（计算机应用技术专业论文）基于gsmgps的嵌入式巡线仪设计和实现.pdf

荫北i ：业大学硕：e 学位论文摘要 摘要 线路巡检在电信、电力、交通、石油等领域的生产运营和线路维护中具有十分 熏要的作用。目前国内的线路巡检大多采用的是传统手：i = 巡检方式，存在蔫人为凼 素多、巡捡记录不规范、缺乏现代化管理手段等诸多问题。线路巡检的到位率以及 巡检质量豹高低完全凭借巡梭人员的自觉性，管理人员无法跟踪巡线人员的到位率， 使得巡线质量得不到保证，对安全生产极为不利。为此急需种能够解决现有问题、 提高巡检工作准确性和效率、有助于安全生产的新型巡线仪。 基于g s m ，g p s 的嵌入式巡线仪是采用无线通信技术和嵌入式技术设计和制造 的线路巡检设备。它采用无线通信的方式将现场采集到的有关经纬度、离程、速度 等信息实时传送至远程管理中心的数据库中。它能够从根本解决线路巡检中数据采 集和传输闯题，节省巨大的通讯网络建设和维护费用。它能被广泛的应用于石油、 电力、电信、煤炭等彳亍业的线路和设备巡检，对保障安全生产及设备的正常运行宵 重大意义。 论文是围绕基于g s m g p s 技术的嵌入式巡线仪的设计和制造展开的。该巡线 仪开发没有采用传统的p d a 与g p s 相结合的方式，丽是采用3 2 位处理器结合 g s m g p s 自行开发设计。该巡线仪是在p h i l i p sa r m 7 系列1 p c 2 1 1 4 上，结合f a l c o m j p 7g p s 模块与西门子t c 3 5 ig s m 模块实现巡线仪与上位机话音和消息通信。 论文的主要内容包括： 1 、嵌入式巡线仪采用的关键技术，阐述了它的工作原理及其系统结构，说明了 它的优点及应用。 2 、嵌入式巡线仪硬件电路的设计描述，提出了嵌入式巡线仪的系统解决方案， 研究了p h i l i p sl p c 2 1 1 43 2 位r i s c 微处理器硬件环境，详细阐述了以l p c 2 1 1 4 为 核心，结合f 越o mj p 7g p s 模块和西门子t c 3 5 ig s m 模块的系统硬件设科“。 3 、通过分析具有一定实时性的、源代码公开的嵌入式操作系统u c o s 1 1 ，弦了 解其内核原理，如任务管理、时钟管理、任务闻通讯与同步机制及内存管理的艇稚j 上，对其功能进行扩充。 4 、针对基于l p c 2 1 1 4 处理器的目标板，通过对操作系统u c o s 。1 1 进行配臀， 将此实时嵌入式操作系统成功地移植到目标板e ，著用于嵌入式巡线仪中。 5 、对嵌入式巡线仪中凰件体系结构、g u i 、数据结构、通信协议、程j 誓进行丁 没计与实现。 关键词嵌入式，巡线仪，g s m g p s 坠耋璺2 ：i s ! 塑留翟罂：罂型垒塞耋堡坠望 a b s t r a c t l i n ep a t r o li s v e r yi m p o r t a n ti nt e l e c o m ，e l e c t r i cp o w e ra c c o m m o d a t i o na n d p e t r o l e u ms u p p l y t r a d i t i o n a lm a n u a lm e t h o dt h i sf i e l d sh a sm a n yd i s a d v a n t a g e ss u c h l i k eu n c c r t a i ni n t r o d u c e db ym a n i l a lf a c t o r s u n f o r m a t t e dd a t ae t c a n dt h eq u a l i t yo fl i n e p a t r o lt o t a l l yd e p e n d so nt h ew o r k e r sr e s p o n s i b i l i t y t h em a n a g e m e n ts y s t e mi nt h i sa r e a n e e d sb e i n gi m p r o v e db ym o d e m t e c h n o l o g i e s an e wt y p eo fw i 掩k s sa n de m b e d d e di n s t r u m e n to fl i n ep a t r o li sp r e s e n t e di st h i s t h e s i s t h i si n s t r u m e n tc a l lb eu s e di nb o t hl i n ea n di n s t r u m e n tp a t r 0 1 i tp r o v i d e i n f o r m a t i o no fl i n ep a t r o l sw i t ht i m ea n ds p a c e t h ei n s t r u m e n th a st h ea b i l i t yo fs e n d i n g 1 1 l f o n i l a t i o no fl i n ep a t r o lt ot h ec e l l t r a lm a l n f r a m ci nr e a l t i m e t h ec o s t so fm a i n t a i n d e c r e a s eg r e a t l yb yu s i n gt h ei n s t r u m e n t t h et h e s i sf o c u s e so l lt h ed e s i g na n di m p l e m e n to ft h i si n s t r u m e n t t h ei n s t r u m e n t h a s3 2b i tp r o c e s s o r a n di sb a s e do ng s m g p s t h i si sv e r yd i f f e r e n tw i t ht h et r a d i t i o n a l t e c h n o l e i g i e ss u c hl i k ep d ap l u sg p s n ei n s t r u m e n ti si m p l e m e n t e do nl p c 2 11 4o f p h i l i p sa r m 7s e r i e s 。c o m b i n i n gw i t hf a l c o mj p 7g p sm o d u l ea n ds i e m e n st c 3 5 i g s mm o d u l et h ei n s t r u m e n ta c h i e v et h eg o a lo fc o m m u n i c a t i n gw i t hc e n t r a lp r o c e s s i n g c o m p u t e r t h em a l nr e s e a r c hr e s u l t si n c l u d e ： 1 、1 1 l ek e yt e c h n o l o g yo fg s ma n dg p sa d o p t e db yt h ee m b e d d e di n s t r u m e n to f l i n e p a t r o l ，i n t r o d u c t i o n o fp r i n c i p l e sa n da r c h i t e c t u r e so fg s ma n dg p s ，t h e i r a d v a n t a g e sa n da p p l i c a t i o n 2 、n eh a r d w a r ed e s i g no ft h ee m b e d d e di n s t m m e n to fl i n ep a t r 0 1 i nt h i st h e s i s a s o l u t i o na b o u tt h ee m b e d d e di n s t r u m e n to fl i n ep a t r o li sp r o p o s e d h a r d w a r e e n v i r o n m e n to fp h f l i p sl p c 2 1 1 43 2b i tm i c r o p r o c e s s o ri ss t u d i e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so f r 嗽o mj p 7g p sm o d u l ea n ds i e m e n st c 3 5 ig s mm o d u l ea r ed i s c u s s e d t h e c o m b i n a t i o no fl p c 2 1 1 4 r 6 正c o mj p 7g p sm o d u l ea n ds i e m e n st c 3 5 ig s mm o d u l e i sd i s c u s s e di nd e t a i l s 3 、ar e a l t i m e ，o p e ns o u r c 2o p e r a t i n gs y s t e m ，u a d s i i ，i sa n a l y z e d o nt h eb a s i so f u n d e r s t a n d i n gi t sc o r et e c h n o l o g i e ss u c hl i k et a s km a n a g e m e n t ，t i m e p i e c em a n a g e m e n t ， c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt a s k s ，a n ds y n c h r o n i z a t i o nm e c h a n i s m ，i t sf u n c t i o ni se x p a n d e d 4 、t h eo p e r a t i n gs y s t e mu c o s i ii sr e c o n f i g u r e da n di st r a n s p l a n t e dt ot h eo b j e c t i v e b o a r d ，w h i c hi sb a s e do nl p c 2 1 1 4p r o c e s s o r 5 、帕ed e s i g no fa r c h i t e c t u r eo ff i r m w a r e ，g u ld a t as t r u c t u r e c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l ，a n dp r o g r a mo ft h e i n s t r u m e n to fl i n ep a t r o la l ep r e s e n t e di nt h et h e s i s k e yw o r d s ：e m b e d d e d ；i n s t r u m e n to fl i n ep a t r o l ；g s m g p s h 第一章嵌入式系统综述 1 1 嵌入式系统简介 1 1 。1 弓l 言 髓着电子技术的快速发展，特别是大规模集成电路的产生而出现的微型机，使 现代科学研究得到了质韵飞跃，而嵌入式微控制器技术的出现则是给现代工业控制 领域带来了一次新的技术革命。由嵌入式微控制器组成的系统，最明显的优势就足 可以嵌入到任何微型或小型仪器、设备中。例如：在电视机、d v d 播放机、电梯以 及洗衣机等中都有一个m c u 接收遥控指令并执行相应功能，嵌入式系统的应用如 此广泛，以致于很难确切地给它下定义，但我们可以把它理解为：嵌入式系统是以 计算机为基础，软件硬件可裁减、移植并对应用系统功能的可靠性、成本和体积等 有严格要求的专用计算机系统l 。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、 电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了他必然是一个技 术密集、资金密集、高度分教、不断创新的知识集成系统。嵌入式计算枫的终部设 备中就包含了多个嵌入式微处理器，如键盘、硬盘、显示器、网卡、声卡等均是由 嵌入式处理器控制的。现在，嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1 万亿荚元， 嵌入式计算机不仅在民品上，而且在军事装备上也得到了广泛地应用。 1 1 2 嵌入式系统的鳞构 嵌入式系统作为一类特殊的计算杌系统，自底向上包含有4 层i ，如图1 - 1 所 乐。 功能层 软件层 硬件抽象层 硬件平台 1 、硬件平台 图1 - 1 嵌入式系统结构图 应用程序与操作系统的棱f1 操作系统与硬件抽象层的接口 硬件抽象屡与埂竹的接l i 塑! l 兰些盔耋堡圭鋈鎏耋蒸= 塞璧耋垂丝篓堑 碳件平台由嵌入式微处理器、存储器系统、通用设备拔l i 和抛接口( a d 、d a 、 加等) 组成。在一片嵌入式微处理器基础上增加电源电路、时钟电路和存储器电路 ( r a m 和r o m 等) ，就构成了一个嵌入式核心控铷模块。其中操作系统和应用稃序 都可以固化在r o m 中。 嵌入式系统的硬件层是以嵌入式处理器为核心的，最初的嵌入式处理器帮是为 通用目的而设计的，后来随着嵌入式系统应用的不断普及，出现了专用的集成芯片 ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc h c u i t ，a s i c ) ，a s i c 是一种勾具体任务丽特殊设计 的专用电路，如很多打印机控铜芯片就是a s i c 。由于a s i c 在设计过程中进行了争 f 1 优化，其性髓、性价比都非鬻离。采用a s i c ，可以减少系统软件和硬件设计的 复杂程度降低系统成本。但a s i c 的前期设计费用非常高，而且a s i c 一旦设讨 完成，就无法升级和扩展，因此只存在产量非常大的产品设计中才考虑使用a s i c 。 近年来，各种可编程芯片的出现。改交了嵌入式硬件模块的设计方法，出现了 “可重构计算”的概念。可重构计算是通过可编程逻辑器件实现的，它允许在不改 变硬件电路板的情况下，实现不同的控制接口和控制功能。可重构计算结合了通_ e f j 微处理器和a s i c 的特点。 可重构计算是通过现场编程门阵列( f i e l d - p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，f p g a ) 实现 的。f p g a 是2 0 世纪年代中期以后发展起来的一种可编程的大规模集成器件。 f p g a 具有密性好、体积小、重量轻、可靠性高等一系列专用大规模集成电路a s c 的优点，是新型的a s i c 产品。 f p g a 的出现，是电子系统设计领域内的一次重大变革。这次变革使个电子 系统可仅仅庄i 三种标准模块构成，即微处理器、存储器和可编程逻辑器件。以往， 前两种器件已产品化、系列化，面系统中大量的逻辑控镪仍由许多中小规模器件求 实现，其工作复杂，开发周期长，而且速度低，可靠性差。f p g a 的出现，使系统 中的第三个模块也实现了大规模集成化与可编程化。这一方蕊改进了系统的可调整 性，降低了功耗，提高了可靠性，促使系统更加小型化，另一方面大大缩短r 系统 的开发周期，减少了设计成本，并降低了设计风险。 2 、硬件抽象层 硬件层与软件层之闻的中嘲屡，也称硬件抽象屡或板级支持包( b o a r ds u p p o r t p a c k a g e ，b s p ) ，它把系统软件与底层硬件部分隔离，使得系统的底层设备驱动稃序 与硬件无关，般应具有撼关硬件的柄始化、数据的输入，输出操佟和硬件波器的眦 置等功能。b s p 其有以下两个特点： 硬件相关性：凶为嵌入式实时系统的硬件环境具有应用相关性，所以，作奠j t 岛 层软件与硬件之闻的接口，b s p 必须为操作系统提供操作和控制具体硬件的方法。 操作系统相关性：不同的操作系统具有各自的软件层次结构，冈此不同的操 作系统具有特定的硬件接口形式。 在实现上，b s p 是一个介于操作系统和底层硬件之问的软件层次，包括了系统 中大部分与硬件相关的软件模块。设计一个完整的b s p 需要完成两部分f ：作：嵌入 式系统初始化以及实现b s p 的功能和设计硬件相关的设备驱动。 n ) 嵌入式系统初始化 系统初始化过程总是可以抽象为三个主要环节，按照自底向上、从硬件到软件 的次序依次为：片级拐始化、板级初始化和系统级初始化。 片级初始化：主要完成c p u 的初始化，包括设置c p u 的核心寄存器和控制寄 存嚣、c p u 核心工作模式以及c p u 的局部总线模式等。片级初始化把c p u 从上电 时的默认状态逐步设置成为系统所要求的工作状态。这是一个纯硬件的初始化过程。 板级初始化：完成c p u 以外的其他硬件设备的初始化。除此之外，还要设鼹某 些软件的数据结构和参数，为照后韵系统级初始化和应用程序的运行建立硬件和软 件环境。这是一个同时包含软硬件两部分在内的初始化过程。 系统级初始化：这是一个以软件初始化为主的过程，主要进行操作系统初始化。 b s p 将把对c p u 的控制权转交绘操作系统，由操作系统完成余下的初始化操作，包 括加载和初始化与硬件无关的设备驱动程序，建立系统内存区，加载并初始化其他 系统软件模块，比如网络系统、文件系统等；最后，操作系统刨建应用程序环境并 将控制转交给应用程序的入口。 f 2 ) 硬件相关的设备驱动程序 b s p 另一个主要功能是硬件相关的设备驱动。与初始化过程相反，硬件相关的 设备驱动程序的初始化和使用通常是个从商层到底层的过程。尽管b s p 中包含硬 件相关的设备驱动程序，但是这些设备驱动程序通常不直接由b s p 使用，丽是在系 统初始化过程中由b s p 把它们与操作系统中通用的设备驱动程序关联起来，并在随 后的应用中由通用的设备驱动程序调用，实现对硬件设备的操作。设计与硬件桷关 的驱动程序是b s p 设计中另一个关键环节。 3 、软件层 软件层由实时多任务操作系统( r t o s ) 、文件系统、图形用户接口( g u l ) 、嘲络 系统及通用组件模块组成。r 1 、o s 是嵌入式应用软件的基础和开发平台。r t o s 疋际 上是+ 段嵌入式目标代码中的程序，系统复位后酋先执行，相当于用户的j j 柙 ， 用户的其他应用程序都建立在r t o s 之i ：。r t o s 是一个标准的内核它将c p u ! 卜 璺i l ! ；些鑫耋鎏老堂壁鎏各薹= 耋堡垒塞垂丝篁堡 钟、中断、i o 、定时嚣等资源鄙封装起来，罄给用户的是一个标准的a p i 函数接l 大多数r t o s 都是针对小同微处理器优化设计的商效实时多任务内核，r t o s 可以在不同微处理器上运行而为用户提供槽同的a p i 接口。因此基于r t o s 开发的 应用程序具有非常好韵可移植性。 4 、功能层 功能层由基于r t o s 开发盼应用程序鳃成，用来完成对被控对象的控制功能。 功能层是面向被控对象和用户的，为方便用户操作，往往需要提供一个友好的人机 界面。对于一些复杂的系统，在系统设计的初期阶段就要对系统的需求进行分拼， 确定系统的功能，然后将系统的功能映射笺整个系统匏硬件、软件和执行装鬻的设 计过程中。称之为系统的功能实现。 1 ，1 3 嵌入式系统的特点 1 、嵌入式系统的特点和要求 从菜种意义上来说，逶用计算钒行业的技术是垄断的1 2 。嵌入式系统则不同。 嵌入式系统工业是不可垄断的高度分散的工业，充满了竞争、机遇与仓i 新，没有哪 一个系列的处理嚣和操作系统虢够垄断全部市场，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、少数产品警断全部市场。因此嵌 入式系统领域的产品和技术，必然是离度分散的，翟给各个行业高新技术公哥的创 新余地缀大。另钤，社会上的各个应用领域是不断向前发展的，要求其中豹嵌入式 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。 2 、嵌入式系统具有的产品特征 嵌入式系统是面向用户、面向产品、蘅向应用的，不能独立于应用自彳亍发展， 否则便会失去市场。嵌入式系统的核心部件，嵌入式微处理器的功耗、体积、成本、 处理能力和电磁兼容性等方面甥受到应用要求的制约，这些也是各个半导体厂新之 间竞争的热点。嵌入式系统的硬件和软件设计都必须精心考虑，力争在同样的砖片 蕊积上实现更高的性能，只有这样，才能在具体应用时更具有竞争力。嵌入式处理 器要针对用户的具体需求，对蕊片配氍进行裁剪和添加彳。能达到理想的性能。 ： 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，具有较长的生命周期。 3 、嵌入式软件的特征 嵌入式应用软件是实现嵌入式系统功能的哭键，对嵌入式应用软件的要求也t j p c 机软件有所不同，主要有以下几点： 鱼l ；! ；些叁茎塑圭：量堡垒塞 董：薹壁垒墓垂篓篓鎏 ( 1 ) 软件要求固态化存储，为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统巾的 软件一般都i 司化亿存储器芯片或嵌入式微控制器本身中，而不是存贮j ，磁盘等载体 中。 ( 2 ) 软件代码要求高质量、高可靠性，尽管半导体技术的发展使处理器速度小 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。为此要求程序编写和编译工具的质量要商，以减小程序进 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件 来完成，因此系统软件的商实时性是基本要求。 ( 4 ) 多任务操作系统是知识集成的平台和走向工业化标准化道路的基础，嵌入 式系统开发需要开发工具和环境，嵌入式系统本身不具备开发能力，即使设计完成 以后，用户通常也是不能对其中瓣程序功能进行修改妁，必须有一套工具和环境彳 能进行开发，这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑 分析仪、混合信号示波器等。 ( 5 ) 嵌入式系统软件需要实时多任务操作系统开发平台( r t o s ) ，通用计算机 具有完善的操作系统和应用程序接口，是计算机基本组成不可分离的部分，庸用 程序的开发以及完成后的软件都在o s 平台上西运行，但一般不是实时的。嵌入式 系统则不同，应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行：但是为了合理地调度 多任务、利用系统资源，用户必须自行选配r t o s 开发平台，这样才能保证程序执 行的实时性、可靠性，并减少开发时间，僳障软件质量。 1 1 4 嵌入式系统的发晨趋势 中国的单片枫应用和嵌入式系统开发已走过了十几年的历程，随著市场对趣微 型嵌入式应用技术和产品的要求不断增长，以及半导体技术和系统设计方法的进步， 嵌入式系统在目前的发展形势下，表现出以f 几大趋势【3 】： 1 、嵌入式应用软件的开发需要强大的丌发工具和操作系统的支持 随着因特网技术的成熟、带宽的提高， c p 和a s p 在网e 提供的信息内存f n 】趋 二仁富、应用项目多种多样，像电话手机、电话座机及电冰箱、微波炉等嵌入，t nr 设备的功能不再单一，电气结构也更为复杂。为了满足应用功能的升级，设汁师们 方丽采用更强大的嵌入式处理器：如3 2 位、6 4 位r i s c 芯片或信弓处删器d s p 塑l ! ；些鑫耋塑圭耋垡鋈苎： 。：萋：薹丝垒重丝堡垒 埔强处理能力；同时还采用实时多任务编程技术和交叉开发：亡具技术来控制功能复 祭性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。 目前，国外商品化的嵌入式实时操作系统，己进入我国市场的有w i n d r i v e r 、 m i c r o s o f t 、q n x 和n u c l e u s 等产品。我国自主| 丌发的嵌入式系统软件产龉妇科银 ( c o r e t e k ) 公司的嵌入式软件开发平台d e l t a s y s t e m ，它不仅包括d e l t a c o r e 嵌入式实 时操作系统，而且还包括l a m d a t o o l s 交叉开发工具套件、测试工具、应用组件等； 此外，中科院也推出了h o p e n 跌入式操作系统。 2 、瓦联网成为必然趋势 为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，面向2 l 世纪的嵌入式系统要求配 备标准的种或多种网络通信接门。针对外部联网要求，嵌入设备必须配商透信接 口，相应需要t c p i p 协议簇软件支持；由于家用电器相互关联r 如防盗报警、妁光 能源控制、影视设备和信息终端交换信息) 及实验现场仪器的办调工作等要求，新一 代嵌入式设备还需具备i e e e l 3 9 4 、u s b 、b l u e t o o t h 或i r d a 通信接口，问时也需要 提供撼应的透信维网协议较件和物理层驱动软件。为了支持应用软件的特定编程模 式，如w e b 或无线w e b 编程模式，还需要相应的测览器，如h t m l 、w m l 等。 3 、支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本 为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者相应降低处理器的性能，限制内存容 量和复用接口芯片。这就相应提高了对嵌入式软件设计技术要求。如：选用最佳的 编程模型和不断改进算法，采耀j a v a 编程模式，优化煽译器性能。因此，既要软件 人员有丰富经验，更需要发展先进嵌入式软件技术，如j a v a 、w e b 和w a p 等。 4 、提供精巧的多媒体人机界面 嵌入式设备之所以为亿万用户乐于接受，霪要因素之是它们与使用者之间的 亲和力，自然的人机交互界面，如司机操纵高度自动化的汽车主要还是通过习攒的 方向盘、脚踏板和操纵杆。人们与信息终端交互要求以g u i 屏幕为中心的多媒体界 面。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色阉形、图像已取得例步 成效。 1 2a r m 及嵌入式操作系统 a r mfa d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 是全球领先的1 6 3 2 位r i s c 微处理器翱u l 产 权设计供应商忆a r m 公司通过转让商性能、低成本、低功耗的r i s c 微处坪器、 外隔和系统芯片设计技术给合作伙伴，使他们能用这些技术柬生产符n 特色的芯片。 些l ：! ；些叁耋堡圭鲎堡墼苎 釜：塞墼垒耋：垂丝篁丝 a r m 已成为移动遴信、手持设备、多媒体数字消费嵌入式技术解决方案的r i s c 标 准。目前，a r m 处理器有五个糸列：a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 和 s e c u r e c o r e ，它们都是为特定目的的应用而设计。 1 2 1a r m 体系结构 a r m 体系结构为满足a r m 合作者以及设计领域的一般需求征稳步发展。每次 a r m 体系结构的重大修改，都会添加关键的技术。在体系结构作重大修改的期间， 会添加新的性能作为体系结构的变体。 a r m 3 2 位体系结构目前被公认为是业界领先的3 2 位嵌入式r i s c 微处理器结构。 所有a r m 处理器共享这一体系结构【4 】。这可确保当开发者转向更高性能的a r m 处理 器时，在软件开发上可获得最大的回报。当前a r m 体系结构的扩充包括：t h u m b ：1 6 位指令集，用以改善代码密度，d s p ：用于d s p 应用的算术运算指令集，j a z e l1 吖： 允许直接执行j a v a 字节码的扩充。 a r m 处理器本身是3 2 位设计，但也配置7 f h u m b l 6 位指令集，以允许软件编码为 更短的1 6 位指令。与等价的3 2 位代码相比，占用的存储器空间节省高达3 5 ，然 而保留了3 2 位系统所有的优势( 例如访问一个全3 2 位地址空间) 。t h u m b 状态与正 常的a r m 状态之间的切换是零开销的。a r m 的j a z e l l e r 技术提供了j a v a 加速，可 得到比基于软件的j a v a 虚拟机( j v m ) 高的多的性能。与同等的非j a v a 加速核相比， 功耗降低8 0 。 a r m 7 系列为低功耗3 2 位核，最适用于对价位和功耗敏感的消费类应用。 a r m 7 具有：嵌入式i c e r t 逻辑，非常低的功耗，能提供0 9 m i p s m h z 的二级 流水线和冯诺依曼结构。 a r m t t d m i 是世界上广泛使用的3 2 位嵌入式r i s c 处理器。它是目前用于低端的 a r m 处理器核，且应用范围很广鼠 1 2 2a 嗍系列嵌入式处臻嚣介绍 a r m 提供一系列内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案。由于所有f ”。昏 均采用一个通用的软件体系，所以相同的软件可在所有产品中运彳子( 王! h 论 ：盘此) 典型的产品如下。 1 、c p u 内核 a r m 7 ：小型、快速、低能耗、集成式r i s c 内核，用于移动通信。 塑i l ：；些盔兰堡圭茎：堡鎏塞 基：塞堡垒盛垂丝堡婆 a r m 7 t d m i ( t h u m b ) ：这是公司授权用户最多的一项产晶，将a r m 7 指令4 同 t h u m b 扩展组合在一起，以减少内存容量和系统成本。同时，它还利用嵌入式i c e 凋试技术来简化系统设计，并用一个d s p 增强扩展来改进性能。该产品的典型用途 是数字蜂窝电话和硬盘驱动器1 6 j 。 a r m 9 t d m l ：采用5 阶段管道化a r m 9 内核，同时配备t h u m b 扩展、调试和 h a r v a r d 总线。在生产工艺相同的情况下，性能可达a r m t t d m i 的两倍之多。常用 于连网和机顶盒。 2 、体系扩展 t h u m b ：以1 6 位系统的成本，提供3 2 位r i s c 性能，特别注意的是它所需的 内存容量非常小。 3 、嵌入式i c e 调试 由于集成了类似于i c e 的c p u 内核调试技术，所以原型设计和系统芯片的调 试得到了极大的简化。 4 、徽处理器 ( 1 ) a r m 7 系列：低价、低能耗、封装式常规系统徽处理器，配有高速缓存 ( c a c h e ) 、内存管理、写缓冲和j t a g 。广泛应用于手持式计算、数据通信和消费 类多媒体。 ( 2 ) a r m 9 系列：低价、低能耗、高性能系统徽处理器，配有c a c h e 、内存管理 和写缓冲。应用于高级引擎管理、保安系统、机顶盒、便携计算枫和高档打印机。 ( 3 ) s t r o n g a r m ：性能很高、同时满足常规应用需要的一种微处理器技术，弓 d e c 联合研制，后来授权给i n t e l 。s a l l 0 处理嚣、s a i l 0 0p d a 系统：卷片和s a l 5 0 0 多媒体处理器芯片均采用了这一技术。 ( 4 ) a r m 7 5 0 0 和a r m 7 5 0 0 f e ：高度集成的单芯片r i s c 计算机，基于个缓存 式a r m 7 ，3 2 位内核，拥有内存和f o 控制器、3 个d m a 通道、片上视频控制器 和调色板以及立体声端口；a r m 7 5 0 0 f e 则增加了一个浮点运算单) i 以及对e d o d r a m 的支持。特别适合电视机项盒和网络计算机( n c ) 。 1 2 3 嵌入式操作系统 操作系统是一个复杂的计算机程序集，它提供操作过程的 办议或行为准咧。i 嵌 入式操作系统是实时操作系统运行于特定的硬件平台 ：，要求实时和多仟务操作 用户可以在其基础上添加应用程序1 7 i 。 1 、使用嵌入式操作系统的必要性 两北r 业人学硕士学位论文第一章l 捷入式系统综述 3 2 位复杂嵌入式应用系统都要用到操作系统。对于它的必要性，以下皤的佣r 说明：例如，一个简单的温控系统要求根据检测潞度传感器的输出决定是否打开加 热器开关，假设2 秒检测一次温度，同时接受外部的串行端口命令，将温度傻送到 p c 机。为了控制2 秒的检查间隔，需要一个定时器，这个定时器每2 秒产生一一个中 断。我们可以在中断中设置一个标志n m e u p ，主程序就在不停地检查t i m e u p 标志， 如果有效，那么将启动a d 转换，将温度读入寄存器t e m p e r a t u r e ，再根据温度值 决定是否打开加热器开关。为了及时向p c 机报告当前的温度值，串阴通讯可能会 中断当前的程序，等中断处理完毕，返回原被中断的程序继续执行。这种应用究全 可以采用前后台程序模式就可以完成。 同样是上面的系统，如果要求2 秒将温度存储到本地的硬盘，同时还要求具备 网络接口，能够以实时网页的形式将温度在网上发布。显然选用静届台工作模式是 难以完成的，因为从头编写文件系统和t c p l p 搬议栈的工作壁太大。这时候就必 须要有操作系统的支持。 从这个铡子可以看出，如果一个嵌入式应用系统，要求支持文件系统、网络和 u s b f i r e w i r e l 3 9 4 ，甚至于有相当复杂的g u i 时，就必须有操作系统才能完成。 2 、嵌入式操作系统的功能 操作系统是软件系统的平台，其使开发者更专注于应用程序的实现而不必关心 平台的管理。嵌入式操作系统具有以下功能： ( 1 ) 任务调度 在嵌入式系统中，任务即线程。大多数的嵌入式操作系统支持多任务。多任务 运行的实现实际是靠c p u 在多个任务之间切换、调度。每个任务都有其优先级，不 同的任务优先级可能相同也可能不同。任务的调度有三种方式吼可抢占式调度、 不可抢占式调度和时间片轮转调度。不可抢占式调度是指，一个任务一丝获得c p u 就独占c p u 运行，除非由于某种原因，它决定放弃c p u 的使用权；可抢占式调度 是基于任务优先级的，当前正在运行的任务可以随时让位给优先级更高的处于就绪 态的其它任务：当两个或两个以一匕任务有同样的优先级，不同任务轮转地使糟c p u ， 直到系统分配的c p u 时间片用完，这就是时间片轮转调度。 任务通常有三种状态，运行态、阻塞态、就绪态，有的还有挂超状态等，如崮 1 2 所示： h 于c p u 资源唯一，某个时刻只能有个任务为运行念。就绪的仟务是叫以遁 行的，它与运行卷的区别仅在于它没有占用c p u ，就绪念任务宜在等待岛优先级 的运行态任务释放c p u 后以进入运行念。任务的状态改变都是由内核的系统渊用所 q 引发的，这些系统调用可能是该任务本身，也有c ，j 能是其它任务。通过内核的任务 调度，可以使多个任务协同工作，共享系统资源。 内棱 | 就绪队列酗埒= 二剖c p u 执干y - - - - - - - - - - - - - - - - j l 。一。一 图1 2 系统内部任务状态队列 ( 2 ) 系统资源管理 系统资源包括内存、i ，o 端口、d 艟a 和中断等。 在嵌入式系统中内存的分配是十分重要的问题。为了避免内存颓繁分配和释放 所产生的碎片，嵌入式操作系统必须对内存进行严格的管理。丽对于i 0 端门、d m a 和中断等资源的管理，一般在系统设计之初就已经确定。 ( 3 ) 协议栈处理 协议栈的处理通常包括对鼹络和g o l 等协议的处理。 除了极少数特殊的应用需要用户自定制协议拽外，绝大多数成熟的协议栈都是 基于某种操作系统开发出来的，也就是说必须和操作系统配套使用。 ( 4 ) 任务之闻通讯机制 任务之间的通讯机制包括多个任务之间如何传递信息、如何实现同步以及对于 互斥对象如何使用等等。 ( 5 ) 提供规范系统接口 大多数嵌入式操作系统遵从p o s i x 的编程标准，也就是说系统调用的格式基本 类似。这样应用程序的编写可读性强，同时也易于转换操作平台。 3 、实时特性 “实时”意味着从激威输入到系统产生响应输出的延时是可以预知的，也就是 说延时被控制在一个可以接受的时限之内1 8 | 。多数嵌入式操作系统是实时操作系统 ( r t o s ) 。根据系统对实时性的要求分为硬实时和软实时，“硬实时”指“j 系统谯特 定的时序得不到满足时，将会引起灾难性的厉累。“软实时”避指当系统特定的时序 得不到满足时，系统的性能会严霆下降。 实时特性以下几项熏要评价指标： ( 1 ) 系统响应时闽( s y s t e mr e s p o n s et i m e ) 是指系统发出处理要求到系统给出应答信号的时间。 ( 2 ) 任务切换时间( c o n t e x t - s w i t c h i n gt i m e ) 是指任务之问切换使用的髓闻。 ( 3 ) 中断延迟( i n t e r r u p tl a t e n c y ) 是指计算机接收到中断信号到操作系统做出响应，并完成切换转入中断服务稚 序的时间。 4 、主流嵌入式操作系统 目前主要嵌入式操作系统有：w i n d o w sc e 、v x w o r k s 、q n x 、n u c l e u s + 、1 tc o s 一1 1 和l i n u x 等嗍。 ( 1 ) w i n d o w sc e m i c r o s o f t w i n d o w sc e 是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先杖 和多任务的操作系统。它的模块化设计允许我们对从掌上电脑到专用的工业控制器 的用户电子设备进行定制。操作系统的基本内核需要至少2 0 0 k b y t e s 的r o m 。 ( 2 ) v x w o r k s v x w o r k s 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x 8 6 、i 9 6 0 、s u ns p a r e 、m o t o r o l am c 6 8 x x x 、m i p sr x 0 0 0 和p o w e r p c 等等。大多数的v x w o r k s a p i 是专有的。采用g n u 豹编译和调试器。 ( 3 ) q n x q n x 是一个实时的并可扩充的操作系统，它部分遵循p o s i x 相关标准，如： p o s i x 1 b 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 土4 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，进程在独奇 的地址空间运行。其它所有的o s 服务，都以协作的用户进程实现，因此o n x 内核 占用内存很d , ( q n x 4 x 大约为1 2 k b y t e s ) ，而且运行速度极快。这种灵活的结构可以 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包括几酉个处理器 的超级虚拟机操作系统。 ( 4 ) n u c l e u s + n u c l e u s + 实时多任务操作系统以其微内核技术、源代码提供、广泛的c p u 芯持 和易学易用等特点得到了国内众多用户的认可。目f ；i n u c l e u s + 。实时多任务撵作系统 在国内的通讯、医疗、控制及数据处理等领域得到了广泛的应弼。n u c l e u s + 除提供 功能强大的内核操作系统外，还提供种类丰富的功能模块。例如_ 辟jf 通讯系统的局 塑! 坠；些叁童堡圭茎堡鎏苎 ；：篓：塞；堡垒薹垂丝丝些 域和广域网络模块、支持图形应用的实时化w i n d o w s 模块、支持i n t e m e t 网的w e b 产品模块、工控机实时b i o s 模块、图形化用户接口以及应用软件性能分析模块等。 用户可以根据自己的应用来选择不问的应用模块。 n u c l e u s + 的r t o s 内核可支持如下类裂的c p u x 8 6 、6 8 x x x 、6 8 h c x x 、n e c v 2 5 、 c o l d f i r e 、2 9 k 、i 9 6 0 、m l p s 、s p a r c i i t e 、t id s p 、a l l m 6 7 、s t m n g a r m 、h 8 3 0 0 h 、 s h l 2 3 、p o w e r p c 、v 8 x x 和p a n a s o n i cm n l 0 2 0 0 等。可以说n u c l e u s + 是支持c p u 类型最多的实时多任务操作系统。 ( 5 ) 1 tc o s - i i pc ，o s 和pc o s i i 是专门为嵌入式应用设计的实时操作系统内核。壮c o s 是 基于优先级的可剥夺型( p r e e m p t i v e ) 实时内核，w 裁剪、岫j 固化。支持的c p u 有 m o t o r o l a 的6 8 h c l l 、6 8 h c l 2 1 6 、6 8 k 、c o i d f i r e 、c p u 3 2 、c p u 3 2 + 和p o w e r p c 等： i n t e l 的8 0 x 8 6 、奔腾、奔腾- - i i 、8 0 5 1 、8 0 5 2 、m c s 2 5 1 、8 0 1 9 6 、8 0 9 6 等；醴立的 6 4 1 8 0 、h 8 3 x x 系列和s h 系列：a r m 的a r m 6 、a r m 7 等；1 1 的t m s 3 2 0 等。 应甩领域涵盖了如照相极韭、医疗器械、音确设施、发动机控制、随络设备、高速 公路电话系统、自动柜员机和工业机器人等。 但uc o