（通信与信息系统专业论文）基于windows+ce的gps车载导航系统支撑平台的设计与实现.pdf

摘要 摘要 随着科技的发展，汽车的普及，道路的建设，人们之间的经济交往更加频 繁，由此产生了交通阻塞、找不到目的地、迷失方向等严重问题。g p s 车载导 航系统能有效的改善以上各种交通问题，为人们出行提供便捷服务。基于这种 形势，本文论述了一种基于s a m s u n g 的$ 3 c 2 4 1 0 微处理器、采用w i n d o w s c e 5 0 嵌入式操作系统的g p s 车载导航系统支撑平台的设计与实现，为g p s 导 航系统提供软件应用平台。 本文介绍了国内外g p s 车载导航系统的发展现状，对嵌入式系统的概念、 特点、嵌入式处理器和嵌入式操作系统进行了简单的介绍。分析了g p s 车载导 航系统功能需求，并选择了旋极公司的s u p e r a r m 9 实验箱作为硬件平台和微 软的w i n d o w sc e 5 0 作为嵌入式操作系统的设计方案。论文实现了针对 s u p e r a r m 9 硬件平台的嵌入式系统w i n d o w sc e 5 0 的移植和g p s 原始数掘的 接收，其中操作系统移植中主要完成了n b o o t 、e b o o t 开发，串口、显示等相关 驱动的编写及调试，o e m 抽象层丌发，内核的定制和编译等任务；最后通过 g p s t e s t 应用程序验证了该平台可以j l l 页, n 实现g p s 原始数据的接收和显示。 关键词：a r m ；导航系统：嵌入式系统； w i n d o w sc e a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g h t e c h ，t h ep o p u l a t i o no fc a r s ，c o n s t r u c t i o no fr o a d s ， t h ee c o n o m i c a li n t e r a c t i o no fp e o p l eb e c o m e sm o r ea n dm o r ef r e q u e n t s om a n y q u e s t i o n sa p p e a r ，f o re x a m p l e ，t r a f f i cj a m s ，d i f f i c u l t yo ff i n d i n gt h ed e s t i n a t i o n ， l o s i n go n e sw a y ，a n ds oo n t h eg p sv e c h i l en a v i g a t i o ns y s t e mc a ne f f e c t i v e l y r e s o l v et h e s eq u e s t i o n sa n dp r o v i d eu sw i t hc o n v e n i e n ts e r v i c e s b a s e do nt h e s e c o n s i d e r a t i o n ，t h i st h e s i sd i s c u s s e st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h es u p p o r t i n g p l a t f o r m f o rg p sv e c h i l e n a v i g a t i o ns y s t e m s b a s e do nt h e p r o c e s s o r o f s a m s u n g $ 3 c 2 4 1 0a n dw i n d o w sc eo p e r a t i n gs y s t e mo fm i c r o s o f t ，t h a tp r o v i d e a na p p l i c a t i o ns o f t w a r ep l a t f o r mf o rg p sv e c h i l en a v i g a t i o ns y s t e m s t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ec u r r e n ts i t u a t i o no ft h ed e v e l o p m e n to fg p sv e c h i l e n a v i g a t i o ns y s t e m sa th o m ea n da b r o a d ，a n di n t e r p r e t e st h ec o n c e p t s 。c h a r a c t e r i s t i c s o fe m b e d d e ds y s t e m s t h ep r o c e s s o ra n de m b e d d e ds y s t e ma r ea l s oi n t r o d u c e d a f t e r a n a l y z i n gt h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n to fg p sv e c h i l en a v i g a t i o ns y s t e m ，t h e s u p e r - a r m 9e q u i p m e n to fw a t e r t e c hc o m p a n yi sc h o s e na st h eh a r d w a r e p l a t f o r m ，w i n d o w sc ei sc h o s e na st h es o f t w a r ep l a t f o r m t h i st h e s i sr e a l i z e st h e p r o j e c to fp o r t i n gw i n d o w sc eo p e r a t i o ns y s t e mt oo u rc h o s e np l a t f o r mf o rr e c e i v i n g o r i g i n a ld a t ao fg p s d u r i n gt h ep o r t i n gp r o c e s s ，s o m em a i nt h i n g sa r ed o n e ，f o r e x a m p l e ，f i n i s h i n gn b o o t ，e b b o o tc o d e ，c o m p l e t i n gs e r e i a lp o r t ，d i s p l a ya n do t h e r d r i v e r s ，t h ed e v e l o p m e n to fo e ma b s t r a c tl a y e r ，a sw e l la st h ec u s t o m i z a t i o na n d c o m p i l a t i o no ft h ek e r n e l f i n a l l y ，1w r o t et h eg p s t e s ta p p l i c a t i o nt ov e r i f yt h a tt h e p l a t f o r mc a nr e c e i v ea n dd i s p l a yt h eo r i g i n a lg p sd a t af r o mg p s r e c e i v e r k e y w o r d s ：a r m ；n a v i g a t i o ns y s t e m ；e m b e d d e ds y s t e m ；w i n d o w sc e i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 为获得直昌太堂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 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：磷峰签字目期：沙石年) 尹月弓j e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌太堂有关保留、使用学位论文的 规定，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， 允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将学位论文的全部 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、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社 会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 磷噼 导师i - f 饔名j ：馏 j 、 签字日期：y 唁年胗月纠日签字日期：晰明 7 日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 嵌入式系统 1 1 1 嵌入式系统的概念 嵌入式系统是指基于计算机技术的集硬件和软件于一体的专用系统。简单 地说就是系统的应用软件( 通常还包括嵌入式操作系统) 与系统的硬件一体化， 类似于b i o s 的工作方式。具有软件代码小，高度集成，响应速度快( 实时) 等 特点。特别适合于应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗严格要求的实 时的和多任务的体系。 1 1 2 嵌入式系统的特点 和通用的计算机相比，嵌入式系统总是面向特定应用的，所以它的硬件系 统具有以下特性f i 】： 体积小，集成效率高； 具有面向某些特定应用的特点，对于另一应用需要重新设计硬件； 低功耗，电磁兼容性好，能在恶劣条件下工作，故障恢复速度快； 软件是一个应用系统的灵魂，软件又是基于硬件基础开发的，所以嵌入式系 统的软件部分具有以下特性： 嵌入式软件的研发与硬件紧密相关； 代码要求高效率和高可靠性，出现故障能快速恢复； 软件固化在f l a s h 或者r o m 中，以提高执行速度和系统的可靠性； j 下是由于以上种种特点，嵌入式系统随着数字技术的发展和新的体积更小的 控制芯片和功能更强的操作系统的出现，在很多领域得到广泛的使用，如军事 电子设备和现代武器、工业控制、网络通信设备、办公自动化和消费电子领域 等。 第1 章绪论 1 2 嵌入式系统处理器 在嵌入式系统的硬件设备中，嵌入式处理器芯片是整个系统的核心部件，其 性能的好坏直接决定整个系统的运行效果。嵌入式处理器一般具有以下4 个特 剧2 l ：实时和多任务性、集成度高、较强的存储区保护功能和低功耗。 a r m 微处理器核技术是成立于2 0 世纪8 0 年代的英国专业处理器设计公司 a r m 公司设计的一系列嵌入式处理器的标准。它广泛应用于便携式通信产品、 手持运算、多媒体和嵌入式解决方案等领域，己成为r i s c 标准【3 j 。a r m 处理 器核是系统中的引擎，它从存储器读取a r m 或者t h u m b 指令并执行这些指令。 目f j 订，a r m 9 家族包括a r m 9 2 0 t ，a r m 9 2 2 t 和a r m 9 4 0 t 。这一系列处理器1 4 j 是一种小型的高性能、低功耗、可集成的3 2 位r i s c 体系的嵌入式微处理器， 主要应用在手持产品、视频电话、p d a 、数字消费产品、机顶盒、家用网关等 方面。它集成有t h u m b l 6 位精简指令集扩展功能、调试功能和哈佛结构总线的 内核。 1 3 嵌入式操作系统 1 3 1 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统( e o s ) 是嵌入式系统的灵魂，是嵌入式系统的重要组成部 分。它是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，嵌入式操作系统具有以下 特点【5 j ：可定制性、可移植性、实时性和低资源占有率。 嵌入式操作系统能够有效管理复杂的系统资源，完成进程管理、处理器调度、 存储管理、设备管理、中断处理等操作系统任务。它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、标准化浏览器 等软件模块。嵌入式操作系统能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动 程序移植和维护中解脱出来，能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程 序。工业控制是它的传统应用领域，在这一领域里已有一些存在了多年的比较 成功的嵌入式操作系统。随着i n t e m e t 技术的发展，信息电器普及应用以及嵌入 式系统的微型化和专业化，目前的嵌入式操作系统也从单一的弱功能向高专业 化的强功能发展。 1 3 2w i n d o w sc e 嵌入式操作系统 2 第1 章绪论 从2 0 世纪8 0 年代开始，市场上出现了各种各样的商业嵌入式操作系统， 这些操作系统大部分是为专有系统丌发的，从而逐步演化成了现在多种形式的 商业嵌入式操作系统。这些操作系统主要有v x w o r k s 、w i n d o w sc e 、l i n u x 等， 其中w i n d o w sc e 是微软推出的一款嵌入式系统【6 】。 微软公司从1 9 9 6 年发布w i n d o w sc e l 0 开始进入嵌入式操作系统领域，到 2 0 0 4 年微软发布w i n d o w sc e 5 0 为止，w i n d o w sc e 设备的市场占有率已经跃居 世界第一位，同时以w i n d o w sc e 为内核的p o c k e tp c 产品的市场的占有率也跃 居世界第一，占到全球总量的5 4 ，还有以w i n d o w sc e 为内核的s m a r t p h o n e 智能手机产品，其市场份额也达到了2 0 2 ，因此w i n d o w sc e 已经成为嵌入式 智能设备操作系统的首选，作为一款嵌入式操作系统，w i n d o w sc e 有自己独有 的特点7 】 1 精简的模块化操作系统 w i n d o w sc e 是高度模块化的嵌入式操作系统，正因如此，用户可以为了满 足特定的要求面对操作系统进行定制。在用户制定的操作系统中，不需要的模 块可以被拿走，只有需要的模块才会包含进来。w i n d o w sc e 的可裁剪性，使其 体积也非常小，这样就可以充分适应一个硬件资源不足的嵌入式设备的要求。 2 多硬件平台支持 嵌入式系统的专用性特点决定了嵌入式硬件设备必定是多种多样的。为了 适应嵌入式系统的要求，w i n d o w sc e 支持在多种不同的c p u 硬件平台上运行， 包括) c 8 6 、a r m 、i p s 及s u p e r h 等嵌入式主流的c p u 结构。 3 支持有线和无线的网络连接 w i n d o w sc e 不但支持传统的有线网络连接，还支持各种无线网络标准，包 括蓝牙，红外等。可基于w i n d o w sc e 构建有扩张性的无线平台，将移动设备彼 此连接，或链接到现有的设备上；也可通过网络进行远程登录，验证和管理， 或为设备上的应用程序和服务提供更新。 4 稳健的实时性支持 w i n d o w sc e 是一个实时性系统。实时支持功能在以下几方面提升了 w i n d o w sc e 的性能：( 1 ) 支持嵌套中断；( 2 ) 允许更高优先级的中断首先得到响 应，而不是等待低级别的中断服务线程完成：( 3 ) 更好地线程响应能力：( 4 ) 对 高级别i s t 的响应时问上限的要求更加严格，在线程响应能力方面的改进，可 帮助开发人员掌握线程转换的具体时问，并通过增强的监控能力和对硬件的控 3 第1 章绪论 制能力帮助丌发人员创建更好的嵌入式应用程序；( 5 ) 更多的优先级别，2 5 6 个 优先级别可使开发人员在控制嵌入式系统的时序安排方面有更大的灵活性；更 强的控制能力，对系统内的线程数量的控制能力可使开发人员更好地掌握调度 程序的工作情况。 5 丰富的多媒体和多语言的支持 丰富的多媒体支持是w i n d o w sc e 的一大特性，基于d i r e c t x a p 和w i n d o w s m e d i a 的技术可以提供高性能的视频，音频，流式多媒体和3 d 图形处理服务。 这些功能可满足大部分的多媒体娱乐和游戏的需求。同时w i n d o w sc e 是皋于 u n i c o d e 的，可支持国际语言，这样就可以根据特定的市场调整产品，它可以为 那些想创建本地化操作系统版本的o e m 提供本地化支持。 6 强大的丌发工具 与其他嵌入式操作系统相比，w i n d o w sc e 为丌发人员提供了友好的开发工 具的支持，这些开发工具可帮助开发人员简化开发流程并提高开发效率。对于 w i n d o w sc e 的应用程序开发人员，可选择的开发工具有e m b e d d e dv i s u a lc + + 和v i s u a ls t u d i o n e t ，对于操作系统定制人员，可使用p l a t f o r mb u i l d e r p l a t f o r i l l b u i l d e r 是一个集成操作系统的“构建调试发布”三者为一体的集成开 发环境。此外，w i n d o w sc e 还提供了多种模拟器，它可以模拟硬件设备，使开 发人员无须拥有真实的硬件，即可进行部分w i n d o w sc e 下的丌发。 1 4g p s 车载导航系统 1 4 1 背景和研究意义 采用嵌入式系统技术，系统硬件具有较高的运算能力和稳定性，并且功耗 较低，因此嵌入式系统技术在工业及电子应用领域中得到迅速的发展。 从2 0 世纪8 0 年代丌始，市场上出现了各种各样的商业嵌入式操作系统， 这些操作系统大部分是为专有系统丌发的，从而逐步演化成了现在多种形式的 商业嵌入式操作系统百家争鸣的局面。这些操作系统主要有v x w o r k s 、w i n d o w s c e 、l i n u x 、u c o s i i 等，这些操作系统曾应用在不同的领域，如：v x w o r k s 以 其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高 精尖技术及实时性要求极高的领域中，w i n d o w sc e 被广泛的应用到p o c k e tp c 和s m a r t p h o n e 智能手机产品中。 4 第1 章绪论 g p s 车载导航系统是近年来发展很快的一种安装在车辆上用来对车辆进行 导航的系统，它可以显示车辆当前所在位置，并将运行中有关道路图、停车设 施道路属性( 道路名称、单向交通路段、禁止转弯路段、载重限制及净空限制等) 和其他有用的服务信息直观地呈现在驾驶员面前，还提供全程语音提示，协助 驾驶员在陌生的交通道路环境中，准确掌握前往目的地的道路，当驾驶员将目 的地输入g p s 车载导航系统时，系统便能根据市内道路情况、红绿灯数、速度 限制等选出最佳行驶路线，有效的解决人们难于选择正确的行车路线等交通问 题。 g p s 车载导航系统融合了汽车、交通、计算机、通信、系统科学等领域的技 术，一直是众多高科技公司、各研究机构和大学研究的热点。与国外相比，国内 导航系统发展比较落后，在硬件制造以及导航软件、导航地图等方面都有差距。 但由于导航系统需要地理信息系统和导航软件的支持，同时中外在交通习惯以 及道路建设等方面有很大的差别，国外导航系统在进入中国市场的过程中也有 很大的障碍，本地化进展并不顺利。 因此，根据自身的条件，发挥自身的优势，借鉴现有产品优点，将嵌入式 操作系统与g p s 结合在一起，研制适合中国国情的g p s 车载导航系统，具有一 定的研究意义和市场价值。 1 。4 2 车载导航系统研究状况 车载导航系统是用束对车辆进行导航的系统，它融合了汽车、交通、计算 机、通信、系统科学等领域的技术，是近年来的研究热点【8 j 。汽车导航装置在二 十世纪八十年代问世以来，其发展过程大致可分为三代。第一代导航系统大约 出现在八十年代，主要是利用航位推算单元与印刷地图来实现定位，该系统最 大的问题在于从前一时刻位置到下一位置的推算过程中存在较大误差，而且误 差的累积，使得导航系统定位不准确。第二代导航系统出现在八十年代后期， 以航位推算单元为基础，采用地图匹配技术，大大提高了系统推算的精度【9 l 。第 三代导航系统出现在九十年代中期，采用全球卫星定位系统( g p s ) 替代航位推算 单元，具有全天候、高精度、自动化、高效益等特剧1 0 】。目日矿使用的第四代导 航系统融合了通信技术和网络技术，采用动态线路诱导系统，该系统通过与路 基交通设备进行信息交换，得到综合交通信息和管理策略，避免了在公路上出 现的交通问题，对实现交通运输与管理智能化起着举足轻重的作用j 。 5 第1 章绪论 自主式无源导航系统在载体不依赖于外部信息的条件下实现精确导航的关 键技术，广泛应用于军用领域，它大大提高载体的机动性、隐蔽性、抗干扰性 和生存能力，但存在体积大、重量重、误差大和校正繁琐的缺点。自主式导航 系统的典型代表为惯性导航系统【1 2 j 和基于地磁的磁罗经系统【1 3 】。 卫星导航系统是以卫星为基础建立的旨在提供精确定位信息的导航系统， 配合高精度数字化电子地图，它就能实现智能化的自动导航功能，卫星导航系 统具有了信号连续覆盖全球地面、精度高、实时定位速度快、抗干扰性能好、 全天候作业等几大优点。清华大学汽车安全与节能国家重点实验室针对北斗卫 星定位系统的特点，基于嵌入式系统平台开发了一种车辆组合定位系统【l 引。该 系统通过使用电子罗盘、陀螺传感器和车速传感器等多种传感器，采用航向融 合和航位融合算法，实现了车辆位置和行车方向的准确测量，并结合基于匹配 度的综合地图匹配算法，车辆定位更加精确，提高了北斗定位系统的实用性。 但：l k f 系统目f j i 只用于军方，还没有应用到商业上。 组合导航系统是当单一的导航系统无法满足现代载体的需要时，通常对惯 性导航、磁罗经导航和卫星导航等导航系统中的两种或两种以上进行组合构成 的导航系统【l 引，它发挥单一导航系统的各自优点，使得导航能力、精度、可靠 性和自动化程度大大提高，并成为目前导航技术发展的主要方向，这种技术主 要用于航海和航天领域。 商业领域的车载导航系统多采用g p s 定位系统和电子地图结合( g p s m m ) ， 通过地图匹配算法及新型的计算机技术将二者结合起来6 1 ，可以为驾驶员提供 详细的方位和道路信息。该方案只需g p s 接收机和电子地图，成本较低，但是 g p s 信号丢失时系统无法工作，系统可靠性不高。采用g p s 定位系统和航位推 算相结合( g p s d r ) 的技术可以提高系统的可靠性【l ，但缺点是在闹市区无法利 用电子地图匹配技术对陔定位信息进行校正。而采用g p s 定位系统、电子地图 结合和航位推算相结合的技术( g p s d r m m ) 1 8 j ，结合三种技术的优势，实现低 成本，高可靠性，能够在较低成本的基础上获得较高的定位与导航精度。 目自i ，智能交通系统通过将全球卫星定位技术( g p s ) 、地理信息技术( g i s ) 、 现代通信技术和计算机技术结合起来i l 引，对多个移动目标进行定位、跟踪与管 理，以提高交通运输效率，保障交通安全。在智能交通系统中，采用双向通信 系统实现交通控制中心和用户之间的信息发布和反馈【2 0 】，交通控制中心为移动 车辆提供信息服务的同时也获得了车辆的当前信息，从而实现对交通流的动态 6 第1 章绪论 监控和管理。同济大学的廖继锋设计和实现了基于g p s 、g i s 和g s m 技术的车 辆定位追踪系统【2 i 】，在该系统中监控中心对定位追踪单元进行控制，并接收其 返回的定位数据，最后实时显示在电子地图对应的位置上。现有的智能导航系 统有智能可视车载g p s 汽车导航定位系统和智能汽车综合g p s 汽车导航定位接 入系统。 国内汽车导航系统开发研究起步晚，但发展迅速，特别是近几年来，汽车 导航业已成为我国智能交通系统领域研究的一个突破点，国内导航产品相关生 产企业很多，分为数据生产商( 如北京四维图新导航信息公司等) 、软件提供商( 如 深圳武大数字交通技术公司等) 和硬件制造商( o h 沈阳新飞达公司等) ，也有综合 商( o n ：i c 京瑞图万方等) 和集成商( o h 深圳m a x w e l l 公司等) 。目前国内汽车导航 系统的还需完善以下几个方面： ( 1 ) 在基础设施方面，需完善基础数据共享与交换平台，定位平台和实时交 通信息发播平台。 ( 2 ) 在系统设计方匝，当前国内导航硬件主要米自国外厂商，国内基本没有 通过汽车电子测试的嵌入式终端产品，丌发具有自主知识产权的硬件平台和操作 系统具有广阔的市场。 ( 3 ) 在市场开发方面，智能化终端和多平台支持是未来市场发展的主流方 向。 1 5 论文的主要内容 本文的出发点是以s u p e r a r m 9 试验箱和w i n d o w sc e 嵌入式操作系统为 基础，为g p s 车载导航系统提供一个上层应用软件运行的平台，各章的主要内 容如下： 第l 章介绍嵌入式系统的概念和特点，对嵌入式处理器，w i n d o w sc e 嵌 入式操作系统作以介绍，并简单地叙述了g p s 车载导航系统。 第2 章g p s 车载导航系统支撑平台的设计方案。分析g p s 车载导航系统支 撑平台的功能要求，介绍s u p e r a r m 9 硬件电路结构，并选择操作系统和移植 方案。 第3 章n b o o t 丌发。对n a n d ：卷片k 9 f 1 2 0 8 u o a 进行简单的介绍，规划 n a n d 芯片的空间使用分配，实现对n a n d 芯片的读、写等相关操作，完成 7 第1 章绪论 n b o o t 丌发。 第4 章b s p 开发。介绍b s p 的结构和开发步骤，实现针对s u p e r a r m 9 硬件平台的e b o o t 、o a l 和相关驱动的丌发。 第5 章w i n d o w sc e 内核制定和下载。针对s u p e r a r m 9 硬件结构进行内 核定制和编泽，通过j t a g 烧写n b o o t 和e b o o t ，通过e b o o t 下载内核并保存到 n a n d 芯片中。 第6 章g p s 定位介绍及g p s t e x t 应用程序丌发。简单的介绍了g p s 全球定 位系统、g s i1 0 0 接收机和n m e a 0 1 3 8 通信协议，开发g p s t e s t 应用程序实现对 g p s 全球定位系统原始数据的接收和数据发送。 第7 章对工作进行总结和展望。 8 第2 章g p s 乍载导航系统支撑平台的设计方案 第2 章g p s 车载导航系统支撑平台的设计方案 在实际设计中需要根据需求，结合硬件和软件所能提供的技术条件，在保 证系统性能的前提下，对各种功能的实现方法进行比较选择。选择的原则是： 为保证性能尽量使用硬件实现；为降低成本，增加灵活性和调试的方便性尽量 选用软件的方法。从系统的观点来看，就是对软硬件能够实现的功能和所能达 到的性能进行综合评价，选用经济适用的方案。 2 1g p s 车载导航系统支撑平台的功能要求 本课题丌发的g p s 车载导航系统支撑平台具有以下功能： ( 1 ) 使用w i n d o w sc e 嵌入式操作系统； ( 2 ) 采用具有主流c p u 工作频率和低功耗的嵌入式微处理器： ( 3 ) r o m 与r a m 结合的存储器结构： ( 4 ) 彩色液晶显示； ( 5 l 触摸屏输入方式； ( 6 ) 具有音频播放功能；。 ( 7 ) 具有r s - - 2 3 2 、u s b 、网络接口功能； ( 6 ) 使用g s l lo o 接收机。 2 2 具有$ 3 c 2 4 10 x 处理器的s u p e r - a r m 9 开发板 根据g p s 车载导航系统支撑平台的设计要求，本课题选用深圳旋极的 s u p e r a r m 9 开发板。这是一款基于$ 3 c 2 4 1 0 的开发板。外观如图2 1 所示。 s u p e r a r m 9 开发板的硬件扩展资源十分丰富，充分利用了$ 3 c 2 4 1 0 x 的接口 和可扩展资源。这款开发板的主要硬件构成如下i l l ： 采用三星公司的$ 3 c 2 4 1 0a r m 9 处理器1 2 3 j ，主频可达2 0 3 m h z ； 6 4 m 字节的s d r a m ，由两片k 4 s 5 6 1 6 3 2 组成； 6 4 m 字节n a n df l a s h ( k 9 f1 2 0 8 u o a ) ； 2 m 字节的n o rf l a s h ，工作在1 6 位模式； 1 0 m 以太网接口，采用的是c s 8 9 0 0 a ，带传输和连接指示灯； 9 第2 章g p s 中载导航系统支撑平台的设计方案 l c d 和触摸屏接口： 2 个u s b h o s t ( $ 3 c 2 4 1 0 内置1 t 符合u s b il ； 一个u s bd e v i c e ( s 3 c 2 4 1 0 内置1 ，符合u s b l1 ： 2 路u a r t 串口，波特率可高达1 1 5 2 0 0 b p s ，并具有r s 2 3 2 电平转换电路 e m b e d d e d - i c e ( 2 0 脚标准j t a g ) 接口和井口式j t a g 接口，支持a d s s d t 软件的下载和凋试以及f l a s h 的烧写。 图2is u p e r a r m 9 开发板外观 s u p e r - a r m 9 开发板采用了三星的$ 3 c 2 4 1 0a r m 9 处理器，能从n a n d f l a s h 和n o rf l a s h 分别启动的特性，将b i o s 分别烧录到n a n df l a s h 和n o r f l a s h 中，通过调动开发板上的j 0 0 3 跳线组中的a 跳线，柬进行启动选择从n a n d f l a s h 或n o rf l a s h 启动。 0 第2 章g p s 车载导航系统支撑平台的设计方案 2 3 操作系统选择及移植 2 3 1 操作系统的对比选择 由于本系统希望能有较好的人机交互界面，所以在进行分析的时候采用了 市场上常见的3 种具有良好人机界面，易于开发应用程序的嵌入式操作系统进 行对比，分别是：w i n d o w sc e ，v x w o r k s 和l i n u x 。 1 系统可移植性对比 系统可移植性主要指的是系统硬件平台构建好后，将对应的操作系统平台 移植上去的难度。在这一点上，由于v x w b r k s 不开放源码，所以v x w o r k s 有一 定的难度，且其相关资料相当少，操作系统移植的许可也比较难获得。l i n u x 是 基于丌放源代码的，所以在移植方面的难度相当小，对应多种c p u ，多种硬件 环境几乎都有相应的系统支持源代码，相关的资料也很多。w i n d o w sc e 的移植 相对于l i n u x 有一定难度，主要是相关资料也很少，现成可供使用的代码也不多。 但是微软在许可的发放上是相当的宽松，而且开放了部分源代码，也提供了部 分评估板的板级支持包的源代码，这为系统的移植提供了一定的基础。 2 系统人机界面的对比 在人机界面上，w i n d o w sc e 具有最大的优势，和w i n d o w s 系统相似的界面 和操作方法使得用户几乎不用学习就可以使用。其它两种操作系统虽然也能提 供非常友好的人机交互界面，但在w i n d o w s 系列操作系统先天的优势面前也只 能稍逊一筹。 3 软件开发工具对比 在丌发工具上，微软的平台系列化的优势也体现的很突出。w i n d o w sc e 的 推荐开发工具是e m b e d d e dv i s u a lt o o l s 和v i s u a ls t u d i o ，只要在x 8 6 处理器上面 做过w i n d o w s 开发的人员对这两个工具都能很快上手。而且在a p i 上，w i n d o w s c e 也是大部分兼容w i n 3 2a p i ，这样将原先的w i n d o w s9 8 n t x p 下的程序进行 移植也变的非常容易。 l i n u x 下的图形界面程序的开发由于q t 的出现而变得相当容易，在这方面， v x w o r k s 也有一定的劣势，但是丌发工具的特殊和a p i 的兼容性使得这两种操 作系统难以让开发人员很快掌握。 4 其它特性对比 在外围硬件设备支持程度上，w i n d o w sc e 和l i n u x 由于都和台式机的操作 第2 章g p s 卞载导航系统支撑平台的设计方案 系统多少有些联系，使得这二者的外围设备支持非常广泛。l i n u x 下几乎支持所 有的硬件，而w i n d o w sc e 由于设备驱动移植难度不大，对常用外围设备的支持 也是很好。相比较下，v x w o r k s 在这方面，稍有逊色。 在和计算机进行同步通信这方面，w i n d o w sc e 做得相当出色，它本身就支 持小型嵌入式数据库，而且这种数据库格式是基于a c c e s s 的m d b 格式。微软提 供了一个简单的同步工具，当终端和计算机进行连接的时候，可以把终端的数 据导入至计算机上，立刻就可以当作a c c e s s 的数据库进行访问。而其它操作系 统都是采用自己特殊的数据格式，需要再丌发计算机上应用程序进行数据格式 转换。 由以上分析可以看到，在本课题中选择w i n d o w sc e 作为操作系统时，具有 多方面的优势，因此本课题采用w i n d o w sc e 5 0 进行系统开发。 2 3 2 操作系统的移植方案 操作系统平台的概念就是对操作系统细节的实现和执行。所谓基于 w i n d o w sc e 5 0 的平台就是实现基于w i n d o w sc e5 0 的嵌入式操作系统平台的 定制。最简单的一个基于w i n d o w sc e 5 0 平台也至少包括了操作系统映像( o s i m a g e ) 、o e m 适配层( o e ma d a p t a t i o nl a y e r ，o a l ) 、设备的驱动和一些配置 的文件【2 4 1 。建立了一个基本的软件平台以后，在丌发阶段还可以向这个平台添 加更多的功能，例如可以添加更多的设备驱动、丌发操作系统的特性、开发应 用程序等。 开发一个基于w i n d o w sc e 的系统，需要在宿主机安装操作系统构建工具即 p l a t f o r mb u i l d e r ，目标平台需要通过通讯方式与宿主机连接起来，如串口、并口 或以太网，推荐使用以太网。 g p s 车载导航系统的操作系统的开发流程图大致如图2 2 所示。 本论文丌发运行在此系统上的w i n d o w sc e 5 0 ，主要完成如下任务： ( 1 ) 分析p l a t f o r mb u i l d e r 中自带的s m d k 2 4 1 0 架构的板级支持包结构； ( 2 ) 根据系统的硬件结构，有针对性地开发该系统的板级支持包； ( 3 ) 根据存储器和其他外设的连接方式，开发b o o t l o a d e r ； ( 4 ) 丌发系统的设备驱动程序，如串口、l c d 外设驱动； ( 5 ) 开发平台配置文件； ( 6 ) 利用上面特制的b s p 构建一个o s 映像n k b i n ( n k n b 0 ) ，并通过网络下 1 2 第2 章g p s 下载导航系统支撑平台的设计方案 载到硬件系统中； ( 7 ) 为了方便开发运行在该系统上的应用程序，平台歼发完成后，导出 软件丌发包s d k ； ( 8 ) 开发n b o o t ，使该系统丌机从n a n df l a s h 启动运行。 王 l 平台定制 r 调试甲台 开发设备驱动程序 f 创建( ) s 影l 像文件 j 创建或增j j u 特征控件 人 健制h 寐 ，l ， 门 继续 修改 0 哆 n 修政源代f j 5 配置文件 卜载到l i 标设备 二l 、 厂 n 币台创奄 开发b o o t 囊成? 一 l o a d e r o a l 和 b s p y 1 0 导 【：s d k 图2 2w i n d o w sc e 软件系统开发流程 y 2 4 本章小结 本章分析了g p s 车载导航系统支撑平台的功能要求，叙述了旋极的 s u p e r a r m 9 硬件电路的主要结构。简要对比了常用的几种嵌入式操作系统， 阐明了本课题选择w i n d o w sc e 5 0 的原因，以此为基础，制定出了针对本课题 所研究丌发的g p s 车载导航系统支撑平台的嵌入式系统w i n d o w sc e 5 0 的移植 方案。 1 3 第3 章n b o o t 开发 第3 章n b o o t 开发 近年，由于n o r 存储芯片价格上涨，s d r a m 和n a n d 芯片应用更加广泛 促使很多用户采用n a n d 执行启动代码，在s d r a m 中执行应用程序。n a n d 存储设备应用广泛，已经有不少a r m 厂商丌始支持n a n d 设备，三星的 $ 3 c 2 4 1 0 就在片上集成了n a n d 控制器。 $ 3 c 2 4 1 0 启动代码可以在外部n a n d 芯片上执行。系统启动时，n a n d 上 的前4 k b 的数据被加载到$ 3 c 2 4 1 0 提供的个内部s r a m 缓冲区，被a r m 执 行，实现从n a n d 芯片启动。本章的n b o o t 就是写在n a n d 芯片的前4 k b 的 启动代码，实现从n a d n 芯片启动。 3 1k 9 f 1 2 0 8 u o an a n d 芯片 3 1 1k 9 f 1 2 0 8 u o a 概述 k 9 f 1 2 0 8 u o a 是三星推出的一款n a n d 闪存芯片，其存储容量为5 2 8 m b i t ， 存储阵列的组织如图3 1 所示【2 5 】。该芯片的存储空间被分为1 2 8 k 页，每页5 2 8 b ， 即：1 页= 5 2 8 b 、1 块= 3 2 页= ( 1 6 k + 5 1 2 ) b y t e 、1 个芯片= 4 0 9 6 块* 3 2 页* 5 2 8 m b i t 片上有一个5 2 8 b 的数据寄存器，该寄存器被分为两个区：数据区和空闲区，数 据区又可分为上、下两个区，每个区2 5 6 b ；空闲区( o o b ) 可以用于存放e c c 校验和其他信息。系统在进行页操作的时候使用这个寄存器链接存储阵列以及 i o 的缓冲和内存。 1 4 第3 章n b o o t 开发 1 2 8 kp a ( - 4 ，0 9 6b i 5 1 2b y t e 图3 1 闪存芯片阵列 3 1 2 对k 9 f 1 2 0 8 u o a 芯片的具体操作 o q 07 p a g e s 、t 3 2 p a g e s 1 命令字 对n a n d 芯片的操作时通过将特定的操作数( 指令) 写到| 人j 存芯片的指令 寄存器中实现。操作数的定义如表3 1 所示【2 5 1 ，数据i o 、地址输入和操作指令 输入需要公用8 位i o 总线，所以n a n d 闪存芯片的操作比较复杂。 表3 1k 9 f 1 2 0 8 u o a 命令设置 f u n c t i o n 1 “c y c l e2 “c y c l e t “c y c l e a c c e p t a b l e c o m m a n d r e a dl o o h o l h r e a d25 0 h r e a d 工d9 0 h r e s e tf f ho p a g ep r o g r a m ( t r u e ) 8 0 h1 0 h p a g ep r o g r a m ( d u m m y ) 8 0 h 1 1h c o p y b a c kp r o g r a m ( t r u e ) 0 0 h8 a h1 0 h c o p y b a c kp r o g r a m ( d u m m y ) 0 3 h8 a hll h b l o c ke r a s e6 0 hd o h m u lti p l a n eb l a c ke r a s e6 0 h - - - 6 0 hd 0 h r e a ds t a t u s7 0 h o r e a dm u lti p 1 a n es t u t u s7 l ho 第3 章n b o o t 开发 2 数据的写操作 k 9 f 1 2 0 8 u o a 的写操作时序和流程图如图3 2 所示【2 5 】。 图3 2 。弓入n a n d 芯片时流程图 n a n d 芯片的写操作首先要向i o 写入串行数据输入指令( 8 0 h ) ，然后使 用3 个时钟周期写入目的地址，接下来向i o 写入数据。上面操作完成以后写入 页面擦除指令( 1 0 h ) ，这时由n a n d 芯片内的逻辑电路完成页面的擦除和写入 工作，此后c p u 需要写入状态寄存器读取指令( 7 0 h ) 读耿状念寄存器s r 对应 的状态位( 第6 位) 。c p u 通过检测s r 和r b 引脚可以确认写操作是否成功。 如果操作结束，c u p 检查s r 的第0 位来判断擦写是否成功。如果成功，程 序将正常结