（计算机应用技术专业论文）嵌入式金融系统网络终端的设计与实现.pdf

中文摘要 在全球经济和金融一体化进程中，面对国内同行业竞争和国外金融机构的 挑战，传统商业银行正逐步向综合化、全能化的金融服务方向发展。各大商业 银行提出了以区域为中心、建立大集中数据处理模式、实现全球信息资源的“集 中、统一、高效”的科技发展战略。银行业面临的最突出问题就是综合业务系 统的统一，针对这一要求，给出了一种基于l i n u x 的嵌入式系统的设计方案：网 络终端，该终端采用一体化的结构设计，低功耗，抗干扰能力强。 本文依据银行全面改善网点结构和营业环境，提升网点功能的要求，进行 设计。首先，给出了应用于银行业务的液晶显示终端的整体设计方案，其中包 括硬件设计方案和软件设计方案。终端的硬件设计方案主要是设计终端系统的 主板结构，其主要接口有：键盘接口、显示接口、可扩展的i o 接口、打印机接 口、u s b 接口与p c 机通信的串行接口、外设接口、以太网口等。终端的软件方 案是根据终端的硬件设计结构进行软件的总体设计，具体完成了网络终端关键 模块的设计：l c d 液晶显示模块、网络模块、u s b 模块、键盘模块的硬件接口 电路设计及驱动程序的详细流程设计与实现过程。 该网络终端的设计与实现，能较好的满足现代银行前台业务操作的基本需 求。投入使用后，必将取得更好的社会效益及经济效益。 关键词：嵌入式系统，7 l i n u x ，u s b 设备，网络终端，i o i o o m 以太网 a b s t i 认c t i nt h eg l o b a le c o n o m ya n dt h ef j l n a n c ei n t e g r a t i o nc o u s e ，f a c i n gt h ec o m p e t i t i o n o ft h eh o m e l a n di n d u s t r ya n dt h ec h a l l e n g ei ni n t e r n a t i o n a lf i n a n c i a li n s t i t u t e s ， t r a d i t i o n a lc o m m e r c i a lb a n k sa r ed e v e l o p i n gs t e pb ys t e pt ob em o r ec o m p r e h e n s i v e ， f u l lf u n c t i o n a l e v e r yb i gc o m m e r c i a lb a n kh a sc o m eu pw i t ht h es c i e n t i f i c d e v e l o p m e n ts t r a t e g yo fc o n s t r u c t i n gd a t ah a n d l i n gp a t t e r n , r e a l i z i n gt h ew h o l ew o r l d i n f o r m a t i o nr e s o u r c e s ”c o n c e n t r a t i n g ，u n i f i c a t i o n ，h i g h - e f f e c t ”c e n t e r e do na r e a t h e o u t s t a n d i n gp r o b l e mf a c e db yt h eb a n k si st h ei n t e g r a t i o no fs y n t h e t i c a lb u s i n e s s e s a i m i n ga tt h i sr e m a n d , i tg i v e st h ed e s i g no fe m b e d d e ds y s t e mb a s e dl i n u x ：n e t w o r k t e r m i n a l t h i st e r m i n a la d o p t sa l b i n o n ec o n s t r u c t i v ed e s i g n i ti sl o wp o w e r c o n s u m p t i o n ，a n dh a st h es t r o n gc a p a c i t yo fr e s i s t i n gd i s t u r b a n c e i td e s i g n sa c c o r d i n gt ot h en e t w o r kc o n s t r u c t i o na n db u s i n e s se n v i r o n m e n t , a n d t h i n k i n go ft h er e m a n d so fi m p r o v i n gt h en e t w o r kc a p a c i t y f i r s t l y , i tg i v e st h ew h o l e d e s i g np r o j e c to fl c dd i s p l a yt e r m i n a l si nb a n k s b u s i n e s s e s ，i n c l u d i n gt h ep r i m a r y t e r m i n a l sd e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h em a i nd e s i g no ft h eh a r d w a r ei st h e m a i nb o a r do ft h es y s t e m , i n c l u d i n gt h ek e y b o a r di n t e r f a c e ，d i s p l a yi n t e r f a c e ， e x t e n d e di oi n t e r f a c e ，p r i n t e ri n t e r f a c ea n d ，s oo n t h ep l a no fs o f t w a r e i st h ew h o l e d e s i g na c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r eo ft h eh a r d w a r e i ta c c o m p l i s h e st h ed e s i g no ft h e k e ym o d u l e so ft e r m i n a l ，s u c ha st h el c dd i s p l a ym o d u l e ，n e t w o r km o d u l e ，u s b m o d u l e ，k e y b o a r dm o d u l e ，t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h e i rd r i v e r s t h a td e s i g na l r e a d yp u t sam a r k e t p l a c ei n t ob e i n gj o i n e da l r e a d yb yf o r m a l u s a g e o fa g r i c u l t u r a lb a n ko fc h i n a ，b yi m p r o v e m e n ta n dp r o m o t i o nt of i r s t g e n e r a t i o np r o d u c t ，a tp r e s e n tt h ep r o d u c th a sa l r e a d yg o tt h ef i n es o c i a lb e n e f i t sa n d e c o n o m i ce f f c c l k e y w o r d s ：i m p l a n td y a d i cs y s t e m , l i n u x ，u s b e q u i p m e n t ，n e t w o r kt e r m i n a l ，1 0 10 0 m e t h e r n e t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨生盘堂或其他教育机构的学位或 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。 学位论文作者躲跏签字嗍岬年6 月伽 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：副球彬 签字日期岬年舌月阳 翩躲枷， 签字日期：砷年万月心日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 应用背景与前景 第一章绪论 随着中国入世，金融行业之间的竞争也日趋激烈，各银行在电子信息化的 网络建设上加紧步伐，在原有设备的基础上不断完善，与之相关联的数据大集 中、系统更新换代和新业务的推出也进行得如火如荼。国内各大银行网点电子 化的覆盖率已相当普及，网点也不断深入到县级城市，业务朝着专、精、强方 向发展，为银行业务的进一步发展作出了巨大的贡献。近年来，各行致力于全 面改善网点结构和营业环境，提升网点功能。而网络环境的变迁和业务功能的 增强对现有的端末设备提出了更高的要求，如何找到一种适合新的网络环境以 及综合业务要求的端末设备是各行迫切需要解决的问题。 随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式技术将获得更广阔的发展空 间，目前嵌入式的概念已遍及各个领域，如：工业控制、交通管理、信息家电、 家庭智能管理、网络及电子商务、环境监测和机器人等方面。随着后p c 时代的 到来，家电、玩具、汽车、新一代手机、数码相机、医疗设备和智能化网络终 端更是少不了嵌入式这个核心技术，随着网络、通信技术的普及与发展，把处 理器嵌入到各种个性化产品中成为大势所趋，因此在后p c 时代嵌入式系统将拥 有最大的市场【1 j 。 可以说，随着近年来微电子技术的迅猛发展，处理器增长速度也随之加快， 嵌入式系统领域发生了翻天覆地的变化。特别是网络的普及，嵌入式与互联网 成为最为热门的技术。现在，可以使嵌入式系统具备网络功能，并将它们与 i n t e r n e t 或企业内局域网连接起来。这种特性增强了嵌入式系统多方面的实用性。 我们此次开发的智能化网络终端“高分辨率彩色液晶终端”正是基于l i n u x 的嵌入式系统在金融行业中的应用。 1 2 嵌入式系统的发展状况 1 2 1 嵌入式系统组成 ， 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是当今最热门的概念之一，“嵌入到对象 体系中的专用计算机系统”。“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌 入式系统的三个基本要素。对象体系则是指嵌入式系统所嵌入的目标系统【2 1 。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 嵌入式系统是计算机结构中的一个分支，它在硬件上的组成与标准的计算 机类似，其中主要的部分也是微处理器，与标准的计算机结构相同。嵌入式系 统中也包含了中央处理器、内存、输入输出设备，只不过在嵌入式系统里，这 些单元以比较特殊的形式存在。例如，计算机的标准输入设备为键盘，但家用 电器的标准输入设备可能就是它的触控面板。从这些方面，我们也可以感受到 嵌入式系统与一般通用计算机之间的差别。 嵌入式系统一般由3 个主要的部分组成： 硬件。图1 1 给出了嵌入式系统的硬件组成。其中，处理器是系统的运 算核心；存储器( r o m 、r a m ) 用来保存可执行代码，以及中间结果；输入输 出设备完成与系统外部的信息交换；其他部分辅助系统完成功能。 应用软件。应用软件是完成系统功能的主要软件，它可以由单独的一个 任务来实现，也可以由多个并行的任务来实现。 实时操作系统( r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，r t o s ) 。该系统用来管理 应用软件，并提供一种机制，使得处理器分时地执行各个任务并完成一定的时 限要求。 由于小型嵌入式系统的任务比较单一，因此不需要操作系统，由应用软件 来直接管理系统的硬件资源和时间资源。而复杂的嵌入式系统一般会利用操作 系统来减小开发的工作量，并提高产品的可靠性，但是采用操作系统也会带来 一些问题，诸如：由于系统的开销而降低系统的性能，运行和存储操作系统需 要大量的r o m 和r a m ，启动操作系统需要时间等；如果系统复杂而且有实时 性的要求，则需要实时操作系统来调度多个任务的执行并满足一定的延时要求。 由于嵌入式系统领域的硬件、软件种类繁多，产品研发需要适应多种不同 硬件与软件的组合。为了克服多样化，现在的研发方式多以平台化设计 ( p l a t f o i m b a s e dd e s i g n ，p b d ) 为主。平台化设计的基本思路是，以某一种基 础的硬件与软件参考设计( r e f e r e n c ed e s i g n ) 为平台，自行加上额外所需要的硬 件与软件，以适应多样化的产品需求，而不必每款产品都从头设计。这种设计 方式可以缩短研发进程，加速产品的上市时间。这样的参考设计平台大多由微 处理器生产公司提供，例如，i n t e l 、三星、m o t o r o l a 等厂商提供微处理器的参考 设计电路，以及建议的外围设备布局，包括内存、基本i o 甚至包括l c d 控制 接口、i d e 设备接口等等，并且配合某一款操作系统，例如：l i n u x 、w i n d o w sc e ， 以及相应的软件源代码。将这样的组合包以授权的方式提供给产品开发厂商来 开发产品，一般这样的组合包称为“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 ) 。 我们本次开发的智能化网络终端“高分辨率彩色液晶终端”的开发芯片是采用 三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 a 。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 由于嵌入式系统的硬件设计方面的技术瓶颈不高，而在软件组织方面，强调 系统集成及友好的用户界面，因此随着网络与无线通信的发展需要，软件组织的 发展更加重要。未来的软件开发将逐渐由现在的简易窗口与低速通信，向高速 通信与多样化的用户界面发展。 图1 1嵌入式系统的硬件组成 1 2 2 嵌入式系统的应用与发展 嵌入式系统的应用极大地便利了我们的生活，而且它的应用也越来越受重 视。在向后p c 时代过渡的阶段，个人计算机提供的只是在这个过渡期的解决方 案，而非最佳方案，最终发展的应用将不会停留在桌面上的个人计算机，而是 从桌面上蔓延下来，进入用户的日常生活中。 嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代，然而由于微型计算机的体积、价 位、可靠性都无法满足嵌入式应用的要求。因此，嵌入式系统采取芯片化技术， 即将计算机做在一个芯片上，以此开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。 单片机的技术发展经历了s c m 、m c u 、s o c 三大发展阶段。 s c m 阶段，即单片微型计算机( s i n g l ec l i pm i c r o c o m p u t e r ) 阶段，主要是 寻求单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。 m c u 阶段，即微控制器( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ) 阶段，主要的技术发展方 向是：不断扩展各种外围电路与接1 2 电路，增强智能化控制能力。 单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向m c u 发展的重要因素，就是寻求 应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了s o c 化趋 天津大学硕士学位论文第一章绪论 势。随着微电子技术、i c 设计、e d a 工具的发展，基于s o c 的单片机应用系统 设计会有更大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型机、单片微控制 器延伸到单片机应用系统【3 1 。 从2 0 0 0 年开始，以往的a s i c ( 专用集成电路，s o c 的主要实现方式) 设 计已经逐渐被i p ( 知识产权，i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 或s i p ( 硅知识产权，s i l i c o n i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 所替代。 使用口的主要原因是各种新型的嵌入式系统不断地快速开发及推向市场， 产品的生命周期不断地缩短，顾客的喜好也在随时改变。所以，嵌入式系统的 设计厂商必须在短时间内研发新的产品以满足快速变化的市场需求，因此多数 厂商会直接向拥有技术的i p 供应商购买i p ，强调重复使用，以缩短产品的开发 时间，加速产品推向市场的速度。 下面预测一下未来嵌入式系统的发展趋势： 嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持。 互联网成为必然趋势。 精简系统内核、算法，设备实现小尺寸、微功能和低成本。 提供精巧的多媒体人机界面【4 】。 1 3 研究内容与结构安排 第一章，首先阐明了本文所选课题的应用前景及背景，然后对近年来嵌入式 系统的发展状况进行了详细地描述。 第二章，对本系统中所涉及到的技术进行了详细的介绍，其中包括介绍 $ 3 c 2 4 1 0 a ( 2 6 6 m h z ) 芯片，l i n u x 开发环境的建立，交叉编译技术，嵌入式l i n u x 内核裁剪等几个主要方面。 第三章，通过对系统的设计需求进行分析，确定系统的总体设计方案，包 括系统的整体框架，软硬件系统设计。 第四章，介绍了系统关键模块的实现。主要包括l c d 液晶显示模块、网络 模块、u s b 模块、键盘模块的硬件接口电路设计及驱动程序的详细流程设计与实 现过程。 第五章，对课题进行总结并对课题未来的发展及今后的工作进行展望。 4 天津大学硕士学位论文第二章嵌入式金融系终端的相关技术 第二章嵌入式金融系统终端的相关技术 2 1 $ 3 c 2 4 1 0 a ( 2 6 6 m h z ) 芯片介绍 本次设计的c p u 采用s a m s u n g 公司推出的1 6 3 2 位r i s c 处理器 $ 3 c 2 4 1 0 a ，主要看中其低价格、低功耗和高性能的特点。$ 3 c 2 4 1 0 a 结构如图 2 1 所示。 图2 1 $ 3 c 2 4 1 0 a 结构 5 天津大学硕士学位论文第二章嵌入式金融系终端的相关技术 $ 3 c 2 4 1 0 a 由下列部件组成：分开的1 6 k b 的指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e ， m m u 虚拟存储器管理，l c d 控制器( 支持s t n & t f t ) ，支持n a n df l a s h 系统 引导，系统管理器( 片选逻辑和s d r a m 控制器) ，3 通道u a r t ，4 通道d m a ， 4 通道p w m 定时器，i o 端口，r t c ，8 通道1 0 位a d c 和触摸屏接口，i i c b u s 接口，u s b 主机，u s b 设备，s d 主卡& m m c 卡接口，2 通道的s p i 以及内部p l l 时钟倍频裂引。 $ 3 c 2 4 1 0 a 的基本特性为：$ 3 c 2 4 1 0 a 采用了a r m 9 2 0 t 内核，0 1 8 u m i 艺的 c m o s 标准宏单元和存储器单元。其低功耗、精简和出色的全静态设计特别适 用于对成本和功耗敏感的应用。同时还采用了一种叫做a d v a n c e d m i c r o c o n t r o l l e rb u sa r c h i t e c t u r e ( a m b a ) 新型总线结构【6 j 。 2 2 嵌入式l in u x 开发环境的建立与选择 在进行应用程序开发前首先搭建了一套基于l i n u x 的应用开发环境，一般 由目标机和宿主机所构成。目标板用于运行操作系统和系统应用软件，而目标 机所用到的操作系统的内核编译、应用程序的开发和调试则需要通过宿主机来 完成。根据实时性的差别，应用于嵌入式系统中的嵌入式操作系统，又可分为 “实时”与“通用”两种： 所谓实时操作系统( r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，r t o s ) ，是指操作系统 本身要能在一个固定时限内对程序调用( 或外部事件) 做出正确的反应，即对 时序与稳定性的要求十分严格。目前国际较为知名的实时操作系统有： w i n d r i v e r l 拘“v x w o r k s 、q n x 的“n e u t r i n o r t o s ”、l y n u x w o r k s 的“l y n u x o s ”， 以及e m b e d d e dl i n u x 厂商所提供的e m b e d d e dl i n u x 版本。此类实时性操作系统 适用于需要高度精确、快速控制的场合，要求确保系统任务的执行不会发生难 以弥补的意外。而通用性操作系统的执行性能与反应速度比起实时操作系统， 相对没有那么严格。较为知名的如：m i c r o s o f t 的“w i n d o w sc e ”等。我们所设 计的银行终端对系统的实时性有一定的要求，但也允许在操作中出现短暂的服 务延时，但不允许出现信息错误，非实时性操作系统w i n d o w sc e 显然不符合银 行工作的要求，而采用强实时性操作系统v x w o r k s 当然也没这个必要，因此我 们采用实时性相对较好的l i n u x 实时操作系统【1 7 1 。 l i n u x 操作系统是一个成熟且稳定的操作系统，将l i i l u ) 【操作系统移植到嵌 入式设备具有很多的优点。首先，l i n u x 操作系统的源代码是开放的，任何人 都可以获取并修改，用之研发自己的产品；其次，l i n u x 操作系统是可以定制 的，其系统内核最小只有约1 3 4 k b 左右。一个带有中文系统和图形用户界面的 6 天津大学硕士学位论文第二章嵌入式金融系终端的相关技术 核心程序也可以做到不足1 m b ，并且同样稳定：另外，它与多数u n i x 操作系 统兼容，应用程序的开发和移植也比较容易；同时，其本身具有良好的可移植 性，人们已成功使l i n u x 操作系统运行于数百种硬件平台之上。 银行业是中国各行业中开展信息化建设最早的行业之一，其信息化建设投 入力度大，信息化水平高，在各行业的i t 应用和系统建设中走在前列。 ( 1 ) 银行业的数据量大且集中决定了其对主机、存储设备、网络设备等硬 件设备需求很大；同时对存储管理、数据仓库、网络管理、网络安全、c r m ( 客 户关系管理) 等方面的软件需求也不小。正由于银行业的数据量大且集中，因 此金融安全问题也越发突出。l i n u x 的高可靠性和安全性是它在这一行业中应 用的有力保障。 ( 2 ) 对银行业而言，成本因素在整体经济环境欠佳的今天显得尤为重要。 选择l i n u x 的动力很大程度上来自于开发预算的减少。 ( 3 ) l i n u x 系统所具有的优良集群特性也是吸引更多客户的原因。l i n u x 集群系统能够让客户相对落后的计算机变成可以处理复杂任务的超级计算机系 统。这对客户来说是非常有吸引力的。 嵌入式操作系统是整个嵌入式系统的核心。我们选择l i n u x ，但典型的l i n u x 是为桌面配置的，内核十分庞大，而嵌入式系统的r a m 存储容量很小，因此， 要把l i n u x 操作系统装入有限的内存，就要对它进行裁剪，在裁剪过程中涉及 的主要技术有： ( 1 ) 内核的精简。标准l i n u x 是面向p c 的，集成了许多p c 需要而嵌入式系 统并不需要的功能。对一些可独立加上或卸下的功能块，可在编译内核时，仅 保留嵌入式系统所需的功能支持模块，删除不需要的功能。例如，网络终端要 连入以太网，就要提供对t c p i p 的支持，编译时加上t c p i p 栈；而s c s i 、f l o p p y ， 声音之类的外设在我们的嵌入式系统中完全没有必要，编译时可去掉。这样， 重新编译过的内核显著减小，既稳定又减少了内存，降低了硬件成本【8 】。 ( 2 ) 虚拟内存v f s 机制的屏蔽。经过分析发现，虚拟内存是导致l i n u x 实 时性不强的原因之一。在金融系统中，一些任务要满足一定的实时性的要求， 有时候一笔业务有时问的限制，屏蔽内核的虚拟内存管理机制可以增强l i n u x 的实时性。当要更改内核的某项机制时，一般不必大规模的改写代码，可采用 条件编译的方法。思路是用# i f d e f 或# i f n d e f 屏蔽现有语句，在# e l s e 宏编译语句 中包括自己编写的代码。实现虚拟内存的机制有：地址映射机制、内存分配和 回收机制，缓存和刷新机制、清页机制、交换机制、内存共享机制，将实现这 些机制的数据结构和函数屏蔽或修改，还要修改与之相关的文件。需要改动的 文件主要在i n c l u d e l i n u x 、m m 、d r i v e r s c h a r 、f s 、i p c k e m e l 、i n i t 目录下。 天津大学硕士学位论文第二章嵌入式金融系终端的相关技术 主要的改动如下：与虚拟内存有关的主要的数据结构是ma r e as t r u c t ，将进程 的n 瑚s t r u c t 结构中的v ma r e as t r u c t 去掉，v ma r e as m a c t 利用了、，mo p s 来抽 象出对虚拟内存的处理方法，屏蔽与虚拟内存操作有关的函数。内存映射主要 由d om m a p o 实现，改写此函数的代码。取消交换操作，屏蔽用于交换的结构 和函数声明，以及实现交换的代码。取消内核守护进程k s w a p d 。 ( 3 ) 设备驱动程序的编写。确定了内核的基本功能后，就要为特定的设备 编写驱动程序，可按照在l i n u x 下编写驱动程序的规则编写。编写的设备驱动 程序应具有以下功能：对设备初始化和释放；把数据从内核传到硬件和从 硬件读取数据；读取应用程序传递给设备文件的数据和回送应用程序请求的 数据：检测和处理设备出现的错误。 实现上述步骤后，一个小型的l i n u x 操作系统就构造完成了。构造后的 l i n u x 包括进程管理、内存管理和文件管理，支持多任务并行；开发基于闪存的 文件系统，应用程序和重要数据以文件的形式被存放在闪存文件系统中；有完 整的t c p i p 协议栈，l i n u x 内建有对以太网控制器的支持，可以通过以太网口连 到银行网络上，实现真正的集中管理 9 1 。 还要将裁剪好的内核移植到所用的目标板上，通常移植内核时，首先要将 内核编译成针对该处理器的目标代码。而我们所用的嵌入式微处理器是三星的 $ 3 c 2 4 1 0 a ，它有一些不同于其它c p u 的地方，一些内核程序要改写，涉及到 编写l i n u x 的引导代码和修改与体系结构相关部分的代码，主要是内存管理和 中断处理部分。将f l a s h 作为系统的启动设备，引导代码放在f l a s h 上。系统加 电后，由引导代码进行基本的硬件初始化，然后把内核映象装入内存运行。 对于应用程序的开发，针对网络终端的具体应用，利用l i n u x 提供a p i 接 口开发应用程序。网络终端要支持8 个应用，即网络终端要支持同时连接8 个 主机或一个主机上的8 个服务，因为屏蔽了虚拟内存机制，所有的任务共同享 有物理内存，存在于统一的线性空间中。任务中的地址为真正的物理地址，由 于不需要进行地址空间映射，在任务切换时的上下文切换时问大大减少，提高 了响应的速度，实时性增强。l i n u x 采用基于优先级的轮转法调度策略，能够 实现多个任务并行。各个任务的实时性要求不同，可通过划分优先级，使实时 性要求高的任务划分为实时进程，具有较高的优先级，优先得到调度，保证一 定的实时性的要求。任务问通过信号量、消息队列，管道等机制通信。 网络终端最终要交给用户使用，所以要将l i n u x 的开机图标( 我们常说的 l o g o ) 变成用户所需的商标。具体的实现是这样的。l o g o 显示是在加载显示驱 动后由k e m e l d r i v e r s v i d e o f b c o n c 中的f b c o ns h o wl o g o 函数来完成的。 f b c o ns h o wl o g o 函数中有很多兼容性代码，有些我们是用不到的。网络终端采 天津大学硕士学位论文第二章嵌入式金融系终端的相关技术 用s t n l 2 1 寸伪彩屏，因为t f t1 2 1 寸的液晶屏市场很难找且价格很高。仔细 看一下，l o g o 用到的显示数据均来自k e m e l i n c l u d e l i n u x l i n u x l o g o h 。其中对 我们有用的是： l i n u x 】调色板中的红色分量1090r e d 1 i n u xl o g o l i n u xl o g o 1 i n u x _ l o g o 】l o g o 图案的点阵 在t b c o ns h o wl o g o 里只做了2 5 6 色的显示，正好满足我们的设计目标： 支持2 5 6 色。再看l i n u x _ l o g o ，这是l o g o 图案的点阵。因为是2 5 6 色的图， 所以每点为一个b y t e ，也就是8 位。 在嵌入式系统中软件开发的主要模块有：显示模块，通讯模块，打印模块， 键盘模块，辅助功能模块。 在嵌入式l i n u x 的开发中，采用主一从模式，通过串行口或以太网口，使目 标板和宿主机相连。使用的是g n u 的系列工具，g n u 具有免费开放的源代码， 也为我们开发基于l i n u x 的应用程序提供了方便。它包括一系列的开发调试工 具。主要组件有：g c c ：编译器，可做成交叉编译的形式，即在宿主机上开发编 译目标机上可运行的二进制文件；b i n u t i l s ：一些辅助工具，包括o b j d u m p ( 可以 反编译二进制文件) 、a s ( 汇编编译器) 、l d ( 连接器) 等等；g d b ：调试器，可使 用多种交叉调试方式，如g d b s e r v e ( 使用以太网络调试) 。最后，将调试好的内核 和应用程序烧录到闪存中1 1 0 j 。 2 2 2 交叉编译技术 交叉编译环境是一个由编译器、连接器和调试器组成的综合开发环境。交 叉编译就是在一个平台上生成另一个平台上的可执行代码或动态连接库。采用 交叉编译的主要原因在于，大多数嵌入式目标机不能提供足够的资源供编译过 程使用，因而只好将编译工作转到高性能的宿主机中进行。这里所谓的平台实 际包含两个概念：体系结构( a r c h i t e c t u r e ) ，操作系统( o p e r a t i n gs y s t e m ) 。同一 个体系结构可以运行不同的操作系统；同样，同一个操作系统可以运行在不同 的体系结构上。要在一个平台上生成另一个平台上的可执行代码及动态连接库 就需要使用相应的交叉编译器。这样就涉及到宿主机和目标机的概念，宿主机 就是常用的p c 机，其上运行有基于p c 的操作系统与开发环境，进行代码开发， 即代码的编辑、编译、连接、下载与调试。而目标机是运行或加载交叉编译所 得到的可执行文件或者动态连接库的平台。在我们的系统中，宿主机是x 8 6 9 天津大学硕士学位论文 第二章嵌入式金融系终端的相关技术 l i n u x 平台，而目标机是a r ml i n u x 平台。这样我们就需要使用a r m l i n u x 交叉 编译器来编译我们的代码及库文件【1 1 1 。 交叉编译工具主要包括针对目标系统的编译器g c c 、目标系统的二进制工 具b i n u t i l s 、目标系统的标准c 库g l i b c 和目标系统的l i n u x 内核头文件。 2 2 3a r m - l i n u x g c c 编译器 g c c 是g n uc o m p i l e rc o l l e c t i o n 的简称，它是g n u 推出的功能强大、性能优 越的多平台编译器，是g n u 的代表软件之一。g e e 不仅可以编译l i n u x 操作系 统下运行的应用程序和l i n u x 本身，还可以作为交叉编译，编译出运行于其它 c p u 上的程序。几乎对于所有具有实际用途的硬件平台，g e e 都提供了完善的 支持，如果把程序语言的实现建立在g c c 之上，将使程序语言的实现版本可以 运行在几乎所有可用的硬件平台之上。 因此，对于采用l i n u x 操作系统开发的金融网络终端，我们采用标准c 语 言来编写源程序，就要使用g n u 的g c c 编译器。 g c c 编译器将包括c 、c + + 、汇编在内的各种源程序编译、链接成可执行文 件，从表面上看是一步完成的，但实际上经过了相互衔接的4 个步骤：预处理 ( p r e p r o c e s s i n g ) 、编译( c o m p l i z t i o n ) 、汇编( a s s e m b l y ) 和链接( l i n k i n g ) 。 具体完成哪一个步骤，是g e e 后面的开关选项和文件类型决定的【1 2 】。 g c c 的基本用法是： g c c 【o p t i o n s f i l e n a m e s 】 2 3 嵌入式l i n u x 内核简介 内核，是一个操作系统的核心。它负责管理系统的进程、内存、设备驱动 程序、文件和网络系统，决定着系统的性能和稳定性。 l i n u x 的一个重要的特点就是其源代码的公开性，所有的内核源程序都可 以在u s r s r c l i n u x 下找到，大部分应用软件也都是遵循g p l 而设计的，都可 以获取相应的源程序代码。全世界任何一个软件工程师都可以将自己认为优秀 的代码加入到其中，由此引发的一个明显的好处就是l i n u x 修补漏洞的快速以 及对最新软件技术的利用。而l i n u x 的内核则是这些特点的最直接的代表【9 j 。 由于l i n u x 的源程序是完全公开的，任何人只要遵循g p l ，就可以对内 核加以修改并发布给他人使用。l i n u x 的开发采用的是集市模型( b a z a a r ，与 c a t h e d r a l 教堂模型对应) ，为了确保这些无序的开发过程能够有序地进行， 1 0 天津大学硕士学位论文 第二章嵌入式金融系终端的相关技术 l i n u x 采用了双树系统。一个树是稳定树( s t a b l et r e e ) ，另一个树是非稳定树 ( u n s t a b l et r e e ) 或者开发树( d e v e l o p m e n tt r e e ) 。一些新特性、实验性改进等 都将首先在开发树中进行。如果在开发树中所做的改进也可以应用于稳定树， 那么在开发树中经过测试以后，在稳定树中将进行相同的改进。一旦开发树经 过了足够的发展，开发树就会成为新的稳定树。开发树就体现在源程序的版本 号中；源程序版本号的形式为x y z 对于稳定树来说，y 是偶数；对于开发树 来说，y 比相应的稳定树大一( 因此，是奇数) 。到目前为止，稳定树的最高 版本是2 6 1 2 。 l i n u x 作为一个自由软件，在广大爱好者的支持下，内核版本不断更新。 新的内核修订了旧内核的b u g ，并增加了许多新的特性。如果用户想要使用这 些新特性，或想根据自己的系统度身定制一个更高效，更稳定的内核，就需要 重新编译内核。 通常，更新的内核会支持更多的硬件，具备更好的进程管理能力，运行速 度更快、更稳定，并且一般会修复老版本中发现的许多漏洞等，经常性地选择 升级更新的系统内核是l i n u x 使用者的必要操作内容。 为了正确的合理地设置内核编译配置选项，从而只编译系统需要的功能的 代码，一般主要有下面四个考虑：自己定制编译的内核运行更快( 具有更少的 代码) ；系统将拥有更多的内存( 内核部分将不会被交换到虚拟内存中) ；不 需要的功能编译进入内核可能会增加被系统攻击者利用的漏洞；将某种功能编 译为模块方式会比编译到内核内的方式速度要慢一些d 3 。 天津大学硕士学位论文 第三章金融系统网络终端分析与设计 第三章嵌入式金融系统网络终端分析与设计 嵌入式系统的设计开发过程可分为7 个具体的阶段( 第一阶段：产品定义、 第二阶段：硬件与软件划分、第三阶段：迭代与实现、第四阶段：详细的硬件 设计与软件设计、第五阶段：硬件与软件集成、第六阶段：接受测试、第七阶 段：维护与升级) ，不同于在通用计算机上的应用软件开发，嵌入式系统在设 计和开发之初，其硬件平台还在设计之中，软件系统就通过仿真软件进行同步 的软件系统开发。因此嵌入式系统的设计开发一般是软件与硬件并行进行的【1 4 】。 而本次我们的设计过程与以往不同，主要任务是优化了以往低版本硬件系统中 的核心部件，即将a r m 7 升级为目前较为流行的a r m 9 ；并优化了液晶显示部 分的设计，其他部分基本没有变化。因此可以说，硬件设计基本在前期就已基 本设计就绪了，而软件部分的变化比较大，以前老的版本基本上采用的都是汇 编语言编程，这种编程方式效率低，程序移植性差，限制了系统性能，因此本 次采用的主要是基于l i n u x 的c 语言编程。所以采用的设计方案是先硬件再软件 设计的串行开发方式。这种开发方式相比软硬件并行的开发方式来说，设计周 期长、开发成本比较高。当然这次由于硬件设计比较成熟，开发主要任务是在 优化硬件的基础上进行软件设计的情况就另当别论了。 3 1 需求分析 各银行目前电子信息化的网络建设有自身特点和优势，网点已深入到县级 城市，以往总行与省行的网络带宽高达2 m ，省行与各市行的带宽也达到5 1 2 k - - - 2 m 之间，县级行的网络带宽也都在1 2 8 k 以上，良好的通讯线路确保了办公及 业务系统的正常运行，也为将来的系统升级和业务拓展提供很好的硬件设施。 目前系统端末设备主要采用传统的串口终端，各单位的应用主要有办公n o t e s 系统、综合业务系统( 对公) 、信贷管理系统等。 目前面临的主要问题是： 1 、各网点分布散，无法集中管理且布线很不方便； 2 、 银行的计算机维护人员数量有限，且每人都有负责多种设备的维护工 作，总体维护工作量大，面临很大压力； 3 、 业务量大，加上普通终端的通讯速度有限，不能充分发挥网络带宽的 优势。 1 2 天津大学硕：j ：学位论文第三章金融系统网络终端分析与设计 3 1 1 用户需求分析 一、银行业务系统对端末设备的要求 通过对中国银行业务系统和网络环境的分析可以归纳出银行对网点端末设 备的要求。 1 、灵活实现不同业务平台之间的切换。采用网络终端后，可以很方便的 将两个操作合二为一，既方便操作又节省硬件投入成本。 2 、应实现集中化管理，维护工作量减少。银行的系统维护人员本来就数 量不多，且需要维护的系统也不止一个，加上网点数量较多，分布较广，维护 工作量比较繁重。 3 、系统安全性、可靠性要高。作为金融单位，。系统的安全和可靠一直是 银行比较重视的问题之一，作为系统一部分的端末设备，其安全性和可靠性将 直接影响整个业务系统的安全性和可靠性。 4 、最大限度的保护现有投资。网络终端兼容普通串口终端，可做为普通 终端和网络终端使用且可以任意切换。 5 、大大降低总体成本，由于网络终端完全基于服务器运行的特性，使得 网络硬件升级换代的代价远远低于p c 机或无盘站，只需服务器端适当升级即 可，终端本身不用考虑。 。 6 、可扩展性好，容易布署。当新建储蓄所或现有储蓄所扩容时，此端末设 备要便于布署，即调试简单，安装方便、快捷。 二、技术分析 当前，在金融行业，营业网点柜台前端平台的管理和维护已经高度统一。 如何选择更适合于银行业务发展的金融前端平台、如何解决前端系统的快速开 发与简单维护的问题已经成为摆在数据大集中战略面前的重要课题。 网络技术快速发展。对挂接在网络环境下的终端，要求必须具备几个方面 的功能： 工作要稳定，可靠，能够全天候的运行。 ，终端支持1 0 1 0 0 m 以太网连接。 嵌入式系统外设接口丰富。 支持通用的u s b 设备，便于升级和进行二次开发。 支持大屏幕彩色液晶显示。 天津大学硕士学位论文第三章金融系统网络终端分析与设计 而金融行业目前应用的大多数网络终端，嵌入式系统的硬件采用的是 1 8 0 c 1 8 8 ，r d 8 8 2 0 8 8 3 0 等8 位或1 6 位的c p u ，即使是1 3 8 6 ，a r m 7 这样的3 2 位c p u 的主频也不过是6 0 m 左右，很难满足金融行业现在和未来的需求。应 用软件多数采用汇编语言或c 语言编程，没有采用操作系统，仅包含一个简单 的循环处理的控制流程；终端与主机之间通信通过r s 2 3 2 、i o m 以太网。这些 网络存在通信速度慢、数据传输不可靠，联网功能差、升级和二次开发困难的 问题。而嵌入式c p u 的价格在逐渐下降，l i n u x 操作系统受到了各国政府及全 世界的i t 精英的支持，以太网已经相当成熟稳定，在工业控制，航天，海关， 保险等领域获得越来越多的应用。网络终端使用了t c p i p 协议，便于联网，并 具有高速控制网络的优