Arm Cortex-M4 物聯網物端單板電腦及其乙太網路韌體開發

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姓名

楊中毅(Chung-Yi Yang) 查詢紙本館藏

畢業系所

光機電工程研究所

論文名稱

Arm Cortex-M4 物聯網物端單板電腦及其乙太網路韌體開發
(Arm Cortex-M4 IoT Single Board Computer and its Ethernet Firmware Development)

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摘要(中)

為促進物聯網領域的發展，本研究設計一套完整的物聯網物端開發平台，提供硬體單板電腦與軟體開發環境，以協助縮短物聯網應用的開發和部署時程。

硬體單板電腦設計採用Arm Cortex-M4架構微控制器作為核心，配備NOR快閃記憶體儲存系統與乙太網路連網介面。軟體方面使用C語言開發環境，並規劃分層模組化專案架構，使用GNU GCC工具鏈與Makefile建構應用專案，並提供一系列開發輔助工具。

為簡化開發流程，本研究設計在系統上程式設計 (In-System-Programming, ISP) 燒錄功能，實現主機端命令列燒錄工具與微控制器端啟動載入器程式。主要包含兩大功能：UART ISP，可透過與主機端的連接進行韌體更新；Flash IAP，透過LittleFS嵌入式檔案系統管理儲存空間，能夠從板載儲存系統載入開機程式。

為賦予單板電腦連網能力，設計乙太網路實體層、媒體存取控制層驅動程式，並移植輕量化TCP/IP協議堆疊lwIP，針對TCP、UDP等協議的連網功能進行了一系列測試，驗證其連網能力，以涵蓋多種可能的應用場景，最後對乙太網路線上更新 (Ethernet OTA) 功能進行概念性驗證。

摘要(英)

In order to promote the development of Internet of Things (IoT), this study designs a complete IoT development platform, which provides a hardware single board computer and a software development environment to help shorten the development and deployment time of IoT applications.

The hardware single board computer is designed with Arm Cortex-M4 architecture microcontroller as the core, equipped with NOR flash memory storage system and Ethernet interface. The software uses the C language development environment, and plans a hierarchical modular project structure, using the GNU GCC toolchain and Makefile to construct application projects, and provides a series of development aids.

In order to simplify the development process, this study designs the In-System-Programming (ISP) programming function, which realizes the host-side command line programming tool and the microcontroller-side bootloader program. It consists of two main functions: UART ISP, which allows firmware updating through the connection with the host side, and Flash IAP, which manages the storage space through the LittleFS embedded file system and allows the boot program to be loaded from the on-board storage system.

In order to provide single board computers with networking capabilities, I designed Ethernet physical layer and media access control layer drivers, and ported lwIP, a lightweight TCP/IP protocol stack, and conducted a series of tests on TCP, UDP, and other protocols to validate their networking capabilities to cover a wide range of possible application scenarios, and finally conducted a conceptual validation of the Ethernet OTA function. Finally, the Ethernet Over-the-Top (OTA) feature was proof-of-concept.

關鍵字(中)

★ 物聯網
★ 啟動載入器程式
★ 在應用上程式設計
★ 乙太網路
★ lwIP

關鍵字(英)

★ IoT (Internet of Things)
★ Bootloader
★ IAP (In-Application-Programming)
★ Ethernet
★ lwIP

論文目次

摘要 I
Abstract II
致謝 III
目錄 IV
圖目錄 VIII
表目錄 XII
一、緒論 1
1-1 研究動機與目的 1
1-2 文獻回顧 3
1-3 研究構想 4
1-4 論文組織架構 5
二、理論及技術背景 6
2-1 物聯網 6
2-1-1 基本組成 7
2-1-2 通訊類型 9
2-1-3 網路模型 10
2-2 韌體更新機制 12
2-3 即時作業系統 13
2-4 嵌入式檔案系統 16
2-5 乙太網路 17
2-5-1 乙太網路實體層 18
2-5-2 乙太網路媒體存取控制層 19
2-5-3 媒體獨立介面 19
三、物聯網物端開發平台系統設計 21
3-1 簡介 21
3-2 物聯網單板電腦規格 22
3-3 硬體系統 24
3-3-1 硬體功能方塊 24
3-3-2 雙核處理架構 25
3-3-3 儲存系統 26
3-3-4 乙太網路 27
3-3-5 輸出輸入埠 27
3-3-6 硬體使用介面 29
3-4 軟體系統 31
3-4-1 軟體開發環境 31
3-4-2 嵌入式檔案系統 - LittleFS 32
3-4-3 TCP/IP 協議堆疊 - lwIP 32
3-4-4 即時作業系統 - FreeRTOS 32
3-4-5 追蹤分析工具 - Segger SystemView 33
四、裝置韌體更新系統設計與驗證 34
4-1 簡介 34
4-2 系統規劃 35
4-2-1 硬體功能方塊規劃 35
4-2-2 軟體功能方塊規劃 36
4-2-3 記憶體佈局規劃 37
4-2-4 通訊狀態機規劃 38
4-2-5 通訊封包格式規劃 39
4-2-6 通訊命令規劃 40
4-3 微控制器端 - Bootloader 實現 41
4-3-1 軟體分層設計 42
4-3-2 嵌入式檔案系統移植 43
4-3-3 重置後的程式運行流程 45
4-3-4 執行權轉交 46
4-3-5 流程圖 47
4-4 主機端 - 命令列燒錄工具實現 48
4-4-1 使用介面 49
4-4-2 命令列處理 50
4-4-3 燒錄格式解析器 50
4-4-4 封包收發管理器 51
4-4-5 系統狀態機 51
4-4-6 PyPI 軟體發布 51
4-5 微控制器端與主機端間通訊 52
4-5-1 燒錄至微控制器內部快閃記憶體 52
4-5-1 燒錄至擴充儲存系統 53
4-6 測試與功能驗證 54
4-6-1 主機端燒錄工具命令測試 54
4-6-2 主機端燒錄至單板電腦內部快閃記憶體測試 54
4-6-3 主機端燒錄至單板電腦擴充儲存系統測試 54
4-6-4 微控制器端開機測試 55
五、乙太網路連網系統設計與驗證 57
5-1 簡介 57
5-2 乙太網路實體層電路設計 58
5-3 乙太網路驅動程式設計 60
5-3-1 媒體存取控制層驅動程式設計 60
5-3-2 實體層驅動程式設計 62
5-3-3 乙太網路直接記憶體存取 63
5-3-4 資料轉移過程 67
5-4 TCP/IP 協定堆疊 - lwIP 移植 68
5-4-1 lwIP 簡介 68
5-4-2 硬體及編譯環境相關移植 cc.h 69
5-4-3 lwIP系統時間設定 71
5-4-4 TCP/IP協議堆疊 lwIP 與MAC間介面 72
5-4-5 lwIP配置檔lwipopts.h 73
5-5 測試與功能驗證 76
5-5-1 MAC Loopback 測試 76
5-5-2 RMII 測試 77
5-5-3 PHY Loopback 測試 79
5-5-4 Ethernet Frame 送收測試 81
5-5-5 PING 測試 84
5-5-6 UDP 測試 86
5-5-7 TCP 測試 92
六、結論與未來展望 98
6-1 本文貢獻 98
6-2 未來展望 98
參考文獻 99
附錄一、單板電腦電路設計 101
附錄二、ASA-BUS 匯流排介面 104

參考文獻

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[25] cy023，裝置韌體更新系統原始碼，https://github.com/cy023/NuM487BOOT
[26] cy023，乙太網路連網系統原始碼，https://github.com/cy023/NuM487ETH

指導教授

江士標(Shyh-Biau Jiang)

審核日期

2023-7-24

推文