（交通信息工程及控制专业论文）支持银税类控制设备智能化升级的硬件设计.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 目前国内银税类嵌入式设备主要是围绕a r m 7 开发的，在处理速 度及功能上已不能适应日益增长的需求。 本文完成了一个基于a r m 9 的银税类嵌入式系统硬件设计，为银 税类控制设备的智能化升级提供了支持。所采用的微处理器是a r m 9 系列的e p 9 3 1 2 ，设计了一款集成度高，主板面积小，外围接口多， 成本低，运行速度快的嵌入式系统平台。本文的主要工作内容有： 介绍了嵌入式产品的开发及生命周期，详细地描述了本研究的 调研过程和结果，综合了相关的要求。描述了a r m 系列嵌入式处理 器的概况并介绍了几种常用的嵌入式操作系统。对e p 9 31 2 的结构作 了详细的介绍，提出了系统的设计原则。 把e p 9 3 1 2 与其它嵌入式处理器进行了比较，论述了采用 e p 9 3 1 2 来构造银行税务类嵌入式系统的理由。根据e p 9 3 1 2 的特点和 系统需求，提出了一种基于e p 9 3 1 2 处理器的嵌入式系统的硬件设计 方案。介绍了系统的技术指标及其所使用的s u p e ri o 、p h y ，接口 电平转换芯片、f l a s h 、s d r a m 、b o o t l o a d e r 等各组成部分，在显示 模块和串口模块上提出了独创设计。论述了提高系统稳定性的一些 原则。完成了整个系统的硬件设计。 介绍了高速p c b 设计原理，以及在p c b 设计中的布局及布线原 则，论述了布线过程中应当注意的传输线效应以及避免传输线效应 的方法。最后给出了本文最终形成的产品，以及在设计过程中所取 得的一些成果。并对嵌入式系统的产品作出了展望。 目前，基于本硬件系统的银行终端已成功定型。 关键词：嵌入式系统，银税类设备，硬件设计， e p 9 3 1 2 中南大学硕士学位论文 a b g r r a c t a b s t r a c t t h eb a n ka n dt a xe m b e d d e ds y s t e m sa r em a i n l ym a d eb ya r m 7 ， t h e y a r en os u i tt ot h ei n c r e a s i n gr e q u i r e m e n to f t h em a r k e t t h i sp a p e rc o m p l e t e st h eh a r d w a r ed e s i g no ft h eb a n ka n dt a x e m b e d d e ds y s t e mb a s e do na r m 9 i ts u p p o r t st h ei n t e l l i g e n tu p g r a d eo f b a n ka n dt a xe o n t r 0 1e q u i p m e n t t h eh a r d w a r ed e s i g ni sb a s eo ne p 9 3 1 2 o fa r m 9s e r i e sc p u p r o d u c t t h ee m b e d d e ds y s t e mp l a t f o r m si n t e g r i t y i sg o o d ，t h em o t h e r b o a r da r e ai ss m a l l ，t h ep e r i p h e r yc o n n e c t i o n sa r e m a n y , t h ec o s ti sl o w , a n dt h er u n n i n gr a t ei sq u i c k t h i sp a p e rm a i n l y c o m p l e t e dt h ef o l l o w i n gw o r k ： i n t r o d u c e dt h ee m b e d d e dp r o d u e t sd e v e l o p m e n ta n dt h el i f ec y c l e d e s c r i b e dt h ei n v e s t i g a t i o na n dr e s e a r c ho ft h ee m b e d d e ds y s t e ma n d c o l l i g a t e dt h er e q u i r e m e n t d e s c r i b e dt h ee m b e d d e dp r o c e s s o ro fa r m s e r i e s 。a n di n t r o d u c e ds e v e r a le m b e d d e do p e r m i n gs y s t e m sw h i c ha r ei n c o m m o n l yu s e i ta l s om a d et h ed e t a i l e di n t r o d u c t i o nt ot h ee p 9 31 2 s t r u c t u r e ，a n dd e s c r i b e dt h ep r i n c i p l eo fd e s i g n t h i sp a p e rc o m p a r e se p 9 31 2w i t ho t h e rp r o c e s s o r s t h er e a s o nt o c h o o s et h ee p 9 312w a sa l s og i v e n d e s c r i b e dt h et e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n o ft h es y s t e m ，t h es u p e ri o ，p h ye l e c t r i c1 e v e lc o n v e r s i o n ，f l a s h ， s d r a m ，b o o t l o a d e re t c d e s c r i b e dt h en e wd e s i g no f t h ed i s p l a ym o d u l e a n dt h es e r i a lp o r tm o d u l e s o m ep r i n c i p l e st oe n h a n c et h es y s t e m s t a b i l i t yw e r ea l s og i v e n c o m p l e t e dt h ew h o l eh a r d w a r ed e s i g no ft h e s y s t e m n l i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l eo ft h eh i 曲s p e e dp c bd e s i g n , t h ep r i n c i p l eo fl a y o u ta n dt h ew i r i n go ft h ep c bd e s i g n t h ep a p e ra l s o i n 仃o d u c e dt h et r a n s m i s s i o nl i n ee f f e c tp r o b l e mi nt h ew i r i n gp r o c e s s w h i c hm u s tp a ya t t e n t i o n ，a n d 舀v et h em e t h o dt oa v o i di t f i n a l l y , i th a s 6 v e nt h ef i n a l l yf o r m sp r o d u c to ft h i sp a p e r a n ds o m ea c h i e v e m e n t s w h i c ho b t a i n si nt h ed e s i g np r o c e s s i th a sm a d et h ef o r e c a s tt ot h e e m b e d d e ds y s t e mp r o d u c t n o w , t h eb a n ke m b e d d e dt e r m i n a lb a s e do nt h i sp a p e r h a r d w a r e s y s t e mw a sa l r e a d yo nt h em a r k e t 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t k e y w o r d ：e m b e d d e ds y s t e m ，b a n ka n dt a xe q u i p m e n t ，h a r d w a r e d e s i g n ，e p 9 3 1 2 h i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名：日期：丑年上月丛日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：煎迤礁名师签名：丛日期：! 旦年为堕日 中南大学硕士学位论文 1 1 嵌入式系统简介 第一章绪论 1 1 1 嵌入式系统的定义 嵌入式系统是指用于执行独立功能的专用计算机系统。它由微处理器、定时 器、存储器、传感器等一系列微电子芯片与器件以及嵌入在存储器中的微型操作 系统、控制应用软件组成，共同实现诸如实时控制、监视、管理、移动计算、数 据处理等各种自动化处理任务。嵌入式系统以应用为中心，以微电子技术、控制 技术、计算机技术和通讯技术为基础，强调硬件软件的协同性与整合性，软件与 硬件可剪裁，以满足系统对功能、成本、体积和功耗等要求。 最简单的嵌入式系统仅有执行单一功能的控制能力，在r o m 中仅有实现单一 功能的控制程序，无操作系统。复杂的嵌入式系统，例如个人数字助理( p d a ) 、 手持电脑( h p c ) 等，则具有与p c 几乎一样的功能。实质上复杂的嵌入式系统与 p c 的区别仅仅是将操作系统与应用软件嵌入在r o m 或f l a s h 存储器中，而不是 存贮在磁盘等载体中。很多复杂的嵌入式系统又是由若干个小型嵌入式系统组成 的i l j 。 1 1 2 嵌入式系统的发展状况 随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式系统技术也将获得广阔的发展 空间。美国著名未来学家尼葛洛庞帝在1 9 9 9 年1 月访华时预言，4 5 年后嵌入 式智能( 电脑) 工具将是p c 和因特网之后最伟大的发明1 2 1 。 2 0 世纪9 0 年代之后，嵌入式技术全面展开，目前已成为通信和消费类产品 的共同发展方向。在通信领域，数字技术正在全面取代模拟技术。在广播电视领 域，美国己开始由模拟电视向数字电视转变，欧洲的d v b ( 数字电视广播) 技术已 在全球大多数国家推广。数字音频广播( d a b ) 也已进入商品化试播阶段。而软件、 集成电路和新型元器件在产业发展中的作用日益重要。所有上述产品中，都离不 开嵌入式系统技术。在个人领域中，嵌入式产品将主要是作为个人移动的数据处 理和通信软件。由于嵌入式设备具有自然的人机交互界面，g l t i 屏幕为中心的 多媒体界面给人以很大的亲和力。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件 以及彩色图形、图像已取得初步成效”1 。 目前一些先进的p d a 在显示屏幕上己实现汉字写入、短消息语音发布等功 能，应用范围也日益广阔。对于企业专用解决方案，如物流管理、条码扫描、移 中南大学硕士学位论文绪论 动信息采集等，这种小型手持嵌入式系统将发挥巨大的作用 4 1 。自动控制领域， 嵌入式系统不仅可以用于a t m 机、自动售货机、工业控制等专用设备，通过和移 动通信设备，娱乐资讯设备相结合，嵌入式系统同样可以发挥巨大的作用。近期 长虹推出的a d s l 产品，就是把网络、控制、信息结合起来，这种智能化、网络 化将是家电发展的新趋势”。 硬件方面，不仅有各大公司的微处理器芯片，还有用于学习和研发的各种配 套开发包。目前低层系统和硬件平台经过若干年的研究，己经相对比较成熟，实 现各种功能的芯片应有尽有。而且巨大的市场需求给我们提供了学习研发的资金 和技术力量。 从软件方面讲，也有相当多的成熟软件系统。国外商品化的嵌入式实时操作 系统，己进入我国市场的有w i n d r i v e r ，m i c r o s o f t ，q n x 和n u c l e a r 等。我国自 主开发的嵌入式系统软件产品有科银京成( c o r e t e k ) 公司的嵌入式软件开发平台 d e l t a s y s t e m ，中科院推出的h o p e n 嵌入式操作系统等等。 嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1 万亿美元。来自1 9 9 7 年美国嵌入 式系统大会( e m b e d d e ds y s t e mc o n f e r e n c e ) 的报告指出，未来5 年仅基于嵌入 式计算机系统的全数字电视产品，就将在美国产生一个每年1 5 0 0 亿美元的新市 场。美国汽车大王福特公司的高级经理也曾宣称，“福特出售的计算能力己 超过了i b m ”。由此可以想象嵌入式计算机工业的规模和广度。1 9 9 8 年1 1 月在美 国加州举行的嵌入式系统大会上，基于r t o s 的e m b e d d e di n t e r n e t 成为一个技 术新热点。在国内，“维纳斯计划”和“女蜗计划”一度闹得沸沸扬扬，机顶盒、 信息家电这两年更成了i t 热点，而实际上这些都是嵌入式系统在特定环境下的 一个特定应用。据调查，目前国际上已有两百多种嵌入式操作系统，而各种各样 的开发工具、应用于嵌入式开发的仪器设备更是不可胜数1 3 】。 1 1 3 嵌入式系统的发展趋势 信息时代、数字时代的到来使得嵌入式产品获得了巨大的发展机遇，为嵌入 式市场展现了美好的前景，同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战。从中可以 看出未来嵌入式系统的几大发展趋势： 1 嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式 软硬件系统本身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。 目前很多厂商已经充分考虑到这一点，在主推系统的同时，将开发环境也作 为重点推广。比如三星在推广a r m 7 ，a r m 9 芯片的同时还提供开发板和板级支持包 ( b s p ) ，而w i n d o w sc e 在主推系统时也提供e m b e d d e dv c + + 作为开发工具，还有 v x w o r k s 的t o r n a d o 开发环境、d e l t ad s 的l i m d a 编译环境等都是这一趋势的典 2 中南大学硕士学位论文绪论 型体现。当然，这也是市场竞争的结果。 2 ，网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的提高而日益提高， 使得以往单一功能的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一，结构更 加复杂。 这就要求芯片设计厂商在芯片上集成更多的功能。为了满足应用功能的升 级，设计师们一方面采用更强大的嵌入式处理器如3 2 位、6 4 位r t s c 芯片或信 号处理器d s p 增强处理能力，同时增加功能接口( 如u s a ) ，扩展总线类型( 如c a n b u s ) ，加强对多媒体、图形等的处理，逐步实施片上系统( s o c ) 的概念。软件方 面，采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用 程序设计，保障软件质量和缩短开发周期( 如h p ) 。 3 网络互联成为必然趋势。 未来的嵌入式设备为了适应网络发展的要求，必然要求硬件上提供各种网络 通信接口。传统的单片机对于网络支持不足，而新一代的嵌入式处理器已经开始 内嵌网络接口，除了支持t c p i p 协议，有的还支持i e e e l 3 9 4 ，u s b ，c a n ， b l u e t o o t h 或i r d a 通信接口中的一种或者几种，同时也提供相应的通信组网协 议软件和物理层驱动软件。软件方面，系统内核支持网络模块，甚至可以在设备 上嵌入w e b 浏览器，真正实现随时随地用各种设备上网。 4 精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本 未来的嵌入式产品是软硬件紧密结合的设备，为了降低功耗和成本，需要设 计者尽量精简系统内核，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，这就要求设计者选用最佳的编程模型和不断改进算法，优化 编译器性能。因此，软件开发人员既要有丰富的硬件知识，又需要发展先进嵌入 式软件技术，如j a v a ，w e b 和w a p 等。 5 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、图像界面和灵活的控制方式，使得人们感觉嵌入式设备就像是一个熟悉的 老朋友。这方面的要求使得嵌入式软件设计者要在图形界面、多媒体技术上多下 功夫。手写文字输入、语音拨号上网、收发电了邮件以及彩色图形、图像都会使 使用者获得自由的感受。目前一些先进的p d a 在显示屏幕上已实现汉字写入、短 消息语音发布，但一般的嵌入式设备距离这个要求还有很长的路要走i “。 1 2嵌入式处理器概述 嵌入式微处理器有许多种流行的处理器核，芯片生产厂家一般都基于这些处 理器核生产不同型号的芯片。 3 中南大学硕士学位论文 绪论 1 2 1 r m 系列 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 公司是全球领先的1 6 3 2 位r i s c 微处理器 知识产权设计供应商。a r m 公司自1 9 9 0 年正式成立以来，在3 2 位r i s c ( r e d u c e d i n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) c p u 开发领域不断取得突破，其结构己经从v 3 发 展到v 6 。由于a r m 公司自成立以来，一直以i p ( i n t e l l i g e n c ep a t e n t ) 提供者的 身份向各大半导体制造商出售知识产权，而自己从不介入芯片的生产销售，加上 其设计的芯核具有功耗低，成本低等显著优点，因此获得众多的半导体厂家和整 机厂商的大力支持，在3 2 位嵌入式应用领域获得了巨大的成功，目前己经占有 7 0 0 以上的3 2 位嵌入式产品市场。在低功耗，低成本的嵌入式应用领域确立了 市场领导地位。现在设计、生产a r m 芯片的国际大公司已经超过5 0 多家，国内 中兴通讯和华为通讯等公司也已经购买a r m 公司的芯核用于通讯专用芯片的设 计。a r m 己成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌入式解决方案的r i s c 标准。目前非常流行的a r m 芯核有a r m 7 t d m i ，s t r o n g a r m ，a r m 7 2 0 t ，a r m 9 t r m i ， a r m 9 2 2 t a r m 9 4 0 t 。a r m 9 4 6 t ，a r m 9 6 6 t ，a r m i o t d m i 等，自v 5 以后，a r m 公司提 供p i c c o l o d s p 的芯核给芯片设计者，用于设计a r m + d s p 的s o l 2 ( s y s t e m o n c h i p ) 结构的芯片。 总的来说，a r m 处理器主要有三大特点：小体积、低功耗、低成本而高性 能：1 6 3 2 位双指令集：全球众多的合作伙伴。 1 2 2m i p s 系歹0 m i p s 是m i c r o p r o c e s s o rw it h o u ti n t e r l o c k e dp i p e li n es t a g e s 的缩写， 是一种处理器内核标准，它由n i p s 技术公司开发的。m i p s 技术公司是一家设计 制造高性能、高档次及嵌入式3 2 位和6 4 位处理器的厂商，在r i s c 处理器方面 占有重要地位。m i p s 公司设计r i s c 处理器始于8 0 年代初，从1 9 8 6 年推出8 2 0 0 0 处理器之后，陆续推出r 3 0 0 0 ，r 4 0 0 0 ，r 8 0 0 0 等。之后m i p s 公司的战略发生变 化，把重点放在嵌入式系统。1 9 9 9 年，m i p s 公司发布了m i p s 3 2 和n i p s 6 4 架构 标准，集成了原来所有的m i p s 指令集，并且增加了许多更强大的功能。此后m i p s 公司又陆续开发了高性能、低功耗的3 2 位和6 4 位处理器内核。 m i p s 的定位很广，在高端和低端均有它的产品，而且被广泛应用在便携式 计算系统、数字消费产品、工业控制等领域。 1 2 3p o w e r p c 系列 p o w e r p c 架构的特点是可伸缩性好，方便灵活。p o w e r p c 处理器品种很多， 既有通用的处理器，又有嵌入式控制器和内核，应用范围非常广泛，从高端的工 中南大学硕士学位论文绪论 作站、服务器到桌面计算机系统，从消费类电子产品到大型通信设备等各个方面 目前p o w e r p c 独立微处理器与嵌入式处理器的主频从2 5 棚z 一7 0 0 删z 不等，它 们的能量消耗、大小、整合程度、价格差异悬殊。 1 2 4x 8 6 系列 x 8 6 起源于i n t e l 架构的8 0 8 0 ，再发展出2 8 6 ，3 8 6 ，4 8 6 。直到现在的 p e n t u i m 4 ，a t h l o n 和a m d 的6 4 位处理器h a m m e r 。从嵌入式市场来看，8 0 8 0 是第 一款主流的处理器。今天的p e n t i u m 和当初的8 0 8 0 使用相同的指令集，这可以 保持兼容性，但是同时也限制了c p u 性能的提高。 1 2 56 8 k g o i d f ir e 系列 m o t o r o l a6 8 0 0 0 ( 6 8 k ) 是出现得比较早的一款嵌入式处理器，6 8 k 采用的是 c i s c 结构，与现在的p c 指令集保持了二进制兼容。c i s c 是个人电脑c p u 常用的， i n t e l ，a m d 都采用了c i s c 指令集，只有a p p l e 电脑中的p o w e r p c 使用了r 1 s c 架构。最初使用c i s c 指令集是有道理的，因为c i s c 指令数量少，执行效率更高， 而且当时的c p u 时钟频率不同，没有牵涉到现在的超标量和超流水线的问题。 r i s c 是精减指令集，每条指令长度都一样，有利于简化译码结构，减少处理器 的品体管数量，这对于嵌入式处理器来说是很重要的。 6 8 k 最初曾用在a p p l e i i 上，比i n t e l 的8 0 8 8 还要早。s u n 也把这款处理器 用于其最早的工作站。现在6 8 k 芯片已经完全应用于嵌入式系统了，1 9 9 2 年6 8 k 系列芯片的销售量达到二千万片，几乎是当时市场上所有其他嵌入式微处理器 ( 包括a r m , m 1 p 5 ，p o w e r p c 等) 销量的总和。到目前m o t o r o l a 每年还能销售7 5 万片。 1 9 9 4 年，m o t o r o l a 推出了基于r i s c 结构的6 8 k c o l d f i r e 系统微处理器。 目前基于该架构的嵌入式微处理器主要有m e f 5 2 8 2 ，它基于第二代c o l d f i r e v 2 核心，在6 6 姗x 下操作速度为6 3d h r y s t a n e2 1 m i p s ，是迄今最高的v 2 性能。 与所有c o l d f i r e 产品一样，m c f 5 2 8 2 系统结构提供优秀的编码密度，同时 达到出色的系统性能水平。由于m c f 5 2 8 2 共用6 8 k 的编程模式，并为通信外围设 备组的需要提供了更高性能选择，因此它是6 8 k 系列产品的重要补充”。 1 3论文研究意义及安排 课题来源自国家8 6 3 计划软件重大专项课题一支持银税类控制设备智 能化升级的嵌入式软件平台。该课题是由科技部于2 0 0 4 年立项的，它全面遵循国 家和行业颁布的涉及银行、税务行业的控制设备标准，面向银税领域的各类控制 中南大学硕士学位论文 设备，针对不同的硬件电路平台和目标产品，开发相应嵌入式应用程序构成不同 应用功能的产品。本论文正是完成了其中一个予项，设计一款高集成度a r m 9 系 列嵌入式开发平台。 目前国内针对银行税务类控制设备的高集成度开发平台主要是围绕a r m 7 系 列的c p u 来设计的，本文所研究的课题正是开发出一种基于a 跚9 系列c p u 的性 能更高的嵌入式系统开发平台，为国内银行税务类控制设备的智能化升级提供支 持。a r m 9 系列c p u 是高性能和低功耗特性方面最佳的硬宏单元，它具有：5 级流 水线；提供1 1 m i p s m h z 的哈佛结构。开发出一种基于a r m 9 系列c p u 的嵌入式 系统通用平台，就可以实现银行税务类终端设备的升级换代，开发出性能更高的 银行税务类终端产品”1 。 本文研究的目的是完成这一个基于a r m 9 系列c p u 的嵌入式系统通用平台的 硬件设计。经过大量的调研及对比了多种嵌入式处理器之后，本设计选择了 c i r r u sl o g i c 公司的a r m 9 系列c p ue p 9 3 1 2 。希望设计出一种集成度高，主板面 积小，外围接口多，成本低，运行速度快的嵌入式系统通用平台。 本论文后面的章节内容安排如下： 1 第二章详细介绍了嵌入式系统工程的设计方案。介绍了嵌入式产品的开发及 生命周期，详细地描述了本研究开发平台的调研过程，列举了各个厂商对产品的 要求及提出的意见。最后选择了e p 9 3 1 2 作为处理器，描述了系统的设计原则及 可扩展性。 2 第三章描述了a r m 系列嵌入式处理器的概况及介绍了几种常用的嵌入式操作 系统。对e p 9 1 2 的结构作了详细的介绍，分析对比了几种常用的操作系统。 3 第四章给出了本系统各个功能模块的详细设计。包括了c p u 模块、r e s e t 模 块、系统时钟模块、调试端口( j a t g ) 模块、s d r a m 模块，u s b 模块等。并介绍 了各个模块的设计原理及其本身的创新处。 4 第五章介绍了高速p c b 设计原理及系统调试，介绍了p c b 设计中的布局及布 线原则，介绍了布线过程中应当注意的传输线效应以及避免传输线效应的方法。 5 第六章介绍的是本文最终形成的产品和与国内其他系统的对比，以及在设计 过程中所取得的一些成果。并对嵌入式系统的产品作出了展望。 6 中南大学硕士学位论文银税类嵌入式系统设计方案 第二章银税类嵌入式系统设计方案 2 1银税类嵌入式系统开发生命周期 嵌入式系统的开发实际上可以看作是对一个项目的实施。项目的生命周期可 以分为识别需求、提出解决方案、执行项目和结束项目4 个阶段，嵌入式系统的 项目开发也是如此1 ”1 。如下图所示。 图2 - 1 系统开发周期 识别需求：当需求被客户确定时，项目就产生了。这个阶段的主要任务是确 认需求，分析投资收益比，研究项目的可行性，分析厂商所应具备的条件。识别 需求对于嵌入式系统的项目开发是很重要的。这是因为嵌入式系统往往需要嵌入 到其他产品中，不能独立工作，而这个产品往往不是嵌入式开发者所熟悉的，不 了解需求所做的产品往往是失败的。 图2 2 识别需求 提出方案：主要由厂商向客户提交标书、介绍解决方案等。对于嵌入式系统 项目来说，这个阶段的主要工作是系统规划与设计。在设计规划阶段中，开发团 队需要分析所有可行的解决方案，并拟定进程，使项目在合理的进程范围中逐步 建构完成。在系统的设计方面最重要的一件事就是确定系统的框架。 7 中南大学硕士学位论文银税类嵌入式系统设计方案 图2 3 提出方案 执行项目：从公司的角度来说，这才是项目的开始。这个阶段由项目经理和 项目组来完成合同规定的任务。一般需要细化目标，制定工作计划，协调人力和 其他资源，定期监控进展，分析项目偏差，采取必要的措施以实现目标。这个阶 段的主要工作就是系统的实现和系统的测试。嵌入式系统项目既要实现系统的硬 件，又要在硬件上实现软件。所以在项目的开发过程中，软硬件实现和系统测试 是不断反复进行的。事实上，系统的实现、测试和调试贯穿整个执行项目阶段。 图2 q 执行项目 结束项目：主要包括移交工作成果，帮助客户实现商务目标；把系统交接给 维护人员；结清各种款项。完成这些工作后一般要进行项目评估。产品开发完毕 并移交给客户并不等于项目已经结束。客户在使用产品的过程中还会出现一连串 的问题，此时开发团队还需要服务客户，这就是售后服务2 1 。 8 中南大学硕士学位论文 银税类嵌入式系统设计方案 图2 - 5 结束项目 本文介绍的是银行税务类的嵌入式系统，同样地应该按照上述的开发周期进 行。首先是识别需求，就是对各个可能使用到本系统的公司进行调研，将在下一 节做具体的描述。提出方案是对各公司调研后，根据得出的结果进行综合分析， 然后提出本系统的目标功能模块，包括使用什么样的芯片，完成什么样的功能， 大概能获得什么样的效果等。然后进行立项，写出立项报告，申请经费等。执行 项目就是具体的设计与生产，将在后面的第四、第五章进行具体的描述。结束项 目是完成设计并生产调试通过后将产品交付厂家生产并开始批量上市。 2 2 银税类嵌入式系统平台的需求分析 要设计出一款满足要求的嵌入式系统平台，首先要做的事是对要使用该款平 台的用户进行调研，识别各个用户对这款产品的需求”“。由于本系统的首要用 户为长城信息技术产业集团有限公司的下属公司，为此，我们共走访了长城信息 技术产业集团有限公司下属的终端本部、湘计视讯公司、希诺达( 长沙) 公司、 上海长远公司、湘计海盾公司、湘计新星公司、上海长江公司、上海长岛公司、 深圳长岛公司、深圳普士公司等公司( 事业部) ，并与其中负责技术开发的人员 进行了详细对话，同时发出了部分调查表格。由于这些公司的产品在国内银税类 嵌入式产品中具有代表性，故其意见可作为设计的标准。 在这些公司中，有的公司的产品并不能与其它公司的产品共用一个开发平 台，而长远、希诺达、终端本部、深圳长岛的产品的共性要多一些，所以本系统 主要是面向他们的产品，现在把它们部分共性列举如下： 1 、对实时性的要求不是很高。 2 、产品价格低廉，均为数百元左右。 3 、产品均需强调性能的稳定。 4 、产品均需支持l c o ，其中终端本部需要支持c r t 。 深圳长岛公司的补登机使用的是5 1 系列单片机，以后的产品升级有可能使 用嵌入式系统，其功能不会超过圈存机。另一项产品自助终端现在使用工控机和 w i n 2 0 0 0 ，现阶段对它们不予以考虑。另外要考虑的产品是深圳普士公司的p o s 机，目前主要考虑有线的p o s 机，无线的以后再考虑。但p o s 机有很多特殊要求， 9 中南大学硕士学位论文银税类嵌入式系统设计方案 如安全性。为了在通常的设计上达到对安全性要求，可加增强安全性的芯片，约 需1 0 0 元，这样大大增加了成本，而且对于我们的系统来说不够实用。深圳长岛 公司正在开发的一个产品是汽车音响，该款产品现在在计算机架构上还较为简 单，不需要嵌入式系统平台，以后开发硬盘版的产品时可能需要。 各单位产品所需要支持的硬件设备表见附录1 所示。 另外，目前国内也有多家研究机构从事银行税务类的嵌入式系统开发，但是 其产品大多为基于a p d 7 系列的c p u 以及其他一些性能更低的嵌入式c p u 产品。 本文也对目前市面上另一些有代表性的银税类嵌入式系统及相关产品进行过调 查，包括华恒科技的l m a r m 9 2 0 0 一p o s r 1 、大唐电子d t s k 2 0 0 0 一b 2 0 2 和长城i p 2 1 0 0 ， 其性能指标为： 1 华恒科技的删a r m 9 2 0 0 p o s - r 1 嵌入式系统 基于a r m 的a t 9 1 r m 9 2 0 0 微控制器的一款多功能的嵌入式l i n u x 控制系统， 基于此嵌入式系统可以开发出低功耗、小体积的最终产品。同时，该款系统还具 备非常多的接口，适合于多种领域的开发应用，主要典型的应用领域：可以让客 户在此基础上轻松进行税控收款机的开发。除此，该款系统的其它应用领域还包 括：工业控制、多媒体终端产品以及医疗电子设备等。 其性能指标为： c p u ：a t 9 1 r m 9 2 0 0 ，2 0 3 硼z ；f l a s h ：1 6 m b ；s d r a m ：6 4 ；显示：3 5 寸t f t 真彩l c d 显示屏、1 个v g a 接口；u s b ：2 个u s b 2 0h o s t 接口；p s 2 ：1 个p s 2 接口；i d e ：1 个i d e 硬盘接口；网口：1 个i o i o o m 自适应以太网接口；串口： 3 个4 线r s 2 3 2 串口、1 个8 线r s 2 3 2 串口。 2 长城i p 2 1 0 0 彩色液晶网络终端 目前实现量产的长城信息产业有限公司嵌入式终端类的最为先进的产品( 不 包括本系统转换的产品) ，在当前国内的银税类嵌入式终端市场占有很大的份额。 其主要的性能指标为： c p u ：a r m 7 ，p s 7 5 0 0 f e ，1 0 0 删z ；f l a s h ：3 2 m b ；s d r 肌：1 2 8 m b ；显示： t f t 真彩l e d 显示屏接口；u s b ：无；p s 2 ：2 个p s 2 接口；i d e ：1 个i d e 硬盘接口； 网口：1 个i o i o o m 自适应以太网接口；串口：3 个4 线r s 2 3 2 串口、1 个8 线 r s 2 3 2 串口、1 个2 5 线r s 2 3 2 串口。 3 大唐电子d t s k 2 0 0 0 一b 2 0 2 税控收款机 作为国家税控收款机标准工作组主要成员之一，其产品有一定的代表性。其 中d t s k 2 0 0 0 一b 2 0 2 税控收款机为其主要产品。其性能指标为： c p u ：a r m 7 系列，i o o m h z ：f l a s h ：1 6 m b ；s d r a m ：6 4 m b ；显示：1 9 2 x 6 4 液 晶显示屏；u s b 1 个；p s 2 ：1 个p s 2 接口；网口：1 个以太网接口；串口：2 l o 中南大学硕士学位论文银税类嵌入式系统设计方案 个标准r s 2 3 2 串口。 上述几款产品也均在银税类嵌入式产品中有一定的代表性，但随着功能需求 的不断提高，目前它们均不能完全满足用户的要求。 2 3c p u 的选择 在嵌入式系统中，最主要的部分是处理器。世界上具有嵌入式功能特点的处 理器已经超过了1 0 0 0 多种，3 0 多个系列。不同的处理器有着各自不同的特点， 目前，使用范围比较广的嵌入式系统处理器有：p o w e r p c ，x 8 6 ，m i p s ， a r m s t r o n g a r m 等”“。本文采用的是c i r r u sl o g i c 公司的嵌入式处理器e p 9 3 1 2 。 e p 9 3 1 2 是一款a r m 9 系列的处理器，a r m 9 系列是高性能和低功耗特性方面最 佳的硬宏单元。它具有：5 级流水线；提供1 1 m i p s 删z 的哈佛结构。而其前代 产品a r m 7 系列的处理器具有：嵌入式i c e - r t 逻辑；非常低的功耗；提供 0 9 m i p s i 蛀l z 的三级流水线和冯爿c 诺依曼结构。因为本系统主要用于开发先进的 计算机终端，机顶盒，高端打印机等产品，所以需要较快的运算速度，而a r m 7 主要用于对价位和功耗敏感的消费类产品，并且其运算速度相对较慢，所以我们 选择a r m 9 系列。a r m 9 系列c p u 还有e p 9 3 0 7 和e p 9 3 1 5 。e p 9 3 0 7 与e p 9 3 1 2 的功 能构造基本相同，只少了1 个i d e 接口，但多了图形加速的功能。由于银行税务 类产品大多需要较多的g p i o ，而与e p 9 3 0 7 相比，e p 9 3 1 2 可以很容易地设计出较 多的g p i o 。e p 9 3 1 5 在e p 9 3 1 2 拥有的功能上再增加了p c m c i a 接口和图形加速功 能，因为这并不是银行税务类产品所必需的功能，所以综合考虑，本系统选择了 e p 9 3 1 2 b o l 。 2 4 系统组成 e p 9 3 1 2 已经集成了嵌入式系统所需的许多功能，为了使本文设计满足银行 税务类产品的要求，还增加了如下硬件：s u p e ri o 芯片( 包含2 个u a r t 、1 个 并口、2 个p s 2 接口控制器芯片) 、网络p h y 接口芯片、接口电平转换芯片、f l a s h 、 s d r i 等。p c b 板采用4 层板，表层为信号层，其中的电源线路层和地线层深埋 在主板的内层，不易受到电源杂波的干扰，尤其是高频电路，可以获得较好的抗 干扰能力。 系统如图2 6 所示，采用s u p e r - i o 扩展了系统的串口、并口与p s 2 口。 采用g p i o ，也也能扩展这些功能，但采用s u p e r - i o 能减少软件对外设的干涉， 加快运行速度，对系统的稳定性也很有好处。 中南大学硕士学位论文银税类嵌入式系统设计方案 图2 _ 6 系统组成 2 5 银税类嵌入式系统平台的技术指标 各产品共有部分为f l a s h 、s d r a m 、网络接口、串口、p s 2 、u s b 、显示接口、 电源、g p i o 。各产品选用部分为并口、声卡、c f 卡。其中串口接内置的打印机、 i c 卡读写器、密码键盘为共有部分，触摸屏作为选用部分。显示接口以1 0 2 4 x 7 6 8x1 6 b p pl v d s 总线的l c d 为共有部分，其余显示方式为选用部分。 在分析了各个公司的需求，综合考虑了各公司以后产品的发展，最后决定了 本系统所要达到的技术指标。硬件相关指标和需要支持的特性及接口如下： 指标选择方说明 式 处理 e p 9 3 1 2 的s o c 系列共不可能为补登机单独开发5 1 器有系统，且使用5 1 的系统没有必 要使用操作系统。 f l a s h使用l i n u x ：4 m 为标准配置。可扩至 共若使用少量f l a s h 加c f 卡，则 8 m 。 有在f l a s h 上约可节省2 0 元。 s d r a m 使用l i n u x ：1 6 m ( 可扩至3 2 m ) 。 共妖远3 2 m 是因为采用w i n c e 。 有 1 2 中南大学硕十学位论文银税类嵌入式系统设计方案 网络有。 共 接口有 串口 5 个：1 、2 5 芯全协议：2 、2 个9 芯共串口需接内置的打印机、i c 卡 全协议；3 、2 个三线制。有读写器、密码键盘、触摸屏等， 其中前三者做为共有，后者作 为选用。 p s 2 2 个；选用。共郡分系统小需墨阴个，但由十 有其重要性，全部加上。 u s b2 个；h o s t 和s l a v e 。 共部分系统不需要，但由于其重 接口有 要性，故加上。 显示 先做1 0 2 4 x 7 6 8 1 6 b p p 的l v d s 总线 共共五种。 接口的l c d ，同一个插座上可以兼容6 4 0有 x 4 8 0 的l c d ；同时还要按具体需要 增加一些接口。 电源独立电源，有3 v ，5 v ，1 2 v ，2 4 v 等 共 打印机需要2 4 v 。 有 成本3 0 0 左右。 共 不含电源。 有 g p l 03 0 - 4 0 根。 共 有 内核内核可以升级。共 有 汉字 先只做g b k ，以后视情况做6 8 1 8 0 3 0 。 共g b k 的开发与g b 2 3 1 2 难度差不 字库 有 多，部分产品无须g b k 也无大 碍，且选择数百个汉字更麻烦。 g b l 8 0 3 0 更好，但用得少，且 占用空间太大。 如果产品要求系统软件非常 小，再另行考虑。 p c b 尽可能的小；4 层板；使用插针引出 共若需要更小的板，则考虑使用 板 各个插座。有 排线。 并口有；各家根据需要取舍。选 用 声音要，由各家选用。选 用 c f 卡 要，选用。 选终端部不会用。可以由长远、 用湘计新星选用。 在完成了调研及进行技术分析后，我们得出了系统的基本技术指标。因此， 我们下一步的工作将围绕上述的技术指标来进行系统的设计0 1 。 在制定了技术指标后，可以看出本研究将完成的系统均要比上面介绍的一些 国内最为先进、有代表性的银行税务类嵌入式开发系统更为优秀，下面是分析和 对比： 1 3 中南大学硕士学位论文银税类嵌入式系统设计方案 1 对于华恒科技的h h a r m 9 2 0 0 p o s - r 1 h h a r m 9 2 0 0 一p o s r 1 作为一款最新的产品，目前在税务类产品处于行内的领 先地位，从