（电路与系统专业论文）4s一体化手持终端设计及关键技术.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 3 s 集成的现有方法是：( 1 ) 购入g p s 硬软件、r s 硬软件、g i s 数据与软 件；( 2 ) 开发( 或委托生产商开发) 硬软接口和软件接口，使3 s 相互连通；( 3 ) 针对具体需求开发具体的应用软件以解决具体问题。通常的做法是将3 个s 中的两个s 紧密接合( 如r s 栅格影像与g i s 矢量图) 而附加了第三者，形成松 散的3 s 集成。迄今为止，软件上数据结构一致，硬件上物理结构紧密的3 s 集成系统尚未见到。 现行的3 s 集成系统的局限性是：( 1 ) 功能局限性，原则上不能脱离 1 + 1 + 1 = 3 的模式；( 2 ) 性价比局限性，g p s 、g i s 和r s 是3 个购来的部件，集 成后只会增加成本，性价比不可能获得本质性提高：( 3 ) 稳定性局限，取决于 外购三部件本身的稳定性以及相互间是否能够配套对接，即集成后的系统是 否稳定，往往并不取决于集成者。因此，3 s 集成经历数十年而未能在高精度 专用设备领域内形成商业性行业。 4 s 一体化系统的技术实现方法是：从片上系统的层面开始将4 个s 融为 一体，按照计算机组成原理研制出4 s 一体化嵌入式计算机硬软件并采用多网 融合的方式实现互联。4 s 的核心内容是通过底层结构的一体化从功能构件的 相互作用上产生涌现性，通过涌现性产生新功能和新方法，通过新功能和新 方法实现超高性价比和超低价格。无论4 s 系统具有怎样丰富的涌现性，其底 层结构的一体化决定了它是一个由规则支配的系统，而这种规则恰恰是由研 制者自主设定和实现的。因此，决定系统状态的控制空间和序参量都是完全 确定的，这意味着系统本身具有良好的可控性和稳定性。 如何把现有的4 s 技术用于实际的工作，却是一项比较繁琐和复杂的工 作。例如，如何处理大数据量的图像、如何实时的获取现场勘测的数据、如 何统一的处理系统中各种不同的数据、如何在现有的4 s 平台上实现多功能手 持终端的稳定性等，都是本文需要解决的问题。所以把现有的“4 s ”技术运用 于实际，解决实际工作中所面临的困难，是本文进行研究的立足点。本文以 a r m 9 为核心的手持终端为硬件依托，采用嵌入式w i n c e 开发环境，研发 出一套集成了“4 s ”基本功能的软件系统。本文研究了一些4 s 的关键技术，包 括多功能图片处理器的设计，地图勘探数据实时纠正的设计，4 s 数据统一索 引、统一查询、统一融合的设计等，提出了相应的解决方案，并在此基础上 硕士学位论文 m a s t e r st h e $ 1 s 根据4 s 集成的目标和原则，完成了相关的软件设计。 关键字：4 s 一体化，g p s g i s r s c s ，图像处理，实时校正，数据融合 硕士学位论文 m a s t e r st h e 8 1 5 a b s t r a c t t h ee x i s t i n gm e t h o d so f3 si n t e g r a t i o na r ep u r c h a s i n gg p sh a r d w a r ea n d s o f t w a r e 、r sh a r d w a r ea n ds o f t w a r e 、g i sd a t aa n ds o f t w a r e ，d e v e l o p i n gh a r d w a r e i n t e r f a c e sa n ds o f t w a r ei n t e r f a c e st oc o n n e c tt h e3 s ，a i m i n gs p e c i f i cn e e d st o d e v e l o ps p e c i f i ca p p l i c a t i o n st os o l v et h es p e c i f i cp r o b l e m s t h eu s u a lb e h a v i o ri s t oc l o s eb o n d 2 so ft h e3s ( s u c ha sr si m a g e sa n dg i sv e c t o r ) a n da t t a c ht ot h e t h i r dp a r t yt of o r mal o o s e3 si n t e g r a t i o n s of a r ，t h e3 si n t e g r a t e ds y s t e mo f c o n s i s t e n ts o f t w a r ed a t as t r u c t u r ea n dc l o s eh a r d w a r ep h y s i c a ls t r u c t u r eh a sb e e n n o ts e e n t h el i m i t a t i o n so fc u r r e n t3 si n t e g r a t e ds y s t e ma r ef u n c t i o n a ll i m i t a t i o n st h a t i np r i n c i p l ec a t ln o tf r o mt h em o d e lo f1 + 1 + 1 = 3 ，c o s t - e f f e c t i v el i m i t a t i o n st h a t g p s ，g i sa n dr si st h ep u r c h a s eo ft h r e ep a r t s ，3si n t e g r a t i o nw i l lo n l yi n c r e a s e c o s t s ，c o s t e f f e c t i v ec a nn o tb ei n c r e a s e dn a t u r e ，s t a b i l i t yl i m i t a t i o n st h a td e p e n d o nt h es t a b i l i t yo fi t st h r e ec o m p o n e n t sa sw e l la st h ep o s s i b i l i t yo fm a t c h i n g d o c k i n g ，t h ei n t e g r a t i o no ft h es y s t e mi s s t a b l ea n dd o e sn o td e p e n do nt h e i n t e g r a t o r s t h e r e f o r e ，3si n t e g r a t i o ne x p e r i e n c e df o rd e c a d e sc a r ln o tb ef o r mt h e c o m m e r c i a li n d u s t r yi nt h ef i e l do f h i g h p r e c i s i o ne q u i p m e n t t h et e c h n o l o g yo f4 si n t e g r a t i o ns y s t e mi si n t e g r a t i n gt h e4 sf r o mt h el e v e l o fs y s t e m o n - c h i p ，i na c c o r d a n c ew i t ht h ep r i n c i p l e so fc o m p u t e rc o m p o n e n t st o d e v e l o p4 si n t e g r a t i o ne m b e d d e dc o m p n t e rh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea n da c h i e v e i n t e r c o n n e c t i o na d o p t i n gm u l t i - n e t w o r ki n t e g r a t i o n t h ec o r ei n f o r m a t i o no f 4 s i n t e g r a t i o ns y s t e m i s g e n e r a t i n g t h e e m e 唱e n c eo f t h e i n t e r a c t i o nb e t w e e n f u n c t i o n a lc o m p o n e n t st h r o u g ht h ei n t e g r a t i o no ft h e u n d e r l y i n gs t r u c t u r e ， g e n e r a t i n gn e wf u n c t i o n sa n dn e wm e t h o d st h r o u g he m e r g e n c e ，a c h i e v i n g u l t r a - h i g hc o s t - e f f e c t i v ea n du l t r a - l o wp r i c e st h r o u g hn e wf u n c t i o n sa n dn e w m e t h o d s r e g a r d l e s so fh o wt h e4 ss y s t e mh a sr i c he m e 唱e n c e ，t h ei n t e g r a t i o no f t h eu n d e r l y i n gs t r u c t u r ed e c i d e st h a ti ti sa s y s t e md o m i n a t e db yt h er u l e sa n dt h e r u l e sa l eo w ns e ta n da c h i e v eb yt h ed e v e l o p e r s o ，t h ec o n t r o ls p a c ea n do r d e r p a r a m e t e rt h a td e c i d et h es y s t e ms t a t ea r ec o m p l e t e l yd e t e r m i n e d ，t h i sm e a n st h a t t h es y s t e mi t s e l fh a sag o o dc o n t r o l l a b i l i t ya n d s t a b i l i t y 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s h o wt om a k eu s eo ft h ee x i s t i n gt e c h n o l o g yf o rt h ea c t u a lw o r ki sam o r e c u m b e l - s o m ea n dc o m p l e xt a s k f o re x a m p l e ，h o wt od e a l 丽t l ll a r g ed a t a - v o l u m e i m a g e ，h o wt oo b t a i nr e a l - t i m es i t es u r v e yd a t a , h o wt oc o n s i s t e n t l yd e a lw i t ha v a r i e t yo fd a t a o fs y s t e m ，h o wt oa c h i e v et h es t a b i l i t yo fm u l t i - f u n c t i o n a l h a n d - h e l dt e r m i n a l sb a s e do ne x i s t i n g4 sp l a t f o r ma n ds oo n , a l lo ft h a ta r e t h e i s s u eo ft h ea r t i c l en e e d st ob ea d d r e s s e d t h e r e f o r e ，m a k i n gu s eo ft h ee x i s t i n g ”4 s ”t e c h n o l o g yt oa p p l yt ot h ea c t u a l ，s o l v i n gt h ef a c i n gd i f f i c u l t i e si np r a c t i c a l w o r k ，i st h ed i r e c t i o no fr e s e a r c hi nt h i sa r t i c l e i nt h i sp a p e r , r e l y i n go na r m 9 h a n d - h e l dt e r m i n a la st h eh a r d w a r e ，a d o p t i n ge m b e d d e dw i n c ed e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t , d e v e l o p sas e to fs o f t w a r es y s t e mt 1 1 a ti n t e g r a t et h e4 sb a s i c f u n c t i o n s t h ep a p e rs t u d yav a r i e t yo fk e yt e c h n o l o g i e so f4 s ，i n c l u d i n gt h e d e s i g no fm u l t i i m a g ep r o c e s s o lt h ed e s i g no fc o r r e c t i n gr e a l - t i m er e m o t es e n s i n g d a t a , 4 sd a t au n i f i e di n d e x ，u n i f i e dq u e r y , u n i f i e di n t e g r a t i o nd e s i g na n ds oo n , p u tf o r w a r dt h ec o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n s ，a n df i n i s ht h er e l e v a n ts o f t w a r ed e s i g n a c c o r d i n gt oo b j e c t i v e sa n dp r i n c i p l e so f4 si n t e g r a t i o n k e yw o r d s ：4 si n t e g r a t i o n ，g p s g i s r s c s ，i m a g ep r o c e s s i n g ，r e a l - t i m e c o r r e c t i o n ，d a t af u s i o n 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学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，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：日期：年月 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。本人授权华中师范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。同意华中师范大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 作者签名： 日期：年月 日 导师签名： 日期：年月日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本 人的学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章 程”中的规定享受相关权益。圃耋迨塞握交卮澄蜃；旦坐生；旦二生；旦三生筮 j 吐 作者签名： 日期：年月 日 导师签名： 日期：年月日 硕士学位论文 m a s 丁e r st l e s i s 1 1 4 s 技术 第一章绪论 4 s 技术是遥感技术( r e m o t es e n s i n g ，r s ) 、地理信息系统( g e o g r a p h y i n f o r m a t i o ns y s t e m s ，g i s ) 、全球定位系统( g l o b a l ：p o s i t i o n i n gs y s t e m s ，g p s ) 和通信系统( c s ) 的统称，是传感器技术、空间信息技术、卫星导航技术和 通信网络技术相结合，多学科、全方位对多元数据进行采集、处理、分析、 表达、传输和应用的现代信息技术。 r s 是r e m o t es e n s i n g 的缩写，是指用间接的手段来获取目标信息的方 法。是通过非接触性的传感器系统，对物体及其环境所获取的影像数据 进行记录、存储、量测处理、解释、分析、显示和利用的一门学科。这 种记录、存储、处理、解释、分析、显示和利用完全由计算机来完成， 其主要特点是其具有实时性、周期性、和综合性。 g i s 即地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 。g i s 是储存 和处理与地理空间分布有关信息的集合。g i s 的储存和管理、数据转换与分 析、成果生成与输出的各项工作全部由计算机来完成。g i s = 地理信息的获 取与输入+ 数据储存管理+ 数据转换分析+ 成果生成与输出，可以应用于 一切与地理信息有关的场合与事件。 g p s 是g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m 的缩写，含义为全球定位系统，g p s 的工作原理是天文定位+ 无线电定位。技术实现的方法是将无线电技术与计算 机技术相结合。g p s 有空间部分、地面控制部分、用户设备部分三部分组 成，基本原理是测量出已知到用户接收机之间的距离，然后综合三颗以 上卫星的数据计算出接收机的具体位置。g p s 的应用范围很广，包括大地 控制测量、工程测量、变形监测、航空摄影测量、线路勘测及隧道贯通测量、 地形测量、地籍及房地产测量、海洋测绘、智能交通、地球动力学与地震研 究、气象信息测量、航海航空及陆上导航等。 c s ( 通信系统) 是基于移动网络与有线英特网的网络通信系统。现有 的移动通信网络主要是g p r s ，通过其与有线i n t e r n e t 的连接，实现有线 和无线的网络通信功能，实现数据的实时、海量传输。随着无线通信网络 的迅速发展，有线英特网和无线通信网络已近没有明显的界限，可以采用统 一的底层协议来实现其高度的融合，使所有的信息向i p 汇聚，从而真正实现 项士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 多网合一和数据的随时、随地高速传输。随着3 g 网络的普及，c s 系统正 在向更高层的数字化方向发展。 4 s 一体化实现了多网的融合，将g p s g i s r s c s 系统紧密的结合起 来，实现了功能仓库的无限延伸，构成了一个强大_ 的平台。可实现对多元 数据快速、机动、准确、可靠的收集、处理与更新：野外复杂地形的实时勘 探，道路交通的精确导航，多元数据的实时通信传输等；同时也可以实现移 动影院、商务助理、图片处理等通用功能。基于“4 s ”系统的强大功能，其必 然有广阔的应用前景。 1 2 4 s ，技术的功雒与现状 国内外现在使用的手持终端一般都是基于g p s g i s r s3 s 一体化。移动 终端部分由低精度g p s 模块、现场传感器和单片机处理系统等组成，通过成 熟的g p s 全球定位技术，得到具体定位信息，结合g i s 地图实现地图的导航 功能，通过r s 与g i s 的匹配可以获取准确的地理信息。3 s 技术系统具备了 从空间信息采集、管理、分析到输出的整体功能，可在环境与区域资源方面 发挥特殊的作用。 3 s 集成实现了g p s 、g i s 、r s 的功能累加和互通，是一种代表国际前沿 发展的集成性技术创新，但它有很大的局限性。没有c s 系统的结合，很多数 据无法实时的传输到中心端，其原则上只能继承各个部分的原有功能，难以 从三者之间的相互作用上产生新功能。以上所述技术只能满足导航定位和一 般的商务需求，还不能满足实时勘探和大数据量的有线无线通信功能。本文 在上述基础上提出了手持机上基于g p s g i s r s c s4 s 一体化手持终端的设 计。 1 3 本文的研究内容 如何把c s 系统融合到现有的“3 s ”上，解决大数据量图片的处理与实时传 输、解决野外勘探动静态数据存储及遥感数据的实时纠正、解决4 s 一体化中 各种数据的融合，是本文进行研究的立足点。本论文研究的硬件依托是在4 s 一体化的手持终端，硬件上集成了专用的d s p 模块，采用嵌入式w i n c e 开 发环境；本手持终端采用三串口通信，集成了高精度g p s 模块和g p r s 模块， 高精度g p s 模块接收的数据可以通过g p r s 模块实时的传送到中心端进行解 算，手持终端也可以实时的接受由中心传送来的解算信息、图片信息、文本 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 信息等；真正的实现了“4 s ”的融合。本文解决的软件问题主要如下： ( 1 ) 大数据量、不规则图片的处理 利用内存只有几十兆的手持终端如何快速加载大数据量的图片，如何处 理手持终端摄像头拍摄的模糊、不规则的图片也是亟须解决的问题。 ( 2 ) 遥感数据的实时纠正 本手持终端软件系统的一个设计重点就是遥感数据的实时纠正，但是一 幅遥感影像大的有上g 的数据，在4 s 一体化手持终端有限的资源下，不可 能全部读入n a n d f l a s h 中，海量遥感数据的处理和应用是一个重要的问题； 如何在现有的c s 网络下实现高精度模块原始数据的实时解算，实现纠正数 据的实时动态传输、调度是遥感数据实时纠正的关键。 ( 3 ) 各种数据的无缝融合 主要实现多元数据的统一索引、统一查询、数据结构的统一组织。 ( 4 ) 海量信息的实时通信 为了实现海量信息的实时通信，必须要协调好无线网络与公网之间的通 信，如何实现数据向i p 的有效汇集，保证手持终端和中心端的有效快速通 信也成为本论文的重点。 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 第二章硬件电路与b s p 设计 2 1 硬件电路设计 4 s 一体化手持终端硬件电路主要包括九大功能模块：a r m 9 主控模块、存 储模块、高精度g p s 模块、g p r s 模块、u s bh o s t 接口模块、音视频模块、 图像采集模块、f s l 6 1 0 电源管理模块、人机交互模块，其硬件电路如图2 1 ： 图2 1 硬件电路图 考虑到4 s 一体化手持终端是一种便携式设备，所以本硬件在选型的时候专 门选用了体积小、功耗低的元器件。采用$ 3 c 2 4 4 0 微处理器和大规模集成电路， 使系统构成简单明了，安全可靠。整个硬件系统的设计有以下几方面特点： 1 ) 采用了具有多媒体编解码的c p u 本设计采用三星公司的a r m 9 系列2 4 4 0 处理器，该处理器主频达4 0 0 m h z ， 具有丰富的外设接口。其内部集成了多媒体编解码器功能，大大增强了多媒体 处理能力，降低了软件复杂度。 2 ) 集成了高精度的g p s 模块 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 本4 s 一体化手持机有一个重要的用途就是实现地图勘探的实时纠正和 高精度测绘，考虑到测绘行业对精确度的要求，所以本文在设计的时候采用 了高精度的g p s 模块来提高精度，精确度可以达到厘米级，这样同时也提高 了导航、地图勘探的精确度。 3 ) 采用了双芯的处理方法 基于手持设备资源有限的特点，在浏览大数据量的图片、清晰度高的视 频文件的时候会频繁的出现死机的情况，本手持终端采用a r m 9 + d s p 双芯的 模式，不仅可以保证大数据量图片文件的快速浏览和高清晰视频文件的连续 播放，同时也可以极大的提高手持机的性能。 4 ) 集成了g p r s 模块 为了实现数据向口的汇集，本手持终端集成了g p r s 模块，利用此无线 通信模块，可以实现终端和中心数据的实时传递，充分的体现了c s 的优势， 实现数据的i p 汇聚。 5 ) 硬件设计体积小、功耗低 本手持终端主要用在汽车导航、野外勘探等对功耗要求很低的行业。这就 要求手持设备在硬件设计的时候要充分的考虑各分立元件的功耗；并且为了适 应手持设备小巧、轻便的特性，硬件电路设计要尽量紧凑。本文在硬件设计的 时候，各分立元件大部分为贴片结构，尽量选择相同功能下低功耗器件，从而 满足低功耗、体积小的特性。 6 ) 稳定的性能，强大的功能 由于设计的手持终端不仅要能够导航，还能够实现野外的勘探和高精度 测绘的功能，因此对系统的稳定性要求较高。改手持终端在板卡上配置了 f y r e s t o r m 的电源管理芯片，克服了系统因受外部电源导致性能不稳定的缺陷， 4 s 一体化手持终端在内部设置了屏蔽罩，降低了e m c 的干扰，充分保证了 手持终端性能的稳定。同时，该手持终端结合4 s 于一体，能够延展出无限的 功能。 2 2w i n c e 启动程序和内核的移植 2 2 1b o o t l o a d e r 启动程序 在w i n c e 嵌入式系统中，没有像b i o s 那样的固定程序，加载w i n c e 内核 的的引导程序由b o o f l o a d e r 来完成，它是终端上电后最先运行的软件代码。在 基于w i n c e 的嵌入式系统中，终端系统上电时通常从0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 地址处开始 5 执行，b o o t l o a d e r 启动一般都安排在这个地址上。b o o t l o a d e r 的主要任务就是将 w i n c e 内核从n a n d f l a s h 中读入到内存中，当加载完成后转到内核的入口点去 运行，从而启动w i n c e 操作系统。 2 2 2b o o t l o a d e r 烧写 本4 s 一体化手持终端的b o o f l o a d e r 分为三个部分：n b o o t l s t 、 n b o o t 2 n dn o l o g ob i n 和d v k 2 4 4 0l l n l o n 。n b o o t l s t 烧写到n a n d f l a s hb l o c k o 处。手持终端从n a n df l a s h 启动，$ 3 c 2 4 4 0 会自动把n a l l d f i a s hb l o c k 0 上r i o - 4 k 代 码自动复制到内部s r a m 中，内部s r a m 位于0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 地址开始的4 k 。该 b o o t 只完成引导n b o o t 2 n d 或者d v k 2 4 4 0u m o n 的任务。 n b o o t 2 n dn o l o g o b i n 是没有启动图片的b o o t l o a d e r ，体积比较小，方便烧写。 n b o o t 2 n dl o g o b i n 是附带启动图片的b o o t l o a d e r ，因为这个b o o t 代码超过4 k ， 所以不能直接从n a n d f l a s h 借动必须由n b o o t ls t 来引导。d v k 2 4 4 0h i t i o n 是个能通过u s bd e v i c e 端口从p c 下载数据，或者下载代码并运行的程 序，w i n c e 的i m a g e 文件和移植程序都是通过这个程序下载到jr 发板上运行 的。 烧写b o o f l o a d e r 的步骤： 1 ) 连接好手持机和p c 机，然后上电，运行n b o o t l s tb a t ，操作过程如图22 。 9 din 2is h 11 12i htlao l 【( 一g 4 ) l _ l 一一 _ ”r ( f n # d e l v i l 4 m t 一d ) b d c o o l i n l- om $ 1 帅g f 1 0 ，：一r 洲1 1 h i t b k hf 1 0 n o ，t ：0 _ l l ”s 1 2 日f p o g # p m ，s 一“d t c t e d 】d - 0 一 9 h 0 1 h 一i _ e k kf i 8 c ( s l ，i c i m 一f f h _ h p a “n t a 5 1 t hc r2 x t l q c h r = 2_ i z 日日日。一 _ 盎监叠当誓鼍瞄邕置酱! 曼曼皇童冒一 图22 n b o o t l s t b a t 运行图 第一个选项是选择需要编程的器件，我们是n a n df l a s h ，输入0 回 车，选择k 9 s 1 2 0 8 第二个选项是选择操作，我们是编程，输入0 回车，选 择“k 9 s 1 2 0 8p r o g ”第三个选项是选择写入位置，n b o o t l s t b i n 是写a b l o c k0 ， 输入“o ”，回车。之后开始编程，一个p 代表写入一个p a g e ( 5 1 2 b y t e ) ，一行 p 代表写入一个b l o c k ( 1 6 k ) 。 2 ) 保持开发板上电状态，新n b o o t 2 n dn o l o g ob a t ，操作过程如图23 。 m 23 n b o o t 2 n d _ n o l o g ob a t 运行罔 具体操作同上第三个选项在选择写入位置的时候，n b o o l 2 n db i n 是写 入b l o c k 2 ，啦该输入鼍”。 3 ) 保持开发板上电状态，运行d v k 2 4 4 0 _ u m o nb 缸，操作过程如图24 。 目z 4 d v k 2 4 4 0u m o nb a 瞧行目 具体操作同上第三个选项在选择写入位置的时候，d v k 2 4 4 0u l l l o nb i n 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 是写入b l o c k 8 ，应该输入“8 ”。 2 2 3w i n c e 内核的裁剪和移植 在w d c e 中，利用p b 可以对内核进行配置、编译成一个w i n c e 映像文件， 就是通常移植内核时常用的n k 文件。在本手持终端内核的裁减中，除加入了 基本的平台支持框架、文件系统、图形系统和基本服务功能外，还加入了一些 常用的功能。 1 添加了中文支持功能 2 添加了键盘拼音输入功能 3 加入了n e tc o m p a c tf r a m e w o r k2 0 平台支持 4 添加了微软类库的支持 5 添加了u s bh o s t 支持功能 6 由于手持机硬件集成了d m 9 0 0 0 网卡，所以需要添 j i i d m 9 0 0 0 网卡驱动 7 添加了r a m r o m 文件系统支持功能 8 添加了三串口驱动的支持 9 添加了s d 卡支持功能 1 0 加入了键盘驱动程序 当上述功能添加完成后即可生成需要的n k 镜像文件，同时也可以导出本 内核文件的s d k 。 本手持终端利用d v k 2 4 4 0u m o n + e b o o t 移植w i n c ei m a g e ，通过手持设备 的u s b 接口把镜像文件烧写到内核中。具体的步骤如下： 1 首先通过d n w 软件把手持机的串口和u s b 口与p c 机的串口和u s b 口连接 起来。 2 把镜像文件和e b o o t 文件通过u s b 端口烧写到手持机的内存中。 3 对手持机的n a n d f l a s h ( 手持机硬盘) 进行格式化。 4 把镜像文件从内存中复s t 至l j n a n d f l a s h 中，完成内核的移植。 2 3 设备驱动程序设计 在w i n c e 系统的开发过程中，驱动程序的编写工作占了很大一部分，硬 件设备性能的发挥与设备驱动程序的质量有着密不可分的关系。因此，驱动程 序的编写是本论文的一个重点。 8 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s 2 3 1w i n c e 驱动开发简介 一般的操作系统，有两种加载驱动程序的方法。第一种方法是当操作系统 在启动后，再对硬件进行加载，但是依然把驱动程序加载到操作系统的内核中， 桌面w i n d o w s 就是此类模型的一个典型例子，驱动程序工作在操作系统的映射 地址空间中，此方法虽然效率低，但有一个好处就是实现了驱动的动态加载； 第二种方法是当驱动程序的源代码被编译成l i b 库文件后，再与操作系统内核 链接，驱动程序与操作系统就成为一个整体，伴随着操作系统一起加载、关闭， 此驱动一个好处就是效率很高，但是灵活性和扩展性都比较差【i j 。 w i n c e 的驱动模型与上述两种都不相同，它是微软经过重新设计，有自 己独特风格的嵌入式驱动模型。在w i n c e 操作系统下，几乎所有的驱动模块 都以用户态下的d l l 存在。w i n c e 下驱动程序用到的工具和方法与编写其他 普通的d l l 没有任何区别，与所有的w i n c e 3 2 动态链接库一样，w i n c e 下驱 动程序的代码要得以执行，必须被其它一些进程动态的加载到地址空间中。把 w i n c e 下驱动程序作为用户态的d l l 来实现有以下优点：第一，把驱动程序 放在用户态下实现，可以增强了系统的稳定性：第二，把驱动程序放在用户态 下实现，可以给驱动开发人员提供非常大的便捷；第三，可以给操作系统带来 了相当大的灵活性。 2 3 2w l n c e 驱动程序的主体 w i n c e 驱动程序是一个动态链接库，像所有的w i n d o w s 动态库一样， 动态库是无法被单独加载和运行的。假如想要运行动态库中的代码，就必须先 有一个正在运行的进程，把动态库加载到自身的内存地址空间中，然后才可运 行动态库中的代码，所以必须要有一个运行的e x e 进程去加载w i n c e 下的驱 动程序。 w i n c e 操作系统中，主要有3 个系统进程来加载和执行驱动程序的动态库。 它们分别是f i l e s y s e x e ，g w e s e x e 和d e v i c e e x e 。它们各自加载的驱动程序类 型如图2 5 。 2 3 3w l n c e 驱动程序结构 不同开发板上同一个设备的驱动程序一般都会不同，但是一个精良的设备 驱动程序通常会提取出某一类外设的共性，作为不同开发板上同- - # b 设驱动程 序之间共享的源代码。在w i n c e 操作系统中，存在两种类型的驱动程序：单 9 体驱动程序和分层驱动程序。如图2 6 所示。 图2 5 驱动宿主图 i n k s y s e 湘 i 文件系统驱动 图2 6 驱动类型图 2 3 3 1 单体驱动程序 单体驱动程序就是把所有的驱动源码包括i o 操作、中断处理及硬件控 制等都放在一起，这也是一种传统的驱动编码。单体驱动程序直接和底层硬件 l o 硕士学位论文 m a s t e r st h e 8 i $ 进行交互，d d i 函数是w i c e 操作系统与外设驱动程序进行交互的接口。 2 3 3 2 分层驱动程序 分层驱动程序把单体驱动程序分成了两层：靠近底层硬件的一层为平台相 关驱动( p d d ) ，上面一层叫模拟设备驱动( m d d ) ，通常简单称它们为p d d 和m d d 。 p d d 层包含特定的硬件或平台专用的代码，而m d d 层包含了某一类型的 驱动程序所有通用的代码；当w i n c e 操作系统访问底层硬件的时候，m d d 层 会调用p d d 函数来访闯底层硬件。在编写分层驱动的时候，对某一类型的外设 驱动，p b 通常会自带此类外设驱动的m d d 代码，m d d 的代码是不需要用户进 行修改的，开发人员只须修改p d d 层的代码。综上所述，当开发人员移植驱动 程序的代码的时候，只需要修改p d d 层的代码。 当驱动程序的分层完成后，p d d 和m d d 之间还不能直接调用，还需要一 个中间接口协议。所以，分层驱动程序就需要两类接口函数：在p d d 和m d d 之间的d d s i 与m d d 和操作系统之间的d d i 。当用户访问硬件时，首先使用d d i 函数与驱动程序进行交互，然后m d d 再通过d d s i 函数与p d d 进行交互，p d d 完成最终访问硬件的操作。 2 3 4w i n c e 的设备管理器 在w i n c e 操作系统中，系统进程d v e v i c e e x e 负责管理所有的外设驱动，习 惯上称之为设备管理器。设备管理器并不是内核的一部分，它仅仅是一个用户 态下的普通进程，其主要有以下几个职能： 为大量的d l l 文件提供主体程序，把驱动程序的动态库加载到它的地址空 间中。 负责初始化和加载驱动程序。当w i n c e 系统需要与设备连接的时候，它负 责初始化和加载驱动程序，同时在设备不用的时候负责驱动程序卸载工 作。 提供与设备关联的a p i 函数，应用程序可以使用上述a p i 函数对外部设备进 行访问和控制。 负责管理i o 资源。 2 341 设备的初始化 在w i n c e 中，设备管理器的初始化分为两个阶段：第一个阶段是设备本 身的初始化，第二个阶段是外部设备的加载和初始化。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 当d e v i c e e x e 启动后，首先会初始化自身的一些内部数据结构，然后再初 始化电源管理器和i o 资源管理器。完成上述任务后，设备管理器会根据注册 表的设置，加载总线枚举驱动( b u s e n u m d 1 1 ) ，让它初始化和加载所有的外 设，从而把设备控制权交给b u s e n u m d l l ，设备管理器的初始化任务结束。 d e v i c e e x e 的初始化顺序如图2 7 ： i 内核 d e v i c e e x e i o 资源管 电源管理器总线枚举器 i 理器 ：1 一启动棵序。：uu 2 初始化。 7 u 3 初龇。厂 7 l 4 加载广- 1 u 图2 7 设备初始化顺序图 第二个阶段初始化工作称为总线枚举，总线枚举完成此阶段的绝大部分 工作。 2 3 5w i n c e 中断处理 通常情况下，外部设备在空闲的时候并不占用c p u ，只有当外设工作时， 才会通知中断处理程序来打断c p u 当前的执行代码，并请求c p u 响应外部设备 的数据。所以，当外部设备请求产生中断服务的时候，外部设备相对应的驱动 程序就要处理这些中断。 w i n c e 的中断处理分为两个阶段：中断服务例程( i s r ) 和中断服务线程 ( i s ，r ) 。i s i 选行在内核模式下，主要实现逻辑中断和物理中断的映射，向系统 返回中断处理的标识号；i s t 运行在用户模式下，主要完成具体的中断处理。 中断处理的流程如图2 8 所示旺7 1 ： 1 2 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s 图2 8w i n c e 中断处理流程幽 ( 1 ) 当一个硬件中断发生时，它将被发送到内核的异常处理器，内核通过调用 中断服务例程( i n t e r r u p ts e r v i c er o u t i n e ，i s r ) 决定如何处理该中断。 ( 2 ) 内核收蛰 i s r 的返回值，根据这个返回值判断属于何种中断，从而触发与 其对应的中断处理线程。中断处理线程是一个常用的w i n 3 2 线程，会在内 部驱动程序的i s t 中产生一个事件，然后等待该事件发生，w i n c e 内核使 用调度算法来唤醒等待该事件的i s t 。 ( 3 ) 在i s t 中进行相应的数据处理及通知内核完成所有的中断处理。 2 3 6 驱动程序设计 在a r m9 平台上开发嵌入式w i n c e 的设备驱动程序与在其他平台上开发 是一样的。总的来说，实现一个嵌入式w i n c e 设备驱动的大致流程如下： 定义主设备号； 在驱动程序中实现驱动的初始化。如果驱动程序采用模块的方式，则要实 现模块初始化； 实现中断服务中断利用p b 把驱动程序编译到内核中； 测试该设备驱动。 在本4 s 一体化手持终端中，串口的读写最为重要，下面