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山东大学硕士学位论文 摘要 嵌入式系统是当前最为热门的研究领域之一，也是“后p c 时代”最有发展 前景的方向之一。目前，它已经被广泛地应用于信息家电、手持通信设备、仪器 仪表、汽车、航空航天、工业控制以及数据采集等应用领域，为人们的工作和生 活带来了极大的便利。其中，g p r sd t u 是嵌入式系统在工业控制和数据采集领 域的重要应用，它可以实现将串口数据通过g p r s 网络进行数据传输，提供了无 线备份链路，增强了数据传输的可靠性。伴随着对智能化的需求r 益增长，提出 了智能化g p r sd t u 的概念。除了原有的基本功能，还需要增加智能化功能模块， 比如支持自动心跳、保持永久在线，支持远程登录，远程w e b 管理，远程自动更 新等。这样就极大地节省了后期维护费用，降低了成本。因此，对智能化g p r sd t u 的研究具有广泛的意义和良好的商业前景。 本文主要是设计并实现智能化g p r sd t u 的应用平台，对关键技术进行了 深入研究。首先从理论的层次介绍了嵌入式系统的基本概念和设计流程，在理论 研究和项目实践的基础上，总结了抓住本质、分层整合、协同分工、情景分析等 学习方法；介绍g p r sd t u 硬件平台的组成，以a t m e l 公司的a t 9 1 r m 9 2 0 0 为核心控制单元，以t e l i t 的g m 8 6 2 作为g p r s 功能模块，以实现工业级指标要 求；总结出l i n u x 下e l f 文件转换为b i n a r y 文件的方法，然后重点解决了u b o o t 应用于a t 9 1 r m 9 2 0 0 重映射机制的修正，设计出面向智能化g p r sd t u 的嵌入 式混合文件系统( c r a m f s + j f f s 2 + i n i t r a m f s ) ，针对该文件系统对l i n u x 2 6 2 0 进 行了移植和裁剪；最后以串u i e t h e m e t 数据网关的设计来说明应用开发的基本模 型。 本系统研发的关键技术均已获得相应的成果，对智能化g p r sd t u 的发展 给予了有力的技术支持。 关键词：g p r sd t u ；嵌入式l i n u x ；混合文件系统；重映射；a r m 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，e m b e d d e ds y s t e m sa r eo n eo ft h em o s tp o p u l a rr e s e a r c hf i e l d sa n d w i l lb et h em o s tp r o m i s i n gd i r e c t i o no ft h ep o s t - p ce r a i t sw i d e l yu s e di n i n f o r m a t i o na p p l i a n c e s ( i a ) ，h a n d - h e l dc o m m u n i c a t i o n se q u i p m e n t ，i n s t r u m e n t a t i o n ， a u t o m o t i v e ，a e r o s p a c e ，i n d u s t r i a lc o n t r o l ，d a t aa c q u i s i t i o na n ds oo n i th a sb r o u g h t g r e a tc o n v e n i e n c ef o rp e o p l et ow o r ka n dl i v e g p r sd t ui sa ni m p o r t a n ta p p l i c a t i o no fe m b e d d e ds y s t e m si nt h ef i e l d so f i n d u s t r i a lc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n i t sf u n c t i o ni st ot r a n s m i s ss e r i a ld a t at h r o u g h g p r sn e t w o r ka n dt op r o v i d eaw i r e l e s sb a c ku pl i n k t h e r e f o r ei ti m p r o v e st h e r e l i a b i l i t yo fd a t at r a n s m i s s i o n w i t ht h eg r o w i n gd e m a n df o ri n t e l l i g e n c e ，t h ec o n c e p t o fi n t e l l i g e n tg p r sd t ui sp u tf o r w a r d i na d d i t i o nt ot h eo r i g i n a lb a s i cf u n c t i o n s ， m o r ei n t e l l i g e n tm o d u l e sn e e dt ob ep r o v i d e d ，s u c ha sm a i n t a i n i n gap e r m a n e n to n - l i n e b ya u t o m a t i ch e a r t b e a t ，r e m o t ea c c e s s ，w e br e m o t em a n a g e m e n t ，a u t o m a t i cu p d a t e s a n ds oo n i tc o u l ds a v et h ec o s to fm a i n t e n a n c ea n di sm o r ec o s t - e f f e c t i v ea n d t h e r e f o r et h er e s e a r c ho ni n t e l l i g e n tg p r sd t uh a sb r o a ds e n s ea n dg o o db u s i n e s s p r o s p e c t s t h i sp a p e ri sa i m e dt od e s i g na n di m p l e m e n tg p r sd t ui n t e l l i g e n ta p p l i c a t i o n p l a t f o r ma n dt od e e p l ya n a l y z et h ek e yt e c h n o l o g yo ni n t e l l i g e n tf u n c t i o n s f i r s to fa l l ， t h eb a s i cc o n c e p ta n dd e s i g np r o c e s so fe m b e d d e ds y s t e m sa r ei n t r o d u c e db a s e do nt h e t h e o r e t i c a ll e v e l ，a n ds o m em e t h o d sa r es u m m e du p ，s u c ha ss e i z i n gt h ee s s e n c e ， h i e r a r c h i c a li n t e g r a t i o n ，c o o r d i n a t i o nd i v i s i o n ，s c e n ea n a l y s i sa n ds oo n ；s e c o n d ， i n t r o d u c eg p r sd t uh a r d w a r ep l a t f o r m ，w h i c ha d o p t sa t m e l sa t 91r m 9 2 0 0a s c o r ec o n t r 0 1u n i ta n dt e l i t sg m 8 6 2a sg p r sm o d u l ei no r d e rt oa c h i e v e i n d u s t r i a l l e v e lr e q u i r e m e n t ；t h i r d ，s u mu pt h em e t h o dt oc o n v e r tl i n u xe l ff o r m a t f i l et oab i n a r yf i l e ，a n dt h e nf o c u so nc o r r e c t i n gu - b o o t su n r e a s o n a b l ea p p l i c a t i o no n a t 91r m 9 2 0 0 sr e m a pm e c h a n i s ma n dr e a l i z i n gt h ei n d e p e n d e n c eo fu - b o o t sb o o t m o d e ；f o u r t h ，a ne m b e d d e dh y b r i df i l e s y s t e m ( c r a m f s + j f f s 2 + i n i t r a m f s ) f o r 2 山东大学硕士学位论文 i n t e l l i g e n tg p r sd t ud e s i g ns c h e m e i sp r o p o s e d w h i c hi sak e ym o d u l eo fi n t e l l i g e n t g p r sd t u m e a n w h i l e ，p o r ta n dc u s t o m i z el i n u x - 2 6 2 0k e r n e lb a s e do nt h en e e d so f e f sa n da p p l i c a t i o n s ；f i n a l l y , i l l u s t r a t et h eb a s i ct h e o r i a lm o d e lo fa p p l i c a t i o n d e v e l o p m e n tu s i n gd e s i g ns c h e m eo fs e r i a l e t h e r n e td a t ag a t e w a y t h ek e yt e c h n o l o g yo nr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h eg p r sd t ui n t e l l i g e n t p l a t f o r mh a sg o tg o o dr e s u l t sa n dg i v e sas t r o n gt e c h n i c a ls u p p o r tf o ri n t e l l i g e n tg p r s d t u k e yw o r d s ：g p r sd t u ；e m b e d d e dl i n u x ；h y b r i df i l e s y s t e m ；r e m a p ；a r m 3 山东大学硕士学位论文 b s p d a q d t u e f s g p r s h a l n v m s y s m v m 4 符号说明 b o a r ds u p p o r tp a c k a g e d a t aa c q u i s i t i o n d a t at e r m i n a lu n i t e m b e d d e df i l e s y s t e m g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e h a r d w a r ea b s t r a c tl a y e r n o n - v o l a t i l em e m o r y s y s t e mm a n a g e m e n t v o l a t i l em e m o r y 板级支持包 数据采集 数据终端单元 嵌入式文件系统 通用无线分组业务 硬件抽象层 非易失性存储介质 系统管理 易失性存储介质 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：型亟丛e l 期： 2 0 ，。袄7 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：型燃导师签名：坚篁歪l 日 期：鲨墨9 山东大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 嵌入式系统是- 1 3 交叉学科，其支柱学科包括微电子学科、计算机学科、电 子技术学科和对象学科。微电子学科是嵌入式系统发展的基础，对象学科是嵌入 式系统应用的归属学科，计算机与电子技术学科是嵌入式系统技术发展的重要保 证。美国著名未来学家尼葛洛庞帝在2 0 0 1 年访华时曾预言，4 5 年后，嵌入式智 能电脑将是继p c 和i n t e m e t 之后的最伟大发明。的确，在当今社会中，嵌入式系 统已经广泛应用于信息家电、移动通讯、手持通信终端、仪器仪表、航空航天以 及工业控制等领域，为人们工作和生活带来了极大的便利，是当前研究最为热门 的领域之一l l 3 1 。 g p r sd t u ( d a t at e r m i n a lu n i t ，数据终端单元) 是嵌入式系统在工业控制、 数据采集领域的一个重要应用。在这些应用场合，传统的用户接口大多是 r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 ，而g p r sd t u 则可在原有接口正常工作的基础上提供无线备份 链路，提高了数据传输的可靠性。随着对设备智能化的需求日益增长，对g p r s d t u 有了更高的要求，比如支持域名解析、远程登陆、远程w e b 配置、远程自 动升级等等。基于此，提出了智能化g p r sd t u 的概念。而智能化意味着复杂度 增加，传统的8 1 6 位单片机加g p r s 模块的方式逐渐不能胜任，所以需要采用 3 2 位微控制器加嵌入式操作系统来进行智能化g p r sd t u 的开剔4 母】。 开发工作的重点和难点是搭建稳定可靠的平台。它是一个系统工程，包括硬 件电路板级设计、b o o tl o a d e r 移植、内核裁剪和移植、e f s ( e m b e d d e df i l e s y s t e m ， 嵌入式文件系统) 设计等环节。其中e f s 尤为重要，不同的应用场合，要求有不 同的e f s ，以求达到资源的最佳利用。 本课题源自济南一家电子公司，要求设计并实现适用于工业场合的g p r s d t u 平台。该平台作为数据传输终端的载体，有广阔的市场和良好的商业前景。 5 山东大学硕士学位论文 d a q d t u l 数据采集单元l - 下位机 s y s m 上位机 图1 1g p r sd t u 系统框图 g p r sd t u 系统框图如图1 1 所示，各部分的功能简述如下： ( 1 ) 数据采集单元 由8 1 6 位单片机功能电路承担，完成数据采集( 针对不同的应用场合，采 集的数据有所不同) ，一般通过r s 2 3 2 4 8 5 接口向下位机提供数据。 ( 2 ) 下位机 主要负责监测并接收数据采集单元提供的数据，经过处理，通过加密隧道向 上位机传输数据；同时接收上位机下发命令，控制数据采集单元。应智能化需求， 该功能单元由3 2 位微控制器承担。这是该系统控制功能的核心单元。 ( 3 ) 加密隧道 数据传输的通道。传统为有线方式，对g p r sd t u 而言，则是g p r s 无线 传输隧道。加密是为了保证数据安全，不加密时为透明传输。 ( 4 ) 上位机 由p c 承担，负责完成数据分析、处理、打印等工作；同时实现远程控制下 位机完成指定任务。该功能模块由通用计算机系统来完成，可以不归结为嵌入式 系统的范畴。 本文关注的是下位机d t u 功能模块的实现。 6 山东大学硕士学位论文 1 2 论文安排 本文的主要工作是探讨并搭建以a t 9 1 r m 9 2 0 0 为微控制器、l i n u x 2 6 2 0 为 嵌入式操作系统的智能化g p r sd t u 平台，论文共分七章，各章内容如下： 第一章对g p r sd t u 的历史地位进行综述，介绍了系统组成，说明了本论 文所研究课题的研究背景；最后简要介绍了本文的主要工作，核心贡献都已在期 刊上发表相应的论文。 第二章从基本概念、发展历史、组成和特点四个方面介绍了嵌入式系统；然 后从理论和系统的角度提出嵌入式系统设计的方法，重点分析了特点和开发流程； 最后根据在近三年的项目时间和理论学习中总结出来的学习方法，有一定的实用 价值。 第三章介绍了a r m 的基本概念和命名规则；然后重点介绍了本文所基于的 g p r sd t u 硬件平台，说明了硬件平台的系统组成。 第四章介绍b o o tl o a d e r 的概念、存在的必要性和启动流程，对b o o tl o a d e r 有一个系统的认识；然后总结了l i n u x 下e l f 文件转换为b i n 文件的方法，提出 根据加载地和运行地是否分离而区别处理的观点；最后介绍了移植u b o o t 1 3 o 的步骤，重点论述u b o o t 应用于a t 9 1 r m 9 2 0 0 重映射机制的修币。 第五章是本文的主体，介绍了面向智能化g p r sd t u 的嵌入式混合文件系 统的设计。因为内核和文件系统有着息息相关的联系，所以把内核的编译、裁剪 和移植的方法融入到文件系统制作过程中，更为符合开发的一般过程。 第六章介绍了嵌入式系统调试环境的搭建，设计出g p r sd t u 的基本功一一 数据网关，并对网络异常的处理进行了详细论述。 第七章对本文的工作进行总结，并指出本文研究的不足之处以及尚待解决的 问题，同时指明下一步研究工作的方向。 论文的最后是参考文献、致谢以及作者在硕士就读期间参与的工程项目和发 表的论文。 7 山东大学硕士学位论文 第二章嵌入式系统概述 2 1 嵌入式系统的定义 嵌入式系统是当今最为热门的研究领域之一，它的发展势头已经引起社会各 界的广泛关注。用市场的观点看，p c 已经从高速增长过渡到平稳发展时期，其年 增长率由2 0 世纪9 0 年代中期的3 5 逐年下降，使单纯由p c 机带领电子产业蒸 蒸同上的时代成为历史。根据p c 时代的概念，美国b u s i n e s sw e e k 杂志提出了“后 p c 时代 的概念，即计算机、通信和消费产品的技术结合起来，以3 c 产品的形 式通过i n t e r n e t 进入家庭。这将是一个即为庞大的嵌入式应用市场。在当今社会 中，嵌入式系统已经广泛渗透n t 人们工作、生活中的各个领域【2 】【3 1 。 所谓嵌入式系统，实际上是嵌入式计算机系统。但是这又并非是一个准确的 概念，那么什么是嵌入式系统呢? 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“控制、 监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”。这主要是从嵌入式系统的用途方面 进行定义的【2 1 。 目i j 国内一个普遍被认同的定义是：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。它具备“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统三个基本要素。 从这个定义可以看出，我们日常生活中常用的手机、p d a 、m p 3 m p 4 、机顶盒都 属于嵌入式系统设备，嵌入式系统已经进入了人们生活的各个方面【3 】。 北京航空航天大学何立民教授给出的定义是，按照历史性、本质性、普遍性 要求，嵌入式系统应定义为：“嵌入到对象体系中的专用计算机系统 。“嵌入性 、 “专用性”与“计算机系统 是嵌入式系统的三个基本要素。对象系统则是指嵌 入式系统所嵌入的宿主系统。他指出，定义一个比较明确的概念是不容易的，可 行的办法是从历史的角度出发，了解其发展历史，组成和特点，才能对嵌入式系 统有一个系统和形象的认识。 。 下面从发展历史、组成和特点三个方面，对嵌入式系统这个基本概念进行进 山东大学硕士学位论文 一步的论述。 2 1 1 嵌入式系统的发展历史 嵌入式系统经过3 0 年的发展历程，主要经历了4 个阶段【2 】： ( 1 ) 无操作系统阶段。 嵌入式系统的最初阶段基于单片机，具有监测、伺服和设备指示等功能，通 常应用于专用性强的工业控制系统只能够，一般没有操作系统的支持，通过汇编 语言对系统进行直接控制。这些装置初步具备了嵌入式的应用特点，但是仅仅使 用8 位的c p u 芯片来执行一些单线程的程序，因此严格上来说还谈不上“系统 的概念。这一阶段嵌入式系统的主要特点是：系统结构和功能相对单一，处理效 率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简单、价 格低，因此在国内工业控制领域应用普遍，但是现在无法满足现代工业控制和新 兴信息家电等领域的需求。 ( 2 ) 简单操作系统阶段 这一阶段的嵌入式系统以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心，其 主要特点是：出现了大量具有高可靠性、低功耗的嵌入式c p u ( 如p o w e r p c 等) ， 但是通用性比较弱；操作系统达到一定的兼容性和扩展性，内核精巧且效率高； 应用软件较专业化，用户界面不够友好。 ( 3 ) 嵌入式操作系统阶段 2 0 世纪9 0 年代，随着硬件实时性要求的提高，嵌入式系统的软件规模不断 扩大，逐渐成为主流。主要特点是：嵌入式操作系统能够运行于各种不同类型的 微处理器微控制器上，兼容性好；操作系统内核小、效率高，并且具有高度的模 块化和扩展性；具备文件和目录管理、设备管理、多任务、网络、图形用户界面 等功能，并且提供了大量的应用程序接口，开发应用程序较简单。 ( 4 ) 面向i n t o n e t 阶段 这是一个正在迅速发展的阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e r n e t 之 外。2 1 世纪是网络时代，随着i n t e m e t 的进一步发展以及i n t e r n e t 技术与信息家电、 工业控制技术等的结合同益紧密，嵌入式设备与i n t e m e t 的结合将代表嵌入式系 统的未来。 9 山东大学硕士学位论文 2 1 2 嵌入式系统的组成 图2 1 嵌入式系统的组成 嵌入式系统从最通用的角度来看，可以分为三个基本层面：硬件层、系统软 件层、应用软件层。在硬件层和系统软件层之间，有b o o tl o a d e r 层。从这四个 层面去理解嵌入式系统是最为自然的方式【2 1 。 ( 1 ) 硬件层 硬件层包括嵌入式微控制器和外围设备。其中嵌入式微控制器是嵌入式系统 的核心部分，它与通用处理器最大的区别在于，嵌入式微控制器大多工作在为特 定用户群所专门设计的系统中，它将通用处理器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在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率 和可靠性。如今，嵌入式微控制器的种类繁多，流行的体系结构有3 0 多个系列， 其中以a r m 、p o w e r p c 、m c6 8 k 、m i p s 等使用最为广泛。 外围设备是嵌入式系统中用于存储、通信、调试、显示等辅助功能的其他部 件。目前常用的嵌入式外围设备按照功能可以分为存储设备( 分为易失性存储介 质和非易失性存储介质两类) 、通信设备( 如r s 2 3 2 、s p i 、1 2 c 、e t h e m e t 接1 2 1 等) 和显示设备( 如l c d 等) 三类。 固件是适应技术发展而出现的一种手段，既不是硬件，也不是软件。它形态 l o 山东大学硕士学位论文 上是硬件，但是功能上是软件，具有两个特点：非易失性载体和固化特性。很多 时候，感觉不到f i r m w a r e 的存在，一般把固件归结为硬件层，比如a t 9 1 r m 9 2 0 0 内部本身有1 2 8 k 的片内r o m ，固化了一个b o o tl o a d e r 和u p l o a d e r ，用来支持 程序的下载和引导，这部分就属于固件。 ( 2 ) b o o tl o a d e r 层 该层也称为中间层，是操作系统内核运行前的一段程序，职责是完成硬件设 备的初始化，加载内核，为最终调用系统内核做好准备。常见的b o o tl o a d e r 有 u b o o t 、r e d b o o t 等。一旦内核加载完成，它的使命也就完成了。 也有一种观点认为，把b o o tl o a d e r 及操作系统的驱动部分看作一体，称为 硬件抽象层( h a r d w a r ea b s t r a c tl a y e r ，h a l ) 或者板级支持包( b o a r ds u p p o r t p a c k a g e ，b s p ) 。这样就将系统上层软件与底层硬件分离开来，使得系统的底层 驱动程序与硬件无关，上层软件开发人员无需关心底层硬件的具体情况，根据b s p 层提供的接口即可进行开发。 ( 3 ) 系统软件层 系统软件层是由嵌入式操作系统、文件系统、图形用户接口及通用组件模块 组成。 1 0 - 1 3 嵌入式操作系统从嵌入式发展的第三阶段起开始引入，是嵌入式应用软件丌 发的基础和开发平台。几种主流嵌入式操作系统有w i n c e 、l i n u x 、v x w o r k s 、q n x 、 p a l mo s 等。 嵌入式文件系统比较简单，主要提供文件存储、检索和更新等功能，一般不 提供保护和加密等安全机制，往往具备以下特点： 兼容性。嵌入式文件系统通常支持几种标准的文件系统，如f a t 3 2 、j f f s 2 、 c r a m f s 、y a f f s 等。 实时文件系统。除支持标准的文件系统外，为提高实时性，有些嵌入式文 件系统还支持自定义的实时文件系统，这些文件系统一般采用连续的方式存储文 件。 可裁减、可配置。根据嵌入式系统的要求选择所需的文件系统，选择所需 的存储介质，配置可同时打开的最大文件数等。 山东大学硕士学位论文 支持多种存储设备。嵌入式系统的外存形式多样，嵌入式文件系统需要方 便的挂接不同存储设备的驱动程序，具有灵活的设备管理能力。同时根据不同外 部存储器的特点，嵌入式文件系统还需要考虑其性能、寿命等因素，发挥不同外 存的优势，提高存储设备的可靠性和使用寿命。 ( 4 ) 应用软件层 应用软件层与应用场合有关。针对复杂的系统，在系统设计初期就要对系统 进行需求分析，确定系统的功能，然后设计选择相应的应用组件，以求达到最合 理配置。 2 1 3 嵌入式系统的特点【3 】 ( 1 ) 嵌入式开发的软件代码尤其要求高质量、高可靠性。因为嵌入式系统 常常在无人照看的条件下运行的，有的甚至是在人迹罕至的地方运行，因此，其 代码必须有更高的要求，而且通常采用一种称为“看门狗的机制，这也是一般 通用计算机中没有的。 ( 2 ) 面向特定应用的特点。嵌入式系统与通用型系统的最大区别就在于嵌 入式系统大多工作在为特定用户群设计的系统中，因此它通常都具有低功耗、体 积小、集成度高等特点，并且可以满足不同应用的特定需求。 ( 3 ) 嵌入式系统一般都不带用于大容量存储目的的外部设备，也就是不带 磁盘。而操作系统的映像和可执行程序一般都存放在非易失性存储介质中，比如 r o m 或者f l a s h 。 ( 4 ) 许多嵌入式系统的人机界面也有特殊性。许多嵌入式系统都不提供图 形人机界面，而只是提供一个面向字符的控制台接口。不过往往还带有如小型的 l c d 显示屏、发光二极管等辅助显示设备，甚至报警装置。 ( 5 ) 嵌入式系统本身不具备二次开发能力，即设计完成后用户通常不能对 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再次丌发。 1 2 山东大学硕士学位论文 2 2 嵌入式系统设计 2 2 1 嵌入式系统设计的特点【2 】 嵌入式系统设计的主要任务是定义系统的功能，决定系统的架构，并将功能 映射到架构。这旱的架构既包括硬件系统架构也包括软件系统架构。嵌入式系统 的设计方法不同于一般的硬件设计、软件设计，而是采用软硬件协同的方法，开 发过程会涉及软件、硬件及其相关应用专业的知识。和通常的系统设计相比，嵌 入式系统的设计具有以下几个特点： ( 1 ) 软硬件协同开发 软硬件协同开发就是在整个设计的生命周期，软件和硬件的设计直是保持 并行的，在设计过程中两者交织在一起，互相支持，互相提供开发的平台，而不 是传统方法中将软硬件设计分开独立进行。在设计流程的开始就要将系统所要实 现的功能划分到硬件或软件实现，然后独立进行硬件和软件设计，最后才进行软 硬件的集成。 ( 2 ) 需要交叉编译 简单的说，交叉编译就是在一个平台上生成在另一个平台上执行的代码。这 罩的平台包括体系结构( a r c h i t e c t u r e ) 和操作系统( o s ) 。同一个体系结构可以 运行不同的操作系统，同样，同一个操作系统也可以在不同的体系结构上运行。 举例来说，x 8 6l i n u x 平台是i n t e lx 8 6 体系结构和l i n u xf o rx 8 6 操作系统的统称。 为什么要采用交叉编译呢? 原因有两个。一是目标平台所需要的b o o tl o a d e r 以及o s 核心还没有建立时，需要作交叉编译。二是目标机设备不具备一定的处 理器能力和存储空间，即单独在目标板上无法完成程序开发，所以只好求助宿主 机。这样可以在宿主机上对即将在目标机上运行的应用程序进行编译，生成可以 在目标机上运行的代码格式，然后移植到目标板上，也就是目前嵌入式程序开发 的h o s t t a r g e t 模式。 ( 3 ) 嵌入式系统的程序需要固化 通用的系统在测试完成后就可以直接投入使用，其目标环境一般是p c 机， 因此在总体结构上与开发环境差别不大。而嵌入式系统的开发环境是p c 机，但 山东大学硕士学位论文 是应用软件在目标环境下必须存储在非易失性存储器中，保证用户关机之后下次 能够再次使用。因此，在系统应用软件丌发完成之后，应生成固化版本。 ( 4 ) 嵌入式系统还需要提供强大的硬件丌发工具和软件包的支持，需要设计 者从速度、功能和成本综合考虑。此外，嵌入式系统对稳定性、可靠性、功耗、 抗干扰性等方面的性能要求都比通用系统的要求更为严格，所以相对而言，嵌入 式系统的软件开发难度更大一些。 2 2 2 嵌入式系统设计的流程 嵌入式系统设计的流程一般分为以下几个阶段：产品定义( 即系统需求分析 阶段、规格说明阶段) 、硬件和软件划分、迭代与实现、详细的硬件与软件设计、 硬件与软件集成、系统测试和系统维护与升级。各个阶段通常需要不断的反复和 修改，直到完成最终的设计目标。前期的工作一定要精细，确保准确无误，尽量 减少因前期工作所造成的损失，下面对个阶段给出具体的描述。 ( 1 ) 产品定义 产品定义相当于一般软件工程中的需求分析阶段。即对产品需求加以分析、 细化，并抽象出需要完成的功能列表，明确定义所要完成的任务。 ( 2 ) 软件与硬件的划分 由于嵌入式系统设计分为硬件与软件设计两个部分，设计人员必须确定系统 的那些功能由硬件完成，那些功能由软件完成，这种选择成为“划分决策”，即软 件与硬件的划分。 ( 3 ) 迭代与实现 迭代与实现阶段是软硬件划分阶段的延续，随着软硬件被初步划分，软硬件 设计小组分别对软硬件进行建模，随着软硬件建模过程的深入，更多的设计约束 被理解，此时可以修改软硬件划分的界限，实现对软硬件更为合理的划分。 ( 4 ) 详细的硬件与软件设计 随着上一个阶段的完成，系统被合理地划分成了软硬件两个部分，此阶段是 对系统的软硬件分别进行实现的过程。在软硬件的实现过程中分别有自己的设计 方法和技巧。 ( 5 ) 硬件和软件的集成 1 4 山东大学硕士学位论文 将已实现的硬件模块和软件功能模块综合、整合为统一的系统。 ( 6 ) 系统测试与发布 嵌入式系统一般具有严格的设计界限，以达到成本目标，所以测试必须查明 系统是否在运行时接近最优性能。而且嵌入式系统要求在运行时具有相当高的可 靠性，因此在产品发布之前必须进行产品的严格测试。 ( 7 ) 系统维护与升级 在产品发布之后还要不断对产品进行维护和升级。产品在使用过程中会发现 一些在产品的设计阶段没有想到的问题，对这些问题的解决就是产品的维护。在 产品应用一段时间后，用户会对产品提出更多的需求，通过对产品的升级可以解 决用户不断增加的需求。 2 3 嵌入式系统的学习方法 如前所述，嵌入式系统是- i - j 交叉学科，入门的门槛比较高。在学习过程中 注意一定的方法，能够起到事半功倍的作用。在近三年的学习中，我根据自己的 项目实践和理论研究，总结出如下方法： ( 1 ) 抓住本质，先主后次 比如，嵌入式系统既然是计算机系统，就不可避免地由三大件构成，即c p u 、 存储器、输入输出。此外还得有将这三大部分连接起来的总线。这是所有计算机 系统的共性，是本质。抓住这个本质去理解概念，然后通过它自身的特点去理解 其内涵和外延，就可以理解得更为深入透彻。 ( 2 ) 分层整合 分层在是研究复杂体系时常用的研究方法，就是将复杂的体系按照一定的规 则进行分割，直到能够容易掌握。不过分层与整合是密不可分的。首先能够从整 体的高度进行整合，才能更好的分层，把握每个层次的地位和功能，定义层与层 之间的接口。 利用该理论，我倾向于建立自己的知识体系树，理清主干。先掌握好最基础 部分，然后根据项目实践和学习的深入，不断地去充实这颗知识体系树，使之生 出更多的枝桠，更为繁茂的树叶。在分层与整合中，达到学习的最优化。 1 5 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 协同分工 一件事情，软件硬件都可以完成，那么就需要考虑成本等各种因素，达到性 能最优化，这样就需要软硬件的权衡，也就是协同分工。在嵌入式系统中，这点 是尤为重要的，因为嵌入式系统中没有一成不变的模式，应用不同，模式也就不 同。c u s t o m i z e 是最为重要的一个术语，就是“定制”“客制化”。硬件需要定制， 软件也需要定制。在定制的过程中，实际上就是权衡的实现过程。 ( 4 ) 情景分析 这是毛德操、胡希明提出的一种方法，在我学习嵌入式系统中，发现该方法 确实行之有效，事半功倍。对于一个复杂的问题，如果按照若干精心安排的场景 为线索，就能够有生动而深刻的理解。这也是一种尊重历史发展规律的方法，任 何事物都有其产生、发展、消亡的阶段，如果只是简单地某个阶段割裂开来，就 很难去理解事物的本质；反之，如果按照自然发展的情景去分析，就比较容易， 而且直观。 在做项目、写论文的过程中，这几个方法对我而占都是极有价值的。总结于 此，希望能够给予后来人以帮助。 山东大学硕士学位论文 3 1 硬件平台 第三章6 p r sd t u 系统设计 a r m 公司从成立至今，在短短几十年的时问里就占据了7 5 的市场份额， 如今，a r m 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域。采用a r m 技术的 微处理器现在已经遍及各类电子产品、汽车、消费娱乐和无线等市场，尤其是工 业控制领域。从应用的广泛度考虑，硬件平台的核心选择采用a r m 微处理器微 控制器系列。这样，不仅可以获得良好的技术支持，降低研发风险，而且可以缩 短上市时间，增强产品竞争力。 3 1 。1a r m 简介 a r m 是一家公司，于1 9 9 0 年1 1 月成立于英国剑桥。然而，a r m 还有更多 的含义【1 4 2 0 】。 首先，a r m 是一种r i s c 微控制器微处理器的架构，同m i p s 、p o w e r p c 、 x 8 6 等并列。谈到架构，这实际上本身就是一个很复杂的概念。就现在的理解来 看，架构是一种系统设计蓝图，规划了方方面面的技术规范。应该说，架构是理 论，那么采用同样的架构，实现的形式可以不相同。这也就是为什么同一架构会 有那么多衍生的处理器实现。 其次，a r m 是a r m 公司的产品。这种产品以知识产权核的形式出售，实现 了无厂房式工厂，开创了一种崭新的商业模式。 最后，a r m 还用以泛指许多半导体厂商买了这种设计后生产出来的a r m 处 理器系列的芯片及其衍生产品。 世界各大半导体生产商从a r m 公司处购买其设计的a r m 微处理器核，根 据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成面向特定应用和市场的 专用芯片。 3 1 2a r m 命名规则 a r m 的命名规则分成两类：一类是基于a r ma r c h i t e c t u r e 的版本命名规则； 1 7 山东大学硕士学位论文 另一类是基于a r ma r c h i t e c t u r e 版本的处理器系列命名规则。例如，$ 3 c 2 4 1 0 采 用a r m v 4 t 架构版本，a r m 9 2 0 t 处理器系列，其中处理器核为a r m 9 t d m i 。 ( 1 ) a r ma r c h i t e c t u r e 的版本命名规则 图3 1a r ma r c h i t e c t u r e 版本命名规则 迄今为之，a r m 架构版本发布了7 个系列，所以n - 【1 ：7 】。其中最新的版本 是第7 版。 常见的变种有： t t h u m b 指令集 m 一长乘法指令 e 一增强型d s p 指令 j j a v a 加速器j a z e l l e s i m d a r m 媒体功能扩展 例如a r m v 5 t x m 表示a r m 指令集版本为5 ，支持t 变种，不支持m 变种。 ( 2 ) a r m 处理器系统的命名规则 规则可以表示为：a r m x ) y ) z ) t ) d ) m ) i ) e ) j ) f ) 一s ) ，其中： x 一处理器系列 y 一存储管理保护单元 z ，c a c h e t 一支持t h u m b 指令集 d 一支持片上调试 山东大学硕士学位论文 m 支持快速乘法器 i 一支持e m b e d d e di c e ，支持嵌入式跟踪调试 e 一支持增强型d s p 指令 j 一支持j a z e l l e f 一具备向量浮点单元v f p s 一可综合版本 理解a r m 的命名规则，对选择和了解不同的微处理器微控制器系统有很大 的帮助。 3 1 3g p r sd t u 硬件平台 本文基于的g p r sd t u 硬件平台组成框图如图3 。2 所示。 d a q j 蛆9l r m 9 2 0 0 g p r s d m 9 1 6 l h y 5 7 v 2 8l6 2 0 h c t - hli 2 8 f 6 4 0 j 3 a 图3 2g p r sd t u 硬件平台组成框图 因为g p r sd t u 应用于工业场合，所以作为系统控制核心的微控制器应该选 择工业级器件，同时要具有低成本、高可靠、灵活的扩展接口等特点。 本文选择了a t m e l 公司的a t 9 1 r m 9 2 0 0 作为系统控制核心。首先，a t m e l 公司专注于工业级和军工级器件，积累了丰富的经验，有良好的信誉；其次， a t 9 1 r m 9 2 0 0 基于a r m 9 2 0 t 内核，工作时主频为1 8 0 m h z ，处理速度可达到 2 0 0 m i p s ；不仅拥有丰富的片上资源和标准接口，而且有低功耗、低成本、高性 能等优点，被广泛应用于工业控制等场创1 4 】。 g p r s 模块采用意大利t e l i t 公司的g m 8 6 2 工业级g s m g p r s 模块。该模块 低功耗，超小体积，支持p ”h o n 编程，内嵌s i m 卡接1 5 1 ，灵敏度高。它对外的 标准接口为r s 2 3 2 ，通信协议的标准为a t 指令集。 n v m 采用n o rf l a s h2 8 f 6 4 0 j 3 a ，容量为8 m b ，用来保存程序代码；v m 采 用两片h y 5 7 v 2 8 1 6 2 0 h c t - h ，容量为3 2 m b ，作为数据存储空间。 1 9 山东大学硕士学位论文 另外，为达到工业级要求，对e m c 、e s d 等都有严格的要求。本文主要关 注软件系统设计，硬件平台未作深入探讨，故此处没有罗列相关参数指标。 3 2 软件设计 3 2 1 嵌入式操作系统的选择 在软件系统的设计中，嵌入式操作系统的选择是最为重要的。因为开发环境、 b o o tl o a d e r 、嵌入式文件系统和应用程序都是与嵌入式操作系统相关的，如果不 首先选择合适的嵌入式操作系统，那么后续的工作都无法展开。嵌入式操作系统 的选择有两个要素：系统类型和响应时间。在选择时，必须综合考虑这两个因素， 才能选择合适的嵌入式操作系统。 ( 1 ) 系统类型 按照系统的类型，嵌入式操作系统可以分为三类：商用系统、专用系统和