（精密仪器及机械专业论文）基于ARM嵌入式系统的GPS地图匹配系统(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 摘要 目前，g p s 定位技术在陆地车辆导航定位系统中正获得了越来越广泛的应用。为了适 应车内空间狭小和便携式的要求，开发嵌入式移动导航系统成为当前的技术热点。嵌入式 g p s 地图匹配系统实际上是在嵌入式平台上整合g p s 定位技术和相关的电子地图技术的一 套应用系统。 随着对定位精度和系统成本的要求进一步提高，目前基于g p s 的导航引入了更多的组 合导航手段。基于g i s ( 地理信息系统) 的g p s m m 组合导航技术是其中的一个重要研究方向。 本文论述了a r m 嵌入式系统的基本组成以及a r m 嵌入式系统的基本开发环境及其移 植方法。介绍了g p s 定位系统的组成和原理，阐述了如何通过串口将g p s 接收器和a r m 嵌入式系统连接并获取数据。分析了m a p l n f o 电子地图的格式，实现了电子地图在a r m 嵌 入式系统上的显示。研究了利用m a pm a t c h i n g 技术修正g p s 定位误差的方法。最后，应用 d i j k t r a 算法实现了基于电子地图的最优路径的选取。 基于对这些关键技术的分析和研究，采用面向对象的系统分析和设计方法，设计并部 分实现了一套运行于a r m 嵌入式平台的地图匹配系统。 关键词：嵌入式系统a r m 地图匹配g p s 最优路径m a p l n f o 东南大学硕上学位论文 a b s t r a c t t h eg p si sn o wm o r ea n dm o r eu s e di nv e h i c l en a v i g a t i o ns y s t e m s t om e e tt h eg o a lo f b e i n gp o r t a b l e ，t h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e dm o b i l en a v i g a t i o ns y s t e mb e c o m e sah o tp r o j e c ti n t h ef i e l do fg p sn a v i g a t i o ns y s t e m t h ee m b e d d e dg p sm a pm a t c h i n gs y s t e mi se s s e n t i a l l ya c o m b i n a t i o na p p l i c a t i o ns y s t e mo f g p sl o c a l i z a t i o nt e c h n o l o g ya n de l e c t r o n i cm a p t e c h n o l o g yo n e m b e d d e ds y s t e m w j t l lt h er e q u e s to ft h eh i g h e rl o c a l i z a t i o np r e c i s i o na n dl o w e rs y s t e mc o s t , m a n y c o m b i n a t i o nn a v i g a t i o nm e t h o d sa r ei n t r o d u c e dt ot h eg p sn a v i g a t i o n t h eg p s m l v l c o m b i n a t i o nn a v i g a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do ng i s ( g e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m ) i so n eo ft h e i m p o r t a n tr e s e a r c ha r e a s f i r s t l y , t h i sp a p e rs y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e dt h ea r me m b e d d e ds y s t e mw h i c hi s i n s t a l l e d w i t hg p s m ms y s t e m , t h e ni n t r o d u c e dt h ec o m p o n e n t so fa r a m b e d d e ds y s t e m ，t h eb a s i c d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t sa n dt h ee m b e d d e do sd e p l o y m e n tt e c h n i q u e s 1 1 1 i st h e s i sd i s c u s s e d t h ec o m p o n e n t sa n dt h et h e o r yo f g p sl o c a l i z a t i o ns y s t e m ，s h o w i n gh o wt oc o g n e c tg p sr e c e i v e r w i t ha r me m b e d d e ds y s t e mt h r o u g hs e r i a lp o r ta n dg e td a t af r o mg p sr e c e i v e r s e c o n d l y ，t h i s t h e s i sa n a l y z e dt h em a p l n f oe l e c t r o n i cm a p sf o r m a ta n dg a v et h em e t h o dt od i s p l a yt h ee l e c t r o n i c m a po na r m e m b e d d e ds y s t e m t h i r d l y , t h i st h e s i se x p l a i n st h ec a u s eo f g p se r r o ra n dp r e s e n t s t h em a pm a t c h i n ga l g o r i t h mt os o l v et h ep r o b l e m f i n a l l y , t h i sp a p e ri m p l e m e n t sa na l g o r i t h mo f o p t i m a lr o u t es e l e c t i n gs t r a t e g ya c c o r d i n gt o t h er u l e so ft r a n s p o r t a t i o n a f t e ra n a l y z i n gt h e a l g o r i t h mo f d i j k t r a k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m , a r m ，m a pm a t c h i n g ，g p s ，o p t i m a lr o u t e , m a p l n f o - h 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 ， 的研究成果。尽我所知，除了文中特n ) j n 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，也不包含为获得东南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 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：丛垒e t 期：坐! ：璺竺 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：嘭剧导师签名：蓉b 日期：础矽f 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 导航是人类从远古时代就已开始不断尝试和探索的一项活动。随着时代和科技的不断 进步，人们用于导航的手段也在不断地进步着。 在古代，人们一般通过获取地磁场的方向以及观察星相的变化从而在外出的过程中能 够不断判断自己的位置以至于不迷失方向。近代，人们开始利用移动物体的方位变化及位移 变化来推算其运动的轨迹。到了第二次世界大战时，基于航位推算的惯性导航也开始在军事 行动中被应用于对飞机、车辆和导弹的导航定位。 二战后，随着无线电技术的发展人们开始利用无线电信号进行导航。l o r a n - c 导航系 统是这一时期建立并广泛应用的一个典型的利用双曲线定位的无线电导航系统。7 0 年代人 造卫星升空后，人们又开始利用人造卫星来发射无线电进行导航服务，早期的卫星导航系统 是美国海军的t r a n s i t 系统。由于t r a n s i t 系统定位时间要1 0 1 5 分钟并且其定位局限 在二维平面上，这样的导航精度可以满足海上航行的船只，但是对于飞行器以及陆上的车辆 导航其要求还远远不够。正是t r a n s i t 导航系统的这些缺陷促使了g p s 系统的发展 i s l 。 全球定位系统( g p s ) 是美国国防部研制的第二代卫星导航与定位系统。它能为全球的用 户提供全天候、连续、实时的高精度位置、速度和时间信息。在信息需求日益增长的现代社 会，g p s 由于能够全球覆盖、全天候、连续实时提供高精度三维位置、三维速度和时间信息 的能力，在军事、民用方面都得到了越来越广泛的应用。 目前类似g p s 的全球卫星导航系统( o n s s ) 还有俄罗斯的g l o n a s s 系统和欧盟的伽利 略系统以及我国自行研制的北斗导航系统。但是使用最广泛，系统最成熟的还是g p s 系统。 现在，g p s 定位技术除了广泛应用于飞机和水面船只的导航定位外，在陆地道路导航 定位系统中也获得了越来越广泛的应用。随着我国公路建设和汽车工业的飞速发展，便携式 的道路实时导航和监控越来越受到人们的普遍关注。如何使g p s 定位导航系统变得更加轻 便，更加准确和可靠已成为人们越来越强的需求。 g p s 卫星定位系统由于本身固有的缺陷，导致定位精度会产生一定的误差。在平原和 郊区，由于受到的干扰较小，定位精度尚能基本满足要求；但是在山区、城市高楼区、林荫 道、隧道、立交桥下等区域时，各种地形、建筑物和其他干扰因素大大增加，常出现g p s 卫星信号被遮挡或多径效应问题。当接收到的卫星数目少于4 颗时，g p s 接收机就无法正常 定位，或者受多径效应的影响，导致定位精度很差。这就导致单纯的g p s 定位精度下降的 十分厉害，有时甚至完全不能使用 1 5 1 。这样就提出了对g p s 定位误差进行修正的需求。对 g p s 的定位误差进行修正的方法有很多种，如航位推算技术、信标法、差分g p s 等。但是 这些方法的代价都比较昂贵，需要大量的硬件投入。 随着计算机技术的发展，为了方便地图的查询、制作、更新、复制和缩放的需求，由计 算机支持的电子地图便应运而生。随着计算机信息系统的出现和硬件技术的迅猛发展，以电 子地图为雏形，以信息系统为支撑，综合各领域前沿的最新技术形成了地理信息系统 g i s ( g e o g m p h i ci n f o 呷a t i o ns y s t e m ) 。g i s 地理信息系统是六十年代中期发展起来的，集空间科 学、信息科学、计算机科学、管理科学于一体的空间信息系统。它是在计算机软件和硬件支 持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以 提供对规划、管理、决策和研究所需信息的空间信息系统l l ”。 随着对定位精度和系统成本的要求进一步提高，目前车辆导航引入了更多的组合导航手 东南大学硕士学位论文 段。基于g i s ( 地理信息系统) 的g p s m m 组合导航技术是车载导航的一个重要研究方向。 由于矢量化电子地图道路数据是相对精确的，利用电子地图的地理数据对得到的车辆定 位数据进行配准纠正，可以相对提高当前定位数据的精度。m m ( m a pm a t c h i n g 地图匹配) 算法就是根据电子地图的道路属性将车辆的行驶轨迹匹配到道路上，从而更准确地、直观地 显示车辆的位置。 最优路行规划可以为车辆调度、公交线路制定、公共设施和商业网点的分布提供技术保 证。有助于降低能耗、缩短运输时间、提高效率，因而有着极其广泛的研究价值和应用前景。 因为车内的空间狭小，要能够方便快捷的使用g p s 地图匹配系统，就必须减少系统的组 件数量，减轻重量和功耗。传统的基于p c 机的g p s 地图匹配系统有着体积大，重量大，功耗 多，以及计算机故障后的重启速度慢等本身难以克服的缺点，因此采用传统的p c 机就显得 十分不便。而基于g i s ( 地理信息系统) 的g p s 删m 组合导航技术对数据的处理速度要求很 高，传统的单片机存在计算速度慢，对外接口简单，无法采用操作系统等缺点，也无法满足 这方面的要求。为了协调这两方面的矛盾，就要求使用一种结构小，速度快，通用性高的嵌 入式处理系统对信息进行处理。 后p c 时代，嵌入式系统将拥有最大的市场。目前在世界范围内嵌入式系统带来的工业 产值己超过了1 万亿美元。据赛迪呼叫中心合作开展的调查显示，目前从事嵌入式开发的软 件企业占到了3 0 左右，计划从事开发的企业占到了1 4 。尽管还没有从事该领域开发的公 司占到了大多数，但是我国国内的嵌入式软件市场已处于整体启动阶段。手持设备，家用电 器和工业控$ 1 j 地j 是近期市场的三大热点i o j 。 目前市场上有多种嵌入式处理器，如a r m ，p o w e rp c ，d s p ，c o l d f i r e 等。其中a r m 系 列处理器以处理速度快、超低功耗、应用前景广泛和价格低廉等优势占据了大部分的市场份 额。国内有许多院校，科研院所和公司厂家在开发基于a r m 的嵌入式处理系统。运行于a r m 嵌入式处理系统上的操作系统和相关软件也十分丰富和强大。为此，我们选用a r m 系列的 嵌入式系统作为g p s 地图匹配系统的平台，以满足这方面的要求。 1 2国内外研究现状 车辆导航定位系统是进入九十年代以后迅猛发展的一项技术。近年来，随着车辆数量的 日益增多，如何在城市里有效地指挥、管理公共服务车辆和一些特种车辆，已成为交通运输 部门和城市规划部门面临的一个重要问题。于是车辆导航定位系统更加受到人们的关注。 随着计算机、通讯、电子、信息等技术的迅猛发展，在过去的十年中，现代车辆定位和 导航系统已经有了很大的改进。最近的研究表明，2 0 0 0 年安装了g p s 接收机的车辆导航系统 的销售额由1 9 9 6 年的5 亿美元增长n 3 0 亿美元，并且这种趋势还将继续下去。在这种市场的 诱惑下，世界各国对车辆导航和定位技术展开了大量的研究。近年来，g p s 技术正向军民两 用方向发展，应用领域不断扩大和深入，已渗入人类经济发展的各个领域。美国g p s 产业协 会( u s g i c ) 提供的市场调查和预测表明，g p s 市场目前已有相当规模，将来会更加扩大。在 车辆导航、个人用户、跟踪定位、测绘、探矿、地震、气象、制图、航空、航海、军事等方 面，近几年市场增长率高达5 0 。其中，车辆导航领域的市场份额最大，增跃最快。全世界 用于车辆导航的投资约占当年市场销售总额1 3 以上。从国际智能交通管理和汽车电子技术 展览会上看，各发达国家的主要汽车厂商均加快了汽车导航设备的研制、开发速度。奔驰、 宝马、雷诺、大众、依维柯、丰田等都陆续宣布将在高档汽车上安装导航设备，市场发展极 具潜力。目前我国汽车g p s 导航系统处于刚刚萌芽阶段，特种车辆的g p s 导航设备和应用系 统需求最为迫切。各有关部门将在运钞车、急救车、公交车、巡逻车、迎宾车、囚车等专门 用途的车辆上采用g p s 实现全过程监控、引导和指挥i l ”。 2 第一章绪论 目前g p s 导航的研究在国外已非常流行，相应的g p s 导航系统的产品也非常成熟。如 a u t o d e s k 公司提供了a u t o d e s ko n s i t e 的“移动访问”模块；e s r i 提供了a r c g i s 软件产品一 a r c p a ：p o c k e t s y s t e m sl t d 提供的p o c k c t g ! 。但是仍然有很多难以克服的缺点： 如可扩展性差。这些产品很少提供对外公开的接口标准。导致对已有产品的功能的 扩充变得十分困难； 系统较为庞大，软硬件要求高，对于像中国这样的发展中国家来说价格比较昂贵； 对中文和中国地图的支持较少。由于这些产品的市场大部分不在国内，所以针对中 国市场的开发也显得不足。 相对于欧美、日本等国，我国开始研究g p s 导航系统时间也并不算晚，9 0 年代初国内若 干高校、科研院所和一些公司都展开了这方面的研究l j ，j ： 1 ) 面向车载导航系统的g i s 研究。这一研究内容涉及到分析地图导航数据库的结构、 数字地| 玺| 快速生成和更新方法、数字地图对导航系统精度的影响等； 2 ) g p s d r 综合系统的研究，滤波方法的研究；g p s d r 组合定位是最常用的车辆定 位方式，这种研究有助于地图匹配后续算法的实现，提高系统的精度。 3 ) 综合定位地图匹配算法；地图匹配算法可以有效地消除定位误差中的趋势误差， 道路定位网络的某些先验知识可以辅助车辆定位。 4 ) g p s d r m m 融合方法的研究；这种融合的意义在于定位信息的走向将不再是一 个开环单向的信息传递过程，系统的不同环节之间将可以信息共享，g p s d r 组 合定位可以增加地图匹配的准确性和鲁棒性，同样地图匹配的结果可以修正传感 器参数，修正g p s ，d r 组合定位系统的模型参数。 5 ) 远程监控和调度以及基于w e b 的车辆监控。车辆的远程广域监控和广域导航是车 辆导航技术和i n t e m c t 技术结合的革命性应用，必将在未来的车队管理、交通控 制甚至军事领域得到广泛的应用。 目前，国内已经有一些公司开发出一些与g i s 和导航密切相关的软件产品。如 1 ) 北京灵图软件技术有限公司推出的在移动信息设备上提供地理信息以及位置信息 服务的s m a r t l n h a n d 软件产品。 2 ) 北京慧图公司新近推出一种可运行于掌上电脑、进行移动制图和g i s 应用的野外 地质数据采集系统：t o p m a pc e g c a i u s 。 3 ) 北京超图开发出地理信息系统开发平台e s u p e r m a 。 4 ) 台湾“英瑞得信息”公司设计出支持g p s 全球卫星定位系统专用软件”w a l k m a p 地图随身走”。 5 ) 台湾通路股份有限公司设计出全台p d a 电子地图产品一地图领航员p a l m p i l o t f o r p a l m 和地| 璺| 探险家m a pe x p l o r e2 0 0 1f o rw i n c e 。 这些产品都具备一些共同的基本功能，如图形显示、资料查询、g p s 定位与导航、距离 量算、用户标注、路径选择、语音提示、人性化的界面等。但都是基于某种应用的初步、单 一的嵌入式g i s 产品，离企业级的完整、规模解决方案还有一定的距离。 m i v l 的算法有很多种，但是其基本思路都是以g i s 电子地图库中的高精度道路信息作 为依据，综合其他各种因素纠正定位误差。当前研究的热点是：依据车辆运动的连续性和历 史轨迹，引入道路网络的分块思想，并充分利用当前车辆行驶的位置、方向信息及实际道路 网络的拓扑特性，提高算法的实时性、鲁棒性和匹配精度p w 。 目前，各国学者对最优路径的算法已经做了大量的研究，也提出了很多行之有效的方法， 包括d i j k s t r a 算法、启发式搜索算法、模糊算法、神经网络、遗传算法和新兴的蚁群算法等 等_ ”。但是这些算法都存在着占用存储空间过多，计算花费时间过长等问题。为了使算法 实用化，很多学者研究提出了这些算法的改进算法，其手段主要为改进数据的存储结构，变 3 东南大学硕士学位论文 单向搜索为双多向搜索，划分区域以减少搜索范围等。 1 3论文的主要内容 本论文共分8 章，每章的主要内容如下： 第一章绪论。主要介绍了本课题的研究背景及意义、国内外研究现状，并详细介绍了 论文各章节的安排。 第二章a r m 9 嵌入式系统。主要介绍了本课题采用的a r m 嵌入式系统软硬件的详细构 成。 第三章w m c e 操作系统在a r m 嵌入式系统上的移植。主要介绍了如何将w i n c e 操作系 统移植到a r m 嵌入式系统上，并使p c 机和a r m 系统建立联系和相关的e v c 开发环境。 第四章g p s 接收器和a r m 嵌入式系统连接。主要介绍了如何将g p s 接收器通过串口和 a r m 嵌入式系统连接，使a r m 嵌入式系统能够正确接收g p s 接收器传过来的信号。 第五章m a p l n f o 格式的地图的读取。主要介绍t m a p l n f o 地图文件的转出格式，以及如 何读取地图中的道路信息并正确显示在_ a r m 嵌入式系统的液晶显示屏上。 第六章m m 算法的实现。主要介绍了如何采用m a pm a t c h i n g 算法将有误差的g p s 信号纠 正到相对正确的位置以减少错误的发生。 第七章最优路径的选择。主要介绍了在给定起始点的情况下如何选择最优路径使得道 路的长度最短。 第八章总结。对所完成的工作进行总结，并提出了实践过程中遇到的一些问题。 4 第二章a r m 9 嵌入式系统 第二章a r m 9 嵌入式系统 由于嵌入式系统的专用性、实时性，便携性，g p s 地图匹配系统的开发平台一般都倾 向于使用嵌入式系统。在众多的嵌入式系统中，基于a r m 9 的嵌入式系统以其成熟、可靠 和易于开发受到越来越多的欢迎。 本章分析了嵌入式系统和a r m 9 嵌入式微处理器，并总结归纳了目前主要的几种嵌入 式操作系统。 2 1嵌入式系统概述 嵌入式系统有多种定义，其中较为准确的定义为：嵌入式系统是以应用为中心，以计 算机技术为基础，并且软硬件可剪裁，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。嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入 式操作系统以及用户的应用程序4 个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等 功能旧。 和通用的计算机相比，嵌入式系统总是面向特定应用的，所以它的硬件系统具有以下 特性 5 1 ： 体积小，集成效率高； 具有面向某些特定应用的特点，对于另一应用需要重新设计硬件； 低功耗，电磁兼容性好，能在恶劣条件下工作，故障恢复速度快。 软件是一个应用系统的灵魂，软件又是基于硬件基础开发的，所以嵌入式系统的软件 部分具有以下特性： 嵌入式软件的研发与硬件紧密相关； 代码要求高效率和高可靠性，出现故障能快速恢复； 软件固化在f l a s h 或者r o m 中，以提高执行速度和系统的可靠性。 正是由于以上种种特点，嵌入式系统随着数字技术的发展和新的体积更小的控制芯片 和功能更强的操作系统的出现，在很多领域得到广泛的使用，如军事电子设备和现代武器、 工业控制、网络通信设备、办公自动化和消费电子领域等。 在可见的将来，随着信息技术的发展，人类进入一个全新的数字时代，数字化产品将 空前繁荣，嵌入式系统会被应用于空前广泛的领域，和人们的生活将结合得越来越紧密。 2 2a r b l 9 嵌入式微处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统中的核心部件。嵌入式处理器的功能和性能，影响着整个 系统的设计。嵌入式处理器的选择，制约了其外围器件的选择，也很大程度上影响着系统硬 件功能的划分策略p j 。 a r m 微处理器核技术是成立于2 0 世纪8 0 年代的英国专业处理器设计公司a r m 公司 设计的一系列嵌入式处理器的标准。它广泛应用于便携式通信产品、手持运算、多媒体和嵌 入式解决方案等领域，已成为r i s c 标准。a r m 处理器核是系统中的引擎，它从存储器读 取a r m 或者t h u m b 指令并执行这些指令。目前，a r m 9 家族包括a r m 9 2 0 t , a r m 9 2 2 t 和 a r m 9 4 0 t ，见表2 1 。 东南大学硕士学位论文 表2 - 1a r m 9 家族产品 c a c h e t i g h a y m e m o r y b u st h u m bd s pj a z e l l e ( i n s t o a t a ) c o u p l e d m 垂 m e m o r y a r m 9 2 0 t1 6 k b ，1 6 k bm m ua s by e sn on o a r m 9 2 2 t8 k b 8 k bm m u a s by e sn on o a 删9 4 0 tf i x e dm m ua s by e s n 0 n o 这一系列的处理器是一种小型的高性能、低功耗、可集成的3 2 位r t s c 体系的嵌入式 微处理器，主要应用在下一代手持产品、视频电话、p d a 、数字消费产品、机顶盒、家用网 关等方面。它集成有t h u m b l 6 位精简指令集扩展功能、调试功能和哈佛结构总线的内核。 在同样的工艺条件下，他的性能是a r m 7 t d m ! 性能的两倍以上。 其中，a r m 9 和a r m 7 系列的最显著区别是流水线从3 级增加到5 级，同时具有分开 的指令和数据存储器，减少了在每个时钟周期内必须完成的最大工作，进而允许使用更高的 时钟频率。5 级流水线具体如下m ： 取指：从存储器取出指令，并将其放入指令流水线； 译码：对指令进行译码； 执行：把一个操作数移位，产生a l u 的结果； 缓冲数据：如果需要，则访问数据存储器；否则a l u 的结果只是简单地缓冲1 个时钟周期，以便所有的指令具有同样的流水线流程； 回写：将指令产生的结果回写到寄存器堆栈，包括任何从存储器中读取的数据。 a r m 9 的5 级流水线和a r m 7 的3 级流水线相比，处理器的主要处理功能在增加的流 水线之间经过熏新分配，使时钟频率在相同的工艺下得到了提高。如图2 - 1 所示。 l t h l 】1 1 l b 解压缩l 删译码 r e g 读i 移位a l u i r e c 写 图2 - 1a r m 7 和a r m 9 流水线操作对比 2 3三星$ 3 c 2 4 1 0 x 处理器 基于以上对a r m 7 和a r m 9 系列处理器的比较，以及对系统性能的考虑，本课题决定 采用以a r m 9 系列处理器为核心的嵌入式开发平台。而三星$ 3 c 2 4 1 0 x 处理器就是一款基 于a r m 9 2 0 t 标准的a r m 处理器。 $ 3 c 2 4 1 0 x 处理器核由a r m 9 t d m i 、存储管理单元( m m 和高速缓存三部分组成。其 中m m u 可以管理虚拟内存。高速缓存由独立的1 6 k b 地址和1 6 k b 数据高速c a c h e 组成。 a r m 9 2 0 t 有两个内部协处理器：c p l 4 和c p l 5 。c p l 4 用于调试控制，c p l 5 用于存储系统 控制以及测试控制。$ 3 c 2 4 1 0 x 的主频可达2 0 3 m h z ，扩展总线最大频率1 0 0 m h z i ，q p ”。 $ 3 c 2 4 1 0 x 的可扩展资源丰富，主要包括：1 个l c d 控制器( 支持s t n 和1 1 p t 带有触 摸屏的液晶显示屏) ，s d r a m 控制器，3 个通道的u a r t ，4 个通道的d m a ，4 个具有p w m 功能的计时器和1 个内部时钟，8 通道的l o 位a d c ，触摸屏接口，1 2 s 总线接1 ：3 ，2 个u s b 6 第二章a r m 9 嵌入式系统 主机接口和1 个u s b 设备接口，2 个s p i 接口，s d 接口和m m c 卡接口，看门狗计数器， 1 1 7 位通用i ，o 接口和2 4 位外部中断源，8 通道l o 位a d 控制器【”1 1 5 9 1 。$ 3 c 2 4 1 0 x 的功能 模块如图2 - 2 所示。 | 竺：! ：p_ _ _ _ s _ _ _ _ _ $ _ _ _ _ _ _ 耐 i 竺竺l = 专 a p i 一一l 夺专 8 1w 警l 8 1w n7 ， la 搿b j s c d o 鼬n t 1 牟穹 s l 譬曼! 黔专 图2 - 2 $ 3 c 2 4 1 0 x 功能模块 $ 3 c 2 4 1 0 x 将系统的存储空间分成8 组饵a n k ) ，每组大小是1 2 8 m b ，共1 g b 。b a n k 0 到 b a n k 5 的开始地址是固定的，用于r o m 或s r a m 。b a n k 6 和b a n k 7 用于r o m 、s r a m 或 s d r a m ，这两个组可编程且大小相同。b a n k 7 的开始地址是b a n k 6 的结束地址，灵活可变。 所有内存块的访问周期都可编程。$ 3 c 2 4 1 0 x 采用n g c s 7 ：0 8 个通用片选信号选择这些组。 $ 3 c 2 4 1 0 x 支持从n a n df l a s h 启动。n a n df l a s h 具有容量大、比n o rf l a s h 价格低 等特点。系统采用n a n df l a s h 与s d r a m 组合，可以获得非常高的性价比。s 3 c 2 4 1 0 x 具 有三种启动方式，可以通过o m i ：0 借脚进行选择： o m i ：0 1 卸0 时，处理器从n a n df l a s h 启动； o m i l ：0 1 卸1 时，处理器从1 6 位宽的r o m 启动； 7 一一一一一璺 东南大学硕士学位论文 o m 1 ：o 】= 1 0 时，处理器从3 2 位宽的r o m 启动。 用户可以将引导代码和操作系统镜像存放在外部的n a n d f l a s h 中，并从n a n d f l a s h 启动。当处理器在这种模式下上电复位时，内置的n a n d f l a s h 将访问控制其接口，并将引 导代码自动加载到内部s r a m ( 此时s r a m 定位于起始地址空间0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 ，容量为4 k b ) 并且运行。之后，s r a m 中的引导程序将操作系统镜像加载到s d r a m 中。操作系统就能 够在s d r a m 中运行。启动完毕以后，4 k b 的启动s r a m 就可以用于其他用途。如果从其 他方式启动，启动r o m 就要定位于内存的起始地址空间0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 ，处理器直接在r o m 上运行启动程序，而4 k b 的启动s r a m 被定位于内存地址0 x 4 0 0 0 0 0 0 0 处。具体情况见圈 2 3 。 萨r - f ff f f f 啼 融o t 删_ o t t 4 1 ：o l 0 oo n t 栅- 嘲州 i $ f r , “e a n o t e s ： ，s 最0 ”m 嗽r o m 僻s f 韬m r 弦翻自啦 2s f r n e a * , $ p e c lf # n d 挪r e 吐杆 图2 - 3 $ 3 c 2 4 1 0 x 启动以后内存映射 2 4 基于$ 3 c 2 4 1 0 x 的s t 2 4 1 0 开发板 本课题采用s t 2 4 1 0 开发扳。这是一款基于$ 3 c 2 4 1 0 的开发板。外观如图2 - 3 所示。 8 第二章a r m 9 嵌入式系统 图2 3s t 2 4 1 0 开发板套件外观 s t 2 4 1 0 开发板的硬件扩展资源十分丰富，充分利用了$ 3 c 2 4 1 0 x 的接口和可扩展资源。 这款开发板的主要硬件构成如下p m ： 采用三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 ，主频可达2 0 3 m h z ； “m 字节的s d r a m ，由两片k 4 s 5 6 1 6 3 2 组成，工作在3 2 位模式下； “m 字节n a n d f l a s h ； 2 m 字节的n o r f l a s h ，工作在1 6 位模式； 1 0 m 以太网接口，采用的是c s 8 9 0 0 q 3 ，带传输和连接指示灯； l c d 和触摸屏接口； 2 个u s bh o s t ( s 3 c 2 4 1 0 内置) ，符合u s b l 1 ； 一个u s bd e v i c e ( $ 3 c 2 4 1 0 内置) ，符合u s b l 1 ； 2 路u a r t 串行口，波特率可高达1 1 5 2 0 0 b p s ，并具有r s 2 3 2 电平转换电路； e m b e d d e d i c e ( 2 0 脚标准j t a g ) 接口和并口式j t a g 接口，支持a d s ，s d t 软 件的下载和调试以及f l a s h 的烧写； 开关电源，分布式电源供电，3 v 锂电池，提供c p u 内置r t c 操持电源； s t 2 4 1 0 开发板利用了$ 3 c 2 4 1 0 x 能从n a n df l a s h 和n o rf l a s h 分别启动的特性，将 b i o s 分别烧录到n a n df l a s h 和n o rf l a s h 中。只要将开发板上的j p i 跳线帽插上或者拔 下，就能分别从n a n df l a s h 和n o rf l a s h 启动。这样可以避免因为误操作将其中某个f l a s h 的b i o s 损坏而无法启动开发板的情况出现。图2 - 4 显示的是从n a n df l a s h 启动时，用d n w 程序从串口l 读取到的b i o s 信息。 9 东南大学硕上学位论文 图2 - 4b i o s 启动画面 从图2 - 4 可以看到，b i o s 可以为我们提供一些基本的服务。如通过u s b 下载文件，通 过串口下载文件，读取和擦写f l a s h ，设置启动参数等。 当开发板的n o rf l a s h 和n a n df l a s h 都没有烧录b i o s 时，可以使用2 0 芯的j t a g 接口烧录b i o s 到n o r f l a s h 和n a n d f l a s h 中。 2 5嵌入式操作系统概述 随着嵌入式硬件系统的发展，其功能越来越强大，而传统的由手工编制的监控程序或 调度程序却有着固有的编码繁琐，功能有限等缺陷。这就要求在嵌入式系统中使用专门的操 作系统来满足这方面的需要。更重要的是嵌入式操作系统对应用程序可以起到屏蔽的作用， 使应用程序员面向操作系统级开发应用软件，并易于在不同的嵌入式处理器上移植。 2 5 1 嵌入式操作系统的特点 嵌入式操作系统负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分配、调度工作，控制、协调并 发活动，是整个系统的核心部分，操作系统的各项性能指标直接影响到整个系统的性能。这 就要求嵌入式操作系统能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能，同时在系统实时高 效性、硬件的相关依赖性、软件崮态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点，除具 备了一般操作系统最基本的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件功能等外，还有 以下特点旧： 1 可装卸性。开放性、可伸缩性的体系结构。 2 强实时性。嵌入式操作系统实时性一般较强，可用于各种设备控制当中。 3 统一的接口。提供各种设备驱动接口。 4 操作方便、简单、提供友好的图形g u i 图形界面，追求易学易用。 1 0 第二章a r m 9 嵌入式系统 5 提供强大的网络功能，支持r c m p 协议及其它协议，提供t p ，u d m p 伊p p 协议 支持及统一的m a c 访问层接口，为各种移动计算设备预留接口。 6 强稳定性，弱交互性。嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的干预。这就要 负责系统管理的嵌入式操作系统具有较强的稳定性。嵌入式操作系统的用户接口一 般不提供操作命令，它通过系统调用命令向用户程序提供服务。 7 固化代码。在嵌入系统中，嵌入式操作系统和应用软件被固化在嵌入式系统计算机 的r o m 中。辅助存储器在嵌入式系统中很少使用，取而代之的是各种内存文件系 统。 8 更好的硬件适应性，也就是良好的移植性。 2 5 2 几种常用的嵌入式操作系统 1 p a l m o s p a l m o s 是一种3 2 位的嵌入式操作系统。p a l m 提供了串行通信接口和红外线传输接口， 利用它可以方便地与其它外部设备通信、传输数据：拥有开放的o s 应用稃序接口，开发商可 根据需要自行开发所需的应用程序。p a l mo s 是一套具有极强开放性的系统，现在有大约数 千种专门为p a l mo s 编写的应用程序。从程序内容上看，d , n 个人管理、游戏，大到行业 解决方案，p a l mo s 无所不包。在丰富的软件支持下，基于p a l mo s 的掌上电脑功能得以不 断扩展。p a l mo s 充分考虑了掌上电脑内存相对较小的情况，因此它只占有非常小的内存。 由于基于p a l m o s 编写的应用程序占用的空间也非常小( 通常只有几十r e ) ，所以，基于p a l m o s 的掌上电脑( 虽然只有几m b 的r a m ) 可以运行众多应用程序。 p a l mo s 的一个重大缺点是其硬件和软件均由一家公司掌握，限制了软件开发队伍的 扩大。由于p a l m 缺乏对加密、v p n 网络等商业应用的支持，目前市场份额已经很小了。 2 p c o s i i c o s i i 是一个价格低廉，对学校免费的操作系统。p c o s 4 i 作为一个占先式多任务 的微内核的r t o s ，其性能和许多商业操作系统不相上下，并且开放源代码，使用者能够完 全定制自己想要的功能。它已经被广泛应用到医疗器械、引擎控制、网络设备等领域。 p c o s i i 结构非常简洁，用户只要做少鼍的工作即可将其移植到各种微处理器上。 p c o s 1 1 的主要缺点是作为一款开放源代码，对学校免费的操作系统，缺乏便利开发 环境和有效的技术支持，对图形化的支持也不好。 3 p , c l i n u x u c l i n u x 是l i n u x 小型化后，适合于没有m m u ( 内存管理单元) 的微处理器芯片而裁 剪成的操作系统。u c l i n u x 保持了传统l i n u x 操作系统的主要特性，包招稳定、强大的网络 和文件系统的支持；开放源码使第三方容易实现产品的定制，以及完善的中文支持，强大的 技术支持，完整的文档。p c l i n u x 裁剪了大量的l i n u x 内核以缩小尺寸，适合象5 1 2 k b 的 r a m 、1 m b 的f l a s h 这样小容量、低成本的嵌入式系统。a c l i n u x 系统小型化的另一简化 是采用了p c l i b 库替代l i n u x 的g l i b 库，使用“c l i b 可以大大减少应用程序的代码尺寸。 p c l i n u x 主要是针对没有m m u 的嵌入式处理器开发设计，那么它也失去了有m m u 所带来的l i n u x 操作系统的特色。心l i n u x 对内存操作是直接的物理内存，这样，任何程序 的异常都可能导致内核崩溃，“c l i n u x 支持多线程，但需要父子线程协调同步，u c l i n u x 的 文件系统相对比较陈旧，支持的c p u 和参考设计还比较少，开发工具相对于w i n c e 和 v x w o r k s ，在易于使用和丰富性方面还待于提高和改进。这对于商业化的产品开发中采用是 有一定的风险。 4 v x w o r k s v x w o r k s 是美国w i n d r i v e r 公司开发的，具有工业领导地位的高性能嵌入式实时操作 东南大学硕士学位论文 系统。v x w o r k s 具有专门为实时嵌入式系统设计开发的操作系统内核，提供了高效的实时多 任务调度、中断管理，实时的系统资源以及实时的任务间通信。v x w o r k s 只占用了很小的存 储空间，并可高度裁减，保证了系统能以较高的效率运行。另外，它有专门的强大的开发环 境t o r n a d o 及w i n d m l 。 v x w o r k s 作为一种典型的商业化操作系统，价格十分昂贵。和心l i n u x 一样，也是针 对没有m m u 的处理器设计的，对于a r m 9 这样的有m m u 的处理器来说支持并不是很好。 5 w i n c e w i n d o w sc e 是微软开发的一个开放的、可升级的3 2 位嵌入式操作系统。w i n d o w sc e 的图形用户界面相当出色。w i n d o w s c e 操作界面虽来源于w i n d o w s 9 5 9 8 ，但w i n d o w s c e 是基于w i n 3 2 a p i 重新开发的、新型的信息设备平台，因而具有模块化、结构化和基于w i n 3 2 应用程序接口以及与处理器无关等特点。w i n d o w sc e 不仅继承了传统的w i n d o w s 图形界面， 并且在w i n d o w sc e 平台上可以使用w i n d o