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1、华中科技大学 硕士学位论文 嵌入式板级支持包研究与实现 姓名：夏钊 申请学位级别：硕士 专业：计算机应用技术 指导教师：胡贯荣 20070605 4 摘 要 目前，基于ARM体系结构的嵌入式系统应用日趋广泛，建立嵌入式系统软件是 应用开发的关键环节，嵌入式系统软件架构一般由板级支持包、嵌入式操作系统和 应用软件三部分组成。其中板级支持包(Board Support Package，简称BSP)，是嵌入 式系统中介于硬件平台和操作系统之间的中间层软件，主要目的是屏蔽底层硬件的 多样性，向操作系统提供底层硬件信息并最终启动系统。 通过对嵌入式BSP功能特点和启动过程的分析，归纳出BSP的共性，设计
2、一种基 于ARM体系结构的BSP解决方案， 该方案从功能上将BSP分为必需和可选两部分， 集 成微内核操作系统ucosII，支持良好的可扩展性和移植性。 BSP的必需功能主要完成一系列初始化工作（包括片级初始化、软件环境初始化 和板级初始化） ，将系统带到一个合适的状态，最终加载并启动嵌入式操作系统。其 中片级初始化包括CPU主频的设置等；软件环境初始化涉及堆栈、应用程序执行环 境、地址重映射、内存管理和异常处理等；板级初始化涉及定时器、内存控制器、 通用输入输出端口和串口等。 BSP的可选功能主要包括：相关设备驱动介绍，如：USB、Flash和LCD等；设 计简单的通讯协议，在ucosII的
3、通信机制和多任务支持下，利用环形缓冲区技术和状 态机原理，完成目标板和宿主机高效、稳定的通讯，实现系统的固化、集成测试与 调试。 关键词： 板级支持包，嵌入式系统，移植 5 Abstract At present, the application of embedded system based on ARM architecture is being widely used. The setup of embedded system software is the key part of application development. Embedded system software ar
4、chitecture is consisted of Board Support Package, which is short for BSP, embedded operating system and application software. As a hardware platform of operating system and application, BSP masks the diversity of the hardware, and provides the basic hardware information for the embedded operating sy
5、stem, and boots the kernel finally. This article concludes the commonness of BSP s function while running by analyzing the characteristic and boot process of embedded BSP and design a solution of BSP based on ARM architecture, which is divided into needed and optional parts and integrates operating
6、system ucosII. The BSP supports better expandability and portability. The needed part of BSP finishes the initialization of the hardware, and brings the system to a moderate state and finally boot the embedded system kernel, which includes the initialization of chip, software environment and board.
7、The chip initialization includes the set of frequency of CPU etc. The software environment initialization involves heap and stack, application running environment, address remap, memory management, and exception handling etc. The board initialization involves timer, memory controller, GPIO and seria
8、l port etc. The optional part of BSP mainly includes two aspects. One is the related device driver, such as USB, Flash, and LCD etc. Another is about communication, which designs a simple communication protocol and finishes stable and efficient communication between host and target and implements th
9、e system romability, integrated test and debug. Key words: board support package, embedded system, portable 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了
10、解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 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。 本人授权华中科技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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪论 1.1 课题背景 随着信息化进程的推进，嵌入式系统以其软硬件的可剪裁性、体积的小型性、 技术的集成性等特点被广泛应用在信息终端、工业控制和信息家电等领域1,2。凭借
11、高性能和低功耗的优势，采用 ARM 微处理器3的嵌入式系统遍及各类产品市场。几 乎世界上所有半导体厂商都生产基于 ARM 体系结构的芯片，如 Motorola，Intel4， Philips，Samsung 等。目前，ARM 处理器已广泛应用于无线产品、手持终端、导航 定位系统和智能卡等，围绕着它的一些应用已成为研究的热门方向5。 在嵌入式产品中，微处理器性能的提升和软件上操作系统的支持，使得整个嵌 入式系统拥有了完整的架构。从软件的角度看，一个典型嵌入式系统的软件架构6 通常可以分为板级支持包（Board Support Package，简称BSP）7、嵌入式操作系统 和应用软件。其中BSP
12、是嵌入式系统中介于硬件平台和操作系统之间的中间层软件， 一方面屏蔽底层硬件，完成一系列的初始化工作，最终启动嵌入式操作系统；另一 方面为操作系统提供底层硬件驱动信息，实现对设备的良好管理。考虑到开发成本 和生产效率的问题，大部分BSP都采用引导装载程序（bootloader）8,9,10,11 这一特殊 形式去实现。 然而，在系统研发和调试阶段，需要通过目标板与宿主机进行通讯，完成操作 系统映像、文件系统和应用软件的固化与升级；需要对大部分硬件设备进行检测； 需要接收用户的调试命令完成诸如硬件控制、内存查看等操作；需要在不同的硬件 平台上进行移植，平台移植就要考虑各种处理器以及其外围硬件设备的
13、特性12,13,14。 所有这些都离不开一款功能强大的 BSP 的支持。 鉴于 ARM 应用的广泛性、系统研发调试阶段的复杂功能需求和对移植性的考 虑， 设计一款基于 ARM 体系结构的支持良好移植性和可扩展性的 BSP， 可为后续开 发搭建起舒适的调试环境，将大大缩短整个系统的研发周期。本文将针对 ARM 体系 结构，设计一款功能强大、界面友好、支持良好移植性和可扩展性的 BSP。 2 1.2 国内外概况 1.2.1 嵌入式系统概况 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用 于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它 一般由嵌入式微处
14、理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等几 个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。与传统的通用计算 机、数字产品相比，嵌入式系统产品有其自身的特点15,16 ： 1 由于嵌入式系统采用的是微处理器，独立的操作系统，实现相对单一的功能， 所以往往不需要大量的外围器件，因而在体积上，功耗上有其自身的优势。 2嵌入式系统由于空间和各种资源相对不足，硬件和软件都必须高效率设计， 力争在同样的硅片面积上实现更高的性能。 3嵌入式系统为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固 化在非易失性存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘载体中。 4为适应嵌入式分布处
15、理结构和应用上网需求，嵌入式系统要求配备一种或多 种标准的网络通信接口。 以信息家电为代表的互联网时代的嵌入式产品，不仅为嵌入式市场展现了美好 前景，注入了新的生命，同时也对嵌入式系统技术，特别是软件技术提出新的挑战。 主要包括：支持日趋增长的功能密度、灵活的网络连接、轻便的移动应用和多媒体 信息处理，此外，还需对付更加激烈的市场竞争。在市场和技术进步的双重推动下， 嵌入式系统技术未来的发展，将呈现出以下几点趋势： 1功能复杂度日益增大， 随着客户需求的不断改进，嵌入式电子设备的功能不 再单一，电气结构也更为复杂。为了满足应用功能的升级，一方面采用更强大的嵌 入式处理器如 32 位、64 位
16、RISC 芯片17,18或数字信号处理器 DSP19增强处理能力； 同时还采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用 程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。 2网络连接成为必然趋势，为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，嵌入 式系统要求配备标准的一种或多种网络通信接口。针对 INTERNET 联网要求，嵌入 设备必须配有通信接口，并提供 TCP/IP 协议栈支持；由于家用电器相互关联（如防 盗报警、灯光能源控制、影视设备和信息终端交换信息）及实验现场仪器的协调工 3 作等要求，新一代嵌入式设备还需具备 IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth 或 IrDA 通信接口，同时也需要提供相应的通信组网协议和物理层驱动软件。 3小尺寸、微功耗和低成本，越来越多的嵌入式产品在外观尺寸、电能消耗及 生产制造成本上提出了苛刻的要求20。为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者相 应降低处理器的功耗，限制内存容量和复用芯
