（信号与信息处理专业论文）基于vxworks的数据采集系统的开发研究.pdf

硕士论文基于v x 叭 io r 七的致据采集系统的开发研究 ab s t ract b a 义 川on r 叩idd evel o p m 朗t ofcom p u te r ， 即 m i con d u 引 泊 r 助dsoff w 创 吧忱 h n o l o gy， th e 伴而而朗 沈o f embe d d 曰m icrop ro “ s sor get h ighl y 诵p roved明 d th e ld n do f e m t 姆 d d ed 。 声橄i n gs y st e memer g einend le s s l y . theembed 目 s y s te mg e tse x t e 幻 s i ve app l i 口 蚊 i on in in c 呼 1昭s u bj ect. thi s d es i， is an叩 p 】 i cati o n o f embe d ed盯 st em i n da taco l lecti onan d con tro川 n g s y st e m 了 h i s th es i s r e ， 当 灯 c h edonth e b 朗k gr o u n d o f so m e 佃 da r s y s l e m， 时叩忱 曰th e m a ins tr 已 山 m ofh ar d w 田 tandso介 w ar e 奴h nofo gy ine m 吮d d 曰母 5 加 m fol l o w i n gth e 鱿 snd aj 月desi gnin g fl ow ofc o n t r 0 l l in gs y st e m ， we p ro gr a m m ed th e咖 加l l i n gsoft w are b ased on th ea r m m i c r o p n 洲 艾 活 s o r and v x wo rks em卜 记 d eds y st em. t h e h ar dware i s com p o se do f ast a ” d 田 心p c/1 04 datacol l ectt i n gs y 雍mandc s 一 2 1 5 e m b ed d edcom p u ter w it chi s b 至 记 d o n th e a r m 9 2 0t co邝 . the embed d edr ea】 t im e sy 拙m v x w。 由 act asth e soft w 毗 pl at fo n n ， p ro vi deexce! i ent so云 w 出 七su耳 幻 rt . c o rres 四n d in gto th e8b i t andl 6b itilo a d d r es sof th ed 别 tacol ! 即廿 i n gs y stem ， p r o gr a m m e thc u o如恰 for th e sa k e ofu p 户 叮即plicati on. p r o gr anl th eu 0in -o u t n ow of con trol inth e u ，o f lj od ri ver. the d i g i 回山晓 匕侧1 1 吮col lecte d byth e a /d 哪 vert o r and t ra n s l at edtoth e e m b edd edcom p u t e r . the v x wo rks s y 成 e mp rovi d e peri 触 c t n e tw0 r k m 浏u le . b u i l d a c l i e ntp 门 侧 记 u r e m a k e use o f th e soc妞 com m u n i a at i o n ， soth a t th e coll ec t edd 幽 c an boo . 11 port 司tothe com pu谕. b y m akin g use o f s ync 知 旧 n 让 at i o n比tw创 ，assi gnm 翻tscan h i gh l y 目 v 助 ceth e s y s 宜e m 声 d b 而an ce ， f i n a l l yth i s th es i s i n t ro d u 以 泪the t r o n adoh ost i m p l emen仁加盯 ds u 耳 助 rtp ac k edge ， . d e b u g e n v i 门 n m 即 t and c o m p 1 i e m et h odo f th e s y s te mi m a g e . we e s t i m ate the 叻o l e th es i s at th e cnd and m ake b ri e f s u m m aj 澎 . k e y w o rd: e m beddedre alt 油e sy雍m ， a r m) vxwo d 侣 ， f o面v er， socket 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以 标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同 工作的同事对本学位论文做出的 贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研 究 生 签 名 :二 笋可_. 妇 “ 了 年 7 月夕日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或 上网 公 布本 学位 论 文的 部分 或全 部内 容 ， 可以向 有 关部门 或 机构 送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内 容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研 究 生 签 名 : 二业 匕一 ” “ 产 7 月夕日 硕士论文基于v x 叭 七 r 匕的数据采集系统的开发研究 1绪论 随着计算机技术的发展，嵌入式系统已成为计算机领域的一个重要组成部分，并成 为近年来新兴的研究热点嵌入式操作系统产业关联度大，市场前景好，发展嵌入式软 件将有利于增强企业持续创新能力。 v x works 是 美国w in d ri v ersyst 日 m公司( 以 下 简称风河公司，即w r s 公司) 推出 的一个实时操作系统。wr s公司组建于1981年，是一个专门从事实时操作系统开发与 生产的软件公司，该公司在实时操作系统领域被世界公认为是最具有领导作用的公司。 v x 认 io d “是windriver 公司开发的具有工业领导地位的高性能实时操作系统内 核， 具有 先进的网络功能。v x 认 io r k : 的开放式结构和对工业标准的支持，使得开发人员易于设计 高效的嵌入式系统.并可以以很小的工作量移植到其它不同的处理器上。v x v 六 ，rks 的特 点主要在于嵌入式和实时性。由于嵌入式的特点，系统内核只有任务管理和简单的内存 管理，在此之上可以根据需要配置各种功能模块，包括网络管理、文件系统、虚拟存储 器等等.实时 性则体现在实时调度算法和实时内 核( 高效的进程间通讯、内 存管理等) 。 a 丑 m即a d 灿 “ d ris cm 那hi n es的缩写，由英国划v an以 川犯s cm ach l n es(ar 娜 li m ited 公司设计. a r m公司是设计公司， 本身不生产芯片， 只提供知识产权( ip ) ， a r m 公司是32位嵌入式ris c微处理器领域的领先供应商， 在世界范围有超过 . 00多个的合 作伙伴， 包括半导体工业的著名公司， 从而导致了大量的开发工具和丰富的第三方资源， 它们共同保证了 基于a r m处理器核的设计可以很快投入市场， 本论文利用了基于a r m内核和嵌入式vx叭 io r k s 操作系统的开发平台， 结合数据采 集板上， 控制高速数据采集和数据传输的功能.由 于v x w 心 rks 的嵌入式和实时性以及对 于a r m920 t 核的 三星s3c 241 0 c p u的支持， 所以 选择了v x w b r ks作为我们的嵌入式操 作系统，在操作系统基础上设计软件，达到嵌入式软件控制的目的。 l l嵌入式系统及其发展趋势 嵌入式设备是指具有计算机功能， 但又不称为计算机的设备或器材， 它几乎包括了 我们周围的所有电器设备: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、立体音响、自 动取款机等。和通用计算机不同，嵌入式系统是针 对具体应用的专用系统，一般具有成本敏感性，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.好的嵌入式系统是完 成目 标功能的最小系统。 l l i嵌入式系统概述 硕士论文 基于v x 叭 io d .的数据采集系统的开发研究 随着微处理器技术的发展，嵌入式系统已成为计算机领域的一个重要组成部分。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。简言之，一个嵌 入式系统就是一个计算机硬件和软件的集合体，有时还包括其它一些机械部分，它是为 完成某种特定的功能而设计的。即使是一台通用的计算机，它的外部设备也都包含了嵌 入式微处理器的成分， 硬盘、 软驱、显示器、 键盘、鼠 标、声卡、网 卡及打印机等都是 由嵌入式处理器控制的。还有一种定义方法，在各定义中嵌入式系统被定义为非 pc 系 统， 它包括硬件和软件两部分。 硬件包括处理器/ 微处理器、 存储器及外设器件和1 / 0 端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件 ( 0 5) ( 要求实时和多任务操作)和 应用程序编程。有时设计人员把这两种软件组合在一起， 应用程序控制着系统的运作和 行为，而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，如果独立于应用自行发展，则会 失去市场。 同时嵌入式系统的核心是嵌入式徽处理器， 因此嵌入式处理器的功耗、 体积、 成本、可靠性、速度、处理能力、电 磁兼容性等方面均受到应用要求的制约， 这些也是 各个半导体厂商之间竞争的热点。嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关 键， 软件要求固化存储， 软件代码要求高质量、 高可靠性， 系统软件 0 5) 的高实时性 是基本要求. 嵌入式计算机广泛应用于制造工业、过程控制、通信、仪器、仪表、汽车、船舶、 航空、航天、军事装备、消费类产品等方面.嵌入式系统往往只是一个大系统中的某个 组成部分，是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结 合后的 产物，这一点就决定了 它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新 的知识集成系统。121 s l 2 l l z嵌入式处理器简介和分类 嵌入式处理器目 前主要有 m l 8 6 1 8 8 ， 3 8 6ex ， s c 4 0()， p o w 曰 于 c ， m c 6 8 0 0()， m ip s ， a r m系列等。嵌 入式微控制器 ( m ic rocon 加i leru nitm 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到一块芯片中。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 o n 灯 e p r o m ， r a m 、 总线、 总线逻辑、 定时 2 计数 器 、 w 班 c h o 09、 阳、 串 行口 、 脉 宽 调 制 输出 、 a 了 d 、 d 从、 fl ash、 eep rom等各 种 必 要 功能 和外设。为适应不同的应用需求， 一般一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一样的，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。和嵌入式 2 硕士论文 基于v x 节 io r 匕的致据采集系统的开发研究 微处理器相比， 微控制器的最大特点是单片化， 体积大大减小， 从而使功耗和成本下降、 可靠性提高。微控制器是目 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，因此称为微控制器。 l 1 3几种嵌入式操作系 统的比 较 目 前市场上流行的，使用最多的 e o s产品包括有:私ndo w sc e ， e m be d d ed4. o ， l y n x v x work ， n ec le us ， q u a n t u m n so几 w 别 re s y st . m公司的q n x ， 3 c o m 公司的p a l mo s ， mic ro w ar e 公司的d av i d 和0 5 9 ， 1 5 1 ( i n te b l at ed s y 翔m s ln c ) 公司的 o s e k works 和p s o s y 引 七 m等。 .vx 叭 ior ks v x works 是w in d river s y stem公司开发 研制的一 种高性能的嵌入式实时操作系统. 它包括了 操作系统本身和其集成开发环境。vxwork:以其优良的可靠性、开放性、实时 性和易用性赢得了大量的客户。vxm io r ks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 ， 1 960 ， s un sp娜， m otoro lam c 68xxx ， m ip s r x 000 ， p o 认 吧 r p c 等等. 大多数的vxworks a p i 是专有的， 采用g n u的 编译和 调试器。 最初， v x works 是 运行v r t x ， p s o s 以 及早 期的较慢的w 仆 id内 核等实时内 核之 上的软件集合的名字。从 5. 0 发行起，现在v x w b 由 不再运行于其他核之上，只运行于 它自 己 的w in d内 核 之 上， 这 个w ln d内 核 由jo hnfoge l in 重 写。 目 前v x works 己 经 开 发出vxw b r kss j版本， 与其配套的开发工具也升级为长门a d o z . 2了。目 前美国风河公 司开发出的最新版本为v x w b r ks 6 .0 版本。 . wi n d o ws c e m ic r o s o ftwin dow s c e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。它的模块化设计使得它能够对从掌上电脑用户到专用的工业控制器 的用户的电子设备进行定制。 操作系统的基本内 核需要至少z ook的r o m。 . p s o s 15 1 公司已 经 被朝nd ri ver 公司 兼并， 现 在pso s 属于稍ndri ver 公 司的 产品 . 这 个 系统是一个模块化、高性能的实时操作系统， 专为嵌入式微处理器设计， 提供一个完全 多任务环境， 在定制的或是商业化的硬件上 提供高性能和高可靠性。 可以 让开发者根据 操作系统的 功能和内 存需求定制成每一个应用所需的系统。开发者可以 利用它来实现从 简单的单 个独立设备到复杂的、网络化的多处理器系统。 . q n x 3 硕士论文 基于v x 协 10 ， 匕的 数据采集系统的开发研究 q n x是一个实时的、 可扩充的操作系统， 它部分 遵循p oslx相关标准， 如: pos lx. lb 实时扩展。它提供了一个很小的微内核以及一些可选的配合进程。其内核仅提供4 种服 务: 进程调度、 进程间通信、 底层网络通信和中断处理， 其进程在独立的地址空间 运行。 所 有其它0 5 服务， 都实现为协作的 用户进程， 因 此q 刊 x内 核非常小巧 ( q n x4.x大约为 1 2kb) 而且运行速度极快. 这个灵活的结构可以 使用户根据实际的需求， 将系统配置 成 微小的嵌入式操作系统或是包括几百个处理器的超级虚拟机操作系统。 .p al m 0s 3 c om 公司的p al mo s 在p d a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 仍尸 d ， 开发商可以 根据需要自 行开发 所需要的 应 用程序. .05 一 9 m i 一。 的0 5 一 9 是为微处理器的关键实时任务而设计的 操作系统， 广泛应用于高 科技产品中，包括消费电子产品、工业自 动化、无线通讯产品、医疗仪器、数字电视/ 多媒体设备.它提供了很好的安全性和容错性。与其他的嵌入式系统相比，它的灵活性 和可升级性非常突出。 . l 卯x 0 s lynxr eal一 m o sy st e m s 的1 刁 nxo s 是 一 个分 布 式、 嵌 入式、 可 规 模扩展的 实 时 操 作 系 统， 它 遵循pos ix. ia ， p o sl xlb和pos ix. ic标准月加以 0 5 支 持线程概念， 提供2 56 个全局用户线程优先级，提供一些传统的、非实时系统的服务特征， 包括基于调用需求 的虚拟内存;一个基于m otif 的用户图形界面;与工业标准兼容的网络系统以及应用开 发工具。 l l 4嵌入式系统的发展趋势 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 业的技术是垄断的。占 整个计算机行业9 创 毛 的 产业， 8 0 % 采用功 抚 1 的8 0 x86体系结构， 芯 片基本上出自in tela m d ， c yrix 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，mic ro soft的windo w s 及word占8 压 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 基础被认为是由钻ntel ( m i 的50 几和 顶 t e l 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，没有哪一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有少数公司、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， 4 硕士论文 基于vxw 匕 d 。的数据采集系统的开发研究 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。 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。 随着二十一世纪的来临 全球化的趋势越来越明显， in t e 门 et作为获取信息的便捷手 段己逐渐被人们所共识。另外，未来 in te m et接入设备将呈现多元化的 特征，因此嵌入 式操作系统作为嵌入式i ntem et接入设备的灵魂必然向完善的i n te rn et支持方向发展， 并 随着 in te m et的发展而发展。 近几年来，无线互联已成为发展的主流，全球知名厂商纷纷推出自己的无线互联解 决方案. 嵌入式设备， 特别是消费电子类产品， 具有很强的移动性，所以嵌入式操作系 统对于无线互联的 支持显得尤为重要， 以实现任何人在任何地方任何时间获取任何信息。 中国有巨大的市场需求，有从事操作系统方面的开发队伍，发展嵌入式软件将有利于增 强企业持 续创新能力， 有利于刺激消费， 有利于 培育新的 经济增长点. i3) 风10 11 12 l z主要研究工作 利用嵌入式系统的各种优势， 将嵌入式软硬件系统运用到我们实际的工业控制当中， 实现了雷达信号传输系统的运行. 本课题首先研究了v x w b rk s 操作系统的交叉编译环境的建立、 软件和内核的调试编 译方法， 并成功地在嵌入式平台上运行了v x w b 由 操作系统. 将操作系统映象通过网络 下载到a r 州 一 v x works 平台中， 实现v x v 人 ，rkss. 5 操作系统的加载、 启动及运行， 同时实 现了a r m一 v x w o rks 平台与主机之间的相互通信，为后续应用程序的开发提供一个可靠 高效的软件平台。 控制软件的设计是本课题的主要工作。首先， 规划系统总体软件结构，结合数据采 集板特定的控制需求， 编写了v x m b rks 操作系统下基本阳 接口的驱动程序，向上层应 用程序提供了 标准的f o接口.其次， 利用驱动 程序编写采集数 据的f o控制的流程， 并在v x w b rks 操作系统上运行通过。 最后研究了 vxw b r ks 操作系统的网 络应用编程和任务间通信机制以及串口驱动程 序的 开 发， 实 现了 数 据采集任务完 成后同 步s oc k e t 客户端程序井向p c机服务器端程 序 发送数据的过程。建立v x 认 io rk s 文件系统，实现对采集数据的保存。 此外本文还详细论述了 板级支持包b s p 的构成和v x 认 七 r ks启动过程。 i j 小节 本章首先概要的 介绍了嵌入式系统发展和现状以及嵌入式微处理器的概念，论述了 几种主流嵌入式处理器的分类，对比了分析了各种嵌入式操作系统的特点、优势以及发 5 硕士论文基于v x w 份 如的数据采集系统的开发 研究 展趋势，说明了嵌入式系统非常适用于工业控制等领域。在本章最后结合工程需求介绍 了本篇论文主要的研究工作。 硕士论文墓于v x w 玩 七的娥据采集系统的开发研究 z vxw如 r 沁操作系统及a rm微处理器 2. i vxw公 r ks嵌入式实时操作系统 2. 1 .i v x w0 r 七简介 v x w b rks 操作系统是美国windriver 公司推出的一种嵌入式强实时操作系统， 自20 世纪80年代问世以 来， 以其不断推出的升级版本、 高性能内 核以及友好的用户开发环境， 在嵌入式实时操作系统领域逐渐占 据一席之地，在国内外拥有较多的用户。尤其以成功 应用于火星探测车和爱国者导弹等高科技产品而声名鹊起.目前 vxw b rks 已经开发出 vxw b rkss .5版本， 与其配套的开发工具也升级为肠m adoz.2 。 v x w 匕 rkss .5具有8 类c p u 版本:p o w e r p c ，p . n t i u m，mi p s ，s h ，洲 污 c a l e ， 人 r m，6 8 k和 c o l d f i re等。 tom 翻 0 2 2是vx认 勺 r kss. 5 相配套的集成开发环境， 以 其提供完善而实用的编辑、 编 译、链接、源代码级调试等诸多调试工具和调试手段而闻名。 v x w 心 r k 、 操作系统包括了进程管理、 存储管理、 设备管理、文件系统管理、网络协 议及系统应用等几个部分。v x w 。 由 只占用了很小的存储空间，并可高度裁减，保证了 系统能以较高的效率运行。 硬件中断处理是实时系统中 最重要的部分， 因为系统经常通过中断与外部事件相互 交 互. 为了 尽 快 地 响 应中 断， v x works 中 断 处 理 程 序 ( 中 断 服务 程序 ) 在 所有 任务 上 下 文 之外的一个特殊上下文内执行。因此，中断处理不涉及到任务上下文的切换。 多任务的环境允许将实时应用构造成一组独立的 任务， 每个任务都拥有各自 的线程 和一套独立的系统资源。为了协调任务间的行为，任务间的通信设备允许这些任务通过 同步等操作协调各自的活动。v x w b rk提供的任务间通信手段按其速度由快到慢包括信 号量、消息队列、管道及网络透明的套接字。 2. l z v 万 wb r 七操作系统的特点 v x w b rks 是可以根据用户需求进行组合的嵌入式实时操作系统。 它的开发式结构和 对工业标准的支持使得开发者只需做最小的工作即可设计有效的、适合不同用户需求的 实时 操作系统。 vx叭 lo rl 。主要有以 下特点: . 可裁剪性 v x w o d 洛 之所以 设计为具有可裁剪性， 是为了 使开 发者能够根据自 己的 应用程序需 要， 而不是根据操作系统的需要， 来分配稀少的内 存资源。从需要几个k b字节内 存的 深层嵌入式设计到需要更多的操作系统功能的、 复杂的、高端的实时系统，开发者也许 需要从1 00多个不同的 选项中 进行选择以 产生上百 种的 配置方式。 许多独立的模块都是 7 硕士论文 基于vx认 io d .的数据采集系统的开发研究 在开发时要使用而在产品中却不再使用。而且，这些子系统本身也是可裁剪的， 这样就 允许开发者为最广泛的应用程序进行更为优化的v x w b rks 运行环境配置。 . 可靠性高 操作系统的用户希望在一个工作稳定，可以信赖的环境中工作，所以操作系统的可 靠性是用户首先要 考虑的问题.而稳定、可靠一直是v x 认 七 ri 留的一个突出优点。 . 实时性强 实时性是指能够在限定时间内 执行完规定的功能并对外部的异步事件作出响应的能 力。实时性的强弱是以完成规定功能和作出响应时间的长短来衡量的。 v x 认 lo rk s 的实时性做得非常好，其系统本身的开销很小， 进程调度、进程间 通信、 中断处理等系统公用程序精练而有效， 它们造成的延迟很短。 v x 叭 lo rk s 提供的多任务机 制中对任务的控制采用了优先级抢占(p pt ive p ri o rity s ched ulin g)和轮转调度 扭 。 un d- robi n s ch ed uling ) 机 制， 也 充分 保 证了 可 靠 的实 时 性， 使同 样的 硬件配 置能 满 足 更强的实时性要求，为应用的开发留下更大的余地。 有效的多任务调度 v x w b 由 的基本调度策略是中断驱动的优先级抢占式调度，支持 2 56 个优先级. 0 为最高优先级;可选的时间片轮转调度;确定的、 快速的上下文切换。 . 灵活的任务间通讯手段 1) 支持二进制信号量、 计数信号灯和具有优先级继承功能的互斥信号量，以 及 posi x兼容的无名计数信号量和有名计数信号量; 2) 支 持消 息队 列 和p o sl x 兼 容的 有 名消 息队 列以 及基于 消 息队 列的 管 道; 3) 支 持与b s d完全兼容的“ 沁 k e t 和一 个更高 效率的劝 u f so c k et ; 4) 支持 诸如ri n g bufl 七 r ， li n k li st 等共享内 存技术; 5 )支持b s d接口 和p o s i x 接口 的 信号。 . 兼容性好 vx叭 io d 比具有较好的兼容性。 vx叭 io r ks良 好的兼容性，使其在不同运行环境间可以 方便的移植，从而使用户在开发和培训方面所做的工作得到保护，减少了开发周期和经 费， . 支 持动态 链接和动态下载 v x works 支持应用程序的动态链接和动态下载， 使开发者省去了 每次调试都将应用 程序与 操作系统内 核进行链接和下载的步骤， 缩短了 编辑/ 调试的周期。 . 灵活的启动方法 硕士论文 基于vx， /o d 比的数据采集系统的开发研究 支持r o m、本地磁盘以及网络启动.支持c语言、c 杆语言以及j a v a虚拟机 . 适用于多种物理介质的tc队p 协议族支持 . 支持多处理器系统 2. i jvxw匕 r ks的开发环境torna d 。 t b rn 目0集成环境提供了高效明晰的图形化的实时应用开发平台，它包括一套完整 的面向嵌入式系统的开发和调测工具。tom ad。环境采用主机一目 标机交叉开发模型， 应用程序在主机的win d o w s 环境下编译链接生成可执行文件， 下载到目 标机， 通过主机 上的目 标服务器与目 标机上的目 标代理程序的 通信完成对应用程序的调试、分析。 下面对tom ad。 集成环境的各组件功能分别介绍: . 丁 b mad。开发环境 肠m a d o是集成了编辑器、 编译器、调试器于一体的高度集成的窗口 环境，同样也 可以从s hefl 窗口 下发命令和浏览. . 钻耐s h :介m ad。 外充 珊ndsh 是一个驻留在主机内的c语言解释器，通过它可运行下载到目 标机上的所 有函数，包括v x 认 勺 r ks和应用函数。tomad。 外壳还能解释常规的工具命令语言t c l. . b row ser :浏览器 肠m ad。 浏览器可查看内存分配情况、系统目 标 ( 如任务、消息队列、信号量等) 。 这些信息可周期性地进行更新。 . c r o s s w in d :源码级调试器 源码级调试器c ro s swi nd提供了图形和命令行方式来调试，可进行指定任务或系统 级断点设置、单步执行、异常处理。 . 物g e l s : 驻留 主 机的 目 标服务 器 目 标服务器管理主机与目 标机的通信， 所有与目 标机的交互工具都通过目 标服务器， 它也管理主机上 的目 标机符号表， 提供目 标模块的 加载和卸载. . 介m 目。 :注册器 所有目标服务器注册其提供的服务在注册器中注册器映射用户定义的目 标名到目 标 服务器网络地址。 . 目 标代理程序 目 标代理程序是一个驻留在目 标机中的联系肠m ad。 工具和目 标机系统的组件。一 般来说，目 标代理程序往往是不可见的。 tom a d 。 开发 环境是嵌入式实时领域里最新一 代的开发调 试环境， 是实现嵌入式实时 9 硕士论文基于v x 叭 10 了 七的致 据来集系统的开发研究 应用程序的完整的软件开发平台，是交叉开发环境运行在主机上的部分。tom 目0是集 成了 编辑器、编译器、调试器于一体的高度集成的窗口环境，给嵌入式系统开发人员提 供了一个不受目 标机资源限制的超级开发和调试环境。 使用tornad o i d e ，可以大大缩短嵌入式开发周期。 飞 b rn ado 支持动态链接与加载， 允许开发者可以分批将目 标模块加载到目 标系统上去。这种动态的链接和加载功能是 tom ad。系统的核心功能，可以为开发者省去通常的开发步骤，在主机上将应用程序与 内核链接起来，然后将整个应用程序下载到目 标系统上去。这样编辑一测试一调试的周 期就会大为缩短，而且所有的模块都是可以共享的，主机上的应用程序模块也不需要重 新链接，所以，加载目 标模块到运行中的vx哪 o r k s目 标系统中以达到调试和重新配置成 为可能。 2 2a r m微处理器 2 二i a r m微处理器的 发展 a r m(advan咖 rls cn la c hi n es)， 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. . 198 5 年4 月2 6日， 第一个a r m原型在英国剑桥的a c o m计算机有限公司诞生. 由美国加州s anj oev 】 5 工技术公司制造; . 2 0 世纪50年 代， a r m很快开发成a co m的台式 机产品， 形成英国的 计算 机基 础; . 2 0 世纪00年代， 19 90年11月a d vance d ric s m a c h i nes l 而1囚( 后来简称人 r m li m ited， a r m公司 ) 成立。 a r m32位嵌入 式ris c 处理器 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的领先地位。 a r 材 所提供的 16/ 32 位嵌入式 ris c内核有以下几个系列:a r m 7 、a r m g 、 a r m ge、 a r m 10 、 s ec u 。 re 、 mpc 眼 多 处 理器系 列、 功 认 叮 的5 仃 幻 n 酬 以m /x s cale 等 每 个系列的产品的设计都尽量遵循高性能、 低功耗的原则以满足用户日 益复杂的应用需求。 1 1 8 1 1 9) 【 20) 2. 2. 2 a 丑 m一 ris c体系结构 rlsc体系 结构: 传 统的cis c (c 。 m pl exln stru cti ons etcompu ter， 复 杂 指令 集 计 算 机 ) 结 构 有其固 有的 缺点， 即 随 着 计 算 机 技 术的 发 展 而 不 断引 入新的 复 杂的 指令集， 为 支 持这 些新增的 指令， 计算机的 体系结 构 会越来越复 杂， 然而， 在cis c指令集的 各种指 令中， 其使用频率却相差悬殊， 大约有2 0 %的指令会被反复使用， 占整个程序代码的80 l 0 硕士论文 基于vxw 加 七的数据采集系统的开发研究 %。 而余下的5 仍 的指令却不经常使用， 在程序设计中只占20%， 显然， 这种结构是不 太合理的。 基于以上的不合理性，1979 年美国加州大学伯克利分校提出了 rjs c (redu c 曰 in 咖 ction掀 com p 血 ， 精简指令集计 算机) 的 概 念， rls c 并非只是简单地去减少 指令， 而是把着眼点放在了 如何使计算机的结构更加简单合理地提高运算速度上。 川s c 结构优 先选取使用频率最高的简单指令，避免复杂指令;将指令长度固定，指令格式和寻址方 式种类减少;以控制逻辑为主，不用或少用微码控制等措施来达到上述目的。 到目 前为止，ris c体系结构也还没有严格的定义，一般认为， 犯s c体系结构应具 有如下特点: . 采用固定长度的指令格式，指令归整、简单、基本寻址方式有2 一3 种; . 使用单周期指令，便于流水线操作执行: . 大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加柳存储指令可以 访问存储器，以提高指令的执行效率。 当然， 和cis c架构相比较， 尽管ris c架构有上述的优点， 但决不能认为用s c架 构就可以取代cis c架构，事实上， 犯s c和cis c各有优势，而且界限并不那么明显。 现代的c p t j 往往采用cis c的外围， 内部加入了ius c的特性， 如超长指令集c p u就是 融合了ris c和cis c的优势，成为未来的c p u发展方向之一 z j ja r m微处理器的指令结构 a r m微处理器的 在较新的 体系结 构中 支持两 种指 令集: a r m指令集和仆umb 指令 集. 其中， a r m指令为32位的长度， thu m b 指令为16位长度。 th帅b 指令集为a r m 指令集的功能子集，但与等价的a r m代码相比较，可节省3 仔 冷 礴 口 汤 以 上的存储空间， 同时具备3 2 位代码的所有优点. 2. 2. 4 a r m微处理器的特点 a r m芯片具有ris c体系一般特点， 如: 具有大量的寄存器;绝大多数操作都在寄 存器中 进行， 通过切翻st o re的体系结构在内存和寄存器之间传递数据; 寻址方式简单; 采用固定长度的指令格式等。 除此之外， a r m体系采用了 一些特别的技术， 在保证高性能的同时尽量减小芯片 体积，减低芯片的功耗。 a r m芯片支持8 位、 16位、 32位的数 据类型: 7 种处理器 模式: 用户、 fi q 、 皿q 、 管理、中 止、 未定义、 系统: 共有37个寄 存器: 31个32位的通用寄存器， 包括程序计 i l 硕士论文基于vx切 玩 ks的数据采集系统的开发研究 数器(p c);6 个32位的状态寄存器，目 前只使用了其中的12位。 2. 2. s a k m徽处理器的应用领域 到目 前为止， a r m微处理器及技术的应用几乎己经深入到各个领域。工业控制领 域:作为32位的ris c架构，基于a r m核的微控制器芯片不但占 据了高端微控制器市 场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，a 只 m 微控制器的低 功耗、高性价比，向传统的 8 创 16位微控制器提出了挑战:无线通讯领域:目 前己 有 超过85%的无线通讯设备采用了人 r 州技术， a k m以其高性能和低成本， 在该领域的地 位日 益巩固:网络应用:随着宽带技术的推广，采用幻，m技术的a d s l芯片正逐步获 得竞争优势。 此外， a r m在语音及视频处理上进行了 优化， 并获得广泛支持， 也对d s p 的应用领域提出了挑战;消费类电子产品:人 又 m技术在目前流行的数字音频播放器、 数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用;成像和安全产品: 现在流行的数码相机和打印 机 中 绝大部分采用a r m技术。手 机中的32位si m智能卡也采用了a r m技术。 采用朋月 技术的ip核的微处理器遍及汽车、 消费电子、 成像、 工业控制、 海量存储、 网络、 安保和无线等各类产品市场。 目 前， 基于a 邓技术的处理器已经占据了32位r l sc 芯片75%的市场份额。a 明合作伙伴包括了 许多世界顶级的半导体公司，世界的5 大半 导体公司全都使用了a 明 的技术授权。 z jp cll o 4 总线标准 1 9 即年ie ee 正式制订了is a总线标准。 p c l l 04是is a (ieee一 996) 标准的延伸。 1 992 年p c / 1 04 作为基本文件被采纳，叫做 ieee一 p 9 96. 1 兼容pc 嵌入式模块标准。 陀/l04 是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线。 iee e . p 996 是is a工业总 线规范， iee e协会将它定义ieee一 p 996 . 1 ， p c/1 04实质上就是一种紧凑型的ieee p996， 其信号定义和p c i a t基本一致， 但电气和机械规范却完全不同，是一种优化的、小型、 堆栈式结构的嵌入式控制系统.其小型化的尺寸 ( 9 派9 6inm)，极低的功耗 ( 典型模块 为1 一2 瓦) 和堆栈的总线形式( 决定了其高可靠性) ， 受到了众多从事嵌入式产品生产厂 商的 欢迎， 在嵌入式系统领域逐渐流行开来。截止目 前，全世界已 有2 00多家厂商在生 产和销售符合p c1 04规范的嵌人式板卡。 今天， p c/1 04产品己经被广泛应用于商业、 工业、 航空以 及军用等领域， 其在商 业 及商用现货领域作为嵌入式系统理想解决方案的 这一主导地位，己经得到大家的一致认 可。“ 堆栈型p c ”已 经被证明是 一种能够广泛应用于各种场合的坚固的、 可靠的及高性 价比的嵌入式系统解决方案。 所有这一切决定了p al 04产品的发展前景无限先明。 由于 硕士论文 基于v x w 玩ks的数据采集系统的开发研究 p cll 04系统与传统p c系统的兼容，并且具有丰富的开发工具和软件资源，使其成了广 大用户最喜欢的选择。 2 . 4小节 嵌入式系统主要由中央处理器及其外围控制电 路和外围设备作为硬件载体，运行于 处理器之上的操作系统作为软件载体而实现的。 这一章我们主要介绍了vxw b r ks操作系 统的特点、 t b m ad。 开发环境的各个功能组件以及a k m芯片的体系结构、 分类和应用领 域等.由于本论文涉及到了p cll 04 总线的运用，所以在最后介绍了p c 尹 1 04 总线的规范 标准。 硕士论文基于v x 叭 自 1 七的数据采集系 统的开发 研究 3 a r m 一 vxw公 r ks硬件平台的组建 3. 1系统的总体设计构成 本设计采用了嵌入式计算机结合数据采集板的 方式， 由v x w b rks 实时操作系统为嵌 入式计算机提供了 底层软件平台的支持。嵌入式计算机通过 p c1 04 总线连接数据采集 板，并控制数据的采集过程， 将采集到的数据上传到pc 电脑并保存，以便后期的数据 显示和处理。系统总体设计框图如图3 . 1 所示。 图3 . 1系统结构 框图 嵌入式计算机通过串行电 缆和以太网连接至p c机。 串行电缆作为pc 机和嵌入式计 算机之间的控制命令和运行结果的 传输途径， 连接串口0 至pc 机， 在pc 机运行基于串 行通信的超级终端可以实现对嵌入式计算机的监控。网络电缆主要作为采集数据的传输 途径。 在本系统的开发过程中， 软件开发是在v x w d rks 的t ro n ad。 开发编译环境下进行 的，此时网络接口同时将作为联机交叉编译调试的接口使用。 3 j cou 盯 . 少cl l0 4 嵌 入 式 计 算 机 简 介 由深圳市科思科技有限公司开发的cs一 2 215 系列通用嵌入式计算机平台是一款高性 能 低功耗的嵌入式领域专用产品，其性能指标可满足工业级产品的各种应用需求.产 品功能齐全，配置简单，操作使用非常方便，其上可运行各种基于工