（计算机应用技术专业论文）基于windows+ce+的嵌入式系统研究与应用.pdf

独创性声明 秉承学校严谨的作风和优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文 是我个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，不包含本人或他人已申请学位或其他用途使用过 的成果。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致谢。 巾请学戗论文与馒杖惹有不寰之处、本人承想_ 妞媳蔓豉钰 论文作者签名：垂通! 叠2 叻弓年j 月? z 日 保护知识产权声明 本人完全了解西安理工大学有关保护知识产权的规定，e p ：研究生在 校攻读学位期间，论文工作的知识产权单位属西安理工大学。本人保证 毕业离校后，发表论文或使用论文成果时署名单位仍然为西安理工大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅或借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：垂出堡导师签名鹚年，月z 拥 摘爨 鬻辩：亟篡煎壅盈夔苤 作者姓名：至丞堡 导师姓名：奎量逦 导师职称：副熬援 答辩日期：呈q 鱼墨生墨旦 摘要 本文结台窭嚣顼器对嵌入式系统痛角避杼了努辑辣研究，分辑了敷入式b s p 裙p c 税b t o s 之瀚瓣区爨移联系，对当代魄较滚行鹩强入式操作系鲮魏嵌入式 ￥y i n d o w sc e 、嵌入式l i a u x 、v x w o r k s 、p a l m s 蹿进行了分析和比较，讨论了现代嵌 入式系统的基本开发流程。深入探讨了嵌入式撵作系统w i n d o w sc e 的核心特性， 驱动程序架构，中断处理，实时特性，嵌入式系统支持等。结合系统所使用的 s t o a g a r mc p u 分析了它的性能、资源、功耗游进行了分析，提出了基于嵌入式微 处理器s t r o n g a r m 和嵌入式操作系统w i n d o w sc e 的可视电话的多媒体控制板的总 体方案，对嵌入式w i n d o w sc e 进行了平台窝制，设计和开发了系统引导程序、彩 魏l c d 、标准r 2 3 2 审疆、串日鼠标、e t b e r m e tb o o tl o a d e r 等驱动程序。照后， 分掇了i t u l 兹h ，3 2 4 可携电话戆功戆结橡，泼诗帮安臻了多攥搭控割蛰议h ，2 4 5 ， 裳城了绩令实薅黪获态裰，最鑫分辑了蓦予w i n d o w sc e 静褒a 式系统麓广泛醵痤 鲻前景。 荚键词j 嵌入式操作系统：w i n d o w sc e ；可视电话；驱动程序 西安理工大学磁士学按论文 髓爻睽蓬a e 啜l 矗n da 翔陲艇a 潮囤涎镶嚣蛾翻匮怒l l 目臣嚣越疆器o n 露啜) w s 瞧 m a j o r ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n i q u e s n a m e ：w a n g y o n g q i a n g s u p e r v is o r ：l i h 垒旦g h 璺 a b s t r a c t t h isp a p e rs t u d i e sa n da n a l y s e sa p p li c a ti o no fe m b e d d e ds y s t e mw i t ht h e r e a l l yp r o j e c t ，a n a l y s e sd i f f e r e n e ea n dr e l a t i o no fe m b e d d e db o a r ds u p p o r t p a c k a g e sa n db i o s o fp c ，c o m p a r e sa n da n a l y s e sp o p u l a re m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e ma tp r e s e n t ，f o re x a m p l e ，w i n d o w sc e ，e m b e d d e dl i n u x ，v x w o r k s ，p a l m s ， a n ds oo n i td i s c l s s e st h eb a s i ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fe m b e d d e ds y s t e m ， a n dd is c u s st h ek e r n e lf e a t u r e s ，s t r u t t u r eo fd e v i c ed r i v e r ，i n t e r r u p th a n d l e r e a l t i m ef e a t u r e s ，e m b e d d e ds u p p o r to ft h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mw i n d o w s c e b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h ep e r f o r m a n c e ，r e s o u r c ea n de x p l o i to f t h e s t r o m g a r c p u ，g e n e r a ls c h e m eo fm e d i ac e n t r e ib o a r do fv i d e o p h o n eb a s e do n e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o rs t r o n g a r ma n de m e b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mw i n d o w sc e i sd e s i g n e d i tp e r f o r m st h ec u s t o m i z a t i o no fe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m a n d d e si g n sa n dd e v e l o p st h ep r o g r a m so fs y s t e ms t a r t u p ，t h ed r i v e ro fc o l o r l e d ，s t a n d a r dr s 2 3 2s e r i a lp e r t ，s e r i a lm o u s e ，e t h e r n e tb o o tl o a d e r ，a n d s oo i l t h e nt h i sp a p e rd i s c u s s e sf u n c t i o na n ds t r u c t u r eo fh 3 2 4v i d e o p h o n e a n dd e s i g n sa n dr e a l i z e sm e de ac e n t r e lp r o t o c o lt f 2 4 5 ，a n dr e a l i z e ss t a t e m a c h i n eo fs i g m a l i i n ge n t i t y ，f i n a l l y ，i ta n a l y s e sw i d e p r o s p e c to f a p p li c a t i o nf o r t h ee m b e d d e ds y s t e mb a s e do nw i n d o w sc e k e y w o r d s ：e m b e d d e do s ：w i n d o w sc e ；v e d i o p h o n e ；d r i v e r 第一章概论 第1 章概论 1 1 嵌入式系统的定义 随着计算机技术、网络技术和多媒体通信技术的发展，2 l 世纪将 是一个全球信息化的时代，目前，随着以p d a 、信息家电、机顶盒等 为代表的嵌入式系统应用的广泛发展，嵌入式系统已经越来越走近普 通人的生活，可以预见在不久的将来人们的日常生活的衣、食、住、 行等方方面面都将与嵌入式系统密切相关，嵌入式系统的发展对人类 科技的发展起着重要的作用。 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可 裁剪、适应应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求 的专用计算机系统，它将操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统 之中，简单的说就是系统的应用软件与系统的硬件一体化，类似与b i o s 的工作方式，具有软件代码小，高度自动化，响应速度快等特点。特 别适合于要求实时的和多任务的体系。嵌入式系统是将先进的计算机 技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物。 1 2 嵌入式系统的特点 嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点： 1 嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式c p u ，与通用型的最大不 同就是嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常 都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多 由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统没计趋 于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。 2 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个 行业的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技 术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 3 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗 西安理工太学硕士学位论文 余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应 用中对处理器的选择更具有竞争力。 4 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具 体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的 生命周期。 5 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化 在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 6 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常 也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环 境才能进行开发。 1 3 嵌入式系统的发展趋势及市场前景预测 1 3 1 嵌入式系统的发展趋势 未来的嵌入式系统的发展趋势将朝向软硬系统整合、s o c 设计、应 用程序研发这几个方面的发展： 1 嵌入式操作系统( r t o s ) 与p c 操作系统( w i n 9 5 9 8 ) 比较，嵌入式操作系统并未要求全能， 但必须能够依据系统设计规格，有效率的发挥出硬件的运算能力，使 得产品达到性能价格比的优化，大多数的系统会要求全自动完成所设 置的工作，例如工厂或是银行的系统，除了原本在嵌入式领域耕耘已 久的v x w o r k s 、q n x 、n u c l e u s 等除外，新型的主要竞争产品包括p a l m o s 、w i n d o w sc e 、l i n u x 等。 2 整合式芯片( s o c ) 嵌入式所需的处理器及芯片组较p c 要求体积小、散热佳、省电、 因此多采用高整合度的s o c ( s y s t e m o n c h i p ) 为处理器核心。 3 应用软件 嵌入式软件可区分为用户端的应用软件和服务器端的整合软件，服 第一章概论 务器端的软件可能以l i n u x 和w i n d o w s 为核心，并搭配各种数据库系 统；用户端由于各种产品种类很多，可以开发出的软件也相对的增加， 例如p a l m 号称有上万种应用软件可以使用。除了原本各种平台专属的 应用软件之外，现在更利用j a v a 跨平台程序开发的软件加入到这个阵 容，软件的种类变得更多。 1 3 2 嵌入式系统的市场前景预测 嵌入式软件特点是：小型化嵌入式软件所占空间小；专业化 嵌入软件针对具体领域，不追求大而全：易用性好嵌入式软件追求 易学易用；实时性强嵌入式软件实时性一般较强，可用于各种设备 控制当中：配置要求低可运行于低配置的环境中，主要用于非计 算机设备。嵌入式软件的主要应用范围包括： 1 顶置盒市场 将在未来几年取得快速发展，8 0 0 0 万户的有线电视网用户、l 亿 以t 的有线电话网用户为其提供了网络条件，3 亿多台电视和4 0 0 0 万 台v c d 为机顶盒提供了广阔的发展空间。顶置盒不仅可使模拟电视接 收数字电视节目，可以上网，还有可能成为未来家庭的控制中心。据 估计，未来十年是机项盒发展的黄金时期，十年间总量可达到l 1 5 亿台，总产值将达到6 0 0 1 5 0 0 亿元。 2 掌上电脑市场 掌上电脑是计算机微型化、专业化趋势的产物。由于掌上电脑易 于使用，携带方便，价格便宜，因此，未来几年将在中国得到快速发 展，估计五年内总销量达到3 0 0 0 万台，总产值达到3 0 0 亿元。从功能 上看，掌上电脑( 或p d a ) 将扩充通讯功能，甚至会具有手机和寻呼 机的功能。 3 移动通讯市场 中国的手机和寻呼机市场已颇具规模，用手机和寻呼机上网将成 为新的趋势。为了在市场中占主动地位，国外有些厂商的概念机已公 一3 西安理工大学硕士学位论文 布。手机和寻呼机市场规模很大，加上市场仍在扩大，由此产生的信 息电器市场也非常巨大。 4 车载盒市场 中国有上千万台汽车，其中有相当一部分是高档轿车，这一部分 轿车对现代信息有较高的需求。随着全球定位技术的成熟和广泛应用， 车载盒会成为汽车族的时尚。由于有车族有足够的消费能力，车载盒 亦将成为近年发展的热点。 5 工业控制 信息电器所涉及的芯片技术、嵌入式软件、通讯技术在工业控制 中也能获得广泛应用，如数控机床、电梯及其他工业控制设备和仪器 都可采用这些技术为自身服务。如果将这些技术用于机床，将大大促 进机床业的创新。总之，这些技术都将促进相关企业的技术改造，并 为企业带来新的活力。 6 国防应用 信息电器相关技术可广泛用于军队及军工企业，这种应用是一种 综合性应用。如军方专用掌上电脑可用于指挥和训练，也可用于通讯 及野外作业；车载盒置于军车上，便于野战和指挥；小型化嵌入式软 件所占空间小；专业化嵌入软件往往针对具体领域，不追求大而全； 嵌入式软件追求易学易用；实时性强，嵌入式软件实时性一般较强， 可用于各种设备控制当中；配置要求低可运行于低配置的环境中，主 要用于非计算机设备。 7 可视电话 可视电话属于多媒体通信范畴，是一种有着广泛应用领域的视 讯会议系统，使人们在通话时能够看到对方影像，它不仅适用于家庭 生活，而且还可以广泛应用于各项商务活动、远程教学、保密监控、 医院护理、医疗诊断、科学考察等不同行业的多种领域，因而有着极 为广阔的市场前景。 第一章概论 总之，嵌入式软件涉及的领域很多，市场前景已初现端倪。 1 4 课题目的和研究内容 本论文的研究基于实际课题基于3 2 位嵌入式系统可视电话开 发板及其h 3 2 4 终端应用的开发，开发工作主要包括以下部分： l ，3 2 为嵌入式硬件的开发采用新一代高性能处理器i n t e l s t r o n g a r m 、大容量存储器、大尺寸l c d 以及触摸屏、串口和红 外通讯模块等来实现对数据的处理、存储和传输等功能； 2 操作系统的软件平台采用m i c r o s o f t 的嵌入式操作系统w i n d o w s c e3 0 或w i n d o w sc e n e t 作为系统软件平台。 3 驱动程序的开发开发相关部分的驱动程序。主要包括基于特 定芯片的系统引导程序、串口驱动程序、l c d 驱动程序( 图形加速) 、 音频驱动、p c m c i a c f 的l a n 驱动、触屏驱动、c f 卡存储卡、 调试工具e t h e r n e tb o o tl o a d e r 的驱动等。 4 应用软件的开发基于该嵌入式系统开发平台，开发基于i t u ，t 的h 3 2 4 多媒体信慰终端可视电话应用软l 牛，包括协议h 3 2 4 协议 羧( h 2 4 5 、毪，2 2 3 、联2 6 3 、g 7 2 3 1 、v 3 4 、v 8 协议) 避嚣分疆设 计。 本论文的工作包括如下几部分： 1 设计了以3 2 位嵌入式微处理器为核心的可视电话控制板的硬件 方寨。 2 ，深入五暑究了嵌入式擐俸系统w i n d o w sc e 静孩心特 生，驱动程 序架构，中断处理，实时特性，嵌入式系统支持、可视电话控制 板驱动程序的开发，利用平台建立器选择w i n d o w sc e 的组件， 既定制可视电话控制板的操作系统平台，基于w i n d o w sc e 的应 矮程序夔开发。 3 设计和开发了鏊予w i n d o w sc e3 0 鞠w i n d o w sc e ，n e t 下的驱 动程序。包括系统引导程序、串口驱动程序、l c d 驱动程序、串 一5 一 蹲安理工大学硕士学杖论文 豳鼠标驱动、软件调试工具e b o o t ( e t h e r n e tb o o tl o a d e r ) 鞭渤程 _ ) 葶。 4 。分援了嵌入式操终系统豹嚣发魏方法秘浚程。 5 。分析帮设计了i t u t 静h 3 2 4 协议簇中的多媒体控制协议 h 2 4 5 ，实现了协议倍令实体的状态机。 1 4 本章小结 本警讨论了嵌入式系缓鹣基零概念，包括嵌入式系统豹定义、特 点、疲臻领域和市场蘸荣颟溯等，并结合实鼯颂磊阐述了顼露的主要 内容和农课题所涉及的主翳内容。 第二章嵌入式系统应用分析 第2 章嵌入式系统应用分析 2 1 嵌入式处理器 厂商在发展一个嵌入式系统产品时，最重要的考虑到的因素不外 乎两个重点，一个式嵌入式系统的软件部分，包括了所采用的嵌入式 操作系统以及所使用的应用程序，用以控制整个嵌入式系统的动作流 程。另一个考虑的开发重点就是所选择使用的嵌入式系统硬件。 其中嵌入式系统硬件部分就像是嵌入式系统的身躯一样，有手、 脚、头脑以及感觉神经等部位，这些掌控了嵌入式系统的先天功能， 像是运算能力以及扩充功能等，一个好的嵌入式系统都需要事先完整 的硬件规划才可以具备达到所需要的功能条件。在设计好嵌入式系统 的硬件架构以后，就要考虑嵌入式系统的软件部分，嵌入式软件部分 就像是嵌入式系统的灵魂，掌控着所有硬件的操作模式，通过优异的 操作系统以及应用程序，可以将有限的硬件装置功能发挥到极限。 一个嵌入式系统开发人员首先必须了解嵌入式系统的硬件架构， 才能在硬件所提供的有限效率下进行相关的驱动和应用程序的开发。 因此下面就嵌入式微处理的发展、s o c 嵌入式微处理器、整合型嵌入式 系统微处理器来加以介绍。 2 1 1 嵌入式微处理的发展 嵌入式系统微处理器出现过许许多多的产品，有一些产品在过去 很流行，但是随着时代的变迁，由许多产品已经被更先进的产品所取 代，不过，还是有许多早期嵌入式系统微处理器至今还被许多嵌入式 系统作为控制核心的微处理器，这代表着该项产品的成功性，可以经 历十几二十几年，仍然被嵌入式系统开发商所青睐。 嵌入式系统微处理器依照发展的顺序来看，依序出现不同位数架 构的产品，从单纯的中央处理器架构产品，有4 位、8 位、1 6 位、3 2 位到6 4 位的微处理器，到目前很流行的整合型( s o c ) 微处理器，例 西安联工走学硕士学位论文 如整合网络、多媒体资料编码解码、屏幕控制驱动及输入输出接口嚣。 这些多元纯楚徽处理器，为袋入式产鑫豹开发掇供了圣竽多蕊选择性与 功鼹健。 所谓的嵌入式系统微处理嚣在初期大概可以分为两种，一种是为 处理器内部仅包含中央处理单元，称为一般用谂型微处理器，另一种 是将中央处理器、r o m 、r a m 及i o 等装嚣在劂个芯片上，这种微处 理嚣称为摹片税控割器( s i n g l ec h i pm i c f o c o n t r o l l e t ) 。 鲡聚隧激整理嚣在单一豢令两所辘楚疆黪位数寒傲嵌久式系绞骰 处理器的分类，如表2 - i 所示，位数怒取决于处壤资料的宽度，在嵌 入式系统中，单片枧型的嵌入式微处理器比较常见，不过一般性徽处 理嚣在酝入式系统酶应蠲中也是 整广泛。 表2 一l 良位数黠嵌入式系统微处鬻器骰分类 镬筵趣耧“； 一n 。n h 百矗 裁爱位攀3 2 位：一一6 ：；l ；v j 襁秘i 8 0 4 8 4 9 a r mr i s c t m s l o o 8 0 5 0 5 l8 0 9 6 9c 0 r em i p s 单片枫型 o8 0 5 2瓶i p s6 4 b i t s c o p s 6 8 0 i 0 2 6 8 2 0 03 2 b i t s r l s cc o r e 6 8 0 5z 8 0 r i s cc o f e 8 0 8 68 0 3 8 6 8 0 8 5 8 8 0 9 4 0 0 48 0 2 8 68 0 4 8 6p e n t i u m 箴藕途翟z 8 0 4 0 4 08 0 1 8 6 6 8 0 0 0 10 i i i l i 6 5 0 2 6 8 0 2 z 8 0 0 02 0 3 0 4 0 各种不同位嵌入式微处理器的应用屡面也有明显的区分，越高端 的嵌入式系统微处理器，主露资料处理的运算效率及其余附加值也就 越高。强翁比较初级的嵌入式聚统微处理器仍然以8 位的微处理器为 主，擐戆荣嵌入式设备羲功戆戆鸯嚣稳嚣要溺缀豹支跨等，3 2 位良主激 处理嚣酶应用也越来越广泛，各辩不露位斡徽处理器应用分类详冤表 第二章嵌入式系统应用分析 2 2 。 表2 2 各种不同等级的嵌入式系统微处理器应用 嵌入式微处理器密雨产品 ” 计算机、遥控器、相机、电话、c d 随身听、防盗器、 4 位微处理器 寻呼机、玩具、充电器、各种简易计量表等 马达控制器、电视游戏机、空谰、电脑显示器、传 8 位微处理器 真机、寻呼机、家用电器、电话答录机等 1 6 位微处理器手机、摄像机、录像机、各式多媒体应用等 调制解调器、掌上电脑、路由器、工作站、激光打 3 2 位微处理器印机、彩色传真机、数码相机、卫星定位系统、网 络家电、多媒体应用等 6 4 位微处理器高级工作站、新型电视游戏机、多媒体应用等 1 四位以及八位嵌入式系统微处理器 嵌入时系统的市场e ，最早出现的是4 位处理器，这种处理器可 以用在电子玩具产品及一些简单的电子设备，这些应用的产品指需要 一些简单的指令集及低速的运算能力就可以完成预定的工作，4 位的嵌 入式微处理器有比较小的a l u ，少量的寄存器及内存，简单的指令集 架构，在制造芯片的成本上低于其他高级的产品，所以早期出现的4 位产品目前仍可以在些电子产品中看到。 4 位的嵌入式微处理器统常可分为8 位的指令内存及分开的4 位指 令集，因为在指令集的编码方而，需要8 位的指令内存才能够在一个 读周期中去到一个完整的指令，采用4 位的指令集应付简单的二进制 或是十进制的应用。目前市面上有一些4 位的嵌入式处理器产品是针 对l c d 或是c r t 显示器所设计，作为驱动的装置。如i n t e l 公司所推 出的4 0 0 4 微处理芯片，它是i n t e l 公司第一个商用的微处理芯片，德州 仪器公司所推出的t m s l 0 0 0 ，它是德州仪器公司第一个商用的4 位的 微处理芯片。还有n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 的c o p ( c o n t r o l l e ro r i e n t e d 西安理工大学硕士学位论文 p r o c e s s o r s ) 系列，它在一开始的时候就是4 位的嵌入式微处理器，它 针对不同的控制应用及脉冲，推出了不同的版本。 8 位的嵌入式微处理器，首推的是1 9 7 3 年时i n t e l 公司所发展的 8 0 8 0 微处理器芯片，随后各大厂商也陆续推出了8 位的微处理器，如 z i l o g 公司的z 8 0 、n a t i o n a l 半导体公司的n c s 8 0 0 及i n t e l 的8 0 8 5 等。 2 1 6 位以上的嵌入式系统微处理器 继8 位的嵌入式系统微处理器后，许多厂商为因应更提高产品的 应用层面，陆续推出了1 6 位的嵌入式微处理器，第一个商业化的1 6 位嵌入式系统微处理器是t i 公司所推出的9 9 4 0 ，它是延续9 9 0 0 的基 本架构所发展的，但是真正让1 6 位系列产品发扬光大的是i n t e l 公司所 推出的8 0 9 6 及t h o m p s o n m o s t e k 公司所发展的6 8 2 0 0 。 1 6 位微处理器包含了许多的新指令集及硬件架构，并且拥有许多 的寻址模式及数据类型的声明。德州仪器公司推出的9 6 0 0 微处理器是 第一个商用的1 6 位微处理器，因为它的功能和指令集贫乏，所以并未 造成很大的主意，反而大家比较熟悉的是i n t e l 公司所发展的8 0 8 6 微处 理器及m o t o r o l a 公司所发展的6 8 0 0 0 微处理器。 i n t e l 公司所推出的8 0 8 6 微处理器是第一个被大家所重视及熟悉的 1 6 位微处理器，因为它开创了i b mp c 市场的一股旋风，当时i b m 所 推出的个人电脑也是采用8 0 8 6 作为个人电脑的数据处理及控制核心， 8 0 8 6 微处理器也是沿用了i n t e l 公司之前的8 0 8 0 及8 0 8 5 微处理器的基 本架构，加上了一些加强式的硬件架构和指令集。8 0 8 8 基本上与8 0 8 6 微处理器的架构相同，不过有一个地方不同的设计，就是数据总线部 分，8 0 8 8 微处理器的数据总线是8 位的，因此必须要先执行两个总线 的周期时间才能完成一个1 6 位字符传送，如此设计可以使用8 0 8 8 微 处理器应用在现成的8 位的外围设备上，因此以往的8 位架构电子产 品可以直接采用8 0 8 8 微处理器做为控制核心，用以提高数据处理的效 率，却不需要大幅度修改原本电子设备的线路。i n t e l 随后在1 9 9 2 年又 l o 第二章嵌入式系统应用分析 推出了第二代的8 0 8 6 产品，就是i n t e l 8 0 2 8 6 微处理器，这个处理器包 含了许多以往微处理器需额j l - d n 上的外围装置组件，它已经将这些组 件整合进微处理器中，包含了一个时钟脉冲发生器、两个直接内存存 取通道、一个中断信号控制器、三个可程序化计时单元、可程序化芯 片选择逻辑单元及一个等待状态寄存器；除此之外，它很受市场欢迎， 最主要的原因，就是可以与8 0 8 6 及8 0 8 8 微处理器的软件兼容，如此 可以套用原本在8 0 8 6 微处理器上大量使用的程序代码及应用程序，而 不需要另外去开发其特殊的应用程序。8 0 2 8 6 微处理器还包含了虚拟内 存所需要的内存管理单元和指令重新执行的功能，它工作频率可以为 6 m h z 、1 0 m h z 及1 2 m h z ，相对工作效率大约在o 9 m i p s 到2 6 6 m i p s 之间，内部的电晶体大约有1 3 4 ，0 0 0 个，可以对1 6 m 字节的内存进行 做寻址存取，它的工作效率大约是8 0 8 6 的六倍，主要使用以前很受欢 迎的p c a t 个人电脑及一些个人电脑的应用产品上。 3 协处理器( c o p r o c e s s o r ) 协处理器算是一种辅助性的嵌入式系统微处理器，它并不是嵌入 式系统的数据处理核心部分。系统带协处理器的原因是因为嵌入式系 统微处理器大部分都是针对整数运算做设计，在微处理器中的逻辑运 算单元主要也是负责整数运算的部分，对于浮点数的运算方面，嵌入 式系统微处理器会利用整数模拟浮点数的运算形式，进行数据的运算， 受限原本硬件架构设计的限制，在模拟浮点运算的工作流程，往往运 算所需要的指令周期是整数运算的几十倍到百倍，这样的运算能力对 于嵌入式系统微处理器是一个很大的负担，所以在处理大量的浮点数 据时，则需要另外加上一颗特别的协处理器进行浮点数的数据处理。 协处理器是针对浮点运算的数据处理而设计，它拥有先天上硬件架构 的优势，在处理浮点运算时会大幅缩减所需要的时间，也可以减轻嵌 入式微处理器的负担。 4 c i s c 与r i s c 西安理工大学硕士学位论文 在嵌入式系统微处理器的发展上，以微处理器的指令集部分的特 性，可以将嵌入式微处理器分成两种主要的架构，一种是c i s c ( 复杂 指令集c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r 架构，另一种则是r i s c ( 精 简指令集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 ) 架构。在1 9 6 0 年代左右， c i s c 的架构是微处理器的设计主流，经过了近二十年左右的时间，就 所发展的产品和使用效率来看，这种设计已经没办法在一般固定的功 能及用途上发挥最大的使用效益，这时候一项新的机构被提出来，那 就是魁s c 架构，这种指令集架构的出现，可以大幅度提升c i s c 架构 所难以达到的指令执行及数据运算效率。 r i s c 架构和以前的c i s c 架构相比性质上有以下几点差异： 使用相当少的指令型别及寻址模式。 微程序控制尽量采用软件架构实现 在单一执行的周期内完成指令。 微处理器中拥有更多的寄存器 使用最佳化的程序代码编译。 微处理器的内存存取主要是用在指令的载入及储存。 简易的解码指令格式。 高度平行化处理。 现代的嵌入式产品已经体会到r i s c 架构微处理器的硬件设计单 纯、成本低廉、省电效益佳等特性，纷纷采用r i s c 架构的微处理器， 例如a r m r i s c c o r e 及m i p s r i s c c o r e ，都是目前相当热门，而且也 相当受欢迎的r i s c 架构的嵌入式微处理器。 5 数字信号处理器 数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s d s p ) 就是专门处理数字 信号数据的微处理器，也就是d s p 处理器。在嵌入式系统的世界中， 数字信号处理器是一项非常重要的部分，它可以当作嵌入式系统处理 器的一种。基本上，数字信号处理器针对特定的任务而发展的一种特 第二章嵌入式系统应用分析 别的处理器架构，其中最重要的是大量的即时运算功能，在脉冲上， 数字信号处理器可以做到如一般性用途的微处理器一样的脉冲，但是 其架构的不同，数字信号处理器有时一个简单的数据处理，便需要花 上比一般型用途处理器多2 3 倍的处理周期。 在数字信号处理器上最基本的运算功能就是乘法与加法运算，如 a b ，除此之外，数字信号处理器经常解决一些常见的演算法的式线， 像是f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ( f i r ) f i l t e r 、 n f i n i t ei m p u l s e r e s p o n s e ( i i r ) f i l t e r s 、c o n v o l u t i o n 、离散傅立叶转换( d i s c r e t e f o u r i e rt r a n s f o r m s ) 及离散余弦转换( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m s ) 等，数字信号处理大多已经内置硬件架构可以在很短的时间内处理这 些复杂的加法和乘法问题。 2 1 2s o c 嵌入式微处理器 1 基本概念 目前在许多的电子产品开发市场常常可以听到s o c 这个概念，它 有着奇特的魔力，吸引着许多开发工程师与厂商投下许多的精力与研 发费用进行s o c 嵌入式微处理器的开发与应用。 简单来说，我们可以从字意上解释，s o c 就是s y s t e mo nc h i p ，s o c 嵌入式系统微处理器就是一种电路系统，它结合了许多功能模块，将 功能做在一个芯片上，比如它结合了像微处理器核心，像a r mr i s c 、 m i p sr j s c 、d s p 或是其它的微处理器核心，加上通信的接口单元，像 是通用串行端口( u s b ) 、t c p i p 通信单元、g p r s 通信接口、i e e e l 3 9 4 、 蓝牙接口等，这些单元以往都是依照各单元的功能做成一个独立的处 理：笛片，比如一个蓝牙模块，即使结合了蓝牙接口芯片加上嵌入式系 统微处理器，做在一个电路板上，如此会消耗许多的电路空间，而且 也不具经济效益，若是将蓝牙接口单元做在同一个芯片之中，就成为 一个s o c 嵌入式微处理器，借由集成电路的微小制程，可以大幅度缩 小系统所占的体积，大量生产的情况下，生产成本远低于原本需要几 一13 西安j 里r - 大学硕士学位论文 颗芯片制成的电路系统。 s o c 嵌入式系统微处理器所具有的其他的好处可以分为如 下几点： 利用改变内部工作电压，降低芯片功耗。 减少芯片对外管脚数，简化制造过程。 减少对外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递，可以 加快微处理器处理的速度。 内嵌的线路可以避免外部电路板在信号传递时所造成系统 杂讯。 2 1 3 整合型嵌入式系统微处理器 从各式新颖的信息产品到传统家电的”e ”化，到处都可以看到最 新、最尖端的高级嵌入式系统微处理器的应用产品，像是掌上电脑 ( h p c ) 、个人数字助理( p d a ) 、移动电话、机项盒( s e t t o pb o x ) 、信 息家电等，这些嵌入式系统产品的嵌入式微处理器功能越来越强大， 才能和这些产品所要求的多功能和高效率相辅相成。 现在的高级嵌入式处理器要求除了要有附加的上网功能外，还要 拥有告诉处理效率的d s p 架构，能处理大量即时多媒体及音频数据， 可以即时播放m p e g l 、m p e g 2 、m p e g 4 或其他的多媒体流数据；此 外，还要有低功耗的要求，在这么多的要求下，嵌入式系统微处理器 必须具备上网的功能，包括移动电话的无线网络协议w a p 到无线上网 传输的g p r s 及3 g 宽带传输功能，还需要高效率和低功率的特性，可 以延长电子产品所使用的电池有效使用时间等。 2 1 3 1a r m 公司a r m 砌s c 架构微处理器 a r m 公司是一家提供r i s c 架构嵌入式系统微处理器的公司，位 于英国，由a c o r n 、苹果电脑及v l s i 公司联合出资，成立于1 9 9 0 年 1 1 月，主要是开发及设计1 6 位或是3 2 位的嵌入式微处理器，并且将 它所开发的技术授权给器它的半导体公司进行a r m 微处理器的制造。 一1 4 第二章嵌入式系统应用分析 a r m 公司所提供的a r mr i s c 微处理器在这五年来的嵌入式系统 市场打出了一片天下，由于它的a r m r i s c 架构微处理器有着低功耗、 高运算效率及高度整合型等性质，使得许多芯片设计公司与芯片制造 公司竞相向a r m 公司购买a r m r i s c 架构微处理器的核心，作为自己 公司发展的微处理器芯片中的运算的核心。 a r m 的产品最早可以追溯到1 9 9 4 年，它所推出的a r m 6 1 0 ，经 过了几年的时间，a r m 公司推出了使a r m 一炮走红的产品一a r m 7 ， 继续又有a r m 8 、a r m 9 及a r m l 0 等的嵌入式系统微处理器的诞生， a r m 公司的3 2 位嵌入式系统微处理器在公元2 0 0 0 年时已经拥有广大 的市场，根据a n d r e wa l l i s o n 市场研究和策略顾问机构的研究报告， a r m 公司在3 2 位的嵌入式系统微处理器占有率高达7 6 8 。 a r mr 1 s c 架构微处理器系列目前主要分为几个家族产品，分别为 a r m 7t h u m b 家族、a r m 9t h u m b 家族、a r m l 0t h u m b 家族以及 s t r o n g a r m 家族，其中s t r o n g a r m 家族已经被i n t e l 公司取得专用权， 只能由i n t e l 公司从事s t r o n g a r m 架构处理器的改进与生产，其余公司 并不能使用s t r o n g a r m 家族的微处理器架构与应用。 2 1 3 2 i n t e l 公司s t r o n g a r m 微处理器 i n t e i 公司所推展的个人无线通信系统架构中，s t r o n g a r m 嵌入式 系统微处理器式一个很重要的控制核心，因为s t r o n g a r m 具有很高的 工作效率，以及很低的功率消耗等优点，所以i n t e l 公司投入了许多的 人力和金钱在发展s t r o n g a r m 的嵌入式微处理器架构上。 s a l l l 0 嵌入式系统微处理器的架构如图3 1 所示( 详见参考文献 【2 1 】) 。s t r o n g a r ms a l l l 0 嵌入式微处理器，是一个位了通信市场以 及多功能嵌入式系统所设计的嵌入式微处理器，s a1 1 1 0 是采用a r m 公司的a r mv 4 架构设计出来的，它具有高速的内存总线，总线工作 频率可高达1 0 0 m h z ，除此之外，还有很弹性的记忆控制以及扩展内存 的快速储存缓冲区，加上工作电压低，所以功耗也跟着降低。 西安理工大学硕士学位论文 s a1 1 1 0 微处理器拥有1 6 k 字节的指令快取内存及8 k 字节的数据 快取内存，指令及数据快取内存使用不同的内存管理单元进行数据的 传颂，使用4 条输入通道写入缓冲区来储存数据，可以将要处理的数 据放在缓冲器中，提供微处理器快速的数据抓取运算。s a1 1 1 0 还拥有 一个1 6 个输入的小型快取内存( m i n i c a c h e ) ，这个小型快取内存提供 了容量比较少的多个分离数据快取内存，可以提供微处理器对于比较 多的数据进行快速的快取内存中数据保存工作。 图2 1i n t e l 公司的s _ 【r o n g a r ms a l l l 0 嵌入式处理器的架构图 2 1 3 3 德州仪器公司t m s 3 2 0d s p 微处理器 美国德州仪器公司所开发的数字信号处理器( d s p ) 一t m s 3 2 0 家 族，自从1 9 8 3 年时推出了第一颗t m s 3 2 0d s p 微处理器一c 1 x ，到现 在已经有了九代不同产品的出现，各代产品皆是以开发低成本、低功 耗及高效率为目标，不断地研发各式新型的处理器，而有着各种不同 代的d s p 微处理器产品出现。 第二章嵌入式系统应用分析 t m s 3 2 0 家族各世代产品分别命名为c 1 x 、c 2 x 、c 3 x 、c 2 xx 、 c 4 x 、c 5 x 、c 5 4 x 、c 6 x 及c 8 x 。德州仪器公司的t m s 3 2 0 家族基本 可以分为三大类，一种是进行整数运算的数据处理，一种是进行浮点 运算的资料处理，一种是多d s p 微处理器核心整合的d s p 微处理器芯 片。 2 1 3 4 其它常见高级的嵌入式系统微处理器 p h i l i p s 公司t r i m e d i a 微处理器，i n t e l 公司x s c a l e 架构微处理器， m i p sr i s c 嵌入式微处理器，h i t a c h is h 系列嵌入式系统微处理器， m o t o r o l a 嵌入式系统微处理器( 目前使用最多的d r a g o n b a l l 微处理器) 等等。 2 2 嵌入式系统软件平台 早期的许多嵌入式系统根本就没有操作系统，只不过有一个控制 环而已对很简单的嵌入式系统来说，这可能已经足够不过，随着嵌入 式系统在复杂性上的增长，一个操作系统显得重要起来，因为否则的话 将使( 控制) 软件复杂度变得极不合理可悲的是，现实中确实有一些复 杂得另人生畏的嵌入式系统，而且它们之所以变得复杂就因为它们的 设计者坚持认为它们的系统不需要操作系统 渐渐地，更多的嵌入式系统需要被连接到某些网络上，因而，需要 在嵌入式系统中有网络协议栈( 支持) ：甚至很多宾馆中的门把手都有 一个连接到网络的微处理器 把网络栈添加到一个仅用控制环来实现的简单嵌入式系统所带来 的复杂程度可能足以唤起人们对一个操作系统的渴望 随着硬件的发展，嵌入式系统的应用领域日益扩大，提供的应用 功能也越来越复杂，当初的控制程序被随之逐步加入了许多功能，而 这些功能有很多是可以由操作系统来提供的。这很自然地会让人联想 到应该为嵌入式系统做一个嵌入式操作系统。由此可见，嵌入式操作 西安理工大学硕士学位论文 系统是由于工程实践的需要而诞生的。而嵌入式操作系统所使用的技 术，基本上是从台式计算机操作系统下推而来的。由于应用的需要和 硬件条件的限制，嵌入式操作系统一般都注重占用空间小和效率高等 特点。 其实，嵌入式系统并不是一个新生的事物，从八十年代起，国际 上就有一些i t 组织、公司，开始进行商用嵌入式系统和专用操作系统 的研发。这其中涌现了一些著名的嵌入式系统： w i n d o w sc e m i c r o s o f tw 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、完整优先权、多任务的操作系统。它的模块化设计允许它对于从 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 的r o m 。 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 a m c 6