（控制理论与控制工程专业论文）基于pc104的嵌入式操作系统研究.pdf

哈尔滨t 程大学硕士学位论文 摘要 随着半导体技术的发展，芯片的集成度不断地提高，嵌入式系统可以集 成更多的存储器，更多的外部设备和拥有更为强劲的处理能力。同时嵌入式 系统在日常生活中的应用越来越广泛，这些都使现在的嵌入式系统软件变得 比以往更复杂，这就要求现代嵌入式系统的软件必须建立在一个符合某种条 件的构架之上，而这个构架必须满足以下这些条件：系统的可移植性；系统 的可开发性；系统的外部设备管理能力；应用程序的可移植性；一定的实时 性。因此就出现了嵌入式操作系统，来为上层的开发提供一个较好的平台和 基础。但是由于嵌入式操作系统的多样性和专用性，在系统设计的初期，如 何选择一个合适的嵌入式操作系统，针对不同的嵌入式操作系统又如何来安 排开发流程就成为了主要的问题。 因此首先对嵌入式系统和嵌入式操作系统的基本概念、发展现状和主要 研究方面进行说明，提供后续研究的理论基础；其次，结合集散灯光控制系 统核心控制模块的硬件环境，即x 8 6 架构的p c 1 0 4 主板，分别进行嵌入式 l i n u x 和v x w o r k s 系统的研究和移植，分别提供一种有较强可操作性的移植 方法；再次，在研究的公共硬件平台上，基于具体实验数据，对两种嵌入式 操作系统的性能进行比较，得出两种系统在可移植性、基本运算性能和开发 模式等方面的差别。 最后，基于嵌入式系统性能比较的差别，选择实时性更高、开发流程更 规范的v x w o r k s 系统，来进行集散灯光控制系统核心控制部分的开发，并且 基于v x w o r k s 系统编写了c a n 驱动程序和显控界面程序。经集散灯光控制 系统联调，c a n 驱动程序可实现总线上的数据正确收发，显控界面程序可实 现控制信息的传输和节点灯具状态的实时显示，结果表明v x w o r k s 系统可以 出色地完成集散灯光控制系统的核心功能，也验证了该系统的优越性能。 关键词。i 嵌入式l i n u x , v x w o r k s ；灯光系统：驱动开发；图形界面 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g y , c h i pi sb e c o m i n gm o r e a n dm o r eh i g h l yi n t e g r a t e d e m b e d d e ds y s t e m sc o u l di n t e g r a t em o r em e m o r i e s a n de x t e r n a ld e v i c e s ，t h e r e b ye n j o y i n gg r e a t e rp r o c e s s i n gc a p a c i t y a tt h es a m e t i m e ，e m b e d d e ds y s t e mi sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ew i d e l ya p p l i e di no u rd a i l y l i f e ，m e a n i n gt h a ts o f t w a r eo fe m b e d d e ds y s t e mi sb e c o m i n ge v e rc o m p l e x s ot h e s o f t w a r es h o u l db eb u i l to nac e r t a i nf r a m e w o r kw h i c hm u s ts a t i s f yt h ef o l l o w i n g r e q u i r e m e n t s ，p o r t a b i l i t y , e x p l o i t a b i l i t y , m a n a g e m e n tc a p a b i l i t i e s o fe x t e r n a l d e v i c e s ，p o r t a b i l i t yo fa p p l i c a t i o na n dr e a l - t i m e t h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m i se s t a b l i s h e dt op r o v i d eab e t t e rp l a t f o r mf o ru p p e rl a y e rd e v e l o p m e n t h o w e v e r , d u et ot h ed i v e r s i t ya n ds p e c i f i c i t yo fe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，a ti n i t i a l d e s i g n i n gp e r i o d ，t h e r ep o s es u c hp r o b l e m sa sh o w t oc h o o s eap r o p e re m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e ma n dh o wt oa r r a n g et h ed e v e l o p m e n ts c h e m ef o rd i f f e r e n t e m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e m s i nt h i s p a p e r , b a s i cc o n c e p t s ，d e v e l o p m e n ts t a t u sq u oa n dm a i nr e s e a r c h a s p e c t s o fe m b e d d e d s y s t e m sa n de m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ma r ef i r s t l y i n t r o d u c e dt op r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o rf o l l o w - u ps t u d y s e c o n d l y , c o m b i n i n g t h eh a r d w a r ee n v i r o n m e n to ft h ed i s t r i b u t e dl i g h t i n gc o n t r o ls y s t e m sc o r ec o n t r o l m o d u l e 一- p c 10 4 b o a r d s o fx 8 6a r c h i t e c t u r e ，e m b e d d e dl i n u xa n dv x w o r k s s y s t e m9 r es t u d i e da n dt r a n s p l a n t e d ，e a c hp r o v i d i n gat r a n s p l a n t i n gm e t h o d 谢m s t r o n go p e r a b i l i t yt h i r d l y , o nt h ep u b l i ch a r d w a r ep l a t f o r m ，ac o m p a r i s o no ft h e t w oe m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e m s p e r f o r m a n c ei s d r a w n u s i n gs p e c i f i c e x p e r i m e n t a ld a t at o o b t a i nt h ed i f f e r e n c e si n p o r t a b i l i t y , b a s i cc o m p u t i n g p e r f o r m a n c ea n dd e v e l o p m e n tm o d e f i n a l l y , c o n s i d e r i n gt h ec o m p a r i s o nr e s u l t ，v x w o r k si sc h o s e nt od e v e l o pt h e c o r ec o n t r o lp a r to ft h ed i s t r i b u t e dl i g h t i n gc o n t r o ls y s t e m a n dt h e nc a nd r i v e r a n di n t e r f a c ec o n t r o l p r o g r a ma r ec o m p i l e di nv x w o r k ss y s t e m t h r o u g h d e b u g g i n go nt h ed i s t r i b u t e dl i g h t i n gc o n t r o ls y s t e m ，c a nd r i v e rc o u l dr e a l i z e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 | ；tm i 宣葺；宣i i i 宣i 暑昌葺车i i 罱暑j 薯 c o r r e c tt r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n go nb u s ，a n dd i s p l a ya n dc o n t r o li n t e r f a c e p r o g r a mc o u l dr e a l i z e t h et r a n s m i s s i o no fc o n t r o li n f o r m a t i o na n dr e a l t i m e d i s p l a yo fn o d el i g h t s s t a t e n l er e s u l t ss h o wt h a tt h ev x w o r k ss y s t e mc o u l d f u l f i l lt h ec o r ef u n c t i o n so fd i s t r i b u t e dl i g h t i n gc o n t r o l s y s t e m ，v e r i f y i n gt h e s y s t e r f f sa d v a n t a g e s k e yw o r d s ：e m b e d d e dl i n u x ；v x w o r k s ；l i g h t i n gs y s t e m ；d r i v e rd e v e l o p m e n t ； g r a p h i c a li n t e r f a c e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人廓担。 作者( 签字) ：0 也 日期：7 叩趵年月日 | 。 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 母在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 1，、 。 作者( 签字) ：妙爻导师( 签字) ：层彳多彳军 日期：阳卵年弓月弓日纠年弓月弓日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 近年来，随着半导体技术的进步，嵌入式处理器的价格不断下降，速度 越来越快，同时嵌入式处理器所采用的技术也越来越复杂1 1 j 。原来的嵌入式处 理器大多是4 位和8 位的，现在越来越多的1 6 位和3 2 位的嵌入式处理器进 入到设计人员的视野中。同时随着f l a s h 和r a m 技术的提高和价格的降低， 嵌入式系统所集成的存储器容量也大幅提高。处理器性能和存储器容量的提 高，客观上允许嵌入式系统拥有更强大更复杂的软件代码。 另一方面，随着嵌入式系统的多媒体化和网络化，嵌入式系统从原来的 只是完成一些诸如遥控等简单的控制功能，发展到可以完成视频播放、游戏 控制和网络通信等复杂智能的多媒体功能。嵌入式系统的软件从主观上变得 非常复杂和庞大，一个嵌入式系统的开发人员己经不再是一两个人，而必须 由一个团队来完成一个嵌入式系统的软件开发。同时越来越多的传统通用计 算机系统的开发人员加入到了嵌入式的开发团队中来，越来越多的通用计算 机系统的开发方法被应用到嵌入式系统的软件开发中。 以上这几点都使得在嵌入式系统中使用嵌入式操作系统成为了一种趋势 和必要。但是，在使用嵌入式操作系统进行开发时，首先遇到一个问题：应 该选用什么样的嵌入式操作系统。嵌入式操作系统是运行于其上的应用程序 的基础。在设计的初期，选择正确的嵌入式操作系统，可以避免由于操作系 统性能的问题造成在设计的中后期更换操作系统带来的大量的时间和成本的 浪费。另一个问题就是，当开发人员选定一种嵌入式操作系统之后，怎样结 合具体的系统要求来安排开发流程。 本课题就是在这样的背景下产生的，主要工作在于以典型的几种嵌入式 操作系统为例，结合具体硬件环境分别构建嵌入式系统开发环境；对于开发 人员普遍关注的几点系统性能指标进行比较研究，从系统性能比较研究的结 论出发，给出针对不同系统应用选用不同嵌入式操作系统的方法；以嵌入式 哈尔滨工程大学硕十学位论文 i r o l l 集散灯光控制系统为实例，选择出性能更优的嵌入式操作系统进行开发，从 底层驱动开发到顶层应用设计，对基于嵌入式操作系统的开发方法进行了深 入地研究，为其他嵌入式系统开发提供有力参考。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 嵌入式系统概述及其发展现状 嵌入式系统被描述为：以嵌入式计算机为技术核心，面向用户、面向产 品、面向应用，软硬件可裁剪的，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功 耗等综合性能有严格要求的专用计算机系统。 一般而言，嵌入式系统的体系结构可分为四个部分：嵌入式处理器、嵌 入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件。嵌入式系统总是面向特 定应用的，因此不可能脱离其应用特性开发出一个像p c 一样通用的嵌入式系 统。在嵌入式系统中，具体的应用将决定硬件和软件的需求，量体裁衣，去 除冗余，尽量以最小的系统、最低的成本去实现软硬件设计。嵌入式系统的 软件分为操作系统和应用软件两部分。应用软件控制着嵌入式系统的运作和 行为，而操作系统则通过应用编程接1 ：3 为应用程序提供必要的底层支持b 】。 嵌入式系统的出现，至今已经有3 0 多年的历史，嵌入式技术也经历了几 个发展阶段。进入9 0 年代以后，以计算机和软件为核心的数字化技术取得了 迅猛发展，不仅广泛渗透到社会经济、军事、交通、通信等相关行业，而且 深入到家电、娱乐、艺术、社会文化等各个领域，掀起了一场数字化革命。 多媒体技术和i n t e m e t 的应用迅速普及，消费电子、计算机、通信一体化趋势 日趋明显，嵌入式技术再度成为一个研究热点【4 1 。纵观嵌入式技术的发展，大 致经历了以下四个阶段： 第一阶段是以单片机为核心的可编程控制器形式的系统，同时具有与检 测、伺服、指示设备相配合的功能。这种系统大部分应用于一些专业性极强 的工业控制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进 行直接控制，运行结束后清除内存。这一阶段系统的主要特点是：系统结构 和功能都相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接1 ：3 。由 2 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 i ；暑薯暑眚昌宣昌宣| 薯胄1 1 1 一 - i 置i 于这种嵌入式系统使用简便，价格低廉，以前在国内工业领域应用较为普遍， 但是已经远远不能适应高效的、需要大容量存储介质的现代化工业控制和新 兴的信息家电等领域的需求。 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础，以简单操作系统为核心的嵌入式系统。 这一阶段系统的主要特点是：系统开销小，效率高：操作系统具有一定的兼 容性和扩展性；c p u 种类繁多，通用性比较弱；应用软件较专业，用户界面 不够友好；操作系统主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。这一阶段的主要特 点是：嵌入式操作系统能运行于各种不同的微处理器上，兼容性好；操作系 统内核精简，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、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有大 量的应用程序接口( a p d ，开发应用程序简单；嵌入式应用软件丰富。 第四阶段是以基于i n t e m e t 为标志的嵌入式系统。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 m e t 之外，但随着i n t e m e t 的发 展以及i n t e m e t 技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备 与i n t e m e t 的结合将代表着嵌入式设备的真正未来。 1 2 2 嵌入式操作系统的发展 嵌入式操作系统( e o s ) 的出现大大简化了应用程序的设计，并可以有效的 保障软件质量和缩短开发周期。e o s 负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的 分配及调度，控制协调并发活动：体现其所在系统的特征，能够通过装卸某 些模块来达到系统所要求的功能。 目前，已推出一些应用比较成功的e o s 产品系列。随着i n t e m e t 技术的 发展、信息家电的普及应用及e o s 的微型化和专业化，e o s 开始从单一的弱 功能向高专业化的强功能方向发展。嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬 件的相关依赖性、软件固化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。 e o s 是相对于一般操作系统而言的，它除具备了一般操作系统最基本的功能， 如任务调度、同步机制、中断处理、文件处理等外，还有以下特点： ( 1 ) 可装卸性。开放的、可伸缩的体系结构。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i ii i ( 2 ) 强实时性。e o s 实时性一般较强，可用于各种设备控制当中。 ( 3 ) 强稳定性，弱交互性。嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的 干预，这就要负责系统管理的e o s 具有较强的稳定性。嵌入式操作系统的用 户接口一般不提供操作命令，它通过系统的调用命令向用户程序提供服务。 ( 4 ) 固化代码。在嵌入式系统中，嵌入式操作系统和应用软件被固化在嵌 入式系统计算机的r o m 中。辅助存储器在嵌入式系统中很少使用，因此， 嵌入式操作系统的文件管理功能能够很容易地拆卸，而用各种内存文件系统。 ( 5 ) 更好的硬件适应性，即良好的移植性。 1 2 3 典型的嵌入式操作系统 i 对于开发人员来说，在嵌入式系统设计之前要重点考虑嵌入式操作系统 的选择问题。下面的表1 1 是l i n u x d e v i c e s c o m 在2 0 0 6 年和2 0 0 7 年对嵌入 式系统工程师进行的“关于用户所使用的嵌入式操作系统”问卷调查的结果。 表1 1 嵌入式操作系统的市场份额 系统2 0 0 6 年2 0 0 7 矩 l i n u x 及变种 3 0 2 3 3 7 v x w o r k s1 0 3 1 0 6 d o s8 7 5 9 q n x 5 2 7 l i e l i n u x2 7 3 8 m sm n d o w s 9 8 9 3 从市场份额调查的结果看，在市场上，占主导地位的嵌入式操作系统依 次为嵌入式l i n u x 、v x w o r k s 和m sw i n d o w s 。嵌入式l i n u x 系统是属于用户 可定制的系统，而v x w o r k s 系统是商业化的发行版嵌入式操作系统，两者之 间的诸多特性值得比较研究。 嵌入式l i n u x 是以l i n u x 为基础的嵌入式作业系统，它被广泛应用在移 动电话、个人数字助理( p d a ) 、媒体播放器、消费性电子产品以及航空航天等 领域中k 1 。 v x w o r k s 是美国w i n dr i v e rs y s t e m 公司推出的一个实时操作系统。 4 哈尔滨工程大学硕士学何论文 v x w r o k s 早期运行在v r t x 、p s o s 及自身运行较慢的w i n d 内核等实时内 核之上，从5 0 版本发行起，不再支持别的内核，只运行自己的w i n d 内核。 系统的基本设计思想是要充分利用v x w o r k s 和u n i x w m d o w s 的优点，使之 与嵌入式软件相互补充达到最优。 表1 2 开发人员对嵌入式系统各方面的关注度 关注点2 0 0 6 年2 0 0 7 年 成本和自由度 1 2 5 1 6 1 基本性能 1 0 2 1 1 0 可移植性 5 7 6 5 组建完整度 6 0 6 7 开发工具 8 3 8 5 设备驱动 9 8 9 5 实时性 8 1 8 2 系统存储开销 9 4 7 1 技术支持 6 5 4 5 1 2 4 嵌入式操作系统的主要研究方面 表1 2 是l i n u x d e v i c e s c o r n 在2 0 0 6 年和2 0 0 7 年对嵌入式设计人员进行 的关于“在选择嵌入式操作系统时哪些方面对用户决定有影响 问卷调查的 结果。从调查的结果看，嵌入式设计人员在选择嵌入式系统时，主要对以下 几方面感兴趣：成本和自由度，开发工具，可用性和可移植性，设备驱动， 实时性，系统的存储器开销，技术支持和基本性能等。 1 3 本文研究的主要内容 由于现在市场上己经有1 0 0 种以上不同的嵌入式操作系统，它们有各自 不同的特点和应用，因此希望从中选择几个典型的操作系统，通过比较它们 不同方面的性能，来了解哪些因素决定了嵌入式操作系统的性能，哪些因素 会决定开发人员选择嵌入式操作系统的原则；并且选择出较优秀的嵌入式操 作系统，作为嵌入式系统的控制核心。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 通过研究，发现市场主流的嵌入式操作系统，运行的平台是以x 8 6 架构 为代表的有m m u 处理器核心且集成丰富的外围设备的硬件平台，而适合这 样硬件环境的嵌入式操作系统典型的有嵌入式l i n u x 和v x w o r k s 等。 有了以上的基础，本论文中选择两种典型的嵌入式操作系统，嵌入式 l i n u x 和v x w o r k s 来进行对比研究，并且选择出性能较优秀的v x w o r k s 系统， 结合集散灯光控制系统控制核心的公共硬件平台- x 8 6 架构的p c 1 0 4 主 板，进行系统开发。 本论文就是针对如何在系统开发之前选择出一种优秀的嵌入式操作系统 作为控制核心，和基于优秀的嵌入式操作系统来进行集散灯光控制系统的开 发而撰写的。其主要研究内容和具体章节安排如下： 第一章简述本课题的研究背景，嵌入式系统和嵌入式操作系统的发展现 状，以及本课题的主要研究内容。 第二章重点讨论集散灯光控制系统的功能和总体结构，说明了p c 1 0 4 作 为系统控制核心在系统中的作用，并且简介p c 1 0 4 主板的主要性能指标。 第三章主要研究嵌入式l i n u x 系统的特点和基本结构，并详细设计了在 p c 1 0 4 主板中移植该系统的一种可行方法。 第四章主要研究v x w o r k s 系统的特点和基本结构，并设计出一种在 p c 1 0 4 主板中移植该系统的简便且可行的方法。 第五章首先通过比较嵌入式l i m t x 和v x w o r k s 系统的基本性能，得出 v x w o r k s 系统性能更优的结论：之后，基于v x w o r k s 系统，编写集散灯光控 制系统c a n 接口驱动程序：最后，在嵌入式v x w o r k s 系统中，基于优秀的 跨平台的嵌入式g u i 软件t i l c o n ，对集散灯光控制系统显控界面进行设计。 经系统联调，证明该设计可完成集散灯光控制系统的核心功能。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章嵌入式集散灯光控制系统硬件介绍 2 1 集散灯光控制系统功能与总体结构 2 1 1 集散灯光控制系统功能 根据项目的实际需要，集散灯光控制系统控制部分可由遥控盒、控制台 两部分组成，各自对应控制的节点灯具如下。 ( 1 ) 遥控盒控制的灯具： a 类灯具( 2 3 个节点) 、b 类灯具( 4 8 个节点) 、c 类灯具( 1 7 个节点) 、d 类 灯具( 3 4 个节点) 、e 类灯具( 1 6 个节点) 、f 类灯具( 3 7 个节点) 、g 类灯具( 1 0 个节点) 、h 类灯具( 2 个节点) 、i 类灯具( 4 个节点) 、j 类灯具( 9 个节点) 、k 类灯具( 2 个节点) ( 2 ) 控制台控制的灯具： a 类灯具( 2 3 个节点) 、b 类灯具( 4 8 个节点) 、c 类灯具( 1 7 个节点) 、d 类 灯具( 3 4 个节点) 、e 类灯具( 1 6 个节点) 、f 类灯具( 3 7 个节点) 、g 类灯具( 1 0 个节点) 、h 类灯具( 2 个节点) 、i 类灯具( 4 个节点) 对灯具的控制优先级设定如下： ( 1 ) 遥控盒优先级 控制台优先级； ( 2 ) 对灯具的控制权由遥控盒进行切换。 系统主要应用于对各类节点灯具的控制以及监测，其所实现的功能如下： ( 1 ) 遥控盒对节点灯具的开关控制、调光控制功能； ( 2 ) 遥控盒对节点灯具的短路、故障、主备c a n 状态显示功能； ( 3 ) 控制台对节点灯具的开关控制、调光控制功能； ( 4 ) 控制台对节点灯具的短路、故障、主备c a n 状态显示功能； ( 5 ) 控制台对节点灯具的应急控制功能； ( 6 ) 控制台检测各节点灯具c a n 总线工作状态功能； ( 7 ) 复示盒对j 类灯具、k 类灯具的工作状态信息的显示功能； ( 8 ) 节点灯具短路、故障检测功能； 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 9 ) 节点灯具i d 号在线调整功能； ( 1 0 ) 节点灯具的总线状态检测功能； ( 1 1 ) 遥控盒与控制台间无扰动控制权切换； ( 1 2 ) 系统具备主备c a n 总线冗余切换的功能。 系统节点数量多( 2 0 2 个节点) ，通讯距离长( 2 0 0 0 米) ，需要集中监视、管 理和操作，要有较高的实时性，并需要具备节点数量扩展功能，是一个典型 的集散控制系统。这些系统特性就要求有实时、稳定且高效的控制核心来完 成系统的整体调度和管理。 2 1 2 集散灯光控制系统总体结构 根据系统的功能要求，得到系统的组成框图如图2 1 所示。 图2 1 系统框图 由图2 1 可知，整个系统由遥控盒、控制台、c a n 总线网络、各类节点 灯具等组成。控制台中包括显控盒、p c 1 0 4 模块和驱动板，它们同属第一级 c a n 网络。由于显控盒、p c 1 0 4 模块和各个驱动板的距离很近，因此第一级 8 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 n i i 。m ；暑 c a n 总线网络采用无冗余的总线形拓扑结构，通信速率可以设置得相对较 高。每个驱动板和其所控制的若干个节点组成第二级c a n 网络，由于节点灯 具分布在舰船的不同位置，导致驱动板和节点灯具的最远距离很大，为了提 高系统的可靠性，第二级c a n 总线网络均采用有冗余的环形拓扑结构，通信 速率设置得相对较低。 遥控盒与控制台都可以对灯具进行控制，但遥控盒控制优先级高于控制 台优先级。当遥控盒切换按钮按下时，遥控盒通过c a n 总线把控制命令传送 至控制台的显控盒，从而可控制所有灯具，此时控制台显控盒的显控操作面 板仅可显示灯具的工作状态信息( 显控操作面板控制命令无效) 。当遥控盒切换 按钮未按下时，遥控盒仅可控制j 类灯和k 类灯并显示所有灯具的工作状态， 而此时控制台可控制除j 类灯和k 类灯之外的所有灯具。 2 2 基于p c 10 4 的嵌入式集散灯光控制系统工作原理 从以上分析可知，p c 1 0 4 模块是本系统的嵌入式控制核心，它担负着所 有信息的处理与显示的任务，是整个系统通信的调度中心；遥控盒与显控盒 的作用相同，即控制命令的输入与节点灯具工作状态的声光指示，只是遥控 盒的控制优先级要高于显控盒；驱动板是第一、二级c a n 总线网络沟通的桥 梁，完成第一级控制命令的转发，收集第二级中节点灯具的工作状态反馈给 第一级供显示之用；节点灯具可与驱动板通信，属于智能节点，其本身可以 完成工作状态的检测。 基于p c 1 0 4 的嵌入式集散灯光控制系统的工作原理是：p c 1 0 4 向显控 盒发送节点灯具工作状态的处理结果，显控盒接收到信息后，据此进行声光 指示并返回当前的控制命令；p c 1 0 4 接收到控制命令后进行处理，将变化的 控制命令发送给相应的驱动板；接下来，p c 1 0 4 轮询各个驱动板，令其发送 所控节点的工作状态，p c 1 0 4 收到驱动板返回的信息后进行各种处理，完成 显示，并进入下一个工作轮回。 2 3 嵌入式集散灯光控制系统硬件性能指标介绍 在嵌入式集散灯光控制系统中，硬件指标主要涉及控制核心p c 1 0 4 和其 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 他外围电路。 首先，控制核心p c 1 0 4 选择的是s e n b o 的l x 3 1 6 0 型号。l x 3 1 6 0 为嵌 入式控制提供了高性能的工业级c p u 模块，模块上除设计有高速3 2 位的 c p u 、高容量内存、串口、并口、硬盘接口、以太网接口、键盘、鼠标、u s b 接口等标准功能外，还提供平板显示器支持和看门狗等嵌入式控制功能，特 别适合低功耗、高性能的嵌入式应用的要求。该型号p c 1 0 4 主要性能参数如 下： 低功耗a m dg e o d el x 8 0 0c p u 工作主频：5 0 0 m h z 表贴2 5 6 md d r 内存 支持c f 卡启动 工作温度：- 4 5 8 5 另外，嵌入式集散灯光控制系统还包含其他一些外围模块和电路： p c 1 0 4 c a n 适配卡：与驱动板c a n 通信，支持2 路c a n 总线 p c 1 0 4 电源板卡：电压转换，1 2 v ，5 v 节点灯具驱动板卡：单片机实现，控制节点灯具，返回灯具状态 其他：显控盒，遥控盒，智能节点灯具板等 2 4 本章小结 本章中，首先从集散灯光控制系统的系统功能入手，详细地介绍了系统 的总体结构和工作原理，并深入地分析了系统的嵌入式控制核心一p c 1 0 4 主板，在系统中的核心作用和工作流程，最后介绍了本课题中所采用的 l x - 3 1 6 0 型号p c 1 0 4 主板的主要性能参数。本章内容是后续嵌入式操作系统 研究和系统开发的基础。 1 0 哈尔滨工程大学硕十学位论文 第3 章基于p c 10 4 的嵌入式l i n u x 系统设计 由于l i n u x 操作系统的开放源代码的特性，用户可以根据自己的需求定 制操作系统，并且由于l i n u x 操作系统协作式的开发模式，新的特性可以很 快地引入到系统中来，同时又能保证较高的安全性b - 。基于以上的这些原因， l i n u x 操作系统正不断地占领电子应用开发领域。一个可以根据用户需求定制 的操作系统，正是嵌入式操作系统所需要的特性。同时由于现在的嵌入式系 统的功能不断增强，产品研发成型时间也越来越短，这就要求一个操作系统 必须能为嵌入式系统的开发提供大量已经被验证的能在该操作系统上运行的 应用程序，以便开发人员能够迅速地将这些应用程序整合起来，集成到系统 中去。而嵌入式l i n u x 系统正是具有以上这些特性。 3 1 嵌入式l i n u x 操作系统的特点 近年来，l i n u x 在嵌入式领域中发展迅速。l i n u x 指的是开放源代码的， 包含内核、系统工具、完整的开发环境和应用的类u n i x 操作系统。目前，正 在开发的嵌入式系统中，3 0 的项目选择l i n u x 作为嵌入式操作系统【t 纠。嵌入 式l i n u x 具有l i n u x 系统的所有优点，归纳起来体现在以下几个方面： ( 1 ) 支持多任务、多用户、多处理器 嵌入式l i n u x 支持多进程同时执行，进程间完全独立，并且允许多个用 户同时在系统上工作。从2 0 内核起，嵌入式l i n u x 就可以在多处理器体系结 构上运行，即操作系统可以将任务分布到多个处理器上。 ( 2 ) 开放的源代码，软件资源丰富 对于嵌入式系统的开发者而言，能否获得操作系统的源代码是至关重要 的。嵌入式l i n u x 由l i n u x 派生而来，是自由开源的操作系统，开放的源代 码使得用户获得了巨大的自由度。l i n u x 相关软件资源非常丰富，也正是这种 原因促使l i n u x 在较短时间内就成了一个功能非常强大的操作系统。 ( 3 ) 强大的内核功能 哈尔滨工程大学硕十学位论文 l i n u x 的内核非常稳定。它的高效与稳定性已经在各个领域尤其是在网络 服务器领域得到了事实的验证，而且它的内核小巧，易于裁剪。 ( 4 ) 支持多种体系结构 l i n u x 支持的体系结构包括x 8 6 ，a r m ，s p a r c ，m i p s 等多种体系结构。 ( 5 ) 完善的网络、图形和文件管理机制 l i n u x 自产生之口起就与网络密不可分；l i n u x 支持多种文件系统如 e x t 2 、e x t 3 ，也包括w m d o w s 下常用的f a t l 6 ，f a t 3 2 等文件系统。 ( 6 ) 易裁剪 嵌入式l i n u x 秉承了u n i x 系统的优秀设计思想，其内核与用户界面是完 全独立的。它非常灵活，各部分的可定制性都很强，适合于多种开发环境。 ( 7 ) 丰富的开发工具 l i n u x 拥有整套工具集，能使开发者更加容易建立嵌入式系统的开发环境 和交叉运行环境。 3 2 嵌入式l i n u x 操作系统的基本结构 嵌入式l i n u x 系统的一般架构可以分为三层：硬件层，内核层和应用程 序层【l 列。嵌入式l i n u x 操作系统的架构如图3 1 所示。 ：二二亟二二二 图3 1 嵌入式l i n u x 系统架构 首先，对于最底层的硬件层来说，开发目标板的硬件必须符合一些要求 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 鼻葺昌；眚暑宣宣i i 葺i i 暑宣i 暑；暑i 宣置嗣暑i i l lii l l 宣；宣暑毒置置暑暑置宣i i 暑暑暑置葺皇薯暑暑葺宣置昌； 才能执行嵌入式l i n u x 系统。第一，需要至少3 2 位的c p u ，而且c p u 必须 配备m m u ，即存储器管理单元。第二，r a m 的容量必须满足系统的需要。 第三，若开发和现场调试工作都在目标板上进行，则目标板需具备基本的i o 功能。最后，内核必须能够通过某些形式的永久性或网络存储装置来加载或 存取根文件系统。 在硬件层之上就是内核层。内核是操作系统的中心组件。使用内核的目 的是希望以一致的方式管理硬件，同时为用户软件提供高层抽象层。与其他 的类u n i x 内核相同，嵌入式l i n u x 能够驱动设备，管理i o 的存取，调度进 程，共享存储空间，管理信号的配送等工作。如果应用程序使用的是内核提 供的a p i ，则应用程序可做少量修改，移植到此内核支持的任何架构上，体 现出嵌入式l i n u x 的优势所在。 为了给应用程序提供它们需要的功能，内核被大致分为两个部分：低层 接口层和高层抽象层。低层接口层专属于硬件配置，内核运行在低层接口层 之上，并以与硬件无关的a p i ，即高层抽象层提供对硬件资源的直接控制。 也就是说，对寄存器或内存分页的处理，在x 8 6 架构和a r m 架构上会以不 同的方式完成，但是却可以使用通用的a p i 来存取内核里高层的组件。通常， 低层部分处理c p u 特有的操作以及设备的基本接口。 内核层之上是应用程序层，由操作系统执行的应用程序和工具程序组成。 这里需要明确一点，内核层提供的服务通常不适合让应用程序直接使用。应 用程序主要是靠链接库提供的普通a p i 以及可代替应用程序跟内核交互来获 取服务的抽象服务。多数的嵌入式l i n u x 应用程序使用的主要链接库是g n u c 链接库。链接库并不是应用程序的二进制文件的一部分，它们会在应用程 序启动期间被加载到应用程序的内存空间。这实现了多个应用程序共享同一 链接库实体，而不是各自使用属于自己的副本，这就是动态链接的好处，否 则使用静态链接。 3 3 嵌入式l i n u x 操作系统的构建 在配置有b i o s 、内存、网卡、v g a 显示卡、串口、并口、c f 卡、i d e 接口、键盘鼠标接口等的x 8 6 架构的p c 1 0 4 目标机上，构建一个能从c f 卡 哈尔滨t 程大学硕士学何论文 宣宣毒置；i mi i ；i 宣宣置每置i 暑i 启动，并能运行系统进入s h e l l 的嵌入式l i n u x 系统，需要完成内核和文件系 统的裁剪以及整体系统的移植等步骤【1 6 j 。 在系统构建之前，要做一些准备工作。首先将移动存储介质c f 连接到一 台已经安装有l i n u x 发行版的p c 机上，通过u s b 设备加载，可对其进行读 写操作。然后用f d i s k 命令查看磁盘分区，并且将c f 卡格式化为e x t 2 分区。 最后用m o u n t 命令将c f 卡挂载至l j m n t s y s 文件目录下，对以m n v s y s 文件的 读写就等同于对c f 卡分区的读写，以后的所有操作可以直接在m n t s y s 目录 下进行。 f d i s k 1查看c f 卡挂载盘符为d e v l s d c ( 2 t 3 ) f d i s k d e v s d c 分区管理 m k f s e x t 2 d e v s d c l以e x t 2 格式化c f 卡分区 f d i s k 1查看格式化后c f 卡文件格式 m o u n t d e v s d c l m n t s y s将c f 卡挂载n r n n t s y s 目录下 d f t h查看挂载成功 安装过程中需要表3 1 所列出的软件包，应尽可能找到相同版本号的软 件包，以避免构建系统过程中的版本兼容性问题。另外需要明确，由于本设 计中主机与目标机同构，即都是x 8 6 架构，所以主机环境下的部分系统资源 可以直接为目标机p c 1 0 4 所用。 表3 1嵌入式l i n u x 系统构建所需软件包 软件包功能描述 b u s y b o x 一1 1 0 2集成命令工具软件 g r u b 0 9 7l i n u x 内核引导程序 l i n u x 2 6 19l i n u x 内核源代码 m a k e d e v创建设备文件的脚本 3 3 1 嵌入式l i n u x 系统启动过程分析 在正式构建嵌入式l i n u x 系统之前，先要分析嵌入式l i n u x 系统启动过 程。嵌入式l i n u x 系统启动过程的分析，对系统整体的构建有指导性的作用。 嵌入式l i n u x 操作系统的启动过程，实际上就是控制权移交的过程【。系统 1 4 哈尔滨工程大学硕士学何论文 i i immmm 启动包括四个主要阶段：b i o s 启动引导阶段，g r u b 启动引导阶段，内核启 动阶段，h i t 初始化阶段，如图3 2 所示。 图3 2 嵌入式l i n u x 系统启动总体流程图 第l 阶段，系统上电开机后，主板b i o s 运行p o s t ( p o w e r o l ls e l f t e s t ) 代 码，检测系统外围关键设备( 如：c p u 、内存、显卡、i o 、键盘鼠标等) 。硬 件配置信息及一些用户配置参数存储在主板的c m o s 上，实际就是主板上一 块可读写的r a m 芯片，由主板上的电池供电，系统掉电后，信息不会丢失。 执行p o s t 代码对系统外围关键设备检测通过后，系统启动自举程序，根据 b i o s 中设置的启动顺序搜索启动驱动器( 比如的硬盘、光驱、网络服务器等) ， 选择合适的启动器( 本系统设计中采用c f 卡作为存储介质，启动方式选择 u s b h d d ) ，b i o s 会读取c f 卡的第一个扇区( m b r ，5 1 2 字节)