（控制理论与控制工程专业论文）基于嵌入式系统的税控收款机的设计与实现.pdf

青岛科技大学研究生学位论文 基于嵌入式系统的税控收款机的设计与实现 摘要 随着国家金税工程的不断深入，国税总局在全国全面推广税控收款机的使 用。目前，普通的税控收款机有着成本过高、管理不方便等缺点，而基于嵌入式 系统的税控收款机则具有成本低、可靠性高，而且由于采用嵌入式操作系统，其 具有易管理、安全性高等优势。因此。在技术和市场两方面的驱动下，本文提出 了基于嵌入式系统的税控收款机的方案，将嵌入式技术与税控收款机技术有机结 合起来，开发出一种新型的税控收款机产品，这对促进国家金税工程的实施具有 非常重大的意义。 基于嵌入式系统的税控收款机是一个复杂的嵌入式应用系统，涉及到嵌入式 系统、智能卡、电路设计、税控应用等多种软硬件技术。为了降低研发成本和缩 短研发周期，该税控收款机部分模块采用了成熟的技术和产品，如智能卡技术和 税控专用外设，本文的重点放在嵌入式系统、电路设计和税控应用程序开发等技 术问题上。 根据税控收款机国家标准，本课题对基于嵌入式系统的税控收款机进行 了设计和研制。本文阐述了以君芷微处理器j z 4 7 2 0 为核心的硬件设计，包括各 个主要的功能模块；然后在此基础上，详细分析了开发环境的建立，硬件模块驱 动程序、图形用户界面的设计和税控应用程序的开发等。 、 实践证明，该税控收款机的设计是符合国家标准并能够满足用户需求，是成 功的。目前课题已接近尾声，并进入最后的完善阶段，这为下一步的研发工作打 下了良好的基础。相信随着税控市场的全面推广，该嵌入式税控收款机将会有十 分广阔的市场前景。 关键词：税控收款机嵌入式系统设备驱动程序图形用户界面 青岛科技大学研究生学位论文 咖d e s i g na n dn 腰l e 】e n 似h o no ff i s c a l c a s hr e g i s l e rb a s e do n 啪e 】d i ) e ds y s l e m w i t ht h ed e v e l o p m e n t0 f n 蛐伽i b l ( o l d e nt a xp r o j e c t t h ef i s c a lc a s hr c g i s e - ri s a p p l i e di n t ot h i s6 e l da l lo v e rt h ec o u n t r yb yt h es t a t ea d m i n i s t r a t i o no f t a x a t i o n b u t a tt h ep r e s e n tt i m e ，m o s to f t h ef i s c a lc a s hr e g i s t e r sh a v e f l i vd i s a d v a n t a g e so f h i g hc o s t , r a n g i n gi n c o n v e n i e n c e i nc o n t r a s t , t h ef i s c a lc a s h 托g i s t e 捋b a s e do ne m b e d d e d s y s t e mh a v ea d v a n t a g e so fl o wc o s t ，m 觚i a i 斑培c o n v e n i e n c e , h i g hd e p e n d a b i l i t ya n d s e c u r i t ya n de t c s oi nt h ei m p u l s eo f t e c h n o l o g ya n dm a r k e t , w op u tf o r w a r das c h e m e o ff i s c a lc a s hr e g i s t e r i nt h i ss e h e r n e ，w ec o m b i n ef i s c a lc a s h 糟g i s t e rt e c h n o l o g ya n d e m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g yo r g a n i c a l l ya n dd e v e l o pan e w t y p e 。w h i c ha l s oi sv e r y m e a n i n g f u lt ot h ei m p l e m e n t a t i o no f g o l d e nt a xp r o j e c t t h ef i s c a lc a s hr e g i s t e rb a s e do ne m b e d d e ds y s t e mi sac o m p l e xe m b e d d e d a p p l i c a t i o ns y s t e m ，w h i c hr e l a t e st om a n yk i n do fs o r w a r ea n dh a r d w a r et e c h n o l o g y , s u c ha se m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g y , i n t e l l i g e n t i z e dc a r dt e c h n o l o g y , c i d 鼠血d e s i g n a n d , f i s c a la p p l i c a t i o nt e c h n o l o g ya n de t c i no m e rt or e d u c et h ec o s ta n ds h o r t e nt h e c y c l eo fd e v e l o p m e n t , w ea d o p ts o m em a t u r ep r o d u c t sa n dt e c h n o l o g yf o rs o m ep a r t s o ft h ef i s c a lc a s hr e g i s t 既, s u c ha sm t e l f i g e n f i z e dc a r dt e c h n o l o g ya n ds o m es p e c i a l f i s c a lf a c i l i t i e s t h i st h e s i sd i s c u s s e st h et e c h n o l o g yp r o b l e m si ne m b e d d e ds y s t e m ， c i r c u i td e s i g na n dd e v e l o p m e n to ff i s c a la p p l i c a t i o np r o g r a me m p h a t i c a l l y a c c o r d i n gt ot h e f i s c a lc a s h 坨垂s 把rn a t i o n a ls t a n d a r d ) ，t h et h e s i sd e s i g n sa n d d e v e l o p saf i s c a lc a s hr e g i s t e re m b e d d e do i ls y s t e m a n dt h et h e s i se x p a t i a t e so nt h e h a r d w a r ed e s i g nw h i c hi n c l u d em o s tp a r to ff u n c t i o np a r t ；a f t e rt h i s ，i ta n a l y z e st h e c o n s t r u c t i o no fc r o s sc o m p i l ee n v i r o n m e n t , d e s i g no fd r i v e r sa n dg u ia n d d e v e l o p m e n to f f i s c a la p p l i c a t i o n p r a c t i c ep r o v e dt h a tt h ed e s i g no ft h i sf i s c a lc a s hr e g i s t e r8 0 0 0 r dw i t ht h en a t i o n a l s t a n d a r da n dc a nm e e tw i t ht h eu 嚣n e e d , i ti ss u c c e s s f u l a tp r e s e n t , t h i sp r o j e c t i 基于嵌入式系统的税控收藏机的设计与实现 i sc o m i n gt ot h ee n da n dw h a th a v e b e e n d o n ei sv e r yb a s i cf o rf u t u r ew o r k w i t ht h e d e v e l o p m e n to ff i s c a lm a r k e kt h ef i s c a lc a s hr e g i s t e rb a s e do ne m b e d d e ds y s t e mw i l l h a v eab r i g h tf u a t m k e y w o r d s ：f i s c a lc a s hr e g i s t e r , e m b e d d e ds y s t e m ，d e v i c ed r i v e r , g u i 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 税控收款机介绍 1 绪论 税控收款机是具有税控功能的电子收款机，是应能保证经营数据的正确生成、 可靠存储和安全传递，并可以实现税务机关管理和数据核查等要求的收款机“1 ， 它在收款的同时可以存储产品销售的详细记录和应上缴税金的记录，并有严格的 物理和电子保护措施，由税务机关铅封，使存储的数据无法人为地修改和破坏。 税控收款机是在能独立满足“税控”和发票管理基本要求的基础上，同时满足普 通收款机在镁饮、娱乐、服务业的基本管理和普通票据及报表打印要求的税控装 置产品。 税控收款机是在电子收款机的基础上发展起来的，利用电子收款机的特点， 税控机将电子收款机里面加入税务监控的“黑盒子”，把交易数据记录下来，使 税务机关的监控触角延伸到纳税人的经营数据形成的过程中，税务稽查有一个依 据。推广使用税控收款机可以如实记录商家的实际流水帐，明确交易发生额，准 确统计应交税额，保证所有交易有打印凭证即发票确认，上报税控收款机统计并 打印的计税报表等“。 税控收款机系统应解决的关键问题是： 1 商业收款机功能与税控功能的有机结合； 2 机内程序不可复制、更改和数据的不可更改、清除； 3 安全、易用、可靠的申报手段； 4对发行、维修、更新安全性的支持； 5对历史数据稽查的支持； 6对专业犯罪集团入侵税控收款机的可靠对抗； 7 事务完整性。 大体来说，税控收款机有以下一些主要功能： 1 开票记录。 为用户开具发票，将开票信息写入报税存储器，对每一笔开票信息，生成税 控码，加密后加入到开票信息的后面，作为验证每笔记录真实性、完整性的依据。 2 报税。 税控收款机的报税方式有三种：i c 卡、u 盘和m o d e m 远程报税。用户可以 使用上述三种介质将开票信息送到税务中心后台报税，经验证、处理完毕后，后 基于嵌入式系统的税控收敖机的设计与实现 台将处理信息反馈给收款机并邀行授权即可完成一次摄税过稷。 3 设置维护 i ) 初始纯：清设藿，生成密钥，写入用户信息。 2 ) 携查：当捶入稽查l e 卡并遥遘验涯嚣，龛诲读取开蘩记豢帮箍税纪录进 行稽查。 3 ) 系统自检和报警。 勇矫，税控收获枫还具有很多的其它功能，如操作员管道、销售管理、销售 绕每 等，这墼就苓一一残举了。 税控收款机系统是一个有机的整体，大体可分为4 令层次；收敖糗本规；税 控机制；税务征瞥部门发彳亍、申报、管理、稽查系统；管理、运作、监控规范， 如下圈所示鳓。 困1 - 1 税控收款机系统垫体方案 f i g l 1i n t e g e r s t r a t e g yo f f c r s y s t e m 2 1 2 课题研究背豢m 黠铗寮孽翟家来说，税收都是援其鬟癸戆弱越。孛嚣舫黢收入豹g 涡来自税牧， 依法纳税是每个纳税人应尽的义务。1 9 9 4 年新税制实施后，如何提高征管效率、 壤塞税l 改漏演，是甏务部门赛研究解决静重要谦题。蹲管每年蚕肉z 商税收都比 上一年增加数干亿元，但是国内目前法定应纸税额卑实征税额之楚仍达2 0 9 i 4 0 9 6 。1 9 9 7 年下半年，国家税务总桶对8 5 万户商业企业迸杼了检蠢，发现1 9 9 6 每偷税藤为2 9 。o 跳，1 9 9 7 年为2 3 。3 诮。攒骞关瓷辩，爵家每零税款流失至少l o 亿元，这对国家的财墩收入带来了很大的损失。 1 9 9 3 年底鬻务茨发毒熬舞我法黠绫税久终了“一般援搂缝税入”襄“夺艇模 纳税人”两类区分。其中“一般规模纳税人”会计核算健全。能够提供准确税务 蜜辩，税务主篱部门凌孩措蘸院较有力，一般稳能菝法纳税；蔼“枣烧模绦税入” ( 其中包括从事赞物批发或零售，年应税销售额在1 8 0 万以下且会计核算不健全 的纳税入) 现在还只黥靠估税办法核定税额。灞洞极多，流失税款严重。全国小 攒模纳税人的数量比例约占正业企业总数孵8 醮，使这类纳税人按“应税链售羧 征收率”的方法交税，是阐家减少税收流失瑟待解决的一个难题。 霹孵，毽懿我国毒3 万多个税务征l l 筻摹位，耋o 多万魏务苄部，繁理蓍数手万 个纳税户。每个基层税管人员要负赞几百个纳税人的管理，仪靠人力，负担十分 繁霆。哭骞采载嵩辩技手段，方有霉照遗逮畜效缝将髹税工佟攘囱糯筏讫，篌鏊 家应得的税收有较大幅度的增加，岛此同时，也更有效地提高纳税户自身的经济 效益，撺靠g 税务征管王作中寤败现象酌发生。 1 9 9 7 年5 月，国家税务总局、财政郝、屠内贸易部、电予工业觏、冒家工商 杼酸管理局联合发文( 圈税发( 1 9 9 7 ) 6 5 号) ，决定在商敛、服努业、媛乐业等行业 攘行使熙税控收数枫，先在熟分城帝逶合使用裁控收款辊戆夺援攘纳税垒渡襄畜 一定经营规模及固定经营场所的个体工商户中试点，取得经验，并邂步推汗。芷 爨必藐我是关系霉家寒来与发震静黧要簿嚣，我霆戳菡家椽撩耱形式全藩公毒税 控收款机技术橱i 准、簧求，并在全厨范匿内强制推广使用税撩收款机。 2 0 0 3 , 年| o 月，在囊管部门帮厂商的菸 霹努力下，税控暾获概黼家标礁终 予出台。圈标的出台，是中爵税控收欺机市场发展过穆中的一个关键里程麟，它 意味着一个规范的市场即将来临，有着重大的意义。予税务系统而亩，为实施真 正意义的税控，鳃决7 技术撂准怒鼷 予参与露场的厂凑露富，烙鑫囊正关注援 模、经验和自身的实力，产业化经营和规械的市场运作成为可能；予纳税户而言， 琏着援蔻熊紊璐逶据耧税控收获祝戆产照耀模纯，链秘将运参囊蓬李受舞越来越 基于嵌入式系统的税控收款机的设计与实现 低的购置成本和规范的服务。所有这些，都意味着税控收款机即将告别多年来的 混乱局面，为税控市场提速做好了技术和产业上的准备。 2 0 0 6 年初，广东税控收款机招标工作的开始，打响了税控市场的第一枪，标 志着我国税控收款机市场终于正式启动，从此，我国的税控市场的竞争必将愈演 愈烈。 1 3 课题研究现状 税控收款机是国家金税工程带动的新兴产业，历经金税工程一期、二期。我 国税收平均每年增长数千多亿元，这标志着税制改革取得了阶段性成功。随着金 税三期工程的即将启动，税控收款机行业日前也正在迅速崛起，中国税控机产业 的前景备受瞩目。根据有关专家的估计，税控收款机设备市场容量将达到数千亿 元。面对如此庞大的市场，各家生产商都厉兵秣马，纷纷推出自己的产品。 目前，国外多家知名厂商涉足税控领域多年，如西门子、爱普生等，但并没 有生产出真正符合中国国情的税控产品。国内的有联想、方正、海信、天喻等知 名企业也提出了各自的税控解决方案，市场上税控收款机的品种虽然很多，但是 一般其成本比较高，管理不方便，并且嵌入操作系统的税控收款机也很少，大多 数产品中并没有操作系统，c p u 一般都是1 6 位，有的甚至是8 位。随着国家标 准的逐渐完善，对税控收款机的要求也越来越严格，所要求的功能也越来越强大， 这些没有操作系统的1 6 位税控收款机上的资源将会显得很贫乏，已不能够满足 要求。另外，没有操作系统，软件的移植性等也都很差，重复性劳动较多。大大 地增加了产品的成本。 基于这一现状和市场前景，我们利用成熟的嵌入式操作系统，开发出一种高 端的、基于嵌入式的税控收款机，增强其功能，降低生产成本，以便迅速打入税 控市场。 根据用户的需求，本文设计开发了一种基于嵌入式系统的税控收款机的解决 方案，该方案能满足税控收款机国家标准的要求，对比目前市场上的税控收 款机具有以下优势： 成本低廉：由于系统采用s o c 微处理器和l i n u x 操作系统做软件平台， 硬件配置减少，软件成本降低，从而可以降低整个税控收款机的价格，降 低了企业的运营成本。 可靠性高：微处理器内部集成了税控收款机的一些必需的功能模块，简化 了系统外围硬件模块，减少了系统上易出错部件的数量，从而增加了税控 4 青岛荤唪按丈学研究生攀住论文 枝款枫本身的冒靠健。 资源丰富：系统资源非常拳富，随着功能的增多，可以很方便地进行硬件 模块的扩展和软件的升级。 可裁剪性强；嵌入l i n u x 操作系统，可以很方使地裁减不器婺豹郝分，减 小系统的尺寸。 安全热嵩：鼓手采璐擞穆蕉统，瓣程滓秘数据豹凌翘罄遵过攮终系统提供 的接口来操作，避免直接操作硬件，提高了整个系统的安全性；另外。l i n u x 耩秀源系统，率身纛兵寄挽病毒、抗袭击等黪点。 1 4 课题主要研究内容和结构 本课题是以君正$ 0 c 和目前比较流行的l i n u x 操作系统为系统的硬、软件平 务，嚣发7 基予嵌入蕊系绫戆囊一代鬣按l | 曼款枫。零文主要完残了该我控浚款裁 的整体模块及备个功能模块的设计，并在其上歼发了相应硬件的设备驱动程序， 解决了秘控毂歉梳士数据赴蓬的一些闯蹶，并穰蠢焉户的器求和黧标豹螫求，实 现了系统豹应用程序。 本文共分为六章。 第一章：缱论，太体介缨了税控收款钒豹概念以及本课题研究豹羼史背景、 现状。 第二章：焱久式系统及税接牧敦辍缭述。囊手联设诗嚣发鳃魏控毅款枫采赐 嵌入式操作系统，较以往有很大区别，所以在此对嵌入式系统的功能、特性等作 一些篱萃鹃奔绥。 t 第冀章：介绍了嵌入式税控收敖机的硬件设计。本文就收款机总体硬件结构 作了阐述，并对系统的一些主要功能模块的硬件设诗祝瑗作了介缁，并绘出了部 分硬件电路图。 第四章：介绍了嵌入式收敖机的软件设计，包括开发环境的描建、系统的穆 攘、设餐驱动静秀发帮痉麓程彦麴编写等。 第驻章：介绍了软硬件设计过程中所采用的一些抗干扰措施。 文鬻酶囊籍一部分总缭了蠢嚣在磅究串还存在懿塑澜麓羁零蹩，弗给窭7 下一步可能的研究方向和栩应的一些设想。 基于嵌入式系统的税控收款机的设计与实现 2 嵌入式系统 随着信息技术的发展和数字化产品的普及，嵌入式系统被广泛地应用到网络、 手持通讯设备、国防军事、消费电子和自动化控制等各个领域。嵌入式系统的广 泛应用前景和发展潜力使其成为2 1 世纪的应用热点之一。嵌入式系统通常是面向 特定应用的，嵌入式系统本身不仅与一般p c 上的应用系统不同，而且针对不同的 具体环境而设计的嵌入式应用之间的差别也很大。本文设计的税控收款机就是一 个典型的嵌入式系统，应用了很多嵌入式软硬件上的技术知识。下面介绍一下嵌 入式系统。 2 i 嵌入式系统的概念 嵌入式系统( e m b e d e ds y s t e m ) 是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬 件可裁剪，以适应对系统功能、可靠性、成本、体积、功耗等指标的严格要求的 专用计算机系统，它可以实现对其他设备的控制、监视或管理等功能嗍。嵌入式 系统又可理解为嵌入式操作系统和应用软件集成于计算机硬件系统之中，简单的 说就是系统的软件与硬件的一体化。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具 体应用相结合的产物，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系统。嵌入式系统具有软件代码少，高度自动化，响 应速度快等特点，特别适合于要求实时的和多任务的体系。 嵌入式系统是针对具体应用的专用系统，一般具有成本敏感性，所以其硬件 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中体现优越性，表现出其强大的竞争力。 多年以来，嵌入式系统一直被广泛应用于各种设备当中，大到车、船和卫星， 小到家用电器。相当部分的嵌入式系统并没有操作系统。首先是因为没有必要， 例如洗衣机和微波炉等，它们的功能有限，只需要一道控制程序管好几个按键、 指示灯和数码管就可以了。其次是因为条件不允许，它们采用4 位或8 位的微处 理器，有的内存小得不到i k b ，根本没有操作系统生存的空间，即使要完成一些 比较复杂的任务，也只能依靠程序员的技巧去精雕细琢，以弥补硬件条件的不足。 6 青岛科技大学研究生学位论文 随着摹l 学技术鳇亵速发震，嵌入式繁统在各令应用领域变熬越来越漾磐，箕 提供的应用功能也越来越复杂，当初的控制程序被隧之逐步加入了诲多功皴，聪 这些功能有很多是可以由操作系统来提供的，这很自然她会让人联想至q 应该为嵌 入式鬃统做个嵌入式操作系统。由此可见，嵌入式操作系统是妇予置程实践的 需要商诞生的。而嵌入式操作系统所使用的技术，基本上是从台式计算机操作系 统下演化而来的。由于应用的需要和硬件条件的限制，嵌入式操作系统一般都浊 螫占用空间，j 、和教率高等特点。嵌入式豫作系统可以为我们管理麓系统的软硬件 资源，并基提供大量静a p i 获而将硬件编程和应用软件开发分离，弗大幅度缩 斑舞靛辩鬻，簿低开发难度。 与遇露诗葵规栏魄，嵌入式系统蠢以下一貔德铤m 】： 1 ) 专用的嵌入式处理器。嵌入式处理器一般功耗低，体积小，集成度裹， 能够把通用处理器中许多由板卡完成的任务集成在芯片f 畸部，从而有利 于嵌入式系统设计趋予小型纯，移饕能力大大增强，与两络的藕合也越 寒越紧密。 2 ) 专用性和算法的唯一性。嵌入式系统犍往被设圣 成完成某个特定任务， 一臌设计完成就不再改变。嵌入式系统与舆体皮用有机地结合在一起， 它的升级换代也和其体产品同步迸行，因黼嵌入式系统产品一旦遴入市 场，具鸯较长瓣叟忿爨期。 3 ) 多荦巾技术的结合体。嵌入式系统是将先进的计冀机技术、半导体搜术和 电予技术和各个行业的具体应用相结含后的产物。j 袅一点就决定了它必 然题一个技术密集、资盒密集、高度分散、不断锚新的知识集成系统。 4 ) 较硬终黪相互依赖性。嵌入姨系统懿专震褴决定了它鲶设专 嚣标是单一 的，软 牛与硬件的依赖性强，因藤一般软传要进行协月设计，麸求达到 共同完成预定的功能，并满足性能、成本和可靠性目标。嵌入式系统的 硬件和软件都必须高效率地设计，量体载衣、去除冗余，力争在同样的 建冀嚣稷主实现雯离黪经瑟。 印系统对用户是透明的。用户在使用嵌入式设圣憋黠姣只是按照预定豹方 式使用它，既不需疆用户进行编獠，也不黼要甩户知道设备内计算机系 统设计细节，用户也不能改变它。 基于嵌入式系统的税控收款机的设计与实现 2 2 嵌入式系统的组成 一般而言，嵌入式系统通常由嵌入式处理器、嵌入式外围设备、散入式操作 系统裁嵌入式应鼹软转等尼夫部分缀残嗽，其缝藏馕援鲡銎2 1 所示。 2 2 ，1 嵌入戎链疆器 嵌入式_ 敝甩软件 嵌入式撼作系统 嵌入式处理嚣嵌入戴外舞谖蚕l 嵌入凌褒伴平台 毽2 1 嵌入式系统的组成 f i 9 2 一lc o n s t r u o t u r eo fe m b e d d e ds y s t e m 嵌入式处理器是嵌入式系统的硬件核心部件，其与通用的处理器静很大的不 同。嵌入式处理器是为特定的用户群所设计的，在其芯片内部集成了诸多功能模 块，这样赣夫大减少了系统豹甏积，麸孺有稳予系统设计静，j 、壅亿、商效率、商 霹靠蛙等。 目前，市场上嵌入式处理器已经超过i 0 0 0 多种，按照其功能特点。嵌入式处 理器可以分成以下几类“： 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r op r o c e s s o ru n i t ，e 舯u ) 嵌入式徽处理器其有体积，j 、重蓬轻、成本低、可靠性高等优点。嵌入式箍 瑾器晷戆主要骞a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c - 4 0 0 、p o w e rp c 、m i p s 、a r m 系裂等。 嵌入式徽控裁器( m i c r oc o n t r o ll e tu n i t ，辩国 8 青岛科技大学研究生学位论文 嵌入式微控制器又称单片机，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处理器内核为核心，芯片内部集成r o m 册r o m 、 r a m 、总线、串行口等各种必要功能和外设。 和嵌入式微处理器相比，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。微 控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。 嵌入式d s p ( e m b e d d e dd 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，采用了哈佛结构，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 分析等数字信号处理方面，嵌入式d s p 依靠着独特的优点得到了广泛的应用。例 如各种带有智能逻辑的消费类产品，生物信息识别终端，带有加解密算法的键盘， a d s l 接入、实时语音压解系统，虚拟现实显示等。这类智能化算法一般都是运 算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些正是d s p 处理器的长 处所在。 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ) 随着e d i 的推广和v l s i 设计的普及化及半导体工艺的迅速发展，在一个硅 片上实现一个更为复杂系统的时代已来临，这就是s y s t e mo nc h i “s o c ) 。除个 别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中 去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。 如本系统所采用的北京君正科技有限公司的j u n z h e n 9 4 7 2 0 ，就是一款s o c ，芯片 上集成了一些常用的控制电路，如打印机控制模块、智能卡读写控制电路、液晶 控制电路等。 2 2 2 外围设备 处理器是系统的核心，是最关键部分，但要实现嵌入式芯片的运行，还需要 一些配套的外围设备。基本的外围设备主要包括以下一些： 存储设备。对嵌入式系统来说，存储设备非常重要，其与内核内存管理，设 备驱动，文件系统，电源管理等等都有很大的关系。存储设备地址空间的分配直 接影响到操作系统的移植、设备驱动程序的开发。嵌入式系统中没有类似于通用 计算机硬盘的设备，其主要使用海量f l a s h 用于程序和数据的存储。在嵌入式系 统应用中利用f l a s h 存储器存放操作系统内核代码和应用程序，这可以很好地为 系统的软件升级做好准备。系统只需修改f l a s h 存储器中的内容即可完成软件的 9 基于嵌入式系统的税控收款机的设计与实现 升级。 除了处理器和存储设备之外，一个嵌入式系统还需要输入输出设备才算是完 整的、能够工作的系统。一般而言，输入输出设备被看作处理器和存储设备之外 的另一主要设备，主要包括如下几类： 显示设备。嵌入式系统中一般采用简单的l e d 等作为显示设备，但是随着技 术的发展，液晶显示屏成本不断下降，嵌入式系统功能的强大以及控制程序复杂 度的上升，液晶屏l c d 的采用逐渐成为了潮流。 输入设备。与通用计算机相类似，嵌入式系统有时候也需要键盘、鼠标一类 的输入设备。但不同的是，嵌入式系统需要的是有限的小键盘。随着l c d 的广泛 采用，有时候系统还采用触摸屏，这样可更方便使用者进行交互。 串口、网络等设备也是嵌入式系统与外界进行通信的工具，系统可通过这些 设备接收数据，并在处理完成之后再传送出去。 另外，根据实际应用的需要，实现一些特殊的功能，嵌入式系统还会采用特 殊的设备，如提供语音处理、图像处理等一些功能模块。 2 2 3 操作系统 1 概述 操作系统是充当计算机用户和计算机硬件之间的中介，用于管理计算机资源 和控制应用程序运行的计算机程序“o 。在嵌入式系统发展的初期，其应用相对 简单，嵌入式软件由专门配套的汇编甚至机器语言编写，功能主要体现在一些控 制流程上。它们直接面向应用，直接基于系统硬件开发，专有性很强，使得在开 发新的嵌入式系统时，已存在的嵌入式软、硬件资源很少能用上，造成资源浪费 和重复性劳动，这时嵌入式系统的可重用性很差，也基本不可能移植。随着微电 子技术的发展，嵌入式系统的硬件功能越来越强大，嵌入式软件开始使用c ，c + + 等高级语言编写，调试手段也越来越多，越来越成熟。在体系结构上，也由最初 的单一控制流程，逐渐引入嵌入式操作系统等技术。 嵌入式操作系统首先从技术上解决了嵌入式系统标准化、层次化的问题，其 次基于嵌入式操作系统，我们可以形成有效的技术积累和资源积累，比如在嵌入 式操作系统基础上的各种硬件驱动程序、专家库函数、行业库函数、产品库函数 和通用性的应用程序等。嵌入式操作系统作为嵌入式系统的基础，是嵌入式系统 重要的运行环境和开发平台，它的集成度和可用性直接关系到嵌入式系统的效 率，历来是嵌入式系统设计和开发的重点。 l i n u x 是源代码开放、不存在黑箱技术的操作系统。l i n u x 作为一种可裁减 青岛科技大学研究生学位论文 的软件平台系统，是发展未来嵌入式设备产品的绝佳资源，遍布全球的众多l i n u x 爱好者又能给予l i n u x 开发者强大的技术支持。l i n u x 根据具体应用，可将内核 多余的部分裁减掉，使内核代码变的更小、更稳定，而且操作系统是免费的，在 价格上极具竞争力。 l i n u x 应用于嵌入式系统是有很多优势的“”。归纳起来，主要有以下几点： 可应用于多种硬件平台，支持广泛的计算机硬件，包括x 8 6 ，a l p h a ，s p a r e ， m i p s ，p p c ，a r h 9 ，n e c ，m o t o r o l a 等现有的大部分芯片。 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。 程序源码全部公开，任何人可以修改并在g n u 通用公共许可证( g n u g e n e r a lp u b l i cl i c e n s e ) 下发行，不必担心像m sw i n d o w s 操作系统中“后 门”的威胁，同时也会节省大量的开发费用。 它本身内置网络协议，通过配置可以对网络进行支持。 l i n u x 的高度模块化使添加或减去部件非常容易。 l i n u x 在台式机上的成功应用，使大家看到了l i n u x 在嵌入式系统中的辉 煌前景。 2 内核组成 l i n u x 将系统的一些关键程序分离出来就构成所谓的操作系统内核。内核提供 了一个虚拟的机器接口，它抽象了许多硬件细节，程序可以以某种统一的方式来 进行数据处理，而内核将所有的硬件抽象成统一的虚拟接口。 l i n u x 内核主要由以下一些子系统组成“”，如图2 - 2 所示。 图2 - 2l i n u x 内核子系统结构图 f i 9 2 - 2c o n s t r u e t u r eo f k e r n e ls u b - s y s t e m 1 1 基于嵌入式系统的税控收款机的设计与实现 内存管理 内存管理，管理存储器，为程序的运行分配内存，并且管理虚拟内存。在 l i n u x 中，每一个进程都有一个比实际物理空间大得多的进程虚拟空间，为了建 立虚拟空间和物理空间之间的映射，每个进程还保留一张页表，用于将本进程空 间中的虚地址变换成物理地址。页表还对物理页的访问权限作出了规定，定义了 哪些页是可读写，哪些页是只读页，在进行虚实变换时，l i n u x 将根据页表中规 定的访问权限来判定进程对物理地址的访问是否合法，从而达到存储保护的目 的。 l i n u x 存储空间分配遵循的是不到有实际需要的时候决不分配物理空间的原 则。当一个程序加载执行时，l i n u x 只为它分配了虚空间，只有访问某一虚地址 而发生了缺页中断时，才为它分配物理空间，这样就可能出现某些程序运行完成 后，其中的一些页从来就没有装进过内存。这种存储分配策略带来的好处是显而 易见的，因为它最大限度地利用了物理存储器。 进程管理 在l i n u x 中，进程是资源分勇己的基本单位，所有资源都是以进程为对象来进 行分配的。在一个进程的生命期内，它会用到许多系统资源，会用c p u 运行其指 令，用存储器存储其指令和数据，它也会打开和使用文件系统中的文件，直接或 间接用到系统中的物理设备，因此，l i n u x 设计了一系列的数据结构，它们能准 确地描述进程的状态和其资源使用情况，以便能公平有效地使用系统资源。l i n u x 的调度算法能确保不出现某些进程过度占用系统资源而导致另一些进程无休止 地等待的情况。 进程的创建是一个十分复杂的过程，通常的做法需为子进程重新分配物理空 间，并把父进程空阔的内容全盘复制到予进程空间中，其开销非常大。为了降低 进程创建的开销，l i n u x 采用了c o p yo nw r i t e 技术，即不拷贝父进程的空间，而 是拷贝父进程的页表，使父进程和子进程共享物理空间，并将这个共享空间的访 问权限置为只读。当父进程和子进程的某一方进行写操作时，l i n u x 检测到一个 非法操作，这时才将要写的页进行复制。这一做法免除了只读页的复制，从而降 低了开销。 l i n u x 目前尚未提供用户级线程，但提供了核心级线程，核心线程的创建是 在进程创建的基础上稍做修改，使刨建的子进程与父进程共享内存空间。从这一 意义上讲，核心线程更像一个共享进程组。 1 2 青船科技大学研究擞学位论文 文件系统 文羚系统管理系统浆输入赣澎，将没鍪沃射簸设餐文耱，撼对文徉系统妻孽搽 作映射成触磁擞或对其他设备的操作。l i n u x 最羹要的特缀之一就是支持多个不 同的文件系统，目前支持的文件系统多达十氽种，随麓时筒的推移，这一数目还 在不断缮糯。在l i n u x 中，一个分离的文件系统不是通过设备称识( 如驱劝器号 或驱动器名) 来访阚，囊怒把它台裂一令单一戆曩录瓣结构中，逮遘嚣录采访弱， 这一点与u n i x 十分相似。l i n u x 用安装命令憋一个毅的文件系统安装捌系统单一 目录树的某一目录下，一旦安装成功，该目泶下的所有内容将被新安装的文件系 统所覆盖，当文件系统被卸下后，安装目录下的文件将会被重新恢复。 鸯7 支持多耱文传系统，l i n u x 用一个被称秀虚攒交传系统m s ) 瓣接弱垂将 真正的文件系统同操作系统及系统服务分离嚣。v f s 掩盖了不同文件系统乏闻熬 莲异，使所有文件系统在操作系统和用户程序看来都魑等同的。v f s 允许用户同 时透明鲍安装多个不同的文件系统。 进程问通信 进程阅透傣蛇作用怒支持进程阅各辨逶傣机制。l i n u x 提供了多辨进程阕鹣 通信机制。其中，信号和管道是最耩本的两种。除此以外，l i n u x 也掇供s y s t e m v 的进程间通信视制。包括消息队列、信号灯及共享内存。为了支持不同机器乏 阙静滋程逶信，l i n u x 遴雩l 入7b s d 静s o c k e t 梳耩。 网络接口 网络接口嚣理系统的网络，负费网络数擐的发送、接收，提供对器种网络标 准的存取和各种网络硬件的支持。嗣络接口可以分为网络协议和网络驱动程序两 个部分。潮络协议负赏实现每一种可能驹两络传输协议，两络设备驱动程序负责 与疆俅设餐遴黪逮谖，每转霹戆熬硬耱设冬都鸯裙应戆设备驱淤程序。 2 3 嵌入式系统特点 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具 体应潮稆缩合酌产物，这就决定了它是一个技术密集、资金密集、高旋分散、不 叛魁裁豹躲识集成系统，概括来说，其圭要有黻下一些特煮“”； 基于嵌入式系统的税控收欺机的设计与实现 嵌入式系统一般都有个特定的任务，恧骜通的计算规系统别提供一个邋用的 计算平台。 嵌入式系统得到了各稀类挺的处理器和处理器体系结构的支持，研以说，嵌 入式营遮熬发震，与托育赣菲嚣大鹣关系。 嵌入式系统是面向产品的，这决定了其具窍成本敏感性，璜以它懿坎磺传都 必须商效率地设计，力争在较小的磁片面积上实现更高的性能。 袋入式系统大部分都有实时性的要求。 嵌入式系统器要考虑凌耗要求。 嵌入式还爨耍专用的王具_ 和开发调试方法、搜沭。 2 4 本颦小结 嵌入式系统是率课题所开发的税控收款机的软硬件平台，所以，本章先从嵌 入式系统蓑手，夯绥了嵌入式系统黔概念及其特熹，势分轿了其俸系缭梅及维藏 模块，着重对嵌入式操作系统作了撩概述。本章兽在通过对嵌入戏系统的一些攒 述，使读者对嵌入式系统有所认识，为殿面的工作作好准备。 1 4 青岛辩技大学研究生学挝论文 3 系统硬件设计 税控收款机税控业务嚣求明确指出：税控收款桃是具有特定税控功能的 电子收款机，它能傈诫经营数据的难确生成、可靠存储、安全传输，并且嗣时可 满足国家税务专瞳关的税务管理和数撰核查等。它贬要满足翡业自动化警毽的要 求，又要满足税源监控管理的需求。 摄握溺家搽准要求，税接收款撬主要惫捶圭按部分( 凇u 、r a m 、程窿存德 器、实时时钟) 、税控存储器、发桑存储器、通讯部分、显示器、打印部分、键 蠢、瓮卡读写嚣等登鬃配置鞠一些扩震醚覆，热钱籍等瑚，组成视稳蔺如图3 一i 。 图3 1 税披收款机组成结构图 秘蛸- 1 翻嫩瓤璋o f f c r 基于嵌入式系统的税控收款机的设计与实现 3 1 处理器模块 本系统采用的是北京君正公司的j z 4 7 2 0s o c 。j z 4 7 2 0 是一款高性能、低功耗 的3 2 位r i s c 微处理器，其采用哈佛结构，内部有一个1 6 k 的指令寄存器和一个1 6 k 的数据寄存器，最高运行速度可达4 0 0 m h z ，最低功耗 0 5 m w m h z 。j z 4 7 2 0 是一 款高集成度的s o c ，直接为国内税控收款机及p o s 收款机市场量身设计，在其内 部集成了一些税控常用的控制电路，片上资源非常丰富，这样不仅大大地减少了 外围电路设计的复杂度，而且还可以大幅度降低系统的整机成本和提高系统的可 靠性，其内部结构图如下： 图3 2j z 4 7 2 0s o c 功能结构图 f i 9 3 - 2f u n c t i o nc h a r to f j z 4 7 2 0s o c j z 4 7 2 0 是能满足金融税控终端的需要、非常具有竞争力的一款处理器，j z 4 7 2 0 采用微内核结构技术，可以为嵌入式装置提供高集成度、高性能、低功耗的解决 方案。该芯片上还集成了一些功能模块，如l c d 控制器，微型打印机控制器，i c 卡控制器等，可以为用户提供丰富的外围接口，极大地方便了外设的扩展，主要 有以下一些模块组成“”： 集成的1 0 1 0 0 m 以太网控制器接口 集成的u s b h o s t 控器接口 集成的l c d 控制器，支持各种s t n 和n 叮面板 集成的微型打印机控制器，支持e p s o nu 11 0 i i i ，s a m s u n gs m p 2 0 0 0 和 s t a rm p 5 1 2 微型打印头 青岛科技大学研究生学位论文 集成的四路1 6 5 5 0 兼容的串行输出接口 集成的p s 2 键盘接口 集成两个独立的i s 0 7 8 1 6 标准接口，每个接口都支持t = 0 和t 。1 协议 集成的r t c 时钟 支持各类智能液晶模块 支持多种v f d 模块 支持最大1 6 x 1 6 的扫描键盘和方式锁 用户卡插座可同时支持m o m o r y 卡 3 2f l a s h 模块睁嘲 3 2 1 概述 国标规定，税控收款机应能存储其容量至少应满足存储5 年的日交易数据。为 此，我们选用了三星公司的k 9 f 2 8 0 8 系列的n a n df l a s h 存储器。k 9 f 2 8 0 8 u o b 是一款1 6 m 8 b i t 的n a n df l a s h 存储芯片，其存储容量较大，工作电压范围在 2 7 v 0 6 v 之间，读写时间很短，擦除1 6 k j ( d 、的一块仅用2 m s 。k 9 f 2 8 0 8 u o b 的 口是复用的，可用作地址线、数据线及命令输入线。k 9 f 2 8 0 8 u o b 一个很大的 优点是引脚少，占用体积小，且其功耗也比其它一些存储芯片小的很多。 i o o - 7 1 是k 9 f 2 8 0 8 u o b 的输出输入端口，可用作命令输入口、地址输入口和 数据输出口。当芯片没被选中或输出被禁止时，i o i 将呈现高阻状态。在系统中， i ，o 0 7 与处理器的数据总线的b d 0 7 ，命令、地址及存储的数据直接经数据 总线进行输入输出操作。 c l e 、a l e ：c l e 是命令锁存使能端，当高电平有效时且在芯片引脚w e 上升 沿时，其把通过i o i e l 的命令锁存在芯片的命令寄存器中。a l e 是地址锁