基于Linux嵌入式操作系统的图形化界面河南工业大学

河南工业大学论文题目：基于 Linux 嵌入式操作系统的图形化界面的 研究和实现学 院： 信息科学与工程学院班 级： 电科 1304姓 名： 学 号： 2013160304指导老师姓名：王金峰摘要：随着通讯技术的发展和 3G 网络的推广，用户对手机的要求不在只是简单的语音、收发短信等基本功能，手机办公、手机娱乐等功能受到人们的青睐。PDA (Personal Digital Assistant) 正是在这种背景下产生，并且发展壮大，它不仅集成了传统手机的基本功能，同时兼容了笔记本电脑的诸多功能，真正满足了用户需求。PDA 市场潜力巨大，是个人终端技术的发展趋势。 本文以嵌入式的 PDA 为研究对象，论述了基于嵌入式 Linux 和 Qt/Embedded的图形界面终端的设计与实现，最终搭建了适用于 PDA 的个性化人机交互系统。论文的主要内容包括：（1）通过对当前流行的几种嵌入式处理器、嵌入式操作系统、GUI 图形支持系统优缺点的讨论，结合设备特点选择了以 ARM9 核心的 S3C2410 为本系统的硬件平台，2.4.18 内核 Linux 和 Qt 为本系统的软件平台。（2）建立硬件开发平台，对 s3C2410 处理器、以及外围接口部件进行了分析介绍，讲述了它们的结构及功能；（3）对 Linux 系统的内核和文件系统作了深入研究。详细分析了 Linux 系统 bootloader 的功能以及它的编译与移植；Linux 内核的剪切、编译和移植；Linux 文件系统的制作、编译与移植, 为系统开发搭建了软件平台。 （4）在对 Qt/Embedded 系统分析的基础上，分别建立了 Qt 在 PC 机上的开发调试环境和 Qt 在 cygwin 上的编译移植环境。（5）在 PC 机 Qt 开发环境下，开发了几个基于 Qt/E 的具有友好界面的应用软件。利用这几个程序构建了自己的图形化界面系统，在 cygwin 上经过编译移植进目标板，运行稳定。验证了 Linux+Qt/Embedded+ C+开发环境的有效性。最后，开发的成果为一套精美高效，可触摸式的人机交互系统，它具有可移植性好、操作简单和易于二次开发等特性。 关键字：PDA 嵌入式处理器 嵌入式 Linux Qt/Embedded 人机交互系统 S3C2410一、引言1.1 嵌入式系统概述国际电气和电子工程师协会(IEEE)定义嵌入式系统为：“用于控制、监视或者辅助设备、机器或者车间运行的装置(An Embedded system is the devices used to control,monitor,or assist the operation of equipment,machinery or plants)”。通常来说，嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用程序四部分组成，用于实现对其它设备的控制、监视或管理等功能。 嵌入式系统有如下特点： （1）专用性强为特定应用设计，专用于特定的任务，软硬件可裁剪，满足对象系统要求的最基本软硬件配置。（2）可靠性高代码固化、存放在存储器芯片或处理器的内部存储器件中。（3）功耗低、体积小、集成度高、成本低系统的硬件和软件都进行高效设计，在保证稳定、安全、可靠基础上量体裁衣，去除冗余，用较少的软硬件资源实现较高的性能。1.2 嵌入式人机交互系统的研究现状人机交互是研究人、计算机之间相互作用的技术。界面是人与计算机之间交换信息的媒介和对话接口，是计算机系统的重要组成部分。人机交互的发展从人去适应计算机逐步过渡到计算机不断地适应人，演变过程共经历了以下几个阶段：（1）早期的手工作业阶段，用户（程序设计员）采用手工操作和依赖机器（二进制代码）的方法在计算机上执行操作。（2）作业控制语言及交互命令语言阶段，采用批处理作业语言及交互命令语言与计算机交流，需要记忆大量命令，熟悉键盘输入方式。（3）多通道的智能人机交互阶段，涵盖了用户表达意图、执行动作或感知反馈的各种信息交互，如言语、手势、触觉等方面。多通道人机界面是基于视线跟踪、语音识别、手势输入、感觉反馈等的新交互技术，实现科学计算可视化、虚拟现实等，这些技术对计算机系统性能提出了更高的要求。它允许用户利用多个交互通道以并行、非精确方式与计算机系统进行交互，旨在提高人机交互的自然性和高效性。1.3 嵌入式人机交互系统的发展趋势当今信息时代，使得嵌入式产品获得了巨大的发展契机，为嵌入式市场展现了美好的前景，同时也对嵌入式研发提出了新的挑战。（1） 网络化要求随着因特网技术的成熟，未来嵌入式设备为了适应网络发展，必然要求硬件上提供各种网络通信接口，软件方面系统内核要支持网络模块，实现随时随地上网。（2） 精简系统内核设计者应尽量精简系统内核，只保留和系统功能紧密相关的软硬件，利用最低的资源实现最适当的功能。（3） 提供友好的多媒体人机界面嵌入式设备能与用户亲密接触，最重要的因素就是它能提供非常友好的用户界面。1.4 本课题研究意义嵌入式系统因其体积小、可靠性高、功能强等优势，已渗透到工业、农业、教育、国防、科研以及日常生活等各个领域，对各行各业的技术改造、产品更新换代、提高生产率等方面起到了极其重要的作用。同时，嵌入式 Linux 操作系统以其开放源代码、易于开发、功能强大、稳定、成本低等优势迅速跻身于主流嵌入式操作系统。基于嵌入式 Linux 操作系统的研究和应用具有巨大的学术和商业价值。相对于桌面系统，人机交互技术在嵌入式系统中的研究还处于初级阶段。嵌入式系统的终端产品在系统简洁、美观、方便好用，人性化设计等方面较桌面系统还有巨大差距，因此越来越多的人投入到嵌入式 GUI 的的开发当中。本课题正是探索如何在 S3C2410 处理器(ARM9)上搭建和移植嵌入式 Linux 操作系统并在移植好的操作系统上实现 GUI，同时实现基于 Qt/Embedded 的应用软件的开发，最后构造一个完整的 PDA 图形化系统。二、嵌入式系统开发硬件平台构建2.1 硬件系统设计方案一个应用系统的设计都是面向产品的，以产品需求来定制系统。总的来说，在系统硬件体系结构设计时，应当遵守一定的标准，具体标准包括：（1）先要综合了解系统各方面需求，在分析之后确定合适的解决方案，提出硬件的体系结构及系统外围各功能模块的实现。(2)充分利用当前比较成熟的技术方案，这样可以保证电路设计的正确性和可靠性，并且可以大大缩短系统的设计时间。硬件系统采用模块化、标准化设计，还应尽量选择典型的电路功能模块。(3) 因为硬件升级比软件升级相对复杂，所以硬件系统体系架构应该尽量使用开放模式，采用通用平台设计，以降低成本和减小开发周期，也便于将来对系统的改进与升级。(4) 嵌入式系统一般采用软硬件一体化的解决方案，在硬件设计同时进行软件开发，硬件的方案要根据软件的可行性进行考虑，而软件的设计也要根据硬件的性能进行考虑，这样在具体实现时，整个系统就可以不断的进行分析与改进，能够使系统达到最优化。2.2 系统需求分析本系统提供了一种嵌入式 PDA 多种应用软件的功能。友好的人机交互接口组成系统的控制面板，方便用户的操作。网络通信和 mp3 解码播放等应用的实现使系统除了必需具有人机交互的控制功能外，还应该具有丰富的通讯、网络接口和强大的 mp3 解码功能。具体需求如下：(1)宿主机与目标板的交互接口，包括 UART 通用串口、JTAG 烧写接口等；(2)LCD 模块及触摸屏；(3)必须实现通用的以太网 Ethernet 接口，用来实现目标机的远程登录和访问；(4)强大的处理器解码性能和可靠的音频控制器，实现 mp3 歌曲文件实时播放；(5) 必须具有足够的存储器空间，用来存储系统镜像和音视频文件。2.3 硬件平台本设计使用 Samsung 公司 S3C2410 处理器的 S3EB2410 开发板作为硬件开发平台，用它进行 ARM 技术评估以及嵌入式 Linux 系统设计。平台采用开放式架构设计，便于根据应用需要，进行各种功能扩展。其硬件框图如下图所示：（1）内核工作电压为 1.8V、存储器供电电压 3.3V、外部 I/O 设备供电电压3.3V；（2）使用外部 12MHz 晶振，CPU 内部倍频至 200MHz；（3）LCD 接口，最大可支持 4K 色 STN 和 256 色 TFT；（4）4 路 PWM；（5）3 通道的 UART 串口接口；（6）双 USB2.0 接口，实现与 U 盘、硬盘、键盘等从设备的通讯，一通道USB DEVICE；（7）TSP 触摸屏控制器；（8）8 通道 10 位 ADC 模数转换接口；（9）10M 以太网卡；（10）IIC 总线 EEPROM；（11）IIS 数字音频输入/输出接口。（12）两片 32MB SDRAM，作为程序运行空间。 64MB Nand Flash 存储器，用于存放 Linux 系统。2.3 电路模块设计分析2.3.1 网络模块S3C2410 没有集成网络控制器，在嵌入式平台中需增加独立的以太网控制芯片来实现网络接口，本系统通过外接一片 CS8900A 芯片扩展了一个 10M 的以太网接口。CS8900A 是美国 CIRRUS LOGIC 公司生产的以太网控制器，由于其优良的性能、低功耗及低廉的价格，使其在 10Mbps 嵌入式网络应用中占有相当的比例。上图为 CS8900A 的硬件连接示意图。S3C2410 通过数据总线与若干控制信号和 CS8900A 相连接，系统与外部网络通信通过以太网接口进行扩展。以太网接口使用的是集成了网络变压器(Transformer)的 RJ45 网络接口，网络变压器的功能就是把 PHY 输出的差分信号用差模耦合的方式进行耦合滤波以增强信号，并且通过电磁场的转换，耦合到连接网线的另一端，这样使网络传输媒介和 PHY 之间没有物理上直接连接，隔断了信号中可能存在的直流分量，实现了在不同电平下工作的设备可以传送数据。2.3.2 LCD 模块S3C2410 内部集成了 LCD 控制器逻辑单元，支持黑白屏 LCD、STN-LCD、TFT-LCD 等多种显示屏，用来将 LCD 图像数据从系统内存的视频缓冲区传输到外部 LCD 驱动器，同时产生数据传输与显示时使用的各种时钟与控制信号。 如下图 所示的 S3C2410 的 LCD 控制器内部组成框图， LCD 数据总线VD0VD23 用来传输 16 位 RGB565 格式数据到液晶模块显示， LCD 控制线有 5条：VFRAME 帧同步信号、VLINE 行同步信号、VCLK 位时钟信号、LEND 行结束信号、VM 输出数据使能信号。LCD 运行原理：为了显示一帧图像，首先在系统的帧缓冲区中存入要显示的图像数据，然后让 LCD 控制器的 DMA 地址寄存器指向帧缓冲器的起始地址，读出帧缓冲区的数据到 LCD 控制器的输入 FIFO 队列，由于设计中采用 16 位方式，不需要对 framebuffer 帧缓