第1章绪论
1.1课题背景和来源
论文选题于西安某所的一项科研课题，此项科研课题的总体目标是研制机载通信链路设备的智能便携式地面保障设备，以提升机载通信链路装备的使用性和维护性。在课题中智能便携式地面保障设备的逻辑处理中心（LPC)要求使用通用高性能嵌入式计算处理模块，处理模块又分为平台部分和应用部分。论文主要处理模块工程研发中的平台系统软件研制问题。LPC模块上配置的应用层逻辑处理软件需要完成设备智能控制、大量语音数据处理、通信数据链管理、通信数据存储等功能。因此在LPC的研制总要求中，通用高性能嵌入式计算处理模块的平台部分不但要求提供高速数据处理能力、大容量吞吐能力、高精度浮点协处理能力、大容量存储能力、丰富的接口控制能力；还特别要对应用软件开发提供优异的维护和支撑能力。这是论文最直接的需求来源。平台研制课题的工程目标是：研制通用嵌入式计算处理模块上配套的平台系统软件，为LPC的应用层逻辑软件开发提供一套完善的、高效的开发环境和板级维护测试工具。
1.2国内外研究现状
在传统设计中，嵌入式计算机通常作为专用计算机。它与外界接口的设备都是针对具体应用设计的，一般都是定制、属于行业专用。有的设备型号甚至是独有的，不同嵌入式系统彼此之间差别很大。这样对于不同应用系统就需要开发不同嵌入式计算机系统，不能更有效的利用现有资源，也使开发周期延长，开发成本增加。针对这些局限，要求改变传统设计，做出满足一定通用要求的嵌入式计算机。在当代军用装备研制中，经常是系统集成研制单位根据自己功能需求指定具备行业资格的设备/组件研制单位研制并生产具备通用特性的嵌入式计算机产品。但是随着嵌入式应用市场需求不断扩大和行业分工的精化，通用嵌入式计算机凭借其优越的性能、较低的人力时间成本，得到广泛的使用。甚至在许多行业应用中，彻底替代了专用嵌入式计算系统[10]。通用嵌入式计算机的通用性相对特定领域，通过研究得出这一领域嵌入式系统面临的共性问题（典型的比如：通信领域的大数据交换要求、军事领域低功率和高可靠性要求、应用开发的基础服务需求)。要满足这些要求，通用嵌入式计算机硬件平台要采用开放式体系结构设计，釆用标准总线，幵放平台和软硬件间的接口标准。通用嵌入式计算机软件平台采用稳定高效的操作系统，功能强大的开发工具链，目标是能最大限度利用已有资源并满足不同需求开发，达到通用性的要求。构造性价比均衡的嵌入式平台产品。嵌入式计算机硬件架构选型最重要的是嵌入式处理器。处理器选择基本原则是满足具体功能性和非功能性指标需求且市场应用反应良好、硬件配置最少。PowerPC处理器计算能力优异、低能量损耗和低散热量,在中高端使用实现广泛，主要应用在航天、航空以及军工领域。同时PowerPC处理器具有较长市场生存周期，产品能够得到稳定的技术支持、稳定的供货渠道，生产和市场风险低。嵌入式计算机软件架构选型最重要的嵌入式操作系统，操作系统的选择也决定了幵发环境的选择。VxWorks以其良好的可靠性和卓越的实时性普遍应用于通信、军事、航空航天等高精尖实时性要求极高的领域中，如卫星通讯、军事演习、弹道制导、飞机导航等。在嵌入式操作系统无国产化要求时，VxWorks是一个比较理想的选择。
1.3本文研究的主要内容、目标与方法
当前的嵌入式开发已经逐步工程规范化，在遵循一般软件工程开发过程的同时，嵌入式开发也有其自身的一些特点。嵌入式系统开发的流程主要包括系统需求分析(要求有严格规范的技术指标要求)、体系结构设计、软硬件及机械系统设计、系统实现、系统集成、系统测试，最终得到最终产品。同时嵌入式系统开发必须是软件、硬件综合开发和验证。本论文的目的是通过对嵌入式系统开发中平台系统软件和应用软件开发过程的现状分析研究，提出对嵌入式软件开发中平台系统软件核心技术的创新和改进。课题通过调查研究、技术攻关与工程实践相结合的办法，以产品开发为导向，以产生经济效益、提升技术水平为目的。由此，论文的技术路线必须是通用的，即做法、步骤是可以被复现的，而获得的结果必须是容易被理解和使用的。首先，硬件平台釆取开放式体系结构，采用标准总线，同时幵放平台的接口标准、软硬件间的接口标准，在模块化设计时开放嵌入式计算机模块间的接口标准等等，达到通用性的要求。这也保证了论文所研究的对象具有可实现性。其次，平台系统软件研制的开发环境采取基于VxWorks的工具链。这确保论文实现的工具链是完整的和易获得的。
第2章平台系统软件关键需求研究
平台系统软件的共性需求主要来自两方面：来自平台硬件的需求和来自应用开发的需求。当通用嵌入式计算机硬件架构设计完成后，会对平台系统软件产生工程意义上的设计约束。
2.1来自平台的共性需求
通用嵌入式计算机需要满足大多数情况下的应用领域计算能力、吞吐量和存储能力的需求。计算能力由CPU、DDR和GPU的计算能力构成。吞吐量的提高要求髙速总线的对外接口。设计良好的高速数据总线可以将CPU从数据吞吐耗费计算资源的拖累中解脱出来。嵌入式系统中持久化存储能力主要由Flash存储器构成。NOR flash带有SRAM接口，读快写慢，具有片上程序执行能力，故通常用作程序存储器；Nand Flash实用串行I/O,容量大、擦写快，故通常用作数据存储器。平台系统软件必须设计性能优异的资源调度管理算法，充分发挥硬件的性能。
第3章平台系统软件架构设计....... 16
3.1开发框架 .......16
3.1.1开发工具链(DEVT)....... 16
3.1.2板级支持包（BSP)....... 17
3.1.3 维护套件（MSU)....... 17
3.1.4 测试套件（TSU) ....... 18
3.2 BSP 设计 .......18
3.2.1 BSP 结构....... 18
3.2.2 BSP的开发过程....... 20
3.3维护工具设计....... 21
第4章BSP构造中几个关键技术设计....... 27
4.1引导实现流程 .......27
4.2引导模式设计实现....... 29
4.3地址空间布局 .......30
4.4看门狗设计实现....... 31
第5章板级维护工具设计和实现....... 33
5.1参数配置功能........38
5.3 FPGA和DSP代码的加载....... 42
5.4用户代码的动态加载实现....... 44
结论
通过策划、调研、设计、实现、生产并维护一款通用嵌入式计算机的平台软件，本论文完成了一项系统、团队化工程。
1.根据市场需求调研，分析整理和构建嵌入式平台的软件开发框架，使产品的系统软件开发工作、生产和维护基于一个统一的框架下，减少项目风险，提高工程的可预测性和可重复性。
2.分析通用嵌入式计算机的共性需求，具体到硬件和应用开发上。这是通用嵌入式计算机的通用性在产品中的体现，是项目产品存在的基础。
3.描述了软件平台的设计过程和实现原理，并对平台开发中BSP构造阶段需要实现的引导模式、地址空间布局、看门狗等关键技术的实现进行了介绍。
4.描述了板级维护工具的构建过程、给出通用嵌入式计算机的典型维护场景。这部分也是通用嵌入式计算机平台开发最为核心的部分。
5.依据嵌入式系统的可测试性需求，论文对嵌入式计算机产品的测试性设计做了初步探索。
参考文献
[1]曹桂平.VxWorks设备驱动开发详解.电子工业出版社.2011:3
[2]马义德，刘映杰，张新国.嵌入式系统的现状及发展前景.信息技术.2001(12):57-59
[3]熊光泽，罗蕾.嵌入式软件技术的现状与发展动向.计算机应用.2000，20(07):1?3
[4]袁伟杰.嵌入式系统初始引导技术研究.华中科技大学硕士学位论文.2008:2
[5]杨伟，罗蕾.嵌入式系统中的模块动态加载技术.单片机与嵌入式系统应用.2007(11):8
[6]王齐.Linux PowerPC祥解——核心篇?机械工业出版社.2008:12
[7]田仲，石君友.系统测试性设计分析与验证.北京航空航天大学出版社.2003:8
[8] Abhik Roychoudhury.嵌入式系统设计的验证与调试技术.田尊华.清华大学出版社.2010:1-77
[9]孔祥营，张保山,俞烈彬.VxWorks驱动及分布式编程.中国电力出版社.2007:1-5
[10]秦娟.基于PoWerPC7410的通用嵌入式计算机的设计和实现.上海交通大学硕士学位论文.2008:1~7