（计算机应用技术专业论文）基于pxa272手持ip网络测试仪的研究与实现.pdf

摘 要 基于p x a 2 7 2 手持i p 网络测试仪的研究与实现 专业：计算机应用技术 硕士生：张伟宏 导师：张曦煌副教授 摘要 目前，中国对于手持移动设备的需求日益增大，但国内应用于工业领域和消费类电子的移动终 端设备主要使用国外的产品，国内产品所占的市场份额很小。在此种背景下，上海市科委在2 0 0 4 年 设立专项科研项目嵌入式系统应用开发专业服务平台的研究，旨在推广嵌入式系统的应用领域。 本论文以专项的子项目“基于p ) ( a 2 7 2 的手持设备的研究和应用”为背景，以自主设计、开发的 手持网络测试仪为核心，结合硬件平台的开发设计和实现底层系统软件的开发实践，对启动引导程 序的基本理论和关键技术进行深入研究。鉴于启动引导程序层次结构直观，实现机制简单等特点， 着重阐述如何对启动引导程序的功能进行改进和扩展，以应用于硬件平台的测试工作，讲述如何实 现硬件平台器件的测试接口和相应的简单驱动，给硬件工程师提供一个简单、方便的测试软件平台。 本文分三部分：硬件平台介绍、启动引导程序的基本实现、启动引导程序功能的改进和扩展。 这三个部分详细论述基于x s c a l ep x a 2 7 2 的嵌入式b 0 0 t l o a d e r 设计与应用。 硬件平台介绍主要阐述了p ) 【a 2 7 2 芯片基本信息和自主设计、开发的嵌入式硬件平台的功能结构 和整体框架。 启动引导程序的基本实现部分首先简要说明了启动引导程序的基本原理，然后介绍了启动引导 程序的基本功能和当前一些启动引导程序，最后详细描述了自主开发的p ) 【a 2 7 2 开发板u r a n i 平台的 启动引导程序的设计和实现。 启动引导程序功能的改进和扩展首先简要说明启动引导程序的特点，接着讲述功能的改进和扩 展得实现方法和关键技术。最后分析一些嵌入式系统典型器件的测试接口实现方法。 实验表明最终完成的启动引导程序能够完成嵌入式操作系统的启动引导工作同时对启动引 导程序功能的改进和扩展能适用于硬件平台的测试。 关键词：嵌入式系统，启动引导程序，p ) ( a 2 7 2 x s c a l e ，测试 a b s t r a c t r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fi pn e t w o r kt e s t i n gh a n d s e t o np x a 2 7 2p r o c e s s o r m a j o r ：c o m p u t e ra p p l i e dt e c h n i q u e n a m e ： z h a n gw e i h o n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h a n gx i h u a n g a b s t r a c t c u r r e n t l y ，t h e r ei sag r o w i n gd e m a n df o rh a n d h e l dm o b i l ed e v i c e si nc h i n a h o w e v e r ， t h ed o m e s t i cm o b il ep r o d u c t su s e di nt h ef i e l do fi n d u s t r i a lc o n t r o la n dc o n s u m e r e l e c t r o n i c so n l yt a k eas m a l ls h a r eo ft h em a r k e t i ns u c hac o n t e x t ，s h a n g h a im u n i c i p a l c o m m i s s i o no fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ys e tu pf ls p e c i a lr e s e a r c hp r o j e c t t h er e s e a r c hf o r e m b e d d e ds y s t e md e v e l o p m e n tp l a t f o r mo fp r o f e s s i o n a ls e r v i c e s i n2 0 0 4 t h i sp r o j e c ta i m s t op r o m o t et h ee m b e d d e ds y s t e ma p p l i c a t i o n s b a s e do nt h es p e c i a ls u b p r o j e c t e m b e d d e dp l a t f o r md e s i g na n da p p l i c a t i o nb a s e do n p ) 【a 2 7 2 a n dt h ee m b e d d e dd e v e l o p m e n tp l a t f o r md e s i g n e da n dd e v e l o p e di n d e p e n d e n t l y t h i s t h e s i sm a k ea ui n d e p t hs t u d yf o r t h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l ea n dt h ek e yt e c h n o l o g i e so f t h ee m b e d d e ds y s t e m sb o o t l o a d e r m o r e o v e rt h i st h e s i sd e s c r i b e sa n de m p h a s i z e st h ew a y s t oi m p r o v et h ef u n c t i o no fb o o t l o a d e r t h eb o o t l o a d e ri m p r o v e dw i l lb eu s e di nt h et e s t i n g o fe m b e d d e dh a r d w a r ep l a t f o r m h a r d w a r ee n g i n e e r sc a nt a k et h eb o o t l o a d e ra sac o n v e n i e n t t e s t i n gs o f t w a r ep l a t f o r m t h i st h e s i si sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ：h a r d w a r ep l a t f o r m s 。t h ea n a l y s i sa n dt h e i m p l e m e n t a t i o no ft h eb o o t l o a d e r ，t h ed e s i g na n dt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h eb o o t i o a d e r s a p p l i c a t i o nf o rt h eh a r d w a r et e s t i n g a l lt h r e ep a r t sa r ed i s c u s s e di nd e t a i lo ft h ed e s i g n a n da p p l i c a t i o nf o re m b e d d e db o o t l o a d e rb a s e do nx s c a l ep x a 2 7 2 t h et h e s i sf i r s t l yd e s c r i b e st h ei n f o r m a t i o no ft h ep x a 2 7 2a n dt h es y s t a ma r c h i t e c t a r e o ft h ep l a t f o r mo np x a 2 7 2 t h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo ft h eb o o t l o a d e ri sf i r s t l ys t a t e di nt h es e c o n dp a r t t h e n t h eb a s i cf u n c t i o no fb o o t l o a d e ra n dc u r r e n tb o o t l o a d e rt o o l sa r ei n t r o d u c e d f i n a l l y b a s e do nt h ep l a t f o r m “u r a n i ”t h et h e s i sd e s c r i b e dt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nf o r b o o t l o a d e r t h el a s tp a r tb r i e f l yi n t r o d u c e st h ea d v a n t a g eo fb o o t l o a d e ra p p l i c a t i o nf o rh a r d w a r e p l a t f o r mt e s t i n g ，a n dt h e nd e s c r i b e st h ei n t e r f a c ed e s i g nf o r t h ea p p l i c a t i o n f i n a l l y s o m ee x a m p l e sa r eg i v e nt os t a t et h ew a yt oi m p l e m e n th a r d w a r et e s t i n gf o rt h ed e v e l o p m e n t p l a t f o r m s e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h eb o o t l o a d e rc a r lb eu s e dt ol o a de m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m s ， m e a n w h i l et h ei m p r o v e df u n c t i o no ft h eb o o t l o a d e rc a nb ea p p l i e dt ot h et e s t i n go f h a r d w a r e p l a t f o r m s k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，b o o t l o a d e r , p x a 2 7 2 ，x s c a l e , t e s t i n g 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 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 本人为获得江南大学或其它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 确的说明并表示谢意。 日期：沙7 年s 月弘日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：基蛆导师签名：盈圣咝 躲列蕴导师警：型毪 日期：7 广0 7 年彳月日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 近年来嵌入式系统在手持设备平台领域发挥着越来越重要的作用。随着在消费类电子、航天航 空、汽车电子、医疗设备、网络通讯、工业控制等各个领域的应用“嵌入式系统”在日常生活中被 人们所熟悉，它以各种形式改变人们的生产、生活方式。 嵌入式系统是随着计算机技术、微处理器技术、电子技术、通讯技术、集成电路技术的发展而 不断发展起来的，已成为计算机技术和计算机应用领域的一个重要组成部分。嵌入式系统是嵌入到 对象体系中的一种专有计算机系统，是i t 领域新的技术发展方向，以应用为中心，以计算机技术为 基础，软硬件可以裁减、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计 算机系统i l j 。具有一般计算机组成的共性，也是由硬件和软件两部分组成。嵌入式系统的硬件是系 统软件运行的基础提供嵌入式系统软件运行的物理平台和通讯接口。从技术角度看，嵌入式系统 是软件和硬件有机的结合体，具有明确的硬件和软件层次结构”j ： ( 1 ) 硬件层次结构：软件运行的硬件平台。 中央处理器：硬件平台的核心，市面上有很多微处理器，如a r m 、p o w e r p c 、s p a r e 、 x 8 6 、m i p s 以及众多的单片机。 存储系统：存储器是嵌入式系统中存储数据和程序的功能部件，基本类型有：静态易失 性存储器( r a m 、s r a m ) 、动态存储器( d r a m ) 、非易失性存储器( e e p r o m 、f l a s h ) ， 软盘、硬盘、c d r o m 等。 外部i o 设备：l c d 、触摸屏等构成嵌入式系统重要的信息输入输出设备被广泛应用。 通讯接口：通讯接1 3 被广泛应用在嵌入式领域。广泛应用的接口有：r s 2 3 2 接口( u a r t ) 、 u s b 接口、s p l ( 串行外围设备接口) 、1 2 c 、c a n 总线接1 ：3 、b l u e t o o t h ( 篮牙接口) 、e t h c m e t ( 以 太网接e 1 ) 、g p i o ( 通用可编程接口) 等。 扩展接口：嵌入式系统对扩展存储设备的要求越来越高，目前广泛应用的扩展卡有 p c m c i a ，c f 卡、s d 卡等。 电源设备：在便携式嵌入式系统的应用中，要特别关注电源装置。 ( 2 )软件层次结构 启动引导程序( b o o t l o a d e r ) 。包括固化在固件( f i r m w a r e ) 中的b o o t 代码( 可选) 和b o o t l o a d e r 两大部分。 嵌入式操作系统内核。为嵌入式硬件平台的定制操作系统内核常用的嵌入式操作系统 有l i n u x 、u c l i n u x 、v x w o r k s 和w i n c e 等。 文件系统。包括根文件系统和建立于f l a s h 内存设备之上的文件系统，通常用r a m d i s k 作为r o o f f s 。 应用系统。用户的应用程序。在用户应用程序和内核层之间可能还会包括一个嵌入式图 形用户界面，常用的嵌入式g u i 有w i n d o w s 、q t 、t i n y x 等。 1 2 研究背景 近年来嵌入式应用软件异军突起，广泛融入各种设备和产品之中，使软件产业发展空间大大拓 展，发展愈来愈呈现平台化、标准化、网络化和个性化的特点i ”，嵌入式软件一种面向消费者的， 如移动电话、手持设备和信息家电；另一种是面向工业应用，如自动化设备，智能化仪器例。 目前，中国对于移动终端设备的需求日益增大，但国内应用工业领域的移动终端设备主要使用 l 江南大学硕士学位论文 国外的产品，国内产品的市场份额很小。在此背景下上海市科委在2 0 0 4 年设立专项嵌入式系统 应用开发专业服务平台的研究( 课题编号；0 4 d z l 5 0 0 9 ，课题性质：科技攻关) ，旨在推广嵌入式系 统的应用领域，本课题以面向应用领域的嵌入式系统的共性技术为切入点，研究嵌入式系统的开发， 测试、仿真等方法，建立嵌入式系统研发和测试技术服务环境以及相关的公共技术服务能力。2 0 0 6 年推出嵌入式系统应用开发专业服务平台的研究的二期( 课题编号：0 6 d z l 5 0 0 4 ，课题性质：科 技攻关) 以进一步深入推广一期取得到成果，并有重点地深入研究某些领域的研究。 对网络系统的测试也有相应的测试工具，最典型和最重要的就是网络协议分析仪。网络协议分 析仪一般有专用的硬件设备和专门的软件。这类协议分析仪典型的功能是数据包的捕捉、协议的解 码、统计分析和数据流量的产生。网络测试的方法和手段因测试的目的不同而有所不同对于网络系 统的布线测试、物理连通性的测试和故障监测也有专门的工具，这些工具是一些底层的网络测试和 维护工具，如f l u k e 公司的网络听诊器、网络一点通、企业级网络测试仪， i p 公司的i n t e r n e t a d v i s o t ( 网络专家系统) 、w g 公司的d o m i n o 系列协议分析仪等。另外还有一些纯软件的协议分析工具， 有些甚至可以从网上免费下载。但这类协议分析软件无论在协议的解码能力、解码和数据分析的实 时性以及数据流量的产生能力上与用专门硬件实现的协议分析仪相比仍有差距。目前i p 网络测试仪 器的市场基本上为国外的公司垄断。虽然我国测试仪器产业有了一定的发展，但远远不能满足国民 经济各行各业日益增长的迫切需求。其产品绝大部分属于中低档技术水平，而且可靠性、稳定性等 关键性指标尚未全部达到要求。高档、大型仪器设备几乎全部依赖进口。国内i p 网络测试仪器设备 长期被国外公司垄断。 面对国内i p 网络测试仪器设备长期被国外公司垄断的现状，上海市软件中心以专项的子项目 “基于p x a 2 7 2 的手持设备的研究和应用”为背景，自主研发基于p x a 2 7 2 的手持网络测试仪完成硬 件平台设计，调试以及底层系统软件。手持i p 网络测试仪选用了i n t e lx s c a l e 的p x a 2 7 x 微处理器的 开发板作为应用的硬件平台，采用l i n u x 为操作系统。 本论文是自主研发的网络测试仪硬件平台和实现的底层软件为背景，对启动引导程序的理论和 关键技术进行深入研究。由于p x a 2 7 2 是新推出来的高性能微处理器，许多启动引导工具并不支持它 或支持的不好在硬件平台的启动引导程序的实现过程中，在分析启动引导程序的实现原理和功能 的基础上，实现了p x a 2 7 2 的启动引导程序，井结合实际的硬件平台的设计、测试需要，将启动引导 程序的功能进行改进和扩展，应用于硬件平台的测试工作，提供一个简单、方便的测试软件平台。 i n t e l 公司的x s c a l e 系列芯片是目前应用于手持设各最多的a r m 核的微处理器，接口模块丰富、 处理能力强、应用面广。p x a 2 7 x 是i n t e lx s c a l e 系列中最新的，适合于小型手持设备的微处理芯片系 列，内置f l a s h 工作频率高( 可达5 2 0 m h z ) 。无线s p e e ds t e p 技术使处理器可根据运行时的电源状况 切换工作频率和电压。目前p x a 2 7 x 应用于手机、p d a 以及高端手持设备，市面上基于p x a 2 7 2 的应 用开发板非常少、价格非常昂贵且接口扩展功能有限，如国内华恒科技p x a 2 7 x 系列的开发板( 未上 市) 、韩m x h y p e r 2 7 2 和a d s v i x 2 7 0 开发板等。 1 3 论文工作及结构安排 本文以嵌入式系统的启动引导程序为研究主体，基于p x a 2 7 2 的嵌入式硬件平台，详细介绍启动 引导程序的设计思想与具体实现方法，以及应用于硬件平台测试的功能的实现并给出具体的测试 接口实例 第一章介绍课题相关的背景，简要阐述嵌入式系统基本知识和论文结构。 第二章首先简述p x a 2 7 2 的体系结构和p x a 2 7 2 的主要特性，接着对课题所使用的硬件平台的功能 结构进行详细描述并给出了总体架构和实物图。 2 第一章绪论 第三章主要对启动引导程序进行全面的论述。内容包括嵌入式组成结构启动引导程序的基本 概念，启动引导程序的主要任务和功能，最后列举现在常用的启动引导程序。 第四章针对项目硬件平台详细介绍启动引导程序设计和实现，分析b o o t l o a d e r 目标框架的设 计、并从两个阶段详细说明硬件对应的b o o t l o a d e r 的代码实现。 第五章主要讲述为将b o o t l o a d e r 应用于硬件平台测试而对启动引导程序的功能进行改进和扩 展。首先说明如何对功能进行改进和扩展最后给出一些器件测试接1 3 的实现实例说明具体的实现 方法。 第六章对全文进行总结，总结本文的研究工作和成果，并对未来的工作做展望。 第二章基于p x a 2 7 2 处理器的嵌入式硬件平台 第二章基于p x a 2 7 2 处理器的嵌入式硬件平台 p x a 2 7 x 是i n t e l 公司2 0 0 4 年推出的3 2 位x s c a l e 核微处理器在性能上有很大提高，是戍用于高性 能、低功耗、便携的手持设备的片上嵌入式处理器。深入了解处理器的体系结构对于硬件平台的开 发、测试以及软件系统编写都有非常大的帮助。本章将简要介绍p x a 2 7 2 的体系结构和基本参数信息， 并详细介绍本课题基于p x a 2 7 2 嵌入式开发板u r a n i u m 的硬件平台结构。 2 1p x a 2 7 x 遵循的体系结构( x s c a l e ) p x a 2 7 x 采厍j x s c a l e 微架构，是i n t e l 续s 仃o n g a r m 之后推出的新一代处理器核。在p x a 处理器中 集成了丰富的外设控制器，如l c d 控制器、多媒体控制器等，可以为开发极具市场竞争力的低功耗 多媒体手持设备提供完善的解决方案。 图2 lx s c a l e 徽架构 图2 一l 是x s c a l e 核的内部系统结构。x s c a l e 微架构的主要组件如下所示【6 】【7 】： 7 - 8 级超级流水线：提高处理器执行效率，实现高速和超低功耗。 动态电压管理：采用o n - t h e f l y 电压调整技术使性能和功耗间有很好的平衡。 电源管理：合并电源管理和时钟管理来帮助a s s p ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i cs t a n d a r dp r o d u c t s ) 控制时钟和管理电源，控制着每一个运行模式的时钟频率，并管理不同电源管理模式下 的性能和功耗间的优化，提供了空闲，睡眠以及深度睡眠等多种模式，以实现省电。 媒体处理技术能让m a c 通过4 0 位有效媒体处理的累加来执行两个同步1 6 位单指多数 ( s i m d ) 乘操作。 1 2 8 个跳转缓冲入口实现流水线的静态准确的分支跳转选择。 3 2 k h 指令c a c h e 实现高性能、低功耗的重要指令的本地复制。 3 2 k h 数据c a c h e 实现高性能、低功耗的重要数据的本地复制。 3 2 个指令存储管理单元入口实现逻辑地址到物理地址转换、访问权限控制以及指令 c a c h e 标志。 3 2 个数据存储管理单元入口实现逻辑地址到物理地址转换、访问权限控制以及数据 c a , h e 标志。 4 个填充和挂起缓冲入口通过数据c a c h e 的“i i i t - u n d e r - m i s s ”操作提升内核效率。 4 第二章基于p x a 2 7 2 处理器的嵌入式硬件平台 性能监测单元配置两个3 2 位事件计数器和一个3 2 位循环计数器用于性能分析。 调试单元使用多个硬件断点和2 5 6 个执行轨迹缓冲入口进行程序调试。 3 2 位协处理器接口提供协处理器与内核之间的高性能接口。 8 个写操作缓冲入口允许内核在向存储器写数据时能够继续执行其他操作。 x s c a l e 的内核增加一个协处理器加速多媒体应用处理协处理器采用6 4 位s i m d 架构并兼容i n t e l 无线m m x 技术的整型处理功能以及s i m d 扩展( s s e ) 指令集，其主要特性如下： 3 0 个新的多媒体处理指令 多达8 路s i m d 的6 4 位架构 1 6 x 6 4 位寄存器文件 支持绝对差分和、多累加操作的s i m d 指令 支持对齐和视频操作的指令 兼容 n t e l 的m m x 技术和s s e 整型指令 2 2p x a 2 7 2 处理器 2 2 1 i n t e lp x a 2 7 2 简介州 p x a 2 7 2 是i n t e l 推出的新一代x s c a l e 处理器，功耗非常低，支持4 0 0 万象素的数字影像处理功能， 最高工作时钟频率达5 2 0 m h z ，使手持设备的功能越来越像一台小型的移动电脑。其主要应用于智能 型手机、p d a 等高端手持式设备。 p x a 2 7 2 与前一代的x s c a l e 系列处理器相比强化了原有功能并添加许多新功能，如i n t e l 的 w i r e l e s sm m x 技术，此技术包括一套先进的多媒体指令集用以强化多媒体功能无线m m x 技术可 以避免使用额外的处理器或者加速芯片，从而减少功耗延长电池使i j 寿命。无线m m x 技术最初源 于奔腾处理器家族，已经掌握这些指令的软件开发者，能够迅速开发基于英特尔蜂窝电话和掌上电 脑上的2 d 、3 d 游戏，m p e g 4 流媒体、无线编解码技术、数字电视接收和语音识别的应用程序”。 此9 f p x a 2 7 2 将原来i d l e s l e e p 两种模式的s p e e d s t e p 省电技术进一步划分成5 种，使手持设备在不 同工作环境下能达到最优的功耗模式省电最高可达5 0 s p e e d s t e p 技术源于i n t e l 笔记本处理器。 同样，安全性能也是p x a 2 7 2 改进的重点。p x a 2 7 2 新增加一种针对手持设备在无线应用方面的 w i r e l e s s t r u s t e dp l a t f o r m 架构支持s s l 、v p n 等各种安全协议，从而增强了手持设备无线交易的安 全性。 p x a 2 7 2 处理器系统框架图如图2 2 所示。 图2 2p x a 2 7 2 处理器系统框架 5 江南大学硕士学位论文 2 2 2i n t e lp x a 2 7 2 主要特征 丰富的外围接口。p x a 2 7 2 提供丰富的外围接口，如u s bh o s t c l i e n t ，u s bo t g ，4 位s d i o 接口，m m c ，s i m 卡接口，键盘接口，数字摄像接口等。 存储接口。1 0 0 m h z 总线支持各种工作电压( 1 8 v , 3 0 v , 3 3 v ) 内存芯片。 小封装。提供更大存储密度和灵活型，内置6 4 m b 英特尔s t r a l a f l a s h 。 无线数据的快速访问。m o b i l es c a l a b l e l i n k 技术提供高达4 1 6 m b p s 的通讯速度。 低功耗。有5 种低功耗模式的w i r e l e s si n t e ls p e e d s t e p 技术能实现动态频率和电压的 改变，同时电源管理软件能够实现内置、智能的电源管理。 先进的数字摄像接口。i n t e lq u i c kc a p t u r e 技术支持至少4 0 0 万象素的摄像头。支持 快速浏览模式、高质量图片捕捉模式和快速动画捕捉模式。 l c d 控制器。支持2 4 位双向扫描，2 5 6 k bs r a m 。两个叠层减少l c d 的带宽。 强大的多媒体处理。m m x 技术的指令支持蜂窝电话、2 d 、3 d 游戏、m p e g 4 流媒 体、无线编解码技术、数字电视接收和语音识别的应用。 i n t e lx s c a l e 技术。高达5 2 0 m i - l z 的核频率。 2 3u r a n i u m 硬件平台概述 根据项目的要求，首先要设计开发基于p x a 2 7 2 处理器的网络测试仪硬件平台，此硬件平台命 名为u r a n i u m 。本节将介绍硬件平台功能结构和平台设计相关的信息。 u r a n i u m 硬件平台将p x a 2 7 2 支持的多数外部功能接1 3 扩展出来平台功能比较全面，适用面广。 硬件平台的主要组成模块：微处理器，存储系统、电源模块、人机交互模块、声音模块、显示模块、 图2 - 3u r a n i u m 平台模块结构 1 微处理器 采用p x a 2 7 2 微处理器三种处理器频率模式：t u r b o ( t ) 模式、r u n ( r ) 模式、h a l f t u r b o ( h f ) 。可通过频率模式切换实现低功耗，工作主频可达到5 2 0 m h z 。 3 2 位r i s c a r m 处理器，3 2 k 指令缓冲，3 2 k 数据缓冲。 提供低功耗操作下灵活的电源管理控制模式。 提供丰富的系统和外围设备控制器接口。 2 存储系统 片上集成6 4 m bs t r a t a f l a s h 闪存。可以满足一般应用需求。 片上集成2 5 6 k bs r a m ，可用于存放程序代码和多媒体数据。 6 第二章基于p x a 2 7 2 处理器的嵌入式硬件平台 s d r a m 采用三星s d r a m 芯片( k 4 s 5 1 3 2 3 p f ) ，1 2 8 m b 内存空间。 3 电源模块 采用+ 1 2 vd c 电源供电，提供高效转换，减少电源功耗。支持电池供电和充电，具备硬件 检测电量和电量显示。 4 外围扩展模块 j t a g ：支持a r m 标准的2 0 p i nj t a g1 3 。 触摸屏：选用四线电阻式触摸屏控制芯片a d s 7 8 4 3 。 音频：采用兼容a c 9 7 2 1 的立体声a c9 7 接口音频解码芯片c s 4 2 9 9 ，双立体声输出t 双麦克输入。 显示：选用6 4 ”1 1 可液晶显示屏，4 8 0 x 6 4 0 分辨率，支持1 6 b i t 数据线。 u s b ：扩展了p x a 2 7 2 的u s b 主机和u s b 客户端口，支持u s b 。 m m c ：扩展外部多媒体存储卡接口，支持s d 卡。 网络：选用m a c 芯片d m 9 0 0 0 e 加上千兆p h yb c m 5 4 6 l ，增强开发板的网络处理能 力，提供网络响应速度，以用于网络方面的应用。 异步串口：p x a 2 7 2 支持三种串口类型( u a r t ) f f u a r t ：全功能串口，用于连接g p r s 模块。 b t u a r t ：蓝牙串口，可用于连接蓝牙设备。 s t u a r t ：标准串1 3 。不支持解调器控制。连接串1 3 芯片s p 3 2 2 3 ，用于控制台进行 人机交互。 从2 0 0 5 年到论文完成，项目组已经开发出基于p x a 2 7 2 - - 系列的嵌入式硬件平台并实现了底层 系统软件，体系结构基本一致，只是针对不同的应用在扩展的功能模块接1 3 上有所差异。 图2 4u r a n i u mlo 嵌入式开发平台 1 ￥1 2 - 4 所示的是u r a n i u m1 0 平台是网络测试仪的原型板，该平台主要是针对网络应用而设计，在 网络接口设计上采用了叭c 加上一个外部千兆p h y 的方式，网络处理能力比较强。在原型板的基础上， 有开发了网络测试仪的硬件平台，如图2 5 所示。 图2 5 网络测试仪硬件平台及实物 7 江南大学硕士学位论文 圈2 - 6h e l i u m1 o 遥感通讯平台 1 5 2 - 6 所示的是h e l i u m1 o h 感嵌入式开发平台，该平台针对遥感，导航应用以及户外作业而设 计。添加t g p r s 和g p s 模块，并采用f p g a 对遥感图像进行快速编解码。 图2 - 7l i t h i u mi 0 多媒体平台 图2 - 7 所示的是l i t h i u m1 0 多媒体平台，该平台针对多媒体移动终端设计，增加了多媒体协加速 处理器i n t e l2 7 0 0 1 3 ，具备w i f i 和蓝牙功能，扩展了摄像头接1 3 和键盘等，可用于视频电话、手 持游戏机等应用。 2 4 小结 本章首先对微处理器p x a 2 7 2 进行详细介绍，深入阐述p x a 2 7 2 的体系结构以及主要特性，最后 详细介绍了本课题自主开发的基于p x a 2 7 2 的硬件平台u m i u m 的功能结构和架构以及根据项目需要 开发出来的一系列硬件平台。 8 第三章启动引导程序概述 第三章启动引导程序概述 目前越来越流行在嵌入式板子上运行l i n u x 等嵌入式操作系统。嵌入式系统是层次性结构很分明 的系统，其q 6 b o o t l o a d e r 是嵌入式硬件平台上的第一层软件程序，负责底层硬件的初始化和上层软件 环境的搭建，与微处理器的体系结构和底层硬件关系紧密。本章将介绍嵌入式系统的层次和b o o l o a d e r 的基本概念，详细描述b o o t l o a d e r 的基本原理和实现方法，并分析b o o t l o a d e r 的执行流程。 3 1 嵌入式系统组成结构 嵌入式系统是一个专用计算机应用系统，具有一般计算机的共性，也是由硬件和软件组成。嵌 入式硬件是嵌入式软件环境运行的基础，提供软件运行的平台和通信接口，而嵌入式操作系统和应 用软件是系统的控制核心，控制系统运行，提供人机交互的信息等。早期的嵌入式系统不复杂性， 常不会使用复杂的操作系统，而是由应用系统程序直接控制和管理硬件。现在大量使用的基于8 位单 片机的系统一般完成单一的控制功能，硬件复杂度都比较低，其软件只是一个简单的控制程序， 这类系统没有使用操作系统的必要。随技术的进步和需求不断复杂，3 2 位的s o c 处理器不断的应用 于嵌入式系统，这就需要采用操作系统来管理和控制内存，多任务和外部资源等。 一个典型的嵌入式系统组成结构如图3 1 所示，嵌入式系统软件结构可分为三个层面 9 1 ：启动引 导程序、嵌入式操作系统、应用程序层。 1 启动引导程序 启动引导程序是嵌入式系统不可缺少的部分，介于主板硬件和操作系统之间，大体完成的功能： 系统启动时初始化主要硬件以及加载、引导操作系统等。 2 操作系统 对于用操作系统的嵌入式系统而言，操作系统一般以内核映像文件的形式下载到目标系统上。 3 应用程序 嵌入式系统戍用软件建立在嵌入式操作系统的基础之上，用户应用程序的实现主要通过调用系 统a p i 函数对系统进行操作，完成用户应用功能开发。 9 江南大学硕士学位论文 3 2 启动引导程序概念 对于p c 的体系结构，开机后的处理器初始化配置及其它硬件初始化等操作由引导加载程序 b i o s ( b a s i c i n p u t o u t p u t s y s t e m ) 和位于m b r ( m a s t e r b o o t r e c o r d ) 中的系统引导程序一起完成i l 。 引导程序的主要任务是将内核映像从硬盘中读入内存，然后跳到内核入口地址运行，即开始启动操 作系统。但对于嵌入式系统而言，由于受体积、成本等方面的限制，一般不配置b i o s ，需要自行编 写完成类似与b i o s 所完成的工作的程序，在嵌入式系统中称为启动引导程序( b o o t l o a d e r ) 1 q o 任何嵌入式系统加电复位后所有c p u 都要从复位地址( 复位向量) 上取指令，执行指令。以 处理器为核心的嵌入式系统通常都会有固态存储系统( f l a s h 、e e p r o m ) 被映射到预先设置的复位 地址上，如8 0 x 8 6 系列处理器的复位地址是0 x f f f f o h 到0 x f f f f f h ，a r m 7 t d m i 的复位地址为o x o h 。 系统上电复位后，操作系统内核和应用程序执行之前，首先必须运行b o o t l o a d e r 。通过这段代码。初 始化硬件设备建立内存空间的映射关系，使系统软硬件环境设定到合适状态，为加载操作系统内 核和文件系统、运行用户应用系统做好准备。 图3 - 2 嵌入式l i n u x 系统f l a s h 区域分配 嵌入式系统一般使用f l a s h 作为系统的存储介质，很少使用硬盘，操作系统和相关软件的加载任 务由启动引导程序( b o o t l o a d e r ) 完成。a r m 体系结构的嵌入式系统通常在o x o h 处开始执行，此地 址一般用于存放启动引导程序其它地址区域存放系统参数、操作系统内核映像等采用l i n u x 操作 系统的嵌入式系统，f l a s h 中还要存放根文件系统映像。典型的嵌入式l i n u x 系统的f l a s h 区域分配如 图3 2 所示。 b o o t l o a d e r 初始化嵌入式目标板硬件，并给操作系统传递硬件信息，并在完成硬件和软件运行 环境的初始化后将进一步装载嵌入式操作系统内核并引导和启动操作系统内核。在嵌入式系统开发 过程中，很多情况下会涉及b o o t l o a d e r 移植。b o o t l o a d e r 与底层硬件架构关系紧密，建立一个通用的 启动引导程序是非常困难的工作，不同体系结构的嵌入式微处理器对应不同的b o o t l o a d e r 。b o o t l o a d e r 除依赖c p u 体系结构外，还依赖嵌入式系统板级硬件的配置，所以每一块目标板的b o o t l o a d e r 都不一 样，但它们还是有通用的原理和功能。 b o o t l o a d e r 与操作系统有一定联系。多数b o o t l o a d e r 仅仅为某个特定的操作系统设计的。但是， 只要符合操作系统内核引导标准，一个b o o t l o a d e r 可引导多个操作系统。比如适当修改w i n c e 的 b o o t l o a d e r - - e b o o t ，也可用于引导l i n u x 系统。 大多数b o o t l o a d e r 分成两个阶段。第一个阶段一般是与微处理器体系结构和硬件平台配置有关 的代码通常是用与体系结构兼容的汇编语言实现。第二阶段则实现b o o t l o a d e r 特定功能，如提供交 互接口，此阶段主要用c 语言实现，代码具有良好的可读性和可移植性。 多数b o o t l o a d e r 包含两种操作模式即启动加载模式和下载模式。区别对开发人员有意义。对最 终用户，并不存在这种区别，b o o t l o a d e r 就是加载，启动操作系统。 启动加载模式“o j ：此模式也称为“自主”( a u t o n o m o u s ) 模式。l i b b o o t l o a d e r 从目标机上的固态 存储设备上自动地将操作系统加载到r a m 中运行，整个过程没有用户介入在嵌入式产品发布的 时侯，b o o t l o a d e r 显然必须工作在此模式下。 下载模式1 1 w ：在此模式下，目标机上的b o o t l o a d e r 通过串口或网络等通信手段从主机下载文件， 如下载内核映像和根文件系统映像等。b o o t l o a d e r 把下载来的文件保存到目标机的r a m 中，然后写 入目标机的f l a s h 等同态存储设备中。此模式通常在第一次安装内核与根文件系统时使用，软件系 统更新也会使用这种工作模式。此模式下的b o o t l o a d e r 会提供给终端用户一个简单的命令行接口实现 人机交互。 l o 第三章启动引导程序概述 3 3b o o t l o a d e r 的主要任务 从字面意义理解，b o o t l o a d e r 的主要功能包括两个方面：启动( b o o t ) 和装载( l o a d ) ，但是 实际上b o o t l o a d e r 所要完成的工作远非如此。但从操作系统角度看，b o o t l o a d e r 总目标就是为内核启 动做好准备，确保正确地调用内核来执行。 b o o t l o a d e r 对于一个操作系统来说主要完成的任务有j ： 初始化处理器以及外围设备的硬件资源。通常一个嵌入式系统处理器在上电复位后外部 的f o 引脚被置成默认状态即输入状态，处理器片内和片外资源都需要进行配置。例如：必 须正确设置s d r a m 控制器，系统的s d r a m 空间才能够使用，系统才能正常地启动。 建立内存空间的映射关系，从而将系统的软硬件环境带到合适的状态，以便为最终调用操 作系统内核做好准备。多数b o o t l o a d e r 都是很简单的程序，不需要复杂的虚拟地址映射。对于有 m m u 的处理器，b o o t l o a d e r 一般不会使用m m u 但是，m m u 还管理着数据高速缓冲( d c a c h e ) ， 为了加速启动过程，需要开启对d c a c h e 的支持，这样，用平板映射( 虚拟地址和物理地址一一映 射) 开启m m u 。 装载操作系统映像到内存中。这是b o o t l