（控制理论与控制工程专业论文）嵌入式系统中多媒体应用软件的设计开发.pdf

摘要 摘要 嵌入式系统中 多媒体应用软件的设计开发 硕士研究生：吴明导师：黄东副教授 东南大学 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪，适应应用系 统对功能、可靠性、成本、内存、功耗等严格要求的专用计算机系统。在后p c 时代，嵌 入式系统有着广泛的应用。嵌入式系统的设计开发具有自身的特点，依赖于软、硬件技 术。其中软件开发技术的提高尤其关键。 手机系统是嵌入式系统的一个重要应用。特别手机多媒体使用功能的不断增强，对 手机多媒体应用软件的开发技术提出了更高的要求。 本文结合在某手机软件公司的项目实践，主要分析和说明了手机多媒体应用软件的 设计开发。在对手机系统的总体软硬件架构和开发步骤作了概述之后，重点分析了多媒 体应用软件的设汁开发。设计部分首先介缁了手机软件的总体结构模块组成，接着按软 件层次自下而上的顺序，重点说明了和媒体应用相关的多媒体引擎模块，媒体资源管理 器模块以及上层面向用户的媒体中心模块的功能、设计、相关技术、数据结构等。同时 该段落按照项目的开发流程来组织，对代码编写、编译调试、测试改错等工作的相关方 法和技术也作了分析说明。高效有序的团队化软件开发，科学合理的软件配置管理也是 手机软件系统的成功开发的重要保证。本文对相关的程序和方法也作了的研究和说明。 论文的最后对工作进行了总结和展望。提出了嵌入式系统下应用软件的设计开发进 一步学习和研究的方向。 关键词：嵌入式系统，实时多任务操作系统，多媒体软件开发，软件架构，软件配置管 理 查堕奎堂堡圭堡苎 m u l t i m e d i aa p p l i c a t i o nso f t w a r e d e v e l o p m e n ti ne m b e d d e ds y s t e m m a s t e rc a n d i d a t e ：w um i n gs u p e r v i s e db yp r o h u a n gd o n g s o u t h e a s tu i v e r s i t y e m b e d d e ds y s t 锄i sac o m p u t e rs y s t 锄b a s e do nc o m p u t e rt e c l l l l 0 1 0 9 ya n dd e s i g n e df o r s p e c i a lu s e i th a ss t r i c tr e q u i r e m e n t si nf u n c t i o n ，s e c u r i t y ，c o d es i z e ，m e m o r y ，1 0 wp o w e r e t c i np e r v a s i v ec o m p u t i n gt i m e ，e m b e d d e ds y s t 锄i sw i d e l yu s e d t h ed e s i 印& d c v e l o p m e n t o f 啪b e d d e ds y s t 锄h a si t so w nc h a r a c t e r s ，i td 印e n d so nb o t l lh a r d w a r ea n ds o r w a r e t e c h n i q u e s t h ep r o 伊e s so f s o f t 、a r ed e v e l o p m e n tt e c h n o l o g y i sc n l c i a l t h eh a n d s e ts y s t e mi sa ni m p 嘶a 1 1 te f n b e d d e ds y s t 锄a p p l i c a t i o n t h em u l t i m e d i a a p p l i c a t i o n 向n c t i o ni nh a n d s e tb e c o m e ss t m n g e rn o w ，a i l di t c a l l sf o rm o r ep r o g r e s si nm e d c v e l o p m e n to f m u l t i m e d i a 印p l i c a t i o n si nh a i l d s e t 1 1 1 i st h e s i si sb a s 。do nt 1 1 ep m c t i c ei nh a l l d s e t 印p l i c a t i o n sd e v e l o p m e n ti nac o m p a l l y s o r w a r ec e n t e r ，i tm a i n l yd e a l sw i t h 吐l ed e s i g n & d e v e l o p m e n ti n h a l l d s e tm u l t i m e d i a a p p l i c a t i o n s a f t e rab e fi n 订o d u c t i o no ft h ea r c h i t e c t u r eo fh a n d s e th a r d w a r ea j l ds o r w a r e ，i t f b c u so nm ed e s i 印& d e v e l o p m e mo fm u l t i m e d i a 印p l i c a t i o n s i nt h ed e s i 鲷p h a s e ，山em a i n a r c h i t e c t i l r ea i l dm o d u l eo r g a i l i z a t i o no fh a i l d s e ts o r w a r es y s t 锄a r cf i r s t l yi n 订o d u c e d ，t h e n 丘- o mb o t t o mt ot o p ，m e 劬c t i o n ，d e s i g n ，t e c h n i q u e sa i l dd a t as t m c t u r eo fm m e ( m u l t i m e d i a e n 百n e ) ，m r m ( m e d i ar e s o u r c em a n a g e r ) a n dm c d i ac e n 衙m o d u l e s 锄d 印p l i c a t i o n sa r c a n a l y s e d i ti so r g a n i z e da c c o r d i n gt om ed e v e l o p m e n tp r o c e s s ，t h et e c h n i q u e so fc o d j n g ， c o m p l i e ，d e b u g ，t e s ta n dp m b l e mr e s 0 1 v a t i o na r ea l s od e a l e dw i t h e 街c i e l l tt e a mw o r ka i l d s c m ( s o f t w a r ec o n f i g i 】r a t i o nm a n a g e m e n t ) a r c a l s o i m p o r t a l l t f o rt h es u c c e s so f d e v e l o p m e n t ，a si sd i s c u s s e di nt h i st h e s i st o o i nt h ec o n c l u s i o np a n ，t h ec o n t e m so fm i st h e s i sa r es u m m a z e d ，a 1 1 dm ea i m sf o r f h n h e rs t u d yi ne m b e d d e ds y s t e ms o r w a r ed e v e l o p m e n ta r ep u t f o r w a r d k e y w o r d s ：e t n b e d d e ds y s t e m ，r t o s ，m u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n sd e v e l o p m e n t ，s o n w a r ea r c h i t e c 呲，s c m 1 1 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谤，意。 v n 研究生签名：玉堕丛日期：! ：2 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 、z订 研究生签名：去塑4导师签名： 垒 日期： 盯毕了 第一章绪论 1 1 课题背景和意义 第一章绪论 嵌入式系统( e m b e d d 嗣s y s l e r n ) 作为“控制、监视或辅助某个设备、机器或工厂运作的装置”，在 于结合微处理器或微控制器的系统电路与其专用的软件，来达到系统运作效率成本的最优化。它 是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、 内存、功耗等严格要求的专用计算机系统口j 。 在后p c 时代，嵌入式系统比服务器和p c 的应用更为广泛，深入到电子与通信产品、电动交通、 智能办公等各个领域。其中多媒体功能是嵌入式产品应用的一个重要方面，而面向用户的使用功能 主要是由应用软件来实现的。新一代信息家电如p d a 、手机的发展不仅为嵌入式市场展开了美好的 前景，注入j ，新的生命，更对嵌入式系统技术，特别是软件技术提出新的挑战。 嵌入式系统的组成包括了硬件与软件技术，在现今硬件技术大幅进步的情况下，软件部分反而 有着极大的成长空间，软件的开发技术成为嵌入式系统中最重要的一环口j 。嵌入式系统软件开发区 别于通用计算机上的软件开发，有其自身的重要特点。它的开发平台和目标平台是分开的；嵌入式 系统的资源有限，程序更加要求效率高，代码精简；嵌入式系统的软件开发与硬件密切相关，需要 熟悉中断、高速缓存和多任务等，对程序的稳定性要求特别高“j 。 手机作为手持嵌入式产品，随着通信的发展，在现代生活中扮演者重要的角色。随着g s m ，c d m a ， 到i d e n ，3 g 通信协议的发展，随着嵌入式系统软硬件功能的增强。手机的功能越来越强大。特别是 图片、声音、视频等多媒体功能不断增强。这也对相应用软件的开发不断提出新的要求。 本课题主要米源于在某手机软件公司一年多关于手机应用层多媒体软件开发的实习项目。根据 学习和实践的经验，总结和介绍了基于嵌入式手机应用层多媒体软件开发的主要软件设计、相关技 术，以及开发流程和方法。并对嗷入式软件的团队开发和配置管理作了说明。 1 2 论文结构 本篇论文内容主要分为三部分： 嵌入式系统概述：概要介绍了嵌入式系统的概念、特点应用等，并说明了嵌入式系统软件设计开 发的特点要求。 手机应用层媒体软件的设计：在介绍完手机的总体架构与开发步骤后，从应用层软件的总体结构 模块的设计开始，从软件层次自下而上的顺序，重点说明了和媒体应用相关的 多媒体引擎模块，媒体资源管理器模块以及上层面向用户的媒体中心模块，介 绍了模块的功能、设计、相关技术、数据结构等。并按照项目开发流程来组织。 手机软件的团队化开发：作为功能强大复杂的嵌入式系统软件的开发，手机软件的开发需要采用 团队化并行迭代的开发方法完成。本文最后又对团队开发的分工、流程和规范， 特别是软件配置管理作了说明和介绍。 章节安排如下： 第一章绪论 第二章嵌入式系统的相关技术。介绍了嵌入式系统的特点以及嵌入式系统的软硬件选型，另外还 简要说明了嵌入式系统开发情况。 东南大学硕士论文 第三章手机系统的总体架构与开发概述。分析了手机的总体架构以及对手机的软硬件组成分别做 了介绍。 箱四章手机应用层多媒体软件的设计开发。详细了分析了手机应用层的多媒体的设计过程，对应 用层的进一步细分，描述了应用层的总体架构，并详细的说明了m m e 、m r m 、媒体中 心各子层的设计与升发过程。 第五章手机软件的团队化开发。介绍了手机软件团队化开发的主要流程以及软件配置管理相关技 术。 第六章论文总结与展望 2 第二章嵌入式系统的相关技术 第二章嵌入式系统的相关技术 2 1 嵌入式系统的概述 概念与特点 嶷入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠 性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统口j 。嵌入式系统是现代科学的多学科互相融合的 产物，嵌入式系统无多余软件，并且以固化态出现，硬件亦无多余存储器，有可靠性高、成本低、 体积小、功耗少等特点。嵌入式系统又是知识密集，投资规模大，产品更新换代快，且具有不断创 新特征才能不断发展的系统。 组成 嵌入式系统主要由软件和硬件组成，如图2 1 所示。嵌入式处理器主要由一个单片机或微控制器 ( m c u ) 组成。而这些嵌入式c p u 目前多是8 位、1 6 位和3 2 位的，与6 4 位的高性能处理器相比，具有很强 的经济性和现实性。相关支撑硬件包括显示卡、存储介质( r o m 和r a i 等) 、通讯设备、i c 卡或信用卡 的读取设备等。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那样大容量的存储介质， 而大多使用闪存( f 1 a s h m e m o r y ) 作为存储介质。嵌入式软件包括与硬件相关的底层软件、操作系统、 图形界面、通讯协议、数据库系统、标准化浏览器和应用软件等”1 。 应用软件 嵌入式操作系统软件平台 t 。 l 以微处理器微控制器为核心的硬件平台 图2 1 嵌入式系统的简单构成图 应用 嵌入式应用是指嵌入于各种设备及应用产品内部的计算机应用。嵌入式应用分微控制器 ( m i c r o c o n t r o l l e r ，简称m c u ) 和嵌入式微处理器( m i c r o p r o c e s s o r ，简称m p u ) 的应用”1 。总体看 来，嵌入式系统具有便利灵活、性能价格比高、嵌入性强等特点，可以嵌入到现有任何信息家电和 工业控制系统中。从软件角度来看，嵌入式系统具有不可修改性、系统所需配置要求较低、系统专 业性和实时性较强等特点。后p c 时代是一个真实的阶段，而且是一个可以预测的时代。嵌入式系统 就是与这时代紧密相关的产物，它将拉近人与计算机的距离，形成一个人机和谐的工作与生活环 境。从某一个角度来看，嵌入式系统可应用于人类工作与生活的各个领域，具有极其广阔的应用前 景。嵌入式系统在传统的工业控制和商业管理领域己经具有广泛的应用空间，如智能工控设备、 p 0 s a t m 机、1 c 卡等；在家庭领域更具有广泛的应用潜力，如机顶盒、数字电视、w e b t v 、网络冰箱、 网络空调等众多消费类和医疗保健类电子设备等；此外还有在媒体手机、袖珍电脑、掌上电脑、车 3 东南大学硕士论文 载导航器等方面应用，将极大地推动嵌入式技术深入到生活和工作的方方面面。它在娱乐、军事方 丽的应用潜力也是巨大的，而且是有目共睹的1 “。 2 2 嵌入式系统的设计要求 嵌入式系统的应用领域和特点决定了其设计上有别于基于p c 机系统的特殊要求。传统桌面计算 机的设计总是集中丁- 提供最大的计算速度，而在嵌入式系统中，外部接口、控制和算法等可能更重 要，c p u 仅仅是实现这些功能的手段。 归纳一下，主要有以下几个特殊要求p j ： ( 1 )实时性要求。很多系统都要求能对各种事件进行快速反应，特别对于在军事、航天航 空中应用的情况。 ( 2 ) 体积小、重量轻，也就是要求具有轻巧的特点，特别对于手持移动式设备( 比如p d a ， 手机等) 体积和重量上的限制使系统的布局更加困难，有时需要将数字电路、模拟电 路及电源电路等集成到一起。 ( 3 ) 低功耗。许多嵌入式设各采用电池供电，典型的低功耗系统能在电池的支持下能工作 3 0 天，有的甚至能达到5 年。低功耗要求带来的设计挑战为仔细考虑系统的电源与能耗 以达到极低的功率消耗及支持k 期电池操作。 ( 4 ) 能适应恶劣的外部环境，特别对于在野外使用的嵌入式仪器和设备，它们可能需要在 包括高温、严寒、摇摆、振动、电源大幅波动、强射频干扰、水下等恶劣情况下工作。 为此，根据不同的环境要求选择不同级别的元件，比如商用级、军用级、宇航级等。 ( 5 ) 安全与可靠性。一般嵌入式系统可能需要长时间持续1 作，并且要求出错的几率小， 要求从软硬件上都考虑系统的稳定性、健壮性以及有必要的异常预见与处理。 ( 6 ) 成本上的要求。很多嵌入式系统都是需要批量生产的，比如手机、m p 3 、数码相机等等， 这要求系统要以较小的成本实现尽量多的功能，这样才能在同类竞争中脱颖而山。 2 3 嵌入式系统的选型 嵌入式系统的选型包括硬件选型和嵌入式操作系统的选择。 2 3 1 嵌入式系统的硬件选择 我们首先来讨论一下如何选择硬件。需要考虑选择使用何种c p u 、存储器的数量、所使用的外设 及其他的内容。因为我们不仅要满足性能要求，而且也要受制造费用的约束。硬件设备的选择是十 分重要的，硬件太少，将不能达到性能的要求，硬件设备过多又会使产品变得过于昂贵。 硬件中比较关心的就是处理器的选择，我们这里就以它为例来说明硬件的选型。处理器的选择 需要从其本身速度、功耗、兼容性等方面考虑，具体需要考虑的因素如下： ( 1 ) 调查c p u 供应商。某些公司如m o t o r 0 1 a i n t e l 很有名气，而有一些小的公司如q e d 虽然 名气很小，但也生产很优秀的微处理器。另外，有一些公司，如a 删m i p s 等，只设计 而并不生产c p u ，他们把生产权授予世界各地的! | 导体制造商。 ( 2 ) 选择高性能的处理器。如果你的设计是面向高性能的应用，那么建议你考虑某些新的 处理器，其价格极为低廉。现在基于a r m 核的c p u 的性能都不错。另一种趋势就是越来 越多的人在磁盘控制器、数码相机、手持电话、调制解调器等方面使用d s p 。采用d s p 4 第二章嵌入式系统的相关技术 ( 3 ) ( 4 ) 的好处是可以大大减少系统内c p u 的数目，提高效率，并使编程简单，但是毕竟d s p 不 能完全替代c p u 的功能。 选择低功耗的处理器。嵌入式微处理器最大并且增长最快的市场是手持设备、电子记 事本、p d a 、手机、g p s 导航器等消费类电子产品，这些产品中选购的微处理器除了要 有很高的性能外，还要有极低的功率消耗。 选择专用的集成化的处理器。嵌入式微处理器与通用的微处理器最大的不同就是嵌入 式微处理器多数工作在用户自己设计的系统中。为了满足日益高速增长的各类嵌入式 系统设计的需求，c p u 厂商设计丁许多兼有2 6 3 2 位微处理器并集成了许多外围功能的 c p i 】。 我们应该综合考虑系统的性能、功耗、价格、供货保证、开发工具的配备以及工程师过去 对这种处理器的经验和软件的支持等因素，决定使用哪一种类型的处理器。嵌入式处理器的选 择不是一成不变的，伴随着技术的发展，速度快、价格低、功能强的嵌入式处理器将会为我们 所选择吐 2 3 2 嵌入式操作系统的选择 下面将分析一下如何选择合适的嵌入式操作系统： 嵌入式系统对操作系统和应用软件的需求和通用计算机有所不同。嵌入式系统的应用软件是实 现嵌入式系统功能的关键，应用程序可以没有操作系统直接在硬件平台上运行，但是为了合理地调 度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配操作系统软件开发 平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。嵌入式操作系 统的引入，解决了嵌入式软件开发标准化的难题。随着嵌入式系统中软件比重不断上升、应用程序 越来越大，对开发人员、应用程序接口、程序档案的组织管理成为一个大的课题。引入嵌入式操作 系统相当于引入了一种新的管理模式，对于开发单位和开发人员都是一个提高。在嵌入式操作系统 开发出的程序，具有较高的可移植性，实现9 0 以上设备独立，些成熟的通用程序可以作为专家库 函数产品推向社会。嵌入式软件的函数化、产品化能够促进行业交流以及社会分工专业化，减少重 复劳动，提高知识创新的效率 从操作系统能否满足时间敏感的应用要求来讲，可以把操作系统分为分时操作系统和实时操作 系统。分时系统按照相等的时间片调度进程轮流运行，由调度程序自动计算进程优先级，对于分时 操作系统，软件的执行在时间上的要求并不严格，时间上的错误，一般不会造成灾难性的后果。实 时操作系统给用户提供控制进程调度的手段，能够在限定的时问内执行完所规定的功能。对于实时 操作系统，主要任务是对事件进行实时的处理，虽然事件可能在无法预知的时刻到达，但是软件上 必须在事件发生时能够在严格的时限内做出响应( 系统响应时间) ，即使是在尖峰负荷下，也应如此。 系统时间响应的超时就意味着致命的失败。另外，实时操作系统的重要特点是具有系统的可确定性， 即系统能对运行情况的最好和最坏等的情况能做出精确的估计。分时系统适用于科学计算和一般实 时性要求不高的场合：而实时系统主要应用于过程控制、数据采集、通信、多媒体信息处理等对时间 敏感的场合。在嵌入式系统中的核心模块都是实时性的，因为嵌入式设备一般用于一些对实时性要 求很高的场合“。 嵌入式操作系统的选择可以考虑以下因素【6 j ： ( 1 ) 系统的需求。根据系统的业务需求分析，考虑操作系统是否能方便地辅助上层应用程序 完成相应的功能。首先考虑系统本身的核心功能是否完全满足系统需求，比如系统函数是否 够用、调度算法、进程同步机制等。另外很重要的一部分是硬件方面的需求，比如操作系统 本身的大小，也就是它将会占用的r o m 及r a m 的空间，这会影响到是否有足够的空间来存放应 用程序。 s 东南大学碗士论文 ( 2 )系统的技术特点。比如系统的核心工作效率，包括系统调用、多任务状况、外部中断处 理效率等。为了开发简单，我们需要考虑系统是否支持相应的网络协议，比如集成t c p i p 之类的协议才让产品更有发展余地。同样的，如有一些标准的驱动程序，更能给开发带来极 大的方便。 ( 3 )系统的功耗与电源管理。对于电池供电的电器而言，功耗是一个十分重要的问题。对于 非电池供电的电器而言，高功耗也会带来高的散热量。特别对于手持性设备的电源管理，要 尽可能省电，除了硬件配置之外，软件的算法、系统的架构及驱动程序的设计都会影响到省 电机制。 ( 4 ) 可升级性与技术支持程度 系统的升级首先是操作系统本身核心部分的可升级性，通过它来提高系统的运行效率， 我们希望上面的应用程序只需要较小改动就可以完成升级。另外我们系统的硬件可能会随着 时间升级或者改变系统平台，我们希望能够通过操作系统本身的改动或配置来达到跨平台功 能。【2 l 如果是购买的操作系统，有些可能还是非开放源代码的，我们在使用中总会遇到问题， 所以就要考虑厂商的技术支持程度如何。 ( 5 )价格因素。现在是强调自由开发的时代，但这并不表示一切都是免费，特别是系统软 件这一部分，常常还会收取各式各样的产权费用，这对产品开发者来说是一项必须考虑的 因素。 此时可能也会考虑操作系统是自己开发、免费还是购买。 正常情况下，购买当然是最 好的选择，商业操作系统可以提高性能很高的各种功能，而且供应商可以提供合适的调试t 具和强大的技术支持。比如现在国内用的比较多有：w i n dr i v e rs y s t e m s 公司的v x w r o k s ， a c c e l e r a t e dt e c h n o l o g y 公司的n u c l e u s 。但是在性能绝对至关重要的场合，写自己的实时 操作系统可能允许你花费巨大代价换取有限的百分之几的速度提升。另外，特定的工业( 比 如医疗设备、安全系统等) 对软件有特定的规则或标准要求。在某些情况下，现成的操作系 统满足不了这些要求。这时也只能选择自己开发。当然也有很多免费的操作系统，对于需要 进行研究或者需要进行对操作系统改动的人说，肯定是最好的选择，比如现在的u c o s 、嵌 入式l i n u x 等【l 】。 2 4 嵌入式系统开发概述 本节将简要介绍嵌入式系统的开发情况，具体的开发过程将在后面章节中结合手机嵌入式 系统的开发来说明。 2 4 1 嵌入式系统开发的基本组成 嵌入式系统的开发包含两部分，一个是嵌入式系统的软件部分，包括了所采用的嵌入式操作系 统以及上层所使用的应用程序，用以控制整个嵌入式系统的操作流程。另一个所要考虑的开发重点 就是所选择使用的嵌入式系统硬件。 其中嵌入式系统的硬件部分就像是嵌入式系统的身躯一样，有手，脚、头脑以及感觉神经等的 部位，这些决定了嵌入式系统的功能，比如运算能力以及扩充功能等。一个好的嵌入式系统需要事 先完善的硬件规划才可以具备达到所需要的功能条件。在设计好嵌入式系统的硬件架构之后，就要 考虑到嵌入式系统的软件部分，嵌入式系统软件就像是嵌入式系统的灵魂，决定着所有硬件的操作 模式，通过优异的操作系统以及应用程序，可以将有限的硬件装置功能发挥到极限【l 。 6 第二章嵌入式系统的相关技术 2 4 2 开发平台与日标平台 嵌入式系统与一般桌上型计算机在开发的硬件环境上的最大差异就是它分为两个平台，一个是 开发平台( 1 1 0 s t ) ，一个是目标平台( t a r g e t ) 。开发平台多指桌上型计算机，是开发人员进行软件 设计开发的工具。而目标平台( t a r g e t ) 才是晟终的实际应用的嵌入式硬件系统。开发平台通过传 输的界面，例如串行端口( r s 一2 3 2 ) 、并行端口或是网络( e t h e r n e l ) 与目标平台连接。 开发嵌入式系统必须要先选择目标平台。因为不同的c p u 开发环境不尽相同。驱动程序的著异 性也很大。首先应该将硬件及指标选定完成。 一个成熟的嵌入式操作系统通常会提供集成式开发环境( i d e ) 与仿真器( e m u l a t o r ) 从而加速 开发过程。选定操作系统后，相关的文件会表明该操作系统在指定的硬件平台 二所使用的各种工具， 例如编译器、链接器、定位器等。因为需要设定的编译参数会因为每个环境不同而有所差异，必须 根据说明书来编译出一个可执行的映像文件，然后通过刻录工具刻录在目标平台上。接下来做调试 工作。嵌入式系统中的调试工作通常是比较困难的，因为硬件平台中的硬件错误，刚移植好的操作 系统可能存在的的问题以及程序中的逻辑错误，再加上没有很方便的调试工具及环境，目标平台往 往很容易死机。 当已经选择好适合的目标平台的操作系统及开发环境，下面就需要根据目标平台的周边控制器 以及操作系统所规定的界面来编写驱动程序。因为就目前的情况大都操作系统并未提供完善的驱 动程序。最后的工作就是应用程序的编写。这也是嵌入式系统中最重要的部分，因为个应用程序 的好坏决定了您的系统是否有价值”】。 2 4 3 开发中需要考虑的方面 ( 1 ) 在嵌入式系统中即使使用了嵌入式操作系统，因为许多的嵌入式操作系统为了节 省空间，采用了比较简单的结构，也常常需要和允许应用程序直接使用周边设备的寄 存器来作处理，因此在使用上应该要更加注意。 ( 2 ) 程序编译和程序的执行是在两个不同的平台上进行的。一个我们通称为h o s t 端， 另一个成为t a r g e t 端。由于程序不是在目标平台i 写的，因而造成了嵌入式系统开发 中的特殊现象，包括选择交叉编译器( c r o s sc o m p i 】e r ) 及下载程序到目标平台执行 及远程调试问题。所谓的交叉编译，就是在桌上型计算机上编译出一个可以在另一种 c p u 上执行的程序。 ( 3 ) 输入输出界面不同。嵌入式系统的周边设各不同于桌上型计算机。如手机利用按 键、触摸屏当作输入界面，利用l c d 或是r s 一2 3 2 当作输出界面。由于输入输出界面的 不同及其限制( 例如l c d 面板很小，不能显示太多数据等问题) ，在编写程序的时候也 需要考虑。 ( 4 ) 呵利用的资源有限。在开发桌上型计算机程序的时候，常常假设资源无穷大，内 存及存储空间所求无度，而且没有很正确的释放。这在嵌入式系统里是一件很可怕的 行为，因为嵌入式系统常常是利用速度并不很快的处理器配上小小的内存及存储空间， 例如4 m b 的r a m 加上2 m b 的r o m ，通常没有硬盘当作虚拟内存。因此一旦使用过多的内 存，程序可能就会因为分配不到所需的内存而发生错误。 ( 5 )可能需要跟硬件打交道。在酞入式系统开发里，无法避免的是软件跟硬件几乎密 不可分，特别是发生无法理解的错误时，您无法确认到底是程序出错还是目标平台的 硬件有问题，因此开发人员除了要了解如何写作上层程序( c c + + j a v a ) 与底层程序 ( 各种不同c p u 的汇编语言) 之外，甚至还要了解硬件设计及调试的部分。在讲求团 队台作的今天，和硬件工程人员保持良好的沟通和互动是很重要的。 事实上，嵌入式系统的硬件并不强调执行速度，而强调的是功能稳定，因此硬件设计方面的技 东南大学硕士论义 术并不是像一般桌面计算机一样，存在着极高的技术瓶颈，反而在软件组件方面，强调的是系统集 成以及友好的用户界面。我们可以预测，嵌入式系统的高端应用会越米越多。而随着网络与无线通 信的到来，软件组件的开发反而更为重要，我们可以看出未来的软件开发，将逐渐由现在的简易窗 口与低速通信向高频宽通信与多样化的用户界面发展，特别是p d a 未来势必会与宽带无线通信结合， 而应用方面更会涉及到移动电子商务系统与多媒体服务“j 。 2 5u m l 在嵌入式开发中的应用 嵌入式系统殴计是一个软、硬什结合的协同设计，需要不同技术背景的人共同开发。这就带来 了一个问题，如何使这些具有不同技术背景和专长的人联合开发、协同设计。在软、硬件设计领域 中，统一建模语言u m l 采用一种简单而直观的图形化方式描述系统设计中的各个问题和细节。不同 技术背景的设计师只需懂得简单的u m l 符号就可以轻易地与对方交流、共同设计。正是因为这些特 点，在嵌入式系统设计中使用u m l 建模并书写文档通常可以起到事半功倍的效果”“”。 统一建模语言u m l 是可视化建模语言中的一种。它将模型中的信息用标准图形元素直观地显示， 使用户、开发人员、测试人员、管理人员和其他涉及项目的人员可以更好地交流。u m i ，是a n s i 和o m g 组织所采用的标准，被i ! ；! = 界上绝太多数公司所接受。 u m l 可以对任何静态结构和动态行为进行系统的建模，适用于系统开发的不同阶段。采用u m l 进 行设计具有以下优势： 不同背景的开发人员和设计师可以互相交流； 可视化描述比较直观； 简单易学、易用； 是行业标准，被绝大多数业内人士认同； 有利于保存系统殴计的精髓以供下次开发使用 有利于项目的回溯、测试。 作为一种可视化建模语言，u m l 中的所有语索是一个个框图。设计人员就是用这一个个框图描 述整个系统的设计。u m l 模型的框图主要有以下几种： 用例( u s ec a s e ) 框图，主要从用户的角度描述系统的功能。所以后者通常用于与系统客户 交流，提取用户的需求。 类( c l a s s ) 框图，这一种是静态图，描述系统中的类。在此框图中可以体现类的主要内容 和功能、类之间的结构和相互关系。 状态图( s t a t ec h a r l ) 框图提供了建模对象的各种状态及它们之间的转换关系。它提供建 模系统的动态功能。这些框图广泛用于建立实际的系统，将会生成系统的全部 代码。 活动( a c t i v i t y ) 框图与状态框图同样描述系统的动态功能，但它着重于显示系统的功能流， 显示用例框图中某个案例( c a s e ) 的事件流。它定义了工作流从何时开始、哪里开始、按什么顺序 发生、最终在哪结束。 顺序( s e q u e n c e ) 框图显示了用例框图中各对象的具体功能流程。顺序框图演示了业务过程 的细节。值得注意的是，这个框图只显示对象，不显示类。即顺序框图是针对某个特定情况、特定 对象进行的描述。 协作( c o l l a b o r a t i o n ) 框图与顺序框图同样描述对象问的相互关系。但它并不像s e q u e n c e 框 图那样以时间顺序描述，而是着重显示对象与角色之间的交互。其目的是让质量保证工程师和系统 建筑师分析对象之间处理过程的分布情况。如果分布不合理，系统建筑师可能考虑重新分配处理工 作。 组件( c 0 m p o n e n t ) 框图显示模型的物理视图， 也显示系统中软、硬件组件及其相互关系。 第二章嵌八式系统的相关技术 部署( d e p l o y m e n t ) 框图则显示了系统的物理布局和各组件的位置及配置方法。 这些框图为系统的分析、设计、建模提供了多种图形表达形式，可应用于开发的不同阶段。它 们的有机结合可以构建一个完整而一致的系统。在本文后面的设计中主要用到用例图、状态图、顺 序图、协作图。 2 6 本章小结 本章首先概要介绍了了嵌入式系统的概念、组成、特点、应用等方面。接着叙述了嵌入式系统的 设计要求，并分别说明了嵌入式系统硬件及操作系统的选型。接着重点叙述了的嵌入式系统软件开 发的特点、方法和软件开发中需要考虑的方面，以及u m l 在嵌入式系统开发中的应用。 9 东南大学硕士论文 第三章手机系统的总体架构与开发概述 3 1 移动通讯终端设备的应用与发展 从全球来看，近j l 年来，移动通信呈现出比固定通信更为强劲的增长态势。去年全球移动电话 用户总数已经超过固定电话用户的总数。如今，我国移动电话用户总数也已超过固定电话用户总数， 这是一个必然的结果。我国的移动通信之所阻获得了快速发展，这与移动通信网络技术的更新换代 有关。从上世纪8 0 年代末到9 0 年代中期，受终端价格、资费等多种因素的影响，移动通信发展步 伐缓慢。随着移动通信技术的不断发展，g o 年代中期，数字蜂窝移动通信技术日益走向成熟并得到 大规模应用。与模拟系统相比，g s m 系统在安全保密、通话质量和漫游等方面拥有明显的优势，因 而在中国及全球得到快速发展。由于频率资源利用率高，每人平均支付频率使用费也低，另外系统 设备和终端的价格开始逐步走低。以上因素，使得移动电话迅速走向普及。 应当看到，与固定电话相比，移动电话具有个人化和移动性等特点。固定电话主要面向家庭用 户，一个家庭一般只会安装一部电话，而移动电话则面向个人，这使得移动电话拥有比固定电话更 大的市场潜力。另外，使用固定电话会受到线路和场所的限制，而移动电话则可以自由而方便地携 带，它满足了人们随时随地沟通信息的需求，这是人们钟情移动电话的根本原因。 用户的增多是移动通讯终端设备发展的一方面，另外一方面，手机自身的技术与功能也在日新月异。 伴随着通信产业的不断发展，今天的移动终端已经由原来单一的通话功能向话音、数据、图像综合 的方向演变。像可拍照手机、摄像手机、彩屏手机、音乐手机、游戏手机等都是迎合受众的需要所 产生的。随着手机的日益普及，手机功能也越来越完善，其中，智能手机以其强大的功能和便捷的 操作等特点得到人们的青睐。经过几年漫长的等待和发展，目前智能手机在各方面都已有了重大突 破，昔日外形笨重、功能单一的智能手机已是明日黄花。根据目前的情况，手机与电脑合二为一的 趋势越来越明显，各种功能强大、配置了彩色显示屏和音响输出发备的掌上电脑代表着移动通信产品 的未来，综合文本、图像及声音信息的移动通信新时代己不只是梦想。高速数据通信、无线上网、高 清晰录像、收看电视等都是手机将具有的新功能p j 。 与传统手机相比，智能手机的优势非常明显，不但内容丰富，还具有可以无限扩展的强大功能 以及硬件的可升级性，这使得智能手机能够真正实现通信、电脑和互联网的融合，而要实现智能手 机的这些功能，必须依靠移动互联网。智能手机的发展之所以如此迅速，正是因为移动互联网所提 供的丰富数据业务使得其销量大增。智能手机将承载更多的增值服务，“拇指经济”需要以手机作为 工具和使用平台，而智能手机将承载更多的移动增值业务。未来技术的发展方向是3 c 融合( 计算机、 通信产品、消费电子产品) 与“三网融合”( 互联网、电信嘲、广电网) 。由此呵以看出，今后的手机市 场竞争将会越来越激烈，而智能手机的未来发展趋势将不可抵挡。 智能手机虽然还有许多不足的地方要发展和完善，但就目前来看，智能手机以其特有的优势跻 身主流市场，并且承载着众多的数据业务，成为3 g 来临前的预演，在融合了i t 、互联网、通信三 大产业厉，相信会有越来越多的手机厂商更加清晰地看到手机技术和产品的智能化发展趋势，从而 更好地把握手机产业的现在和未来。 美国市场研究机构g a n n e r 公司表示，2 0 0 6 年前的移动通信终端设备市场将变化激烈，且竞争加剧，因为 手机、掌上型计算机与其它电子产品制造商将要提供更能吸引用户的功能与业务。该公司认为设备 的外观设计与功能，以及手机和其它掌上型设备的应用软件开发将每六个月就出现一次巨幅转变。未 来如果手机可以被当作信用 使用，那么连v i s a 这样的金融机构可能希望进入这个市场1 9 j 。 由上可以看出，移动通讯终端设备正在快速发展中，其应用将越来越j 。，开发技术也将会不断 翻新。 第三章手机系统的总体架构与开发概述 3 2 手机总体架构与开发步骤 3 2 1 手机系统的总体架构 手机系统的总体架构如图3 1 所示。 图3 1 手机总体架构图 从底往上主要有手机硬件层，在这之上有一平台抽象层，为上层隐去相应复杂的硬件电路，提 供访问硬件的相应接口，方便上层应_ = j 软件控制硬件。在平台抽象层上面是实时操作系统层，该层 也起到了平台抽象的作用，但比平台抽象层更抽象，提供更多的接口。再往上是手机应用程序接口， 它为具体的上层应用程序开发了一些基本的函数或者功能单元，可以供不同的上层程序调用，减少 代码重复。最上层是手机应用程序层，该层是最能体现手机功能的一层，也是与用户最接近的一层， 可以通过调用手机应用程序接口层( 有时为了提高效率或者手机应用程序接口层不具体相应的接口 功能时也会直接调用其他各层) 来开发丰富多彩的功能，满足顾客的需要。 0 3 2 2 手机系统的设计步骤 作为嵌入式系统的软件，手机的开发环境分为两个平台，个是开发平台( h o s t ) 也就是桌上型 计算机，是开发人员进行软件设计开发的工具。一个是目标平台( 溉t ) ，也就是最终的手机硬件”。 开发手机的筇一大步就是要选择确定目标平台也即手机的硬什及其指标。因为不同的c p u 开发 环境不尽相同。驱动程序的差异性也很大。 开发手机的第二大步便是在开发平台上进行手机软件的开发。这主要分为以下几个过程。 1 选定操作系统，一些成熟的嵌入式操作系统通常会提供集成式开发环境( 】d e ) 与仿真器 ( e m u l a t o r ) 从而加速开发过程，选定操作系统后，相关的文件会表明该操作系统在指定 的硬件平台上所使用的各种1 具，例如编译器、链接器、定位器等。 2 接口及应用程序的开发 3 编译、链接定位并刻录至目标手机平台j ：二 东南大学硕士论文 3 3 手机硬件简介 开发一个敬入式系统产品时，最重要的因素不外乎两点：个是嵌入式系统的软件部分，包括 了所采用的嵌入式操作系统以及上层所使用的应用程序，用以控制整个嵌入式系统的操作流程。另 一个所要考虑的开发重点，就是所选择使用的嵌入式系统硬件。 其中嵌入式系统硬件部分就像是嵌入式系统的身躯一样，有手、脚、头脑以及感觉神经等的部 位，这些决定了嵌入式系统的功能，比如运算能力以及扩充功能等。一个好的嵌入式系统需要事先 完善的硬件规划才可以具备达到所需要的功能条什。在设计好敲入式系统的硬件构架之后，就要考 虑到嵌入式系统的软件部分，嵌入式系统的软件就像是嵌入式系统的灵魂，决定着所有硬件的操作 模式，通过优异的操作系统以及应用程序，可以将有限的硬件装置功能发挥到极限。 嵌入式系统开发人员首先必须要了解嵌入式系统的硬件架构，才能够在硬件所提供的有限的功能下 进行相关的应用程序开发。 3 3 1 嵌入式系统硬件构成 开发一个嵌入式系统产品时，最重要的因素不外乎两点：个是嵌入式系统的软件部分，包括 了所采用的嵌入式操作系统以及上层所使用的应用程序，用以控制整个嵌入式系统的操作流程。另 一个所要考虑的开发重点，就是所选择使用的嵌入式系统硬件。 其中嵌入式系统硬件部分就像是嵌入式系统的身躯一样，有手、脚、头脑以及感觉神经等的部 位，这些决定了嵌入式系统的功能，比如运算能力以及扩充功能等。一个好的嵌入式系统需要事先 完善的硬件规划才可以具备达到所需要的功能条件。在设计好嵌入式系统的硬件构架之后，就要考 虑到嵌入式系统的软件部分，嵌入式系统的软件就像是嵌入式系统的灵魂，决定着所有硬件的操作 模式，通过优异的操作系统以及应用程序，可以将有限的硬件装置功能发挥到极限。 嵌入式系统开发人员首先必须要了解嵌入式系统的硬件架构，才能够在硬件所提供的有限的功能下 进行相关的应用程序开发。硬件组件主要包括嵌入式系统微处理器、内存以及输入输出装置等。以 下分别加以简要介绍i lj ： ( 1 ) 微处理器 嵌入式系统的微处理器在目前嵌入式系统硬件设计上占了极大影响力，选择一个适当的微处理 器作为嵌入式系统的控制核心，才能够兼具低成本以及高性能的