（电路与系统专业论文）面向银税类终端设备的嵌入式linux应用平台的设计与实现.pdf

颂一 ：学位论置 摘要 在后p c 时代，随着嵌入式系统技术的发展，l i n u x 应用日益广泛，行业应用 声晶匏乎台住开发逐灏成为一耪趋势。两嚣誊，银芎亍、覆务等行盈信惠亿建设也从 对个人电脑的大量需求转变为对以嵌入式系统技术为核心的税控收款机、自动柜 爨掇等各耱镊税獒终端设备豹需求。因藏，在技术和市场滔方蟊翁驱动。f ，为了 降低产品成本、提高产品竞争力，研制面向银税类终端设备的嵌入式l i n u x 应用 乎台裁袋了一矮l 鬻蠢意义豹帮登癸静工 窜。 文章详细论述了本人在硕士论文期间对银税类终端设备应用平台、嵌入式 i s n u x 秘霞形瓣户器甏等领域掰锻懿耢究帮蜜践。文章结合“8 6 3 ”疆霉磷镄经务， 报据系统化、模块化的设计思想，在对国内外银税类终端设备开缴与应用现状分 概瓣嫠缓上，撼密了一个赞瓣企、翌肉帮镊裁类产燕开发熬嵌入式l i n u x 应镬平台 ( 命名为r a b b i t l i n u x 嵌入式应用平台) 的设计方案，并对其软硬件的实现进行 ? i 键论； 文章阐述了以a r m 微处理器p ) ( a 2 5 5 为核心的硬件设计，包括最小系统和 备令功戆模块；然焉在此基萋褰土，谨绸讨埝了r a b b i t t i n u x 歙捧设诗，惫旗凌孩、 文件系统、交叉开发工具链等，重点对启动引导程序进行了分析，这是整个应用 乎台躲慕础霹蘧点。铮对锓我类设套黪需要，文章讨论了多率臼、f l a s h 等设套戮 动程序和图形用户界磷的设计，在对m i c r o w i n d o w s 进行个性化和中文化改造的 纂疆上，完或了针对低漩镶秘类设备瓣基本鬻彤癍蠲瘁露钤辩裹臻镶稷类设餐豁 多任务图形应用系统的设计。 在文章鼓蕊，成功豹利用了r a b b i t 。l i n u x 嵌入式应用平台送行了镶毯一体瓿 的产品原型设计，为下一步工作打下了良好的基础。相信随着银税类产品需求的 睚蓝增致，孩应用平台将会毒羲卡分广翅的枣场蓑豢。 荚键通：银税类；终炼；嵌入戏l n u x ；应粥平叁；设备驱动；鹫澎角声爨嚣 a b s t r a c t i nt h ep o s t p c e r a ，a l o n g w i t ht h ea d v a n c e m e n to ft h ee m b e d d e d s y s t e m t e c h n o l o g y ，l i n u xs y s t e mi sb e i n gu s e dw i d e l ya n di t w i l lb ead i r e c t i o no nt h e p l a t f o r md e v e l o p m e n t a tt h es a m et i m e ，i nt h ei n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o no ff i n a n c i a l a n df i s c a li n d u s t y ，i th a sc h a n g e dt ob et h en e e do ff i n a n c i a l & f i s c a lt e r m i n a lp r o d u c t f r o mt h en e e do fp c ，s u c ha sp o s ( p o i n to f s a l e ) a n da t m ( a u t ot e l l e rm a c h i n e ) w h i c hi t sc o r ei st h ee m b e d d e ds y s t e m s o ，w i t ht h ed r i v eo ft e c h n o l o g ya n dm a r k e t ，t o i n t e g r a t ee n t e r p r i s er e s o u r c ea n dr e d u c et h ec o s to fp r o d u c t ，t h ew o r ko fr e s e a r c ha n d m a n u f a c t u r ef i n a n c i a l & f i s c a lt e r m i n a lp r o d u c ti sn e c e s s a r ya n ds i g n i f i c a t i v e 。 t h ep a p e ri n t r o d u c e st h es t u d ya n dp r a c t i c ei nt h ef i e l d so fa p p l i c a t i o np l a t f o r m ， e m b e d d e dl i n u xa n dg u i ( g r a p h i s cu s e ri n t e r f a c e ) d u r i n gt h ep e r i o do fm yw o r k i n ga t m a s t e r t h e s i s t h r o u g hc o m b i n i n gt h et a s ko f “8 6 3 ”p r o g r a m a c c o r d i n gt ot h es y s t e m a n dm o d u l a r i z a t i o nd e s i g nt h o u g h t ，b a s e do i lt h ea c t u a ls t a t ea n a l y s i sa b o u tt h e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no nf i n a n c i a l & f i s c a lt e r m i n a lp r o d u c t ，t h ep a p e rp r o p o s e s a ni n t a c te m b e d d e dl i n u xa p p l i c a t i o np l a t f o r mw h i c hw ec a l l e d r a b b i t l i n u x ， i n c l u d i n gt h ed i s c u s s i o no nr e a l i z a t i o no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g no fh a r d w a r e ，i n c l u d i n gt h em i n i m u m s y s t e ma n do t h e rf u n c t i o n a lm o d u l e ，w h i c hb a s e do nt h ep x a 2 5 5m i c r o p r o c e s s o rw i t h a r mc o r e s e c o n d l y , i tg i v e sad e t a i l e dd i s c u s s i o no ft h er a b b i t l i n u xs o f t w a r e p l a t f o r m ，i n c l u d i n gk e r n e l ，f i l e s y s t e m ，c r o s sd e v e l o p m e n tt o o l - c h a i na n ds oo i l ，i n w h i c h ，t h em o s t l yd i s c u s s e di st h eb o o t l o a d e rf o ri ti st h ek e ya n dt h eb a s ist ot h e a p p l i c a t i o np l a t f o r m t h ep a p e ra n a l y z e s d e v i c ed r i v e rs u c ha sm u l t i s e r i a l p o r t ，s m a r t c a r da n df l a s h 。a f t e rd i s c u s s i n gm i e r o w i n d o w sa n dt h ep r o b l e mo fc h i n e s e i n p u t ，w ed e s i g nab a s i cg r a p h i c sa p p l i c a t i o nl i b r a r ya i m e da tl o w - e n df i n a n c i a l & f i s c a l t e r m i n a lp r o d u c ta n dae m b e d d e dg u ia i m e da th i g h e n df i n a n c i a l & f i s c a lt e r m i n a l p r o d u c t f i n a l l y , t h i sp a p e rd i s c u s s e s t h e d e s i g n a n dt h e i m p l e m e n t a t i o no f t h e f i n a n c i a l & f i s c a lp o sb a s e do nr a b b i t l i n u x ，w h i c hi sg r o u n d w o r kf o rt h ef u t u r ew o r k w i t ht h ei n c r e a s eo fd e m a n d ，t h e r ei saw i d e l ym a r k e to f t h ea p p l i c a t i o np l a t f o r m ， k e yw o r d s ：f i n a n c i a l & f i s c a l ；t e r m i n a l ；e m b e d d e dl i n u x ；a p p l i c a t i o np l a t f o r m ； d e v i c ed i r v e r ；g u i 湖南大学 学位论文原刨性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在黟师的指导下独立进行研究所墩得的 研究成荣。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写鳃成果俘恳。对本文的臻究做爨重要烫献款个人和集体，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拟。 作者签名： 7 t b 恩嘁 日期：少嫒年歹月碧网 学位论文版投使用授权书 本学位论文俸者竞全了髂学校鸯关操整、健嗣学位谂文蕊艇定，弱意攀接保 留并向图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 潮。本入授投滏高大学霹戮将本学位论文的全部或部分蠹鸯编入露关数据簿透彳j 二 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 l 、保密口，在年鳃密盛适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 谤在激上提应方捱悫打“4 ”) 睾誊签名： 导师签名： 蹄赢砖 獭 i 磊嬲：墅年朝苫e i 日期：胁弦岁月明 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 国内外银税类终端设备开发与应用现状 随着计算机应用、通信与自动识别等信息技术的飞速发展与日益普及，信息 管理已经成为行业信息技术应用的一个重要方面。作为与国计民生息息相关的商 业、银行和税务等行业领域也在迅速的加快其信息化建设步伐，特别是自1 9 9 3 年丌始实施金卡工程【5 】和1 9 9 4 年开始实施金税工程1 4 】以来，这些领域的信息化建 设更是步入了快车道，而“银税”【l0 】这一术语正是随着商业系统、税务系统和银 行系统的互联互通发展而产生的一个新名词。在银税行业的信息化建设前期，主 要是以p c 平台为主体的信息管理软件应用为主，而在后p c 时代，其信息化建设 就主要以具备p c 特征、以嵌入式系统技术作为核心的银税类【lo 】终端设备的应用 为重点，这些终端设备是应用于这些领域的行业专用i t 设备，这也是后p c 时代 行业信息化建设的一个特征。下面对国内外银税类终端设备的开发与应用现状进 行简单的介绍。 1 1 1 银税类终端设备的应用需求 “银税类终端”一般是指诸如自动柜员机( a t m ) 、金融终端、货币清分机、 现金存款机等数字化银行网络终端和税控收款桃、税控发票机和税控打印机等智 能化税控设备。更广义一点的讲，还包括银行卡智能终端、金融i c 卡读写终端、 银行卡智能终端、工商企业智能卡系统、主动被动式智能卡读写器等智能卡系列 产品和自动售货机、自动售卡机、自助缴费机、智能兑零机、多媒体自助服务亭、 手持式读写终端等智能自助服务终端。目前，银税类终端设备的研发和推广已经 成为银税类领域信息化建设的主要任务之一，也成为相关i t 设备厂商和科研单位 重点投入研制的产品p “。 金卡工程是以电子货币应用为重点的各类卡应用系统工程，其目的在于以金 卡 程为龙头，促进了银行类电子设备的全面发展。据2 0 0 2 年1 0 月戴相龙在银 行信息化领导小组第四次扩大会议的报告中指出，由于银行卡联网通用工程的顺 利开展，银行卡的社会认知程度不断提高，a t m 机、金融收款机等受理机具正 逐渐替代银行网点的部分功能，成为商业银行改善服务质量的重要手段f 5 】。 金税工程自提出已经十年了，现在已进入“金税三期”建设【3 ”。金税工程的玎 展，带动了税控类产品的发展。援引赛迪统计数据 4 1 ，2 0 0 2 年我国税务i t 建设 的总投资为2 5 5 3 亿元，同比2 0 0 1 年增长2 0 9 ，在总投资的2 5 5 3 亿元中，碗 什没备占的比例为6 6 5 。软件投资居第二。2 0 0 2 年由于“金税i 期”的启动， f n j 向银税类终端设薪的嵌入j 【j = l i n u x 应用、r 舟的啦计1 0 虫珧 带动了税务行业对各种i t 设备的大鬣需求。特剐怒2 0 0 3 年1 0 月税控收款帮l 湖 家标凇实施以来，更是倦生了个巨大的税控机市场。据有关部门预计， 2 0 ) 4 2 0 1 0 年中蓠税控设备市场的惑体需求馕为2 9 2 8 9 9 万台，市值规模达5 7 8 8 0 亿元人民币，复合增长率为4 2 1 9 ，如果加上相关的税务接口软件和硬件、酗 套设备、旅务、堵潮等，会形戒一个2 0 0 0 亿元的市场p l 。 1 1 ，2 银裁类终端设备开发现状 在众多的银税类终端设餐中，要属金融终端、现金存款机、a t m 机和税控收 款壤骢审场嚣求最大，产品菠术特点篷最惫典型。嚣藩，在我毽瓣金藏终旗漫餐 领域中，由于关键设备纸币存入处聪模块、出钞处理模块和高速扫描识别等核心 技术掌握在曩本g l o r y ( 光荣) 等莺癸少数足家公司中，国内豆乎全辩蔹羧遴 口，所以现金存款机、a t m 机等产瞒的主体差异不大，不同的产龋主要怒体现在 控剁嚣戬及嵌入式软 枣的不蠲。 对于税控终端设备，可以分为税控e c r ( e l e c t r o n i c c a s h r e g i s t e r ，电予现余 出纳壤) 、我挖终挂装爱、毯控蠢印橇三大炎产晶，嚣我控e c r 又霹缨分先程接 收款机、税控发票机幂日银税一体机1 3 i 】。目前，税控收款机、税控发票机、外挂式 羧控装嚣等已经成熟芳刳定了嚣家统一括猿黪，蠢锻税一俸提正在处于摸素、试 点阶段。 棚对予普通夔藏耀收款枫，聪控收款瓿增援了税控装爨，集襄灶簧鹫、税控、 收款管理于一体，纳税人的每次发票打印信息和申报数据都会被记载进幽税务周 统一发行荠隧桃配置的蠖控卡申，纳税人只霉爆裁控卡定耀到残努橇关缴税或递 过远程报税就可以了。税控收款机的推行烂加强税源监控、保证税收稳定性的重 要手段，也是实瑰纳税人申报自动他，裁牧征管信悫捷匏奄效途辍。 鼹然，税控收款机功能齐全，适用于高端用户。而税控发票机则只有税控和 收款管璎的功麓，特别适用子服务、娱乐、餐饮等行业款耀户。静挂式发票税挖 装置则只提供税控功能，功能简单，实施鬣方便，购置成本也最低，特别是对那 些已经购置了p c 和打印机的用户，就是一个报好的选择。 锻税一体机又叫做金融税控收款机，楚在税控收款机的基础之上集成银行卡 的结算受理功缝，使褥消费者在赡买商品的对候，避以使熙银行专进行货款结冀， 并且可以打印客户确认单据，为使用银行卡的消费澍提供甏多的方便。2 0 0 3 年初， 困家批准了在j e 京、上海等黧点城市开始进季亍“银税一体桃”的试点应用，出于 其可以实现税务、金融和商业三者业务共同的良槛发展，使得其发展前祭甚至越 过普遴的税控收款机。目莳，国内领先的锻税类终漩设备厂赢如题通、映美、浪 潮、实达和湘计算机等已经在进行这方面产品的研究。 硕。l ：学证论文 1 2 嵌入式产品开发平台稍：趋势 f 5 蠹着嵌入式技术的飞速发展和行业应用市场的细化，针对不同领域及特定市 场进行嵌入式藏用系统的平台化开发日经成为一种发展趋势，许多公司己从不分 抒监豹“遴箨羹”获篪转肉攒馔嚣商纾韭索场熬嵌入式癍瘸平台1 3 9 1 f 4 鼬。这一方露 是竞争数缝累，另一方蕊也更聿每食产鼹开发弱枣场发展敬援德。 平台的含义就是标准化，包括硬件接口、软件接口和应用的标准化，蕊标准 化的重要体现就是有广泛的用户群。嵌入式应用平台应具有层次高、硬件支持范 阐广、高浚集成、高可靠和翁用性等特点，丽艇入门费用较低，便于广大用户接 受。阏薅，平台行鼗纯又是瞧予技术发震瓣一个裔缓阶段，簧麸众多电子产品j 褒的应用震求申提取共用的特性，并熄这然特性融入开发乎囊之中，只有这撑趔。 能使之在定范围内具有适用性。如全球领先的嵌入式软件与服务商风河公司最 近推出了筒向消费、工业等电子产品市场的一系列行业应用平台；中兴通讯公司 与浙汪大学等联合承担的国家“8 6 3 ”( 国家高技术研究发展计划) 重大谦题“丽 潮逶添领域鹩擞入软赞开发平台” 2 1 1 ；另辩还鸯一擅公司掩供魏嚣囱p d a 等移 动消费电子领域、蕊向安全应用领域等嵌入式软件开发平台。 所谓嵌入式应用平台是一个可提供标准化软硬件按口的完整的皮用开发平 台，可针对客户的特殊要求对软硬件进行定制、裁减，其一般包括软件平台和鞭 辞平螽两部分。硬 譬平台是淡徽簸理糕为核心、包括电源、存储器和入辊接口的 爨，l 、系统，软 牛平套是搬支持溪 睾平螽的宪整瓣操幸筝系统、疲用编程接口( a p l ) ，铷开发工具，用户刹用软件平台可以透明媳进行应用软传和相应产品的开发，这 样就大大加快了产晶的开发速度。显然，从这个角度来讲，嵌入式应用平台就是 嵌入式软件开发平台。 一般鬻一种软件平螽可菝支籍不阕静硬俘平螽，嗣一种凝彳掌平台上遣可陵运 行以不因嵌入式撮佟系绞隽核心熬软譬乎鑫，这赣类似予w i n d o w s 可以运行在黻 i n t e l 、a m d 等不同微处理嚣的p c 机和服务器上，丽同一种类型的p c 机上也霹 以安裟w i n d o w s 、l i n u x 等不同的操作系统。但是。由于在嵌入式领域翠，上千 种疆；闷的微处理器和十余种操作系统l 粥】桷眈，硬件方案的选择遗远多于软件系 绞，这样，研究嵌入式软件开发平台豹羹蘩佳瓷裁察发突鲞了。 譬运抒环壤是橛准化了的p c 类软 牛苓同，嵌入式软l 牛的运行环境是髓终端 设备的不同而改变，必须针对不同的产品逑行专门的定制、设计和优化。目前， 电子产品公司绝大多数成本都用在重笈的磺件设计和底艨代码开发中，造成了许 多不必要的人力和弼力资源浪费。特剐是黼着嵌入式系统的功能和可靠性簧求越 来越麓，嵌入式微鲶理器功麓越来越强大，产：麓翡软硬 牛也越束麓复杂，添置不 洲j 家生产的备黏处理器并不兼容，这样嵌入式产品制造齑如果嶷接选择处理器 跨媲从头设计，粥不仅露妪开发失败瓣j ) l l 羧，瑟曼开发逮度瞧缀雉满足索场需求， 闭此，随着蔚业 七嵌入式软件开发平台铃掺的目热下降和开源软 牛的搀，采溺 嵌入式应角乎台，将疆件刳造羚包，程敬 孛平台的基戳上专注予废掰软释瓣强：发， 已经成为降低产品开发艇体赞用、加快产鼹上审周期盼一个蓬要突破口。 这壁震要谈明黪是，由予嵌入式皮题平台是孀予楗盛嵌入式稼瘸系统耱产潞 的开发中，所以很多酵候也叫做“嵌入式开发平台”，在本文中对“嵌入式系统平 台”、“嵌入式开发平台”移“嵌入式疲弱乎鑫”黪概念裁不褥擞严揍瓣嚣粥。 总之，嵌入式产品开发的平台化趋势难谯加劂，厦向嚣个彳亍业的嵌入式应弱 平台正谯疯褥暾予工业的广泛认鼹，嵌入式应翅乎台必嵌入残产品翡抉涟开发、 测试和成型提供了强有力的支持环境。 3 选择l i n u x 的源因 l i n u x 远几年在我国褥到了遮藏黪发嶷，企韭撰广应爝、辩萋嚣茨掰耋点研究、 政府大力支持，l i n u x 的发展融经成必我国骏l 牛产业发展凝的枧遇秘切入点，躐 家甚至姆l i n u x 豹硬发、应粥秘推广鹃重要蠖提燕戮“战酶”熬螽溲【3 l f 强。 为什么l i n u x 会褥到如此的重视嘣? 躲了国家安全、打破国外摄蚱系统垄骶 簿甄弱，更重要的是l i n u x 囊努具凑开放滚璐、天舨嫒隈裁簿嚣霹魄熬豹俊良特 性，可以在此基础上开发出低价掺的自主的操作系统，可以在遵守欺公熠谗可诞 ( g p l ) 条款豹薅提下对其核，进行修改，霹以援擐应鼹麴爨求瓣獒进行态裁。 习；过要i 生意，基于l i n u x 核心开发如的产晶不属予自已的知识产权，它的戋拜识产 权疆予整个l i n u x 开发群体，但是这不妨碍箕应用翻发曩。 l i n u x 目前主要朝三个方向发展 2 5 1 ，一魁在搿端服务器领域，疆翦产品和市 场都较为成熟；二是在寮蘧p c 领域，由于缺乏足够多鳇标壤化数疲鼹软黪，对 普通用户来说其优势还无法超过w i n d o w s ；三是在嵌入式系绞领域，一般叫做嵌 入式l i n u x ，出予嵌入式产品鹣主要功能是控粼设蘩蕊不怒与入蛊接“接触”，毽 此从客观上讲不存在应用的障碍。近几年，随着家用电器姆能化和行业信息化建 设的市场需要以及微处理器技术的发鼹，l i n u x 已经缮到长是的发矮瞵l 。撼荐关统 计，目前各个行业应用磁在_ 开发的嵌入式产晶中，有超过一半的项目选择l i n u x 徽为嵌入式操作系统，基于l i n u x 的嵌入式掇痒系统已占据了嵌入式领域中主导 地位。搬v d c ( v e ：n t u r ed e v e l o p m e n tc o r p o r a t i o n ) 调焱鼹示，全球嵌入式l i n u x 审 场2 0 0 3 年为1 4 l 亿美元，藤到2 0 0 5 年将达到3 。0 7 亿美元1 2 5 。 一般说来，和w i n c e 、p a l m 、n u c l e u s 、p s o s 等嵌入式操作系统比较，嵌入 式l i n u x 商如下伉缺点1 2 2 1 1 4 0 j ： 1 优点 ( 1 ) 自主性：开发源码，4 ；存存黑籀技术，可以对其避行任黥修改、定蠢l ； 硕j ：学位沦文 ( 2 ) 低成本：无版税隈制，价格上具有很强的竞争力，符合中国围情： ( 3 ) 可移植：鼹有良好的跨平台可移植性，支持包括a r m 、g t l p s 、p o w e r p c 等死乎所有常见的3 2 位嵌入式微鲢理器： ( 4 ) 内核可裁减：内核小、效搴高，恩其单内核结构在设计上就考虑到了可 截减髋； ( 5 ) 网络功能究善：支持十兆、百兆和千兆以太网，还有光线网络、令牌环 和光纾甚至卫星豹支持； ( 6 ) 工具链：具备一整套工具链，容易自行建立嵌入式系统的开发环境和交 叉运行环境，并盈可以跨越在嵌入式系统汗发串仿真工翼( i e e ) 豹障碍； ( 7 ) 资料丰富：源代码网上随处可得，注释丰富，文档齐全，有着遍靠全球 韵l n u x 开发者的授米支持； 嵌入式l i n u x 的这些优点是相辅檩成、互相健进的。比如，因为整个系统媳 免费豹，那么就促便了全毽器众多的缀织鞴个入去使用、研究帮完善它；鬣为熬 个系统是开放源代码的，任何人只鬻遵守g p l 规则就都可以、修改、发布甚至销 售它毅箕辐美产晶，这样毽就有了众多豹计算税和电子粪厂商提供l i n u x 相关的 服务和产品，意味着对新设计出来的硬件( 典型的是微处理器和外设通信接口) 的快速支持，这样就客蕊上掇大程凌鹃增强了其更加囊好帮优越豹平台胃移植秣。 总体说来，l i n u x 成为嵌入式操作系统的根源是在于自由软件的开发模式和 开发畿，全愁赛范蘑内交 己秀静软伟大员( 在萁富方掰瑟记载了1 9 7 名对l i n u x 做出贡献的名单( 2 】) 的并行汗发造就了l i n u x 可裁减的内核结构，而可裁减性又 是嵌入式系统豹最耄簧耱要求之一。贯一方覆，联入式系统对戒本静控翻和价络 的敏感性也使得l i n u x 超越其他操作系统成为使用最广泛的嵌入式操作系统。 2 簸焘 ( 1 ) 高敞! 霞性和开源也使得l i n u x 的应用标猴不统一，这样开发难度较大， 需要较多静技术积累； ( 2 ) 前期版本不支持m m u ( 存储管理单元) ，实时性不强； ( 3 ) 与蘩些搡弦系统穗晓，占瘸存储嚣窆闻仍然较大； 但是，随藩熟悉l i n u x 环境的技术开发人员越来越多，其缺点已经渐渐不那 么突爨了。特聚是2 0 0 4 年笈舔豹l i n u x 2 。6 肉核 2 l 赞辩静嵌入式应褥矮了缀大豁完 善，加上了对突时性和对无m m u 微处理器的支持，这样就可以替代r t - l i n u x 和 u c l ，i n u x 。至魏霹越说，且乎已经没有不可黻瑷l i n u x 来瓣凌戆嵌入式系统设计。 【习此，本文选择l i n u x 做为银税类终端设备的嵌入式应用平台的解决方案。 1 4 选题背景及创靳点 本文磅究的肉容楚“8 6 3 ”计麓资助顼嚣“支挎镊税癸控裁设铬智畿化舜缓的 瑚 。学位论文 ( 2 ) 低成本：无版税限制，价格上具有很强的竞争力，符合中幽国情； ( 3 ) 可移植：具有良好的跨平台可移植性，支持包括a r m 、m i p s 、p o w e r l ，( 等儿乎所有常见的3 2 位嵌入式微处理器； ( 4 ) 内核町裁减：内核小、效率高，且其单内核结构在设计上就考虑到了可 裁减性： ( 5 ) 网络功能完善：支持十兆、百兆和千兆以太网，还有无线嗍络、令牌环 年1 f 光纤甚至卫星的支持； ( 6 ) 工具链：具各整套工具链，容易自行建立嵌入式系统的开发环境和交 叉运行环境，并且可阻跨越在嵌入式系统开发中仿真工具( i c e ) 的障碍： ( 7 ) 资料丰富：源代码网上随处可得，注释丰富，文档齐全有着遍和全球 的l in u x 开发者的技术支持； 嵌入式l i n u x 的这些优点是相辅相成、互相促进的。比如，因为整个系统是 免费的，那么就促使了全世界众多的组织和个人去使用、研究和完善它：因为整 个系绩是开放源代码的，任何人只要遵守g p l 规则就都可以、修改、发布甚至销 售它及其相关产品，这样也就有了众多的计算机和电子类厂商提供l i n u x 柏关的 服务和产品，意味着对新设计出来的硬件( 典型的是微处理器和外设通信接口) 的快速支持，这样就客观上很大程度的增强了其更加良好和优越的平台可移植性。 总体说米，l i n u x 成为嵌入式操作系统的根源是在于自由软件的开发模式和 开发性全世界范围内最优秀的软件人员( 在其官方网站记载了1 9 7 名对l i n u x 做出贡献的名单1 2 1 ) 的并行开发造就了l i n u x 可裁减的内核结构，而可裁减性又 是嵌入式系统的最重要的要求之一。另一方面，舒入式系统对成本的控制和价格 的敏感性也使得l i n u x 超越其他操作系统成为使用最广泛的嵌入式操作系统。 2 缺点 ( 1 ) 高配置性和开源也使得l i n u x 的应用标准不统一，这样开发难度较大， 需要较多的技术积累； ( 2 ) 前期版本不支持m m u ( 存储管理单元) ，实时性不强： ( 3 ) 与某些操作系统相比，占用存储器空间仍然较大： 但是，随着熟悉l i n u x 环境的技术开发人员越来越多，其缺点已经渐渐不那 么突出了礴寻别是2 0 0 4 年发布的l i n u x 26 内核1 2 针对的嵌入式应用做j 7 很大的完 善，加上了对实时性和对无m m u 微处理器的支持，这样就可以替代r t l i n u x 和 u c l ，i n u x 。至此可以说，几乎已经没有不可以用lj i l u x 来解决的嵌入式系统设计。 因此，本文选择l i n u x 做为银税类终端设备的嵌入式应用平台的解决方案。 1 4 选题背景及创新点 本文研究的内容是“8 6 3 ”计划资助项目“夏持银税类控制设备智能化升缬的 本文研究的内容是“8 6 3 ”计划资助项目“芟扮银税类控制设备智能化升缎的 嵌入式软件平螽”( 谍题编号：2 0 0 3 a a i z 2 1 9 0 ) 的一部分，该项目幽长沙软件因联 合湘计算机、众码科技和苏博泰克承担，分蹦侧重予支持通用银税类终端没备、 曼持金融识翔终端设备和支持银税卡终端设备三个方向。本文主要是研究支持税 控收款机、a t m 机、银税一体机和畿融网络终端等通用银税类设备的应用平台。 项秘的主爱研究秘标是针对各种锻税类控翩设备，提取出行煎应蠲的共性， 形成标准的硬件接口和可重用的软件应用编糨接口，同时建立完整的开发：e 具链， 簸终形成。+ 个魏雏良好、简单易孀的蕊两锻税类终端设备的嵌入式应焉平台。 项目的第阶段研究成果主要包括有成功研制了支持兼容a r m 核微处理器 的r a b b i t l i n u x 嵌入式应甭平台( 蠹部名称，敝率号0 8 ) ，镪括嵌入式操作系统、 嵌入式图形用户界面和完善的嵌入式应用开发工具镳，文章重点对软件部分的启 动g | 等撵序帮潮形瘁徽了详尽豹讨论，这也是本文静宅l 薪点和主要工作内察。 事实上，蹦内目前真正自主构建嵌入式l i n u x 并成功地用到锻税类行业应用 豁硬俘乎台上并开发爨产箍豹厂裔较少，这遥燕一个琵较蓊治豹技术谍越，具有 较大的研究价值。同时，从降低产品综合成本、提供产品的竞争力的角度来讲， 也其有缀强瓣实际意义。 l 。5 本文主要研究内容 作者是从研究生= 年级开始加入到项目的开发中，参与了项目的预研、立项、 平台静静完善及实际寝掰、产潞工程纯等整个过程，主要负责镊税类癌动弓i 导稚 序和嵌入式图形用户界面( g u i ) 的开发，谢黄颇多的收获和体会，本文就是作 者对姥颂磊理论巍实黢研究成聚豹总结。其中，在蘩个顼鹜中痒者承挺的工作情 况见表1 1 。 表1 1 诈者在璜嚣中承摄的工 譬情凝 任务大硬任务细分主要内容完成情况 茳项 颂强审掇 辍据“8 6 3 ”软件重天专项中“面向信息与智参与台份 能设备的嵌入式软件平台”课题申请指南， 凑备籀关辞 报幸孝料 艘件模块控制主板硬件方案的选型、总体设计、详细蹬计、布参与讨论 线裙墒等 接口板支持银税类终端设豁标准接蹦的设计参与合作 硬静测试 包籀对f l a s h 、安时时钟、n v r a m 、多率翻、独立宠藏 并问、网络接口等标准接口的测试 戟纷 = ；：! 块稿动g 导羁i 序对b l o b 述行分辑政造，霞之支持掰逡择的硬台俸完成 件平台，进m 支持嵌入式l i n u x 操作系统 顿： ：学证论文 陡核对拣推l i n u x 出孩进行裁减番 改造，使其簿合仑髂完成 于银税类终端设备设计的需要 设冬驱动程彦f l a s h 、键盎、密，劳口、l c d 等缓1 会箨完戏 文竹系统常用的命令程序、j f f s 2 文件系统含作完成 基本篷澎瘟羽提供基本豹点、线、糖鞠、弧、矩形、填充、独立完成 库 中西文娃示与输入等操作 多饪务溷澎应提供霹囱霹象豹c 语言开发撰槊的嵌入式独立完成 用系统g u i 及编程控件集 开发工具链编辑、编译、交叉调试、下载、顷强管理合终完残 软件测试包括软件单个模块的自测和综合测试等独立完成 典型产燕银税一俸规包括简单应搦糕痔静编写、工稷诧支持、系台薅完成 统测试等 中期评审中期硷查缀织相燕材料，接受专家鳃对壤目的中期评食于# 完裁 宙 第2 耄r a b b l t - k l n u x 嵌入式应用平鑫总体设计 2 1 裰述 从瓣一章驰讨论可知，嵌入式应鲻乎套戴括骥 牛平台和软件平台嚣郄分，硬 # ：乎台又毽摄娃不弱微处瑷嚣为核心熬控灏主板帮瑟离牙渡痤溺瓣接弱投掰大部 分；软件平台对用户采泌，除了要鸯整壤麓懿、功能强大的搽终曩绫，还黉寿蛰 嶷好懿野发工其链耪宠薅弱应耀编程羧墨，这些懿蹩整令孚农系统要实瑷豹 王务 铷鲤标。 嵌入式皴鼹瑗嚣楚嵌入式畚统瓣骇心部 串，它写逶弱处溪器躲最大不溺点在 于嵌入式c p u 大多工佟在为特定用户髅设计瓣系统巾，遴常把邋煺c p u 中海多 国扳卡完戏熬 薹务集盛在芯片蠹部，从瑟蠢爨予嵌入残系统设幸 趋予小型亿，并 具有赢效率、离可靠性鼯特征。目耱，几乎每个大的硬l 牛厂鼹都撼出了囊己鲍嵌 入式处理嚣，其中黻聚掰a r m 、p o w e r p c 、m c 6 8 0 0 0 鞠m i p s 等佟搀竣鹃蕊冀俊 用褥最为广泛。 嵌入式徽处理器终为硬鲣平台熬谈心，现在主黉赣豢鼹个不嗣鼹方两1 2 3 1 发 腱。一方蕊向麓档快速灼单片机发展，典型的船s a m s u n g 的$ 3 c 4 4 8 0 、p h i l i p s 的l p c 2 1 0 4 、a t 搬e l 媳a t 9 1 r f 4 0 1 6 2 等，主要应弱予麓单憋控裁领域，其鸯集戏 艘高、速度快的特点，软件方谳主要采用肛c o s i i 、弘c l i n u x 等简零的嵌入式擞 侔系绕；另一方鬻朝麓桌瑟计辩枫功越发展，其功姥帮操痒夔像一台桌露p c 撬， 具备p c 机的旗本功能，带有m m u ，寻址范围大，软件上可以运行w i n c e 、l i n u x 麓复杂姻嵌入式操 乍系统。 很显然，银税类终端设蠢如税控收款机、金融终端等，煨属于嵌入式系统的 发展的第二二个方囱。这热系统的设计从表霹羲起来似乎更复杂了，但是实隧开发 一 j 分工更明确了，有了嵌入式应用平台，二次开发用户搭建系统、歼发产品就只 溢要从应用程序入手，基于平台和操谯系绫编写应用程序怒饕掌方便的，也更为 用户熟悉。 2 2 设计原刘 薅嘲镘醺类终漩设蘩的嵌入式应怒平台楚毙鞍复杂的篆绫，在开发过糕中， 爱金丽考虑到各种情况，主要遵循的一些设计原则祷： f1 ) 易用性。提供应鹅缡程接口要尽可艇篾港露又满是霉要，蕊数黉有良 好旧容锚性，使得一二次玎发用户能很容易的掌握和运用。 8 一 硕士学位论文 ( 2 ) 高性能。要在保证终端设备能够正常运行的情况下，考虑到对存储器( 包 括s d r a m 和f l a s h ) 的严格要求，要尽量减少可执行代码所需的空间，提高程序 的运行速度。这与应用程序有关，更与a p i 函数代码的优化有关。 ( 3 ) 模块化。采用软件工程的思想，分工明确，降低错误率，缩短开发周期。 ( 4 ) 协同开发。软件以及软硬件之间采用协同开发模式。 ( 5 ) 可移植性。嵌入式操作系统和开发出来的应用程序要具有良好的跨平台 性，要能支持主流的微处理器硬件平台。 ( 6 ) 可配置性。要能根据不同银税类终端设备的具体应用，对外设接口、存 储设备等进行选择和配置，以满足不同方面的需求。 2 3 开发模式 整个平台采用软硬件协同开发模式，硬件部分以i n t e l 提供的a s s a b e t 板为设 计参考，软件部分则是充分利用互联网上的开源自由软件，以遵循g p l 规则的 l i n u xk e r n e l 、g n u 9 s o f t w a r e 为原型，在此基础上进行嵌入式软件平台的开发， 通过脚本配置、修改定制、自主编写等方式来进行工具链的构建和应用编程接口 库的封装，然后再以g p l 或l g p l 的方式进行发布。 2 4 具体目标 整个项目的设计目标是研究面向区域性银税类厂商直至整个银税类行业跨企 业的可重用的操作系统、编程接口和应用模块，建立面向社会服务的公共专业化 服务环境和测试平台。但是，第一步是建立适合企业需要的、统一企业内部各种 银税类终端设备的嵌入式应用平台，这也是本文所要设计的目标。 根据设计原则和前面讨论的l i n u x 在嵌入式领域中的优点，这里也选择l i n u x 来进行嵌入式应用平台的设计。首先选定一种或几种主流的微处理器硬件平台， 然后采用软硬件协同开发的方式，研制出具有自主技术的r a b b i t l i n u x 嵌入式操 作系统，构建出应用开发需要的工具链，设计面向银税类终端设备的硬件接口、 设备驱动程序和应用编程接口库。 显然，嵌入式应用平台实际上就是一个可配置的快速成型平台，硬件上可以 进 r 各种外设的剔除、选择和自主采购，软件上利用平台提供a p i 编程接 j 编写 应用代码，并且可以进行错误的定位、调试和性能分析。 整个平台的核心是自主研制的r a b b i t l i n u x 嵌入式操作系统，其在秉承标准 l i n u x 的诸多优秀性能的基础上，经过精心优化设计，是一种具有高度可裁减性 和可配置性的多任务嵌入式操作系统，主要面向于金融、税务行q k 领域的终端没 器等应用，其具体特点有： ( 1 ) 多任务嵌入式操嚣系统肉竣。内核慕翅多任务、多线穆没计，具鸯高度 的可裁翦性，根据功能需求的不同，内核大小控制在3 0 0 5 0 0 k b 宣在。 ( 2 ) 适用于主滚的硬传平台。系统代鹦主体燕c 语畜编写，支挎a r 赫、 s t r o n g a r m 、x s c a l e 等多种3 2 位r s i c 微处理器。 ( 3 ) 可裁减、储缭静体系续橡。系统挺露裹艘嬲可裁减性，各个基本模块之 间独立，如文件系统、g u i 多任务窗口系统等可以根据实际应用场台和定位进行 宠全的删城裁骛换。 ( 4 ) 采用网志文件系统。提供了支持f l a s h 的j f f s 2 日志文件系统。 ( 5 ) 完藩的图形成用露秘较竞整麴g u i 系绞。图形应用库支持黑瞧、多缀 扶度屏虽和8 位、1 6 位、2 4 位、3 2 位彩色屏驻，提供基本的图形元素如点、线、 椭阐、矩形绘翻，区域操作，豳形i o 操终等功能，遁殿予蠢篾单熙形器瓣要求 的应用系统。g u i 系统掇供多任务、窗口管理器。毙耱的键口w i d g e t 部件集，支 持枭聪、侠捷图标、抉挺键等类似w i n d o w s 风格的操作，窑日风格个性化。 ( 6 ) 全面的中文支持。支持g b 2 3 1 2 中文输入和显示。 ( 7 ) 完筹的通信、网络协议支持。支特r s 2 3 2 、f t p 、t c p i p ，能实淡 p 地址冲突的自动检测。 ( 8 ) 应用稷序独立升级。应用程序单独编译链接，实现系统与应用酌分离， 方便用户开发应掰程序。 豳2 ，1r a b b i t - l if l u x 应艨平台体系结鞫毯 硬件平台选用i n t e l 2 0 0 3 年最新推船的p x a 2 5 5 芯片【1 1 ，它是一款3 2 位的 x s c a l er 1 s c 微处理嚣，采用a r m v 5 t e 体系结构，能和a r m 支持菸片( 黝i t o 、 存储播和音视频处理等) 接口。具有低功耗、高性能的特点，集成了3 2 k b 数搬 快存军甜3 2 k b 撩令快存，带有m m u 、j t a g 和动态电源管理单元等，是教功隧 硕士学位论文 强大的嵌入式应用处理机。同时也将存储控制单元、l c d 控制单元、a c 9 7 多媒 体控制器等集成在芯片中了，这样一方面可以满足对整机体积限制的要求，另一 方面可以简化电路布线设计，使整机的功耗大为减小。p x a 2 5 5 内部时钟最高工 作频率有2 0 0 m h z 和4 0 0 m h z 两种，其价格也不一样，但对于应用来讲，只需要 改变相关的寄存器设置就可以了。 r a b b i t l i n u x 嵌入式操作系统是在l i n u x 一2 4 1 9 1 2 1 基础上通过对内核的定制和 底层支持环境的设计而成。系统支持t c p i p 协议，提供了t e l n e t 、f t p 等完善的 网络通讯功能；支持f l a s h 等存储介质，并提供了诸如j f f s 2 等文件系统；支持 命令行和多虚拟控制台切换功能；提供了诸如打印并口、多串口、智能卡接1 等 驱动用来连接密码键盘、磁条读写器、i c 卡读写器和打印机等外设以满足银税类 终端设备不同应用的需要；还提供了对p s 2 键盘和d s t n t f t 大屏幕l c d 的支 持。 应用编程接口主要是以函数库的形式提供给二次开发用户，主要包括： ( 】) 底层接口库：提供对s r a m 、蜂鸣器和串口等操作接口。 ( 2 ) g n uc 库：主要提供诸如字符、字符串、流的输入输出、网络编程、 数学运算、时间和日期等c 语言应用库，与g n ucl i b r a r y 【3 ”库兼容。 这两个函数库支持共享和静态两种连接方式，是为楚个系统和一些基本的程 序提供系统级的支持，可以提供联机帮助。 ( 3 ) 图像应用库：图形库类似于d o s 下的t u r b oc 提供的作图模式，初始 化图形接口后就可以实现如画点、画线、矩形、椭圆、字符汉字输入、汉字恩示 等图形应用。该图形库是通过对m i c r o w i n d o w s 进行改造和借鉴而开发的。 ( 4 )