1嵌入式系統(tǒng)簡介

嵌入式系統(tǒng)是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、以應(yīng)用為中心、軟件硬件可裁剪，功能、可靠性、功耗、體積、成本有著嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。追求“短、小、輕、薄，省電、快、成本低”的目標(biāo)。嵌入式系統(tǒng)設(shè)備已廣泛應(yīng)用于制造工業(yè)、過程控制、儀器儀表、軍事裝備、消費(fèi)類產(chǎn)品等領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)由軟硬件組成，一般分為五個(gè)部分：處理器、存儲器、輸入輸出、操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。如圖1所示：

圖1：嵌入式系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

嵌入式系統(tǒng)最初的應(yīng)用是基于單片機(jī)的，它只是使用8位的芯片執(zhí)行一些簡單的單進(jìn)程的程序，沒有多進(jìn)程的任務(wù)調(diào)度，還談不上系統(tǒng)。隨著16/32位嵌入式微處理器的出現(xiàn)，嵌入式系統(tǒng)開始引入嵌入式操作系統(tǒng)，從而使得應(yīng)用開發(fā)人員從小范圍的開發(fā)中解放出來，也使嵌入式有了更廣闊的應(yīng)用空間。比較著名的嵌入式操作系統(tǒng)有ISI的pSOS、WindRiver的VxWorks、QNX的QNX、微軟的WinCE、以及源代碼開放的Linux和uC/os等。

2無線局域網(wǎng)概述

無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network ，WLAN）屬于一種短距離無線通信技術(shù)，是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與無線通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。通過無線射頻（RF）或紅外（Infra Red ，IR）技術(shù)在空中傳輸數(shù)據(jù)、語音和視頻信號等。無線局域網(wǎng)可在一些特殊的應(yīng)用環(huán)境中彌補(bǔ)依靠線纜或光纜構(gòu)成的有線以太網(wǎng)的不足，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的延伸。

無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的物理層定義了兩種射頻傳輸方式和一種紅外傳輸方式。RF方式使用的頻段有三個(gè)：L頻段（902MHz～928MHz）、S頻段（2.4GHz“2.4835GHz）、C頻段（5.725GHz”5.85GHz）。一般使用S頻段，該頻段被叫做ISM（Industry Science Medical）頻段即工業(yè)科學(xué)醫(yī)療頻段，ISM頻段不受美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）的限制，屬于工業(yè)自由輻射頻段。工作在此頻段的無線局域網(wǎng)有直接序列擴(kuò)頻（Direct Sequence Spread Spectrum， DSSS）和跳頻擴(kuò)頻（Frequency Hopping Spread Sprectrum ，F(xiàn)HSS）兩種擴(kuò)頻方法。

1997 年6 月， IEEE 通過了無線局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，即802.11標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802.11無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的制定是無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)里程碑， 標(biāo)準(zhǔn)主要是對網(wǎng)絡(luò)的物理層（PHY）和媒質(zhì)訪問控制層（MAC） 進(jìn)行了規(guī)定，其中對MAC 層的規(guī)定是重點(diǎn)。

802.11速率最高只能達(dá)到2Mbps ，不能滿足人們的需要， IEEE小組又推出了802.11b標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.11b工作在2.4GHz頻段，采用直接序列擴(kuò)頻DSSS技術(shù)和補(bǔ)償碼鍵控CCK調(diào)制方式，可提供11Mb/ s、5.5Mb/s、2Mb/s、1Mb

/s多種速率，且在2Mb/s、1Mb/s 速率時(shí)與IEEE802.11 兼容。802.11b是目前技術(shù)最成熟且使用最多的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。本文采用的就是IEEE－802.11b無線網(wǎng)卡。

目前，人們對無線局域網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用僅局限在PC機(jī)和筆記本，且一般用于熱點(diǎn)（Hot Spot）分布地區(qū)。而嵌入式系統(tǒng)整合無線局域網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線通信和數(shù)據(jù)傳輸將成為今后應(yīng)用的熱點(diǎn)。例如無線數(shù)字機(jī)頂盒、計(jì)算機(jī)、無線網(wǎng)關(guān)和家用電器等可構(gòu)成家庭無線局域網(wǎng)，同時(shí)經(jīng)過AP、無線路由器或無線網(wǎng)橋可以連接到Internet；無線儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和無線傳輸；無線儀器設(shè)備在工作現(xiàn)場布置自組織網(wǎng)絡(luò)（Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)）相互進(jìn)行信息傳遞、遠(yuǎn)程無線監(jiān)控，減少布線的麻煩和不便，將極大地提高工業(yè)生產(chǎn)效率，方便人們的生活。

3嵌入式無線局域網(wǎng)模塊的硬件設(shè)計(jì)

本文以三星S3C2410X為嵌入式微處理器，結(jié)合無線局域網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款嵌入式無線局域網(wǎng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和無線傳輸。設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2：系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

NAND FLASH用于存放啟動程序、操作系統(tǒng)、TCP/IP協(xié)議棧、驅(qū)動程序和相關(guān)應(yīng)用程序。S3C2410X支持NAND FLASH Boot Loader，系統(tǒng)上電后，S3C2410X通過內(nèi)置的NAND FLASH CONTROLLER將NAND FLASH中的啟動代碼加載到其內(nèi)部叫“Steppingstone”的4KB SRAM buffer執(zhí)行啟動任務(wù)，而不需要經(jīng)過外部的SDRAM進(jìn)行系統(tǒng)啟動，從而加快整個(gè)系統(tǒng)的啟動過程。等啟動完成后，運(yùn)行操作系統(tǒng)，這時(shí)的代碼以及后來的應(yīng)用程序都在外部的SDRAM執(zhí)行。操作系統(tǒng)啟動完成后，就可以執(zhí)行設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序，通過RS232/485接口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再通過802.11b無線網(wǎng)卡將數(shù)據(jù)傳輸出去。S3C2410X的所有GPIO都被引出來，以備將來系統(tǒng)功能的擴(kuò)展。

S3C2410X是一款基于ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC嵌入式微處理器，該處理器是為手持設(shè)備以及高性價(jià)比、低功耗微控制器而設(shè)計(jì)的。它采用了一種叫做AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）的新總線架構(gòu)。S3C2410X內(nèi)部的主要資源有內(nèi)存管理單元MMU、系統(tǒng)管理器、各為16KB的指令和數(shù)據(jù)緩存、LCD控制器（STN& TFT）、NAND FLASH Boot Loader、3通道UART、4通道DMA、4個(gè)PWM時(shí)鐘、1個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘、8通道10為ADC、觸摸屏接口、多媒體卡接口、I2C和I2S總線接口、2個(gè)USB主機(jī)接口、1個(gè)USB設(shè)備接口、SD主接口、2SPI接口、PLL時(shí)鐘發(fā)生器以及通用I/O端口等。

S3C2410X內(nèi)部包含一個(gè)叫MMU的內(nèi)存管理單元，可以實(shí)現(xiàn)虛擬存儲空間到物理存儲空間的映射。通常嵌入式系統(tǒng)的程序存放在ROM/FLASH中，系統(tǒng)斷電后程序能夠得到保存，但ROM/FLASH與SDRAM相比，速度要慢的多，而且嵌入式系統(tǒng)中通常把異常中斷向量表存放在RAM中，利用內(nèi)存映射機(jī)構(gòu)可以解決這種需要。

NAND FLASH采用三星公司64MB的K9S1208VOM。它可進(jìn)行10萬次的編程/擦除，數(shù)據(jù)保存長達(dá)10年，被用來裝載操作系統(tǒng)鏡像和大容量的數(shù)據(jù)。

SDRAM是用來運(yùn)行操作系統(tǒng)和存儲程序運(yùn)行過程中所需要的數(shù)據(jù)， 采用三星公司的K4S561632C，它是4M*16bit*4bank的同步DRAM，容量為32MB。用兩片K4S561632C實(shí)現(xiàn)位擴(kuò)展，使數(shù)據(jù)總線寬度為32bit.

S3C2410X自帶USB主從接口，不需要專門的USB芯片支持，只要對其安裝驅(qū)動程序即可進(jìn)行USB傳輸數(shù)據(jù)。

4軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)主要包括操作系統(tǒng)、TCP/IP協(xié)議的移植、驅(qū)動程序的安裝以及用戶應(yīng)用程序的編寫等。

S3C2410X集成了內(nèi)存管理單元，因而可以實(shí)現(xiàn)嵌入式操作系統(tǒng)中更多的功能。在本文中采用Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)。

Linux是從UNIX 發(fā)展而來，繼承了UNIX大多數(shù)的優(yōu)點(diǎn)且彌補(bǔ)其不適合在PC機(jī)上運(yùn)行的缺點(diǎn)，Linux公開的內(nèi)核源代碼使得它成為目前最流行的操作系統(tǒng)。

Linux是真正的多用戶、多任務(wù)、多平臺操作系統(tǒng)，可運(yùn)行于許多硬件平臺，具有內(nèi)置安全措施的分層的文件系統(tǒng)，支持多達(dá)32種文件系統(tǒng)，支持大量的外部設(shè)備。

定制操作系統(tǒng)的步驟如下：（1）編寫板基支持包BSP；（2）裁剪和配置操作系統(tǒng)的各個(gè)部件，并修改相應(yīng)的配置文件；（3）編譯Kernel、組件和BSP，生成操作系統(tǒng)鏡像文件;（4）將鏡像文件下載到目標(biāo)板上，進(jìn)行調(diào)試。

將操作系統(tǒng)下載到目標(biāo)板上有如下幾種方法：通過BDM或JTAG接口下載、USB下載、網(wǎng)絡(luò)接口下載和串口下載等。后面幾種方法都要先通過JTAG接口將相應(yīng)的監(jiān)控程序下載到Flash中，然后CPU從Flash啟動。

要在操作系統(tǒng)支持下實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，就需要進(jìn)行任務(wù)劃分，可以將TCP/IP的實(shí)現(xiàn)劃分為4個(gè)任務(wù)來實(shí)現(xiàn)：①IP任務(wù)，主要用來解決IP分片的重組；②TCP輸入任務(wù)，主要用來處理接收到的TCP報(bào)文段；③TCP輸出任務(wù)，主要用來將要輸出的數(shù)據(jù)打包、發(fā)送；④TCP定時(shí)器任務(wù)，主要用來為各種時(shí)延事件（如重發(fā)事件）提供時(shí)鐘。它們之間的關(guān)系可用圖3來表示。

圖3任務(wù)關(guān)系

USB驅(qū)動程序設(shè)計(jì)采用WDM（Winddows Drive Mode）。WDM設(shè)備驅(qū)動程序提供了一個(gè)參考框架，大大降低了由DDK書寫驅(qū)動程序帶來的難度。

USB驅(qū)動程序包含如下幾個(gè)部分：

（1）創(chuàng)建設(shè)備

創(chuàng)建設(shè)備函數(shù)帶兩個(gè)參數(shù)調(diào)用，一個(gè)參數(shù)是指向驅(qū)動程序?qū)ο蟮闹羔?，另一個(gè)參數(shù)是指向物理設(shè)備對象的指針。

（2）關(guān)閉設(shè)備

（3）讀取設(shè)備數(shù)據(jù)

當(dāng)客戶應(yīng)

用程序有讀取設(shè)備數(shù)據(jù)的要求時(shí)，系統(tǒng)將此要求以IRP_MJ_READ的IRP形式傳遞給功能驅(qū)動程序，由設(shè)備的D12Meter_Read程序執(zhí)行，然后再由D12Meter_Read指定USB總線驅(qū)動程序直接與設(shè)備實(shí)現(xiàn)信息交互。

（4）對設(shè)備寫入數(shù)據(jù)

當(dāng)客戶應(yīng)用程序有寫設(shè)備數(shù)據(jù)的要求時(shí)，系統(tǒng)將此要求以IRP_MJ_WRITE的IRP形式傳遞給功能驅(qū)動程序，并由D12Meter_Write執(zhí)行，然后再由D12Meter_Write指定USB總線驅(qū)動程序直接與設(shè)備實(shí)現(xiàn)信息交互。

USB驅(qū)動程序通過安裝文件（.inf文件）中PID（產(chǎn)品識別號）和VID（廠商識別號）識別USB設(shè)備。

一旦操作系統(tǒng)裝載完成后，就可以安裝無線網(wǎng)卡的驅(qū)動程序和其他相應(yīng)的應(yīng)用程序。將無線網(wǎng)卡的驅(qū)動程序作為一個(gè)模塊打包到操作系統(tǒng)中，可避免系統(tǒng)掉電后每次都要重裝無線網(wǎng)卡驅(qū)動程序。

用戶應(yīng)用程序要針對具體的應(yīng)用情況而定，一般都用C語言編寫。

5總結(jié)

嵌入式無線局域網(wǎng)設(shè)備可以用于有線網(wǎng)絡(luò)無法延伸或難以安裝、有可靈活移動和臨時(shí)性使用等要求的場合?？梢詳?shù)據(jù)的采集和無線傳輸、可以用于嵌入式手持移動終端、可以用來構(gòu)建家庭無線局域網(wǎng)，若加攝像頭和圖象處理芯片，還可以用于工業(yè)現(xiàn)場中的遠(yuǎn)程無線視頻監(jiān)控。

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