工程硕士学位论文基于中低端单片机的抢占式精简设计摘要本文着重研究了种基于中低端单

工程硕士学位论文基于中低端单片机的抢占式精简设计摘要本文着重研究了种基于中低端单片机的抢占式精简设计公司生产的系列单片机中的微处理器和面向嵌入式系统的网络控制芯片为硬件实现平台。设计针对中低端单片机精简型抢占式内核占用较少的存储器消耗可以对整个实时系统的运行进行控制能根据系统中各个任务的轻重缓急合理的在它们之间分配和各种资源的占用时间。利用信号量功能提高的使用效率。程序简洁且所有内核模块分开设计给出了规范的接口使用方便。大部分代码采用语言编写对内核的核心源码每行代码都行注释便于裁减或扩展并尽可能减少汇编语言的使用减少了开发人员技术掌握时间移植简单稍作修改便可应用于目前大多数型号的。应用平台是对实时性要求很高网络通信协议栈的移植网络通信是目前嵌入式系统一个很重要的发展趋势和研究方向协议栈代码和占用的内存数都非常少并且具有良好的互操作性和集成网络通信所必须的协议微处理器与外设大学教程。测试结果表明系统能够正常稳定运行软件总体编译量小简单高效协议栈的各种协议能够正常运行为以后的嵌入式网络工程应用奠定了良好的基础。更重要的是大大解决了中低端单片机开发中的实时性问题、资源的问题、执行效率问题避开了中单低端单片机寻址能力有限、运行速度慢的缺点给开发设计人员带来了很大的方便。

关键词抢占基于中低端单片机的抢占式精简设计工程硕士学位论文声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果尽我所知在本学位论文中除了加以标注和致谢的部分外不包含其他人已经发表或公布过的研究成果也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名日学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文按保密的有关规定和程序处理。工程硕士学位论文基于中低端单片机的抢占式精简设计绪论研究背景及意义提倡在嵌入式应用中使用嵌入式实时操作系统的最主要原因是提高系统的可靠性。尤其是控制系统“不死机’’是最起码的要求【。在系统的硬件设计上尽量提高抗干扰能力满足电磁兼容性要求只是一方面另一方面就是在软件上采取的措施。长期以来国内传统的开发方式是针对某一应用画程序流程图、编制应用程序。这种程序可以称之为线性程序。在遇到强干扰时程序在任何一处产生死循环或破坏都会引起死机受到强干扰时只能依靠硬件的最后防线一看门狗复位重新启动系统而对于管理的系统这种干扰可能只是引起若干进程中的一个被破坏可以用另外的进程对其进行修复。

不仅可以将应用程序分解成若干独立的进程而且可以另外启动一个监控进程监视各进程运行状况遇到异常情况时采取一些措施像在中将有问题的进程的讨论中普遍使用进程这一概念而在嵌入式的讨论中使用任务的概念则更明确。提倡使用的第二个原因是提高开发效率缩短开发周期。一个复杂的应用程序可以分解成多个任务。每个任务模块的调试、修改几乎不影响其它模块。商业软件一般都提供了良好的多任务调试环境。应用系统中看起来好像是计算机在同时做好几件事。市面上有很多优秀的但在中低端微单片机上运行性能良好的内核并不多。在高档机下运行功能强大、运行极好的嵌入式移植到中低端单片机上时性能很可能大幅度下降。一个很重要的原因就是它的大部分功能对中低端系统来说是不需要的反而成为制约性能的累赘。中低端单片机与高档机相比一方面寻址能力有限、处理速度慢、内部资源少在相同的实时性能要求下对内核的代码效率的要求更为严格另一方面中低档机完成的任务相对简单减少了对内核的功能需求比如可以不需要内存管理【】。从嵌入式系统的共性来说大多数情况下用户程序和系统内核是紧密结合在一起的运行时存储器容量消耗、任务的数量、执行时间和结果都是可以预计的这可进一步缩小对内核的功能需求。

国内外当前研究现状及发展趋势随着单片机设计技术的发展目前单片机的品种已经越来越多其硬件性能得到极大提高价格逐渐降低到能够为人们所接受。原来普遍应用的一些单片机类型将逐渐淘汰。在这样一个大环境下人们为了更好的发挥硬件的功能肯定会接受并积极应用嵌入式实时操作系统来设计软件。虽然目前商业化的多是针对等高端单片机应用但人们也越来越认识到在如这一类型的中低端单片机上使绪论工程硕士学位论文用的必要性由于中低端单片机在结构上相对简单人们可以根据自己的能力设计和使用的设计和实现是一个比较复杂的过程经过几十年的发展形成了百花齐放的现状。如今国内外的开发商有数十家提供了上百个商业化应用较广泛的有等。它们各具特色具有良好的实时性的图形管理则很强。但这些商业化也存在许多问题。首先应用代码的重用性差。当选择不同的开发时不能保护用户已有的应用投资给应用开发者带来难题。其次各个商业化不但价格昂贵而且不提供源代码应用者无法了解其细节微处理器与外设大学教程。以上是所有商业化的都存在的通病。但是也出现了许多公开源代码的内核。如嵌入式等内核。其中由美国先生设计和编写的具有较高的稳定性和良好的移植性在国内的应用中越来越广泛。它的出现改变了以前人们设计使用时的态度减少了经济上的顾虑对于国内的研究、推广、应用将起到重要的推动作用。

未来在嵌入式系统设计中的主导地位得到了进一步巩固将有越来越多的工程师使用进行电子系统的设计。在这个背景下的技术发展将会产生以下一些变化自身的结构设计必须更易于移植以便在短时间内支持尽量多的微处理器标准化的研究及多处理器结构研究、分布式实时操作系统和实时网络的研究、通信设备、控制系统要求的高可靠性会不断的对提出新要求、集成开放式实时系统开发环境的研究。嵌入式网络应用系统平台的概述本课题的应用系统平台主要由硬件系统结构和软件系统结构两大部分组成硬件系统结构主要包括主控芯片单片机和网络控制芯片软件系统结构主要包括嵌入式实时操作系统和一种精简型的协议栈—协议栈。系统组成结构如图所示。应用程序协议栈网络设备驱动系统的组成结构系统硬件结构如图所示控制芯片选用的是公司的单片工程硕士学位论文基于中低端单片机的抢占式精简设计机微处理器是公司开发的位嵌入式处理器它具有高性能、高保密性、低功耗、非易失性等优点而且程序存储器和数据存储器可独立编址并具有独立访问的哈佛结构。单片机内核有丰富的指令集通过个通用寄存器直接与逻辑运算单元相连接允许在一个周期内一条单一指令访问两个独立的寄存器这样的结构使代码的执行效率比传统的复杂指令集微处理器快了将近倍。

网络接控制器使用的是公司的芯片作为一款面向嵌入式应用的以太网控制器芯片具备小封装、高集成度的特点区别于其他增强形工业标准架构接口的以太网控制芯片采用最大速度为同步串行接口作为单片机接口只需条连线即可与主控单片机连接。系统通过接口接入网络从而进行系统的远程访问。臣三互卜叫二堕系统硬件结构对于的嵌入式系统来说嵌入式系统软件结构一般包含四个层面 设备驱动层、实时操作系统 、应用程序接口 层、实际应用程序层【 】。系统软件结构如图 所示。应用程序 协议栈上嵌入式实时操作系统 上硬件驱动程序 驱动图 系统软件结构 本文主要工作全文内容结构安排如下 第一章简要介绍了研究背景及意义、研究现状及发展趋势、嵌入式网络应用系统平台的概述等相关知识。第二章比较详细地介绍网络应用系统平台的硬件及软件体系结构。其中硬件体系结构重点包括 系列的 单片机和 网络芯片软件体系结构包括 协议栈。第三章本文的核心部分。对本课题设计出的精简型抢占式中各个模块进行了详尽的分析描述。主要包括了针对中低端单片机的抢占式内核结构、任务管理、 绪论工程硕士学位论文时间管理、任务间同步与通讯几个大的模块的精简设计分析。第四章对应用平台软件做了较为详细的介绍 重点分析了本课题设计出的精简型抢占式 协议栈结合实现系统的网络应用的多任务协同工作此外 还分析了 以太网卡的驱动程序设计、 协议栈的移植及接口实现。

第五章本文结论验证部分。对基于本课题设计的精简型 在实时性要求高的网络通信平台上的应用进行仿真测试并对系统的运行情况从包括中断响应、任务切换时间、资源利用等多方面进行分析 验证本课题设计出的精简型抢占式 的可行性。第六章对所做的工作进行总结 指出课题进一步工作的展望。 工程硕士学位论文基于中低端单片机的抢占式 精简设计 系统的体系结构本章节将主要介绍系统的体系结构 包括硬件体系和软件体系两大部分。硬件体系结构的介绍包括主控芯片 系列的 单片机和面向嵌入式的以太网控制芯片 软件体系结构的介绍包括嵌入式实时操作系统 和一种精简型的 协议栈— 协议栈。 系统的硬件体系结构 系列 单片机 单片机是 公司研发出的增强型内置系统内可编程 精简指令集高速位单片机。其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间 的数据吞吐率高达 从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。 单片机内部结构框图如图 所示。图 单片机内部结构框图【 系统的体系结构工程硕士学位论文图清晰表明了各种接口的功能 这里不再赘述。此外 内核具有丰富的指令集和 个通用工作寄存器。

所有的寄存器都直接与算逻单元 相连接 使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率 并且具有比普通的 微控制器最高至 倍的数据吞吐率。它与 单片机、 单片机相比具有一系列的优点 、先进的 结构 条指令 大多数指令执行时间为单个时钟周期 位通用工作寄存器全静态工作 工作于 时性能高达 只需两个时钟周期的硬件乘法器。 、非易失性程序和数据存储器 字节的系统内可编程 擦写寿命 具有独立锁定位的可选代码区 通过片上 程序实现系统内编程真正的同时读写操作 字节的 擦写寿命也是 字节片内可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密。 标准兼容符合 标准的边界扫描功能 支持扩展的片内调试功能 通过 接口实现对 、熔丝位和锁定位的编程。、外设特点 一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的 位定时器 计数器 具有独立振荡器的实时计数器 四通道 其中包括个单端通道 封装的 个差分通道 个具有可编程增益 的差分通道面向字节的两线接口 可编程的串行 可工作于主机 从机模式的 串行接口 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 片内模拟比较器。 、特殊的处理器特点 片内经过标定的 振荡器 片外中断源种睡眠模式 空闲模式、 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、 模式以及扩展的 模式。

和封装个可编程的 引脚封装 引脚 封装 引脚封装。 、工作电压及在 时的功耗 工作电压为 。正常模式 空闲模式 掉电模式 衅。目前支持 单片机编译器的语言主要有汇编语言、 语言、 语言等。其中 编译器主要有 语言编译器由于它具有功能强大、运用灵活、代码小、运行速度快等先天性的优点使得它在专业程序设计上具有不可代替的地位。 以太网控制器 是带有行业标准串行外设接口 的独立以太网控制器。它可作为任何配备有 的控制器的以太网接口。符合 工程硕士学位论文基于中低端单片机的抢占式 精简设计的全部规范 采用了一系列包过滤机制以对传入数据包进行限制。它还提供了一个内部 模块 以实现快速数据吞吐和硬件支持的 校验和计算。与主控制器的通信通过两个中断引脚和 实现 数据传输速率高达 。两个专用的引脚用于连接 进行网络活动状态指示。 内部结构框图如图 所示。图 内部结构框图 内部采用 电源 但是其接口都可以容忍 的电压值 在使用 电源的单片机系统中 可以直接将 接口和中断连接到单片机 如果使用 的单片机 的输人引脚直接连接到单片机 输出引脚需要外接一个与门或者三态门进行 的驱动。 的工作频率为 晶振连接在 脚之间振荡器可以选用无源晶体或者有源晶振。 的主要特点如下【 、兼容的 协议的以太网控制器 、集成的 物理层、支持全双工和半双工模式 、数据冲突时可编程自动重发 数据接收发送双端、提供快速数据移动的内部 控制器 、可配置的接收发送缓冲区大小 、支持单播、多播和广播 、两个可编程 输出