（电力电子与电力传动专业论文）基于arm的嵌入式linux系统下的mp3设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 a b s t r a c t a st h ec o n s u m i n ge l e c t r o n i ci n d u s t r yd e v e l o p s ，ag r e a tm a n ys o r t s o fe m b e d d e de l e c t r o n i cp r o d u c ta r eu s e db yag o o dm a n yp e o p l e t h ef o r m o fc o m p u t e ri sn o tr e s t r i c t e di nt h ep c ，a l lk i n d so fe m b e d d e ds y s t e m h a v ea p p e a r e di ns om a n yv o c a t i o na n da p p l i c a t i o n ，a n dt h ec o m b i n a t i o n p r o d u c to fa r mw i t hl i n u xi st h em o s tp o p u l a r t h ea r mc o r ei sp a i d m u c ha t t e n t i o nb e c a u s eo fi t sl o wp o w e rc o n s u m i n g ，h i g hp e r f o r m a n c e ， s m a l l s i z ea n dl o wc o s t ，s oi t i sc h o s e nf o rt h em a i nh a r d w a r ec o r e i nd e v e l o p i n gb ym a n yc o m p a n i e s t h eli n u xb e c o m e st h em a i no sf o rt h e e m b e d d e dt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tb e c a u s eo fi t so p e ns o u r c ec o d e ，t h e k e r n e lw h i c h c o u l db e c o n f i g u r e d ，t h e c o n v i n i e n t d e v e l o p i n g e n v i r o n m e n ta n dt h ec o m p a ti b i1i t yf o rd i f f e r e n th a r d w a r ep l a t f o r m t h e m p 3d e s i g nf o rt h i sp a p e ri sb a s e do nt h ea r mh a r d w a r ea n dl i n u x s o f t w a r e ac o m p l e t ee m b e d d e ds y s t e mi sb u i l ti nt h i sp a p e r ，w h i c hc h o s e s t h ez q 2 4 1 0a st h eh a r d w a r ep l a t f o r ma n dt h e1i n u xa ss o f t w a r ep l a t f o r m ， a n dt h et a s to fm p 3d e s i g ni sb a s e do nt h i se n v i r o n m e n t t h ep a p e rf i n i s ht h et a s k sa sf o l l o w s ：s u m a r i z i n gt h ed e v e l o p i n g m e t h o do fe m b e d d e ds y s t e m ，i n t r o d u c i n gt h ef e a t u r eo fa r ma n dli n u x ， d i s c u s s i n gt h ed e v e l o p i n gm o d ea n dh o wt ob u i l dt h ec r o s sd e v e l o p i n g e n v i r o n m e n t ，i n c l u d i n gt h ez q 2 4 1 0a n dt h er e s o u r c eo nb o a r d i nt h e d e v e l o p i n go fs y s t e ms o f t w a r e ，t h et a s k a sf o ll o w sisc o m p l e t e d ： i n t r o d u i n gt h et r a n s p l a n ti n g o fu b o o t ，t h e c o n f i g u r a ti o n a n d t r a n s p l a n ti n go fli n u x ，m a k i n gt h er o o tf il es y s t e m ，c o m p ili n gt h e k e r n e ld r i v e r i nt h ed e v e l o p i n go fa p p l i c a t i o n ，t h et a s ko fi n t r o d u i n g m p 3t h e o r y ，t r a n s p l a n t i n gt h em a d p l a ya n ds u c c e s s f u ll yc o n t r o lli n gt h e c o m p r e h e n s i vm a d p l a ya r ec o m p l e t e d k e y w o r d s ：e m b e d d e dt e c h n o l o g y ：a r m ；li n u x ：d r i v e r ：m p 3 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并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。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 ，保密 2 不保 年解密后适用本授权书； 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“) 鞴侉嚼嚣第警 西南交通大学学位论文创新l 生声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。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研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 采用z q 2 4 1 0 开发板作为主要的硬件平台，在其上实现了嵌入式l i n u x 系 统的搭建和内核驱动程序的开发，并进行了测试。将l i n u x 下广泛流行的 m a d p l a y 播放程序对z q 2 4 1 0 进行了移植，并且和按键、l e d 驱动程序结合， 实现了驱动程序和播放程序的互动，完成了对播放器的综合设计。 枸丑氟 p 口叼3 j 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 选题背景 第一章绪论弟一早珀下匕 随着现代社会逐渐进入信息时代，信息技术正以前所未有的速度应用到 现代社会生活的方方面面，改变着人们的衣食住行，对人类社会政治、经济、 军事和文化等各方面都产生了深远的影响。信息技术的发达程度已经成为衡 量一个国家实力的重要标尺，这也是当今社会各个国家都在不遗余力的支持 和发展的一个产业。 进入2 0 世纪8 0 年代，随着超大规模集成电路技术的发展，处理器的性 能不断增长，在摩尔定律的指引下，集成电路的规模每隔1 8 个月增加一倍， 性能也提升一倍，并且随着p c 的价钱逐渐降低，以前高不可攀的昂贵的p c 也飞入了寻常百姓家。在p c 极大推动信息的技术发展的同时，消费类电子产 品也因其新颖、便携的特点受到越来越多人的关注和青睐，其随时随地都能 提供计算能力以及超轻便长续航能力的特点使其能用于以前其控制不到的地 方，成为p c 之后i t 市场的又一增长点，并且极大助力了市场的增长。肝3 作为一种音频格式，将以前c d 格式的容量压缩到十分之一，而音质却相差无 几，为其在网络的传播打下了坚实的基础，随着闪存式仲3 播放器的出现， 其较好的音质，良好的便携性使人们随时随地可以欣赏高品质音乐的要求得 到了满足。 之前的m p 3 播放系统大都基于多芯片设计，随着a r m 器件性能的不断提 升，以前需要两块甚至多块芯片才能处理的数据，现在大都可以通过单块a r m 芯片完成，在降低系统成本的同时，还简化了系统的设计过程。而且，嵌入 式l i n u x 操作系统的出现，使得应用软件的开发也变得相对简单，由于l i n u x 天生的多平台兼容性，使其移植到a r m 平台相对简单，再加上其可裁剪的优 点，裁剪后精简的体积使其能够更好的满足嵌入式系统这种特殊硬件环境的 要求，因此，嵌入式li n u x 成为当前嵌入式开发的主流系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 国内外发展现状 自韩国于1 9 9 8 年生产出世界上第一款m p 3 播放器以来，肝3 已经走过了 十个年头，如今的肝3 播放器的功能外观已不是当年的产品所能比拟，各种 新技术新特性不断融入k p 3 产品中，推动了便携式媒体播放器的发展。 决定一款m p 3 播放器的性能主要是处理器和解码芯片，其中处理器负责 任务的调度以及各种数据的管理，解码芯片负责音频流的处理和解码，这是 硬件解码方式，另外，还可以采用单芯片方案，使用c p u 进行解码，这种方 式对c p u 的性能和负荷都有比较高的要求。市面上比较主流的肝3 芯片方案 有几种，介绍如下：m 1 1 p h ili p ss 从7 7 5 0 s a a 7 7 5l 它的音质表现较好，但仅仅是解码芯片，还需要采用另外一块控制芯片 才能使用，提高了系统的成本。 2 s i g m a t e ls t m p 3 4 1 0 1 3 4 2 这个是世面上比较流行的m p 3 芯片方案，音质中规中矩，集成度高，单 芯片方案，功能也比较全面，各个厂家采用的比较多。 3 t e l e c h i pt c c 7 3 0 t c c 7 3 1 这个是韩国推出的芯片，音质较3 4 1 0 要好，也是单芯片方案，成本控制 较好，有越来越多的厂商开始采用。 国内有众多厂家都推出自己的肝3 方案，大部分都是采用单片机或者简 单的控制芯片，再搭配韩国或着台湾的解码芯片，这些方案的成本低廉，比 较适合中国的国情，但是由于器件的限制，往往功能单一，还原出来的m p 3 音乐效果不佳，缺乏c d 级应有的音质。 国外的厂商大多采用处理器加上昂贵的解码芯片( 如韩国的i r i v e r 使用 s 从7 7 5 0 ) ，高性能的专用解码芯片能为性能和音质带来较大的提升，但由于 定位高端，其高昂的价格使得国内用户不敢问津，因此国外品牌播放器的占 有率一直都在一个比较的低的位置。 嵌入式系统自出现以来蓬勃发展，从最早应用于单一的工业控制，逐步 发展到网络应用，无线通信，消费类电子产品等各个领域，其发展主要经历 了4 个阶段。n 1 第一阶段是以单芯片为核心的可编程逻辑控制器形式的系统。主要用于 一些专业性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 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 编程对系统进行直接的控制，这种系统的主要特点是系统结构和功能相对单 一，处理效率低，存储容量小，几乎没有用户接口，这种系统使用简单，价 格低廉，以前在工业领域应用较为普遍，现在已经远不能适应高效的、需要 大容量的现代工业控制和新兴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操作 系统，其主要特点是c p u 种类繁多，通用性比较若，系统开销小，效率高， 操作系统达到一定的兼容性和扩展性，但应用软件还是比较专业化，用户界 面不够友好。 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统，主要特点是嵌入式 操作系统能运行与不同类型的微处理器上，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，支持多任务， 支持网络应用，具备图形窗口和用户界面，具有应用程序接口a p i ，开发应 用程序较为简单，嵌入式应用软件也较为丰富。 第四阶段是以i n t e r n e t 为标志的嵌入式系统，这也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与i n t e r n e t 之外，但随着i n t e r n e t 的发展与互联网技术与信息家电、工业控制技术结合日益密切，嵌入式设备 与i n t e r n e t 的结合是当前以及未来一段时间内发展的主要方向，并且会掀起 一股嵌入式设备i n t e r n e t 化的浪潮。 当前，嵌入式系统领域最热门的是a r m 和l i n u x 结合的产品，a r m 处理 器经过十多年的发展，从a r m 7 ，a r m 9 进化到现在的a r m i o ，最新的c o r t e x - a 9 也已经问世，其基于a r mv 7 架构，支持分支预测，拥有八级流水线，执行效 率优异，而且支持时下流行的多核心设计，可以方便的扩展成双核、三核甚 至四核的产品，在单核的情况下，6 6 6 m h z 的c o r t e x - a 9 可以达到p e n t i u mi i i l g 的性能，已经可以满足一般的桌面应用了，在6 5 n m 的工艺下，c o r t e x a 9 的功耗只有3 0 0 m w ，是p e n t i u mi g 的几百分之一，较高的性能，极低的功耗， 完美的体现了a r m 低频高效低功耗的设计理念。 1 3 研究意义及主要工作内容 本课题将m p 3 技术与嵌入式l i n u x 技术相结合，选用三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 处理器，实现了m p 3 文件的软解码播放。a r m 9 2 0 处理器及嵌入式l i n u x 系统 的优越性能，有力保证了系统功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 本课题的主要研究内容包括： 1 、了解嵌入式l i n u x 的工作原理，掌握嵌入式l i n u x 的移植方法。 2 、了解主流b o o t l o a d e ru b o o t 的工作原理。 3 、掌握嵌入式l i n u x 字符设备驱动程序开发方法。 4 、掌握嵌入l i n u x 下应用程序的开发、编译、调试、执行技术。 5 、掌握m p 3 播放程序m a d p l a y 的移植与测试。 拟解决的关键问题： 嵌入式l i n u x 的移植裁剪 l e d 驱动程序设计及测试 按键驱动程序设计及测试 m a d p l a ym p 3 播放程序移植及测试 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第二章系统设计综述 当前，人类进入信息爆炸的时代，各类信息极度丰富，数字信息技术和 网络技术的高度发展，只有借助于各种计算机，才能够对各类信息进行处理， 它们已不再局限于以前的p c ，而是包含形态各异、性能干差万别的嵌入式系 统来完成。 2 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、 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。它包括 硬件和软件两部分。在嵌入式系统中，计算机系统一般作为智能终端控制部 件嵌入到整个应用系统中，是整个系统的控制中心，主要用于对系统的信息 处理部件和用户交互界面加以控制。在这种情况下，用户并不知道嵌入式系 统的存在，系统控制软件一般被固化在嵌入式计算机中，嵌入式计算机一般 不需要被用户重新编程，通过特殊的输入、输出设备与系统进行交互。 任何嵌入式系统都包括硬件和软件两个方面。硬件包括处理器微处理 器、存储器及外设器件和i o 端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统 软件( o s ) ( 要求实时和多任务操作) 和应用程序。应用软件控制着嵌入式系 统的运作和行为，而操作系统则为应用程序提供必要的底层支持，它一般是 通过提供应用编程接口( a p i ) 来实现的。 因为嵌入式系统是面向应用、产品和用户的，具体的应用将决定对硬件 和软件的需求，如芯片、存储器、i o 扩展和操作系统、应用程序编制等。 和通用计算机不同，嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率的设计，量体采 用，去除冗余，尽量以最小的系统、最低的成本去实现目标功能。它通常都 具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成 的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力 大大增强，跟网络的结合也越来越紧密。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 2 2 硬件特性 嵌入式系统总是面向特定应用的，与通用p c 的硬件相比，它的硬件系统 具有以下特性： 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断 响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低的 限度。 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构 已模块化，为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设 计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。 可扩展的处理器结构，以便能够迅速地开发出满足各种应用需求的 高性能嵌入式微处理器。 2 2 1a r m 处理器 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可 以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用a r m 技术 知识产权( i p ) 核的微处理器，即我们通常所说的a r m 微处理器，如图2 一l 已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类 产品市场，基于a 跚技术的微处理器应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额a r m 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。1 图2 1a r m 处理器 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点： 1 、体积小、低功耗、低成本、高性能 2 、支持t h u m b a r m 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件 3 、大量使用寄存器，指令执行速度更快 4 、大多数数据操作都在寄存器中完成 5 、寻址方式灵活简单，执行效率高 6 、指令长度固定 a r m 处理器共有3 7 个寄存器，被分为若干个组( b a n l ( ) ，这些寄存器包 括： - 3 1 个通用寄存器，包括程序计数器( p c 指针) ，均为3 2 位的寄存器。 一6 个状态寄存器，用以标识c p u 的工作状态及程序的运行状态。 a r m 处理器有7 种不同的处理器模式，在每一种处理器模式下均有一组 相应的寄存器与之对应。即在任意一种处理器模式下，可访问的寄存器包括 1 5 个通用寄存器( r 0 r 1 4 ) 、一至二个状态寄存器和程序计数器。在所有的 寄存器中，有些是在7 种处理器模式下共用的同一个物理寄存器，而有些寄 存器则是在不同的处理器模式下有不同的物理寄存器。 a r m 微处理器目前包括几个系列，以及其它厂商基于a r m 体系结构的处 理器，除了具有a r m 体系结构的共同特点以外，每一个系列的a r m 微处理器 都有各自的特点和应用领域。 a r m 微处理器目前包括a r m 7 ，a r m 9 ，a r m 9 e ，a r m i o e ，s e c u r c o r e ，x s c a l e ， s t r o n g a r m 等几个系列大部分方案采用的都是a r m 7 和a r m 9 系列，分别介绍 如下。m 1 a r m 7 微处理器系列 a r m 7 系列微处理器是功耗很低的3 2 位r i s c 处理器，适合用于对价位和 功耗比较敏感的消费类应用。a r m 7 微处理器系列具有如下特点： ( 1 ) 具有嵌入式i c e r t 逻辑，调试开发方便。 ( 2 ) 极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品。 ( 3 ) 能够提供0 9 m i p s 姗z 的三级流水线结构。 ( 4 ) 代码密度高并兼容1 6 位的t h u m b 指令集。 ( 5 ) 对操作系统的支持广泛，包括w i n d o w sc e 、l i 眦x 、p a l mo s 等。 ( 6 ) 指令系统与a r m 9 系列、a r m 9 e 系列和a r m i o e 系列兼容，有利于 用户的产品升级换代。 ( 7 ) 主频最高可达1 3 0 m i p s ，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 杂应用。 a r m 7 系列微处理器的主要应用领域为：工业控制、i n t e r n e t 设备、网 络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。a r m 7 系列微处 理器包括如下几种类型的核：a r m 7 t d m i 、a r m 7 t d m i s 、a r m 7 2 0 t 、a r m t e j 。其 中，a r m 7 t m d i 是目前使用最广泛的3 2 位嵌入式r i s c 处理器，属低端a r m 处 理器核。 2 a r m 9 特点 相比于a r m 7 ，a r m 9 系列微处理器在性能和功耗方面表现更佳，具有以下 特点： ( 1 ) 5 级整数流水线，指令执行效率更高； ( 2 ) 提供1 1 m i p s m h z 的哈佛结构； ( 3 ) 支持3 2 位a r m 指令集和16 位t h u m b 指令集； 一( 4 ) 支持3 2 位的高速a m b a 总线接口； ( 5 ) 全性能的m m u ，支持w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等多种主流嵌入 式操作系统； ( 6 ) m p u 支持实时操作系统： ( 7 ) 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。 a r m 9 系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机项盒、 高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。a r m 9 系列微处理器包含a r m 9 2 0 t 、 a r m 9 2 2 t 和a r m 9 4 0 t 三种类型。 2 2 2s 3 c 2 4 10 $ 3 c 2 4 1 0 处理器是s a m s u n g 公司基于a r m 公司的a r m 9 2 0 t 处理器核，采 用0 1 8 u m 制造工艺的3 2 位微控制器。该处理器拥有独立的1 6 k b 指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e ，m m u ，支持t 兀的l c d 控制器，n a n d 闪存控制器，3 路 u a r t ，4 路d m a ，4 路带p 删的t i m e r ，i o 口，r t c ，8 路1 0 位a d c ，t o u c hs c r e e n 接口，i i c - b u s 接口，i i s - b u s 接口，2 个u s b 主机，1 个u s b 设备，s d 主 机和m m c 接口，2 路s p i 。$ 3 c 2 4 1 0 处理器最高可运行在2 0 3 m h z 。$ 3 c 2 4 1 0 芯 片集成了大量的功能单元，包括： 1 6 l ( b 数据c a c h e ，1 6 k b 指令c a c h e ，删 内置外部存储器控制器( s d r a m 控制和芯片选择逻辑) 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 l c d 控制器 4 个带外部请求线的d m a 3 个通用异步串行端口( i r d a i 0 ，1 6 - b y t et xf i f oa n d1 6 一b y t e r xf i f o ) ，2 通道s p i 一个多主1 2 c 总线，一个1 2 s 总线控制器 s d 主接口版本1 0 和多媒体卡协议版本2 1 l 兼容 两个u s bh o s t ，一个u s bd e v i c e ( v e r l 1 ) 4 个p w m 定时器和一个内部定时器 看门狗定时器 1 1 7 个通用i o + 5 6 个中断源 2 4 个外部中断 电源控制模式：标准、慢速、休眠、掉电 8 通道1 0 位a d c 和触摸屏接口 实时时钟 1 6 3 2 位r i s c 体系结构，使用a r m 9 2 0 tc p u 核的强大指令集 带m m u 的先进的体系结构支持w i n c e 、e p o c 3 2 、l i n u x 指令缓存( c a c h e ) 、数据缓存、写缓存和物理地址t a gr a m ，减 小了对主存储器带宽和性能的影响 a r m 9 2 0 tc p u 核支持a r m 调试的体系结构 内部先进的位控制器总线( a m b a ) ( a 船a 2 0 ，a h b a p b ) 嵌入式微处理器要求功耗很低，尤其靠电池供电的便携式无线及移动设 备更是如此，$ 3 c 2 4 1 0 的低功耗特点使其在嵌入式领域得到了广泛应用。 2 3 嵌入式操作系统和应用软件 嵌入式操作系统是支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系 统极为重要的组成部分，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。与通用操作系统相 比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的依赖性、软件固态化以及 应用的专用性等方面具有较为突出的特点。嵌入式操作系统的出现，将大大提 高嵌入式系统开发的效率，改变以往嵌入式软件设计只能针对具体的应用从 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 头做起。在嵌入式操作系统之上开发嵌入系统将减少系统开发的工作量，增 强嵌入式应用软件的可移植性，使嵌入式系统的开发方法更具科学性。 嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点：嘲 一嵌入式软件的研发与硬件紧密相关。由于嵌入式软件的开发是针对具体 硬件平台进行的，硬件驱动方面的开发是软件开发的重要一部分。 一软件代码高效率和高可靠性。由于嵌入式系统中软件运行空间有限，内 存，因此在软件的编译过程中必须时刻注意软件的运行效率，并选用高质量 的编译工具。嵌入式软件还具有异常处理、快速复位等特点。 一为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存 储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 一嵌入式系统本身不具备自举开发能力，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，必须有一套开发工具和环境才能进行开 发。 2 3 1 嵌入式l ir i m x 嵌入式系统具有不同程度的实时性要求；嵌入式系统在体积、功能、能 耗等方面受工作环境和生产成本的限制；嵌入式系统的软硬件环境复杂多变， 需要操作系统根据这些环境实现可移植性、可配置性和可裁减性，以便能灵 活地适应不同应用需要，而l i n u x 具有的种种优点，使其特别适合嵌入式的系 统开发。 将l i n u x 应用于嵌入式系统，具有以下优势：捌 1 l i n u x 系统是层次结构并且内核代码完全开放。l i n u x 是由很多体积 小且性能高的微内核系统组成。在内核代码完全开放的前提下，不同领域和 不同层次的用户可以根据自己应用的需要方便地对内核进行修改，能够低成 本的开发出满足自己需要的嵌入式系统。 2 强大的网络支持功能。l i n u x 诞生于因特网时代并具有u n i x 的特性， 这保证了它支持所有标准因特网协议，并且可以利用l i n u x 的网络协议栈将 其开发成为嵌入式的t c p i p 网络协议栈。此外，l i n u x 还支持e x t 2 、f a t l 6 、 f a t 3 2 、r o m f s 等文件系统，为开发嵌入式系统应用打下了很好的基础。 3 l i n u x 具备一整套工具链，容易自行建立嵌入式系统的开发环境和交 叉运行环境，可以跨越嵌入式系统开发中仿真工具的障碍。l i n u x 也符合i e e e 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 p o s i x 1 标准，使应用程序具有较好的可移植性。传统的嵌入式开发的程序 调试和调试工具是用在线仿真器( i c e ) 实现的。它通过取代目标板的微处理 器，给目标程序提供一个完整的仿真环境，完成监视和调试程序；但一般价 格比较昂贵，只适合做非常底层的调试。使用嵌入式l i n u x 一旦软硬件能够 支持正常的串口功能，即使不用仿真器，也可以很好地进行开发和调试工作， 从而节省一笔不小的开发费用。嵌入式l i n u x 为开发者提供了一套完整的工 具链( t o o lc h a i n ) 。它利用g n u 的g c c 做编译器，用g d b 、k g d b 、x g d b 做调 试工具，能够很方便地实现从操作系统到应用软件各个级别的调试。 4 l i n u x 具有广泛的硬件支持特性。无论是r i s c 还是c i s c 、3 2 位还是 6 4 位等各种处理器，l i n u x 都能运行。l i n u x 通常使用的微处理器是i n t e lx 8 6 芯片家族，但它同样能运行于m o t o r o l a 公司的6 8 k 系列c p u 和i b m 、a p p l e 、 m o t o r o l a 公司的p o w e r p cc p u 以及i n t e l 公司的s t r o n g a r mc p u 等处理器。 l i n u x 支持各种主流硬件设备和最新硬件技术，甚至可以在没有存储管理单 元( m m u ) 的处理器上运行。这意味着嵌入式l i n u x 将具有更广泛的应用前景。 2 4 嵌入式系统开发模式 嵌入式系统的设计可以分为硬件平台设计，软件平台设计。通过软件在 硬件系统的运行来验证硬件系统功能和设计的正确性。操作系统的移植和驱 动程序测试需要应用程序配合。而应用程序的测试则按照软件工程理论测试 的方法来进行。 2 4 1 硬件平台设计 系统选用$ 3 c 2 4 1 0 处理器芯片作为m c u 。本系统以$ 3 c 2 4 1 0 处理器芯片 为核心，配备n o rf l a s h 、s d r a m 、u s b 接口、串口转换等芯片完成系统所要 求的核心模块。 2 4 2 软件平台设计 l i n u x 以其内核稳定、功能强大、支持多种硬件平台、应用软件繁多、 兼容性好、低廉的价格以及众多开发人员的维护成为嵌入式操作系统的首选。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 同时硬件平台众多的存储器资源为运行l i n u x 提供了强大的物质基础。软件 平台一般包括如下四部分：n 钔 1 b o o tl o a d e r 引导程序。能实现系统的快速引导，首先完成对c p u 环 境的最初初始化，如：芯片引脚、外部控制器、输入输出设备等，然后负责 将l i n u x 内核加载到内存，将控制权交给内核初始化程序。具体工作包括： 寻找或将指定的内核映像文件解压至内存，然后解压文件系统，将控制权移 交给内核。 2 l i n u x 内核。l i n u x 是一个单一内核操作系统，但可以动态装入和卸 载内核中的部分源代码。l i n u x 内核由内存管理、进程管理、定时器中断管 理、模块管理、虚拟文件系统、接口文件系统、设备驱动程序、进程间通信、 网络管理、系统启动等构成。 3 设备驱动程序。设备驱动程序是内核的一部分，它像内核中其它代 码一样运行在内核模式。l i n u x 设备驱动程序的主要功能有：对设备进行初 始化；使设备投入运行和退出服务；从设备接收数据并将它们送回内核；将 数据从内核送到设备；检测和处理设备出现的错误。 4 应用程序。嵌入式应用软件是针对特定应用领域，基于某一固定的 硬件平台，用来达到用户预期目标的计算机软件，由于用户任务可能有时间 和精度上的要求，因此有些嵌入式应用软件需要特定嵌入式操作系统的支持。 嵌入式应用软件和普通应用软件有一定的区别，它不仅要求其准确性、安全 性和稳定性等方面能够满足实际应用的需要，而且还要尽可能地进行优化， 以减少对系统资源的消耗，降低硬件成本。 2 4 3 调试环境的建立 嵌入式系统通常为一个资源受限的系统。直接在此嵌入式系统的硬件平 台上编写软件是不可行的。因此采用的办法是，先在通用计算机上编写程序， 然后，通过交叉编译，生成目标平台上可运行的二进制代码，最后通过串口 或者网口下载到目标平台上的特定位置上运行，具体步骤如下： 第一步，建立嵌入式l i n u x 交叉开发环境。采用开放的交叉开发环境， 典型的代表是g n u 工具链，目前已经能够支持x 8 6 、a r m 、m i p s 、p o w e r p c 等 多种处理器。交叉开发环境是指编译、链接和调试嵌入式应用软件的环境。 它与运行嵌入式应用软件的环境有所不同，采用宿主机目标机模式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 第二步，交叉编译和链接。在完成嵌入式软件的编码之后，进行编译和 链接，生成可执行代码。开发过程是在i n t e l 公司x 8 6 系列c p u 的通用计算 机上进行，而本课题目标环境的处理器芯片为a r m 微处理器，这要求在建立 好的交叉开发环境中进行交叉编译和链接。本系统基于a r m 体系结构，采用 g c c 交叉编译工具。 嵌入式系统在链接过程中通常都要求使用较小的函数库，以便最后产生 的可执行代码能够尽可能地小，因此实际运用时一般使用经过特殊处理的函 数库。对于嵌入式系统来讲，功能越来越强、体积越来越大的c 语言函数库 g l i b c 和数学函数库l i b m 已经很难满足实际的需要，因此需要采用它们的简 化版本u c l i b c 、u c l i b m 和n e w l i b 等。 第三步，交叉调试。调试是软件开发过程中必不可少的一个环节，而在 嵌入式软件开发中，调试时采用的是在宿主机和目标机之间进行的交叉调试， 调试器仍然运行在宿主机的通用操作系统之上，但被调试的进程却是运行在 基于特定硬件平台的嵌入式操作系统中，调试器和被调试进程通过串口或者 网络进行通信，调试器可以控制、访问被调试进程，读取被调试进程的当前 状态，并能够改变被调试进程的运行状态。 硬件调试。编制程序使c p u 直接在其内部实现调试功能，并通过在开发 板上引出的调试端口，发送调试命令和接收调试信息，完成调试过程。 软件调试。在嵌入式系统的整个开发过程中，不同层次上的软件调试需 要使用不同的调试方法。在嵌入式l i n u x 系统中，l i n u x 系统内核调试，可 以先在l i n u x 内核中设置一个调试桩( d e b u gs t u b ) ，用作调试过程中和宿主 机之间的通信服务器。然后，可以在宿主机中通过调试器的串口与调试桩进 行通信，并通过调试器控制目标机上l i n u x 内核的运行。 嵌入式上层应用软件的调试可以使用本地调试和远程调试两种方法。如 果采用的是本地调试，首先要将所需的调试器移植到目标系统中，然后就可 以直接在目标机上运行调试器来调试应用程序了；如果采用的是远程调试， 则需要移植一个调试服务器到目标系统中，并通过它与宿主机上的调试器共 同完成应用程序的调试。在嵌入式l i n u x 系统的开发中，远程调试时目标机 上使用的调试服务器通常是g d b s e r v e r ，而宿主机上使用的调试器则是g d b 。 两者相互配合共同完成调试过程。 第四步，系统测试。测试技术指的是软件测试的专门途径，以及能够更 加有效地运用这些途径的特定方法。在嵌入式软件测试中，常常要在基于目 标机的测试和基于宿主机的测试之间做出折衷。基于目标机的测试需要消耗 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 较多的时间和经费，而基于宿主机的测试虽然代价较小，但毕竟是在仿真环 境中进行的，因此难以完全反映软件运行时的实际情况。这两种环境下的测 试可以发现不同的软件缺陷，关键是要对目标机环境和宿主机环境下的测试 内容进行合理取舍。嵌入式软件测试中经常用到的测试工具主要有：内存分 析工具、性能分析工具、覆盖分析工具、缺陷跟踪工具等，这一部分不是本 课题的重点，不作详述。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 第三章系统硬件平台介绍 本章着重介绍嵌入式m p 3 播放器的硬件平台，系统的硬件设计除了满足 系统功能和性能外，还要关注可靠性、可维护性以及便于软件的调试。其中 可靠性的要求尤为重要，这是因为硬件的可靠性是软件能够正常运行的前提。 3 1 平台简介 z q 2 4 1 0 是一款基于a r m 9 、结构紧凑的嵌入式硬件平台。它基于三星公司 的成熟a r m 9 处理器$ 3 c 2 4 1 0 a ，采用6 层板设计，具有高性能、低功耗、 接口丰富和体积小等优良特性。z q 2 4 1 0 进行了严格的电磁，温度，高压脉冲， 老化，灰尘等测试，并采用沉金工艺制板，增加铜箔厚度，性能稳定，可代 替部分工控单板机。 z q 2 4 1 0 具备很多扩展模块，如多串口模块、i d e 硬盘转接板( 基于d m a 方 式) 、矩阵键盘、u s bh u b 、数据采集模块、c a n 总线、各种液晶显示模块等。 3 2 平台特性 处理器 s a m s u n g $ 3 c 2 4 1 0 a ，主频2 0 0 m h z ，最高2 6 6 m h z s d i 洲内存 6 4 ms d r a m 3 2 b i t 数据总线 s d r a m 时钟频率lo o m t t z f l a s h 6 4 mn a n df l a s h 2 mn o rf l a s h lcd 支持各种单色伪彩真彩液晶屏( 分辨率最高可达1 0 2 4 x 7 6 8 ) 支持四线电阻触摸屏 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 接口和资源 一个i o m 以太网口 一个串行口 一个u s bh o s t 接口( u s bl 1 协议) 一个u s bs l a v e 接口，( u s b i1 协议) 一个s d 卡存储接口 一路立体声音频输出接口，一路麦克风接口； 一个标准j t a g 接口，主要用来下载b o o t l o a d e r 电源接口( 5 v ) ，带电源开关和指示灯 扩展接口 一个3 4 针g p i o 接口 一个小型i s a 总线接口 33 板载硬件 331 布局 图3 - iz q 2 4 1 0 丌发板 2 0 l 1 8 1 7 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 序号对应原理图名称说明 1 r j 4 5i o m 以太网接口 2c o m lr s 2 3 2 串口l 3c o m l - 3c p u 直接引出的c o m l ，2 ，3 4b o o ts e l启动r o m 选择 5u s bd e v i c eu s b 从设备 6u s bh o s tu s b 主设备 7c n l5 v 电源插座 8r e s e t 复位按钮 9 b u sc t r 总线控制信号 1 0b u sc o n系统总线 1 1k e y b o a r d键盘接口 1 2 j t a gj t a g 接口 1 3c o n l c dl c d 接口 1 4 j 2 73 3 v 5 vl c d 电源选择跳线 1 5s dc a r ds d 卡插座 1 6c o n g p i o通用i o 口 1 7b a t l时钟备份电池插座 1 8c o n - m i c单声道音频输入插座 1 9c o n p h o n e双声道音频输出插座 2 0$ 6 0 0电源开关 图3 - 2z q 2 4 1 0 的资源列表 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 3 3 2 跳线 图3 - 3 系统结构框图 跳线作为一种简单的电子开关，包括两个金属针和一个小的塑料套内的 金属片，靠金属片短路金属针实现开关效果。 3 3 3 网络接口r j 4 5 z q 2 4 1 0 使用c s 8 9 0 0 a 的网卡芯片，这个是i o m 、1 0 0 m 自适应的网卡芯片， 接线图如下图所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 3 3 4 串口 图3 - 4c s 8 9 0 0 a 接线图 $ 3 c 2 4 1 0 本身带有3 个标准串口，z q 2 4 1 0 引出串口1 并接到d b 9 插座 上，为方便用户设计，三个串口通过1 4 针间距2 o m m 插座c o m l - 3 直接从 c p u 引出。 ? ：i ：j 二二一一二：- ：jj ；二i ：j 图3 - 5c o m l 的接口定义图 ， 。，一 盏晶o _ ：) i ： r ? ， * 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 二= + 一：，：。：；：。：。 ；t ：； 图3 - 6c o m i - 3 的接线图 3 3 5 音频接口 s a m s u n g $ 3 c 2 4 1 0 带有1 2 s 音频总线，因此z q 2 4 1 0 使用了一片1 2 s 接 口的菲利普解码芯片u d a l 3 4