（机械电子工程专业论文）基于linux和minigui的嵌入式计算机系统的研发.pdf

基于l i l l u x 和m i n i g u i 的嵌入式计算机系统的研发 摘要 随着技术的进步以及审美观的改变，传统笨重呆板的设备逐渐向着 外形美观，操作简便的方向发展，不仅如此，使用者还希望更好的移动 性，更高的实时性，嵌入式系统正是应着这种要求发展起来的，嵌入式 系统通常是面向特定应用的，一般都具有实时要求，其硬件和软件都要 求高效率的设计，在保证稳定、安全、可靠的基础上量体裁衣，力争在 有限的资源上实现更高的性能。 本文提出并开发一套由嵌入式计算机以及d s p 电机控制器组成的现 代控制及通信系统。过去，控制多个电机控制器并具有数据采集、储存、 传输功能的控制计算机一般由大型工业计算机来完成，大型工业计算机 不仅体积大，移动性差，而且成本很高，接口复杂，并且其操作系统多 为微软的w m d o w s 系统，软件编辑工具也都是具有版权并且需要使用者 支付高额的费用，这在系统开发过程中无疑增加了高额的成本。而采用 嵌入式计算机不仅能够满足计算和控制要求，而且体积小，移动性强， 成本低，操作简便，接口丰富，并且嵌入式l i n u x 属于符合g p l ( g e n e r a l p u b l i cl i c e n s e ，通用公共许可证) 的开源软件，开发环境以及图形界面 软件m i n i g u i 都属于符合g p l 的开源软件，使用时无需支付版权费用或 者只需支付及其少量的版权费用，因此可以大幅减低开发成本。 本文第一章综合叙述嵌入式系统的基本概念。第二章、第三章阐述 基于s 3 c 2 4 1 0 x 的嵌入式系统开发平台的基本架构及各个组成部分，并 对嵌入式目标和主机开发平台进行了详细设计。第四章主要阐述l c d 驱 动和触摸屏校正算法设计。第五章是应用程序设计。第六章介绍d s p 控 制器的硬件设计。 本文中嵌入式计算机部分主要关注软件设计，b 0 0 tl d a d e r 和文件系 统作简要介绍，本文详细阐述三个方面：嵌入式l i n u x 开发环境的建立， 包括内核分析和编译过程；l c d 驱动设计及触摸屏校正算法研究；基于 m i i l i g u i 的界面设计和串口通信实现。 论文最后对本课题的完成情况做了总结和评价，并且为本课题发展 提出了建议。 关键词：l i n u xm i n i g u il c d 嵌入式触摸屏串口通信 r e s e a r c ha n dd e v e l l p m e n to f e m b e d d e dp i a t f o r mw h i c hb a s e s o nu n u xa n gm i n i g u i a b s t r a c t w i i ht h ed e v e l o p m c n to ft e c h n o l o g ya 1 1 dt h ec h a n g i n g0 fp e o p l e st a s t e ， n o to i l l yt r a d i t i o n a lp o n d e r o a i l ds t i 伍d e v i c e sg r a d u a l l yf 打o fi nb e 卸t y o u t l 0 0 k 锄ds i m p l yo p e r a t i o n s ，b u ta l s ot h eo p e r a t o f h 叩et h a tt h ed e v i c ec 柚 b em o r es m a f t 锄db e t t e r 咒a lt i m e t h ee m b e d d e ds y s t e md e v e l o p m e n t sw i t h t h i sr e q u i r e m e n t s t h ee m b e d d e ds y s t e mu s u a l l yf a c c st 0s p e c i a li m p l i c a t i ， u s u a l l yh 弱t h cf e q u i r e l n e n to fr e a lt i m e ，t h ed e s i 萨a t i o no ft h es o f 细a r e 锄d t h ch a r d w a r ef ；d rt h ee m b e d d e ds y s t c mu 辄a l l yh a v et l l eh i g he f f i d e n t r e q u i f e m e n t s ，“m u s ta c ta c c o r d i n gt ot h ea c t l l a lc i 姗m s t a n c c 蚰dc a r r yo u t h i g h e rc 印a b i l i i yo nl i m i t e dr c s o u r c e s ，a n da l lt h i sb 弱e do nt h es t a b i l i z a t i o n ， s a f e t ) r 柚dc r e d i b i l 峨 n i sp a p e r f i g i l r e o u ta n dd c v e l o p m e n tam o d e mc o n t f o l l e ra j l d c o m m u n i c a t i o ns y s t e mw h i c h m p o s e dw i t he m b e d d e dc b m p u t e rs y s t e m a n dd s pc o n t r o ls y s t e m i nt h e 仃a d i t i o n a ld e s i 印a t i 、b c 璐e dt 0u s i n ga b 适i n d l l s t r i a lc o m p u t e rt 0c o n t r o lm n ye l e c t r o m o t o rc o n t r o u e 娼，t h eb i g i n d u s t r i a l m p u t e r 吣u a l l yn o to n l yh a v eb i gc i l b a g eb u ta l s o 啪n o tm o v e c o n v e n i e n n y ，a n di tc o s tt o l o 舢c h ，a n dh a v et h ec o m p l e xi i l t c r f a c e a n di t u s u a l l yl l s em i c r o s o f tw i i l d o w ss y s t e m 蛐dd c v e l 叩m e n tt 0 0 l s ，i tw i l lp a yf o r 删) f em o n e yf o rt h a t w h e nw eu e m b c d d e ds y s t e m ，i tn o to i l l ym e e tt h e f e q u n n l c n t so fc o 岫ta i l d n t l o l ，b u ta l h a v et h ec h a r a c t e 娼o fs m a l l c u b a g e ，m o r es m a r i l o w e rc c 瞎t ，s i m p l yo p e f a t i o n ，s i m p l yi i l t e 砌c e a n d l i 肌x ，d c v e l o p m e n tt d o l s ，m i i l i g u ib e l o n gt 0g p l ，a ut h i sc a nl o w c rm e d i e v e l o p m e n t sc o s t f i r s t l y ，t h i sp a p e re x p o u n d st h ec o n c e p t i o n so ft h ee m b e d d e ds y s t e m s e c o n d l y 粕dt h i r d l yi n t r o d u c et l l e b 嬲i cc o n 矗g i l r a t i o fm ee m b e d d e d s y s t e mw h i c hb 鹬e do nt h es a m s u n gs 3 c 2 4 1 0 x 加dm ec h a r a c t e r s0 fi t s c o m p o s i n gp a r t s ，a n d t h ed e s i g no fe l b e d d e ds y s t e mt a 唱e ta n dh o s t p l a t f 0 加f o u t h l y ，t h ed e s 咖o fl c dd 曲e r 锄dt o u c h s c r e e ne m e n d a t i o n a r i t h m e t i c f i f n l l y ，印p l i c a t i o np r o 莎a md e s i g n s i x t l l l y ，d e s i g n 0 fd s p h a r d w a r e 1 nt h i s p a p e rw ef o c i l s o nf t w a r cd e s i g n ns i m p l yi n t r o d u c e s b o o t l o a d e ra n df i l e s y s t e m ，b u tm a i n l ya b o u tt h r e eo t h e ra s p e c t s ：h o wt 0s e t u pt h ec m s sc o m p i l e de n v i r o n m e n tw h i c hb a s e s 蚰s 3 c 2 4 1 0 xa n de m b e d d e d l i n u x ，t h ec o m p i l ep r o c e s sa n dt h ei n t e r i o rc o n f i g i l r a t i o n so ft h ek e m e l ；m e d e s i g no fl c d d r i v e ra n dt o u c h s c r e e ne m e n d a t i o na r i t h m e t i c ；d e s i g no fg u l w h i c hb a s e so nm i n i g u i ，a n ds e f i a l m m u n i c a t i o nd e v e l o p m e n t i nt h ee n d ，m i sp 印e rs u m - u pa n de s t i m a t em ea c c o m p l i s hc i r c i l m s t a n c e o ft h i st a s k ，a n dg i v et h ea d v i c e so ff i l t u r ed e v e l o p i n e n t sf o rt h i st a s k w o r d s ：l i n u x m i n i g i l i k de m b e d d e ds y s t e mt o u c h s c r e e n s e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o n 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机 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谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名：，雪三扭毒一 本人承担一切相关责任。 日期：盈丑：三。! ： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，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，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保 存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论文 注释： 太 导 鞋 鬣吼 军 基于u n 呱和m i i g u i 的嵌入式计算机系统的研发北京邮电大学硕士学位论文 1 1 嵌入式计算机系统概述 第一章绪论 1 1 1 嵌入式u n u x 的定义 自从1 9 9 1 年首次公开发表以来，i j n l l 】【的应用范围越来越广泛。i j n u x 常用来指 “蛐x 内核、u n 慨系统或i j n u x 发行套件。当“n u x 内核为了特殊的硬件配置或者支持 特定的应用，经过特别的裁剪，这样就成为了嵌入式u n u x 系统。 1 1 2 嵌入式u n u x 的类型 就“规模”来说，嵌入式系统大致可以分成三类：小型、中型、大型。小型系统的 特性是：低运算能力的c p u ，并且可以使用至少2 m b 的r o m 和4 m b 的r a m 。中型系 统的特性是：中等运算能力的c p u ，并且可以使用大约3 2 m b 的r o m 和“m b 的r a m 。 大多数嵌入式消费性产品都属于中型嵌入式系统，包括p d a 、m p 3 播放器、娱乐系统 以及网络设备。大型系统的特性是：使用运算能力强大的c p u ，或是使用多个c p u ， 并且可以使用大量的r a m 及永久性存储器。通常，大型嵌入式i j n u x 系统会用在需要 大量计算来完成特定任务的环境中。大型的电信交换机以及飞行仿真器等。 1 1 3 嵌入式u n 慨系统的特点 嵌入式系统是以应用为中心和以计算机技术为基础的，并且软硬件是可裁减的， 能满足应用系统对功能、可靠性、体积、功耗等指标的严格要求的专用计算机系统。 在嵌入式系统中，计算机系统一般作为智能控制部件嵌入到整个应用系统中，是 整个系统的控制中心，主要用于对系统得信息处理部件和用户交互界面加以控制。在 这种情况下，用户并不知道嵌入式计算机的存在，系统控制软件一般固化在嵌入式计 算机中，嵌入式计算机一般不需要或不能被用户重新编程，通过特殊的输入、输出设 备与系统进行交互。 1 2 嵌入式计算机系统的组成 嵌入式系统是专用计算机应用系统，任何嵌入式系统都包括硬件和软件两个方 面。硬件包括微处理器、存储器、抛端口和图形控制器等。软件系统包括操作系统 软件和应用软件，应用软件控制着嵌入式系统的运作和行为，而操作系统则为应用程 基于u 删x 和m i n j g u i 的嵌入式计算机系统的研发北京邮电大学硕上学位论文 序提供必要的底层支持，它一般是通过提供应用编程接口( a p i ) 来实现的。 因为嵌入式系统实面向应用、产品和用户的，所以不可能不研究应用特性以开发 出一个如p c 般通用的嵌入式系统。在嵌入式系统中，具体的应用将决定对硬件和软 件的需求，如芯片、存储器、i ，0 扩展和操作系统、应用程序编制等。和通用计算机 不同，嵌入式系统的硬件软件都必须高效率的设计，量体裁衣，去除冗余，尽量以最 小的系统、最低的成本去实现目标功能，这样的产品才有竞争力。它通常都具有低功 耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成到芯片 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，与网络的结合也 越来越紧密。 1 2 1 嵌入式系统硬件的组成 嵌入式系统的硬件是嵌入式系统软件环境运行的基础，它提供了嵌入式系统软件 运行的物理平台和通信接口。它通常包括嵌入式处理器和嵌入式外围设备两大部分。 1 2 1 - 1 嵌入式处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。嵌入式处理器与通用处理器的最大不同 点在于嵌入式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，并且有 高效率、高可靠性等特征。 嵌入式处理器的种类繁多、数量庞大。目前全世界嵌入式处理器的品种总量已经 超过1 0 0 0 种，流行的体系结构有三十几个系列。a r m 、阳w 盯p c 、m c 6 8 0 0 、e d s p 等使用得最为广泛。而其中目前以a r m 的应用最为广泛。面前，按照比较流行的分 类方法，嵌入式处理器可以分为四类，即： 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c m p d o c c s s o ru n i t ，e m p u ) 嵌入式微控制器( m i c m c o n t r o l i c ru l i i t ，m c u ) 嵌入式d s p 处理器( e m b c d d e dd i g i t a ls i 印a lp r o s s o r ，e d s p ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ) 其中，a r m 属于嵌入式微处理器一类。 1 2 1 2 嵌入式外围设备 这里所说的嵌入式外围设备，指在一个嵌入式硬件系统中，除了中心控制部件 ( m c u ，d s p ，e m p u ，s o c ) 以外的完成存储、通信、保护、调试、显示等辅助功 能的其他部件。根据外围设备的功能可分为以下三类，即： 存储器类型：静态易失型存储器( r a m ，s r a m ) 、动态存储器( d r a m ) 、非 易失型存储器( r o m ，e p r o m ，e e p r o m ，f l 峪h ) 。其中，f l a s h 因为可以擦写 2 基于u 加x 和m i n j g 删的嵌入式计算机系统的研发北京邮电大学硕士学位论文 多次，存储速度快，容量大，价格便宜在嵌入式领域应用广泛。 接口类型：目前存在的所有接口在嵌入式领域都应有广泛，如r s 2 3 2 ( 串口) 、 玎良d a ( 红外线接口) 、s p l ( 串行外围设备接口) 、1 2 c ( 现场总线待定) 、u s b ( 通用 串行接口) 、e t h 锄c t ( 以太接口) 和普通并口 显示类型：a 玎，“卫和触摸屏等外围设备 1 2 2 嵌入式系统软件的组成 软件是嵌入式系统的灵魂。一般包括b 0 0 tl o a d 盯、嵌入式操作系统、嵌入式文件 系统和应用程序。其中，嵌入式操作系统决定了系统的性能。一般而言，嵌入式软件 具有如下特点； 嵌入式软件的研发与硬件紧密相关。由于嵌入式软件的开发是针对具有硬件平 台进行的，它往往牵扯硬件驱动方面的一些软硬结合部分，这就是要求开发人员必须 具备相关的硬件知识。 软件代码要求高效率和高可靠性。由于嵌入式系统中软件运行空间有限，内存 空间非常宝贵，在软件的编程过程中必须时刻考虑软件的运行效率，同时选用高质量 的编译工具。在实时系统中，处理器必须严格处理异步发生的各种任务，这对程序的 算法设计提出了更高的要求。另外，嵌入式软件系统还应该有异常处理、快速复位等 算法。 软件一般固化在n a s h 或r o m 中为了提高执行速度和系统的可靠性，同时 缩短系统复位时间，一般在嵌入式软件调试好后，会下载固化到目标板中的黜h 或r o m 中。目标板启动时，再运行其中的代码，而不是像p c 那样从硬盘存储器中读 取程序。 下面分别介绍一下嵌入式软件的各个组成部分。 1 2 2 1b tl o a d 盯 b o o tl 0 a d e r 是系统加电后运行的第一段代码。一般它在系统启动时运行非常短的 时间，但对于嵌入式系统来说，这是一个非常重要的组成部分。它的作用相当于p c 机加电启动时运行的b i o s 。 1 2 2 2 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统是整个嵌入式软件的核心。它的性能在某种程度上决定了整个嵌 入式系统的性能。目前，嵌入式操作系统的类型很多，如v x w b d 【s 操作系统，w i n c e 操作系统，v 】r t x 操作系统，p s o s 操作系统，嵌入式u n 呱操作系统等等。其中以面 向n 溉的嵌入式u 肌x 操作系统( 本篇讨论的就是这种操作系统) 的应用最为广泛， 而嵌入式u n u x 操作系统的版本也不在少数，如r t l j n 蜮m m 、e m b c d i 】【、b l c 缸 3 摹于l j n 峨和m i n i g u i 的嵌入式计算机系统的研发北京邮电大学硕士学位论文 l i n u x 和h a r dh a tu n u x 等等，它们都有一个共同的特点：强调处理事件的实时性。 1 2 2 3 嵌入式文件系统 大家知道，l j n 呱操作系统可以支持多种文件系统，嵌入式的文件系统的结构与 u n 峨文件系统的结构类似，所以，可使用的嵌入式文件系统的种类泛多，目前常用 的有e x l 2 、c r a m f s 、j f f s 2 、舳，、n f s 和r a m 磁盘文件系统等。嵌入式应用的 要求不同，决定了使用嵌入式文件系统的不同，为了选择各种类型的文件系统，一般 会考察文件系统的如下几个特性： 可写入，即文件系统是否可以被写入。 可更新，即系统重启后，文件系统是否能保持重启前的更改。 掉电可靠性，即文件系统在发生掉电的时候是否可以恢复原数据。 可压缩，即文件系统内容是否可被压缩。 r a m 启动，即在挂载文件系统前，其内容是否首先从存储器中提取到r a m 中。 1 2 2 4 应用程序 嵌入式系统往往是针对具体的应用而设计的，各种应用对输入设备的要求也各不 相同。有时可能只需要一个标准的p c 键盘开关，有时需要一个小键盘，有时需要一 个开关。开发者只能根据具体的情况进行设计。目前，对于嵌入式g u i 的应用正如火 如荼，在w a p 手机中的应用就是很好的例子。 1 3 嵌入式系统的发展 1 3 1 嵌入式系统现状 后p c 时代，嵌入式系统将拥有最大的市场。目前在世界范围内嵌入式系统带来 的工业年产值已超过了1 万亿美元。据赛迪呼叫中心合作开展的调查显示，目前从事 嵌入式开发的软件企业占到3 0 左右，计划从事开发的企业占到了1 4 。尽管还没 有从事该领域开发的公司占到了大多数，但我国国内的嵌入式软件市场已处于整体启 动阶段。国内嵌入式软件市场未来的发展重点在于对应用范围的拓展，而手持设备、 信息家电和工业控制则是近期市场的三大热点。展望未来，明天的嵌入式系统将比今 天的更便宜、更小巧、更可靠、更高效而且更加智能化。 近年来微电子技术迅猛发展，处理器增长速度也随之加快，嵌入式系统领域发生 了翻天覆地的变化。特别是网络的普及，嵌入式与互联网成为最热门的技术。现在， 可以使嵌入式系统具备网络功能，并将它们与i n t c m c t 或企业内联网连接起来。这种 特性增强了嵌入式系统多方面的实用性。 4 基于i j n 和m i n i g i j i 的嵌入式计算机系统的研发北京邮电大学硕士学位论文 1 3 2 嵌入式系统的发展趋势 现在嵌入式系统正处于高速发展阶段，未来几年，这种发展和竞争将愈演愈烈。 将嵌入式系统的应用按照市场领域划分，可以分为： 消费类电子产品； 控制系统和工业自动化； 机器人领域； 数据，无线通信。 目前，一些嵌入式系统产品一p d a 在显示屏幕上可以进行汉字写入、短消息语音 的发布，日用范围也将日益广阔。对于企业专用解决方案，如物流管理、条码扫描、 移动信息采集等，这种小型手持嵌入式系统将发挥巨大的作用。在自动控制领域，不 仅可以用于触m 机、自动售货机、工业控制等专用设备，和移动通信设备、g p s 、 娱乐相结合，嵌入式系统同样可以发挥巨大的作用。 尽管嵌入式产品曾出不穷，发展势头迅猛，但仍然需要我们研究探索，不断完善。 r 1 4 本课题的出发点 本课题的出发点是以嵌入式系统开发平台为基础，然后实现通过嵌入式计算机对 于d s p 控制器的指令发布。由d s p 控制器对电机进行控制，侧重于嵌入式系统平台的 开发，对于d s p 控制器的指令控制是嵌入式系统开发平台的一个应用举例。 5 基于u 加x 和m i n i g u i 的嵌入式计算机系统的研发 北京邮电大学硕上学位论文 第二章嵌入式系统目标开发平台( t a r g e t ) 设计 2 1 系统设计原则 先进性用最新或是功能更完善的芯片，达到更高的精度和可靠性，使系 统的精度和可靠性得到了保证；运用先进的面向对象程序设计技术和软件功 能模块方法，保证系统最大限度地适应技术发展和业务发展的变化。 结构开放性应用开发平台接口开放化、网络设计标准化，采用开放性和 标准化协议，保证网络互连简单易行；并使设计留有余地，为以后的升级提 供了方便。 实时性监控系统严格要求业务数据必须能够进行实时的交互数据传送。 可靠性须满足业务数据在其中进行稳定可靠的传输、显示，不会因为外 界的干扰而错误的位置信息。 整个开发平台的分为硬件和软件两个部分。硬件采用核心板加扩展板的结构方 式，核心板主要包括处理器、存储器，其他部分如输入输出设备、u s b 口、网口、串 口等放置在扩展板上；软件包括b 0 0 tl 0 a d c f 、操作系统( o s ) 、文件系统和g u i 应用 程序等。具体的结构如图2 1 所示： 2 2 开发平台的硬件 嵌入式系统的硬件是以嵌入式处理器为核心，配置必要的外围接口电路。 2 2 1 嵌入式处理器 随着嵌入式系统不断深入到人们生活中的各个领域，嵌入式处理器得到了前所未 有的飞速发展。目前据不完全统计，全世界嵌入式处理器品种总量超过1 5 0 0 多种，流 行体系结构有5 0 多个系列。它具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点。目前 比较有影响的嵌入式r i s c 处理器产品主要：m o i o m l a 公司的6 8 0 0 0 ，g o i d f i r c 、m m 公司 的p a w c rp c 、m m s 公司的m 口s 、s 蚰公司的s p a r c 和a r m 公司的a r m 系列等。本节主 要介绍设计中使用的a r m 处理器。 a r m 系列处理器是英国先进r i s c 机器公司( a d v a n c cr i s cm a c h i n 髂，a r m ) 的产品。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 c dm s t n l c t i 6 基于i j n u x 和m i n i g u i 的嵌入式计算机系统的研发 北京邮电大学硕士学位论文 s e t c o m p u t c 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，一直以口( h t c l l i g c n p 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。2 0 0 1 年度里a r m 占据了整个3 2 位，6 4 位嵌入式微处 理器市场的7 5 ；在2 0 0 2 年度里，占据了整个3 2 位、6 4 位嵌入式微处理器市场的 7 9 5 。在低功耗，低成本的嵌入式应用领域确立了市场领导地位。目前，8 0 以上 的g s m 手机、9 9 的c d m a 手机以及将来的w c d m a 、t d s c d m a 手机都采用的 是基于a r m 核心的处理器。全球设计、生产a r m 芯片的半导体公司将近2 0 0 多个， 国际大公司已经超过5 0 多家，国内中兴、华为东南大学、上海集成电路设计中心、 中芯国际、大唐等公司已经购买a r m 公司的芯片核心技术授权协议，用于通讯专用 芯片的设计。 图2 1 开发平台系统架构 此外，a r m 芯片还获得了许多实时操作系统供应商的支持，比较知名的有： w i n d o w sc e 、u c u n u x 、p s o s 、v x w b r 】k s 、n u c l e u s 、e p o c 、uc ，0 s 、b c 0 s 、p a l i n0 s 、 q n x 等。自v 5 以后，a r m 公司提供p i c c 0 i dd s p 的芯核给芯片设计者，用于设 计a r m + d s p 的s o c ( s y s t 锄o nc h i p ) 结构的芯片 a r m 微处理器核技术广泛用于便携式通信产品、手持计算、多媒体和嵌入式解 决方案等领域，以成为r i s c 标准。目前基于a r m 核的处理器有以下几类： a r m 7 家族； ， 基于u n u x 和m i i l i g u i 的嵌入式计算机系统的研发北京邮电大学碗 学位论文 a r m 9 家族： a r m 9 e 家族； a r m l 0 e 家族； a r m l l 家族： s e c l l f c o r e 家族； 0 p t i m o d e 数据引擎内核； m p c o r e 多处理器家族； i n t e l 公司的s t m n g a r m s c a l e 。 其中重点介绍a r m 9 微处理器系列。该系列处理器在高性能和低功耗特性方面 提供最佳的性能。具有以下特点： 一5 级整数流水线，指令执行效率更高； 一提供1 1 m i p s m h z 的哈佛结构； 一支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位1 1 l u m b 指令集； 一支持3 2 位的高速a m b a 总线接口； 一全性能的m m u ，支持w i n d o w sc e 、【j n u x 、p a l m0 s 等多种主流嵌入式操作 系统； 一m p u 支持实时操作系统； 一支持数据c a c h e 和指令c a c h c ，具有更高的指令和数据处理能力 a r m 9 系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高 端打印机、数字照相机和数字摄像机等。 a r m 9 系列微处理器包含a r m 9 2 0 r i 、a r m 9 2 2 t 和a r m 9 4 0 t 三种类型，以适 用于不同的应用场合。 基于上述原因，针对课题需求，设计中选用的是s 咖s u n g 公司的s 3 c 2 4 1 0 x 处理 器。它是一款基于a r m 9 2 时内核的1 6 3 2 位r i s c 嵌入式微处理器，运行频率为 2 0 3 m h z ，主要面向手持式设备以及高性价比、低功耗的应用。a r m 9 2 盯核由 a r m 9 r i d m i 、存储管理单元( m m u ) 和高速缓存三部分组成。其中m m u 可以管理 虚拟内存，高速缓存由独立的1 6 k b 地址和1 6 k b 数据高速c k h e 组成。 s 3 c 2 4 1 0 x 的资源包括： 1 个= d 控制器( 支持s 1 n 和1 1 丌带有触摸屏的液晶显示屏) ； s d r a mj 空伟0 器； 3 个通道的u a r t 4 个通道的d m a ： 8 基于u n u x 和m i n i g l 的嵌入式计算机系统的研发北京邮电大学硕士学位论文 4 个具有p w m 功能的计时器和1 个内部时钟； 8 通道的1 0 位a d c ； 触摸屏接口； 1 2 s 总线接口； 2 个u s b 主机接口，1 个u s b 设备接口； 2 个s p i 接口： s d 接口和m m c 卡接口； 看门狗计数器； 1 1 7 位通用i ，0 口和2 4 位外部中断源： 8 通道1 0 位a d 控制器。 2 2 2 存储器 存储器也是构建嵌入式系统的重要部分。虽然存储器的选择依赖于处理器的选 择，但是就功能需求来说，需要考虑容量大的，性能稳定的存储器。就f i a s h 来说， 还需要考虑嗍h 的擦除等软件操作是否方便。 本系统核心板包括2 m b ( 可扩展为4 m b ) n o rf 1 a s h 和6 4 m bn 柚dn 硒h 存储器， 其内部主要用于存放启动代码( 吼l o a d c r ) 、l j n 呱内核、r 翘l d i s k 压缩映像和用户 程序等等。f 1 勰h 存储器的数据宽度为1 6 位，映射到s 3 c 弭1 0 x 的r o mb a n k o ，地 址从0 】【2 0 0 0 0 0 。当系统从n a n df 1 a s h 启动时，可以通过拨码开关设置成r o m b a n k l 。 核心板还包含6 4 惦s d r a m ，用于设置程序堆栈和存放各种变量。它是由两片1 6 位数据宽度的s d r a m 存储器，通过并联成为3 2 位数据宽度的s d r a m 存储系统，并映 射到s 3 c 2 4 1 0 x 的s r o m s d r a mb a n k 6 ，地址范围是o x 3 0 0 0 0 0 0 0 o x 3 3 f f f f f f 。s 3 c 2 4 1 0 x 微处理器内部的4 l ( b 一体化c a c h e s r _ m ，通常被配置为c a c h e 以提高系统性能。若 要将其部分或全部用作高速的片内s r 删，用户必须在应用程序中重新配置相应的特 殊功能寄存器。 2 2 3 电源管理 嵌入式系统对功耗极为敏感。系统的功耗可以通过电源模式变换获得最好的控 制。s 3 c 4 1 0 x 通过四种电源管理模式有效地控制了功耗。这四种模式分别是n o r m a l 模式、s i d w 模式、d l e 模式和p 0 w e r 0 f f 模式。本系统核心板电源通过扩展 总线输入。 2 2 4 外围电路 本系统是一个完整的嵌入式系统，根据实际的应用需要以下通信接口： 9 基于u n u x 和m i i i i g u i 的嵌入式计算机系统的研发北京邮电大学硕上学位论文 1 1r s 2 3 2 串行接口：目前r s 2 3 2 是p c 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接 口。r s 2 3 2 被定义为一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准。系统需要 通过该串口下载程序，或者进行串行通信。 2 ) u s b ：u s b 接口以其方便、传输速率高等优点逐渐成为计算机行业的外设接口标 准。嵌入式设备要与p c 机进行高速通信，那么u s b 接口当然是理想的选择。 3 1 以太网接口：在h l t e m e t 飞速发展的今天，网络己经渗透到了方方面面。在嵌入 式系统方面，和网络的结合已经成为了嵌入式系统最新的研究方向。因此，在本系统 中，以太网接口是必不可少的。 4 1 键盘和液晶屏：键盘和液晶屏是常用的输入输出设备，结合各具特色的嵌入式应 用软件，可以把嵌入式系统的功能发挥的更强大，并且可以现场调试。 5 1 其他接口：因为本系统是一套完整的开发平台，因此还留有其他接口，如：音频 接口( i l s ) 、1 2 c 总线接口、s d 卡接口、i d e 接口等，但不作为论文的讨论重点，只 为以后扩展使用。 2 3 开发平台的软件 开发平台涉及的软件包括b o o tl d a d e r 、操作系统、文件系统和应用程序。 2 3 1b ( 斌l 0 a d e r 选择 b 0 0 tl 0 a d e r 是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过这段小程序，可 以初始化硬件设备、建立系统的内存空间映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个 合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。并且，b tl d e r 最终把操作系统内核映象加载到r a m 中，并将系统控制权传递给操作系统。b 0 0 t l o a d e r 的重要性可见一斑。这里开发平台应用的是由m i z ir c s e a r c h 开发的b o o t i d a d e 卜v l 。 2 3 2 嵌入式操作系统选择 嵌入式操作系统是嵌入式应用软件的基础和开发平台，从用户的观点看，它是用 户与计算机硬件系统之间的接口，用户在操作系统的帮助下能够方便、快捷、安全、 可靠的操纵计算机硬件和运行自己的程序。考虑到易用性、成本、可研究性，这里开 发平台使用的操作系统是由m i z ir c a r c h 开发的m i z iu 肌x 操作系统。 2 3 3 嵌入式文件系统选择 在嵌入式的环境下，内存和外存的使用都需要节约使用。如果用衄d i s k 方式使 用文件系统，那么在系统开始运行之后，首先要把外存上的映象文件解压缩到内存中， 1 0 基于l j n u 和m i n i g 切的嵌入式计算机系统的研发北京邮电大学硕士学位论文 构造起r a m d i s l 【环境，才可以运行程序。但是它也有很致命的弱点，在正常情况下， 同样的代码不仅在外存中占据了空闻，而且还在内存中占用了更大的空间，这违背了 嵌入式环境下尽量节省资源的要求。使用咖f 就是一种解决这个问题的方式。咖盘 是一个压缩的文件系统，它并不需要一次性地将文件系统中的所有内容都解压缩到内 存中，而只是在系统需要访问某个位置数据时，马上计算出数据在c m m f s 中的位置， 将其实时地解压到内存之中，然后通过对内存的访问来获取文件系统中需要读取的数 据。开发平台使用的文件系统就是这种节省内存空间的文件系统c 船m f s 。 2 3 4 应用程序 开发平台里的应用程序是面向g p s 应用的g u i 程序。g u i 是一个图形用户界面支 持系统。它的作用是显示本系统的一些图形和数据信息。现在比较成熟的g u i 系统有 m i n i g u i 、m i 啪w i n d o w s ，常用的有精简的x w i n d o w s 系统、m i n i g u i 、m i c r o w i l i d o w s 、 o p e n g u i 、q 1 y e m b c d d c d 等。设计中采用的是m i n i g u i ，m i n i g u i 是由北京飞漫软件 技术有限公司主持的一个自由软件项日，其目标是为基于l j n 慨的实时嵌入式系统提 供一个轻量级的图形用户界面支持系统。 m i l l i g u i 为应用程序定义了一组轻量级的窗口和图形设备接口。利用这些接口， 每个应用程序可以建立多个窗口，而且可以在这些窗口中绘制图形，用户也可以利用 m i n i g u i 建立菜单、按钮、列表框等常见的g u i 元素。它的成熟和方便是赢得设计 开发者青睐的主要原因。 n 基于u n u x 和m j l i i g u i 的嵌入式计算机系统的研发北京邮电大学硕上学位论文 第三章嵌入式系统主机开发平台( h o s t ) 设计 3 1 嵌入式l i n u x 开发环境 进行项目开发，首先要做的是搭建一套开发环境，这套环境包括操作系统一及含 连接器、编译器、调试器在内的软件开发工具。 进行嵌入式开发，可以在p c 上安装一套l j n u x ，或者在w i n d o w s 下安装一套模 拟i j n u x 环境的软件，例如c y g w i n 。不过由于整个研发小组由多名开发者组成，每 个人安装一套l i n u x 系统会增加成本，而且很难控制版本的一致性。因此，最好是架 设一台u n 弧服务器，每个开发者从客户端使用t c l n c t ( 或s s h ) 登录到这台服务器， 开发板也连接到同一局域网内。使用服务器的l i n u x 环境下的g c c 编译生成目标代码， 通过f t p 传到每个开发者的p c ，然后通过串口或网络下载到开发板上。图3 1 是嵌 入式系统开发环境示意图。 卜糍恤劬卜u i 客户机r 一 l i n 戗服务器 交 ( h o s t ) 。客户机卜一 换 机 一客户机r 一 图3 - 1 嵌入式系统开发环境 l m 假服务器( h 0 s t ) 是一个基于h t c lx 8 6 架构的计算机，统称为i 3 8 6 平台。目 标平台( 1 a r g c t ) ，例如a r m ，m s ，s u p c r h 和p o w e r p c 等。 在本设计中，开发板是a r m 92 4 1 0 x 处理器，t a r g e t 是a r m 平台。跨平台就是 指从i 3 8 6 到a r m 平台。编译器是存放在u 肌x 服务器上的，编译工作不可能在开发 板上进行，开发板上并没有编译器，开发板只负责存放编译好可以被a r m 处理器执 行的代码。 基于u n 峨和m i n i g 的嵌入式计算机系统的研发北京邮电大学硕士学位论文 3 2 建立交叉编译环境 目前，常用的交叉开发环境主要有开放和商业两种类型。交叉开发环境是指编译、 链接和调试嵌入式应用软件的环境。它与运行嵌入式应用软件的环境有所不同，通常 采用宿主机目标机模式，在宿主机上编写好源代码及相关的配置文件。 交叉编译和链接。在完成嵌入式软件的编码后，就可以进行编译和链接，以生成 可执行代码。由于开发过程大多是在i i l t e l 公司x 8 6 系列c p u 的通用计算机上进行的， 而目标环境的处理器芯片却大多为a r m 、m 口s 、p o