（计算机应用技术专业论文）ecos平台基于nanox的车载导航仪的设计与实现.pdf

摘要 摘要 随着经济的快速发展，车辆在不断增多，人们的工作和出门旅行更加便利， 地域也更加广阔。与此周时，交通网络变得越来越复杂，人们的出行更加容易造 成迷失、堵塞。 基于p c 机的导航系统虽然发展较成熟，但是其携带不便的特点满足不了出行 在外的需求。定位导航技术、地理信息系统、通讯技术以及嵌入式计算机的发展， 使得研发出方便携带的、能提供定位导航功能的、能实时获取特定位置的地理信 息的嵌入式一体化设备成为可能。 结合车辆出行的特点，这种嵌入式一体化设备需要能连续地对车辆的位置、 速度、方向、行程以及周围的详细地理环境等进行监控和查询；对最优的路径进 行选择；帮助驾驶人员在陌生的地理环境中准确的选择路线、熟悉周围环境，正 确的驾驶车辆，安全、准确的到达目的地。 本课题在分析国内外同类车载导航系统的基础上，设计并实现了一款车载导 航系统的产品原型。此系统在硬件上采用a t m e l a t 9 l s a m 9 2 6 0 嵌入式c p u 、s i i 强 g s c 3 f g p s 模块以及s s d l 2 8 9t f tl c d 显示屏。同时在软件平台的搭建上，我们 选用开源的e c o s 作为操作系统，开源的n a n o x 作为渲染地图、操作界面的图形 库，根据车载导航的功能要求，设计拥有地图显示功能、地理信息服务功能、实 时导航功能、其他功能的导航应用。此系统较多的使用开源项目的成果，节省了 版权费用，降低了产品成本。 本课题首先介绍了车载导航发展概况以及课题的相关情况，接着完善了e c o s 交叉编译工具链，为当前不支持显示屏驱动和f r a m e b u f f e r 的e c o s 系统引入了l c d 类设备驱动、f r a m eb u f f e r 机制的实现方案。随后，根据电子地图的绘制和人机交 互界面的需求移植并完善了n a n o x 图形库。接下来，参考开源导航项目m g i s 设 计并实现了导航应用r i s g i s 的核心类、电子地图显示、消息机制等模块。最后， 对系统进行了总结和展望。 关键词：车载导航，e c o s ，n a n o x ，电子地图 a b s t r a c t a bs t r a c t w i t he c o n o m yr a p i dg r o w t h ，t h eo c c u p a n c yo fv e h i c l ei sa l s og r o w i n gr a p i d l y i ti s m o r ec o n v e n i e n tf o rp e o p l eg o i n gt ow o r ka n dt r a v e l l i n g 。i nt h em e a n t i m e ，t h et r a f f i c b e c o m e sm o r ea n dm o r ec o m p l e x ，i ti se a s yt om a z ea n dt a k ep e o p l ei n t oj a m c u r r e n t l y , t h ed e v e l o p m e n to fn a v i g a t i o ns y s t e mb a s e do np ci sm o r em a t u r e ，b u ti t i sn o tc o n v e n i e n tf o rp e o p l et ot a k eo nh a n d t h et e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tm a k e si t f e a s i b l et od e v e l o pp o r t a b l ee m b e d d e di n t e g r a t e dd e v i c ew i t ht h ef u n c t i o no fl o c a t i n g a n d n a v i g a t i n gt h es p e c i f i cl o c a t i o n a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fo u t i n g ，t h i si n t e g r a t e dd e v i c es h o u l dh a v et h e c a p a c i t yo fl o c a t i o n ，d i r e c t i o n , r o u t i n gc o n t i n u o u s l y i ta l s os h o u l dh a v et h ec a p a c i t yo f r o u t e p l a n n i n ga n dc a l lh e l pt h ed r i v e ra r r i v ea tt h ed e s t i n a t i o na c c u r a t e l yi nt h ee n d an o v e lv e h i c l el o c a t i o na n dn a v i g a t i o ns y s t e mp r o t o t y p ei si m p l e m e n t e di nt h i s t h e s i sa f t e ra n a l y s i n gc u r r e n tv e h i c l el o c a t i o na n dn a v i g a t i o ns y s t e m s w ep i e c ea t m e l a t 9 1s a m 9 2 6 0 ，s i r fg s c 3 fg p sm o d u l ea n ds s d l2 8 9t f tl e dt o g e t h e ra st h e h a r d w a r ep l a t f o r m m e a n w h i l e ，w ec h o o s en a n o xa sd i g i t a lm a pa n dh u m a n - m a c h i n e i n t e r f a c eg r a p h i cr e n d e r i n gl i b r a r y a c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t , t h es y s t e m c o n t a i n st h ef o l l o w i n gf u n c t i o nm o d u l e ：d i g i t a lm a pd i s p l a y , g e o g r a p h yi n f o r m a t i o n s e r v i c e ，r e a l - t i m en a v i g a t i o na n dm i s c e l l a n e o u sf u n c t i o nm o d u l e t h i ss y s t e mp r o t o t y p e u s eo p e ns o u r c ep r o j e c ta c h i e v e m e n tt or e d u c ec o s tb e c a u s eo f n ol i c e n s ef e e t h es t r u c t u r eo ft h i sp a p e ri so r g a n i z e da sf o l l o w i n g ：t h ed e v e l o p m e n to fv e h i c l e l o c a t i o na n dn a v i g a t i o ni n d u s t r ya n dt h ec o n d i t i o n so fr e l a t e dt o p i c sa r ei n t r o d u c e d f i r s t l y , a n dt h e nt h ep r o c e s so fc r o s sc o m p i l i n gt o o l c h a i ni se x p o u n d e d s e c o n d l y , t h e a c h i e v e m e n to fi m p o r t i n gi m p l e m e n ts c h e m eo fl e dc l a s sd e v i c ed r i v e ra n df r a m e b u f f e rt oe c o sa r c h i t e c t u r ei s g o t t h i r d l y , w ep o r tf r a m eb u f f e rf o rn a n o xg r a p h i c l i b r a r y a n dt h e n ，t h ec o r ec l a s sd e s i g n , d i g i t a lm a pr e n d e d n g ，d i g i t a lm a pc o n t r o l c o m p o n e n td e s i g na r ee x p o u n d e d i nt h ee n d ，t h er e s e a r c hr e s u l t sa n dt h ed r a w b a c k sa r e s u m m a r i z e d k e yw o r d s ：v e h i c l en a v i g a t i o n , e c o s ，n a n o - x ，d i g i t a lm a p i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：盗蔓查日期：叫年f 月万日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：馕塑导师签名： 日期： 瘁 年月日 第一章绪论 1 1 车载导航概述 第一章绪论帚一早蕴比 近年来，随着人们生活水平的不断提高，汽车逐渐进入家庭，并成为生活必 需品，未来几年内汽车的增长速度还将会大幅上升。车载导航系统具有巨大的市 场潜力和不可估量的发展前景，车载导航系统越来越成为我国汽车电子市场发展 的热点之一，国内不少企业纷纷投入到车载导航系统产品的生产和研发中，导航 系统的前景非常值得看好。在北美、欧洲、日本等地，汽车导航销售额雄居各类g p s 市场之首，而我国g p s 导航的发展则尚处于导入期。 在现今社会，交通是仍以公路交通为主体，公路交通网络正在逐渐越来越拥 挤，尤其是在城市中，公路交通通常都是高度复杂，常常造成迷失、堵塞等现象， 给人们带来了巨大的时间、经济损失，甚至是人员的伤亡。这使人们开始致力于 将先进的信息处理技术、数据通信技术、电子控制技术和计算机技术等集成一体， 研制出车载导航系统应用于道路交通当中，以提高交通运输效率，方便人们的出 行，节约人们的时间，以促进社会经济的发展和提高人们的生活水平i l j 【2 j 。 车辆导航系统v n s ( v e h i c l en a v i g a t i o ns y s t e m ) 是基于矢量电子地图 v e m ( v e c t o re l e c t r o n i cm a p ) 的将全球定位系统( g p s ) 、地理信息系统( g i s ) 、地图匹 配技术相结合的实时智能导航系统，实现车辆定位、车辆导航、自导航、路径规 划等核心内容，提供高精度、高可靠性的导航。典型的车辆导航系统由电子地图 数据模块、地图操作查询模块、定位模块、路径规划模块、路径引导模块等组成1 3 】。 车载导航系统( v e h i c l en a v i g a t i o ns y s t e m ，v n s ) 发展始于二十世纪七十年代初， 主要经历了三个发展阶段：起步阶段、发展阶段、逐步成熟的阶段( 4 】。 ( 1 ) 起步阶段：二十世纪七十年代初美国实施了一项“电子导航引导系统 的 工程，目的是进行车辆电子导航及交通管理研究。1 9 7 3 年日本进行了一项“车辆 交通综合控制工程”，这成为日本v n s 发展的起点。同时，其他一些国家也投入 了一定的人力和物力，进行了大量的研究工作。在这一阶段研制了一些相对简单、 商业化程度不高的导航系统，为以后v n s 的发展奠定了基础。 ( 2 ) 发展阶段：二十世纪八十年代中期到九十年代初期是国外v n s 的发展时 期，在这一阶段世界各国都加强了投入，组织了许多研究项目，主要研究车辆通 电子科技大学硕士学位论文 讯及完善算法和数据结构，建立了一些通讯接口标准，研制了一些适合v n s 的硬 件，开发建成了一些数字地图数据库，成立了相关的行业协会，制定了一些行业 标准，进行了一些基础设施的建设，更重要的是计算机在系统中的作用越来越重 要。在这一阶段，受潜在巨大经济效益的吸引，越来越多的大公司开发了一些较 为成熟的v n s ，目前商品化的产品有几十种。 ( 3 ) 逐步成熟阶段：自二十世纪九十年代至今，v n s 进入了成熟阶段。尤其是 自1 9 9 3 年底美国国防部将g p s 成果正式向民用开放以来，g p s 在v n s 中的应用 开始飞速发展，在很短的时间内有一大批v n s 研制成功。这一飞跃主要归功于三 个方面的发展：一是有多年v n s 的研究积累，特别是有关卫星导航的研究为v n s 打下了坚实的基础；二是多年来地理信息系统( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o n s y s t e m ，g i s ) 的研究为v n s 在数据结构、信息查询和空间分析等方面提供了成熟 技术；三是先进的通讯和计算机技术的发展为v n s 提供了硬件平台及技术基础。 此外，其他一些相关技术的提高也促使v n s 的定位精度不断提高，功能不断增强， 得到了广泛应用p j 。 1 2 课题背景 相比较而言，我国汽车导航系统的研究只是刚刚起步。g p s 车辆应用系统产 品以g p s 的指挥监控、调度报警系统为主，大多仅实现定位功能，而车辆自导航 导向产品基本没有发展起来，因此，这项产品在中国的市场几乎属于空白。随着 城市化进程的快速发展以及对智能化交通的需求加深，同时经济的发展也带来跨 省市间驾车活动的愈加频繁，国内车载导航系统己处于市场的开发启动阶段1 5 j 。 一个对国内导航系统开发有利的情况是【6 】：由于导航系统需要地理信息系统和 导航软件的支持，同时中外在交通习惯以及道路建设等方面有很大的差别，国外 导航系统在进入中国市场的过程中有很大的障碍，本地化进展并不顺利，所以虽 然国外产品比较先进，但也并没有真正大规模进入中国市场。 目前，日本车载导航系统市场已基本普及，欧洲、北美等地区正在快速发展。 但中国的普及程度还很低，蕴涵着巨大的潜力。 来自官方的数据，截止0 7 年末，中国汽车保有量达到5 6 0 0 万辆，但车载导 航仪器加载率非常低，不到5 ，远远低于日本等发达国家的水平。对于车载导航 市场，我们可以分为两大块：一块是前装市场；一块是后装市场。前装的车载系 统和后装的便携式导航设备共同壮大了这一市场。根据赛迪的研究数据，到2 0 1 3 2 第一章绪论 年，后装市场将达到1 0 0 亿，前装市场将达到1 0 0 亿【l 】。从这数据来看，车载导 航无疑是我国导航市场上一块待开发的处女地。行业分析报告显示，目前我国车 载系统尚处于市场培育阶段。目前的现状是：前装和后装市场发展不均衡，后装 市场比较“吃香”，业内专家预测，今后几年它仍将是市场主流。相对于后装设备， 前装设备也有自身优势，比如它可以将导航系统与车体系统合二为一，稳定性高 于后装设备，特别是t e l e m a t i e s 的引入，更使前装g p s 成为中高档车辆的标准配 置。这也是很多人预测后装市场将会“后发制人 的原因之一。 在这块丰厚的奶酪面前，国内厂商嗅觉的敏锐出人意料，收购麦哲伦的中国 台湾的神达早已推出自己高低端产品，新的加入者也不甘示弱，航天东方红卫星 信息技术公司推出一款新品、中国亚太移动公司推出两款新品【”。 在电子地图领地，四维图新、高德、凯立德、城际高科、灵图、易图通等厂 商也都使出浑身解数，寄望跻身强者行列。面对众多厂商进入车载导航领域，以 及外资、合资汽车厂商国产化浪潮推进的局面，有企业管理者认为，中国车载导 航市场潜力和容量巨大1 2 j 。 目前在国内，也已有部分厂商和研究单位推出了一些车载导航定位系统，但 要么由于技术简单，定位精度不够，要么由于成本昂贵，不能为一般用户所承受， 因而不能在实际车载系统中得到广泛的应用。要将这种系统实用化，则必须在提 高精度的同时大幅度降低成本。 综上所述，国内车辆定位和导航设备及系统的设计和开发目前仍然存在着一 些问题，但车辆定位和导航领域有巨大潜力，具有光明的前景，并将带来很大的 经济效益。 本课题源于一个实际的工程项目成都中联信通科技有限公司开发的车载 导航系统的预研。 1 3 课题涉及的相关技术 车载导航系统通过将导航定位技术、地理信息系统、通讯技术以及嵌入式计 算机技术结合在一起，应用于汽车，为汽车用户提供各种信息，使他们更大程度 上清楚自身的状况。通过该系统，驾驶人员可以实时连续地对车辆的位置、速度、 方向、行程以及周围的详细地理环境等进行监控和查询；对最优的路径进行选择， 可以在陌生的地理环境中准确的选择路线、熟悉周围环境，有效的指导驾驶人员 正确的驾驶车辆，安全、准确的到达目的地p j 。 3 电子科技大学硕士学位论文 导航定位是车载导航系统需要实现的基本功能。导航制导本身作为一门学科， 研究如何为运动目标提供导航信息，其应用领域十分广泛，包括许多不同的技术 分支。针对车载导航这一专门领域，国内外同类产品普遍采用卫星定位技术、惯 性导航以及组合导航技术，目前，市场上基于这些技术的关键产品十分丰富。为 了实现提供导航信息这一基本目的，同时考虑成本以及项目的需要，大多数车载 导航系统的开发往往直接选择合适的可供二次开发的产品。全球卫星定位技术以 其全天候、高效率、多功能等优点，已被广泛应用于车载导航定位。目前，世界 上有美国的g p s 全球卫星定位系统、俄罗斯的g l o n a s s 系统、欧洲的伽利略系 统，它们的工作原理和应用途径都十分类似。但市场上，目前g p s 产品占主导地 位【6 】。 车载导航系统要为用户提供丰富的地理信息，就离不开地理信息系统的应用。 地理信息系统是将电子地图和信息管理系统结合，以可视化的方式为用户提供服 务。在车载地理信息系统中，电子地图是关键，它本身就是信息的实体，同时也 是其他信息的组织平台。 电子计算机技术，可以说是深入各行各业，每个领域，每个角落。因为它是 电子时代信息处理的核心，无论怎样的解决方案，最终可能都需要一台计算机作 为信息的分析者和执行者，去实现人们的逻辑。在车载导航系统中，我们需要一 台体积较小、能满足导航信息和地理信息处理需要的嵌入式计算机平台。该平台 包括：硬件平台、嵌入式操作系统以及最终软件。整个计算机系统平台呈层次结 构，每一层只要符合该层的基本要求，其设计和实现就可以独立进行【7 】。 1 4 课题研究内容和主要工作 本课题的目的就是研发出一种价格低廉，但功能却比较强大的车载导航系统， 解决基于p c 机的导航系统和基于w i n c e 的嵌入式导航系统携带不便或成本高的 问题，使系统具有较高的性价比，弥补传统导航定位系统的不足。 作者在本项目中参与的主要工作包括： 1 学习与研究嵌入式实时操作系统e c o s 体系结构、工程管理等。 2 研究e c o s 官方提供的交叉编译工具链，并根据项目要求完善工具链，使 之支持导航系统c + + 项目的编译链接，实现e c o s 平台在开发c + + 项目中解决内存 泄漏、实现代码优化的方案，并从多方面完成对新工具链的测试。 3 完成l c d 设备的驱动开发，并添加l c d 设备到e c o s 设备驱动体系之中。 4 第一章绪论 4 完成e c o s 平台中i o 层f r a m e b u f f e ri o 子系统的设计与实现。 5 研究嵌入式图形库n a n o x ，加入新的驱动，并根据e c o s 设备管理体系特 点，调整图形设备驱动结构，根据项目汉字显示需求，配置并完善汉字显示方案。 6 参与设计r i s g i s 系统的体系结构，参与项目结构管理，参与地图解析模块， 负责地图显示模块的设计与实现，负责地图控制模块中地图显示部分的设计与实 现，参与事件驱动、核心类的设计等。 7 参考文档的编写工作。 1 5 论文的组织 本文共分七章，结构安排如下： 第一章绪论。介绍了车载导航的相关技术，说明了项目的背景，归纳了论文 的研究内容和主要工作。 第二章车载导航系统的体系结构。首先，阐明了本系统的软件平台，各模块 选择的原因及优势，接着介绍了系统硬件资源，最后描述了本系统的开发环境。 第三章车载导航系统操作系统平台实现。首先，介绍了本导航系统选用的嵌 入式实时操作系统e c o s ，详细地描述了e c o s 上支持标准c + + 库的交叉编译工具链 的实现与完善、e c o s 设备驱动的的结构与工作原理以及为e c o s 增加l c d 设备驱 动、f r a m e b u f f e r 机制进行的工作。 第四章车载导航系统图形库n a n o x 的研究与实现。通过研究e c o s 系统中 n a n o x 的结构及特点，并根据e c o s 设备管理体系特点，调整图形设备驱动结构， 完成了新的设备驱动的实现，并设计导航系统的汉字显示方案，以满足导航系统 汉字显示的需要。 第五章车载导航系统导航应用r i s g i s 的设计与实现。在完成了操作系统、图 形库等底层支撑平台工作之后，在此章中详细描述导航应用的的设计与实现。 第六章系统调试与测试。首先介绍了项目开发平台上的调试。接着，详细介 绍了项目的测试工作，按照前文实现的顺序，分别对负责完成的各个模块进行了 相应的单元测试，最后对系统原型进行了功能与性能测试。 第七章总结与展望。总结了本文内容，讨论了本课题的成功与不足之处，指 出下一步的改进方向和目标。 5 电子科技大学硕士学位论文 第二章车载导航系统的体系结构 2 1 系统软件平台 目前在国内厂商的嵌入式导航系统中，主要使用的操作系统是w i n c e 嵌入式 操作系统【7 】，由于微软公司强大的开发实力及推广能力，该系统近年来在车载导航 领域得到了迅速的发展。德国宝马的i d r i v e 系统，丰田公司的车载信息系统以及通 用公司研发的车载信息系统均采用了微软的w i n c e 平台f 8 j 。该系统由于微软公司 能提供持续不断的技术支持，因而升级较快，系统具有较强的生命力，但其缺点 是成本较高，因为它是商业操作系统，需要支付许可证使用费，首先是需要支付 一笔费用购买w i n c e 及其开发环境，套用该操作系统开发出来的每套产品也均需 交纳一定的费用。因此与开源免费的嵌入式系统相比，成本偏高，也不太适合于 用来开发低成本的嵌入式车载导航系统。 本系统选用e c o s 作为嵌入式的操作系统，由于其开放源代码，内核很小，不 需要很大的内存和硬盘容量，且其已经支持大多数嵌入式系统上使用的芯片，包 括x 8 6 、s p a r c 、f r v 、a r m 、m i p s 、p o w e r p c 等。此外，e c o s 是免费的，使用 e c o s 不需要付出任何费用瞄】，节省了l i c e n s e 费。更重要的是，成都中联信通科技 公司是国内比较早在e c o s 操作系统上进行平台化完善，并推出产品的公司，他们 在e c o s 上有相当丰富的经验以及储备了很多开发工具和中间件、功能模块，将e c o s 作为操作系统能节省时间和精力。关于e c o s 的介绍，将在第三章进行较详细的说 明。 由于e c o s2 0 已经包含的n a n o x 图形系统，而且n a n o x 本身就是一个比较 优秀的开源的图形库，使用它不仅可以节省l i c e n s e 费，而且省去移植其他开源图 形库的工作量，所以图形库使用n a n o x 作为嵌入式g u i 系统。 当前，由于自主研发数字地图需要投入大量的人力财力，大多数厂商没有自 己的数字地图系统，因此需要向第三方购买数字地图。m a p l n f o 格式地图市场占有 率较高，各地地图比较齐全，而且该格式的地图解析实现较多。所以，当前在人 力财力有限的情况下，采用m a p l n f o 格式的第三方电子地图作为本系统的地图。 地图文件存放在系统的f l a s h 中，板卡上留有u s b 接口，产品地图升级可以通过 u s b 接口，将最新的地图文件保存在f l a s h 当中，方便快捷。 6 第二章车载导航系统的体系结构 产品日后的规划将加入g p r s 或g s m 等联网功能，进入3 g 时代后，网络无 处不在，用户的车载导航设备能够上网下载最新的地图，即可实现地图的自动更 新。 在确定了车载导航系统的操作系统平台以及图形库、电子地图解决方案后， 定下了此车载导航系统的名字为对s g i s ( 为公司的英文名鼬s e t e k 加上地理信息系 统g i s ) 。 r i s g i s 导航系统的结构如图2 1 所示。 图2 - 1r i s g i s 导航系统的结构 由图2 1 可知，硬件平台的上层是嵌入式操作系统平台。该平台可以分为驱动 和系统环境两部分，其中驱动主要是负责导航系统各个零部件的输入输出控制， 而系统环境主要提供系统界面显示，以及为导航软件的开发提供接口支持，使导 7 电子科技大学硕士学位论文 航应用系统可以在该平台上运行。嵌入式操作系统平台的上层是应用层，在本项 目车载导航系统中，上层的应用为r i s g i s 车载导航应用。 2 2 系统硬件平台 本系统采用硬件开发板是成都中联信通科技有限公司自主研发的基于 a t 9 1 s a m 9 2 6 0 处理器的开发板r i s e t e k o c dv 1 0 。该开发板包含的资源如下： 1 ) 删处理器：c p u 为a t 9 1 s a m 9 2 6 0 ； 2 ) s d r a m ：s d r a m 为1 6 m b ； 3 ) f l a s h 存储器：3 2 m b 的s a m s u n gk 9 f 5 6 0 8n a n df l a s h ； 4 ) l c d 显示器：s o l o m o ns y s t e c h 的s s d l 2 8 9r g bt f tl c d ； 5 ) g p s 模块：s i r fg s c 3 f l p 7 9 7 9 是采用s i r fi i i 单芯片开发的g p s 接收 模块，具有体积小巧，功能强大，功耗极低，性能稳定等特点； 6 ) 接口：三个并行i o 接口槽( 由于l c d 显示屏集成了l c d 控制器，所以直 接连接l c d 显示模块到i o 接口槽上) 、2 个串口、2 个网口、2 个u s b 接口、一 个j t a g 接口。 a t 9 l s a m 9 2 6 0 处理器是a t m e l 公司a r m 9 系列处理器，它是为连接密集图 像处理产品而设计的。它集成了的a r m 9 2 6 e j s 内核，具有很强的处理运算能力。 主要特点： 1 ) 主频1 8 0 m h z ，处理能力2 0 0 m i p s ； 2 ) 带有m m u ； 3 ) 六个u s a r t 、一个调试u a r t ； 4 ) 一个自适应1 0 1 0 0 m 全双工以太网； 5 ) 两个u s b 主口以及一个u s b 从口，速度最高均可达1 2 m b p s ； 6 ) 支持s d r a m 的外部总线接口、闪存、n a n d 闪存、具有内置e c c 、s d 、 s d i o 和多媒体卡接口( m m c ) ； 7 ) 三个同步串行控制器( s s c ) 、两个主从串行外设接口( s p i ) 、三通道1 6 位定时器计数器、两导线接口( t w i ) 及所有数字引脚的i e e e l l 4 9 1 j t a g 边界扫 描，等等。更多具体细节可参考a t 9 1 s a m 9 2 6 0 芯片官方手册。 8 第二章车载导航系统的体系结构 2 3 系统开发环境 1 c y g w i n 在c y g n u s 公司设计和实现e c o s 解决方案的时候，除了对于e c o s 的实现外， 还考虑了开发工具( 如编译器等) 的支持。由于c y g n u s 公司在创立之初就在开发 自己的编译器等工具，所以后来就把g n u p r o 工具包作为e c o s 开发的必要工具链。 又由于g n u p r o 中的工具主要是运行在u n i x 兼容环境上的，所以当用户在 w i n d o w s 平台下进行开发时，需要建立u n i x 的模拟环境。而c y g n u s 公司本身可 以提供w i n d o w s 下的u n i x 模拟环境，因此在进行e c o s 开发之前，需要首先建立 c y g w i n 环境。 c y g w i n 是在w i n d o w s 上交叉开发目标机程序代码所需要的编译、连接环境， 同时也提供了交叉调试的支持，它包括环境支持和目标编译、连接、调试工具支 持两个部分。不同体系的c p u 都使用同样的环境，变化的是工具部分。 2 交叉编译调试工具 当前，e c o s 平台a r m 开发工具采用g c c 3 4t o o l c h a i n 。传统的a r m 工具在 e c o s 官方网站上能够找到【9 】。特别注意的是，交叉开发环境中很多软件都提供了 c y g w i n 环境，由于版本的不同，其支持能力也存在差异，所以，最新的c y g w i n 环境需要保证在以r h 变量中总是处于最前面的位置，否则会出现很多问题，包括 在使用e c o s 配置工具时也可能出现问题。此工具包包括交叉编译工具a l m e l f - g c c 、 交叉调试工具煳e l f - g d b 等等。 3 e c o s 配置工具c o n f i g t o o l t l o 】 e c o s 配置工具是一个图形界面的配置管理工具，用于选择、配置、编译所需 要的目标环境，最终形成供后续开发的库文件和函数头文件。在一些特殊情况下， 也可以生成目标文件，比如在生成r e d b o o t 的时候。 e c o s 配置工具需要c y g w i n 环境的支持以及交叉编译、连接工具的配置。 第一次使用e c o s 配置工具的时候，需要配置响应库，通过菜单 b u i l d - r e p o s i t o r y ，最终找到e c o s 所存放的目录。有了响应库之后，需要选择平 台，通过模板b u i l d t e m p l a t e s ，在出现的窗口中选择好硬件和支持包。 如果是第一次使用，同时还需要配置构建工具，通过菜单t o o l s p a t h s - b u i l d t o o l s 找到目标工具所在的b i n 目录( 注意，由于目标工具与所需要的目标环境有 关系，比如，当前e c o s 配置工具的目标为x 8 6 平台，那么，选择a r m 的目标工 具就不能成功。同样，配置工具的目标为a r m 平台，那么目标工具就应该是a r m 9 电子科技大学顿士学位论文 的交叉编译工具a r m - e l f g c c ) 。选择好了日标工具后，还需要选择用户工具，通过 菜单t 曲l p p g 山s u 9 e r l 如l s 找到c y g “n 环境的b m 目录。 完成了以上的工作，就可以生成库文件和头文件了，通过菜单b 山i d l i b m r y ， 输入项目名称，e c o s 配置工具就可以完成后续的工作了 使用c o 矗g t o o l 配霄系统库如图2 - 2 - 所示。 ) 8 日*自 i - m 1 “r t _ “ 口， m | ，“- m * mc ：g ：急。卜一n 一“ i - j 帕t ! r ”m 警釜一 一 j 惭* m r i f e 一# r 一l = i i o 一 + w i h r k g i r 一 rh _ n 一f m r _ n ，_ 口 riu ，n “。r rh 1 - r 口d _ r t p = ：j 。= “ 茎耋 p i “h r r 1 pt 月1 1 n h t “ r 4 ，l d _ 一一 幽2 - 2e c o s c o n 堍u m t i o n t o o l 配置示意幽 4 c v s n t 服务 c v s n t 服务提供配置管理的能力，使得多个开发者能够协同开发任务。c v s 全称c o n c u r r e n tv e r s i o n ss y s t e m ，主要用于管理在开发过程中生成的源代码、文档 等资料，记录他们的更新历史，使开发团队各成员可以更好的协作。c v s 版本控 制系统采用c s 架构，目前c v ss e i v e l 可以支持l i n u x 、w i n d o w s2 0 0 0 x p 2 0 0 3 以及部分u n i x ( 如s u n 的s o l a d s 等) 。c v sc l i e n t 在l i n u x 、w i n d o w s 、u n i x 上也 有对应的版本【1 1 l 。 在e c l i p s e 中已经内置了c v sc l i 蚰t ，e c h p s e 的文档中建议将c v s $ e t v c l 安装 在l i n u x 、u n i x 等操作系统上，不过在我们大多数人的开发中，采用c v ss e r v e r f o r w i n d o w s 仍然是最方便快捷的方式，尽管它可能比小上l i n u x 、u r a x 版本自b 样的稳 第二章车载导航系统的体系结构 t l 匕o 5 e c l i p s e 集成开发环境 e c l i p s e 是一个非常优秀的集成开发环境，i b m 已经花了多年时间来帮助开发 基于j a v a 的公开代码软件e c l i p s e ，这个在i b m 支持下的开放源码项目经过一段时 间的发展完善，已经为广大j a v a 开发者所熟悉。 e c l i p s e 是一个用于构建集成w | e b 和应用程序开发工具的平台，它本身并不会 提供大量的最终用户功能，而是通过插件形式来快速开发集成功能部件2 】。 e c l i p s e 的核心是动态发现插件的体系结构。e c l i p s e 的出现，不仅为开发者提 供了免费使用强大的j a v ai d e ( i m e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o m e m ) 的机会，而且也 为的开发者提供了基于c d t ( 基于c c + + 语言的开发环境) 这样的开发环境。 e c l i p s e 软件可以用于管理多种开发任务，其中包括测试，性能调整以及程序 调试等，而且还可以集成来自多个供货商的第三方应用程序开发工具。 在使用e c l i p s e 前需要安装j a v a 虚拟机，笔者使用s u n 公司提供的j d k l 5 。 e c l i p s e 在w w w e c l i p s e o r g 中下载，笔者使用版本为3 1 。使用其s d k 版本， 包括了j a v a 开发的所有能力，如果下载其运行版本，需要同时下载其j a v a 开发工 具j d t 。 使用c c + + 交叉开发，需要下载w w w z y l i n c o m 提供的修改了的c d t 开发插 件，e c l i p s ej 通过插件提供各种功能，使用者仅仅把插件拷贝到相应的f e a t u r e 、p l u g i n s 目录就行了。 电子科技大学硕士学位论文 3 1e c o s 简介 第三章车载导航系统操作系统平台实现 e c o s ( e m b e d d e dc o n f i g u r a b l eo p e r a t i n gs y s t e m ) ，即嵌入式可配置操作系统，最 初起源于美国的c y g n u ss o l u t i o n s 公司。c y g n u s 公司于1 9 9 8 年1 1 月发布了第一个 e c o s 版本e c o s1 1 ，当时只支持有限的几种处理器结构。1 9 9 9 年1 1 月，r e d h a t 公司以6 7 4 亿美元收购了c y g n u s 公司。在此后的几年里，e c o s 成为其嵌入式领 域的关键产品，得到了迅速的发展。2 0 0 2 年，r e d h a t 公司由于财务方面的原因， 裁剪了e c o s 开发队伍，但并没有停止e c o s 的发展。r e d h a t 公司随后宣称将继续 支持e c o s 的发展，而由原e c o s 主要开发人员组建了e c o sc e n t r i c 公司，并于2 0 0 3 年5 月正式发布了e c o s2 0 1 9 1 。 e c o s 最重要特点可配置性 虽然e c o s 是r e d h a t 的产品，但是e c o s 并不是l i n u x 或l i n u x 的派生，e c o s 弥补了l i n u x 在嵌入式应用领域的不足。目前，一个最小配置的l i n u x 内核大概有 5 0 0 k b ，需要占用1 5 m b 的内存空间，这还不包括应用程序和其它所需的服务； e c o s 可以提供实时嵌入式应用所需的基本运行基件，而只占用几十k b 或几百k b 的内存空间。e c o s 是一个源码开放的可配置、可移植、无版税、面向深嵌入式应 用的实时操作系统。从e c o s 的名称可以看出，它最大的特点在于它是一个配置灵 活的系统。e c o s 的核心部分是由不同的组件组成的，包括内核、c 语言库和底层 运行包等。每个组件以能提供大量的可配置选项，利用e c o s 提供的配置工具可以 很方便地进行配置。通过不同的配置使得e c o s 能够满足不同的嵌入式应用【1 1 1 。 e c o s 在嵌入式系统软件方面最具创新意义的贡献是它的配置结构和配置方 法。以往，大多数嵌入式系统的开发需要开发人员自己对应用进行适当的调整和 改变来适应底层的操作系统，但e c o s 改变了这种情况。e c o s 为开发人员提供了大 范围的可选项来对底层操作系统进行配置，使其能够更好地满足应用的需求，这 样就变成了调整操作系统来适应应用。当前，e c o s 提供了2 0 0 多个配置选项，典 型的配置选项包括调度器的类型和任务优先级别数目等。目前，已经有一些软件 公司正在借鉴e c o s 的这种配置方式。e c o s 采用模块化设计，将不同功能的软件分 成不同的组件，这些组件具有可重用性，分别位于系统的不同层次。这种层次结 1 2 第三章车载导航系统操作系统平台实现 构实现了e c o s 的可配置性、可移植性、兼容性和可扩展性。图3 一l 是e c o s 系统的 层次结构图【9 】。 图3 - 1e c o s 层次结构图 e c o s 通过提供以实时内核为核心的一些核心组件来实现线程同步机制、调度 机制、中断处理、例外和错误处理、定时机制及设备驱动程序等标准功能。从e c o s 层次结构图可以看出，这些核心组件主要包括1 9 】【1 0 】【1 1 】： ( 1 ) 硬件抽象层( h a r d w a r ea b s t r a c t i o nl a y e r ) ：对硬件平台进行抽象，为上层 软件对硬件的控制和访问提供一个标准接口。硬件抽象层的实现保证了e c o s 系统 具有良好的可移植性。 ( 2 ) 内核( k e r n e l ) ：内核包含了中断和例外处理机制、多线程机制、同步机制、 可供选择的多种调度机制、定时机制、计数器等。 ( 3 ) i s oc 和数学库( l i b r a r i e sca n dm a t h ) ：提供与标准兼容的函数和调用。 ( 4 ) 设备驱动程序( d e v i c ed r i v e r s ) ：对一些典型的设备提供驱动程序支持， 包括串口驱动程序、以太网驱动程序、f l a s hr o m 驱动程序、u s b 驱动程序、 p c m c i a 驱动程序等等。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 ( 5 ) g n ud e b u g g e r (