（通信与信息系统专业论文）基于arm和μclinux的嵌入式系统研究与应用.pdf

中文摘要 随着计算机、网络及通信技术的迅速发展，嵌入式系统成为继计算机网络技 术之后i t 领域又一个新的技术热点和发展方向。 本文的研究重点是基于a r m 处理器和uc l i n u x 的嵌入式系统研究和应用。 首先，本文概括性地论述了嵌入式系统的硬件核心嵌入式微处理器及其 软件核心嵌入式操作系统，接着详细分析了本研究项目所选硬件核心 a r m 处理器的架构、指令集、程序模型以及删体系结构的扩充，给出了a r m 处 理器选型的一般原则，同时也详细论述了本研究项目所选的软件核心一一 uc 1 i n u x 在a r m 处理器上进行移植的关键技术问题以及uc l i n u x 内核的源文件 结构、功能、陡存管理、进程分析、实时性解决方案及小型化方法等。 其次，在详细论述了a r m 处理器以及uc 1 i n u x 的基础上，独立完成了基于 a r m 和u c l i n u x 的嵌入式系统开发平台的软硬件设计：从硬件角度详细阐述了 该设计所采用的各硬件模块的组成和功能，从软件角度详细阐述了uc 1 i n u x 标 准内核的剪裁过程以及配置和编译；最终完成了基于a r m 处理器和uc 1 i n u x 的 嵌入式系统的软硬件设计。 最后，论文给出了基于上述开发平台的应用实例一p s 通信端机，成功地 在上述嵌入式开发平台的基础上集成了g p s 模块和g s mm o d e m 模块，并独立完 成了相关应用软件的设计。 总之，本文从嵌入式系统的软、硬件设计以及应用，较全面地论述了嵌入式 系统，使我们掌握了嵌入式系统开发的核心技术，并为更复杂的嵌入式应用开发 奠定了坚实的基础。 关键词：嵌入式系统a r m i t c l i n u x g p sg s m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e r , n e t w o r ka n dc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , t h ee m b e d d e ds y s t e mb e c o m ean e wt e c h n i c a lf o c u sa n do r i e n t a t i o ni ni tf i e l d f o l l o w i n gt h es t e po f c o m p u t e r a n dn e t w o r k t e c h n o l o g y t h et h e s i sl a y ss t r e s so nt h er e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no fe m b e d d e ds y s t e m b a s e d o na r m p r o c e s s o ra n dp c l i o n xo p e r a t i o ns y s t e m f i r s t l y , t h e h a r d w a r ec o r eo fe m b e d d e ds y s t e ma n ds o f t w a r e c o r e ，n a m e l y , e m b e d d e d p r o c e s s o ra n de m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e ma r ed e p i c t e dg e n e r a l l y n e x t ，i n r e s p e c to f a r c h i t e c t u r e ，i n s t r u c t i o ns e t ，p r o g r a m m i n gm o d ea n dt h ee x t e n s i o no f a r m p r o c e s s o ra r ea n a l y z e di nd e t a i l ，a n da l s ot h es e l e c t i o ng u i d eo fa r mp r o c e s s o ri s g i v e n a st h e c o r eo fe m b e d d e ds o f t w a r e ，p c l i n u xi ss e l e c t e da st h ee m b e d d e d o p e r a t i o ns y s t e m i nt h i sp r o j e c t ，i nr e s p e c to f k e yt e c h n i c a lp r o b l e mo f t h ep o r tb a s e d o na r m p r o c e s s o ra n dt h e s o b i c ea r c h i t e c t u r e ，f u n c t i o n ，m e m o r y m a n a g e m e n t ， p r o c e s sa n a l y s i s ，t h es o l u t i o no fr e a l t i m ea n dm i n i m i z a t i o no fi t c l i n u xc o r e ，t h e t h e s i sp r o v i d et h ed e t a i l e da n a l y s i s s e c o n d l y , b a s e d o nd e t a i l e d a n a l y s i s o fa r m p r o c e s s o r a n dp c l i n u x ，t h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g n s c h e m eo fe m b e d d e d d e v e l o p m e n ts y s t e m a r e c o m p l e t e di n d e p e n d e n t l y a s f o rh a r d w a r ed e s i g n , t h ed e t a i l e dc o n s t r a c f i o na n d f u n c t i o nd e s c r i p t i o no fe v e r yh a r d w a r ec o m p o n e n ta r eg i v e n a sf o rt h es o f t w a r e d e s i g n ，t h et a i l o r e dm e t h o d ，c o n f i g u r a t i o na n dc o m p i l a t i o no fs t a n d a r dg c l i n u xa r e d e s c r i b e di nd e t a i l t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no fe m b e d d e dd e v e l o p m e n t s y s t e mb a s e d o na r m p r o c e s s o ra n dl a c l i n u xa r ec o m p l e t e de v e n t u a l l y f i n a l l y , t h ee m b e d d e da p p l i c a t i o n ，g p sc o m m u n i c a t i o n t e r m i n a la r eg i v e nb a s e d o nt h ea b o v ed e v e l o p m e n ts y s t e m t h ei n t e g r a t i o no fg p sa n dg s mm o d e mm o d e l a n da p p l i c a t i o ns o f t w a r eb a s e do nt h ea b o v ee m b e d d e dd e v e l o p m e n ts y s t e ma r e c o m p l e t e ds u c c e s s f u l l y i nc o n c l u s i o n ，t h er e s e a m hi na s p e c t so fh a r d w a r ed e s i g n ，s e t , r a r ed e s i g na n d a p p l i c a t i o no fe m b e d d e ds y s t e mm a k eb sl e a r nt h ec o r et e c h n o l o g yo fe m b e d d e d s y s t e ma n ds e t u p a l lf t r m l yb a s ef o rf u t u r ec o m p l i c a t e de m b e d d e d d e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e ma r m g c l i n u x g p sg s m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得云整太堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者始秘签字眺砷年，肋日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丢趑堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云整太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 导师签名：乏冠t 五专 签字日期：o 弘年月加日 签字日期：冲，月7 p 日 缩略语 3 c a p i a r m b d i c a n _ _ b u s c i s c c f c o f f c p s r e d a e d s p e l f e o s 出衅u g l g i s g p l 0 g p s h d l c i c e i a i i s i p i s r j v m 黼u 量d i m i i m i p s 缩略语 c o m p u t e rc o m m u n i c a t i o nc o n s u m e r 的缩写 a p p l i e a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ，应用编程接口 a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ，文中特指a r m 公司或a r m 处理器 b u f f e r e dd m ai n t e r f a c e ，缓存d m a 接口 一种用于工业控制的现场总线 c o m p l i c a t e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，复杂指令集计算机 c o m p a c tf l a s h ，一种基于f l a s h 的存储卡，简称为c f 卡 c o m m o no b j e c tf i l ef o r m a t ，通用的对象文件格式 c u r r e n tp r o g r a ms t a t u sr e g i s t e r ，当前程序状态寄存器 e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i c ，电子设计自动化 e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，嵌入式d s p 处理器 e x e c u t i v el i n k e df i l e ，一种文件格式 e m b e d d e do p e r a ti o ns y s t e m ，嵌入式操作系统 e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，嵌入式微处理器 g a t ea r r a yl o g i c ，门阵列逻辑 g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，地理信息系统 g e n e r a lp u r p o s ei n p u to u t p u t ，通用输入输出端口 g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ，全球定位系统 h i g h - l e v e ld a t al i n kc o n t r o l ，高级数据链路控制 i n - c i r c u i te m u l a t o r ，在电路仿真器 i n f o r m a t i o na p p l i a n c e ，信息家电 i n t e g r a t ei n t e r f a c eo fs o u n d 集成音频接口 i n t e l l i g e n c ep a t e n t 知识产权专利 i n t e r r u p ts e r v i c er o u t i n e ，中断服务程序 j a v av i r t u a lm a c h i n e ，j a v a 虚拟机 m i c r o c o n t r 0 1 1 e ru n i t ，嵌入式微控糊器 m u l t id o c u m e n ti n t e r f a c e ，多文档接口 m e d i ai n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ，媒体独立接口 m i c r o p r o c e s s o rw i t h o u ti n t e r l o c k e dp i p e l i n es t a g e s 一种处理器内核标准 缩略语 m i p s 埘a 涮u n 慨 n m e a 一0 1 8 3 n f s 0 e m p a l c i a p 队 p l i p p p p p w m r i s c r 0 心。s r s a r t c r t o s s d i s l i p s m c s 0 c s p i s p s r t o c u a r t u c l i n u x u t c v c r 礼a n z i g b e e m l l l i o no fi n s t r u c t i o n sp e rs e c o n d 百万条指令秒 m u l t i m e d i aa c c e l e r a t o r ，多媒体加速器 m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ，内存管理单元 n a t i o n a lm a r i n ee l e c t r o n i c sa s s o c i a t i o n ，国家航海电子协会 g p s 接收机和其他航海电子产品的导航数据输出格式 n e t w o r kf il es y s t e m ，网络文件系统 o r i g i n a le q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r ，原始设备制造商 o p e nm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o np i a t f o r m ， 开放的多媒体应用平台( t i 公司提出) p e r s o n a lc o m p u t e rm e m o r yc a r di n t e r n a t i o n a la s s o c i a t i o n ， 个人计算机存储卡国际协会 p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t ，个人数字助理 p a r a ll e ll i n ei n t e r f a c ep r o t o c o l ，并行线接口协议 p e e r p e e rp r o t o c o l ，端对端协议 p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n 脉宽调制 r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，精简指令集计算机 r o mf il es y s t e m ，r o m 文件系统 r s a 加密算法 r e a lt i m ec l o c k ，实时时钟 r e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m ，实时操作系统 s i n g l ed o c u m e n ti n t e r f a c e ，单文档接口 s e r i a ll i n ei n t e r f a c ep r o t o c o l ，串行线接口协议 s m a r tm e d i ac a r d ，一种基于f l a s h 的存储卡，简称s m c 卡 s y s t e m0 nc h i p ，片上系统 s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e 串行外围接口 s a v e dp r o g r a ms t a t u sr e g is t e r s ，备份程序状态寄存器 t o t a lo w n e r s h i pc o s t ，整体拥有成本 u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e r 通用异步收发器 m i c r oc p ul i n u x ，专为微处理器设计的l i n u x 操作系统 u n i v e r s a lt i m ec o o r d i n a t e d ，世界协调时间 v i d e oc a s s e t t er e c o r d e r ，录像机 w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，无线局域网 由m o t o r o l a 、p h i l i p s 等公司联合提出的短距离无线传输协议 第一章绪论 第一章绪论 嵌入式系统是继计算机网络技术之后，i t 领域又一个新的技术热点和发展方 向。嵌入式系统目前已经广泛地应用于网络通信、消费电子、工业控制、国防等各 个领域。随着计算机技术与通信技术的发展，嵌入式系统的研究与开发也有着越来 越重要的实际意义。 a r m 公司是业界领先的1 6 3 2 位嵌入式处理器技术提供商“，占领了约7 5 的 r i s c 处理器市场。a r m 处理器核具有性能高、成本低和能耗省的特点，已经成为便携 式通信设备、手持计算、多媒体数字消费等嵌入式解决方案中事实上的标准。 当今3 2 位微处理器将其电路的3 0 5 0 都用于存储器管理单元( 删u ) ，为 了降低硬件成本及运行功耗，有一类c p u 在设计中省去了m m u 功能模块。最初，运行 于这类没有m m u 的c p u 之上的都是一些简单的单任务操作系统，甚至根本就没有操作 系统而直接运行应用程序。在这种情况下，系统无法运行复杂的应用程序，或者效 率很低，并且要求开发人员十分了解硬件特性。这些都阻碍了应用于这类c p u 之上 的嵌入式产品开发的速度。然而，随着pc 1 i n u x 的诞生，这一切都改变了， uc 1i n u x 是专为无删的c p u 设计的操作系统”。 本文详细论述了作者在硕士学位论文工作期间在基于a r m 处理器和c l i n u x 操作系统的嵌入式系统软硬件开发设计中所做的研究和实践，最后给出了基于上述 嵌入式研究及其开发平台的g p s 通信端机应用的软硬件开发实例。 1 1 嵌入式系统概述 1 1 1 嵌入式应用的现状 嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种种通用计算机，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，嵌入式系统的工业年产值已超过了1 万亿美元。 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己超过了 i b m ”，由此可见嵌入式计算机工业的规模和广度”。 第一章绪论 嵌入式系统应用领域可以概括为以下三个方面：家用电器及消费类电子产 品：数字电视机机顶盒、录相机、影碟机、手机、可视电话、掌上电脑、p d a 、洗 衣机、电冰箱、智能玩具、防火防盗设备等；民用电子装备及机电一体化设备： 各种测量仪器仪表：数控装置、工业控制器、机器人等工业电子设备；机电一体化 工程机械及农业机械：汽车、机车、民航及船舶电子设备；办公自动化装各；计算 机外部设备：通讯控制器及通讯设备：商用收款机等商用电子设备：医疗电子设备 等；国防应用领域：武器控制，从火炮控制、高炮指挥仪到弹载计算机，从坦 克、轰炸机、舰艇、雷达、电子对杭等军事电子装备到军事通信及军事指挥系统： 1 1 2 嵌入式系统的特点分析 与通用计算机系统相比，嵌入式系统有其自身特点：面向应用，以应用为中 心。嵌入式系统是针对具体应用的专用系统，“面向应用，以应用为中心”是嵌入 式计算系统区别与通用计算系统的最明显的特点。这里的“应用”一般为特定的应 用，特定的应用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。好的嵌入式系统是完成目标功能的最小系统；专用性强且资源 有限。嵌入式系统在外围设备的支持上没有通用计算系统丰富，取而代之的是种类 繁多的面向特定应用的嵌入式设备。这也使得嵌入式系统设计要求系统设计者对应 用对象有透彻的理解。同时，应用环境、应用方式以及实现功能的单一性也对其资 源规模带来较大限制：软硬件紧密融合。在嵌入式系统中，硬件操作需要特定软 件控制，软件运行需要特定硬件环境支持。在嵌入式系统软、硬件体系结构内部， 各层次、模块之间的耦舍度也要比通用计算系统强；多任务实时并发。大多数嵌 入式计算应用任务必须实时并发地协同工作，才能实现所需要功能。同时，应用对 象不同，所要求的实时性程度也不同。诸如航空电子等应用领域要求系统具备强 ( 硬) 实时性：而在另外一些应用领域内，弱( 软) 实时就能满足需求，比如象嵌 入式家庭网关这类系统；应用模式多样化。应用对象的多样化，就决定了嵌入式 系统的多样化；嵌入式软件作用更为突出。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，例如嵌入式软件要求固化存储、代码质量高、可靠性高、具备实时性等。 随着嵌入式系统智能化程度和规模的不断提高，嵌入式软件在嵌入式系统中的作用 日益突出，嵌入式软件开发成本在整个系统成本中占有较大比例，且成为影响开发 周期的瓶颈；嵌入式系统软件需要e o s 开发平台。在嵌入式系统中，为了合理地 调度多任务，利用系统资源、系统函数，以及库函数接口，用户必须使用e o s 才能 第一章绪论 保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。一个优秀的 e o s 往往是嵌入式系统成功的关键。 e o s 是相对于一般操作系统而言的，它具备了一般操作系统最基本的功能，如 任务调度、同步机制、中断处理、文件功能等。但嵌入式系统仅具有这些功能是不 够的，为了适应不断发展的嵌入式产品的要求，e o s 还要具有以下特点：更好的 硬件适应性，也就是良好的移植性；占有更少的硬件资源；高可靠性；提供 强大的网络功能，支持t c p i p 协议及其它网络协议；友好的图形接口；有些 应用要求e o s 具有实时性能。 1 1 3 嵌入式系统的发展趋势 在嵌入式系统发展的初期，其应用相对简单，嵌入式软件主要体现在一些控制 流程上。随着嵌入式系统的高速发展，嵌入式系统的功能越来越复杂，简单控制逻 辑己无法满足要求，此时模块化、层次化的系统设计原则的重要性愈加体现出来， 但这不是最终的解决办法。我们可以想象像嵌入式网关之类的系统的实现己远远超 出了“控制逻辑”的范围，嵌入式软件已经成为嵌入式系统设计创新和增值的关键 因素，是未来市场竞争的重要体现，而嵌入式软件领域中，e o s 是其核心。e o s 首 先从技术上解决了嵌入式系统标准化、层次化的问题；其次基于e o s 可以形成有效 的技术积累和资源积累尤其是嵌入式系统软件资源积累。比如在e o s 基础上可 以编写出各种硬件驱动程序、库函数，以及通用的系统级应用程序。 小型化、智能化是嵌入式系统发展的另外一个趋势。嵌入式系统的小型化首先 得益于计算机硬件技术和芯片工艺技术的发展；计算体系结构整体往分布式方向发 展也在某些方面促进了嵌入式系统的小型化。 网络可接入性是嵌入式系统发展的另一个趋势。原有的嵌入式系统大多为封闭 的系统，即使有网络连接，也只存在于嵌入式系统内部，很少有嵌入式系统与外界 之间的信息交换。因特网的出现促使嵌入式系统将不再是“信息孤岛”。信息家电 就是嵌入式系统接入因特网的典型代表。在网络接入方式上，无线连接与移动计算 将是主要发展方向。在这方面应用需求最为强烈的是p d a 、w e b 手机、车载设备等移 动计算设备。在具体实现上，集成类似蓝牙、z i g b e e “1 这样的短距离无线传输技术 以及g p s 技术无疑将是一个重要的发展方向。 1 2 嵌入式系统的组成 第一章绪论 嵌入式系统一般包括硬件及软件两部分。其中硬件包括处理器、存储器及外设 器件和i o 端口、图形控制器等。嵌入式软件部分包括e o s 和应用程序，嵌入式系 统是软硬一体的产品。下面就嵌入式系统中的硬件核心嵌入式处理器以及嵌入 式软件核心e o s 进行简要阐述。 1 2 1 嵌入式系统的硬件核心一嵌入式处理器概述 嵌入式微处理器在目前的嵌入式系统硬件设计上处于核心地位。从嵌入式微处 理器的市场占有率来看，8 位产品占了一半左右的市场，其次是1 6 位及3 2 位的产 品，而4 位和6 4 位的产品市场占有率最低。 目前据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种总量己经超过1 0 0 0 多种，流 行体系结构有3 0 几个系列，其中8 0 5 1 体系的占有多半。嵌入式处理器的寻址空间 一般从6 4 k b 至t j6 4 m b ，处理速度从0 i m i p s 至02 0 0 m i p s 。根据其现状，嵌入式处理器 可以分成下面几类”1 ：嵌入式微处理器( e m p u ) ，嵌入式微处理器的基础是通用 计算机中的c p u 。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌 入式应用有关的模块，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用 的特殊要求，r m p u 器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、 抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。e m p u 目前主要有x 8 6 、p o w e r p c 、 6 8 k ，m i p s 、a r m 系列等；嵌入式微控制器( m c u ) ，嵌入式微控制器又称单片 机，它将整个计算机系统集成到一块芯片中。m c u 一般以某种微处理器内核为核 心，芯片内部集成r o m e p r o m 、e e p r o m 、f l a s h 、r a m 、总线、总线逻辑、定时计数 器、w a t c h d o g 、i o 、s p i 、p b i 、a d c 等各种必要功能和外设。为适应不同应用需 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 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。m c u 目前的品种和数量最多， 比较有代表性的通用系列包括8 0 5 1 、m c s - 9 6 1 9 6 2 9 6 、 m c 6 8 h c 0 5 0 8 1 1 1 2 1 6 、6 8 3 0 0 等。另外还有许多半通用系列如：支持u s b 接口的 m c u8 x c 9 3 0 9 3 1 、c 5 4 0 、c 5 4 1 ；支持i 、c a n - b u s 、l c d 及众多专用m c u 和兼容系 列。目前m c u 占嵌入式系统约7 0 的市场份额；嵌入式d s p 处理器( e d s p ) ，d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算法，编译效率较 高，指令执行速度也较高。在数字滤波、f f t 、谱分析等方面d s p 算法正在大量进入 嵌入式领域，d s p 应用正从在通用单片机中以普通指令实现d s p 功能，过渡到采用嵌 入式d s p 处理器。嵌入式d s p 处理器比较有代表性的产品是t i 的t m s 3 2 0 系列和 第一章绪论 m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 0 系列。t m s 3 2 0 系列处理器包括用于控制的c 2 0 0 0 系列，移动 通信的c 5 0 0 0 系列，以及性能更高的c 6 0 0 0 和c 8 0 0 0 系列。d s p 5 6 0 0 0 目前己经发展 成为d s p 5 6 0 0 0 、d s p 5 6 1 0 0 、d s p 5 6 2 0 0 和d s p 5 6 3 0 0 等几个不同系列的处理器：嵌 入式片上系统( s o c ) ，随着e d a 技术的推广和v l s i 设计的普及化，及半导体工艺 的迅速发展，已经可以在一个硅片上实现一个复杂的系统，i i p s o c 。用户只需定义 出其接个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除 个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中 去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。 s o c 可以分为通用和专用两类。通用系列包括s i e m e n s 的t r c o r e ，m o t o r o l a 的m c o r e ，某些a r m 系列器件，e c h e l o n 和m o t o r o l a 联合研制的n e u r o n 芯片等。专用s o c 一般专用于某个或某类系统中，不为一般用户所知。一个有代表性的产品是 p h i l i p s 的s m a r tx a ，它将) ( a 单片机内核和支持超过2 0 4 8 位复杂r s a 算法单元制作 在一块硅片上，形成一个可加载j a v a 或c 语言的专用的s o c ，用于因特网安全方面的 应用。 嵌入式处理器有许多种流行的处理器核，芯片生产厂家一般都基于这些处理器 核生产不同型号的芯片。下面主要介绍以下几种主流嵌入式处理器架构”： ( 1 ) m i p s ，由n i p s 技术公司开发的一种处理器内核标准。n i p s 技术公司是一家 设计制造高性能、高档次及嵌入式3 2 位和6 4 位处理器的厂商，在r i s c 处理器方 面占有重要地位。n i p s 公司设计r i s c 处理器始于8 0 年代初，从1 9 8 6 年推出 r 2 0 0 0 处理器之后，陆续推出r 3 0 0 0 ( 1 9 9 8 年) 、r 4 0 0 0 ( 1 9 9 1 年推出的第一款6 4 位商用微处理器) 、r s 0 0 0 ( 1 9 9 4 年) 、r 1 0 0 0 0 ( 1 9 9 6 年) 和r 1 2 0 0 0 ( 1 9 9 7 年) 等型号。之后m i p s 公司的战略发生变化，把重点放在嵌入式系统。1 9 9 9 年，n i p s 公司发布了n i p s 3 2 和m i p s 6 4 架构标准，集成了原来所有的n i p s 指令集，并且增 加了许多更强大的功能。此后m i p s 公司又陆续开发了高性能、低功耗的3 2 位处理 器内核m i p s 3 24 k c 和6 4 位处理器内核n i p s 6 45 k c 。2 0 0 0 年，m i p s 公司发布了针 对m i p s 3 24 k c 的新版本以及未来的6 4 位处理器内核n i p s6 42 0 k c 。m i p s 的定位 很广，在高端和低端均有它的产品，而且被广泛应用在便携式计算系统、数字消费 产品、工业控制等领域； ( 2 ) p o w e r p c ，p o w e r p c 架构的特点是可伸缩性好，方便灵活。p o w e r p c 处理器品 种很多，既有通用的处理器，又有嵌入式控制器和内核，应用范围非常广泛，从高 端的工作站、服务器到桌面计算机系统，从消费类电子产品到大型通信设备各个方 面。目前p o w e r p c 独立微处理器与嵌入式处理器的主频从2 5 m h z 7 0 0 m h z 不等，它 第一章绪论 们的功耗、性能、价格差异悬殊。主要产品模块有主频3 5 0 g , h z7 0 0 m l t zp o w e r p c 7 5 0 c x 和7 5 0 c x e 以及主频4 0 0 m h z 的p o w e r p c4 4 0 g p 等。嵌入式的p o w e r p c 4 0 5 ( 主频最高为2 6 6 m h z ) 和p o w e r p c 4 4 0 ( 主频最高为5 5 0 m 1 1 z ) 处理器内核可以用于 各种集成的s o c 设备上，在电信、金融和其它许多行业具有广泛的应用。基于 p o w e r p c 架构的处理器有：i b m 公司的p o w e r p c 4 0 5 g p ，m o t o r o l a 公司的m p c 8 2 3 e ： ( 3 ) x 8 6 x 8 6 系列处理器是最为大家熟悉的处理器，它起源于i n t e l 架构的 8 0 8 0 ，再发展出2 8 6 、3 8 6 、4 8 6 ，直到现在的p e n t i u m 4 、a t h l o n 和a m d 的6 4 位处 理器h a m m e r 。从嵌入式市场来看，4 8 6 d x 是当时和a r m 、6 8 k 、m i p s 和s u p e r h 齐 名的五大嵌入式处理器之一，8 0 8 0 是第一款主流的处理器。今天的p e n t i u m 和当 初的8 0 8 0 使用相同的指令集，这有利也有弊，利是可以保持兼容性，至少十年前 写的程序在现在的机器上还能运行：弊端是限制了c p u 性能的提高； ( 4 ) a r m s t r o n g a r m ，a r m 公司自1 9 9 0 年正式成立以来，在3 2 位r i s cc p u 开 发领域不断取得突破，其结构已经从v 3 发展到v 6 。由于a r m 公司自成立以来一 直以i p 提供者的身份向各大半导体制造商出售知识产权，而自己从不介入芯片的 生产销售，加上其设计的芯核具有功耗低，成本低等显著优点，困此获得众多的半 导体厂家和整机厂商的大力支持，在3 2 位嵌入式应用领域获得了巨大的成功，目 前已经占有7 5 以上的3 2 位嵌入式产品市场。在低功耗，低成本的嵌入式应用领 域确立了市场领导地位。a r m 公司通过转让高性能、低成本、低功耗的r i s c 微处 理器、外围和系统芯片设计技术给台作伙伴，使他们能用这些技术来生产各具特色 的芯片。a r m 己成为移动通信、手持设各、多媒体数字消费嵌入式解决方案的r i s c 标准。a r m 处理器有三大特点；小体积、低功耗、低成本而高性能：1 6 3 2 位双指 令集；全球众多的合作伙伴； a r m 处理器目前有五个系列产品：a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m i o 和s e c u r c o r e 。 自v 5 以后，a r m 公司提供p i c c o l od s p 的芯核给芯片设计者，用于设计a r m + d s p 的 s o c 结构的芯片，同时也提供支持j a v a 的a r m 7 e j 等。目前设计、生产a r m 芯片的国际 大公司己经超过5 0 多家。提到a r m ，就不能不提基于a r m 架构的s t r o n g a r m 、 x s c a l e 、d r a g o n b a l lm ) ( 和o m a p s t r o n g a i i m ：i n t e l 公司推出的个人无线通信系 统架构中，s t r o n g a r m 嵌入式微处理器是其关键的控制核心。s t r o n g a r m 系列处理 器具备很高的性能和极低的功耗，主要包含四种微处理器产品：s a i i 0 、s a l l 0 0 、 s a i l l 0 、s a i l l l 这四种，其中s a l l l 0 应用最多，它基于a r m y 4 ，专为通信市场以及 多功能的嵌入式系统设计，是目前最流行的p d a i p a qh 3 6 0 0 的核心微处理器 x s c a l e ：基于像m c u 与d s p 结合的先进概念，i n t e l 也推出了新一代嵌入式系统平台 第一章绪论 x s a c l e ，它是继s t r o n g a r m 之后的下一代嵌入式微处理器，它具有l l s t r o n g a r m 微处 理器更好的数据处理效率，更低的功耗以及强大的周边集成能力。x s c a l e 微处理器 是根据a r m 公司所开发的第五代a r mr i s c 架构微处理器a r mv 5 t e 核心所设计，不过 x s c a l e 微处理器并不包含a r mv 5 t e 所拥有的浮点运算硬件电路，只具备整数运算能 力；d r a g o n b a l lm x l ( m e d i ae x t e n s i o n ) m c 9 3 2 8 m x ，第一款基于a r m ( a r m 9 2 0 ) 的 d r a g o n b a l 】产品，目标定位在高端、无线连接的移动产品。核心速度为2 0 0 m h z 。 另# i - 似1 还是业界第一款具备片上篮牙应用的处理器。m x l 并不仅依赖于a r m 9 2 0 处 理器进行多媒体支持，其中内含的眦a 用于加速乘法累加计算器运行，可以应用于 m p 3 和m p e g 4 编解码等：o m a p ：t i 公司推出的a r m 与d s p 结合的处理器，它结合了t i 公司的d s p 芯片技术阻及a r m 9 微处理器，成为一个高集成度的s o c 。o m a p 架构微处 理器定位于实时的多媒体影音数据处理、语音识别系统、网络通信等应用，在p d a 以及2 5 g 、3 g 手机等信息家电产品中被认为是最具竞争力的微处理器： ( 5 ) 6 8 k c o l d f i r e ，m o t o r o l a6 8 k 是出现得比较早的一款嵌入式处理器，6 8 k 采 用的是c i s c 结构与现在的p c 指令集保持了二进制兼容。1 9 9 4 年，m o t o r o l a 推出了 基于r i s c 结构的6 8 k c o l d f i r e 系统微处理器”。目前基于该架构的嵌入式微处理器 主要有m c f 5 2 7 2 ，它基于第二代c o l d f i r ev 2 核心； ( 6 ) 方舟系列微处理器”1 ，由方舟科技公司出品，方舟科技公司是“中国第一 家嵌入式c p u 提供商”，2 0 0 1 年该公司发布“方舟1 号”被称为“中国历史上第一 款实用的3 2 位r i s c 处理器。2 0 0 2 年发布了“方舟2 号”，据称该款处理器达到了 a r m 和m i p s 的水平； 在选择微处理器时，主要考虑芯片的技术性能，售后服务、技术支撑等，在本 文论述的项目中，我们采用了a r m t t d m i 微处理器核，是因为a r m 7 t d m i ：处理速度 快，a r m 是r i s c 结构的处理器。而且a r m 内部集成了多级流水线，大大增加了处理速 度。超低功耗，各种档次的a r m 的功耗都是同档次其它嵌入处理器中较低的。处 理器的散热问题不用考虑；低电压供电，这些都无疑是便携式设备的理想选择。 应用前景广泛，因为a 蹴公司不是生产处理器的，它是为i c 厂商提供各种处理器的 解决方案。所以，上述的处理器中，a r m 的使用最广，同时应用前景广阔，开发资 源丰富，有利于缩短产品的研发周期。成本优势，在各种嵌入式处理器中，a r m 产量最大，价格适中，容易购买“。 第一章绪论 1 2 2 嵌入式系统的软件核心一嵌入式操作系统( e o s ) 概述 e o s 的产生为应用程序的开发带来了方便，使开发人员不用关心硬件资源，所 有的硬件资源都由e o s 管理。随着e o s 的广泛应用，业界己推出一些应用比较成功 的e o s 产品。归纳起来e o s 有以下特点：系统内核小：实时性强；多任务功能；能 够提供各种设备驱动程序；提供图形界面；提供t c p i p 、p p p 等网络协议支持。 作为硬件资源的管理者，e o s 通常包含下列功能： ( 1 ) 任务管理 操作系统的任务管理包括：创建与删除任务、启动与重新启动任务、挂起与恢 复任务、改变任务优先级、任务休眠、使能与禁止任务调度、获得任务i d 等等。 在当前的嵌入式应用中，特别是对一个复杂的嵌入式应用而言，用单任务