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1、湖南大学硕士学位论文基于嵌入式技术智能家庭网络系统的研究与设计姓名：崔晶晶申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：易波20070413硕士学位论文 I摘 要 随着网络信息技术的发展，住宅小区逐渐智能化。家庭网络是家庭信息基础设施的重要组成部分，通过家庭网络实现家庭中各种与信息技术相关的通讯设备、家用电器和家庭安防装置连接到一个家居智能化系统上进行集中或异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调。智能小区信息网的建设将解决通讯网最后一个阶段的接入瓶颈问题，并把信息高速公路延伸到小区和家庭，让居民享有安全、便利、快捷、经济和舒适的现代家居生活。本文以构建智能
2、家庭网络系统和智能家居为目标。首先，研究了嵌入式操作系统 uClinux 和 ARM 微处理器的基本特性，为家庭网关的设计与开发做好软硬件基础储备。其次，分析了智能社区的网络环境，提出了智能家庭网络构建方案，并对家庭网络的体系结构、智能家庭的功能结构进行具体描述。再次，采用 uClinux操作系统和三星公司出品的 32 位 ARM 微处理器 S3C44B0X 为基础的软硬件平台对智能家庭网关进行研究与设计。在家庭网关的硬件方面提出家庭网关的硬件构架，完成了硬件外围电路的设计方案，在系统软件实现上研究了操作系统 uClinux在 ARM 上的移植，并重点分析了在 uClinux 操作系统下的嵌入
3、式 TCP/IP 协议栈，实现家庭网关与以太网上位机之间通信和网关的串口通信。最后，在家庭网关的基础上，设计并实现了基于家庭网关的嵌入式家用抄表系统。通过抄表系统的控制台完成对日常水、电、气的销售管理和对用户数据的分析，从而达到监控用户网关和三表工作状况的目的。关键词：嵌入式技术；家庭网关；S3C44B0X；家用抄表系统 基于嵌入式技术的智能家庭网络系统的研究与设计 II Abstract With the development of the network and information technology,smart home are becoming realization.Home
4、 network is an important part of home information basic installation.By home network,some instruments,such as communication equipment,electrical appliances,home alarm equipment can be combined to constitute a system of smart home for monitoring,controlling and managing at different areas.Meantime,ho
5、me network can keep home instruments coordinating with home environment.The construction of the intelligent community will solve the bottle-neck problem of the last stage,spread the information high way to the community and home,and bring the safe,convenient,economical,comfortable life to the reside
6、nts.The paper aims at constructing intelligent home network and smart home.Firstly,study embedded operating system uClinux and the ARM processor.Secondly,analyze network environment of the intelligent community,provide network constructive solution，study on the architectures of home network and the
7、function architectures of intelligent home.Again the main content is the research of smart home gateway based on the 32-bit ARM and embedded real-time operating system.Considering the stability and expansibility,the system adopts the embedded operating system uClinux and the ARM processor of S3C44B0
8、X，an advanced 32-bit embedded RISC microprocessor.It describes the hardware design of the gateway,and then discusses the process of the transplant of operating system.It expatiates the realization of embedded TCP/IP protocol and the communication between the gateway with Ethernet.Finally,this paper
9、introduces the system of meter reading at home based on the home gateway.The system of meter reading at home provides the management of daily water,electricity,coal gas sale and monitors three lists.Key Words:Embedded Technique;Home Gateway;S3C44B0X;Home Meter Reading System 湖湖 南南 大大 学学 学位论文原创性声明学位论
10、文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制
11、手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于 1、保密，在_年解密后适用本授权书。2、不保密。（请在以上相应方框内打“”）作者签名：日期：年 月 日 导师签名：日期：年 月 日 硕士学位论文 1第 1 章 绪 论 1.1 现代智能家庭网络系统的研究背景及意义 智能家庭网络是信息时代带给人们的一个高科技产物，家庭网络化是整个社会信息化的一个重要组成部分。把自动化控制技术和网络技术、通信技术、嵌入式技术引入家庭，建设智能家庭网络，充分实现家庭自动化和信息化，能够使未来的居住环境变得更为方便和舒适，符合未来家庭的要求。随着智能家庭概念的推出与实施，许多下一代的家用设备将逐渐数字化且具备高度的多媒体通信能
12、力，成为网络家电。如何提供连接这些网络家电基础设施，实现家庭内部信息与家庭外部信息的交换，是一个关键问题，也正是家庭网络的目的所在。与普通家庭相比，智能家庭不仅具有传统的居住功能，还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金1。自 60，70 年代以来，已经有不少的家庭自动化系统面世，但是由于没有解决各系统之间的相互兼容性问题，因此网络标准在全球尚未统一2。目前家用电器组网实现集中管理与控制的主要手段是采用现场总线技术，在这一领域已有多种产品作
13、为即成标准共存。这些产品主要集中在美国、西欧和日本 3 个地区。这些得到广泛应用的系统包括：美国的 X10；日本的 HBS（homebus）；美国的 CEBus3（美国电子工业协会 EIA 定义的消费电器总线规范）；澳洲 Clipasl 公司的 C-Bus；Lonworks4（美国 Echelon 公司的智能控制网络系统）；HomePNA5（电话线组网HomePNA 组织）等等。最近几年中又相继出现了 IEEE802.11 系列,HomeRF 家庭无线网6以及 Bluetooth 蓝牙7。家庭网络系统的主要目标是通过统一的网络总线和控制平台将家庭内的电器设备、灯光控制系统、安全控制系统等连成一
14、体。目前家庭网络的发展趋势是由集中控制到分布控制，与集中式控制相比，分布式控制不仅能减少布线，而且能提高系统的可靠性8。在我国，智能家庭网络的开发和研究处于起步阶段，清华大学清华同方一自动化智能家庭联合实验室于 2001 研究开发出了国内第一套具有自主知识产权的智能家庭网络系统原型。在该系统中采用电力传输线将各个智能家电连成局域网络，通过家庭网络接入 Internet 实现远程监测，通过电话线实施远程控制。基于嵌入式技术的智能家庭网络系统的研究与设计 2由于我国的家庭智能化起步较晚，显示市场还不大，但随着我国经济的快速发展，人们对家庭智能化的需求迅速增高，房地产商对开发建设智能化小区日愈重现，
15、未来市场十分可观。抓住这一宝贵商机，研发和推广应用我国自己的具有价格优势的宽带智能家庭网关产品，可谓恰逢其时既能满足国内市场日愈增大的需求，并以物美价廉的优势打入国外市场，创造巨大的经济效益，又能提高我国人民生活的现代化水平，产生良好的社会效益，其意义十分重大。1.2 现代智能家庭网络的构成 智能家庭网络系统的主要功能具体如下9：1家庭安防，是智能家庭的首要组成部分。例如当家庭智能终端处于布防状态时，红外探头探测到家中有人走动，就会自动报警，通过蜂鸣器和语音实现本地报警；同时，报警信息报到物业管理中心，还可以自动拨号到主人的手机或电话上。2可视对讲，通过集成与显示技术，在家庭智能终端上集成可视
16、对讲功能，无需另外设置室内分机即可实现可视对讲的功能。3远程抄表，如水、电、气表的远程自动抄收计费是物业管理的一个重要部分，实现三表自动抄表计费解决了人户抄表的低效率、干扰性和不安全因素。4网络家电，是智能家庭集成系统的重要组成和支持部分，代表着家庭智能化的发展方向。通过统一的家电联网接口，将网络家电与家庭智能终端相连，组成网络家电系统，实现家用电器的远程监控、故障远程诊断等功能。5家庭短信，是通过家庭智能终端和物业管理中心的联网，来对住户发布信息，住户可通过家庭智能终端的交互界面选择物业管理公司提供的各种服务。6物业报修，通过家庭智能终端可以向物业管理部门申请维修、预订等指定社区服务。图 1
17、.1 为一个简单家庭网络的结构1012。在此家庭网络中，按照设备、网关连接时所使用的介质和底层协议的类型，将家庭网络划分为不同的网段，通过网关来实现不同网段间的连接。网关包括：家庭主网网关和子网关。家庭主网网关实现家庭内部网络同外部网络间的连接转换功能，子网关实现家庭内部网段间的连接转换功能。家庭主网要求较高的数据传输速率，用来实现包括多媒体、数据交换以及高速率设备的控制。家庭网络的对外通讯是通过家庭主网网关来实现的。外部通讯的方式可以使用数字用户线（XDSL）、公用电话线（PSTN）、线缆调制器（CABLE MODEM）、以太网（ETHERNET）或其它媒介。家庭主网网关是家庭网络系统的核心
18、，在与广域网的互联、局域网的内部管理中均起主导作用。家庭主网网关可以从各种外部网络接收通讯信号，通过家庭网络传递信号给家庭内部的各种设备。硕士学位论文 3 家庭子网是家庭网络中包含了家庭子网网关、三表三防设备和家用电器等低速设备的网段。家庭子网网关能与家庭子网中低速信息传输设备实现互连，同时为各种接入设备提供与家庭主网的接口，使子网设备可以获得各种服务。网络体系结构充分考虑到家庭信息化网络的现状和未来对多媒体等高速信息流传输的需求，对多媒体等信息流利用高速传输的、低成本的以太网连接形成家庭主网；同时也充分考虑到目前对家庭中各个传统家电、三表、三防、甚至是灯光控制等设备的互连、集中控制、远程访问
19、与控制的需求，低成本实现的实际需要，以及这类设备互连对传输带宽和使用灵活性要求的特点，提出了以低速传输媒体组成家庭子网并与家庭主网连接的网络体系结构。1.3 现代智能家庭网络的发展概况及研究现状 智能家庭网络是一个融合多学科、多种技术的交叉领域，它是语音、视频、数据和相关设备的融合体，也是家庭内部不同家电、娱乐设施、计算机硬件和通信设备的互联和互操作的基本平台。国际上对智能家庭网络的研究起于 20 世纪 70 年代。开始时各公司自定标准，各自为政，不同公司的产品互不兼容，导致市场的开拓和技术的进步极为缓慢。近十年来，遵循统一标准已成为业内的共识。目前，有关家庭网络技术的标准和规范很多，分别介绍
20、如下：（1）X-10：X-10 是最早流行于美国的智能家庭网络系统13。其主要的特点是采用易于获得的电力线作为传输介质，组网方便。但系统传输速率低、抗干扰能力差，另外系统的寻址能力弱和传输介质单一也限制了它的可扩展性。（2）CEBus：为了解决 X-10 技术上的不足，美国电子工业协会（EIA）于 1984 年 4 月组织开发的家庭网络标准，并于 1992 年正式推出了 CEBus（Consumer Electronic Bus），定为 EIA-600 标准。CEBus 是一种比较完整的开放系统，它定义了几乎所有传输介质中信号的传输标准，但由于对信道的传输速XDSLPSTNETHERNET家庭
21、网关外部网络各种网络服务提供商网络家电安防报警系统三表抄送手持移动设备低速率数据处理TV可视电话音响设备高速率数据处理家庭内部网络图 1.1 家庭网络的总体结构 基于嵌入式技术的智能家庭网络系统的研究与设计 4率标准定义得太低（10Kbps），没有得到广泛应用3。（3）HomePNA:这是 3Com、AMD、IBM、Intel、AT&T、Wireless 等 11 家著名公司成立的家庭电话线网络联盟，致力于采用统一电话线网络的工业标准并且向市场提供可行的电话线组网解决方案514。（4）LonWorks：LonWorks 是由美国 Echelon 公司于 1991 年研制出的完全分布式智能控制网
22、络体系，具有开放性和互操作性，并于 1997 年被 EIA定为家庭网络标准 EIA/IS709。在世界各国得到广泛应用4。（5）HomePlug：这是由 70 个成员组织制定的电源线技术标准14。（6）UPnP：UPnP（Universe Plug and Play）是 Microsoft 于 1999 年初提出的一种家庭联网方案12。它基于 IP 网络，利用 AutoIP、DHCP 和 MulticastDNS 等协议，完成网络中设备的自动配置。（7）Jini：Jini 是 Sun Microsystems 于 1999 年初推出的基于 Java 的分布式计算环境，它提供了网络即插即用的功能
23、12。（8）HBS：HBS（Home Bus System）标准由日本首先提出，但是只规定了通信协议由物理层、数据链路层和网络层组成，上层应用留作工程问题解决15。（9）SCP：这是一种通过电力线组成家庭网络系统的设备控制协议，它允许厂商创建通过低速网络进行通信的小型智能设备14。（10）EIB：EIB（European Installation Bus）是欧洲安装总线协会 EIBA（European Installation BusAssociation）推出的用于电气安装领域的智能控制网络。EIB 系统采用分布式结构，主要使用双绞线作为传输介质。通信协议使用物理层、数据链路层、网络层、传输
24、层和应用层 1516。（11）EHS：EHS（European Home System）是由欧洲 ESPRIT（European Strategic Programme for Research and Development in Information Technology）项目组支持开发的一种开放的家庭网络系统，它采用客户/服务器方式连接。EHS 主要传输介质有电力线和双绞线。通信协议采用了ISO/OSI 模型中的物理层、数据链路层、网络层和应用层15。（12）ECHONET：这是一种通过网络控制家电的通信标准。通过接入 Internet 的控制终端可以对网络家电进行集中控制14。目前国
25、际上对智能家庭网络技术的研究形成多个集团，这些集团的基本目标大致相同，即建立家庭数字网络技术体系。每个集团中按主导企业技术背景差异基本上可划分为两大类，一类以计算机通信企业为主导，另一类以家用电器企业为主导17。第一类的代表性集团是开放业务网关（Open Service Gateway,OSG），其基本目标是以 PC 为基础建立包括其他非 PC（后 PC）类黑色家电、白色家电通信，甚至于电表、水表等的全家庭网络体制。基本思想是以业务为主线建立体系。第二类集团很多，其中影响力较大的是家庭音视频交互协会（Home Audio Video Interactive，HAVI），由主要的数字音视频产品制
26、造商和部分通信计算机制造商组成，基本目标是建立非 PC 的家庭多媒体网络体系，工作的主线是设备间的互联性。其他主要的集团有 Jini,CEBus,Home API,Home PNA,Home PnP,Home RF 等。硕士学位论文 5各个集团的侧重点不同，目前谁是主流体制尚不明朗。国内家庭网络尚处于萌芽状态：方正的卓越 Z 系列、海信的海景二代、海尔的 e 家庭和网络家电、TCL 的家庭信息显示器（HID）以及初露端倪的联想.home等等。这些有益的尝试尽管为用户描述了一个智能家居的美好前景，但是由于缺乏统一的标准、规范和接口协议，更多意义上还只能算一种概念性产品。近几年国内外也提出了一些与
27、智能家庭网络有关的一些技术，利用多代理平台(multi-agent)技术使家庭网络中的分布式的、庞杂的家用设备有效的、和谐的连接在一起18-20。HSSIN（A service of home security system on intelligent network）是一种家庭安全和多种服务控制网络结构，它是基于TCP/IP标准通信协议，也包含了智能网络组建，提供了安全、高速、有效、经济的服务21。RTL-lwIP（Real-Time Linux lightweight IP）是一个基于lwIP TCP/IP协议栈的嵌入式TCP/IP协议栈，运行在RTLinux操作系统中可完成实时任务22
28、。随着嵌入式技术的发展，高性能 CPU、嵌入式操作系统、网络处理器也将是未来家庭智能网络开发的主力军。智能化家庭网络正向着集成化、智能化、协调化、模块化、规模化、平民化方向发展。1.4 论文的研究内容及主要工作 本文在前人工作的基础上，消化现有研究成果，进行了系统和深入的研究。全文结构如下：第一章，绪论。介绍了现代智能家庭网络系统的研究背景和意义，并对现代家庭网络的基本构成进行描述，研究了现代智能家庭网络国内外的发展情况以及它的研究现状，重点研究了家庭网络的国际标准。简单介绍了本文的研究内容和主要工作。第二章，嵌入式系统及相关技术。本章首先对嵌入式操作系统 Linux 作了详细研究，阐述了本系
29、统采用 Linux 作为操作系统的理由以及 Linux 的裁减和内核的改造。然后对 ARM 微处理器的工作状态、寄存器的特点以及 ARM 微处理器对代码编写的要求作了简要阐述。最后简单介绍了本系统所使用的嵌入式 CPU 三星公司推出的 16/32 位 RISC 处理器 S3C44B0X 以及开发平台。第三章，基于家庭网关的智能家庭系统构建。给出了一套智能家庭系统的方案，并针对智能家庭系统的各功能模块作了详细阐述。第四章，嵌入式智能家庭网关的实现。这是本文的重点，在家庭网关的基本功能基础上介绍了嵌入式智能家庭网关的硬件和软件实现。在硬件开发系统上详细介绍整个家庭网关系统的硬件选型和单元电路设计，
30、并给出了系统的硬件设计方案。在软件设计中重点研究了 uClinux 调试环境的建立并且分析了嵌入式TCP/IP 协议栈，完成了家庭网关与以太网上位机之间通信以及串口通信的软件设基于嵌入式技术的智能家庭网络系统的研究与设计 6计流程。第五章，基于家庭网关的家用抄表系统。本章介绍了一种基于家庭网络解决方案的家用抄表系统。采用第四章所设计的网关作为三表与控制台数据通信的中转站。该系统的监控信息管理功能是进行日常水电气的销售管理和对用户数据进行分析，从而达到监控用户网关和三表工作状态的目的。最后，结束语。总结概括全文研究内容，并对嵌入式智能家庭网络系统的研究做了进一步的展望。本论文是关于嵌入式技术的智
31、能家庭网络系统的研究，利用嵌入式技术来解决智能家庭网络的互联互通问题。论文的主要工作如下：1.家庭网络构架：对现有家庭网络和主流的互联技术进行研究，在目前没有统一的标准的情况下，充分考虑到系统的兼容性和扩展性，提出了一种智能家庭网络系统的解决方案。2.基于家庭网关的智能家居系统构建：提出了一套实用性很强的智能家居系统的方案。介绍了智能家居系统的主要功能，并详细介绍了各功能模块。3.家庭网关：家庭网关是整个智能家庭网络的核心，它不仅协调家庭内部各个设备的正常运行，而且它还是家庭内部网络与外部网络的连接通道。本文根据智能家庭网关的功能进行了分析并给出了软硬件实现方案。硬件上采用 ARM 芯片 S3
32、C44B0X 的开发平台，提出家庭网关的硬件构架；软件上移植了 uClinux 操作系统，研究分析了嵌入式 TCP/IP 协议栈，并完成了家庭网关与以太网上位机的通讯功能以及串口通信功能的软件设计流程。4.基于家庭网关的家用抄表系统：将本系统设计的家庭网关作为三表与控制台数据通信的中转站。同时通过家庭网关对水、电、气三表进行实时监控，通过系统的管理功能实现了日常水电气的销售和对用户数据进行分析。硕士学位论文 7第 2 章 嵌入式系统及相关技术 2.1 嵌入式操作系统的选择 2.1.1 选择嵌入式 Linux 作为操作系统的理由 基于对网络实时操作系统的要求和 Linux 本身的特点，我们最终选
33、择嵌入式Linux 作为家庭网关的操作系统。从性能上讲，实时操作系统（RTOS）和普通的操作系统（OS）存在的区别主要是在“实时”二字上。“在实时计算中，系统的正确性不仅仅依赖于计算的逻辑结果而且依赖于结果产生的时间。”从这个角度上看，我们可以把实时系统定义成“一个能够在实时指定或者确定的时间内完成系统功能和对外部或内部、同步或异步时间作出响应的系统”。这个定义要求了：1.系统应该有在事先定义的时间范围内识别和处理离散事件的能力；2.系统能够处理和存储控制系统所需要的大量的数据。而家庭网络实时操作系统（HOME NET WORKING-ROTS）在这个基础上又 增添了以下几种要求：1.系统应有
34、稳定，高速，安全的网络支持 2.应该可以实现多用户多任务的支持 3.有一个易于控制的 GUI 接口 4.系统应对网络设备有较好的支持 Linux 是较好的满足上述的要求，首先 Linux 对网络中最常用的 TCP/IP 协议有最完备的支持。在 GUI 方面 Linux 有 Microwindows，MiniGUI，QT/Embedded等优秀嵌入式图形用户界面，可供使用和选择。Linux 作为嵌入式系统存在的问题：1.没有对硬实时进程的处理机制 2.体积过于庞大，不适于嵌入式系统对体积的要求 3.存在最大进程数（在最新版本中已解决）和最小内存的要求 作为家庭网络的实时操作系统，我们并不要求深内
35、嵌，所以 Linux 可以在它的可缩减范围内达到我们的要求。而它在多用户多任务方面的优秀表现以及它所提供大量的驱动程序足可以弥补这个损失。最吸引人的一点，Linux 下的任何软件都是免费的。根据上面的比较，可以得出：1.嵌入式 Linux 已经很成熟，在大量的应用中得到了实际应用，从所需功能基于嵌入式技术的智能家庭网络系统的研究与设计 8和性能上来说也能很好满足要求。2.Linux 是免费的，无版权费用和 License 费用。3.Linux 是源代码公开的，可以针对应用作出合适的修改和裁减等。所以我们最终选择了嵌入式 Linux 作为智能家庭网络系统中的嵌入式操作系统24。2.1.2 嵌入式
36、 Linux 及其裁减 Linux 内核有自己的结构体系，图 2.1 简单表示了 Linux 内核子系统以及它们之间的相互关系。进程调度子系统控制着进程对 CPU 的访问；内存管理子系统允许多个进程安全的共享主内存区域，从逻辑上可以将内存管理分为硬件相关部分和硬件无关部分，前者为内存管理硬件提供了虚拟接口，后者提供了进程的映射和虚拟内存的对换；虚拟文件系统隐藏了不同硬件的细节问题，给所有设备提供统一的接口；网络子系统提供了对各种网络协议标准的存取和各种网络硬件的支持；进程间通信子系统提供了进程间多种通信机制，包括管道（pipe）、system V 的 IPC 机制及socket 等。值得注意的
37、是，在组建嵌入式 Linux 时，我们一般不刻意去增强 Linux 内核的功能，相反，考虑到商业应用的单一性，往往要删繁就简。随着 Linux 内核版本的升级，其功能也越来越完善，代码容量也一直在增加，这样解读它的难度有增无减。为了简化，开发人员可以从自己熟悉的某个内核版本入手25。内存管理虚拟文件系统进程调度进程间通信网络 图 2.1 Linux 结构图 硕士学位论文 92.1.3 Linux 内核的改造 1.内核体积的改造内核体积的改造 为了精简家庭网络操作系统，首先要裁减 Linux 内核，将原先比较庞大（相对嵌入式系统来说）改造成一个小巧的可配置的内核。去掉无用的功能，保留必要的 Li
38、nux 的基本功能以及应用程序、驱动程序。2.内核可配置性的改造内核可配置性的改造 Linux 内核采用的是整体式结构。因此要对内核进行配置不太容易。因此对于内核功能的配置主要运用模块编程（module programming）。对于常用组件，我们将提供具体的任务模块。将运用用户书写的一个配置文件来进行动态的编译加载，以减少通常意义上的模块编程带来的系统性能损失。3.内核实时性的改造内核实时性的改造 Linux 是一个分时多任务系统，但是可以利用 Linux 的特性给 Linux 增加实时调度能力。双内核系统无疑是最具创造性的内核实时性改造方案。引入一个实时内核，用来处理一切实时进程。利用 L
39、inux 内核可以实现一个建立在这个非实时内核基础上的实时内核，这两个内核共同工作形成双内核系统。4.编程接口编程接口 对于实时 Linux 系统因为它完全支持 Linux 程序。所以我们可以运用一切在Linux 上惯用的技术和手法来编制程序。可以运用 GNU 的系列编程工具为自己的系统添加功能。5.网络支持网络支持 Linux 的产生和发展都是基于网络的，实时 Linux 支持 Linux 支持的所有网络协议。提供通用的 Socket API 接口利于应用系统的开发，并且可以实现远程控制。对家庭网关而言，我们把 TCP/IP 作为默认的网络协议，其他应用可选。裁减一个 Web Server
40、实现和家庭内部设备的数据通讯，达到远程控制的目的。2.2 ARM 微处理器的介绍 在本设计中，目前选用的是三星公司的 S3C44B0X MCU，该芯片是属于ARM7TDMI 系列的微处理器，ARM（Advance RISC Machines）公司依靠转让设计许可的形式由合作伙伴来完成各具特色的芯片生产。其 32 位嵌入式 RISC（Reduced Instruction Set Computer 精简指令集计算机）处理器内核系列以其出色的低功耗，低成本，多系列，数据传输和处理速度快而成为各种数字移动通讯终端以及网络产品的首选。ARM 处理器是典型的 RISC 处理器。传统的 CISC（Comp
41、lex Instruction Set Computer 复杂指令集计算机）计算机的指令集随着计算机的发展而引入了各种各基于嵌入式技术的智能家庭网络系统的研究与设计 10样的复杂指令，使得指令集以及它的实现机构越来越复杂，已经不堪重负。经过大量的研究和分析，发现在 CISC 的指令集中大概有 20%的指令被反复使用，使用量约占整个程序的 80%；而有 80%左右的指令则很少使用，其使用量约占整个程序的 20%，这就是所谓的 20%-80%定律。RISC 体系结构的目的就是使用很少的指令高效的完成所有的工作1426。2.2.1 ARM 核系列的特性 ARM 产品都使用通用的基础体系结构，所有 A
42、RM 处理器共享这一体系结构，并在基础体系上进行扩充同时左右的系列都是向下兼容的当前 ARM 主要有 4 个系列的体系结构：V4T（主要处理器有 ARM7，ARM9 系列）V5TE（主要处理器有 ARM9E，ARM10 系列等）、5TEJ（主要处理器有 ARM10EJ 系列）、V6（主要处理器有 ARM11 系列）。1.ARM 体系结构体系结构 7 种处理器模式种处理器模式 表 2.1 ARM 体系结构支持的 7 种处理器模式 用户模式 usr 正常程序执行状态 快速中断模式 fiq 支持高速数据传送或通道处理 外部中断模式 irq 用于通用中断处理 管理模式 svc 操作系统保护模式 数据访
43、问终止模式 abt 数据或指令预取终止时进入该模式，实现虚拟存储和存储保护未定义指令终止模式 und 支持硬件协处理器的软件仿真 系统模式 sys 运行特权操作系统任务（ARMv4 及以上版本）2.ARM 处理器工作状态处理器工作状态 ARM 处理器有两种工作状态。ARM：32 位，这种状态下执行字对准的 ARM 指令；Thumb：16 位，这种状态下执行半字对准的 Thumb 指令。Thumb 指令是普通 ARM 指令的子系列，每个 Thumb 指令都有与之对应的功能的 ARM 指令。普通 16bit 指令的性能大致只有 32bit 指令的一半，但是 Thumb指令可以提供比普通 16bit
44、 结构指令更高的性能，能提高到 160%，同时 Thumb指令比 ARM 指令有更紧密的代码，代码量大概只是 ARM 的 65%，非常适合于对存储器限制严格的场合。在实际 Thumb 指令的使用过程中，Thumb 指令被实时透明的扩展为 32bitARM 指令，运行的性能不受影响，Thumb 采用了 32bit 指令的全部优点，如 32 位的地址空间，32 位寄存器、转换器和算术逻辑单元，从而有运算能力强、寻址空间大的特点。硕士学位论文 113.ARM 处理器的寄存器处理器的寄存器 ARM 微处理器共有 37 个 32 位的寄存器，其中 31 个为通用寄存器，包括程序计数器（PC）；6 个状态
45、寄存器，这些寄存器只使用了其中的 12 位，将寄存器安排成部分重叠的组，每种处理器模式使用不同的寄存器组。4.ARM 的异常的异常 异常（exception）：由内部或外部源产生易引起处理器处理的一个事件，在处理异常之前，处理器状态必须保留，以便在异常处理完成后，原来的程序能够重新执行。同一时刻可能出现多个异常，按优先级排队处理。ARM 支持 7 种类型的异常，下表列出了异常的类型以及处理这些异常的处理器模式。表 2.2 ARM 支持的 7 种异常 异常类型 模式 正常地址 高向量地址 优先级 复位 管理 0 x00000000 0 xFFFF0000 1（最高）未定义指令 未定义 0 x00
46、000004 0 xFFFF0004 6（最低）软件中断（SWI）管理 0 x00000008 0 xFFFF0008 6 指令预取中止 中止 0 x0000000C 0 xFFFF000C 5 数据中止 中止 0 x00000010 0 xFFFF00I0 2 IRQ（外部中断）IRQ 0 x00000018 0 xFFFF0018 4 FIQ（快速中断）FIQ 0 x0000001C 0 xFFFF00IC 3 异常出现后，强制从异常类型对应的固定存储器地址开始执行程序。这些固定的地址称为异常向量（exception vectors）。2.2.2 ARM7 TDMI 核的主要技术特点 AR
47、M7 系列 MCU 为低功耗的 32 位处理器，适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用。ARM7 系列 MCU 具有如下特点：1.具有嵌入式 ICE-RT 逻辑，调试开发方便 2.极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品 3.能够提供 0.9MIP/MHz 的三级流水线结构 4.代码密度高并兼容 16 位的 Thumb 指令集 5.对操作系统支持广泛，包括 WindowsCE，Linux，Palm OS 等等；6.指令系统与 ARM9 系列、ARM9E 系列和 ARM10E 系列兼容，便于用户的产品升级换代；8.主频最高可达 130MIPS，高速的运算处理能力胜任绝大多数的复杂应用
48、。TDMI 的每一个字母代表一种功能：基于嵌入式技术的智能家庭网络系统的研究与设计 12T（Thumb）：支持 16 位压缩指令集 Thumb D（Debug）：支持片上 Debug M（Multiplier）：内嵌硬件乘法器 I（ICE）：嵌入式 ICE，支持片上断电和调试点 由于 ARM7TDMI 是基于 RISC 指令体系的，相对于 CISC 体系有较简单的译码机制。从而实现了较高的指令流，优秀的实施中断响应能力和体积小，效率高，功耗低的处理器。ARM7TDMI 采用了 3 级流水线技术以及提高处理器的速度。它允许处理器同时进行多个操作，实现取指和处理同步进行，如图 2.2 所示：使取值
49、，译码，执行同步进行，也就是说，程序指针并不是指向执行的指令而是指向待取的指令，而且执行的指令总是超前于程序指针 2 个指令。与非流水线技术的处理器相比，指令执行完成后马上可以执行下一条指令，而不需要等待取值和译码的完成，如此将使处理器的执行速度大大提高。ARM7TDMI 采用了 Van Neumann 结构，指令与数据共用 32 位数据线，只有加载、存储、和交换指令可以访问存储器，面向运算部件的操作数都经过加载和存储指令取出后放到寄存器中，数据处理指令只对寄存器进行操作，以加快执行速度。ARM7TDMI 还提供实时片上调试功能 ICE_RT 逻辑可以进行条件断点设置。目标机与控制调试机间的通
50、讯通过调试通讯通道（DCC）来传递，对 ICE RT 的控制是通过 JTAG（Joint Test Action Group）来完成的。2.2.3 ARM 微处理器对代码编写的要求 ARM 编译器对 C 的编译是非常成熟的，能够生成高质量的机器码，但是对于要求严格的嵌入式环境，总希望代码的执行速度能够尽可能的快而代码量又尽可能的小，这就要求我们尽可能的了解和利用 ARM 的特性，编写出快速高效的代码。这是一些优化代码的原则：取值执行译码 图 2.2 三级流水线示意图 硕士学位论文 131.编译时按照系统不同要求可选择参数-Otime 和-Ospace，其中-Otime 选项可优化循行速度，但代