1、中国人民解放军信息工程大学硕士学位论文嵌入式系统硬件开发平台设计及OS移植姓名：濮小川申请学位级别：硕士专业：计算机软件与理论指导教师：赵秋霞20070401信息丁程大学硕士学位论文摘要随着嵌入式技术的蓬勃发展和广泛应用，嵌入式系统的平台化开发已成为发展趋势。但是，目前国内外还没有一种能够支持软硬件一体化开发的通用平台产品。针对这一现状，论文对嵌入式软硬件集成通用开发平台的关键技术进行了深入研究，主要工作包括：设计并实现了一个通用的模块化硬件开发平台，并给出了接口电路设计和改造的通用方法，解决了硬件模块的可复用性问题，使硬件开发平台在逻辑上形成了一个硬件模块库，支持硬件的模块化开发和复用，提高
2、了硬件的开发效率。针对传统板级支持包（）结构封闭、代码专用的弊端，提出了一种可重构的设计方法，设计 并实现了开放的、通用的可重构，降低了的开发难度，提高了开发效率，并兼具硬件抽象层的优点，支持操作系统跨平台移植的快速实现和软硬件的并行开发。通过深入分析操作系统内核及其可移植性，给出了一种基于可重构的操作系统规范化和跨平台移植方法，并以实例论述其具体实现过程，与传统移植方法相比，移植效率得到了提高。以上工作已在项目中得到实际应用和验证，收效良好。关键词：硬件开发平台；板级支持包；操作系统移植；模块化；可重构：跨平台；规范化第页信息工程大学硕士学位论文表目录表铀在两种开发模式下开 发所需的工作量对
3、比表“，中与移植相关的代码。第页信息工程大学硕士学位论文图目录图嵌入式通用开发平台结构框图图工作流程及技术难点分布图微内核与宏内核结构示意图图硬件平台的开发流程。图外部总线时 序图 图外部总线时序图。图模块化设计的 鹊 ”图模块化设计的图，读写时 序图图网络接口模块电路示意图图网 络接口模 块的接口 电路改造示意图（初步）图上的网络 接口模块电路示意图（优化） 图寄存器访问时序图图接口模块示意图图上的接口模块电路 图与硬件抽象层 的区别 图可重构设计示意 图 图网 络接口抽象模 块 内部结构示意图图资源 库结构示意图图船上的结构图图州上的结构图图可重构在整个系统中的示意图图串行与并行开发模式
4、对比图图流程图图此，代码结 构图第页原创性声明本人声明所提交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，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经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得信息工程大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的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谢学位论文题目：丛煎盘：塾塑聋亟送聋丝丝红垦堕垡堕学位论文作者签名：氆型日期：柙年月口日作者指导教师签名：蔓盎趣：艮日期：纱年月口日学位论文版权使用授权书本人完全了解信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权信息工程大学可以保留并向国家有关
5、部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅；可以将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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密学位论文在解密后适用本授权书。）学位论文题目：戤扛强堑鞘车丘型醴丘坠堡遁匾一学位论文作者签名：作者指导教师签名：日期：矽年月，日日期：叩年月口日信息工程大学硕士学位论文第一章绪论，一我们生活在一个嵌入式产品无处不在、无所不有【的 时代！嵌入式技术为人类带来的改变不亚于一场工业革命【。随着信息技术的高速发展，嵌入式技术的应用已经广泛渗透到人们的工作、生活中。从家用电器、手持通 讯设备、信息终端、仪器仪表，到汽车、航天航空、
6、军 事装备、制造工业、过程控制等，各种形式多样的嵌入式产品已经成为信息化时代市场的主流。嵌入式技术是未来计算技术的重要发展方向【引，因此，顺应 嵌入式的发展潮流，研究嵌入式开 发的新技术将极具战略意义。课题背景嵌入式系统概述嵌入式系统的定义嵌入式系统实际上是“嵌入式计算机系统”的简称，它是相对于通用计算机系统而言的。关于它的定义，目前还没有一个统一的标准。电机工程师协会（）对其的定义为：“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置（，眄“）”【，。而国内嵌入式工作者普遍认同的两种嵌入式系统定义为：从技术角度定义：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应特定应用系统，并对 功能、可靠
7、性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统【】。从系统角度定义：嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统。术语“嵌入式”反映了这些系统通常是更大系统中的一个完整的部分，称为嵌入式系统。嵌入的系统中可以共存多个嵌入式系统。嵌入式系统 的组成嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各行各业的具体应用相结合后的产物，是 软件与硬件的综合体，是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断 创新的知识集成系统【】。嵌入式系统由嵌入式硬件和嵌入式软件两部分组成：硬件架构上以嵌入式处理器为核心，包含存储 器、接口和人机交互等外 围设备；软件部分包括一般嵌入式操作
8、系统和应用软件，但操作系统并不是必需的，在小型嵌入式应用系统中一般不用。嵌入式系统的特点嵌入式系统是应用于特定环境下，面对专业领域的应用系统，与通用计算机系统相比主要有以下特点：（）响应及时。 许多嵌入式系 统都有实时性要求，需要对外部时间迅速做出反应，这第页信息工程大学硕士学位论文一点在硬件和软件上都会有很明显的体现】（）资源有限。嵌入式系统在处理器的计算能力和速度、存储器容量等方面与通用计算机系统相比都是相当有限的，这就要求它的硬件和软件的设计都必须简单高效，在保证稳定、安全、可靠的基础 上量体裁衣，去除冗余，力争以最低的成本实现最高的性能。（）低功耗。一方面是为 了省电，因为嵌入式系统往
9、往以电池供电；另一方面是要减少发热量，因 为嵌入式系统中通常没有风扇等排热手段。（）不具备自举开发能力。正是由于自身资源的 闲置，嵌入式系 统不能具备完整的开发环境，需要借助上位机的交叉开发工具和环境才能进行开发。嵌入式系统的发展历 程自年公司推出第一款微处理器以来 【】，嵌入式系统的发展主要经历了三个阶段（以嵌入式操作系统为主线）：无操作系统的嵌入式算法阶段、简单监控式的实时操作系统阶段和通用的嵌入式实时操作系统阶段【。目前，嵌入式系统已与人们的日常生活工作紧密结合， 发挥着越来越重要的作用，其功能的强大、设计的复杂与其诞生之初已不可同日而语。嵌入式系统正朝着网络化、小型化、智能化、多核化和
10、人机界面友好化的方向发展，相信嵌入式系统会给我们带来更多的惊喜，让我们的世界更精彩嵌入式技术的重要性嵌入式技术的发展以及对未来工业革命将产生的巨大影响已经引起世界各国的高度关注。目前，欧洲的嵌入式技术在航空、汽车电子、通信和消 费电子领域处于领先地位，为了继续保持其自身相对于美国和日本的领先优势，欧盟在年成立了（卸）组织，在欧洲范围内整合资金和技术优势，把嵌入式技术上升到一个重要的战略高度进行发展。欧盟认为，嵌入式技术是领域中发展最快的内容，并将保持巨大的技术发展和商业应用机会，掌握嵌入式技术的领导位置，将具有强大的经济和政治利益。在我国，嵌入式技术方兴未艾，国家已经把汽车电子、船舶电子军事、
11、工 业控制等嵌入式系统开发应用列为十一五计划的重点【】全力打造嵌入式系统孵化基地（），努力实现嵌入式产品由中国制造向中国创造的转变，嵌入式技术在产业发展中的重要性仍在持续提升。嵌入式系统的平台化开发趋势及国内外现状当前，随着嵌入式技术的蓬勃发展和广泛应用，日益增长的应用需求与相对落后的嵌入式系统开发模式之间的矛盾，已成为我国乃至世界嵌入式产业界最为突出的矛盾。从零开始的传统小作坊式开发模式将越来越难以满足日益复杂嵌入式产品开发的要求】，而基于软硬件基础平台的开发方式能够最大限度的利用已有的研究成果，减小开发难度、缩短开发时间、抢 占市场先机，因此，平台化将是嵌入式 产品开发未来的发展方向【 “
12、。但是，平台化开发需要有先进的开发平台作支撑，而目前嵌入式开发平台的发展状况尚不尽人意。第页笪星三堡盔兰堡主兰堡丝奎国外发展现 状国外的嵌入式技术起步较早，嵌入式平台开发已初具规模，在众多的嵌入式开发平台厂商中，最负盛名的是美国的风河（鼬）公司，它的实时操作系统以其优异的性能一直把持着嵌入式操作系统的半壁江山，它的风河平台（鼬咖）曾获英国电子工业设计奖，其上集成了操作系统、开发工具、接口软件和管理工具等模块，还包含了硬件和服务器操作参考指南，可以为电子产品的软件开发提供全方位的支持，广泛应用于消费电子、工 业设备、网 络设备、服务器等领域。但是，它主要 侧重于软件平台的集成，操作系统只包含了自
13、产的 【和风河）【，硬件上只提供某些特定领域的解决方案，还 未真正实现硬件平台化， 实际上就是一个自家产品的集成版。风河公司对其自身的定位是嵌入式软件厂商，公司既定方针及其自身利益的限制，注定了它不能将平台化进行到底，不会也不可能站在整个业界的高度去开发一个真正兼容并包的软硬件一体开发平台。风河之后 发布的客户专属平台（，），紧密集成了风河平台，能 够按照客户要求进行定制的集成、扩展和优化，虽然在灵活性上有所提高，但仍未改变其仅作为一个软件厂商的局限性。现在，风河公司已把自己定位成一家设备专用软件优化（，咄）的领先厂商，推崇的平台化策略是电子设备厂商必须采用关键任务中间件和标准化的平台方法，通
14、过提高软件部件的重复使用率，把设备软 件的开发、部署和 维护提升到一个全新的水平【。但这恐怕是它自己的一个一厢情愿的想法，真正实现还有待时日。随着公司的加入，嵌入式操作系统的市场迅速向两极化发展，形成了与硌平分秋色的局面。专用的集成开发平台功能强大，它包括集成开发环境、平台生成器、导出器、调试器、远程实用工具、仿真器等，但不包括硬件开发平台。总的来说，国外嵌入式平台的优秀产品不少，但都是作为特定操作系统的配套产品而存在，有一定的封闭性和专用性，并且一般不支持硬件开发。社会分工的细化是国外嵌入式产业的优点，但也使其产品总是带有与生俱来的局限性，难以实现整个行业标准化、集成化，难以出 现真正的软硬
15、件集大成者。与机系 统不同，嵌入式行业中不存在像当年的一样的统治者，也就不能出现与机一 样的行业标准，而且这种情况还将长期存在。国内发展 现状目前，我国正处于嵌入式技术发展的初级阶段，国内的嵌入式平台市场可以说还是“洋产品”的天下。国内从事嵌入式平台开发的厂商不少，但成气候的不多，相当一部分的厂商还以代理国外产品为主，只有极少几个厂商已经开发出自主的嵌入式开发平台，北京科银京成公司就是其中难得的一个。科银京成可以说是国内嵌入式产业界的执牛耳者，其自行开发的“道系统（） ”是国内第一套具有自主知识产权的嵌入式软件开发平刨”，在我国的海军、航空等国防领域有一定的市场占有率；此后，又推出锄系列第页信
16、息工程大学硕十学位论文的嵌入式基础软件平台，最新的 锄已将开发工具和嵌入式实时操作系统集成在一起，但只包含了自产的实时操作系统，而且不包含硬件平台，只对一些十分看好的领域，提供 软硬件解决方案，如税控收款机等。 总之，国内的嵌入式平台 还相对落后，正处于起步 阶段，嵌入式产业链还有待完善，各厂商 还缺乏提供软硬件整体解决方案的能力。可见，无论国内国外目前都缺乏一种真正完整的、通用的嵌入式开发平台产品，尤其是硬件开发还没有实现平台化，操作系统的支持也十分有限。课题来源及意义本课题来源于国家电子发展基金项目嵌入式系统通用开发平台，该项目以“打造开发平台，孵化嵌入式系统【的方针为指导，着眼于行业性开
17、放系统和平台建设，旨在为我国的嵌入式产品开发提供一个通用的、系统的、完整的、可定制的软硬件集成开发平台，这对于完善我国的嵌入式系统产业链，支持嵌入式系统孵化基地的建设，促进嵌入式系统开发模式的平台化转变，加速嵌入式新技术和新产品的开发与应用，推动我国信息产业的迅速发展都具有十分重要的意义。嵌入式系统通用开发平台是一个集软、硬件平台为一体的综合性开发平台。在硬件上，以各种微控制器为核心，以嵌入式系统常用组成部件为基本要素，构建成一个通用的硬件开发和调试平台。在 软件上，以各种嵌入式操作系统为核心，构建 类型支持库、各种硬件部件的设备驱动程序库，编制各种仿真、开发、调试、 测试、性能分析工具和标准
18、化的设计例程，并把所有要件集成为一个通用的软件开发和调试平台。通用硬件平台与通用软件平台有机结合成的通用开发平台，可以为嵌入式系统设计提供一个完整的开发平台和优化设计方案。如果将嵌入式通用开发平台自底向上分为硬件开发平台、操作系统和软件平台三层的话，那么本课题 完成的是其中作为基础的下面两层，其目的是为通用开发平台提供硬件开发平台和操作系统的支持；同时，也可以直接作为通用的软硬件基础开发平台提供给用户，支持嵌入式硬件的平台化开发和复用，并提供多种跨平台的操作系统支持，相比同类产品具有一定的优越性。本文的主要研究内容及章节安排根据嵌入式通用开发平台的总体设计思路，本课题坚决贯彻项目的平台化思想，
19、将这一思想真正渗透到课题设计开发的每个细小环节中去，实现硬件开发平台和操作系统的充分平台化，做到“一砖一瓦”皆平台。 课题完成的主要工作有：针对传统 硬件开发复 杂、低效的弊端， 给出了一种模块化的平台开发方法，设计并实现了一个通用的模块化硬件开发平台，并给出了接口电路设计和改造的通用方法，解决了硬件模块的可复用性问题，使硬件开发平台在逻辑上形成了一个硬件模块库，支持了硬第页笪星三翌查堂堡主堂堡堡奎件的模块化开发和复用，提高了硬件开发效率。针对传统 结构封 闭、代码专用的弊端，提出了一种可重构的设计方法，设计并实现了开放的、通用的可重构，打破了传统 的封闭性和专用性，降低了的开发难度，提高了开
20、发效率，支持了操作系统跨平台移植和软硬件的并行开发。通过深入分析操作系统内核及其可移植性，给出了一种基于可重构的操作系统规范化和跨平台移植方法，改写了操作系统内核中与移植相关的代码，并将其抽象为的操作系统接口， 实现了基于可重构的操作系统规范化和跨平台移植，提高了操作系统移植效率。论文后续章节安排如下：第二章首先论述了嵌入式平台化开发的思想基础、特点、开发内容和步骤，然后论述了嵌入式通用开发平台的总体设计思路及整体结构，并对课题要解决的技术难点进行了分析，最后论述了几个下文即将用到的相关概念。第三章主要论述了模块化硬件开发平台的设计与实现过程。首先论述了模块化硬件开发平台的总体设计方案，然后以
21、网络接口和接口电路的模块化设计为例，详细论述了硬件平台的模块化设计与复用的实现过程，并对微处理器与外围模块的时序匹配问题进行了深入分析，给出了接口电路设计与改造的通用方案，解决了功能模块复用过程中可能出现的与处理器的工作时序不匹配的问题，最后对模块化硬件开发平台的效能进行了对比分析。第四章首先在深入剖析传统弊端的基础上，提出了一种可重构的设计方法，然后设计并实现了开放的、通用的可重构，并以实例详细论述了其设计和实现过程。第五章首先深入分析了操作系统内核及其可移植性，给出了一种基于可重构的操作系统规范化和跨平台移植方法，然后对其中与硬件相关（移植相关）的代码进行规范地改写和整理，并将其抽象为的操
22、作系 统接口，最后在可重构的基础上，实现了操作系统的规范化和跨平台移植。第页信息工程大学硕士学位论文第二章嵌入式通用开发平台的总体设计与关键技术分析在科学技术的世界里有一个通行的规则【】站在前人的肩膀上，充分利用前人已经取得的成果，把自己的精力专注于自己具有独特竞争优势的地方。要提高嵌入式系统的开发效率必须解决两个问题：一是不要让所有的软硬件工作都从头做起：二是提高软硬件的可重用性。解决这两个问题的正确方法就是实现嵌入式系统的平台化开发。平台化开发的理论基础平台化思想概述平台思想实际上是一个很朴素的思想，它广泛地体现在平时的工作生活中，比如我们学习的知识往往都是前人留下来的宝贵知识财富平台，我
23、们只是在此平台上的不断应用和创新，并对平台的不断 扩充。因此，平台 实质上就是某个领域经验知识的集成，由知 识模块及其管理和应用工具组成。平台的意义在于更好的应用已有的经验知识来开发和探索新的知识。这里所 说的知识包括科学原理、技 术方法、工具、产品等等，但这些都必须以某种具体的方式出现，譬如科学原理可以用编程语言描述的算法和流程来表述，技术方法可以用函数库来组织。所以说，平台是一种技 术，它既可以用于科学研究，也可以用于产品开发。平台又是一种形象的说法，实际上也可以看成一个知识库，这个知识库按照一定的规范来组织，库 内的知识都用某种方式（描述规范和语汇）进行描述，并提供了很多接口和接口工具。
24、描述知识库的方式并不局限于我们比较容易理解的软件的方式，也可以是硬件的形式，譬如微处理器实际上就是把很多行为抽象成为由很多基本逻辑运算组成，然后用硬件来实现这些基本逻辑运算。开发人员通过接口操纵和组合这些基本逻辑运算，创造新的行为。可见开发人员或者上层平台是利用接口来操作知识库的，并将其中的知识重新组合起来开发出新的产品，或者产生新的行为【】。接口工具的作用在于填补各个平台之间的“缝隙”，因为不同的平台都有自己的语汇和规范，接口工具就像一个翻译机，把一种 语汇和规范翻译成另一种语汇和规范，更强大的接口工具还会提供一些管理方法来维护和进化知识库，这种进化不仅局限于容易理解的软件知识库的增添和修改
25、，而且在硬件中也能实现，譬如现在出现的可重构技术，可以在不同的时间，在一 块上实现多种不同的电路。综上所述，我 们可以归纳出平台的三个组成要素：知识库、知识库的接口、接口工具。此外，需要特别指出的是，以软件形态出现的知识库比较常见，称为软库；也存在类似这样的硬件形态知识库，称为硬库。这种广义平台思想已经在各行各业以各种形式被广泛应用，而它也正是开发平台的思第页信息工程大学硕士学位论文想基础和理论依据。平台化开发的特点和优势将平台思想应用于产品开发就是产品的平台化开发，也就是指在一个设计集团中，实行严格的标准化、系列化、 规范化设计，将某一 类产品领域的基本硬件和基本软件集成为产品的“统一机芯”
26、，也即基础平台，并 对基础平台相关的周边扩展电路及应用软件进行优化和筛选，形成基 础平台的平台资源库【 】。在开发新产品时，只需基于基础平台，选择平台库中的相关资源进行集成即可，力求用最小的代价开发出满足应用需求的产品。在平台化模式下，产 品的开发是基于平台建设基础上的，企业的先进技术表现在有先进的软硬件平台，以及在先进的平台上迅速开发出新产品。平台化开发的技术路线可概括为：根据需求选择开发平台、 进行软硬裁剪、重新制作 电路板、自行开 发或委托开发应用软件， 这是一种从复杂到简单、从通用到专用的裁剪过程，开发投入少、周期短、 风险低。符合专业技术分工明确、技术合作与交流日益加强的时代发展潮流
27、。而传统开发模式则是各自为战的、随意性的、个体的、“自然经济”的、所有工作都需从头做起，大量基础工作不断重复，严重阻碍了生产力的发展和生产效率的提高。其技术路线可概括为：根据开发需求选定微控制器、选定硬件设计方案、选购特定型号的开发板及开发系统（如果有的话）、设计和调试硬件电路、自行设计或委托开发底层软件和应用软件，这是一种从无到有、由简到繁的开发过程，开发投入大、周期 长、风险高。与传统开发模式相比，平台化开发的优势主要体现在：（）易用性。屏蔽了具体实现思想，只经过必要的相对较少的接口，为平台应用者提供一个易于理解、易于操作的友好界面。（）快速性。就像建筑工人构建房屋，不用从零开始，而是在基
28、于大量知识集成的基础上，通过采用通用构件来组装目标系统， 进而缩短产品的研发周期。（）可维护性。平台的 标 准化、系列化、 规范化、模块化、参数化设计，降低了平台产品失败的风险，提高了系统的可理解度，有利于产品的建设、维护与更新。（）易扩展性。可 扩展性，或者说可持续发展的能力，是任何开发项目都需要考虑的。而平台化开发则天生具有这种能力，它还可以简单地添加满足条件的、经过实践检验的新构件模块，以 进一步扩展平台的规模和功能等【。总之，平台方式代表了广大产品开发者最根本的利益，代表了先进企业文化的前进方向，代表了先进生产力的发展要求，是 现代化大生产方式下产品开发不可扭转的发展方向和唯一的正确模
29、式。嵌入式平台化开发的内容与步骤嵌入式技术的不断发展和应用需求的不断增长，使得嵌入式开发的难度和复杂度不断增加，需要采用先进的开发模式来降低开发难度，提高开发速度，改变嵌入式产品开发举步维艰的现状。因此，构建通用开 发平台，应用平台化思想进行嵌入式产品的开发成为必第页堕星三堡奎堂堡主堂垡笙塞然。中国计算机学会微机专业委员会最新的中国计算机科学技术发展报告指出：平台化开发策略被广泛采用将是嵌入式系统发展的趋势之一脚。嵌入式系统的开发平台化包括硬件开发平台化和软件开发平台化。硬件开发平台硬件的平台化要求硬件电路的设计尽量做到“模块化”和“拼图化”，根据产品的系统扩展与配置要求，制定外围扩展的典型系
30、列电路。这些典型电路应具有典型性、通用性、系列性和扩展性，做到不需改动或者经很小改动就可以运用到类似的产品中。并针对不同的应用，规划出 优选的硬件结构，例如智能 仪表中， 针对不同的精度要求规划出低、中、高、超高精度的优选数据采集模块电路。软件开发 平台软件的平台化要求实现软件的构件化设计，以提高软件的易复用性和可重构性，应大力采用中间件的设计思想，增强软件的可移植性和硬件无关性，并形成标准的、构件化的应用软件库、驱动库、 专 家函数库、中间件库等。以操作系统为核心，借助其出色的“软件核心”能力，将所有的软件资源都方便、灵活的管理并调度起来，更好地为整个系统服务。同时，操作系统及系 统功能软件
31、（文件系统、网络服务等）应根据嵌入式系统的自身条件和特点按需选择。嵌入式系统的平台化开发步骤如下：（）客户需求分析相对台式机系统，嵌入式系统的客户需求一般都明确清晰。这一部分所占开发周期比重也应相应降低。但在 对客户需求分析的同时要考虑客户潜在的后续应用，在设计系统硬件时尽可能留出余量。（）选择合适的开 发平台主要包括硬件开发平台的选择、操作系统的选择和其它软硬件资源的选择。硬件开发平台的选择主要是指嵌入式处理器及其开发板的选择。其中，嵌入式处理器是整个硬件开发平台的核心，它的选择原则是：满足功能性和非功能性指标（价格、供货速度）需求的、市场应用收效良好的、硬件配置最少的嵌入式处理器【。同时也
32、需要考虑开发人员对此系列处理器的熟悉程度及处理器对嵌入式操作系统的支持程度。处理器开发板的选择原则是能够使其所带硬件资源在最大程度上满足应用需求，宁多勿缺，因为裁剪总是相对比添加容易。操作系统的选择首先要考虑处理器是否支持的问题，然后考虑系统的复杂程度、实时性需求和其它系统功能需求（文件系统、网络服务等），此外，如果操作系统是非开源的，还应考虑其购买和服务成本的问题。其它软硬件资源是指在已选择的硬件开发板和操作系统尚不能完全满足需求的情况下，需要增加的软硬件资源，主要包括：硬件模块及其驱动程序、应用软件等。而且 这些软硬件资源应尽量从各种资源库中选择，实在没有的才自行开发。第页笪：垦三堡奎堂堡
33、主堂笪堡苎（）软硬件裁剪、集成和调试根据应用需求，对硬件开发平台和操作系统进行裁剪，去掉不必要的功能模块，以减小体积，降低成本。将所有 软硬件资源集成并调试，其中， 软硬件的设计和调试可以是串行的，也可以是并行的，这取决于是否有硬件抽象层的支划蝎。（）系统重制作并形成 产品只需将上一步集成并调试好的软硬件，特别是硬件，进行重新制作，在物理上实现裁剪，以满足产 品在体积、成本、外观等方面的要求，最后加载上已调试好的软件就可以形成产品了。产 品也许还会经过严格的测试，解决出现的问题，直至开发出一个可靠而优秀的产品。因此，在建立开 发平台的时候，应尽量保证各软硬件资源都是经过优选，并具有相当的可靠性
34、的。通用开发平台的总体设计平台的整体结构如前所述，嵌入式系统通用开发平台是一个集软、硬件平台为一体的综合性开发平台，旨在为用户提供一个近乎完美的嵌入式解决方案：硬件支持范围广、软件集成程度高，可扩展、可定制、可重构、操作系统内核可裁剪、功能组合模块化、平台架构可拆分，这一切使得嵌入式系统的开发变得像搭积木一样简单，其整体结构如图所示。封硬件开发平台瓣嵌入式实时操作系统图嵌入式通用开发平台结构框图平台的分层设计由图可见，嵌入式通用开发平台在结构上主要可分为硬件开发平台、操作系统和软第页厂， 、信息工程大学硕士学位论文件平台三层，各层设计如下：硬件开发平台 层硬件开发平台层由一系列硬件开发板组成，
35、它的主要作用是为通用开发平台提供广泛的硬件支持。在硬件组成上以嵌入式处理器为核心，包括网络接口、接口、接口、标准串口、液晶控制及显示、触摸屏、存储器等常用外围部件。其中，嵌入式 处理器的支持范围应广泛，支持、等主流体系结构；网络接口支持传输 速率；接口支持，标准；触摸屏应包括电阻式、电容式等不同类型；串口支持等标准：液晶显示支持彩色、黑白、灰度三种等级：存储器包括、等不同类型和容量的存储芯片。此外，其它常用外围部件也应具有一定的硬件包容性，以满足不同的应用需求。在电路设计上应具有典型性、系列性、可扩展性和一定的通用性，做到模块化、拼 图化，实现可定制、可裁剪、可扩充和可复用。硬件开发平台在物理
36、形态上是一系列独立的硬件开发板，但在逻辑上是一个资源丰富的硬件模块库，各模 块功能完整，有机结合为硬件开发平台；从功能模块到硬件开发板到硬件平台都可作为产品提供给用户。操作系统层操作系统层由各种嵌入式实时操作系统组成，主要包括“】【、洲、岱、等常用操作系统。该层所需工作主要是：实现多种操作系统在硬件开发平台上的跨平台移植；分析操作系统内核结构和原理，实现对内核的改造、改进、裁剪和定制；设计并实现可重构的板级支持包，支持的快速开发和操作系统的跨平台移植。软件平台 层软件平台层包括应用软件库、专家函数库、 设备驱动库、 类型库、编译器、连接器、调试器、反汇编器和仿真工具等各种开 发中用到的软件资源
37、。根据项目安排，本 课题完成的是硬件开发平台层和操作系统层。其中，课题又将操作系统层的工作分为的开发和操作系统的移植，本文将按顺序分别对它们进行论述。通用开发平台的关键技术分析硬件开发平台的模块化设计及模块复用问题硬件开发平台由一系列通用硬件开发板组成，每块开发板都以某款嵌入式处理器为核心，包含几乎所有的嵌入式系统常用的功能外设。如果采用传统开发模式，单独为各款处理器设计其开发板，一 则工作量太大，二 则违背了平台化思想， 导致大量重复工作，降低了开发效率。因此，硬件开 发平台中的各开发板均采用模块化设计，将各开发板上的功能电路设计成硬件模块，所有模块以开发板为载体在逻辑上形成一个资源丰富的硬
38、件模块第页堡星王堡查兰堡堂垡笙奎库。各硬件模 块都是精心设计、 优选的电路，具有典型性、通用性和系列性，不经改动或稍作改动就可以运用到各开发板中，各个模块即是一个个小平台，每块开发板都是基于这些“模块平台”开发的。模块化硬件开发平台在物理上是一系列分离的开发板，但在逻辑上却是一个有机结合的硬件模块库，可以支持嵌入式硬件的模块化开发。而这便是平台思想的精髓所在，也是模块化硬件开发平台与其它厂商开发板的本质区别。但是，只有实现 各模块的成功复用，模块化才有意义，各硬件模块才不会被“拘禁”在具体的开发板上，它 们“游离”于整个平台空间，可以进行“自由组合”，从而开发出不同的硬件开发板或产品来。然而，
39、硬件模 块的设计是与处理器密切相关的，不同处理器的接口和时序有可能是不一样的。因此，在 这块开发板上的硬件模块也许会因为接口和时序不匹配而无法直接复用到另一块开发板上去，或者平台中的硬件模块无法直接复用到新的嵌入式系统中去。可 见，硬件模 块的复用问题实际上就是怎样使各模块与各款处理器匹配工作的问题。如果模 块与处理器的接口和时序匹配，则可以不经改动直接复用，如果模块与处理器的接口和时序不匹配，则需要先对模块的接口电路进行改造，然后才能复用。因此，这部分的 难点主要有两个：一是怎样设计使硬件模块更具通用性和可复用性；二是怎样解决硬件模块复用过程中出现的与处理器时序不匹配的问题，也即接口电路的设
40、计与改造问题。板级 支持包的可重构性问题板级支持包（）是介于硬件和操作系统之间的一层【，确切地说是属于操作系统的一部分，其主要目的是：支持操作系统，使之能够更好地运行于硬件主板；隔离操作系统和硬件平台之间的相关性，增强操作系统的可移植性。是相对于操作系统而言的，不同的操作系统对应于不同定义形式的，不同操作系统的写法和接口定义一般是不同的。也是与具体硬件相关的，电路板上的硬件不同，编写的也会不同。可见，是特定操作系统 和特定硬件环境专用的：若硬件 环境完全相同，而操作系 统不同，则需要专门开发不同的；即使操作系统相同，若硬件环境稍有不同，仍需开发专门的。而且，由于与硬件和操作系统密切相关，需要其
41、开发人员对底层硬件、处理器指令集和操作系统都非常熟悉，开发难度较大。因此，如果采用传统的开发方法为每种操作系统在每块开发板上专门开发一个相应的，显然是不合时宣的，也是效率低下的，存在着重复开 发严重、代 码通用性差、维护工作量大等诸多问题。如何实现的可重构和通用化开发，降低的开发难度，提高开发效率，将是 课题需要解决的难点之一。此外，如何使支持操作系 统的跨平台移植也是课题要解决的一个难点。操作系统的规范化和跨平台移植虽然有了的支持，但是移植操作系统的工作仍然很有 难度。操作系 统中所需移植的部分与硬件平台密切相关，需要移植者具备全面的软硬件知识。特别是与处理器相关的第页信息工程大学硕士学位论
42、文代码（如任务切换、开关中断等），一般无法用语占完成，需要用汇编语占实现，开发难度较大。操作系 统内核代码多而复杂，但是与硬件相关的只有一部分，而这部分代码有可能在内核各处分布，因此，需要分析操作系统代码结构，划分出与硬件相关的部分，并将其按接口要求进行规范化修改或重写，以便于在的基础上实现操作系统的跨平台移植。此外，还应研究内核裁剪方法，实现内核的可裁剪和可定制。由以上分析可见，仅实现一个操作系统在一块开发板上的移植，就有很大的工作量。如果实现每一种操作系统在每一块开发板上的移植，则所需的工作量可想而知。因此，迫切需要实现操作系统的跨平台移植，即通过的支持， 实现一个操作系统在一块开发板上的
43、移植代码可以几乎不作改动应用到另一块开发板上，这样就会大大减少操作系统移植部分的工作量。因此，这 部分的难点主要是如何在的基础上实现操作系统的规范化和跨平台移植。综上所述，本文需要解决五大技术难点，即硬件开发平台的模块化设计、硬件模块的复用、的可重构开发 、对操作系统跨平台移植的支持和操作系统的规范化、跨平台移植。论文将在后 续章节中分别加以论述和解决，课题工作流程及技术难点分布如图所示。硬件开发平台；：的模块化设计：硬件模块的复用： 操作系统的移植：可重构的实现 一花集群磐嚣的可；三二：二，季芝薹薏秦缔：，。翠薯 嚣君跨！。一一。支持操作系统。一一。平台移植的跨平台移植图工作流程及技术难点分布几个相关概念的论述由于论文的后续章节将会经常用到几个操作系统相关的重要概念，所以文章先在此对它们作简单论述。操作系统 的实时性首先介绍什么是实时系统，实时系统就是能在有限的时间内获得正确结果的系统【】。一般对实时系统有两个要求：第一，必须产生正确的结果，称为逻辑或功能正确（协）；第二，必 须在预定的时间 内完成，称 为时间正确（协）。既然如此，实时性必须包括功能上的正确性和时间上的正确性【”。然而，很多人对时间上的正确性不甚理解，常常会把它误解为一个字“快”，认为越快就越实时，其实不然，实时 性更关注的是可确定性或者说是可预
