（电力电子与电力传动专业论文）基于嵌入式linux的pda研究与开发.pdf

浙江大学坝士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sa g eo fp e r v a s i v ec o m p u t i n g ，t h ee m b e d d e ds y s t e mh a sa l r e a d yp e n e t r a t e di n t oa l l f i e l d s w i t ht h eb i gp r o g r e s so fh a r d w a r et e c h n o l o g y , t h ed e v e l o p i n gt e c h n o l o g yo fs o f t w a r e ，h a s b e e nt h em o s ti m p o r t a n tp a r to fe m b e d d e ds y s t e m l i n u x ，ag e n e r a lo p e r a t i o ns y s t e mw h i c hi s s u i t a b l ef o re m b e d e d ds y s t e m ，c a nn o to n l yb es e ti nas m a l ls y s t e md e a l i n gw i t hs i m p l ep r o b l e m b u ta l s ob ec o m b i n e dt op r o c e s sc o m p l e xa s s i g n m e n t t h e r e f o r e ，g r e a rs i g n i f i c a n c es h o u l db ep u t o nt h er e s e a r c ho f e m c e d d e ds y s t e m i nt h i sp a p e r , b ya n a l y z i n gt h el i m i t a t i o no fp d a a p p l i c a t i o nr e s o u r c e sa n dt h ep e c u l a r i t yo f l i n u xa n de m b e d d e d s y s t e m ，t h ew r i t e rf i r s t l yp u tf o r w a r ds e v e r a li m p o r t a n tp r o b l e m so f a p p l y i n g e m b e d d e d s y s t e mi n t op d a t h e n ，c o n s i d e r i n gt h ed e f i c i e n c yi n r e a l t i m ec h a r a c t e ro fl i n u xa n dt h e h i g hd e m a n do f r e a l - t i m ef e a t u r eo f p d a ，t h ew r i t e rp u tf o r w a r dt h ep e r c e p to fr e f o r m i n gt h ei n n e r - c u r eo fl i n u x b y t w o w a y s t os o l v er e a l - t i m ep r o b l e m o n eh a n di st oa d o p tt h eu p - t o d a t ev e r s i o n2 6i n n e r - c o r e b ys o f t w a r e ，t h eo t h e ri s t ou s et h et e c h n o l o g yo fv i r t u a lm a c h i n eb yh a r d w a r e s i n c et h eu s e r i n t e r f a c ei ss i m p l e ，t h ew r i t e ra d o p t e dm i n i g u ia st h eg r a p hu s e ri n t e r f a c e t h e n ，t h ew r i t e rg a v e o u th i sa n a l y s i so nt h et h e o r y , m e c h a n i s m ，d e s i g na n da p p l i c a t i o no fm i n i g u ii nd e t a i la sw e l la s t h em a i n d e s i g nc o n c e p to f t h e w i n d o w s m a n a g e m e n t i nt h ee n d ，t h ew r i t e ri n t r o d u c e dt h e p o i n t st ob ei m p o v e d a n dd e v e l o p e d k e y w o r d s ：e m b e d d e dl i n u x ，p d a ，m l n i g u i ，v i r t u a lm a c h i n e ，r e a l 。t i m e 2 浙江火学顸士学位论义 第一章绪论 1 1 课题背景 在当前数字信息技术和网络技术高速发展的后p c ( p o s t p c ) 时代，嵌入式系统已经广泛 地渗透到科学研究、工程设计、军事技术、各类产业和商业文化艺术以及人们的日常生活等 方方面面中。随着国内外各种嵌入式产品的进一步开发和推广，嵌入式技术越来越和人们的 生括紧密结台。 嵌入式设备是指应用了嵌入式系统的计算机设备。嵌入式设备现在正在日新月异的发 展，并快速的侵入了我们的生活。就在儿年前，掌上电脑在国内还只是一个在电视或者网络 上看到的名词，而令却己经成为流行人士特别是年轻人最为青睐的时尚物品。 在众多的嵌入式设备中最常见的便是p d a t 。而p d a 嗣其功能大小、针对的应用、生产厂 家及型号的不同有着各种叫法：个人数字助理p d a 、p m m p c 、1 1 a n d - h e l d p c ( b 3 称t t p c ) 、 p o c k e t p c 、手持设备、手持电脑、袖珍电脑等等。 p d a ( p e r s o n m1 ) i g i t a la s s i s t a n t ) 是一个面向广大非专业用户的计算和通信设备。 现在，p d a 市场竞争极其激烈，国内的p d a 要想在市场上立于不败之地，必须加大自主知识产 权产品和技术的开发，以降低生产成本，在极小化生产成本的同时极大化应用性能，在竞争 中获得主动位置。在现今硬件技术犬幅进步的情况一卜，软件的发展技术成为嵌入式系统中最 重要的一环口，所以本次课题重点对运用于p d a 嵌入式系统的软件技术进行了研究与开发。 1 2p d a 的发展概述 第一阶段：n e w t o n 引发p d a 潮流 1 9 9 2 年1 月，a p p l e 公司的j o h ns c u l l y 提出了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 ) 这 概念。之后美国b y t e 杂志资深撰稿人t o mr i t a l f h i l l 将其进一步描述为：“p d a 是一个 面向广大非专业用户的计算和通信的设备，它不仅为用户提供各种通用软件，而且可以用笔 对这些软什进行造作，并且十分便于携带，可在各种场合下使用。” 1 9 9 3 年8 月，a p p l e 公司退山了真正意义上的p d a - - n e w t o nm e s s a g e p a d 。与以前的其 他袖珍电脑相比最根本不问的是，n e w t o n 并不是一种功能简单化的p c ，它是一种p d a 的功 能概念重新设计出来的，拥有自己独立的操作系统和应用程序。 浙江大学硕士学位论文 n e w t o n 的问世如同信息产业界爆炸了一颗原子弹，带来了包括手写输入技术、捆绑 m o d e m 联结i n t e r n e t 技术以及与p c 同步等一系列和p d a 相关技术的迅猛发展。但不幸的是， n e w t o n 过于强大的功能设置，使它的运行速度非常缓慢，无法满足大多数使用者的要求， 而且。它的体积也显得过于笨拙，几乎和一些笔记本电脑一样火，加上其它一些市场因素， 在技术上具有划时代意义的n e w t o n ，不仅没有为a p p l e 公司带来收益，反倒使之亏损了数 百万美元，1 9 9 7 年，尚处于困境之中的a p p l e 公司宣布彻底放弃n e w t o n 项目。 第二阶段：p a l m 使p d a 市场走向成熟 a p p l e 公司的失败，并未影响其它厂商对于p d a 的热情，继a p p l e 公司推山n e w t o np d a 系统之后的7 年中，m o t o r o l a 、a t & t 、i b m 、c o m p a q 、h p 、微软、西门子、p h i l i p s 、英国电 讯、日本s h a r p ，p a n a s o n i c s ，c a s i o ，t o s h i b a 以及韩国、台湾等地的厂商纷纷推山了各自 设计的p d a 产品和专用操作系统并都试图使之成为新的标准。 然而作为3 c o m 子公司的p a l m 公司通过其p a l m p i l o t 手写输入p d a 赢得了市场的最终 占有权。p a l m p i l o t 吸取了n e w t o nm e s s a g e p a d 的长处，摒弃了它的短处把便携性、易用性 和合适的运行速度有机地结合在一起，更为关键的是它的开放性硬什设计为第= 方的技术革 新留下了非常大的发展空间，使p d a 市场走向了成熟。 第三阶段：高端掌上电脑的崛起 进入二十一世纪，随着微软公司p o c k e t p c 和p o c k e t p c 2 0 0 2 的相继退出，使p d a 从以 前强调个人信息管理功能为主导的中低端信息产品进入到以前强调移动互联和多媒体功能 为主导的高端掌上电脑阶段。 与此同时，手机与p d a 相互结合的趋势也越加明显。爱立信公司内置p d a 的移动电话 e r i c s s o n r 3 8 0 ，使可以实现p d a 功能。n o k i a 也发布了融合p d a 和手机功能的9 2 1 0 通讯器。 这些手持设备集中了计算、电话、m p 3 、传真、网络等多种功能，使高端掌上电脑逐渐成为 p d a 市场的主流。 第四阶段：未来p d a 的发展趋势 低能耗、无线资料传输以及轻、薄型客户端与远端服务器结合的电脑系统将是未来p d a 的发展趋势。 低能耗是指p d a 可以使用汽车电瓶、手表电池、太阳能电池以及其它电源，让整个设 备缩小至可运用a a 与a a a 电池以下的电力来启动；无线资料传递( 通常所说的无线蓝牙技术) 意味着可以通过p d a 在办公室、路上甚至树林里办公：而客户端与远端服务器结合是将储存 容量与处理过程交给远程服务器，也就预示着p d a 会变得更小，更重要的是即使用户的p d a 6 浙江大学硕士学位论文 丢失了也绝不会造成资料的丢失。 未来的p d a 将在不断强大的操作系统支持和不断发展的技术背景下。越来越贴近人们 的生活1 1 3 嵌入式系统的介绍 嵌入式系统是指将应用程序和操作系统与计算机硬件集成在一起的系统。简单的说就是 系统的应用软件与系统的硬件一体化，类似于b i o s 的工作方式。这种系统具有软件代码小， 高度自动化，响应速度快等特点，特别适应于要求实时的和多任务的体系。 嵌入式系统可分为硬件和软件2 个平台。嵌入式系统的硬件部分，包括处理器微处理 器、存储器及外设器件和i o 端口等，如图1 1 所示。 图1 1 嵌入式系统的硬件 嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那样火容量的存储介质，而 大多使用e p r o m 、e e p r o m 或闪存( f l a s hm e m o r y ) 作为存储介质。软件部分包括操作系统软 件( 要求实时和多任务操作) 和应用程序。应用程序控制着系统的运作和行为，而操作系统 控制着应用程序编程与硬件的交互作用。 1 3 1 嵌入式系统的历史 嵌入式系统的出现至今已经有3 0 3 年的历史了，嵌入式技术也历经了几个发展阶段。进 2 , 9 0 年代后，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， 掀起了一场数字化技术革命。多媒体技术与i n t e r n e t 的应用迅速普及，消费电子、计算机、 7 浙江大学硕士学位论文 通信( 3 c ) 一体化趋势日趋明显，嵌入式技术再度成为一个研究热点。综观嵌入式技术的发展， 大致可以分为以下4 个阶段： 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，同时具有与监测、伺服、指示 设备相配合的功能。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 户接口。由于这种嵌入式系统使用简便、价格很低，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：c p u 种类繁多，通用性比较弱：系统开销小，效率高；操作系统具有一定的兼 容性和扩展性；应用软件较专业，用户界面不够友好；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。这一阶段系统的主要特点是：嵌入 式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好：操作系统内核精小、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、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 i ) ，开发应用程序简单：嵌入式 应用软件丰富。 第四阶段是以基t i n t e r n 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t - i n t e r n e t 之外，但随着i n t e r n e t 的发展以及i n t e r n c 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 r n e t 的结合将代表着眼入式技术的 真正未来。 1 3 2 嵌入式系统的特点 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： 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式c p u ，与通用型的最大不同就是嵌入式c p u 大多 工作在为特定用户群设计的系统中，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，移动能力大火增强，跟网络的耦台也越来越紧密。 8 浙江大学硕上学位论文 2 ) 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与各个行业的具体应用相结 合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知 识集成系统。 3 ) 嵌入式系统的硬什利软件都必须高效率地设计，量体裁农、去除冗余。力争在同样的硅 片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。 4 ) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因 此嵌入式系统产品一旦进入市场具有较跃的生命周期。 5 ) 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。 6 ) 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。 1 3 3 嵌入式操作系统的介绍 嵌入式操作系统是决定嵌入式系统性能的重要一环，而本次课题偏重点也主要是对嵌入 式操作系统的实时性和图形界面的开发研究。现在来具体介绍下嵌入式操作系统。 1 3 3 i 嵌入式操作系统的组成 高性能实时核心 嵌入式操作系统核心提供多任务的调度( 基于优先级的抢占调度) 、任务间的同步、进程间 通信中断处理以及内存管理机制等功能。 设备驱动 操作系统通过设备驱动与硬件打交道，嵌入式操作系统提供：显示驱动、网络驱动、串口驱 动、井口驱动、外接卡驱动、键盘鼠标驱动、声音驱动。 文件系统 提供适合嵌入式应用的快速文件系统，包括r 从、r o m 、f l a s h 以及标准磁盘文件系统( 如 f a t l 6 、f a t 3 2 等) 。 图形用户界面 为嵌入式操作系统提供小型、高性能、高可靠性的图形用户界面，包括多窗口的管理( 创建、 删除、隐藏、移动等) 、图形操作( 点、线、园、矩形等) 、字体显示、预定义的控件( 静 9 浙江大学坝十学位论文 态文本框、按钮、单行、多行编辑框、列表框、进度条、工具栏、月历、日期等) 、消息传 递机制、定时器、加速键、插入符、g i f j p e g 图片的支持以及w i n d o w s 资源( 位图、图标、 光标) 的支持等。 网络通信系统 主要指网络协议，女i t c p i p 、p p p 、u d p 、b o o t p 、t f t p 、d h c p 、d n s 、f t p 以及无线传输协议 ( w a p ) 。当然无线协议还包括蓝牙、红外传输协议( i r d a ) 等。 基本应用程序 另外一个完整的嵌入式操作系统还应包括一些基本的应用程序，如程序管理器( 桌面) 、文 件管理器、设置等。 1 3 3 2 嵌入式操作系统的特征 同时嵌入式操作系统也必须适应多领域嵌入式系统之间的差异，因而，嵌入式操作系 统应具有下面几个典型特征： ( 1 ) 实时性，即操作系统快速响应外中断的能力，很多嵌入式系统都是实时系统。最常用 的操作系统实时性测量指标是中断延迟时间和任务上下文切换时间。中断延迟是指一个中断 到达和执行处理它的中断服务例程之间的时间，中断延迟微小是实时操作系统的一个显著标 志。任务上f 文切换时间表示了从当前运行线程切换到下一个被调度线程的快慢，这可以通 过计时器访问上下文切换的两侧来获得经验数据。 ( 2 ) 内核支持多任务，采用多种任务调度法。多任务模式是一个应用程序能控制和响应多 个不连续外部事件的基础机制，它使嵌入式系统密切了与真实世界的关系。内核一般默认采 用基于任务优先级的任务可抢先调度法，确保总是最先执行具有最高优先级的已就绪的任 务；在此基础上可以增加轮转调度法，该算法可使同等优先级的已就绪任务公平占有c p u 。 ( 3 ) 提供丰富的任务或线程问同步或通信机制，如消息队列、事件标志、信号量及互斥或 条件变量等，使多个任务或线程之间相互协作和竞争系统资源，并防止任务优先级倒转现象 的发生。“火星探路者”在执行任务时不得不多次复位地面探险机器人，因为其操作系统可 能发生的优先级倒转现象会使机器人停止动作，这使人们更加关注如何解决任务优先级倒转 问题。任务优先级倒转是指一个高优先级线程错误地被一个较低优先级线程阻止运行，例如， 一个高优先级线程等待一个低优先级线程释放其持有的互斥资源，当此低优先级线程被一个 中优先级线程抢先，这时就发生了优先级倒转现象，因为此时高优先级线程被一个不相干的 l o 浙江大学硕士学位论文 中优先级线程阻止运行。解决优先级倒转的方法有多种，可以设法从可执行映像中找出并删 除引起该现象的那部分代码，也可以采用优先级提升协议或优先级继承防议。 ( 4 ) 可配置性，这是嵌入式系统资源限制的结果。为了全面支持从只有很少内存，并且可 能连内存管理单元都没有的低端系统到具有多处理机的高端系统，嵌入式操作系统采用模块 化体系结构，即一个实时内核和一堆组件或库。这样根据系统需求，可以对嵌入式操作系统 进行配置。在内核基础上，当只有个别的组件时，可以形成只有几十k b 的操作系统：当配 备了许多组件和库时，则构成了功能强大、规模达几百k b 的操作系统。有的嵌入式操作系统 ( 女u q n x ，) 为微内核结构，支持做更灵活的、更具伸缩性的配置。 ( 5 ) 可用性，即广泛适h j 于各 十c p u 体系结构，支持外设的能力，这是嵌入式操作系统适应 嵌入式系统硬件差异所必需的。通过采用板支持包( b s p ) 技术或硬件抽象层( h a l ) 技术， 嵌入式操作系统有了很强的移植能力。板支持包包含了片级初始化和设备驱动程序，它使嵌 入式操作系统与嵌入式系统硬件平台相分离。当微处理器和外设过时的时候，它保护了开发 者在应用程序上的开发投入。硬件抽象层也是类似的技术，它抽象一个硬件平台到一定程度， 足以伎操作系统内核被移植到该平台上。无论板支持包还是硬件抽象层，它们都支持多种硬 件平台，井很容易通过支持新的硬件来增强嵌入式操作系统的移植能力。 ( 6 ) 可靠性，这是保证嵌入式系统可靠性的重要环节。嵌入式操作系统采用了许多机制来 使操作系统和应用程序免受出错任务的破坏，使系统运行更加健壮。比如，操作系统可以在 运行中发现内存越界情况以保持内存完整，支持对代码段设置为只可执行方式访问以避免应 用程序偶然被破坏，监测栈溢出来保护虚存页面、内存段、临界数据结构，跟踪关键系统资 源使应用程序能提前检测出即将运行失败的代码等。 ( 7 ) 确定性，即做某件事花费的时间姓有限的和可预测的。在通用计算机操作系统中，当 一个任务因为访问系统资源而阻塞是非常普遍的现象但这种现象在嵌入式系统中带来了不 确定性，因为任务阻塞的时间长短是无法确定的。在实时性要求高的关键领域，每个任务能 甭预期执行是很关键的。在嵌入式操作系统中，访问资源的系统调用常是非阻塞的就是为了 保证确定性。 1 3 3 3 常用的操作系统 现在常用的嵌入式操作系统只要有三种：p a l mo s 、l i n u xo s 和w i n d o w sc e a 下面用一 张表格的形式来对这三种嵌入式操作系统进行比较说明，如表h _h_，一一一 浙江大学硕士学位论文 表1 三种嵌入式操作系统的比较 p a l mo sw i n d o w sc e l i n u xo s 大小核心儿十k b 。整个 核心占5 0 0 k r 的r o m 和2 5 0 k b 的核心从儿十k b 到 嵌入环境也不大r a m 。整个w i n d o w sc e 操作系统， 5 0 0 k b 。整个嵌入式环 包括硬件抽象层( h a l 和h a r d w a r e境最小才i o o k b 左右， a b s t r a c t i o nl a y e r ) 、w i n d o w sc e 并且以后还将越来越 k e r n e l ，u s e r ，g d i ，文件系统和数 小。 据库大约共1 5m b 可开发定可以方便地开发用户开发定制不方便，m i c r o s o f t 用户可以方便地开发 制定制公司限制较多 定制，可以自由卸装用 户模块，不受任何限制 互操作性互操作性强 互操作性比较强。w i n d o w sc e 可互操作性很强 通过0 e m 的许可协议使用于其它 设备 通削性适应于多种c p u 和适应于多种c p u 和多种硬件平台 不仅适应于x 8 6 芯片， 多种硬件平台 并且可以支持3 0 多种 c p u l u 多种硬件平台， 开发和使用都很容易 实时性 比较好 比较好 很好 实用的应应用领域较广。特 应用领域广。w i n d o w sc e 是为新 由于l i n u x 内核结构及 刷领域别适于掌上电脑 代非传统的p c 设备而设计的， 功能等原因。嵌入式 的开发 这些设各包括掌上电脑、手持电 l i n u x 应用领域非常j “ 脑以及用于车载电脑等 泛，特别适于进行信息 家电的开发 1 2 浙江大学硕= l 学位论文 第二章嵌入式系统的具体实现 2 1 硬件平台选择 2 1 1 微处理器的选择 在掌上型电子产品( 包括p d a ) 的硬件平台中，最重要的部件主要是微处理器( m p u ：m i c r o p r o c e s s u n i t ) 。微处理器是一个小型的c p u ，其上集成相应的寄存器和程序指令集，用户可 以通过m p u 来完成嵌入式系统中的程序执行和运算功能。目前，在移动终端领域。获得广泛 应用的主要是a r m 公司所推出的a r m 系列微处理器。a 1 6 1 9 微处理器系列是美m a r m 公司继a r m 7 r i s c ( 精简指令集) 架构微处理器后又推出的一款3 2 位嵌入式r i s c 微处理器解决方案。这是一 套具有高性能、低费用、高效率的r i s c 处理器，并且经过特殊优化以适应于嵌入式系统的开 发环境。由于a r m 9 系列处理器的优良性能，国外大多数移动终端芯片生产商的硬件平台解决 方案都是基于a r m 9 微处理器系列的体系结构所设计的。我们的硬件平台中所用的就是a r m 9 微处理器系统中的a r m 9 2 0 t 开放平台处理内核。 a r m 9 微处理器系列是一个3 2 位典型的r i s c 微处理器，因此，其地址空间指针、寄存器、 程序指针、指令等的长度均为3 2 位( 4 - 7 节) 。同时，a r m 9 微处理器采用的是独立的内存装载 存储指令体系，即指令体系中只有相应的装载存储指令可以访问系统中的内存，而数据处 理指令只能访问寄存器。 a r m 9 2 0 t 微处理器核心架构，如图2 1 所示，a r m 9 2 0 t 微处理器核心包含有一个a r m g t d m i 微处理器核心、一个1 6 k 字节的数据快取内存、一个1 6 k 字节的指令快取内存、内存保护单元 ( m e m o r yp r o t e c t i o n u n i t ) 、一个a m b a 接口总线以及一个e t m ( e m b e d d e dt r a c e m a c r o e e 1 ) 接口，e t m 这个接口可以允许开发人员进行即时的微处理器流程追踪及除错。 潮江大学硕士学 望论文 图2 1a r m 9 2 0 t 微处理器核心架构图 2 1 2 硬件平台的构成 本系统采用$ 3 c 2 4 1 0 处理器，$ 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 p 1 9 2 0 t 处 理器核心。$ 3 c 2 4 1 0 的芯片结构如图2 ，2 所示： 1 4 浙扛大学硕士学位论文 图2 2 $ 3 c 2 4 1 0 的芯片结构图 $ 3 c 2 4 1 0 的结构特点： 采用0 1 8 u m 制造工艺的3 2 位微控制器。 独立的1 6 k b 指令c a c h e 和1 5 k b 数据c a c h e ，删u 。 支持t n 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 札a ，4 路带p 眦的t i m e r ，i o n r t c ，8 路1 0 位a d c 。 t o u c h s c r e e n 接口，i i c b u s 接口，i i s 日u s 接口。 1 5 渐江大学硕士学位论文 2 个u s b 主机，1 个u s b 设备，s d 主机和删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 。 整个p d a 系统的硬件结构包括： o 微处理器：s a m s u n g e 1 e c t r o n i c s 的s 3 c 2 4 1 0 处理器，a i m 9 2 0 t 内核，工作频率为2 0 3 i i z 。 0r o m ；采用1 6 m b 的n a n df l a s h ( k 9 f 5 6 0 ) 。其特点是容量大，性价比高。 or a m ：采用4 m b 的s d r a m 。对于本次开发的p d a 产品运用的场合需要的r a m 容嚣比较大，如果 选用静态r a m ，性能方面虽然好，但是价格太高。因此决定选择性价比高的s d r a m ，符合低成 本原则，即可以用来作为存储数据的内存，也可以当作程序存储器使用。 oo a r 1 ：r s 一2 3 2 c 串行接口。 0u s b ：一路d e v i c e ，遵循u s b i 1 协议。 o 触摸屏：3 2 0 x 2 4 0 触摸屏接口。 0j t a g ：1 4 针j t a g 接口。 p d a 的硬件结构图如下： 图2 3p d a 的硬件结构图 浙江大学硕士学位论文 软件的发展技术成为嵌入式系统中最重要的一环口，本题课题主要负责的是软件部分 接下来重点研究p i ) a 的软件部分。 2 2 操作系统的选择 i d c 发布的统计表明，未来的4 5 年山，信息家电市场会增长5 1 0 倍，这将带动嵌入式操 作系统的发展a 另据统计，现在嵌入式系统带来的工业年产值已经超过了l 万亿美元，为此 相关厂商纷纷将注意力集中到了嵌入式操作系统，如m i c r o s o f t 推出的w i n d o w sc e 。但 w i n d o w sc e 并未像人们预期的那样得到用户的认可，原因之是厂商和用户又多了一个选 择，那就是嵌入式l i n u x 。 l i n u x 自发布以来，在嵌入式领域取得了飞速发展，目前在开发的嵌入式系统e p 4 9 的 项目选择l i n u x 作为嵌入式操作系统，l i n u x 之所以能在嵌入式系统市场上取得如此快的发 展，与它自身的优良特性有着不可分割的关系： 1 ) 开放源码，丰富的软件资源 l i n u x 是自由的操作系统，它的开放源代码使用户获得了最大的自由度。l i n u x 上的软件 资源十分丰富，每一种通用程序在l i n u x 上都可以找到，并且每天都在增加。在l i n u x 开发程 序往往不需要从头做起，而是先选择一个类似的自由软件，进行二次开发。这就大大节省了 开发1 ：= 作量，缩短了开发时间。 2 ) 功能强大的内核，性能高效、稳定、多任务 l i n u x 的内核非常稳定。它的高散和稳定性己经在各个领域，尤其在网络服务器领域得 到了事实的验证，而且l i n u x 内核小巧灵活，易于剪裁。这使l i n u x 能适合嵌入式系统的应用。 3 ) 支持多种体系结构 l i n u x f 强支持x 8 6 ，a r m ，m i p s ，a l p i t a 。s p a r c 等多种体系结构。目前，l i n u x 已被移植到 数十种硬件平台上，几乎所有流行的c p ul i n u x 都支持。现在l i n u x 已经可以在没有删的 处理器上运行了。这就进一步促进了l i n u x 在嵌入式系统中的应用。 4 ) 完善的网络通信、图形和文件管理机制 l i n u x 自产生之日起就与网络密不可分，网络是l i n u x 的强项。另外，l i n u x 支持e x t 2 ， f a t l 6 f a t 3 2 ，r o m f s 等多种文件系统，有的文件系统具有防断电特性。在图形系统方面， l i n u x 上既有成熟的x ? i n d o w ，也有e m b e d d e dq t 等嵌入式g u i 。 5 ) 支持大量的周边硬件设备，驱动丰富 1 7 浙江大学硕士学位论文 l j n u x 上的驱动已非常丰富了，支持各种主流硬件设备和最新硬件技术，而且随着b i n u x 的广泛应甩，许多芯片厂家也开始提供l i n u x 上的驱动e 这进一步促进了l i f l u x 各种硬件平台 上的应用。 6 ) 大小功能都可定制 l i n u x 继承了u n i x 的优秀设计思想，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，能适合多种需求。是硬件资源有限的嵌入式系统的首选。 正是嵌入式操作系统的特殊要求，) b l i n u x 在嵌入式系统中的发展提供了广阔的空阃。 由于l i n u x 的高度灵活性，程序员可以很容易地根据应用领域的特点对它进行定制开发，以 满足自己的实际应用需要。l i n u x 固有的多任务、高教、稳定豹系统特征，使l i n u x 成为嵌入 式操作系统中的新贵。嵌入式l i n u x 般是按照嵌入式目标系统的要求而设计，由个体积 很小的内核及一些可咀根据需要进行剪裁的系统横块组成。一般来说。整个系统所占用的空 问不会超过几兆大小。通过第一章对三神当今流行的操作系统的比较刹上述l in u x 的优越性 分析，以及对p d a 系统的适用性出发，采用l i n u x 的最新版本l i n u x2 6 为本次开发的操作系 统。 l i n u x2 ，5 内核版本是于2 0 0 3 年岁末正式推出的一个最新版本，对于嵌入式领域，新 内棱台并了uc l i = u x 添加了瓿的体系结掏和处理器类型，包括对无槲u 系统的支持。更热 显示了l i n u x 的独特魅力。新推出的l i n u x2 6 内核具有以前的版本不同的新特性。 l i n u x2 ，6 内核的新特性如下： 支持更多处理器比如h 埘d 6 4 、一些大型机及嵌入式等。同时改进了对已有处理器的支 持。 采用抢占式内该，使交互式操作的响应速度大大提蕊， 修改了i 0 子系统部分，保证在各种工作负荷fi 0 都有很好的响应速度。 更新了i d e a t a 、s c s i 等存储总线。解决和改善了以前的一些问题，比如2 6 版内核 可以直接通过i d e 驱动程序来支持i d ec d r w 设备，而不必像以前一样要使用个特别的 s c s i 模拟驱动程序。 - a 大量改进文件系统，比如支持g i n d o w s 的逻辑卷管理器，重写对f r f s s 文件系统的支持， 改进h p f s 等， 改进和部分重写了r o d u l e s 功能，使之更稳定。 改进对u s b 的支持，使之能够支持当前多数主流的u s b 设备。 加强对无线设备的支持。 1 8 一一 塑垩奎堂堡主兰堡堡兰 增加了a l s a ( a d v a n c e dl i n u x s o u n d a r c h i t e c t u r e ) 。a l s a 是有希望取代旧式o s s ( 0 p e n s o u n ds y s t e m ) 的另一种声音系统，能支持全杜比录音及回放、无缝混音、支持声音合成设 备、u s b 声卡等。 支持更多种类和型号的多媒体设备。 网络功能新增了对i p s e o 协议的支持，改进了对i p v 6 的支持。 新增“e n a b l ed i f f e r e n ts e c u r i t ym o d e l s ”。 编译系统的改进。 ， l i n u x 2 6 版内核的很多新特性对于普通p c 用户，从2 6 版内核中感受到的将姓u s b 支持、响应速度、音频、无线设备、p d a 等方面的提高。 基丁嵌入式l i n u x 的p d a 的平台结构如图2 4 ： j基于l i n u x 的应用程序 i 广丙核接百谟1 l 一一迭 i ff 丽鳓程 厂歹陌驱疆f | !壁j 一序一j l l p d a 酗2 4 基于l i n n xo s 的平台层次结构图 开发采用语言，如果采用汇编语言，开发效率低，代码规模_ 毙大，难以管理维护。因此 选i 【； j c 语言作为编程语言，通用c c + + 集成环境作为编译调试环境，以利于大规模团队开发 同时便丁移植其他应用到p d a 上。用c 语言进行嵌入式系统软件开发的一般方法如图2 5 所示 其中仿真调试可以在没有任何硬件条件f 进行。 1 9 1 薹 一 霉 两一 一一 塑坚奎兰堡主堂垡堡塞 图2 5c 语言嵌入式系统软件开茇流程 由丁本次课题设计的p d a 运用的场所通常要处理来自串口等设备的大量信息，因此要求 系统其有更好的实时一陛。但是，l i n u x 的内核调度策略基本上是仿照u n i x 而来，将它应用于 嵌入式实时环境有许多不足，因此重点需要改进本次系统的实时性。 另外，在p d a 等嵌入式系统中，由于资源的限制以及应用的特殊环境等原因，需要在性 能和效益、技术和成本之间作些折衷。与桌厩p c 不同的是，p d a 的永久存储介质是f l a s h ， 它的存储容量只有几 毋，比起p c 的硬盘容量小很多，这就使用户所看到的用户界面都比较简 单，很难看n p c 机上美观的6 u 1 支持。为了使p d a 用户有比较完整的图形用户界面支持也成为 本次开发过程的难重点。接下来就重点来分析完成这两个p d a 设计中的重点。 塑望当兰堡主堂堡婆苎 第三章系统的实时化改造 3 1 实时操作系统概述 实时操作系统r t o s ( r e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m ) 姓指一个能够在定制的时间范围 内完成特定的功能或者对外部的异步事件做出响应的操作系统。其操作的正确性不仅依赖予 逻辑设计的正确程度，而且跟这些操作进行的时间有关。“在确定的时间内”是这个定义的 核心。也就是说，实时系统是对响应时间有严格要求的。 实时系统对逻辑和时序的要求非常严格，如果逻辑和时序出现偏差将会引起严重的后 果。实刚系统通常可分为两类：软实时系统和硬实时系统。软实时系统仅要求事件响应是实 时的，并不要求限定某一任务必须在多长时间内完成；而硬实时系统中，不仅要求任务响应 要实时，而且要求在规定的时间内完成事件的处理。通常，大多数实时系统是软、硬结合的。 实时应用软件的设计一般比非实时应用软件设计要困难一些。实时系统的技术关键是要保证 系统的实时性。 r t o s 首要任务是调度一切可利用的资源完成实时控制任务，其次才着眼于提高计算机 系统的使用效率，重要特点是要满足对时间的限制和要求。实时操作系统具有如下的功能： 任务管理( 多任务和基于优先级的任务调度) ；任务问同步和通信( 信号量和邮箱等) ；存储器 优化管理( 含r o m 的管理) ；实时时钟服务；中断管理服务。实时操作系统具有如下的特点： 规模小；中断被屏蔽的时间很短，中断处理短；任务切换很快。 实时操作系统可分为可抢占型和不可抢占型两类。对于基于优先级的系统而言，可抢占 型实时操作系统是指内核可以抢占正在运行着的任务的e p u 使用权并将使f 目权交给进入就 绪态的优先级更高的任务，是内核枪了c p u 让别的任务运行。而不可抢占型实时操作系统使 用某种算法并决定止哪个任务运行后，就把c p u 的控制权完全交给了这个任务，直到这个任 务主动将c p u 控制权还同来。中断由中断服务程序来处理，中断可以激活一个体眠态的任务， 使之进入就绪态；而这个进入就绪态的任务还不能运行，要等到当前运行的任务主动交出 c p u 的控制权。馒蹦这种实时操作系统实时性比不使用实时操作系统的系统好很多，它的实 时性取决于最长任务的执行时间。不可抢占型实时操作系统的缺点也恰恰是这一点，如果最 长任务的执行时间不能确定。系统的实时性就不能确定。 可抢占型实时操作系统的实时性最好，优先级高的任务只要具备了运行的条件，或者说 2 塑垩茎堂堡主堂垡笙苎 进入了就绪态，就可以立即运行。除了优先级最高的那个任务，其它任务在运行过程中都随 时可能被比它优先级高的任务中断，而中断它的任务先运行。通过这种方式的任务调度保证 了系统的实时性：但是，如果任务之间抢占c p u 控制权处理不好，会产生系统死锁、崩溃等 严重后果。 嵌入式实时操作系统在目前的嵌入式应用中用得越来越广泛，尤其是在功能复杂、系统 庞大的应用中显得愈来愈重要。 首先，嵌入式实时操作系统提高了系统的可靠性。在控制系统中，出于安全方面的考虑， 要求系统起码不能崩溃，而且还要有自愈能力。不仅要在硬件设计方面提高系统的可靠性和 抗干扰性，而且也应在软件设计方面提高系统的抗干扰性，尽可能地减少安全漏洞和不可靠 的隐患。长期以来的前后台系统软件设计在遇到强干扰时，使得运行的程序产生异常、出错、 跑飞，甚至死循环，造成了系统的崩溃。而实时操作系统管理的系统，这种干扰可能只是引 起若干进程中的一个被破坏，可以用通过系统运行的系统监控进程对其进行修复。通常情7 兕 下，这个系统监视进程用来监视各进程运行状况，遇到异常情况时采取一些利用于系统稳定 可靠的措施。如把有问题的任务消除掉。 其次，嵌入式实时操作系统提高了开发效率缩短了开发周期。在嵌入式实时操作系统 环境下，开发一个复杂的应用程序，通常可以按照软什j 二程中的分解原则将整个程序分鳃为 多个任务模块。每个任务模块的调试、修改几乎不影响其它模块。商业软件一般都提供了良 好的多任务调试环境。 蒋次，嵌入式实时操作系统充分发挥了3 2 位c p u 的多任务潜力。不仅3 2 位c p u 比8 位、1 6 位c p u 快，而且3 2 侥c p u 本来就是为运行多用户、多任务操作系统而设计的，特蜘 适于运行多任务实时系统。3 2 位c p u 采用利于提高系统可靠性和稳定性的设计使其更容易 做到不崩溃。例如，c p u 运行状态分为系统态和用户态；将系统堆栈和用户堆栈分开；实时 地给出c p u 运行