（精密仪器及机械专业论文）基于ARM嵌入式系统的车载GPS导航系统研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 摘要 耳前，g p s 技术已经广泛地应用到工业、交通、军事等各个领域，随着汽 车数量的不断增加，车载g p s 导航系统越来越受到人们的关注。车载g p s 导 航技术中，对于定位精度、体积、系统成本要求不断提高。基于g i s ( 地理信 息系统) 的g p s m m 组合导航是其中一个重要研究方向。采用嵌入式系统可以 有效的达到系统的小型化和成本的经济化。 本课题主要是研究一种基于a r m 9 微处理器的车载g p s 导航系统。本论文 首先介绍了基于a r m 9 和w 佃d o w sc e 操作系统的嵌入式车载g p s 导航系统硬 软件构架。其次，车载g p s 导航系统通过g p s 接收器接收来自g p s 定位卫星 的定位信息，并将定位信息以电子地图的形式显示出来。然后根据m 矢量地 图数据通过软件编程生成电子地图。接着分析了影响g p s 定位精度的误差来源， 运用地图匹配技术中基于权重的方法来修正g p s 定位误差。最后研究了最优路 径选择问题，应用双向搜索邻接节点算法对于道路网中两点间最优路径进行选 取。 关键词： 嵌入式系统a r m 9w i n d o w sc eg p sm a p i n f o 地图匹配 最优路 径双向搜索邻接节点 i i i 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t c u f 化n t l y ，g p si sm o m 锄dm o 化粕dm o w i d e l yu d i ni n d u s t f y 、 t r 柚s p o r t a t i o n 、m i l i t a r ya 蚴巧趾ds 0o | 1 w i t ht h ei l l c f e a o fc a 塔，w ep a yd o 辩 a t t e n t i o nt ot h e 把a r c h g p sc 盯n a v i 弘t i o ns y s t c m t _ h ed e m a n d sf o r l o c a l i z a t i o np r e c i s i o n 、v o l u 妣a n ds y s t e mc o s ta d v 卸c ei ng p sc a rn a v i g a t i o n s y s t c m g p 刚mc o m b i n a t i o nn a v i g a t i t e c h n o l o g yb a d 衄g i si so o ft h e i m p o r t 卸tr c a r c ha r e a s t h ee m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g yc a ne 饪b c t i v e l yf e d u c e t h es y s 能mv o l u m ea n dd e c 化a 辩t h es y s t e mc o s l g p sc 甜n a v i g a t i o ns y s t e mb 撇do na r m 9i sd i s c 峨e di nt l l i sp a p e f 鼢s t l y ， a 晰e fi n 廿o d u d i o ni s 百v e nt oe m b e d d e ds y s t e mb a d a r m 9c o 他 m i c r o p r o c e s s o r 卸dw i n d o w sc eo p c f a t i n gs y s t e m s e c o n d l y ，也eg p sp o s i t i i n f b 脚a t i o nc a nb cr e i v e d b ym eg p s 他c e i v e ri nt l l i ss y s t e n la n d p o s i t i 0 f 圮v e h i d ec a nb ed i s p l a y e d 1 1 1 i r m y ，t h ee l e c t f o n i cm 印i sg e n c r a t e db ys o f 啊a r e p r o g m 蚴i n gb a do nm i f 丘1 e s f o u t h ，t h eg p sl o c a l i z a t i o ne n d fi sd i s c l l s s e d 孤d m ee n d r 啪印p r o x i i n a 蛐b e 砌i c a t e d b yw e i g l l t - b a s e dm a pm a t c h i n g g o f i t b m f i m l l y ，t h j sm e s i sd i s c l l 蹴d 恤l e c t i o no fm e0 p t i n l a lm u t e 1 h eb i d i r e c t i o n a l s e a r c h a b u t t a lp o i l l t sa 1 9 0 r i t l l mi s 印p l i e dt ot i 把l e c t i o n0 ft h co p t i i i l a lr o u t ei n f o a dm a d s k y w o r 出： e m b c d d c ds y s t e ma r m 9w i n d o w s 伍g p s m a p i 临m a pm a t c l l i n g 0 p m lr o 眦 b i d i r e c l i o n a l 辩a f c ha b u 叫p o 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得东南大学或其它教育 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。 研究生签名：监日 炒7 f 东南大学学位论文、使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学 位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密觐内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文 的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 描1 导师签名： l i 期： 吖， 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 当今社会中，随着城市交通的迅速发展，汽车的数量急剧增加，交通运输的合理调度和管 制成为一个重要问题。因此对车辆进行定位、导航进而对车辆进行调度、监控的需求日见急迫。 我国人口众多，城市空间拥挤，目前车辆的快速增长与公路交通的建设出现一定程度的脱节。 还有一些特殊行业单位，出自于安全保障上的考虑，需要对所属的车辆进行全程定位、跟踪、 导航和监控。 全球定位系统( g l o b a lp 0 s i 曲n i n gs y s l c m ，简称g p s ) 是美国国防部研制的第二代卫星 导航与定位系统。它能为全球的用户提供全天候、连续、实时的高精度位置、速度和时间信息。 在信息需求日益增欧的现代社会，g p s 由于能够全球覆盖、全天候、连续实时提供高精度三维位 置、三维速度和时间信息的能力，在军事、民用方面都得到了越来越广泛的应用。 车载导航系统是全球卫星定位技术应用于汽车定位导航的电子产品。来自太空的g p s 卫星2 4 小时免费向全球发送定位信号，使之成为定位导航应用中最方便廉价的信息源。自 1 9 9 0 年车载导航系统问世以来，在短短1 0 年的时间里，它在全球迅速普及，增长势头锐 不可挡，成为一颗备受世人瞩目的“新星”。车辆导航定位系统为交通运输部门和城市规划 部门解决交通运输问题提供了一个很好的发展前景。 在现代化的城市交通管理中，基于g p s 的车辆定位导航系统还会带来重大的经济，社 会效益。在发达国家里，最近在改进汽车驾驶员路线跟踪潜力的商业性估价中发现f 2 】 非 有效导航带来的浪费相当于车辆总行程的6 4 ，总时间的1 2 。对于超出的行程，仅考虑 汽车驾驶费、事故费和时间的价值，每年对个人和社会造成的费用估计为数百亿美元。由 此可见，如果车辆配备有效的导航定位系统，就能减少对道路通行能力的要求，以便改善 交通条件和节省巨大的经费开支如果车辆由g p s 系统进行实时引导，会提高道路交通流量、 避免局部地区交通拥挤，从而有助于平衡交通管理。 随着对定位精度和系统成本的要求进步提高，目前基于g p s 的导航引入了更多的组合导 航手段。主要有航位推算技术，差分g p s 技术，数字信标定位方法，地i ! l 匹配算法。 基于g i s ( 地理信息系统) 的g p s ( 僵o d 组合导航技术是其中的一个重要研究方向。 g 璐( g e 唧p h i ch 由舶ns y s 咖n ) 是六十年代中期发展起来的，集空间科学、信息科学、计算 机科学、管理科学于一体的空间信息系统。m m ( m a pm a l 【l d 雌地幽匹配) 根据电子地图的道路 属性将车辆的行驶轨迹匹配剑道路e ? 从而更准确地、直观地显示车辆的位置。 由于矢量化电子地图道路数据是相对精确的，利用电子地图的地理数据对得到的车辆 定位数据进行配准纠正，可以相对提高当前定位数据的精度。最优路径规划可以为车辆调 度、公交线路制定、公共设旌和商业网点的分布提供技术保证。有助于降低能耗、缩短运 输时间、提高效率，因而有着极其广泛的研究价值和应用前景。 传统的单片机存在计算速度慢，对外接口简单，无法采用操作系统等缺点，也无法满 足以上的技术要求。目前市场上有多种嵌入式处理器，如a r m ，p o w “p c ，d s p ，c o i d f i f e 等。其中a r m 系列处理器以处理速度快、超低功耗、应_ 【 j 前景广泛和价格低廉等优势占 据了大部分的市场份额。国内有许多院校，科研院所和公司厂家在开发基于a r m 的嵌入 式处理系统。运行于a r m 嵌入式处理系统上的操作系统和相关软件也十分丰富和强大。 东南大学硕上学位论文 1 2 国内外研究现状 汽车导航定位系统( v e h i c l en a v i 髓t i o n l m a t i o ns y s t ) 是在进入9 0 年代以后，随 着汽车在人们日常生活中的地位不断提高而发展起来的项新技术。随着全球定位技术的出现， 基于6 p s 的车辆定位技术得到长足的发展。g p s 的主要功能有定位、测量和授时等。海湾战争后， 该技术的部分内容开始转入民用服务。而g p s 车载导航是其中应用最广、实用价值最大的项目 之一 最早的包含有电子元件的汽车导航仪是美国陆军工程兵团在二战期间研制的车辆计程表， 这种仪器用磁罗盘测量车辆的航向，用轮速测量车辆驶过的距离，再将两者合成起来算出车辆 的位置。 六十年代末期美国公路局研制的电子路线引导系统采用了另一种技术体制，它是在关键地 点的路面下埋有环状感性天线，汽车经过时即可知道自己瞬时位置。1 9 7 0 年研制的自动路线引 导系统，以当时最新的车载计算机为基础，利用了车载电子地图、航位推算系统和地图匹配技 术，适时的向驾驶员提供有关信息。 日本于1 9 7 3 年在政府资助下开始了为期六年的i t s 路线引导计划，所采用的技术方案也是 埋在地下的电感环行天线只是实验的规模比当年的电子路线引导系统大的多曲。1 9 8 1 年在国 内市场上推出了第代车辆导航系统，它不再依赖埋下天线进行定位，而采用简单的航位推算， 给出用户的大概位置和路线。 欧洲，主要是德国，车辆导航的起步比较晚一些。1 9 8 3 年，b 0 s c i 公司才推出最新的车辆 导航系统，该系统使用推算导航地图匹配技术，在汽车转弯时用液晶显示和语音提示，为用户 提供安全方便的服务。1 9 8 9 年与美国公司e t a l ( 合作研制的t r a v e lp i l o t ，于1 9 9 1 年推入市场。 目前车载g p s 导航的研究在国外已非常流行，相应的车载g p s 系统的产品也非常成熟。如 l i a g e l l 锄公司开发的妇g e l l “p l o r i s t2 0 0h a n d h e l dg p s y i g a t o r ；g l 曲a l s a t 公司提供 的g 1 曲a l s a tg p sb 1 u e t o o t h 盯r e c e i v e rf 卜3 3 8 ( s i i l fi i i ) 等等。这些产品都以小型化，图 形化，外型轻巧为特点，便于携带和操作使用。 。 相对于欧美、日本等国，我国开始研究g p s 导航系统时间也并不算晚，9 0 年代初国内若干 高校、科研院所和一些公司都展开了这方面的研列坍： 1 、面向车载导航系统的g i s 研究。这川f 究内容涉及剑分析地图导航数据库的结构、数字 地l 墨l 快速生成和更耨方法、数字地图对导航系统精度的影响等； 2 、g p s d r 综合系统的研究，g p s 阻组合定位是最常用的车辆定位方式，这种研究有助于 地图匹配后续算法的实现，提高系统的精度。 3 、综合定位地i 璺| 匹配算法；地图匹配算法可以有效地消除定位误差中的趋势误差，道路定 位网络的某些先验知识可以辅助车辆定位。 4 、g p s d r 删融合方法的研究；这种融合的意义在于定位信息的走向将不再是个开环单 向的信息传递过程，系统的不同环节之间将可以信息共享，g p s d r 组合定位可以增加地图匹配 的准确性和鲁棒性，同样地图匹配的结果可以修正传感器参数，修正g p s 隙组合定位系统的模 型参数。 5 、晟优路径分析方面的研究；提山了众多算法，包括d 日k s t m 算法、稿发式搜索算法、 模糊算法、神经网络、遗传算法和新兴的蚁群算法等等。 目前车载g p s 导航的产品根据采用的不同硬件平台可分c a r p c 车载导航系统、d v d 汽车导航仪、基于掌上电脑的车载导航仪及其它形式的导航仪等。 1 、c a r p c 车载导航系统 计算机技术在汽车上的应用程度日益纵深发展，c a i l p c 系统在功能上看，集轿车音响 2 第一章绪论 功能、计算机功能、导航功能、语音识别式无线通讯系统功能等于一体，为轿车提供了信 息和娱乐设施。国内c a r p c 导航产品方面研究由于价格及实用性等方面的原因，主要应用 在公安、部队及特殊行业中，普及面很小。 2 ，c d - r 删d 1 ，d 汽车导航仪 c d - r o m 啪汽车导航仪需要预先加装到汽车上，并且一旦将它安装到汽车上以后，就 无法拆下来，也不能移到别的汽车上使用。这类汽车导航仪需要使用经过屏蔽( 防磁) 处 理的高价电缆线，以防j t 其电磁波对于其它的车载设备产生影响，所以它的价格也比较高。 日本的九州松下电器公司、建伍、先锋等电气公司推出的产品基本上为d v d 车载导航系 统。国内也有如东大阿尔派公司、北京康福德集团公司、北京城际高科、大通实业公司等 公司参与这一领域的竞争。 3 、基于掌上电脑的汽车导航仪 由于掌上电脑的低廉价格和易用的操作平台，硬件性能的大幅提高，使得基于掌上电 脑的g p s 应用日趋成熟，拜成为重要的g p s 应用平台。 4 、其他类型车载导航系统 许多导航部件被集成到娱乐设备中，与娱乐设备成为一体。例如车辆导航系统中的集 成接收模块可以设计成由a i 跚收音机、g p s 、蜂窝电话和寻呼信号共用。t e l e p a t h l o o 收 音机能够引导用户到达目的地，同时仍然支持普通收音机的所有功能。美国福特公司的g ps 系统与车载收音机、电话集成在一起，用声音为司机指示方向。 基于删的嵌入式车载g p s 导航系统属于c a r p c 车载导航系统的一个方面。基于a 麟的嵌 入式系统在功能、可靠性、成本、体积、功耗等指标上具有优点突出，它与g p s 导航互相结合 是c a r p c 车载导航系统领域中的一个重要研究方向。 1 3 论文主要内容 本论文共分为六章节，每章节的主要内容如下： 第一章绪论。主要介绍了本课题的研究背景和意义，国内外的研究现状，并介绍了 论文备章节的安捧。 第二章系统软硬件架构。主要详细介绍了本课题所研究的a 跚嵌入式系统软硬件构 成、_ i n c e 操作系统的移植、g p s 接收器与a 跚嵌入式系统的通讯这三方面的内容。 第三章电子地豳的读取和生成。主要介绍了m a p i n f o 电子地图转山的格式标准，以 及将读山的道路数据信息以图形化的形式显示在a 蹦液晶屏幕上。 第四章地图匹配。主要介绍了采用m a pl i a t c h i n g 方法来将有误差或者错误的g p s 定位点信息进行修上e 或者剔除，并将修正匹配的坐标点显示到电子地图上。 第五章最优路径的规划。主要介绍了在给定起点和终点的情况下，通过改进的 d i j k s t r a 算法与双向搜索想结合米选择最优路径。 第六章总结。对所完成的工作进行总结，并提出一些研究过程中遇到的问题。 3 东南人学硕上学位论文 第二章系统软硬件架构 车载g p s 导航系统中，嵌入式系统的应用比较广泛。是由于嵌入式系统的实时性、专 用性和可靠性等特性。在众多的嵌入式系统中，目前使用最广泛，技术较成熟，可靠性较 高的a 嗍系列嵌入式系统受到青睐。 本章介绍整个a r m 9 嵌入式系统与g p s 接收器之间通讯的软硬件结构。系统的结构如图 2 一l ： 天线 图2 1 车载g p s 导航系统结构图 g p s 接收模块从外置天线接收g p s 信号，通过串口通讯传送数据到a 舳嵌入式系统中， 经过系统中的g p s 数据处理，匹配到电子地图对应坐标点上，然后显示在触摸液晶屏上。 2 1a 硼嵌入式系统 本节介绍和分析了嵌入式系统和a 瑚9 嵌入式微处理器。嵌入式系统本质上是一个专 i 的计算机系统，但是和一般的计算机系统不同，它不是一个单独存在的完整系统，因此不 以独立设备的物理形态出现。嵌入式系统根据应用系统或主设备的应_ 【 j 需要，嵌入其内部， 成为它们的一部分。在这些嵌入式系统中，应用最广泛的是a 跏微处理器，目前a 肌微处 理器及技术已经深入到工业控制领域、无限通讯领域、网络应用以及消费类产品中，将来 还会取得更广泛的应用。 2 1 1 嵌入式系统的概述 嵌入式系统一般定义为：嵌入式系统是以应_ 【 j 为中心，以计算机技术为基础，并且软 硬件可剪裁，适用于应用系统，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。嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统以及应用 软件组成【6 l 。 嵌入式技术的发展犬致经历了四个阶段：第一阶段是以单芯片为核心的可变成控制器 形式的系统，同时具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能；第二阶段是以嵌入式c p u 为基、以简单操作系统为核心的嵌入式系统；第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入 式系统；第四阶段是以基于i i i t e m c t 为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段1 6 j 。 4 第二章系统软硬件架构 2 1 1 1 嵌入式系统的特点 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相 结合的产物，这就决定了它是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成 系统i “。 ( 1 ) 嵌入式系统的产品特征：嵌入式系统产品是面向用户、面向产品、面向应用的， 是针对具体应用的专用系统。嵌入式处理器针对用户的具体需求，对芯片配置进行裁减和 添加，才能达到理想的性能。 ( 2 ) 嵌入式系统软件的特征：为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统软件一般 都固化在存储芯片中，即要求固化存储；对大多数应用来说，存储空间是很宝贵的，还有 实时性的要求，这就要求程序的编写和编泽工具的质量要高，减少程序二进制代码长度， 提高执行速度，即软件代码高质量和高可靠性：在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相 同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每个任务及时执行的关键，这种任务调度一般只 能有嵌入式操作系统来完成。因此要求操作系统具有实时及任务调度的能力。 ( 3 ) 嵌入式系统开发需要开发工具和环境：通用计算机具有完善的人机接口界面，在 上面增加一些开发应用程序和环境就可以进行对自身的开发。而嵌入式系统本身不具备自 我开发能力，即使设计完成以后，用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须 具备一套开发工具和环境才能进行开发。 ( 4 ) 嵌入式系统软件需要嵌入式操作系统开发平台：通用计算机具有完善的操作系统 和应用程序接口( a p i ) 而嵌入式系统则不同，应用程序可以没有操作系统直接在芯片上 运行。但是为了合理的调度任多任务、利用系统资源，系统函数，用户必须自行选择嵌入 式系统开发平台。因此，一个优秀的嵌入式操作系统是嵌入式系统成功的关键。 2 1 1 2 常用嵌入式操作系统 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统的重要 组成部分。嵌入时操作系统具有通用操作系统的基本特点，能够有效管理复杂的系统资源， 并且把硬件虚拟化瞄1 1 i p a l m o s p a l mo s 是一种3 2 位的嵌入式操作系统。蹦m 提供了串行通信接口和红外线传输接 口，利用它可以方便地与其它外部设备通信、传输数据：拥有开放的o s 应用程序接口， 开发商可根据需要自行开发所需的应用程序。 p a l mo s 的一个重犬缺点是其硬件和软件均由一家公司掌握，限制了软件开发队伍的 扩大。由于p a l m 缺乏对加密、 n 网络等商业应用的支持，目前市场份额很小。 2 u c o s 一 g ，o s 一是一个价格低廉，对学校免费的操作系统。c o s 作为一个占先式多任务 的微内核的期d s ，其性能和许多商业操作系统不相上下，并且开放源代码，使用者能够 完全定制自己想要的功能。 u d o s 一的主要缺点是作为一款开放源代码，对学校免费的操作系统，缺乏便利开发 环境和有效的技术支持，对i 皇j 形化的支持也不好。 3 u c “n “ k 耻n u 是i j n 小型化后，适合于没有m m u ( 内存管理单元) 的微处理器芯片而 裁剪成的操作系统。心n 虾对内存操作是直接的物理内存，这样，任何程序的异常都可 5 东南人学硕e 学位论文 能导致内核崩溃，p c “n u x 支持多线程，但需要父子线程协调同步，心n u x 的文件系统 相对比较陈旧，支持的c p u 和参考设计还比较少，开发工具相对于w i n c e 和v x w b f k s ， 在易于使用和丰富性方面还待于提高和改进。这对于商业化的产品开发中采用是有一定的 风险。 4 v x w b r k s v x w 硼岱是美国w i n d i 撕f 公司开发的，具有工业领导地位的高性能嵌入式实时操作 系统。v x w b r k s 具有专门为实时嵌入式系统设计开发的操作系统内核，提供了高效的实时 多任务调度、中断管理，实时的系统资源以及实时的任务问通信。v x 、o r 虹只占用了很小 的存储空间，并可高度裁减，保证了系统能以较高的效率运行。另外，它有专门的强大的 开发环境t 0 m a d o 及w i n d m l 。 v x w b r 虹作为一种典型的商业化操作系统，价格十分昂贵。和i l c ij n 畎一样也是针 对没有m m u 的处理器设计的，对于a r m 9 这样的有m m u 的处理器来说支持并不是很好。 5 w i n c e w i n d o w sc e 是微软开发的一个开放的、可升级的3 2 位嵌入式操作系统。w i n 曲哪c e 的图形用户界面相当出色。w i n d o h b c e 操作界面虽来源于w i n d a w s 9 5 9 8 ，但w i n 由h b c e 是基于w i i l 3 2a p l 重新开发的、新型的信息设备平台，因而具有模块化、结构化和基于 、i i l 3 2 应用程序接口以及与处理器无关等特点。 w i n d o w sc e 的缺点是用户开发定制不方便，受m i c f o f t 公司限制较多。另外体积较 大，消耗的资源比较多。 基于以上对几种嵌入式操作系统的比较，以及考虑到本课题的实际情况，决定采用 w i n c e 操作系统作为开发的软件平台。 2 1 - 2a r m 嵌入式微处理器系列 a r m 微处理器核技术是成立于2 0 世纪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。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。 嵌入式处理器是嵌入式系统中的核心部件。嵌入式处理器的功能和性能影响着整个系 统的设计。嵌入式处理器的选择，制约了其外围器件的选择，也很大程度上影响着系统硬 件功能的划分策略。 a r m 微处理器目前包括a i t m 7 、a r m 9 、m u 订9 e 、a r m l 0 e 、s c 伽c o 他，h i 埘的 x s c a k 和s t i o n 幽r m 几个系列 5 】，除了具有a r m 体系结构的共同特点以外，每个系列的 a r m 微处理器都有各自的特点和应用领域。其中a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、删1 0 为4 个通用处理器系列，每个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。 s e “r c o 系统专门为安全要求很高的应用而设计。 a r m 9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。具有以下特点：5 级整数流水线，指令执行效率更高；提供1 1 m 口邬江 k 的哈佛结构；支持3 2 位a r m 指 令集和1 6 位t h u m b 指令集；支持3 2 位的高速a m b a 总线接口；全性能的m m u ，支持 w i n d o w sc e 、i j n u x 、p a l mo s 等多种主流嵌入式操作系统；m p u 支持实时操作系统；支 持数据c h e 和指令c h e ，具有更高的指令和数据处理能力嗍。 目前，川r m 9 系列微处理器包括a r m 9 加仉a r m 9 2 z r 和删9 4 叮三种类型，适用 6 第二章系统软硬件颦构 于不同的应用场合。见表2 一1 表2 1a r m 9 家族产品 c 础 砸g h u ym e m o r y b u st h u m b d s p j a ( i n s t d a t 4 ) c o 叩l e dm g t m 【e m o r y a r m 9 2 0 t1 6 k b 1 6 k bm m ua s by hn o a r m 9 2 2 t8 k b 8 k bm m ua s by c sn o a r 侈4 盯f e dm m ua s by e sn o a 趾移系列的处理器正是由于它的高性能和低功耗的特点，所以在下一代手持产品、 视频电话、p d a ，数字消费产品、机顶盒、家用网关等方面有着广泛的应用。 其中，a r m 9 和a r m 7 系列的最显著区别是流水线从3 级增加到5 级，同时具有分 开的指令和数据存储器，减少了在每个时钟周期内必须完成的最大工作，进而允许使用更 高的时钟频率。5 级流水线具体如下嗍： 取指：从存储器取出指令，并将其放入指令流水线： 译码：对指令进行译码； 执行：把一个操作数移位，产生a i 盯的结果； 缓冲数据：如果需要，则访问数据存储器；否则a l u 的结果只是简单地缓冲1 个时钟周期，以便所有的指令具有同样的流水线流程； 回写：将指令产生的结果回写到寄存器堆栈，包括任何从存储器中读取的数据。 下图2 - 2 比较了a r m 9 的5 级流水线和a r m 7 的3 级流水线。该图显示了处理器的 主要处理功能如何在增加的流水线之间经过重新分配，使时钟频率在相同的工艺下得到了 提高。 a r m 帅 i 取指令 t h 岫b 解压缩l a r m 译码 r e g 读i 移位删r b g 写 1 | ，上j ， l 取指令忙码i 嘲读位，舢| | 黼il 啪写 图2 2a r m 7 和a l t m 9 流水线操作对比 2 1 2 1 三星s 3 2 4 1 0 x 处理器 基于以上对a 】r m 9 系统微处理器性能特点的了解以及对a n l 7 和a 鼢肟系列处理器 的比较，本课题决定采用以a m 的系列处理器为核心的嵌入式开发平台。而三星s 3 c m l 0 ) 【 处理器就是一款基于a r m 9 2 叽内核的a r m 微处理器。 s 3 c 2 4 1 0 x 处理器核由a l m l 9 1 d m i 、存储管理单元( m m u ) 和高速缓存三部分组成。 其中h 删可以管理虚拟内存p s 卿l 。高速缓存由独立的1 6 k b 地址和1 6 k b 数据高速o c h e 组成。a r m 9 2 0 1 r 有两个内部协处理器：c p l 4 和c p l 5 。c p l 4 用于调试控制，c p l 5 用于 存储系统控制以及测试控制。s 3 c 2 4 1 0 x 的工作频率最高可达2 0 3 l z ，扩展总线最人频率 1 0 0 m h z 。 s 3 c 2 4 1 0 x 的资源主要包括：1 个u = d 控制器( 支持s 1 n 和耵t 带有触摸屏的液晶显 7 东南大学硕t 学位论文 示屏) ，s d r a m 控制器，3 个通道的u a l 玎，4 个通道的d m a ，4 个具有p w m 功能的计 时器和1 个内部时钟，8 通道的1 0 位a d c ，触摸屏接口，1 2 s 总线接口，2 个u s b 主机接 口和1 个u s b 设备接口，2 个s p i 接口，s d 接口和m m c 卡接口，看门狗计数器，1 1 7 位 通用i ，o 接口和2 4 位外部中断源，8 通道1 0 位a d 控制器。s 3 c 2 4 1 0 x 的功能模块如图2 3 所示。 l o ，zk = l 嘲。妇i oa p l i e = 8 l 鼍挚l 乍= 8 | 殿溉晗令 u s i 辆4 ，除o 图2 3 s 3 c 2 4 1 0 ) 【功能模块 s 3 c 2 4 1 ( 将系统的存储空间分成8 组f b a n k ) ，每组大小是1 2 8 h 仍，共1 g b 。b a n 如 到b 孤k 5 的开始地址是嗣定的，用于r o m 或s r a m 。b 明k 6 和b a n ”用于r o m 、s r a m 或s d r a m ，这两个组可编程且大小相同。b n k 7 的开始地址是b a n k 6 的结束地址，灵活 可变。所有内存块的访问周期都可编程。s 3 c 2 4 1 0 x 采用l i g c s 【7 ：0 1 8 个通心片选信号选择 这些组。 s 3 c z 4 1 0 ) ( 支持从n a n df 1 鹤h 启动。n a n df l 鹞h 具有容鼍大、比n o rf l 勰h 价格低 等特点。系统采用n a n dn h 与s d r a m 组合，可以获得非常高的性价比。s 3 c m l o x 8 第二章系统软硬件架构 具有三种启动方式，可以通过o m 【1 ：o 】管脚进行选择p 蛐”j ： o m 【1 ：0 】0 0 时，处理器从n a n df l h 启动： o m f l ：o 】= o l 时，处理器从1 6 位宽的r o m 启动； o m 【1 ：0 】= 1 0 时，处理器从3 2 位宽的r o m 启动。 用户可以将引导代码羽i 操作系统镜像存放在外部的n a n d f l h 中，并从n a n d f l a s h 启动。当处理器在这种模式下上电复位时，内置的n a n df l h 将访问控制其接口并将 引导代码自动加载剑内部s r a m ( 此时s r a m 定位于起始地址空间0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 ，容量为 4 k b ) 并且运行。之后，s r a m 中的引导程序将操作系统镜像加载剑s d r a m 中，操作系统 就能够在s d r a m 中运行。启动完毕以后，4 k b 的启动s r a m 就可以_ l j 于其他_ h j 途。 2 1 2 2 基丁二s 3 2 4 1 似的s t 2 4 1 0 开发板 本课题采用s t 2 4 l o 开发板。这是一款基于s 3 c 2 4 l o 的开发板。外观如图2 4 所示。 图2 - 4 s 亿4 1 0 开发板套件外观 s t 2 4 1 0 开发板的硬件扩展资源丰富，充分利_ h j 了s 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1 5 m ： 采用三星公司的s 3 c 2 4 l o ，主频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 d f l h ； 2 m 字节的n o r f l h ； l o m 以太网接口，采_ h j 的是c s 8 9 0 0 q 3 ，带传输和连接指示灯； l c d 和触摸屏接口； 2 个u s b h o s t ( s 3 c 2 4 l o 内置) ，符合u s b ； 一个u s bd e v c “s 3 c 2 4 l o 内置) ，符合u s b l 1 ； 2 路u a r t 串行口，波特率可高达1 1 5 2 0 0 b d s ，并具有r s 2 3 2 电平转换电路； e m b e d d e d 1 c e ( 2 0 脚标准j t a g ) 接口和并口式j 1 a g 接口，支持a d s ，s d t 9 东南大学硕l 学位论文 软f i ：的下载和调试以及f l a s h 的烧写； 开关电源，分布式电源供电，3 v 锂电池，提供c p u 内置眦操持电源； s t 2 4 l o 开发板利用了s 3 c 2 4 1 0 x 能从n a n d f l a s h 和n o r f l 硒h 分别启动的特性【矧， 将b l o s 分别烧录剑n a n df l a s h 和n o rf l a s h 中。只要将开发板上的j p l 跳线帽插上或 者拔下，就能分别从n a n df l h 和n o rf i a s h 启动。这样可以避免冈为误操作将其中某 个f l a s h 的b i o s 损坏而无法启动开发板的情况山现。 b i o s 可以提供一些基本的服务，如通过u s b 下载文件，通过串口下载文件，读取和 擦写f l a s h ，设置启动参数等。 当开发板的n o rf l h 和n a n df l a s h 都没有烧录b i o s 时，可以使_ i2 0 芯的j 1 i a g 接口烧录b i o s 到n o rf 1 硒h 禾ln a n df l 部h 中。 2 2 移植w i n c e 操作系统 在嵌入式系统中安装操作系统，可以避免直接和硬件及各个接口直接打交道，还可以 充分利用操作系统来完成对多任务的合理调度、资源的合理应用、系统函数和专家函数接 口的利_ u j 。因此，在对嵌入式系统的支撑硬件进行配置后，移植一个合适的操作系统是至 关重要的。 配置和调试w i n d a w sc e 需要一台高性能开发工作站和一台目标调试设备。本文中采 用的目标调试设备是基于s 3 c 2 4 1 0 x 的开发板；开发工作站采用一台装有w i n d o w s x p 的普 通p c 机，p i a t f o i mb u i l d 耐2 运行在其上面。 设置好开发板的b 1 0 s ，以及用网线、串口线、u s b 线将p c 机和开发板连接好了之后， 就可以开始w j n c e 操作系统的移植工作了i o ，j 。 2 2 1p l a t f o mb u i l d e r 4 2 简介 w i n d o w sc e 操作系统是用微软w i n d o w sc ep l a 肠mb u 订d e r 工具创建、裁剪和定制 的。微软公司发布的p l a 响n nb u i l d 盯4 2 可以定制w i n d o w s c e 操作系统并将操作系统下载 到目标平台。 嵌入式w i n d o w sc e 的开发工具主要包含以下几个部分p ： 1 编译器：p l a 响肿b u i l d e r 提供了所有其支持的处理器的编译器； 2 i d e 调试器：内核调试器允许调试不同的处理器，调试的方法适用于所有的处理 器； 3 输出s d k ：输出s d k 工具可以输出定制的软件开发工具包，用于e m b e d d 酣v c + + 和v b 中开发相戍的应用程序； 4 、j n d o w s c e 远程工具：开发者可以调试w i n d o w s c e 目标平台。 其中，p l 硎晰nb u i l d e r 包含所有v i s u a ls t u d i o 的工具。以下工具可调整用于远程环境： w i n d o w sc es p y + + 提供工具显示晰n d o w s 利消息的信息； w j n 曲w s c e 注册表编辑器可以查看目标平台的注册表： 、i n d o w s c e 进程察看器提供目标平台的进程，线程和内存的信息； w i n d o w sc e 远程对象浏览器显示远程设备的对象存储； i o 第二章系统软硬件絮构 2 2 2 安装和定制p l a t f o 瑚b u 订d e r 在安装p l a 响mb u i l d 州2 的时候需要注意的一点是安装过程中出现安装选项时选择 a r m w 和a r m 4 i ，以便w i i l c e 能够支持a r m 9 系列的嵌入式处理器。 安装完晰n c e 4 2 以后，就可以利用p l 缅mb u i l d c r 对所需要的嵌入式操作系统进行 定制和剪裁内核。 扳基支持包b s p ( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ) 是连接硬件平台和操作系统内和功能的桥梁， 通过定制b s p 可以根据具体的硬件配置操作系统，完成系统的可迁移性。首先，在新建一 个嵌入式的p l a t f o m 时，p b 会要求选择b s p 。因为本课题使用的是基于三星的s 3 c 2 4 l o x 嵌入式处理器的开发平台，所以选择使用三星提供的b s p 包。将b s p 包拷贝到w i n c e 的 p i a t f o r r n 目录下，并把s 3 c 2 4 1 0 的b s p 包添加到新建的平台中i ，j i 刈。如图2 5 所示。 图2 5 将s 3 c 2 4 l o 的b s p 包添加进新的平台中 因为s a m s u n g 的b s p 包含了很多驱动程序，对于本课题，只需要用其中一部分，所以 就要对其进行合理的剪裁，提高执行效率。为此，展开b s p 包的目录树，将所需的驱动添 加剑平台中，将不需要的驱动从平台中删除。如图2 - 6 所示。 对操作系统平台剪裁完毕以后，就可以编译整个平台。在编译平台之前，还要设置适 当的编译条件。根据s t 2 4 1 0 开发板的实际情况，为了充分利用微处理器的性能，选中 【e n a b l ef u l lk e m e lm 0 d e 】；为了把镜像文件烧录剑f l a s h 中长期保存并能从f l h 启动，选 中【e n 曲l ei m a g ef o rf l h 】；因为编译后的镜像文件很可能大于3 2 m ，选中 e n 曲l ei m a g l a 培e rt h 3 2 m b l 设置编译条件以后就可编译生成s m d i ( 2 4 1 0 的二进制的镜像文件：i l 】( b j n 和1 1 l ( n b o 。 可以利用前面提到的串口通信程序d n w 通过u s b 下载三星的e b o o t n b 0 ，以及利用 e 咖n b 0 向导。卜载并烧录n k _ n b 0 到开发板的f l a s h 中。这样，重起开发板就可以在l c d 上看剑运行起来的w i n c e 操作系统。 东南人学硕l 二学位论文 图2 6 剪裁后系统所需要的硬件驱动程序 2 2 3 使用a c t i v e s y n c 建立1 i | i n c e 平台和上位机的连接 对于w i f i c e 操作系统的应用程序的开发，由于嵌入式设备的内存空间和外设资源极为 有限，通常的应_ 【l 程序开发的方法难以实现，因此采用交叉编程的解决办法。交叉编程包 括一个功能强大的开发主机( 一般用功能较强的p c 机实现) ，用于运行w j n c e 开发工具软 件；一个嵌入式的目标平台和两个系统之间的连接线( 串口、网口或者u s b 口) 。对于w i n c e ， 我们在p c 机上运行的开发工具软件是e m b e d d e dv i s lc + + ，同时安装p b 生成的s d k 包， 以及相应的通讯软件a c t i v e s y n c ，这样生成的应用程序才可以顺利编译下载到相应的目标 机上运行。 为了实现文件上传下载，远程调试等功能，必须迸一步建立w i n c e 平台与p c 机端的 连接。 首先，需要在p c 上安装连接到开发板w i n c e 操作系统的u s b 驱动