嵌入式LED显示屏控制系统应用研究 第4页
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第二章系统总体结构设计
2.1硬件结构
系统硬件结构如图2.1所示，该系统以ARM9微处理器AT91RM9200和基于FPGA的灰度扫描
系统为核心，AT91RM9200主要承担百兆以太网的传输控制和数据图像存储、组织，特技运算等任
务，随后将数据传输给FPGA，由FPGA完成硬件灰度扫描，驱动后上屏。
图2.1系统硬件结构
该系统工作于异步模式，可以很方便的实现伪彩图文显示，完成图像的滚屏、百叶窗等多种特
技，显示内容由PC机应用软件编辑并发送至控制系统，由于采用100BASE-T以太网传输，传输速
度大大超过常见的RS-232/485串行传输速度，可靠性高，在完成图像显示的本职任务时极大提升了
整个系统更新效率。
图2.2基于ARM9的控制系统结构
图2.2为细化后的ARM9控制系统结构。DM9161E和AT91RM9200之间采用RMII（Reduced
Media Independent Interface，精简媒体独立接口）交换数据，用10/100Mbps的速率和上位机通讯，
为发挥最佳效果，我们采用100BASE-T总线网络，通过芯片的自适应功能将通讯速率保持在
100Mbps。采用1片2MB大小的SST39VF1601存放引导程序和主程序，将实时操作系统Linux或
者uC/OS-II固化于其中。另外一片32MB的闪存芯片K9F5608用于存放图像，并且可以根据实际需
求将闪存容量扩充到1G以上。64MB的SDRAM足够操作系统和协议栈使用。AT91RM9200在完成
网络传输、图像存储载入、上屏数据组织运算一系列功能的同时，通过16位数据总线将上屏数据发
送到FPGA。
本论文主要研究基于ARM9的控制系统。第二章系统总体结构设计
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2.2软件结构
考虑到硬件处理能力，基于嵌入式系统的软件部分有两种方案：
方案一，采用Linux操作系统平台，简化应用程序开发难度，使软件设计从硬件基础上抽象出
来，采用TCP完成网络传输。
方案二，采用uC/OS-II操作系统，提供较高的实时性能，具有体积小的优点，但和硬件结合紧
密，采用较为简单的UDP完成网络传输，调试方便。
基于远程控制端软件有三种设计方案：
方案一，采用广泛应用的操作系统Windows，配合高级编程语言如C++、C#开发远程控制软件。
应用程序主要有两个任务：人机交互界面和网络传输控制。以MFC环境为例，网络传输部分的实现
基础是socket编程，使用WinSock API，大多数函数同Berkeley Socket实现相同。本方案具有较优
的界面性能与较强的功能实现。
方案二，采用Windows+Cygwin组合。Cygwin是全功能的Win32应用，是UNIX应用的一个
Porting层，完全兼容于Win32，主要目的是将GNU开发工具移植到Win32系统上来。此方案便于
学习和调试socket套接字，模拟Linux操作环境。
方案三，采用Linux操作系统，可以提供较优的界面和较强的性能，以及大大超过Windows的
网络安全性，并且是免费的。主要问题在于采用Linux操作系统的PC终端太少，开发、应用和文护
人才较少。
总体考虑，嵌入式系统采用Linux操作系统平台；远程控制端采用Windows操作系统平台，用
MFC开发应用软件。调试时，采用Windows+Cygwin组合。
2.2.1基于Linux的解决方案
Linux诞生于1991年，是一个UNIX类操作系统，它兼容POSIX 1003.1标准，并包含了UNIX
Syetem V与BSD4.3的大部分特征。Linux操作系统在短短的数年之内得到了非常迅猛的发展，这与
Linux具有的良好特性是分不开的。简单的说，Linux具有以下主要特性：
1.开放性。系统遵循世界标准规范，特别是遵循开放系统互连（OSI）国际标准。凡遵循国际
标准所开发的硬件和软件，都能彼此兼容，可方便地实现互连。
2.多用户。系统资源可以被不同用户各自拥有使用，即每个用户对自己的资源（例如：文件、
设备）有特定的权限，互不影响。Linux和Unix都具有多用户的特性。
3.多任务。多任务是现代计算机的最主要的一个特点。它是指计算机同时执行多个程序，而
且各个程序的运行互相独立。Linux系统调度每一个进程平等地访问微处理器。由于CPU
的处理速度非常快，其结果是，启动的应用程序看起来好像在并行运行。事实上，从处理
器执行一个应用程序中的一组指令到Linux调度微处理器再次运行这个程序之间只有很短
的时间延迟，用户是感觉不出来的。
4.良好的用户界面。Linux向用户提供了两种界面：用户界面和系统调用。Linux的传统用户
界面是基于文本的命令行界面，即shell，它既可以联机使用，又可存在文件上脱机使用。
shell有很强的程序设计能力，用户可方便地用它编制程序，从而为用户扩充系统功能提供
了更高级的手段。可编程Shell是指将多条命令组合在一起，形成一个Shell程序，这个程
序可以单独运行，也可以与其他程序同时运行。系统调用给用户提供编程时使用的界面。
用户可以在编程时直接使用系统提供的系统调用命令。系统通过这个界面为用户程序提供
低级、高效率的服务。Linux还为用户提供了图形用户界面。它利用鼠标、菜单、窗口、滚
动条等设施，给用户呈现一个直观、易操作、交互性强的友好的图形化界面。
5.设备独立性。设备独立性是指操作系统把所有外部设备统一当作成文件来看待，只要安装东南大学硕士学位论文
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它们的驱动程序，任何用户都可以象使用文件一样，操纵、使用这些设备，而不必知道它
们的具体存在形式。具有设备独立性的操作系统，通过把每一个外围设备看作一个独立文
件来简化增加新设备的工作。当需要增加新设备时、系统管理员就在内核中增加必要的连
接。这种连接（也称作设备驱动程序）保证每次调用设备提供服务时，内核以相同的方式
来处理它们。当新的及更好的外设被开发并交付给用户时，操作允许在这些设备连接到内
核后，就能不受限制地立即访问它们。设备独立性的关键在于内核的适应能力。其他操作
系统只允许一定数量或一定种类的外部设备连接。而设备独立性的操作系统能够容纳任意
种类及任意数量的设备，因为每一个设备都是通过其与内核的专用连接独立进行访问。
Linux是具有设备独立性的操作系统，它的内核具有高度适应能力，随着更多的程序员加入
Linux编程，会有更多硬件设备加入到各种Linux内核和发行版本中。另外，由于用户可以
免费得到Linux的内核源代码，因此，用户可以修改内核源代码，以便适应新增加的外部
设备。
6.供了丰富的网络功能。完善的内置网络是Linux的一大特点。Linux在通信和网络功能方
面优于其他操作系统。其他操作系统不包含如此紧密地和内核结合在一起的连接网络的能
力，也没有内置这些联网特性的灵活性。而Linux为用户提供了完善的、强大的网络功能。
支持Internet是其网络功能之一。Linux免费提供了大量支持Internet的软件，Internet是在
Unix领域中建立并繁荣起来的，在这方面使用Linux是相当方便的，用户能用Linux与世
界上的其他人通过Internet网络进行通信。文件传输是其网络功能之二。用户能通过一些
Linux命令完成内部信息或文件的传输。远程访问是其网络功能之三。Linux不仅允许进行
文件和程序的传输，它还为系统管理员和技术人员提供了访问其他系统的窗口。通过这种
远程访问的功能，一位技术人员能够有效地为多个系统服务，即使那些系统位于相距很远
的地方。
7.可靠的系统安全。Linux采取了许多安全技术措施，包括对读、写进行权限控制、带保护的
子系统、审计跟踪、核心授权等，这为网络多用户环境中的用户提供了必要的安全保障。
8.良好的可移植性。可移植性是指将操作系统从一个平台转移到另一个平台使它仍然能按其
自身的方式运行的能力。Linux是一种可移植的操作系统，能够在从微型计算机到大型计算
机的任何环境中和任何平台上运行。可移植性为运行Linux的不同计算机平台与其他任何
机器进行准确而有效的通信提供了手段，不需要另外增加特殊的和昂贵的通信接口。
基于嵌入式系统的Linux的方案包括如下几个部分需要详细设计：
1.Bootloader。它完成硬件设备初始化，并最终调用Linux内核。可以自己设计也可以移植。
2.几项关键技术。譬如快速启动技术、ramdisk技术、系统小型化技术等等。
3.Linux网络设备驱动。需要移植并修改网络设备驱动。
4.应用程序。
2.2.2基于uC/OS-II的解决方案
uC/OS-II是一个可移植、可固化、可裁剪的剥夺型实时多任务内核。提供了信号量、互斥型信
号量、事件标志、消息邮箱、消息队列、任务管理、内存管理、时间管理等系统服务。uC/OS-II具
有高度的稳定性和可靠性，并且源代码公开，可读性强，移植方便，在嵌入式系统领域中获得广泛
应用。
图2.3为uC/OS-II系统结构。第二章系统总体结构设计
中间件
uC/OS-II
用户任务
硬件层
图2.3 uC/OS-II系统结构
采用uC/OS-II做嵌入式控制器必须在如下几个地方做详细设计：
1.uC/OS-II在ARM9处理器上的移植。
2.TCP/IP或者UDP/IP中间件的设计。
3.用户任务，包括特技运算等。
以太网通讯的UDP/IP协议实现比较容易实现，而TCP/IP协议则设计难度比较大，可以考虑移
植现有的LwIP协议或者uC/TCP-IP协议。
LwIP是瑞士计算机科学院的Adam Dunkels等开发的一套用于嵌入式系统的开放源代码TCP/IP
协议栈。LwIP的含义是Light Weight IP协议的缩写。LwIP可以移植到操作系统上，也可以在无操
作系统的情况下独立运行。LwIP的TCP/IP实现的重点是在保持TCP协议主要功能的基础上减少对
RAM的占用，一般它只需要几十K的RAM和40K左右的ROM就可以运行，这使LwIP协议栈适
合在低端嵌入式系统中使用。
LwIP的特性如下：
1.支持多网络接口下的IP转发。
2.支持ICMP协议。
3.包括实验性扩展的的UDP（用户数据报协议）。
4.包括阻塞控制，RTT估算和快速恢复和快速转发的TCP（传输控制协议）。
5.提供专门的内部回调接口（Raw API）用于提高应用程序性能。
6.可选择的Berkeley接口API（多线程情况下）。
7.在最新的版本中支持ppp。
8.新版本中增加了的IP fragment的支持。
9.支持DHCP协议,动态分配ip地址。
当然除LwIP外还有很多选择，譬如uC/TCP-IP协议等。uC/TCP-IP是Micrium公司继uC/OS-II
实时操作系统之后开发的又一款免专利权使用费的TCP/IP协议栈，具有对uC/OS-II一定的相关性。
LwIP和uC/TCP-IP是同量级别的两个开源协议栈，两者代码容量和实现功能相似，LwIP没有
操作系统针对性，它将协议栈与平台相关的代码抽象出来，用户如果要移植到自己的系统，需要完
成该部分代码的封装，并为网络应用支持提供了API接口的可选性。uC/TCP-IP协议最初是针对
uC/OS-II设计，为方便用户移植实现，同样也抽象了协议栈与平台相关代码，但是协议栈所需调用
的系统函数大多参照uC/OS-II内核函数原型设计，并提供了协议栈的测试函数，方便用户参考。
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