（计算机系统结构专业论文）基于windows+ce的便携式终端的系统软件开发.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着计算机技术、通信技术和微电子技术的进步，嵌入式技术取得了迅猛的发 展。从m p 3 、p d a ( 个人数字助理) 这样的小型数字产品，到智能家电、数控机 床，嵌入式技术迅速渗透到各行各业计算机网络的普及与多媒体技术的发展， 促使消费电子、计算机和通信平台的一体化趋势加快，使得嵌入式技术成为新的 研究热点。 在嵌入式系统中，嵌入式微处理器的应用同益广泛。其中，i n t e l 的x s c a l e 系 列高性能嵌入式微处理器以其高速，低功耗，外设接口丰富等特点而得到广泛的 应用，尤其是在p d a ，掌上电脑等便携式终端设备中。在系统软件方面，w m d o w s c e 嵌入式操作系统也因为其对多平台的支持、系统可定制能力以及在应用开发方 面的便利等特点在市场上占据越来越有利的位黄。 本论文的工作是为美国波音公司设计丌发一个无线手持式p o s ( p o i n t o f s a l e ， 销售终端) 系统。这个系统正是以i n t e lp x a 2 7 0 高性能微处理器作为硬件平台的 核心，嵌入式操作系统采用w m d o w sc e 。这个设计采用的是当今速度最快、外设 最丰富的x s e a l e 架构微处理器，系统软硬件两方面的复杂度都处于嵌入式系统领 域的前沿水平。 本文首先描述了嵌入式系统的概念与特点，以及掌上电脑的发展与应用在此 基础上，根据客户需求和嵌入式设计方法学提出了系统的总体设计方案，并简要 介绍i n t e lp x a 2 7 0 处理器，以及在此基础上构建的硬件系统平台。在系统软件开 发方面，首先阐述嵌入式操作系统狮n d o w sc e 及其在这个系统中的移植，并 介绍b o o t l o a d e r 等底层软件开发，以及软件的调试开发环境。本文重点分析了几 个关键驱动程序的实现和移植，并给出详细的解决方案。其内容包括串口驱动， 基于串口工作的g s m c d m a 的驱动，触摸屏驱动，u s b 驱动和系统功耗管理等。 其中g s m c d m a 实现了共用一个驱动程序，并可以同时支持“机卡合一”和“机 卡分离”。最终测试结果表明，该系统工作稳定，软硬件运作完全符合客户需求， 现已通过客户验收并投入量产。 论文最后总结了在嵌入式系统软件开发过程的一系列工作，并对嵌入式系统的 发展和应用前景做了展望。 关键词嵌入式系统、掌上电脑、w i n d o w sc e 、系统软件、设备驱动 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to f t h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , a n d m i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , t h ee m b e d d e dt e c h n o l o g yh a sm a d er a p i dp r o g r e s s i t a p p l i e st oi n t e l l i g e n ta p p l i a n c e s ，i n d u s t r i a lc o n t r o l ，a n dc o r t s u l l e re l e c t r o n i c ss u c ha s m p 3 ，p d a ( p e r s o n md i g i t a la s s i s t a n t ) a n ds oo n t h ep o p u l a r i z a t i o no fc o m p u t e r n e t w o r ka n dt h ea d v a n c e m e n to f m u l t i m e d i at e c h n o l o g ya c c e l e r a t et h ei n t e g r a t i o no f t h e c o n s u m e re l e c t r o n i c s ，c o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o n , w h i c hm a k e st h ee m b e d d e d t e c h n o l o g yah o ts t u d yt o p i c e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r sa r ep o p u l a rt e c h n o l o g yt h a ta p p l i e di nt h ee m b e d d e d s y s t e m s t h ei n t e lx s a l ep r o c e s s o rf a m i l yp r o v i d e si n d u s t r y - l e a d i n gh i g hp e r f o r m a n c e ， l o wp o w e rc a p a b i l i t i e s ，r i c hp e r i p h e r a li n t e g r a t i o n i t su s e dw i d e l yi nt h ef i e l do f h a n d - h e l dd e v i c e ss u c h 鹤p d a o nt h eo t h e rh a n d m i c m s o rw i n d o w sc ei s b e c o m i n gt h em o s tp o p u l a re m b e d d e do se s p e c i a l l yi nh i g h - e n dp d a m a r k e tb e c a u s e o fi t sk i n dh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e m u l t i p l ep l a t f o r ms u p p o r tc a p a b i l i t y , a n de a s y p r o g r a m m i n gm e t h o d t h ew o r kp r e s e n t e di nt h i sp a p e rf o c u s e so nd e v e l o p i n gaw i r e l e s sh a n d h e l dp o s ( p o i n to fs a l e ) s y s t e m t h eh a r d w a r ep l a t f o r mi sb a s e do nt h ei n t e lp x a 2 7 0e m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o ra n di t se m b e d d e do si sm i c r o s o f tw i n d o w sc e t h ec o m p l i c a t i o na n d h i g hp o r f o r m a c eo f t h i ss y s t e mr e p r e s e n t st h et o pl e v e lo f t h em o d e me m b e d d e ds y s t e m a tf i r s t , t h i sp a p e ro v e r v i e w st h eb a c k g r o l l l l do ft h ee m b e d d e ds y s t e ma n dp d a f r o mt h ep o i n to ft h es y s t e ma r c h i t e c t u r e w cd i s * u s st h ed e s i g no ft h ep o ss y s t e ma n d e x p a t i a t eo nt h eh a r d w a r ed e s i g ns o l u t i o nb a s e do nt h ed e m a n do ft h ec o n s u m e ra n dt h e e m b e d d e dd e s i g nm e t h o d o l o g y t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m e m p h a s i so nm i c r o s o f tw i n d o w sc e t h ea u t h o ra l s oa n a l y s e st h eb o o t l o a d e r , a n dt h e d e b u g g i n g d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tb a s e d0 1 1t h ea r c h i t e c t u r eo f w i n d o w sc e a n dt h e n ，t h i sp a p e rs p e c i a l i z e si ns o m ed r i v e r s d e v e l o p m e n tw h i c hi n c l u d e st h e c o md r i v e r , g s m c d m ad r i v e r , t o u c hs c r e e nd r i v e r , u s bc l i e n td r i v e ra n dp o w e r m a n a g e m e n td r i v e r a n dt h eg s m c d m a c a l ls h a r eac o m m o nd r i v e rt h r o u g hr i l t h e f i n a l l yt e s t i n gp r o v e st h a tt h es y s t e mi s r e l i a b l ea n dt h ed e s i g ni ss u c c e s s f u l t h i s p r o j e c th a sa l r e a d ys t a r t e dab a t c hp r o d u c t i o n l a s t l y , t h ep a p e rs u m m a r i z e st h ed e v e l o p m e n to ft h ee m b e d d e ds y s t e ms o f t w a r e t h ea u t h o ra l s od e s c r i b e st h ep r o s p e c to f t h e 锄b e d d e d s y s t e m 山东大学硕士学位论文 k e y w o r de m b e d d e ds y s t e m , p d a , w i n d o w sc e ，s y s t e ms o i t w a r e ，d e v i c ed r i v e r i 原创性声明和关于论文使用授权的说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：盘堡重瞧日期：堡兰：生 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使f 1 = l 学位论文的规定，同意学校保留或向国家有 关部r j 或机构送交论文的复印什和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东人学可 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、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：望竖丝导师签名： 日 期：鲨! ! 生 山东大学硕士学位论文 1 1 嵌入式系统综述 第一章绪论 嵌入式系统是以嵌入式应用为目标的计算机系统，可以看作计算机技术发展的 一个分支。由于嵌入式系统已经渗透到日常生活中的各个方面，在工业、服务业、 消费电子等领域的应用范围不断扩大，因此有必要对“嵌入式系统”给出一个明 确的定义。目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为 基础，软件硬件可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格 要求的专用计算机系统。【1 】 典型的一类的嵌入式应用使用x 8 6 体系结构的工控主板，应用在各种自动化设 备、数控设备中；另一类则使用通用嵌入式微处理器构成小系统，这一类产品在 新兴的消费电子领域应用越来越广泛其硬件部分包括嵌入式微处理器和外围的 支撑硬件，软件部分则包括嵌入式操作系统、系统软件和应用软件。嵌入式微处 理器一般使用外设丰富的s o c ( s y s t e mo na c h i p ，片上系统) 芯片，其中a r m 体 系结构的s o c 使用比较广泛。嵌入式操作系统一般具有体积小、可裁剪、可靠性 好等特征。常见的嵌入式操作系统有w m d o w sc e ，v x w o r k s ，嵌入式l i n u x 等。 根据以上对嵌入式系统所作的定义以及对其组成的分析可以看出它的几个重 要特征： 1 专用性强。嵌入式系统的个性化很强，它是面向具体应用的。软件系统和硬件 的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系 列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的 任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合。 2 硬件资源少，操作系统内核小。在硬件方面，其硬件配置完全按照系统需求选 择，没有多余的硬件资源。因此，系统内核较之传统的操作系统要小得多。 3 在软件丌发方面，高实时性的操作系统软件是嵌入式软件的基本要求。因为很 多嵌入式应用的实时性很强，比如工业控制领域。 4 高可靠性。嵌入式系统是高可靠的独立运行系统，在某些特殊应用领域，高可 靠性是必须的。为了追求实时性和可靠性，软件一般都固化在存储芯片中。 5 嵌入式系统丌发需要专门的开发工具和环境。由于嵌入式系统本身不具备自主 丌发能力，即设计完成以后用户通常不能对其中的程序功能进行修改，必须有 一套专门的丌发工具和环境才能进行开发，这些工具和环境一般是基于通用计 算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混和信号示波器等。开发时往往有 主机和目标机的概念，主机用于程序的丌发，目标机作为最后的执行机，开发 山东大学硕士学位论文 需要交备结合进行。 1 2 掌上电脑的发展与应用 随着计算机技术、电子技术、通信技术以及数掘传输和采集等技术的发展，集 记事本、计算器、电话本、网络、多媒体等功能于一身的p d a ( p e r s o n a ld i g i t a l a s s i s t a n t ) ，即“个人数字助理”应运而生。它满足了信息社会中人们更方便的获 取和处理信息的需求，并以其独特的优点很快成为人们关注的焦点。美国 b y t e ) ) 杂志曾为p d a 下过这样的定义：p d a 是一个面向广大专业用户的计算和通信设备， 它不仅为用户提供可使用的各种通用软件，而且可以使用笔对这些软件进行操作 和控制，并且便于携带，适合在各种场合使用。【2 】 1 9 9 3 年，a p p l e 公司推出了第一台真正意义上的p d a n e w t o nm e s s a g e p a d 。 它拥有自己的操作系统和应用程序，捌有手写识别功能、一个m o d e m 用于连接 i n t e m e t ，还有一个红外线接口。同时，它还可以与p c 和m a c 同步。这款p d a 是 具有划时代意义的产品。后来由于市场策略失误，a p p l e 公司放弃了n e w t o n 项目。 在这之后，很多公司都推出自己的p d a 产品和专用操作系统，p a l m 成为其中的佼 佼肯，他们的p a l m o s 一直以来都占有一半以上的市场份额。 3 】 微软公司也相应的推出了w i n d o w sc e 系列操作系统与p a l m o s 抗衡，其最新 版本是p o c k e tp c 2 0 0 3 。由于习惯于使用w i n d o w s 环境的用户比较容易接受 w i n d o w sc e ，而且w i n d o w s 的应用软件开发商也可以方便的将软件移植到 w i n d o w sc e ，因此w i l l d o w sc e 的应用越来越广泛。厂家在预装了w i n d o w sc e 之后，将此类产品称为“掌上电脑”，于是掌上电脑这个词正式出现。掌上电脑是 p d a 产品中功能最强大的。【7 】 全国信息技术标准化技术委员会给出其范畴的具体定义是：掌上电脑是对体积 较小、可手持操作的信息处理设备的一种通称，这类设备一般采用电池作为电源， 其采用的操作系统和应用软件都预装在设备中。信息输入采用键盘或手写方式， 也可以与台式计算机互传信息。这类产品由于体积较小，主要完成部分的文字处 理功能，能简单的计算和网上下载及收发电子邮件，这类产品可以具有上述一种 或全部功能。 现代掌上电脑的特点包括：体积小、便于随身携带，集通信功能、个人信息处 理和计算功能于一体。计算处理能力在6 0 到3 6 0 m i p s 之间，有一定的内部r a m ， 屏幕显示分辨率3 2 0 x 2 4 0 或更高，支持压感式触摸屏、p c m c i a ，重量一般小于 5 0 0 克，这些特点决定了它极其适于移动使用。从功能上看，掌上电脑集成的应用 程序有：字处理，电子表格，地址簿，字典，时钟，计算器，游戏等，另外还有 与p c 机进行信息同步的能力，可以通过红外与其它设备进行信息交流和处理工 2 山东大学硕士学位论文 作【1 】 掌上电脑的发展有两大趋势：多媒体应用和移动计算。其发展方向是集通讯、 信息获取与处理等功能于一体的无线联网设备。这一类将手机与掌上电脑功能集 于一身的产品已经出现，本文中所实现的这款便携式p o s 就是这样一个智能无线 终端设备。 1 3 主要工作与论文结构 本文的工作是基于实习公司的一个的无线p o s 终端项目。该项目旨在为客户 研制一款智能化的、无线手持式p o s 终端。这款掌上电脑采用了i n t e l 公司的 p x a 2 7 0 嵌入式微处理器，该处理器性能非常先进；同时，我们采用的嵌入式操作 系统是m i c r o s o f tw i n d o w sc e 的最新版本。因此软硬件的研发工作都处于嵌入式 领域的前沿水平，本文对这个产品的开发过程进行了深入的研究。 本人在项目中参与了硬件系统规划、系统软件移植、驱动开发等具体工作，在 本文中将详细描述这些实现过程。 本文在第二章中首先介绍嵌入式系统设计的一般方法，在此基础上描述系统的 硬件设计方案与组织结构，然后介绍i n t e lp x a 2 7 x 处理器，并详细分析外围支撑 硬件的设计。 ： 第三章介绍嵌入式操作系统，主要是w m d o w sc e 的移植。首先介绍w i n d o w s c e 操作系统的结构，然后详细的描述其移植过程。并介绍相关的调试环境和工具。 第四章详细描述几个重要的驱动程序的开发和移植过程。包括串口驱动、 g s m c d m a 驱动、触摸屏驱动、u s b 驱动和功耗管理，这个步骤是系统开发的关 键环节，也是测试工作的重点。 第五章总结本文的研究工作，并对相关产品的应用和发展前景作了展望。 山东大学硕士学位论文 第二章硬件系统结构 2 1 嵌入式系统设计方法概述 嵌入式系统的设计一般分为三个阶段：分析阶段、设计阶段和实现阶段。每一 阶段都是一系列相关的活动。在分析阶段，需要了解和归档系统的目标，即决定 系统应该做什么。在设计阶段，确定如何在给定的约束下实现这些目标，即决定 系统怎样可以做到。在实现阶段，贯彻设计，建立并测试系统。【5 】 分析阶段类似于软件工程中的需求分析，一般分为这几个步骤： 1 ) 确定系统的约束条件。约束条件可能来自系统的内部或外部。重要的约束条件 包括：是否必须采用某种硬件，是否必须采用某种工具，是否依赖于固定的器件 供应商等。 2 ) 罗列用户的要求。要使得丌发出的系统能尽可能的满足用户的需求，必须从各 个角度去考虑。这罩是一些必须要考虑的重要因素：系统用于什么任务，系统的 外观、重量，体积的限制，系统的可扩展性、可靠性，供电系统的设计等。 3 ) 确定系统的软硬件。在这方面需要注意的是要尽量缩小选择范围，必须注意以 下问题：处理器的选择，总线带宽的考虑，操作系统选择。 4 ) 确定丌发计划。 设计阶段主要决定系统如何在给定的约束条件下完成设计要求。这个阶段的几 个主要步骤足：审查分析资料，说明硬件部件，定义硬件接口，说明软件接口， 检查设计。 2 2 硬件系统结构设计 2 2 1 总体设计 本项目旨在研制一种先进的无线手持式p o s 。根据客户需求，这个无线终端首 先必须是便携式的，具备一般p d a 的特点，例如数据、多媒体处理能力，通用的 杯准接口( 例如u s b ) 、低功耗特性、体积与重量限制等。另外，作为一个销售终 端，它还有一些特殊的要求：首先是无线通信能力，它必须能够向数据中心实时 的传输数据，同时终端之间可以相互交换数据；具备标准的扩充接口，方便系统 扩展和升级：具备一定的存储空间，可以在本机进行数据处理：配备触摸屏，给 用户提供一个方便的操作界面，例如接受手写签名。另外还必须具备一般p o s 的特 点：条形码扫描和销售单打印。 为满足以上这些性能和接口需求，我们选择基于i n t e l 的p x a 2 7 0 嵌入式微处理 器进行系统丌发。p x a 2 7 0 是一款以s o c 方式实现的高性能、低功耗嵌入式微处理 4 山东大学硕士学位论文 器，其时钟频率可以达到6 0 0 m h z 以上，同时注重功耗的控制，实现了很高的性能 ，功耗比( m i p s m w ) 。p x a 2 7 x 处理器实现了a r mv 5 t e 的整点指令集并遵守a r m 的编程模型，同时还支持i n t e l 的无线m m x 整点指令集，用于进行音频和视频处理。 这些特性给同类a r m 平台的软件移植工作带来了极大的方便，同时方便了我们进 行音频，视频等方面的开发。除了上述的高性能特点之外，这款处理器最突出的 特点在于其丰富的外设接口和功耗管理策略，可以很方便的集成所需的外设，构 建目标系统。【4 】 整个硬件系统的电路板基于p x a 2 7 0 设计研制，最终确定的软硬件总体设计要 求包括以下方面： 嵌入式微处理器：i n t e lp x a 2 7 0 ，5 2 0 m h z ； 存储系统：6 4 m bs a m s u n gs d r a m ，6 4 m bf l a s h ： 显示系统：触摸屏，l e d 背光，3 5 ”彩色t f tl c d ： 电源系统：s m a r tb a t t e r y ，d cp o w e r ； 通信系统：c d m a ，无线局域网( 8 0 2 1 1 b g ) ： 外设接口：u s bs l a v e ，u a r t ，r s 2 3 2 。其中串口可以用来支持g s m c d m a 模块、b l u e t o o t h 无线通信； 通用p o s 夕 - 设：2 2 f * ：k e y p a d ，条形码扫描仪，打印机，读卡器； 其他外设：扬声器，耳机； 操作系统：w 抽d o w sc e2 0 0 3 ( p o c k e tp c ) 应用软件：m i c r o s o f ti n t e m e te x p l o r e r5 0w e bb r o w s e r ，o u t l o o ke x p r e s s ， p h o n e s m s 软件等 根据2 1 中描述的硬件设计要求，最终的系统模块结构如图2 1 所示。 5 山东大学硕士学位论文 幽2 - l 硬竹系统的模块结构i j i 2 2 2 嵌入式微处理器p x a 2 7 0 p x a 2 7 0 属于i n t e l 的新一代x s c a l e 处理器系列。i n t e l 于2 0 0 4 年4 月1 2 同推 出了新一代处理器_ x s c a l e p x a 2 7 xj ( 研发代号为b u l v e r d ej ) 。x s c a l e p x a 2 7 x j 的目标是使用于高端移动电话和所有的p d a 。与前一代x s c a l e 处理 器相较，它具备以下特点：【4 】 时钟频率：p x a 2 7 x 采用新核心后，时钟频率从3 1 2 m h z 起跳，分剐有4 1 6 m h z 、 5 2 0m h z 、6 2 4 m h z 等4 款不同产品，而过去x s c a l e 频率最高为4 0 0 m h z ； 片上存储空间：p x a 2 7 x 内建6 4 m b 的堆栈型内存。 多媒体处理能力：无线m m x 技术，这种技术起源于桌面型计算机处理器，用 于强化多媒体处理能力。 功耗管理能力：p x a 2 7 x 将原本分为i d l e s l e e p2 种模式的s p e e d s t e p 省电技术 再细分为5 种( i d l e ，d e e p - i d l e ，s t a n d b y ，s l e e p ，d e e p s l e e p ) ，进一步增强功 耗的管理。 6 山东大学硕士学位论文 安全性：p x a 2 7 x 新增一种针对手持装置无线环境的g r l r e l e s st r u s t e dp l a t f o r m 架构，支持s s l ，v p n 等各式安全协议，强化手持装置无线网络交易的安全 性。 图像处理能力：针对日益普及照相手机、照相p d a 。p x a 2 7 x 也结合q u i c k c a p t u r e 技术，提供支持4 0 0 像素的数字图像处理，并提高连续图像处理的编 码速度。 p x a 2 7 0 集成了丰富的功能模块：处理器模块，存储控制模块，外设接口模块 等。其功能模块结构图如图2 - 2 所示。网 l c d 图2 - 2i n t e lp x a 2 7 x 处理器的模块结构图 其主要功能模块和硬件资源包括： 处理器模块：p x a 2 7 0 的处理器核采用的是x s c a l e 体系结构。其微体系结构与a r m 的v 5 t e 体系结构兼容，无线m m x 指令集与标准的a r m 协处理器指令集兼容。同 时，地址空间映射和寄存器位置与早期的x s c a l e 兼容。其体系结构特征包括：3 2 - k b 的指令c a c h e 和3 2 - k b 的数据c a c h e ：7 - 8 级流水线的r i s c 核心；动态电压管理；五级 功耗管理模式( i d l e ，d e e p - i d l e ，s t a n d b y ，s l e e p ，d e e p - s l e e p ) ；8 端口写缓冲；支 7 山东大学硕士学位论文 持s i m d ( s i n g l ei n s t r u c t i o nm u l t i p l e - d a t a ) 、m m x 、s s e 的协处理器。 存储控制器：支持1 g b 的s d r a m ，3 8 4 m b 的f l a s h ；支持两个插槽的p c i 卡存储器。 片上存储器：2 5 6 k b 的片上r a m ，支持b y t e 写操作。 l c d 控制器：支持多种显示色深和分辨率，其中色深可以是2 ，4 ，8 ，1 6 ，1 8 和2 4 b p p ， 分辨率从l x l 蛰j 8 0 0 x 6 0 0 。 串行口： u a r t 兼容1 6 5 5 0 ，可编程的数据帧格式，红外接口。其中蓝牙和全功能 u a r t 还具有m o d e m 控制功能和硬件自动流量控制功能。 红外通信d - - 1 2 8 b 的接收和发送f i f o ，全双工操作。 1 2 c 兼容1 2 c 规范，支持标准模式( 1 0 0 k b p s ) 和快速模式( 4 0 0 k b p s ) ，支 持多m a s t e r 方式。 a c ，9 7 接口、1 2 s 接口支持音频处理。 u s b 设备控制器、u s b 主机控制器( o h c i ) 支持u s b l 1 规范。 同步串行口( s s p ) 支持1 3 m b p s 的传输率。 扩展端口：支持多媒体卡、s d 存储卡。 此外还包括时钟和功耗管理、r t c 、p m w 、k e y p a d 接口、t i m e r 等功能模块。 2 2 3 外部接口电路设计 存储器设计 如图2 1 所示，本系统中采用了f l a s h 和s d r a m 作为片外存储器。其中f l a s h 通常用柬存放系统运行程序：当系统上电时，p x a 2 7 0 从f l a s h 中读取第一条指令。 本系统选用的f l a s h 型号为2 8 f 6 4 0 l 3 0 。s d r a m 采用的是三星的6 4 m bs d r a m 芯片。s d r a m 容量大，功耗低，速度快，是必不可少的外部设备。 l c d 接口设计 本系统中选用了s h a r p 的3 5 ”t f tl c d ，型号为t x 0 9 d 5 0 v m l c a a ，分辨率 为3 2 0 x 2 4 0 ，最多可以显示2 6 2 k 种颜色。它与c p u 的连接如图2 3 所示。 山东大学硕士学位论文 图2 31 1 可l c d 与系统的连接 p x a 2 7 0 不使用专门的显存，而是在r a m 中分配一块缓冲区作为帧缓冲 ( f r a m eb u f f e r ) ，将要显示的图像数据写入其中。然后让l c d 控制器的d 地 址寄存器的指针指向f r a m eb u f f e r 的首地址。l c d 控制器将从f r a m eb u f f e r 读来 的数据处理后驱动到引脚，经板上的数据锁存和电平转换后输出到l c d 。 触摸屏 便携式设备采用触摸屏可以提供一个非常方便的用户接口，而不必采用传统的 键盘鼠杯。一般触摸屏与l c d 安装在一起，当用户点击触摸屏时，系统可以得到点 击的位置，并将该位置换算成l c d 的坐标，从而实现用户与系统的交互。 触摸屏有电阻式触摸屏、表面声波触摸屏、电容式触摸屏、红外线触摸屏等不 同种类。其中电阻式触摸屏由于其精确度高，受环境影响小，适用场合多而得到 广泛的应用，基于以上优点，本设计中采用了电阻式触摸屏。 电阻式触摸屏是在强化玻璃表明分别涂上两层透明氧化金属电层( i t 0 ，氧化 铟) ，两层之间用细小的透明隔离点隔开。当笔接触屏幕时，两层i t 0 导电层之问 形成一个接触点，控制器检测输入电压，计算出触摸的位置。 1 9 在进行x 方向位置测量时，在x + 和x 一引脚加驱动电压，在一层i t 0 上形成均匀 电场，y + 和y 一浮空作为输入。当有触点使两个屏幕接触时，触点的电压正比于 它在x 方向的位置，而这个电压也能够在y + 和y 一上测量，通过触摸屏控制器内置 的a d 转换，就可以得出采样值。本系统中采用的就是如图2 3 所示的四线电阻式 9 山东大学硕士学位论文 触摸屏。 y 翻2 - 3 四线电阻式触摸屏结构 触摸屏控制器我们采用的p h i l i p s 的u c b l 4 0 0 。它对触摸屏的接口为x + 、x 一、 y + 和y 一四个信号，可与触摸屏的对应管脚直接相连。在这四个信号管脚上，各 连接了一个去耦电容用以去除噪声干扰。 1 8 它的数字接口为四线的同步串行口( s s p ) ，信号为c s 、d c l k 、d i n 和d o u t ，作 用分别是片选、时钟输入、数据输入和数掘输出。b u s y 信号用以指示内部a d 转换 是否结束，落笔中断信号用以判断当i j 笔是否接触触摸屏。 在进行 d 采样时，要先往d i n 写入8 位控制字启动a d 转换，在转换期间，b u s y 信号被臀商。转换结束后，可从d o u t 读出a d 转换结果。在写入的控制字中，s 是 起始位，a 2 、 l 和a o 用来选择a d 采用的通道，m o d e 选择a d 采样输出的位数为8 位或1 2 位，s e r d f r 选择单端或者平衡工作模式，p d i 和p d o 用来选择节能模式。 我们的配置为输出数据为1 6 位，工作于平衡模式，转换之间处于节能模式。如果 要要测量x 轴的位置，在最后三个时钟周期内，就会在x + 和x 一上施加驱动电压， 把y + 和y - - 上的电压值取平均后用于a d 转换。测量y 轴位置的方法是类似的。 这也就是在驱动程序中用三个值取平均的原因。 i o 山东大学硕士学位论文 第三章嵌入式操作系统的移植 3 1 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统是支持嵌入式系统应用的操作系统，它是嵌入式系统的重要组 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1 3 、通信 协议、图形界面和标准化浏览器等。 嵌入式操作系统相对于通用操作系统，由于嵌入式系统的存储空间的限制，其 体积更小。因为实时性的要求，其执行速度也很快。另外，由于嵌入式系统的硬 件组成各不相同，为了适应不同的系统，其可裁剪性和可移植性必须很好。 在目前的嵌入式领域，既有最简单的由控制循环支持的控制系统，也存在复杂 的具有网络连接能力的多任务实时操作系统所支持的嵌入式系统。 常见的嵌入式操作系统主要由以下几种： w i n d o w s c e w i n d o w sc e 是m i c r o s o f t 推出的多线程、多任务操作系统，它采用模块化设计， 允许用户针对硬件设备进行定制。一般用于高端p d a 系统中 v x w o r k s v x w o r k s 是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的系统。它支 持多种体系结构的处理器，如x 8 6 、i 9 6 0 、s u ns p a r e 、m o t o r o l am c 6 8 x x x 、m i p s r x 0 0 0 、p o w e rp c 、a r m 等。大多数的v x w o r k sa p i 是专有的。它采用g n u 的编译和调试器。 p a l m0 s 3 c o m 公司的p a l mo s 在p d a 市场上占有很大的市场份额，它有开放的操作 系统应用程序接口( a p i ) ，开发商可以根据需要自行开发所需要的应用程序。p a l m o s 和微软的w i n d o w s c e 是p d a 操作系统的两大巨头。 l i n u x l i n u x 由于其免费和开放源代码的特性，从一诞生开始就得到了广大开发者的 关注。特别是在嵌入式领域，各式的应用对裁剪操作系统内核和功能的要求尤为 迫切。l i n u x 自身诸多优势，正获得越来越多开发者的青睐。 由于国际p d a 市场的快速增长，目l ； 基于p a l mo s 和基于w i n d o w sc e 的应用 软件有着大量的需求。这类软件由于系统功能的单一所以软件功能也趋向专一化。 而掌上设备的各种通讯、管理软件需求量极大，同时开发环境齐备，可以完全在 p c 机上进行，通过软件模拟调试，等到模拟通过再下载入机器。而且因为可以使 用大量的p c 机的a p i 函数、s d k ，所以开发过程是在已有的成熟技术基础上进行， 相对简单，吸引了大量的软件开发人员进入这一领域。 山东大学硕士学位论文 i _ _ _ l _ i _ i - - - - i _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ i - l _ - _ _ _ _ - l _ _ - _ _ _ _ _ l i _ _ _ i _ _ _ - 综合多种因素考虑，例如开发时日j 和成本，可移植性，可利用资源等，本系统 最终选用w i n d o w sc e 作为嵌入式操作系统。 3 2w i n d o w sc e 的系统结构 3 2 1w i n d o w sc e 的模块结构 w i n d o w sc e 操作系统由一些独立的模块组成，每一个模块提供特定的系统功 能，这些模块中的部分又被划分成组件。这种组件式结构使w i n d o w sc e 系统变 得非常紧凑，因此只占用了允许设备所需的最小的存储空间和其他硬件资源。 w i n d o w sc e 的系统结构包括内核模块，图形、窗口和事件( g w e s ) 模块， 文件系统模块，通信模块，设备管理器，o e m 适配层( o a l ) 和驱动程序，如图 3 - 1 所示。【7 1 1 9 0 】 w l n 柚w c ea r c h l t a c t u r a 】n 4 譬嚣：三 lc u s t o m p 9 岫t 煳i pp l 妇啦nl a y a r i_ i u f a i n t g r f a e t i ”“3 卜州s 旺 p p i i 帅惦li ii n t e m a 口。n a i i i io 裂黑蕊搿州l 。阿一驴弘一一 c 啪d 世 ， o b j e c t s t o r 。 gr a p h i c c o r n m u l l i r l i o n m u f t f i l l e g l l aw i n a 0w i n 口d m ，i c e s e r c e s 簟司 住c h n d 0 9 e j 州e y e n ( m 新j g o f g y # t e m g w e s ) n o t w o r i c m g l e， k e r n e l “；l io e m 蛐p 锄o n 唧非 l ) 1 “ ：”r ”“伊 fb g 幽o o t ，ll 伽戳蝴f “i _，嘶兰 。i 丢e jj “j 。j m 一，。t 一。? r d ”a r u 。歹 图3 一lw i n d o w sc e 的体系结构 内核模块 w i n d o w sc e 内核提供所有平台所共有的基本操作系统功能。它可以进行内存 管理，进程管理以及必需的文件管理，并且负责虚拟内存管理与调度，多任务及 多线程和异常处理。内核模块中的大部分组件是所有w i n d o w s c e 配置所需要的， 其他一些可选的组件是在实现包括类似电话、多媒体和g d i 图形等功能的操作系 统时需要的。 1 2 山东大学硕士学位论文 文件系统模块 文件系统模块支持w i n d o w sc e 对象存储a p i 函数。这些a p i 函数支持一个基 于r o m 的文件系统，一个基于r a m 的文件系统，一个结构化的存储系统( w i n d o w s c e 数据库) 和一个系统注册表w i n d o w sc e 文件系统同时支持多种可安装的文 件系统，并提供实现一个r 盯文件系统来支持存储在外部媒介( 例如p c 卡) 上的 文件。在建立操作系统的过程中可以根据需要的文件系统特性选择不同的文件系 统组件。w i n d o w sc e 可以通过定制来支持这些文件系统的任意组合 图形、窗口和事件子系统模块( g w e s ) w i n d o w sc e 把用户和图形设备接口子系统结合成图形、窗口和事件模块 ( g w e s ) 。g w e s 中的事件管理器和窗口管理器类似于w m 3 2 中的用户子系统， 而且用一个更小更适用基于w i n d o w sc e 的设备的多平台g d i ( m g d i ) 来代替 w i n 3 2 中的g d i 子系统。g w e s 模块用来管理w i n d o w sc e 的用户接口和窗口功 能，包括：实现窗口，对话框，系统的操作能力控制等功能；负责在图形显示设 备上显示图形和文字，进行复杂的图形操作；使用g w e s 的m g d i 特性来进行菜 单、滚动条、图标等用户接口项的图像显示。 通信模块 通信模块为运行w m d o w sc e 系统的设备提供对多种通信硬件核数据传输协议 的支持，包括：串行f o 支持、传输控制协议、i n t e r n e t 协议( t c p i p ) 、局域网( l a n ) 、 电话应用程序接口( 1 ：a p i ) 等。 除了文件系统和g w e s 等主要的组件模块，其他的操作系统模块还有： 支持p c m c i a ( p c 卡) 的模块 r s a 加密模块( 支持通信) 设备管理器和可安装设备驱动 多媒体( 声音) 支持模块 0 l e c o m ( 包括o l e 自动控制) 支持模块 w i n d o w sc e 支持定制的可添加s h e l l 的桌面和服务 3 2 2w i n d o w $ c e 的设备驱动模型 w i n d o w sc e 的设备驱动模型共有两种：流接口驱动( s t r e a mi n t e r f a c ed r i