【毕业学位论文】（Word原稿）ES体系结构的研究及其应用-计算机应用技术智能信息处理和智能控制技术

分类号 学校代码 密级 扬 州 大 学 硕 士 学 位 论 文 系结构的研究及其应用 研究生姓名 周 全 指导教师姓名 窦 振 中 副教授 申请学位级别 硕士学位 专业名称 计算机应用 研究方向 智能信息处理和智能控制技术 论文提交日期 2003. 3 论文答辩日期 学位授予单位 扬州大学 学位授予日期 答辩委员会主席 陈 崚 评 阅 人 吴乐南、黄大庆 扬州大学研究生处制 扬州大学硕士学位论文 2 系结构的研究及其应用 周 全 周全 系结构的研究及其应用 3 扬州大学硕士学位论文 4 摘 要 本文论述了使用 行嵌入式系统开发的原理和方法，着重讨论 嵌入式系统（ 体系结构和建构原理及其应用。嵌入式系统的概念很容易理解，但是高端的嵌入式系统开发很困难。构建一个嵌入式系统，技术门槛高，是一个复杂的系统建构过程。 嵌入式系统开发过程有软件和硬件两部分开发工作。 硬件开发主要涉及微处 理器 /微控制器、存储器和常见外围接口（ A/D、 D/A、时钟、络接口等等）部分的设计。硬件设计包括原理图、 图设计和硬件安装调试。硬件设计的最终成果是具有特定功能的板级电路和系统结构件。 软件设计是嵌入式系统中的主要部分。硬件提供了潜在的计算能力，要发挥硬件功能，需要软件的支持。例如，同样的一台 硬件，可以安装 者 硬件没有任何改动的情况下，用不同的操作系统软件，系统的功能、稳定性和用户操作的感觉会有很大差别。 本文首先概述嵌入式系统的组成原理，然后对嵌 入式系统设计中涉及到的硬件和软件技术作概括性介绍。论文的重点是嵌入式操作系统（ 特别是实时操作系统（ 理论研究，主要对如何应用 发嵌入式系统的问题进行深入的探讨。 通过对 C/E、 “和欣 ” 等大量操作系统的比较研究，本文总结出当前操作系统的发展方向和如何构建属于自己的操作系统的基本方法。这些基本方法对于构建中国自己知识版权的实时操作系 统具有重要的价值和一定的指导意义。 在研究过程中以 C/代表，将该实时操作系统移植到 理器上，并利用 估板上调试成功。另外利用 C/植到 8051 微控制器上，并调试成功。充分验证了对实时操作系统结构的正确理解。本文将通过对移植代码的说明，详细论述操作系统的移植原理。 论文共分 7 章 9 部分。引言部分简要介绍嵌入式系统的重要性和研究嵌入式系统的必要性和迫切性 。 第一章绪论，介绍嵌入式系统的概念和构建嵌入式系统的关键技术。 第二章论述嵌入式系统硬件，详细论述构成嵌入式系统的处理器、存储器、外围设备和网络等硬件要素。 周全 系结构的研究及其应用 5 第三章嵌入式系统的软件，按照系统软件（固件、操作系统）和应用软件，论述了嵌入式系统中的软件技术。 第四章介绍嵌入式系统开发工具，介绍了嵌入式系统开发过程中常用的软件和硬件工具。 第五章和第六章分别以 C/ 8051 和 的移植为例子，说明基于简单操作系统内核和复杂操作系统平台的嵌入式系统开发。 第七章介绍基于 嵌入式系统的构建 方法。 最后是 全文的总结，这部分从课题的需求性、实用性和先进性 3 个方面，对论文进行总结。 关键词：嵌入式系统 , C/州大学硕士学位论文 6 of It is to of to an is a of an or A, . of is to is of in in In is of is to to By C/E, L4 of to C/as it an a C/051 is on to a it is a to in C/全 系结构的研究及其应用 7 扬州大学硕士学位论文 8 目 录 摘要 5 A b s t r a c t 7 目录 9 引言 13 第一章 嵌入式系统概述 15 么是嵌入式系统 15 史回顾 15 用前景 15 要技术支撑 16 入式系统中的主要硬件技术 16 入式系统中的主要软件技术 17 究前沿 17 第二章 嵌入式系统 硬件 19 入式系统处理器的发展 19 入式系统的核心器件类型 19 入式系统的核心器件体系结构 20 型的嵌入式微处理器 A R M 体系结构 21 储器 22 部设备（输入设备 /输出设备 /存储设备 /网络通信设备） 22 围接口（ U S B/并行接口 /串行接口 /无线接口） 22 络 23 第三章 嵌入式系统软件 25 件的作用 25 件 25 件的定义和功能 25 个 固件范 例 H A L 26 层软件 26 件库 27 作系统 27 作 系 统 的 分 类 27 一内核操作系统 27 内核操作系统 28 作系统与实时操作系统 28 O S I X 规范 29 入式操作系统 (E O S)的发展 30 核 31 何构建自己的嵌入式操作系统 36 周全 系结构的研究及其应用 9 用软件的设计 37 块化设计 37 向对象设计 38 功耗设计 38 第四章 嵌入式系统开发工具 39 DS 39 试的概念 41 标系统接口 42 试系统 43 u l t i - I C E 仿真器 44 a s y P a c 46 第五章 C/I v 2 . 5 1到 8051的移植 49 得源代码 49 码结构图 49 C/ 51 C/ 51 度的发生 52 系结构相关代码 53 C/ 53 构说明 53 用 51建立 56 基于 C/ 59 响时空指标的因素 59 行的时间效率 61 第六章 C/I R M 7的移植 63 发环境 63 估板 63 用 66 用 66 67 H A 68 6 结 72 一步工作 73 第七章 基于 L i n u x 的嵌入式系统 75 i n u x 简介 75 发工具 75 主（ H o s t） 平台 75 要的软件代码 75 建工具和内核 76 立系统 77 扬州大学硕士学位论文 10 总结 79 论 文发表情况 81 致谢 83 参考文献 85 附件：程序清单 87 周全 系结构的研究及其应用 11 扬州大学硕士学位论文 12 引 言 嵌入式系统 (1是嵌入微处理器 /微控制器利用其算术和逻辑运算能力实现特定功能的系统。嵌入式操作系统（ 构建嵌入式系统的核心技术。 嵌入式系统的发展和任何一种产业一样，需要市场的拉动和技术的推动。 嵌入式系统具有很好的应用前景。目前嵌入式系统在航空、电力、机械、化工、医疗、制造、消费类电子等领域有广泛的应用。随着微电子技术和嵌入式技术的发展，未来嵌入式系统将应用于更多的领域。因此，研究嵌入式系统开发技术，特别是 有很强的迫切性和实用性。 本论文以嵌入式系统为研究对象，对嵌入式系统的定义、现状和未来，以及如何使用发出成功的嵌入式系统做深入、具体的研究。 嵌入式系 统开发不同于通用计算机上的应用开发。嵌入式系统开发最大的特点是嵌入式系统是从底层硬件到上层应用都需要进行开发，最终实现一个完整的系统。 构建一个嵌入式系统是一项很复杂的工程 2。这其中涵盖了电子技术、计算机技术和网络通信技术中的许多内容。 在嵌入式系统中，用到的电子技术包括：数字电子和模拟电子。数字电子方面包括逻辑电路、接口原理、 等；模拟电子包括模拟电路、 A/D 和 D/A、电源、 嵌入式系统的开发，软件开发占整个系统开发的主要部分 3（软件开发成本占到总成本的 70%左右）。 嵌入式系统的软件与 应用软件的开发有本质的区别。嵌入式系统的软件有 成一个“自治”系统。这个系统除了要实现特定的功能外，还必须满足实时性要求。 嵌入式系统是一门涉及多学科的崭新领域。虽然关于嵌入式系统的讨论很多，但是目前还很少有关于如何建立嵌入式系统的方法论的讨论，更没有形成理论体系。 通过两年多的资料收集、研究和实践，用各种方式收集与嵌入式系统有关的资料，包括 、 P/C、 P、 ，总结出嵌入式系统开发的途径和具体方法，特别是 核移植到不同体系结构硬件上的方法和经验。最后，以两个分别基于 8051 和 际移植的例子，阐述如何在 台上开发低成本、高可靠性、功能强大的嵌入式系统，供嵌入式系统开发人员参考。 周全 系结构的研究及其应用 13 扬州大学硕士学位论文 14 第一章 嵌入式系统概述 么是嵌入式系统？ 嵌入式系统 1被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、 为特殊应用量身定制的 、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。 计算机应用有两 大类：通用计算机系统和嵌入式系统。 每年，全球生产出 50 亿片微处理器 /微控制器等计算芯片。其中，仅仅只有不到 1 亿片芯片用于通用计算机系统。另外的微处理器都被应用到嵌入式系统中。通用计算机系统和嵌入式系统的比例是 1： 50。这个比例中嵌入式系统占的份额还会进一步增大。 史回顾 从计算机诞生的那一天起，计算机的体积、性能、价格不断地依据摩尔定律在变化。个人电脑已经成为人类社会组成的一部分，并且数量仍然在不断增加。 另一方面，嵌入式系统日益渗透到人类生活各个方面。从工业生产、军事装备、教学科研、日常生 活和消费娱乐的各个角落，都有嵌入式系统的应用。嵌入式系统技术使原有的传统技术如虎添翼，得到有力的推动和提高。网络技术、实时系统、人机接口等等技术已经并且正在改变着世界。 用前景 嵌入式系统经历了从低端应用到高端应用的过程。 嵌入式系统的应用领域非常的广泛。传统的机器、仪表、设备等等各种产品都可以嵌入微控制器，使其具有计算能力。这种计算能力，使传统设备具有一定程度的“智能”并使系统的功能、可靠性、安全性、可维护性、交互性、效率、成本、功耗等获得极大的提升，并且具有几乎是无限的发展空间。 从某种程 度上讲，嵌入式系统的应用仅受到工程技术人员想象力的限制，“创意”成了主要的瓶颈！只要有好的“创意”，就可以将计算机领域的成就延伸到人类文明的每一个角落，前提是这种“创意”被市场接受。 嵌入式系统是市场敏感的。以往用单片机开发应用系统的设计师对这一点有深刻的体会。嵌入式系统是一种高科技产品，在产能过剩的今天，没有一种产品可以逃脱市场规律的控制。对于嵌入式系统，它的发展很大程度上取决于市场的需求。 发展趋势表明，“以信息化带动工业化”，中国可以在进入曙光初现的的信息时代实现产业升级和经济腾飞。嵌入式系统对于改善 经济结构、实现产业升级、提升中国产品的国际竞争力将会起关键性作用。嵌入式系统的技术只有融入各行各业，才能体现它的价值。 现在，嵌入式系统在通信、医疗器械、家用电器、仪器仪表、 子游戏等领域已经得到较大发展，并且在不断催生新产品、推动新应用。未来，嵌入式系统会应用到更多过去和现在想都想不到的地方去。我们不能想象未来 100 年后，甚至是 20 年后是什么样子的，但是有一点可以肯定，嵌入式系统在这种变化中起了巨大的作用。 周全 系结构的研究及其应用 15 要技术支撑 嵌入式系统的多样性，决定了它必然包含各种不同相关领域的技术。如果 嵌入式系统是无法穷尽的，那么嵌入式系统的技术也是与时俱进的。这就是为什么至今嵌入式系统的定义仍然存在的各种不同说法的原因。不同的专家，看嵌入式系统这个“无穷集”的角度不同，产生了不同的定义。 在这篇论文中，“主要技术支撑”指构建一个嵌入式系统产品所依赖的与计算机相关的关键技术。另外随着网络的发展，通信技术也成为嵌入式系统的主要技术支撑。 入式系统中的主要硬件技术 从发明数字计算机以来至今，主流计算机的体系结构仍然没有超越 的范围。其特点是存储程序和程序控制。它由运算器、 控制器、存储器、输入设备和输出设备组成。硬件技术就是这 5 大部件中蕴含的技术，主要包括半导体器件技术、模拟电路技术、数字电路技术、微处理器和微控制器技术、 各种半定制器件技术、各种传感器技术、无线通信等等，涵盖的范围非常广泛。总的思路是利用计算机的计算和控制能力，与计算机以外的环境产生互动。 硬件的复杂性体现在与硬件相对应的计算需求和对外围设备控制的需求上。计算需求主要是对各种复杂海量数字信号处理的需求。简单的数字信号处理任务可以在普通微处理器上用软件完成，实时要求高的系统需要用 片甚至采用硬件 计算电路来完成计算任务。 加入嵌入式系统中的不同外围设备，如以太网控制等模块，就会使嵌入式系统的复杂程度大为增加。 入式系统中的主要软件技术 由于硬件变得越来越复杂，功能的需求不断增加，可靠性要求越来越高，同时也对软件提出了越来越高的要求。嵌入式系统软件的复杂度比硬件复杂度增长得更快。软件危机在嵌入式系统中也越来越严重。 解决软件危机的方法是采用工程化方法。使用高级的建模工具、实现工具、调试工具，只有以增量的方式进行开发，才可以开发出比较大的系统。 根据系统的复杂程度（开发难度）和各种成本 预算，可以有以下几种典型的开发模式： 低端应用系统的开发模式：单片机 +监控程序（循环程序 +中断）。开发使用的工具是仿真器（或软件模拟器） +编程器。这种开发的特点是投入相对小，容易上马。但是开发周期长，可靠性取决于开发人员素质，无法得到保证。 高端应用系统的开发模式：嵌入式处理器 +嵌入式实时操作系统（ 开发使用的工具是 真器 (或软件模拟器 )/口 +编程器。这种开发的特点是开发周期相对较短，实时性有保证，可靠性有一定保证；但是投入大， 格昂贵，一般几千至几万美元，还需要高额使 用费，开发风险大。 究前沿 扬州大学硕士学位论文 16 嵌入式系统是融合了工程学理论、微电子学、电子工程、系统软件和应用软件等等信息学科的交叉性学科和领域，具有很高的理论和实用价值。作为一门极具价值的实用型领域和后 代的主要经济增长点，各大半导体厂商和软件厂商都积极的加入到嵌入式系统硬件和软件的研发和市场竞争中来。以下是主要几个大厂商的发展战略。 域取得霸主地位的 在积极进军嵌入式系统领域， 买司的 合自己的技术优势，研发出 系结 构，用于 等用于嵌入式、无线、多媒体的超强微控制器。 合 微控制器，推出 E 和 造嵌入式领域的 盟 。 手机市场表现不俗的龙头老大，一直专注 于嵌入式系统芯片的开发。从低端 68K 的成功，到 16 8 的流行， 嵌入式系统中从没有落后过。从 采用 X， 然要保持它的领先地位。 韩国的半导体产业取得的成就是令人瞩目的。虽然，全球半导体产业增长放缓， 司陷入困境， 有可能成为全球最大半导体厂商。通过购买 发出近百种 控制器，用于从 通信的很多领域。最近消息表明， 发的 成功的，并且获利巨大。 中国和世界的流行，足可以证明这一点。 最大的 供商。 在融合到嵌入式系统中。 合到一片 ，使微控制器和 势互补。 其他： 3 半导体厂商都正在或准备发展基于 的微控制器，作为抢占嵌入式系统市场的手段。 周全 系结构的研究及其应用 17 第二章 嵌入式系统硬件 嵌入式系统的硬件与通用的桌面计算机相比，种类要多得多。一个嵌入式系统，一般由微处理器 /微控制器、 盘、示器、触摸屏、传感器、 A/D、 D/A、 络控制器、无线数据传输模块等构件根据应用的要求进行组合构成。 开发嵌入式系统的硬件需要熟悉硬件设计。同一种类构件可以选择不同厂商提供的产品。这就需要对某一厂商提供的产品很了解。以微控制器为例，很多厂商提供嵌入式处理器。一些大的厂商会开发出系列产品，供不同应用领域选用。即使同一个体系结构的微处理器 /微控制器，也会有不同的厂商购买许可证结合自身特点进行生产，例如， 司的带有 89C 系列 、 司的加有 线的 8列、司的高速 系列以及 司的高速 片 列等。同样是高端 系结构，就有 于 不同微控制器以及 龙珠（ 片等。 选定了微控制器以后，就可进一步确定系统的硬件结构、软件开发工具和调试方式。 入式系统处理器的发展 入式系统的核心器件类型 1. 嵌入式 微处理器 嵌入式系统的核心 硬件 是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一 般就具备以下 4 个特点： 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低。 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。 具有 可扩展的处理器结构，以 适应 能迅速开 发 出 符合 应用 性能要求的嵌入式系统需求 。 嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只 有 至 W 级。 2. 数字信号处理器（ 数字信号处理器是一种专门用于数字信号处理的处理器，它用在有高速数字信号处理的场合。在图像处理、 信等领域 着广泛的应用。 理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行 法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、 分析等方面 法正在大量进入嵌入式 系统 领域， 能，过渡到采用嵌入式 理器。 嵌入式 理器有两个发展来源，一是 理器经过单片化、 造、增加片上外设成为嵌入式 理器， 5000 等 就 属于此范畴；二是在通用单片机或 增加 处理器，例如 扬州大学硕士学位论文 18 3. 片上系统（ 片上系统（ 称 n a 是一种处理器，而是一种开发方式。精髓 是针对某一种应用，开发出集成了所需要的一切资源的单芯片系统。这些 且没有冗余，真正做到量体裁衣！ 种开发方式的出现，得益于 件的进步和可编程逻辑器件（ 发展。使用硬件描述语言（ 可以像编写软件一样设计硬件，综合和底层的实现都可交给高级 件完成。 入式系统的核心器件体系结构 1. 杂系统指令集计算机 (指令集复杂，但指令功能强大。 理器属于 且不断有新的指令添加进来，如多媒体功能的 令集。这类处理器功能强大，实现复杂，软件开发难度也大。 2. 简系统指令集计算机 (指令集简单，对于复杂的功能，需要使用多条指令完成。 68K、 是典型的 令集。 目前流行的 两类：桌面和服务器 嵌入式 典型的桌面和服务器 。 典型的嵌入式 32R、 8K 等。 虽 然， 据了 天下，而由于 先进性， 乎占领了整个嵌入式领域。 使用 好处是， 令集简单并且相似，不同的 间的指令集差不多，学会了一种，掌握其它的指令集就不困难了。 型的嵌入式微处理器 系结构 司从 1991 年推出第一种嵌入式 核 过十年多坚持不懈的打造， 成为世界领先的嵌入式 理器知识产权（ 供商。 理器是一种低功耗高性能的 16/32 位 理器 。 许将其他处理器通过协处理器接口进行紧耦合。它还包括几种内存管理单元的变种，包括简单的内存保护到复杂的页面层次。 低功耗、精简指令系统（ 足了嵌入式系统对 要求，因此， 在嵌入式设备如移动电话和 广泛使用 ，正在成为开发嵌入式系统的首选。 高性能表现为其体系结构是基于 水线架构， 它的指令系统和相关译码机制比那些采用微程序的复杂指令系统的计算机（ 单得多。这个简化带来三个优点： 指令的高吞吐率 极其有效的实时中断响应 周全 系结构的研究及其应用 19 小的高性价比的处理器宏单元 流水线结构可以使所有的处理部件和存储器系统连续操作，典型情况是当一条指令正在被执行时，后一条指令正在被译码，第三条指令同时被从存储器中取指。 构的关键优点是能兼顾到高性能、低功耗、低价格几个方面而做得都比较好，另外具有 能扩展 5。 司作为 32 位处理器内核的提供者，拥有 100 多家半导体合作伙伴， 系。 司自己并不生产或销售芯片，它采用技术授权模式，通过出售芯片 技术授权，收取授权费与技术转让费。 随着 成熟内核的推出，很多过去没有 32 位 发能力的半导体公司进入了这一行列。 它借助于拥有的强大技术优势，在世界范围内与许多业界领先的半导体厂商和芯片设计中心、实时操作系统软件开发商、应用软件公司、电子设计自动化（ 具供应商和系统公司建立合作关系，其中包括世界顶级的厂商 56 家公司。 由此可见 术一定具有不可抗拒的魅力， 1999 年采用 P 核的芯片出货量就达 片，占 2000 年采用 P 核的芯片出货量更是增长到 4 亿片， 场份额上升到 同期 片占 C 芯片占 基于相同的 令集， 司开发出了不同体系结构的一系列处理器，从直到最新的 前，主流 核： 储器 嵌入式系统一般需要扩展存储器，包括 通常，微处理器的存储器接口支持动态的 有最高的性能价格比。 准配件，兼容 准6，嵌入式系统中的 内存条上使用的内存颗粒相同，由于产量大，这种内存颗粒的价格就很低，而且容易购买到。 微处理器还需要扩展 储器，可以考虑的配置是 格低，大量的时候便宜。 可以擦写的存储器，可以当固态电子硬盘使用，我们使用的优盘，就是使用的 储器。 部设备（输入设备 /输出设备 /存储设备 /网络通信设备） 外部设备包括输入设备、输出设备、存储设备和网络通信设备。 嵌入式系统根据应用的需要，可以配置多种输入 /输出设备。 典型的输入设备有：键盘、触摸屏、鼠标、条码阅读器、麦克风、视频摄像头等。 典型的输出设备有： 示器、打印机、扬声器、各种控制伺服机构等。 围接口（ 行接口 /串行接口 /无线接口） 扬州大学硕士学位论文 20 外围接口是计算 机与外部世界交互的界面。一般来说，微控制器的 外部的交互是通过 读 /写等 总线进行，其余的外部接口（并行口、串行口、 394、 ）都是在三总线基础上扩展的外围器件，用于连接外部设备。 有些处理器（如 8051），为了开发者的方便和成本的原因，还提供了并行口、串行口（ 更复杂的嵌入式处理器（ 除了提供串、并行接口外，还提供了接口。有的微处理器， 还提供集成的 口 7，还有的提供 口。 通过集成各种不同的接口，使微处理器具有更强大的功能，同时产品的尺寸减小、可靠性提高，成本降低，这就是 特点所在。 网 络 “网络就是计算机”，没有联上网络的嵌入式系统，其巨大的能力就被束缚了。所以，嵌入式系统的网络化，同样是一场革命。 网络可以分为有线和无线两种。因特网就是以有线网作为主体的网络。嵌入式系统往往是体积小巧、便携式的设备。这种设备不太适合有线连接，使用无线连接更合适。 1. 有线 网络 现场总线技术： 9、 8、 以太网技术： 2. 无线网络 : 现有的个人无线接入方式中，最热门的是蓝牙（ 8。 以下是几种典型无线协议的比较表。 频率 术 宽 7218250135050围 10; /* 零代表键按下 */ 修改完成以后，将 加到工程中，修改 函数，添加一行 #就可以使用键盘模块了。 使用 过 线 发送数据 两种无线数传模块 (见图 图 主要应用于构造近距离