（电力电子与电力传动专业论文）基于嵌入式系统的列车诊断显示技术.pdf

a b s t r a c t w i t hi t ss p e e dg r o w i n g ，h o wt or u ns a f e l yb e c o m e sm o r ea n dm o r e i m p o r t a n tf o r t r a i n s a tp r e s e n t ，t h i si sm a i n l ye n s u r e db yt h et r a i n s f a u l ta r i dd i a g n o s i st e c h n o l o g y a n dt h ed i a g n o s ed i s p l a ys y s t e mi su s e dt od i a g n o s ea n dd i s p l a y , t h et r a i n s s t a t u s i n f o r m a t i o n ，s od r i v e r so rt e c h n i c i a n sc a l lc o n t r o lo rm a i n t a i nt h et r a i n st o b es a f e f r o ma c c i d e n t ，a c c o r d i n gt ot h ei n f o r m a t i o n t h es y s t e m sh a r d w a r ei ne x i s t e n c ei sa d v a n c e d ，a d o p t i n g4 8 6 d x c p u ，6 6 m h z m a i nf r e q u e n c ya n d4 mm e m o r y b u ti t ss o i b , v a r eg e t sb e h i n d ，t a k i n gd o sa s o p e r a t i n gs y s t e m ，w h o s ea d d r e s s i n gs p a c ei s u n d e r1 m ，a n dw i t h o u tg r a p h i cu s e r i n t e r f a c e a n o t h e rp r o b l e mi st h a tt h ed i s p l a yu n i th a sn o tb e e nm o d u l a r i z e d ，s oi t s p r o g r a m m i n g i sd i f f i c u l ta n d r e p e t i t i o u s a i m i n ga ts o l v i n ga b o v ep r o b l e m s ，t h ea r t i c l ep u tf o r w a r d ：t a k i n ge m b e d d e d l i n u xa st h eo sa n dm i n i o u ia st h eu n i v e r s a ld i s p l a yp l a t f o r m ，w i t ha ni n t e g r a t e d e v e l o p e n v i r o n m e n t a p p e n d e d i nt h ea r t i c l e ，t h ef o l l o w i n g sh a v eb e e nr e a l i z e d ：c u s t o ma r le m b e d d e dl i n u xa n d d e s i g n i t si n s t a l l d i s k s ，c u s t o mm i n i g u ia n dt r a n s p l a n t i tt ot h eo s ，m a k et h e b l u e p r i n t o ft h ei d e ：a tf i r s t ，c r e a t ea n dl a yo u tt h en e e d e dw i n d o wi nt h eq td e s i g n e r b yd r a g g i n ga n dd r o p p i n gw i d g e t sa n ds e t t i n gw i d g e t s p r o p e r t i e s ，t h e n s a v et h e w i n d o wi n t oaf i l ei nx m l s c r i p t ，w h i c hw i l lb et r a n s l a t e di n t o s o u l c ec o d e sb ya p r o g r a m n a m e du i c a f t e rt h e s es o u r c ec o d e sc o m p i l e da n de x e c u t e du n d e rm i n i g u i ， t h ep r o g r a m so u t p u to nt h ed i s p l a yi sa ss a n l ea st h ew i n d o wc r e a t e di nt h eq t d e s i g n e r o nt h eb a s i co fq td e s i g n e r , x m l a n dm i n i o u i sp r o g r a m m i n g ，w ed e c i d e t oc r e a t et h ep r o g r a m sm a i nw i n d o wu n d e rk d e 2 1a n d c o m p l e t e t h em a i n d i s p l a yi n d i a l o gb o x e sb u i l t i nt h ei d e a tl a s t ，w h o l ed e s i g n a t i o no ft h e i d ei sl i s th e r e ， i n v o l v i n gp l u g i n si n s e r t i o ni nq td e s i g n e r , u i c sp r o g r a m m i n ga n dw i d g e t si n s e r t i o n o f m i n j ( h 儿， k e y w o r d s ：e m b e d d e d l i n u x ，d i s p l a y , m i n i g u l ，s y s t e mc u s t o m ，i d e 声明 本人郑重声明：本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰 写成博士硕士学位论文蔓委毖厶菇蠡出鲍型圭硷逝豇查进：”。除论文中已经 注明引用的内容外，对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中已明 确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人和集体的已经公开发 表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名锄结 撕眸f 月疗日 糕于嵌入式系统的列车诊断显毋技术绪论 1 绪论 1 1 课题研究的背景 为了保障列车能够安全正点行驶，列车上都配备了安检系统。而且随着高速 时代的到来，安检系统具有更重大的责任和作用。作为列车安全体系的重要环节， 列车故障诊断系统是保障列车安全运行的关键技术，用来对列车的动车和车辆上 的各种主要设备和控制系统进行实时监测。具体包括：验明故障出处，自动提示 排除故障的方法及相应的应急措施等。 现在国际上先进的高速列车都采用了计算机诊断技术，并使用车载微机系统 来实现监控、显示、报警和记录功能。整个过程涉及：传感器数据采集、信号处 理、推理评估、信息管理、远程通信及人机交互等环节。 本课题主要研究车载微机操作系统以及在此基础之上的人机交互平台和信 息显示平台。 1 2 列车诊断显示系统的现状 列车微机系统工作在车载环境下，系统可用几何空间和存储空间都十分有 限。而且系统硬件不可避免要受到较大的机械冲击和振动，因此稳定性和抗震性 要求比较高。常见p c 无法在这种环境下工作。特别是硬盘，通常在读写硬盘时， 类似搬动机箱这样大小的震动都很危险。因此，一般列车上都采用电子盘作为存 储设备。它具有机械抗震性能好的优点，但也存在一些缺陷：不仅单位存储量的 成本比一般硬盘要高出许多，而且存储容量也无法太大。一般的电子盘为6 4 m b ， 大的只能达到几百m b 。另外，车载微机系统对主板也提出同样的要求，一般只 能采用几何尺寸小和稳固性较好的产品。p c i 0 4 具有固定性好、稳定性高的优点， 而且它的几何尺寸小巧紧凑，能较好地在车载环境下工作。 从系统硬件配置来看，车载诊断微机系统属于嵌入式系统范畴。一般都要求 配备稳定、精简的操作系统和应用软件，以尽量少占用系统硬件资源。 一直以来，国外的列车微机系统水平较高，发展也较为迅速。其现有的列车 赫十嵌入式系统的列车诊断晶示技术绪论 操作系统和显示系统都比较完善，多采用知名供应商提供的方案和产品。例如， 比利时列车微机系统采用的就是s i e m e n s 公司专门开发的v o s 操作系统。v o s 不仅对用户很友好，提供很好的操作平台，而且功能强大，系统模块完善，这使 得用户无需进行复杂的系统级改动，只需专注于用户级应用程序的开发。 这方面，国内跟国外相比还有相当的差距。目前，我国的列车车载系统仍与 以往绝大多数工业控制系统一样，采用d o s 作为操作系统。操作系统中不具备 g u i 系统，显示部分的系统功能和应用功能不分，所有显示任务都靠一个诊断显 示程序来完成。 采用d o s 主要是受了当时技术条件的限制。那时的嵌入式系统和g u i 远不 具备现在的发展规模和水平，内核只有十几k b ，技术成熟的d o s 已是上选。 但是技术的脚步永不停歇。随着半导体和电子技术的发展，硬件在可靠性、 集成度和成本上都有了很大的改进。目前列车上的电予盘容量已经达到1 2 8 m b ， p c i 0 4 性能也与i n t e l4 8 6 台式机相当。另外，软件发展也十分迅速：出现了各类 嵌入式操作系统，不仅功能完善，而且很多还支持图形用户界面系统，人机交互 友好，图形显示美观；面向对象的编程技术使得应用程序的开发和维护进入了一 个新纪元。相对于软硬件技术的发展，车载显示系统软件落后了。 1 2 。1 操作系统现存的闯题 列车微机系统现有c p u 为3 2 位总线，寻址空间允许达到4 g ，可实现实时 多任务并发处理。但所用d o s 系统只具备1 6 位单任务操作，寻址空间不超过 1 m b ，根本不能发挥现有处理器的性能：雨且d o s 用户界面不够友好，缺乏理 想的图形用户界面( g u i ) 和可视化编程工具；在对系统安全性和分布式网络的 支持上与目前的嵌入式系统相比也不够理想。而且在多年以前微软公司就已经停 止了d o s 项目的开发，这样一来就终止了d o s 系统进一步升级和在开发上寻求 技术支持的可能性， 针对这些问题，若只在应用软件层面进行一些修补，并不足以对系统性能产 生触动。只有对操作系统进行整改才能从根本上解决问题。而且，现在的嵌入式 操作系统都已比较成熟，这为我们提供了强大的技术后盾和广阔的选择空间。 综上所述，从需求和条件上看，都要求和允许列车诊断显示系统有所改进。 2 基十嵌入式系统的列车诊断硅1 技术绪论 1 2 2 显示单元现存的问题 在现有列车诊断显示单元中，从画点画线等基本图形功能到数据处理和整个 界面的输出统统在同一个诊断显示程序中完成。这使得显示程序难以模块化，整 个显示程序重用度低，管理困难。 另一方面，从软件学的角度来看，现有诊断显示程序设计的问题也颇多。它 的基本设计方法是：先使用画笔或p h o t o s h o p 等画图工具画出界面中的静态显示 部分，位置和尺寸都在绘图中确定，保存居得到位图文件，通过加载位图文件在 程序中显示出来。界面中的动态显示部分，需要先根据静态位图计算好输出位置 和大小，再动态填入界面。采用这种程序设计方法，不仅在画静态图和填充动态 信息时，坐标定位和位置对齐很繁琐：而且在为不同车型设计显示界面时，由于 显示内容、色彩、大小和位置有所不同，需要对每款车型进行静态图片重绘，位 置重校，动态显示程序也因此要重新编写。 客观地说，在g u i 和面向对象的程序设计理论出现之前，这种设计方法曾 一度是比较巧妙的解决方案。但随着软件设计方法的革新，出现了许多面向对象 的、以控件为组件的、图形算法很成熟的g u i 系统，现有的设计方式就显得落 后了。再从软件工程学和实用工程学的原理上讲，软件的通用性和重用性成为软 件价值的评判标准，这种静态填充式的界面设计，开发效率和生命周期都很低。 方面，设计中的重复劳动很大：另一方面程序的可重用性也很低。 为系统配置g u i 就可以解决上述问题和提高显示效果。o u i 能提供所需的 图形函数和通用控件来降低缡程难度，提高程序的重用程度，便于模块化。若在 g u i 中采用集成开发环境，更可实现编程的可视化，进一步简化程序开发。 1 3 改进方案的规划 1 3 1 车载微机操作系统改进规划 采用新的嵌入式操作系统来替代现有的d o s 系统。要求新系统能充分利用 现有硬件资源，满足稳定的系统性能、出色的通信能力、启动速度快和支持多任 务操作等要求。操作系统需要支持g u i 的使用，提供足够大的寻址空间。 咎_ j 二嵌入式系统的列车诊断显示技术 1 绪论 1 3 2 列车诊断显示系统的改进规划 采用g u i 系统将显示系统功能和显示界面程序分开，以便具有出色的显示 效果和简便的应用程序开发模式。而且，为了能对各种车型进行界面设计和显示， 要求g u i 是一个通用的显示平台，能提供通甩的图形函数和控件；为了提高程 序的开发效率，要求g u i 提供可视化编程工具集成开发环境( i d e ) 。 本论文主要内容安排如下： 第二章车载嵌入式系统。介绍了嵌入式系统的特点、分类，并对几种各选 嵌入式操作系统进行了选择。晟后对所选的嵌入式l i n u x 进行介绍。 第三章系统定制和安装。先介绍了l i n u x 的基本知识。具体说明了l i n u x 的启动过程，以及创建嵌入式l i n u x 所涉及的编译内核、定制文件系统等技术。 最后说明了系统安装盘的特点以及安装盘的制作方法。 第四章列车诊断显示系统设计。先介绍了故障诊断的基本概念，说明了显 示对诊断系统所具有的意义。再对列车诊断显示系统的工作环境和系统结构进行 分析，并根据已选定的车载微机操作系统和列车诊断显示系统的一些特点，完成 列车诊断显示系统下g u i 的选取。 第五章m i n i g u i 解析。m i r d g u i 被用作列车诊断显示系统的通用显示平台， 而且以后的i d e 设计也以m i n i g u i 的应用程序为目标。因此，有必要对m i n i g u i 进行深入的分析。先了解m i n i g u i 的系统特点和体系结构，再研究它的系统代 码，得到编程规律以及定制和移植方法。 第六章i d e 设计思路。具体设计思路是：用拖放控件的方式进行界面布局， 用命令自动生成源代码文件。具体介绍了设计中所涉及的工具q td e s i g n e r 和 x m l 技术。在对q td e s i g n e r 和m i n i g u i 进行分析后，提出将主窗口和对话框窗 口的创建分开。最后对对话框的种类和编程规律进行了深入的探讨。 第七章i d e 具体设计方法。先说明了i d e 的开发和应用环境和i d e 的使用 方法主要介绍了q td e s i g n e r 中界面设计方法，包括添加控件插件的具体步骤， u i c 程序的设计以及m i n i g u i 中添加自定制控件的方法。 犟十嵌入式系统的州车诊断丝示技术2 车载嵌入式系统 2 车载嵌入式系统 车载诊断显示系统受到车载运行环境的限制，要求使用电子盘为存储设备， p c i 0 4 为主板。软件配置为了适应系统硬件条件，需要使用嵌入式软件。整个车 载诊断显示系统从硬件环境到软件配置都符合嵌入式系统的标准。 2 1 嵌入式系统 随着计算机技术向非计算机领域渗透，嵌入式技术应运而生并得以不断发 展。目前对何谓嵌入式系统说法不一，比较受认可的定义是：所谓嵌入式系统是 指以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可剪裁，适应应用系统对功能、 可靠性、成本、体积、功耗等方面严格要求的专用计算机系统。”l 嵌入式系统一般指具有部分计算机功能的非p c 系统。相对主设备而存在， 通常体积较小，可以嵌入主设备中，肩负控制、监视和管理其他部件的责任。 嵌入式系统由嵌入式硬件和嵌入式软件组成。嵌入式硬件一般包括嵌入式微 处理器、存储器以及外围i o 设备等。嵌入式软件则分为嵌入式系统软件和嵌入 式用户软件。嵌入式系统软件主要指嵌入式操作系统。它并不是必须的，很多嵌 入式系统不安装操作系统，单靠一个应用程序来完成全部功能。嵌入式用户软件 也即嵌入式应用软件，若在不具备操作系统的环境下运行，除了要完成应用功能， 还要完成对系统硬件的初始化。随着嵌入式应用功能的不断扩展，比如需要多任 务操作或图形用户界面系统等，需要采用专门的系统软件进行任务调度和系统管 理，这远不是一个应用程序可以胜任的。另外，嵌入式软硬件在技术上日益完善， 成本也不断下降，目前嵌入式系统配置都允许安装嵌入式操作系统。 2 1 1 嵌入式系统的特点 高集成度和高可靠性 嵌入式系统称得上麻雀虽小，五脏俱全。是集软硬件于一体的高可靠性系统， 占用资源少，性价比高 嬉于嵌入式系统的列车诊断显示技术2 车载嵌入式系统 大多嵌入式系统的软硬件结合紧密，而且都量体裁衣，小巧精致。嵌入式系 统己成为资源开销小、性能价格比高的一类应用系统。 功能专，使用方便 嵌入式系统一般都针对某种应用所设计，相对而言，功能单一，应用范围广、 使用灵活。 2 1 2 嵌入式系统的分类 按照嵌入方式及处理器，嵌入式系统可以分为以下几种：1 2 1 整机式嵌入： 指将带有专用接口的计算机系统嵌入到一个控制系统中，使其成为控制系统 的核心部分。一般这种类p c 的嵌入式系统，功能完善而强大，可以完成系统中 的关键工作，也具有较完善的人机界面和外部设备接口。 这类系统中处理器采用嵌入式微处理器，它以通用计算机中的c p u 为基础。 只保留与嵌入式应用相关的功能，装配在专门的电路板上，功耗和体积都有很大 的下降。电路板上装有很多外部电路，包括r o m 、r a m 和总线接口等。我们所讨 论的列车诊断显示系统就属此类。 部件式嵌入 系统以部件形式嵌入到一个控制设备中，完成某一处理功能，与其它硬件耦 合更紧，功能更专一。如数字信号处理部件：专用c p u 或d s p 。 这种嵌入方式应用较广的是d s p 。它的系统结构和指令集都是为实现d s p 算 法而设计的，执行速度快。d s p 从过去在单片机中由指令实现，发展到现在专门 的d s p 处理器，从硬件上支持d s p 性能，适用于计算量较大、向量运算和指针线 性寻址较多的情况。 芯片式嵌入 一枚芯片就是一台完整的专用计算机，具有完整的输入输出接口，能完成 专的功能，如显示处理、微波炉控制器等。比较典型的是单片机。 单片机又称嵌入式微控制器。它将整个计算机系统集成到一个芯片上。芯片 内部集成了r o m e p r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、定时计算器、w a t c h d o g 、i o 和串行口等部件和外设。 6 幂十嵌入，系统的列车诊断皿小技术2 车载嵌入式系统 除了单片机以外，另一种采用芯片方式嵌入的是$ 0 c 。s o c 能在一个芯片上 实现更为复杂的功能。用户只需定义出其整个应用系统，仿真后就可以将设计图 交给半导体工厂制作样品。这样除无法集成的器件外，整个嵌入式系统大部分均 可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减少体积和 功耗、提高可靠性都非常有利。s o c 一般可分为通用和专用两类。 2 2 车载微机操作系统的选取 嵌入式芯片发展迅速，特别是a r m 技术的出现，使得特色各异的嵌入式系统 层出不穷。系统功能也不再是一个应用程序所能胜任的。大多数嵌入式系统都要 求使用嵌入式操作系统。 从源代码公开性的角度，嵌入式操作系统可以分为非开源和开源两类。非开 源版本中较为成熟的系统有w i n d o w sc e 、p a l mo s 、e p o c 和v x w o r k s 。开源系统 主要是嵌入式l i n u x 以及uc o si i 。开源系统便于从代码级进行系统定制和模块 开发，可以很好的与嵌入式芯片硬件定制相匹配。修改和更新速度都很快。 2 2 i 嵌入式操作系统的甄选 这里将对以上几款较成熟的嵌入式操作系统进行比较。首先从uc - o si i 开 始，uc o s i i 的设计以实时性为中心，采用的系统调度不是常见的分时操作系统 所用的时间片轮换机制，而严格由优先级来决定，采取硬实时中断的管理方式。 uc o si i 的优点是硬实时操作，系统功能模块定制和选取十分方便。但是它没有 完整的图形界面和文件系统，系统功能不够全面。这使得uc - o si i 在程序的显示 和调试方面都还不太理想。另一款嵌入式操作系统v x w o r k s 是由w i n dr i v e r s y s t e m 公司( 简称风河公司，即w r s ) 推出的一个实时操作系统。它具有强大 的集成开发环境一一t o r n a d o i i ，具备图形化编程工具一一z i n cd e s i g n e r 。 v x w o r k s 在航空航天及军事等高尖端领域运用较多。但是它的成本对于一般的应 用者来说过高，而且它的源代码是不公开的，一旦缺乏w r s 的技术支持，开发和 维护都很成问题。 目前，能提供嵌入式应用的图形化操作系统，全球主要分为四大阵营：w i n c e 、 p a l mo s 、e p o c 和嵌入式l i f l u x 。其中，w i n c e ( w i n d o w sc e ) 是微软的产品。微 毓予嵌入式系统的列午诊断显示技术2 车裁嵌入式系统 软视窗操作系统拥有个人电脑上操作系统占有率的优势；p a l mo s 具有全球p d a ( p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t ) 产品7 0 的市场份额，有3 c o m 、i b m 和s o n y 等巨头的支持；e p o c 则由摩托罗拉、爱立信和诺基亚等无线通信巨头所共同开 发，主要是应用在手机方面；而嵌入式l i n u x 源自l i n u x ，与l i n u x 一样具有源 码开放、便于定制、可移植性好、稳定性高等特点，并且它的使用和开发都不象 前三者那样需要授权。这些优势使得l i n u x 具有不断更新的开发工具和不断增强 的开源社区服务，嵌入式l i n u x 也已经开始在嵌入式操作系统领域占有一席之 地。国内l i n u x 虽然起步较晚，但前几年也开始关注嵌入式l i n u x ，投入和成果 都不小。红旗嵌入式l i n u x 、华恒u c l i n u x 和蓝点l i n u x 都有了成熟的方案和产 品，南京移软和北京飞漫在嵌入式l i n u x 开发上也都取得了不错的业绩和声誉。 在上述分析过后，希望能针对车载系统的特定要求，选取一种嵌入式操作系 统作为车载诊断显示操作系统。首先，考虑到需要使用g u i ，选择范围就框定为 上述的四种图形化操作系统。由于p a l mo s 和e p o c 主要应用于手持设备，因此 主要在w i n d o w sc e 和嵌入式l i n u x 之间进行比较和选择。 w i n c e 是微软的嵌入式视窗操作系统，具有强大的资源支持。通过使用v c 和v b 等集成开发工具，w i n c e 下的应用程序开发十分方便。w i n c e 的便携性好， 支持多种微处理器，电源管理功能强健，图形用户界面友好，图形功能强大，动 画效果也不错。但使用w i n c e 必须为微软的授权支付费用。相比之下，嵌入式 l i n u x 可以快速启动、可以进行实时性扩充，几乎可以无停顿地连续运转。很多 服务器就采用l i n u x 作为操作系统，这足以说明它的可靠性。嵌入式l i n u x 还具 有内核小、稳定性高、源代码公开、剪裁方便和使用费用低等诸多优点。而且 l i n u x 是由u n i x 演变而来得，因而具有与生俱来的网络优势。另外，作为嵌入 式操作系统，嵌入式l i n u x 还具备一个优势；它在平台移植上具有很大的灵活性。 将一个奔上开发的应用程序移植到一个只有3 2 m b 内存空间的嵌入式目标机 上，这对于l i n u x 来说是很容易做到的。 嵌入式l i n u x 原先存在的两个技术瓶颈：实时性和g u i ，目前都有了突破。 特别是g u i 方面。m o t o r o l a 在今年推出的a 7 6 0 手机，虽然用私有r t o s 处理信 道，但在控制人机界面方面选用的就是嵌入式l i n u x 。 综上所述，用于列车诊断显示系统，嵌入式l i n u x 比w i n c e 更具优势。 毕十嵌入式系统的，j 年诊断址巧技术 2 车载嵌入式系统 2 2 2 嵌入式l i n u x 的发展 嵌入式开发中选择嵌入式l i n u x 作为操作系统的案例越来越多：过去一年中 有1 3 的用户已经开始使用嵌入式l i n u x 系统进行开发工作：有5 2 的用户决定 在未来2 4 个月内开始使用l i n u x 作为嵌入式操作系统的丌发原型。由此不难看 出l i n u x 作为开发嵌入式产品的o s 所具有的巨大潜力。 2 1 综合起来说，l i n u x 将成为主流的嵌入式操作系统之一有三个重要的原因： 第一，可靠性。l i n u x 是经过验证的、可以用在关键任务和场合的操作系统。比 如全世界的w e b 服务器2 4 小时运转，大多数采用l i n u x 操作系统。 第二，可以帮助产品尽快上市。开源使得调试和维护相对比较容易。通过开放源 代码世界还可获得最前沿的技术和应用，可以加快整个软件开发过程。 第三，开发成本低。l i n u x 内核遵循g p l 公约，没有版税。而且l i n u x 可用于多 个开发项目，这样开发人员的经验以及管理维护的成本都是相当低的。 2 3 嵌入式l i n u x 的性能 2 3 1 嵌入式l i n u x 的实时性 h 嵌入式l i n u x 很容易进行实时扩充。以r t l i n u x 为例，它把l i n u x 的任务 作为自己的一个任务，因此实时性要求很高的任务可以不受非实时l i n u x 任务的 干扰。另外它还提供了实时任务和l i n u x 基本核心与其他任务间的接口。对嵌入 式l i n u x 进行实时性扩充后，响应延时如下表所示： 处理器频率响应延迟( 单位：m s ) 1 6 6 m h z t o o b l h z ( p e n t i u m ) l o o m h z4 8 6 d x 4 3 3 b t h z3 8 6 e x 3 2 4 4 5 6 2 2 5 表2 1 嵌人式l i n u x 响应延迟( 以r t l i n u x 为例) 车载操作系统要求具有一定的实时性，但并不是一个硬实时系统。所以，嵌 9 基于嵌入式系统的列车诊断显示技术2 车载嵌入式系统 入式l i b u x 所具有的实时性足够满足车载系统要求。 2 3 2 适应性和可靠性 d l 嵌入式l i f l u x 源自l i n u x ，继承了u n i x 的设计优点，适应性和稳定性都是 非常突出。而且到目前为止支持的c p u 达二、三十种，是一个跨平台系统。采用 l i n u x 环境开发产品，不必为更换c p u 的问题困扰。 此外，高可靠性是嵌入式l i n u x 领先于其他嵌入式操作系统的主要原因。采 用普通操作系统的程控交换机的可靠性指标一般为9 9 9 8 。而运行嵌入式 l i n u x 的交换设备可靠性指标能够提高一个数量级，达到9 9 9 9 9 。 因此，嵌入式l i n u x 可以很好地满足车载系统可靠性极高的要求。 2 3 3 开发工具 嵌入式系统采用开发系统为开发环境，目标系统为运行环境。嵌入式开发关 键需要一套好的开发和调试工具，而且不同阶段还需要不同工具。传统的开发调 试工具是i c e 在线仿真器，它取代目标板的微处理器，给目标程序提供仿真 环境，同时连接监视器，允许开发者调试和监视程序的运行。但是价格昂贵。如 果使用嵌入式l i n u x ，就可以跨越i c e 等屏障，降低开发费用。 嵌入式l i n u x 利用g n u 项目的c 和c + + 编译器来编译程序，可以使用g d b 源 程序级调试器来调试程序。它们提供了合适的手段使客户能够开发嵌入式l i n u x 的各种应用程序。通过串口和g d b 通讯，可以进行c 源程序级的调试。甚至客户 还可以通过串口把其他的程序下装到r a m 或f l a s h 存储器中。 2 3 4 可配备多窗口g i j i 系统 为了改善车载显示系统的显示性能，要求车载操作系统配备g u i 。l i n u x 满足 对图形用户界面的支持。在桌面p c 中，l i n u x 采用的图形界面是著名的xw i n d o w ， 它采用的是客户机一服务器结构。xw i n d o w 下的应用程序可以在不同服务器上或 网络机器上运行，并在网络其他部分的xw i n d o w 终端或工作站上显示。 l i n l i x 系统支持多进程，1 5 】还提供了丰富的进程间通讯机制，有半双工u n i x 管道、f i f o ( 命名管道) 、s y s v 形式的消息队列、s y s v 形式的信号量集合、s y s v 1 0 基十嵌入武系统的列车诊断显4 澈术2 车载嵌入式系统 形式的共享内存段等。| 6 1 多窗口需要进行窗口剪切处理。在多进程情况下，每个 窗口的窗体结构在自己进程空间中，无法实现直接互访，剪切计算难以实现。另 外，现代图形用户界面都基于消息驱动，要考虑消息在多进程间的传递。l i n u x 丌辟了一片共享内存，能被所有进程共享。在共享内存上建立一个消息队列就能 解决消息传递问题，更简单的方法是使用s y s v 消息队列。1 5 1 嵌人式l i n u x 具有 l i n u x 的系统特性，这为其下g u i 中多窗口和消息传递的实现提供了保障。 以上从四个性能上结合车载系统需求，进一步说明了嵌入式l i n u x 作为车载 嵌入式操作系统的优越性。 总结： 车载运行环境要求车载系统是一个嵌入式系统。本章先介绍了嵌入式系统的 概念、特点和分类，再根据现有车载系统的硬件环境，着重分析了车载操作系统 的选取。对几种比较完善的嵌入式操作系统进行了对比之后，选择采用嵌入式 l i n u x 作为列车诊断显示系统。接着对嵌入式l i n u x 的发展、性能和特点等进行 介绍，进一步阐明了选择嵌入式l i n u x 的原因。 参考文献： 1 m i c h a e lb a r r 著，于志宏译。c c + + 嵌入式编程，中国电力出版社2 0 0 1 年3 月。 2 王田苗，嵌入式系统设计与实例开发，清华大学出版社 3 北京麦克泰软件技术有限公司总经理何小庆，嵌入式通信设备和l i n u x 操作 系统，( 2 0 0 3 嵌入式世界研讨暨展示会上的讲话整理) 4 】沈可，使用嵌入式l i n u x 操作系统进行软件开发的特点及优势， 电脑开发与应用，第1 4 卷，第7 期 5 】谢骞等，基于嵌入式l i n u x 系统的多进程图形用户界面g u 系统研究，工业 控制计算机，2 0 0 3 年1 6 卷第5 期 6 d a v i d a r u s l i n gl i n u x 编程白皮书 甚于嵌入式系统的列车诊断显示技术3 系统定制与安装 3 系统定制与安装 一个完整的l i n u x 操作系统应该是由l i n u x 内核加上引导程序、初始化进程、 系统模块以及文件系统构成的。嵌入式l i n u x 可以通过安装初始化程序、剪裁 l i n u x 内核以及定制l i n u x 文件系统来得到。这里采用r e dh a tl i n u x 作为开发 系统，自定制嵌入式l i n u x 作为目标系统。要完成开发系统的配置以及目标系统 的定制和安装，都需要先了解l i n u x 系统。 3 1l i n u x 简介 l i n u x 操作系统诞生于1 9 9 1 年，为芬兰赫尔辛基大学的l i n u sb e n e d i c t t o r v a l d s 学习m i n i x 时所创造。l i n u s m i n i x 就是它名称的由来。l i n u s 刚开 始做的只是一个简单的磁盘操作程序，一个文件系统，可以运行b a s h 和g c c 编 译器。l i n u x 操作系统最终诞生，还受益于g n u 提供的s h e l l 、编译工具和库文 件。集众多黑客之力发展起来的l i n u x 在1 9 9 6 年经美国国家标准技术局论证符 合p o s i x 标准。此后，l i n u x 终于登堂入室，不仅在科研教学机构流行，还出现 了很多商业版本。1 9 9 9 年还出现了l i n u x 中文版。现在的r e dh a tl i n u x9 0 在汉化方面已具有很高的水准。【l 】 l i n u x 清晰地将内核源代码分为体系结构相关部分和无关部分。体系结构无 关部分定义了与底层，也就是体系结构相关部分的接口。 2 1 这正是l i n u x 能够 实现跨多种平台运行的重要原因。 用户应用程序 系统库( 如标准c 库) 硬件 图ll i n u x 内核体系结构 内核 器 甚于嵌入式系统的列车诊断趾示技术 3 系统定制与安装 3 ，1 ，ll i n u x 的主要特点1 3 1 作为一个操作系统，l i n u x 几乎能满足u n i x 操作系统的所有要求，因此， 它具有u n i x 操作系统的基本特征： 符合p o s i x1 0 0 3 1 标准 p o s i x1 0 0 0 0 ，】标准定义了一个最小的u n i x 操作系统接口，任何操作系统只 有符合这一标准，才有可能运行u n i x 程序。考虑到u n i x 具有丰富的应用程 序，当今绝大多数操作系统都把满足p o s i x1 0 0 3 1 标准作为实现目标，l i n u x 也不例外，它完全支持p o s i x1 0 0 3 1 标准。另外，为了使u n i xs y s t e mv 和b s d 下的程序能直接在l i n u x 中运行。l i n u x 还增加了部分s y s t e mv 和 b s d 的系统接口，使l i n u x 成为一个完善的u n i x 程序开发系统。 支持多用户访问和多任务编程 l i n u x 是一个多用户操作系统，它允许多个用户同时对系统进行访问而不会 造成用户间的相互干扰。另外，l i n u x 还支持真正的多用户编程，一个用户 可以创建多个进程，并使各个进程协同工作来完成用户的需求。 采用页式存储管理 页式存储管理使l i n u x 能更有效地利用物理存储空间，页面的换入换出为用 户提供了更大的存储空间。 支持动态链接 用户程序的执行往往离不开标准库的支持，一般系统往往采用静态链接方 式，即在装配阶段就已将用户程序和标准库链接好。这样，当多个进程运行 时，可能会出现库代码在内存中有多个副本而浪费存储空间的情况。l i n u x 支持动态链接方式，运行时才进行库链接，从硬盘调入内存，若所需库已被 其它进程装入内存，则不必再装。这样能保证内存中的库程序是唯一的。 支持多种文件系统 l i n u x 能支持多种文件系统。目前支持的文件系统有：e x t 2 、e x t 、x i a f s 、 i s o f s ，h p f s 、m s d o s ? u m s d o s ，p r o c ，n f s js y s v ，m i n i x ，s m b 、u f s 、n c p 、 v f a t 、a f f s 。其中，最常用的是e x t 2 ，它的文件名长度可达2 5 5 字符，并 且还有许多特有的功能，使它比常规的u n i x 文件系统更加安全。 支持t c p i p 、s l i p 和p p p 基于嵌入式系统的列车诊断显示技术3 系统定制与安装 在l i n u x 中，用户可以使用所有的网络服务，如网络文件系统、远程登录等。 s l i p 和p p p 能支持串行线上的t c p i p 协议的使用，这意味着用户可用一个 高速m o d e m 通过电话线连入i n t e r n e t 网中。 除了上述基本特征外，l i n u x 还具有其独有的特色： 支持硬盘的动态c a c h e l i n u x 能动态调整所用c a c h e 存储器的大小，以适合当前存储器的使用情况， 当某一时刻没有更多的存储空间可用时，c a c h e 将被减少。以增加空闲的存 储空间。一旦存储空间不再紧张，c a c h e 的大小又将增加。 支持不同格式的可执行文件 l i n u x 具有多种模拟器，这使它能运行不同格式的目标文件。其中，d o s 和 w i n d o w s 下的模拟器都已经开发成功。i b c s 2 模拟器能运行s c o u n i x 的目标 程序。 3 1 2l i n u x 的主要构成p 1 l i n u x 主要由存储管理、进程管理、文件系统、进程间通信等部分组成，在 许多算法及实现策略上，l i n u x 借鉴了u n i x 的成功经验，但也不乏自己的特色。 3 l2 1 存储管理 l i n u x 采用页式存储管理机制，每个页面的大小随处理器芯片而异。例如， i n t e l3 8 6 处理器页面大小可为4 k b 和2 惦两种，而a l p h a 处理器页面太小可为 8 k b 、1 6 k b 、3 2 k b 和6 4 k b 。页面大小的选择对地址变换算法和页表结构会有一定 的影响，如a l p h a 的虚地址和物理地址的有效长度随页面尺寸的变化而变化，这 种变化必将在地址变换和页表项中有所反映。 l i n u x 存储空间分配遵循：不到有实际需要时决不分配物理空间的原则。当 一个程序加载执行时，l i n u x 只为它分配了虚空间，只有访问某一虚地址而发生 了缺页中断时，才为它分配物理空间，这样就可能出现某些程序运行完成后，其 中的一些页从来就没有装迸过内存。这种存储分配策略带来的好处是显而易见 的，因为它最大限度地利用了物理存储器。 3 1 2 2 进程管理 4 牡十嵌入系统的列下诊断矬_ i 技术3 系统定制与安装 在l i n l j x 中，进程是资源分配的基本单位。在一个进程的生命期内，会用到 许多系统资源。为此，l i n u x 设计了一系列数据结构，能准确地描述进程的状态 和其资源使用情况，以便能公平有效地使用系统资源。l ir i l i x 的进程调度算法确 保不出现某些进程过度占用系统资源而导致另一些进程无休止等待的情况。 与一般的进程创建不同，l i n u x 采用c o p yo nw r i t e 技术，即不把父进程的 空间拷贝到子进程，而是拷贝父进程的页表，使父进程和子进程共享物理空间， 并将这个共享空间的访问权限置为只读。当父进程和子进程的某一方进行写操作 时，l i n u x 会检测到一个非法操作，这时才将要写的页进行复制。这一做法免除 了只读页的复制，从而降低了开销。 l i n u x 目前只提供核心级线程。核心线程的创建是在进程创建的基础上稍做 修改，使创建的子进程与父进程菇享虚存空间。 3 1 2 3 文件系统 l i n u x 最重要的特征之一就是支持多个不同的文件系统，目前支持的文件系 统多达十余种，这一数目还在不断增加。通过安装命令，一个新的文件系统被安 装到系统单一目录树的某一目录下。安装成功后，该目录下的所有内容将被新的 文件系统所覆盖，当文件系统被卸下后，安装目录下的文件将会被重新恢复。 为了支持多种文件系统，l i n u x 用一个被称为虚拟文件系统( v f s ) 的接口层 将真正的文件系统同操作系统及系统服务分开。v f s 使所有文件系统对于操作系 统和用户程序来说都等同，允许用户同时透明地安装多个不同的文件系统。 3 1 2 4 进程闻通信 l i n u x 提供了多种进程间的通信机制，其中，信号和管道是最基本的两种。 此外，l i n u x 也提供s y s t e mv 的进程间通信机制，包括消息队列、信号灯及共 享内存。l i n u x 还引入了b s d 的s o c k e t 机制，以支持不同机器之间的进程通信。 3 1 3l i n u x 系统的分区 l i n u x 的系统分区比较特别。这里以r e d h a t l i n u x 为例来进行说明。就r e d h a tl i n u x 来说无论有几个分区，分给哪一目录使用，它归根结底就只有一个根 目录，一个独立且唯一的文件结构。每个分区都是用来组成整个文件系统的一部 耩于瑕入式系统的列车诊断显列技术3 系统定制与安装 分，因为它采用了一种叫“载入”的处理方法，它的整个文件系统中包含了一整套 的文件和目录，且将一个分区和一个目录联系起来。这时要载入的一个分区将使 它的存储空间在一个目