（交通信息工程及控制专业论文）基于lpc2210和uClinux嵌入式家庭网关的设计与实现.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 i 摘 要 随着计算机技术的快速发展和网络技术的日新月异，给嵌入式计算机系统 带来了巨大的发展机会。目前，嵌入式系统已经渗透到各个领域，得到了广泛 的应用。代表先进发展方向的 32 位嵌入式 risc 处理器 arm 扩展到世界范围， 占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用领域。同时，嵌入式 web 技 术将是组建基于 internet 的远程分布式测控系统的关键技术之一， 它为 web 技 术渗透到测控领域及通讯仪器领域发挥了重大作用，将是信息领域的一次重大 的革新。 课题选用菲利普公司基于arm7核的lpc2210芯片。 考虑到嵌入式linux因为免 费、开放源代码以及强大的网络支持功能受到了越来越多的重视，所以嵌入式操 作系统选择uclinux。在此软硬件平台的基础上移植了嵌入式web服务器boa，结 合cgi技术，实现嵌入式网关应用系统。课题中嵌入式网关和智能设备通过rs485 总线标准互连，使得用户能够通过浏览器远程访问和控制智能设备。 该嵌入式网关实现了远程分布式测控和通讯，性价比高，具有很大的应用 价值，可以应用于工业控制、交通控制等领域；同样对于家庭范围内也是适用 的，此时嵌入式网关可抽象称为嵌入式家庭网关。 关键词：关键词：uclinux，嵌入式系统，嵌入式网关，嵌入式家庭网关，嵌入式 web 服务器，rs485 总线 基于 lpc2210 和 uclinux 嵌入式家庭网关的设计与实现 ii abstract with the rapid development of computer technology and network technology, the embedded system has won a huge chance to develop. recently, the embedded system has been applied widely in all kinds of field. moreover, arm which is 32-bit embedded risc microprocessor, has been spread to the range of the world, and occupied in the field of application of low consumption, low cost and high performance embedded system. and, the embedded web technology will be the key technology of building long-distance distributed measurement and control system based on internet, it plays an important role in web technology penetrating in the field of measurement and control as well as the field of tel-communication instrument, also it will bring an important innovation in information field. the task chooses lpc2210 chip of philips based-on arm7. considering embedded linux is getting more and more attention for its free, open-code and strong network supported characteristic, therefore, the author chooses uclinux as software platform. based on the platform described above, the author replants embedded web server boa to implement the embedded gateway application system with cgi technology. the embedded gateway connects with intelligent devices by rs485 bus in the task, it makes users to access and control intelligent devices by explorer outside the field. the embedded gateway realizes long-distance distributed measurement and control, has natural price ratio, can be applied to industry control, traffic control; also can be suitable for home area, then the embedded gateway may be called embedded residential gateway. key words: uclinux, embedded system, embedded gateway, embedded residential gateway, embedded web server, rs485 bus 南京航空航天大学硕士学位论文 v 图 表 清 单 图 1.1 集中式现场设备测控模型 .1 图 1.2 分布式现场设备测控模型 .2 图 3.1 开发板系统框图 .12 图 3.2 开发板实物图 .13 图 3.3 lpc2210 的逻辑结构框图.14 图 3.4 lpc2210 的存储地址空间.15 图 3.5 以太网接口电路 .17 图 3.6 nor flash 及 psram 存储器接口电路.18 图 3.7 nand flash 存储器接口电路.18 图 3.8 硬件系统总体方案 .19 图 3.9 max485 引脚结构图.20 图 3.10 80c51 和 max485 引脚连接示意图.21 图 4.1 make menuconfig 界面.27 图 4.2 minicom 配置界面.29 图 4.3 嵌入式开发模式 .30 图 4.4 嵌入式系统交叉调试示意图 .31 图 4.5 nfs 服务器配置界面.33 图 5.1 c/s 结构框图.34 图 5.2 b/s 结构框图.35 图 5.3 嵌入式 web 应用模型 .36 图 5.4 boa 工作流程图.37 图 5.5 基于 cgi 的 b/s 数据传输示意图 .39 图 5.6 嵌入式家庭网关应用系统逻辑框图 .40 图 5.7 登录验证模块流程图 .41 图 5.8 中央空调监控模块流程图 .44 图 5.9 中央空调监控模块表单 .45 图 5.10 单片机系统程序流程图 .47 图 5.11 中央空调控制器监控界面 .51 图 5.12 定时操作返回界面 .51 表 4.1 uclinux 配置选项.27 表 4.2 gdb 常用命令.32 表 5.1 modbus 协议数据帧格式.42 表 5.2 中央空调监控模块命令码列表 .44 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 (保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章 绪 论 1.1 课题研究的背景 上个世纪末，计算机网络技术进入了一个高速发展的时期。新方法、新技 术、新产品不断的涌现，极大地推动了社会的发展进程。人与人之间的通信方 式的变革带动了一场 internet 革命；相应地，设备与设备之间、设备与人之间 的通信方式也将带动一场嵌入式 internet 的革命。 如果我们能充分利用现有的 网络基础， 将嵌入式的设备连接到 internet 上来， 就可以实现更好的网络管理， 更方便、低廉的信息处理和交互。 在交通控制领域、工业控制领域，存在着大量的现场智能设备。这些现场 智能设备可以直接与控制中心进行信息数据的交互，即集中式现场设备测控， 见图 1.1；也可以通过一些分控制节点，由分控制节点与控制中心进行信息数 据的交互，即分布式现场设备测控，见图 1.2。后一种方案更加可行、方便， 由分控制节点组成一个局域网络，实现局域网内现场智能设备和控制中心的桥 接，方便控制中心对现场智能设备的访问和控制；这种方案中的控制中心可以 通 internet 进行远程监控，更能满足当前网络化的需要。此分控制节点实现了 网关的功能，可以称之为嵌入式网关。 图1.1 集中式现场设备测控模型 嵌入式网关除了可以应用于交通控制领域、工业控制领域，实现远程分布 式测控和通讯；在当前的数字化家庭也将得到巨大的应用和发展。 在数字技术蓬勃发展的今天，各种信息家电(information appliance ia) 不断涌现，数字化家庭将成为信息基础设施的重要组成部分，其中家庭网络是 一项关键技术。 家庭网络的目标是将一个家庭中各种信息家电(如数字电视、 pda 现场设备1现场设备2现场设备3现场设备n 控制中心 基于 lpc2210 和 uclinux 嵌入式家庭网关的设计与实现 2 等)及其它控制设备(如电表、水表、煤气表、能源自动控制、保安系统等)通过 网络连接为一个小范围的局域网，集成控制网和信息网二者的功能和服务 1,2。 图1.2 分布式现场设备测控模型 展望一下，未来家庭内部将会有多个设备(包括信息家电和控制设备)同时 联入 internet。鉴于以下几个原因：大多数传统信息家电和控制设备多由 8 位、16 位单片机组成,速度慢且资源有限，实现 tcp/ip 协议比较困难；降低 家庭用户管理和维护的复杂性；随着 internet 的膨胀式发展，其可用的 ip 地址越来越少，要想在 isp 处申请一个新的 ip 地址已不是很容易的事了,这不 仅仅是费用的问题，而是由 ip 地址的现行标准 ipv4 决定的，一般不可能为每 个设备都提供一个 ip。因此，在目前没有一种主导联网解决方案的情况下，通 常在考虑家庭网络的组成时，设置一个家庭网关作为家庭网络的控制中心 3。 residential gateway group（gp）是一个在 1995 年建立的正式的工业论 坛组织，它率先采用家庭网关来代表一个集中式智能接口，将外部的家庭接入 网络和家庭内网络联系起来。rg 的家庭网关定义为：一种简单的、智能的、标 准化的、灵活的整个家庭网络接口单元，它可以从不同的外部网络接收通讯信 号，通过家庭网络传递信号给某个消费设备 4。借助引入家庭网关的概念，希 望能够为集成不同的外部网络和丰富的应用提供一个有效的途径。 家庭网关可以实现桥接/路由、协议转换、地址管理和转换、防火墙、vpn 连接、qos 管理等功能 5。实现方案有一开始的以 pc 机为核心的控制中心和逐 渐发展起来的以 arm、powerpc 等嵌入式芯片为核心的控制中心。但是，pc 机 存在如下缺点：不够稳定、结构复杂、体系升级太快、价格相对昂贵，逐渐被 32 位嵌入式芯片所取代。目前，基于嵌入式芯片的家庭网关大致有以下几种实 internet 现场设备1 现场设备2 现场设备3现场设备n 控制中心 现场设备1 现场设备2 现场设备3现场设备n 嵌入式网关 嵌入式网关 南京航空航天大学硕士学位论文 3 现形式：soho 路由器网关、cable 网关、dsl 网关、数字机顶盒网关。 1.2 课题研究的内容及意义 应用于数字化家庭的嵌入式网关，可以抽象称之为“嵌入式家庭网关” 。理 论上，嵌入式家庭网关应具有三个方面的功能，即接入功能、业务功能和管理 功能。 嵌入式家庭网关的接入功能主要是用来实现数字家庭网络和公共网络的连 接。目前，接入公共网络的方式有很多，如 adsl、以太网、有线电视电缆、电 力线、光纤等 6。同时，嵌入式家庭网关也需要集成多种内部网络连接技术， 如：以太网、rs485 总线、can 总线、lonworks 总线、无线以太网、蓝牙，可 以通过电力线、双绞线、同轴电缆、无线等多种方式接入家庭网络中的智能设 备 7。其他的不能满足家庭网络标准的设备则通过 ieee1394，x.10 等接口接到 一台转换设备连接到家庭网络中。 嵌入式家庭网关的业务功能需要完成部分公共网络推进到家庭中的业务。 家庭网络中可能存在娱乐、通信和控制等业务，对于娱乐和控制类业务，主要 需要家庭网关做桥接、控制点或者转发；对于通信类业务，需要家庭网关具备 控制信令交换和编解码功能。 嵌入式家庭网关管理功能包括日程管理、检测、安全等方面的内容。 嵌入式家庭网关，作为当前国内外许多大公司正在研究的热门技术，本课 题只能选取其中的一些技术进行研究，不可能面面俱到。 具体研究的内容有： 1、 对嵌入式家庭网关的芯片和嵌入式 uclinux 进行学习与研究， 在 lpc2210 芯片上移植 uclinux。 2、构建嵌入式 web 服务器，即在硬件系统上移植 boa。 3、 将嵌入式家庭网关与家庭智能设备通过 rs485 总线连接形成 485 总线测 控网。 4、基于嵌入式 web 服务器 boa，结合 cgi 技术实现 b/s 模式的软件设计。 5、设计 80c51 系统模拟家庭智能设备，以验证嵌入式家庭网关的功能。 系统最终能够实现：用户可以在远离家庭的地方通过浏览器访问家庭内智 能设备并进行相应的操作。比如：各类家电的监控；门禁系统的控制；三表（电 表、水表、煤气表）在线读取数据；家庭温度、湿度、能见度的测控。 基于 lpc2210 和 uclinux 嵌入式家庭网关的设计与实现 4 1.3 论文的安排 本文各章节内容安排如下： 第一章 主要介绍了课题研究的背景、课题研究的意义等。 第二章 主要介绍了嵌入式系统的定义、特点、要求、分类、现状及发展趋 势，常用嵌入式芯片及嵌入式操作系统。 第三章 主要介绍了系统硬件平台的选择，主要的芯片特性及电路原理，硬 件系统整体实现方案。 第四章 先对boot loader做简单的介绍，然后分析uclinux操作系统的文件 组织结构、内存管理、进程管理、内核加载方式、文件系统。接着阐述系统软件 平台的构建，即uclinux的移植。最后讨论了一下嵌入式交叉调试的问题。 第五章 首先讨论了开发模式的选择，通过对比分析采用b/s结构；然后选 取boa作为嵌入式web服务器移植到系统中；接着对应用系统软件模块进行划分， 并给出具体的实现。 第六章 对全文进行总结，并提出存在的不足。 南京航空航天大学硕士学位论文 5 第二章 嵌入式系统的概述 2.1 嵌入式系统的定义、特点及要求 2.1.1 嵌入式系统的定义 根据ieee(国际电气和电子工程师协会)的定义，嵌入式系统是控制、监视、 或者辅助设备机器和车间运行的装置 8。这主要是从应用上加以定义的，从中可 以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。 不过，上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的精髓。目前国内一个普遍被 认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、为特殊应用量身定制的、 适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系 统。 同时还应该看到，嵌入式系统本身还是一个外延极广的名词。凡是与产品 结合在一起的、具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统。现在人们讲 嵌入式系统时，某种程度上是指近年来比较热的具有操作系统的嵌入式系统。 2.1.2 嵌入式系统的特点 嵌入式系统是将先进的计算机技术、 半导体技术和电子技术与各个行业的具 体应用相结合后的产物。概括起来，嵌入式系统有以下几个特点。 1、嵌入式系统无所不在 嵌入式技术广泛应用于自动控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、 航天、 军事、 消费等各个领域。 嵌入式系统几乎存在于我们周围各种电器设备中， 在数量上远远超过了各种通用计算机。 2、嵌入式系统是完成专用功能的最小系统 嵌入式系统不仅和通常pc机上的应用系统不同， 就是针对不同的具体应用而 设计的嵌入式系统之间差别也很大。嵌入式系统一般功能单一，用来完成某种具 体应用，在兼容性方面要求不高；但在功耗、成本、体积方面限制较多，要求硬 件、软件都要发挥最高效率，可靠性高，力争以最小系统达到最高性能。 3、嵌入式系统对软件的要求 由于嵌入式产品要求体积小、成本低，一般不具有硬盘等大容量存储设备， 嵌入式系统软件一般固化在容量较小的flash存储器中。这就要求软件代码具有 较高的质量和可靠性，有的系统还要求软件具有实时处理能力。 基于 lpc2210 和 uclinux 嵌入式家庭网关的设计与实现 6 4、嵌入式系统的开发环境和开发工具 由于嵌入式系统自身没有足够的资源，不具备自主开发能力，所以一般嵌 入式系统的开发模式是作为目标机的嵌入式系统与作为宿主机的主机相连接， 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。 2.1.3 嵌入式系统的要求 在不同的应用领域，对嵌入式系统有不同的要求，这些要求就构成了一个描 述嵌入式系统的最基本的规格说明。 可以用以下参数来描述一个嵌入式系统的特 征。 性能：一般就用特征工作频率来描述，如微处理器的时钟频率或者峰值处理 能力，或者是每秒能执行的指令数(mega instructions per second, mips)。 功耗：工作电压、工作电流、引脚上的驱动电流都能反映了这个特征。 可靠性：连续工作时间是描述可靠性的常用参数，另外对震动、潮湿、高温 或低温等条件的适应能力也反映了其可靠性。 体积：嵌入式系统的大小和外形一般都要和外部设备的体积和外形相适应。 成本：嵌入式系统的成本总是越低越好。 功能：功能不是越多越好，因为功能越多可靠性通常也越差，成本也越高。 mpu：采用什么样的mpu，由应用的性能要求来决定。mpu的频率和成本都是 越低越好，频率越低，系统可靠性越好。 操作系统：并非所有的嵌入式应用都要操作系统，只有需要多进程管理的时 候才有必要加载操作系统。 用户界面：用户界面非常重要，图形化的用户界面是大势所趋。但是复杂的 用户界面会降低系统性能和可靠性，增加功耗和成本。很多嵌入式应用中图形界 面会占去一半以上的功耗。 描述上述特征的参数就叫特征参数，特征参数之间相互制约，需要综合考 虑，通常会先从性能、功耗、成本这三个角度入手，其他参数多是对这三个参 数的延伸。 2.2 嵌入式系统的分类 按照嵌入式芯片来分，可以将嵌入式系统分为以下四类 9： 1、嵌入式微处理器(embedded microprocessor unit, empu) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的cpu，它具有体积小、重量轻、成 本低、可靠性高的优点。但是，在电路板上必须包括存储器，总线接口，各种外 南京航空航天大学硕士学位论文 7 设等器件，降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。嵌入式微处理器目前主要 有am186/88, 386ex, sc-400, power pc, 68000, mips, arm系列。 2、嵌入式微控制器(embedded microcontroller unit, emcu) 嵌入式微控制器以某一种微处理器内核为核心，根据某些典型的应用，在芯 片内部集成了rom/eprom、 ram、 总线、 总线逻辑、 定时/计数器、 watch dog、 i/o、 串行口、脉宽调制输出、a/d、d/a、flash memory等各种必要功能部件和外设， 将整个计算机系统集成到一块芯片中。它的主要特点是单片化，体积大大减小， 从而使功耗和成本下降，可靠性提高。嵌入式微控制器主要是51系列的产品。 3、嵌入式dsp处理器(embedded digital signal processor, edsp) dsp处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行数字信号处 理算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、fft、谱分析等方 面，数字信号处理算法正在大量进入嵌入式领域，所以，嵌入式dsp处理器获得 了广泛的应用。比较有代表性的产品是texas instruments的tms320c2000/c5000 系列和motorola的dsp56000系列。 4、嵌入式片上系统(embedded system on chip, esoc) 随着edi的推广和vlsi设计的普及化，以及半导体工艺的迅速发展，可以在 一个硅片上实现一个更为复杂的系统，这就是嵌入式片上系统。由于整个嵌入式 系统的大部分功能都集中在一块或几块芯片上，应用电路变得非常简洁，对于减 小体积和功耗，提高可靠性和保密性都非常有利。 2.3 嵌入式系统的现状和发展趋势 信息时代、数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展机遇，为嵌入式市场 展现了美好的前景。目前，嵌入式系统被广泛地应用于三个方面，家用电器及消 费类电子产品、民用电子装备及机电一体化设备、国防应用领域。 可以展望，未来嵌入式系统将呈现以下几大发展趋势。 1、嵌入式产品将与互联网应用相互促进，快速发展，嵌入式产品将成为互 联网的主要终端之一，网上将出现大量的服务于嵌入式产品的软件，并有专门服 务于嵌入式产品的内容。 2、随着微电子技术的快速发展，芯片功能更加强大，soc将成为发展趋势。 这不仅能降低成本，缩小体积，还将增强产品的可靠性。同时，软件硬件的紧密 结合， 使得嵌入式软件与硬件的界线更加模糊， 嵌入式软件时常以硬件形态存在， 这种方式可提高实时性，增强可维护性。 3、无线通讯产品将成为嵌入式软件的重要应用领域。未来几年，蓝牙等相 基于 lpc2210 和 uclinux 嵌入式家庭网关的设计与实现 8 关技术会与嵌入式软件相互促进，共同发展，使更多的产品具有通讯功能，使 更多的通讯产品更好地为用户服务。 2.4 嵌入式微处理器 2.4.1 常用的微处理器 嵌入式微处理器有许多流行的处理器核， 芯片生产厂家一般都基于这些处理 器核生产出不同型号的芯片。 1、arm微处理器 作为全球领先的16/32位嵌入式risc微处理器解决方案供应商， arm公司的微 处理器核技术广泛应用于便携式通信产品、手持运算、多媒体数字消费等嵌入式 解决方案等领域，已成为risc标准。arm处理器的三大特点是:小体积、低功耗、 低成本。 arm处理器有一下几个产品系列:arm7、 arm9、 arm9e、 arm10、 securcore、 stongarm和xscale。 2、mips微处理器 mips技术公司是一家设计制造高性能、 高档次及嵌入式32位和64位处理器的 厂商， 在risc处理器方面占有重要地位。 mips公司设计risc处理器始于80年代初， 先后推出了r2000, r3000, r4000, r8000到r120000。1999年，mips公司发布了 mips32和mips64架构标准，新的架构集成了原来所有的mips指令集，并且增加了 更强大的功能。 2000年， mips公司发布了针对mips 32 4kc的版本以及64位mips 64 20kc处理器内核。 3、powerpc powerpc 是早期 motorola 和 ibm 联合为 apple 的 mac 机开发的 cpu 芯片, 商标权同时属于 ibm 和 motorola,并成为他们的主导成品。 powerpc 架构的特点 是可伸缩性好，方便灵活。powerpc 处理器品种很多，既有通用的处理器，又 有嵌入式控制器和内核。 ibm 主要的 powerpc 产品有 powerpc604s、 powerpc750、 powerpcg3。motorola 主要有 mc 和 mpc 系列。尽管他们的产品不一样，但都采 用 powerpc 的内核，这些产品大都用在嵌入式系统中。 4、68k/coldfire motorola 68000(68k)是出现得最早的一款嵌入式处理器，68k采用的是cisc 结构，与现在的pc指令集保持了二进制兼容。后来，motorola推出了基于risc 结构的68k/coldfire系统微处理器，目前基于该架构的嵌入式处理器主要有 mcp5272，它基于第二代coldfirev2核心，是68k系列产品的重要补充。 南京航空航天大学硕士学位论文 9 2.4.2 arm 介绍 arm 即 advanced risc machines 的缩写，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。arm 公司是设计公司，是知识 产权(ip)供应商，本身不生产芯片，而是通过转让高性能、低成本、低功耗的 risc 微处理器、外围和系统芯片设计技术给合作伙伴，让他们使用这些技术来 生产各具特色的芯片。目前，总共有 30 多家半导体公司与 arm 签订了硬件技术 使用许可协议，其中包 intel、ibm、 philips、lg 半导体、nec、sony 等国际 知名公司。至于软件系统的合作伙伴，则包括微软和 mri 等许多知名公司。 1、arm 系列 1）arm7系列 arm7系列包括arm7tdmi、 arm7tdmi-s、 带有高速缓存处理器宏单元的arm720t 和扩充了jazelle的arm7ej-s。该系列处理器提供thumb 16位压缩指令集和 embeddedice jtag软件调试方式，适合应用于更大规模的soc设计中。arm7系列 广泛的应用于多媒体和嵌入式设备，包括internet设备、网络和调制解调器设备 已经移动电话、pda等无限设备。 2）arm9系列 arm9系列有arm9tdmi、arm920t和带有高速缓存处理器宏单元的arm940t。所 有的arm9系列处理器都具有thumb压缩指令集和基于embeddedice jtag的软件调 试方式。arm9系列兼容arm7系列，而且能够比arm7进行更加灵活的设计。arm9 系列主要应用于引擎管理、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、pda、 网络电脑以及带有mp3音频和mpeg4视频多媒体格式的智能电话中。 3）arm10系列 arm10系列包括arm1020e、arm1022e和arm1026ej-s三种类型。其核心在于使 用向量浮点单元vfp10提供高性能的浮点解决方案，极大地提高了处理器的整型 和浮点运算性能，适用于下一代高性能手持式因特网设备及数字式消费类应用。 4）securcore系列 securcore系列涵盖了sc100、sc200和sc210处理器。该系列处理器主要针对 新兴的安全市场， 以一种全新的安全处理器设计为智能卡和其他安全ic开发提供 独特的32位系统设计，并具有特定的反伪造方法。 5）strongarm系列 strongarm处理器是融合了intel公司的处理器技术和arm的体系结构，致力 于为手提式通信和消费电子类设备提供理想的解决方案。目前有sa110、sa1100 以及sa1110等三个版本。 基于 lpc2210 和 uclinux 嵌入式家庭网关的设计与实现 10 6）xscale系列 intel xscale微体系结构是一种全性能、高性价比、低功耗的解决方案，它 支持16位thumb指令和dsp指令。目前用得较多的是xscale pxa250和xscale 80200/803121。 2arm7tdmi arm7tdmi基于arm体系结构v4版本，是目前低端的arm核，具有广泛的应用， 其最显著的应用为数字移动电话。arm7tdmi命名定义如下: arm7 cpu核系列 t 16位压缩指令集thumb d 在片调试(debug)支持，允许处理器响应调试请求暂停 m 增强型乘法器(multiplier)，与以前处理器相比性能更高，产生全64位 结果 i 嵌入式ice硬件提供片上断点和调试支持 arm7tdmi使用流水线以提高处理器指令的流动速度。 流水线允许几个操作同 时进行，以及处理和存储系统连续操作。arm7tdmi使用3级流水线，因此，指令 的执行分为3个阶段:取指、译码和执行。当正常操作时，在执行一条指令期间， 其后续的一个指令进行译码，且第3条指令从存储器中取指令。 2.5 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统是随着嵌入式系统的发展而出现的， 它是嵌入式系统发展到 一定阶段的产物。嵌入式操作系统的出现，将大大提高嵌入式系统开发的效率， 改变以往嵌入式软件设计只能针对具体的应用从头做起的历史。 在嵌入式操作系 统之上开发嵌入式系统将减少系统开发的工作量， 增强嵌入式应用软件的可移植 性，使嵌入式系统的开发更具有科学性。 随着嵌入式操作系统的广泛应用， 业界己推出一些应用比较成功的嵌入式操 作系统产品，嵌入式操作系统也从单一的弱功能向高专业化的强功能方向发展。 归纳起来嵌入式操作系统应该有以下几个特点:小的系统内核、较强的实时性、 多任务功能、能够提供各种设备驱动程序，高端嵌入式系统还提供许多高级的功 能，如图形用户界面和tcp/ip等网络协议支持。 嵌入式操作系统主要有vxworks、 windows ce、 uc/os-、 qnx、 nucleusplus、 嵌入式linux等等 11，下面分别给予简单的介绍。 1、vxworks vxworks是美国wind river公司开发研制的一种高性能的嵌入式实时操作系 南京航空航天大学硕士学位论文 11 统。它包括了操作系统本身和其集成的开发环境，在嵌入式实时操作系统领域占 据一席之地。vxworks以其优良的可靠性、实时性、可裁减性和易用性赢得了大 量的客户。 2、windows ce windows ce是微软公司开发的一个开放式、可升级的32位嵌入式操作系统， 它经过压缩，可以移植，能够开发多种企业和客户类设备。由于其是微软公司的 “维纳斯计划”的核心，包含了internet explore的版本，可以和internet实现 连接、 同步交换信息。 如果开发者能熟悉windows开发环境， 可以基于windows ce 开发出很好的应用程序。 3、uc/os- uc/os-是一个源码公开、可移植、可固化、可裁减及抢占式的实时多任 务操作系统，绝大部分源码是用 ansic 写的。自 1992 年问世以来，已经被应用 到数以百计的产品中。 4、qnx qnx是quantumn software system公司研制的基于pc的实时多任务的、可扩 展的操作系统，它具有微内核结构，用户可根据需要选择其中一些组件来定制操 作系统。 5、nucleusplus nucleusplus 操作系统是目前最受欢迎的嵌入式操作系统之一， nucleusplus 是为实时嵌入式应用而设计的一个抢先式多任务操作系统内核， 其 95的代码是用 ansic 写成的，因此非常便于移植并能够支持大多数类型的 处理器。从实现角度来看，nucleusplus 是一组 c 函数库，应用程序代码与核 心函数库连接在一起，生成一个目标代码，下载到目标板的 ram 中或直接烧录 到目标板的 rom 中执行。在典型的目标环境中，nucleusplus 核心代码区一般 不超过 20k 字节大小。 6、嵌入式 linux linux 是一个类似于 unix 的操作系统，是当前最为流行的一款开放源代码 的操作系统。从 1991 年问世到现在，短短 10 几年的时间内 linux 已经发展成 为一个功能强大、设计完善的操作系统，成为 windows 操作系统的强劲对手。 linux 系统不仅能够运行于 pc 平台，还在嵌入式系统方面大放光芒，目前正在 开发的嵌人式系统中，49的项目选择 linux 作为嵌入式操作系统。在标准 linux 基础上进行适当的裁剪和优化， 并形成了嵌入式 linux， 具有以下的优点： 稳定、良好的移植性，优秀的网络功能，对各种文件系统完备的支持，已经标 准丰富的 api 等。 基于 lpc2210 和 uclinux 嵌入式家庭网关的设计与实现 12 第三章 嵌入式家庭网关硬件平台 硬件平台的设计关系到整个系统的实现。 硬件平台的设计包括芯片的选型， 电源电路，复位电路，系统时钟电路，jtag 接口电路，系统存储器电路，串口 电路，以太网电路等。如果有需要的话，还会有键盘电路，tft 液晶接口电路， 外设 pack 接口电路（提供 usb 接口） ，触摸屏接口电路等。 3.1 硬件平台的选择 开发一个嵌入式应用的最快捷径就是采用一个已经搭建好的，并且已经经 过验证的参考设计作为系统的主硬件部分， 然后在此基础上扩展具体应用电路。 虽然 arm 公司不断推出新的 arm 体系架构，但是 arm7 由于性价比高、功耗 小，非常适用于工业控制、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，在整个 arm 应用中占据绝对的市场，约占 71。 smartarm2200 开发板是由广州周立功公司开发的一款基于 arm7 的开发平 台，嵌入式芯片采用菲利普公司的 lpc2210，外扩 2m 字节的 nor flash（芯片 型号为 sst39vf160） 、8m 字节的 psram（芯片型号为 mt45w4mw16） 、16m 字节的 nand flash（芯片型号为 k9f2808u0c） ，具有 jtag 接口、双串行接口、以太网 接口（芯片型号为 rtl8019as） 。此外开发板上还有一个 tft6758 液晶模块，可 供图形化开发。 开发板的系统框图如图 3.1 所示： 图3.1 开发板系统框图 lpc2210 psram (8m) nand flash (16m) nor flash (2m) jtag接口rtl8019asrj45以太网接口 rs232转换 器（2路） 9针d型串口 modem接口 rs232转换 器（8路） 44 键盘（i2c接口）tft液晶屏 电源 gpio接口 南京航空航天大学硕士学位论文 13 开发板的实物图如图3.2所示： 图3.2 开发板实物图 该开发板是一款性能优秀的基于arm7的嵌入式硬件系统， 可以作为课题学习 和研究的主硬件平台，适用于嵌入式网关方面的应用。利用这个平台，在此基础 上扩展一个基于rs-485总线标准的测控网络，能够实现嵌入式网关的基本功能。 而且， 软件开发可以基于一个经过验证的开发板进行， 保证了系统实现的正确性， 从总体上也缩短了系统的开发周期。 所有本课题采用了smartarm2200开发板作为 硬件开发平台。 3.2 主要芯片、电路原理介绍 3.2.1 lpc2210 lpc2210 是基于一个支持实时仿真和跟踪的 16/32 位 arm7tdmi-s tm cpu。对 代码规模有严格控制的应用可使用 16 位 thumb 模式将代码规模降低超过 30%， 而性能的损失却很小 12。 lpc2210 的逻辑结构框图如图 3.3 所示。 基于 lpc2210 和 uclinux 嵌入式家庭网关的设计与实现 14 图3.3 lpc2210的逻辑结构框图 lpc2210的主要特性如下所示： 16/32位arm7tdmi-s核，lqfp144封装。 16kb片内静态ram。 串行boot装载程序通过uart0来实现在系统下载和编程。 embeddedice-rt和嵌入式跟踪接口使用片内realmonitor软件对任务进行实 时调试并支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪。 8路10位a/d转换器，转换时间低至2.44s。 2个32位定时器（带4路捕获和4路比较通道）、pwm单元（6路输出）、实时 时钟和看门狗。 多个串行接口，包括2个16c550工业标准uart、高速i 2c接口（400 kbit/s） 和2个spi接口。 向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。 通过外部存储器接口可将存储器配置成4组，每组的容量高达16mb，数据宽 度为8/16/32位。 多达76个通用i/o口（可承受5v电压），9个边沿或电平触发的外部中断引 脚。 iic串行接口 spi串行接口 uart0 sem_t sem; char tmpmaxlen, tmp1maxlen; 南京航空航天大学硕士学位论文 43 sem_init( sem_wait(sem); /等待并关灯操作 fd=open(“/dev/ttys0”,o_rdwr); if (-1 = fd) perror( 打开串口错误！); set_speed(fd,b9600); /设置波特率 if(set_data_format(fd,8,1,n)=flase) /设置 8 位数据位，1 位停止位，无奇偶校验位 perror( 设置数据错误！); for(i=0;i0) strcat(tmp1,tmp); if(strlen(tmp1)0) strcpy(head,tmp1); *len=strlen(tmp1); break; close(fd); sem_post(sem); /点灯操作 if(i3) return 1; else return 0; 其中，从嵌入式家庭网关发送信息帧到 rs485 总线，智能设备接收信息帧 并进行相应的处理，再把应答的信息帧发给嵌入式家庭网关，1 秒钟的延时基 本上可以满足要求。 set_speed()函数,set_data_format()函数均是对串口数