Tải bản đầy đủ

Ứng dụng hệ điều hành mã nguồn mở uClinux

Mục lục
Mở đầu ............................................................................ 2
Phần A : Lý thuyết chung ............................................. 3
Chương 1 . Hệ điều hành nhúng uClinux ................... 3
1.1.Nhân hệ điều hành Linux ...................................................................................... 3
1.1.1.Lịch sử nhân hệ điều hành Linux ................................................................... 3
1.1.2.Tổ chức của nhân hệ điều hành Linux ........................................................... 4
1.1.3.Tổ chức thư mục ........................................................................................... 6
1.2.Hệ điều hành nhúng uClinux ................................................................................. 7
1.2.1.Quá trình phát triển hệ điều hành nhúng uClinux ........................................... 8
1.2.2.Kiến trúc hệ điều hành uClinux ...................................................................... 8
1.2.3.Các thư viện sử dụng để phát triển hệ điều hành uClinux ............................... 9
1.2.4.Driver của các ngoại vi ............................................................................... 10
1.2.5.Mã nguồn hệ điều hành uClinux ................................................................... 11
Chương 2 . Vi điều khiển S3C44B0X và kit phát
triển ............................................................................... 13
2.1.Vi điều khiển S3C44B0X ................................................................................... 13
2.1.1.Các đặc điểm của vi điều S3C44B0X ........................................................... 13
2.1.2.Sơ đồ chân .................................................................................................. 18
2.1.3.Sơ đồ khối .................................................................................................... 19
2.1.4.Chức năng một số khối chính ....................................................................... 20

2.2.Kit phát triển HT44B0 ........................................................................................ 35
Phần B : Thực nghiệm ................................................ 38
Chương 3 . Biên dịch mã nguồn uClinux và xây
dựng ứng dụng ............................................................. 38
3.1.Biên dịch mã nguồn hệ điều hành uClinux .......................................................... 38
3.1.1.Môi trường và các công cụ cần để biên dịch ................................................. 38
3.1.2.Lưu đồ quá trình biên dịch và các bước tiến hành ........................................ 38
3.2.Nhúng hệ điều hành vào vi điều khiển ............................................................... 44
3.2.1.Thiết lập giao tiếp giữa kit và máy tính ........................................................ 44
3.2.1.Đưa file ảnh hệ điều hành vào vi điều khiển ................................................. 46
3.3.Xây dựng ứng dụng ........................................................................................... 51
Kết luận ......................................................................... 55
Các tài liệu tham khảo ................................................ 56
ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp
Mở đầu
Trong những thập niên gần đây hệ thống nhúng được nghiên cứu mạnh mẽ và đã
có rất nhiều ứng dụng trong thực tế . Các sản phẩm ứng dụng hệ thống nhúng rất đa
dạng từ hệ thống dẫn đường trong tên lửa , các robot thông mình đến các sản phẩm tiêu
dùng như máy giặt , máy in , các thiết bị giải trí như điện thoại , máy nghe nhạc ...
Hệ thống nhúng phát triển dựa trên sự phát triển phần cứng và phần mềm . Phần
cứng phải mạnh , đầy đủ tính năng cho hệ thống còn phần mềm phải được phát triển
khai thác được tài nguyên phần cứng đồng thời phải đáp ứng được các đặc tính của hệ
thống nhúng là tính thời gian thực , điều khiển chính xác , ổn định .
Ứng dụng hệ điều hành mã nguồn mở uClinux cho các hệ thống nhúng dùng vi
điều khiển có nhân vi xử lý 32 bit đã giúp cho quá trình phát triển phần mềm cho hệ
thống nhanh hơn chi phí thấp hơn và khai thác được sức mạnh của tài nguyên phần cứng
.
Lương Thế Oanh 2
ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp
Phần A : Lý thuyết chung
Chương 1 . Hệ điều hành nhúng uClinux
1.1. Nhân hệ điều hành Linux
1.1.1. Lịch sử nhân hệ điều hành Linux
Linux là một nhân hệ điều hành được phát triển bởi Linus Torvalds vào năm
1991 trên cơ sở cải tiến phiên bản UNIX có tên Minix do giáo sư Andrew S.Tanenbaum
xây dựng và phổ biến . Sau đó Linus Torvalds đã công bố mã nguồn của mình cho mọi
người và mong muốn mọi người có thể đóng góp ý kiến , phát hiện lỗi và phát triển nó
ngày càng tốt hơn . Và cũng từ thời điểm đó , theo tư tưởng GNU rất nhiều chuyên gia
trên toàn thế giới đã tham gia vào quá trình phát triển Linux và vì vậy Linux ngày càng
phát triển , mạnh mẽ , ổn định , có độ tin cậy cao và đáp ứng được nhu cầu của người
dùng .
Một số mốc lịch sử quan trọng trong quá trình phát triển nhân hệ điều hành
Linux :
Sau ba năm nhân Linux ra đời , đến ngày 14-3-1994, hệ điều hành Linux phiên
bản 1.0 được phổ biến . Thành công lớn nhất của Linux 1.0 là nó đã hỗ trợ giao thức
mạng TCP/IP chuẩn UNIX , sánh với giao thức socket BSD- tương thích cho lập trình
mạng . Trình điều khiển thiết bị đã được bổ sung để chạy IP trên một mạng Ethernet
hoặc trên tuyến đơn hoặc qua modem. Hệ thống file trong Linux 1.0 đã vượt xa hệ
thống file của Minix thông thường , ngoài ra đã hỗ trợ điều khiển SCSI truy nhập đĩa tốc
độ cao. Điều khiển bộ nhớ ảo đã được mở rộng để hỗ trợ điều khiển trang cho các file
swap và ánh xạ bộ nhớ của file đặc quyền .
Vào tháng 3-1995 , nhân 1.2 được phổ biến. Điều đáng kể của Linux 1.2 so với
Linux 1.0 ở chỗ nó hỗ trợ một phạm vi rộng và phong phú phần cứng , bao gồm cả kiến
trúc tuyến phần cứng PCI mới . Nhân Linux 1.2 là nhân kết thúc dòng nhân Linux chỉ
hỗ trợ PC .
Cách đánh chỉ số các dòng nhân (hệ điều hành) Linux : Hệ thống chỉ số được
chia thành một số mức, chẳng hạn hai mức như 2.4 hoặc ba mức như 2.2.5. Trong cách
đánh chỉ số như vậy , quy ước rằng với các chỉ số từ mức thứ hai trở đi , nếu là số chẵn
Lương Thế Oanh 3
ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp
thì dòng nhân đó đã khá ổn định và tương đối hoàn thiện , còn nếu là số lẻ thì dòng nhân
đó vẫn đang được phát triển tiếp .
Tháng 6-1996 , nhân Linux 2.0 được phổ biến . Có hai đặc trưng nổi bật của
Linux 2.0 là hỗ trợ kiến trúc phức hợp , bao gồm cả cổng Alpha 64-bit đầy đủ , và hỗ trợ
kiến trúc đa bộ xử lý . Phân phối nhân Linux 2.0 cũng thi hành được trên bộ xử lý
Motorola 68000 và kiến trúc SPARC của SUN .
Tới năm 2000 , nhân Linux 2.4 được phổ biến . Một trong đặc điểm được quan
tâm của nhân này là nó hỗ trợ mã ký tự Unicode 32 bít , rất thuận lợi cho việc xây dựng
các giải pháp toàn diện và triệt để đối với vấn đề ngôn ngữ tự nhiên trên phạm vi toàn
thế giới .
Nhân Linux là phần mềm tự do được phân phối theo Giấy phép sở hữu công
cộng phần mềm GNU GPL ( General Public License ) .
Vật lấy phước của nhân Linux là chú chim cánh cụt - Tux .
Hình 1: Linus Torvalds và vật lấy phước chú chim cánh cụt
1.1.2. Tổ chức của nhân hệ điều hành Linux
Nhân được ví như trái tim của hệ điều hành . Về bản chất nhân cũng là một
chương trình phần mềm máy tính nhưng ở cấp độ hệ thống có vai trò điều khiển các
thành phần của hệ thống máy tính , quản lý tài nguyên của hệ thống , cung cấp một số
dịch vụ và phần mềm cơ bản cho máy tính , cung cấp môi trường thực thi có các ứng
dụng khác nhau chạy trên hệ thống . Nhân chính là cầu nối giữa phần cứng vật lý của
máy tính với và chương trình ứng dụng .
Lương Thế Oanh 4
ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp
Các dịch vụ của nhân được chạy trong chế độ đặc quyền của bộ xử lý . Trái lại ,
các chương trình ứng dụng được chạy trong chế độ người dùng hoàn toàn cách ly với hệ
điều hành . Khi ứng dụng chạy trong chế độ người dùng gọi tới một dịch vụ hệ thống
thông qua một giao diện , bộ xử lý chặn lại lời gọi và thi hành dịch vụ mức nhân hệ điều
hành . Thông thường việc thi thực thi ở mức nhân đơn giản và nhanh hơn bởi vì nó
không bị chuyển giữa chế độ đặc quyền và không đặc quyền .
Nhân của Linux gồm năm tiểu hệ thống :
- Bộ phân thời gian cho tiến trình ( Process Schedule – SCHED ) :
Hoạt động của máy tính , tại một thời điểm chỉ có một lệnh được thực thi . Tuy
nhiên các hệ điều hành đa nhiệm như Windows

, Linux … đều cho phép nhiều chương
trình chạy cùng một lúc . Các hệ điều hành đa nhiệm có thể làm được như vậy bằng
cách chuyển quyền thực thi qua lại giữa các chương trình thật nhanh làm cho người
dùng có cảm giác các chương trình chạy cùng lúc với nhau . Vi dụ người dùng có thể
vừa soạn thảo văn bản vừa có thể nghe . Trong hệ điều hành đa nhiệm thì bộ phân thời
gian tiến trình đảm nhiệm nhiệm vụ này .
SCHED được chia thành bốn khối :
 Khối luật định thời (scheduling policy): chịu trách nhiệm phân bố xem tiến
trình ( process ) nào được quyền truy xuất CPU. Hệ thống hoạt động có thông
suốt hay không nhờ vào bộ luật này, tránh trường hợp một tiến trình lợi dụng
sơ hở của điều luật mà chiếm thời gian hệ thống quá nhiều làm các tiến trình
khác bị đóng băng (freeze) .
 Khối phụ thuộc kiến trúc ( architeture-specific ): khối này gồm các mã
assembly phụ thuộc vào mỗi loại CPU dùng để tạm ngưng hoạt động của tiến
trình .
 Khối độc lập kiến trúc (architeture-independent): Khối gọi các hàm từ khối
phụ thuộc kiến trúc và khối luật để chuyển giửa các tiến trình đồng thời nó
còn gọi các hàm ở MM để thiết lập bộ nhớ ảo cho các tiến trình được hồi
phục lại . Khối phụ thuộc kiến trúc sẽ khác nhau ở mỗi loại CPU (ỉ386, apha,
v.v) nhưng khối độc lập kiến trúc thì không đổi .
 Khối hàm gọi hệ thống ( system call ) . Gồm các hàm mà người dùng có thể
dùng để tương tác với SCHED. Khi lập trình Linux và Unix sẽ quen với các
hàm gọi hệ thống này.
Lương Thế Oanh 5
ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp
- Bộ quản lý bộ nhớ ( Memory Manager - MM) :
Bộ nhớ qui ước của các máy tính chỉ có 640KB . Do BIOS chỉ quản lý được tới
FFFF , vùng nhớ cao từ A0000 trở lên dùng để ánh xạ BIOS , video card memory và các
thiết bị ngoại vi khác , vùng nhớ còn lại tử 9FFFF trở xuống tương đương với 640KB.
Trong chế độ bảo vệ ( protect mode ) của CPU 32 bit đưa ra khái niệm bộ nhở ảo
( Virtual Memory ) . Lúc này mỗi tiến trình được cấp tới 4GB bộ nhớ ảo . Nhưng nhân
hệ điều hành sẽ tạo ra một bảng mô tả từng trang của bộ nhớ ảo với bộ nhớ vật lý . Bộ
nhớ vật lý bây giờ bao gồm cả bộ nhớ RAM và vùng nhớ hoán vị trên đĩa cứng .
- Hệ thống file ảo :
Hệ thống này không chỉ cung cấp truy suất đến hệ thống file trên đĩa cứng mà
còn tất cả các ngoại vi . Trong Linux tất cả các tập tin , thư mục và các thiết bị đều được
coi như là file . Ví dụ như máy in , cổng nối tiếp , các ổ đĩa … đều được truy cập như là
file . Linux cũng cung cấp các thuộc tính truy cập cho file và thư mục , các thuộc tính có
thể được thiết lập như cho phép đọc , cho phép ghi , cho phép thực thi . Linux thiết lập
chế độ bảo vệ đối với các file hệ thống và hạn chế quyền truy cập đối với các thiết bị .
- Giao diện mạng ( Network Interface - NET) :
Trong nhân Linux dựng sẵn giao thức TCP/UDP , IP và Ethernet .
- Bộ truyền thong nội bộ (Inter-process communication IPC) :
Một tiến trình trong Linux giao tiếp với các tiến trình khác và với nhân hệ điều
hành thông qua một cơ chế được gọi là bộ truyền thông nội bộ - IPC . Nó cho phép các
tiến trình gửi hoặc nhận các thông điệp từ một tiến trình khác , sử dụng chung vùng nhớ
chia sẻ và đồng bộ với các tiến trình khác .
1.1.3. Tổ chức thư mục
Các file trong hệ thống Linux được đặt theo một trật tự trong các thư mục . Có
một thư mục chính trong đó chứa các thư mục con và các file .
Thư mục ./bin : Chứa các file thực thi dạng nhị phân và các chương trình khởi
dộng của hệ thống được .
Thư mục ./boot : Thư mục này chứa file ảnh ( image file ) của nhân dùng cho quá
trình khởi động .
Thư mục ./dev : Thư mục này chứa các file thiết bị .
Thư mục ./etc : Thư mục này chứa các file cấu hình toàn cục của hệ thống .
Lương Thế Oanh 6
ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp
Thư mục ./home : Thư mục này chứa các thư mục con đại diện cho mỗi người
dùng khi đăng nhập . Đây là nơi làm việc thường xuyên của người dùng . Khi người
quản trị tạo tài khoản cho một người dùng thì sẽ cấp cho người dùng một thư mục cùng
tên với tài khoản người dùng nằm trong thư mục /home . Người dùng cho mọi quyền
thao tác trên thư mục của mình và không ảnh hưởng đến người dùng khác .
Thư mục ./lib : Thư mục này chứa các file thư viện .so hoặc .a . Các thư viện C
và lien kết động cần cho chương trình chạy và cho toàn hệ thống .
Thư mục ./lost+found : Khi chạy chương trình fsck , nếu tìm thấy một chuỗi dữ
liệu nào thất lạc trên đĩa cứng và không lien quan đến các tập tin , Linux sẽ gom chúng
lại và đặt trong thư mục này để nếu cần người dùng có thể đọc và giữ lại dữ liệu bị mất .
Thư mục ./mnt : Thư mục này chứa các kết gán ( mount ) tạm thời đến các ổ đĩa
hoặc thiết bị khác .
Thư mục ./sbin : Thư mục này chứa các file thực thi của hệ thống dành cho
người quản trị hệ thống .
Thư mục ./tmp : thư mục này dùng để chứa các file tạm mà chương trình tạo ra
lúc chạy . Các file này sẽ được hệ thống dọn dẹp khi các chương trình kết thúc .
Thư mục ./usr : Thư mục này chứa nhiều thư mục con như /usr/bin , /usr/local …
và đây cũng là một trong những thư mục con quan trọng của hệ thống , bên trong thư
mục con này (/usr/local) cũng chứa đầy đủ các thư mục con tương tự ngoài thư mục gốc
như sbin, lib, bin… Nếu nâng cấp hệ thống thì các chương trình người dùng cài đặt
trong thư mục /usr/local vần giữ nguyên và không sợ các chương trình bị mất mát.
Thư mục ./var : Thư mục này chứa các file biến thiên bất thường như các file dữ
liệu đột nhiên tăng kích thước trong một thời gian ngắn sau đó lại giảm kích thước
xuống còn rất nhỏ. Điển hình là các file dùng làm hàng đợi chứa dữ liệu cần đưa ra máy
in hoặc các hàng đợi chứa thư điện tử .
1.2. Hệ điều hành nhúng uClinux
Hệ điều hành uClinux là một phiên bản hệ điều hành sử dụng nhân Linux được
thiết kế cho các hệ thống nhúng sử dụng bộ vi điều khiển không có đơn vị quản lý bộ
nhớ . Là một phiên bản hệ điều hành sử dụng nhân Linux nên uClinux có kiến trúc ,
cách thức hoạt động giống như hệ điều hành Linux chạy trên các PC , phương pháp phát
triển ứng dụng cũng giống như phát triển trên môi trường hệ điều hành Linux . Do là
một hệ điều hành mã nguồn mở nên các nhà phát triển có thể cấu hình hệ điều hành theo
ý mình để tạo ra một hệ điều hành phù hợp với hệ thống cần phát triển .
Lương Thế Oanh 7
ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp
1.2.1. Quá trình phát triển hệ điều hành nhúng uClinux
Dự án hệ điều hành uClinux được bắt đầu phát triển từ năm 1997 , mục đích tạo
ra hệ điều hành này là phát triển một phiên bản nhân hệ điều hành Linux 2.0 để nhúng
vào các vi điều khiển . Nó được Jeff Dionne , Kenneth Albanowski và nhóm các nhà
phát triển khác đặt vấn đề là khả năng nhúng Linux vào mạng vi điều khiển không có
đơn vị quản lý bộ nhớ , khả năng truyền thông giữa mạng đó với các hệ thống truyền
thông . Phiên bản phát hành đầu tiên của hệ điều hành này được phát hành cùng với vi
xử lý Motorola 68000 , vi xử lý này dựa trên trên vi xử lý MC68328 DragonBall
Intergrated Microprocessor nó được triển khai trong bộ điều khiển SCADA năm
1997/98 . Phiên bản này đã được cộng đồng nguồn mở phát triển và một phiên bản khác
đã được sử dụng cho Palm Pilot vào tháng 2 năm 1998 .
Trong hệ điều hành uClinux có một số thay đổi so với hệ điều hành Linux , thư
viện uC-libc được thiết kế để thay cho thư viện libc và glibc trong hệ điều hành Linux .
Một cải tiến khác đã được thực hiện bởi SnapGear là thêm một định dạng mới Binary
Flat – bFLT .
Hệ điều hành uClinux là một hệ điều hành đa nhiệm , các chương trình có thể
chạy ở nhiều mức khác nhau của hệ thống . Hệ điều hành cho phép chạy nhiều chương
trình cùng một lúc , cho phép chạy các ứng dụng đa luồng . Với việc nhúng hệ điều
hành uClinux vào các vi điều khiển đã giúp cho các nhà phát triển tạo ra các ứng dụng
dễ dàng vì phương pháp lập trình giống như trên môi trường hệ điều hành Linux . Hệ
điều hành uClinux là một hệ điều hành thời gian thực , nhà phát triển có thể chạy các
ứng dụng đa luồng trên môi trường hệ điều hành . Điều này là rất khó khi phát triển một
ứng dụng đa luồng chạy trực tiếp trên vi điều khiển không có hệ điều hành .
Nhiệm vụ chính khi phát triển hệ điều hành uClinux là cấu hình nhân hệ điều
hành cho phù hợp với hệ thống cần phát triển , biên dịch nhân , phát triển các driver cho
các ngoại vi và sau đó phát triển các ứng dụng cho hệ thống nhúng chạy trên môi trường
hệ điều hành .
1.2.2. Kiến trúc hệ điều hành uClinux
uClinux là một hệ điều hành dùng phổ biến cho các hệ thống nhúng Linux . Hệ
điều hành này được dùng cho các vi điều khiển không có đơn vị quản lý bộ nhớ . Ngày
nay nhân hệ điều hành này hỗ trợ cho rất nhiều loại nền tảng CPU khác nhau như
ColdFire , Axis ETRAX , ARM , Atari 68k và rất nhiều loại khác nữa . Giống như
Lương Thế Oanh 8
ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp
Linux , uClinux cũng có hỗ trợ mạng giao thức TCP/IP và các giao thức giao tiếp mạng
khác . Nó cũng hỗ trợ các hệ thống file khác nhau và thêm vào một số dạng file đặc biệt
được thiết kế cho các hệ thống nhúng .
Để có thể chạy trên các vi điều khiển không có đơn vị quản lý bộ nhớ thì trong
nhân của hệ điều hành có một số thay đổi . Toàn bộ mã nguồn và các chức năng điều
khiển của nhân hệ điều hành của bộ quản lý bộ nhớ được loại bỏ ra khỏi mã nguồn của
nhân hệ điều hành . Một số chức năng khác cũng được điều chỉnh để phù hợp với yêu
cầu của các vi điều khiển không có đơn vị quản lý bộ nhớ .
Sự thuận lợi chính của nhân uClinux mang lại so với nhân Linux chạy trên PC là
kích thước của nhân . Khi biên dịch nhân , nhà phát triển phải thiết lập các lựa chọn biên
dịch như hỗ trợ loại vi xử lý , hệ thống file và hỗ trợ các thiết bị của nhân làm sao để
kich thước của nhân giảm xuống còn khoảng 400 KB . Tuy nhiên vào lúc khởi động , thì
nhân của hệ điều hành sẽ yều cầu khoảng không gian bộ nhớ khoảng một megabyte .
Trong thực tế kích thước bộ nhớ cần khoảng 2MB vì còn cần cho các ứng dụng . Với hệ
điều hành uClinux , kích thước ảnh nhân hệ điều hành được điều chỉnh khoảng từ 500
tới 900 KB .
Tương tự như mã nguồn hệ điều hành Linux , mã nguồn của hệ điều hành
uClinux cũng có thể tải miễn phí . Mã nguồn hệ điều hành này cũng thuộc bản quyền
GNU GPL , và giống như các tất cả các ứng dụng khác gói mã nguồn của nhân cũng
bao gồm đầy đủ mã nguồn và các thư viện kèm theo . Mã nguồn hệ điều hành uClinux
và các công cụ cần thiết có tìm tại website www.uclinux.org . Từ website này các nhà
phát triển có thể tải gói phân phối củ hệ điều hành bao gồm mã nguồn nhân hệ điều
hành uClinux , các thư viện , một số ứng dụng đã được phát triển , những thông báo lỗi
và những lỗi đã được sửa .
1.2.3. Các thư viện sử dụng để phát triển hệ điều hành uClinux
uClinux sử dụng một phần của thư viện C chuẩn , đó là thư viện cơ sở để phục
vụ cho việc phát triển nhân uClinux . Thư viện này dựa trên thư viện C Linux – 8086
nhưng đã đã được thu nhỏ thành một thư viện súc tích phù hợp với vi điều khiển . Thư
viện uClibc đã được tạo ra hỗ trợ cho các vi điều khiển không có đơn vị quản lý bộ nhớ
như Dragonball , ColdFire , ARM … thư viện vẫn hỗ trợ kiến trúc Linux chuẩn .
uClinux cũng cung cấp hoàn toàn thư viện Linux chuẩn libC API .
Để phát triển uClinux , nhà phát triển có thể lựa chọn giữa hai thư viện libc là
uC-libc và uClibc . Thư viện uClibc giống như thư viện glibc phát triển cho Linux , các
Lương Thế Oanh 9
ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp
hàm của glibc cũng được áp dụng cho uClibc . Ngoài ra gói mã nguồn của uClinux còn
có một sô thư viện khác như : libatm hỗ trợ truyền dữ liệu không đồng bộ , libjpeg hỗ
trợ cho định dạng ảnh nén JPEG , libm hộ trợ các thư viện toán học , libnet hỗ trợ các
API để thao tác mạng .
1.2.4. Driver của các ngoại vi
Driver là các trình quản lý , điều khiển các ngoại vi , cung cấp các hàm cho phép
người dùng để có thể điều khiển tới các thành phần ngoại vi . Các driver được chia làm
ba lớp :
- Character driver : Lớp này được sử dụng rộng rãi từ các ứng dụng đơn
giản đến các ứng dụng phức . Ví dụ ứng dụng đơn giản như driver điều
khiển LED , ứng dụng phức tạp như driver Firewire , driver USB .
Character driver đọc và ghi dữ liệu trực tiếp tới thiết bị mà không có bộ
nhớ đệm .
- Block driver : Lớp này giao tiếp tới hệ thống file và được sử dụng để kết
nối các phân vùng đĩa , các thiết bị vào file hệ thống . Khác với
character driver , block driver thường đọc ghi dữ liệu với thiết bị
thông qua bộ đệm .
- Network driver : Loại này có nhiều cấu trúc khác nhau , hỗ trợ truyền
thông , sử dụng các Port và các Socket để định tuyến các gói dữ liệu .
Thông thường chương trình ứng dụng không được truy cập , đọc hoặc ghi trực
tiếp tới các thiết bị ngoại vi . Khi cần giao tiếp với các ngoại vi , chương trình ứng dụng
sẽ sử dụng các driver để giao . Các driver có thể là một module hoặc là được liên kết
tĩnh vào nhân . Driver được đăng ký với nhân hệ điều hành trong khi module khởi tạo
tiến trình . Driver sẽ đăng ký các thành phần :
- Bảng Fops .
- Chỉ số Major .
- Device Class ( Block hoặc Char ) .
- Name – tên driver .
Lương Thế Oanh 10
ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp
1.2.5. Mã nguồn hệ điều hành uClinux
Mã nguồn của uClinux có thể tải về từ địa chỉ www.uclinux.org , ở địa chỉ này
cũng cấp các phiển bản khác nhau của hệ điều hành uClinux . Toàn bộ mã nguồn
uClinux được chứa trong một file nén . Khi được giả nén , gói mã nguồn được tạo ra
thành cấu trúc hình cây gồm các thư mục và tất cả các thư mục này đều được chứa trong
thư mục chính là uClinux-dist . Đó là mã nguồn của hệ điều hành uClinux và cần biên
dịch tạo ra một file ảnh để đưa vào hệ thống cần phát triển . File nén chứa mã nguồn
uClinux được đặt tên theo một định dạng chuẩn như sau uClinux-dist-
YYYYMMDD.tar.gz trong đó YYYY là năm , MM là tháng , DD là ngày .
Trong khóa luận này em sử dụng mã nguồn hệ điều hành uClinux với phiên bản
nhân Linux là linux-2.4 . Sau khi giải nén file mã nguồn , các thư mục có trong thư mục
chính uClinux-dist gồm các thư mục :
- bin : các tiện ích để tạo ra file flash.bin .
- Documention : tài liệu chi tiết của uClinux .
- tools : các công cụ để biên dịch .
- user : ứng dụng của người dùng và mã nguồn các ứng dụng đó .
- freeswan : các chương trình bảo mật , mã hóa .
- lib : Chứa các thư viện cho ứng dụng .
- linux-2.4.x : mã nguồn nhân uClinux .
- uClibc : thư viện C .
- config : Cấu hình hệ thống file uClinux . vv…
- romfs : Cấu trúc hệ thống file của ROM , bao gồm ứng dụng , các file
thiết bị . Thư mục này được tạo ra khi biên dịch .
- vendor : Chứa tên các thư mục của các loại vi xử lý mà hệ điều hành hỗ
trợ .
- images : Sau khi biên dịch , thư mục này chủa nhân dạng nhị phân của
hệ điều hành , file ROM , và file ảnh .
Lương Thế Oanh 11
ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp
Hình 2 : các thưc mục con và các file của thư mục uClinux-dist .
Trong thư mục ROM chứa các thư mục con , cấu trúc thư mục con này chính là
cấu trúc thư mục của hệ điều hành uClinux khi chạy trên hệ thống nhúng . Và cấu trúc
cũng giống như cấu trúc thư mục cơ bản của hệ điều hành Linux chuẩn . Các thư mục
đó là : bin , dev , etc , home , lib , mnt , proc , tmp , usr , var ...
Hình 3 : các thư mục trong thư mục romfs .
Lương Thế Oanh 12
ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp
Chương 2 . Vi điều khiển S3C44B0X và kit phát triển
Hệ thống nhúng được xây dựng trên cơ sở liên kết giữa phần mềm và phần
cứng . Sự phát triển phần mềm phải dựa trên phần cứng , phần mềm sự điều khiển toàn
bộ hoạt động của phần cứng nên việc tìm hiểu rõ phần cứng cũng rất quan trọng đặc biệt
nắm rõ phần cứng sẽ giúp cho quá trình cấu hình hệ điều hành uClinux , viết driver cho
ngoại vi và xây dựng các ứng dụng chính xác và nhanh hơn .
2.1. Vi điều khiển S3C44B0X
Giống như các dòng vi điều khiển khác như 8051 , AVR , PIC , PSoC , v.v ,
S3C44B0X được xây dựng từ một CPU và được bổ sung thêm các ngoại vi như bổ sung
bộ nhớ , cấc cổng vào ra , các bộ định thời … Nên việc tìm hiểu vi điều khiển
S3C44B0X cũng giống như tìm hiểu các dòng vi điều khiển khác . Việc tìm hiểu sẽ đi
vào chi tiết các khối cấu thành nên vi điều khiển .
S3C44B0X là một vi điều khiển của hãng Samsung , đây là một vi điều khiển rất
mạnh , có nhiều đặc tính ưu việt . Vi điều khiển này được dùng trong các hệ thống nhỏ
nhưng đòi hỏi tính toán phức tạp và cần tốc độ cao , các ứng dụng thường sử dụng như
các thiết bị cầm tay , thiết bị cần xử lý tín hiệu số và tất nhiên vi điều khiển này cũng
được dùng trong các ứng dụng bình thường như các loại vi điều khiển khác .
S3C44B0X là vi điều khiển thuộc dòng vi điều khiển sử dụng nhân vi xử lý
ARM . Cũng giống như một số hãng khác như Philipe , Atmel … , hãng Samsung sử
dụng nhân vi xử lý ARM7TDMI được thiết kế bởi hãng Advanced RISC Machines –
ARM


sau đó thiết kế một số ngoại vi để tạo nên một chip vi điều khiển . S3C44B0X
được tích hợp một số khối chức năng đặc biệt giúp cho việc thiết kế hệ thống trở nên
đơn giản hơn , giảm chi phí cho hệ thống .
2.1.1. Các đặc điểm của vi điều S3C44B0X
2.1.1.1.Kiến trúc :
- Được tích hợp trong các thiết bị cầm tay , di động và các ứng dụng nói chung .
- Sử dụng nhân vi xử lý ARM7TDMI được thiết kế theo kiến trúc RISC 16/32-bit .
- Tích hợp chế độ gỡ rối trên chip thông qua chuẩn JTAG .
- Tích hợp bộ nhân bằng phần cứng 32x8 bit .
Lương Thế Oanh 13
ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp
- Sử dụng kiến trúc bus SAMBA ( SAMSUNG’s ARM CPU Embedded Micro-
controller Bus Architecture ) làm giảm công suất tiêu thụ của vi điều khiển .
2.1.1.2.Quản lý hệ thống :
- Hộ trợ Little endian – Byte thấp được lưu ở địa chỉ thấp , byte cao được lưu ở địa
chỉ cao và Big endian – Byte thấp được lưu ở địa chỉ cao , byte cao được lưu ở
địa chỉ thấp .
- Không gian địa chỉ là 32Mbytes trên mỗi băng . Tổng cộng là 256Mbytes .
- Hỗ trợ khả năng lập trình 8/16/32- bit độ rộng bus dữ liệu cho mỗi băng .
- Cố định đĩa chỉ bắt đầu và khả trình kích thước băng cho tất cả 7 băng .
- Địa chỉ bắt đầu và kích thước của mỗi băng có thể lập trình được .
- Có 8 băng nhớ :
 6 băng nhớ cho ROM , SRAM , và các loại khác .
 2 băng nhớ cho ROM /SRAM/DRAM( Fast page , EDO , Synchronous
DRAM ).
- Hỗ trợ đợi tín hiệu bên ngoài cho tới khi kết thúc chu kỳ bus .
- Hỗ trợ chế độ làm tươi DRAM/SDRAM .
- Hỗ trợ chế độ địa chỉ đối xứng / không đối xứng của DRAM .
2.1.1.3.Bộ nhớ cache và SRAM nội :
- 0/4/8 Kbyte SRAM nội được sử dụng khi mà bộ nhớ cache không được dùng .
- Nội dụng chuyển giữa bộ nhớ chính và bộ nhớ cache được duy trì thông qua bộ
bảo vệ .
2.1.1.4.Bộ quản lý Clock và nguồn :
- Vi điều khiển tiêu thụ công suất thấp .
- Có bộ PLL để tao tín hiệu xung nhịp điều khiển hệ thống lên tới tốc độ tối đa
66MHz .
Lương Thế Oanh 14
ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp
- Tín hiệu clock có thể được chọn cho mỗi khối chức năng và được thiết lập bằng
phần mềm .
- Các chế độ : Normal – chế độ hoạt động bình thường , slow – chế độ hoạt động
tần số thấp không có PLL , idle- stop clock cho CPU , stop – stop toàn bộ tín hiệu
clock .
- Khi có tín hiệu ngắt từ ngắt ngoài EINT[7:0] hoặc ngắt cảnh báo của bộ thời gian
thực thì vi điều khiển trở về trạng thái bình thường .
2.1.1.5. Ngắt của vi điều khiển :
- Vi điều khiển có 30 nguồn ngắt ( watch-dog timer , 6 timer , 6 UART , 8 ngắt
ngoài , 4 DMA , 2 RTC ,1 ADC , 1 IIC ,1SIO ) .
- Hộ trợ ngắt ngoài theo mức và theo sườn tín hiệu .
- Chế độ ngắt theo sườn và theo mức có thể chọn bằng lập trình .
- Hộ trợ FIQ ( Fast Interrupt request ) khi có yêu cầu ngắt ngay tức khắc .
2.1.1.6.Timer có điều chế độ rộng xung :
- 5 kênh Timer điều chế độ rộng xung 16 bit . 1 kênh timer nội 16 bit có DMA
hoặc ngắt .
- Hỗ trợ nguồn clock bên ngoài .
2.1.1.7.Đồng hồ thời gian thực RTC ( Real Time Clock ) :
- Đồng hồ thời gian thực hỗ trợ : mini giây , giây , phút , giờ , ngày , tuần , tháng ,
năm .
- Hoạt động vời tần số 32.768 KHz .
- Có ngắt cảnh báo để đánh thức CPU .
- Ngắt timer tick .
2.1.1.8.Các IO Port :
- 8 port ngắt bên ngoài .
- 71 port I/O .
Lương Thế Oanh 15
ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp
2.1.1.9.UART :
- 2 kênh UART có DMA và ngắt.
- Hỗ trợ chuẩn dữ liệu truyền nhận 5 , 6 , 7 , 8 bit .
- Có bắt tay bằng phần cứng .
- Tốc độ baud có thể thiết lập bằng phần mềm .
- Hỗ trợ giao tiếp hồng ngoại IrDA 1.0 ( 115.2 kbps) .
- Mỗi kênh UART có 2 bộ nhớ đệm bên trong 32 byte FIFO cho Rx và Tx .
2.1.1.10.Bộ điều khiển DMA – Direct Memory Access :
- 2 kênh điều khiển DMA cho mục đích chung không chịu sự can thiệp bởi CPU.
- 2 kênh điều khiển DMA cho ngoại vi .
- Hộ trợ DMA giữa các cổng vào ra tới bộ nhớ và từ bộ nhớ tới các cổng vào ra .
DMA có thể được yều bởi phần mềm , 4 khối chức năng bên trong ( UART , SIO
, Timer , IIS) và từ các chân bên ngoài .
- Mức ưu tiên thứ tự giữa các DMA có thể thiết lập bằng phần mềm .
- Tăng tốc độ truyền trên FPDRAM , EDODRAM và SDRAM .
2.1.1.11.Bộ biến đổi A/D :
- 8 kênh ADC .
- Tốc độ lấy mẫu tối đa 100KSPS/10-bit .
2.1.1.12.Khối điều khiển LCD :
- Hỗ trợ LCD đen trắng , màu và xám .
- Hỗ trợ quét liên tục và quét xem kẽ .
- Hộ trợ chức năng màn hình ảo .
- Sử dụng bộ nhớ hệ thống làm bộ nhớ hiển thị .
- Sử dụng DMA để truyền dữ .
Lương Thế Oanh 16
ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp
- Kích thước màn hình có thể chọn bằng chương trình .
- Hỗ trợ màn hình Gray 16 mức .
- Hỗ trợ 256 màu .
2.1.1.13.Watchdog timer :
- Có Watchdog timer 16 bit .
- Có yêu cầu ngắt hoặc khởi động lại hệ thống sau một khoảng thời gian .
2.1.1.14.Giao tiếp bus IIC :
- 1 kênh Multi- Master IIC-Bus có điều khiển ngắt .
- Truyền nối tiếp , truyền dữ liệu 8 bit theo một chiều , hai chiều tốc độ lên tới 100
Kbit/s trong chế độ chuẩn ( standard mode ) và 400Kbit/s trong chế độ nhanh
( fast mode) .
2.1.1.15.Giao tiếp bus IIS :
- Một kênh IIS-bus cho giao tiếp audio có điều khiển DMA .
- Truyền nối tiếp , 8/16 bit cho mỗi kênh truyền dữ liệu .
- Hộ trỡ định dạng dữ liệu MSB .
2.1.1.16.Truyền nối tiếp đồng bộ SIO ( Synchronous Serial I/O ) :
- Một kênh SIO có điều khiển DMA và ngắt .
- Tốc độ baud có thể lập trình được .
- Hỗ trợ điều khiển truyền nhận dữ liệu 8 bit trong SIO .
2.1.1.17.Tần số hoạt động của hệ thống :
Tần số lên tới 66 MHz .
2.1.1.18.Dải điện áp cấp cho vi điều khiển :
- Cung cấp cho nhân vi xử lý là 2.5V .
- Cung cấp cho các cổng vào ra là 3V – 3.6V .
Lương Thế Oanh 17
ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp
2.1.2. Sơ đồ chân
Hình 4 : Sơ đồ chân của vi điều khiển S3C44B0X
Lương Thế Oanh 18
ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp
2.1.3. Sơ đồ khối
Hình 5: Sơ đồ khối vi điều khiển S3C44B0X
Lương Thế Oanh 19
ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp
2.1.4. Chức năng một số khối chính
3.1.4.1.Lõi vi xử lý ARM7TDMI
Đóng vai trò là bộ não của S3C44B0X , lõi vi xử lý ARM7TDMI phải đảm bảo
cho chương trình hoạt động , phải có khả năng truy cập vào bộ nhớ , thực hiện các phép
tính , điều khiển ngoại vi và quản lý ngắt .
Lõi vi xử lý ARM7TDMI là một thành viên trong họ vi xử lý ARM .
ARM7TDMI là dòng vi xử lý 32 bit , rất mạnh , tiêu tốn công suất thấp , hỗ trợ tập lập
32 bit và 16 bit . Kiến trúc của ARM7TDMI được dựa trên kiến trúc RISC , với kiến
trúc này việc giải mã mã máy đơn giản hơn rất nhiều so với kiến trúc CISC do đó làm
tăng tốc độ thực thi lệnh , đáp ứng được tính thời gian thực của các ngắt . ARM7TDMI
được áp dụng kỹ thuật xử lý đường ống trong việc xử lý lệnh và được chia làm ba giai
đoạn : nạp lệnh – fetch , giải mã lệnh – decode và thực thi lệnh – execution . Trong ký
thuật xử lý đường ống , khi một lệnh đang được thực thi thì lệnh thứ hai đang được giải
mã lệnh và lệnh thứ ba bắt đầu được nạp từ bộ nhớ . Với kỹ thuật này thì tốc độ xử lý
tăng lên rất nhiều , trong một chu kỳ máy CPU làm được nhiều việc . Hỗ trợ tới 4Gbytes
không gian địa chỉ tuyến tính , sử dụng kiến trúc Von Neumann để nạp và lưu trữ lệnh
và dữ liệu , dùng chung một bus 32 bit cho cả dữ liệu và lệnh . ARM7TDMI hỗ trợ
nhiều loại dữ liệu , do là dòng vi xử lý 32 bit nên một từ ( word ) sẽ tương đương với 32
bit , các loại dữ liệu như word – 32 bit , halfword – 16 bit , byte – 8 bit . Có bộ nhân
phần cứng 32x8 bit trong một chu kỳ . Hỗ trợ gỡ rối chương trình trên chip thông qua
chuẩn JTAG .
Lương Thế Oanh 20
ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp
Hình 6 : Sơ đồ khối của lõi vi xử lý ARM7TDMI.
Lương Thế Oanh 21
ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp
Hình 7 : Các khối logic của ARM7TDMI.
Lương Thế Oanh 22
ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp
Hình 8: Sơ đồ các tín hiệu vào ra của ARM7TDMI .
a. Các chế độ hoạt động :
- User : Thực hiện các chương trình bình thường .
- FIQ : Hỗ trợ việc truyền dữ liệu và các kênh xử lý .
- IRQ : Được sử dụng cho việc xử lý các ngắt mục đích chung .
- Supervisor (svc) : Đây là chế độ bảo vệ dùng cho hệ điều hành .
- Abort mode (abt) : Được nhập vào sau khi dữ liệu hoặc lệnh được bỏ qua tiền
nạp .
- System ( sys ) : Chế độ đặc quyền người dùng dùng cho hệ điều hành .
- Undefined ( und ) : Được nhập vào khi một lệnh không xác định được thực
thi.
Lương Thế Oanh 23
ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp
Các chế độ này có thể được thiết lập bằng phần mềm hoặc thông qua các ngắt
bên ngoài hoặc thông qua quá trình xử lý ngoại lệ . Phần lớn các chương trình ứng dụng
được thực thi trong chế độ User .Mỗi chế độ điều khiển đều có các băng thanh ghi hỗ
trợ để tăng tốc độ bắt các ngoại lệ . Chế độ FIQ có năm băng thanh ghi hỗ trợ từ r8_fiq
đến r12_fiq làm tăng tốc độ xử lý các ngắt .
b. Các thanh ghi :
ARM7TDMI có tất cả 37 thanh ghi , trong đó có 31 thanh ghi dùng cho mục đích
chung 32 bit , và 6 thanh ghi trạng thái .
 Các thanh ghi được sử dụng trong trạng thái ARM ( The ARM-state register
set ):
Trong trạng thái ARM , 16 thanh ghi chung và một hoặc hai thanh ghi trạng thái
có thể được sử dụng ở mọi thời điểm . Trong chế độ đặc quyền , băng thanh ghi ứng với
chế độ cụ thể sẽ được thiết lập .
Bảng các thanh dùng chung được sử dụng tương ứng với mỗi chế độ hoạt động :
Bảng các thanh ghi trạng thái chương trình
Lương Thế Oanh 24
ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp
Các băng thanh ghi
 Các thanh ghi dùng trong trạng thái lệnh rút gọn ( The Thumb-state register
set) :
Bảng các thanh ghi dùng được sử dụng tương ứng với mỗi chế độ hoạt động :
Bảng các thanh ghi trạng thái chương trình
Các băng thanh ghi
 Mối liên hệ các thanh ghi giữa ARM –state và Thumb-state :
- Các thanh ghi từ r0 đến r7 của Thumb-state giống như các thanh ghi r0
đến r7 của ARM-state .
- Thanh ghi CPSR và các thanh ghi SPSR của Thumb-state giống với các
thanh ghi SPSR và các thanh ghi SPSR của ARM-state .
- Thanh ghi SP của Thumb-state được ánh xạ tới thanh ghi r13 của ARM-
state .
- Thanh ghi LR của Thumb-state được ánh xạ tới thanh ghi r14 của ARM-
state .
Lương Thế Oanh 25

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×