（电子科学与技术专业论文）嵌入式机器翻译手持设备的研究与实现.pdf

a b s t r a c t w i t l lt h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to ft h ee m b e d d e dh a r d w a r ef u n c t i o n ，a l lk i n d s o fc o m p l i c a t e da p p l i c a t i o n sh a v er e a l i z e di ne m b e d d e ds y s t e m o p e r a t i n gs y s t e m u s e d i i le r n b e d d e ds y s t e mi sd e v e l o p i n gf r e q u e n t l y f r o mt h eo r i g i n a l s m a r to p e r a t i n g s v s t e m s l l c ha su c o st ot h el i n u xs y s t e mw h i c h c a l lo p e r a t ei ne m b e d d e dp l a t f o r m o n l yb yc o n f i g u r i n gp r o p e r l ya n dc u t t i n g o u tn o w 勋es u b j e c to fm a c h i n et r a n s l a t i o nh a se x i s t e df o ral o n gt i m e ，b u tm a c h i n e t r a n s l a t i o nb a s e do np h r a s es t a t i s t i c si sn o tw i d l yu s e di ne m b e d d e dd e v i c ey e t t h i s t h e s i si sb a s e do nt h ee m b e d d e dl i n u xe l e c t r o n i cd e v i c e ，w h i c hh a sd o n es o m ed e e p r e s e 砌h ，d e s i g n e da n dd e v e l o p e ds o m e h a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，a n d r e a l i z e d m a c h i n et r a n s l a t i o nb a s e do np h r a s es t a t i s t i c s t h i st h e s i sc o n s i s t so ff o u rp a r t sj u s ta sf o l l o w s ： i ta n a l y z e st h ec u r r e n ts i t u a t i o no fa p p l i c a t i o na n ds t u d yo ne m b e d d e d h a n d l ed e v i c e a n dr e a n a l y z e ss y s t e m a t i c a l l ya c c o r d i n g t ot h ef u n c t i o n ； i td e s i g n sh a r d w a r ec i r c u i tf o rs o m em o d u l e s ，a n da n a l y z e sa n ds t u d i e st h e c h a r a c t e r i s t i c so fe m b e d d e dl i n u xa n dt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s so f t h ep l a t f o r m ； i ta n a l y z e st h ef e a t u r e so fm i n i g u i ，s t u d i e di t sp o r t i n gm e t h o d ，s h o w si t s c o n c r e t ep o r t i n gp r o c e s s ； ns t u d i e st h er 玎试nf u n c t i o no ft h eh a n d l ed e v i c e m a c h i n et r a n s l a t i o n s y s t e m a f t e rt e s t i n ga n da n a l y z i n g ，t h em a i n d i f f i c u l tp r o b l e mw h i c hc a nh a p p e n i nt h er e a l i z a t i o no ne m b e d d e dp l a t f o r mh a sb e e ng i v e ns o l u t i o n s ，t h e ne x p l a i n e s t h er e a l i z a t i o no fe a c hm o d u l ea n dd e s i g n a t i o nd e c o d e r i nd e t a i l b yi m p r o v i n gt h ed e s i g n a t i o no fm a c h i n et r a n s l a t i n gd e c o d e ra n dh u m a n l y d i s p o s i t i o no fg u ii ne m b e d d e de q u i p m e n t ，t h em a c h i n e t r a n s l m i o no i lp h r a s e s t a t i s t i c sh a sag o o du s ei ne m b e d d e de q u i p m e n t ，a n dh a sah i g h e rp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；l i n u x ：m i n i g u i ；m a c h i n e t r a n s l a t i o n i i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特另l d i ：i 以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者躲嵫鼢ck日期：少矽年j 为易日 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，同意 学校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。本人授权湖南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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囤o ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名：嘞缎乙f 日期 导师签名。髭f 荔嗄 日期： 硕十学位论文 1 1 研究现状 第1 章绪论 机器翻译( m a c h i n et r a n s l a t i o n ，简称m t ) ，就是应用计算机实现从一种自然 语言文本到另一种自然语言文本的翻译i l j 。而机器翻译系统( m a c h i n et r a n s l a t i o n s y s t e m ，简称m t s ) 是人类利用计算机对自然语言进行自动翻译及加工的工具， 一般就是指机器翻译软件。机器翻译系统是多学科交叉的复杂计算机软件系统， 其实现涉及语言学、数学和计算机科学，横跨文科、理科、工科三大知识领域，基 于统计的机器翻译本质上是一个信源信道的思想模型，可以将求解翻译的过程抽 象的理解为信号经过噪声信道传输后，在接收端还原的一个过程。 世界上第一个机器翻译系统在19 5 4 年诞生，是由g e o r g e t o w n 大学和i b m 合作开发出的。这个机器翻译系统使用了2 5 0 条俄语词汇和6 条语法规则第一次 用计算机实现了俄译英的翻译，表明了机器翻译的可行性。 这以后，机器翻译经历的第一次研究和开发的热潮。9 0 年代中期，在全世 界范围内形成一个研究和开发机器翻译系统的热潮。多方面大规模的市场需求促 成了这个热潮。一是i n t e r n e t 迅猛发展，形成一个遍布世界的巨大的信息海洋， 这些信息涉及人们工作和生活的各个方面；而个人计算机飞速发展和普及，使得 人们可以很方便地通过i n t e m e t 获取分布于世界各地的网络服务器上的各种各样 的信息。i n t e m e t 信息海洋中的信息，绝大多数是以各种自然语言的文本形式存 在，而普通用户不可能熟悉很多外语，若想获取在使用外语的网页中的信息，普 通用户需要翻译，因而对机器翻译软件也有了需求。二是随着经济全球化时代的 到来，公司的产品要销售到世界各地，产品的各种技术文档应该翻译为本地语言。 此外，各种国际组织和政府间的文件，也需要用多种语言书写。跨国公司和国际 组织看好机器翻译系统的高效率和低成本，对机器翻译很感兴趣。三是由于电子 商务的逐步广泛开展，以及使用不同语言的人们交往的不断增多，使得不同国家 的人们在经济和社会生活中的交流日益广泛。而语言不通是阻碍使用不同语言的 人们交流的一个瓶颈，语言的自动翻译是打破这个瓶颈的一个重要途径，人们对 机器翻译寄于厚望。 这一时期的机器翻译系统主要是采用的直接翻译( d i r e c tt r a n s l a t i o n ) 的方 法，基于词典，利用词典中的语法和语义进行翻译。直接翻译法的主要缺点是， 没有明确区分源语言分析阶段和目标语言生成阶段，对源语言的语法分析不够， 所利用到的规则很有限。在很长一段时间没有理论上的突破之后，机器翻译的研 究和开发陷入低谷。 摹丁嵌入式l i n u x 的机器翻泽手持设备的研究与实现 现阶段，机器翻译的效果和人工翻译相比，还是有着较大的差距，实现一个 完美的机器翻译系统仍然是机器翻译研究者和开发者孜孜以求的梦想。由于机器 翻译的处理对象是自然语言，而人类目前对于自然语言的认知过程仍然不是十分 清楚，所以机器翻译系统不可能达到人类对语言的驾驭程度，要实现完全自动、 高质量的机器翻译系统是极其困难的。正因为如此，机器翻译被称为要在2 1 世 纪解决的科技难题之一。 目前，机器翻译虽然已经广泛应用于嵌入式设备中，但大多数均是基于语法 规则方式的机器翻译，因为这种方式不需要很大的库文件，算法和原理也相对简 单，整个翻译过程较快，比较容易在资源紧张的系统上实现，因此获得了广泛的 应用，不过，这种方式却有着一些天生的缺陷，而且难以解决。首先，很多词汇 有很多意思，在特定的上下文中如何确定一个多义词的含义，是一个难以解决的 问题，这个问题称作词义消歧。譬如，“打人”、“打水 、“打毛衣 、“打 篮球”中的“打的含义都是不同的，对应的英文分别是b e a t 、f e t c h 、w e a v e 和 p l a y 。但是“打篮球”是进行的一种球类运动，那么可否有“打足球 呢? 事实 上，这种搭配又是不成立的。因此，词义消歧是一个错综复杂的问题，并没有一 套可以遵循的规则可言。我们如何将汉语的句子结构转换为等价的英语句子的句 法结构呢? 这个难题一般采用语法树转换来解决。但由于自然语言造句的灵活 性，目前的语法树转换的理论尚不能很好的解决这个问题。另外，语言的模糊性、 自由性、新语言现象的不断产生等特点，基于规则的方法都望尘莫及。同时，英 译汉系统和汉译英系统是两个不同的系统，两个系统会使用不同的词典和转换方 法，因此两者之间无法互换，也就是说，不同的两个语言之间的翻译系统有很大 的差别，即便是两个语言不同方向上的翻译也是完全不同的两个系统。因此，基 于规则的方法没有统一的模型，不能支持多国语言互译。 现代计算机的发展对翻译工作带来的变化是不容忽视和回避的，如何提高翻 译效率是国内翻译机构最为关心的课题。过去的研究重点一直放在基于语法规则 的机器翻译上，但是很多年来，直没有取得突破性的进展，是因为人们对自然 语言的理解认识不够。现有的机器翻译系统基于对语言的表层的句法分析，没有 对语言进行深层的语义分析，因此，系统的结果就不会很好。由于基于统计规则 的机器翻译的研究起步较晚，其研究现状不容乐观，在国内，研究基于统计的机 器翻译的人并不多，应用的案例也很少，在国际上，也只有一些大型公司在研究， 由于市场上的竞争，导致了这些研究人员之间的信息封闭，大部分的资料停留在 叫抽象的理论指导，对系统的测试数据和性能分析较少，这种现象，给基于统计 的机器翻译研究带来了困难。 在当前全球化的趋势下，国际间的交往和合作日益频繁和深入，但在这一过 2 硕十学位论文 程中，语言的差异造成了严重的障碍。在高度信息化的今天，人们每天面对大量 的外文资料，需要用不同的语言和来自不同国家的人进行交流，单纯的依靠人工 翻译和语言学习难以满足需要。在这样的情况下，人们对于机器翻译代替人工翻 译的需求与同俱增。所以，高质量、实用化的机器翻译系统的开发有着重要的实 践意义，而在手持设备上实现高效、高质量的机器翻译，则更具有实用价值。 现阶段，嵌入式系统的硬件性能也已经有了很大的提升，主要体现在处理器 的主频大幅度提高，存储器容量增大，功耗降低，等等。这些硬件性能的提升， 也预示着一些复杂的应用将在嵌入式平台上实现。将基于短语统计的机器翻译在 嵌入式设备上实现，已经具备了相应的硬件条件，而随着嵌入式平台的发展，机 器翻译系统必定会迎来新的热潮，基于统计的机器翻译系统将成为主流。 1 2 研究意义 目前，基于短语统计的机器翻译系统的翻译质量和人工翻译相比，还存在一 定差距，要想完全代替人工翻译，还有一段很长的路要走，但是，其翻译质量相 对于基于语法规则方式的机器翻译系统而言，还是有了质的飞跃。翻译质量的提 高，这并不是基于统计的机器翻译的最大优点，基于统计的这一方式，使得基于 统计的机器翻译系统能够轻松的实现多国语言之间的互相翻译，而使用基于语法 规则的机器翻译实现多国语言翻译，开发人员首先必须对这些国家的语言语法规 则非常熟悉，同时针对一些语法的歧义，需要有大量的语言规则来约束翻译行为， 加大了开发的难度，而使用基于统计方式实现的机器翻译系统，则不需要开发人 员对该国语言的规则非常熟悉，甚至可以由非专业人员进行语料库的训练，得到 我们所需要的语料库，而对于不同语言之间的相互翻译，只需要提供对应的语料 库即可，例如中英，英法，英德之间的翻译，只需要提供三个对应的语料库即可， 而这三种翻译的原理是完全一样的，都是基于统计概率的一个搜索解码，不同语 言之间的翻译，对于基于统计的机器翻译系统而言，没有本质的区别，不需要再 进行二次开发，因此，设计一个良好的基于统计的机器翻译系统，具有长远的意 义。 基于短语统计类型的机器翻译系统在嵌入式手持设备上的应用还处于起步 阶段，各方面的研究资料相对有限，但是人们对于机器翻译的需求却是急切的， 本文将基于短语统计类型的机器翻译系统与嵌入式系统相结合，同时利用基于统 计的机器翻译系统的特点，可以动态的扩充嵌入式手持设备上的翻译语言的种 类，充分体现了机器翻译的应用价值。 本课题来源于香港康明公司产品项目“2 7 0 8 系列电子辞典的研发”。传统的 电子辞典往往是用作学生学习外语时的辅助工具，功能比较单一，一般不具有机 基于嵌入式l i n u x 的机器翻译手持设备的研究1 j 实现 器翻译的功能，即使具有该功能，其翻译质量也不是很理想，没有太大的实用性， 产品的局限性较大，该项目的目的是通过对嵌入式平台、嵌入式g u i 中间件和 机器翻译的研究，开发出一个带有基于短语统计的计机器翻译功能的多功能手持 设备( 电子辞典) ，用于改善现阶段手持设备的智能翻译质量，给人们的学习和工 作带来便利，同时让人们对电子的辞典的功能有一个新的认识，感受机器翻译系 统所带来的好处。 1 3 论文内容和结构 本文是作者研究生期间理论学习研究和实习实践成果的总结，完整的记录了 项目开发的各个阶段的理论研究和实现方法，并融合嵌入式系统，信息论等学科 知识。 根据嵌入式平台开发的流程，本文将依次介绍平台的硬件设计，开发环境和 软件平台的构建、机器翻译的具体实现等，从下至上的体现了一个完整的产品实 现过程。 第二章首先对嵌入式系统做了必要的说明，分别从硬件层、中间层和系统层 来进行阐述。然后介绍了嵌入式l i n u x 系统，和g u i 中间件，并说明了l l i n u x 操作系统的优势以及我们选用l i n u x 的原因。该章内容同时也为第三章硬件平台 和第四章软件平台提供了理论支持。 第三章介绍系统的硬件平台。介绍了所实现的手持设备的功能，结合需求分 析，介绍了主要硬件构成，给出了一些重要模块的电路图和逻辑图，同时进行可 行性分析。 第四章介绍了整个软件平台的构建。根据系统软件结构层次，从底层开始， 分别描述了嵌入式系统中底层b o o t l o a d e r 的实现、嵌入式l i n u x 的裁剪和移植以 及m i n i g u i 的移植具体方法和细节。其中m i n i g u i 移植涉及的内容较多，是这 一章的重点。 第五章，对基于短语统计类型的机器翻译系统进行了深入研究，给出了机器 翻译系统中模型构建的过程以及其解码器的详细设计过程，并对解码的各个阶段 进行了分析，针对嵌入式系统，进行一些优化，对机器翻译系统在本文所讨论的 硬件平台上的各种运行参数进行评测，同时也设计了机器翻译系统在手持设备上 的终端界面，并对界面的友好性做了一定的处理，使之更适合在嵌入式平台上运 行。 最后，对本文研究工作进行总结与展望。 4 硕十学位论文 第2 章嵌入式系统概述 2 1 嵌入式系统定义 嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。一个手持的m p 3 可以称作嵌 入式系统，同样，一个微型工业控制计算机也可以称作嵌入式系统，然而 比较两者，你也许会发现二者几乎完全不同，除了其中都嵌入有微处理器。 目前嵌入式系统已经渗透到我们生活中的每个角落，广泛应用于工业、 服务业、消费电子等行业，而恰恰由于这种范围的扩大，使得“嵌入式系统” 更加难于明确定义。 一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成，嵌 入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件 层和应用软件层组成。执行装置也称为被控对象，它可以接受嵌入式计算 机系统发出的控制命令，执行所规定的操作或任务。执行装置可以很简单， 如手机上的一个微小型的电机，当手机处于震动接收状态时打开；也可以 很复杂，如s o n y 智能机器狗，上面集成了多个微小型控制电机和多种传 感器，从而可以执行各种复杂的动作和感受各种状态信息。 下面对嵌入式计算机系统的组成进行介绍。 2 1 1 硬件层 硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器、通用设备接口和i o 接口。在 嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路等，就构成了 一个嵌入式核心控制模块。其中操作系统和应用程序都可以固化在r o m 中。 1 嵌入式微处理器 嵌入式系统硬件层的核心是嵌入式微处理器，嵌入式微处理器与通用 c p u 最大的不用在于嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群所专用设计 的系统中，它将通用c p u 许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有 利于嵌入式系统在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。 嵌入式微处理器的体系结构可以采用冯诺依曼体系或哈佛结构；指令系统 可以选用精简指令系统( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc 6 m p u t e r ，r i s c ) 和复杂 指令系统c i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，c i s c ) 。r i s c 计算机在 通道中只包含最有用的指令，确保数据通道快速执行每一条指令，从而提 高了执行效率并使c p u 硬件结构设计变得更为简单。嵌入式微处理器有各 种不同的体系，即使在同一体系中也可能具有不同的时钟频率和数据总线 基丁嵌入式l i n u x 的机器翻泽于持设备的研究1 j 实现 宽度，或集成了不同的外设和接口。据不完全统计，目前全世界嵌入式微 处理器已经超过1 0 0 0 多种，体系结构有3 0 多个系列，其中主流的体系有 a r m 、m i p s 、p o w e r p c 、x 8 6 等。但与全球p c 市场不同的是，没有种 嵌入式微处理器可以主导市场，仅以3 2 位的产品而言，就有10 0 种以上的 嵌入式微处理器。嵌入式微处理器的选择是根据具体的应用而决定的。 2 存储器 嵌入式系统需要存储器来存放和执行代码。嵌入式系统的存储器包含 c a c h e 、主存和辅助存储器。 c a c h e 是一种容量小、速度快的存储器阵列它位于主存和嵌入式微处理 器内核之间，存放的是最近一段时间微处理器使用最多的程序代码和数据。 在需要进行数据读取操作时，微处理器尽可能的从c a c h e 中读取数据，而 不是从主存中读取，这样就大大改善了系统的性能，提高了微处理器和主 存之间的数据传输速率。c a c h e 的主要目标就是：减小存储器( 如主存和辅 助存储器) 给微处理器内核造成的存储器访问瓶颈，使处理速度更快，实 时性更强。 在嵌入式系统中c a c h e 全部集成在嵌入式微处理器内，可分为数据 c a c h e 、指令c a c h e 或混合c a c h e ，c a c h e 的大小依不同处理器而定。一般 中高档的嵌入式微处理器才会把c a c h e 集成进去。 主存是嵌入式微处理器能直接访问的存储器，用来存放系统和用户的 程序及数据。它可以位于微处理器的内部或外部，其容量为2 5 6 k b 1 g b ， 根据具体的应用而定，一般片内存储器容量小，速度快，片外存储器容量 大。 常用作主存的存储器有：r o m 类n o rf l a s h 、e p r o m 和p r o m 等。 r a m 类s r a m 、d r a m 和s d r a m 等。 辅助存储器用来存放大数据量的程序代码或信息，它的容量大、但读 取速度与主存相比就慢的很多，用来长期保存用户的信息，如硬盘、n a n d f l a s h 、c f 卡、m m c 和s d 卡等。 3 通用设备接口和i o 接口 嵌入式系统和外界交互需要一定形式的通用设备接口，如a d 、d a 、 i o 等，外设通过和片外其他设备的或传感器的连接来实现微处理器的输入 输出功能。每个外设通常都只有单一的功能，它可以在芯片外也可以内置 芯片中。外设的种类很多，可从一个简单的串行通信设备到非常复杂的 8 0 2 1 l 无线设备。 6 硕十学位论文 目前嵌入式系统中常用的通用设备接口有a d ( 模数转换接口) 、d a ( 数模转换接口) ，i o 接口有r s 一2 3 2 接口( 串行通信接口) 、e t h e r n e t ( 以太网接口) 、u s b ( 通用串行总线接口) 、音频接口、v g a 视频输出 接口、1 2 c ( 现场总线) 、s p i ( 串行外围设备接口) 和i r d a ( 红外线接口) 等。 2 1 2 中间层 硬件层与软件层之间为中间层，也称为硬件抽象层( h a r d w a r ea b s t r a c t l a y e r ，h a l ) 或板级支持包( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ，b s p ) ，它将系统上 层软件与底层硬件分离开来，使系统的底层驱动程序与硬件无关，上层软 件开发人员无需关心底层硬件的具体情况，根据b s p 层提供的接口即可进 行开发。该层一般包含相关底层硬件的初始化、数据的输入输出操作和硬 件设备的配置功能。b s p 具有以下两个特点。 硬件相关性：因为嵌入式实时系统的硬件环境具有应用相关性，而作 为上层软件与硬件平台之间的接口，b s p 需要为操作系统提供操作和控制 具体硬件的方法。 操作系统相关性：不同的操作系统具有各自的软件层次结构，因此， 不同的操作系统具有特定的硬件接口形式。 实际上，b s p 是一个介于操作系统和底层硬件之间的软件层次，包括 了系统中大部分与硬件联系紧密的软件模块。设计一个完整的b s p 需要完 成两部分工作：嵌入式系统的硬件初始化和设计硬件相关的设备驱动。 嵌入式系统硬件初始化 系统初始化过程可以分为3 个主要环节，按照自底向上、从硬件到软 件的次序依次为：片级初始化、板级初始化和系统级初始化。 片级初始化完成嵌入式微处理器的初始化，包括设置嵌入式微处理器 的核心寄存器和控制寄存器、嵌入式微处理器核心工作模式和嵌入式微处 理器的局部总线模式等。片级初始化把嵌入式微处理器从上电时的默认状 态逐步设置成系统所要求的工作状态。这是一个纯硬件的初始化过程。 板级初始化完成嵌入式微处理器以外的其他硬件设备的初始化。另外， 还需设置某些软件的数据结构和参数，为随后的系统级初始化和应用程序 的运行建立硬件和软件环境。这是一个同时包含软硬件两部分在内的初始 化过程。 系统初始化该初始化过程以软件初始化为主，主要进行操作系统的初 始化。b s p 将对嵌入式微处理器的控制权转交给嵌入式操作系统，由操作 系统完成余下的初始化操作，包含加载和初始化与硬件无关的设备驱动程 7 基丁嵌入式l i n u x 的机器翻泽手持设备的研究与实现 序，建立系统内存区，加载并初始化其他系统软件模块，如网络系统、文 件系统等。最后，操作系统创建应用程序环境，并将控制权交给应用程序 的入口。 硬件相关的设备驱动程序 b s p 的另一个主要功能是硬件相关的设备驱动。硬件相关的设备驱动 程序的初始化通常是一个从高到低的过程。尽管b s p 中包含硬件相关的设 备驱动程序，但是这些设备驱动程序通常不直接由b s p 使用，而是在系统 初始化过程中由b s p 将他们与操作系统中通用的设备驱动程序关联起来， 并在随后的应用中由通用的设备驱动程序调用，实现对硬件设备的操作。 与硬件相关的驱动程序是b s p 设计与丌发中另一个非常关键的环节。 2 1 3 系统软件层 系统软件层由实时多任务操作系统( 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 ) 、文件系统、图形用户接口( g r a p h i cu s e ri n t e r f a c e ，g u i ) 、网络 系统及通用组件模块组成。r t o s 是嵌入式应用软件的基础和开发平台。 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统( e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m ，e o s ) 是一种用途广泛 的系统软件，过去它主要应用与工业控制和国防系统领域。e o s 负责嵌入 系统的全部软、硬件资源的分配、任务调度，控制、协调并发活动。它必 须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功 能。目前，已推出一些应用比较成功的e o s 产品系列。随着i n t e r n e t 技术 的发展、信息家电的普及应用及e o s 的微型化和专业化，e o s 开始从单一 的弱功能向高专业化的强功能方向发展。嵌入式操作系统在系统实时高效 性、硬件的相关依赖性、软件固化以及应用的专用性等方面具有较为突出 的特点。e o s 是相对于一般操作系统而言的，它除具有了一般操作系统最 基本的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件处理等。 g u i 中间件 g u i 是( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ) 的简称，即图形用户界面，准确来 说g u i 就是屏幕产品的视觉体验和互动操作部分。g u i 的广泛应用是当今 计算机发展的重大成就之一，他极大地方便了非专业用户，使用人们从此 不再需要死记硬背大量的命令，取而代之的是可用用通过窗口、菜单、按 键等方式来方便地进行操作。而嵌入式g u i 具有下面几个方面的基本要求： 轻型、占用资源少、高性能、高可靠性、便于移植、可配置等特点1 2j 。 8 硕十学位论文 2 2 嵌入式l i n u x 系统 嵌入式l i n u x 是以l i n u x 为基础的嵌入式作业系统，它被广泛应用在 移动电话、个人数字助理( p d a ) 、媒体播放器、消费性电子产品以及航空航 天等领域中。 嵌入式l i n u x 系统就是利用l i n u x 的许多特点，把它应用到嵌入式平台 上。 l i n u x 嵌入式系统相比其他操作系统，有着诸多的优势，首先，l i n u x 是开放源代码的，不存在黑箱技术，遍布全球的众多l i n u x 爱好者又是l i n u x 开发者的强大技术支持；其次，l i n u x 的内核小、效率高，内核的更新速度 很快，l i n u x 是可以定制的，其系统内核最小只有约1 3 4 k b 。第三，l i n u x 是 免费的o s ，在价格上极具竞争力。l i n u x 还有着嵌入式操作系统所需要的 很多特色，突出的就是l i n u x 适应于多种c p u 和多种硬件平台，是一个跨 平台的系统。到目前为止，它可以支持二三十种c p u 。而且性能稳定，裁 剪性很好，开发和使用都很容易。很多c p u 包括家电业芯片，都开始做l i n u x 的平台移植工作。移植的速度远远超过j a v a 的开发环境。也就是说，如果 今天用l i n u x 环境开发产品，那么将来换c p u 就不会遇到困扰。同时，l i n u x 内核的结构在网络方面是非常完整的，l i n u x 对网络中最常用的t c p i p 协 议有最完备的支持。提供了包括十兆、百兆、千兆的以太网络，以及无线 网络，t o k e rr i n g ( 令牌环网) 、光纤甚至卫星的支持。所以l i n u x 很适于做信 息家电的开发。 相对，l i n u x 的图形界面还相对较弱，但近年l i n u x 的图形界面发展也 很快，这也就不是问题。 其次，l i n u x 是可以定制的，其系统内核最小只有约l3 4 k b 。一个带有 中文系统和图形用户界面的核心程序也可以做到不足lm b ，并且同样稳定。 另外，它和多数u n i x 系统兼容，应用程序的开发和移植相当容易。同时， 由于具有良好的可移植性，人们已成功使l i n u x 运行于数百种硬件平台之 上。 但是，l i n u x 也是有缺点的。l i n u x 并非专门为实时性应用而设计，因 此如果想在对实时性要求较高的嵌入式系统中运行l i n u x ，就必须为之添加 实时软件模块。这些模块运行的内核空间正是操作系统实现进程调度、中 断处理和程序执行的部分，因此错误的代码可能会破坏操作系统，进而影 响整个系统的可靠性和稳定性。 l i n u x 的众多优点还是使它在嵌入式领域获得了广泛的应用，并出现了 数量可观的嵌入式l i n u x 系统。其中有代表性的包括：u c l i n u x 、e t l i n u x 、 9 摹丁嵌入式l i n u x 的机器翻译手持设备的研究与实现 t h i n l i n u x 等。e t l i n u x 通常用于在小型工业计算机，尤其是p c 1 0 4 模块。 t h i n l i n u x 面向专用的照相机服务器、x 1 0 控制器、m p 3 播放器和其它类 似的嵌入式应用。 2 3 嵌入式g u i 简介 g u i 就是给用户提供图形界面，对众多窗口和图层进行管理，同时接 受系统发送过来的底层消息，如果鼠标的坐标、和按键的键值等，根据这 些要素进行判断，然后重新调整显示内容，如此循环反复，以达到和用户 交接的作用。 2 3 1 嵌入式上常见的g u i 嵌入式系统往往是非常特化的硬设备，针对不同的应用，因此对图形 用户界面的需求也会有所不同。有的系统只要求简单的图形功能，而有些 系统要求完备的g u i 能力支持。因此很多嵌入式系统需要自行定制的嵌入 式图形用户界面。 目前嵌入式平台上常见的g u i 有m i n i g u i 、q t e m b e d d e d 、n a n o x w i n d o w ss y s t e m 、g t k 、o p e ng u i 、p i c o g u i 、u c g u i 等，其中比较成熟的， 在国内应用比较的多是m i n i g u i 和q t ，但是q t 收取的版权费用较高，同时 对系统的硬件要求也较高，因此，m i n i g u i 成为了国内的主流嵌入式g u i ， 并且该g u i 为国内自主研发的g u i ，得到众多公司的认可和支持。 2 3 2m i n i g u i 简介 由北京飞漫软件技术有限公司开发的m i n i g u i ，是面向实时嵌入式系 统的轻量级图形用户界面支持系统。自1 9 9 9 年初遵循g p l 条款1 发布 第一个版本以来，m i n i g u i 已广泛应用于手持信息终端、机顶盒、工业控 制系统及工业仪表、便携式多媒体播放机、查询终端等产品和领域。目前， m i n i g u i 已成为跨操作系统的图形用户界面支持系统，可在l i n u x u c l i n u x 、 v x w o r k s 、e c o s 、u c o s i i 、p s o s 、t h r e a d x 、n u c l e u s 、o s e 等操作系统 以及w i n 3 2 平台上运行；已验证的硬件平台包括i n t e lx 8 6 、a r m ( a r m 7 a r m 9 s t r o n g a r m x s c a l e ) 、p o w e r p c 、m i p s 、m 6 8 k ( d r a g o n b a l l c o l d f i r e ) 等等。m i n i g u i2 0 更为基于嵌入式l i n u x 的高端 嵌入式设备提供了完整的多进程支持，从而将m i n i g u i 从中端市场带到了 高端市场。 m i n i g u i 在嵌入式体系中的软件层次模型 1 0 硕十学位论文 图2 1m i n i g u l 在嵌入式系统中的软件层次 如图2 1 所示，基于m i n i g u i 的应用程序一般通过a n s ic 库、操作 系统和驱动程序接口以及m i n i g u i 自身提供的a p i 来实现自己的功 能；m i n i g u i 中的“可移植层( p o r t a b l el a y e r ) ”可将特定操作系统及底层 硬件的细节隐藏起来，而上层应用程序则无需关心底层的硬件平台输出和 输入设备【3 。 m i n i g u i 的通讯机制 m i n i g u i 下的通讯是一种类似于w i n 3 2 的消息机制，对于运行在线 程模式的m i n i g u i 版本，线程间的消息传递模型如图所示，其中的 d e s k t o p 线程充当一个微服务器，所有的消息在e v e n t 线程获取出来以后 就会投递给d e s k t o p 线程，然后再分发到目的应用程序主窗1 2 1 ，对于线程 版的m i n i g u i ，其通讯机制如图2 2 所示【3 】【4 】。 图2 2m i n i g u i 线程版本通讯机制 基丁嵌入式l i n u x 的机器翻译手持设得的研究。实现 m i n i g u i 的移植将在后面的章节详细介绍。 2 4 本章小结 首先介绍了嵌入式系统的概念，分析了其硬件和软件组成以及启动流 程等，然后介绍了嵌入式l i n u x 系统的特点，最后介绍了嵌入式g u i 中问件 m i n i g u i ，描述了其软件层次结构和通讯机制，为后面章节中相关技术的研 究与实现奠定基础。 1 2 硕十学位论文 第3 章手持设备的硬件平台 3 1 手持设备的功能 由于早期的嵌入式手持设备功能相对简单，因而没有必要使用操作系 统，事实上，也是因为当时的嵌入式平台处理器主频较低，而操作系统本 身就需要占用一定的系统开销。这个限制条件制约了嵌入式软件功能的发 展。但如今，嵌入式操作系统已经比较成熟和稳定，各种复杂的应用不断 的在嵌入式操作系统的复杂软件不断开发出来。 除去音视频播放、图片浏览、文本浏览等嵌入式系统常规的应用功能 之外，机器翻译则是最具特色的应用功能之一，尤其是多个语种之间的智 能翻译，使得具有机器翻译功能的手持设备成为一些商务人士的必备工具。 关于机器翻译的实现部分，将在第5 章详细介绍。 3 2 整体方案设计 主芯片的选取 该手持设备的本质上是作为一款学习外语的工具，外语的学习自然离 不开听说读写，因此，我们需要选择一款在音视频的处理上有一定优势的 主芯片。 t e l e c h i p s 是一家韩国的芯片研发公司，芯片方案主要应用于m p 3 、 p d a 、手机等多媒体终端设备，在音视频处理方面有着显著特色。我们选 用其生产的t c c 8 3 0 0 芯片进行开发，该芯片有如下特点： a r m 9 2 6 e j s 内核，最高2 2 0m h z 处理速度。 提供外部s d r a m ，s r a m ，n o rf l a s h ，p r o m 接口，并且内部集成6 4 k b s r a m 。 u s b 2 0d e v i c e + u s b l 1h o s t 4 8s y m b o le c cg e n e r a t o rf o rsl c m l cn a n df l a s h 1 2 s ，s p d i f ( t x ) ，c di n t e r f a c e 4c h a n n e lu a r t 2c h a n n e ls p i ( m a s t e r s l a v e ) 2c h a n n e l1 2 cc o m p a t i b l es e r i a li n t e r f a c e ( m a s t e r s l a v e ) 8e x t e r n a li n t e r r u p t s f o u r16 b i tt i m e r c o u n t e r sa n dt w o2 0 b i tt i m e r s 3 2 b i t1h zc o u n t e r 2g e n e r a ld m a ( 3c he a c h ，6 c ht o t a l ) 1 3 基丁嵌入式l i n u x 的机器翻译手持设备的研究与实现 j t a gi n t e r f a c ef o rc o d ed e b u g g i n g r t c ( r e a lt i m ec l o c k ) f o rb a t t e r yb a c k u p e h i ( e x t e r n a lh o s ti n t e r f a c e ) f o rp a r a l l e lh o s ti n t e r f a c e 2s l o ti n t e r f a c es d s d i o m m c c e a t ac o n t r o l l e r ( s d 2 0 ，s d l 0 1 2 ，m m c 4 2 ，c e a t a l 1 ) j p e ge n c o d i n g4 ：2 ：2 4 ：2 ：0 9 0 0 ，18 0 。，2 7 0 0r o t a t ec a p t u r es u p p o r tu pt ov g a ( d e p e n d so nt h es d r a mc a p a c i t y ) j p e gd e c o d i n g4 ：4 ：4 4 ：2 ：2 4 ：2 ：0 4 ：l ：l ( f r e es i z ed e c o d i n gu n d e r4 0 9 6 x 4 0 9 6 ) m 2 m ( m e m o r yt om e m o r y ) s c a l e r m j p e ge n c o d i n g d e c o d i n g3 0 f p s ( u p - t oq v g a ) m p e g 4 h 2 6 3e n c o d i n g15f p s ( u p t oq v g a ) d e c o d i n g3 0f p s ( u p t o q v g a ) 芯片内部逻辑结构如图3 1 所示【5 j 。 图3 1t c c 8 3 0 0 内部逻辑图 1 4 硕十学位论文 手持设备的主要功能 本文设计的手持设备主要功能如下： 多国语言之间的智能翻译，由于基于统计的机器翻译所需要的库文 件很大，因此，必须选取较大容量的n a n df l a s h 作为外部存储 器。 文本浏览，并且在文本浏览的或者查词界面时，能选定任意的句子 进行智能阅读，因此。需要语音合成芯片s c 。6 9 1 。 支持u s b 充电，选用i s l 6 2 9 2 进行电源管理。 支持待机模式，需要外部配备两个频率的晶振，一个高频的用于正常 工作状态，一个低频的用于待机( 也用于一些外部芯片) 。 音频、视频、图片的解码。主要用到t c c 8 3 0 0 提供相应硬件加速模