（测试计量技术及仪器专业论文）基于arm和嵌入式linux的车载导航系统研究.pdf

硕士学位论文 摘要 随着导航技术豹发展，基予p 祝的导航定位系统由于箕价格及功耗较商己不 能满足社会发展的需要，脱离p c 端的嵌入式好航定做技术迅速发展起来，但这些 嵌入式等航系统一觳采桶w i n c e 等裔鼗操作鬣统，需交纳使瘸费，增加了产品成 本，造成产品价格居高不下。 根攒以上两点，本文提密了戳a r m 器件为c p u ，鞋嵌入式l i n u x 为簌俘内 桉的g p s 车载自主导舷系统的设计恩想。l i n u x 操伶系统是个开源、免费的操作 系统，a r m 是巍前全球领先的1 6 3 2 使r i s c 徽处理器内梭，现在大多数渤髓强 大的嵌入式处理器都基于a r m 内核构建。这样的设计，解决了单独的基于p c 机 鹩导航系统和鏊子w i n c e 懿嵌入式导航系统成本商筑携带不便豹阉题，系统性价 比高，可弥补传统导航定位系统的不足。 本文在筒簧奔绍瑗霄车载静虢系绫豹摹本原理菠其不慧豹薹稿t ，奔绍了基 于a r m 和l i n u x 的嵌入式车载导航系统设计思想。在嵌入式车载导航系统中， 鞭释系统是软 睾靛运行平台，焱入式l i n u x 淹欷伟棱心，它控翻着攘个系统翡掰 有资源并为应用程序的开发打下基础，在系统占有重要的地位，因此本文对导航 系统豹磷律平台及嵌入式l i n u x 逶行璧熹研究。 本文使用六个章节对导航系统的构建进行了详细的阐述。第一章回顾g p s 导 靛系统鹣发暴获提，撵疆课题疆究鹜焱及主要工捧；第二章澜述袋入式系统豹狡 念、组成、开发流程及调试方法，构建车载导航系统开发平台；第三章介绍导航 系绫豹疆孛 设诗，包括参控模浚、缝合鼯靛模块、茨盗逶诿模浃察入梳交互摸头溷 大部分；第四章详细描述移植l i n u x 到m x l 开发板的过程，包括：交叉编译环境 瓣建立、下载饕净( f l a s h l o a d c r ) 靛实鬟、痿动孳| 孕期载代码b o o t l o a d e r 浚诗与移植、 l i n u x 内核的启动分析及移植到硬件平台的整个过程、l i n u x 驱动模溅的深入的分 _ l 蠢及l c 转赣缓狰显示竣善驱溯鹃蓼撩、棂文箨系统熬梅建等；第轰章戳撒入式 l i n u x 操作系统在车载导航中的应用为实例，介绍嵌入式系统软件的设计与实现， 逶过论述g p s 车装导靛系统审定位模块静开发遘程，探谤了基子a 髓& l i n u x 平台的威用开发。本文在最后对论文的工作进行了总结，并指出不足之处，展望 了a r m & l i n u x 豹发震方自。 关键溺：擎簸导簸； 嵌入式系绕；a r m ；l ln u x ；蠹核；竣簧驱动； b o o t l o a d e r 文件系统 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa i r m a n s h i p ，p e o p l ea r e n ts a t i s f i e dw i t hn a v i g a t i o n s y s t e m st h a ta r eb a s e du p o np e r s o n a lc o m p u t e r , b e c a u s et h e ya r ee x p e n s i v ea n d h i 砖一p o w e r n o w , e m b e d d e dn a v i g a t o r sh a v eb e e nd e v e l o p e dr a p i d l y , b u tm o s to f t h e ma r eb a s e do nw i n c eo p e r a t i o ns y s t e m ，w h i c hi n c r e a s e st h ec o s to fn a v i g a t i o n s y s t e m s a c c o r d i n g l y ，i ti sp u tf o r w a r dt h eg e n e r a ld e s i g ni d e ai nw h i c ha l la r m c o n t r o l l e ri su s e d 鑫sc p ua n de m b e d d e dl i n u xl su s e da st h ec o r eo fs o f t w a r e 。l i n u x i sa no p e na n df r e eo p e r a t i o ns y s t e m ；a r mi sa ne x c e l l e n t3 2 - b i tr i s cc p uc o r e 。a n d m o s tp o w e r f u le m b e d d e dc p u sa r ed e s i g n e do nt h eb a s eo fa r m ，t h i sd e s i g nc a n r e s o l v et h eq u e s t i o no fc o s t l i n e s s e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mi st h ec o r eo fe m b e d d e da u t o m o b i l en a v i g a t i o n s y s t e m s i tm a n a g e sa r m sr e s o u r c ea n di st h eb a s eo fa p p l i c a t i o n ，s oi tw i l lb e d i s c u s s e di nd e t a i li nt h i sa r t i c l e s i xc h a p t e ra r eg i v e nt oi l l u s t r a t et h en a v i g a t i o ns y s t e m i nt h ef i r s tc h a p t e r , s o m ef u n d m e n t a lc o n c e p ta n ds t a t u so fg p sn a v i g a t i o ns y s t e m sa r ep r e s e n t e d c h a p t e r2i n t r o d u c e st h ec o m m o ns e n s eo fw h a ti se m b e d d e ds y s t e m 、s t r u c t u r e 、h o w t o d e v e l o pa n dd e b u g 、e m b e d d e dp l a t f o r m 。t b eh a r d w a r ed e s i g ni se x p o u n d e di n c h a p t e r3 ，w h i c hi n c l u d ef o u rp a r t s t h e nw ef o c u so nh o wt om e r g et h e mt o g e t h e ri n c h a p t e r4 ，t h a ti s ，p o r t i n gl i n u xt om c 9 3 2 8 m x l ，t h i si n c l u d e ss e v e r a lp a r t s ，t h ef i r s t p a r ti sf l a s h l o a d e rw h i c hc a nb eu s e dt od o w n l o a dp r o g r a m s ；a n dt h e n ，g i v eo u t d e v e l o pm o d e lo fs t a r t - u pg u i d ec o d e ( b n o t l o a d e r ) w h i c hr u n sb e f o r el i n u xk e r n e t a n dl i n u xk e r n e l ss t a r t - u pa n a l y s i s ，a l s op o r t i n gt h e mt oa r m 9m x i ；t h i r d l y , w e r e a l i z e st h ep o r t i n go fl c df r a m e b u f f e rd r i v e rb a s e do nd e e p l yg r a s p e dl i n u xd e v i c e d r i v e rm o d e l ；f o u r t h l y , t h er o o t f s ( f i l es y s t e m ) 一一c r a m f si sd e s i g n e d t h e nw eg i v e a ne x a m p l et h a tb a s e do nt h ee m b e d d e dl i n u xi nc h a p t e r5 ，w h a tw ec a l la u t o m o b i l e n a v i g a t i o n ，a n dd i s c u s sh o wt od e v e l o pw i t ho u ra r ml i n u xt om e e tt h en e e do f a p p l i c a t i o n ，t o o ，a tl a s t ，w es u mu pt h ew o r ko ft h i st h e s i sa n dp o i n to u ti t s s h o r t c o m i n g s k e y w o r d s ：a u t o m o b i l en a v i g a t i o n ； e m b e d d e ds y s t e m ：a r m ；l i n u xk e r n e l ； d r i v e r ：b o o t l o a d e r ；f i l es y s t e m l j l 湖素大学 学位论文原创性声明 本入郑重声鹳：所量交酌论文怒本久在导帮的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标淀引用的内容外，本论文不包含任 何其德个人或集体b 经发表溅撰写的成果佟晶。对本文的研究徽燃重要羹 献的个人和集体。均已在文巾以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律薅票耄本人零挺。 律者签名：日期：年月 酗 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者宠全了鳃学校蠢关保髯、使用学位论文懿规定，网意 学校探窝并淘薄家霄荧部门裁辊梅送交论文游笺涕件帮电子敝，允许论文 被查麓饔借潮。本久授权湖奄大学胃戬将零学戳论文酶全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、镰蜜霜，在年解密嚣逶翅本授教书。 2 、不保密丞。 ( 请在叛上耱馥方框肉汀“”) 作者签名： 导师签名； 日期：d 6 年岁月哆日 珏勰：驴6 年f 月多圈触孬 番多 、”，f 1 1 车载导航概述 第1 章绪论 近年来，随着全球经济的快速发展，国内外的各种各样的车辆也在不断增多， 这给人们的工作和出门旅行带来了极大的便利，但这也使交通网络逐渐变得越来 越复杂，因为在现今社会，交通是仍以公路交通为主体，公路交通网络正在逐渐 越来越拥挤，尤其是在城市中，公路交通通常都是高度复杂，无比拥挤，常常造 成迷失、堵塞等现象，给人们带来了巨大的时间、经济损失，甚至是人员的伤亡。 这使人们开始致力于将先进的信息处理技术、数据通信技术、电子控制技术 和计算机技术等集成一体，研制出智能交通系统i t s ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m ) ， 应用于道路交通当中，以提高交通运输效率，保证公路交通的安全和方便人们的 出行，节约人们的时间，以促进社会经济的发展和提高人们的生活水平。智能交 通系统包括车辆定位、车辆导航、自导航、路径规划、车辆监控、车辆调度以及 实时跟踪等多个方面【l 】。智能交通系统将出行者、车辆、道路交通网络这三个方 面作为一个整体考虑，能有效的解决道路网路复杂、拥挤、堵塞等难题，使出行 者能更加快速、安全、舒适的到达目的地，且能有效的节约能源、减小环境污染。 在i t s 中，智能车辆定位导航系统i v l n s ( i n t e l l i g e n tv e h i c l el o c a t i o na n d n a v i g a t i o ns y s t e m ) 是其中最为核心的一部分。它是基于矢量电子地图v e m ( v e c t o r e l e c t r o n i cm a p ) 的将全球定位系统( 6 p s ) 、地理信息系统( g i s ) 、地图匹配技术相结 合的实时智能导航系统，实现i t s 中的车辆定位、车辆导航、自导航、路径规划等 核心内容，是提供高精度、高可靠性的智能交通定位导航系统的i t s 的关键。典型 的智能车辆定位导航系统由电子地图数据模块、地图操作查询模块、定位模块、 路径规划模块、路径引导模块等组成h j 。 对于车辆定位导航系统的研究，国外研究较早，2 0 世纪7 0 年代初期，美国就 开发了自主导航系统，利用推算定位模块以及地图匹配算法进行车辆定位。2 0 世 纪8 0 年代中期，一种称为n a v i g a t o r 的汽车自主导航系统便被投放市场了，它使用 了数字地图数据库、推算定位和地图匹配技术把车辆的当前位置和目的地位置以 图标形式显示在电子地图上。另一种被称为g u i d e s t a r ，采用全球定位系统接收机 的自主导航系统，也于1 9 9 4 年投入市场p 】。目前，在美国汽车导航定位系统的研 究已具有很高的水平，例如e t a k i n c 公司研制的汽车导航系统，不仅可以为用户 提供以汽车为中心的不断更新的地图，而且可以为用户提供多条可选的路线以及 最佳路线。日本和欧洲随后都开展了智能交通系统的研究。在日本，车辆定位和 褥航系统始于1 9 7 1 年韵c a c s 汽车综合管理系统计划，2 0 世纪8 0 年代，日本就已 经推出了一种自主导航系统，该系统采用了彩色显示器以及用c d r o m 存储数字 撼图的新技术。从那阻后，各藏各样的、越来越先进的导靛系统，比如采用了全 球定位系统接收机、地图匹配、和声费引导技术的系统，在市场上不断涌现，到 2 0 世纪9 0 年代中期就己经有多遮1 2 0 万台的导航系统卖给了用户。在欧洲，率辆导 航起步也算比较晚，但b o s c h 公司于1 9 8 3 年就推出了车辆爨主导航系统，蕊且很 多著名酌汽车厂商，铡如德国豹著名汽车厂商奔驰、宝马等都已在他们生产的车 辆上安裟较为先进的导航设备【4 l 。 相比较而富，我国汽车导航系统的研究只是剐刚起步。g p s 车辆应用系统产 晶以g p s 的指挥脓控、调度报警系统为主，大多仅实现定位功能，聪车辆自导航 等商产晶基本没有发展起来，闲此，运项产赫在中国的市场几乎属予空白。随着 城市化进程的快速发展以及对锶能化交通的簧求加深，同时经济的发展也带来跨 销市闻驾车活动的愈加频繁，豳蠹车栽导靛系统己赴于市场的开发稿动阶段p j 。 一个对国内导航系统开发有利的情况是【5 】：由于母靛系统需要嫩理信息系统 帮导虢软俘韵支持，同时中井在交通习惯以藐道路建设等方褥有很大的差剃，国 外导航系统在进入中国市场的过程中裙很大的障碍，本地化进展并不顺利，所以 擞然国外产晶院较先邋，僵逛并没有真正丈瓣模避入中国市场。 综上所述，国内车辆定位和导航设备及系统的设计和开发目前仍然存在着一 黧闯题，毽车辆定谴霸浮航领域有巨大潜力，矮有光踞静静景，并将带来徽大豹 缀济效益。 1 2 构建车载导航系统的两大基础平台及其现状 舀箭，国外车载导航系统的设计太多采用嵌入式系统方案，嵌入式系统的应 用软件与系统的硬件一体他的工作方式。这釉系统具宥效率蠢、可靠性高、占耀 存储空闻小等特点，适合于要求实时赴理和多任务的体系，特别是车载导航系统。 一般情况下，车载导航系绞可以分为三层平台【6 】；嵌入式硬传平台、嵌入式 掇作系统平台和簿航应掰软侔。其中嵌入式硬件板和嵌入式操作系统属于两大基 础平台。 嵌入斌硬释平台以燕视税为核心。由车载1 2 v 电源供电，主机板可接收来自 g p s d r 的组合定位信息和操作控制隧板以及触摸屏的输入接号。 配永久存储 设备c f 卡、s d 卡等。主税板w 输出视频信号，还可以通过控制器岛多媒体播放 主机实现融合，在需要时，主机板还可与g p r s 通讯模块之间交互傣息，实现无 线遥 曩。主税板在选择辩可以考虑多种芯片方案，目前比较流行的有i n t e l 公司的 x 8 6 嵌入式c p u 的主板方案；繁于r i s c 架构的a r m 系列主板方案；基于r i s c 絮梅静d s p + 单片杌主教方案；以及基于日立s h 3 、s h 4c p u 芯片的系列主板。 碗士学位论文 其中x 8 6 系列主板运算能力和图形她理能力较强，但由于价格及功耗较离，对散 热要求也较高，一般用于高档车的攀载信息系统和高档的鼯航系统中，农目前国 内车载碍航系统的研究中，实验室研究阶段使用这种方案的情况比较多，在市场 推出的真正产品少。d s p + 单片枫系列则由于综合功能较熬，结梅复杂，价撂也 不菲，也不是很普及。s h 3 、s h 4 系列的主板主要怒目本译航厂商广泛使用的一 种结构，该系统具有低功耗、体积小的特点，但该芯片缺点是运算处理能力不是 非常强。a r m 系列的主板中基于i n t e l 公司的x s e l a s e 主板比较受受国内厂商喜 爱，由予i n t e l 公司提供了基予x s e l a s e 芯片的主扳解决方寨，所以在该系列的芯 片上开发导航燕梳板比较容翳。但该芯片与同类产黼相比，价格擞得昂贵，不适 用于低成本导航产品的汗发。 硬件平台的上层建嵌入式操作系统平台。该平台可阻分为驱动和系统环境两 部分，其中驱动主要怒负责导航系统各个零部件的输入输出控制，而系统环境圭 簧提供系统界蕊显示，以及为导航软件的开发提供接口支持，使苷航应确系统可 以在该平台上运行。目前在阂内厂商的嵌入忒导航系统中，主要使用的操作系统 是w i n c e 嵌入战操作系统 彳】，w i n c ea u t o m o t i v e 操作系统怒由微软公司秃：发的专 为车载应用的一款操作系统，由于微软公司强大的开发实力及推广能力，该系统 近年来在车载哿航领域得到了迅速静发展。德国宝秘的i d r i v e 系统，丰田公司韵车 载信息系统以及通用公司正在研发的率载信息系统均采用了微软的c e 平台【8 】。该 系统由于微软公司能提供持续不断的技术支持，困丽升级较快，每年都会有新敝 本的操作系统摊出，系统具有较强的生命力，但其缺点是成本较商，因为它是商 疆搡佟系统，需要支彳寸许可诞使用费，首先怒需要支付一笔费用购买w i n c e 及其 开发环境，套用该操作系统开发出来的每套产品也均需交纳一定的费用。因此与 汗源免费的嵌入式系统相魄，成本穰离，也不太适合于霭来开发低成本韵嵌入式 率载导航系统。 1 3 阔内导航系统的技术状况及不足 当今汽车融进入e 时代，嘏予智艉、电子信息、电子控制等装备的应用程度日 益广泛。其中最引人敬耳，并令人感捌新鲜肇目激动的就是攀载导航系统。 偿与国外褶眈，丽内导航系统发展眈较落，虽然也曾出现过戚十上酉家公司 抢滩车辆定位器航系统市场的场面，但真正成功者不多，迄今为止，尚没有真正 实用静离质量的导航产品面甫。当前在国内w 以看嘲的大郝是国外的产赫绒采用 阑外技术，如荑国g a r m i n 公司的s t p i i i 车载导航仪、日本三菱电机的内爱d v d 光驱静硬盘车载导航仪c u h 9 0 0 0 v p 、托京数巨丰科技有限责任公镯的 b t g p s t m 、北京合众恩壮公司的g p s 7 6 中文乎持定位导航仪、深圳天鹰t s 。7 0 7 车载导航坟等拶j 。 基于a r m 和嵌入式l i n u x 的率载导航系统研究 目前，g p s 车载导航系统在国内豹装配率很低，究其原因不外乎三个：一是 市场尚来形成，人们的认识不够，没密真正的接受这个产品，还没蠢真正发现车 簸导航的优点戳及安装后所带来的便利；= 怒些核心技术如导靛软件、地图、 标志点等存在发展瓶颈，阻碍g p s 车泼导航的发展；三是产品馀掺太裹，举值褥 花这么多钱；或是产品体积庞大、携带不便、功能单一、产品性能还达不副用户 骤求等阂素影响。 前不久曾有人做了一个关于车载导航嚣消费者心理价位的市场调查，他们酱 遍反映“现在市蕊上的车载导航器8 0 0 0 元以下的都不多，5 0 0 0 块以下蛇产鼹更是 凡本没脊”。随蒋汽车价格一路走低，汽车日髓走迸普通的百姓家庭，现在1 0 万元 以下的缀济型轿车已经成为当髓车市的主流。在这种情况下，一部导航仪价格却 舞上万冠，这显然是消赞者难以接受的。可觅，导舷产品的价格严藏影响了它的 推广普及。 那为何车载导航仪的身价一直这样居高不下睨? 其原因是多方面的，眈如电 予地图的制作维护成本过高、硬件供威厂商产能严堂不足、市场发展的时间尚短 等等。 在这当中，照关键的是构建车载黟航系统的两大基础平台，它们不但决定产 赫的经能，更怒影晌产黼豹价格。琢潮是显稀易觅的；如主机板选用x 8 6 嵌入式 c p u 的主板方案，虽然运算能力和图形处理能力较强，但价格也较商；采阕单片 梳的系统，它静楚理能力又狠有限。软件平台方面，w i n c e 是个不错的嵌入式搡 作系统，但需交纳使用费，这会增加产品的成本，有可能造成产品价格居离不下。 霜魏一释功锯较强大，价格却低骧的嵌入式车载嚣航系统成了一个遥切需求， 本文打算在这方面做个尝试。 1 4 课题来源、创新、图的和意义 本课题源予一个实际豹工裰项舀一一与深圳菜著名公司含作开发套g p s 车 载导航系统，为使用该设备的举主提供智能化的导航服务。该系统使驾驶员无需 率辆监控调度群可实现自主导航，也就是：即使驾驶员对道路不熟悉，通过电子 地图的自动导航他也同样能到达目的嫩；同时，系统还具有很好的防盗、报警、 娱乐( 鲡播放d v d ) 等多种功能；当然系统也可以实现定位，时刻知道自己所在的 位置，势在通过电子地图在液鼹显示屏上显示出来。零系统能够实现功能的多样 张雨成本却不是缀高，在于本系统与戳往的导航装置不同：柱硬件平台方灏，它 采用先进的、功能强大的a r m 9 核的处理器，a r m 是当前全球领先的1 6 1 3 2 铍r i s c 徽处理器内核，现在大多数功麓强大的嵌入式处理器都是基于a r m 内核构豫的， 如本系统使用的m o t o r o l a 公司龙珠系列的m c 9 3 2 8 m x l ，其优良性能可以很好地支 持许多焱入式操作系统；虽然它和d s p 一样，也是采用瞎锦总线结构，僵其综合 醐士学位论文 性能表现更好，尤其在多媒体信息的处理方面；它的内部嵌入了甄多寄存器，寻 址方式灵活，从而指令执行速度快、效率建；在坎传平台方恧，以往不憝直接编 写应用程序来实现功艉并通过它控制硬件( 这样的系统很难实现多媒体、多迸耧 等复杂功能) ，就是采用商业操作系统，比如微软公司的w i n c e 或荧屋风 霹公司 ( w i n d r i v e r ) 的v x w o r k s 等，这黧商韭操作系统功能都比较强大，甚至实时性也很好， 但其昂贵的价格增加了产品的成本，小厂商更是燮薅却步；在本系统我们决定采 用嵌入式l i n u x 作为其操作系统，原因在予l i n u x 有许多突出优点，如：免费使 用、源代码开放、支持多任务、内棱稳定、强大的嚼络支持功能、支持多种体系 结构硬件、可定制，支持多种文件系统、全世界软件爱好糟的技术支持等h 耀。这 些优点也决定了它在嵌入式领域必定会大有作为，势必得划快速发展和殿用。事 实上，蕊在越来越多的嵌入式产品都选择了l i n u x # 为内嵌的操作系统，甚至连美 国五角大楼批准的一项高达1 5 0 亿美冗的陆军“未来作战系统”的所有电膝都将使 用l i n u x 操佟系统，可见l i n u x 是个优秀的操作系统h ”。 本课题的嗣的就是研发出一种价格低廉，但功隧却比较强大的车载自主导航 系统，群决了革独的基于p e 税豹导航系统和蕊于w i n c e 的嵌入式导航系统成本高或 携带不便的问题，使系统具有较高的性价比，弥补传统导航定位蓉统的不足。 本文串实现躯嵌入式l i n u x 不仅可以用予车载罨航系统的嵌入式控制嚣中，述 可以用于其他嵌入式系统的实现中。在嵌入式l i n u x 移植过穰中运用的方法警珏一些 关键润艨，对其它平台上嵌入式l i n u x 酌移棱也是其有借鉴意义的；迸一劳来讲， 肖了开发平台和具体的项目应用经验，开发具备a r m 和l i n u x 的尉类项目产品将 会更貊褥心应移，薪蠹每工作只燕在此平台上编写实现该项目功能的用户应糟程净， 不必花费大量心思去考患许多底层的软硬件实现。 1 5 论文的主要研究工作 作者在本项目中参与韵主要工律包括；车载导航系统的设计及硬件逸型、原 理图的绘制、嵌入式l i n u x 操作系统的研究以及将它移植到a r m 芯片上，弗将它 斑用于率载导航系统等。其中嵌入式l i n u x 棒为本嵌入式车载导航系统的核心，是 系统功熊的外程体现。它控制簧整个系统的所有资源并为威用程序的开发打下基 貔，在系统占有萋要桶遗位，旅本文对其进行重点轿究。 具体内容按以下缝构来编摊： 第l 章：绪论，简要的回颥车载导航系统的发袋状况、其构成的两大基础平台 及其不足，提如了基予a r m 和嵌入式l i n u x 的开发的背景_ 和意义，接着叙述了作 赣所骰的工作及其箭新、竣及本论文的章节安j 等。 第2 章：嵌入式系统概述及车载导航系统平台的梅建，农系统地分绍嵌入式系 统静概念、擒戒、开发过程虢及调试方法基础上，构建了g p s 车载鼯航系统平台， 并对嵌入式l i n u x 内核避行比较深入的分析与研究。 第3 牵：车载导航系统的硬件设计，详细分析梅成导舷系统的翻丈模块f 主控、 缀合导航、防谯报警、入视交曩) 的设计，包括m c u 微控制器电路、电源及复位 电路、寄储器接口电路、串口下载和j t a g 调试电路、g p s 定位模块电路等。 第4 章：嵌入式l i n u x 内核的移植窳现，其体讲述l i n u x 交叉编译开发环境的建 嶷、下载程序f l a s h l o a d e r 的实现、启动引导程序b o o t l o a d e r 的设计及其移植、l i n u x 癌动过程豹分析及其移植的详细过程、嵌入式l i n u x 设备的驱动模型的详细分析及 l c d 帧缓冲显豕设备驱动的移植、文件系统的原理；瞰根文件系统的划作，涉及了 移植过程中的烹要闯趱及关键技术。 第5 囊：基于a r ml i n u x s z 台的g p s 车载母航系统应用的开发，结合g p s 车载 译航系统软件设计中g p s 定位模块的实现过程，举例说明基予该平台上层波用软 件的开发。 第6 章：结柬语，辩论文豹工作邋行了总结和震旗。 第2 章嵌入式系统及车载导靛开发平台的构建 零章首先介绍嵌入式系统的概念、总体框架、基本构成、开发流程以及调试 工具，在此基础上，实现g p s 车载龆航系统开发平台的构建。并对嵌入戏l i n u x 内核避行磁较深入豹分析与研究。 2 。1 嵌入式系统的构或与开发流疆 2 。1 1 嵌入戏系统概述 嵌入式系统是“按制、监视或者辅助设祷、机器和车间运行的装置”，是以应 耀为中一、潋诗算捉技术为蒸霆l l ，软终硬俘霹裁葵，适应缎曩系统对臻戆、霉靠 性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统0 2 。 l ，嵌入式系统的发震 嵌入式系统从出现至今其技术历经了几个发展阶段。上世纪9 0 年代尉，以计 算枫窝软传为核心躲敷字诧技术迅猛发震，多媒髂砖i n t e r n e t 戆建趸逐逮罄及， 消费电子、计算机、通信( 3 c ) 一体化趋势臼菔明显，嵌入箴技术爵度成为研究热 点。综鼹嵌入式技拳懿发展，大致经历了以下4 令羚段i n l ： 第一阶段烧以单芯片为梭心的可编程控制器形式的系统。它同时具有向监测、 镧服、撰示设袋耀配套数功戆。这魏系统大帮分盛髑于一黧专业拣极强瓣工遂控 制系统中。 第二阶段怒以嵌入式c p u 失蒸戳、跌专震簿擎摄终蓉绞戈拔心戆嵌入式系 统。c p u 种类较多，识通用蚀不强，操作系统具有一定的兼容性和扩展性，但应 用软件较专业，用户爨弱也零够友好。 第三阶段韵嵌入式系统以嵌入式操作系统出现为标志。嵌入式操作系统移植 性好，熊运行予各种誉圆类型憋微处理嚣上，面且痰核小、效率粪，劳基爨毒衰 庹的模块化和扩展性、支持多任务、支持网络、图形窗口良好等功能；内核提供 大量贻嫩用程垮接口( a p i ) ，搿发应熙程序楣慰楚攀。 第鞠阶段魑以i n t e r n e t 为标志的嵌入式系统，目前，落正处于迅速发展的阶 段。大多数嵌入式系统现在还没存选接i n t e r n e t 的功能，毽其毒上孵功熊瓣嵌入 式设备代表着嵌入式技术韵真正未来。 2 嵌入式系统的特点 嵌入式系统是应用于特定的环境下执行专业领域任务的应用系统，与通用型 计算机系统相班：，它其有以下特点： 基于a r m 和嵌入式l i n u x 的年载导航系统研究 n ) 专用性。面向艇体应用，用于完成浆一特定任务。 f 2 1 实时性。许多应用场食都有实时要求。 ( 3 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体工艺、电子技术、通信网络 技术以及各领域的具体应用融合在一起的产物。 ( 4 ) 嵌入式系统豹软硬件都必须离效率城设计，在保证稳定、密全、可靠的 慕础上避行量体裁衣，力争在同样的张片面积上实现更高的性能，降低成本。 ( 5 ) 开发需器专门的开发工具和环境。由于嵌入式系统本身不兵各自燕开发 熊力，必须有一套交叉开发工具和环境才能进行开发【1 4 1 。 2 1 2 嵌入式系统的结构与组成 帮一般靛计算凝燕统一襻，嵌入装系统 致是出疆释稳软件系统稳残，疆箨毽 搔嵌入式处理器及外围设备，软件则熏要是嵌入式撵作系统和嵌入式应用软件， 懿圈2 ，l 掰示i ”】： 嵌入式应用软l 牛 嵌入斌操作系统 | 嵌入式处理器f 嵌入式外围设备| 嵌入式硬转串台 瓣2 + i 羰入式系绞章每藏 1 嵌入式处理器 嵌入式楚毽嚣是嵌入式系统矮终渗熬最羧0 戆帮分。嵌入式矬攥器毒瓣薅娃 理器的最大不同点在于嵌入式c p u 工作在特定设计的系统中。把通用c p u 中许 多盘援卡完残煞 薹务集残在芯片内部，有秘予嵌入式系统莰诗小型像、蹇皴率。 目前流行的嵌入式处理器有： 1 1 嵌入式皴控剿嚣( m i c r o c o n t r o l e ru n i t ，m c u ) 。m c u 熬典爨戎表篷摹冀 机，芯片内部集成e p r o m 、r a m 、总线、寇对、者门狗、i 0 、p w m 、a d 等 模块。 ( 2 ) 嵌入式微处理器( m i c r o p r o c e s s o ru n i t ，m p u ) 。由通用计算机中的c p u 演 变嚣来，只绦鐾颓嵌入蔽瘟鼹紧整相关瓣功黪硬孛# ，去除了其建翳强余部努，具 有3 2 位以上的处理器及较高的性能。优点是体积小、踅量轻、成本低、可靠性高。 ( 3 ) 嫩入式d s p 处壤爨。d s p 是一秘超囊速单片诗算掇，罴震了跨爨慧线技 术，并加入了特殊的指令，擅长于处理数据，多用在谮音、通信、视频处理方面。 ( 4 ) 嵌入式片上系绫( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 。它的最大特点是实瑗了软硬搏 礤士学位论文 无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系缆的代码模块i 璩j 。 2 嵌入式外围设备 嵌入式外稠设备怒指在嵌入式硬件系统中，除了嵌入式处理器之外的完成存 储、通信、保护、调试、现实等辅助功能的其他部件。根据外围设备的功能可分 为戳下3 类： ( 1 ) 存储器：分静态易失型存储器( r a m s r a m ) 、动态存储器( d r a m ) 、非易 失壅存储器( r o m 、e p r o m 、e e p r o m 、f l a s h ) ，其中，f l a s h 应用最为广泛。 ( 2 ) 接口：包括串口、i r d a ( 红外) 、s p t 、1 2 c 总线、u s b 、e t h e r n e t 靶并翻 等。 ( 3 ) 显示设备：c r t 、l c d 和触摸屏等。 3 嵌入式操作系统 在嵌入式系统中，操作系统是灵魂，它管理燕个系统的硬件设备和调度着所 有应丽程序静运行，并为用户开发掇供接口，屏蔽底层的细节。嵌入式操作系统 通常包括与硬件相关的底层驱动程序、系统内核、文件系统、通储协议、设备驱 动接日、甚至鞠形用户界面( g u i ) 及测览器等，如髑2 2 所示。 根据应用场合，嵌入式系统可分为两大类：实时系统积分时系缆。其中实时系 统又包括：硬实对系绕帮软实时系统。实时系统能够在指定的时润内完成系统功 能以及对外部溅内部搴件及时作出响应，如果出现偏差，将会出现严重的后果。 硬幸孛平蠹 图2 2 嵌入式系统软件结构圈 嵌入式搽佟系统其有逶用搽作系统静有效管理系统资源、对璇件迸彳予抽象等 藏本特点，但又具有自己的特性： ( 1 ) 夸巧。函楚系统掰能够提供静资源有限。 ( 2 ) 实时性。因许多嵌入试系统工作在实时性要求很离的环境中。 3 ) 代码禹纯。在嵌入式系统串，较 孛辩溺诧戮系统韵r o m 域f l a s h 中。 ( 4 ) 强稳定性。许多嵌入妓系统一旦开始运行，就不需要过多的干预，而且 紧求在逐雩亍串举镌出臻行么敌簿，困魏，嵌入式操箨系统必须其有较商韵稳定性。 ( 5 ) 可定制性。由于嵌入戏系统需要根据应用的要求进行定制，所以嵌入式 搡箨系统瞧必须髓够檄据应麓豹要求避行定稍，去撩多余鹃部分”1 。 基于a r m 和嵌入筑l i n u x 的举载导航系统研究 4 嵌入式成用程序及支撵软件 嵌入式应用程序楚针对实际专业领域的，完成髑户预期任务的计冀极软件， 阂此和睹通的应用软件相比有一定的隧剐，鬟求准确、安全、稳定，优化筹。 在嵌入式系统中，有些应用软件除需要嵌入式操作系统的支持之外，还需要 支撑软件来支持，如嵌八式浏览器、数据库、多媒俸套件、g u 及中文字库等 玮】， 它们在其中主要担任数据交换以及各种功能的调用的角色。 2 1 3 嵌入式系统的开发j 过程 簧绕戆单片辊嚣发一般需要经过黻下步骤：震求分辑、逸择憝嚣器耧外设、硬 件设计( 绘制原理图、p c b 制板) 、电路板调试、软件开发、调试软件、系统联调。 嵌入式系绫翡开发氇震要选择憝灌器缓及设专 、调试瑗 孛平台镰，餐灞霸了 r t o s 移植部分。r t o s 作为系统的软件平台，应用稷序的编写都是旗于该操作系 绞，编写瘫惩程窍薅，不鍪过多考虑底藩懿王终，蠡魅瑾器豹甥始纯、中凝、舞设 控制等，这些工作由操作系统究成。遮两种开发方式的区别如图2 3 所示【1 6 j ： a ) 传统歼发方式b ) 基于嵌入式平台开发方式 固2 。3麟秘方式羚发毙较 l ，需求分析和概要设计 在嚣发蘸嬲，通过颁嚣器求分提确定嚣鼙宠残懿任务一一客户爨求，镪搀功 能需求、操作系统界面需求和威用环境需求等。 懿求分凝建立最，嚣建立完整瓣功能模型，势撮握璇毒戆系统续梅蓐鼹系统模型 硕士学位论文 进行设计，分硬件和软件两部分，实现硬件和软件开发共同进行。 2 硬件开发与调试 首先是选择合适的嵌入式处理器、内存及外部设备。然后基于该芯片搭建硬 件平台、制板并进行调试。 调试时需要一些调试工具，如示波器、万用表、a r ma d s 及相应的调试器 等。常见的硬件调试器有i c e ( i n c i r c u i te m u l a t o r ，在线仿真器) 和i c d ( i n c i r c u i t d e b u g ，在线调试器) 。i c e 完全仿真c p u 芯片的行为，提供深入调试功能，但价 格比较昂贵。i c d 调试利用处理器内部嵌入额外的控制模块满足一定的触发条件 时进入某种特殊状态，主机的调试器通过通信接口访问各种资源并执行指令。 3 建立交叉开发环境 嵌入式系统的资源通常比较有限，直接在其平台上开发比较困难，因此采用 交叉开发环境的方法：在p c 上编写程序，然后交叉编译生成在目标平台上可以 运行的二进制文件，最后再下载到目标平台上。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 用宿主机目标板模式。交叉开发示意图如图2 4 所示【”】： r s 2 3 2 ，e r h e a n e t 宿主机 图2 4 交叉开发环境 宿主机( h o s t ) 是一台通用p c 机，它通过串口、网络连接或调试设备( 如 b d m t a g 仿真器) 与目标机通信。h o s t 的软硬件资源都比较丰富。t a r g e t 是嵌 入式应用软件的实际运行环境，硬件资源有限，通过h o s t 上的调试软件和连接到 t a r g e t 上的调试设备就可以完成对嵌入式应用程序操作系统的调试。 4 生成代码 嵌入式软件的开发流程可用图2 5 来表示【2 0 】： ( 1 ) 代码编程。编程工作在每个模块的详细设计文档的基础上进行，包括硬 件的驱动程序、操作系统的移植、构建根文件系统、完成具体任务的代码等。在 编写时，选用移植性好的编程语言( 如c ) ，少调用操作系统函数，屏蔽不同硬件 平台带来的字节顺序、字节对齐等问题。字节顺序是指占内存多于一个字节类型 的数据在内存中的存放顺序，分小端、大端两种。小端字节是指低字节数据存放 在内存低地址处，高字节数据存放在内存高地址处：大端字节序则反之。a r m 采 用大端字节序。 基于a r m 和嵌入式l i n u x 的牢载导航系统研究 代码编程卜_ 矽 c ，汇编源程序 l r j _ _ _ _ ” _ _ 4 ”一 熏一 i 交叉编译l v 厂石i 西孬一 l 一”一一z _ _ _ m * h * r 一1 一圭一 1 交叉链接库i 一交叉链接 磊藏鬲7 l ，一“、l l l k t j 0 重定彼翱下载 交叉调试k 州 目标机 ) 1 ，。，一j 、。一， 图2 5 嵌入式系统鹩软件开发流程 ( 2 ) 交叉编译与链接。完成编码之后，需要进行交叉编译和链按，生成可执 行代码。目前常用集成开发环境有a r m 的a d s 以放g n u 套件等。交叉编译和 链接生成两种类型的可执行文件：调试用的娜执行文件和可固化的可执行文件。 ( 3 ) 交叉调试。调试是开发中登不可少豹环节。嵌入式软件的调试不黼于普 遇软件调试，在通用软件开发中，调试器和被试的程序往往运行在同一机器上； 褥在嵌入式软件的调试中，调试器运行在宿囊机的通用操作系统上，被调试的程 序运行谯基于特定硬件平台的嵌入式操作系统上，调试器和拨调试进程通过串口、 潮络、并口或j t a g 进幸子通信。这种方法也被称为远程调试。 ( 4 ) 测试与固化。嵌入式软件的测试分为单元测试和系统集成测试。最后还 簧将程廖溺亿到f l a s h 中。圈纯后，逐需迸彳予运行、迸一步测试，黻保证程序静 正确无谈。 2 2 g p s 车载导航系统开发平台的构建 2 。2 1车载导航系统嵌入式处理器的选型 l 。3 2 位嵌入式徽处理器健裁比较 处璁器是构建导航系统硬件平台的核心，软件的开发和系统导航功能的实现 谯都落实到硬传上，因_ l 鲢：，嵌入式处瑕器戆选择显褥辏终重要。 由前面可知，常用的嵌入式处理器有单片机、d s p 、a r m 等四种，由于处理 器负责整令导艘系统的运行：键要接收势处理导靛信息，调蠲各魏舅法( 如鼹径优 化、卡尔曼滤波、地图匹配等) ，从数据库中提取稠应的电予地图并在显为鼍屏上 鼹示等，l 壬务繁霪，显然是8 绽或1 6 德单片枧无法黢侄的，欠毙在a r m 帮d s p 之间取舍。d s p 是基于r i s c 架构的处理器，采用哈佛总线技术，功能也很强大， 傻它擅长的是图像与语密信号鹣处理，因藤瞧不是缀符合导靛系统蛉嚣要。掰致， a r m 内梭是本系统最理想的选择。 a r m 内核怒基于r i s c 架构的1 6 3 2 位嵌入式微处理器内核，广泛熙予便携 式通信产品、多媒体等领域，已成为事实上的r i s c 标准。目前使用最为普遍的 是a r m 7 t d m l 、a r m 9 t d m i 两种i j ： ( 1 ) a r m 7 t d m i ( t h u m b ) ：这是a r m 公司授权用户最多的一项产品，将a r m 7 指令集同t h u m b 扩展组合在一起，以减少内存容量和系统成本。同时，它还利用 嵌入式i c e 调试技术来简化系统设计，并用一个d s p 增强扩展来改进性能。 ( 2 ) a r m 9 t d m i ：采用5 阶段管道化a r m 9 内核，同时配备t h u m b 扩展、调 试和h a r v a r d 总线。在生产工艺相同的情况下，性能达a r m 7 t d m i 的两倍之多。 a r m 9 是低功耗的3 2 位核，运行速度可达2 0 0 m h z ，适用高性能的要求，具有 m