（控制理论与控制工程专业论文）基于intel386ex的嵌入式系统设计与实现.pdf

毪s 3 2 基于i n t e l 3 8 6 e x 的嵌入式系统设计与实现 四川大学电气信息学院( 6 1 0 0 6 5 ) 研究生梁海燕指导教师涂源钊教授 随着计算机工业的发展，嵌入式p c 成为个新的发展方向， 也成为近年来行业内的一个热点。本文提出了一种基于i n t e l 公 司专业嵌入式微处理器芯片3 8 6 e x 的嵌入式应用方法，构建了 一个带操作系统和文件处理系统的嵌入式系统硬件平台。该嵌入 式系统的核心设计思想是p c d o s 兼容，充分利用p c 上成熟且 廉价的硬件软件技术资源。最后还以该硬件平台做核心，设计了 一个串口服务器，以此为例说明该嵌入式平台如何快速有效灵活 地构成具体的嵌入式应用方案。 本文的重点有三个部分，系统硬件设计、软件设计、应用实 例。硬件方面，运用基于e d a 的c p l d 相关技术，实现嵌入式系 统的灵活性：软件方面，与硬件结合，着重于如何利用设计b i o s 来实现与p c 的兼容性，尤其是在把矩阵键盘和l c d 替代p c 的标 准输入输出设备作为本嵌入式系统的标准输入输出设备方面，做 了比较详细的工作；最后，基于上述的嵌入式平台，本文做了一 个具有实际应用价值的案例，作为演示，说明如何快速构建具体 的嵌入式应用方案。 文章的最后一部分，对本系统的性能做了评估，并针对本嵌 入式系统做了迸一步的探究，提出一些新的完善的方法，并提供 了一些具体的思路。 关键词：嵌入式系统 ln t e l 3 8 6 e x p c 兼容c p l d b 1 0 s 异步串口 t h e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h e e m b e d d e d s y s t e mb a s e do ni n t e l 3 8 6 e xm i c r o p r o c e s s o r c o l l e g eo fe l e c t r i ca n di n f o r m a t i o n ，s i c h u a nu n i v e r s i t y ( 6 10 0 6 5 ) g r a d u a t e l i a n gh a i y a n a d v i s e rt uy u a n z h a o w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o f c o m p u t e ri n d u s t r y ，e m b e d d e d c o m p u t e ri sb e c o m i n gt h et e n d e n c yo fc o m p u t e ri n d u s t r yr e s e a r c h t h e r ea r ee m b e d d e d a p p l i c a t i o n s t h a ts e e kt oa c h i e v e q u i c k t i m e - - t o - m a r k e tb yu s i n gt h ep e r s o n a lc o m p u t e r b a s e dd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t t h i sp a p e rp r o v i d e sa ne m b e d d e da p p l i c a t i o nw i t h o p e r a t i o ns y s t e ma n dd o c u m e n t sm a n a g e m e n to ni t t h i se m b e d d e d s y s t e m i sb a s e do ni n t e l 38 6 e x a p r o f e s s i o n a l e m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o r a n d ，t h e e m b e d d e d s y s t e m i s d e s i g n e d a sa p c d o s c o m p a t i b l ep l a t f o r ms ot h a tm a n ye x c e l l e n ts o f t w a r ea n d h a r d w a r er e s o u r c e se x i s t e do np cc a nb et r a n s d l 8 n t e dd i r e c t l y a s a ne x a m p l eo ft h ea p p l i c a t i o no fs u c ha ne m b e d d e ds y s t e m ，t h i s p a p e rp r o v i d e sac a s eo fm u l t i a s v n c h r o n o u s s e r i a ls e r v e r t h e d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n o f h a r d w a r e ，s o f t w a r e a n d a p p l i c a t i o no ft h ee m b e d d e ds y s t e mi s t h ec o r eo ft h i s p a p e r i n a s p e c t o f h a r d w a r e ，t h et e c h n o l o g y o fc p l db a s e do ne d a a c h i e v e st h eo fe m b e d d e ds y s t e m i na s p e c to f s o f t w a r e ，t h eu s eo f b i o sa c c o m p l i s h e st h ec o m p a t i b i l i t yo f p c d o s ，e s p e c i a l l y ，m u c h w o r k sh a v eb e e nm a d et oi m p l e m e n ts t a n d a r do u t p u ts e r v i c ew i t h l c di n s t e a do fv g ao np c i na s p e c to fa p p l i c a t i o n ，t h e p a p e r f o c u s e so nh o wt oc o n s t r u c ta na p p l i c a t i o no ns u c ha ne m b e d d e d s y s t e m t h ef i n a l p a r t o ft h i s p a p e rs u m m a r i z e st h ep e r f o r m a n c e o ft h e e m b e d d e d s y s t e m ， a n dd i s c u s s e ss o m en e wm e t h o d s f o r i m p r o v e m e n t k e y w o r d s ： e m b e d d e d s y s t e m c o m p a t i b i l i t y ；b i o s ；c p l d i n t e l 3 8 6 e x ：p c d o s a s y n c h r o n o u s - s e r i a l 四川大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 嵌入式系统发展及现状 以往我们按照计算机的体系结构、运算速度、结构规模、适用领域，将其 分为大型计算机、中型机、小型机和微计算机，并以此来组织学科和产业分工， 这种分类沿袭了约4 0 年。近1 0 年来随着计算机技术的迅速发展，实际情况产 生了根本性的变化，例如7 0 年代末定义的微计算机演变出来的个人计算机， 如今已经占据了全球计算机工业的9 0 市场，其处理速度也超过了当年大、中 犁计算机的定义。随着计算机技术和产品对其它行业的广泛渗透，以应用为中 心的分类方法变得更为切合实际，也就是按计算机的嵌入式应用和非嵌入式应 用将其分为嵌入式计算机和通用计算机。通用计算机具有计算机的标准形态， 通过装配不同的应用软件。以类同面目出现并应用在社会的各个方面，其典型 产品为p c 而嵌入式计算机则是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品 和系统中。 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。嵌入式系统是指用于执行独立功能的专用计算机系统。它由微电子芯 片( 包括微处理器、定时器、序列发生器、控制器、存储器、传感器等一系列 微电子芯片与器件) 和嵌入在r o m 、r a m 和f l a s h 存储嚣中的微型操作系统、 控制与应用软件开发来实现各种自动化处理任务的电子设备或装置。“。”1 嵌入式系统的主要作用是实时控制、监视、管理移动计算机、数据处理等， 或者辅助其它设备运转，完成各种自动化处理的任务； 嵌入式系统以应用为中心，以半导体技术、控制技术、计算机技术和通讯 技术为基础，强调硬件软件的协同性与整合性。软件与硬件可剪裁，以满足系 统对功能、成本、体积和功耗等要求。 四川大学硕士学位论文 最简单的嵌入式系统仅有执行单一功能的控制能力。在唯一的r o m 中仅有 实现单一功能的控制程序，无微型操作系统。复杂的嵌入式系统，例如个人数 字助理( p d a ) 、手持电脑( h p c ) 等，具有与p c 机几乎一样的功能，实质上 与p c 的区别仅仅是将微型操作系统与应用软件嵌入在r o m 、r a m 与f a l s h 存储 器中，而不是存储于磁盘等载体中。很多复杂的嵌入式系统又是由若干个小型 嵌入式系统集成的。 嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计算机 的外部设备中就包含了5 一1 0 个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、 显示卡、显示器、m o d e m 、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、u s b 集 线器等均是由嵌入式处理器控制的。在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪 表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算 机的应用领域。 今天嵌入式系统带来的工业年产值已超过了l 万亿美元，1 9 9 7 年来自美 国嵌入式系统大会( e m b e d d e ds y s t e mc o n f e r e n c e ) 的报告指出，未来5 年仅基 于嵌入式计算机系统的全数字电视产品，就将在美国产生一个每年1 5 0 0 亿美 元的新市场。美国汽车大王福特公司的高级经理也曾宣称，“福特出售的计 算能力已超过了i b m ”，由此可以想见嵌入式计算机工业的规模和广度。 1 9 9 8 年儿月在美国加州圣何塞举行的嵌入式系统大会上，基于r t o s 的 e m b e d d e di n t e r n e t 成为一个技术新热点。美固著名未来学家尼葛洛庞帝9 9 年1 月访华时预言，4 5 年后嵌入式智能( 电脑) 工具将是p c 和因特网之后最 伟大的发明。我国著名嵌入式系统专家沈绪榜院士9 8 年1 1 月在武汉全国第 1 1 次微机学术交流会上发表的计算机的发展与技术一文中，对未来l o 年 以嵌入式芯片为基础的计算机工业进行了科学的阐述和展望。 1 2 嵌入式系统工业的特点 一、嵌入式系统工业是不可垄断的高度分散的工业 从某种意义上来说，通用计算机行业的技术是垄所的。占整个计算机行业 9 0 的p c 产业，8 0 采用i n t e l 的8 x 8 6 体系结构，芯片基本上出自i n t e l ，a ， 2 四川大学硕士学位论文 c y r i x 等几家公司。在几乎每台计算机必备的操作系统和文字处理器方面， m i c r o s o f t 的w i n d o w s 及w o r d 占8 0 9 0 ，凭借操作系统还可以搭配其它应用 程序。因此当代的通用计算机工业的基础被认为是由w i n t e l ( m i c r o s o f t 和 i n t e l9 0 年代初建立的联盟) 垄断的工业。 嵌入式系统则不同，它是一个分散的工业，充满了竞争、机遇与创新，没 有哪个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市场。即便在体系结构上存在 着主流，但各不相同的应用领域决定了不可能由少数公司、少数产品垄断全部 市场。因此嵌入式系统领域的产品和技术，必然是高度分散的，留给各个行业 的中小规模高技术公司的创新余地很大。另外，社会上的各个应用领域是在不 断向前发展的，要求其中的嵌入式处理器核心也同步发展，这也构成了推动嵌 入式工业发展的强大动力。 啸“ 嵌入式系统工业的基础是以应用为中心的“芯片”设计和面向应用的软 件产品开发。 二、嵌入式系统软件的特征 嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，对嵌入式处理器 系统软件和应用软件的要求也和通用计算机有所不同。 ( 1 ) 软件要求固态化存储 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 器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 ( 2 ) 软件代码高质量、高可靠性 半导体技术的发展使处理器速度不断提高、片上存储器容量不断增加，但 在大多数应用中，存储空间仍然是宝贵的，还存在实时性的要求。因此要求程 序编写和编译工具的质量要高，以减少程序二迸制代码长度、提高执行速度。 ( 3 ) 系统软件的高实时性是基本要求 ： 在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调 度是保证每个任务及时执行的关键，单纯通过提高处理器速度是无法完成和没 有效率的，这种任务调度只能由优化编写的系统软侔来完成，因此系统软件的 高实时性是基本要求。 ( 4 ) 多任务操作系统是知识集成的平台和走向工业标准化道路的基础 四川大学硕士学位论文 1 3 嵌入式工业p c 详细分析 1 3 1 、嵌入式工业p c 的现状。5 台式p c 机的广泛应用和推广，使越来越多的人了解它、熟悉它、愿意使 用它。p c 机对社会和产业界所产生的巨大影响，使建立在i n te l 微处理器上 的p ca t 硬、软件构架成为事实上的标准。今天，当人们谈起计算机时，脑海 里自然就浮现出p c 机。p c 机几乎成了计算机的代名词，并且深入人心。p c 机 及m s d o s 的标准化和开放式体系结构，使国际上众多厂家和公司得以在此基 础上开发出丰富的、有不同特色的软、硬件产品，这无疑对p c 的推广应用起 到了推波助澜的作用。随着性能不断提高和价格大幅度下降，p c 机以锐不可挡 之势迅速渗透到工业控制领域。人们对p c 机寄予重复，希望它在传统产业的 自动化改造舞台上扮演重要的角色。 嵌入式工业p c 彻底摆脱了传统微控制器结构的束缚，大胆采用i n t e l 公司 的8 0 x 8 6 系列微处理器作为c p u 单元，百分之酉兼容i b wp c 和m s - d o s 结构， 使其可以充分享受p c 机发展所积累的丰硕成果。这种p c 和m s - d o s 兼容的嵌 入式工业p c ，优势明显。 ( 1 ) 系统设计受益于p c 机发展所形成的相关器件生产的规模效益，硬件 成本低，市场竞争能力强。 ( 2 ) 从语言和编译连接软件、数据库、电子表格、网络通信、数据采集 到控制组态软件，支持p c 架构的软件应有尽有。这些软件不需修改或稍加修 改就可在嵌入式工业p c 机上运行。 ( 3 ) 多种版本的m s - d o s 、w i n d o w s 。以及在p c 机上运行的各种实时多任 务操作系统( 如v r tx 、a w x 、s p e c t r a 等) ，给嵌入式工业p c 以强大的支持。 ( 4 ) 普通p ! c 机就可作为其廉价的开发平台技术人员可以在熟悉的环境 下方便地开发各种应用程序。 4 四川大学硕士学位论文 132 嵌入式工业p c 总线概况 ( 1 ) v m e 总线 v m e 总线是一种很有生命力的工业标准，分为( 3 u ) 3 9 x 6 3 平方英寸和 ( 6 09 2 6 ，3 平方英寸两种规格。由于嵌入式工业p c 机发展的强大攻势，许 多厂商一改欧式v m e 总线m o t o r o l a 微处理器结构，纷纷推出p c 和m s d o s 兼容 的、8 0 x 8 6 结构的v m e 总线规范的嵌入式工业p c 产品。v m e 总线产品的插针式 连接器结构被强震动、冲击和高尘埃等极恶劣场合广泛采用，特别是在列车、 轮船等运动系统中。由于插针结构很容易满足系统先接电源和后断电源的带电 插拔规范，所以”即插即用”是v m e 总线产品的主要发展方向之一。 ( 2 ) p c f 0 4 总线 。 p c 1 0 4 是当前国际上小型化嵌入式工业p c 中比较热门的产品。p c 1 0 4 总线模板的结构很有特色，尺寸为3 ，6 x3 8 平方英寸，没有总线母板。没有模 板导轨，联结采用自层叠方式，最大限度地减小占用空间。由于p c 1 0 4 总线本 身就和i s a 规范完全兼容，从面使它能充分利用商用p c 机市场上同样的芯片系 列。p c t 0 4 厂商也能最大限度地分享商用p c 机规模经济市场中的巨大经济利 益。如果p c 1 0 4 产品能不断降低价格，解决 o 模块贫乏等问题，它的应用前 景是很好的。 为了充分利用插针结构的优点翱商用p c 机的规模经济效益，有些厂商干 脆把is a 总线规范直接映射到v m e 联结器的9 6 根插针上，推出v e - p c 嵌入式 工业l ，c 产品，如瑞士d i g i t a l - l o g i c 公司的a t 9 6 嵌入式工业p c 产品。这种真 正百分之百与p c 和m s d o s 兼容的产品确实给用户使用带来了不言而喻的方便， 但其价格之高，让许多用户望而止步。0 5 1 ( 3 ) v x i 总线 二 v x i ( v m e b u se x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 总线系统是一种完全开放 的、有众多产品供应商支持的高性能模块化仪器总线标准，又称为“v m e 扩展 到仪器应用”标准。v x i 总线是一种基于v m e 总线的模块仪器结构标准，对所 有厂家开放。并兼容现有的工业标准。v x 总线系统集中了智能仪表、个人仪 四川大学硕士学位论文 表和g p i b 系统的很多优点，具有开放式模块化结构、数据吞吐量大、网络和通 信接口方便，以及扩展能力强、可伸缩性好等特点，被广泛应用于航空、航天、 航海等设备的维护、测试和诊断，是公认的仪器和测试系统的优秀平台。目前， 美国 f p 和k i n e t i cs y s t e m s 等公司的v x i 产品在市场上占主导地位。 内嵌式v x i 总线工业控制计算机的推出和使用，给嵌入式工业p c 的应用又 开辟了一个崭新的空间。v x i 总线产品通过局部泓i 总线，很容易和外部的、 采用i s a 、e i s a 和p c i 等其它总线的计算机系统相连，构成多v x i 系统。目前 采用p c i 局部总线的产品也已推出。由于p c a t 的兼容性，内嵌式v x i 总线工 业控制机已成为v x l 总线系统的高性能理想平台之一。 现在，几乎所有的嵌入式工业p c 产品厂商都在由o e m 向系统级产品过渡， 努力为用户服务到端子，联结方便合理，给用户提供一个比较完整的解决方案。 这是嵌入式工业p c 未来发展的一个主要方向。 1 3 3 嵌入式工业p c 的硬件设计 概括地讲，嵌入式工业p c 设计主要有两种体系结构，即封闭式和开放式体 系结构。封闭式体系结构的产品不依赖于某种总线标准，为某种特定任务而专 门设计，专用性较强，一般称这种产品的嵌入方式为芯片级嵌入。开放式体系结 构的设计立足于某种公开了的工业总线掭准。依靠这种开放和标准，众多计算 机厂商设计出各具特色、种类繁多、可供用户灵活选择的模板级产品，如c p u 板、系统支持板、人机接口板、信号调理板、模拟量i o 板和数字量。i o 板 等因为有了标准，所以不同的用户可以根据任务的实际情况选择一定数量的 功能模板，以最快的速度组合成相应的应用系统，从而大大缩短了开发周期，减 小了开发费用。由于总线标准，使产品的升级和维护交得简单、方便。这种嵌 入方式称为板级嵌入，嵌入式工业系统采用最多的就是这种嵌入方式。 除开放和标准以外，工业控制计算机不仅需要像平台p c 机一样的速度和 性能( 如成熟的操作员界面、复杂的控制算法和最快的处理器) ，而且要求具有 以下特性： ( 1 ) 坚固性。工业控制机必须工作在高温、高尘环境，并能承受强烈冲击 6 四川大学硕士学位论文 和震动，因此需要供电电源稳定可靠、制冷性能良好和插卡的固定能力。 ( 2 ) 可靠性。m t b f ( 两次故障之间的平均时间) 指数大于1 万小时，这要靠 保守的电路和散热设计、固态非转动的盘驱动器和仔细的电缆连接来保证。 ( 3 ) 低的m t t r ( 平均故障修复时间) 指数。由于工业控制机普遍采用去掉 有源电路的无源后背板或主板，功能分散到其它插板上，因此插板一旦出现故 障，可以很快完成更换。 ( 4 ) 模块化。控制设备的工控机需要两个以上的串口和一个以上的并口、 模拟和数字i 0 、运动控制、p l c 互连能力、显示等等。一般工控机要有1 2 个或更多的总线插槽用于i o 扩展。 ( 5 ) 标准化。凡是成功的计算机平台都基于某种标准，所有的工业用户正 逐渐从专用结构转移到基于标准的架构，因为标准架构的产品容易从多个不同 的供应商那里得到。 ( 6 ) 实时性。工控机要具有时间和事件驱动能力，能对生产过程工况变化 实时地进行监测和控制，当过程参数偏离设定值甚至出现故障时能迅速做出 相应的处理。 ( 7 ) 前面板i o 。工业用户喜欢像p l c 产品那样简便的前面板端予连接 方式。一般平台计算机用电缆从后面跟外部连接，这在桌面上看起来还好，但大 多数工业用户的要求却相反。 一个成功的嵌入式工业p c 模板硬件设计还应考虑以下方面： ( 8 ) 兼容性。嵌入式工业p c 模板设计要做到帮p c 、新s - d o s 完全兼容， 充分利用商用p c 所积累的软、硬件资源。 ( 9 ) 克服总线数据宽度和速度瓶颈，产品升级。标准工业总线一方面使 系统开放，另一方面也阻碍了处理器性能的发挥。为此，一种办法是采用高性能 总线，但这无疑会大幅度增加设计费甩和产品成本。比较好的办法是采用“a l l i no r l e ”和i o 总线设计方案，既可提高性能又可保持向下兼容。专家认为， 一般工业过程为慢过程，对i o 的访问速度要求并不高，8 1 6 位数据宽度、 8 m h z 的频率足够了。但随着数据采集量增加，控制策略和控制算法更加优化和 复杂，对计算机的处理能力、存储器访问速度秘实时响应能力的要求越来越高、 越来越严格。所以，将局部高速总线和慢速系统总线相结合设计，即把对速度要 7 四川大学硕士学位论文 求高的c p u 、存储器、看门狗、硬盘和需要高速访问的i o 接口等做在一块“a l l ino n e ”模板上，把相对慢速的i 0 部分放在总线上，是一种合理、现实的方 案。 ( 1 0 ) 采用基于f l a s h 存储器的新型存储器子系统。伴随着p c 机架构渗 透到嵌入式应用领域，一种与传统存储器子系统完全不同的新型存储器系统 结构正在产生。新型存储器子系统以f l a s h 存储器为核心，配有少量p , a m ( s l i a m 或d r a m ) ，突破了传统的磁盘( 软、硬盘) 、r o m 和大量r a m 三级存储器结构，具 有系统小、功耗低、重量轻、坚固和可靠性高等特点，更能满足各种苛刻的嵌 入式应用要求。f 1 a s h 存储器以其高密度、高速度、不挥发、电可改写和高可 靠等优点，为实现工业控制系统软件“全固化运行”的理想提供了保障。 ( 1 1 ) 系统故障监测和自动恢复。如今，看家狗电路已成为嵌入式工业p c 设计不可缺少的一部分。它能在系统出现故障时迅速报警，并在无人干预的情 况f ，使系统自动恢复运行。 ( 1 2 ) 采用p c 兼容的、高集成度的嵌入式微处理器。过去，嵌入式设计 往往采用n e c 公司的v 系列处理器和8 0 c 1 8 6 e 系列作c p u 。随着高性能、 高集成度、低电压工作和带有电源管理单元的嵌入式微处理器的推出( 如i n t e l 的3 8 6 e x 、a m d 的a m 3 8 6 e m 和即将推出的奔腾级p 5 5 c 、p 5 4 c 多媒体芯片 等) ，给设计人员提供了更大的发挥空间。 13 4 嵌入式工业p c 的软件设计 嵌入式工业p c 的软件设计在整个设计过程中占有很重要的地位。软件工 作的可靠性是决定系统工作可靠与否的主要因素之一。工业软件设计已经开始 从加载运行的重定位 e x e 格式软件转向就地运行( e x e c u t e - i n - p l a c e ) 的预 定位 b i n 格式，以便从根本上保证程序指令的高可靠执行。具体地讲，包括以 。卜方面：”“ ( 1 ) 嵌入式b i o s 。嵌入式应用的b o s 应该是模块化、可裁减的，而且是 最优化和最小的，还要支持系统无键盘和无显示的黑模式工作方式。 ( 2 ) 嵌入式实时操作系统。嵌入式d o s 不仅要覆盖系统的常规功能。还 四川大学硕士学位论文 要求支持半导体盘、看家狗功能和x i p 程序的上电直接运行。嵌入式d o s 应该 是x i p 格式的，以提高系统引导速度和代码的可靠性。嵌入式操作系统还必须 具有任务或事件的实时处理能力。 ( 3 ) 代码和数据分离与定位。开发通用高级语言混合编制的应用程序的 代码和数据的分离与定位工具，是编制x i p 格式应用程序的关键。也是程序固 化、就地执行的前提。 ( 4 ) f l a s h 存储器管理软件的开发。为用户提供现成的工具软件，实现 f l a s h 存储器的优化管理和在线、在板修改、升级。这也是决定能否最大限度 地发挥新型存储器子系统性能的主要因素之一。 1 4 本文主要工作 有很多的嵌入式应用都是在寻求一种基于踞开发环境魄能够尽量缩短开 发时间快速占领产品市场的渠道，从这一点来说，这样的应用秘传统的嵌入式 市场比如通讯、网络、工厂自动化、成像等领域是非常接近的。如果在嵌入式 目标里嵌入时下流行的d o s 或者w i n d o w 而不需要程序开发员去写专用的操作 系统。那么，产品的开发周期将大大地缩短。图卜l 和图1 - 2 演示了基于编写 专用的嵌入式操作系统做设计与基于嵌入在r o m 里的d o s 操作系统来做设计的 区别。 圈1 - 1 传统舳嵌入式应用设计方法圈1 - 2 基于d o s 嵌入式系统的设计方法 9 四i i j 学硕士学位论文 显然，后面一种方法大大减少了应用程序开发的工作量，并且为嵌入式应 用提供了一个复杂的与p c 一致的用户界面。为了方便应用，很多家庭娱乐设 施、消费类电子产品以及办公自动化用品都提供了一个标准的、类似于p c 的 用户界面。很多应用比如条码扫描仪数码相机等不仅需要p c d o s 兼容还需要 增强电源管理特性。有很多用8 0 c 1 8 6 系列来做上述嵌入式应用的，但当这些 应用要求更高的性能更大的地址空间的时候，i n t e l 3 8 6 的结构就能够提供完 全的代码移植从而保护了在编写代码方面的投资。综合前面所述，如果能设计 出一款系统级的嵌入式硬件产品，该产品内嵌m s d o s 操作系统，硬件上与p c 机完全兼容，可适合很多场合下的嵌入式应用，则弥补了国外嵌入式工业p c 价格高昂，普通用户尤其是任务简单的用户购买成本过高的遗憾。该产品具有 很高的市场价值。 t 5 2 咖p 神 图1 _ 33 8 6 e x 内部模块逻辑分布承意圈 f、 3 8 6 e x 是i n t e l 公司推出的针对嵌入式应用的3 2 位嵌入式处理器，它的 核心是基于i n t e l 的8 0 3 8 6 s x 实现的，集成了与p c 兼容的外围部件如：中断 控制部件( i n t e r r u p tc o n t r o lu n i t , ) ，定时计数器部绦c t i m e rc o u n t e r u n i t ) ， 1 0 四川大学硕士学位论文 异步串口i o 部件( a s y n c h r o n o u ss e r i a li ou n i t ) 及内存直接访问控制部 件( d i r e c tm e m o r ya c c e s sc o n t r 0 1 ) 等；以及与嵌入式应用特点相适应的外 围部件，如：时钟与功耗管理部件( c l o c ka n dp o w e rm a n a g e m e n tu n i t ) ， 看门狗定时器( w a t c h d o gt i m e r ) ，同步串口i o 部件( s y n c h r o n o u ss e r i a l s i o u n i t ) ，并行i o 端口( p a r a l l e li o p o r t ) ，芯片选择部件( c h i ps e l e c t u n i t ) ，刷新控制部件( r e f r e s hc o n t r o lu n i t ) ，3 t a g 逻辑测试部件( j t a g t e s t l o g i cu n i t ) 。3 8 6 e x 内部模块逻辑分布示意图如图卜3 所示。 本文探讨了基于嵌入式微处理器i n t e l 3 8 6 e x 的一种新的嵌入式系统应用 方法。这种新方法的核心设计思想是i b m p c d o s 兼容。具体构成上，用i n t e l 公司生产的3 2 位专用嵌入式c p u3 8 6 e x 做内核，加上外围接口控制部分，网 络部分构成了一个嵌入式硬件平台，在这个硬件平台基础之上，嵌入操作系统 d o s 或者r t o s ，构成一个完整的嵌入式系统。 为验证这样一个嵌入式平台能够快速有效多方位地构成嵌入式应用，本文 还做了一个基于该嵌入式平台进行开发的应用案例以做示范。 由于本文所设计的系统是一个庞大而且复杂的系统，牵涉到硬件、软件、 协议、操作系统等诸多方面的工作，因此这是一个协作完成韵项目，有很多方 面的工作是由成都英创信息技术公司其他设计人员完成的。后续的文章中，我 就我所做的工作进行详细的描述，但为了系统的整体性考虑，也会对其他人的 工作做简要的介绍并指明。 四川大学硕士学位论文 第二章硬件系统设计与实现 根据第一章中提出的设计任务，要构建一个与p c 兼容的嵌入式单板计算 机，首先需要构建一个硬件平台。本章的主要内容是讲述围绕i n t e l 3 8 6 e x 为 核心的硬件系统的设计，实现方法和系统构成，硬件资源的分配等内容。 2 1 总体设计 2 1 1 设计流程 硬件系统的总体设计，从设计流程来说，采用以下方式进行： ( 1 ) 功能框图设计 这部分设计属于系统级的设计，从前章提出的设计任务出发，规划本嵌入 式系统要实现的功能。从硬件方面来说，即是要实现一些外界接口功能，比如 异步串行口，以太网络接口，液晶显示接口，矩阵键盘接口，扩展总线接口等。 硬件系统的功能设计框图见图2 - l 。 ( 2 ) 选择实现方案 功能规划完成以后，选择具体的实现方案。由于本嵌入式系统是以 i n t e l 3 8 6 e x 做c p u 的，所以，在选择各方案之前，对3 8 6 e x 做了详细的分析， 四川大学硕士学位论文 然后再选择与x 8 6 这一体系构架兼容的各方案。经过大量的调研工作，在基于 成本、开发难易程度、是否主流应用等方面的考虑之后，做了如下的选择：主 频采用2 4 m ；实时时钟采用d a l l a s 公司的1 2 c 8 8 7 ；系统b i o s ，用一片s s t 公 司的2 9 e e 0 2 0f l a s h 芯片做存储；串口来自于3 8 6 e x 的内部，但从c p u 出来的 是t t l 电平，要转换成标准的r s 2 3 2 电平的话，则需要电平转换芯片，这一部 分，选用了m a x i m 公司的m a x 2 1 3 e c a i ；以太网部分，选择r e a l t e k 公司生产 图2 - 硬件系统总体设计框圈 的r t l 8 0 1 9 8 0 1 9 a s 芯片做以太阿络控制器，、以及与之配套的隔离变压器；存 储器选用了h y n i x 的e d o ；接口控制部分，包播d r 脒控制、分频时钟、显示 控制、键盘控制等，采用一片l a t t i c e 公司的i m 4 h 5 1 2 8 6 4 编程完成。 ( 3 ) 系统级电路设计 查阅相关技术资料，开始进行电路设计。在询电路圈之前要进行硬件资源 的配置，以确保硬件资源不冲突、不重用，并且做到充分利用。后续章节将会 四川大学硕士学位论文 对本系统的硬件资源配置进行详细说明。 ( 4 ) p c b 设计 遵照p c b 设计的一般原则，将电路图转换成p c b 图，加工完成硬件产品。 ( 5 ) c p l d 编程 有了完整的硬件产品以后，对c p l d 进行在线编程，包括c p l d 内部电 路图设计以及h d l 语言描述模块设计，编译通过以后下载至芯片中，并利用 示波器进行在线仿真，反复修改，直到实现所需要的时序为止。 ( 6 ) 硬件系统调试 硬件系统设计出来后，由于没有加载操作系统以及b i o s ，此时的硬件系 统调试，主要是指时序，比如时钟波形，动态r a m 的刷新时序等。功能级的 硬件调试需要在加载了完整的软件系统之后进行。 2 1 2 硬件配置 硬件配置是建立在p c 兼容的基础之上的，有关p c 方面的资源配置，本节 只作简要描述，有关针对嵌入式应用的特殊功能设计本节将给出详细的说明。 由于i n t e l 3 8 6 e x 集成了与p c 兼容的外围部件比如中断控制器8 2 5 9 、异 步串口通讯控制部件、并行i 0 部件等，因此系统无需外扩电路，就能从c p u 引出两个9 线的r s 2 3 2 异步串口及相应的并行i o 。在以下描述中的很多硬件 资源是来自c p u 内部的。 ( i ) 存贮器配置 系统启动后，3 8 6 e x 处于实模式状态，存贮器采用动态存贮器( d r a m ) 。 为支持d o s 以及保护模式的程序应用，d r a m 的分配为：( 1 ) 0 x 0 0 0 0 0 - - 0 x 9 f f f f 6 4 0 k b 用于支持常规的d o s 程序应用；( 2 ) o x l 0 0 0 0 0 o x l f f f f f l 岫和o x 2 a 0 0 0 0 - - o x 2 f f f f f3 8 4 k b 共二段高端存贮器尾于支持保护模式的应用程序。系统b i o s 和驱动器“a ：”包含在一片f l a s h 存贮器中，共2 5 6 k b ，映射区域为：o x c 0 0 0 0 - - o x f f f f f 。为存放用户应用程序和数据，系统还开辟了专门的存贮器窗口， 仅占用8 k b 存贮器地址，映射区域为：o x a o o o o - - o x a l f f f 。相应的物理位置为 一片s s t 公司的f l a s h 芯片2 8 s f 0 4 0 ，。系统缺省配置为5 1 2 k b 驱动器“b ：”， 四川大学硕士学位论文 系统还为应用保留了外扩的存贮器地址空间，可使用的映射区域为：o x a 8 0 0 0 - - o x a f f f f ，在具体使用外扩存储器地址空间时，可编程定义。 ( 2 ) i o 资源配置 本系统中的3 8 6 e x 被置为d o s 兼容模式，在这一模式下应用程序可按p c 机传统i o 地址访问系统的基本外设资源，如异步通讯接口( u a r t so fc o m s ) 、 定时器( 8 2 c 5 4 ) 、中断控制器( i c u ) 等等。而对其它的外设资源的访问，如 w a t c h d o g 、d m a 等，则需要操作3 8 6 e x 的扩展i o 空间，系统在软件方面提供 了c 语言低层驱动函数，这些函数包括了对3 8 6 e x 的扩展i o 空间的1 0 进行 操作。表2 - 1 是系统( 包括3 8 6 e x ) 占用的常用基本i 0 端口( 地址 o x 0 0 0 o x 3 f f ) 一览表： i o 端口对应外设功能及应用描述 o x 2 0 - - o x 2 1中断控制器主片标准p c 兼容定义 o x 4 0 - - o x 4 3系统定时器标准p c 兼容定义 o x 6 0 - - 0 x 6 4键盘接口标准p c 兼容定义 o x 7 0 一o x 7 lc w o s 实时时钟标准p c 兼容定义 o x a o - - o x a l 中断控制器从片标准p c 兼容定义 o x 2 a 0 一o x 2 b f以太网络控制器本系统扩展定义 0 x 2 f 8 一o x 2 f fl 。o 比标准p c 兼容定义 o x 3 6 0 - - o x 3 6 3l c d 显示接口本系统扩展定义 0 x 3 7 8 一o x 3 7 b 打印接口标准p l c 兼容定义 o x 3 f 8 - - o x 3 f f0 0 m l麟p c 蘸容定义 表2 - 1 硬件系统占用i 0 壤口地址囊 ( 3 ) 中断资源配置 3 8 6 e x 微处理器集成了中断控制部件。为两片8 2 5 9 , 与p c 一致，同样分 为主从两片，这提供了与p c 兼容的中断体系结构，本系统完全遵循p c 的这一 结构，针对嵌入式应用的般需求，对中断进行配置，如表2 - 2 所示： 1 5 四川大学硕士学位论文 系统中断资源配置表 i c u 芯片p c 中断名称 中断号对应外设功能及应用描述 o x 0 8n i r 0 系统时钟，每1 8 2 秒中断一次 o x 0 9键盘 矩阵面板键，按键产生中断 i r q 2o x o a级连从片8 2 5 9 a 中断控制器输入 主片i r q 3 o x o bc a m 2 异步串口8 2 5 0 t 的中断相连 8 2 5 9 a i r q 4 o x o cc o m l异步串口8 2 5 0 a 的中断相连 i r q 5 o x o d 网络以太网络控制器r t l 8 0 1 9 a s i r q 6o x o e蜮i保留，可扩展硬件用中断 i r q 7 o x o fm x i 保留，可扩展硬件用中断 o x 7 0r t cs 实时时钟r t c i r 0 9o x 7 1加【i保留，可扩展硬件用中断 i r q l 0 0 x 7 2嗽l接豫l 输出。可用于中断定时 从片i r q l l 0 x 7 31 撇2接撇2 输出，可用于中断定时 8 2 5 9 ai r 0 1 20 x 7 4l 用于3 8 6 e x 的d i i a 结束中断 0 x 7 5系统保留 i r q l 40 x 7 6未用 0 x 7 7硼y r看门狗定时器中断 裹2 - 2 系统中新资源配置表 ( 4 ) 标准输入输出 标准输入输出逻辑设备是指在系统软件环境中，缺省的数据输入输出源。 p c 的标准输入输出逻辑设备是它的键盘和显示器i 与之相对应地，本系统把 矩阵面板键输入和字符或点阵l c d 分别作为它的标准输入输出逻辑设备。使用 标准逻辑设备是为了便于在高级语言中对它们进行操作，如c 语言中的g e t c h ( ) 将读取标准输入逻辑设备的数据，即键盘输入的键码。而函数p r i n t f ( ) 则把数据输出到标准输出逻辑设备，即显示器显示数据。本系统提供的显示接 口可直接连接常见的字符或点阵l c d 模块，对点阵l c d 还提供汉字显示支持。 1 6 四川大学硕士学位论文 l c d 的驱动程序都放在b i o s 里，系统根据一个键码表来构造p c 兼容的键盘输 入软件接口( i n to x l 6 ) 。 ( 5 ) 异步串行口 系统所包括的2 个异步串口，都来自于3 8 6 e x 内部，它们与p c 上的异步 串口完全兼容，最高传输波特率为11 5 2 k b p s 。串口i 被配置成完全的r s 2 3 2 c 结构( 9 线制) ，除了一般的串口功能外，还可直接与m o d e m 相连，支持设备 的拨号上网功能：串口l 也可作为调试端口。主机用串口与本系统相连进行且 标程序的下载以及调试。串口i 的基地址为o x 3 f 8 ，使用i r q 4 中断资源。 串口2 作为扩展串口e x s i o 的一部分，输入输出电平为c m o s t t l ，可方 便地扩展为完全r s 2 3 2 、3 线制r s 2 3 2 、r s 4 2 2 、r s 4 8 5 等接口形式。在后续基 于本嵌入式系统的开发应用中，串口2 常常用傲与无线通讯模块的连接端口用 来传输a t 指令。串口2 的基地址为o x 2 f 8 ，使用i r 0 3 中断资源。 ( 6 ) 以太网( e t h e r n e t ) 接口 系统中包含一个l o m b p s 的以太网控制器，可喜接与i o b a s e - - t 以太网络 连接。以太网控制器采用无跳线配置，1 6 b i t 数据总线结构，软件层与n e 2 0 0 0 以太网控制器兼容。网络控制器的基地址为o x 2 a