基于FPGA的SOPC嵌入式系统设计技术的研究与应用

摘 要 - I - 摘 要 本课题的研究以作者所属实验室正在进行的 控商业自动化管理系统 为背景，提出并详细介绍了一种基于 术的嵌入式系统设计方法，并结合网络税控器系统进一步讨论了针对基于 入式系统设计技术的研究与应用。本课题所研究内容属于 控商业自动化管理系统 的一部分。该系统的主要目的是针对大中型商场及超市进行现有税收和申报制度的改进和完善。具体通过网络税控器对每一单购物票据每一笔交易进行监控、记录和统计，向服务器提交，并根据统计到的营业额进行征税，以此完善税控机制，促进税控手段的电子信息化和现代化。 本文基于 术为网络税控器提出了一种嵌入式系统解决方案， 场可编程门阵列为硬件基础，构成一个可编程片上系统 ( 其中 网络税控器采用了 I 嵌入式 软核处理器， 文中对网络税控器 统的搭建进行了详尽的介绍。网络税控器采用 本文 结合 I 嵌入式软核处理器体系结构阐述了 对该处理器架构及其 统平台的配置裁剪、编译移植，分别介绍了 缩映像以及 相关原理。此外，本文介绍了 交叉编译开发环境的建立、 及 备驱动的特性和开发方法，并综合以上技术点对税控业务应用进行了设计开发和部署，并且提出了以掉电保护模块为主的改进方案，进行了详细介绍和阐述。 本课题所进行研究和设计的现实意义不仅在于该 网络税控器 系统对促进我国税务工作的信息化、自动化建设有着十分积极的作用，而且文中所提出的嵌入式系统设计开发方法和流程，对于同类设备系统的设计开发也具有一定的研究和利 用价值 。 关键词： 嵌入式系统； 网络税控器 is is s s as It a of of as an is is to of to a in to of a an as Is of of is of it of we a in In it we or in of by it Its to of of of to or in 录 - V - 目 录 摘 要 . 录 . V 第 1 章 绪论 . 1 题背景及研究意义 . 1 关概念及技术介绍 . 2 究内容与工作任务 . 3 文组织结构 . 4 第 2 章 网络税控器系统概要设计 . 5 统需求分析 . 5 控商业自动化管理系统概述 . 5 语和定义 . 6 络税控器工作流程简述 . 6 络税控器业务应用的用例分析 . 8 行研究的关键问题 . 8 络税控器系统概要设计 . 9 件约束 . 10 件条件约束 . 10 件条件约束 . 11 章小结 . 11 第 3 章 网络税控器 统平台的建立 . 13 计技术概述 . 13 . 13 I 软核处理器概述 . 13 发流程概述 . 15 络税控器硬件平台概述 . 16 络税控器 统的建立 . 17 络税控器 统结构规划 . 17 户自定义 的添加 . 18 台创建 . 19 北京工业大学工学硕士学位论文 - 置和下载 . 20 章小结 . 20 第 4 章 . 23 作系统概述 . 23 介 . 23 区别 . 23 统引导过程分析 . 24 核映像的构建 . 26 核配置工作环境的准备 . 26 核映像的配置和编译 . 27 核映像的部署 . 32 47 . 32 48 . 32 章小结 . 33 第 5 章 税控业务应用的实现与部署 . 35 控业务应 用软件模块设计 . 35 控业务应用关键功能的实现 . 35 行通信模块 . 35 控数据解析模块 . 40 络通信模块 . 42 障报警功能的设计实现 . 43 控业务应用的部署 . 45 进和完善 . 46 对 48 小时内断网销售功能的改进 . 46 对税控 控制器核设备驱动程序的改进 . 47 章小结 . 50 第 6 章 掉电保护模块的设计实现 . 51 计方案背景介绍 . 51 . 51 . 53 断处理 . 53 步信号 . 54 . 54 目 录 - . 54 符设备驱动 . 55 决方案的提出 . 57 电保护模块的实现 . 57 备驱动的 实现和编译 . 57 步信号的响应 . 60 据保存及载入的实现 . 60 序优先级的修改 . 61 能验证 . 62 据保存所耗费时间的测算 . 62 据载入的测试 . 63 章小结 . 63 第 7 章 系统验证 . 65 统平台的功能和稳定性测试 . 65 络税控器样机系统业务功能测试 . 66 络税控器样机系统单元测试 . 66 络税控器样机系统业务功能测试 . 67 章小结 . 68 结 论 . 69 参 考 文 献 . 71 攻读硕士学位期间取得的研究成果 . 75 致 谢 . 77 第 1 章 绪论 - 1 - 第 1 章 绪论 题背景及研究意义 众所周知，我国是世界上人口数量最多的国家，并且随着社会经济的不断发展，我国已经成为了任何人都无法忽视的一块巨大市场。经济的腾飞使得国民生活水平得到了显著提高，国家的财政收入也每年保持稳步增长。据 财政部公布的数据显示， 2011 年全国财政收入突破 10 万亿元大关，达 103740 亿元 ,比上年增长 在这其中，超过 95%的收入来自于税收 1。因此税收对于国家发展的重要性可见一斑。但是长期以来，以大型商场和超市为主要组成部分的消费市场，其报税机制一直存在问题：基本为企业或商家单方面向税务机关申报当年营业额，并根据此数额进行税务的缴纳。由于我国现今的消费仍多以现金交易为主，因此税务机关进行征税的主要依据仍多为实体发票，经营者应当据实开具发票，交易才完整并且合法。倘若消费者在交易过程中未索取发票，就会使一些商家和企业有机可乘。而长期以来在大型商场和超市中，人们实际购物后都需要以购物小票为凭证去卖场的指定 地点自己要求开具发票，绝大多数人会为了省去这个时间和麻烦，而不去索取发票。再考虑到当前国内消费市场中报税手段仍比较落后，电子信息化不充分，这样一些商家误报、虚报和瞒报等现象就难以避免，每年都会给国家造成巨大的税收流失，严重阻碍社会经济的健康发展。现在，针对我国庞大的基础消费市场如何进行税控手段的现代化信息化改造，以及如何有效监管和统计，已经成为国家政府及下属税收机关亟待解决的重大问题。因此，为了加强税务控制和管理，从 2004 年 4 月，国家税务总局、财政部、信息产业部、国家质量监督检验检疫总局联合发文，决定在适 用的行业推行使用税控收款机 2。 税控收款机， 是指 具有 收款、开具发票、 税 收 控 制 功能， 且能够保证经营数据 正确生成、可靠存储和安全传递，实现税务机关的 对数据的审查、管理等功能 的 自动化电子设备 。 我国 国家标准化委员会 于 2003 年 8 月 颁布了税控收款机国家标准（ 2003）。该标准为强制性标准，要求从 2003年 10 月 1 日起，所有的税控收款机必须符合该标准，否则不得进入我国市场 2。 符合该标准的税控收款机功能虽然完备，但现阶段进行大规模推行存在如下所述的难点和阻力：目前国内绝大多数商场、超市乃至商户使用的电子收款机都不具备 税控收款机国家标准（ 2003） 所规定的功能，要北京工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 做到税控改革就意味着现在使用的收款设备需要全部更换，其需耗费的成本过于高昂，而且此举对于企业现有的计算机信息系统也会造成比较大的影响 ，需要企业进行相当规模的改造。以上的现实造成了税控收款机的普及以及税控自动化信息化改革步伐渐缓 3。因此针对这些难点和不足，本文作者所在实验室项目组提出了以“嵌入式网络税控器 +普通电子收款机”为核心的与税控收款机具有等同功能的嵌入式系统替代方案。 随着近年来半导体技术的高速发展以及工艺的巨大进步，处理器的性 能获得了大幅提高，同时功耗和发热量在不断下降，芯片体积不断减小， 这为嵌入式设备在各个行业领域的大规模应用发展提供了先决条件 4。不同于通用微处理器，嵌入式处理器及其系统具有高度定制化和可裁剪的特点。嵌入式处理器需要操作系统对其专门定制，以最大限度地发挥其功能，进而适应特定场合下的需要。这种为嵌入式微处理器量身定制的操作系统称为嵌入式操作系统 5。 本课题以 控商业自动化管理系统作为研究背景，对基于 术嵌入式系统设计方法及应用进行研究，并基于 I 平台针对网络税控器部分的软硬件以及业务流程进行了研究、设计和应用。此外，本文还在已有税控业务功能的基础上进行了以网络税控器掉电保护功能为主的一系列完善和改进方案的研究和设计。 关概念及技术介绍 1. 嵌入式系统 对于嵌入式系统，国内一般定义为：“以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统”。嵌入式系统目前在工控、医疗、航空、运输、勘探等很多领域广泛应用着，并且随着时间的推进其应用面和产品种类还在飞速扩展 6。 2. 于 术嵌入式系统在最近几年 得到了巨大的发展。现场可编程门阵列，是一种基于查找表结构的可编程逻辑器件 (查找表 (本质上来说是一块随机存储器(当用户通过原理图或 言的形成一个逻辑电路后， 发软件会根据设计自动计算生成所有可能的逻辑结果并存储在该表中，这样每种输入就会对应该逻辑电路的一种输出 7。可编程逻辑器件产生于上世纪 70 年代，第 1 章 绪论 - 3 - 经过 30 多年的发展，其结构、工艺、功耗、规模和速度都得到了重大的发展，单片的集成度已经由原来的数千门发展到现在的数十万门甚至百万门级，芯片的 I/O 端口也发展到了数千个。 可编程特性与用户自定义 的结合，使得将一整个电子系统集成到一片 形成 入式系统成为可能。 3. n 可编程片上系统，它可将许多功能模块和微处理器核心结合在一块芯片中，在单个芯片上完成整个板级系统的功能 7。 早由美国 司提出，如今已经发展成为一种非常实用和成熟的嵌入式系统设计技术 ， 可让系统设计者把 新产品的 开发周期大大缩短，风险 也尽量 降到最小。最重要的是，具有现场可编程性的 及 术的运用，可以显著延长产品的生命周期 ，从而减小了被新一代同类产品淘汰的威胁 ，有效降低开发成本 7。 术在嵌入式设计领域备受瞩目，许多企业都在应用其可编程的特点推出自己的产品，很多高校也设立了相关课程。目前，随着大规模集成电路设计技术的进步和工艺的不断提高 ， 术正在逐渐成为集成电路设计的主流技术，在便携设备、数据采集设备以及多媒体设备等领域都得到了广泛的肯定和应用。 4. 即为知识产权核 或知识产权模块，是指用于 的预先设计好的电路功能模块 8。 这使得用户能够将自己设计的逻辑功能以 的方式配置添加到可编程逻辑器件中进行应用。 5. 是一款基于 核设计的嵌入式操作系统。 承了 强大的网络特性和文件系统支持，以及优秀的稳定性、可靠性 9。 与 通用性相比， 更加针对计算机微控制领域。 当今，基于 究内容与工作任务 本课题主要针对 准中所规定的功能，以及单一税控收款机在普及过程中遇到的现实阻力，研究了 控商业自动化管理系统的业务处北京工业大学工学硕士学位论文 - 4 - 理流程，并以其中的核心部分税控收款机为例，提出了一种包括了全部软硬件的嵌入式系统替代解决方案，以实现标准中所规定的各项功能与任务。 本课题所完成的具体工作任务如下： 1. 研究 准所规定的税控业务流程和功能，针对已有税控应用功能模块确定网络税控器软硬件功能需求和需要解决的问题； 2. 采用 入式系统设计技术及开发平台进行网络税控器运行所需的 统的搭建； 3. 针对 I 嵌入式软核处理器进行 作系统映像的配置、建立和运行，使该 操作系统能够正确运行在前述 统上； 4. 建立 行税控业务应用已有功能模块的移植和部署； 5. 针对现有系统进行以掉电保护功能模块为主的一系列改进完善部分的设计和开发。 文组织结构 第一章：绪论。论述本课题的研究背景及现实意义，对课题中主要概念、技术点及其各自发展现状进行简要介绍，说明本课题的研究内容和工作任务。 第二章：系统概要设计。以 控商业自动化管理系统为背景，概述税控业务应用的主要功能和工作流程，并针对已有功能模块确定网络税控器软硬件功能 需求以及所需解决的问题。 第三章： 统平台的配置和建立。进行网络税控器所需 统平台的建立，介绍基于 计技术的系统平台开发流程。 第四章： 像的建立和部署。结合 特点及 动过程原理，进行针对 I 软核 作系统映像的配置、建立和部署，并进行相应测试，使之顺利运行在前述搭建的 统平台上。 第五章：网络税控器业务应用的实现和完善。完成针对 交叉编译开发环境的搭建，介绍网络税控器的启动过程和业务应用流程，对税控业务应用既有部分进行配置、移植和部署，并进行进一步的完善和改进。 第六章：研究和分析 核的任务调度、中断处理机制、异步信号机制，并结合 备驱动程序的原理和特点，针对网络税控器设计并实现以掉电保护功能模块为主的一系列改进与完善方案。 第七章：验证。针对为系统平台所做的测试验证工作进行介绍。 第 2 章 网络税控器系统概要设计 - 5 - 第 2 章 网络税控器系统概要设计 统需求分析 控商业自动化管理系统概述 控商业自动化管理系统旨在企业既有信息系统的基础上构建一个可覆盖其全部功能特性以及完整工作业务流程的自动化信息管理系统。该系统面向大、中型 企业，在其企业内已有的商业管理信息系统 基础上进行税控功能的改造， 满足税务机关进行税收监管的工作需要，它应该具有安全性、黑盒性的执行特点 10。其主要系统结构如图 2示。 商 用 收 款 机网 络 税 控 器税 控 卡税 控 数 据采 集 模 块商 用 收 款 机网 络 税 控 器税 控 卡税 控 数 据采 集 模 块 税 控 发 票 终 端网 络 税 控 器税 控 卡商 用 收 款 机网 络 税 控 器税 控 卡税 控 数 据采 集 模 块企 业 内 部 以 太 网 络企 业 业 务 数 据 服 务 器 企 业 财 务 数 据 服 务 器可 信 税 控 服 务 器业 务 数 据 接 口财 务 数 据 接 口税 控 服 务 接 口互 联 网国 家 税 控 信 息 管 理 系 统 客 户 端图 2控商业自动化管理系统 结构示意图 京工业大学工学硕士学位论文 - 6 - 鉴于 当前商业 信息管理系统的 前端主要采用 的是 第三代商用收款机， 其正在使用的操作系统包括 8， P， 000 以及 多种系统，后端为高性能服务器，系统前后端设备构建在一个已有的以太网 之上。 因此如前文所述， 本 课题的 实施方案 以不改变用户既有软 硬件 设备环境及应用软件为前提和基础，通过 增加 和改进 必要的税控设备， 达到严格遵循 标准完成税控工作各个环节 的目的 。 整个系统中 进行税控 管理 的原则是以票控税， 每张商业交易票据必须附加有税控数据，用以进行验证和 追溯 11。 从图中可以看出， 税控商业自动化管理系统 从功能上主要由商业收款机、税控数据采集模块、 网络税控器、可信税控服务器、企业自身数据服务器 (业务/财务 )、税控发票终端等软硬件模块构成。 语和定义 商用收款机：即第三代商业收款机。 税控数据采集模块：驻留在商用收款机操作系统核心层中不可卸载，不可变更的软件模块，主要任务是在商用收款机工作时获取 商业交易数据 11。 网络税控器：衔接 准，并依照论稿的要求进行设计 的、进行税控处理的核心部件 12。 税控服务器：全称为可信税源监控服务器 12。 税控发票终端：指 企业 中用于二次开票的专用税控发票处理终端 12。 企业自身数据服务器：企业既有的信息管理系统。 络税控器工作流程简述 税控商业自动化系统的工作流程大致如下：首先，当进行了一笔交易，收款机即将打印销售小票时，驻留在商业收款机内存中的税控数据采集模块负责截取打印数据并传送给网络税控器。后者对销售数据进行处理，并根据内容计算生成发票号及税控防伪码，并传回给税控数据采集模块。采集模块接收网络税控器处理后的打印数据，然后控制收款机打印出增加了发票号和税控防伪码的销售票据。此时若网络连接正常，网络税控器则将该笔商业数据传送给可信税控服务器进行保存和管理；若网络异常，网络税控器则将该笔数据进行暂时的本地存储。这里的存储均指非易失性存储。 进而，国家税务部门即可通过税控商业自动化系统客户端软件来进行管理、稽查等操作。 在 控收款机 第 1 部分 指出：税控收款机应根据安全性、方便性和经济性的原则进行设计，采用以 为核心的安全机第 2 章 网络税控器系统概要设计 - 7 - 制，体现便捷易维护的特点，实现了对用户身份的鉴定、电子签名的计算、交易记录的累计保存等。根据规定的业务流程及功能要求， 共分为三类，分别为：税控 、用户 及税务管理 。税控 和用户 分别安装在网络税控器和可信税控服务器上，税务管理卡则用于客户端进行税务稽查。其 中税控 和用户 分别安装在网络税控器和可信税控服务器上。前者用来生成税控数据信息，该数据分别存储在税控 和网络税控器的非易失性存储器中；用户 作用则是将税控数据安全传递到税务机关的税控收款机管理系统中；税务管理卡则用于客户端进行税务稽查。网络税控器的大致工作流程如图 2示。 开 始网 络 税 控 器 初 始 化接 收 商 业 销 售 数 据解 析 商 业 销 售 数 据计 算 税 控 防 伪 码 、 维 护 本地 电 子 发 票 明 细 以 及 日 交易 数 据向 采 集 模 块 回 传 打 印 数 据是 否