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上海大学硕士学位论文基于ARM的嵌入式协议转换器的设计与实现操作系统的移植及网卡驱动程序设计姓名：刘涛申请学位级别：硕士专业：测试计量技术与仪器指导教师：徐永晋20080101上海大学硕士学位论文摘要随着信息技术的飞速发展，嵌入式系统技术的应用日益广泛。然而目前大多数嵌入式系统还处于单独应用阶段，以M C U 为核心，与一些监测、伺服、指示设备配合实现一定的功能。为了实现多个M C U 之间的信息交流，大多利用C A N、R S 2 3 2、R S-4 8 5 等总线将M C U 组网。现场总线虽然易于构建设备网络，并实现现场设备间的互连互通，但长期以来不同企业出于自身利益的考虑制定了互不兼容的总线标准，使得处于不同总线网络中的设备通信困难。同时，现场总线难以实现与企业办公网络的融合。工业自动化需要开放，统一，互连的总线标准，并迫切需要与企业信息网络融合实现集中管理与决策支持。工业以太网有可能解决传统现场总线的弊端，是现场总线发展的重要趋势。但是传统的现场总线在设备级上已广泛使用并长期存在，现实的情况是需要在不改变已有现场总线的基础上实现与企业信息网络的集成。在工业控制设备之间中长距离通信的诸多方案中，R S-4 8 5 系统总线因硬件设计简单、控制方便、成本低廉等优点广泛应用于工厂自动化、工业控制、小区监控、水利自动测控等领域。目前很多的工业设备采用R S-4 8 5 联网，组成分布式控制系统。基于这种现状，本文系统地提出了在以L P C 2 2 9 2(A R M 7)为C P U、N u c l e u sP L U S 为实时操作系统的平台上，以R T L 8 0 1 9 A S 为网络控制芯片构建R S 一4 8 5 与以太网互连的协议转换器的设计思想与实现方法。本文详细阐述了该系统硬件结构，网络接口硬件的设计方法，通过对嵌入式操作系统N u c l e u sP L U S内核以及T C P I P 协议栈N u c l e u sN E T 的研究和分析，编写出支持以太网接口的硬件平台的板级初始化和协议栈初始化程序，实现了N u c l e u sP L U S 及N u c l 眦sN E T 在A R M 7 上的移植。通过对网络控制芯片R T L 8 0 1 9 A S 内部寄存器的分析，完成了以太网端口驱动程序的开发，从而实现了以太网和R S 4 8 5 总线网络的互连。关键词：R S 4 8 5：N u c l e u sP L U S；L P C 2 2 9 2；R T L 8 0 1 9 A S；以太网V上海大学硕士学位论文A B S T R A C TW i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ei n f o r m a t i o nt e c h n i q u e，t h eu s eo fE m b e d d e dS y s t e mb e c o m e sb r o a d e ra n db r o a d e r M o s te m b e d d e ds y s t e m sa r es t i l la tt h es t a g eo fi n d i v i d u a lu s e，a st h ec o r e,M C Uc o o p e r a t e sw i mm o n i t o r i n g,s e r v ea n di n d i c a t i n ge q u i p m e n t st or e a l i z es o m ef u n c t i o n s U s u a l l yu s i n gf i e l d b u ss u c ha sC A N，R S-2 3 2，R S-4 8 5b u sb u i l dn e t w o r kt oa c c o m p l i s ht h ei n f o r m a t i o nc o m m u n i c a t i o no fm a n yM C U F i e l d b u sc o n n e c ti n d u s t r i a ld e v i c e sa n db u i l d-u pd e v i c e sn e t w o r ke a s i l y,b u ts o m ee n t e r p r i s e ss e td i f f e r e n tf i e l d b u sp r o t o c o l sw h i c ha l ei n c o m p a t i b l ew i t ho t h e re n t e r p r i s e sf o r 也e i ro w ni n t e r e s t，t h u sd e v i c e si n d i f f e r e n tf i e l d b u sn e t w o r k sc o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e rd i 衔c u R l y O nt h eo t h e rh a n d，i ti sd i f f i c u l tt oc o n n e c tf i e l d b u st oo f f i c en e t w o r kw h i c hm o s t l yb u i l ti ne t h e r n e tp r o t o c 0 1 I n d u s t r i a lE t h e r n e tw i l lb et h em a i no r i e n t a t i o no fc o n t r o ls y s t e mn e t w o r ka n dc a ne a s i l yr e a l i z ea m a l g a m a t i o no fd e v i c e sn e t w o r k 谢廿lo f f i c en e t w o r k B u tt r a d i t i o n a lf i e l d b u sh a sb e e nw i d l yu s e di nf a c t o r yf i e l da n dw i l la c ta ni m p o r t a n tp a r tf o ral o n gt i m e，S Oi ti sn e c e s s a r yt h a tt or e a l i z ef i e l d b u sc o n n e c tt oo f f i c en e t w o r k,m a k ei th a st h ec a p a b i l i t yo fi n t e r-c o n n e c t i o na n di n t e r-o p e r a t i o n，a n dk e e pi t Sa r c h i t e c t u r eu n c h a n g e d I nm a n ym i d d l e-l o n gd i s t a n c ec o m m u n i c a t i o no fi n d u s t r i a lc o n t r o le q u i p m e n to p t i o n s，R S 一4 8 5b u ss y s t e mh a sb e e nw i d e l yu s e di nf a c t o r ya u t o m a t i o n，i n d u s t r i a lc o n t r o l，m o n i t o r i n ga r e a,a n dw a t e rc o n t r o lf i e l db e c a u s eo fa n ya d v a n t a g e ss u c ha ss i m p l eh a r d w a r ed e s i g n，e a s i l yb e i n gc o n t r o l l e da n dl o w-c o s t A tp r e s e n t，m a n yi n d u s t r i a le q u i p m e n tc o m p o s e do fD i s t r i b u t e dC o n t r o lS y s t e mb yR S 一4 8 5n e t w o r k A c c o r d i n gt ot h es i t u a t i o n，b a s e do n as y s t e mp l a t f o r mw i mC P UL P C 2 2 9 2(A R M 7)，R T O SN u c l e u sP L U Sa n dn e t w o r kc o n t r o lc h i pR T L 8 0 19 A S，t h i sp a p e rp r e s e n t st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o nm e t h o do ft h ep r o t o c o lc o n v e r t e rb e t w e e nR S-4 8 5a n dE t h e m e t，e l a b o r a t i n gt h eh a r d w a r es t r u c t u r ea n dt h ed e s i g nm e t h o do ft h en e t w o r ki n t e r f a c e B a s e do na n a l y s i sa n dr e s e a r c ho fR T O SN u c l e u sP L U Sk e r n e la n dT C P I Pp r o t o c o ls t a c kN u c l e u sN E T,B o a r dS u p p o r tP a c k a g ea n di n i t i a l i z i n gp r o g r a mo fp r o t o c o ls t a c kw e r ed e s i g n e d A c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fn e t w o r kc o n t r o lc h i pV I上海大学硕士学位论文i n t e r：a a lr e g i s t e r,E t h e m e tC o n t r o l l e rD r i v e rS o t l w a r ew a so b t a i n e d,r e a l i z i n gt h e缸e n 的n n a c t i o nc o m m u n i c a t i o no fE t h e r n e ti n t e r f a c 圮w i t hR S-4 8 5f i e l d b u sn e t w o r k K e y W o r d：R S-4 8 5；N u c l e u sP L U S；L P C 2 2 9 2；R T L S 0 1 9 A S；E t h e m e tI上海大学硕士学位论文原创性声明本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。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发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。签名：本论文使用授权说明本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分内容。(保密的论文在解密后应遵守此规定)签名：上海大学硕士学位论文第一章绪论1 1 课题的研究目的及意义现场总线是当代工业自动化领域的“热点，给控制领域带来了一次革命，其深度与广度将超过历史上的任何一次，并标志着工业控制技术领域有一个新时代的开始【l】。随着计算机技术、控制技术和通讯技术的发展，计算机在工业生产中发挥着越来越重要的作用，各种智能仪器仪表在工业现场中得到了广泛的应用，提高了工业生产的自动化程度，大大提高了生产效率。现场总线是指安装在生产过程区域的现场设备仪表与控制室内的自动控制装置系统之间的一种串行、数字式、双向传输、多分支结构的通信网络【2 1。基于现场总线的自动控制系统被称为现场总线控制系统(F C S)。F C S 采用基于公开化、标准化协议的通信方案，突破了分散控制系统(D C S)专用通信网络的局限，克服了封闭系统所造成的缺陷，同时又把D C S 集中与分散相结合的结构变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。可以说，开放性、分散性与数字通信是现场总线控制系统最显著的特征【3】。实现统一、开放的现场总线标准始终是广大用户的愿望，但是不同行业及应用现场的不同技术特点，特别是各大公司和企业集团在巨大商业利益的驱动下限制了用户愿望的最终实现，从而形成了互不兼容、竞争共存、高速发展的局面。国际电工委员会(m C)于2 0 0 0 年1 月4 日公布了I E C 6 1 1 5 8 现场总线标准，容纳了8 种互不兼容的控制层协议，另外还有三种设备级现场总线标准，统称为I E C“8+3 种总线标准。多种现场总线标准共存己经成为不争的事实。生产厂商为了提高产品的竞争力，在开发某种产品时开始寻求为其配备多种现场总线接口的方案，而用户在选用产品时也要考虑所选用的产品与整个系统的兼容性及可扩展性。同时现存的一般现场总线标准普遍存在数据传输率较低的情况，因此在要求有较高传输率的环境下就显得力不从心。而且一般现场总线标准互不兼容，给系统的集成和用户的使用、维护带来了很大的不便【4】【5 1。上海大学硕士学位论文为了解决现场总线多标准共存的问题，人们开始关注在办公自动化领域中风靡全球的以太网(E t h c m e t)。工业以太网是在以太网的基础上定义了适用于工业现场环境的应用层、用户层等高层协议而构成的。自工业以太网提出以来，很多大公司和科研机构都对其表示出极大的兴趣，纷纷推出了各自的工业以太网协议。如以美国R o c k w e l l 公司为主的开放式设备供应商协会(O D V A)提出的E t h e r N e t I P，由现场总线基金会(F F)提出的高速以太网(H S E)，以及由德国S i e m e n s 公司提出的P r o f i N v t 等。国内的北京和利时工控公司等单位也在进行相关研究，尤其是浙大中控公司的E P A(E t h c r n e tF o rP r o c e s sA u t o m a t i o n)开放网络通信平台，在将工业以太网应用于工业控制现场设备间的通信上取得了可喜的进展【6。工业以太网之所以受到广泛关注，是因为它主要有以下几方面的优势：1 以太网是当今最流行和应用最广泛的通信网络，具有价格低、多种传输介质可选、速度高、易于组网应用等优点。而且其运行经验最为丰富，拥有大量安装维护人员。这样可以使工业以太网设备成本下降，同时降低用户的维护成本。2 过去的十几年中因特网(I n t e r a c t)取得了蓬勃发展，工业以太网易与I n t e r n e t 联接(I n t e m e t 中T C P 的数据流量要占9 5 以上)，使得用户能够通过I n t e m e t 对企业生产进行远程监控，这可以有效的提高企业生产率，增强国际竞争力。3 将工业以太网应用到现场设备层，有望统一现场总线，特别是高速现场总线标准。从而解决由于各种现场总线标准互不兼容而带来的一系列问题。4 工业以太网可以克服现场总线不能与计算机网络技术同步发展的弊端。可以避免现场总线技术游离于计算机网络技术的发展之外，使现场总线与计算机网络技术很好地融合而形成相互促进的局面。虽然工业以太网己经取得了长足的发展，但是现有的基于工业以太网的监控系统多是将工业以太网应用于上层，侧重于系统资源的管理和协调，而用于现场设备层的工业以太网产品却很少。本文开发的嵌入式协议转换器将着重在这方面进行探索，真正实现自顶向下的工业以太网与现场总线的混合结构。2上海大学硕士学位论文1 2 国内外研究现状嘲工业以太网具有良好的发展前景，成为解决开放性问题的希望所在。但工业以太网尚处在快速发展之中，还不成熟，已有的现场总线标准仍将在较长的时间内主导市场。如何解决现有的不同现场总线标准产品间互不兼容问题，己成为生产商和用户广为关注的热点。许多大公司和研究机构看到了这方面的巨大市场需求，纷纷着手研究多种现场总线协议之间的转换技术，如德国S i e m e n s 公司在基于P r o f i b u s 的控制系统中实现了控制层现场总线与管理层以太网的连接。美国R o c k w e l l 公司在控制系统中实现了F FH I，C o n t r o l n e t，D e v i c e n e t、以太网等现场总线之间的互连。国内的浙大中控公司也在其所推出的控制系统中实现了H A R T 协议现场总线、F F H 现场总线与以太网的互连。2 0 0 1 年底以来，国家“十五 8 6 3 计划C I M S 主题，特别是“十五”国家科技攻关计划“工业过程控制技术开发与应用 重点项目中单列了“现场总线网络互联技术”课题，投资力度达4 0 0 万，由北京华控技术有限公司承担，主要涉及H S E(高速以太网)与H A R T,H S E 与P r o f i b u s 以及H S E 与F FH I 现场总线协议的互连。因此，研究工业以太网与多种现场总线协议之间的转换技术，实现在现场设备层上的网络互连，在保证系统实时性的前提下实现不同协议之间数据的无损传输，由此可以解决不同现场总线标准的产品不能兼容的问题，为用户构建开放的自动化系统和改造原有系统，提供高性价比的解决方案。1 3 本文的研究内容及编排基于上述问题，针对目前在工业控制领域应用广泛的R S 4 8 5 系统总线，本文提出了R S 4 8 5 以太网协议转换器设计的一种新的方案，以嵌入式实时操作系统N u c l e u sP L U S 为软件平台，以A R M 为硬件平台，对R S 4 8 5 以太网协议转换器进行了相关研究。论文的研究内容主要包括以下四个部分：1 协议转换器的主要硬件电路设计；2 N u c l e u sP L U S 在L P C 2 2 9 2 上的移植、启动代码的设计；3 T C P I P 协议栈N u c l e u sN E T 的初始化程序的设计；3上海大学硕士学位论文4 网络控制器驱动程序的设计；根据研究目的，选择了合适的方案，以高速的A R M 7 处理器L P C 2 2 9 2 为核心，开发了一块基于N u c l e u sP L U S 的R S 4 8 5 T C P I P 的嵌入式协议转换器。完成了N u c l e u sP L U S 操作系统在目标板上的移植，以及T C P I P 协议栈N u c l e u sN E T初始化，并编写了N u c l e u sP L U S 下网络控制器的驱动程序。论文具体安排如下：第一章绪论第二章嵌入式系统概述第三章嵌入式协议转换器总体方案设计第四章系统硬件设计的实现第五章系统软件设计的实现第六章系统软件的编译及测试第七章全文总结1 4 本章小结本章首先通过对现场总线在当今工业测控系统中的应用现状的分析，详细阐述了本系统设计的意义及目的。然后给出了本设计要实现的内容以及本文的内容编排。4上海大学硕士学位论文第二章嵌入式系统概述2 1 嵌入式系统简介2 1 1 嵌入式系统的定义随着计算机技术的发展，嵌入式系统(E m b e d d e dS y s t e m)已成为计算机领域的一个重要组成部分，并成为近年来新兴的研究热点。根据I E E E(国际电器和电子工程师协会)的定义，嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置【1 0】【l l】。这主要是从应用上加以定义的，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。不过，上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的精髓。目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心，以计算机技术为基础，软件、硬件可以裁减，适用于应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。和通用计算机不同，嵌入式系统是针对具体应用的专用系统，一般都有成本和功耗的要求，因此嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率的设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样面积的硅片上实现更高的性能。2 1 2 嵌入式系统的组成n 3 1嵌入式系统和通用计算机一样，由硬件和软件两部分组成。硬件是软件环境运行的基础，提供了嵌入式系统软件运行的物理平台和通信接口：软件是整个系统的控制核心，控制系统的运行，提供人机交互等信息。(1)嵌入式系统硬件组成嵌入式系统的硬件结构如图2 1 所示，由嵌入式处理器和外围硬件设备两个部分组成成。嵌入式处理器是硬件核心，可分为3 类：嵌入式微处理器(M i c r o p r o c e s s o r)、嵌入式微控制器M C U(M i e r o e o n t r o l l e rU n i t)和嵌入式D S P(D i g i t a lS i g n a lP r o c e s s o r)。5上海大学硕士学位论文外围设备是指在一个嵌入式系统硬件构成中除了嵌入式处理器之外的各种存储器(R A M、S R A M、D R A M、F l a s h 和R O M 等)、通信接口(I，A R T、E t h e r n e t、C A N、S P I、1 2 C、U S B 和G P I O 等)、输入输出接口(L C D、C R T 和触摸屏等)、设备扩展接口(存储卡和I o 卡等)以及电源和辅助设备。T i m e r R T CA D c|D A cl 电源卜G=别人机交互G P I OSl 看门狗l H处理器D M AC A N刮输脯出如l 内存I U A R TU S BE t h e r n e t图2-1 嵌入式系统硬件结构图(2)嵌入式系统软件组成嵌入式系统的软件结构如图2。2 所示，为驱动层、O S 层和应用层三层结构。应用层I竺全苎兰竺至竺I。s 层巨三至一图2-2 嵌入式系统软件结构图驱动层为上层软件提供了设备的操作接口，是嵌入式系统中不可缺少的重要部分。驱动层软件包括硬件抽象层H A L(H a r d w a r eA b s t r a c t i o nL a y e r)、板级支持包B S P(B o a r dS u p p o r tP a c k a g e)和设备驱动程序等。嵌入式操作系统负责内存管理、任务调度、文件系统管理和外设管理等，并通过应用程序接口A P I(A p p l i c a t i o nP r o g r a m m i n gI n t e r f a c e)向用户应用程序提供标准的A P I 函数。用户应用程序主要通过调用系统的A P I 函数对系统进行操作。整个应用程序建立在主任务基础之上，用户的应用程序也可建立自己的任务，任务的协调主要依赖于系统的消息队列。6上海大学硕士学位论文2 1 3 嵌入式系统的特点嵌入式系统不同于一般的系统，它具有其它系统所不具备的一些特性：(1)系统内核小。由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。比如E N E A 公司的O S E 分布式系统，内核只有5 K B，而W i n d o w s 的内核则要大得多【9】1 1 2 1。(2)专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时，针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改；程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级 是完全不同的概念。(3)系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能的设计及实现过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。(4)高实时性的操作系统软件是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固化存储，以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性。嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统而直接在芯片上运行；但是为了合理地调度多任务，利用系统资源、系统函数以及专家函数接口，用户必须自行选配R T O S(R e a l T i m eO p e r a t i n gS y s t e m)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，保障软件质量。(5)嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境。由于嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后，用户通常也不能对其中的程序功能进行修改，因此必须有一套开发工具和环境才能进行开发，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。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。7上海大学硕士学位论文2 2 嵌入式操作系统嵌入式操作系统是一种实时的、支持嵌入式系统应用的操作系统软件，是嵌入式系统极其重要的组成部分。一个典型的嵌入式操作系统的功能模块包括：系统内核、设备驱动接口、文件系统、通信协议、应用程序接口、人机交互接口和图形界面等【1 6】。嵌入式操作系统伴随着嵌入式系统的发展而发展。早期的嵌入式系统中并没有操作系统，因为这些系统多为特定的工业控制系统设计，功能相对单一：采用可编程控制器形式，资源较为有限，不足以支持操作系统；使用汇编语言直接控制系统，也没有必要使用操作系统。随着嵌入式系统的迅猛发展，应用领域日益广泛，结构和功能日趋复杂，使用操作系统对整个系统进行管理尤为重要，嵌入式系统也得到了长足的发展。2 2 1 嵌入式操作系统的分类目前，嵌入式操作系统种类繁多，按照实时性能分为两类：实时嵌入式操作系统和非实时嵌入式操作系统；其中实时又分为硬实时和软实时。嵌入式操作系统还可以分为商用型和免费型两类，商用型实时操作系统功能稳定可靠，有完善的售后服务和技术支持，但价格昂贵，还要定期收取使用费。免费的实时操作系统在价格方面具有优势，并且使用者较多，网络资源丰富。常见的五种商用型实时操作系统【1 4 1 1 1 5 1：(1)V x W o r k sV x W o r k s 操作系统是美国W i n d R i v e r 公司于1 9 8 3 年设计开发的一种实时操作系统，它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。以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛的应用与通讯、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中。(2)p S O Sp S O S 原属于I S I 公司的产品。它是一个模块化、高性能的实时操作系统，专为嵌入式微处理器设计，提供了一个完全的多任务环境，在定制的或商业的硬件上具有高性能和高可靠性。上海大学硕士学位论文(3)P a l m O SP a l mO S 是3 C O M 公司的P a l mC o m p u t i n g 掌上电脑公司的产品，在P D A 市场上占有很大的市场份额(将近9 0)。它能够提供A P I，供用户自行开发应用程序。(4)Q N XQ N X 是加拿大的Q N X 公司的产品，它是在x 8 6 体系上开发出来的，是一个实时的、可扩充的操作系统，具有强大的图形界面功能，因此很适合作为机顶盒、手持设备、G P S 设备的实时系统使用。(5)N u c l e 吣P L U SN u c l e u sP L U S 是美国A T I 公司为实时嵌入式实时多任务操作系统N u c l e u s基础上，为实时嵌入式应用而设计的一个抢先式多任务操作系统内核。其9 5 的代码是用A N S IC 写成的，非常便于移植。它也支持大多数类型的处理器。N u c l e u sP L U S 采用了软件组装的方法，每个组件具有单一而明确的目的，提供清晰的外部接口，模块化很强。常见三种免费型实时操作系统【1 5】：(1)嵌入式L i n u x免费的L i n u x 的出现给商用嵌入式操作系统带来了很大的冲击。它可以移植到多个不同结构的C P U 和硬件平台，具有很好的稳定性。L i n u x 是开放源码的，便于裁减，且L i n u x 的内核小，功能强大，运行稳定。(2)u C L i n u xu C L i n u x 则是继承了标准L i n u x 的优良特性，是高度优化的、代码紧凑的嵌入式L i n u x，具有内嵌网络协议、支持多种文件系统，开发者可利用标准L i n u x先验知识等优势，但是由于没有M M U 内存管理单元，采用实存储器管理策略，其多任务的实现需要一定技巧，其编译后目标文件可控制在几百K 量级。(3)u C O S I Iu C O S I I 是一款多任务的实时操作系统，适合小型控制系统，具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点。9上海大学硕士学位论文2 2 2 嵌入式操作系统的选择1 7。伽随着嵌入式系统的发展，实时操作系统(R 1 的S)也逐渐被人们重视起来，特别是到了2 0 世纪9 0 年代，嵌入式技术全面展开，R T O S 也呈现出百家争鸣的局面。目前国际上流行的操作系统可谓品种繁多、资源丰富，如何选择一款实用的操作系统成为摆在设计人员面前的新问题。在选择一款适合的操作系统时，需要考虑到以下问题：(1)可移植性对于一个嵌入式R T O S 来说，可移植性是首要的要求。嵌入式实时操作系统应当具有良好的可移植性，与硬件平台尽可能少的相关代码。源代码具有可读性，易于修改，可减少开发的难度，便于在不同的硬件平台上移植，易于维护和升级。(2)应用场合国际上不同的软件开发公司开发出的产品一般都有特定的应用背景。选择嵌入式实时操作系统时，要掌握操作系统的特点，需把嵌入式系统的应用场合和嵌入式实时操作系统的特点结合起来考虑，选择合适的嵌入式实时操作系统。(3)成本考虑嵌入式系统的优势是有目共睹的，但各种商业嵌入式R T O S 却价格不菲，系统内核、组件一般都单独销售，动辄就几万，甚至十几万。另外，有些R T O S 的公司还对使用该公司R T O S 的产品征收一定的费用，对于一些价格敏感的应用只能望而却步。而u C L i n u x 和u C O S I I 等R T O S 代码公开的嵌入式实时操作系统，对于需要R T O S 支持，但无强大资金为后盾的应用提供了一种折中的解决方案，当然，使用这些免费的R T O S 资源，必然涉及到软件系统的稳定性、开发难易、技术支持等一系列问题，需要根据利益来权衡。(4)组件是否齐全嵌入式系统，必然要不断进行硬件功能的扩充与升级，功能不断增强的系统才更具有生命力。如在没有使用U S B 的板卡上扩充U S B 功能，以方便数据的传输和通信；在没有显示接口的设备上增加L C D 显示功能，以进行可视化处理等，而整个系统的升级，需有相应的软件支持，功能的扩展必然需要R T O S 相应组件的支持，选择R T O S 时，必须对相应的组件有所了解，以便在需要的时候购置相1 0上海大学硕士学位论文应的组件。本课题是面向测控系统中的应用，无疑对操作系统的稳定性和实时性提出了较高的要求。N u c l e u sP L U S 操作系统内核属于商业化实时操作系统内核，相对于代码公开的u C O S I I、u C L i n u x 等操作系统内核可靠性、稳定性可以得到保证，并有强大的技术支持。与W i n C E、p S O S 等内核相比，N u c l e u sP L U S 具有更高的实时性，因其属于抢占式内核，事件响应的时间是确定的。除了具备良好的实时性和稳定性外，N u c l e u sP L U S 提供注释严格的C 源代码，相对于只提供库函数的V x W o r k s 操作系统内核来说更加易于学习和使用，使开发人员能够深入了解底层内核的运作方式，并可根据自己的特殊要求裁减和修改，这对软件的规范化管理及系统软件的测试都有极大的帮助。由于提供了源代码，使得系统的过程可控，不必担心操作系统中可能会存在异常任务导致系统崩溃。N u c l e u s 除了提供功能强大的操作系统内核外，还提供了种类丰富的功能组件，如用于通讯系统的局域和广域网络组件，支持图形应用的实时化W i n d o w s 组件，工控机实时B I O S组件，图形化用户接口以及应用软件性能分析组件等；不需要板级支持包(B o a r dS u p p o r tP a c k a g e)的支持，移植简单；目标代码小，适合于嵌入式领域应用：代码大部分按照标准C 编写，对编译、连接无特殊要求；产品在量产时也不必支付L i c e n s e，可以节省大量的费用。基于以上优点，本课题选取N u c l e u sP L U S 作为系统的软件内核。2 3A 跚微处理器概述2 3 1A R M 微处理器简介A R M 是A d v a n c e dR I S CM a c h i n e s 的缩写，是微处理器行业的一家知名企业。该企业设计了大量高性能、廉价、低功耗的R I S C 处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。适用于多种领域，比如嵌入式控制、消费教育类多媒体、D S P 和移动式应用等。A R M 处理器在耗电、数据传送、数据处理速度以及带D S P 功能等方面业界领先，很快成为移动通信、手持计算、多媒体数字消费和嵌入式解决市场的R I S C标准。上海大学硕士学位论文A R M 将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和O E M 厂商，每个厂商得到的都是一套独一无二的A R M 相关技术及服务。利用这种合伙关系，A R M 很快成为许多全球性R I S C 标准的缔造者。,M Z M 架构是面向低预算市场设计的第一款R I S C 微处理器【2 0 1。2 3 2A 删微处理器特点A R M 7 系列微处理器为低功耗的3 2 位R I S C 处理器，最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用。A R M 7 微处理器系列具有如下特点：具有嵌入式I C E R T 逻辑，调试开发方便。极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品。能够提供0 9 M I P S M H z 的三级流水线结构。代码密度高并兼容1 6 位的T h u m b 指令集。对操作系统的支持广泛，包括W i n d o w sC E、L i n u x、P a l m0 S 等。指令系统与A R M 9 系列、A R M 9 E 系列和A R M l 0 E 系列兼容，便于用户的产品升级换代。：主频最高可达1 3 0 M I P S，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用。A R M 7 系列微处理器包括如下几种类型的核：A R M 7 T D M I、A R M 7 T D M I S、A R M 7 2 0 T、A R M 7 E J。其中，A R M 7 T M D I 是目前使用最广泛的3 2 位嵌入式R I S C 处理器，属低端A R M 处理器核。T D M I 的基本含义为：T：支持1 6 为压缩指令集T h u m b；D：支持片_ =D e b u g：M：内嵌硬件乘法器(M u l t i p l