（电力电子与电力传动专业论文）基于嵌入式系统手持数字签名终端设计与研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fm o d e me l e c t r o n i ci n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n d n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , p e r s o n a le l e c t r o n i ci d e n t i t yw i l lb et h et r e n do f t h e f u t u r es o c i e t y t h ed e v e l o p m e n to ft h ee m b e d d e dh a n d s e tt e r m i n a l si sf a s t e rt h a n b e f o r e i ts u p p l i e st h eb e t t e ro p p o r t u n i t yf o rd e v e l o p m e n to ft h ee m b e d d e dh a n d s e t t e r m i n a l i nt h ed e s i g n i n gp r o c e s so fh a n d s e tt e r m i n a l ，t h ek e ys t e pa n dt h ef i r s ts t e pi st h e d a t af e t c h i n go fd y n a m i cs i g n a t u r ei n f o r m a t i o n w h i c hi sv c r yi m p o r t a n tf o rs u c c e d e n t j o ba n dw i l ld i r e c t l yi m p a c tt h ep r e c i s i o no ft h er e s u l t t h es y s t e ma d o p tt h ei n p u t d e v i c e o ft o u c hs c r e e n t o u c hs c r e e nc o n t r o l l e r a r mm p ua n de m b e d d e dr e a lt i m e o p e r a t i o ns y s t e ma n dg u i t h i sd e s i g nm e t h o dh a st h ea d v a n t a g eo fl o w e rc o s t p o r t a b l e a n ds oo n s oi nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，u s i n gh a n d s e ts i g n a t u r et od op e r s o n a l l y i d e n t i t yh a v eb r o a da p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d t h i sp a d e rf o c u s c so i lt h es y s t e md e s i g no ft h ee m b e d d e dh a n d s e tt e r r a i n a l ， a d d r e s s i n gt h eh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g ni nd e t a i l t h es y s t e m sf u n c t i o ni s t os a m p l e 、w a t c ha n ds a v et h ed i g i t a ld a t a t h es y s t e mm a k e su s eo ft h ep r o f e s s i o n a l a dc o n v e r s i o no ft o u c hp a n e la d $ 7 8 4 6t os a m p l et h es i g n a t u r ei n f o r m a t i o n i n c l u d i n g t h eh o r i z o n t a lc o o r d i n a t ea n dv e r t i c a lc 0 0 r d i n a t e t h ei d e o g r a p hw i l lb ev i s u a lo nt h e l c ds c r e e nb yc o o p e r u t i n go fa r m 、e m b e d d e dr t o sp c o s i ia n de m b e d d e d g r a p h i cs y s t e m “c g u i t h es a m p l i n gd a t aw i l lb es a v e df o rn e x ts t e p 1 1 1 e a p p l i c a t i o np r o j e c td e s c r i b e di nt h ep a p e ri n c l u d i n gt h ef o l l o w i n gp a r t s m i g r a t i o no fg c o s i i 、g c g u io nt h ep l a t f o r mo fs 3 c 4 4 b o x ，p r o g r a m m i n go ft h e c o n t r o ls o f t w a r eo ft o u c hs c r e e nc o n t r o l l e ri ca d s 7 8 4 6 ，a n dt h ej o bo fm i g r a t i n ga n d c o m b i n i n go fp c g u i t h ed e s i g ni n n o v a t e si nr e a l i z i n gd i f f e r e n ts i g n a t u r es t y l e su s i n g a p if u n c t i o no fi x c g u i w i mt h ed e s i g na n dd e b u g g i n go fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，t h es y s t e mn l n sw e l l t h er e s u l ts h o w st h a t ，t h es i g n a t u r ed a t ai n f o r m a t i o nf e t c h e di nt h i ss y s t e mb a s i c a l l y m a t c h e dt h er e q u i r e m e n to fa r i t h m e t i co fa u t h e n t i c a t i o ns y s t e m n ”d e s i g na c h i e v e d t i l ee x p e c t a n td e s i r ea n dc r e a t e dc o n d i t i o n sf o rt h ec o m m o d i t yi nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：h a n d s e tt e r m i n a l ，d i g i t a ls i g n a t u r e ，e m b e d d e ds y s t e m ，r t o s ，g u i i i 佩1 j | 亡工繁火秀 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经 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，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 关聋篙 日期：z 矿年r 月。7 日 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，即：学校有权保留 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 权湖北工业大学可以将本学位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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名： 日期：刎年5 月 关年磊 l 1 日 指导教师签名：百气x 认 日期：许r 月。、日 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 课题目的、意义、研究内容 本课题的研究背景是基于嵌入式系统下数字签名终端的软硬件技术的研究。 在该嵌入式系统中，可以方便准确的实现数字手写签名和保存，方便无纸化作业 的实施，通过此电子设备终端来采集和验证个人签名，并将信息捆绑在一起，达 到与纸上签名同样的效果，从而实现无纸化办公的一种技术。 在当代物品配送市场和大部分商贸领域中，减少纸张作为投递证据所采用的 首选技术就是签名采集技术。当业务交换中发生问题时，数字签名将是强有力的 证据。为此，希望有一种体积小、简便易操作的手持式签名信息采集器能够替代 现在普遍使用的纸质签名。而在手持设备中，人们越来越多地谈到触摸屏，因为 触摸屏作为一种最新的电脑及其他嵌入式输入设备，它是目前最简单、方便、自 然的而且又适用于中国多媒体信息查询国情的输入设备，触摸屏具有坚固耐用、 反应速度快、节省空间、易于交流等许多优点。利用这种技术，我们用户只要用 手指轻轻地触碰计算机显示屏上的图符或文字就能实现对主机操作，从而使人机 交互更为直截了当，这种技术极大方便了那些不懂电脑操作的用户。这种人机交 互方式。它赋予了多媒体以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体交互设备， 已经逐渐取代键盘成为嵌入式计算机系统的输入设备。基于触摸屏的输入系统实 际上是由触摸屏、触摸屏控制器、微控制器及其相应软件构成的，该课题从系统 的硬件组成入手，分析整个系统的硬软件原理及其实现方法。基于手持式设备的 数字签名技术，代替原有的纸质签名，数据量小、保密性强；数据存入非易失性 存储器中，能在掉电情况下恢复数据，签名数据可以通过各种通讯方式向上位机 发送签名数据。 在手写签名身份验证系统的设计中，重要环节也是第一步就是签名动态信息 的数据获取，这部分的工作对于后面的工作具有非常重要的实际意义，直接决 定验证结果精度的高低。本文采用触摸屏、触摸屏控制器、a r m 处理器及其相应 的软件作为手写签名的输入设备，此种设计比较简单、具有成本低、便于携带等 优点，因此在实际应用中利用手写签名进行个人身份认证有着广泛的应用前景。 通过此种设计所获得的签名动态数据信息，基本上达到了手写签名认证算法的需 要。 湖北工业大学硕士学位论文 本课题研究的嵌入式手持数字签名终端具有结构紧凑、体积小、功耗低、移 动范围广，使得该终端可以广泛地适用销售和物流配送业务、环境监测、交通稽 查、军事、以及电子商务等领域，可以在很大程度上改变落后的工作方式，促进 社会和经济的发展。 本课题的研究内容如下： 嵌入式系统的总体分析与设计，硬软件划分。 嵌入式硬件系统设计。 嵌入式软件系统设计。 1 2 手持数字签名终端概述 1 2 1 手持终端的现状及其发展 伴随着计算机、网络技术的出现，彻底改变了人们传统的工作方式如何提高 办公自动化程度、提高劳动生产率成为人们日益关注的话题。与此同时随着无纸 化办公等诸多概念的形成手持终端发展十分迅速。 手持式终端机出现在7 0 年代中期。第一部手持式终端机利用磁带记录资料用 1 2 v 汽车电池供电。受益于计算机技术的发展变化，一些在今天的市场上出售的手 持终端机实际上就是全功能的计算机，有的手持式终端机小到可以放进衬衫口袋。 常见的应用：库存管理( 包括存货盘点、控制、送货、收货、物资搬运和出货) 是 手持终端机的应用最广泛的领域。邮政、固定资产、物业管理、档案查询等领域 也在蓬勃发展。随着手持终端机存储量的提高及其性能的增强，新的应用正在开 拓。 近年来随着制造工艺的成熟，各个处理器平台不断涌现，适用于手持终端的 c p u 性能、处理速度越来越高，c p u 的位数、主频等指标相应提高。一些高档的手 持终端产品已经采用具有r i s c ( 缩减指令结构) 的3 2 b i tc p u ，使用户的现场处理速 度大大提高。嵌入式系统的发展给手持终端带来巨大的变化，各类嵌入式操作系 统，嵌入式图形用户系统，嵌入式数据库等使手持终端发展呈多样化的发展趋势， 也使得手持终端的可用性、友好性得到进一步提升，各行业在手持终端的需求也 在不断上涨，如金融证券、公安、交通、石油勘探、军队等领域。手持终端是一 个在物流方面很有前景的设备。在国外发达国家，传统的纸张传递信息的方式很 难融入大信息量的物流领域和满足高效率的工作要求；在国内，各单位也都逐渐 意识到这将是今后发展的必然趋势。手持终端可应用于多种行业，最广泛的应用 就是像连锁店这样的超市中。在大流量的物资流动行业中也得到了广泛应用。由 湖北工业大学硕士学位论文 此可见，手持终端在物流等领域的开发必将具有广泛的应用前景。 随着科技的不断发展，手持终端将具备越来越强大的功能。因此在手持终端 上集成各种功能模块将成为大势所趋。可以预见，在不久的将来，集多种用途于 一体的手持终端将会越来越普及。 1 2 2 基于数字签名的手持终端概述 随着网络经济的发展，电子商务逐渐成为一种主流的商业模式。在无纸化办 公的电子商务模式下，保证交易的安全、真实可靠性成为讨论的重点。数字签名 的概念也因此而生，数字签名是附加在数据单元上的一些数据，或是对数据单元 所作的密码变换，这种数据或变换允许数据单元的接收者用以确认数据单元来源 和数据单元的完整性，并保护数据防止被他人( 例如接受者) 进行伪造。 数字签名的形成多种多样，其中一种便是利用便携式手持终端进行数据采集 工作形成数字签名数据，以配合后续算法进行认证工作。 目前已有许多公司都有专门的机构从事数字签名包括其实现终端技术的研发 与应用，包括i b m 、美国智通、日木富士通等，其中美国智通公司在此领域的研究 独树一帜。它的s i g n i t 电子签名系统己经使用在各种商用场合，用户可以通过手 持终端签署电子文档使得批准和授权的过程变得更自然更方便，此技术可防在防 止无意或恶意地篡改文档，能较好的完成电子签名的工作。这套系统主要用于电 子文档的鉴名，侧重于办公应用，使用范围相对比较狭窄。 随着科技的进步，数字签名手持终端在提取签名数据过程中将更准确、迅速， 认证算法也将不断更新，确保数字签名的安全性和实用性。在新经济的推动下， 数字签名的手持终端将得到进一步的发展。 1 3 嵌入式系统概述 1 3 1 嵌入式系统的概念和发展及其分类 嵌入式系统，是以应用为中心，以计算机为基础，并且软硬件可裁剪。适用 于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。 用于实现对其它设备的控制、监视或管理等功能。嵌入式系统包括微处理器、定 时器、微控制器、存储器、传感器等一系列微电子芯片与器件，和嵌入在存储器 中的微型操作系统、控制应用软件组成，共同实现诸如实时控制、监视、管理、 移动计算、数据处理等各种自动化处理任务其核心是可编程计算部件川。嵌入式 系统的外围硬件设备是嵌入式系统与外界进行信息交换和控制处理的途径，包含 湖北工业大学硕士学位论文 了最大程度的用户应用，是研发的重点；操作系统的选择通常都是根据应用背景。 和硬件环境，并综合考虑经费开销来进行选型的【3 】。 嵌入式技术也经历了几个发展阶段。进入上世纪九十年代后，以计算机和软 件为核心的数字化技术取得了迅猛的发展，兴起了一场数字化技术革命。纵观嵌 入式系统的发展，大致经历了以下三个阶段： 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、 伺伏、指示设备相配合的功能。 第二阶段以嵌入式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c p u 种类繁多，通用性较弱：系统开销小，效率高； 第三阶段是以嵌入式操作系统为主要标志的嵌入式系统。 由嵌入式系统的概念可以看出，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，所以嵌 入式系统可以划分为硬件和软件两大部分。 1 3 1 1 嵌入式系统硬件 从硬件方面来讲，嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器。其垂直发展越来 越明显，出现了专业的i f ( i m e l l e c t u a lp r o p e r t yc o r e 一知识产权) 供应商，如a r m 、 m i p s 等，他们通过提供优质、高性能的嵌入式微处理器内核，自身不生产芯片而 是由各个半导体厂商生产面向各个应用领域的芯片口 。一般可以将嵌入式处理器分 成4 类，如图1 1 所示。 嵌入式处璀器 嵌 入 式 微 控 制 器 入 式 微 处 理 器 d s p 处 理 器 入s 式0 片g 上。 系 统 图1 1 嵌入式处理器分类 目前主要的嵌入式微处理器类型有：a r m x s c a l e 、p o w e r p c 、6 8 0 0 0 、m i p s 、 m 6 8 k 、c o l d f i r e 系列等。在我们的应用系统中，所采用的即为a r m 微处理器。 1 3 1 2 嵌入式系统软件 嵌入式系统的软件一般由嵌入式操作系统和上层应用软件组成。操作系统是 处在计算机硬件与应用程序之间的系统程序。操作系统使计算机硬件便于使用并 4 湖北工业大学硕士学位论文 能高效组织和正确地使用计算机的资源。目前嵌入式系统的软件分类，如图i 2 所 不： 图1 2 嵌入式系统的软件分类 实时操作系统( r e a l t i m eo p e r a t i o ns y s t e m ，r t o s ) 是指具有实时性，能支持实 时控制系统工作的操作系统。实时操作系统的首要任务是调度一切可利用的资源 完成实时控制任务；其重要特点是通过任务调度来满足对于重要事件在规定的时 间内做出正确的响应。在我们的应用系统中，由于采集到的数据要及时准确的显 示在l c d 上，避免响应不及时，所以选用的i t c o s i i 则是典型的实时操作系统。 1 3 2 嵌入式系统的特点 嵌入式计算机系统与通用型计算机系统相比具有以下特点【6 1 ： 嵌入式系统通常是面向特定应用的，生命周期比较长。 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统的软件一般都固化在存储器芯 片或单片机芯片中，而不是存储于磁盘等载体中。 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率的设计，力争在同样的硬件基础上实 现更高的性能。 软件代码高质量、高可靠性要求程序的编写和编译工具的质量一定要高，以 减少程序二进制代码的长度、提高程序运行速度。 保证系统软件的高实时性，以满足对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的 合理调度。 嵌入式系统主要用于各种信号处理与控制，目前己在国防、国民经济及社会 生活各领域普及应用，用于企业、军队、办公室、实验室以及个人家庭等各种场 所唧。 商用：各类收款机、p o s 系统、电子秤、条形码阅读机、商用终端、银行点钞 机、i c 卡输入设备、取款机、自动柜员机、自动服务终端、防盗系统、各种 银行专业外围设备。 工业：各种智能测量仪表、数控装置、可编程控制器、控制机、分布式控制系 湖北工业大学硕士学位论文 统、现场总线仪表及控制系统、工业机器人、机电一体化机械设备、汽车电子 设备等。广泛采用嵌入式计算机。 军用：各种武器控制( 火炮控制、导弹控制、智能炸弹制导引爆装置) 、坦克、 舰艇、轰炸机等陆海空各种军用电子装备，雷达、电子对抗军事通信装备，野 战指挥等各种专用设备等。 办公：复印机、打印机、传真机、扫描仪、激光照排系统、安全监控设备、手 机、寻呼机、个人数字助t 至( p d a ) 、变频空调设备、通信终端、程控交换机、 网络设备、录音录像及电视会议设备、数字音频广播系统等。 家用：数字电视机、机顶盒，数码相机，v c d 、d v d 音响设备，可视电话， 家庭网络设备，洗衣机，电冰箱，智能玩具等广泛采用微处理器、微控制器及 嵌入式软件。 我国全面信息化建设对嵌入式系统市场提出巨大需求，工业控制和信息家电 产品都有干万台市场需求量，商用嵌入式系统需求量非常巨大。 1 4 本文主要的研究工作和组织结构 1 4 1 主要的研究工作 随着信息化、智能化的发展，数字签名应用的范畴越来越广泛，对其数字签 名的终端设备的研究在嵌入式系统迅速的发展下积极展开。传统签名在办公及跨 区跨界的效率上已不能满足当今及未来发展需要。嵌入式数字签名终端的应用， 大大的提高了办公及多方面应用的效率和质量。本文研究设计了种基于嵌入式 系统手持数字签名终端设计与研究的方案，并设计和应用了该平台。具体来讲本 文主要做了以下工作： 对国内外数字签名所涉及到的嵌入式系统的最新发展作了具体的调查研究， 包括嵌入式系统最新的应用情况和未来的发展趋势：对目前市场上主流的嵌入式 微处理器和嵌入式操作系统进行了分析和比较，从而确定应用系统中嵌入式微处 理器和嵌入式操作系统的选型：对国内外嵌入式g u i 的发展和市场应用情况进行 了调查研究，研究并应用了一种嵌入式g u i i t c g u i 的应用平台的方案。 对跟系统开发相关的技术方法进行了学习和研究，包括嵌入式软硬件系统的 设计方法、电路设计制板工具的使用和基于a r m 微处理器的嵌入式开发环境的建 立和操作等，为后面应用平台的软硬件设计奠定了理论基础和技术保证。 对u c g u i 应用平台的硬件设计。针对嵌入式g u i 应用平台的具体应用对硬 件平台进行了结构设计、硬件电路设计、电路板的绘制、器件的选型和调试等， 湖北工业大学硕士学位论文 其中包括数字签名中使用到的触摸屏控制器和液晶控制器等。 对嵌入式应用平台的软件设计。深入研究嵌入式实时操作系统i _ t c o s 和嵌入 式图形系统i _ t c g u i 。通过对g c o s 内核源代码的分析和研究，进一步加强对实时 内核的各个部分的了解，并结合a r m 7 t d m i 处理器核提出了具体的移植实现方 案。针对嵌入式g u i 应用平台的具体应用对软件系统进行了包括：系统启动程序 设计、实时操作系统移植、串口通信程序设计、嵌入式g u i 的移植和应用等工作。 1 4 2 组织结构 第1 章首先介绍课题的研究背景、目的、意义和研究内容，分析国内外嵌入 式手持终端的研究现状，给出课题研究工作和组织结构。 第2 章阐述了手持终端的系统功能设计，包括硬件结构和软件结构。 第3 章阐述其硬件系统设计与实现，论述嵌入式系统选型存储，外围单元电路， 人机界面和通讯及调试端口设计。 第4 章阐述了软件设计与实现，论述了嵌入式操作系统i t c o s i i 和嵌入式图 形系统i _ t c g u i ，包括其移植和触摸屏控件的操作及其与o s 的挂接。 第5 章总结本课题，指出本课题的具体工作和不足之处。 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章手持终端嵌入式系统设计总体方案 2 1 嵌入式系统设计概述 2 1 1 嵌入式系统设计流程 嵌入式系统设计面临的挑战将会很大，让我们首先来看看在设计过程中所面 临的一些主要问题，主要包括硬件方面、时限方面、功耗方面的问题。 进行嵌入式系统设计有两种最基本的方法。一种是自顶向下的方法，从对系 统最抽象的描述开始，一步一步地推进到细节内容。另外一种方法是自底向上的 方法，这种方法从构成系统的每一个构件开始向上。从自顶向下的角度来看，我 们从系统的需求开始分析，然后是规格说明，在这一步对我们想要的进行更加细 致的描述，但是规格说明只是对系统如何工作进行了描述，并不涉及它的组成。 系统内部的详细构造要在开发系统的体系结构时才能展现出来，这一阶段以大的 构件为单位给出了系统的结构。一旦知道了需要的构件，就可以开始设计这些构 件，包括软件模块和任何我们所需要的专用硬件模块。在这些构件的基础上，我 们可以构造出所需要的完整的系统。 上述设计过程中的这些步骤只是我们可以观察到嵌入式系统的全貌的一个轴 线，还需要考虑设计的主要目的： 生产成本 性能( 总体的速度和时限) 功耗 用户界面 2 1 2 嵌入式系统设计方式 嵌入式系统的开发通常采用宿主机目标机方式，如图2 1 所示。首先，利用 宿主机上丰富的资源及良好的开发环境开发和仿真调试目标机上的软件；然后， 通过串行口或网络将交叉编译生成的目标代码传输并装载到目标机上，并用交叉 调试器在监控程序或实时内核操作系统的支持下进行实时分析和调度：最后，目 标机在特定的环境下运行。 湖北工业大学硕士学位论文 图2 1 宿主机目标机的开发方式 在本课题的系统开发中，采用的就是宿主机目标机的开发方式，主机上运行 的是a r m 公司的a d s1 2 集成开发环境【1 0 】，j t a g 仿真器是自行制作的简易j t a g 调试器，简易j t a c j 调试器通过并口与主机相连，并通过标准的2 0 针j t a g 口与 系统硬件平台连接。系统硬件平台通过标准的r s 2 3 2 串行接口与主机通信，通过 主机上系统自带的超级终端( 或串口调试工具) 打印出相应的调试信息，从而搭 建了一个完备的基于a r m 微处理器的嵌入式软硬件开发环境。 2 2 嵌入式手持数字签名终端分析与设计 22 1 系统功能设计 该系统主要是完成数字签名的采集、可视和保存的工作。签名的数据是后续 匹配识别的基础，因此，笔迹信息采集的准确与否将直接影响签名认证效果的好 坏，所以笔迹的信息采集就显得尤为重要。本系统是利用触摸屏a d 转换专用芯 片a d s 7 8 4 6 采集签名者所书写笔迹的多维信息，包括横坐标、纵坐标等信息，通 过a r m 、嵌入式操作系统i t c o s - i i 、嵌入式图形系统i t c g u i 的配合将书写的笔迹 即时的利用液晶屏将屏幕上得到的点显示出来形成签名。采集到的数据信息数据 通过串口传送到处理终端保存，以供后续的匹配识别。 在功能设计中需要注意的几个问题： 作为手持终端，设计需要满足便携的要求，包括电路设计和产品外观设计。 操作界面友好，美观方便实用为准则 2 2 2 系统硬件结构 本手持终端拟采用基于a r m 7 t d m i 核的s 3 c 4 4 b o x 1 1 】 1 2 】i t 3 作为嵌入式处理 器，整个硬件系统主要包括以下几个部分： a r m 7 t d m i 处理器 ； 湖北工业大学硕士学位论文 储存器系统 人机交互接口及界面：触摸屏( 触摸屏控制器) ，l c d ( l c d 控制器) 通讯端口串口 j t a g 调试接口 系统电源 整个硬件结构框图如图2 2 所示： 2 2 3 系统软件结构 图2 2 系统硬件结构框图 从一定意义上来讲，软件的作用是对硬件功能的扩充。在传统的单片机系统 设计中，对于软件系统常采用称之为前后台系统( f o r e g r o u n d b a c k g r o u n d ) 或超循环 系统( s u p e r l o o p ) 的设计方法。在这样的软件系统中，应用程序是一个无限的循环， 循环中调用相应的函数完成相应的操作，这部分可以看成后台行为 ( b a c k g r o u n d ) 1 4 】。中断服务程序处理异步事件，这部分可以看成前台行为 ( f o r e g r o u n d ) 。这样的前后台系统有以下几个缺点： 1 处理信息的及时性比较差。中断服务程序提供的信息必须等到后台程序运 行到处理这个信息时，才能得到处理。 2 应用软件直接作用于硬件层，软件系统结构性差，不利于应用软件的扩展。 3 编写出来的软件不具备复用性。当应用比较复杂，不利于把应用分解成若 干个独立的子任务。 由于以上原因，结合本系统考虑采取了基于嵌入式实时操作系统r t o s 的设 计。r t o s 为上层软件提供一个功能强大的虚拟机，给用户一个方便、高效、安全 1 0 湖北工业大学硕士学位论文 的工作环境。在r t o s 的支持下，不仅可以解决实时性问题，我们还可以将复杂 的应用程序分解成若干个独立的任务，使应用程序结构清晰，便于扩展，具有良 好的可复用性。当然，使用r t o s 必定会增加系统额外的开销，这些额外的开销 是r o m r a m 的增加的c p u 开销，然而，在硬件资源足够丰富的前提下，对于整 个系统来讲，使用r t o s 利大于弊。结合硬件系统结构，软件系统结构如图2 3 所 示。这样，我们可以把操作系统层看作是可供用户调用的a p i 函数的集合，它对 用户程序而言屏蔽了底层硬件的细节。 应用屡 操 作 客 统 殛 其 a p i 艋 00 00 硬件层 二互玉巫三亟互巫= 图2 3 软件系统结构框图 应用层由若干个独立的、并发执行的用户任务构成，这些任务通过使用操作 系统提供的服务，相互协作来完成复杂的应用。r t o s 内核主要完成任务的调度和 同步，并为设备驱动和g u i 等模块提供信号量、邮箱、消息队列等服务。g u i 在 r t o s 内核的支持下工作，并向应用层提供服务。设备驱动程序是连接底层的硬件 和上层的a p i 函数的纽带，有了驱动程序模块，就可以把操作系统的a p i 函数和 底层的硬件分离开来 1 ”。任何一个硬件的改变、删除或者添加，只需要随之改变、 删除或者添加给操作系统的相应驱动程序就可以了，并不会影响到a p i 函数的功 能，更不会影响到用户的应用程序。 本文选择了p c o s 作为r t o s ，基于以下几点考虑，首先，i t c o s 公开源代 码，且代码结构清晰，紧凑、协调，可裁剪、特别适合学习研究，也便于移植； 其二，性能稳定可靠，完全满足我们手持终端的性能要求；其三，从成本上加以 考虑，商用实时内核一般价格都比较昂贵。 对于g u i ，我们选择了i _ t c g u i ，g c g u i 是美国m i c f i u m 公司出品的一款针 湖北工业大学硕士学位论文 对嵌入式系统的优秀图形软件，它由纯c 代码写成，层次结构清晰，便于阅读； 提供了丰富的图形功能，其各类控件功能强大，配置简单容易，基于模块划分， 可以根据用户需求定义g u i 体系结构，而且提供触摸屏和键盘驱动等接口。在开 发套件上，提供众多工具辅助开发和非常完善的基于p c 平台的模拟器，方便我们 的移植和应用，减少开发周期，提高效率”“。 湖北工业大学硕士学位论文 第3 章硬件系统设计与实现 硬件系统的设计包括嵌入式处理器的选型、存储系统设计、人机接口设计、 数据采集接口设计。硬件系统的设计思路是：选好嵌入式处理器，充分利用嵌入 式处理器的存储系统特性来设计存储系统，充分利用嵌入式处理器提供的硬件资 源，来设计人机交互接口。本手持终端的硬件系统设计还要考虑到其应用的扩展 性，对于通讯接口，尽可能设计成标准数据接口，如串口。 3 1 嵌入式处理器 3 1 1 嵌入式处理器的选择 对于嵌入式处理器的选择首先是处理器内核的选择。在一个嵌入式系统中使 用什么样的处理器内核主要取决于应用的领域、用户的需求、成本、开发的难易 程度等。嵌入式微处理器有许多种流行的处理器核，芯片生产厂家一般都基于这 些处理器核生产不同型号的芯片。当前主流的嵌入式处理器架构有：a r m x s c a l e 、 m i p s 、p o w e r p c 、x 8 6 、6 8 k c o l d f i r e t l 7 】 18 1 。表3 1 列出了几种常见的处理器内核： 表3 1 几种常见的处理器内核 处理器主要性能及应用 a r m 小体积、低功耗、高性能。应用于移动通信、手持设备、 多媒体数字产品。 m i p s 高性能、高档次，覆盖从3 2 位到6 4 位处理器。应用于便 携式计算系统、便携式通信设备、数字消费产品、办公自 动化设备及工业控制领域。 p o w e r p c 性能较高，覆盖通用处理器和嵌入式处理器，应用范围广。 基于p o w e r p c 的嵌入式处理器一般用于高端嵌入式产品。 x 8 6 高性能，覆盖通用处理器和嵌入式处理器，基于x 8 6 的嵌 入式处理器一般都为6 4 位，较多应用于网络通信产品 6 8 k c o l d f i r e 高性能，主要用于通信设备。 本课题从嵌入式处理器内核，处理器速度、功耗及配套开发工具，s o c 功能 部件等考虑，选择了非常适合手持设备的基于a r m 7 t d m i 内核的s a m s u n g 公司 湖北_ t - 业大学硕士学位论文 的s 3 c 4 4 8 0 x 处理器。 3 1 2a r m 处理器及s 3 c 4 4 8 0 x a r m 即a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写。从2 0 世纪9 0 年代起，a r m 3 2 位 嵌入式r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p e e r - - 精简指令集计算机) 处理器扩展到 世界范围，占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用领域的领先地位。 a r m 处理器在耗电、数据传送、数据处理速度以及带d s p 功能等方面业界领先， 很快成为移动通信、手持计算、多媒体数字消费和嵌入式解决市场标准。因其卓 越的性能和良好的扩充性为广大设计者所喜爱，使用a r m 芯片构造3 2 位的嵌入 式系统成为嵌入式系统中的一个重要分支【2 0 1 。a r m 公司是设计公司，是知识产 权供应商，本身不生产芯片，通过转让设计许可由其合作伙伴来生产各具特色的 芯片，它在全世界有超过1 0 0 个的合作伙伴，从而形成了大量的开发工具和丰富 的第三方资源【“j 。 a r m 处理器的三大特点可以归纳如下： 小体积、低功耗、低成本、高性能 1 6 位( t h u m b ) 3 2 位( a r m ) x 叹指令集 合作伙伴众多，为其广泛运用提供前提和便利 a r m 处理器实现加载，存储体系结构是典型的r i s c 处理器。只有加载和存储 指令可以访问存储器，数据处理指令只对寄存器的内容进行操作。精简指令集计 算机r i s c 结构的产生是相对于传统的复杂指令集c i s c 结构而言的。传统的c i s c 随着计算机的发展而引入了各种各样的复杂指令，使得指令集和为此要实现这些 指令的计算机体系结构越来越复杂，各种指令的使用频度相差悬殊，大概有2 0 的指令被反复使用，使用量约占整个程序的8 0 ；而有8 0 左右的指令则很少使 用 2 2 1 。r i s c 的提出就是针对这些弊端的。r i s c 的特点如下： 指令规整、对称、简单。指令小于1 0 0 条，基本寻址方式有2 3 种 单周期指令。指令字长度一致，单节拍完成，便于流水操作 大量的寄存器。数据处理指令只对寄存器的内容操作，只有加载和存储指令 可以访问存储器 a r m 处理器本身是3 2 位设计，但也配备1 6 位指令集，以允许软件编码为更 短的1 6 位指令。与等价的3 2 位代码相比，占用的存储器空间节省高达3 5 ，然 而又保留了3 2 位系统所有的优势( 如访问一个全3 2 位地址空间) 。这个1 6 位指令 集就是t h u m b 指令集。我们称正在执行t h u m b 指令集的处理器是工作在t h u m b 状态，正在执行a r m 指令集的处理器是工作在a r m 状态，这两个状态之间的切 湖北工业大学硕士学位论丈 换是零丌销的，如果需要，甚至可以逐个例程使用切换【2 3 】。 a r m 处理器有3 7 个寄存器，它们被安排成部分重叠的组( o v e r l a pp i n gb a n k ) ， 在不同的处理器模式下使用不同的寄存器组，而分组的寄存器在处理处理器异常 和特权操作时可加快上下文切换。 a r m 还提供了两个前沿特性一嵌入式i c e r t 逻辑和嵌入式跟踪宏核系列，用 以辅助带深嵌入式核的、高集成的s o c 器件的调试【2 4 】。多年来，嵌入式i c e r t 一直是a r m 处理器重要的集成调试特性，实际上已做进所有的a r m 处理器中。 带有i c e r t 的处理器允许在代码的任何部分，甚至在r o m 中设置断点。 a r m 微处理器目前包括：a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、a r m l 0 e 系列、s e c u r c o r e 系列、i m e l 的x s c a l e 和s t r o n g a r m 等几个系列的处理器产品以 及其它厂商基于a r m 体系结构的处理器。 a r m 7 系列优化用于对价位和功耗敏感的消费应用的低功耗冯诺依曼结构3 2 位核，嵌入式i c e r t 逻辑；三级流水线。 a r m 9 系列高性能和低功耗领先的硬宏单元，有5 级流水线；哈佛结构。 a r m 9 2 0 t 和a r m 9 2 2 t 内置全性能的m m u 、指令和数据c a c h e 和高速a m b a 总 线接口。 s 3 c 4 4 b o x 是s a m s u n g 公司设计的一款低功耗高性能的、基于a r m 7 t d m i 的、精简指令系统的3 2 位高速处理器，主要适用于手持设备和普通应用。为了减 少开发系统的成本，s 3 c 4 4 b o x 还提供了：8 k bc a c h e ，l c d 控制器，2 路带握手 型号的u a r t 口，4 路d m a ，存储管理器( 包括f p 厄d o s d r a m 控制器) ，5 路 p w m 调制输出，7 1 个i o ，r t c ，8 路的1 0 位a d 转换器，i 2 c 接口，i i s 接e l ， s i o 接口，p l l 锁相环。以下是对这些组成部分的简单介绍： 8 个m e m o r yb a n k s ，用于管理外部存储器，最大存储容量达到2 5 6 m b 。 可外扩e p r o m ，s d r a m ，f l a s h ，u s b 和l c d 。每个b a n k 支持8 1 6 3 2 位的数 据格式，可寻址2 5 6 m b ( 除b a n k 0 ，后4 m b 保留给内部寄存器使用的) 。其中b a n k 0 专用于系统启动，因此它的存储器必须是线性寻址并且有记忆功能：b a n k 6 、7 专用于s r a m 、f p e d o s d r a m 等。 l c d 控制器支持单色、4 、1 6 级灰度的l c d 模块；支持4 位的单双行扫 描、8 位的单行扫描形式的显示类型：支持的主要显示点阵为：6 4 0 x 4 8 0 ，3 2 0 x 2 4 0 ， 1 6 0 x 1 6 0 等 两路u a r t ，最高波特率为1 1 5 2 0 0 b p s 。支持i r d a1 0 ，可用于红外通讯 5 路p w m 调制输出，可用于控制蜂鸣器输出不同声音，提示系统各类信息 7 1 个i 0 口，包括8 个外部中断源，可用于键盘、l c d 背光、照明控制等 湖北工业大学硕士学位论文 8 路1 0 位d 转换器，可用于系统电池检测 带日历功能的系统实时时钟，可用于纪录抄表时间 内置的p l l 锁相环，可以设置系统工作频率，最高达7 3 m h z 以上 4 种系统工作模式：正常、慢速、闲置和停止模式。根据需要设置不同的 工作方式，可以降低系统功耗 3 2 系统存储系统硬件单元电路设计 图3 1 为复位后的s 3 c 4 4 b o x 的存储器地址分配图。从图中可以看出，特殊功 能寄存器位置在0 x 0 1 c 0 0 0 0 0 0 x 0 2 0 0 0 0 0 0 的4 m b 的空间内。b a n k 0 b a n k 7 的起始 地址和空间大小都是固定的；b a n k 6 的起始地址是固定的，但是空间大小与b a n k 7 一样而且是可变的，可以配置为2 4 8 1 6 3 2 m b 。b a n r 6 和b a n k 7 详细的地址和空 间大小关系如图3 1 所示。 将c p u 上相应的b a n k 连线接到外设芯片的片选引脚上，便可以根据相应的 地址进行存储器或外设操作了。本存储系统选用n o rf l a s h 和s d r a m ，系统片 选及地址空间如下： n g c s 0 0 x 0 0 0 00 0 0 0 】：f l a s h ( a m 2 9 l v 3 2 0 d ) n g c s l 0 x 0 2 0 00 0 0 0 】：保留 n g c s 2 0 x 0 4 0 0 n g c s 3 0 x 0 6 0 0o o o o ：保留 n g c s 4 0 x 0 8 0 0 n g c s 5 0 x 0 a 0 0 n g c s 6 0 x 0 c 0 0 _ 0 0 0 0 ：s d r a m ( h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 ) n g c s 7 0 x 1 0 0 00 0 0 0 1 ：保留 b a n k 0 是系统r o m 存储体，所以必须在访问r o m 前定义b a n k 0 的总线宽度。 通过o m o ：i 配置。其他存储体的总线宽度只能在系统复位后由程序进行设定，由 地址为o x 0 1 c 8 0 0 0 的特殊寄存器b w s c o n 的相应位决定。 f l a s h 中存放系统b