（电力系统及其自动化专业论文）基于armμclinux的串口设备联网服务器开发.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t i nt h ep o w e rs y s t e ma u t o m i z a t i o na n do t h e ri n d u s t r yc o n t r o lf i e l d s ， m a n y d e v i c e ss t i l lu s es e r i a lp o r tt oc o m m u n i c a t ee a c ho t h e r s e r i a lp o r t i sw i d e l yu s e df o ri t sf a c i l i t y ，r e l i a b i l i t y , a n da b i l i t y h o w e v e r ，t h em o s t i m p o r t a n tw e a k n e s so f s e r i a lp o r ti st h a ti tc a n tb en e t w o r k e da n dc a n t b ea c c e s s e df r o ml o n gd i s t a n c e ，w h i c hi st h ef o u n d a t i o no fi n d u s t r y c o n t r o la u t o m a t i o n t h e s e y e a r s ，p e o p l e a r e l o o k i n gf o r al o w - c o s t s o l u t i o nt oe n h a n c et h en e t w o r k a b i l i t yo f o l dd e v i c e s s e r i a l p o r t n e ts e r v e ri sas t a n d a l o n e u n i tt o p r o v i d en e t w o r k a b i l i t yf o rs e r i a l d e v i c e s i tt r a n s f o r m st h ec o m m u n i c a t i o nd a t as t y l e b e t w e e nt h eh o s ta n ds e r i a ld e v i c e s ，a n dp a c k a g e st h es e r i a ld a t ai n t o t c p i p d a t a g r a mt o m a k ei t p o s s i b l e t ot r a n s m i tt h ed a t a t h r o u g h n e t w o r k t h i sp a p e rd e s c r i b e st h es y s t e md e s i g na n dd e v e l o p m e n tp r o c e s so f t h es e r i a lp o r tn e ts e r v e rt h a tb a s e do nt h ea r m p r o c e s s o ra n di t c l i n u x e m b e d d e d o s ，m a i n l y i n c l u d et h r e e p a r t s p a r t o n ed e s c r i b e st h e h a r d w a r ed e s i g na n di m p l e m e n t ，a sw e l la st h ee m b e d d e ds y s t e md e s i g n s u m m a r yt h a t b a s e do nt h ea r mp l a t f o r m p a r tt w oi sa b o u tt h e f i r m w a r e d e v e l o p m e n t ，t a l k s a b o u tt h eb u i l do fe m b e d d e di _ t c l i n u x e n v i r o n m e n t ，t h ed e s i g no ft l l 6 c 5 5 4u a r t d e v i c ed r i v e r ，a n ds o m e s k i l l si nt h eu s eo fs e m a p h o r ea n dm u l t i t h r e a d p a r tt h r e ef o c u so nt h e w i n d o w sd e v i c ed r i v e rd e v e l o p m e n to ft h en e ts e r v e r ，t a l ka b o u tb a s i c s t r u c t u r ea n dd e s i g ng u i d eo ft h ew d md e v i c ed r i v e r , t h ev i r t u a ls e r i a l p o r td r i v e rc o n n e c t e d w i t hn e t w o r kd r i v e ri sd i s c u s s e di nd e t a i lh e r e a t l a s t ，t h ef u n c t i o nt e s ta n dp e r f o r m a n c et e s tr e s u l to ft h i sn e ts e r v e ri s s h o w n k e yw o r d s ：a r m ，p c l i n u x 。w d md e v i c ed r i v e r ，v i r t u a ls e r i a lp o r t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景 第1 章绪论 在电力系统自动化控制及其他工业控制、民用设备如商场销售系 统等领域，众多设备的对外通讯接口仍然是低速串口。串口由于其 易用性、可靠性及相对于工控设备来说足够高的通信能力而长盛不 衰。以电力系统为例：大量的柱上开关、无功补偿装置、抄表装置、 控制器等带有r s 一2 3 2 4 2 2 4 8 5 串行通讯接口的设备，现有系统中这 些设备大部分都没有实现集中监控，只能作到本地显示和控制，只 有少部分关键点采用了电话拨号的方式实现了远程监控，但无法作 到实时监控。因此现有系统的缺点是：无法集中，全面，准确而实 时地监控数据。 随着以太网在商业领域的大规模使用以及网络自动化强劲势头 的到来，用户与供应商迫切需要在任何时间和任何地点都可以实时 访问数据和进行控制，做到远程快速故障分析与处理、设备的远程 维护以便提高供电质量，改善用电指标，提高供电企业的工作效率 并降低整体成本。 在配网自动化中r t u f t u t t u 之间的通讯连接正在从传统的串 行通讯、无线通讯和电力线通讯向以太网方向转变。对于电力系统 自动化来说，以太网的通讯介质最常用的是光纤，与办公环境经常 采用的双绞线相比，采用光纤可以实现长距离通讯和高的抗电磁干 扰能力。 通讯采用以太网，但是大量的r t u f t u t t u 设备仍然只有串口进 行通讯，如何将这些串口设备连接到网络上呢? 如何保护电力企业 已经在这些设备上投入的大量资金呢? 显然，完全换掉这些串口通 讯的智能设备是既不经济也不可行的。针对这些电力配网自动化的 实际需求，采用申口设备联网服务器就是解决这些问题的最佳解决 方案。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 研究内容 论文设计的串口设备联网服务器是一个可以为r s 一2 3 2 串口设备 提供联网能力的设备联网服务器。装置主要完成主机与串口设备问 交流数据的过滤与转发功能，将r s - 2 3 2 串口数据重新组织成t c p i p 协议网络数据，使设备数据可以在 n t e r n e t 或i n t r a n e t 上流通、 共享。具体功能描述如下： ( 远程、本地) 主机可以如操作本机串口一样通过t c p i p 网络 对串口设备进行远程数据读取，资料处理和数据多点传输， 即串口设备原有的主机方应用程序不需任何修改即可重新利 用： 支持主机以w e b 方式及t e l n e t 方式登录修改配置； 可在服务器装置上直接设置i p 地址： 自动检测l o 1 0 0 m b p se t h e r n e t 网络； 可同时操作8 个串口设备。 串口设备联网服务器装置广泛应用于工业设备联网自动化、门 禁考勤管理、商场销售系统联网自动化、远程影像传输等众多领域。 如图l _ l 所示： 囤卜l + 口设备联暇服务嚣鼻型应用 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 本论文完成一个串口联网服务器装置的完整产品设计，主要包括 设备硬件设计、设备固件程序设计、主机驱动程序设计三方面。 1 以3 2 位a r m 7 微处理器为核心搭建硬件平台，为以太网与串 口间的数据转发处理提供足够强劲的硬件性能支持； 2 编写基于g c l i n u x 嵌入式操作系统的u a r t ( 通用串行异步传 输) 扩展芯片驱动程序及数据转发服务程序，充分利用l i n u x 操作系统成熟的t c p i p 网络协议以及多线程应用程序处理 能力，以保证通讯数据的可靠转发及实时性能。 3 主机方以w i n d o w sw d m 驱动程序的方式虚拟串口设备，避免 原有串口应用程序的修改工作；虚拟串口驱动程序与网卡驱 动程序间通过t d i ( 传输驱动程序接口) 接口相连。 1 3 论文结构安排 后续章节内容安排： 第2 章：硬件平台设计与实现。根据设备功能及性能要求进行 设备硬件设计，并简要介绍了a r m 微处理器的结构和应用开发方 法，以及实际设计调试中的心得与体会。 第3 章：设备固件程序设计。首先提出固件程序的总体设计思 想，而后结合具体设计过程，介绍c l i n u x 开发环境的建立、 t l l 6 c 5 5 4 设备驱动程序的开发、c l i n u x 环境下的u d p ( 用户数据 报协议) s e r v e r 和p c 端u d pc l i e n t 应用程序的编写以及信号量和 多线程的应用。最后对整个设备数据转发程序进行完整描述。 第4 章：设各驱动程序设计。阐述设备驱动程序的总体结构及 设计思路，对驱动程序的分层结构、数据流程、开发方法，以及虚 拟串口驱动程序与网卡驱动程序之间的连接方式进行了详细描述， 并介绍了该驱动程序的加载方式和使用方法。 第5 章：试验验证及结果。编写p c 端试验程序，对设备进行功 能和性能测试。 结论：对论文工作做结论性概括，并归纳其不足以及进一步深 入的工作方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章系统方案设计 2 1 硬件方案设计 串口设备联网服务器主要完成以太网与串口设备间交流数据的 过滤与转发功能。根据这个功能要求确定其硬件结构原理图如图2 - i 所示： 图2 - 1 串口设备联网服务嚣硬件蛄构原理目 各主要模块基本组成： 微处理器m c u ：采用s a m s u n g 公司生产的a r m t t d m i 内核 $ 3 c 4 5 1 0 b 处理器； i o i o o m 以太网接口：用一片r t l 8 2 0 1 与$ 3 c 4 5 i o b 片内的m a c 控制器一起组成以太网接口电路，并通过网络隔离变压器与 r j 4 5 以太网口相连； f l a s h 存储器：采用一片3 9 v f l 6 0f l a s h 存储器，大小为2 m 字节，用于存放已调试好的用户应用程序、嵌入式操作系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 以及其他在系统掉电后需要保存的用户数据等； s d r a m 存储器：用两片h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h g 并联构建3 2 位的s d r a m 存储器系统，共1 6 m 字节，可满足嵌入式操作系统及各种相 对较复杂的算法的运行要求； j t a g 接口：可对芯片内部的所有部件进行访问，通过该接口 可对系统进行调试、编程等： 多串口扩展：用两片t l l 6 c 5 5 4 扩展出八个串口，以满足同时 连接多台串口设备的需要。 2 2 固件程序方案设计 串口设备联网服务器固件程序的主要功能就是实现对串口数据 和网络数据的重组与转发。本地主机或远端主机上的应用程序以原 有的操作本机串口的方式与连接在串口网桥上的设备进行信息交 互，主机上的设备驱动程序将应用程序要求发送的串口数据以及对 应串口号等辅助信息转换为网络数据包，发送到以太网上：设备固 件程序接收到经以太网传送过来的数据包后，将数据包解包并提取 其中的串口命令数据以及目标串口号等信息，丽后重组成串口数据 并发送到相应串口。固件程序处理串口设备上传给本地主机或远端 主机的数据的方式与上述过程相反。 设备固件程序软件结构如图2 2 所示。 系统采用u c i n u x 操作系统。它具有成熟的t c p i p 网络协议支 持以及多线程应用程序处理能力，保证了串口设备联网服务器通讯 数据的可靠转发及实时性能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 图2 - 2 设备固件程序软件蛄构图 2 3 设备驱动程序方案设计 对p c 端的应用程序而言，对串口设备联网服务器的直接操作可 以通过网络驱动程序进行，一般的操作系统如w i n d o w s 、l i n u x 等都 会提供功能齐全的a p i 函数供应用程序调用，以收发网络数据。但 是，现实中存在的大量串口设备应用程序都是直接操作串口驱动程 序的，即使用串口a p i 函数或一些封装了的组件来与串口设备交互 数据。因此，有必要采取一些方法，在网络驱动程序与串口设备应 用程序问建立一个接口。 该接口对数据起承上启下的作用： “承上”功能：对串口设备应用程序，它表现为串口驱动程 序，具有同真实串口一样的表现形式和操作模式，例如： w i n d o w s 设备管理器中存在虚拟的通讯端口( c o m n ) ，应用 程序可以用相同的函数来操作这些虚拟的端口； “启下”功能：对网络驱动程序，它可以将应用程序发送的 串口格式数据重新组成网络数据包，如u d p 数据报等，传递 给网络驱动程序。反之，网络驱动程序接收到的数据包，也 要由这个接口按照数据包的格式提取出来，方便应用程序以 读取串口数据的方式获得。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 考虑到绝大多数的串口设备应用程序都是运行在w i n d o w s 操作 系统中，所以本文主要讨论w i n d o w s 平台下设备驱动程序的实现。 通过对w i n d o w sw d m 驱动程序结构的分析，建立如图2 - 3 所 示的设备驱动程序结构。主要由两个部分组成：虚拟串口设备驱动 程序和网络传输驱动程序接口。其中虚拟串口设备驱动程序完成“承 上”功能，网络传输驱动程序接口完成“启下”功能。 田2 - 3 设备驱动程序总体蛄构图 以下各章节分别讨论上述系统方案的具体实现。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第3 章硬件平台设计 3 1c p u 系统及接口电路设计 3 1 1c p u 系统核心设计 串口设备联网服务器的系统核心是一颗韩国三星电子生产的 $ 3 c 4 5 1 0 b3 2 位r i s c ( 精简指令集计算机) 微控制器。该微控制器 专为以太网通信系统的集线器和路由器而设计，具有低成本和高性 能的特点。 $ 3 c 4 5 1 0 b 中内置了a r m 公司设计的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i 处理器， 提供了8 k 字节的c a c h e ( 高速缓存) 和以太控制器，内置2 通道的 h d l c ( 高级数据链路控制) ，2 个u a r t ( 通用异步收发) 通道，内置 3 2 位定时器和1 8 个通用可编程i o 端口。$ 3 c 4 5 1 0 b 内部采用3 2 位 系统总线，有1 2 c 接口，还集成了中断控制器、d r a m s d r a m 控制器、 r o m s r a m 和闪存控制器。以上功能特点均集成在此单芯片中，可大 大减少系统成本。 软件方面，$ 3 c 4 5 1 0 b 因内置a r m 7 t d m i 核，可以执行3 2 位的a r m 指令，也可执行1 6 位的t h u m b 指令。 $ 3 c 4 5 i o b 采用3 3 v 电压供电，2 0 8 脚的q f p 封装，操作频率最 高达5 0 m h z 。 除了a r m 7 t d m i 核以外，$ 3 c 4 5 1 0 b 比较重要的片内外围功能模块 包括： 2 个带缓冲描述符( b u f f e rd e s c r i p t o r ) 的h d l c 通道 2 个u a r t 通道 2 个g d m a 通道 2 个3 2 位定时器 1 8 个可编程的i o 口 片内的逻辑控制电路包括： 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 中断控制器 d r a m s d r a m 控制器 r o m s r a m 和f l a s h 控制器 系统管理器 一个内部3 2 位系统总线仲裁器 一个外部存储器控制器 $ 3 c 4 5 1 0 b 共有2 0 8 只引脚，采用o f f 封装。在硬件系统的设计 中，应当注意芯片引脚的类型，$ 3 c 4 5 1 0 b ( 也包括其他的微处理器) 的引脚主要分为三类，即：输入( i ) 、输出( 0 ) 、输入输出( i o ) 。 输出类型的引脚主要用于$ 3 c 4 5 1 0 b 对外设的控制或通信，由 $ 3 c 4 5 1 0 b 主动发出，这些引脚的连接不会对s 3 c 4 5 1 0 b 自身的运行 有太大的影响。 输入输出类型的引脚主要是$ 3 c 4 5 1 0 b 与外设的双向数据传输 通道。 而某些输入类型的引脚，其电平信号的设置是$ 3 c 4 5 1 0 b 本身正 常工作的前提，在系统设计时必须小心处理。 3 1 2i o i o o m 以太网接口电路 $ 3 c 4 5 1 0 b 内嵌了一个以太网控制器，支持媒体独立接口( m e d i a i n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ，m i i ) 和带缓冲d m a 接口( b u f f e r e dd m a i n t e r f a c e ，b d i ) ，可在半双工或全双工模式下提供l o 1 0 0 m b p s 的 以太网接入。在半双工模式下，控制器支持c s m a c d 协议，在全双 工模式下支持i e e e 8 0 2 3m a c 控制层协议。 但$ 3 c 4 5 1 0 b 并未提供物理层接口，因此，需外接一片物理层芯 片以提供以太网的接入通道。常用的单口l o l o o m b p s 高速以太网物 理层接口器件主要有r t l 8 2 0 1 、d m 9 1 6 1 等，均提供m i i 接口和传统 7 线制网络接口，可方便地与$ 3 c 4 5 1 0 b 相连。本设计中使用r t l 8 2 0 1 作为以太网的物理层接口。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 3 1 3 存储系统设计 3 1 3 1 a r m 体系结构的存储系统介绍 a r m 体系结构将存储器看作是从零地址开始的字节的线性组合。 从零字节到三字节放置第一个存储的字数据，从第四个字节到第七 个字节放置第二个存储的字数据，依次排列。作为3 2 位的微处理器， a r m 体系结构所支持的最大寻址空间为4 g b ( 2 ”字节) 。 a r m 系统管理器使用一组专用的特殊功能寄存器来控制外部存 储器的读，写操作，通过对该组特殊功能寄存器编程，可以设定： 存储器的类型 外部数据总线宽度及访问周期 定时的控制信号( 例如r a s 和c a s ) 存储器组的定位 存储器组的大小 在标准系统配置中访问外设必需的控制信号、地址信号和数据 信号，系统管理器通过设置特殊功能寄存器的值来控制其产生和处 理。特殊功能寄存器也被用于控制对r o m ，s r a m ，f l a s h 组的访问， 同时还能控制对多达四个d r a m 组和四个外部i o 组以及一个特殊 功能寄存器映射区域的访问。 每个存储器组在组内通过基指针( b a s ep o i n t e r ) 寻址。其寻址 范围是6 4 k b ( 1 6 位) ，而基指针本身为1 0 位。因此$ 3 c 4 5 l o b 的最 大可寻址范围是2 2 6 = 6 4 m b ( 或1 6 m 字) 。 在进行系统存储器映射时，注意两个相连的存储器组的地址空 间决不能重叠。图3 1 为$ 3 c 4 5 1 0 b 系统存储器映射。 在上电或系统复位后，所有组的地址指针寄存器都被初始化到 其缺省值。这时，所有的组指针( r o m ，s r a m f l a s h 组0 和特殊功 能寄存器组除外) 都被清零。这意味着：除r o m s r a m ，f l a s h 组0 和特殊功能寄存器组以外，所有其它组在系统启动时都是未被定义 的。这一点很重要，用户在进行程序设计时，一般总是要首先通过 配置相应寄存器，定义系统的存储空间。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 冒3 - l $ 3 c 4 5 1 0 b 系统存储嚣映射 r o m ，s r a m f l a s h 组0 的尾指针和基指针的复位值分别为0 x 2 0 0 和0 x 0 。这意味着系统复位后将自动定义r o m ，s r a m ，f i a s h 组0 的 地址空间为3 2 m b ，实际地址范围为0 x 0 0 0 0 ，0 0 0 0 0 x 0 2 0 0 ，0 0 0 0 1 。 r o m ，s r a m f l a s h 组0 的这种初始化定义使得系统在上电或复位后， 将系统的控制权交给了由用户编写的启动代码，当然这些启动代码 应存放在外部r o m 中的，并映射到r o m s r a m f l a s h 组0 。当起 动代码执行时，它执行各种系统初始化任务，并根据应用系统的外 部存储器和设备的实际情况来重新配置系统的存储器映射。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 特殊功能寄存器组的基址针在系统复位时被初始化为0 x 3 f f 0 0 0 0 一般不再改动。 图3 - 2 是在系统启动或复位时的系统存储器映射。 围3 - 2 幕统复位时的存储嚣映射 表3 - 1 为系统管理器对应的寄存器，系统的存储器映射可通过对 这些寄存器的配置来完成。 表3 - l 系统管理嚣对应的寄存器 寄，器i 穆量操 乍描述复t 值 s y s c f g0 x 0 0 0 0读写系统配置寄存器o x 3 7 f f f f 9 1 c l k c o n0 x 3 0 0 0读，写时钟控制寄存器0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 e x t a c o n 00 x 3 0 0 8读写外部i o 时序寄存器10 x o 0 0 0 0 0 0 0 e x t a c o n lo x 3 0 0 c读写外部i o 时序寄存器20 x 0 0 0 0 0 0 0 0 e x t d b w t ho x 3 0 1 0读写分组数据总线的宽度设置0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 寄存器 r o m c o n o0 x 3 0 1 4读写r o m a r a m 伊l a s h 组0 o x 2 0 0 0 0 0 6 0 控制寄存器 r o m c o n l0 x 3 0 1 8读写r o m a r a m f f l a s h 组1o x o o o o 0 0 6 0 控制寄存器 r o m c o n 20 x 3 0 l c读写r o m a r a m ，f l a s h 组2o x 0 0 0 0 0 0 6 0 控制寄存器 r o m c o n 30 x 3 0 2 0读写r o m ，a r a m f l a s h 组30 x 0 0 0 0 0 0 6 0 控制寄存器 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 r o m c o n 40 x 3 0 2 4读写r o m a r a m ，f l a s h 组4o x 0 0 0 0 0 0 6 0 控制寄存器 r o m c o n 50 x 3 0 2 8 读写r o m ，a r a m ，f l a s h 组50 x 0 0 0 0 0 0 6 0 控制寄存器 d r a m c o n o0 x 3 0 2 c读，写d r a m 组0 控制寄存器0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 d r a m c o n l0 x 3 0 3 0 读，写d r a m 组1 控制寄存器0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 d r a m c o n 20 x 3 0 3 4读写d r a m 组2 控制寄存器0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 d r a m c o n 30 x 3 0 3 8读写d r a m 组3 控制寄存器0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 r e f e x t c o0 x 3 0 3 c读写刷新与外部i o 控制寄存0 x 0 0 0 0 8 3 f d n器 3 1 3 2f i a s h 存储器接口电路 f l a s h 存储器具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇 区在系统编程( 烧写) 、擦除等特点，因而在各种嵌入式系统中得到 了广泛的应用。 系统中用了一片3 9 v f l 6 0f l a s h 存储器，其单片存储容量为1 6 m 位( 2 m 字节) ，- r 作电压为2 7 v 3 6 v ，采用4 8 脚t s o p 封装或4 8 脚f b g a 封装，1 6 位数据宽度。3 9 v f l 6 0 仅需单3 v 电压即可完成在 系统的编程与擦除操作，通过对其内部的命令寄存器写入标准的命 令序列，可对f l a s h 进行编程( 烧写) 、整片擦除、按扇区擦除以及 其他操作。 f l a s h 存储器在系统中通常用于存放程序代码，系统上电或复位 后从此获取指令并开始执行，因此，应将存有程序代码的f 1 a s h 存 储器配置到r o m s r a m f l a s hb a n k 0 ，即将$ 3 c 4 5 1 0 b 的n r c s ( p i n 7 5 ) 接至h y 2 9 l v l 6 0 的c e # 端。 h y 2 9 l v l 6 0 的r e s e t # 端接系统复位信号； 0 e # 端接$ 3 c 4 5 1 0 b 的n 0 e ( p i n 7 2 ) ； w e # 端$ 3 c 4 5 1 0 b 的n w b e ( p i h i 0 0 ) ； b y t e # 上拉，使h y 2 9 l v l 6 0t 作在字模式( 1 6 位数据宽度) ； r y b w 指示h y 2 9 l v l 6 0 编程或擦除操作的工作状态，但其工作状 态也可通过查询片内的相关寄存器来判断，因此可将该引脚悬空； 地址总线 a 1 9 a o 与$ 3 c 4 5 1 0 b 的地址总线 a d d r l 9 a 叻r 0 相 连； 1 6 位数据总线 d t ) 1 5 “d q 0 与$ 3 c 4 5 1 0 b 的低1 6 位数据总线 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 x d a t a l5 x d a t a o 相连。 另外，a r m 通过设置数据宽度寄存器来设定与特定外部存储器 和外部i 0 组相对应的数据宽度。 e x t d b w t h 寄存嚣 寄罕器偏； 地址操作描述 复1 值 e x t d b w t h0 x 3 0 1 0 读写配置每组的数据总o x o o o o o o o o 线宽度 蝌0 目删 所以应将$ 3 c 4 5 1 0 b 的b o s i z e 1 ：0 置为1 0 ，选择 r o m s r a m f l a s hb a n k o 为1 6 位工作方式。 3 1 3 3 s d r a m 接口电路 s d r a m 在系统中主要用作程序的运行空间，数据及堆栈区。当系 统启动时，c p u 首先从复位地址起始处开始读取启动代码，在完成 系统的初始化后，程序代码一般应调入s d r a m 中运行，以提高系统 的运行速度，同时。系统堆栈、用户堆栈以及运行数据也都放在s d r a m 中。 要在系统中使用s d r a m ，要求微处理器具有刷新控制逻辑，或在 系统中另外加入刷新控制逻辑电路。$ 3 c 4 5 1 0 b 及其他一些a r m 芯片 在片内具有独立的s d r a m 刷新控制逻辑，可方便地与s d r a m 相连接。 h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h g 为1 6 位数据宽度，单片容量为8 m 字节，为充分发 挥3 2 位c p u 的数据处理能力，设计中用两片h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h g 并联构 成3 2 位的s d r a m 存储器系统，共1 6 m 字节的s d r a m 空间，可满足运 行p c l i n u x 操作系统及各种相对较复杂的算法的运行要求。 两片h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 并联构建3 2 位的s d r a m 存储器系统，其中一 片为高1 6 位，另一片为低1 6 位，可将两片h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 作为一个 整体配置到d r a m s d r a mb a n k o d r a m s d r a mb a n k 3 的任一位置， 般配置到d r a m s d r a mb a n k o ，即将$ 3 c 4 5 1 0 b 的n s d c s ( p i n 8 9 ) 接至两片h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 的c s 端。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 3 i 4j t a g 接口电路 j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ) 是一种国际标准测试协议，主 要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试。j t 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，可以通过专 用的j t a g 测试软件对芯片内部节点进行测试。目前大多数比较复杂 的器件都支持j t a g 协议，如a r m 、d s p 、f p g a 器件等。j t a g 接口常 用于实现i s p ( i n s y s t e mp r o g r a m m a b l e ，在系统编程) 功能，如 对f l a s h 器件进行编程等。通过j t a g 接口，可对芯片内部的所有部 件进行访问，因而是开发调试嵌入式系统的一种简洁而高效的手段。 3 1 5 多串口扩展 3 1 5 1 设计思路 串口设备联网服务器提供了八个标准r s 2 3 2 串口以连接多台串 口设备。当然，$ 3 c 4 5 1 0 b 不可能提供这么多个串口，因此需要进行 扩展。 多串口扩展原理如图3 3 所示。 围3 - 3 多串口扩展原理图 t l l 6 c 5 5 4 是t i 公司的产品，集成度高，性能稳定，其内部包含 了四个可独立操作的可编程异步收发单元1 6 c 5 5 0 ，它们共用了数据 线d7 d 0 、内部寄存器地址线a 2 a o 、读写信号线f o r 和l o w 、 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 d m a 读写控制t x r d y 和r x r d y 、复位r e s e t 、时钟x t l i 和x t l 2 。每 个收发单元都有自己的片选信号c s 、中断请求i n t 、数据输出t x 、 数据输入r x 及m o d e m 逻辑控制信号c t s 、d c d 、d s r 、d t r 、r i 、r t s 。 其内部功能模块如图3 4 所示。 x t 魁1 x t 上2 1鑫 ”i 7 j 乱栩：l 黼i 弑“0 攘域 恕瓣麓 拄誓重匕 二j 们酽b i l 控嚣i 串誓l - | - _ 一= i 们铲匕 l l 。 辩0 细 蕞纛i 圣* | 一札1 铲卜 撞崩蔓鼙 图3 - 4t l l 6 c 5 5 4 内部功能模块 每一个内部的异步收发单元都等同于一个1 6 5 5 0 ，它向下兼容 1 6 4 5 0 ，包含了1 6 字节的先进先出寄存器，从而减少了对c p u 的中 断次数。可编程设定的波特率最大可达i m b p s ，接口的字符结构可 由用户选择，自动完成起始位、停止位、奇偶校验位的加入和删除， 具有可程序化中断控制和完整的m o d e m 控制逻辑功能。t l l 6 c 5 5 4 具 体功能及操作细节参考文献 2 。 m a x i m 公司的m a x 2 0 2 芯片是标准的r s 2 3 2 电平转换器，是符合 r s 2 3 2 通信标准的接口芯片，该芯片功耗低，集成度高，使用单一 5 v 电源，每片有2 个驱动器和2 个接收器，具有2 组接收和发送通 道，接口电路简单，可靠性高，可实现t t l 电平和r s 2 3 2 电平的直 接转换。 串口数据信号通过m a x 2 0 2 转换成t t l 电平，再通过t l l 6 c 5 5 4 输出中断请求。八个串口的中断请求或起来产生i r q 信号i n t r e q ， 经c p l d 再与c p u 的中断控制器相连。 设计中使用c p l d 主要是为了解决多串口共享一个中断源时必然 馓 嫩鼹黔黼 黛二 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 产生的中断重叠问题。为提高可靠性，系统中的八个串口均采用中 断方式进行数据处理，并且八个串口共享一个中断源。在共用的中 断服务程序中，程序按顺序对八个串口进行一次数据检测，若发现 某个串口有数据，则进行相应处理。但这样一来，将会产生如下问 题：例如，中断服务程序刚对串口1 进行检测，没有发现数据，则 转向串口2 进行检测，发现串口2 有数据，因此程序将进行串口2 的数据处理，如果这时串口1 发生中断请求，c p u 无法保存该请求 脉冲，则串口1 的中断请求将被忽略。事实上，在这种情况下，所 有在中断服务程序执行期间发生的中断请求都将被忽略而得不到响 应。 为了解决这个问题，可以在共享中断源后面加一个用c p l d 实 现的逻辑电路。该逻辑电路由两部分组成，第一部分是一个可寻址 的寄存器i n t e n ，作为共享中断的允许位。第二部分是一个状态机 逻辑电路，该电路共有三个状态：s 1 是等待状态，该状态下 i n t e n = t ，只要任何一个串口产生中断请求，c p u 将马上响应该中 断；s 2 是中断服务状态，中断服务程序一开始执行，马上将i n t r n 设置为0 ，以避免状态转移，退出中断服务程序时，再将i n t e n 设 置为1 ，中断服务程序执行期间产生的串口中断请求由i n t r e q 锁 存；s 3 为延时状态，延时5 0 u s ，以确保中断服务程序完全退出。系 统中断响应时序图参见图3 - 5 。 i n t r e q i n t e n d l y - i r q _ 厂厂_ 厂 兰扪 图3 5 中断响应时序圉 状态机逻辑电路状态图如图3 6 所示： 亘壹至塑太掌硕士研究生学位论文第1 8 页 i n t e n = ( ) 或i n t r e q = 0 一、1 n t 肇? q 2 弋 n s o 掣! ! 型：! 1 0 0 0l s 7 、d l y i r q 2 0 1 0 0 n t e n - 0 s ，世竺：s ： 0 0 l 0 1 1 篁卜_ ( 釜卜 圈3 - 6 状态机逻辑电路状态图 3 1 5 2 外部地址译码 s 4 1 1 0 n t i - , n i 与某些a r m 芯片不同，8 3 c 4 5 1 0 b 应用系统的地址总线的连接 方式相对简单，它可根据外部存储器的宽度决定外部地址译码方法。 由于a r m 7 t d m i 采用3 2 位地址总线，所有的地址都可以看作字节 地址。地址总线提供4 g b 的线性寻址空间，当发出字访问信号时， 存储系统忽略低2 位a t ：o 】，当发出半字访问信号时，存储系统忽 略低位a 0 】，基于以上原因，某些a r m 系统在与存储器接口时， 地址总线的连接需要错开，而8 3 c 4 5 1 0 b 则通过一个片内的地址总 线生成部件，隐藏该过程，用户在设计系统时，只需将s 3 c 4 5 1 0 b 的地址总线与存储器的地址总线一一对应连接即可( 即$ 3 c 4 5 1 0 b 的a 0 】与外部存储器的a 0 】对齐) 。表3 2 和图3 7 说明了该过程。 表3 - 2 地址总线生成 数据总；宽度外部地址引脚，a d d r ：1 ：o 】可访问的存靠空间 8 位a 2 1 - a 0 ( 内部)4 m 字节 1 6 位a 2 1 a 1 ( 内部)4 m 半字 3 2 位a 2 1 a 2 ( 内部)4 m 字 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 囤3 - 7 地址总线变抉 由于我们将以8 位数据宽度访问t l l 6 c 5 5 4 上的寄存器，所以要 将e x t d b v t h 寄存器的 2 1 ：2 0 位设置为0 1 ( 代表8 位宽度) 。 $ 3 c 4 5 1 0 b 用r e f e x t c o n 寄存器来设定外部i o 组0 的基指针值。 r 日f e x 代o h l 阳n “n c o u 晡h 一” t rv 咚掣器船 c t c 措teso00 o o b f r 寄存器的 9 ：0 指示外部i o 组0 基指针( 基地址) ，该设置值 左移1 6 位即为外部i 0 组0 的起始物理地址。外部i o 组0 的结束 物理地址为该设置值左移1 6 位+ 1 6 k b l 。4 个外部i o 组的地址空 间连续，每组均固定大小为1 6 k b ，因此，通过该基指针可以计算出 其他3 个外部i o 组的起始和结束地址。设计中设定该值为0 x 3 6 0 ， 所以t l l 6 c 5 5 4 寄存器的基地址为0 x 3 6 0 0 0 0 0 。 3 2 硬件平台设计要点及调试 3 2 1p c b 设计要点 在系统中，$ 3 c 4 5 1 0 b 的片内工作频率为5 0 m h z ，其以太网接i ：1 电路的工作速率更高达1 0 0 m h z 以上，因此，在印刷电路板的设计 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 过程中，应该遵循一些高频电路的设计基本原则，否则会使系统工 作不稳定甚至不能正常工作。印刷电路板设计过程中应注意以下几 个方面： 注意电源的质量与分配。 同类型信号线应该成组、平行分布。 3 2 2 电源质量与分配 在设计印刷电路板时，能给各个单元电路提供高质量的电源，就 会使系统的稳定性大幅度的提高。但如何能提高电源的质量，常用 的手段有以下几个： 1 、电源滤波 为提高系统的电源质量，消除低频噪声对系统的影响，一般应 在电源进入印刷电路板的位置和靠近各器件的电源引脚处加上滤波 器，以消除电源的噪声，常用的方法是在这些位置加上几十到几百 微法的电容。 同时，在系统中除了要注意低频噪声的影响，还要注意元器件 工作时产生的高频噪声，一般的方法是在器件的电源和地之问加上 0 1 u f 左右地电容，可以很好地滤出高频噪声的影响。 2 、电源分配 实际的工程应用和理论都证实，电源的分配对系统的稳定性有 很大的影响，因此，在设计印刷电路板时，要注意电源的分配问题。 在印刷电路板上，电源的供给一般采用电源总线( 双面板) 或电源 层( 多层板) 的方式。电源总线由两条或多条较宽的线组成，由于 受到电路板面积的限制，一般不可能布得过宽，因此存在较大的直 流电阻，但在双面板得设计中也只好采用这种方式了，只是在布线 的过程中，应尽量注意这个问题。 在多层板的设计中，一般使用电源层的方式给系统供电。该方 式专门拿出一层作为电源层而不再在其上布信号线。由于电源层遍 及电路板的全面积，因此直流电阻非常的小，采用这种方式可有效 的降低噪声，提高系统的稳定性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 l 页 3 2 3 同类型信号线的分布 在各种微处理器的输入输出信号中，总有相当一部分是相同类 型的，例如数据线、地址线。对这些相同类型的信号线应该成组、 平行分布，同时注意它们之间的长短差异不要太大，采用这种布线 方式，不但可以减少干扰，增加系统的稳定性，还可以使布线变得 简单，印刷电路板的外观更美观。 本系统的印刷电路板设计中，成组的信号线主要是数据线和地 址线，可在元器件位置确定后，首先完成它们的布线，尽可能做到 成组、平行分布，同时应尽可能的短。然后在进行各种控制信号的 布线，最后处理电源和接地引脚。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 第4 章设备固件程序设计 4 1 儿c li f l u x 软件开发概述 近年来，嵌入式技术发展十分迅速。“c 1 i n u x 以其优异的性能、 免费开放的代码等优点，获得众多嵌入式开发者的青睐。我们知道， 在标准l i n u x 平台上，已经有了非常丰富的、开源的应用程序，使 得开发者很容