基于arm的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計碩士學(xué)位論文-資料下載頁

　　

【正文】 可能產(chǎn)生大得多的內(nèi)核。? RTOS 性能 RTOS 是否提供任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理、中斷處理、同步互斥機(jī)制、文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)功能等功能是選擇 RTOS 的前提。另外，對于實(shí)時性來說有xx 大學(xué)碩士學(xué)位論文18硬實(shí)時和軟實(shí)時之分，它們之間的界限也是十分模糊的，這與你選擇什么樣的 ARM CPU，它的主頻，內(nèi)存等參數(shù)有一定的關(guān)系，像 XSCALE 這樣的處理器，即使配合普通 Linux 的內(nèi)核，內(nèi)核的搶占延時最壞情況也只有 毫秒，而 %的情況是 毫秒，而如果你使用加入實(shí)時補(bǔ)丁等技術(shù)的嵌入式 Linux 如 MontaVista Linux( 版本內(nèi)核)，最壞的情況只有436 微秒，而 %的情況是 195 微秒。? 軟件組件和設(shè)備驅(qū)動程序 到處都會有計算機(jī)，但計算機(jī)的外表不再是一成不變的。為了使美景成真，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)該通過各種標(biāo)準(zhǔn)加大開發(fā)需求的互操作性，開發(fā)者可能要依賴于他人開發(fā)的組件。假如你的應(yīng)用需要通信協(xié)議、服務(wù)、庫或者其他組件（如TCP/IP、HTTP、ftp、tel、SNMP、CORBA 和圖形） ，先看看哪里可以獲得它們。類似的，在設(shè)計中用到現(xiàn)成的設(shè)備或 IC 時，要確定是否可以得到設(shè)備驅(qū)動程序。有些操作系統(tǒng)提供這些特性或驅(qū)動程序的方式不同，可能作為操作系統(tǒng)的一部分，也可能作為可選配件。考慮了上述各種因數(shù)之后，通常我們都可以找到幾個適合自己的嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)，但是現(xiàn)在市場上商用實(shí)時系統(tǒng)都不提供內(nèi)核的源代碼，對于學(xué)習(xí)沒有多少實(shí)用價值；同時使用費(fèi)用都比較十分昂貴，考慮到成本問題后，我們最后決定在目前國內(nèi)在 ARM CPU 上廣泛采用的三種嵌入式操作系統(tǒng)做個分析，選用一個當(dāng)前使用十分成熟的開源免費(fèi)實(shí)時操作系統(tǒng)自建一個操作系統(tǒng)。 幾種開源的嵌入式操作系統(tǒng)的比較181。C/OSII、181。CLinux 和嵌入式 Linux。后兩種同屬于 Linux,前者是針對沒有 MMU 的微處理器，如 ARM7 TDMI 核，后者可適用于絕大多數(shù)有 MMU 的微處理器中，如 ARM920T，當(dāng)然，我們也會涉及到其它支持 ARM CPU 的嵌入式操作系統(tǒng)。? 181。C/OSII 嵌入式實(shí)時內(nèi)核由 Jean Labrosse 先生著，邵貝貝老師翻譯的《嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)181。C/OSII》先后由電力出版社（第一版）和航空航天大學(xué)出版社出版（第二版）發(fā)行了近萬冊，相信有數(shù)以千計的學(xué)生、老師和工程師正在使用 181。C/OSII，在xx 大學(xué)碩士學(xué)位論文19過去的一年中（2022） ，在《電子產(chǎn)品世界》 、 《電子設(shè)計應(yīng)用》和《單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用》等雜志和各種學(xué)術(shù)會議上的有 181。C/OSII 相關(guān)論文就有幾十余篇。全世界數(shù)百種設(shè)備已經(jīng)在使用 181。C/OSII，包括如手機(jī)、路由器、不間斷電源、飛行器、醫(yī)療設(shè)備和工業(yè)控制設(shè)備。181。C/OSII 已經(jīng)有 ARM7TDMI、ARM9 和 Strong ARM 等各種 ARM CPU 的移植，支持包含 Atmel、Hynix、Intel、Motorola、Philips、Samsung、Sharp 等公司的 ARM 核的 CPU。181。C/OSII 的移植也相當(dāng)容易，與 CPU 相關(guān)的代碼包裝在三個文件中，，而且 Jean Labrosse 先生的應(yīng)用筆記 AN1011 和 AN1012 對 ARMAN1337 對 ARM9 的移植過程都做了詳細(xì)的說明。181。C/OSII 有 60 余個系統(tǒng)調(diào)用，覆蓋任務(wù)、定時器、信號量、事件標(biāo)志、郵箱、隊(duì)列和內(nèi)存管理，已經(jīng)包含了傳統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核（如PSOS，VRTX）的功能，還支持互斥型信號量(Mutual Exclusion Semaphone)，這是 90 年代的嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核，如 Vxworks 和 VRTXsa 才有的技術(shù)。181。C/OSII 因?yàn)槭强蓳屨嫉膶?shí)時內(nèi)核，所以 181。C/OSII 與商業(yè)嵌入式實(shí)時內(nèi)核在性能上沒有什么差異，181。C/OSII 沒有用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)，任務(wù)（線程）或中斷和任務(wù)切換的響應(yīng)可以很快，主要是和不同的 ARM CPU 相關(guān)的。最新的 版本還增加了算法以避免在移植中修改 OSINTCEXSW（）中的堆棧指針。這樣可以保證 181。C/OSII 在不同的 CPU 上運(yùn)行更穩(wěn)定，移植更方便。181。C/OSII 目前除了內(nèi)核外還有商業(yè)化文件系統(tǒng) 181。C/FS，圖形系統(tǒng) 181。C/GUI 以及任務(wù)調(diào)試工具 181。C KA 和181。C View，免費(fèi)的 TCP/IP 項(xiàng)目如 LWIP 。總之，181。C/OSII 是一個非常容易學(xué)習(xí)（有一本很好的講解很清楚的書），結(jié)構(gòu)簡單，功能完備和實(shí)時性很強(qiáng)的嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核，適合于各種嵌入式應(yīng)用以及大專院校教學(xué)和科研。最后需要說明，181。C/OSII 不是免費(fèi)軟件，任何人學(xué)習(xí)使用 181。C/OSII 需要購買《嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng) 181。C/OSII》一書，使用了 181。C/OSII 的產(chǎn)品需要購買產(chǎn)品生產(chǎn)授權(quán)，購買了此授權(quán)的還可以得到開發(fā)期間的技術(shù)支持和升級服務(wù)。? 181。CLinux 操作系統(tǒng)181。CLinux 是 Linux 小型化后，適合于沒有 MMU 的微處理器芯片而裁剪成的小型化 Linux 操作系統(tǒng)，在 ARM CPU 系列中，ARM7 TDMI，ARM940T 等 ARM 核的CPU 產(chǎn)品，如果希望使用 Linux 操作系統(tǒng)，只能用 181。CLinux。181。CLinux 保持了傳xx 大學(xué)碩士學(xué)位論文20統(tǒng) Linux 操作系統(tǒng)的主要特性，包括穩(wěn)定、強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)和文件系統(tǒng)的支持，181。CLinux 裁剪了大量的 Linux 內(nèi)核以縮小尺寸，適合象 512k RAM，1M Flash 這樣小容量，低成本的嵌入式系統(tǒng)。181。CLinux 近期主要是在發(fā)展各種 版本的移植，以期跟上 Linux 社會主流的發(fā)展趨勢（因?yàn)榻衲?Linux 將開始成為主流的內(nèi)核）。181。CLinux 系統(tǒng)小型化的另一個重要原因是采用了 181。CLib 庫替代 Linux 的 Glib 庫，使用 181。CLib 可以大大減少應(yīng)用程序的代碼尺寸，對于中小型嵌入式應(yīng)用，181。CLib 功能可以滿足需要，所以目前即使是某些采用 Linux 內(nèi)核的嵌入式 LINUX 系統(tǒng)也采用 181。CLib 庫的做法。181。CLinux 中，由于沒有內(nèi)存保護(hù)機(jī)制，應(yīng)用代碼一般采用靜態(tài)連接的方式，而且在 181。CLinux 中采用 Flat 文件執(zhí)行格式（Linux 是 Coff 或 Elf 格式）, 181。CLinux 和應(yīng)用代碼都可以支持固化，存儲在 Flash 存儲介質(zhì)中，不需像 Linux 需要經(jīng)過一次 Flash 到 RAM 的拷貝。所有這些，使得 181。CLinux 更像傳統(tǒng)意義上的嵌入式操作系統(tǒng)。 ? 嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)芬蘭學(xué)生 Linux Torvalds 在 91 年寫完第一個 Linux 版本時，怎樣也無法想象到今天 Linux 在全世界范圍被廣泛注目和應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)作為 Linux 應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域，由于它的廣泛性和多樣化正在迅速發(fā)展。和微軟的軟件不一樣，Linux 不是由一家公司所擁有、維護(hù)開發(fā)的，Linux 在市場有多種發(fā)行版本，所有發(fā)行版本都包含一樣的 Linux 內(nèi)核、基本工具和應(yīng)用，不同的發(fā)行版本主要是在附加的工具鏈、應(yīng)用、配置以及各種內(nèi)核補(bǔ)丁上有所不同。嵌入式Linux 主要是在實(shí)時性增強(qiáng)、內(nèi)核精簡和裁減、支持多種 CPU 結(jié)構(gòu)（如 ARM CPU）等方面做了改進(jìn)和提高。某些半導(dǎo)體公司，如三星、Motorola 也在自己的網(wǎng)站或銷售自己的 ARM 評估板的時候送給一張 CD，里面含有一個可以支持他們評估板的最小 Linux 內(nèi)核系統(tǒng)。如果這個最小內(nèi)核沒有包含 GCC/GDB 工具鏈，你可能還要到 GNU 的網(wǎng)站下載全部的源代碼，然后再編譯生成你需要版本的ARM 工具鏈和應(yīng)用程序庫，這個過程是相當(dāng)耗時和困難的。還需要指出，這種DIY 內(nèi)核的配置，添加應(yīng)用和驅(qū)動程序是不標(biāo)準(zhǔn)和復(fù)雜的，這是嵌入式系統(tǒng)的特殊性所在，比如說，有的基于 ARM 的應(yīng)用是網(wǎng)絡(luò)上的小型互連設(shè)備，需要多個以太網(wǎng)、USB 主機(jī)、小型的 NOR Flash 文件系統(tǒng)，而一個 ARM 手持終端，它關(guān)心的是 LCD 的觸屏、紅外或藍(lán)牙接口、USB 用戶端、快速的啟動，動態(tài)的電源管理和 NADA FLASH，這樣，你就需要在數(shù)十家 Linux 相關(guān)網(wǎng)站下載各種補(bǔ)丁，xx 大學(xué)碩士學(xué)位論文21應(yīng)用和工具，把它們和你拿到的這個內(nèi)核進(jìn)行反復(fù)的編譯和調(diào)試，確信它們之間以及它們在你所用的 ARM CPU 硬件評估板上是穩(wěn)定可靠工作的，這個過程是在沒有任何技術(shù)支持下完成的。當(dāng)然，如果可以從某家半導(dǎo)體公司或開源的網(wǎng)站能夠得到“最小內(nèi)核”，它所包含的組件（如驅(qū)動、應(yīng)用和文件系統(tǒng)）和你的應(yīng)用近似，而且代碼是可靠的，或者你及時正確得到 Linux 網(wǎng)友的指導(dǎo)，那么你是幸運(yùn)的。前面我們對三種在 ARM CPU 上較為流行的嵌入式操作系統(tǒng)作了詳細(xì)的分析，另外還有幾個在國際上很有名氣的嵌入式操作系統(tǒng)，它們是 Windriver 公司的Vxworks、ATI 的 Nucleus 和微軟的 WinCE。Windriver 的 Vxworks 在兩三年前曾經(jīng)是最具影響力的嵌入式操作系統(tǒng)，幾乎主要的通信設(shè)備制造商都是采用PowerPC+Vxworks 這種組合，但是在 ARM CPU 上，Vxworks 的應(yīng)用并不多見；ATI 的 Nucleus（現(xiàn)在已經(jīng)是 Mentor 的嵌入式部門）曾經(jīng)作為最有名氣的源代碼、沒有版稅的嵌入式操作系統(tǒng)而在北美和亞洲臺灣流行，最成功的設(shè)計范例是各種 GSM 移動電話，Nucleus 只是一個實(shí)時內(nèi)核，用戶需要再購買它的TCP/IP，GUI，文件系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動才能形成一個功能完整的嵌入式系統(tǒng)，這使它在近些年失去了優(yōu)勢；微軟的 WinCE，幾乎所有高端 PDA 都是采用它，它們使用的是 Xscale 或 ARM9 這樣的 CPU，但微軟只是關(guān)心有產(chǎn)量像 PC 一樣巨大的嵌入式設(shè)備制造商，所以他并沒有把自己的 WinCE 像 Linux 一樣易于移植到不同的 CPU 和增加設(shè)備驅(qū)動程序，微軟更愿意像 Windows 一樣自己把所有事情做好，你只是拿去用好了，如果你沒有相當(dāng)?shù)募墑e，很難獲得它的個性化定制服務(wù)。從上面的對比分析我們認(rèn)為采用 181。C/OSII 是比較合適的。 181。C/OSII 的特點(diǎn) 181。C/OSII 的特點(diǎn)可以概括為以下幾個方面：1. 最主要的優(yōu)點(diǎn)是公開源代碼，而且源代碼中有清晰的注釋。除有逐行的注釋外，每個函數(shù)的開頭都有對整個函數(shù)的解釋，源代碼的可讀性很好。內(nèi)核簡單，全部代碼在 6000 行以內(nèi)，適合學(xué)生學(xué)習(xí)。xx 大學(xué)碩士學(xué)位論文222. 擁有可移植性、可固化、可裁減等嵌入式操作系統(tǒng)的先決條件。源代碼絕大部分都是用移植性很好的 ANSI C 寫的，與 CPU 硬件相關(guān)的代碼寫在兩個單獨(dú)的文件里，相應(yīng)得匯編和 C 代碼只有約 200 行。對于特定的產(chǎn)品系統(tǒng)可以提供特定的系統(tǒng)服務(wù)，根據(jù)用戶在應(yīng)用中使用 API 函數(shù)的多少，一般應(yīng)用項(xiàng)目中內(nèi)核增加的額外 ROM 用量在 3KB 到 10KB 之間，RAM 的額外開銷根據(jù)應(yīng)用中任務(wù)的多少、中斷嵌套層數(shù)等決定。3. 181。C/OSII 提供大部分典型嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)有的系統(tǒng)服務(wù)。例如任務(wù)、任務(wù)調(diào)度算法、信號量、互斥信號量、中斷管理、事件標(biāo)志、消息郵箱、消息隊(duì)列、塊大小固定的內(nèi)存的申請與釋放和時間管理函數(shù)等4. 穩(wěn)定性和可靠性有保障是 181。C/OSII 的另一個特點(diǎn)。181。C/OSII 中任務(wù)切換采用查找表，切換速度快，實(shí)時性是可知的，由保證的。181。C/OSII 從 181。C/OS發(fā)明以來已經(jīng)在上千個應(yīng)用中使用，通過了美國聯(lián)邦航空管理局對于商用飛機(jī)軟件的安全認(rèn)證，是一個被實(shí)踐證明好用的內(nèi)核。5. 開發(fā)工具支持。坦言說，目前 μC/OSII 的開發(fā)工具與商業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)工具還有一些差距，目前在 ARM CPU 上廣泛流行和使用的是 ARM 公司 ADS工具鏈，產(chǎn)品無論在功能、穩(wěn)定性和眾多的第三方廠商支持方面都很好，唯一不足的是缺少對嵌入式操作系統(tǒng)的支持，μC/OSII 可以使用 ARM ADS編譯、鏈接，但沒有 OS 調(diào)試功能。 開發(fā)平臺方案總體規(guī)劃 通過上面的分析和選擇我們可以得出開發(fā)平臺方案的總體規(guī)劃如下： 硬件規(guī)劃我們利用 ARM 核的處理器設(shè)計一個多功能的試驗(yàn)平臺，就可以自行添加各種外設(shè)和接口，具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性。實(shí)驗(yàn)板采用“核心板+多種可選配置適配器”的形式構(gòu)成 LPC2136 開發(fā)平臺。下面就是基于LPC2136 的核心板的組成框圖，從此圖中就可以看到其各部分的布局結(jié)構(gòu)。xx 大學(xué)碩士學(xué)位論文23圖24 基于LPC2136的核心板組成框圖核心板的資源如下：? CPU：基于ARM7TDMI內(nèi)核的LPC2136微處理器。，內(nèi)部倍頻最高可至60MHz。? 所有I/O口全部引出，方便用戶連接外部電路的開發(fā)與使用； ? 可進(jìn)行GPIO的控制實(shí)驗(yàn)，如鍵盤輸入、蜂鳴器控制、模擬SPI等； ? 6個獨(dú)立按鍵(可用于外部中斷、定時器捕獲輸入)，8個LED指示燈； ? 具有RS232轉(zhuǎn)換電路，可與上位機(jī)進(jìn)行通訊，完成UART通訊實(shí)驗(yàn)。 可以與標(biāo)準(zhǔn)串行modem和GPRS直接接口，方便遠(yuǎn)程通訊； ? 具有I 2C接口和SPI/SSP接口輸出； ? 使用板內(nèi)的CAT1025（內(nèi)含復(fù)位功能），完成I 2C總線讀寫ROM； ? 使用74HC595芯片，實(shí)現(xiàn)SPI接口數(shù)