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基于轨道交通系统的嵌入式l i n u x 研究与实现 基于轨道交通系统的嵌入式 lin u x 研究与实现 摘要 在后p c 时代，随着嵌入式处理器性能的迅猛提升，嵌入式操作 系统的日益成熟和嵌入式网络技术的快速发展，嵌入式系统正日益广 泛被应用到工业控制、医疗卫生、交通运输、通信系统和武器装备等 领域，为相关系统智能化水平的提升和更新换代起到了重要的作用。 本文为开发轨道交通网络化关键电子设备，以满足轨道交通网络 化发展的需要，提供了面向领域的嵌入式核心技术支持。具体工作如 下： 首先，本文在对比分析主流的嵌入式操作系统优缺点的基础上， 结合轨道交通系统对嵌入式操作系统的要求，基于l i n u x 具有源码开 放、可靠性强、良好的可移植性、强大的网络支持能力等优点，选定 其作为开发对象。 其次，本文研究了启动引导程序的基本结构以及移植方法，并针 对课题组提供的$ 3 c 2 4 1 0 开发板，在对比各种启动引导程序的基础 上，实现了u - b o o t 的移植，为系统内核的移植打下了基础。 另外，本文在剖析系统内核的基础上，研究了l i n u x 内核移植的 关键技术和裁剪方法，成功实现了l i n u x2 6 版本内核在开发板上的 移植，并面向轨道交通系统的需要，对内核实施了裁剪和编译。 最后，本文研究了l i n u x 驱动程序基本结构及开发方法，分析了 l c d 驱动程序的帧缓冲机制，在目标开发板上实现了l c d 驱动程序的 基予辘邀交邋系统的嵌入式l i n u x 磺究乓实现 开发，为其它面向轨道交通领域的驱动程序开发打下了基础a 本文在面向轨道交通领域的嵌入式支撑技术研究成果可广泛应 用于网络化关键电子设备开发，为项目后期的轨道交遥各予系统的建 设和互联提供了坚实的技术保障，可以有效提升相关产迸的翎薪性和 科技竞争力。本文的工作具有重要的经济效益和社会意义。 关键字：嵌入式系统，轨道交通，启动引导程序，内核移植 基于轨道交通系统的嵌入式l i n u x 研究与实现 r e s e a r c ha n dr e a i ，i z a t l 0 no fe e d d e dl d 吼 b a s eo ni j i 己b a nra t ra n s p o r t a t i o ns y s t e m a b s t r a c t i nt h ep o s t p ce r a ，e m b e d d e ds y s t e m sh a v eb e e nw i d e l yu s e di n i n d u s t r y c o n t r o l s y s t e m s ， m e d i c a l f a c i l i t i e s ，t r a f f i cv e h i c l e s ， c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，w e a p o ne q u i p m e n t sb e c a u s eo ft h ep o w e r f u l e m b e d d e dp e o c e s s o ra sw e l la st h em a t u r a t i o no fe m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e m ，a n dr a p i dd e v e l o p m e n to fe m b e d d e dn e t w o r kt e c h n i q u e e m b e d d e dt e c h n i q u ep l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ei n t e l l i g e n t i z el e v e l g r o w t ha n du p d a t eo fr e l a t e ds y s t e m s f o rt h ep u r p o s eo fr & d k e ye l e c t r o n i ce q u i p m e n t st om e e tr a i l t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m sn e t w o r k i n g ，t h ee m b e d d e ds y s t e ms u p p o r t i n g t e c h n i q u e si sp r o v i d e di nt h i sp a p e r t h ec o n c r e t ew o r k a sf o l l o w s ： f i r s t l y , o nt h eb a s i so fc o m p a r i n gt h ep o p u l a re m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e m sa n dc o m b i n i n gt h er e q u i r e m e n t so fe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m f o rr a i lt r a n s p o r t a t i o na r e a ，l i n u xi sc h o s e dt or & db e c a u s ei ti so p e n s o u r c e ，g o o dd e p e n d a b i l i t y ，e a s yt ob ep o r ta n dp o w e r f u ln e t w o r k s u p p o r t s e c o n d l y ，t h eb a s i c 仔a m e w o r ko fb o o t l o a d e ra n dt h et r a n s p l a n t i n g m e t n o da r es t u d i e s a n do nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h es 3 c 2 410t a r g e t b o a r d ，w ea c c o m p l i s h e dt h eu b o o tt r a n s p l a n t i n g a l lt h ew o r k sa r et h e f o u n d a t i o no fk e r n e lt r a n s p l a n t i n g m o r e o v e r ，t h ek e yt e c h n i q u e so fk e r n e lt r a n s p l a n t i n ga n dt a i l o r i n g a r ef o c u s e do ni nt h i sp a p e r b a s i n go nt h el i n u xk e m e la n a l y s i s ，w e s u c c e s s f u l l yt r a n s p l a n t e dt h el i n u x 2 6e d i t i o nk e r n e lo nt h et a r g e tb o a r d v 基于轨邀交通系统的嵌入式l i n u x 研究与实现 a sw e l la s ，t h ek e r n e li st a i l o r e da n dc o m p i l e dt om e e tt h eu r b a nr a i l s y s t e m f i n a l l y , w ed i s c u s s e dt h ef r a m e b u f f e rm e c h a n i s m , a n dd e s i g n e dt h e l c dd r i v e r sf o rt h et a r g e tb o a r da f t e ra n a l y z i n gt h eb a s i cf r a m e w o r ka n d d e v e l o p i n gm e t h o df o rl i n u xd r i v e r s i tp r o v i d e dat e c h n i q u ec a s ef o r o t h e rd r i v e r sd e v e l o p i n gi nu r b a nr a i la u t o m a t i o ns y s t e m t h er e s e a r c hr e s u l t si nt h i s p a p e rc a nb ew i d e l yu s e di nk e y e l e c t r o n i ce q u i p m e n to fu r b a nr a i la u t o m a t i o ns y s t e m i tc a l lp r o m o t et h e i n n o v a t i o na n dt e c h n o l o g yc o m p e t i t i o nl e v e lf o rr e l a t e di n d u s t r y t h e w o r ki nt h i sp a p e rh a si m p o r t a n te c o n o m yb e n e f i ta n ds o c i a lm e a n i n g k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，r a i lt r a n s p o r t a t i o n ，b o o t l o a d e r , k e r n e lp o r t i n g 基于轨道交通系统的嵌入式l i n u x 研究与实现 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：丰建不 日期： 歹。乎年弓月卜日 基于轨道交通系统的嵌入式l i n u x 研究与实现 东华大学学位论文版权使用授权书 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 许论文被查阅或借阅。本人授权东华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。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密回。 学位论文作者签名：幕建京 日期：五u ；年7 月f 口日 指导教师签名： 基于轨道交通系统的嵌入式l i n u x 研究与实现 1 1 课题背景 第一章绪论 轨道交通作为大容量快速交通系统，在整个城市客流运输中正扮演着越来越 重要的角色。上海轨道交通目前共有5 条线投入运营，总长1 2 3 公里，运送旅客 约2 0 0 万人次。到2 0 1 0 年将达到1 3 条线路4 1 0 公里的规模，将承担上海市约 4 0 的公交客运量。在远景规划中，上海最终将建成1 8 条线路8 3 0 公里的规模， 承担上海市超过5 0 的公交客运量。地理上的网络化发展是上海轨道交通的基 本特征，如何实现这些轨道交通系统安全、高效、协调运行是摆在上海市轨道交 通建设者面前的难题。 轨道交通系统本身就是一个典型复杂的分布式系统。在一条线路上，车站照 明、通风、供电、电梯、给排水设施分布在线路不同的物理位置。比如网络电力 系统，具有分区域分段供电的特征，要求随时掌握每个局部环节的实时参数，监 控全局系统的正常运行。从上世纪八十年代开始，发达国家的轨道交通广泛采用 具有先进的自动化、机电一体化、网络化的技术设备，以确保列车运行的安全和 效率。上海轨道交通在过去的建设中，由于采用单线的建设模式，选用了不同国 家供货商的专业系统，而这些公司各自的技术背景、制式和标准不尽一致，功能 相互不同也互不兼容，在目前轨道交通呈现网络化建设运管时，使得全网络设备 状态的信息采集、信息发布、集中监控、车地信息交流以及系统集成等都造成了 许多障碍。 另外，随着上海轨道交通系统网络化进程的推进，运营管理模式也由单线独 立运营管理向多线综合运营管理的方向发展，对车辆、设备、终端、通信系统全 面数字化、网络化、智能化与可管理化方面提出了更高的要求。在以往上海轨道 交通的建设过程中，车辆、车站设备、监控系统基本采用控制器与微机监控系统， 涉及各厂商的不同设备和通信协议。随着机电设备种类、数量的增加，也需要更 多的集成量和关联度，使整个轨道交通网络的系统既具有网络管理功能又具备高 度的自治能力。 针对上海市轨道交通网络化发展的现状与需要，研制适应这种网络化发展的 基于轨道交通系统的嵌入式l i n u x 研究与实现 关键电子设备，以满足不同线路的自动控制系统、同一线路的不同子系统的互联， 是突破目前轨道交通建设技术瓶颈的切实有效途径。同时，在此基础上可以发展 并形成我国具有自主知识产权的轨道交通核心技术设备，有利于提升我国相关产 业的的竞争力。 嵌入式技术【1 】是随电子技术和网络技术的发展而发展的，分散控制是将功能 嵌入现场设备，使单个设备具有相对独立的功能，并通过网络与其它设备组合协 调工作。嵌入式控制将现场的数据采集、处理和控制结合，避免重复采集来回传 送。将功能嵌入现场设备使将复杂的控制分解为简单的个体，有利于产品的标准 化和系统的集成。随着嵌入式芯片处理能力的快速提升、嵌入式操作系统的成熟 和嵌入式网络技术的迅速发展，使得研制这种适应轨道交通系统网络化发展的关 键电子设备成为可能。 本论文的工作来源于上海市科委重大科技攻关计划：嵌入式技术在轨道交通 网络化关键电子设备研制中的应用研究。该课题以轨道交通自动控制系统为研究 对象，以嵌入式关键技术应用研究为突破口，开发一批关键的具有自主知识产权 的轨道交通电子产品，提升具有自主知识产权的高新技术( 包括：嵌入式技术) 在轨道交通领域应用水平，促进相关产品在我国轨道交通领域推广应用，为实现 行业技术的跨越，产生一定的示范作用，为轨道交通运营与管理的网络化、信息 化、标准化、智能化奠定基础。 1 2 课题相关内容和技术难点 轨道交通自动化控制系统是一个庞大、复杂的系统，它包括：电力监控子系 统、通信子系统、广播子系统、信号子系统、视频监控子系统、乘客信息子系统、 售检票子系统、环境与设备检测监控子系统、防灾报警子系统等。基于由外围到 核心、分而治之、逐步渗透的原则，项目经过前期研究，制定出首先要针对乘客 导向子系统、车辆检测子系统、视频监控子系统、电力监控子系统四个子系统进 行相关的嵌入式应用技术研究，开发相应的嵌入式设备，如图1 1 所示。然后通 过前面阶段研究工作的积累和在对轨道交通自动控制系统深入认识的基础上，再 进一步针对通信子系统、信号子系统等核心自动控制系统进行面向领域的嵌入式 应用技术研究，开发具有自主知识产权的关键电子设备。 2 基于轨道交通系统的嵌入式l j l l u 研究与实现 图1 - 1 基于嵌入式技术的轨道交通系统研究示意图 为了让读者对本论文工作的必要性有所了解，下面对课题相关内容以及面临 的技术难点做个简要总结。 课题前期开展的研究工作包括： ( 1 ) 面向领域的基于嵌入式技术的融合体系研究 要求在充分调研现行轨道交通领域相关系统及电子设备的基础上，深入研究 嵌入式技术的融合体系，使( 由嵌入式设备构成的) 局部自治单元具备相应的数 据采集、计算、存储、控制与数据传输能力，又能够通过通讯网络集成实现车站 设备、列车工况、电力监控的信息集成，移动视频信息的采集，以及乘客信息的 发布，最终支持轨道交通的网络化运营。该嵌入式应用系统体系结构如图1 2 所 示。从图中可以看出，嵌入式内核的实现及相关接口驱动和应用程序的开发是构 建整个轨道交通系统的技术保证。 3 基于轨道交通系统的嵌入式l i n u x 研究与实现 车站网络系车地通信系 统统 尊尊 以太网口无线模块 应用软件嵌入式内核 标准接口扩展接口 8 卜i 88 控制模块采集模块 现场设施 图i - 2 嵌入式应用系统体系结构图 ( 2 ) 嵌入式技术的轨道交通终端自治单元研究 嵌入式系统与普通的计算或控制系统相比，最大的特征是以应用为中心，系 统的构造依赖宿主设备或宿主系统。轨道交通终端自治单元研究旨在针对轨道交 通系统的各个不同宿主系统( 移动视频监控设备、乘客信息系统、电力监控系统、 车辆工况检测系统等) ，在分析其性质、特点与需求的基础上，重点研究控制和 信息传输嵌入式工作单元的器件组成、通信接口、视频显示接口、终端设备驱动、 存储系统、内核( 例如裁剪后的l i n u x 系统) 软件、应用软件等。一个轨道交通 嵌入式终端自治单元结构图如图1 - 3 所示。 图1 - 3 轨道交通嵌入式终端自治单元结构图 4 基于轨道交通系统的嵌入式l i n u x 研究与实现 在图i - 3 所示的轨道交通嵌入式终端自治单元结构设计的基础上，利用嵌入 式系统一体化形式设计所具有的结构简单、软硬件可裁剪等特征，根据不同应用 目标对其进行改造和优化，使各系统具备低成本、高可用性和较强的环境适应能 力。具体的终端自治单元包括乘客信息系统终端自治单元、移动视频监控节点和 主控节点自治单元、电力监控设备单元、列车工况信息转发单元等。 由于需要重点研究基于嵌入式技术的轨道交通电子产品，嵌入式技术分别应 用在终端控制设备、通信系统和后台处理中，所以，具体要解决的技术难点包括： ( 1 ) 嵌入式核心技术 以应用为中心，以计算技术为基础，软件硬件可裁剪，成为适应系统对功能、 可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用系统。 ( 2 ) 嵌入式网络与通信技术 现场总线技术；各现场总线与以太网连接技术；嵌入式( 应用层) 网关技术； 实时可靠的数据交换技术；嵌入式无线和有线互连技术。 ( 3 ) 各类嵌入式应用核心技术 大容量磁盘的容错管理技术；主机系统的数据传输总线的监控和管理；软件 容错( 时间容错和信息容错) ；最优化内存管理技术：中断响应控制等技术；视 频调度优化技术、抗干扰和抗抖动技术；图像数据的压缩解压缩技术；远程图像 声音数据传输的实时性和可靠性技术；数据传输优先级的控制技术。 ( 4 ) 嵌入式人工智能技术 嵌入式智能检测与控制技术；在线模式识别技术；故障查询与自诊断等技术。 ( 5 ) 嵌入式系统测试与评估技术 建立安全性、健壮性、实时性等指标体系及其基于测试的评估方法。 1 3 论文工作的提出与意义 本论文结合课题研究计划，在分析轨道交通自动化控制系统的基础上，着重 解决面向领域的嵌入式核心支撑技术问题。 即根据公司提供的基于a r m 9 核的$ 3 c 2 4 1 0 开发板，选择满足轨道交通系统 开发要求的嵌入式操作系统，并对其进行移植、裁剪，进而开发相应的设备驱动 程序。使之能够为项目中各子系统的开发提供系统软件级的支持。 5 基于轨道交通系统的嵌入式l i n t t x 研究与实现 嵌入式操作系统是嵌入式系统极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的 底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面等。嵌入式操作 系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理越来越复杂的系统资源；能 够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来；能够 提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。与通用操作系统相比较，嵌入式 操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性 等方面具有较为突出的特点。为使整个系统有限的硬件资源充分利用，复杂的嵌 入式系统离不开嵌入式操作系统的支持。 面向轨道交通领域应用的嵌入式系统，选择的操作系统应具备以下特点： 高可靠性，在恶劣的环境下，系统仍然能够正常工作 高实时性，要求嵌入式操作系统具有实时处理能力 具备微内核结构，便于系统定制和扩展 支持高分辨率显示以及媒体播放支撑软件 具备强大的网络支持功能 支持数字采集卡、多串口卡以及视频采集卡等轨道交通电子领域常用的设 备，提供驱动及编程接口 提供可视化的系统配置裁剪工具和引导固化工具 提供较好的调试手段及目标机管理工具。 随着l i n u x 2 1 操作系统的发展，特别是l i n u x2 6 内核的迅速发展，嵌入式 l i n u x 在嵌入式领域的应用越来越广泛。l i n u x 具备源码开放、内核稳定高效、 软件丰富等优势，而且还具备支持广泛的处理器结构和硬件平台、可定制性好、 可靠性高等特点，在近几年的应用中显示了多方面的优势，因此本课题在嵌入式 操作系统的选择上优先考虑了嵌入式l i n u x 。 本论文的研究工作将为轨道交通相关子系统的构建提供嵌入式操作系统的 支持，其研究成果可以广泛应用于轨道交通系统中各个应用模块，为课题后期整 个系统的构建提供坚实的技术保证，具体如下： ( 1 ) 乘客导向系统 现在轨道交通系统已不是单纯意义上的交通工具了，它已经逐步形成为人们 提供出行、广告、通信、购物、娱乐等多种服务的新型城市活动空间。随着上海 轨道交通的扩容、增线，需要对列车的运行状况、客流的疏导现状等动态信息， 6 基于轨道交通系统的嵌入式l i n u x 研究与实现 进行多终端、多媒体、多时效的信息收集和发布。本系统将通过引入嵌入式系统 使视频采集与信息发布终端设备更具智能化、网络化、开放性，满足线路、区域、 车站、车辆等多角度、多类型、多区域的信息终端发布，并实现多区域灵活控制 与智能化调度，其系统结构如图1 - 4 所示。正如图所示，乘客导向系统的构建首 先需要进行嵌入式l i n u x 在硬件平台上的移植以及网络和显示等驱动的开发。 硬件架构软件架构 图1 - 4 乘客导向系统结构图 ( 2 ) 车辆检测系统 目前轨道交通车辆的车载工况检测设备系统，大多是在线信息采集和记录， 离线分析，即车辆入库后，借助数据分析平台，对记录的数据再进行分析与判断。 这样，对车辆在线运行过程中的故障不能及时发现、有效处理，从而影响城市轨 道交通系统的运行效率，形成了车载设备状态、故障检测与运营管理之间的滞后。 通过引入嵌入式系统利用无线网络进行数据传输，期望能实现车辆运行工况的重 点数据能及时地传递到维修中心，能及时发现问题、解决问题，提高运营的安全 性和设备的可用性，其系统结构图如图1 5 所示。由图可知，车辆检测系统的构 建首先需要进行嵌入式l i n u x 在硬件平台上的移植以及无线网络和现场总线等 驱动的开发。 控带中一心 看砝 刚扯垦 i 无线网络设备 x 8 6 a r m 广一现勤总线 采集模块1采集模块n 软件架构 硬件架构 图1 5 车辆检测系统结构图 7 基于轨道交通系统的嵌入式l i n u x 研究与实现 ( 3 ) 视频监控系统 目前轨道交通列车车厢内尚缺乏有效的视频监控措施，加之轨道交通网络的 面广量多，造成了采用现有技术的可操作性较差。随着轨道交通网络的扩大，在 公众聚集区域必须有合适的监控手段已是社会安全的重大需求。本系统将研究采 用嵌入式微处理器控制视频采集卡和无线网络接口，对摄像机输入的模拟视频信 息进行数字化并进行压缩，通过网络接口将信息传输到本地编组车队的嵌入式主 控节点。同时，嵌入式主控节点通过无线网络接口发送控制信息，由嵌入式微处 理器命令驱动云台和摄像机的巡航、变焦或变倍，其系统结构如图1 - 6 所示。从 图中可知，视频监控系统的构建首先需要进行嵌入式l i n u x 在硬件平台上的移植 以及无线网络、视频采集、云台控制等驱动的开发。 控制中心 萄垂超多 无线网络设备视频采集卡 x 8 6 a r m 应用软件 无线网f 视频采l 云台控 络驱动l 集驱动i 制驱动 嵌入式l i n u x 硬件架构软件架构 图1 - 6 视频监控系统结构图 ( 4 ) 电力监控系统 上海轨道交通车站设备监控系统和电力监控系统呈现多种形式，地铁1 号线 设备监控系统采用分立监控的孤岛控制系统方式，地铁2 号线及以后各线的设备 监控系统和电力监控系统，采用分立和基于网络的监控技术。终端设备选用了 c s i 、s i e m e n s 、g e 和h o n e y w e l l 等品牌的产品。在单线路独立运营的模 式下，可以完成系统的各种功能要求。但在车站需要各系统集成以实现集中监控、 各线路之间需要网络化支援时，各系统之间存在通信规约的限制以致信息交互无 法实现，造成了设施网络化运行监控的困难。本系统将采用以嵌入式网络一体化 技术的网络通信设备研发，针对电力系统的主要设备，研制可完成协议转换的通 信适配器，实现从设备层到控制层的多总线无缝接入，其系统结构图如图1 7 所 示。从图中可知，电力监控系统的构建首先需要进行嵌入式l i n u x 在硬件平台上 的移植以及网络、现场总线等驱动的开发。 8 基于轨道交通系统的嵌入式l i n u x 研究与实现 f 控制中心：1 再摹 i 。网络设备 i x 8 6 a r h 压 厂一现场总线 电力开关柜采样其他采样模块 软件架构 硬件架构 图卜7 电力监控系统结构图 所以，综上所述，针对特定目标开发板，对嵌入式l i n u x 进行移植、裁剪， 开发相应驱动程序，是轨道交通系统网络化、信息化、标准化、智能化的一项基 础工作，对于开发功能各异的轨道交通网络化关键设备具有重要的意义。 1 4 论文研究内容及章节安排 1 4 1 论文研究内容 本文主要研究了嵌入式l i n u x 的体系结构和设备驱动程序的模型，并在此基 础上实现了嵌入式l i n u x 操作系统在$ 3 c 2 4 1 0 硬件平台上的系统移植以及基于帧 缓冲机制的l c d 驱动程序的开发。开发板的c p u 为a r m 9 架构的三星$ 3 c 2 4 1 0 x ， 工作频率2 0 3 1 i z ，内有6 4 m 的s d r a m 以及6 4 m 的n a n df l a s h ，8 寸1 6b i tt f tl c d ， 基板外设接口有串口、网卡、u s b 口、鼠标、键盘、声卡等多种接口。本次系统 移植的主要内容包括启动引导程序b o o t l o a d e r 向开发板的移植和l i n u x 内核的 移植裁剪工作。在b o o t l o a d e r 移植上选用通用引导程序u - b o o t ，由于u - b o o t 已经支持了与本开发板比较接近的s m d k 2 4 1 0 开发板，因此可以在s m d k 2 4 1 0 模板 代码上进行修改。内核移植选用l i n u x 2 6 内核，具体工作主要是f l a s h 分区和 a x 8 8 7 9 6 网卡驱动的移植及之后内核的裁剪编译工作。而驱动程序的开发是轨道 交通各子系统构建的普遍需求因此在本次移植成功后的开发板上开发了基于帧 缓冲机制的l c d 驱动程序，由于嵌入式l i n u x 下各种接口驱动结构比较类似，该 驱动可以为轨道交通系统其它驱动的开发起到抛砖引玉的效果。上述关键技术的 研究为轨道交通嵌入式终端自治单元提供了嵌入式操作系统的支持，其研究成果 可以应用于轨道交通系统中各个应用模块，为后期整个系统的构建提供坚实的技 术保证。 9 基于轨道交通系统的嵌入式l i n u x 研究与实现 下图给出了本课题基于嵌入式l i n u x 的开发流程图，如图1 - 8 所示。从图中 可以看出，首先需要在开发板上实现嵌入式l i n u x 操作系统的移植，然后才可以 在上面进行相关驱动程序的开发。 1 4 2 论文章节安排 | 相关驱动开发，。 冒 i 嵌入姗n u x 移植 冒 l 基予a 一的? 发板 图1 - 8 嵌入式l i n u x 开发流程图 全文共分为六章 第一章主要介绍了本论文的背景知识，课题来源以及文章的主要内容。 第二章是对嵌入式系统和嵌入式操作系统的一个概述，分析了几种主流的嵌 入式操作系统，a r m 处理器的体系结构和本课题使用的开发平台，并实现了开发 环境的搭建。 第三章设计并实现了本系统的b o o t l o a d e r ，通过仔细分析开源的u - b o o t 和 本课题使用的嵌入式硬件平台，移植u b o o t 实现了本系统的b o o t l o a d e r 。 第四章对l i n u x 系统内核进行详细分析研究并实现向目标平台的移植。内核 采用l i n u x - 2 6 1 4 版本，移植的主要工作是加入n a n df l a s h 的支持和开发板所 配网卡a x 8 8 7 9 6 驱动的移植，然后根据硬件平台及轨道交通相关系统的需求对内 核进行了裁剪和编译。 第五章阐述了嵌入式l i n u x 设备驱动程序的种类和开发过程，在本研究课题 开发板上实现了基于帧缓冲机制l c d 驱动程序的开发。 第六章对整个课题中作者参与的工作做了简要总结，并对今后的工作提出展 望。 l o 基于轨道交通系统的嵌入式l i n u x 研究与实现 第二章嵌入式系统概述 嵌入式系统被描述为以应用为中心，软硬件可裁剪的，适应应用系统对功能、 可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统主 要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件等组成，它是集 软硬件于一体【3 】的可独立工作的“器件 ，具有“嵌入性 、“专用性 与“计算 机系统 的三个基本要素。嵌入式操作系统是嵌入式系统极为重要的组成部分， 本章的首要任务就是通过分析对比几种主流的嵌入式操作系统优缺点找出最适 合轨道交通系统构建的目标操作系统。 2 1 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统e o s ( e m b e d d e do p e r a tin gs y s t e m ) 4 1 是一种用途广泛的系 统软件，过去它主要应用于工业控制和国防系统领域。e o s 负责嵌入式系统的全 部软、硬件资源的分配、调度工作，控制、协调并发活动；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。 2 1 1 几种主流嵌入式操作系统分析 目前，业界流行的嵌入式操作系统主要分为以下几种： 1 ) 嵌入式l i n u x 嵌入式l i n u x ( e m b e d d e dl i n u x ) 是指对标准l i n u x 经过小型化裁剪处理之 后，能够固化在容量只有几k b 或者几m b 的存储器芯片或者单片机中，是适合于 特定嵌入式应用场合的专用l i n u x 操作系统。在目前已经开发成功的嵌入式系统 中，大约有一半使用的是l i n u x 。这与它自身的优良特性是分不开的。 嵌入式l i n u x 同l i n u x 一样，具有低成本、多种硬件平台支持、优异的性 基于轨道交通系统的嵌入式l i n u x 研究与实现 能和良好的网络支持等优点。另外，为了更好地适应嵌入式领域的开发，嵌入式 l i n u x 还在l i n u x 基础上做了部分改进，主要是改善了内核结构和提高了系统实 时性。 2 ) v x w o r k s v x w o r k s 5 1 操作系统是美国w i n d r i v e r 公司于1 9 8 3 年设计开发的一种嵌入式 实时操作系统( r t o s ) ，它是当前市场占有率最高的嵌入式操作系统。v x w o r k s 的 实时性做得非常好，其系统本身的开销很小，进程调度、进程间通信、中断处理 等系统公用程序精练而有效，使得它们造成的延迟很短，同时，v x w o r k s 还有很 完备强大的集成开发环境，这也大大方便了用户的使用。但是，由于v x w o r k s 的 开发和使用都需要交高额的专利费，因此大大增加了用户的开发成本。同时，由 于v x w o r k s 的源码不公开，造成它部分功能的更新( 如网络功能模块) 滞后。 3 ) q n x q n x 是业界公认的x 8 6 平台上最好的嵌入式实时操作系统之一，它具有独一 无二的微内核实时平台，是建立在微内核和完全地址空间保护基础之上的，它同 样具有实时性强、稳定可靠的优点。 4 ) w i n d o w sc e w i n d o w sc e 6 1 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， 是基于掌上型电脑类的电子设备操作系统。它不仅继承了传统的w i n d o w s 图形 界面，并且用户在w i n d o w sc e 平台上可以使用w i n d o w s9 5 9 8 上的编程工具( 如 v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 等) 、也可以使用同样的函数、使用同样的界面风格， 使绝大多数w i n d o w s 上的应用软件只需简单的修改和移植就可以在w i n d o w s c e 平台上继续使用。但与v x w o r k s 相同，w i n d o w s c e 也是比较昂贵的。 5 ) p a l mo s p a m lo s 在p d a 和掌上电脑有着很大的用户群。p l a mo s 最明显的特点在精 简，它的内核只有几千个字节，同时用户也可以方便地开发定制，具有较强的可 操作性。 1 2 基于轨道交通系统的嵌入式l i n u x 研究与实现 2 1 2 嵌入式l if l u x 的优点 l i n u x 作为嵌入式操作系统的优势【7 】主要有以下几点： 第一，l i n u x 系统是层次结构且内核完全开放。l i n u x 是由很多体积小且性 能高的微内核系统组成。在内核代码完全开放的前提下，不同领域和不同层次的 用户可以根据自己的应用需要方便地对内核进行改造，低成本地设计和开发出满 足自己需要的嵌入式系统。 第二，强大的网络支持功能。l i n u x 诞生于因特网时代并具有u n i x 的特性， 保证了它支持所有标准因特网协议，并且可以利用l i n u x 的网络协议栈将其开发 成为嵌入式的t c p i p 网络协议栈。此外，l i n u x 还支持e x t 2 、f a t l 6 、f a t 3 2 、 r o m f s 等文件系统，为开发嵌入式系统应用打下了很好的基础。 第三，l i n u x 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，可以跨越嵌入式系统开发中仿真工具的障碍。l i n u x 也符合i e e e p o s i x 1 标准，使应用程序具有较好的可移植性。 传统嵌入式开发的程序调试和调试工具是用在线仿真器( i c e ) 实现的。它 通过取代目标板的微处理器，给目标程序提供一个完整的仿真环境，完成监视和 调试程序；但一般价格比较昂贵，只适合做非常底层的调试。使用嵌入式l i n u x ， 一旦软硬件能够支持正常的串口功能，即使不用仿真器，也可以很好地进行开发 和调试工作，从而节省一笔不小的开发费用。嵌入式l i n u x 为开发者提供了一套 完整的工具链( t o o lc h a i n ) 。它利用g n u 的g c c 做编译器，用g d b 、k g d b 、x g d b 做调试工具，能够很方便地实现从操作系统到应用软件各个级别的调试。 第四，l i n u x 具有广泛的硬件支持特性。无论是r i s c 还是c i s c 、3 2 位还是 6 4 位等各种处理器，l i n u x 都能运行。l i n u x 通常使用的微处理器是i n t e lx 8 6 芯片家族，但它同样能运行于m o t o r o l a 公司的6 8 k 系列c p u 和i b m 、a p p l e 、 m o t o r o l a 公司的p o w e r p cc p u 以及i n t e l 公司的s t r o n g a r mc p u 等处理器。l i n u x 支持各种主流硬件设备和最新硬件技术，甚至可以在没有存储管理单元( m m u ) 的处理器上运行。这意味着嵌入式l i n u x 将具有更广泛的应用前景。 与其它专用嵌入式操作系统相比【8 】( 详见表2 - 1 ) ，嵌入式l i n u x 的特点如下： 1 3 基于轨道交通系统的嵌入式l i n u x 研究与实现 表2 - 1 专用嵌入式实时操作系统与嵌入式l i n u x 的比较 专用嵌入式实时操作系统嵌入式l i n u x 操作系统 版权费每生产一件产品需交纳一免费 份版权费 购买费用数十万元( r m b )免费 技术支持由开发商独家提供有限的全世界的自由软件开发者提供支持 技术支持 网络特性另加数十万元( r m b ) 购买免费且性能优异 软件移值难( 因为是封闭系统)易，代码开放( 有许多应用软件支持) 应用产品开长，因为可参考的代码有短，新产品上市迅速，因为有许多公 发周期限开的代码可以参考和移植 实时性能好须改进，可用p t l i n u x 等模块弥补 稳定性较好较好，但在高性能系统中须改进 综上所述，由于嵌入式l i n u x 相比其他嵌入式操作系统具有诸多优势，因此 选用嵌入式l i n u x 作为本课题系统移植研究的目标操作系统。 2 2a r m 处理器 2 2 1a r m 处理器简介 a r m 是一类嵌入式微处理器，同时也是一个公司的名字。a r m 公司于1 9 9 0 年 n 月成立于英国剑桥，它是一家专门从事1 6 3 2 位r i s c 微处理器知识产权设计 的供应商。a r m 公司本身不直接从事芯片生产，而只是授权a r m 内核，再给生产 和销售半导体的合作伙伴，同时也提供基于a r m 架构【9 】的开发设计技术。世界各 大半导体生产商从a r m 公司处购买其设计的a r m 微处理器核，根据各自不同的 应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的a r m 微处理器芯片进入市场。 a r m 公司从成立至今，在短短几十年的时间就占据了7 5 的市场份额，如今， a r m 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域。采用a r m 技术的微处理器 现在已经遍及各类电子产品，汽车、消费娱乐、影像、工业控制、海量存储、网 1 4 基于轨道交通系统的嵌入式l i n u x 研究与实现 络、安保和无线等市场。到2 0 0 1 年就几乎已经垄断了全球r i s c 芯片市场，成为 业界实际的r i s c 芯片标准。a r m 的成功，一方面得益于它独特的公司运作模式， 另一方面，当然来自于a r m 处理器自身的优良性能。a r m 处理器有如下特点。 体积小、低功耗、低成本、高性能。 支持t h u m b e l o 】( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件。 大量使用寄存器，指令执行速度更快。 大多数数据操作都在寄存器中完成。 寻址方式灵活简单，执行效率高。 指令长度固定。 2 2 2a r m 微处理器分类 a r m 微处理器系列分类简介 a r m 微处理器系列主要特点及其主要应用领域【l l 】如表2 2 所示。 表2 2 ：a r m 微处理器系列 型号主要特点 a r m 7 低功耗的3 2 位r i s c 处理器，最适合用于对价位和功耗要 求较高的消费类应用。主要应用领域为：工业控制、i n t e r n e t 设 备、网络和调制解调器设备、移电话等多种多媒体和嵌入式应 用。 a r m 9在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。主要应用领 域为：无线设备、仪器仪表、安全系统、机项盒、高端打印机、 数字照相机和数字摄像机等 a r m 9 e综合处理器，使用单一的处理器内核，提供了微控制器、 d s p 、j a v a 应用系统的解决方案，极大的减少了芯片的面积和 系统的复杂程度。主要应用领域为：下一代无线设备、数字消 费品、成像设备、工业控制、存储设备和网络设备等 1 5 基于轨道交通系统的嵌入式l i n u x 研究与实现 2 2 3a r m 9 主要特点 a r m 处理器凭借它的低功耗、高性能等特点，被广泛应用于个人通信等嵌入 式领域，而a r m 7 也曾在中低端手持设备中占据了一席之地。然而，a r m 7 的处 理性能逐渐无法满足人们日益增长的高性能功能需求的处理，它开始退出主流应 用领域，取而代之的是性能更加强大的a r m 9 系列处理器。 新一代的a r m 9 处理器，通过全新的设计，能够达到两倍以上于a r m 7 处理 器的处理能力。它的主要特点如下所述。 ( 1 ) 5 级流水线 a r m 7 处理器采用的3 级流水线设计，而a r m 9 则采用5 级流水线设计，通过 使用5 级流水线机制，在每一个时钟周期内可以同时执行5 条指令。这样就大大 提高了处理性能。在同样的加工工艺下，a r m 9 处理器的时钟频率是a r m 7 的1 8 2 2 倍。 ( 2 ) 采用哈佛结构 在计算机中，根据计算机的存储器结构及其总线连接形式，计算机系统可以 被分为冯诺依曼结构和哈佛结构【1 2 】，其中冯诺依曼结构共用数据存储空间和 程序存储空间，它们共享存储器总线，这也是以往设计时常用的方式；而哈佛结 构则具有分离的数据和程序空间及分离的访问总线。所以哈佛结构在指令执行 时，取址和取数可以并行，因此具有更高的执行效率。a r m 9 采用的就是哈佛结 构，而a r m 7 采用的则是冯诺依曼结构。 ( 3 ) 高速缓存和写缓存的引入 由于在处理器中，一般处理器速度远远高于存储器访问速度，那么，