1 5 几种典型的嵌入式实时操作系统 从八十年代起，国际上就开始进行一些商用嵌入式实时操作系统和专有 操作系统的开发。他们开发嵌入式实时操作系统己经有，1 十年的经验，目前的 应用范围也比较广泛；近几年，我国的科研人员也相继推出多种嵌入式实时操 作系统。下面介绍几种著名的国内外嵌入式实时操作系统 w m d o w s c e w m d o w sc e 是_ 种3 2 位的多任务操作系统，它经过压缩，可以移植，能 够开发多种企业和客户类设备。由于其是微软的“维纳斯计划”的核心，包含了 i n t c l n c te x p l o r e r 的版本，可以和i n t c m c t 实现连接、同步交换信息如果熟悉 w m d o w s 开发环境，可以基于w i n d o w sc e 开发出很好的应用程序。 v x w o r k v x w o r k 是美国w m dr i v e ts 呦公司开发研制的种高性能的嵌入式 操作系统。它包括了操作系统本身和集成开发环境。v x w o l k 以其优良的可靠 性、开放性、实时性和易用性赢的了大量的客户 l i n u x i i n u x 由于它作为服务器操作系统，其功能的增强已引起了业界的注意 l i n u x 也逐渐应用于工作站及桌面p c 。同样，l i n u x 以也因为它服务器0 s 的 特性而成为下个智能眈入式设备的理想操作系统。 d e l t a o s d e l t a o s 是电子科技大学实时系统教研室和北京科银京城技术有限公司联 合研制开发的全中文嵌入式操作系统，提供强实时和嵌入式多任务的内核， 任务相应时间快速、确定、不随任务负载大小而改变，绝大部分的代码都由c 语言编写，具有很好的移植性。它适用于内存要求比较大、可靠性要求比较高 4 西华大学硕士学位论文 的嵌入式系统，主要包括嵌入式实时内核d e l t a 0 3 r e 、嵌入式t c p i i 组件 d e l t a n e t 、嵌入式文件系统d e l t a f r e 以及嵌入式图形用户界面d e l t a g u i 等。 同时，它还提供了一整套的嵌入式开发套件i 砌d a l 0 0 i ，和一整套嵌入式开发 应用解决方案，已经成功应用于通信、网络、信息家电等多个应用领域 m c g s - i i , c o s - a 是由美国人j e a n j l a b f o s 辩开发的实时操作系统内核。这个内核 的产生与l i n u x 有点类似，由于从事相关嵌入式产品的开发以及作者的兴趣使 然，作者花了年的时f 可开发完了这个最初名为州湘s 的实时操作系统，并且 源代码也公布到了网站上。哦? o s - ai 吝个操作系统已经移植到了n t e l 、a r m 、 m o t o r o l a 等公司的8 1 种不同的处理器上 m c o s - i i 其实是个实时操作系统的内核，全部防0 代码只有8 3 k b 。它 只包含了进程调度、时钟管理、内存管理和进程问的通信与同步等基本功能， 而没有包括i 0 管理、文件系统、网络等额外的模块。同时，# c 2 0 s - n 的移植 性很强，涉及到系统移植的代码文件只有3 个。 作为个实时操作系统，心o s - i i 的进程调度是抢占式、多任务系统设计 的目前这个操作系统只支持6 4 个任务。 f l c l i n r x l i n u x 的运行必须要有内存管理单元( m m u ) ，内存管理单元的功能主要 是将程序的逻辑地址和实际的物理地址分开，使系统有更高的稳定性。高性能 的芯片_ 般都会有内存管理单元，它是芯片中的部分，制造在芯片中逻辑 地址到实际的物理地址都是由硬件映射完成，因此速度较快但是还有大量的 芯片虽然数据位宽度和地址位宽度是3 2 位，但是为了节约芯片的制造成本同 时也考虑性能上不需要太高，因此在芯片中没有放入内存管理单元。为了让无 内存管理单元的芯片运行1 i n u x ，就需要对1 , i n u x 代码进行改写因此就产生 了c l i i l l i x 这个操作系统，它是嵌入式l i n u x 的个分支，是专门为没有内存 管理单元( m m u ) 的嵌入式处理器量身订做的，它保留了l i n u x 的强大的网 络功能与可配置的多种文件系统，这些功能使得开发变得更为方便。 p c l i n u x 的内存管理是与传统l i n u x 区别最大的的。标准l i n u x 是针对有 m m u 的处理器设计的在这种处理器上，虚拟地址被送到m m u ，把虚拟地 址映射微物理地址。通过赋予每任务不同的虚拟一物理地址转换映射，支持不 s 西华大学硕士学位论文 同任务之间的保护。对于，l qj 珊来说，其设计对没有m m u 的处理器，即 g o i a u x 不能使用处理器的虚拟内存管理技术。从 豳叹仍然采用存储器的分 页管理，系统在启动时把实际存储器进行分页。在加载应用程序时程序分页加 载。但是由于没有m m u 管理，所以实际上从1 血呔采用实存储器管理策略。 这一点影响了系统工作的很多方面。埘丑缸旺系统对于内存的访问时直接的， 所有程序种访问的地址都是实际的物理地址操作系统对内存空间没有保护， 各个进程实际上共享个运行空间个进程在执行前，系统必须为进程分配 足够的连续地址空间，然后全部载入主存储器的连续空间中【弼。 1 6 论文使用的平台和嵌入式操作系统 1 6 1 硬件平台 在学习和研究过程中，我们选择了p h i p 公司生产的u c z 2 9 0 芯片这 一款芯片是基于a r m t i d m i - s 核，d 的它是种高效，低功耗的赳s c 处理 器芯片由于芯片没有内存管理单元( h 似u ) ，因此对程序开发难度降低了， 这更符合我们的学习和研究工作。 为了更好的研究a r m 核j 0 的芯片i j p c 2 2 帅，我们购买了广州周立功单片 机发展有限公司推出的m 唱池讯m 教学试验开发平台。m a g c a r m 开发平台 在l p 0 2 2 9 0 芯片的基础e 外扩了多种功能，比如网络、u s b 、液晶显示器、 触摸屏等。硬件平台的介绍见第2 章 1 6 2 软件平台 软件开发平台使用的是a r m 公司开发的a i ) s 1 2 集成开发环境以及i j 弧 环境下的交叉开发套件胡删f - g c c 1 6 3 操作系统 我们研究的芯片是u l ( 渤o ，这款芯片内部没有m m u 单元，因此不 能使用通常的凼慨内核，而只能使用不带m m u 单元的嵌入式操作系统或者 对曲腿内核打个支持没m m u 单元的补丁综合考虑后，我们选择了 肛= l i 呱操作系统 6 西华大学硕士学位论文 1 7 本论文研究工作 本论文在m a g i c a r m 开发平台上实现y u c l i n u x 嵌入式操作系统的移植， 并在这个系统中实现了阚细操作系统的些简单命令，在此基础可以开发 各类嵌入式设备的驱动程序和应用程序的开发，还可以在该平台上研究嵌入式 操作系统另外本论文在移植好的操作系统e 对网络设备驱动进行了开发，通 过网络实现了对开发板中的外部设备l e d 的远程控制，并且搭建了个简单 的基于w e b 服务器的嵌入式测控系统。 7 西华大学硕士学位论文 第二章嵌入式系统硬件平台介绍 2 1a r m t i d m i - s 核介绍 a r m 是a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写。这是英国的个设计微处理器 的企业，它不生产，只关心处理器的设计工作a r m 7 1 d m i - s 是这个企业设 计的a r m 7 系列中的种，它是基于a r m 体系结构的v 4 版本，是目前低端 的a r m 核，并不是芯片，a r m 核与其他的部件如r a m 、r o m 和片内外设 组合在起才构成现实的芯片，如u - c 2 2 9 0 就是芯片a r m 7 t d m i - s 中的7 是表示从a r m 6 发展过来的，其中的t 代表高密度的1 6 位的t h u m b 指令机 扩展，d 代表支持片上调试，m 表示支持6 4 位乘法指令，l 表示e m b e d e d l c e 观察硬l 牛。a r m t r d m i - s 是a r m t i d m i 的个综合版本( 软核) ，它们在逻 辑上并没有区别，编程模型也一裂1 1 a r m 7 t d m l - s 处理器是a r m 通用3 2 位微处理器家族的成员之一a r m 处理器具有优异的性能，但功耗却很低，使用门的数量也很少a r m 结构是 基于精简指令集计算机原理而设计的。指令集衽相关的译码机制比复杂指令集 计算机要简单得多 2 1 1 三级流水线 a r m t f d m i - s 处理器使用流水线来增强处理器指令流的速度这样可以 使几个操作同时进行，并使处理和存储系统连续操作，能提供0 9 m p s m i i z 的指令执行速度。流水线使用三个阶段执行：取指译码执行在正 常操作中，在执行一条指令的同时，对下一条指令进行译码，并将第3 条指令 从存储器中取出来i 坷 2 1 2 存储器的访问 a r m 7 t d m i - s 使用的是冯诺依曼结构，指令和数据共用一条3 2 位总线。 只有装载、存储和交换指令可以对存储器中的数据进行访问。 数据可以是8 位字节、1 6 位半字或者3 2 位字，字必须分配为占用4 字节， 而半字必须分配为占用2 字节。 8 西华大学硕士学位论文 a r m 7 f d 心核支持两秭存储器格式，即大端格式和小端格式。 2 1 3 处理器状态 a r m t t d m i s 处理器内核使用a r mv 4 t 结构实现，该结 每包含3 2 位 a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集困此，a r m 7 r d m 皤处理器具有两种操 作状态： a 蹦状态：3 2 位，这种状态下执行的是字( 3 2 位) 方式的a r m 指令 t h u m b 状态：1 6 位，这种状态下执行的是半字( 1 6 位) 方式的t h u m b 指令。 所有的异常处理都是在a 蹦状态下处理的，如果异常发生在n 咖由状态， 处理器会切换到a r m 状态，在异常处理返回时，自动切换到t h u m b 状态。 2 1 4 处理器模式 a r m 体系结构支持7 种处理器模式：用户模式、快中断模式、中断模式、 管理模式、中止模式、未定义模式和系统模式。a r a l 7 r d 咖喀完全支持这7 种模式，具体见表2 1 除用户模式外，其他的都是特权模式。a r m 内部寄存 器和些片内外设备在硬件设计匕只j 危许( 或者可选择为只允许) 特权模式下 访问。此外，特权模式可以自由的切换处理器模式，而用户模式不能直接切换 到别的模式_ 表2 1 处理器模式 处理器模式说明备注 用户( t n ) 正常程序工作横式不能直接切换到其他模式 快中断( 五q ) 支持高速数据传输及通道处理 f i q 异常响应时进入该模式 中断( 岫) 用于通用中断处理瓜q 异常响应时进入该模式 管理( s v c )操作系统保护代码系统复位和软件中断响应时进入 中止( a b c )用于支持虚拟内存和厕涛储器保护在a r m t f d f l 没什么大用处 未定义( i i n d ) 支持硬件协处理器的软件仿真未定义指令异常响豳懒 系统( s y s )用于支持操作系统的特权任务等 与用户模式类 ! ；i 9 西华大学硕士学位论文 有5 种处理器模式称为异常模式，它们是快中断模式、中断模式、管理模 式、中止模式和未定义模式它们除了可以通过程序切换进入外，也可以由特 定的异常进入当特定的异常出现时，处理器进入相应的异常模式。每种模式 都有某些附加的寄存器，以避免异常退出时，用户模式的状态不可靠，后面会 谈到。 至于系统模式，它与用户模式一样，不能由异常进入，且使用与用户模式 完全相同的寄存器。然而它是特权模式，不受用户模式的限制，有这个模式， 操作系统要访问用户模式的寄存器就比较方便。同时，操作系统的些特权任 务可以使用这个模式，以访问一些受控的资源，而不必担岍常出现时的任务 状态变的不可靠。 2 1 5 处理器内部寄存器 a r m t i d m i - s 处理器内部有3 7 个用户可见的寄存器： 3 1 个通用3 2 位寄存器，在a r m 公司文件中它们的名称是r 0 - - r l 5 、 r 1 3s v c ，r 1 4s v c ，s 1 3 _ a b t ，r 1 4 _ a b t ，r 1 3 _ u n d ，p 1 c u n d ，m 3i r q ，r 1 4i r q 和k s _ f i q r 1 4 _ f i q 6 个状态寄存器，在a r m 公司文件中，它们的名称分别为c p s r 、s p s r 眦、 s p s r _ a b t 、s p s r _ u n d 、s p s r _ 蛔和s r s r _ 丘q 。 这些寄存器并不是全都可以在同一时间被访问的。处理器状态和操作模式 决定了程序员可以访问哪些寄存器。表2 2 给出了a r m 状态下各模式下的寄 存器。 l o 西华大学硕士学位论文 表2 2a r m 状态各模式下的寄存器 哥再墨哥再器在瑚吾霞式买际谰司射酾手叠 类掰 中的名称 用户l 系统lt 理i中止i 秉定义l 中断l 快中断 r 0硼 r lr i 运船 船 用 r 3 寄 r 4刚 存 r sp , 5 譬 r 6 耻 翱 r 7r 7 程 髓 船 。 ”“r 8 在口 序 时l u l 璩右a 计 r 1 0 r 1 0r 1 0 置口 羹 r nr l lr 1 1 丑口 鼍 r i 2 r 2r 1 2 t a r 1 3 ( 鲫 r 3 lr 1 3mir 1 3a b tir 1 3 l 脚lr 1 3qr 1 3 q r l 礼鼢r 1 4lr 1 4mlr 1 4a mir 1 4u n dlr 1 4 i mr 1 4i 口 r l p c )r 1 5 状态 c p 鼠 c p s r 寄存暑 轷昧 无l 呱辟l 孵观郴l 嬲艰i i 锵盹嬷管即 前面谈到的都是在a i u 讧状态下的寄存器，然而在t h u m b 状态下情况是不 同的，t h m n b 状态寄存器集是删状态集的子集。程序员可以直接访问： 8 个通用寄存器r 0 - r 7 ； 一p c 一堆栈指针s p 一连接寄存器l r 一有条件的访问c 雕浓 每个特权模式都有分组的s p 和i r 。t h u m b 寄存器说明见表2 2 中除去阴 影部分余下的就是t h u m b 状态下的寄存器了前文谈到当在t h u m b 程序执行 时发生了异常，处理器会切换到a r m 状态，从t h u m b 状态下能操作的那些寄 存器也得出了同样的结论，即该状态下无法实现异常的处理因为t h u m b 状 态不能操作s p s r 寄存器，因此它无法保存发生异常前的处理器的上下文环境， 包括处理器的程序状态寄存器也不能被有效的保存，因此处理异常只能够在 a r m 状态下进行 2 1 6 程序状态寄存器 a r m 7 t d m i - s 内核中包含一个c p s r 和5 个供异常处理程序使用的 s p s r 。a r m y r d m i - s 内核的所有处理器状态都保存在c p s r 中，当前的操作 1 1 西华大学硕士学位论文 状态位于c p s r 中。c p s r 包含： _ 4 个条件代码标志( 负n 、零乙进位c 和益处v ) 。 一2 个中断禁止位，分别用于种类型的中断。 - 5 个对当前处理器模式进行编码的位。 _ 1 个用于指示当前执行指令状态的位( a r m 还是t h u m b ) 。 每个异常模式还带有个程序状态保存寄存器( s p s r ) ，它用于保存任务 在异常发生前的c p s r 。c p s r 和s p s r 通过特殊指令进行访问。程序状态寄 存器各个位如图2 1 。 奢件代码标密 佩簟控时位 广1 1 广- 广1 _ 1 孔神对盯t3t1o 图2 1 程序状态寄存器的格式 模式位为程序状态寄存器( c 黔r ) 的驴q 位，这五位控制着处理器的模 式m 【4 ：o 】取不同的数就对应不同的模式m 【4 卿