Đề tài 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

Mục lục 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 . Phần A : Lý thuyết chung Chương 1 . Hệ điều hành nhúng uClinux Nhân hệ điều hành Linux 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 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 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 . 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. 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 . 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 . 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 . 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 . 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 . 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 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 . 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 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 . 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 . 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 . 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 . 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 . 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 – ARMÒ 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 . Các đặc điểm của vi điều S3C44B0X 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 . 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 . 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 . 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 . 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 . 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 . 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 . 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 . 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 . Các IO Port : 8 port ngắt bên ngoài . 71 port I/O . 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 . 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 . Bộ biến đổi A/D : 8 kênh ADC . Tốc độ lấy mẫu tối đa 100KSPS/10-bit . 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 . Kích thước màn hình có thể chọn bằng chương trình . Hỗ trợ màn hình Gray 16 mức . Hỗ trợ 256 màu . Watchdog timer : Có Watchdog timer 16 bit . Có yêu cầu ngắt hoặc khởi động lại hệ thống sau một khoảng thời gian . 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) . 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 . 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 . Tần số hoạt động của hệ thống : Tần số lên tới 66 MHz . 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 . Sơ đồ chân Hình 4 : Sơ đồ chân của vi điều khiển S3C44B0X Sơ đồ khối Hình 5: Sơ đồ khối vi điều khiển S3C44B0X Chức năng một số khối chính 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 . Hình 6 : Sơ đồ khối của lõi vi xử lý ARM7TDMI. Hình 7 : Các khối logic của ARM7TDMI. Hình 8: Sơ đồ các tín hiệu vào ra của ARM7TDMI . 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. 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 . 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 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 . Thanh ghi PC của Thumb-state được ánh xạ tới thanh ghi PC(r15) của ARM-state. Hình 9 : Sơ đồ ánh xạ các thanh ghi của Thumb-sate và ARM-state . Các thanh ghi trạng thái chương trình Lõi vi xử lý ARM7TDMI bao gồm một thanh ghi CPSR và năm thanh ghi SPSR lưu giữ trạng thái các ngoại lệ . Mục đích của các thanh ghi trạng thái là : Nắm giữ thông tin mới được thực hiện bởi bộ tính toán ALU . Điều khiển cho phép hoặc vô hiệu hóa các ngắt . Thiết lập trạng thái hoạt động của vi xử lý . Hình 10 : định dạng các bit của thanh ghi trạng thái . Các cờ điều kiện ( Condition code flags ) : Các bit N , Z , C và V là mã các cờ điều kiện , các bit này có thể thiết lập bằng các số hoặc bằng các toán từ logic . Chúng cũng có thể được thiết lập bằng các lệnh MSR hoặc LDM . Vi xử lý ARM7TDMI kiểm tra các cờ này để quyết định xem lệnh có thực thi hay không . Các bit điều khiển : Tám bit thấp của một thanh ghi trạng thái chương trình là các bit điều khiển . Chúng có thể là : các bit vô hiệu hóa ngắt , bit T, các bit thiết lập chế độ . Các bit điều khiển này thay đổi khi xuất hiện một ngoại lệ . Khi vi xử lý hoạt động ở chế độ đặc quyền thì phần mềm có thể thao tác với các bit này . Các bit vô hiệu hóa ngăt : Hai bit I và F là các bit vô hiệu hóa ngắt . Khi bit I được đặt là 1 thì các ngắt IRQ bị vô hiệu hóa . Khi bit F được đặt là 1 thì các ngắt FIQ bị vô hiệu hóa . Bit T : Bit này phản ánh trạng thái hoạt động : khi bit T được đặt là 1 thì bộ vi xử lý thực thi trong Thumb-state . Khi bit t đặt là 0 thì bộ vi xử lý thực thi trong ARM-state . Các bit thiết lập chế độ : các bit M[4:0] qui định trạng chế độ hoạt động của vi xử lý . Bảng giá trị các bit thiết lập chế độ của thanh ghi trạng thái chương trình Các bit dữ trữ : Các bit này chưa được sử dụng , khi mà các bit cờ hoặc các bit điều khiển thay đổi giá trị thì các bit dữ trữ này không thay đổi . Các cổng vào ra S3C44B0X có tất cả 71 chân vào ra đa chức năng , và các chân này được chia thành các cổng : Hai cổng vào ra 9 bit ( Port E và port F) . Hai cổng vào ra 8 bit ( Port D và port G) . Một cổng vào ra 16 bit ( Port C ) . Một cổng ra 10 bit ( Port A) . Một cổng ra 11 bit ( Port B) . Mỗi cổng có thể cấu hình dễ dàng bằng phần mềm để phù hợp với các hệ thống và phù hợp với yêu cầu thiết kế .Các chức năng của mỗi chân được sử dụng phải được định nghĩa trước khi chương trình chính bắt đầu . Nếu mà trên một chân nhiều chức năng không được sử dụng , thì chân đó có thể được cấu hình giống như các cổng vào ra bình thường . Bình thường các chân này đã được cấu hình mặc định để tránh xẩy ra các vấn đề xung đột . Các cổng của S3C44B0X có các thanh ghi bao gồm thanh ghi cấu hình , thanh ghi dữ liệu , thanh ghi thiết lập trở treo , thanh ghi điều khiển ngắt bên ngoài. Thanh ghi cấu hình ( Port Configuration Register – PCONA-G ) : Phần lớn các chân trên một cổng đều có nhiều chức năng , do đó chức năng cho mỗi chân phải được lựa chọn khi sử dụng . Thanh ghi PCONn sẽ quyết định chức năng được sử dụng cho từng chân . Thanh ghi dữ liệu ( Port Data Register - PDATA-C) : Nếu các cổng được cấu hình là các cổng ra , dữ liệu có thể có thể được ghi vào thanh ghi PDATn tương ứng từng bit . Nếu mà các cổng được cấu hình là các cổng vào thì dữ liệu có thể được đọc từ thanh ghi PDATn . Thanh ghi thiết lập trở kéo ( Port Pull-up Register PUPC-G ) : Thanh ghi này thiết lập việc cho phép hoặc vô hiệu hóa các cổng có trở kéo hay không . Ứng với từng bit của thanh ghi này nếu mà được đặt là 0 , thì ứng với bit đó trên cổng có trở kéo và nếu được đặt là 1 thì ứng với bit đó trên cổng không có trở kéo . Bảng các địa chỉ các thanh ghi của các cổng : Thanh ghi Địa chỉ Chức năng R/W Giá trị mặc đinh PCONA 0x01D20000 Cấu hình chân cổng A R/W 0x3ff PDATA 0x01D20004 Thanh ghi dữ liệu cổng A R/W Không định trước PCONB 0x01D20008 Cấu hình chân cổng B R/W 0x7ff PDATB 0x01D2000C Thanh ghi dữ liệu cổng B R/W Không định trước PCONC 0x01D20010 Cấu hình chân cổng C R/W 0xAAAAAAAA PDATC 0x01D20014 Thanh ghi dữ liệu cổng C R/W Không định trước PUPC 0x01D20018 Cấu hình trở kéo cổng C R/W 0x0 PCOND 0x01D2001C Cấu hình chân cổng D R/W 0x0000 PDATD 0x01D20020 Thanh ghi dữ liệu cổng D R/W Không định trước PUPD 0x01D20024 Cấu hình trở kéo cổng D R/W 0x0 PCONE 0x01D20028 Cấu hình chân cổng E R/W 0x0000 PDATE 0x01D2002C Thanh ghi dữ liệu cổng E R/W Không định trước PUPE 0x01D20030 Cấu hình trở kéo cổng E R/W 0x0 PCONF 0x01D20034 Cấu hình chân cổng F R/W 0x0000 PDATF 0x01D20038 Thanh ghi dữ liệu cổng F R/W Không định trước PUPF 0x01D2003C Cấu hình trở kéo cổng F R/W 0x0 PCONG 0x01D20040 Cấu hình chân cổng G R/W 0x0000 PDATG 0x01D20044 Thanh ghi dữ liệu cổng G R/W Không định trước PUPG 0x01D20048 Cấu hình trở kéo cổng G R/W 0x0 Thanh ghi điều khiển ngắt ngoài ( External Interrupt Control Register ) : Thanh ghi EXTINT cấu hình tín hiệu ngắt như ngắt xảy ra ở mức thấp , ngắt xảy ra ở mức cao , ngắt xảy ra khi có xuất hiện sườn lên của xung , ngắt xảy ra khi xuất hiện sườn xuống của xung và xẩy ra khi xuất hiện của hai dạng sườn xung . Thanh ghi EXTINT cấu hình trạng thái tín hiệu ngắt cho tám nguồn ngắt bên ngoài . Hình 11 : Địa chỉ thanh ghi EXTINT và các giá trị mặc định . Hình 12 : Các giá trị các bit của thanh ghi EXTINT ứng với các ngắt ngoài Xung nhịp hệ thống Bộ tạo xung nhịp bên trong S3C44B0X có thể tạo tín hiệu xung nhịp cung cấp cho CPU và các ngoại vi . Bộ tạo xung nhịp có thể được điều khiển để cung cấp hoặc ngắt tín hiệu xung nhịp tới mỗi khối ngoại vi bằng khóa S/W . Nguồn xung nhịp chính có thể lấy từ thạch anh bên ngoài hoặc từ tín hiệu xung nhịp bên ngoài . Bộ tạo xung nhịp có một bộ dao động được nối tới thạch anh bên ngoài , và có một bộ PLL ( Phase – Locke - Loop ) để tạo ra xung nhịp có tần số cao từ tần số thấp của bộ dao động theo yêu cầu của S3C44B0X . Hình 13 : Sơ đồ khối bộ tạo xung nhịp Hình 14 : Sơ đồ khối bộ PLL ( Phase Locked Loop). Hình 15 : Mạch tạo dao động bằng thạch anh và bằng nguồn dao động bên ngoài Bộ điều khiển truy cập bộ nhớ trực tiếp – DMA . Vi điều khiển S3C44B0X có bốn kênh điều khiển DMA . Hai kênh DMA được gọi là ZDMA được gắn vào SSB ( Samsung System Bus ) vào hai kênh DMA được gọi là BDMA là cầu nối giữa hài SSB và SPB ( Samsung Peripheral Bus ) . Hai điều kênh điều khiển ZDMA truyền dữ liệu giữa bộ nhớ và bộ nhớ . Hai kênh điều khiển BDMA truyền dữ liệu qua lại giữ ngoại vi vào ra và bộ nhớ . Các bus SPB như SIO , IIS ,UART . Như có DMA nên việc truyền dữ liệu không cần sự can thiệp của CPU . Hình 16 : Sơ đồ khối bộ điều khiển ZDMA. Hình 17: Sơ đồ khối bộ điều khiển BDMA. Các bộ định thời S3C44B0X có sáu bộ định thời 16 bit , mỗi bộ định thời có thể hoạt động dựa trên chế độ ngắt hoặc DMA . Các bộ định thời 0 , 1, 2, 3 và 4 có chức năng tạo độ rộng xung . Bộ định thời 5 là một bộ định thời bên trong và không có chận ra . Nguồn xung nhịp chính của hệ thống được đưa qua bộ prescaler 8 bit và qua các bộ chia tần sau đó mới được đưa đến các bộ định thời . Thông qua bộ chia tần nguồn xung nhịp cấp cho các bộ định thời có thể điều chỉnh tần số rễ dàng . Ngoài chức năng điều chế độ rộng xung ra , các bộ định thời của S3C44B0X còn có hai bộ đệm , khi thay đổi giá trị của bộ định thời thì giá trị đó được tự động nạp vào vào quá trình hoạt động lần tiếp theo nó không làm ảnh hưởng hay làm dừng hoạt động hiện tại . Các bộ định thời có khả năng tự động nạp lại giá trị đếm . Hình 18 :Sơ đồ khối các bộ định thời . Kit phát triển HT44B0 Hình 19: kit phát triển HT44B0 Hình 20: Sơ đồ khối Kit phát triển Sơ đồ nguyên lý của kit HT44B0 có trong tài liệu kèm theo . Một số đặc điểm của HT44B0 : Dùng vi điều khiển S3C44B0X ( Samsung) có nhân vi xử lý ARM7TDMI . Có 2MB bộ nhớ Flash . Cổng Ethernet 10M , dùng chíp RTL8019AS . Có màn hình LCD graphics , kích thức 320x240 đen trắng . Có cổng USB 1.1 , dùng chíp PDIUSBD12 . Có 2 cổng RS232 . Có cổng IDE . Có loa . Có JTAG để gỡ rối chương trình trên chíp . Hỗ trợ hệ điều hành nhúng UCOSII và uClinux . Kit HT44B0 đã được nạp sẵn BIOS ngoài ra nhà sản xuất cũng cung cấp mã nguồn BIOS cho phép người phát triển có thể sửa đổi . BIOS cung cấp cho các lệnh cho phép thực hiện các tùy biến : help ------ Hiển thị trợ giúp . ? ------ Tương đương với lệnh help date ------ Hiển thị và thiết lập ngày tháng năm cho hệ thống time ------ Hiển thị và thiết đặt giờ phút giây cho hệ thống . setweek ------ Thiết đặt tuần của hệ thống . clock ------ Hiển thị tần số hoạt động của hệ thống . setmclk ------ Thiết lập tần số của hệ thống . setbaud ------ Thiết lập tốc độ baud . load ------ Nạp file ra bộ nhớ . comload ------ nạp file từ cổng nối tiếp . prog ------ Ghi chương trình vào bộ nhớ Flash. boot ------ Thực hiện khởi động từ Flash . ap ------ Tự động nạp file ảnh chương trình và ghi vào bộ nhớ flash . copy ------ Sao chép bộ nhớ Flash từ địa nguồn vào địa chỉ đích . ipcfg ------ Hiển thị và đặt địa chỉ IP . run ------ Chạy chương trình từ một địa chỉ trong RAM . move ------ Chuyển dữ liệu trong bộ nhớ Flash ra RAM . Kết nối kit với máy tính : Các kết nối giữa HT44B0 bào gồm kết nối JTAG , kết nối cổng RS232 , kết nối Ethernet . Kết nối JTAG : Ghép nối giữa chân JTAG của kit với cổng LPT của máy tính thông qua cáp JTAG . Thông qua kết nối này , người lập trình có thể viết chương trình sau đó có thể chạy trình và thực hiện gỡ rối ngay trên chíp . Nhờ vậy mà việc phát triển chương trình nhanh hơn và trực quan hơn . Kết nối giữa cổng RS232 của máy tính với cổng COM1 của kit : nhờ kết nối này người sử dụng dùng chương trình Hyper Terminal của hệ điều hành Windows như một màn hình hiển thị và nhập dữ liệu , còn trên trên kit quá trình truyền nhận được điều khiển bởi BIOS . Kết nối ethernet : BIOS trên HT44B0 hỗ trợ một mini FTP , nên thông qua ethernet ta có thể đẩy file từ máy tính vào bộ nhớ flash sau đó nhờ sự điều khiển của BIOS sẽ lưu file vào một địa chỉ xác định trên bộ nhớ flash . Phần B : Thực nghiệm Chương 3 . Biên dịch mã nguồn uClinux và xây dựng ứng dụng Biên dịch mã nguồn hệ điều hành uClinux Quá trình biên dịch nhân uClinux cũng giống như quá trình biên dịch nhân hệ Linux bình thường . Trong mã nguồn uClinux , các nhà phát triển đưa vào rất nhiều thư viện , chương trình ứng dụng , driver cho các thiết bị … nếu mà biên dịch hết toàn bộ mã nguồn thì kích thước file ảnh của hệ điều hành rất lớn và có những thư viện , chương trình , hoặc các driver mà hệ thống không cần đến . Để phù hợp cho từng hệ thống thì uClinux hỗ trợ các lựa chọn cấu hình những mã nguồn cần biên dịch và các bộ xử lý khác nhau . Khi tiến hành biên dịch người sử dụng thiết lập các lựa chọn mà khi biên dịch xong hệ điều hành uClinux hỗ trợ . Môi trường và các công cụ cần để biên dịch Để tiến hành biên dịch uClinux để tạo ra file ảnh ROM , ta cần có môi trường và các công cụ để tiến hành biên dịch . Trong khóa luận này em đã sử dụng môi trường để biên dịch là môi trường Linux của hệ điều hành RedHat . Các công cụ để biên dịch được đóng gói trong gói arm-elf-tools-20030314.sh . Trước tiên toàn bộ các công cụ biên dịch này được cài đặt vào hệ điều hành RedHat . Để cài đặt ta vào terminal và gõ lệnh ./ arm-elf-tools-20030314.sh .Khi quá trình cài đặt hoàn tất bộ công cụ này bao gồm : arm-elf-gcc : Trình dịch C/C++ . arm-elf-elf2flt : chuyển định dạng file elf sang định dạng file flat. genromfs : Công cụ để tạo ảnh rom . binutils : các công cụ như arm-elf-ld , arm-elf-as , vv… Đây là các công cụ biên dịch uClinux cho các vi điều khiển sử dụng nhân vi xử lý ARM . Lưu đồ quá trình biên dịch và các bước tiến hành Lưu đồ quá trình biên dịch Hình 21: Lưu đồ quá trình biên dịch mã nguồn uClinux Các bước tiến hành Bước 1 : chuẩn bị : Xác định các ngoại vi phần cứng có trên kit để tiến hành biên dịch driver . Xác định các chương trình ứng dụng cần dùng . Bước 2 : Thực hiện lệnh cấu hình để tạo ra các mục lựa chọn để cấu hính . Để bắt đầu cấu hình nhân uClinux , tại cửa sổ Terminal ta dời con tới thư mục uClinux-dist đây là thư mục chính chứa toàn bộ mã nguổn của uClinux . Để tiến hành cấu hình ta thực hiện lệnh cấu hình . Lệnh cấu hình có thể là một trong ba lệnh sau : make config , make menuconfig , make xconfig . Ba lệnh này đều có một mục đích là cấu hình nhân những thứ cần thiết để biên dịch nhân Linux sau đó là lưu vào một file cấu hình dạng text file , chúng chỉ khác nhau về giao diện , cách thức trình bầy các lựa chọn cần cấu hình . Cấu hình bằng lệnh make config : nếu thực hiện cấu hình bằng lệnh này thì các mục lục lựa chọn được thể hiện dưới dạng màn hình text . Hình 22: Màn hình cấu hình bằng lệnh make config. Cấu hình bằng lệnh make menuconfig : khi thực hiện lệnh này các mục lựa chọn để cấu hình được hiển thị ra dưới dạng các menu rất thuận tiện cho việc lựa chọn . Hình 23: màn hình cấu hình bằng lệnh make menuconfig . Cấu hình bằng lệnh make xconfig : màn hình cấu hình hiển thị dưới dạng hộp thoại , có giao diện trực quan . Hình 24 : Giao diện cấu hình bằng lệnh make xconfig. Bước 3 : Lựa chọn các mục cần cấu hình trên menu chính Menu chính có cấu trúc các mục chung như sau : Hình 25 : Các mục chính trêm menu cấu hình . Mục Choose a Vendor/Product selection xuất hiện danh sách liệt kê toàn bộ nhà sản xuất và tên sản phẩm . Tên sản nhà sản xuất và sản phẩm được đặt trong thư mục vendors trong thư mục chính uClinux-dist . Nhiệm vụ cần phải làm là lựa chọn nhà sản xuất và sản phẩm mà cần nhúng hệ điều hành uClinux vào . Việc chọn đúng nhà sản xuất và tên sản phẩm rất quan trọng , nếu chọn sai tên sản phẩm khi biên dịch hệ điều hành uClinux và triển khai vào hệ thống thì sẽ không chạy được vì cấu hình phần cứng của mỗi loại vi điều khiển sẽ khác nhau . Trong khóa luận này em dùng vi điều khiển S3C44B0X của hãng Samsung . Hình 26: danh sách các nhà sản xuất và sản phẩm Mục Libc Version cho phép lựa chọn một trong hai thư viện uC-libc và uClibc . Mục Default all settings : nếu chọn mục này thì cấu hình của hệ điều hành được chọn theo mặc định ( theo lần cấu hình trước đó ) . Mục Customize kernel settings : khi chọn mục này thì sẽ xuất hiện một màn hình có các mục chọn cần cấu hình cho nhân như lựa chọn các driver , các thư viện hỗ trợ .. Mục Customize Vendor/User setting : Khi chọn mục này thì cũng có một màn hình có các mục lựa chọn các chương trình ứng dụng , các công cụ , các trò chơi … Bước 4 : Lưu các lựa chọn cấu hình vào một file và tiến hành các lệnh tạo file ảnh của hệ điều hành . Sau khi lưu lựa chọn cấu hình cần thực hiện các lệnh sau để tạo file ảnh : make dep . make lib_only. make user_only make romfs make image make linux make image Kết thúc quá trình biên dịch hệ điều hành , toàn bộ hệ điều hành được tạo thành một file ảnh có là image.rom , đây là file cần để nhúng vào kit phát triển . File image.rom được lưu trong thư mục images nằm trong thư mục chính uClinux-dist . Cấu trúc thư mục của hệ điều hành uClinux sau khi biên dịch giống như cấu trúc các thư mục con trong thư mục romfs nằm trong thư mục chính uClinux-dist . Nhúng hệ điều hành vào vi điều khiển Thiết lập giao tiếp giữa kit và máy tính Ghép nối RS232 : Cổng COM1 của kit giao tiếp với cổng RS232 của máy tính . Trong môi trường hệ điều hành Windows , chạy chương trình HyperTerminal để thực hiện giao tiếp . Qua chương trình HyperTerminal thiết lập các thuộc tính cổng RS232 : Tốc độ baud : 57600 . Bit stop :1bit . Tính chẵn lẻ : không dùng chẵn lẻ . Bắt tay : không bắt tay . Hình 27 : Thiết lập cổng COM. Sau khí đã thực hiện kết nối , ta cấp nguồn cho kit . Nếu trên HyperTerminal nhận được như sau thì quá trình ghép nối thành công : Hình 28 :Tín hiệu nhận được từ kit HT44B0 truyền về máy tính . Ghép nối ethernet : Mini Ftp trên kit được đặt địa chỉ IP là 192.168.0.100 nên trên máy tính đặt địa chỉ IP cho card mạng là 192.168.0.152 . Để kiểm tra kết nối ethernet đã thành công hay chưa ta thực hiện lệnh Ping từ máy tính tới minu Ftp của kit . Tại màn hình HyperTerminal sau khi đã thực hiện thành công kết nối cổng RS232 , ta thực hiện lệnh ap Hình 29 : Chạy lệnh ap và chờ thực hiện lệnh ping từ máy tính . Tại máy tính , ta thực hiện lệnh ping tới địa chỉ 192.168.0.100 nếu quá trình ping thành công thì kết nối ethernet đã thành công . Hình 30: Kết quả ping thành công từ máy tính tới kit HT44B0. Đưa file ảnh hệ điều hành vào vi điều khiển Sau khi biên dịch mã nguồn hệ điều hành uClinux , ta thu được file ảnh hệ điều hành uClinux image.rom nằm trong thư mục uClinux-dist/images . Trên hệ điều hành Windows ta sử dụng chương trình đưa file lên một ftp server để đưa file ảnh hệ điều hành vào kit . File image.rom được đặt cùng chương trình đẩy file lên ftp server . Tại chương trình HyperTerminal ta thực hiện lệnh ap đây là lệnh cho phép đọc file và ghi vào flash . Thực hiện đẩy file lên kit : tại hệ điều hành windows : Start->Run -> CMD -> di chuyển tới thư mục chứa file imgage.rom -> thực hiện lệnh tftp -i 192.168.0.100 put f:\upload\image.rom . Sau khi đã thực hiện quá trình đó , trên kit file image.rom sẽ được lưu vào RAM , quay trở lại chương trình HyperTerminal : Hình 31: Quá trình gửi và nhận file từ máy tính và kit . Tiếp tục chọn “ n “ và thực hiện lệnh “ prog 10000 c008000 100000” sau đó chọn “y” để thực hiện quá trình ghi file ảnh hệ điều hành từ RAM vào bộ nhớ flash : Hình 32: Chạy lênh prog để ghi file vào một địa chỉ của bộ nhớ flash . Hình 33: Quá trình ghi file vào flash thành công . Lệnh prog sẽ thực hiện ghi ảnh hệ điều hành vào flash ở địa chỉ 0x10000 thay vì ghi vào địa chỉ 0x00 vì địa chỉ này lưu BIOS và Bootloader . Đối số thứ ba 0x100000 là số byte được ghi , nếu file ảnh của hệ điều hành lớn hơn thì số này được tăng lên . Quá trình khởi động uClinux trên kit phát triển Để tiến hành chạy hệ điều hành uClinux trên kit , cũng tại màn hình HyperTerminal ta thực hiện lệnh move để di chuyển hệ điều hành từ bộ nhớ flash tới bộ nhớ RAM , sau đó thực hiện lệnh run để chạy hệ điều hành tại một địa chỉ trên RAM : . Hình 34: Lệnh di chuyển dữ liệu từ flash vào RAM và lệnh chạy chương trình .Lưu đồ quá trình khởi động : Hinh 35: Lưu đồ quá trình khởi động hệ điều hành uClinux Khi hoàn thành quá trình khởi động : Hình 36: Màn hình sau khi khởi động xong hệ điều hành uClinux . Hệ điều hành được giải nén và bắt đầu quá trình khởi động ( quá trình khởi động của được trình bày trong 2.1.4 ) . Khi hoàn tất quá trình khởi động , chương trình HyperTerminal sẽ trở thành một chương trình giống như chương trình Terminal trên hệ điều hành Linux . Thông qua HyperTerminal ta có thể thực thi các lệnh của Linux : Hình 36 : Chạy thử một số lệnh cơ bản . uClinux cũng có các lệnh cơ bản giống như hệ điều hành Linux cho PC vi dụ như các lệnh : ls , cd , echo , cat … và uClinux cũng cho phép sử dụng các lệnh theo cấu trúc đường ống , chạy các lệnh shell . Hệ điều hành uClinux đã được nhúng thành công vào kit HT44B0 . Vi điều khiển S3C44B0X có hệ điều hành và các ngoại vi đã trở thành một máy tính thu nhỏ có thể giao tiếp với thế giởi bên ngoài qua các cổng , cho phép chạy các chương trình . Xây dựng ứng dụng Các ứng dụng được xây dựng để chạy trên môi trường hệ điều hành uClinux cũng giống như các ứng dụng chạy trên môi trường hệ điều hành Linux trên PC . Các chương trình ứng dụng giao tiếp với các thiết bị ngoại vi thông các driver của hệ điều hành . Chương trình có thể được viết và kiển tra trên môi trường Linux trên PC , sau khi đã có chương trình chạy đúng thì mới chuyển xuống chạy trên nền uClinux . Do chương trình được chạy trên môi trường uClinux trên kit nên các file chương trình phải chuyển đổi định dạng từ ELF sang FLT ( sử dụng công cụ arm-elf-elft2flt ). Do uClinux được xây dựng bằng ngôn ngữ C , C++ và sử dụng các thư viện C nên các chương trình đa số đều được viết bằng ngôn ngữ C . Các bước tạo chương trình : Tạo file mã nguồn và viết mã nguồn . Tạo Makefile . Biên dịch . Vi dụ tạo chương trình đơn giản in ra màn hình dòng chữ “Hello world !” bằng ngôn ngữ C : Tạo thư mục hello trong thư mục uClinux-dist/user/ Trong thư mục hello tạo file hello.c có nộ dung : #include int main(){ printf(“Hello world !\n”); return 0; } Tạo file Makefile nằm trong cùng thư mục hello có nội dụng: EXEC = hello OBJS = hello.o CFLAGS += -I. all : $(EXEC) $(EXEC) : $ (OBJS) $(CC) $(LDFLAGS) –o $@ $(OBJS) $(LDLIBS) romfs : $(ROMFSINST) /bin/$(EXEC) clean : -rm -f $(EXEC) *.elf *.gdb *.o Tiếp theo chỉnh sửa thông tin file Makefile trong thư mục uClinux-dist/user . Thêm dòng lệnh sau vào file Makefile : dir_$(CONFIG_USER_HELLO) +=hello Chỉnh sửa thông tin file config.in trong thư mục uClinux-dist/config . Thêm dòng lệnh sau : mainmenu_option next_comment comment ‘Hello Applications’ bool ‘hello’ CONFIG_USER_HELLO endmenu Tiến hành biên dịch chương trình và đưa chương trình vào hệ điều hành : Trong chương trình terminal của Redhat thực hiện lệnh make menuconfig để cấu hình lại các chương trình người dùng . Hình 37 : Các lựa chọn cấu hình biên dịch chương trình hello Một cách khác có thể biên dịch file mã nguồn hello.c ra file chạy bằng cách dùng lệnh trực tiếp từ terminal của RedHat : arm-elf-gcc –Wl, -eft2flt hello.c –o hello Hình 38: kết quả chạy chương trình hello Các thư viện được cung cấp trong Linux đều được viết bằng ngôn ngữ C , C++ nên rất tiện cho quá trình phát triển ứng dụng . Đồng thời hệ điều hành uClinux là hệ điều hành đa nhiệm , cho phép quản lý nhiều tiến trình chạy đồng thời cùng một lúc do đó có thể phát triển các ứng dụng đa luồng rất tiện lợi . Khai thác các đặc tính ưu việt của vi điều khiển S3C44B0X 32 bit hoạt với xung nhịp lên tới 66MHz và sử dụng hệ điều hành đa nhiệm thời gian thực uClinux có rất nhiều thư viện sẵn có , có thể xây dựng các ứng dụng như xử lý ảnh , tiếng nói , giải mã MP3 , VoIP … Kết luận Sau quá trình học tập và nghiên cứu dưới sự giúp đỡ , chỉ bảo tận tình của thầy TS. Nguyễn Thăng Long , các thầy cô trong khoa , em đã hoàn thành được khóa luận tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu ứng dụng hệ điều hành nhúng uClinux trên vi điều khiển S3C44B0X ” . Khóa luận này đã đạt được những kết quả sau : Nghiên cứu tìm hiểu về nhân hệ điều hành Linux và uClinux . Tiếp cận với dòng vi điều khiển 32 bit sử dụng nhân vi xử lý ARM7TDMI . Nắm được phương pháp cấu hình nhân và biên dịch hệ điều hành uClinux . Nhúng hệ điều hành uClinux xuống vi điều khiển S3C44B0X và xây dựng ứng dụng chạy trên nền hệ điều hành uClinux . Hướng phát triển tiếp theo của khóa luận là đi sâu vào xây dựng các ứng dụng và phát triển các driver trong môi trường hệ điều hành uClinux của các hệ thống nhúng . Các tài liệu tham khảo [1] Hà Quang Thụy , Nguyễn Trí Thành , Nguyễn Hải Châu . Giáo trình “ Hệ Điều Hành Unix - Linux” . [2] Daniel P.Bovet & Marco Cesati .Understanding the Linux Kernel . O’Reilly . First Edition October 2000 . [3] David A Rusling , “ The Linux Kernel “ . [4] [5] . [6]