嵌入式系统设计与实例开发

嵌入式系统设计与实例开发

——ARM与µC/OS-Ⅱ

北京航空航天大学 北京航空航天大学

智能嵌入式技术工作室

智能嵌入式技术工作室

五、基于ARM的嵌入式系统硬件结构设计

¾嵌入式系统体系结构设计

¾基于ARM的硬件设计

嵌入式系统的软/硬件框架

机械装置

D/A 通用接口

实时操作系统(RTOS) 图形用户

接口

BSP/HAL 硬件抽象层/板极支持包 任务管理 文件系统

应用程序

传感器1 传感器2

传感器N ...

驱动器1 驱动器2

驱动器N ...

软件层

中间层 功能层

被控对象

嵌入式系统的设计步骤

体系结构设计 系统需求分析:

规格说明书

机械系统设计 硬件设计 软件设计

系统集成

系统测试

嵌入式系统设计步骤

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系统需求分析：确定设计任务和设计目标，并提炼出设计规格说 明书，作为正式设计指导和验收的标准。系统的需求一般分功能 性需求和非功能性需求两方面。功能性需求是系统的基本功能，

如输入输出信号、操作方式等；非功能需求包括系统性能、成本

、功耗、体积、重量等因素。

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体系结构设计：描述系统如何实现所述的功能和非功能需求，包 括对硬件、软件和执行装置的功能划分以及系统的软件、硬件选 型等。一个好的体系结构是设计成功与否的关键。

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硬件/软件协同设计：基于体系结构，对系统的软件、硬件进行详 细设计。为了缩短产品开发周期，设计往往是并行的。应该说，

嵌入式系统设计的工作大部分都集中在软件设计上，采用面向对 象技术、软件组件技术、模块化设计是现代软件工程经常采用的 方法。

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系统集成：把系统的软件、硬件和执行装置集成在一起，进行调

嵌入式系统的硬件体系结构

通用嵌入式 微处理器 应用软件

数据

可重构 计算部件 配置存储器

数据

ASIC

数据

通用微处理器 可重构计算机 ASIC

嵌入式系统设计的层次

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系统级

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应用级

¾嵌入式系统框架设计

¾基于ARM的硬件设计

基于ARM的硬件设计

主要介绍基于ARM7的嵌入式硬件开发平台的设计方法，包括结 构、主要接口、存储器选用方案以及外设、显示等方面的内容。

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嵌入式硬件开发平台的体系结构

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外围存储器接口设计方法

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键盘、LCD等人机交互接口的设计

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触摸屏的设计

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以太网设计

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CAN总线设计

Samsung S3C44B0X

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Samsung S3C44B0X微处理器是三星公司专为手持设备和一般 应 用 提 供 的 高 性 价 比 和 高 性 能 的 微 控 制 器 解 决 方 案 ， 它 使 用 ARM7TDMI核，工作在66MHZ。为了降低系统总成本和减少外围器件，

这款芯片中还集成了下列部件：

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8KB Cache、外部存储器控制器、LCD控制器、4个DMA通道、

2通道UART、1个多主I²C总线控制器、1个IIS总线控制器，5通道PWM 定时器及一个内部定时器、71个通用I/O口、8个外部中断源、实时 时钟、8通道10位ADC等。

基于ARM的嵌入式硬件平台体系结构

芯片体系结构

S3C44B0X存储系统的特征

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支持数据存储的大/小端选择(通过外部引脚进行选择)

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地址空间：具有8个存储体，每个存储体可达32Mb，总共可达 256Mb。

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对所有存储体的访问大小均可进行改变（8位／16位／32位）

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8个存储体中，Bank0－Bank5可支持ROM、SRAM；Bank6、Bank7 可支持ROM、SRAM和FP／EDO／SDRAM等。

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7个存储体的起始地址固定，1个存储体的起始地址可变。

复位后的S3C44B0X的存储器映射表

2MB/4MB/8MB/16MB/32MB

2MB/4MB/8MB/16MB/32MB

32MB

32MB

32MB 32MB

32MB

256MB SA[27:0]

可存取 区域

参见 表 7-1

特殊功能 寄存器（4MB）

（nGCS1）SROM SROM

（nGCS2）

SROM

（nGCS3）

SROM

（nGCS4）

（nGCS5）SROM SROM/DRAM/SDRAM

（nGCS6）

SROM/DRAM/SDRAM

（Ngcs7）

0x1000_0000

0x0e00_0000

0x0c00_0000

0x0e00_0000

0x0800_0000

0x0600_0000

0x0400_0000

0x0200_0000

典型系统中存储体的分配情况

存储体 与存储体的接口

Bank0

BIOS 512K×2Flash

Bank1 16M Flash 硬盘

Bank2 USB接口

Bank3 LCD显示模块

Bank4 保留

Bank5 保留

Bank6 系统内存SDRAM

S3C44B0X与FLASH的连接（Half Word方式）

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使用Bank0上的两片512Kb×2来放置系统BIOS，系统上电以后，

PC指针自动指向Bank0的第一个单元，开始进行系统自举。系统 自举完成以后，便从硬盘中将系统文件和用户应用程序复制到 SDRAM内存中执行。

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Bank1上接16M非线性Flash，当做系统硬盘使用，可以构造文件 系统，存放海量数据。

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用SDRAM当作系统内存，只有Bank6/Bank7能支持SDRAM，所以将 SDRAM接在Bank6上。如果同时使用Bank6/Bank7，则要求连接相 同容量的存储，而且其地址空间在物理上是连续的。

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Bank0：系统的启动ROM（Flash Rom）。在系统复位的时候，处理 器的PC（程序计数器）指针指向0x0地址。在Bank0的起始地址的 程序，就是系统的初始化程序。此程序的主要任务是：

1、管理处理器的中断服务程序

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处理器的中断是从0x0地址开始，引导ROM负责把这一部分的中断 映射到另一个区域，以便系统处理。具体的做法，可以参考

44binit.s里面的代码。（这部分代码是三星主页可以提供，它把 系统的中断，映射到了不同的指针所指向的地址空间（主要就是 系统RAM的空间））。

2、初始化硬件平台，配置其他的Bank

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S3C44B0X的Bank0是通过外部的一个管脚提供的上拉、下拉电阻来 配置的。主要包括：数据位数（8位、16位、32位），数据格式（

大端、小端）。而其他的Bank的配置，以及读写周期等信息是靠 Bank0内部的代码配置相应的寄存器来实现的。同时，系统的引导 Rom也负责配置系统的其他的一些寄存器，比如，系统的PLL（锁 频环）配置，系统的IO口等一些端口功能的配置等等。

3、系统自动检测

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引导Rom负责检测系统的启动必须的外设是否正常。主要是系统的 SDRAM的检测。

4、系统的软件设置，更新系统（system.bin）

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用户可以在系统启动的时候，按任意键，进入系统的软件设置状 态。通过引导Rom设置或者查看系统的一些软件信息。包括：通过 开启USB端口，更新系统文件system.bin；LCD显示测试；演示程 序的装载测试；键盘测试；触摸屏的坐标校准；触摸屏测试；以 太网地址的设置等

实验系统的存储空间分配

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在系统引导的最后阶段，负责复制system.bin到系统的SDRAM中，

然后，把PC指针指向SDRAM中程序的首地址，开始运行。

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Bank1：K9F2808（三星 16Mbyte Flash），非线性寻址，每次寻 址需要3次写入8位地址线。具体的时序可以参考K9F2808的

datasheet

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Bank2：USBN9603。USB设备端接口芯片，占用系统外部中断0。8 位数据总线。

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Bank3、Bank4未接设备。可以共扩展使用

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Bank5：RTL8019AS，ISA总线兼容的10M以太网（PHY＋MAC层）控 制芯片。占用系统外部中断1，16位数据总线

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Bank6：SDRAM，起始地址为0xC000000。在SDRAM中，前512Kbyte 的空间划分出来，作为系统的LCD显示缓冲区使用（更新其中的数 据，就可以更新LCD的显示）。系统的程序存储空间从0xC080000 开始。也就是，引导系统的时候，需要把system.bin文件复制到 0xC080000开始的地址空间，把PC指针指向0xC080000。

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Bank7：未使用。可以扩展另一片SDRAM，或者其他的外设。

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系统的同步串行口（SIO），连接着触摸屏控制芯片FM7843（与 ADS7843完全兼容）。在同步串行口上，还可以扩展其他的芯片。

靠IO口控制设备的片选信号（CS）来防止设备的冲突。

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注：系统的扩展接口上，A0的标号，连接在S3C44B0X的ADDR1上，

后面的地址依次向后错位。

外围接口设计

嵌入式开发板与PC机的串行通讯

嵌入式开发板和PC机的通讯电缆可以按照如图所示的方式 连接。

人机交互接口

人机交互接口

LCD显示模块

液晶显示是一种被动的显示，它不能发光，只能使用周围环 境的光。它显示图案或字符只需很小能量。液晶显示所用的液晶材 料是一种兼有液态和固体双重性质的有机物，它的棒状结构在液晶 盒内一般平行排列，但在电场作用下能改变其排列方向。

LCD的背光：

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EL（场致发光）：2000-3000小时

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和LED光源：字符模式，50000小时

LCD有三种显示方式

LCD有三种显示方式：反射型，透射型和透反射型。

(1)反射型LCD的底偏光片后面加了一块反射板，它一般在户 外和光线良好的办公室使用。

(2)透射型LCD的底偏光片是透射偏光片，它需要连续使用背 光源，一般在光线差的环境使用。

(3)透反射型LCD是处于以上两者之间，底偏光片能部分反光

，一般也带背光源，光线好的时候，可关掉背光源；光线差时，可点 亮背光源使用LCD。

反射型LCD的结构

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LCD通常由两种方式，一种是带有驱动芯片的LCD模块，基本 上属于半成品

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如果有需要，也可以直接使用芯片上的内置LCD控制器来构造 显示模块，它可以支持彩色/灰度/单色三种模式，灰度模式下可支 持4级灰度和16级灰度，彩色模式下最多支持256色，LCD的实际尺寸 可支持到320X240。

嵌入式处理器与LCD的连接

嵌入 式处 理器

LCD 模块

数据 总线 寄存器选择 使能信号

从系统结构上来讲，由于显示器模块中已经有显示存储器。

显存中的每一个单元对应LCD上的一个点，只要显存中的内容改变

，显示结果便进行刷新。于是便存在两种刷新：

1．直接对根据系统要求对显存进行修改，一种是只需修改相 应的局部就可以，不需要判断覆盖等有覆盖问题，那计算起来比 较复杂，而且每做一点小的屏幕改变就进行刷新，将增加系统负 担。

2 ．专门开辟显示内存，在需要刷新时候由程序进行显示更 新。这样，不但可以减轻总线负荷，而且也比较合理，在有需要 的时候进行统一的显示更新，界面也可以比较美观，不致由于无 法预料的刷新动作导致显示界面闪烁。

前后台双重显示缓存的显示模块结构

键盘模块

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键盘模块键盘可能用来输入数字型数据或者选择控制设备的操 作模式。

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键盘有两种方案：一是采用现有的一些芯片实现键盘扫描；再 就是用软件实现键盘扫描。嵌入式控制器的功能很强，可能允分利 用这一资源。

一个瞬时接触开关（

按钮）放置在每一行与线一 列的交叉点。矩阵所需的键 的数目显然根据应用程序而 不同。每一行由一个输出端 口的一位驱动，而每一列由 一个电阻器上拉且供给输入 端口一位。

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键盘扫描过程就是让微处理器按有规律的时间间隔查看键 盘矩阵，以确定是否有键被按下。每个键被分配一个称为扫描码 的唯一标识符。应用程序利用该扫描码，根据按下的键来判定应 该采取什么行动。

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消抖算法：

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组合键处理

触摸屏设计

触摸屏分类

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电阻式触摸屏

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表面声波触摸屏

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红外式触摸屏

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电容式触摸屏

电阻式触摸屏

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分为四线电阻和五线电阻触摸屏

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电阻技术触摸屏是一种对外界完全隔离的工作环境，故不怕灰尘

、水汽和油污，可以用任何物体来触摸，比较适合工业控制领域 及办公室内有限人的使用。

四线电阻触摸屏原理

测量原理

Y

Y V

X

触摸屏芯片

FM(ADS)7843的特点

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实现触摸屏的驱动选择控制（X、Y通道）

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对于输入电压或附加电压进行AD转换

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同步串行接口

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最大转换速率125KHz

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可编程控制8位或者12位转换模式

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工作电压2.7V-5.0V

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两个附加的输入端口

FM7843与ARM的连接

嵌入式以太网设计

以太网接口的基本知识

1、传输编码

z 曼彻斯特编码

z 差分曼彻斯特编码

以太网协议

z 以太网MAC层物理传输帧 （IEEE802.3 ）

PR SD DA SA TYPE DATA PAD FCS

56位 8位 48位 48位 16位 不超过1500字节 可选 32位

PR： 同步位，收发双方的时钟同步，也指明传输的速率（10M、100M）

SD^： 分隔位,表示下面跟着的是真正的数据,而不是同步时钟

DA^{： 目}的地址,以太网的地址为48位地址。如果为都为F,则是广播地址 SA^： 源地址,48位,表明该帧的数据是哪个网卡发的,即发送端的网卡地址 TYPE：类型字段，表明该帧的数据是什么类型的数据。如：0800H 表示数

据为IP包，0806H表示数据为ARP包，814CH是SNMP包，8137H 为IPX/SPX包

DATA：数据段，该段数据不能超过1500字节。

以太网的数据传输特点

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PR,SD,PAD,FCS这几个数据段是由网卡自动产生的；只需要理 解DA、SA、TYPE、DATA四个段的内容

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所有数据位的传输由低位开始(传输的位流使用曼彻斯特编码)

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以太网的冲突退避算法是由硬件自动执行的

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DA+SA+TYPE+DATA+PAD最小为60字节,最大为1514字节

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以太网卡可以接收三种地址的数据，一个是广播地位，一个是多 播地址(在嵌入式的环境中一般不用)，一个是它自已的地址

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任何两个网卡的物理地址都是不一样的，是世界上唯一的，网卡

嵌入式的以太网方案

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嵌入式处理器＋网卡芯片（RTL8019）

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对嵌入式处理器没有特殊要求，通用性强

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处理器和网络数据交换通过外部总线，速度慢，不适合于 100M网络

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带有以太网络接口的嵌入式处理器

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处理器面向网络应用

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处理器和网络数据交换通过内部总线，速度快

RTL8019的原理框图

嵌入式网络接口的特点

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与常规的网卡设计思路不同的是，在嵌入式系统中，系统的精简 一直是个主要的原则。RTL8019AS作为网卡，时需要一片

EEPROM作为配置存储器，来确定通讯的端口地址，中断地址，

网卡的物理地址，工作模式，制造厂商等信息；

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而在嵌入式系统中，可以使用RTL8019AS的默认配置和一些管脚 作为网卡的初始化方法。这样可以节省配置存储器，减小嵌入式 硬件平台的体积。

基于RTL8019在嵌入式以太网设计

1 RTL8019AS的初始化

RTL8019支持即插即用模式和非即插即用模式。在嵌入式系统中

，网卡的外设通常是不经常插拔的，所以，为了系统的精简，配 置RTL8019为非即插即用模式。有着固定的中断，有着固定的端 口地址，假设是端口是0x300（这里的端口是相对于ISA总线来说 的端口，对于ARM的总线，需要重新计算地址）。这些配置可以 通过RTL8019的外部管脚，在系统上电复位的时候，自动配置起 来。

关于RTL8019的RAM

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RTL8019含有16K字节的RAM，地址为0x4000-0x7fff(指的是 RTL8019内部的存储地址，是RTL8019工作用的存储器，可以通 过远程DMA访问），每256个字节称为一页，共有64页。页的地 址就是地址的高8位，页地址为0x40--0x7f。这16k的ram的一部分 用来存放接收的数据包，一部分用来存储待发送的数据包

2 通过RTL8019AS发送数据

作为一个集成的以太网芯片，数据的发送校验，总线数据包的碰 撞检测与避免是由芯片自己完成的。我们只需要配置发送数据的 物理层地址的源地址、目的地址、数据包类型以及发送的数据就 可以了。

3、通过RTL8019AS接收数据

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在RTL8019的初始化程序中已经设置好了接收缓冲区的位置，并 且配置好了中断的模式。当有一个正确的数据包到达的时候，

RTL8019会产生一个中断信号，在ARM中断处理程序中，接收数 据。

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数据的接收比较简单，即通过远端DMA把数据从RTL8019的RAM 空间读回ARM中处理。

TCP/IP 协议的层次

应用层(Application) BSD套接字(BSD Sockets) 传输层 (Transport) TCP、UDP

网络层 (Network) IP、ARP、ICMP、IGMP

数据链路层(Data Link) IEEE802.3 Ethernet MAC

嵌入式以太网中主要处理的协议

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ARP(Address Resolation Protocol) 地址解析协议

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ICMP (Internet Control Messages Protocol) 网络控制报文协议

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IP(Internet Protocol) 网际协议

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TCP(Transfer Control Protocol) 传输控制协议

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UDP(User Datagram Protocol) 用户数据包协议

ARP地址解析协议

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网络层用32 bit的IP地址来标识不同的主机，而链路层使用48 bit的物 理（MAC）地址来标识不同的以太网接口。只知道目的主机的IP地址 并不能发送数据帧给它，必须知道目的主机网络接口的MAC地址才能 发送数据帧。

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ARP的功能是实现从IP地址到对应物理地址的转换。

源主机发送一份包含目的主机IP地址的ARP请求数据帧给网上的每个 主机,称作ARP广播，目的主机的ARP收到这份广播报文后，识别出 这是发送端在寻问它的IP地址，于是发送一个包含目的主机IP地址及 对应的MAC地址的ARP回答给源主机。

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每台主机上都有一个ARP高速缓存，存放最近的IP地址到硬件地址之 间的映射记录。通常每一项的生存时间为20分钟

ICMP网络控制报文协议

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IP层的附属协议，IP层用它来与其他主机或路由器交换错误报文和其他 重要控制信息。

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ICMP报文是在IP数据包内部被传输的。

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两个实用的网络诊断工具，Ping和Traceroute(Tracert)，都是利用该 协议工作的。

IP网际协议

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IP工作在网络层，是TCP/IP协议族中最为核心的协议。所有的 TCP，UDP，ICMP以及IGMP数据都以IP数据包格式传输。

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IP数据包最长可达65535字节,其中报头占32 bit的数目。包含各 32 bit的源IP地址和目的IP地址。在嵌入式应用中，简化设计，IP 数据包长度等于数据链路层的数据长度。

TCP传输控制协议

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TCP是一个面向连接的可靠的传输层协议。TCP为两台主机提供 高可靠性的端到端数据通信。主要包括:

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发送方把应用程序交给它的数据分成合适的小块，并添加附加 信息（TCP头），包括顺序号，源、目的端口，控制、纠错信 息等字段，称为TCP数据包。并将TCP数据包交给下面的网络 层处理。

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接受方确认接收到的TCP数据包，重组并将数据送往高层。

UDP协议

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UDP是一种无连接不可靠的传输层协议。

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把应用程序传来的数据加上UDP头（包括端口号，段长等字段）

，作为UDP数据包发送出去，但是并不保证它们能到达目的地。

可靠性由应用层来提供。就象发送一封写有地址的一般信件，却 不保证它能到达。

关于端口

z TCP和UDP采用16位的端口号来识别上层的TCP用户，即上层应用协议 如FTP,TELNET等。

z 常见的TCP/IP服务都用1－255之间的端口号。例如FTP服务的TCP端口 号都是21，Telnet服务的TCP端口号都是23

z 256－1023之间的端口号通常都是提供一些特定的Unix服务

z TCP/IP临时端口分配1024－5000之间的端口号

基于ARM和uCOS-II的TCP/IP协议

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向ARM和uC/OS移植一个TCP/IP协议栈

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采用uC/OS自带的TCP/IP协议栈

移植TCP/IP协议栈需要注意的问题

字节对齐问题

代码A： 代码B：

struct _A _packed struct _B { {

unsigned char time; unsigned char time;

unsigned int data; unsigned int data;

}A; }B;

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结构体A是成员4字节的存储方式（sizeof(struct A)==8），结构 体B是成员非4字节的存储方式（sizeof(struct B)==5）。在内存 中的存储结构，如图6-35所示。

BSD套接字(BSD Sockets)

z BSD Sockets使用的最广泛的网络程序编程方法，主要用于应用程序的 编写，用于网络上主机与主机之间的相互通信

z UNIX,Linux,VxWorks均支持BSD Sockets，Windows的Winsock基本 上是来自BSD Sockets

z Socket分为Stream Sockets和Data Sockets

z Stream Sockets是可靠性的双向数据传输，使用TCP协议

z Data Sockets是不可靠连接，使用UDP协议

套接字的使用

UDP服务器端和一个UDP客户端通信的程序过程

z 创建一个Socket

sFd =socket (AF_INET, SOCK_DGRAM, 0) z 把Socket和本机的IP,UDP口绑定

bind (sFd, (struct sockaddr *) &serverAddr, sockAddrSize)

z 循环等待,接收（recvfrom）或者发送(sendfrom)信息

z 关闭Socket,通信终止

close (sFd)

CAN总线设计

CAN总线概述

z Controller Area Network，控制器局域网，现场总线之一。

z 是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干 扰性，而且能够检测出产生的任何错误。

z 主要应用于汽车电控制系统、电梯控制系统、安全监控系统、医疗仪器、纺织机 械、船舶运输等方面

z CiA(CAN in Automation)为全球应用CAN技术的权威。

CAN总线特点

z 低成本

z 远距离传输（长达10Km）

z 高速的数据传输速率（高达1Mbit/s）

z 可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文

z 可靠的错误处理和检错机制

z 发送的信息遭到破坏后，可自动重发

z 节点在错误严重的情况下具有自动退出总 线的功能

CAN总线控制器体系结构

状态/控制 协议控制器 寄存器

总 线 接 口

CAN 总线

宿主机 接口 消息对象

接收缓冲区

CAN总线扩展芯片

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SJA1000——Philips

独立CAN控制器，替代82C200，支持CAN2.0A／B，同时支持11位和 29位ID，位速率可达1M，具有总线仲裁功能，扩展的接收缓冲器（64字 节、先进先出FIFO），增强的环境温度范围（-40-+125℃）。

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82C250

CAN总线收发器， 是CAN协议控制器和物理总线之间的接口，该器件对 总线提供差动发送能力并对CAN控制器提供差动额接收能力，有很强的 抗电磁干扰（EMI）的能力 ，至少可挂110个节点。

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TJA1050

原理说明

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ARM和SJA1000以总线方式连接，SJA1000的复用总线和 ARM的数据总线连接。SJA1000的片选、读写信号均采用 ARM总线信号，ALE信号由读写信号和地址信号通过GAL产 生。在写SJA1000寄存器时，首先往总线的一个地址写数据

，作为地址，读写信号无效，ALE变化产生锁存信号；然后 写另外一个地址，读写信号有效，作为数据。上述逻辑完全 通过GAL产生。

z

控制CAN总线时首先初始化各寄存器，目前采用BASIC CAN方式。发送数据时首先置位命令寄存器，然后写发送缓 冲区，最后置位请求发送。接收通过查询状态寄存器，读取 接收缓冲区获得信息。

需要注意的问题

z ALE问题。由于ARM总线非复用，而SJA1000总线复用，所以必须通过 逻辑产生地址锁存信号ALE，在本例中该信号由一位地址信号和写信号 逻辑产生。

z 电平问题。由于ARM信号为3.3伏，而CAN总线控制器电平为5伏，所以 所有信号之间均需要电平转换，本例中使用了QS34X245作为电平转换 芯片。

z 电阻问题。CAN总线需要在两线间加一个120欧电阻。

CAN总线应用——工程机械智能监控器

工程机械智能监控器体系结构

嵌入式工程机械智能监控器

系统主函数 Main

液晶屏显示

LED闪烁

系统主任务 Main_Task

键盘扫描

串行口扫描

谢谢！