（测试计量技术及仪器专业论文）基于嵌入式系统的电子读谱器的研究与设计.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 乐器演奏中手动翻动乐谱会影响演奏的完整性和连续性，而翻谱器的设计目 的就是协助演奏者翻动乐谱以保证演奏正常平稳地进行。现有的翻谱器不但性能 不稳定、噪声大，而且始终避免不了外出演奏携带大量乐谱的问题。本论文研究 设计的电子读谱器以嵌入式技术为基础，采用l c d 显示，触摸屏输入对乐谱进行 标记与修改，红外遥控技术控制翻页，并内置节拍器，具有体积小、存储容量可 扩展、功能齐全、携带方便等特点，有着广泛的市场应用前景。 本文对基于$ 3 c 2 4 1 0 微处理器和w i n d o w sc e 操作系统的电子读谱器的研究 与设计进行了探讨，主要工作如下： 1 通过对嵌入式系统设计方法的研究，以及对电子读谱器的市场需求分析， 提出了电子读谱器的总体设计方案。 2 本系统选用$ 3 c 2 4 1 0 微处理器，结合$ 3 c 2 4 1 0 的特点和功能，考虑用户需 求，综合性能、成本以及可扩展性等因素后给出了硬件的总体设计，并分别完成 了电源模块、l c d 显示和触摸屏模块、通信接口等的硬件研究与设计。 3 通过对w i n d o w sc e 操作系统的深入分析，给出了操作系统移植的开发流 程，包括b s p 定制、b o o tl o a d e r 定制和0 a l 定制。在此基础上，采用模块化的设 计方法，即将需要移植的部分均进行模块化设计管理，分块完成，这样不仅设计 思路清晰，而且使操作系统移植更具通用性。 4 在分析w i n d o w sc e 下驱动模型、本机驱动程序以及流接口驱动程序的基 础上，实现了基于a r m 的l c d 显示和触摸屏驱动程序开发与移植。 5 利用e m b e d d e dv i s u a lc + + 进行应用程序的设计，实现了乐谱显示、乐谱 修改与标记、节拍器、红外翻页、媒体应用以及网络连接等功能模块。 最后根据系统的预期效果，总结分析了本论文的主要研究工作，并对电子读 谱器将来的发展方向提出了展望。 关键词：电子读谱器，嵌入式系统，$ 3 c 2 4 1 0 ，w i n d o w sc e ，e m b e d d e dv i s u a lc + + 湖北工业大学硕士学位论文 a bs t r a c t w 1 1 i l ep l a y i n gt h em u s i c ，am u s i c i a nt u r i n gs c o r e sb yh a n d sw i l la f f e c tt h ei n t e 鲥t y a n dc o n t i n u i t yo ft h ep e r f o r m a n c e w 1 1 i l eam u s i c i a ni sp l a y i n gm u s i c ，r u ms c o r e si n t i m ei s a l w a y so n eo ft h ep r o b l e m sp u z z l ep e o p l e t h ep u r p o s eo fi n v i t i n gt h i s s c o r e t u m i n gd e v i c ei s t oh e l pp l a y e r st op l a ym u s i cs m o o t h l ya n ds t e a d i l y n o w s c o r e t u r n i n gd e v i c e sw h i c he x i s ti nt h em a r k e tn o to n l yh a v eu n s t a b l ep e r f o r m a n c ea n d t l i 曲n o i s e ，b u ta l s oh a v et h ep r o b l e mo fc a r r y i n gl o t so fs c o r e sw h i l eg o i n go u tt op l a y t h ee l e c t r o n i cs c o r er e a d e ro ft h es u b j e c tw h i c hi sb a s e do ne m b e d d e dt e c h n o l o g y , s h o w s b yl c d ，i n p u t si n f o r m a t i o nb yt o u c hs c r e e n ，c o n t r o l st u r n i n gr e l i a b l yb yi n f r a r e d r e m o t ec o n t r o la n dh a st h ei n n e rm e t r o n o m e i th a sc h a r a c t e r i s t i c so fs m a l l ，s t o r a g e c a p a c i t y - e x p a n d a b l e ，m u l t i p l ef u n c t i o n s ，c o n v e n i e n tf o rc a r r y i n ga n ds oo n t h e e l e c t r o n i cs c o r er e a d e rh a sag o o dp r o s p e c to fm a r k e ta p p l i c a t i o n 。 t 1 1 i st h e s i sa s s u m e sa ne m b e d d e de l e c t r o n i cs c o r er e a d e rs y s t e mb a s e do n $ 3 c 2 410a n dw i n d o w sc eo p e r a t i n gs y s t e m t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i st h e s i sa r e a sf o l l o w s ： 1 t 1 1 1 o u 吐t h er e s e a r c ho fe m b e d d e ds y s t e md e s i g nm e t h o da n dm a r k e td e m a n d a n a l y s i so ft h ee l e c t r o n i cs c 0 1 _ er e a d e r , t h i st h e s i sp r e s e n t st h eg e n e r a ld e s i g ns c h e m eo f t h es y s t e m 2 t h es y s t e mu s e s $ 3 c 2 4 10a sp r o c e s s o r t oc o n s i d e rc u s t o m e rr e q u i r e m e n t sa n d i n t e g r a t ef a c t o r so fp e r f o r m a n c e ，c o s ta n ds c a l a b i l i t y , t h es y s t e mh a r d w a r ed i a g r a mi s d e s i g n e dw i t hc h a r a c t e r i s t i c sa n df u n c t i o n so fs 3 c 2 4 10 t h e nt h et h e s i sg i v e sh a r d w a r e d e s i g na n dr e s e a r c ho fp o w e e rm o d u l e ，l c dd i s p l a ya n dt o u c hs c r e e nm o d u l e s ， c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，e t c 3 a f t e ra n a l y z i n gt h eo p e r a t i n gs y s t e mw i n d o w sc e ，t h i st h e s i sp r e s e n t st h e d e v e l o p m e n tp r o c e s so ft r a n s p l a n t i n gw i n d o w sc e i ti n c l u d e sb s pc u s t o m i z e d b o o t l o a d e rc u s t o m i z e da n do a lc u s t o m i z e d o nt h eb a s i s 。t h i st h e s i sa d o p t sam o d u l a r d e s i g nm e t h o d ，w h i c hi sm a n a g e da n dd e s i g n e dt h et h r e et r a n s p l a n t e dp a r t sm o d u l a r l y t h i sm a k e st h ed e s i g nc l e a r , a n dw h a t sm o r e i te n a b l e st h et r a n s p l a n to fo p e r a t i n g s y s t e mm u c hm o r eu n i v e r s a l 4 o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ed r i v e rm o d e l 1 0 c a ld r i v e ra n ds t r e a m i n gi n t e r f a c e d r i v e ri nw i n d o w sc e t h i st h e s i sc o m p l e t e st h ed e v e l o p m e n ta n dt r a n s p l a n to fl c d d i s p l a ya n dt o u c hs c r e e nd r i v e r sb a s e do na r m 5 t h i st h e s i sc o m p l e t e sf u n c t i o nm o d u l e so fs c o r ed i s p l a y , s c o r em o d i f i c a t i o na n d m a r k e r , m e t r o n m e s c o r e st u r n i n gb yi n f r a r e dr e m o t ec o n t r o ls w i t c h ，m u l t i m e d i a a p p l i c a t i o na n dn e t w o r kc o n n e c t i o nb ye m b e d d e dv i s u a lc + + a c c o r d i n gt ot h ee x p e c t e de f f e c to ft h ee l e c t r o n i cs c o r er e a d e rs y s t e m ，t h i st h e s i s s u m m a r i z e sa n da n a l y z e st h em a i nw o r k ，a l s od e s c r i b e st h ep r o s p e c to ft h ee l e c t r o n i c s c o r er e a d e rs y s t e m i i 湖北工业大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：e l e c t r o n i cs c o r er e a d e r , e m b e d d e ds y s t e m ，$ 3 c 2 4 10 ，w i n d o w sc e ， e m b e d d e dv i s u a lc + + i i i 湘办j 堂大謦 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：禽鼠日期：科年5 月斟日 l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：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电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的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。 湖北工业大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 随着市场经济的发展和社会的全面进步，人们生活水平逐渐提高，对文化生 活的需求也越来越多，尤其是对艺术的追求。现在的家庭多是独生子女，家长非 常重视对孩子进行全方位的早期教育和素质培养，掌握一到两门乐器成为当今的 流行趋势。据不完全统计，中国有八千万孩子正在学习各种乐器。 学习、演奏乐器，乐谱自然是必不可少的。乐谱是人们为了能使音乐保留下 来，并且便于学习与交流，创造出来的记谱方式。像唱歌或者演奏某一种乐器， 仅仅靠记忆，或者是口传心授都是不够的，必须要有乐谱。按照作曲家提供的乐 谱，才能演奏和演唱出美妙动听的音乐。也正是由于有了乐谱，才使得很多的优 秀作品流传下来。 在演奏过程中如何翻动乐谱是一直困扰音乐界的问题之一。因为几乎所有的 乐器演奏都是靠双手来完成，那么在音乐的演奏过程中，演奏人员就不可能再用 手去翻谱，用手翻谱就意味着音乐的中断。不得己，人们只好采用一部分人去翻 谱，另一部分人继续演奏的办法，使音乐保持完整性和连续性。这种演奏方法的 缺点是显而易见的，翻谱时只有一部分人在演奏，较之前比，音乐的力度和音乐 的质量都会受到影响。对于个人演奏与练习来说，多数人采用记忆乐曲的方式， 如果遇到较长的乐曲时完全记住是比较困难，尤其对为培养兴趣爱好而刚刚接触 乐器的初学者来说，更是一个巨大的挑战。在这种情况下，翻谱器的发明无疑是 雪中送炭。所谓翻谱器，就是协助演奏者完成翻动乐谱的装置。它利用机械原理 可有效解决演奏过程中的翻谱问题，最终将双手解放出来。但是，在基本解决翻 谱问题的同时，另一个问题又逐渐凸现出来。外出演奏时，演奏者不仅要携带翻 谱器，更要携带大量乐谱，这对出行将造成诸多不便。 目前市场上出现的各式各样的翻谱器多是机械式产品，其弊端在使用过程中 逐渐凸显出来，单一的功能已经难以满足用户的需求。在这种情况下，功能强大 的新型翻谱器的出现已成必然。新型翻谱器的研究与开发，一方面可以更好地解 决现有翻谱器存在的缺点与弊端，增加更丰富强大的功能，满足用户的实际需求； 另一方面也能将当今发展迅速的先进技术应用于实践中，更好地促进先进技术的 继续向前发展。 湖北工业大学硕士学位论文 i 2 国内外研究发展现状 在演奏乐器的过程中，如何能在不影响演奏连续性和完整性的情况下翻动乐 谱，一直困扰着乐器演奏人员。为了解决这一问题，人们相继发明了扇式翻谱器、 自动翻谱器、电动翻谱器等翻潜器。 扇式翻谱器是一种脚踏式翻谱器，它克服了传统的手动翻谱器方式靠机械动 作不易实现，以转动代替翻动，实现翻动乐谱的功能。扇式翻谱器将乐谱分页放 在塑料薄板上，外有一层薄膜类似影集。当演奏需要更换到下一张乐谱时，用 脚踩下踏板，定位销克服弹簧的拉力下移，滑杆由于失去了定位销的限制，在弹 簧的压力作用下向右移动，扇页由于失去了滑杆的侧面支撑，在自身重力的作用 下绕固定轴顺时针旋转9 0 。因为滑杆上的定位齿和扇页的厚度对应一致，也就 是| 兑，每踩动一下踏板滑杆就向右移动一步，扇页就转过一页，实现换谱目的。 扇式翻谱器的工作原理图如图11 所示。这种扇式翻谱器存在一个问题，即随着翻 谱的进行，人眼与乐谱的距离由近变远，演奏人员看乐谱也就变得越来越困难。 图1 l 扇式翻谱器工作原理图 自动翻谱器是在满足传统的谱本、谱架艺术规范的条件下，利用真空吸附及 脚踏翻转方法解决翻谱问题，其结构一般由脚踏器主体，翻转、吸更等部件组成， 可作为外装件加、改装于乐谱架上。但是如何保证足够大的负压和足够小的工作 噪声是此类翻谱器一直无法克服的技术缺陷。 电动翻谱器是一种脚踏电气控制的机械式翻谱器，一般包括壳体、电动减速 机械机构、脚踏控制开关及翻页动作机构，动作机构为多自由度的机械臂，其特 征在于翻页动作机构的翻页摇摆臂上的粘纸头采用在一块粘纸层外套一个带有两 个缺口的外壳结构，且外壳可以在粘纸层外转动和恢复原位1 2 ：。此炎翻谱器结构简 啦、小巧、操作方便，一叮随意安置在钢琴或谱架上而，代表了机械式翻谱器的较 高水平。但由于吸、抬纸方法的可靠性不够高，限制了其产品的推广。 湖北工业大学硕士学位论文 总体来看，现有的翻谱器都只是部分满足了翻谱的技术需求，在功能性、可 靠性、实用性等方面还有待进一步提高。此外，这些翻谱器始终无法解决演奏人 员外出演奏时需要携带很多乐谱的实际问题。 在国外，先进的微电子技术和计算机技术已逐步进入翻谱器的研究领域，翻 谱器己趋于电子化。电子翻谱器的出现，对于解决音乐界的翻谱问题是一个质的 飞跃。电子翻谱器属于新型消费类产品，其产生时间并不长。日本近几年正在研 发的电子式翻谱器，就是利用计算机技术实现乐谱自动翻页的功能。与机械式翻 谱器相比，它能存储多首乐曲，操作简单，携带方便。虽然这种电子式翻谱器能 满足基本的翻谱要求，但其价格昂贵，不易推广。 本课题研究设计的电子读谱器将嵌入式技术融入其中，在解决翻谱和外出携 带问题的同时，还增加了笔记标记、媒体应用、节拍器和网络连接等丰富的功能， 具有巨大的市场发展潜力，是后p c 时代主流技术嵌入式系统技术发展的一个 典型应用。 1 3 嵌入式系统概述 根据i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义：嵌入式系统是用于控制、 监视或者辅助操作及其和设备的装置【3 】广义地说，一个嵌入式系统就是一个具有特 定功能或用途的计算机软硬件集合体。即以应用为中心、以计算机技术为基础、 软件硬件可裁剪，并且是适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有 严格要求的专用计算机系统。 嵌入式系统一般有三个主要的组成部分：硬件平台、操作系统以及应用软件， 如图1 2 所示。其中，硬件平台包括处理器和外围设备；操作系统是支持嵌入式系 统应用的操作系统软件，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备 驱动接口、通信协议、图形界面等；而应用软件则是实现具体业务逻辑功能，控 制系统的运行与行为。 从图1 2 可以看出，硬件是整个嵌入式系统的根基，应用软件决定嵌入式系统 丰富的功能，而操作系统起着承上启下的纽带作用，它一方面与硬件交互，管理 硬件资源；另一方面为应用软件的开发提供a p i 和库，使得应用软件与硬件间接 地打着交道。 湖北工业大学硕士学位论文 嵌入式硬件平台 l 嵌入式外围设备fl 嵌入式处理器 图1 2 嵌入式系统组成示意图 根据以上对嵌入式系统的定义及组成的分析可以看出它具有以下几个重要特 征 4 】： 1 专用性强。嵌入式系统的个性化很强，它是面向具体应用的。软件系统和 硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一 系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的 任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合。 2 硬件资源少，操作系统内核小。在硬件方面，其硬件配置完全按照系统需 求选择，没有多余的硬件资源。因此，系统内核较之传统的操作系统要小得多。 3 高可靠性。嵌入式系统是高可靠的独立运行系统，在某些特殊应用领域， 高可靠性是必须的。为了追求实时性和可靠性，软件一般都固化在存储芯片中。 4 在软件开发方面，高实时性的操作系统软件是嵌入式软件的基本要求。因 为很多嵌入式应用的实时性很强，比如工业控制领域。 5 嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境。由于嵌入式系统本身不具备 自主开发能力，即使设计完成以后用户通常也不能对其中的程序功能进行修改， 必须有一套开发工具和环境才能进行开发，这些工具和环境一般是基于通用计算 机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、 和目标机的概念，主机用于程序的开发， 交替结合进行。 1 4 论文的主要研究内容 混合信号示波器等。开发时往往有主机 目标机作为最后的执行机，开发时需要 本论文的研究基于课题基于嵌入式系统的电子读谱器的开发，该课题为 湖北工业大学承接浙江江山康希文化有限公司项目，湖北省教育厅资助项目。论 文主要论述了嵌入式电子读谱器系统的设计与开发过程，主要包括以下三部分的 内容： 1 硬件平台的构建与设计 硬件平台设计包括根据硬件要求选择合适的微处理器、选择合适的存储器以 4 湖北工业大学硕士学位论文 | ii ；i ；i 二；i i ；二i ；ii ；i i i ；二_ ；i 鼍! 皇曼皇 及需要的各个设备接口、硬件外围电路的设计等等。本论文中选择的是s a m s u n g 公司基于a i 蝴9 2 0 t 的$ 3 c 2 4 1 0 处理器。 2 软件平台的构建与设计 本论文中选择m i c r o s o t r 公司的嵌入式操作系统w i n d o w sc e ，所以软件平台 设计就是在w i n d o w sc e 操作系统的基础上进行的，包括对w i n d o w sc eb s p 的修 改开发、b o o t l o a d e r 的开发、底层o a l 的开发以及w i n d o w sc e 下驱动程序的开 发，还包括对w i n d o w sc e 操作系统内核的定制、裁剪等。 3 应用程序开发 根据市场需求对电子读谱器进行功能分析，通过编程实现对应功能。由于 w i n d o w sc e 操作系统的限制，本论文选择专门用于w i n d o w sc e 应用程序开发的 e m b e d d e dv i s u a lc + + 进行编程，应用程序实现包括乐谱显示，乐谱标记、笔记， 节拍器、网络连接等在内的功能模块。 1 5 本章小结 本章首先介绍了嵌入式系统的定义、组成、特点、应用及发展趋势，然后提 出本课题研究的背景、意义以及国内外研究现状，最后阐述了本论文的主要研究 内容和结构安排。 5 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章电子读谱器的总体设计 本课题研究设计的电子读谱器本身就是一个嵌入式系统，故应按照嵌入式系 统的设计思想和方法进行设计。嵌入式系统包括系统硬件和系统软件两部分，系 统软件又包括操作系统和应用软件两部分。 从硬件方面来讲，嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中最核心的部分，用来运 行嵌入式系统的软件。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， 流行体系结构有3 0 多个系列。嵌入式处理器的飞速发展使得品种越来越多，速度 越来越快，性能也越来越强。根据具体的应用选择最合适的嵌入式处理器就显得 尤为重要，这也是嵌入式系统开发的第一步。 嵌入式系统的软件主要是嵌入式操作系统和应用软件。嵌入式操作系统具有 一定的通用性，虽然其种类很多，但是每一种操作系统只适用于一定的应用范围。 同样，嵌入式应用软件的种类也非常多，不同的嵌入式系统选择的嵌入式应用软 件也是完全不同的。因此，还需要根据产品的功能对嵌入式操作系统和应用软件 进行对比选择。 2 1 系统设计目标 电子读谱器的总体设计目标为：以嵌入式计算机软硬件技术为核心，实现乐 谱显示、乐谱标记、节拍器、红外翻页、文件保护、媒体与网络应用等功能。通 过市场需求分析，该系统应具有如下特征： ( 1 ) 采用基于a r m 的嵌入式系统进行开发； ( 2 ) 采用触摸屏完成各种交互功能； ( 3 ) 乐谱显示、标识、笔记功能； ( 4 ) 提供完善的文件保护机制； ( 5 ) 内置节拍器，显示音乐节拍的种类和频率； ( 6 ) 利用红外接口控制乐谱的翻页； ( 7 ) 通过c f 、s d 等进行存储容量的扩展； ( 8 ) 主板上有通过总线连接的a r m 芯片、内存r a m 、程序固化用f l a s h ， 并提供显示接口、u s b 、p s 2 、以太网接口、r s 2 3 2 串口、音频接口等丰富的外围 接口。 6 湖北工业大学硕士学位论文 _ 鬯! ! !i i i 一一i i 曼蔓! ! 曼! 曼 2 2 系统硬件平台总体设计 2 2 1 嵌入式处理器的选型 嵌入式系统开发的硬件平台的选择主要是嵌入式处理器的选择。在系统中使 用什么样的嵌入式处理器内核主要取决于系统应用的领域、用户的需求、成本、 开发的难易程度等因素。 在嵌入式系统设计时，处理器的选型主要考虑以下几方面因素6 】? 】： 1 处理器的功耗 嵌入式系统的设计中，低功耗处理器是众多设计人员所追求的。其原因在于， 嵌入式系统被广泛应用于便携式和移动性较强的产品中，如手持设备、电子记事 本、p d a 手机、g p s 导航器、智能家电等消费类电子产品。而这些产品并非是一 直都有充足的电源供应，往往是靠电池供电，所以这些产品中的微处理器要求高 性能、低功耗。 2 处理器的算法 算法是在进行嵌入式系统综合时确保系统实现性能目标的一个关键内容，某 些处理器能够高效地处理某类算法，因此最好选在能够与应用最佳匹配的处理器。 如具有许多控制代码的有限状态机应该映射为类似a r m 处理器的r i s c 器件。编 码、解码和回波抵消等信号处理应该映射为数字信号处理器，或具有信号处理加 速器的某种器件。 3 外围设备的选择 除a r m 微处理器核以外，几乎所有的a r m 芯片均根据各自不同的应用领域， 扩展了相关功能模块，并集成在芯片之中，称之为片内外围电路，如u s b 接口、 l c d 控制器、键盘接口、r t c ，a d c 和d a c ，d s p 协处理器等。设计时分析系 统的需求，尽可能采用片内外围电路完成所需的功能，这样既可简化系统的设计， 同时提高系统的可靠性。 4 成本 成本也是一个要考虑的关键问题。作为系统的设计者，在对系统进行必要的 功能分析，选用适当的硬件来完成所需要的实时处理任务的同时，一定要考虑产 品的整体成本，制订一个合理的预算。另外，还要综合考虑处理器的寻址空间， 以及仿真调试工具的成本和易用性等相关的信息【8 】。 目前市场上常见的嵌入式处理器主要有p o w e r p c 、m i p s 、x 8 6 、a r m 等品种 与系列。通过对这些嵌入式处理器体积、集成度、功耗、性价比、开发套件和开 湖北工业大学硕士学位论文 发环境等几方面进行比较，综合电子读谱器的实际功能，最终选用s a m s u n g 公司 a r m 9 系列的s 3 c 2 4 1 0 微处理器。 2 2 2s 3 c 2 4 1 0 处理器 l c d d m a m l v 叫仁= 刮肭b u s 磊嬲。c o n t u s bh 。s t c o n t f 牟刮i n t e r r u p t c o n t a h b e x m a s t e r 辟 b u s蚓m = 。m nani a d d r e s s ，u l o n g m o d i f y - v a l u e ， u l o n g m o d i f y m a s k ) ； r e s u l t = t r u e ； 湖北工业大学硕士学位论文 b r e a k ； c a s ei o c t l h a l r e g i s t e r d u m p ： d u m p r e 垂s t e r s 0 ； b r e a k ； c a s ei o c t lh a lg e tb u sc l k s ： 获取总线时钟 ( ( p b u s _ c l k s ) i n p u t b u f f e r ) - f c l k = c p u c l k s p e e d 0 ； ( ( p b u s c l k s ) i n p u t b u f f e r ) - h c l k = a h b c l k s p e e d ( ) ； ( ( p b u s c l k s ) i n p u t b u f f e r ) 一 p c i k = a p b c l k s p e e d ( ) ； i f ( b y t e s r e t u r n e d ) 幸b y t e s r e t u m e d = s i z e o f ( b u s c l k s ) ；) r e s u l t = t r u e ； b r e a k ； d e f a u l t ： s e t l a s t e r r o r ( e r r o r _ i n v a l i d _ p a r a m e t e r ) ； b r e a k ； ) 中断处理 中断是外设与c p u 交互的重要手段之一。为了使外设与c p u 可正常地交互， 设备驱动程序和操作系统都要对中断请求进行必要的处理。本论文将在后续章节 详细介绍驱动程序中的中断处理。 w i n d o w sc e 的中断实际上是由两部分i s r 和i s t 组成的。其中i s t 包含在驱 动程序中，而i s r 包含在o a l 层中。所以，要想支持一个硬件，首先必须从o a l 层为其做好准备。这个准备需要两步：创建中断标识符和创建并注册i s r 。在中断 处理中还有三个函数起着重要作用：o e m i n t e r r u p t e n a b l e ( ) ：用于打开硬件中断 所需的硬件操作；o e m i n t e r r u p t d i s a b l e ( ) ：关闭硬件中断所需的硬件操作； o e m i n t e r r u p t d o n e ( ) ：中断处理结束。 至此，b s p 开发中的关键部分b o o tl o a d e r 和o a l 的开发基本完成，加上驱 动程序和配置文件即可将b s p 下载到目标设备上。 4 2 2 操作系统内核定制 操作系统内核定制利用p l a t f o r mb u i l d e r ，主要是裁剪和配置w i n d o w sc e 组 件，并修改相应的配置文件。本节主要就电子读谱器操作系统定制过程的几个问 题加以说明。 ( 1 ) 选择硬件平台 湖北_ t - 业大学硕士学位论文 定制过程中在该界面下选择操作系统的硬件平台，左边的列表中是一些可供 选择的b s p 如图4 7 所示。本系统同时选用e m u l a t o r ：x 8 6 和a r m v 4 i ，这 样做的目的是先在模拟器上运行，等试验成功后再转到目标平台上这样可以提 高开发效率。 图47 b s p 选择向导界面 ( 2 ) 添加必要的特征 当平台定制完成后，还要根据需要进一步添加其他的特征，如s e r i lp o r t s u p p o r t 、u s bh o s ts u p p o r t 等。添加特征操作在c a t a l o g 面板上完成，找到要添加 的项然后右击点“a d d t o o s d e s i g n ”添i i i p 可，如图48 所示。 司c a t a l o g 二 b s p s j jc o r eo s 。, 1 5d i s p l a yb a s e dd e v i c e s j a p p l i c a t i o n sa n ds e r v i c e sd e v e l o p m e n t ：二 a p p l i c a t i o n s e n du s e r - jc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e sa n dn e t w o r k i n g joc o r eo ss o i c e s 日b a t t e r y d r i v e r - d e b u g g i n gt o o l s 二 k e r n e lf e a t u r e s 日p a r a l l e lp o r ts u p p o r t 鼬p o w e rm a n a g e m e n ti c h o o s et l be 田e 墨曩墨曩 日u s bh o s ts u p p o r t jf i l es y s t o m sa n dd a t as t or e ：) f o n t s 图48 添加特l i l l ! l 操作系统 湖北工业大学硕士学位论文 ( 3 ) k i t l ( k e m e l i n d e p e n d e n t t r a n s p o r l l a y e r ) 此外，还要添加“k i t l ”项，如图4 9 所示，它在平台管理的树形分支下， 这一项将在以后的平台调试中用到，如果没选的话，调试将不能成功进行。它是 内核独立的传输层，被设计用来以更容易的方式支持任何调试服务，它通过将通 信服务的协议与直接和硬件通信的层分歼来减少产生硬件传输层的麻烦，使开发 者在没有必要理解如何传递数据给不同类型目标设备的通信硬件的情况下，使用 不同类型的硬件传输端口与p l a t f o r m b u i l d e r 进行通信，实现p l a t f o r m b u i l d e r 对目 标设备的远程调试。 p l a t f o r mm a n a g e r 日b a s ee n g i n e 姊t r a n s p o d s 8a c t i v e s y n c 日掰疆 日t c p l i p 圈49 添加k i t l 4 3 调试过程 调试是系统开发中一个必不可少的环节。嵌入式系统常见的调试方法包括实 时在线仿真、模拟调试、软件调试和j t a g 调试等。j t a g 调试主要通过a r m 芯 片的j t a g 边界扫描口进行调试。这种调试方法软硬件均可使用，还被应用于对 f l a s h 存储器的在线擦除或改写编程。由于本系统选用的y l p 2 4 1 0 开发板自带 j t a g ，为缩短开发周期采用j t a g 调试方法。 下面介绍该系统的调试过程。首先将b o o t l o a d e r 程序通过j t a g 烧写到f l a s h 存储器中，然后配胃好平台进行编译。编译分为四个阶段：s y s g e n 阶段、b u i l d 阶 段、r e l e a s ec o p y 阶段和m a k e i m a g e 阶段。p l a t f o r m b u i l d e r 编译工具生成头文件 和模块，再把最后得到的模块拷贝到发行目录下，最后产生二进制系统映像 ( n kb i n ) 。此外，在编译前还需单击p l 砒f o n n 一 s e t t i n g s 对话框配置编译选项t 如图41 0 所示。 图4 1 0s e t t i n g 对话框 整个平台编译完成后，在r e l e a s e 目录下生成两个操作系统运行时映像n kb i n 和n kn b 0 。接下来向目标板下载运行时映像即可。 下载完成后就能看到下面的启动界面，如图41 1 所示。说明定制的操作系统 能够在实际的目标板上应用。 图4 l l w i n d o w s c e 启动界面 接下来点击p l a t f o r mb u i l d e r 的“t a r g e t ”菜单上的“c ep r o c e s s e s ”命令后， 显示器上就会显示图41 2 所示的“p f o c e s s e s ”窗口。这个进程窗口用于显示当前 正在执行的进程信息。 湖北3 - 业大学硕士学位论文 科l j f p r o c e s sn ap r o c c s sa d a c c e s s k e y p r o c e s sh ac u r z i c e e m u l s r v eo x o c 0 0 0 0 0 0 o x 0 0 0 0 0 0 2 00 x e 2 e e 6 9 d ao x o o c x e e x e c x e 口一c x c n l e e 1 e x e t 图4 1 2 进程窗口 线程命令用于显示当前执行的进程的所有线程。点击p l a t f o r mb u i l d e r 的 “t a r g e t ”菜单上的“c e t h r e a d s ”命令后，就可以看到图41 3 所示的“t h r e a d s ” 窗口。 i ，d “v 罚野l l 一 一 一一 一一l lh t h r e a dds i - s h y h c u l p r g cc u r i ob 眦o k e r n e m m e u o 砷m m “l i 蝌l b b i o 削 哪0 0 9 9 0 0 9蝴0 2 m2 5 12 5 1 0 0 ：0 0 ：0 00 0 00 0 ：0 0 ：0 0 i l 岍1 d 日洲b i o x 0 0 0 9 0 6 0 9删f i ) 2 m2 5 12 5 1 0 0 ：0 0 ：0 00 0 00 0 ：0 0 ：0 0 i l ：翳搿；船兽：盏 黜啪0 0 0 帅d d q ；8 釜l 黜眷；目5强 黜d ：0 哪0 ：0 0 0 0 0 船2 黜0 ：0 。0 0 ；0 0 0 , ：l l 瞄o 鲥0 y d 0 0 0 0 0 0 90 x 5 2 f d 0 2 i 1 3 26 0 ：0 0 ：0 00 4 0 0 0 ：0 0 ：q o i ，l 图4 1 3 线程窗口 最后运行一些程序试验如视频，如图41 4 所示，播放运行流畅。证明该系统 运行正常。 幽4 1 4 视频措放效粜 湖北工业大学硕士学位论文 4 4 本章小结 本章主要论述w i n d o w sc e 操作系统的移植开发过程。首先介绍了嵌入式 w i n d o w sc e 操作系统的开发流程和b s p 的含义。然后根据该系统的特点，详细论 述了b o o tl o a d e r 和o a l 代码层的移植开发过程。最后对操作系统定制中几个需 要注意的问题进行了说明，并经过调试证明该系统运行正常。 湖北工业大学硕士学位论文 第5 章驱动程序开发与移植 设备驱动程序在操作系统中通常扮演着无名英雄的角色。它是操作系统与硬 件交互的方式，是连接硬件与操作系统之间的桥梁。使用驱动程序，可以将操作 系统和外围的硬件设备有机结合在一起，使得操作系统可以很好地识别外围设备， 并为应用程序提供相应的设备服务。 5 1w i n d o w sc e 中断处理 w i n d o w sc e 系统的大多数外围设备都会通过产生中断来请求操作系统的服 务，如触摸屏、键盘等。当设备需要驱动程序服务时，基于w i n d o w sc e 的平台使 用中断信号通知操作系统。w i n d o w sc e 把中断处理分成两部分：一是内核模式的 中断服务例程( i s r ) ，一个是用户模式的中断服务线程( i s t ) 3 7 】。在w i n d o w sc e 的中断处理中，一部分工作由w i n d o w sc ek e r n e l 完成，一部分工作由o e m 完成， w i n d o w sc e 的中断服务例程是由o a l ( 对象抽象层) 实现的。硬件中断被发送到 内核的异常处理器，内核的中断支持处理器调用o a l 函数o e m i n t e r r u p t d i s a b l e ( ) 来屏蔽此硬件的特定中断，然后内核调用i s r 来进行物理中断，以中断标志符的形 式返回逻辑中断给系统的任务调度程序。系统得到该中断号后，就会找到该中断 号对应的事件，并唤醒等待相应事件的i s t ，然后i s t 就可以在用户模式下进行中 断处理。处理完成后，i s t 需要调用i n t e r r u p t d o n e ( ) 来通知操作系统中断处理结 束，操作系统再次调用o a l 中的o e m i n t e r r u p t d o n e ( ) 函数来完成最后的中断处 理。其中断处理过程如图5 1 所示。 内核本地设备驱动 ( 4 )中断服务线程 异常处理器中断支持处理器 ( 6 )( i s t ) ( 2 ) ff ( 5 ) ( i )1 1r 中断服务例程 ( i s r ) o a l 函数i 0 函数 0 a l 1r 1r1r 硬件平台 图5 1w i n d o w sc e 中断处理过程 3 8 湖北工业大学硕士学位论文 5 2w i n d o w sc e n e t 驱动模型 在w i n d o w sc e n e t 中，驱动程序模型有两种：本机驱动程序和流接口驱动程序。 本地驱动程序也称“内置驱动程序”，一般在平台启动的时候由g w e s 加载，是由 原始设备制造商创建的，不需要用户进行添加。流接口驱动程序是为连接到 w i n d o w sc e 平台上的外围设备而设计的，可由第三方生产商提供。 5 2 1 本机驱动程序 本地驱动程序与w i n d o w sc e 平台有着紧密的联系，且本机驱动程序都有明确 的和专一的目的。为了提供系统的性能和