本科畢業(yè)設計開題報告精選
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1 課題的目的及意義
用串口進行數(shù)據(jù)傳輸不僅速度慢，而且還受到距離的限制，采用以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)則不僅速度快，更可以遠距離傳輸。隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，在我們的日常生活中我們越來越離不開互聯(lián)網(wǎng)，與其相關的終端產品也越來越多，因而基于各種終端的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸也越來越被重視，其中嵌入式網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的傳輸就是非常熱門的一種傳輸方式。
嵌入式系統(tǒng)主要是針對我們所常見的通用計算機相對而言，是設計特定的計算機系統(tǒng)用于一些特定應用的總稱;國內普遍認同的定義是：“以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪，適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。”嵌入式系統(tǒng)一般指非PC系統(tǒng)，它包括硬件和軟件兩部分。硬件包括處理器/微處理器、存儲器及外設器件和I/O端口、圖形控制器等。軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件(OS要求實時和多任務操作)和應用程序編程，有時設計人員把這兩種軟件組合在一起。應用程序控制著系統(tǒng)的運作和行為;而操作系統(tǒng)控制著應用程序編程與硬件的交互作用。
由于嵌入式系統(tǒng)是應用于特定環(huán)境下，面對專業(yè)領域的應用系統(tǒng)，所以與通用計算機系統(tǒng)的多樣化和適應性不同。嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產品、面向應用的，它必須與具體應用相結合才會更具有優(yōu)勢和生命力。嵌入式系統(tǒng)是與應用緊密結合的，它具有很強的專用性，必須結合實際系統(tǒng)需求對軟硬件進行裁剪，滿足應用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求。
自從20世紀70年代初出現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的概念以來，嵌入式系統(tǒng)以其高性能、低功耗等特點高速發(fā)展。20世紀70年末開始陸續(xù)出現(xiàn)了一些嵌入式操作系統(tǒng)，比較著名的有vxworks、windowsCE、Linux和ecos等，這些操作系統(tǒng)被廣泛的應用于交通、教育、醫(yī)療、航天等諸多領域。20世紀90年代后，由于生產工藝的進步，嵌入式系統(tǒng)設計有了本質的變化，出現(xiàn)了SOC(System on a Chip)，SOC將系統(tǒng)的功能集成在一個單一的芯片中，同以往的系統(tǒng)相比這樣的芯片便于運用而且還具有功耗低、價格低、尺寸小、高可靠等優(yōu)點，因此目前嵌入式系統(tǒng)已經進入以SOC為核心的設計階段，并逐步實用化和規(guī)范化。同時由于近幾年嵌入式設計重心轉向消費電子，以手機、數(shù)碼相機、PDA等為代表的手持設備已成為嵌入式應用最大的市場，對于傳統(tǒng)的8位微控制器無法滿足這些要求，而32位因為成熟的技術、優(yōu)越的性能以及越來越低廉的價格，使得32位迅速的成為該領域應用上的主流，市場的占有率也不斷的提升，特別是原來高端8位、16位微控制器主導的應用空間逐漸的被32位處理器占據(jù)。當然8位的微控制器為核心的嵌入式技術也是在不斷的發(fā)展，性能也不斷提高，仍然是具有很大的市場，其目標市場是巨大的低端電子產品市場。由于與ARM架構相關的第三方開發(fā)工具可以很容易地獲得并且具有價格競爭力，在過去的兩年里基于ARM體系結構的芯片嵌入式應用的使用率已經超過了x86系列而成為最常用的嵌入式微處理器體系。另一方面基于Internet為標志的嵌入式系統(tǒng)發(fā)展也形成一種新的趨勢。雖然目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還孤立于Internet之外，但隨著Internet的發(fā)展以及Internet技術與信息家電、工業(yè)控制技術等結合日益密切，相信不久的將來嵌入式設備與Internet的結合將成為嵌入式技術的新的發(fā)展方向。因而本系統(tǒng)采用ARM架構進行設計，并與Internet相結合，實現(xiàn)ARM下的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸。為適應嵌入式分布處理和應用上網(wǎng)需求，面向21世紀的嵌入式系統(tǒng)要求配有標準的一種或多種網(wǎng)絡通信接口。嵌入式設備必須配Ethernet網(wǎng)口，以及相應地需要TCP/IP協(xié)議軟件支持。傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)在實時性方面做得不太好，把大量的精力放在保證數(shù)據(jù)傳送的可靠性以及數(shù)據(jù)流量的控制方面上。因此，在實時性要求比較高的嵌入式領域，傳統(tǒng)的TCP/IP并不能滿足其實性需要。另外，傳統(tǒng)的TCP/IP的實現(xiàn)過于復雜，需占用大量系統(tǒng)資源，而嵌入式應用的系統(tǒng)資源往往都比較有限。所以，需要把傳統(tǒng)的TCP/IP在不違背協(xié)議標準的前提下加以改進實現(xiàn)，可以讓實時性得到提高，盡可能少的占用存儲空間，能滿足嵌入式系統(tǒng)應用的要求。
在20世紀90年代中期，稱為快速以太網(wǎng)(100 Mbps)的技術作為一項標準出現(xiàn)在市場上，并迅速被那些看到了市場對于更高性能網(wǎng)絡的需求的企業(yè)所接受。 數(shù)據(jù)傳輸速率為100Mbps的快速以太網(wǎng)是一種高速局域網(wǎng)技術，能夠為桌面用戶以及服務器或者服務器集群等提供更高的網(wǎng)絡帶寬。電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE)專門成立了快速以太網(wǎng)研究組評估以太網(wǎng)傳輸速率提升到100Mbps的可行性。該研究組織為快速以太網(wǎng)的發(fā)展確立了重要目標，但是在采用哪一種媒體訪問方法的問題上卻產生了嚴重的分歧，最終導致研究小組分化為快速以太網(wǎng)聯(lián)盟和100VG-AnyLAN(也是一種使用集線器的100Mb/s高速局域網(wǎng),它綜合了現(xiàn)有以太網(wǎng)和令牌環(huán)的優(yōu)點形成標準802.12)論壇兩個不同的組織。每一個組織都制定了自己的以太網(wǎng)高速運行規(guī)范，即100Base-T和100VG-AnyLAN(適用于令牌環(huán)網(wǎng))。2001年初IEEE成立了802.3EFM工作組(EFM的意思是“以太網(wǎng)第一哩"，即以太網(wǎng)接入網(wǎng))，發(fā)展制定以太網(wǎng)接入網(wǎng)標準�，F(xiàn)有的、各種可以用做接入網(wǎng)的傳輸媒體，都被用來發(fā)展以太網(wǎng)接入網(wǎng)(如電話線、CATV的HFC網(wǎng)、無源光網(wǎng)PON、無線電RF和空中激光等)。隨著標準的制定完成，將有一批采用不同傳輸媒體的以太網(wǎng)接入網(wǎng)。由于以太網(wǎng)不但具有很好的擴展性，其速率可以從10Mb/s、100Mb/s、1Gb/s一直擴展至10Gb/s，而且，以太網(wǎng)還是一種非常簡單和成熟的解決方案，并為用戶熟悉。另外，以太網(wǎng)的互換互操作性好，具有廣泛的軟硬件支持，可以透明的與銅線對、電纜和各種光纖等不同的傳輸媒體接口，避免重新布線的成本。這些特性，使以太網(wǎng)成為城域網(wǎng)建設的很好的解決方案。
基于嵌入式以太網(wǎng)網(wǎng)絡傳輸?shù)闹饕δ苁翘峁┮蕴W(wǎng)的傳輸，在進行硬件設計之前必須選擇合適的系統(tǒng)核心器件——嵌入式ARM微處理器。對于嵌入式ARM微處理器的選擇主要集中在以下幾個方面：
(1)ARM微處理器內核結構的選擇。ARM微處理器包含一系列的內核結構，以適應于不同的應用領域，設計選擇的是ARM7TDMI的內核結構，屬于ARM7系列其內核結構是ARMv4T架構，其中的TDMI意思是：T為支持Thumb指令集、D表示支持片上Debug、M表示內嵌硬件乘法器(multiplier)、I表示ICE即支持內部回路仿真。另外還須考慮所選的微處理器內核和即將要選擇的操作系統(tǒng)是否搭配，例如設計中使用的是ARM7TDMI內核，由于沒有帶內存管理單元(MMU)，因此就不能使用WindowsCE和標準的Linux操作系統(tǒng)，但可以使用uCOSⅡ操作系統(tǒng)，因為uCOSⅡ很好的對無MMU的支持。
(2)系統(tǒng)的工作頻率。系統(tǒng)的工作頻率在很大程度上決定了ARM微處理器的處理能力。但另一方面高的工作頻率也給電路設計中的電磁干擾及電磁兼容增加了難度，綜合考慮后，設計中選用S3C44BOX，其系統(tǒng)時鐘最高為66MHZ，適合一般的嵌入式應用。
(3)芯片內部存儲器的容量。為了對成本進行控制，大多數(shù)的ARM微處理器片內存儲器的容量都比較小，需要用戶在設計系統(tǒng)時外擴存儲器，但也有部分芯片具有較大的片內存儲空間，如ATMEL的AT91F40162就具有高達2MB的片內程序存儲空間。這樣就可以節(jié)省電路設計和調試的工作量，不過價格也隨之增加。設計使用的S3C44BOX無內部存儲空間(即無程序存儲空間也無RAM空間)，需要對其進行外擴。
綜合考慮，本課題選擇S3C44BOX作為主控芯片。另外本設計在以太網(wǎng)控制器的選擇上采用了RTL8019AS芯片，由于該芯片是在嵌入式領域應用廣泛且性價比很高的網(wǎng)絡控制芯片，在進行軟硬件開發(fā)時有許多可用的文檔資料作參考，這能大大降低設計的工作量，并且在S3C44BOX 微處理器上配合RTL8019AS芯片是目前價格最低廉的設計方式, 卻有很高的性能。RTL8019AS的主要性能有：符合
Ethernet Ⅱ與IEEE 802.3 (10Base5、10Base2、10BaseT)標準;全雙工，收發(fā)可同時達到10 Mbit/ s的速率;內置16kB的SRAM，用于收發(fā)緩沖，降低對主處理器的速度要求;支持8 /16位數(shù)據(jù)總線，8個中斷申請線以及16 個I/O 基地址選擇;支持UTP、AUI、BNC自動檢測，還支持對10BaseT拓撲結構的自動極性修正;允許4個診斷LED引腳可編程輸出。由于系統(tǒng)使用的是帶有嵌入式操作系統(tǒng)的軟件平臺，
因此在外部存儲的容量上要根據(jù)內核的大小來選定，由于uCOSⅡ壓縮的內核及內核工具大小在800K以下，romfs的文件系統(tǒng)大小也不高于900K，另外bootloader大小也不高于200K，因此初步分析后本設計選用2MB的FLASH存儲器即可保證有足夠的空間存儲內核鏡像、bootloader、romfs文件系統(tǒng)，并且使用8MB的SDRAM存儲器保證系統(tǒng)的操作系統(tǒng)和應用軟件有足夠的空間運行。
2、課題任務
1) 通過查閱資料，完成開題報告和外文資料翻譯;
2) 熟悉開發(fā)環(huán)境ADS以及開發(fā)板ARM7的相關技術文檔;
3) 理解LWIP協(xié)議棧和TCP/IP的原理;
4) 用C語言編程數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡傳輸;
通過本課題的研究，要學習基于ARM7技術的S3C44B0X芯片結構;理解網(wǎng)卡驅動、LWIP協(xié)議棧、TCP/IP的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸原理，用仿真開發(fā)系統(tǒng)設計調試ARM7嵌入式系統(tǒng)并將IO接口程序下載到開發(fā)板進行調試;了解基于ARM和uCOSⅡ的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸、基于ARM平臺的嵌入式RTL8019AS網(wǎng)卡芯片數(shù)據(jù)通信的設計與實現(xiàn)、基于ARM嵌入式的TCP/IP協(xié)議棧和LWIP協(xié)議棧在實時操作系統(tǒng)中的移植和應用。
3、重點研究內容
重點研究內容包括了解ARM芯片以及其他相關芯片的結構、ARM開發(fā)板的硬件連接、功能模塊的電路設計、程序的下載以及如何使用ADS軟件進行調試和u-boot在目標平臺下的移植以及uCOSⅡ實時操作系統(tǒng)在目標平臺的移植，uCOSⅡ中的以太網(wǎng)卡驅動設計與分析。
4、實現(xiàn)途徑
本課題為基于ARM7的開發(fā)應用，ARM7的嵌入式CPU連接一片RTL8019AS芯片，由CPU控制以太網(wǎng)芯片對數(shù)據(jù)進行加工處理使其能夠滿足TCP/IP協(xié)議傳輸和接受的要求 ，并控制數(shù)據(jù)的傳輸和接受，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡傳輸。
硬件方面：主電路模塊為一片S3C44B0X連接一片8MB的flash(HY57V641620)和一片2MB的SDRAM(HY29LV160)以及網(wǎng)絡芯片等并整理出GPIO接口作為通用口用以以后做不同的開發(fā)。功能模塊由一片RTL8019AS和一個隔離變壓器FB2022以及RJ45組成，由GPIO接口用排線和主電路模塊連接起來。
軟件方面：本設計的軟件主要包括三個部分：操作系統(tǒng)的引導程序、uCOSⅡ
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