（机械电子工程专业论文）基于arm9的嵌入式小区门禁系统的研究与设计.pdf

基于a r m 9 的嵌入式小区门禁系统的研究与设计 摘要 随着智能建筑的发展及智能化小区的出现，人们已接受了智能建 筑及智能化小区所带来的高效、舒适的工作及生活环境，同时对智能 化系统的可靠、便利也提出了更高的要求。作为智能建筑的重要组成 部分之一，门禁系统的功能早已超越了单纯的门道及钥匙管理，它已 经逐渐发展成为一套完整的出入管理系统，它在工作环境安全和人事 考勤管理等管理工作中发挥着巨大的作用。 传统的门禁控制系统多采用8 位单片机或者1 6 位控制器实现门 禁控制器，由于速度、接口和性能等方面的限制，很难满足多门、网 络化的控制需求。a r m 公司的3 2 位r i s c 处理器a r m 9 有着高速度、 低功耗、低成本、功能强、特有1 6 3 2 位双指令集等诸多优异的性能。 同时l i n u x 系统对于a r m 技术的支持具有内核可裁减，代码免费开 放的特点，本文选择l i n u x 系统和a r m 9 相结合的嵌入式系统平台， 可以发挥更大的优势。 本文第一章综述本课题研究的基本情况。第二章介绍了门禁系统 总体设计和基于a r m 9 的嵌入式开发平台的搭建。第三章阐述了基 于a r m 9 的嵌入式l i n u x 开发环境的建立。第四、五、六章主要介 绍门禁控制器与读卡器之间的串口通信模块、以太网驱动模块、嵌入 式音频模块的研究与设计。 关键字：a r m 9l i n u x 嵌入式门禁系统串口通信以太网驱动 嵌入式音频 i 己e s e a r c ha n dd e s i g no fe m 哈e d d e d a c c e ssc o n t r o ls y s t e mf o r d i s t i u c tb a s e do na r m 9 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n tb u i l d i n ga n dt h ee m e r g e n c eo f i n t e l l i g e n td i s t r i c t ，p e o p l eh a v ea c c e p t e dt h ee f f i c i e n ta n dc o m f o r t a b l e w o r k i n ga n dl i v i n ge n v i r o n m e n tb r o u g h ta b o u tb yi n t e l l i g e n tb u i l d i n g a n di n t e l l i g e n tc o m m u n i t y a tt h es a m et i m e ，t h er e l i a b i l i t ya n d c o n v e n i e n c eo fi n t e l l i g e n ts y s t e mh a sa l s ob e e nr e q u i r e dh i g h e r a sa n i m p o r t a n tp a r to fi n t e l l i g e n tb u i l d i n g ，f i l e f u n c t i o n so fa c c e s sc o n t r o l s y s t e mh a v eb e e nb e y o n d t h es i m p l ed o o ra n dk e ym a n a g e m e n tf o ral o n g t i m e i th a sg r a d u a l l yd e v e l o p e di n t oac o m p l e t ea c c e s sc o n t r o ls y s t e m ， w h i c hp l a y sag r e a tr o l ei nt h es e c u r i t yo fw o r k i n ge n v i r o n m e n ta n d m a n a g e m e n t o f p e r s o n n e la t t e n d a n c e t r a d i t i o n a la c c e s sc o n t r o ls y s t e mu s u a l l yu s e s8 - b i to r16 一b i t m i c r o c o n t r o l l e rt o c o m p l e t et h e a c c e s sc o n t r o l l e r b e c a u s eo ft h e c o n s t r a i n t so fs p e e d ，i n t e r f a c ea n dp e r f o r m a n c e ，i ti sd i f f i c u l tt om e e tt h e c o n t r o ld e m a n do fm u l t i d o o ra n dn e t w o r k a r mc o m p a n yp r o v i d e s 3 2 一b i te m b e d d e dr i s cm i c r o p r o c e s s o r sw i t hh i g hs p e e d ，l o wp o w e r c o n s u m p t i o na n ds y s t e mc o s t ，h i g hp e r f o r m a n c ea n ds p e c i f i ct h u m b i n s t r u m e n t s a n dl i n u xh a st h ef e a t u r e so fr e d u c i n gk e r n e la n do p e n r e s o u r c ec o d ew h i l es u p p o r t i n ga r m t e c h n o l o g y s ot h i sp a p e rs e l e c t s t h ee m b e d d e dp l a t f o r mb o t hl i n u xa n da r m 9 t h ef i r s t c h a p t e rs u m m a r i z e st h eb a s i cs i t u a t i o no ft h i sr e s e a r c h c h a p t e ri ii n t r o d u c e st h eo v e r a l ld e s i g no ft h ea c c e s sc o n t r o ls y s t e ma n d a r m 9 一b a s e de m b e d d e dd e v e l o p m e n tp l a t f o r ms t r u c t u r e s c h a p t e ri i i d e s c r i b e dt h ee s t a b l i s h m e n tf o rt h ea r m 9 一b a s e de m b e d d e dd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t c h a p t e ri v , va n dv ii n t r o d u c et h er e s e a r c ha n dd e s i g no f t h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nm o d u l eb e t w e e nt h ec o n t r o l l e ra n dc a r dr e a d e r ， e t h e m e td r i v e rm o d u l e ，e m b e d d e da u d i om o d u l e k e yw o r d s ：a r m 9l i n u x e m b e d d e da c ss e r i a lc o m m u n i c a t i o n e t h e m e td r i v e re m b e d d e da u d i os y s t e m 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，本人承担一切相关责任。 本人签名：墨毖日期：21 1 翌：兰：! ! 一 一 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一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：兰毖同期：星! 哩：! ：! ! 导师签名： 1 1引言 第一章绪论 近年来，伴随我国国民经济持续稳步的增长，人们生活水平和自身素质的不 断提高，生活工作节奏不断加快，改善生活质量的社会需求不断产生。面对当今 的信息化社会，人们对信息的需求和安全保障的渴望与日俱增，表现在对家庭住 宅的需求上，不再是单纯的生存空间和高档的装修，而是向往拥有含有现代信息 技术成果高效、舒适、温馨、便利以及安全的居住环境。 智能小区的概念起源于美国，同时美国也是智能小区系统发展最为迅猛的国 家。继美国之后，欧洲、日本、新加坡等国家的住宅智能化也得到了飞速发展。 在我国，智能住宅这一概念推广较晚，但其发展的速度也很快，随着我国国民经 济的发展和人民生活水平的提高，一个安全、方便、舒适的生活环境已成为人民 共同追求的目标。而智能小区就是一个既适应我国国情，又能给人民带来安居乐 业的理想居所。从发达国家智能小区的发展历程来看，智能小区从现在开始在我 国也将得到更广泛的发展。 门禁系统是近几年在国内广泛应用的高科技安全设施之一，现已成为现代建 筑的智能化标志之一。在越来越注重安全的今天，门禁系统可以对进出一些重要 机关、科研实验室、档案馆、民航机场、住宅小区等场所的人员，给予进出授权 控制，智能小区是门禁系统的重要应用之一。 1 2 课题研究的背景及意义 智能建筑：是以建筑为平台，兼备建筑设备、办公自动化及通信网络系统， 集结构、系统、服务、管理及它们之间的最优化组合，向人们提供一个安全、高 效、舒适、便利的建筑环境。( 中国国家标准智能建筑设计标准) 高效、安全、舒适和便利是智能建筑的四大优势。这四点集中体现了当今信 息产业、控制技术和建筑学进一步结合。同时也是人们对生活质量要求的提高的 集中体现。 1 9 8 4 年一月在美国康涅狄格州h a r t f o r d 竣工的c i t y p l a c e 大楼的宣传材料中， 第一次出现“智能建筑”( i b ，i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ) 一词，标志着“智能建筑” 概念的形成。该大楼以当时最先进的技术来控制空调设备、照明设备、防灾和防 盗系统、垂直交通运输( 电梯) 设备、通信和办公自动化等。除可实现舒适、安 全的办公环境外，还具有高效、经济的优点。大楼的用户可以获得语言、文字、 数据等各类信息服务。而大楼内的空调、供水、防火防盗、供配电等系统均为计 算机控制，实现了自动化综合管理，为用户提供了舒适、方便和安全的建筑环境 引起全世界的关注。随后，智能建筑及其“建筑智能化系统”蓬勃发展，以美国 和日本最为突出。 智能建筑具有多学科、多技术和高性能的综合集成特点。智能建筑利用系统 集成方法，将智能型计算机技术、通信技术、信息技术与建筑艺术有机结合，通 过对设备的自动监控，对信息资源的管理和对使用者的信息服务及其建筑的优化 组合，以合理投资，适应信息社会需求并且具有安全、高效、舒适、便利、灵活 特点。包括： 楼宇自动化系统( b u i l d i n g a u t o m a t i o ns y s t e m ，b a s ) 通讯自动化系统( c o m m u n i c a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m c a s ) 办公自动化系统( o f f i c ea u t o m a t i o ns y s t e m , o a s ) 称为3 a 系统，并利用综合布线系统( p r e m i s e sd i s t r i b u t i o ns y s t e m ，p d s ) 连接和控制。 其中，楼宇自动化系统( b u i l d i n g a u t o m a t i o ns y s t e m ，b a s ) 是监控大厦内 机电设备的运行并使之达到最佳状态，同时确保大厦安全( 防盗、消防) 的系统。 它是建立在计算机技术基础上的采用最先进的现代通信技术的分布式集散控制 系统，允许实时地对各子系统设备运行自动监控【l 】。 随着与智能建筑相关技术的发展，智能建筑的发展也出现了新的趋势。最初 的智能建筑指的是智能大厦，随着人类生活水平的逐步提高，近年来智能建筑逐 渐向智能小区的方向发展。随着大量智能建筑和智能小区的兴建，在一定意义上 来讲，每一个智能建筑和智能小区由于其相互的独立性，并不能最大程度的发挥 其功能，随着“数字化城市”的提出，有效的将各种智能化的建筑连接成为一个 大范围的智能建筑群，更能体现智能建筑采用先进技术所带来的功能。 智能小区的发展几乎与智能大厦同步迈进，智能大厦的发展过程，也是智能 小区的酝酿和发展的过程。同本于1 9 8 9 年开始在东京的国际会议中心区域建立 了一个高水平的智能化住宅小区，随即世界其他一些城市也相继建立了不同程度 和和水准的智能住宅小区。我国的智能住宅与智能小区起步比较晚，但发展速度 却很快，9 0 年代末，电脑、有线电视、机项盒、移动通信等数字化通信产品丌 始走进许多家庭，人们对住宅的安全舒适、方便等功能提出了新的要求。为了适 应新的住宅需求，国家将建设智能化小康示范小区列入国家重点发展方向【2 1 。 智能小区是对小区各建筑群的四个基本要素( 结构、系统、服务、管理) 的 进一步优化组合，以家庭智能化为核心，采用集成的方法，建立一个沟通小区住 户与住户，住户与小区管理中心，住户与外部社会之间的综合信息交互系统。为 2 住户营造一个安全、舒适、节能、高效的居住和生活环境。实现对其住户更加周 到和及时的服务，以及对整个社区实现更加人性化的管理。具有以下共同特点： ( 1 ) 住宅内部具备完善的、综合了安保防灾措施与生活服务的智能控制器。 ( 2 ) 住宅小区与社会之间具有高度的信息交互能力。 ( 3 ) 小区内部具备完善的安保措施、全面的公用设施监控管理和信息化的社 区服务管理。 ( 4 ) 为小区内住户提供多媒体的多种信息服务。 门禁系统作为智能小区中不可或缺的一部分，是新型的现代化安全管理系 统，使我们足不出户就可以方便地实现对设防区域设备的控制及信息反馈，加强 对人、财、物的有序及时有效监控管理，提高了资源共享利用率，减少了人力资 源的消费，避免了诸多人为因素的干预。门禁系统主要是通过对门磁开关、门控 开关、防盗报警探测器及识别器等传来的信息进行识别、分析，从而有效地监视 并管理门的开启与关闭，保证授权出入门人员的自由出入，限制未授权人员的进 入，对暴力强行侵入的行为及其他异常情况予以报警；同时对出入人员代码、出 入时间、出入门位置号码等信息进行登记存储与管理，以实现对出入事件或人员 的有效检索管理1 3 j 。 1 3 课题领域的国内外动态和发展趋势 门禁系统的基本含义就是出入口控制系统。它的作用在于管理人群进出管制 区域，限制未经授权者进出特定区域，并使已授权者在进出上更简捷，而且根据 实际需要来查询一系列记录。门禁系统是在建筑物内的主要管理区的出入口、电 梯厅、主要设备控制中心机房、贵重物品库房等重要部位的通道口安装门磁门、 电控锁或读卡器等控制装置，由中心控制室监控，系统采用计算机多重任务的处 理，能够对各通道口的位置，通过对象及通行时间等进行实时控制或设定程序控 制，适应小区、办公楼的公共安全的管理【4 l 。 传统的机械门锁仅仅是单纯的机械装置，无论结构设计多么合理，材料多么 坚固，人们总能通过各种手段把它打开。在人员变更频繁的场所( 如办公室，酒 店客房) 钥匙的管理很麻烦，在一些大型机关、企业，钥匙的管理成本很高，钥 匙丢失或人员更换时往往要把锁和钥匙一起更换。特别是传统机械钥匙容易出现 重复，而且出入没有记录，其安全性非常差。为了弥补上述问题于是出现了电子 磁卡锁，电子密码锁，这从一定程度上提高了人们对出入口通道的管理程度。但 它们本身的缺陷就逐渐暴露，磁卡锁的问题是信息容易复制，卡片与读卡机具之 问磨损大，故障率高，安全系数低。密码锁的问题是密码容易泄露。这个时期的 门禁系统还停留在早期不成熟阶段，因此当时的门禁系统通常被人称为电子锁， 应用也不广泛。 最近几年随着数字技术网络技术飞速进步和感应卡技术，生物识别技术的发 展，门禁系统得到了飞跃式的发展，出现了感应卡式门禁系统，指纹门禁系统， 虹膜门禁系统，面部识别门禁系统，乱序键盘门禁系统等各种技术的系统，而且 门禁系统早已超越了单纯的门道及钥匙管理，它已经逐渐发展成为一套完整的出 入管理系统。门禁系统的应用领域也越来越广，是人们在公共场所实施进出口管 理最有效的工具。它在工作环境安全、人事考勤管理、大规模人员出入等管理工 作中发挥着巨大的作用【5 j 。 随着电子芯片的高度集成化，门禁系统的功能也变得越来越完善和简捷，而 且越来越容易操作。门禁系统的发展过程如下： 1 第一代门禁 单一的键盘输入密码方式。常常会有因忘记密码而被拒之f - # l - 的尴尬事情发 生。 2 第二代门禁 接触式卡门禁系统。所用的接触式卡片有磁码卡和铁码卡。磁码卡是把磁质 贴在塑料卡片上制成的。磁卡可以改写，应用方便。其缺点是易消磁、易磨损： 铁码卡卡片中间用特殊的金属线排列编码，采用会属磁烧的原理制成，不易被复 制。铁码卡可有效的防磁、防水、防尘，是安全性较高的一种卡。这种系统虽然 有些改进。但是如果卡片不小心被消磁或弄脏，进入人员将被拒之门外。 3 第三代门禁 感应卡，即非接触式i c 卡门禁。非接触式i c 卡一般指无源i c 卡，卡片采 用了先进的半导体制造技术和信息安全技术，利用电子回路及感应线圈在读卡器 本身产生的特殊振荡频率，当卡片进入读卡器能量范围时产生共振，感应电流使 电子回路发射信号到读卡器，经读卡器将接收的信号转换成卡片资料，送到控制 器对比。 4 第四代门禁 生物辨识系统。它包括指纹机、掌纹机、视网膜辨识机和声音识别装置等。 指纹和掌纹辨别用于安全性较高的出入口控制系统，视网膜辨识机和声音辨识装 置在正常情况下安全性极高，但若视网膜充血或病变以及感冒等疾病会影响使 用。 以上几代门禁系统中，磁码卡价格便宜，仍被使用；铁码卡和感应式保安性 能好，现在比较流行；生物辨识技术安全性极高，一般应用在军政要害部门或银 行黄金库等场所【6 】。 由于磁卡、接触式i c 卡对操作环境的要求较高，磁卡及i c 卡本身的工作有 4 一定寿命期，再加之识别过程中操作者的动作和所需时间明显多于非接触式卡， 因而，从目前全球门禁系统的前端输入设备的水平及发展方向来看，虽然磁卡、 接触式i c 卡、读卡器在门禁系统的应用中还有一部分市场，但从发展趋势上看， 除宾馆锁外，磁卡i c 卡读卡器已在逐步快速地退出门禁系统市场，非接触式智 能卡势必将全面取代磁卡、i c 卡市场。非接触式卡和读卡器的关键技术掌握在 欧美国家和部分亚洲国家中。但真正形成大批量生产的厂家还只有美国；德国、 英国次之；日本、台湾、新加坡处于同一档次；中国还正在起步跟进【7 j 。 1 4 课题来源及出发点 本课题来源于北京邮电大学校办企业“北京布来得通信技术开发公司 的一 个科研项目。项目的工作重点是以基于a r m 9 的嵌入式l i n u x 系统开发平台为 基础设计出实现视频和音频功能的门禁控制系统，用于智能小区系统中，以更方 便的实现对小区安防、人员出入等方面的控制。本课题侧重于门禁控制器的研究 与设计，主要包括以下工作：基于a r m 9 的嵌入式l i n u x 开发平台的搭建，交 叉编译环境、内核编译等开发环境的建立，串口通信模块，以太网驱动模块、嵌 入式音频模块。另有l c d 屏显模块、无线传输模块、视频监控模块等其他系统 相关组件由其他课题成员负责完成。 1 5 研究任务及主要工作 本课题的任务如下： ( 1 ) 了解a r m 9 高性能3 2 位嵌入式处理器的体系结构，及基于a r m 9 内 核的$ 3 c 2 4 1 0 芯片的内部结构，查阅相关技术资料。 ( 2 ) 建立基于a r m 9 的嵌入式系统开发平台，并搭建交叉编译环境，配置 内核等。 ( 3 ) 分析并设计基于a r m 9 的嵌入式智能小区门禁控制系统的类型和组成， 并构建嵌入式系统开发环境。 ( 4 ) 研究学习l i n u x 设备驱动开发流程，编写并移植可运行在开发板上的 以太网和音频驱动程序。 ( 5 ) 研究并实现门禁控制系统的各个功能模块，包括串口通信模块，以太 网驱动模块，嵌入式音频模块等。 1 6 本论文的章节安排及主要内容 本课题是基于嵌入式l i n u x 与$ 3 c 2 4 1 0 处理器的嵌入式系统开发平台在智 能小区门禁控制系统中的应用，本人所做的主要工作是嵌入式平台交叉编译环境 的建立、门禁控制器平台的搭建、内核的配置与编译系统的研究、l i n u x 设备驱 动的研究与移植，串口通信模块、以太网驱动模块、嵌入式音频模块的实现本 论文共分为六章： 第一章介绍了课题提出的来源、背景、意义和课题研究的主要任务和工作。 第二章介绍了本课题研究的门禁控制系统的总体构成设计和a r m 9 嵌入式 开发平台的搭建。 第三章介绍了本课题中嵌入式系统开发环境的建立，m a k e f i l e 文件的配置和 l i n u x 内核的配置和编译。 第四章介绍了门禁控制器与读卡器之间的串口通信模块的研究和设计。 第五章介绍了嵌入式l i n u x 系统中的以太网驱动模块的研究和程序设计。 第六章介绍了针对智能小区应用的嵌入式音频输入输出模块的研究和程序 设计。 第七章为对本课题的总结和展望。 6 第二章系统总体设计与a r m 9 嵌入式开发平台搭建 2 1 系统总体设计 2 1 1 课题研究的门禁系统类型分析 本课题研究的门禁控制系统类型为畎网型门禁系统。联网型门禁系统的具有 很多的优点，如系统安全系数高性价比好，功能强大，操作便捷，u r 以通过刷 卡记录数据分析和管理衍生出考勤等增值功能。 联网型门禁系统，技术更加先进，通汛速度更快，联网范围更广，通讯更稳 定，足当前门禁系统的辛流和趋势。 肆组网示意图直【| 图2 1 ： 三三三三三 圭兰二兰三二；苎三二兰三= = 三兰 图2 - 1网络型门禁系统局域网组网示意图 21 2 课题研究的门禁系统组成分析 小课题设的有线联m fj 禁系统主要山门檗拧制器、读卡器、f 乜控锁、fj 磁 开门丌关、识别 和通信管理器、管理主机锋组成。其系统构成设“如斟2 - 2 ： 司。 一生瓣尹匡， 南 尹二 雪t # g 图2 2 门禁系统组成图 其中，控制器、读 器、电控锁、门磁、丌门开关、识别卡构成基本的门禁 控制单元设各。门禁控制器是门禁系统的核心，由一台微处理机相应的外围电路 组成。立u 果将读卡器比做系统的眼睛，将电控锁比做系统的手，那么控制器就是 系统的大脑，出它来决定某一张是否为本系统已注册的确效卡，欧卡是否符合所 收定的n , j 问段和丌门权限，从而拄制电控锁是古打r 。 控制器是整个系统的核心控制部分，对门锁的切操作均盯岂米控制完成； 并且，主机发送的控制命令，以及门锁的状态和记录信息都经 l i 控制器来传送。 因此，门禁系统的智能化程度也就主要取决于这部分的设计。本课题的研究重点 就在于摔制器的丌发和设计。 通信管理器用于采用有线联网方式的门禁系统中，作为主机的辅助设备， 管理系统的通信：门禁读卡器，读取卡片中的数据与信息井将这此信息传送到 门禁控制器；门磁传感器，用于检测门的安仝丌关状态，可以反映门的实时状 态，通过门磁信号，控制器町以判断是否是合法丌门，如果是非法丌门，同时给 予相应的撤臀信号；电控锁是禁系统的执行部件，大部分电控锁在断电时呈丌 门状态：肝门丌关，适用于对出门无限制的情况。 2 1 3 嵌入式开发平台设计 嵌入式j r 发r 台由碗什 i 软件两_ ； f 分组成，硬件采用核心板加底扳( 或称扩 展板、外设板) 的结构方式，核心板主要包括处理嚣、存储器，其他部分如输入 输出设备、u s b 口、网口、串口等放置在底板t ：软件包括b o o tl o a d e r 、操作 系统( o s ) 、文件系统和g u i 应用程序等。其系统结构如图： 尘一 军隰孕弘 应用层 晰b 出 二亘匦亘受亘至l 软件 扩展电路1 1人机交互接e l l c d 触摸屏、键盘、鼠标ll网络 图2 3 开发平台系统结构图 其中，嵌入式处理器采用韩国s a m s u n g 公司的$ 3 c 2 4 1 0 芯片，以太网控制 器芯片采用中国台湾d a v i c o m 公司的d m 9 0 0 0 ，音频解码芯片采用荷兰p h i l i p s 公司的u d a l 3 8 0 。b o o t l o a d e r 采用韩国m i z i 公司的v i ，嵌入式操作系统选 择l i n u x 操作系统。 2 2 嵌入式系统 2 2 1 嵌入式系统定义 i e e e 对于嵌入式系统的定义是：嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助 操作机器和设备的装置 。在中国嵌入式系统领域，比较认同的嵌入式系统概念 是t 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，适合应 用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗要求的专用计算机系统。 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，是可靠 性高、成本低、体积小、功耗少的非计算机系统。因此它包含了十分广泛的应用， 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，系统中采用片上系统( s o c 亦称系统芯片) 将是其发展 趋势【8 1 。 2 2 2 嵌入式系统的特点 由于嵌入式系统是应用于特定环境下执行面对专业领域的应用系统，所以不 同于通用计算机系统应用的多样化和适用性。它与通用的计算机系统相比具有以 9 器 回回回固 下特点： 1 系统内核小。由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置，系统资源相 对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多； 2 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、集成度高等特点； 3 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中对处理器的选 择更具有竞争力； 5 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： 6 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中，而不是存贮于磁盘等载体中； 7 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是不 能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发【9 】。 2 2 3 嵌入式系统的历史、现状及发展趋势 虽然嵌入式系统是近几年才丌始真正风靡起来的，但事实上嵌入式这个概念 却很早就已经存在了。嵌入式系统的历史几乎和计算机自身的历史一样长。它们 最初于6 0 年代晚期在通讯中被用于控制电话交换机。由于在过去的近二十年罩， 计算机产业不断朝着更小的系统方向发展，嵌入式系统也与之一起为这些嵌入式 设备提供了更多的功能。随着网络的不断普及，对于在嵌入式系统中连接到某种 网络上的需求大量增加，因而也就产生了对网络栈的要求，这样系统的复杂程度 明显提高，并要求更多的存储器和接口，进而产生了对操作系统服务的需求l l o j 。 纵观嵌入式系统的发展历程，大致经历了以下四个阶段： 无操作系统阶段，这种嵌入式系统使用简便、价格低廉，因而曾经在工业控 制领域中得到了非常广泛的应用，但却无法满足现今对执行效率、存储容量都有 较高要求的信息家电等场合的需要。 简单操作系统阶段，此时的嵌入式操作系统虽然比较简单，但已经具有了一 定的兼容性和扩展性，各种简单的嵌入式操作系统开始出现并得到迅速发展。 实时操作系统阶段，此时已具备了文件和目录管理、设备管理、多任务、网 络、图形用户界面( g u i ) 等功能，并提供了大量的应用程序接1 5 1 ( a p i ) ，从而使得 应用软件的开发变得更加简单。 面向i n t e m e t 阶段，随着i n t e m e t 的进一步发展，以及i n t e r a c t 技术与信息家 1 0 电、工业控制技术等的结合日益紧密，嵌入式设备与i n t e m e t 的结合才是嵌入式 技术的真正未来。 随着微电子技术的飞速发展，c p u 已经变成低成本器件。在可能的情况下， 各种机电设备已经或者正在使用嵌入式系统。现在系统研究的重点已从通用系统 转向专用系统，当前嵌入式系统的发展趋势主要表现在以下几个方面：3 2 位嵌 入式处理器比例快速升高；多核结构处理器；更低功耗；更宽工作电压范围；更 先进的工艺和更小的封装。 目前国内的3 2 位嵌入式处理器也呈现出群体突破的态势，方舟一号、方舟 二号、龙芯等一大批3 2 位嵌入式处理器陆续问世，但是开发工具、生产能力等 问题还未解决，阻碍了它们的推广应用。另一方面，在s o p c ，软硬件协同设计 等较为前沿的领域我们还处于研究和探索阶段，与国外先进水平尚有较大差距。 但我们有理由相信，采用国产芯片和操作系统的嵌入式开发己不再遥远【l l 】。 2 3 嵌入式开发平台软件部分 软件是嵌入式系统的灵魂。一般包括b o o tl o a d e r 、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。结构如图： 用户应用程序( m i n i g u i ) 文件系统 l i n u x 内核 引导加载程序( v i v i ) 2 3 1b o o t l o a d e r 的选择 图2 _ 4 嵌入式系统软件结构 b o o t l o a d e r 就是在操作系统内核运行之f j 运行的一段小程序，被用作系统从 硬件启动到操作系统启动的过渡，是嵌入式系统中必不可少的一段程序。通过这 段小程序，完成硬件设备的初始化、建立内存空间的映射图等工作，从而将系统 的软硬件环境带到一个合适的确定状态，以便最终为操作系统内核的加载准备正 确的环境。一般它只在系统启动时运行非常短的时问，但对嵌入式系统来说，这 是一个非常重要的系统组成部分。b o o t l o a d e r 是严格地依赖于硬件环境实现的， 特别是在嵌入式系统中。 v i 是韩国m i z i 公司开发的b o o t l o a d e r ，适用于a r m 9 处理器。在一个基 于a r m 的嵌入式系统中，系统上电或者复位后，所有的c p u 通常都从某个由 c p u 制造商预先安排的地址上读取指令，而在这个地址处安排的通常就是系统 的b o o t l o a d e r 。基于c p u 构建的嵌入式系统通常都有某种类型的固态存储器( 如 r o m e e p r o m 或者f l a s h 等) 被映射到这个预先安排的地址上，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j 下确的 环境。在它完成c p u 和相关硬件的初始化之后，才从事先规定的地址启动操作 系统或者嵌入式系统的固化程序【l 引。 2 3 2 嵌入式操作系统的选择 经过几年的发展，l i n u x 技术和产品r 趋成熟，相对其他商业操作系统，如 w i n d o w sc e 、v x w o r k s 、p s o s 等，采用l i n u x 进行嵌入式系统开发具有以下优 点： ( 1 ) 嵌入式l i n u x 源代码开放。这使得学习、修改、裁剪l i n u x 成为可能， 嵌入式系统的设计者可以根据项目实际需要对嵌入式l i n u x 进行二次开发，去 掉操作系统的附加功能，只保留必须的操作系统功能。 ( 2 ) 成本低，源代码完全免费。嵌入式l i n u x 是开放源代码的自由软件， 遵循g p l 协议，它的源代码可以自由获得，使用嵌入式l i n u x 丌发嵌入式应用， 用于购买嵌入式操作系统的费用可以忽略不计。而商业操作系统每个拷贝售价在 几百美元到几万美元不等，如果需要操作系统的源代码，则还需要另外购买。嵌 入式l i n u x 的开发工具也可以免费获得。相比之下，嵌入式l i n u x 这一优点 对于对成本和能耗极为敏感的嵌入式产品是十分重要的。 ( 3 ) 强大的网络支持功能。嵌入式l i n u x 诞生于因特网时代并具有u n i x 的 特性，保证了它支持所有标准因特网协议，并且可以利用l i n u x 的网络协议栈将 其开发成为嵌入式的t c p i p 网络协议栈。 ( 4 ) 优秀的开发工具。丌发嵌入式系统的关键是需要有一套完善的开发和调 试工具。在线仿真器的价格非常昂贵，而且只适合做非常底层的调试。如果使用 的是嵌入式l i n u x ，一旦软硬件能够支持正常的串口功能时，即使不用在线仿 真器也可以很好地进行开发和调试工作，从而节省了一笔不小的开发费用。嵌入 式l i n u x 具备一整套工具链，容易自行建立嵌入式系统的开发环境和交叉运行 环境，可以跨越嵌入式系统丌发中仿真工具的障碍。 1 5 ) 广泛的硬件支持。嵌入式l i n u x 支持的硬件平台很多，包括x 8 6 、a r m 、 m i p s 、a l p h a 、p o w e r p c 等多种体系结构，目前已经成功移植到数十种硬件平 1 2 台，几乎能够运行在所有流行的c p u 上，支持各种主流硬件设备和最新的硬件 技术。因此嵌入式l i n u x 的移植是嵌入式开发中的热点。 ( 6 ) 良好的可移植性。l i n u x 是一种可移植的操作系统，能够在从微型计算 机到大型计算机的任何环境中和任何平台上运行。可移植性为运行l i n u x 的不同 计算机平台与其他任何机器进行准确而有效的通信提供了手段，不需要另外增加 特殊的和昂贵的通信接口。l i n u x 也符合i e e ep o s i x 1 标准，使应用程序具 有较好的可移植性。 ( 7 ) 系统安全可靠。l i n u x 采取了许多安全技术措施，包括对读、写进行权 限控制、带保护的子系统、核心授权等，这为网络多用户环境中的用户提供了必 要的安全保障【1 3 】。 2 3 3 文件系统的选择 l i n u x 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l i n u x 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 t 2 、c r a m f s 、j f f s 2 、n f t l 、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。在嵌入式的环境下，内存和 外存的使用都需要节约使用。c r a m f s 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黄 数据时，马上计算出数据在c r a 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 r a m f s 。 2 3 4 图形用户界面g u i 的选择 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。因此，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 c r o w i n d o w s ，常用的有精简的xw i n d o w s 系统、m i n i g u i 、 m i c r o w i n d o w s 、o p e n g u i 、q t e m b e d d e d 等。 m i n 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。 1 3 2 4 嵌入式开发平台硬件部分 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、存储器、电源管理 和外围电路等。其硬件结构如图： 电源模块 f l a s h 微处理器 时钟 m p u $ 3 c 3 410i r a m l 复位 r o m i l ， 弋乡 外设 网u l c d 触摸屏 串口其他 2 4 1 嵌入式处理器 图2 - 5 嵌入式系统硬件结构 近年来，随着微电子技术、计算机技术、通信以及网络技术的发展，嵌入式 技术渗透到各个领域。由于被嵌入对象的复杂程度变化很大，对嵌入式系统本身 在性能、体系结构等方面要求多样化，导致了嵌入式系统及其应用的多样性。作 为嵌入式系统核心的嵌入式微处理器必须应对嵌入式应用面临的挑战，而a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 嵌入式微处理器，以其完整的体系结构发展系列， 极小的体积、极低的功耗、极低的成本、极高的性能，及时根据嵌入的对象的不 同进行功能上的扩展的优势，在众多种类的嵌入式微处理器中脱颖而出。 首个被设计的a r m 处理器芯片采用的加载存储体系结构是典型的精简指 令集计算( r i s c ) 结构。a r m 体系结构继承了r i s c 结构中的加载存储体系 结构、固定长3 2 位指令和三地址指令格式。a r m 处理器大量使用寄存器，指令 执行速度更快，大多数数据操作都在寄存器完成4 。 采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点： ( 1 ) 体积小、低功耗、低成本、高性能； ( 2 ) 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，很好的兼容8 位1 6 位器件： ( 3 ) 大量使用寄存器，指令执行速度更快； 1 4 ( 4 ) 大多数数据操作都在寄存器中完成； ( 5 ) 寻址方式灵活简单，执行效率高； ( 6 ) 指令长度固定。 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 di n s t r u c t i o ns e t c o m p u t e r ) c p u 开发领域不断取得突破，其结构已经从v 3 发展到v 6 。由于a r m 公司从不生产或销售芯片，而是设计出高效的i p ( i n t e l l i g e n c ep r o p e r t y ) 内核， 向各大半导体制造商出售知识产权，加上其设计的r i s c 处理器具有性能高、功 耗低、成本低等显著优点，因此获得众多半导体厂家和整机厂商的大力支持【1 5 1 。 s a m s u n g 公司$ 3 c 系列芯片是国内市场占有率最高的a r m 核处理器芯片， 其中基于a r m 9 内核的芯片$ 3 c 2 4 1 0 ，其接口模块丰富，适用面广，可用于手 持设备、可视电话、楼宇的对讲系统、v o i p 、网络监控、多媒体终端产品、医 疗电子设备和各种其它移动无线应用等。 $ 3 c 2 4 1 0 是基于a r m 9 2 0 t 处理器核的1 6 3 2 位r i s c 嵌入式微控制器，该 内核由a r m 9 t 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 的指令c a c h e 和1 6 k b 数据 c a c h e 组成。$ 3 c 2 4 1 0 的资源丰富，包括：1 个l c d 控制器、s d r a m 控制器， n a n d 闪存控制器，3 路u a r t 、4 路d m a 、4 路带p w m 功能的计时器和1 个 内部时钟、1 1 7 位通用i o 口和2 4 位外部中断源、8 路l o 位a d 控制器、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、s d 接口和 m m c 卡接口、看门狗计数器、2 路s p i 。在处理器丰富资源的基础上，$ 3 c 2 4 1 0 核心板上还配置了1 6 m b16 b 的f l a s h 和6 4 m b3 2