【硕士论文】嵌入式信息家电——网络收音机的研究与实现.pdf

四川大学 硕士学位论文 嵌入式信息家电网络收音机的研究与实现 姓名：唐英 申请学位级别：硕士 专业：计算机应用 指导教师：李志蜀 2002.4.5 y 4 6 2 6 2 口 l 一一一 嵌入式信息家电网络收音机的研究与实现 i 四) s l 大学计算机学院计算机应用专业 研究生唐荚 指导教师李志蜀教授 f 这篇论文介绍了一款新型嵌入式信息家电产品网络收音机的分析设计 与实现。 随着多媒体和网络技术的发展，现在的互联网不仅能传输文本和阻像文件， 也能利用实时流媒体技术发布音频和视频资源。网络电台在这种环境下运营而 生，不仅越来越多的传统电台将自己的节目转移到互联网上，还有很多电台节 目只在互联网上存在。 网络电台的蓬勃发展为渐渐被淘汰的收音机带来了新的生存机会。现在网 络电台提供的节目不仅数量多，而且内容也相当丰富，吸引了众多网络使用者。 但是p c 机的硬件和软件系统并非专门为收听电台节目而设计，大数据量的i o 操作和频繁的任务切换会时常影响电台节目的收听质量。并且p c 机体积大，不 便移动，使用计算机连接上网收听电台节目有很多局限性。为此，经过多方研 究，我们提出了一款专业的网络电台节目收听设备网络收音机。该设备将 踟a m 收音机的优点、计算机的强大功能和网络丰富的资源相结合，为用户提供 了一种全新的获取信息和娱乐的方式。该系统采用了先进的嵌入式系统开发技 术和先进的网络技术，是将嵌入式系统与互联网相结合，使信息家电网络化的 的一个有益探索。 本文的主要贡献是： 1 、对互联网流媒体传输技术，特别是网络电台使用的音频流广播技术进行 全面的分析和研究，提出了将网络与家电相结合，开发网络收音机的新 构想。 2 一一 2 、研究了目前嵌入式信息家电的开发技术，结合网络收音机性能和功能的 要求，反复比较了先进的嵌入式处理器芯片和嵌入式操作系统，制定了 网络收音机开发的整体解决方案。 3 、提出了采用“调台服务网站”来帮助网络收音机选择电台的技术。利用 专门的网站存储大量的网络电台信息，网络收音机采用h t t p 协议向网 站请求满足条件的电台信息的方式，节省系统资源，简化了网络电台的 使用方式，使其更具灵活性。 4 、将标准建模语言u m l 引入到嵌入式系统的分析设计中，采用面向对象编 程技术进行系统软件开发，使系统便于实现复杂的程序功能，增强了软 件的可继承性和技术衔接性。 5 、提出了嵌入式系统图形界面实现的方法：系统采用m i c r o w i n d o w sa p i s 实现了桌面式的图形用户界面。采用这种方式，大大减少了系统资源的 需求，满足了 6 、在应用程序中 的实时音频流 本文首先对基于i p 互联网的电台做了详细的分析和统计，包括音频传输技 术、音频文件格式、语音流量大小等方面。其次，对国内网络使用者的各方面 情况进行了调查。最后，通过对各种嵌入式系统开发工具和方法的比较，我们 提出了实现的网络收音机硬件和软件系统的整体解决方案。文章阐明了硬件和 软件设计的要点。我们使用e d b 7 3 1 2 作为我们的系统开发平台，选用$ 0 ce p 7 3 1 2 。为核心处理器；使用b l u e c a t 嵌入式l i n u x 为操作系统和软件开发环境，使用 c + + 作为软件开发语言。最后，作者指出了目前存在的问题，提出了项目下一步 的工作，并对网络收音机未来的发展方向作了展望。 关键词：网络收音机；网络电台；嵌入式系统；实时流媒体技术 l 7 一 一、一。 3 - _ ，一一 s t u d y a n d i m p l e m e n t o ne m b e d d e d i n t e r n e t a p p l i a n c e o fi n t e r n e tr a d i o m a j o r ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o n g r a d u a t e t a n gy m g a d v i s o r ：p r o f e s s o rl iz h i s h n t h i sd o c u m e n ti n t r o d u c e st h ea n a l y s i s ，d e s i g n i n g e m b e d d e di n f o r m a t i o na p p l i a n c e - i n t e r n e tr a d i o n o w , w i t ht h er i s eo f m n l t i m e d i aa n dn e t w o r kt e c h n o l o g i e s ，i n t e r a c tc a l ln o t o n l yt r a n s m i tt h et e x ta n dg r a p h i c sb u ta l s od e l i v e r r e a l - t i m ea u d i oa n dv i d e ob yr e a l t i m e s t r e a m i n g m u l t i m e d i at e c h n o l o g y t h ei n t e m e tr a d i os t a t i o n sc o m eo u ta tt h i s m o m e r t t m o r ea n dm o r et r a d i t i o n a lr a d i os t a t i o n sh a v et r a n s f e f r e dt h e i rb r o a d c a s t s o ni n t e r a c t a n dm a n ys t a t i o n sp r o g r a m sa r ea v a i l a b l eo n l yo v e rt h ei n t e r a c t n 培r a p i dd e v e l o p m e n t o fi n t e r n e tr a d i os t a t i o n s g i v e s t h er a d i o san e w o p p o r t u n i t yt os u r v i v e e v e r y d a y , t h e r ea r eal o to f a n dm a n yk i n d so fb r o a d c a s t s c a l l e da u d i os t r e a m sa v a i l a b l et oa n y o n ew h oi so n l i n e b u tn e i t h e rt h eh a r d w a r en o r t h es o f t w a r eo fc o m p u t e rs y s t e mw a sb u i l tf o rl i s t e n i n gb r o a d c a s t sf r o mi n t e r n e t p e o p l em a ye x p e r i e n c eg l i t c h e sw h e nh e s h ed ob i gi oo p e r a t i o n s ，h a v et op a u s e l i s t e n i n go rw o r s e ，s t o pl i s t e n i n ga l t o g e t h e rw h e n t h e c o m p u t e r c r a s h e s s ot h i sp a p e rd e s i g n san e wd e v i c e i n t e m e tr a d i ow h i c hc a nb eu s et od oi u s t o n et h i n g - p l a yi n t e m e tr a d i o 啦sd e v i c ec o m b i n e st h ea d v a n t a g e so ff m 删r a d i o p o w e r f u lf u n c t i o n so fc o m p u t e ra n da b u n d a n ta u d i or e s o u r c eo ni n t e r n e ta l t o g e t h e r i no r d e rt op r o v i d ep e o p l ean e w w a y t oa c q u i r ei n f o r m a t i o na n de n t e r t a i n m e n t t h e a d v a n c e dc h i pt e c h n o l o g ya n dt h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e do sm a k ei tp o s s i b l ef o r u st or e a l i z eo u r p r o d u c t t h em a i nc o n t r i b u t i o ni n c l u d e s ： 1 a f t e rc a r e f u l l ys t u d y i n ga n da n a l y z i n gt h es t r e a m i n gm e d i at e c h n o l o g i e s ， e s p e c i a l l yt h ea u d i ob r o a d c a s t i n gt e c h o n o l g i e sw h i c ha r eu s e db yi n t e r a c t r a d i o s t a i o n ，w ep t o p o s et h en e wi d e at o c o m b i n et h ei n t e r a c ta n d i n f o r m a t i o n a p p l i a n c ea n d t od e v e l o pi n t e m e tr a d i o 2 t h r o u g ht h ec a r e f u ls t u d ya n dc o m p a r i s o no ft h ed e v e l o p i n gt o o l sa n d m e t h o d so fe m b e d d e d s y s t e m ，t h ep a p e rg i v e saw h o l es o l u t i o nt or e a l i z e t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ef o rt h ei n t e r a c tr a d i o 一1 3 p r o p o s e an e w w a y o ft u n i n g w ew i ub u i l da “t u n i n g s e r v i c e s s t a t i o n w h i c h h e l p s t h ei n t e r a c tr a d i oc h o o s et o p l a y w h i c hr a d i o s t a i o n a 1 lo f t h ei n f o r m a t i o no f t h e s t a t i o n sa r es t o r e di nt h es e r v i c e ss t a t i o n a n dt h er a d i oa s kt h er a d i os t a t i o ni n f o r m a t i o nf r o mt h es e r v i c e ss t a t i o n t h r o u g hh m n l i s i saw a yt oe c o n o m i z et h es y s t e m1 “ e s o n r c ea n ds i m p l i f y t h eu s eo f t h er a d i o 4 b yu s i n gu m l t oa n a l y z ea n dd e s i g nt h ee m b e d d e ds y s t e ma n do o t e c h n o l o g yt od e v e l e pt h es o f t w a r eo f t h es y s t e m ，w em a k eo u rs y s t e m r e a l i z em o r e c o m p l i c a t ef u n c t i o na n d t h es y s t m eb ei n h e r i t e d e a s i l y 5 w eu m i c o t w i n d o w sp r o d u c ed e s k t o p - q u a l i t yg r a p h i c sf u n c t i o n a l i t yf o r o u rs y s t e m m i c m w i n d o w s 氍d e s i g n e dt oa t t e m p tt ob r i n ga p p l i c a t i o n st o m a r k e t q u i c k l y , w i t h am i n i m u mo f e f f o r t s ow ec a nn l a k e0 1 1 1 “ s y s t e mh a v e m o r ef u n c t i o n sa t 也e 受a n l e 卸o f s i l i c a 6 w er e a l i z et h er t s rr t pa n ds d pi no u ra p p l i c a t i o ns o f t w a r ea n d s u c c e s s f u l l ya c c o m p l i s ht h ed e v e l o p m e n to f r e c e i v i n ga n dp l a y t h er e a l - t i m e s t r e , a r f lw h i c hi st r a n s m i tb yr t s p r t p f i r s t ，1 1 p a p e ra n a l y s i st h eb r o a d c a s t sb a s e di n t e m e to v e ri p , i n c l u d i n ga u d i o s t r e a mt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g i e s ，a u d i of i l ef o r m a t sa n dr e q u i r e db a n d w i d t h ，e t c t h e ni tr e s e a r c h e s 也es t a t u so fi n t e m e tu s e r si nc h i n a a tl a s tt h r o u g ht h ec a r e f u l s t u d ya n dc o m p a r i s o no f t h ed e v e l o p i n gt o o l sa n dm e t h o d so fe m b e d d e d s y s t e m ，t h e p a p e r 参y e saw h o l es o l u t i o nt or e a l i z et h eh a r d w a r ea n ds o r w a r ef o rt h ei n t e m e t r a d i o t h ep a p e rd e s c r i b e st h em a i np o i n t so ft h es y s t e md e s i g no fh a r d w a r ea n d s o f t w a r e w eu s ee d b 7 3 j 2a st h ed e v e l o p i n g p l a ta n d e p 7 3 1 2a st h em a i n p r o c e s s o r o ft h es y s t e m w cu s eb l u e c a te m b e d d e dl i n u x3 1a st h eo sa n dt h es o , w a r e d e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t a t t h ee n do ft h i sp a p e r , t h ea u t h o r p o i n to u tt h ep r o b l e m s n e e dt ob er e s o l v e da n dg i v e sp e r s p e c t i v e so ft h ef u l “ t h e rd e v e l o p m e n td i r e c t i o no f i n t e m e tr a d i o 【k e y w o r d s 】i n t e m e tr a d i o ；i n t e m e tr a d i o s t a t i o n ；e m b e d d e d s y s t e m ；r e a l t i m e s t r e a m i n gm u l t i m e d i at e c h n o l o g i e s 璧垒壅璺皇塞皇：壁塑堕童墼墼受塞童壅篓一_ = 竺 1 1 项目背景等意义 第一章前言 每天打开牧音槐，收l ； 自已喜爱的电台节目已成为很多入的习惯a 但是窀台节疆一般以电磁波传送，地理黪境会遥成电磁波的盲点，大 气环境对予电波的传送也有相当大的影响。今天，随着多媒体技术和 网络技术的发展，多媒体成为i n t e r n e t 提供的一项不可缺少的功能。动 萄，声音稷视频在i n t e r n e t 上越来越流行。所以很多传统电台淡及一些 公司著到了耀户嬲避辨爨求，纷纷将囊已传统电台的节目移植瓢掰绕 上，遵过网络进纾传播。利用互联网广播电台节目不仅可班避免上述 的缺点，鄹时还可以减少迪域的限制。现在互联两上大约已经有1 0 ， 0 0 0 多个广援嫔，并且这个数字还在不断堍增加。遴过互联阚，我们 坐在家里使可收听来自美国的实时广播。并噩随着踅联网上电台数量 的增加、节目的丰富，将会有更多的入选择枝听。 但燕蜡前用户收听网络电台节目的方法一般都是逶过在个人电脑 上安装稠应的播放软件，使用计算机来连接电台，接收、解码、播教 来自电台的数据。这样当然可戳，僵是，计算枫频繁的i o 操作，任 务切换等等事务常常会暂停。甚至中断正在播放的节目，严重影赡收 听质量；当计算梳重崩时，你也不得不停止电台数据毂援救，更不用 说还有熏装系统时遇到豹种种麻烦。并且因为计算机庞大笨重，不可 能髓意移动，这样便失去7 传统牧音枫的轻便灵活的特点，艰割了用 户鼢使用。所以糟户追甥需要一款专业的收孵网终电台节曩的设备。 基乎以上原因，鼗钔设计了一款基予嵌入式的信息家电产品一一 网络收音枧，媚它将要联网的长处与传统收啻机的优点结合起来。网 络收啻机是独立子计算机的嵌入式信息家电，它小巧、灵活，其有传 统收啻机的功能，可用子收听调频、调幅电台节西；更重要的是，它 齄连接列互联卿，接收来自两络电螽的音频流，解码后播放，让角户 随时享用互联网上成千上万的电台节萌。 嵌入式信息家电网络收膏机的研究与实现 1 2 本人的工作 网络收音机是一款软硬件相结合产品，在本项目的设计与实现过 程中，我主要负责软件开发方面的工作，包括： 需求分析首先考察分析当前网络电台的现状。研究了网络 电台使用的节目制作和广播技术，收集统计电台语音数据的主要格式、 数据流量。在分析中我们发现，网络电台主要使用称为流媒体的技术 进行大量音频信息的传播，利用基于i p 的h t t p 、r t s p 、r t p 、r t c p 等协议控制和传输音频数据流当前网络电台节目主要有三大支持流 式传输的音频格式：r a p 3 、r e a l p l a y e r g 2 、微软的w m a 。其次调查了网 民上网的主要接入方式，再结合电台数据流的带宽要求决定在收音机 上为用户提供那种网络接口 考查了嵌入式信息家电产品软件和硬件的开发技术，结合我们项 目的实际情况。选择了项目的软硬件开发平台我们选用e d b 7 3 1 2 作 为开发版，使用支持该开发板的b l u e e a tl i n u x3 0 操作系统和配套工 具来进行网络收音机的软件开发。 分析了l y n u x w o r k s 公司的b l u e c a tl i n u x 3 0 的结构、性能以 及相关工具。b l u e c a tl i n u x 是开放源代码的l i n u x ，它专门为嵌入式 系统开发而设计，支持多种微处理器结构。它是跨平台开发产品，它 让软件在跨平台的主机上进行开发，提供必要的工具，将开发的软件 传输到目标系统上进行调试、运行。它不仅提供了嵌入式系统的开发 工具，也是可运行在目标系统上的操作系统。同时我仔细分析了b l u e c a t l i n u x 中的l i n u xr e l e a s e2 2 1 2 核心的部分源代码，根据我们系统的 需要进行修改和删减，以定制核心。 使用标准建模语言u m l 对系统软件做了分析与设计，提出了 网络收音机整个应用软件的程序架构。u m l 提供了描述面向对象软件 分析与设计的一组标准符号，它能从不同角度对系统进行观察分析， 使得复杂嵌入式系统的结构、动作的完整定义能通过对模型不同观察 点的组合来获得。我们在具体的设计过程中使用的r a t i o n a l 公司的 r a t i o n a lr o s e 系统。该系统支持u m l 定义的大部分图和符号，并且提 嵌入式信息家电同络收音机的研究与实现 供了多种语言和开发工具的接口，可直接将画好的u m l 类图生成程序 代码，减轻了后期具体编程的工作量。 完成了程序主要功能的编制。本程序共有4 个主要功能模块， 分别为用户图形界面、调台、音频流接收、语音数据解码播放。我实 现了接收r t s p 协议控制播放的r a p 3 实时音频流，并解码播放的功能。 第二章嵌入式系统综述 2 1 嵌入式系统概念 以往我们按照计算机的体系结构、运算速度、结构规模、使用领 域，将其分为大型计算机、中型计算机、小型计算机，并以此来组织 学科和产业分工，这种分类沿袭了约4 0 年。近1 0 年来随着计算机技 术的迅速发展，实际情况产生了根本性的变化。随着计算机技术和产 品对其它行业的广泛渗透，以应用为中心的分类方法变得更为切合实 际，也就是按计算机的嵌入式应用和非嵌入式应用将其分为嵌入式计 算机和通用计算机。 通用计算机具有计算机的标准形态，通过装配不同的应用软件， 以类同面目出现并应用在社会各个方面，其典型产品为p c ：而嵌入 式计算机则是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装景、产品和系统中。 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 可裁减，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格 要求的专用计算机系统。它包含两部分：硬件部分和软件部分。硬件 部分主要有处理器，微处理器、存储器、外设器件i o 设备，有的还包 含图形设备。软件为嵌入式操作系统和用户应用程序。应用程序控制 着系统的运作和行为，而操作系统控制应用程序与硬件的交互。有时， 编程人员在开发时将操作系统和应用程序组合在一起，没有明显界 限。 堂壅笪皇塞皇：旦竺些童垫盟堡塞皇壅垩。7 。 嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机。在制造 工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军 事装备、信息家电产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。 2 2 嵌入式系统特点和要求 嵌入式系统通常是面向特定应用的 嵌入式c p u 与通用型的最大不同就是嵌入式c p u 大多工作在为 特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高 的特点。能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部， 从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络 的耦合也越来越紧密。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术以及电子技术 和各个行业的具体应用结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个 技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成体系。 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣，去 除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体 应用对处理器的选择面前更具有竞争力。嵌入式处理器要针对用户的 具体需求，对芯片配置进行裁减和添加才能达到理想的性能。 嵌入式系统的发展具有稳定性。 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和 具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的 生命周期。各个行业的应用系统和产品，很少发生突然性的跳跃，嵌 入式系统中的软件也因此更强调可继承性和技术衔接性，发展比较稳 定。这一点和通用计算机软件不同。同时，嵌入式处理器的发展也体 现出稳定性，一个体系一般要存在8 - 1 0 年的时间。这是因为一个体系 结构及相关的片上外设、开发工具、库函数、嵌入式应用产品是一套 复杂的知识体系，用户和半导体厂商都不会轻易放弃一种处理器。 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都 固化在存储器芯片或单片机本身，而不是存储在磁盘等载体中。正因 如此，软件代码也要求高质量、高可靠性，以充分利用宝贵的存储空 嵌入式信息家电网络收音机的研究与实现 同。 系统软件的实时性要求 在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾 的合理调度是保证每个任务及时执行的关键，单纯通过提高处理器速 度是无法完成和没有效率的，这种任务调度只能由优化编写的系统软 件来完成，因此系统软件的高实时性是基本要求。 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成后用户通 常也不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套专门的开发工具和 开发环境才行 2 3 嵌入式处理器的发展( 从单扳机到片上系统) 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器。据目前不完 全统计，全世界嵌入式处理器的品种数量已大大超过1 0 0 0 种，流行体 系结构有3 0 几个系列。 根据现状，嵌入式处理器可分为以下几类。 l 、嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。在应用中，将微 处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板 功能，这样可以大大减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特 殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的， 但和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成 本低、可靠性高的优点，但在电路板上必须包括r o m 、r a m 、总线接 口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。 嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，成 为单板计算机。嵌入式微处理器耳前主要有a m l8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c 4 0 0 、 p o w e rp c 、6 8 0 0 、m i p s 、a r m 系列等。 2 、嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统 集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微控制器内核为核 心，芯片内部集成r o m e p r o m ，r a m ，总线、总线逻辑、定时计数 嵌入式信息家电同络收音机的研究与实现。9 器，i o 、串行口、f l a s h r a m 等各种必要功能和外设。为适应不同的 应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生品的 处理器内核都是一样，不同的是存储器和外设的配置及封装，这样可 以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，从而减少功耗和成本。 和单板机相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小， 从而使功耗和成本下降，可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工 业的主流，目前m c u 占嵌入式系统约7 0 的市场份额。微控制器的片 上外设资源一般比较丰富，适合于控制 3 、嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e d d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行 d s p 算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波，f f t 、 谱分析等方面d s p 算法正在大量进入嵌入式领域，d s p 应用正从在通 用单片机中以普通指令实现d s p 功能，过渡到采用嵌入式d s p 处理器。 嵌入式d s p 处理器有两个发展来源，一是d s p 处理器经过单片化、e m c 改造、增加片上外设成为嵌入式d s p 处理器，t l 的 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 等属于此范畴；二是在通用单片机或s o c 中增加 d s p 协处理来实现，例如i n t e l 的m c s 2 9 6 和s i e m e n s 的t r i c o r c 。 4 、嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 随着e d i 的普及和v l s i 技术的推广，以及半导体工艺的发展， 在一个硅片上实现更复杂集成化服务的时代已经到来。即设计者能将 更多的电子设备放到同一个芯片上，使其具有更多的功能和特色。今 天，我们已经能够生产出由几千万设备组成的集成电路，所有的电子 系统被集成到一个集成电路中，这就是s y s t e mo nc h i p 。更简单来说s o c 即是一块集成了很多系统组件或功能的一小片硅片。过去系统元件， 如微处理器，输入输出控制器，音频和视频控制器等需要很多部件甚 至电路板组成，而s o e 能够将以上所有甚至更多的部件集成在一个单 一芯片上。除了个别无法集成的器件外，整个嵌入式系统均可集成到 一块或凡块芯片上。这样。应用系统变得非常简洁，有利于减小体积 和功耗，提高可靠性。通用系列包括m o t o r o l a 的m c o r e ，某些a r m 系列器件等等，并且现在有很多芯片生产厂家也开始了这一领域的研 发。专用s o c 一般专用于某个或某类系统中。 2 4 嵌入式系统的开发工具 嵌入式处理器是一个复杂的高技术系统，因此以开发工具和技术 咨询为基础的整体解决方案是迫切需要的。好的开发工具除能够开发 出处理器的全部功能以外，还应当是用户友好的。目前嵌入式系统的 开发工具平台主要包括下面几类。 2 4 1 实时在线仿真系统i c e ( 1 n _ c i r c u i te m u i a t o r ) i c e 首先可以通过实际执行，对应用程序进行原理性检验，排除 人的思维难以发现的设计逻辑错误。i c e 的另一个主要功能是在应用 系统中仿真微控制器的实时执行，发现和排除由于硬件干扰等引起的 异常执行行为。此外，高级的i c e 带有完善的跟踪功能，可以将应用 系统的实际状态变化、微控制器对状态变化的反应、以及应用系统对 控制的响应等以一种录像的方式连续记录下来，以供分析，在分析中 优化控制过程。很多机电系统难以建立一个精确有效的数学模型，或 是建立模型需要大量人力，这时采用i c e 的跟踪功能对系统进行记录 和分析是一个快而有效的方法。 嵌入式应用的特点是与现实世界中的硬件系统有关，并存在各种 异变和事先未知的变化。这就给微控制器的指令执行带来了各种不确 定性这种不确定性只有通过i c e 的实时在线仿真才能发现，特别是 在分析可靠性时要在同样条件下多次仿真，以发现偶然出现的错误。 i c e 不仅是软件硬件排错工具，同时也是提高和优化系统性能指 标的工具。高档i c e 工具( 如美国n o h a u 公司的产品) 是可根据用户投 资裁剪功能的系统，亦可根据需要选择配置各种档次的实时逻辑跟踪 器( t r a c e ) 、实时映象存储器( s h a d o wr a m ) 及程序效率实时分析功能 ( p p a ) 。 堂垒茎笪皇塞皇：璺堑些童塾塑塑壅兰塞墨一卜 2 4 2 高级语言编译器( o o m p l le rt o o is ) 最初的嵌入式系统因为处理器速度和系统内存的限制，为了保证 系统运行速度和节省内存空间，传统的设计方法用汇编语言编写程序。 但是编程费时，调试很不容易 随着微电子技术的飞速发展，使高性能微处理器和大容量存储器 的价格变得十分便宜，速度和存储容量不再是困扰设计者的主要问题。 这样，高级语言便引入了嵌入式系统的软件开发中由于c 语言容易 编程。代码紧凑、可移植性和可维护性好，因而被普遍用于嵌入式程 序的设计但最初系统中没有专门的操作系统支持，要由设计者提供 所有低级i 0 功能。为了系统的稳定性，程序必须固化在e p r o m 中， 不能从磁盘装入设计者要编写一个定位程序，把e x e 格式的应用程 序转换成可固化迸e p r o m 的二进制文件( r o m 图) 。还要编写一个启 动程序( r u n t i m es t a r t u pc o d e ) ，与r o m 图一起嵌入e p r o m ，先由它 建立数据区和对系统硬件作必要初始化，然后调入m a i n 函数，才开始 执行应用程序。这样的开发虽然比以前有了较大进步，但还是比较复 杂，要求设计人员具备软硬件方面的综合知识，才能正确进行系统调 试和排错。当然，也可使用专用的嵌入式系统开发工具。他们通常配 有定位程序和可供设计者修改的启动程序样板，有些还能通过串口或 并口，在p c 机上联机调试程序甚至有原级代码调试功能。 区别于一般计算机中的c 语言编译器，嵌入式系统中的c 语言编 译器要专门进行优化，以提高编译效率。优秀的嵌入式系统c 编译器 代码长度和执行时间仅比以汇编语言编写的同样功能的程序长5 “2 0 。 编译质量的不同，是区别嵌入式c 编译器工具的重要指标。而c 编译 器与汇编语言工具相比残余的5 “2 0 效率差别，完全可以由现代微控 制器的高速度、大存储器空间以及产品提前进入市场的优势来弥补。 新型的微控制器指令速度不断提高，存储空间也相应加大，已经 达到甚至超过目前的通用计算机中的微处理器。这为嵌入式系统开发 引入以前一直不敢问津的c + + 语言提供了条件。c + + 语言面向对象的特 征使其更便于实现复杂的程序功能。但是c + + 为了支持复杂的语法， 嵌入式信息家电网络收音机的研究与实现1 2 。 在代码生成和运行效率上有所下降。为此1 9 9 5 年在日本成立的 e m b e d d e d c + + 技术委员会经过几年研究提出了e c + + 标准。e c + + 保留了 c + + 的主要优点，提供了对c + + 向上的兼容性，但减小了代码尺寸，并 符合嵌入式系统设计的特殊要求。 c c + + e c + + 引入嵌入式系统，使得嵌入式开发和个人计算机、小 型机等之间在开发上的差别正在逐渐消除，软件工程中的很多经验、 方法甚至库函数都可以移植到嵌入式系统。在嵌入式开发中采用高级 语言，还使得硬件开发和软件开发可以分工，从事嵌入式软件开发不 再必须精通系统硬件和相应汇编语言指令集。 2 4 3 源程序模拟器( s i m u i a t o r ) 源程序模拟器是在广泛使用的、人机接口完备的工作平台上，如 小型机和p c ，通过软件手段模拟执行为某种嵌入式处理器内核编写的 源程序测试工具简单的模拟器可以通过指令解释方式逐条执行源程 序，分配虚拟存储空间和外设，供程序员检查；高级的模拟器可以利 用计算机的外部接口模拟出处理器的i o 电气信号。不同档次和功能 模拟器工具价格差距巨大。 模拟器软件独立于处理器硬件，一般与编译器集成在同一个环境 中，是一种有效的源程序检验和测试工具。但值得注意的是，模拟器 毕竟是以一种处理器模拟另一种处理器的运行，在指令执行时间、中 断响应、定时器等方面很可能与实际处理器有相当的差别。另外它无 法和i c e 一样。仿真嵌入式系统在应用系统中的实际执行情况。 2 4 4 嵌入式操作系统 在嵌入式系统中，大量的应用无须操作系统，而仅仅包括一些控 制流程。在嵌入式系统相对简单的情况下，这些控制流程足以应付。 但是，当嵌入式系统的功能变得复杂之后，也就是说需要提供更完善 的服务的时候，简单控制逻辑就不够用了，这就需要采用嵌入式操作 系统了。 嵌入式操作系统是嵌入式应用软件的基础和开发平台。e o s 是一 段嵌入在目标代码中的软件，用户的其它应用程序都建立在e o s 之上。 不但如此，e o s 还是一个可靠性和可信性很高的实时内核，将c p u 时 间、中断、i 0 、定时器等资源都包装起来，留给用户一个标准的a p i ， 并根据各个任务的优先级，合理地在不同任务之间分配c p u 时间 e o s 是针对不同处理器优化设计的高效率实时多任务内核，优秀 商品化的e o s 可以面对几十个系列的嵌入式处理器m p u 、m c u 、d s p 、 s o c 等提供类同的a p i 接口，这是e o s 基于设备独立的应用程序开发 基础因此基于e o s 上的c 语言程序具有极大的可移植性据专家测 算，优秀e o s 上跨处理器平台的程序移植只需要修改l “5 的内容。在 e o s 基础上可以编写出各种硬件驱动程序、专家库函数、行业库函数、 产品库函数，和通用性的应用程序一起，可以作为产品销售，促进行 业内的知识产权交流，因此e o s 又是一个软件开发平台。 2 5 嵌入式l i n u x 2 5 1 原有嵌入式操作系统的不足 从八十年代起，国际上就有一些i t 组织、公司，开始进行商用嵌 入式系统和专用操作系统的研发。这其中涌现了一些著名的嵌入式操 作系统： 1 w i n d o w sc e 。m i c r o s o f tw i n d o w sc e 是从整体上为有限资源的 平台设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统。它的模块化设 计允许它对于从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设备进行定 制操作系统的基本内核需要至少2 0 0 k 的r o m 。由于其w i n d o w sc e 3 0 系统过分追求各种功能的集成化，包括内置m p 3 播放器、高分辨 率显示等，使得软件过于臃肿，模块化不强，在版本控制上不易实现 量体裁衣的设计，尤其是0 e m 厂商还要向m i c r o s o f t 公司支付较高的 版权费用，致使装有w i n d o w sc e 的系统成本居高不下。 堂茎笪皇塞鳖曼笪些童墼盟塑塞量壅墨一d 4 。 2 v x w o r k s v x w o r k s 是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市 场占有率最高的系统。它支持多种处理器，如x 8 6 、i 9 6 0 、s u ns p a r e 、 m o t o r o l a m c 6 8 x x x 、m i p sr x 0 0 0 、p o w e r p c 等等。大多数的v x w o r k s a p i 是专有的。采用g n u 的编译和调试器。 3 p a l mo s 3 c o m 公司的p a l mo s 在p d a 市场上占有很大的市场 份额，它有开放的操作系统应用程序接口( a p i ) ，开发商可以根据需 要自行开发所需要的应用程序。 但是，这些专用操作系统均属于商业化产品，其高昂的价格使许 多低端产品的小公司望而却步；而且，由于它们各自的源代码不公开， 使得每个系统上的应用软件与其它系统都无法兼容。并且，由于这种 封闭性还导致了商业嵌入式系统在对各种设备的支持方面存在很大的 问题，使得对它们的软件移植变得很困难。而嵌入式l i n u x 操作系统 以开放源码、价格低廉、功能强大又易于移植而正在被广泛采用，成 为新兴的力量，所以，众多商家纷纷转向了嵌入式1 i n u x 。 2 5 2 选择i n u x 的原因 与其它商业e o s 相比，嵌入式l i n u x 具有很多优点。首先l i n u x 可应用于多种硬件平台。目前l i n u x 已经被移植到多种硬件平台上， 这对受资金、时间限制的研究与项目开发是很有吸引力的。并且原型 可以在标准平台上开发然后移植到具体的硬件上，从而加快了软件与 硬件的开发过程 l i n u x 可以随意地配置不需要任何的许可证或商家的合作关系。 它是免费的，源代码可以得到。这是最吸引人的。毫无疑问，这 会节省大量的开发费用。 它本身内置网络支持。 l i n u x 的高度模块化使添加部件非常容易。 l i n u x 在台式机上的成功，使大家看到了1 i n u x 在嵌入式系统中 的辉煌前景。 基于以上的原因，我们的系统也采用了嵌入式l ir l h x 作为操作系 统和开发环境。 第三章