（通信与信息系统专业论文）农村信息化虹终端系统设计与实现.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 2 0 1 0 年中央一号文件针对“三农”问题提出，“推进农村信息化，积极支持农 村电信和互联网基础设施建设，健全农村综合信息服务体系”，可见农村信息化建 设是解决农民民生，提高农民经济水平的重大举措，因此更好的为农村提供信息 化服务也成为政府工作的重中之重。 国内在农村信息化建设方面，能够通过互联网获得市场和技术信息的农村家 庭只有5 1 。因此，从全国情况来看现代网络技术在农村的普及仍需要进一步的 工作来推进，如何让需要农业信息的广大农民获得价格便宜、权威精准的信息服 务，是农业能否快速发展的关键。 目前我国农村信息化存在基础差、起步晚等问题。农作物的种植、病虫害防 治、农产品销量、价格和需求等问题是农民关注的重点，但由于普通p c 的价格较 贵，并且操作复杂，同时受到农民知识水平和经济条件的制约，在农村p c 的普及 率很低。经过市场调研得知，广大农民迫切需要的是一种价格低廉、操作简单、 性能可靠的高性价比终端设备。 针对农民用户的迫切需求，本论文提出一种用于农村信息化系统建设的实现 方法，系统建设包括低成本、高可靠、交互式虹终端和基于“云计算 技术的信 息服务平台。农民通过虹终端访问信息服务平台，信息服务平台为用户提供定制 和推送服务。 低成本、高可靠、交互式虹终端硬件设计。采用模块化的设计模式，提供可 扩展的系统。主要包括处理器模块、网络功能模块、信息交互功能模块、存储功 能模块、音频功能模块、u s b 接口功能模块、扩展功能模块等，针对不同的应用 场合，可以方便的裁剪和增添各个模块，从而实现需求、功能、成本的最佳平衡。 针对农民用户特定需求，虹终端设计特殊的输入与输出方式。用户可以通过遥控 器、手写板或鼠标、键盘完成对农业或相关信息的浏览与查询，操作十分简便。 系统采用电视机、v g a 显示器与t f t 显示屏作为输出设备，既降低了成本，又极 大的丰富了用户的选择。 低成本、高可靠、交互式虹终端软件设计。首先完成运行环境的搭建，其中 山东大学硕士学位论文 包括b o o t l o a d e r 的移植与开发，l i n u x 内核的定制与开发，文件系统的制作，g u i 交互界面的移植与开发以及嵌入式k o n q u e r o r e m b e d d e d 浏览器的移植与定制开 发。之后根据具体应用完成v g a a v 、红外、触摸屏、a d s l 上网驱动的开发，并 在此基础上完成了在线语音交流系统与流媒体远程教育系统。 通过虹终端，用户可以方便、高效、便宜的浏览、上传、下载农作物的种植、 病虫害防治、销量、价格和需求等农业信息，它采用具有多媒体处理功能的a r m 芯片和开源的嵌入式l i n u x 操作系统。用户只需通过w e b 浏览器与服务器进行交 互，成本低廉，性能稳定，性价比高，后台自动完成升级与维护等工作，进一步 减轻了农民的负担。 2 关键词：农村信息化；虹终端；嵌入式开发；在线语音交流；远程教育 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n2 010 ，a c c o r d i n gt o ”s a nn o n g ”p r o b l e m ，c e n t r a lf i r s tf i l e p r o p o s e dt h a t ”a d v a n c i n g r u r a li n f o r m a t i z a t i o n ，a c t i v e l ys u p p o r t i n gr u r a lt e l e c o m m u n i c a t i o na n d i n t e r a c ti n f r a s t r u c t u r ec o n s t r u c t i o n ，i m p r o v i n gt h ec o m p r e h e n s i v er u r a li n f o r m a t i o n s e r v i c es y s t e m ”r u r a li n f o r m a t i z a t i o nc o n s t r u c t i o ni sb i gd r i v et os o l v ef a r m e r s l i f e i s s u e sa n di m p r o v ef a r m e r s e c o n o m i c l e v e l ，t h e r e f o r e ，p r o v i d i n g b e a e rr u r a l i n f o r m a t i o ns e r v i c e sh a sb e c o m eg o v e m m e n t p r i o r i t y i nc h i n a , f o rr u r a li n f o r m a t i z a t i o nc o n s t r u c t i o n ，t h es c a l eo fr u r a lf a m i l i e sw h oc a n g e tm a r k e ta n dt e c h n i c a li n f o r m a t i o nb yt h ei n t e m e ti so n l y5 1 t h e r e f o r e ，f r o mt h e s t a n d p o i n to f w h o l en a t i o n ，r u r a lm o d e mn e t w o r kt e c h n o l o g yp o p u l a r i z a t i o ns t i l ln e e d s f u r t h e rw o r k h o wt ol e tf a r m e r sw h on e e da g r i c u l t u r a li n f o r m a t i o nt og e ti n f o r m a t i o n s e r v i c e s 、析t l lc h e a p e rp r i c ea n da u t h o r i t yi st h ek e yp o i n tw h e t h e ra g r i c u l t u r ec a ng e t q u i c kd e v e l o p m e n t a tp r e s e n t ，t h e r ea r el o t so fp r o b l e m sf o rr u r a li n f o r m a t i z a t i o ni nc h i n a , l i k ew e a k f o u n d a t i o n ，l a t es t a r t ，e t c c r o pc u l t i v a t i o n ，p e s tc o n t r o l ，a g r i c u l t u r a lp r o d u c ts a l e s ， p r i c e sa n dd e m a n dp r o b l e m sa r ef o c u sf o rf a r m e r s b e c a u s et h ep r i c eo f t h ec o m p u t e ri s e x p e n s i v ea n dt h eo p e r a t i o ni sc o m p l e x ，a n da l s of a r m e r s k n o w l e d g el e v e la n d e c o n o m yr e s t r i c t ，t h ep o p u l a r i z i n gr a t eo fc o m p u t e r si nc o u n t r y s i d ei sv e r yl o w f r o m m a r k e ts u r v e y , w ec a ng e tt h a tf a r m e r si nc o u n t r y s i d en e e das m a r tt e r m i n a lw i t hl o w p r i c ea n ds i m p l eo p e r a t i o n a c c o r d i n gt ot h eu r g e n td e m a n do ff a r m e r s ，t h i sp a p e rb u i l d sas y s t e mf o rr u r a l i n f o r m a t i z a t i o nc o n s t r u c t i o n t h i ss y s t e mi n c l u d e sl o w p r i c e ，h i g hr e l i a b i l i t y , i n t e r a c t i v e r a i n b o wt e r m i n a la n di n f o r m a t i o ns e r v i c e p l a t f o r mb a s e do n ”c l o u dc o m p u t i n g ” t e c h n o l o g y f a r m e r sc a na c c e s si n f o r m a t i o ns e r v i c ep l a t f o r mb yt h er a i n b o wt e r m i n a l ， a n dt h ei n f o r m a t i o ns e r v i c ep l a t f o r mp r o v i d e sc u s t o ma n dd e l i v e r ys e r v i c ef o ru s e r s h a r d w a r ed e s i g n sf o rl o wp r i c e ，h i g hr e l i a b i l i t y , i n t e r a c t i v er a i n b o wt e r m i n a l t h i s s y s t e mt a k e sm o d u l a r i z i n gd e s i g nm o d e l ，a n dp r o v i d e se x t e n s i b l es y s t e m i tm a i n l y i n c l u d e sp r o c e s s o rm o d u l e ，n e t w o r kf u n c t i o nm o d u l e ，i n f o r m a t i o ni n t e r a c t i v ef u n c t i o n m o d u l e ，s t o r a g ef u n c t i o nm o d u l e ，a u d i of u n c t i o nm o d u l e ，u s bi n t e r f a c ef u n c t i o n m o d u l ea n de x p a n d i n gf u n c t i o nm o d u l e a c c o r d i n gt od i f f e r e n ta p p l i c a t i o ns i t u a t i o n , t h i ss y s t e mc a nc o n v e n i e n t l yc u to ra d dm o d u l e s ，t h u sr e a l i z e st h eo p t i m a lb a l a n c ef o r 3 山东大学硕士学位论文 d e m a n d ，f u n c t i o na n dp r i c e i na c c o r d a n c ew i t ht h es p e c i f i cd e m a n df r o mf a r m e r s ， r a i n b o wt e r m i n a ld e s i g n ss p e c i a li n p u ta n do u t p u tw a y s u s e r sc a l lb r o w s eo rq u e r y a g r i c u l t u r eo rr e l a t e di n f o r m a t i o nb yr e m o t ec o n t r o l l e r , h a n d w r i t i n gb o a r do rm o u s e ， k e y b o a r d 、 ，i t l lv e r ys i m p l eo p e r a t i o n t h i ss y s t e mt a k e st e l e v i s i o n , v g ad i s p l a ya n d t f ts c r e e na so u t p u td e v i c e s ，w h i c hc a l ld e c r e a s et h ec o s ta n dg r e a t l ye n r i c hu s e r s c h o i c e s o f t w a r ed e s i g n sf o rl o wp r i c e ，h i g hr e l i a b i l i t y , i n t e r a c t i v er a i n b o wt e r m i n a l f i r s t l y , t h i ss y s t e mc o m p l e t e sd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tb u i l d i n g ，i n c l u d i n gb o o f l o a d e r t r a n s p l a n t a t i o na n dd e v e l o p m e n t ，l i n u xk e r n e lc u s t o ma n dd e v e l o p m e n t ，f i l es y s t e m p r o d u c t i o n ，g u it r a n s p l a n t a t i o na n dd e v e l o p m e n ta n dk o n q u e r o r e m b e d d e db r o w s e r c u s t o ma n dd e v e l o p m e n t t h e n ，t h i ss y s t e mc o m p l e t e sd r i v e rd e v e l o p m e n ti n c l u d i n g v g n 感，i n f r a r e dr e m o t ec o n t r o l l e r , t o u c hs c r e e n ，a d s ln e t w o r k b a s e do nt h e p l a t f o r ma n dd r i v e r s ，t h i ss y s t e mc o m p l e t e so n l i n ev o i c ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n d d i s t a n c ee d u c a t i o nb a s e do ns t r e a m i n gm e d i a b yr a i n b o wt e r m i n a l ，u s e r sc a l le a s i l ya n de f f i c i e n t l yb r o w s e ，u p l o a da n dd o w n l o a d c r o pc u l t i v a t i o n ，p e s tc o n t r o l ，p r i c ea n dd e m a n do fa g r i c u l t u r a li n f o r m a t i o n t h e t e r m i n a lt a k e sa r m m i c r o c h i pw i t l lm u l t i m e d i ap r o c e s s i n gf u n c t i o na n do p e n s o u r c e l i n u xo p e r a t i n gs y s t e m u s e r sc a ns i m p l yi n t e r a c tw i t l ls e r v e rb yw e bb r o w s e r 、析t l ll o w p r i c ea n ds t a b l ep e r f o r m a n c e u p g r a d i n ga n dm a i n t e n a n c ew o r kw i l lb ec o m p l e t e di n b a c k s t a g e ，a n dt h i sc a l lf u r t h e rr e d u c ef a r m e r s b u r d e n k e yw o r d s ：r u r a li n f o r m a t i z a t i o n ；r a i n b o wt e r m i n a l ；e m b e d d e dd e v e l o p m e n t ； o n l i n ev o i c ec o m m u n i c a t i o n ；d i s t a n c ee d u c a t i o n 4 山东大学硕士学位论文 符号说明 r i s cr e d u c e di n s t r u c t i o nc o m p u t e r精简指令集计算机 j t a gj o i n tt e s ta c t i o ng r o u p联合测试行为组织 g u i g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e 图形用户接口 c i i i c c h i n ai n t e r n a t i o n a li c ti n n o v a t i o nc l u s t e r国家信息通信国际创新园 d m ad i r e c tm e m o r ya c c e s s存储器直接访问 r t o s r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m实时系统 i p t vi n t e r n e tp r o t o c o lt e l e v i s i o n交互式网络电视 a m b aa d v a n c e dm i c r o c o n t r o l l e rb u sa r c h i t e c t u r e 高级微控制器总线架构 s d 卡s e c u r ed i g i t a lm e m o r yc a r d安全数码卡 l c d l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y液晶显示器 c m o sc o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r互补金属氧化物半导体 a va u d i ov i d e o音频和视频 a d c a n a l o g - t o d i g i t a lc o n v e r t e r 模拟数字转换器 a d s l a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e 非对称数字用户环路 n t s cn a t i o n a lt e l e v i s i o ns t a n d a r d sc o m m i t t e e国家电视标准委员会 p a lp h a s ea l t e r n a t i n gl i n e 帕尔制 i s pi n t e r n e ts e r v i c ep r o v i d e r互联网服务提供商 n a tn e t w o r ka d d r e s st r a n s l a t i o n网络地址转换 t f tt h i nf i l mt r a n s i s t o r薄膜场效应晶体管 d s p d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g数字信号处理 o e m o r i g i n a le q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r原设备生产商 m i d m o b i l ei n t e r n e td e v i c e s移动互联网设备 g p i og e n e r a lp u r p o s ei n p u to u t p u t 通用输a 输出 v g a v i d e og r a p h i c sa r r a y显示绘图阵列 s d r a ms y n c h r o n o u sd y n a m i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y 同步动态随机存储器 c s c l i e n t s e r v e r 客户端服务器 5 山东大学硕士学位论文 b s c g i a p i u d p i 汀s p r t p r t c p i s p 6 b r o w s e r s e r v e r 浏览器j j 艮务器 c o m m o ng a t e w a yi n t e r f a c e 通用网关接口 a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e 应用程序编程接口 u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l用户数据包协议 r e a lt i m es t r e a m i n gp r o t o c o l实时流传输协议 r e a l t i m et r a n s p o r tp r o t o c o l实时传送协议 r t pc o n t r o lp r o t o c o lr t p 控制协议 i ns y s t e mp r o g r a m m a b l e 在系统编程 山东大学硕士学位论文 1 1 论文选题背景及意义 第一章绪论 本论文设计的农村信息化虹终端为山东省自主创新成果转化重大专项“农业 关键技术应用农村信息化终端系统研究 的子课题。本论文基于中国“虹计划 的模式，完成虹终端系统的设计与研发。 1 1 1 中国农村信息化 国家政府近年来持续加大对中国农村信息化的建设力度，并提供良好的环境 与政策【l 】。国家“十一五”纲要着重讨论了如何通过信息化解决“三农 问题，农 村信息化已经成为关系国计民生的重大问题【2 】。农村信息化与国家的国民经济息息 相关，与城市信息化共同推进着中国经济的持续发展【3 】。温家宝总理在中央农村工 作会议上作重要讲话，强调“建设社会主义新农村，是时代赋予我们的神圣使命， 光荣而艰巨，任重而道远”【4 】。国家中长期科学和发展规划纲要中的重点领域及其 优先主题第4 项农业中也强调了农业精准作业与信息化；山东省公布了“山东省 国家农村农业信息化示范省实施方案”，确定建设山东省成为农村信息化科技示范 省的目标，示范实施方案指出，推进农村信息化是实现传统农业向现代农业跨越 式发展的重要手段；推进农村信息化是构建高效农产品市场、促进农民增收的强 大动力。通过将山东省建设成全国农村信息化科技示范省，构建起适应现代农业 发展要求的信息化科技支撑体系。 2 0 0 4 年以来，城镇广播电视、上网都取得了很快的发展，而且现在光纤已经 发展到农村，农村信息化的应用也有了发展，农村的三级信息化服务体系已形成 规模，基本上可以到乡镇级，到村的为少数。由此可知，农村的信息化建设是不 成熟的，但又是迫切需要的。利用农村现有的应用环境，为农民提供一套可行的 网络信息查询体系，有利于加快精准农业的发展。 因此，低成本、高可靠、交互式的信息化解决方案对于中国农村信息化的推 进具有重要的战略意义【5 1 。 7 山东大学硕士学位论文 1 1 2 中国“虹计划 为促进我国信息化的建设，国家信息通信国际创新园( c i i i c ) 在深入研究国 际国内i t 产业发展的基础上于2 0 0 8 年提出了中国“虹计划 ，该计划利用“云计 算( c l o u dc o m p u t i n g ) 技术，建设软硬件全部国产化的信息化平台。该计划将首 先实现电子政务和“云计算”服务，完成低成本、低能耗政府信息化示范性应用， 解决当前人们进入计算机领域经济门槛高和知识门槛高的问题，为我国各级政府 的信息化建设提供参照。简而言之，就是让用户把所有数据处理任务都交给“虹 端的服务器来完成，客户端尽可能的简单，只需完成基本的输入输出功能即可， 从而降低用户的经济成本和维护成本。为响应中国“虹计划”，农村信息化系统采 用瘦客户端+ 宽带网+ 服务器的模式，农民用户所有的计算、存储等服务均由后台 的服务器来完成，用户仅仅需要输入他所需要的信息，后台管理中心将会自动处 理，并将结果自动推送到用户眼前。农民使用虹终端与服务就像使用镰刀与锄头 一样简单。 1 1 3 农村信息化的意义 我国城市信息化建设已经取得了长足的发展，但是农村信息化建设却处于比 较落后的地位，同时地区间的差距也十分明显，城乡间的数字鸿沟导致了我国信 息化平均水平较低。因此推动我国农村信息化建设，缩小城乡数字鸿沟是推动我 国信息化建设的首要任务1 6 】。 社会主义新农村的建设，需要物质文明与精神文明的协同发展，而农村信息 化通过网络互动、实时交流等方式为农民用户提供交流学习的平台，为推进农村 文化建设与城乡统筹发展起到了重要的推进作用【7 】。 低成本、高可靠、交互式农村信息化系统建设方案可以方便农户实现简洁、 安全、费用低廉的网络接入，彻底改变过去城市居民一天接收的信息量超过了农 村村民一年的信息获取量的局面，对提升农村信息化建设具有重大意义。 低成本，简便化，以农民易于接受的方式来进行信息化普及大有市场，这也 将成为我国农村信息化建设的必由之路。低成本、高可靠、交互式的虹终端不仅 解决了农民上网获取信息成本高、效率低、效果差的问题，也为中国农村信息化 8 山东大学硕士学位论文 建设，开辟了一条新的道路。 1 2 农村信息化终端系统研究现状 市场上的农村信息化终端主要包括基于互联网模式的i p t v 机项盒、“农信通 等专用平台，其通过互联网，结合短信、彩信、语音、手机上网等多种方式，为 农民提供农业生产生活信息；基于固话网模式的农村信息机、各类i p 电话等，其 基于g s m 网络，在普通移动电话终端的基础上，集成了方便农民使用的手写输入 电子屏幕、自动启动大喇叭等电子控制技术；基于广电网模式的村村通直播星等， 其利用卫星传输技术传导文字、视频信息；基于移动通信设备的农村信息机、“农 信通”等专用平台；基于传统信息传播方式的农村大喇叭等。农村信息化终端产 品比较如表1 1 所示。 表1 1 农村信息化终端产品比较 i p t v 机顶盒： 村村通直播星数字机项盒： 农村信息机： 产 z x v l ob 7 0 0d v b c 1 6 0 p t 普及型 品 z x v l 0b 6 0 0 d v b c 7 0 0 0 b 标准型 z x v l 0 8 5 0 0 等d m b t h 2 0 8 8 h d 等 增强型 农业信息提供较少， 价格高昂，农业信息提供较 功能定位模糊；与广 少，且信息交互性较差；与 劣电总局推广的数字电功能单一，用户体验较差；信息 i p t v 模式相比性能不占优 势视业务冲突，前途难交互功能较弱，农业信息量少 势，且定位重合，前途难以 以预测；互联网数据 预测 抓取等技术落后 产 专用信息机： “乡村季风”手机“农信通”服务 “1 2 3 1 6 口 t h l 系列口口 产品定位不清，不符用户体验较差；操人工成本较 劣 合农民使用习惯；用 造价十分高昂，不适合家庭作复杂；按条收费 高；信息量 势户体验差；增值服务使用降低消费热情：信 少；用户体 价格高：产品价格高息量较少验差 9 山东大学硕士学位论文 1 3 虹终端系统功能概述 针对农村信息化终端系统存在的种种问题，本论文开发了基于中国“虹计划 模式的虹终端。 大量实践调研表明，电脑在农村的普及仍受到价格高、操作复杂等因素的影 响，现在农民仍主要通过电视机获取农业信息，并且只能被动的接收广播的信息， 不能根据个人需求定制信息与反馈信息。农民用户只能通过电话等方式咨询问题， 时效性差。因此农民用户迫切需求一种低成本、高可靠、交互式的信息化解决方 案引。 本论文整体构架采用瘦客户端+ 宽带网+ 服务器的模式，农民用户所有计算、 存储等服务均由后台的服务器来完成，用户仅仅需要输入他所需要的信息，后台 管理中心将会自动处理，并将结果自动推送到用户眼前。 系统总体框图如图1 1 所示。 图1 1 系统总体框图 虹终端采用嵌入式系统【9 1 ，虹终端仅完成显示和上网浏览等简单数据处理功 能，其余大量的数据处理和操作均由服务器完成，从而创建一种新的低成本、交 互式、易操作的上网模式； 网络采用现有的a d s l 和宽带网络； l o 山东大学硕士学位论文 服务器一依托山东省棉花等专业技术平台，建设农村信息化服务平台，实现 信息的个性化定制和自动派送。服务信息来源主要是现有的专业网站，现有的基 础设施，以及山东省农科院、山东农业大学提供的农业信息等。 系统实现方案如图1 2 所示。 鼷 服务运营管理服务交付管理远程管理代理 縻i 黧 服务运营管理服务交付管理 远程管理代理繁 羔 4 嚣# 翮囤阿i 图1 2 系统实现方案 本论文主要研究低成本、高可靠、交互式的虹终端系统。虹终端成本低廉， 由于所有处理均由后台服务器完成，虹终端仅仅完成基本的输入输出功能，因此 虹终端采用嵌入式系统构架，并采用免费开源的嵌入式l i n u x 操作系统，尽可能的 降低虹终端成本。 用户通过虹终端访问信息服务平台，实现在开机后根据农户要求进行信息定 制的功能。如农产品电子交易频道、农产品市场行情频道、党员教育频道等，用 户可以通过遥控器简单的进行选择、查找文字信息或语音信息。 信息服务平台 一鬣 山东大学硕士学位论文 同时虹终端为客户提供全方位的信息交流方式。譬如农民用户可通过虹终端 摄像头实时采集信息，通过网络上传至信息服务中心，通过文字或者语音与专家 实时交流。 虹终端访问网络原理框图如图1 3 所示。 眼务器 图1 3 虹终端访问网络原理框图 1 4 论文研究的主要内容及结构安排 本论文针对农民用户特定需求，设计了低成本、高可靠、交互式的虹终端。 虹终端硬件采用a r m 9 芯片$ 3 c 2 4 4 0 a ，软件采用嵌入式l i n u x 操作系统与q t o p i a 2 用户界面，通过嵌入式k o n q u e r o r 浏览器整合针对于农民用户的应用程序。用户可 以通过鼠标、键盘、遥控器等方式输入信息，将电视机、v g a 显示器、t f t 显示 屏作为输出设备。用户只需输入其所需要的信息，虹终端就会将信息发送至农村 信息化服务平台，信息服务平台将用户所需的信息自动推送到用户面前。本论文 完成了虹终端的系统设计、嵌入式开发平台的搭建以及针对农民用户的在线语音 交流系统与流媒体远程教育系统。 本论文研究的主要内容包括： 第一章，绪论。本章首先介绍了论文选题的背景及意义，包括当前中国农村 信息化与中国“虹计划 的现状，然后介绍了农村信息化终端系统的研究现状以 1 2 山东大学硕士学位论文 及本论文设计的虹终端的功能。 第二章，a r m 平台与嵌入式l i n u x 操作系统。本章分别介绍了a r m 平台与 嵌入式l i n u x 操作系统的体系构架、优势以及应用，同时对a r m 平台与嵌入式 l i n u x 操作系统的开发与调试进行了阐述。 第三章，虹终端硬件设计。本章首先提出了虹终端设计框架，然后分别介绍 了虹终端系统的各个硬件模块，主要包括c p u 模块、存储模块、显示模块、语音 模块、网络模块与调试模块。 第四章，虹终端软件设计。本章首先介绍了运行环境的搭建，包括b o o t l o a d e r 的移植与开发、嵌入式l i n u x 内核的定制与开发、文件系统的制作、g u i 交互界面 q t o p i a 2 、q t 4 的移植与开发以及嵌入式k o n q u e r o r 浏览器的移植与开发；然后介绍 了虹终端的驱动程序的开发，包括v g a a v 、红外、触摸屏与a d s l 上网驱动程 序的开发，最后介绍了针对于农民应用的在线语音交流系统与流媒体远程教育系 统。 第五章，总结与展望。本章首先对本论文进行了总结，然后介绍了本论文开 发的虹终端系统需要进一步完善的功能，并与精准农业相结合，提出了进一步的 研发方案。 1 3 山东大学硕士学位论文 第二章a r m 平台与嵌入式l i n u x 操作系统 2 1a r m 平台简介 a r m 公司并不制造应用于某一领域的处理器，而是通过技术授权的方式向半 导体公司提供i p 核和服务。现在世界上已经有很多半导体公司与a r m 签订了协 议，这些半导体公司采用a r m 内核，同时针对特定应用领域整合外围功能，为 o e m 厂商提供专用芯片【1 0 1 。a r m 微处理器以其低成本、低能耗、高性能的独特 优势，在嵌入式领域具有广泛的应用【1 1 1 。 2 1 1a r m 体系构架 a r m 公司为不同的体系构架定义了不同的版本，随着半导体工艺的增强，版 本的升级，指令集功能不断增强，芯片功能也不断的增强，现在a r m 芯片支持 t h u m b 指令集与长乘法指令集、增强型d s p 指令等，并具有丰富的媒体扩展功能。 删处理器主要包括删7 、删9 、删9 e 、a r m l o e 、a r m l l 、 s e c u r c o r e 等系列，功耗数量级都是m w m h z ，主频从2 0 0 m 一8 0 0 m ，十分适合 嵌入式应用1 2 1 。 对于芯片速度，低速度应用的主要是a r m 7 ，中高速度的主要是a r m 9 ， a r m l 0 等，高速的一般是a r m l l 及与其他公司合作的产品；对于产品应用，中 低端应用通常是a r m 7 ，a r m 9 等，高端的应用大多是a r m l 0 ，a r m l l ，c o r t e x a 8 等，现阶段a r m 公司主推c o r t e x 系列，主要包括低速的m 系列，中速的r 系列， 高速的a 系列，c o r t e x a 系列主要用于智能手机、m i d 与上网本，c o r t e x r 系列 主要应用于汽车电子和实时系统应用，c o r t e x m 系列主要应用于低成本和低速度 应用。 a r m 体系采用大端与小端的存储模式，非对齐的访问操作，a r m 体系采用3 种方式控制程序的执行流程，程序计数器、跳转指令、异常中断发生【1 3 】。 删体系构架归纳如下： 一哈佛结构，流水线操作，指令执行效率更高； 1 4 山东大学硕士学位论文 一支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集； 一支持3 2 位的高速a m b a 总线接口； 一支持w m d o w sc e 、嵌入式l i n u x 、a n d r o i d 等多种主流嵌入式操作系统； 一支持实时操作系统； 一支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力1 4 1 。 2 1 2a r m 平台的优势 a r m 微处理器已经成为使用最为广泛的微处理器。 低功耗：由于消费类嵌入式产品主要采用电池供电，所以对功耗要求较高， 而a r m 产品硬件简单，采用r i s c 指令集，代码单位密度更高，使得a r m 芯片 的功耗更低； 低成本：半导体工艺不断增强，芯片制造成本不断降低，加之a r m 公司采用 i p 核授权的运营模式，使其芯片价格更低； 高性能：a r m 采用高时钟频率和单周期执行，同时支持多指令集，性能更加 强大； 高效率：a r m 采用r i s c 体系结构，简化了流水线设计，支持1 6 位与3 2 位 指令集结构，操作的时候，采用单周期指令与寄存器来完成计算，执行效率更高； 功能丰富：a r m 芯片为各应用领域扩展了丰富的功能接口，例如f l a s h 控 制器、s d r a m 控制器、u s b 控制器等。 2 1 3a r m 平台的应用 手持终端：a r m 芯片以其低功耗的独特优势，占领着如手机、m i d 、平板电 脑等相关手持终端的高中低市场； 工业控制：主要应用于工业现场控制，数据采集等，a r m 控制器占据了高端 工控微控制器市场，同时也越来越多的应用于低端的微控制器领域，已经对8 位 和1 6 位的微控制器提出了挑战，用于工业控制的典型产品如a t m e l 的a r m 9 2 0 0 ； 无线通信：大多数厂商的通讯设备采用了a r m 芯片。a r m 芯片的高性能、 低成本、可扩展等特性，使得a r m 产品遍及无线通讯的各个应用环节； 山东大学硕士学位论文 网络应用：随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的网络芯片正逐步获得广泛 应用，通过内置的网络芯片控制器与外围网络芯片结合，可以提供1 0 m 1 0 0 m 的 网络接入，用于网络应用的典型产品如三星的$ 3 c 4 5 1 0 b ； 音视频：随着芯片制造工艺的提升，以及a r m 产品逐渐在语音以及视频处理 上进行优化，越来越多的带有d s p 协处理器的高性能a r m 芯片占领市场； 实时嵌入式应用：越来越多的实时操作系统，如r t o s 、u c o s i i 等被移植到 嵌入式a r m 平台，功能不断完善，稳定性越来越好，并且支持的a r m 平台也不 断的增加，实时嵌入式操作系统在a r m 平台应用越来越广泛。 2 2a r m 平台的开发与调试 用户选用a r m 微处理器进行嵌入式开发时，选择合适的开发工具可以节省开 发成本，加快开发进度。a r m 平台的开发在不同的设计阶段需要不同的开发工具， 依据开发的流程，可以将开发阶段划分为编写、编译、调试、固化四个阶段。 a r m 平台的裸机开发与单片机开发相似。使用集成开发环境开发基于a r m 平台的应用软件，包括编辑、编译、汇编、链接等工作，目前常见的调试方法有 以下几种： 1 ) 指令集模拟。有部分集成的开发环境提供了指令集模拟器功能，可方便用 户在计算机上完成一些调试工作，但是与实际硬件相差会比较大，而且功能比较 受限，只能观看部分环境变量； 2 ) 驻留监控软件。集成开发环境中的调试模块可以通过网络接口或者串行端 口与驻留监控软件进行通信，由调试软件来完成对寄存器的读写以及设置中断等 调试工作； 3 ) j t a g 仿真。常见的a r m 芯片都会内置j t a g 边界扫描接口，计算机将目 标文件下载到a r m 微处理器芯片内实时执行，并实时监控寄存器、变量等参数， 然后通过j t a g 接口传送给计算机，这样调试更能实时的反映硬件的操作信息，减 少环境因素的影响，同时可以减少电缆长度等带来的问题。一般的集成开发环境 都可以与j t a g 仿真器配合使用，可以完成f l a s h 下载与在线仿真等功能； 4 ) 在线仿真。使用在线仿真器可以完全替代目标板上的c p u ，可以完全仿真 1 6 山东大学硕士学位论文 a r m 芯片的行为，提供更加细节化的调试与仿真工作，但是这种仿真器制作工艺 复杂，成本较高，因此价格十分昂贵【1 5 】。 本论文设计过程中，选取了a r ma d s 、j t a g 作为开发调试的工具。 a r ma d s 为a r m 公司推出的集成开发环境，本论文主要利用其集成开发环 境c o d ew a r r i o r 和a x d ，完成源代码编辑、编译、链接、调试等工作。a x d 为 a d s 的调试工具，利用a d s 可以生成工程的调试文件，a x d 导入调试文件即可 以完成在线调试、设置断点、查看变量值等调试工作。通过其提供的集成化的项 目管理图形用户界面，可以方便的完成对a r m 微处理器的调试工作。 2 3 嵌入式l i n u x 操作系统简介 l i n u x 操作系统由u n i x 操作系统发展而来，原本为主要应用于桌面的操作系 统，由于其免费、开源、高度可裁剪、良好的可移植性与适应于嵌入式芯片的特 性，后被逐渐引入嵌入式开发平台，尤其与a r m 平台的结合最为紧密。 比较著名的嵌入式操作系统，如嵌入式u b u n t u 、v x w o r k s 、a n d r o i d 、w i n d o w s c e 等等，但这些操作系统都属于商业化的产品，源代码不公开并且价格昂贵。而 嵌入式l i n u x 是一款优秀的免费开源的嵌入式操作系统，并在各领域得到了广泛的 应用。 嵌入式l i n u x 操作系统是指对标准l i n u x 系统经过裁剪处理，能够固化在容量 只有k 或者m 容量的存储器或者芯片中，适用于特定应用场合的嵌入式l i n u x 操 作系统【1 6 1 。 2 3 1 嵌入式l i n u x 操作系统体系构架 嵌入式l i n u x 操作