（机械电子工程专业论文）can总线技术、嵌入式系统及internet集成技术研究——系统软件设计.pdf

西华大学硕士学位论文摘要 c a n 总线技术、嵌入式系统及i n t e r n e t 集成 技术研究 系统软件设计 机械电子工程专业 研究生何忠秀指导教师费凌 摘要：c a n 总线技术、嵌入式系统及i n t m m e t 集成技术研究分为硬 件设计和软件设计两部分工作。本论文涉及软件设计方面的内容。主要完成 了以下几方面的工作： i l i n u x 操作系统的裁减。软件开发环境需要交叉开发系统。宿主机和 耳标机及连接两者的串口线或网线。本论文主要采用了r e d h a t l i n u x 作 为操作系统。目标机系统硬件资源较少必须对r e dh a tl i n u x 的内核进 行裁剪，以使用它的微内核： 2 引导系统设计。嵌入式系统常常没有b i o s ，所以需要设计引导实用 程序用于引导该微内核使此内核可以初始化进程及各硬件的驱动程序： 3 编写驱动程序。本系统中常常需要专有的硬件设备，要求编写设备驱 动程序； 4 网络配置。将嵌入式系统i n t m 。n c t ，所以需要将设计的嵌入式系统 i n t e m e t 化，这需要一定的协议，本论文采用t c p i p 协议，对该系统进行 了网络设备的配置及w e b 服务器的配置，将嵌入式系统作为w e b 服务器， 使其它的计算机( 其它设备或宿主机) 可以通过i n t e m e = t 网访问该系统的信 息。 5 网络s o c k e t 编程。 关键词：嵌入式系统、l i n u x 操作系统、设备驱动程序、 嵌入式i n t e r n e t 西华大学硕士学位论文 摘要 r e s e a r c ho nc a nb u st e c h n i q u e 、e m b e d d e ds y s t e ma n d i n t e r n e ti n t e g r a t e dt e c h n i q u e - - - s u b s y s t e ms o f t w a r ed e s i g n m a j o r ：m e c h a t r o n i c se n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：h ez h o n g x i us u p e r v i s o r ：p r o f e i l i n g a b s t r a c t ：t h es t u d yo ft l l ec a nb u st e e h n i q u e 、e m b e d d e d s y s t e ma n di n t e m e ti n t e g r a t e dt e c h n i q u ei n c l u d e sh a r d w a r ed e s i g n & s o f t w a r e d e s i g n ，a n d t h i s p a p e r i n v o l v e st h el a t t e r i t m a i n l y c o n c l u d e st h ef o l l o w i n gc o n t e n t s ： a ) h o w t or e b u i l dt h el i n u xo s t od e s i g nt h es o f t w a r ep l a t f o r l n ， ac r o s sd e v e l o p m e n tp l a t f o r mi sn e e d e d t h i sp l a t f o r mi n c l u d sar i c h e d h a r d w a r e sp c c a l l e d h o s t , a ne m b e d d e dd e v i c ea b l e t or u n a p p l i c a t i o n s c a l l e dt a r g e t ，a n das e r i a li n t e r f a c eo rar e t i c l e ，a b l et o l i n kt h eh o s tw i t ht a r g e t r e dh a tl i n u xs t a n d so u ta se m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e m f o rh a r d w a r e sr e s o u r c ei nt a r g e ti sl i m i t e d ，l i n u x s k e m e ln e e db er e b u l i t b ) h o w t od e s i g nb o o t e r e m b e d d e ds y s t e mh a sr a r e l yb i o s ，t h u s ab o o t e ru s e dt ob o o tt h ek e m e l i sn e e d e d t h e r e f o r e 也ek e r n e l sc a n i n i tp r o c e s s e sa n dh a r d w a r ed r i v e r s c 1h o wt od e s i g nah a r d w a r ed r i v e r o u rs y s t e ma l w a y sn e e d sa s p e c i a lh a r d w a r e ，w h i c h h a sn o d r i v e r s o i t sd r i v e rm u s tb e c u s t o m i z e d d ) h o wt oc o n f i g u r et h en e t w o r ka n ds e r v e r n o w , e m b e d d e d i n t e r n e ti s $ 0 0 nd e v e l o p e d ，i no r d e rt ou s et h er e s o u r c ei ni n t c r n e t t c p ，i pp r o t o c o l , 鼬n e e d e d i su s e di nt h i sp a p e r ；a n dn e t w o r kd e v i c e i sc o n f i g u r e d t ou s et h ee m b e d d e ds y s t e ma saw e bs e r v e r , i ti s c o n f i g u r e da sa 礴匿bs e r v e r , t h e r e f o r e , ac l i e n t b r o w s e rc a nb r o w s e t h ee m b e d d e d s y s t e m si n f o r m a t i o nt h r o u g ht h en e t w o r kd e v i c e e ) ，h w h 删ep r o q r 娜u “t 耐_ _ k e y w o r d ：e m b e d d e ds y s t e m ，l i n u xo s ，h a r d w a r ed e v i c e d r i v e r , e m b e d d e di n t e r n e t 第一章导言 1 导言 i 1 嵌入式系统简介 人们很少会意识到他们随身携带了好几个嵌入式系统手机、手表或者 智能卡，而且他们在与汽车、电梯、厨房设备、电视、录像机以及娱乐系统的 嵌入式系统交互时也往往对此毫无觉察。嵌入式系统在工业机器人、医药设备、 电话系统、卫星、飞行系统等领域扮演了一个非常重要的角色。 嵌入式系统这个概念很早以前就已经存在了。在通讯方面，嵌入式系统在 1 9 6 0 年就被用于对电子机械电话交换的测控，当时被称为“存储式程序测控系 统”( s t o r e dp r o g r a mc o n t r 0 1 ) 。所谓存储式程序是那些放有程序和路由信息 的内存，以前这些控制逻辑和控制信息都有硬件来实现的。那个时候，计算机 一词还不是很普遍，而这个概念却具有突破性的意义。 嵌入式系统的概念是在1 9 7 0 年左右正式出现在科学论文中。当时，大部分 都是由汇编语言完成的，而且这些汇编程序只能用于某一种固定的微处理器。 当这种微处理器过时之后，这种嵌入式系统就没有用了，并且还要开始对新的微 处理器写新的嵌入式系统。因此逐渐引入了操作系统到嵌入式系统中。 c 语言的出现使得我们的操作系统开发变得越来越简单。我们可以利用c 语言很快地写出一个小型的、稳定的操作系统。众所知之，c 语言的作者d e n n i s m r i t c h i e 和b r i a nw k e r n j g h a n 利用它写出了著名的u n i x 操作系统，直接 影响了这三十年计算机业的发展。同时，对开发嵌入式系统来说，在效率和速 度上都提高了很多。 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、硬件根 据需要可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求 的专用计算机系统。它是执行专用功能并被内部计算机控制的设备或者系统。 嵌入式系统不能使用通用型计算机，而且运行的是固化的软件，用术语表示就 是固件( f i r m w a r e ) ，终端用户很难或者不可能改变固件。它是计算机技术、 半导体技术、应用电子技术和各个行业的具体应用相结合的产物。嵌入式系统 包含硬件和软件两部分：硬件絮构上以嵌入式处理器为中心，配置存储器，输 入输出设备，通信模块等必要的外设；软件部分以软件开发平台为核心，向上提 供应用编程接口，向下屏蔽具体硬件特性的板级支持包b s p 。嵌入式系统中， 软件和硬件紧密配合，协调工作，共同完成系统预定的功能。 尽管绝大多数嵌入式系统是用户针对特定任务而定制的，但它们一般都是 1 西华大学硕士学位论文 由下面几个模块组成的： 一台计算机或者微控制器，字长可能是4 位或者8 位、1 6 位、3 2 位甚至是6 4 位。 用以保存固件的r o m 。 用以保存程序数据的r a m 。 连接微控制器和开关、按钮、传感器、模数转化器、控制器、l e d ( 发光二极管) 和显示器的i 0 端口。 一个嵌入式操作系统。 硬件驱动程序 随着要求的增加，还可能需要： 一个文件系统( 可能在r o m 或i a m 中) t c p i p 网络栈 1 2 国内外研究现状 现阶段以i n t e r n e t 为代表的计算机网络技术的迅猛发展及相关技术的不 断完善，使得计算机网络的规模更大，应用更广。在国防、通信、航空、航天、 气象、制造等领域，对大范围的网络化测控提出了更迫切的需求，使得工业技 术的主题转移到了信息的管理与集成。 c a n 总线的高速通信速率、高可靠性、连接方便、多主站、通讯协议简单 和高性能价格比等突出优点，深得许多工业应用部门的青睐，其应用由最初的 汽车工业迅速发展至数控机床、农业机械、铁路运输、粮情检测、过程测控等 各个方面。由于进入中国市场较早，目前c a n 在国内占有较大的市场份额。随 着新型现场总线的性能不断改进，c a n 在传输速度和传输距离方面，特别是在 远程通信方面，慢慢暴露出了它的不足。 为了实现工业控制现场的信息化，利用现成的网络软硬件设备，以实现信 息的远程控制、管理和集成，对这三者的集成就显得极为重要。 国外对这些技术的研究较多。国外许多公司在积极地研究和开发远程监控 系统，建立现场总线网络与i n t e r n e t 连接的一套标准。部分i n t e r n e t 技术应 用于控制的研究已从理论阶段过渡到开发阶段，提出了一些解决方案。基于 l i n u x 的嵌入式技术也取得了很大的进展。 相对而言，目前国内在针对i n t e r n e t 技术，现场总线技术，嵌入式技术的 ， 第一章导言 研究还比较少，而且主要局限于某一方面的研究。也有部分学者对多技术的集 成进行了探讨，但仍停留在概念上，未能进入到实质性研究阶段。 总之，关于i n t e r n e t 技术，现场总线技术，嵌入式技术( 尤其是嵌入式l i n u x 技术) 三者集成的研究正处在研究探讨阶段。 1 3 课题来源 本课题是作者在省级重点学科项目“c a n 总线技术、嵌入式技术以及 i n t e r n e t 集成技术研究”为背景展开的。 通过对i n t e r n e t 技术，现场总线技术，嵌入式技术( 尤其是嵌入式l i n u x 技术) 三者集成技术的研究，形成一套切实可行的系统集成方案，并将该方案付 诸实施，研制出一套基于嵌入式技术的、可面向现场控制及网络应用的、具有 一定扩展和二次开发能力的嵌入式研究开发平台( 硬件及部分软件开发平台) 。 1 4 论文的主要工作 本论文是研究c a n 总线技术、嵌入式技术以及i n t e r n e t 集成技术研究的系 统软件设计部分，主要是针对嵌入式i n t e r n e t 的软件部分进行了详细的设计。 首先选择一个较合适的操作系统，本试验选择了l i n u x 。将l i n u x 应用于 嵌入式系统，需要将l i n u x 进行裁剪以满足嵌入式系统的要求。 其次，由于嵌入式系统常常没有b i o s ，所以需要设计引导系统；我们所研 究的嵌入式系统需要一些外围设备用于外部环境的监测与控制，丽这些设备常 常不是通用的，就需要自己设计其驱动程序。本论文从通用的驱动程序入手， 着手研究驱动程序编制的方法、步骤、基本技巧以及动态地加入内核等等，从 而掌握驱动程序编写的方法，并以典型的控制接口为例，编n t 脉冲控制信号 输出的驱动程序并通过试验验证其正确性。 再者，由于现在的嵌入式系统常常是基于i n t e r n e t 的，称为嵌入式 i n t e r n e t 。要将嵌入式l i n u x 用于i n t e r n e t ，通过网络访问该嵌入式系统，使 得其它系统能浏览该系统。本试验将该系统作为w e b 服务器，使得其它的计算 机可以通过网络访闯该系统的资源和信息。 总之，本论文的主要任务包括了l i n u x 操作系统的裁剪、引导系统设计、 驱动程序设计、网络配置、连接i n t e r n e t 网络、基本软件的设计等等相关的软 西华大学硕士学位论文 件设计。 其目的和意义在于将网络技术，开放源码的l i n u x 与嵌入式系统设计结合 起来，在一个基于l i n u x 的嵌入式研究开发平台上设计一些相关的软件平台， 用于以后的科研教学的深入开展提供一个通用的软件开发平台。在建立的较为 通用的嵌入式l i n u x 系统研发平台上，可以利用实验室局域网和校园网以及仿 真器、现有的测控对象等设备进行软件部分的设计。 弟二萆系统集成 2 系统集成 2 1 系统集成的必要性 在工业控制现场和其他控制现场，控制端采用有嵌入式人机接口的嵌入式 系统，它负责对现场数据的采集，对现场采集的信息的分析和处理，对现场的 控制等等。 嵌入式人机接口和现场之间的连接可以采用专用网络，但是成本较高。通 常利用已有的i n t e r n e t 将嵌入式人机接口系统和现场网络进行连接。 由于工业控制单元本身资源以及计算机i n t e r n e t 资源( 如i p 地址、帐户 等) 非常有限，并且i n t e r n e t 上信息的安全性是一个难点，因此，将每台设备 都接入i n t e r n e t 不太现实。而将工业控制单元组成一个轻型网络，通过 i n t e r n e t 和控制端的嵌入式系统连接。对于现场网络常常利用c a n 协议、采用 c a n 技术，通过c a n 总线网络和通用串行网络组成一个工业控制网络。 因此关于i n t e r n e t 技术，现场总线技术，嵌入式技术( 尤其是嵌入式l i n u x 技术) 三者集成的研究显得极为重要，是非常必要的。 2 2 嵌入式芯片的选择 嵌入式系统的功能软件集成于硬件系统之中，系统的应用软件与硬件一体 化。在嵌入式系统的硬件设备中，嵌入式处理器是整个系统的核心部件，其性 能的好坏直接决定整个系统的运行效果。 嵌入式处理器可以分为三类：微处理器、微控制器、d s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ) 。 嵌入式微处理器就是和通用计算机的微处理器对应的c p u 。在应用中， 一般是将微处理器装配在专门设计的电路板上，在母板上只保留和嵌 入式相关的功能即可，这样可以满足嵌入式系统体积小和功耗低的要 求。目前的嵌入式微处理器主要包括：p o w e r p c 、m o t o r o l a6 8 0 0 0 、a r m 系列等等。 嵌入式微控制器又称为单片机，它将c p u 、存储器( 少量的r a m 、r o m 或两者都有) 和其它外设封装在同一片集成电路里。常见的有8 0 5 1 。 嵌入式d s p 专门用来对离散时间信号进行极快的处理计算，提高编译 效率和执行速度- 在数字滤波、f f t 、谱分析、图像处理的分析等领域， d s p 正在大量进入嵌入式市场。 e 空兰查兰婴主兰篁堡= ! 兰 要进行i n t e r n e t 通信，就要求系统能提供管理t c p i p 网络通讯所需的处 理能力和存储器资源。以前常用的8 位或1 6 位的处理器很难满足这些要求。这 些8 位或1 6 位的处理器通常都不是为网络应用设计的，在这样的系统上实现网 络功能复杂度相对较高，成本和设计的质量也很难保证。而3 2 位处理器则有许 多面向网络应用、工控、多媒体等各个领域的高性能处理器可供选择，可以较 好的满足我们的需要。 经过了一些调查与对比，本系统的核心处理器选用了韩国现代公司基于 a r m 7 2 0 t 内核的芯片h m $ 3 0 c 7 2 0 2 ( a r m 7 2 0 t 与a r m 7 d m i 的最大不同是，它比后 者多了删) 。h m s 3 0 c 7 2 0 2 功能非常强大，片内外设的资源很多。可广泛应用于 p d a 、智能电器、工业控制、网络设备、音频设备、电子图书、p o s 。 2 3 嵌入式操作系统的选择 内存管系统网络图形驱 理模块 a p i 模块动函数 库 图2 i操作系统结构示意图 嵌入式系统是一种专用计算机系统，它以应用为中心，以计算机技术为基 础，软、硬件根据需要可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、 功耗等严格要求。如图2 1 所示，嵌入式操作系统( e m b e d d e do s ) 起到合理调 度任务、利用系统资源、提供系统函数、减少开发时闻、保障软件质量等重要 作用。嵌入式操作系统可以简单的认为是功能强大的主控程序，它嵌入在目标 代码中，系统复位后首先执行，它负责在硬件基础上为应用软件建立一个功能 强大的运行环境，用户的其他应用程序都建立在嵌入式操作系统之上。对于嵌 入式操作系统来说最重要的是必须具备在一个事先定义好的时间限制中对外部 6 第二二章系统集成 或内部的事件进行响应和处理的能力。 嵌入式操作系统有很多，如w i n d o w s c e 、v x w o r k s 、q n x 等。 v x w o r k s 是较为成熟的实时嵌入式操作系统，曾成功应用于火星探测车和 爱国者导弹等高科技产品上，其适用于通信、国防、工业控制、医疗设备等嵌 入式实时应用领域。最大的优势是硬件体系和第三方软件支持很多，在同一产 品族中有较多的产品、工具，而不必寻求第三方。缺点是其系统体系结构较差， 并且经济上开销大，一般价格为每客户1 6 ，5 0 0 美元，产品升级为付费方式。如 果产品开发项目经济上不成问题，开发周期可以长一点，而要求实时性高，则 可选择v x w o r k s 。 w i n d o w sc e 是微软专门为信息设备、移动应用、消费类电子产品、嵌入式 应用等非p c 领域而设计的操作系统产品。其主要适用于掌上型p c 、手持式p c 、 手持式p c p r o 、p d a 、机顶盒、汽车p c 、条形码阅读器及其他互联网接入设备。 它的优势是m i c r o s o f tw i n 3 2 应用编程接口的广泛应用，以及全世界4 2 0 万 w i n d o w s 操作系统程序员都使用的a p i ，但是它使用起来不够方便、简洁，开发 出来的基于w i n d o w sc e 的应用程序较大；其稳定性和可靠性不能令人满意，其 能否适用于工业控制还有疑问，并且它在支持平台、内核技术上，和其他操作 系统相比仍存在一定差距。因而，如果开发人员熟悉w i n d o w s 应用程序开发， 待开发产品的实时性要求不高或是待开发消费电子产品类，则可以采用 w i n d o w sc e 作操作系统。 虽然l i n u x 的实时性不是最好，但是l i n u x 的最大的优势在于开放原码， 软件资源丰富，内核稳定，价格低廉，大小功能可定制，同时支持多种体系结 构，如x 8 6 、a p 3 4 、m i p s 、a l p h a 、s p a r c 和大量的周边硬件设备。并且，如表 2 1 所示，l i n u x 实时性的缺陷是可以弥补的。 衰2 1专用嵌入式实时操作系统与嵌入式l i n u x 的比较 专用嵌入式实时操作系统嵌入式l i n u x 操作系统 每生产一件产品需交纳一 版权费免费 份版权费 购买费用人民币数十万元免费 两华大学硼j 学位论文 由开发商独家提供有限的 技术支持全世界的自由软件开发者提供支持 技术支持 网络特性另加人民币数十万购买免费而且性能优异 软件移植难，因为是封闭系统易，代码开放，有许多应用软件支持 应用产品短，新产品上市迅速，因为有许多公 开发周期 长，因为可参考的代码有限 开的代码可以参考和移植 实时蚀戆好需改进，可用r tl i n u x 等模块弥补 穗嶷挫好j 窝醇。在痛牲虢系统中仍需改进 l i n u x 在嵌入化方面具有相当的优势。 首先，l i n u x 系统是层次结构且内核完全开放。l i n u x 是由很多体积小且性 能高的微内核和系统组成。在内核代码完全开放的前提下，不同领域和不同层 次的用户可以根据自己的应用需要很容易地对内核进行改造，在低成本的前提 下，设计和开发出真正满足自己需要的嵌入式系统。 其次，l i n u x 支持大多数成熟的文件系统。既可以支持微型计算机上使用 的e x t 2 ，f a t ，f a t 3 2 等文件系统，也可以支持嵌入式系统上使用的r o m f s ， c r a m f s ，j f f s 等文件系统。 第三，l i n u x 支持多种c p u 和各种硬件平台，支持多种体系结构，如x 8 6 、 a r m 、m i p s 、a l p h a 、s p a r c 和大量的周边硬件设备，这样几乎可以将其用到工 业控制的各个领域。 第四，l i n u x 下有功能强大的编译器。它的开发工具可以是c c + + 、j a v a 、 a d a 、汇编等等编译器。它的调试工具可以是g c c 调试器，其功能很强大。g n uc 编译器( 即是g c c ) 是一个全功能的a n s ic 兼容编译器，如果熟悉其他操作系 统或平台上的一种c 编译去，就可以很快掌握g c c 。在l i n u x 下还可以使用g d b 调试器，该调试器能支持源代码级调试且支持x - w i n d o w s 图形界面。g d b 是 一个用来调试c 和c + + 程序的强有力的调试器。在程序运行时，它使用户能观 察到程序的内部结构和内存使用情况。 第五，l i n u x 内核的结构在网络方面是非常完整的，它提供了对十兆、百 兆、千兆以太网，无线网络，令牌网，光纤网以及卫星等多种联网方式的全面 支持。l i n u x 具有强大的网络功能，支持多种网络设备，可以直接通过网络适 第二荦系统集成 配器、m o d e m 或拨号上网使用网络，可以方便地与i n t e r n e t i n t r a n e t 集成， 而且具有很好的稳定性。其支持t c p i p 等协议，可以开发f t p 、t e l n e t 、n f s 、 g o p h e r 、n e w s 、w w w 等多种网络应用程序，并在网络应用方面提供了很多库函 数。它还提供了许多用于通信的软件包，如e f a x 、i r c ii 、i r c i i h e l p 、i r z s z 、 m i n i c o m ，这些软件包可以帮助通过传真、电话或模拟终端进行通信。 基于以上原因，我们选择嵌入式l i n u x 操作系统作为我们的系统主要的操 作系统。本论文采用r e dh a tl i n u x 7 2 为嵌入式系统的操作系统。 西1 # 大学坝士学位论文 3 嵌入式i n t e r n e t 将c a n 总线技术、嵌入式技术及i n t e r n e t 技术三者，嵌入式i n t e r n e t 的 集成技术是必不可少的。嵌入式t n t e r n e t 是一种将嵌入式设备接入t n t e r n e t 的技术，利用该投术可将i n t e r n e t 从p c 机延伸到1 6 位、3 2 位嵌入式系统， 并实现基于i n t e r n e t 的远程数据采集、远程控制、自动报警、上传下载数据 文件、自动发送e m a i l 等功能，大大扩展t n t e r n e t 的应用范围。 3 1 嵌入式i n t e r n e t 的基础 嵌入式i n t e r n e t 是嵌入式系统与 n t e r n e t 的结合。嵌入式系统中包含嵌 入式处理机、嵌入式操作系统和应用电路部分，与i n t e r n e t 的接入则必须有对 应的接入协议，如通用的t c p l p 协议。因此，实现嵌入式i n t e r n e t 的基础是 嵌入式处理机、嵌入式拯篮丕统和接入i n t e r n e t 的通信协议。 嵌入式系统接入i n t e r n e t 同p c 机接入i n t e r n e t 一样，必须通过相应的通 信协议。日前的i n t e r n e t 采用i c p i p 协议，因此嵌入式系统接入i n t e r n e t 最终必须通过t c p i p 接入，嵌入式系统对信息进行t c p t p | ；9 、议处理，使其变 成呵以在i n t e r n e t 上传输的i p 数据包。若采用网关方式，在网关莳端可以采 用适合嵌入处理机和起控制作用的新协议，通过网关转换后变成标准l p 包接入 1n t e r n e t 。 由于嵌入式系统自身资源的限制，处理能力不如台式机强，以及从p c 机上 柬的t c p i p 的复杂性，使得处理通信协议成为嵌入式系统接入i n t e r n e t 的关 键，也是嵌入式系统接入i n t e r n e t 的难点之一。因此f 面着熏分析当前的几种 接入方式以及对协泌的不问处理方法。 3 2 嵌入式in t e r n e t 的几种接入方式 3 2 1 处理器加t c p i p 协议方式 采用处理机加t c p i p 协议方式，m c u 处理机像p c 机一样直接处理t c p i p 协议，一般需要高档的处理机，如3 2 位的a r m ，s h 3 ，m i p s 等m c u 和一些单周 期指令速度较高的8 位m c u ，如a v r 、s x 等，其结构见图3 1 “处理机+ t c p i p 协议方式”。 1 0 第三章嵌入式i n t e r a c t 图3 1处理机+ 1 p i p 协议方式 对t c p i p 协议的具体处理又有2 种方法。一种方法是采用实时操作系统 r t o s ，用软件方式直接处理t c p i p 协议。实时操作系统的功能越来越强大，许 多都具有对图像界面和t c p i p 的支持能力。采用这种方式最灵活，能按用户需 求实现很多复杂的功能，当然灵活的同时带来的是开发复杂度的增加，对开发 人员的要求高，对操作系统和t c p i p 协议都要有一定的熟悉程度，因此开发周 期也较长，高档m c u 和r t o s 的价格也很高。 另一种是采用固化了t c p i p 协议的硬件芯片，如s e i k oi n s t r u m e n t s 公司 的$ 7 6 0 0 a 等，它支持h t t p 、s m t p 、p o p 3 、m i m e 等多种协议，通过外部硬件电 路处理t c p i p 协议。也可用u b i c o m 公司( 原s c e n i x 公司) 的s x 单片机加虚 拟外设的方式。s x 单片机采用c p u 并行流水线和单时钟周期指令，其极限运行 速度系数等于1 ，达到最大值，支持的晶振最大到1 0 0m h z ，因此执行速度可达 i o o m i p s 。s x 单片机的最大特点是支持虚拟外设，将许多功能模块( 如d t m f 接 收与发送、t c p i p 协议等) 设计成软件功能模块，需要使用某功能时直接调用 相应模块，其效果等同于安装对应硬件外设电路，但虚拟外设方式更灵活更方 便，且硬件电路简单。该方式与前一种相比更方便，开发难度有所降低，但还 是需要熟悉t c p i p 协议和相关接口。 这两种方式类似于在m c u 上实现p c 机加网卡的功能，m c u 直接处理t c p i p 协议，复杂度较高，且每个m c u 也需要一个i p 地址，而i p 地址需要付费使用。 它需要高档的m c u 处理机和较高的开发成本，因此一般只会在一些高档产品( 如 汽车) 中使用。它有一个好处是不需要p c 机做网关。 3 2 2 b i t 方式， w e b i t 是沈阳东大新业信息技术股份有限公司研制开发的嵌入式系统接入 i n t e r n e t 的一个实用产品，它将m c u 和以太网控制器集成到一块小板卡上，将 它装入到嵌入系统中就可以完成嵌入系统与i n t e r n e t 网的联接。w e b it 有自己 的i p 地址，与前面提到的第一种方式相似，但它有更高的集成度，将协议处理 1 l 曲华犬竿帧t 学位论义 部分独立出来，开发人员省去了网络部分的设计，可将主要精力放在应用系统 本身。 w e b i t 总体上是一个基于a v r 单片机的系统，在单片机内有用来存储系统 服务程序的8 千字节的f l a s h 空间、5 1 2 字节的r a m 空间以及用来存放系统参 数( i p 地址、m a c 地址、串口波特率等) 的e e p r o m 。在单片机的外围，有用来 存放w e b 页面的e e p r o m 。系统中包含一个i o m 以太网控制器，用来提供网络的 联接。系统提供的应用系统接口为t t l 电平的u a r t 口及1 4 位i o 口，通过它 与应用系统相连，其应用方式见图3 2 “w e b b i t 方式”。 仁锢篆= 眦b 0 r 1 ，- 、 、9 产一 图3 2w e b b i t 方式 w e b i t 方式实际上与第一种方式类似，只是将协议处理部分分离出来出 w e b i t 单独完成，开发人员可以不必考虑网络协议和相关接口，但也需要独立 的i p 地址。该方式也不需要网关，无需p c 机，软、硬件结构可以独立设计， 其开发成本相对较低。 3 2 3 采用专用嵌入式网络协议 利用e m w a r e 公司开发的嵌入式微i n t e r n e t 网络技术( e m i t ：e m b e d d e d m i c r oi n t e r n e t w o r k i n g t e c h n 0 1 0 9 y ) 。e m i t 由e m n e t 和e m g a t e w a y 两部分组成， e m n e t 协议运行在m c u 内部，是为嵌入式系统和其他网络( 如r s 4 8 5 、i r 、r f 和电力线等) 进行联接的网络协议。同时，e m n e t 使得集成e m m i c r o 的嵌入式 系统能够和嵌入式微控制器网关e m g a t e w a y 进行有效的通信。嵌入式微控制器 网关( 即e m g a t e w a y ) 运行在计算机、t v 机顶盒或专用的家用电器服务器中， 它是设备网络和i n t e r n e t 之间联接的桥梁。应用系统运行m c u 内的e m n e t ，通 过e m g a t e w a y 与i n t e r n e t 联接，见图3 3 “采用专用嵌入式网络协议方式”。 r s 2 3 2 图3 3 采用专用嵌入式网络协议方式 第三章嵌入式 n t c r n e t 具体来讲，e m i t 采用桌面计算机或高性能嵌入式处理器作为网关 e m g a t e w a y ，支持t c p i p 协议并运行i n t e r n e t 服务程序，形成一个用户可通过 网络浏览器进行远程访问的服务器e m g a t e w a y 通过r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、c a n 、红外、 射频等总线将多个嵌入式设备联系起来，每个嵌入式设备的应用程序中包含一 个独立的通信任务，称为e m m i c r o ，监测嵌入式设备中预先定义的各个变量， 并将结果反馈到e m g a t e w a y 中；同时e m m i c r o 还可以解释e m g a t e w a y 的命令， 修改设备中的变量，或进行某种控制。 这种方式要求设计工程师必须熟悉e m n e t 协议和相关的接口，并且软硬件 设计的工作量仍然较大。应用系统的m c u 处理e m n e t 协议要占用一定的系统资 源，对m c u 的要求也较高，同时需要微机做网关。优点是网关中的一个i p 地址 可以联接多个嵌入式应用系统。 3 2 4 使用专用苍片w e b c h i p w e b c h i p 是武汉力源公司于2 0 0 0 年4 月开发出使嵌入式电子设备和家用电 器与网络方便联接的实用解决方案。w e b c h i p 是独立于各种微控制器的专用网 络接口芯片，它通过标准的输入、输出口与各种m c u 相连。m c u 通过w e b c h i p 与网关联接即可接收并执行经由i n t e r n e t 远程传来的命令或将数据交给 w e b c h i p 发送出去。m c u 应用系统通过w e b c h i p 网络芯片与g a t e w a y 联接，再进 入i n t e r n e t 网，如图3 4 所示“专用芯片w e b c h i p 方式”。 图3 4 专用芯片w e b c h i p 方式 w e b c h i p 内部固化了m c u n e t 协议，它与e m g a t e w a y 和o s g i 协议兼容，是 m c u 电子设备与计算机平台上的g a t e w a y 建立联系的种软件协议，可以处理 眦u 与g a t e w a y 之间的通信。m c u n e t 协议结构简单，但功能很强。w e b c h i p 作 用就是解释通信协议，控制数据传输，使m c u 应用系统不用去管理协议的具体 内容，只需要解释和执行w e b c h i p 送来的命令( w e b c h i p 与m c u ；- n 共有1 7 条 1 3 两华大学硕士学位论史 命令) 。w e b c h i p 将来自m c u 的数据编译成符合协议规定的格式，然后传给 g a t e w a y ，而由g a t e w a y 下传的命令和数据由w e b c h i p 负责解释，然后通过命令 方式送给m c u 。图3 4 中的网关服务器用于协议的解释、转换、执行等，通常 由一台普通p c 机来实现。 w e b c h i p 的简要工作过程是：w e b c h i p 通过s p i 三线串行接口与m c u 应用系 统联接。它与m c u 应用系统交换信息是由1 7 条简单的指令进行控制。w e b c h i p 的另一端以r s 一2 3 2 、r s 一4 8 5 或m o d e m 等接口电路与基于p c 机平台的网关接 口。w e b c h i p 在m c u 应用系统接入i n t e r n e t 的过程中实际上是起了底层协议的 编译、解释和转换作用，将m c u 应用系统与网关再与i n t e r n e t 联接起来。这是 由于p c 机网关能提供h t t p 服务，又可与网络浏览器接口。 这种方案相对更简单，对m c u 要求较低，无论是运行速度、硬件配置和存 储器容量等方面均无特殊要求；软件设计也只需在原应用系统的基础上增加一 小段接口程序，其它无需作大的改动。对设计工程师，不需要熟悉复杂的网络 协议和相关接口，完全不必考虑任何网络协议，只需要解释并执行w e - - b c h i p 传送过来的指令和数据就可以实现与i n t e r n e t 网络联接。其开发周期更短，也 较灵活。同采用专用嵌入式网络协议方案一样，需要微机做网关，网关中的一 个i p 地址可以联接多个嵌入式应用系统。 目前还买不到p s 2 0 0 0 的芯片，只是最近在力源网站上有了p s 2 0 0 0 的详细 芯片资料。其开发套件也较便宜，包含带有通信接口的p s m 2 0 0 0 模块板和 p s e 2 0 0 0e v k i t 演示套件等。 塑粤兰堂垒茎至竺茎垄翌：堡墼堡皇塑塑堕 4 嵌入式系统软件开发环境的建立和调试 嵌入式系统是一种根据特定用途所开发的系统，因此它的开发过程和开发 环境也随之和一般在桌面型系统开发应用程序有着显著的不同。嵌入式系统因 为具备r o m i z a t i o n 的特性，也就是说最后会把软件转换成固件的形式存放在 r 叫里面，因此开发这种程序时必须考虑到如何做这些转换以及转换时存在的 限制。 4 1 开发平台与目标平台 在一般个人计算机系统开发中，调试器和被调试程序是运行在相同的硬件 和软件平台上的两个进程，调试器进程通过操作系统专门提供的调试接口控制 和访问被调试进程。而在嵌入式系统的开发中，调试器通常是运行在诸如x 8 6 之类平台上的应用程序，被调试程序则是运行在另一特定硬件平台。因此嵌入 式系统的调试经常要采用交叉调试器，采用宿主机一目标机的调试方式：一个是 开发平台( h o s t ，即宿主机) ，一个是目标平台( t a r g e t ，即目标机) ，如图4 i “交叉开发系统”所示。开发平台是使用桌面型计算机通过传输介质，例如串 行端口( r s 一2 3 2 ) 、并行端口或是网络与目标平台连接。 宿主机是硬件资源丰富的p c 机，开发系统建立其上，应用程序的编辑、编 译、链接等过程都是在其上完成。目标机是嵌入式设备，运行应用程序。而调 试则在目标机和宿主机之间联机交互进行。 首先须把应用程序转换成可以在目标机上运行的二进制代码。这一过程包 含三个步骤：编译、链接、定址。编译过程由交叉编译器实现。所谓交叉编译 器就是运行在一个计算机平台上并为另一个平台产生代码的编译器。常用的交 叉编译器有g n uc c + + ( g c c ) 。编译过程产生的所有目标文件被链接成一个目 标文件，这个过程我们称为链接过程。定址过程会把物理存储器地址指定给目 标文件的每个相对偏移处。该过程生成的文件就是可以在嵌入式平台上执行的 二进制文件。 开发试验板除了集成的c p u 之外，至少需要一个输入及输出的界砸、供下 载影像文件( r o i l li m a g e ) 的界面、内存( r a m ) 、f l a s h r o m 、电源模块等。为 了开发初期调试方便，还会引出几个特殊的引脚，以供外接的调试模块所使用。 详细内容请见相关资料。 西华大学硕士学位论文 图4 1交叉开发系统 4 2 开发环境与开发流程 要进行一个新系统的研究和开发，需要解决的问题很多。从硬件角度讲， 包括构建测控系统的硬件平台设计、网络硬件设备、存储介质、电源等：从软 件角度讲，包括操作系统的裁剪定制开发、硬件驱动程序开发、应用软件开发 等一系列的问题。通常在嵌入式系统应用开发中，整个系统的开发过程可以由 图4 2 “嵌入式系统的开发过程”所示 图4 2嵌入式系统的开发过程 选择一个适合的操作系统是非常重要的。本论文选择了r e dh a tl i n u x 7 2 。 选定了操作系统后，就可以使用指定的硬件平台上使用的各种工具，例如编译 器、链按器、定位器等。在本系统中可以使用c 或c + + 的集成编译环境，当然 还可使用其他的。 第四章嵌入式系统开发环境的建立和调试 4 3 嵌入式系统的调试 调试是嵌入式系统开发过程的重要环节。由于嵌入式系统尤其是3 2 位嵌入 式系统与以往的8 位单片机的调试方法有些不同，所以本论文单独进行论述。 4 3 1 常见的调试方法 目前常见的调试方法有以下几种： 1 ) 指令集模拟器 部分集成开发环境提供了指令集模拟器，可方便用户在p c 机上完成一部分 简单的调试工作，但是由于指令集模拟器与真实的硬件环境相差很大，因此即 使用户使用指令集模拟器调试通过的程序也有可能无法在真实的硬件环境下运 行，用户最终必须在硬件平台上完成整个应用的开发。 2 ) 驻留监控软件 驻留监控软件( r e s i d e n tm o n i t o r s ) 是一段运行在目标板上的程序，集成 开发环境中的调试软件通过以太网口、并行端口、串行端口等通讯端口与驻留 监控软件进行交互，由调试软件发布命令通知驻留监控软件控制程序的执行、 读写存储器、读写寄存器、设置断点等。