（计算机软件与理论专业论文）基于zigbee的嵌入式英语学习机软件系统的实现.pdf

摘要 2 1 世纪，是知识和信息的时代，人们渴求各种有用的信息来获得美好的生活。学习 机的诞生和普及，改变了人们传统的获取信息的方式，尤其改变了从纸质的书本获取知 识的方式。一台便携式的掌上学习机可以容纳海量的各种信息，这极大的方便了人们的 学习。 现在，随着嵌入式技术的飞速发展，学习机的功能也在越来越丰富，早已不局限在 在电子字典的概念上，比如，学习机可以无线通信，并形成网络。 本文提出了学习机的一种新设想，就是添加了z i g b e e 无线通信模块的学习机。这 种学习机之间可以互相无线通信，并形成无线网络。比如，可以通过这种掌上学习机搭 建一个无线校园网，给教学过程带来便利，学生可以用它上传家庭作业，学校的教学资 源可以共享等。而整个过程都在小小的学习机上完成。 基于以上的设想，本文实现了一种带有z i g b e e 模块的学习机原型。开发过程分为 三步。 第一步，搭建一个l i n u x 平台，完成b o o t l o a d e r 的移植、交叉编译环境的搭建、 根文件系统以及配置内核等任务。 第二步，为学习机加入z i g b e e 无线模块，并通过串口与上层应用进行数据交互， 并用c c 2 4 2 0 射频收发芯片实现了无线传输的功能。 第三步，在学习机上开发了一个简单的应用程序，用作演示 关键词：z i g b e e ：嵌入式；l i n u x a b s t r a c t t h e21s tc e n t u r yi st h ea g eo fk n o w l e d g ea n di n f o r m a t i o n ；p e o p l ef i r ed e s i r e dt og e ta l l k i n d so fu s e f u li nf o r m a t i o n st ol i v eag o o dl i f e a n dt h eb i r t ho fl e a r n i n gm a c h i n ec h a n g e d o u rt r a d i t i o n a lw a y so fl e a r n i n g ，e s p e c i a l l yr e p l a c e dr e a d i n gb o o kw h i c hi sm a d eo fp a p e r o n el e a r n i n gm a c h i n ec o n t a i n sah u g ea m o u n to fi nf o r m a t i o n si ni t ss m a l lp o r t a b l e a p p e a r a n c e ，a n d t h i sg r e a t l ym a k e sp e o p l et ol e a r nm o r ec o n v e n i e n t l y n o w a d a y s ，a st h ee m b e d d e dt e c h n o l o g yd e v e l o p sv e r yf a s t ，t h e r ea r em o r ea n dm o r e f u n c t i o n si nl e a r n i n gm a c h i n e ，i ti sn ol o n g e rl i m i t e dt ot h es c o p eo fe l e c t r o n i cd i c t i o n a r y , a l e a r n i n gm a c h i n ec a nh a v em o r ep o w e r f u lf e a t u r e s ，s u c ha sw i r e l e s sn e t w o r k t h i sp a p e rp r o p o s e san e wc o n c e p t ，w h i c hi st oa d daz i g b e ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n m o d u l et ol e a r n i n gm a c h i n e t h i sc o n c e p tc a nm a k ea l ll e a r n i n gm a c h i n e st of o r maw i r e l e s s n e t w o r kf o rc o m m u n i c a t i o n f o re x a m p l e ，w ec a nb u i l dac a m p u sw i r e l e s sn e t w o r kb y l e a r n i n gm a c h i n ei nh a n d s ，t of a c i l i t a t et h es t u d e n t sa n dt e a c h e r sd u r i n gt h ew h o l ep r o c e s so f e d u c a t i o n a la c t i v i t y , s t u d e n t sc a nu s ei tt ou p l o a dh o m e w o r k ，a n dt e a c h i n gr e s o u r c e sc a nb e s h a r e db e t w e e nt e a c h e r s ，a n da l lt h i sj u s th a p p e ni nh a n d s o nt h eb a s i so ft h ea b o v ec o n c e p t ，t h i sp a p e ri m p l e m e n t sa l lo r i g i n a lm o d u l eo ft h i sn e w k i n do fl e f i r n i n gm a c h i n ew i t hz i g b e ef u n c t i o n t h e r ea r e3s t e p s f i r s t l y , b u i l d al i n u xp l a t f o r mf o rt h eb o o t l o a d e rt r a n s p l a n t a t i o n ，i n c l u d i n g c r o s s - c o m p i l e re n v i r o n m e n t ，t h ep r o d u c t i o no ft h er o o tf i l es y s t e ma n dk e m e l sc o n f i g u r a t i o n s e c o n d l y a d dz i g b e ew i r e l e s sm o d u l et om a c h i n e ，a n de x c h a n g e sd a t aw i t ht h eu p p e r i n t e r a c t i v ea p p l i c a t i o n sb ys e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，w h i c hi st h ec c 2 4 2 0r ft r a n s c e i v e rc h i p t h i r d l y , d e v e l o pas m a l lu p p e ra p p l i c a t i o nw h i c hr u n n i n go nt h el e a r n i n gm a c h i n ef o r d e m o n s t r a t i o n k e yw o r d s ：z i g b e e ；e m b e d d e ds y s t e m ；l i n u x i i 独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工 所取得的成果。据我所知，除了特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 含其他人已经发表或撰写过的研究成果。对本人的研究做出重要贡献的个 和集体，均已在文中作了明确的说明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：姜维 日期：2 0 。哆以跎 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解东：l k ! j f f i 范大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以将 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其它复制手段保存、汇编本学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 善维 日 期：2o p 9 。6 p 2 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 指导教师签名： 同期： 俾删 如9 呼汐d 力 电话： 邮编： 东北师范大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景与意义 2 1 世纪，是知识的时代，信息的时代，人们对科学文化知识的掌握无比的渴望，各 种类型的学习机正在走入我们生活，改变着我们的传统的看书本的学习方式，它的诞生 给我们带来了便携，学习资料可以随时更新，想学什么就到网上下载什么，而且网上有 很多免费的资源，节省了我们买书的开支。上世纪九十年代，我们曾经使用过文曲星等 很多品牌的电子辞典，现在，随着嵌入式技术的快速发展，学习机的功能早已不再仅限 于电子辞典的范畴，一台学习机可以同时学习各种学科，功能也更加的强大。我的课题 是实验室与北京市好记星软件技术丌发有限公司合作开发项目，主要开发是要研发出一 款能够加入z i g b e e 无线模块的学习机，这款学习机的诞生，可以构建一个校园无线网 络，给学生与老师带来便利，学生可以用它上传家庭作业，学校的教学资源可以共享。 1 2 学习机今天与未来 1 2 1 学习机历史 学习机的发展经历了电子辞典、英语复读机、多媒体学习机三个阶段。当今的学习 机，集成了复读机、电子辞典、电子书、u 盘、m p 3 、录音笔等众多功能。主要的学习机 生产厂商有：好记星、名人、文曲星、诺亚舟、快译通、步步高等。 现在市场上的学习机可采用的微处理器可大致有两类：一类是采用8 位或者1 6 位 单片机作为处理核心( 如5 1 单片机) ；一类是采用3 2 位嵌入式微处理器( 如a r m 核心 的3 2 位处理器) 作为处理核心。 1 2 2 学习机的未来发展趋势 学习机是一种消费类电子产品，伴随着嵌入式计算机技术的进步，学习机向着高可 扩展、多功能化、网络化高性能的方向发展。 高性能：随着电子技术的迅猛发展，微处理器芯片的计算速度越来越快，造价越来 越低，学习机这类的手持终端设备已经逐步具备了桌面p c 的许多功能，具有自己的操 作系统，能够安装很多程序。 功能强：学习机的功能已经不再仅限于学习英语，通讯，影音功能，游戏功能，也 加入了我们的终端。 网络化：可以通过有线或者无线的方式实现互联。 扩展性：可扩展多种外接部件。 下图描述了具备无线通信功能模块的学习机在教育领域的一个应用场景。 东北师范大学硕士学位论文 一穗 镣胃 w 教学过程中学习机应用场景 13 本文主要研究内容与章节安排 本文重点提出了个z i g b e e 模块在学习机上的实现方案。并且通过实验室的同学 的通力合作，已经实现了学习机无线功能。进而对整个学习机系统的搭建进行研发。具 体的章节安排如下： 第一章：绪论部分。介绍课题的背景与意义，介绍了学习机的历史与未来的发展趋 势。 第二章：无线传感器网络概述。 第三章：z j g b e e 技术概述。 第四章：z i g b e e 技术在嵌入式学习机上的实现。 第五章：嵌入式系统概述。 第六章：嵌入式l i n u x 平台的搭建 第七章：学习机软件系统的架构设计 第八章：总结。 务 rl 东北师范大学硕士学位论文 第二章无线传感器网络概述 无线传感器网络( w s n ，w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ) 是由多个节点组成的面向任务的 无线自组织网络( 见图，无线传感器网络及应用示意图) 。它综合了传感器技术，嵌入 式计算技术，现代网络，无线通讯技术，分布式信息处理技术等多种技术领域，通过各 类微型传感器对目标信息进行实时信息检测，由嵌入式计算元件对信息进行处理，并通 过无线通讯网络将信息传送至远程用户l l j 。 “就如同个人电脑是八十年代的标志，万维网是九十年代的标志一样，下一个非线 性的变化，将会是廉价传感器的大规模应用 。 保罗萨福美国未来科学院 无线传感器网络及应用示意图 2 1 无线传感器网络体系结构 无线传感器网络由大量密集分布的传感器节点组成，每个传感器节点具备一定的数 据采集、处理和无线通信的功能。虽然每个节点的资源和能力都非常有限，但通过节点 间的有效自治合作，整个网络能够独立完成大范围、多信号的准确检测，并及时可靠地 回送采集信息。是一个典型的无线传感器网络结构，从图中可以看出，一个完整的无线 传感器网络系统包括传感器节点( s e n s o rn o d e ) 、汇聚节点( s i n kn o d e ) 和任务管理节 点( t a s km a n a g e rn o d e ) 【1 1 。 任务管理节点负责对网络进行配置和管理，发布监测任务以及处理传感器网络上传 的监测数据。 3 东北 币范大学硕士学位论文 无线传感器网络体系结构 在不同应用中，传感器网络节点的组成不尽相同，但一般都由数据采集、数据处理、 数据传输和电源这4 部分组成。被监测物理信号的形式决定了传感器的类型。处理器通 常选用嵌入式c p u ，如m o t o r o l a 的6 8 h c l 6 ，a r m 公司的a r m 7 和i n t e l 的8 0 8 6 等。 数据传输单元主要由低功耗、短距离的无线通信模块组成，比如r f m 公司的t r l 0 0 0 等。 传感器节点负责对监测区域的信息采集和处理，同时还要转发其它节点采集的数 据。传感器节点结构如图1 3 所示，在不同应用中，传感器网络节点的组成不尽相同， 但传感器节点一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组 成。传感器模块由传感器和模数转换器构成，负责信息的采集和数据转换；处理器模块 通常选用超低功耗的嵌入式c p u ，如m o t o r o l a 的6 8 h c l 6 ，美国德州仪器m s p 4 3 0 系列。 处理器模块是传感器节点的控制中心，不仅负责协调节点与其它节点的合作以完成指派 的监测任务，还要控制节点其它模块的内部操作，如设置传感器模块的采样率；无线通 信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据，通常选用 c h i p c o n 公司的c c 2 4 2 0 ，和r f m 公司的t r l 0 0 0 ；能量供应模块为传感器节点提供运 行所需的能量。因为需要进行较复杂的任务调度与管理，系统需要一个微型化的操作系 统，u c b e r k e l e y 为此专门开发了t i n y o s 1 。图1 3 描述了节点的组成，其中实心箭头 的方向表示数据在节点中的流动方向。 传感器节点结构 汇聚节点( s i n kn o d e ) ，即基站，不同于一般的传感器节点，它主要负责无线传感器 网络和外部网络之间的通信，是传感器网络和外部网络之间的网关。由于整个无线传感 器网络的信息都要经过汇聚节点传送到外部网络，同时汇聚节点还要向传感器网络下发 外界的控制信息，所以，无论从软件功能还是硬件资源上，汇聚节点都要强于普通的传 4 东北师范大学硕士学位论文 感器节点。 22 无线传感器网络的应用 随着传感器技术的发展无线传感器网络可用的传感器类型越来越多，窜j 甩这些传 感器可以探测电磁、温度、湿度、噪声、光强度、上e 力、物体速度和方向等多种物理量， 而且无线传感器网络具有低功耗、低成本、传输可靠、网络容景大、动态组织网络等优 点j ，这些都为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景。现在无线传感器网络能够应用 于军事、月= 境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城 市交通、空m 探索、大型车f b j 和仓库管理，以及机场、大型下业园区的安全监测等领域 。随着无线传感器网络的深入研究和广泛应用，传感器网络将逐渐深入到人类生活的 各个领域成为人类生活必不可少的一部分口】。 无线传感器网络在教育领域中，也可大有作为，比如增加了无线通信模块的学习机， 就可以自动的组成网络，辅助教学过程，包括教学互动、资源共享等等，本文的主要创 新就是提出了一种w s n 在教育领域中的应用，如图所示。 蕊 努 案? i 、 教学资源通过学习机共享 胃 对 r 嗲 。弛鬈 要嘎_鼍墓 东北师范大学硕士学位论文 第三章z i g b e e 技术概述 z i g b e e 是最近提出的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向 无线通信新技术，主要适用于自动控制和远程控制领域，可以满足对小型廉价设备的无 线联网和控制。 z i g b e e 技术的命名主要来自于人们对蜜蜂采蜜过程的观察，蜜蜂在采蜜过程中，跳 着优美的舞蹈，其舞蹈轨迹像z 的形状其蜜蜂自身体积小所需要的能量少，又 能传送所采集的花粉，因此，人们用z i g b e e 技术来代表具有成本低、体积小、能量消 耗少和传输速率低的无线通信技术，中文译名通常称为“紫蜂”技术。 3 1z i g b e e 协议架构 z i g b e e 技术是最近兴起的一种无线通信标准，它是一种短距离、低复杂度、低功耗、 低数据传输率、低成本的双向无线通信技术。但它并不是完全独有、全新的标准，它的 物理层和m a c 层采用了i e e e 8 0 21 54 ( 无线个人区域网) 协议标准，但在此基础上进行了 完善和扩展。其网络层、应用层由z i g b e e 联盟进行了制定。 3 2i e e e 8 0 2 1 54 z i g b e e 协议介质访问层( m a c ) 和物理层( p r o ) 采用i e e e8 0 21 5 4 标准。 i e e e 8 0 21 54 总共定义了3 个工作频带：24 g h z ，9 1 5 m h z 和8 6 8 e q z 。每个频带提供固定 数量的信道。例如，2 4g h z 频带总共提供1 6 个信道( 信道1 1 2 6 ) ，9 1 5m b z 频带提供 1 0 个信道( 信道卜l o ) 而8 6 8 删z 频带提供1 个信道( 信道0 ) 。协议的比特率由所选择的 工作频率决定。2 4g h z 频带提供的数据速率为2 5 0 k b p s ，9 1 5 e i z 频带提供的数据速率为 一蚓 东北师范大学硕士学位论文 4 0 k b p s 而8 6 8 m h z 频带提供的数据速率为2 0 k b p s 。由于数据包开销和处理延迟，实际的 数据吞吐量会小于规定的比特率。 i e e e8 0 2 1 5 4m a c 层数据包的最大长度为1 2 7 字节。每个数据包都由头字节和1 6 位c r c 值组成。1 6 位c r c 值验证帧的完整性。此外，i e e e8 0 2 1 5 4 还可以选择使用应 答数据传输机制。使用这种方法，所有a c k 标志位置的帧均会被它们的接收器应答。这 就可以确定帧实际上已经被传递了。如果发送帧的时候置置了a c k 标志位，但是在一定 的超时期限内没有收到应答，发送器将重复进行固定次数的发送，如仍无应答就宣布发 生错误。注意接收到应答仅仅表示帧被m a c 层j 下确接收，而不表示帧被正确处理，这是 非常重要的。接收节点的m a c 层可能正确地接收并应答了一个帧，但是由于缺乏处理资 源，该帧可能被m a c 层丢弃。因此，很多上层和应用程序要求其他的应答响应。 m a c 层处理所有物理无线信道的接入，信道接入方式采用冲突载波检测多址接入 ( c s m a - c a ) 机制，支持个域网( p a n ) 链路的建立和断开，为设备的安全性提供支持， 在两个对等的m a c 实体之间提供一个可靠的通信链路。 3 3z i g b e e 网络层 3 3 1 网络层主要功能 z i g b e e 网络层主要功能就是提供一些必要的函数，确保z i g b e e 的m a c 层正常工作， 并为应用层提供合适的服务接口。为了向应用层提供必要的接口，网络层提供了两个必 要的服务：数据服务管理实体和管理服务实体。网路层数据实体( n l d e ) 通过网络层数 据实体服务接入点( n l m e - s a p ) 提供数据传输服务，网络层管理实体( n l m e ) 通过网络 层管理实体服务接入点( n l m e s a p ) 提供网络管理服务。网络层管理实体利用网络层 数据实体完成一些网络的管理工作，同时完成对网络信息库( n i b ) 的维护和管理。 网络层数据实体提供数据服务，在两个或者更多的设备之间传输数据时，将按照应 用协议数据单元( a p d u ) 的格式进行传送，并且这些设备必须在同一个网络中。它提供 如下服务： ( 1 ) 生成网络层协议数据单元( n p d u ) 。网络层数据实体通过增加一个适当 的协议头，从应用支持层协议数据单元中生成网络层的一些数据单元。 ( 2 ) 指定拓扑传输路由。网络层数据实体能够发送网络层的一些数据单元到一个 合适的设备，该设备可能是最终的通信设备，也可能是在通信链路中的一个中间通信设 备。 网络层管理实体提供网络层管理服务，主要有以下服务： ( 1 ) 配置一个新的设备。配置选项包括对z i g b e e 协调器和现有网络设备的初 始化操作。 ( 2 ) 初始化一个网络，使之具有建立一个新网络的能力。 ( 3 ) 连接和断丌网络。具有连接和断开一个网络的能力，具有要求设备同网 络断开的能力。 7 东北师范大学硕士学位论文 ( 4 ) 寻址。z i g b e e 协调器和z i g b e e 路由器具有为新加入网络设备分配地址 的能力。 ( 5 ) 邻居设备发现。 ( 6 ) 路由发现。具有发现和记录有效的传送信息的网络路由能力。 ( 7 ) 接收控制。具有设备接收机接收状态的能力，控制接收机什么时间接收、接 收时间的长短，以保证m a c 层的同步或者正常接收等。 3 3 2z i g b e e 组网过程 ( 1 ) 发起网络 通过n l m e n e t w o r k f o r m a t i o n r e q u e s t 原语建立网络，只有z i g b e e 的协调 器有能力运用这个原语建立网络。当这个过程初始化的时候，n l m e 首先请求m a c 子层进 行信道能量检测，通过m l m e - s c a n r e q u e s t 原语初始化信道扫描，通过s c a n t y p e 参数 集进行信道能量检测，通过m l m e - s c a n c o n f i r m 原语得到m a c 子层的结果。得到能量检 测成功的结果后，n l m e 按能量值对结果进行排序并丢弃超出可接受范围能量的信道。 n l m e 然后会通过a c t i v e 扫描选择一个最适合的信道去建立网络。如果一个合适的信道 被选择，n l m e 将会为新网络选择一个p a n 标识符。这个时候，它会检查p a n i d 这个参数 是否通过n l m e n e t w o r k f o r m a t i o n r e q u e s t 这个原语设置，如果已经设置并且当前没 有已经存在冲突的p a n i d ，这个值就会成为新网络的p a n i d 。否则设备会随机选择一个 p a n 标识符。如果没有唯一的标识符可以被选择，n l m e 将会终止这个过程并且通知应用 层组网失败。当p a n 标识符被选定后，n l m e 将会设置o x 0 0 0 0 作为协调器的网络地址， 并向m a c 层发送m l m e - s e t r e q u e s t 原语来设置m a c p i b 中的m a c s h o r t a d d r e s s 属性。 ( 2 ) 连接网络 以下详细介绍了一个子设备同一个网络连接的过程，以及一个z i g b e e 协调器或路 由器在接收到连接请求命令后所采取的措施。 3 4z i g b e e 应用层 z i g b e e 应用层包括应用支持子层a p s ( a p p l i c a t i o ns u p p o r ts u b l a y e r ) 、z d o ( z i g b e e d e v i c eo b j e c t ) 层、a f ( a p p l i c a t o nf r a m e w o r k ) 层，主要负责把不同的应用映射到 z i g b e e 网络上，具体而言包括：安全与鉴权，多个业务数据流的会聚，设备发现，业务发 现。 z i g b e e 应用层定义了在应用开发中几个重要的概念，主要有： ( 1 ) p r o f i l e p r o f i l e 书面意思是框架、轮廓，在这里它有应用程序框架、规范的意思 1 4 。框 架( p r o f i l e ) 又分为协议栈框架和应用框架，协议栈框架主要定义了z i g b e e 协议栈提 供的网络配置和提供给应用的特性，如网络类型、形状，安全特性等：应用框架又分为 共有框架和私有框架，在共有框架中，由z i g b e e 联盟定义了一些公用的规范，如：家 8 东北师范大学硕士学位论文 庭灯丌关控制( h o m ec o n t r o ll i g h t i n g ) ；私有框架由厂商和用户在应用中定义，用户 可以在应用中定义自己的框架，如规定不同设备对消息的处理行为，使不同的设备之间 可以通过发送命令、数据请求来实现互操作。 ( 2 ) e n d p o i n t 端点( e n d p o i n g ) 是网络通信中的数据通道，它是无线通信节点的一个通信部件 9 1 5 。一个节点可以运行多个应用，比如说，可以在z i g b e e 的一个终端节点上进行 温度和湿度采集，它们就是两个应用，这两个应用就称该为该节点上的两个端点，一个 z i g b e e 设备支持多达2 4 0 个这样的端点。端点和i e e e 长地址、1 6 位网络地址一样，是 节点上唯一确定的地址，通常结合绑定一起使用，它是z i g b e e 无线通信的一个重要参 数。 ( 3 ) c l u s t e r 、a t t r i b u t e 属性( a t t r i b u t e ) 是一个数据实体，它代表一个物理量或一种状态，可以通过这 个网络变量在设备之间传递数据或命令。z i g b e e 有两种协议帧格式，分别为k v p 格式和 m s g 格式。m s g 格式是用户自定义的一种帧格式，而k v p 格式是z i g b e e 联盟定义的，它 就用到了属性来传递数据和命令。 簇( c l u s t e r ) 是属性的集合，在同一个框架中，c l u s t e r i d 是唯一的，在直接寻址 方式和间接寻址方式中，会用到这个概念。在间接寻址方式中，建立绑定关系的两个节 点，它们簇的属性必须一个选择“输出 ，另一个选择“输入 ，而且c l u s t e r i d 值相等， 只有这样，它们彼此才能建立绑定，在直接寻址方式中，常用c l u s t e r i d 作为参数来将 数据或命令发送到对应地址的簇上。 ( 4 ) b i n d i n g 绑定( b i n d i n g ) 涉及到两个网络节点，在绑定表中，它包含如下信息：i e e e 地址、 e n d p o i n t l d 。其中端点描述信息中的c l u s t e r i d 值必须相等，而且属性方向相反。 节点间的绑定，通常通过端点的绑定来实现的。例如节点a 的端点可以和节点b 中 的一个或多个端点实现绑定，节点a 的端点也可以和多个节点中的端点进行绑定。 9 东北师范大学硕士学位论文 第四章嵌入式系统概述 4 1 嵌入式系统的定义及特点 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、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，它将操作系统和 功能软件集成于计算机硬件系统之中，简单的说就是系统的应用软件与系统的硬件一体 化，类似于b i o s 的工作方式，具有软件代码小，高度自动化，响应速度快等特点。特 别适合于要求实时的和多任务的体系。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术 和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物。 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件和嵌入式软件系统组成，它是集软 硬件于一体的可独立工作的“器件。嵌入式处理器主要由一个单片机或微控制器( m c u ) 组成。而这些嵌入式c p u 目前多是8 位和1 6 位的，与3 2 位或6 4 位的高性能处理器相 比，具有很强的经济性和现实性，同时对嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、 速度、处理能力和电磁兼容性等方面的要求比较严格，嵌入式系统的硬件都必须高效率 地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能提 高竞争力。相关支撑硬件包括显示卡、存储介质( r o m 和r a m 等) 、通讯设备、i c 卡 或信用卡的读取设备等。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那 样大容量的存储介质，而大多使用闪存( f l a s h m e m o r y ) 作为存储介质。 4 2 嵌入式操作系统及嵌入式l i n u x 的特点 本节的内容，是针对无线传感器网络中同步算法的分类，介绍几个相应的典型的时 间同步算法，并分析算法的基本流程。 最初，简单嵌入式系统只包括两部分：嵌入式硬件平台和嵌入式应用软件。但随着嵌 入式系统硬件的发展和任务的日益复杂化，嵌入式操作系统( e m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e m ，e o s ) 已成为嵌入式系统的重要组成部分。嵌入式操作系统是连接硬件平台和应 用软件的桥梁，通过引入嵌入式操作系统，开发人员可以避开复杂的硬件操作程序，像 在普通p c 机上编程一样进行应用软件开发，从而大大提高了开发效率和速度。 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统极为 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、标准化浏览器等。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。除此之外，与 通用操作系统相比，嵌入式操作系统还具有以下特点。 1 0 东北师范大学硕士学位论文 ( 1 ) 体积小。嵌入式系统不像一般的计算机系统那样具备硬盘这样的大容量存储 介质，它大多使用闪存( f l a s h m e m o r y ) 作为存储介质。这就要求嵌入式操作系统只能运 行在有限的内存中，不能使用虚拟内存，中断的使用也受到限制。因此，嵌入式操作系 统必须结构紧凑、体积微小。 ( 2 ) 实时性。一般的桌面操作系统基本上是根据人在键盘和鼠标上发出的命令进 行工作，人的动作和反应在时序上并不很严格。而大多数嵌入式操作系统工作在对实时 性要求很严格的场合，主要对仪器设备的动作进行检测控制，这种动作具有严格的、机 械的时序，因而要求嵌入式操作系统具有实时性。 ( 3 ) 强稳定性，弱交互性。嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的干预， 这就要求负责系统管理的嵌入式操作系统具有较高的稳定性和可靠性。嵌入式操作系统 的用户接口一般不提供操作命令，它通过系统的调用命令向用户程序提供服务。 ( 4 ) 可剪裁性。任何一个嵌入式系统都是针对特定应用而设计的，因此，只要从 原有的操作系统中把这个特定应用所需要的功能拿来即可，也就是说，嵌入式操作系统 可以根据硬件环境和应用环境的不同进行灵活的裁剪和配置，以适应嵌入式硬件平台的 多样性和低成本。 ( 5 ) 固化代码。在嵌入式系统中，嵌入式操作系统和应用软件被固化在嵌入式系 统计算机的只读存储器( r o m ) 中，辅助存储器在嵌入式系统中很少使用。因此，嵌入式 操作系统的文件管理功能应该能够很容易地拆卸，而用各种内存文件系统代替。 ( 6 ) 可移植性。针对嵌入式平台的多样性和c p u 的快速更新，嵌入式操作系统要 具有良好的硬件适应性和可移值性。 ( 7 ) 统一的接口。嵌入式操作系统提供了各种设备驱动接口，包括块设备、字符 设备和网络设备接口，用户只需要开发相应的板级支持包( b oa r d s u p p o r t p a c k a g e ，b s p ) 和上层程序即可。 常见的嵌入式操作系统有w i n d o w s c e 、v x w o r k s 、p a l m o s 、嵌入式l i n u x 、e p o c 、 uc o s 1 1 等。它们中的大部分都是商业化产品的专用操作系统，价格高昂。国际上用 于信息电器的嵌入式操作系统有4 0 种左右，其中三种常用的嵌入式操作系统 有：p a l m 0 5 、w i n d o w s c e 和嵌入式l i n u x 。本文是以嵌入式l i n u x 作为嵌入式操作系统 的。 嵌入式l i n u x 就是将日益流行的l i n u x 操作系统内核进行裁剪、修改，使之能在嵌 入式计算机系统上运行、并满足系统硬件及特定应用要求的一种操作系统。嵌入式l i n u x 操作系统具有嵌入式操作系统的基本特点，与其他嵌入式操作系统相比，它还具有以下 特点。 ( 1 ) 源码开放、价格低廉。l i n u x 系统与u n i x 系统兼容，内核代码完全免费开放， 不同领域、层次的用户可根据自己的应用需要很容易地对系统内核进行裁剪和添加改 造，在低成本的前提下，设计开发出满足自己需要的嵌入式系统。 ( 2 ) 内核精简。用户可根据自己的设计需要配置内核，裁减掉不需要的功能。 ( 3 ) 强大的网络支持功能。由于l i n u x 诞生于因特网并具有u n i x 的特性，所以 1 1 东北师范大学硕士学位论文 它支持所有的标准因特网协议，并且可以利用l i n u x 的网络协议栈将其开发成嵌入式的 t c p i p 网络协议栈，而不必像其他的操作系统那样要外挂t c p i p 协议包。 ( 4 ) 良好的可移植性。嵌入式l i n u x 适用于不同的c p u ，支持多种体系结构，如 x 8 6 、a r m 、m i p s 、a l p h a 、s p a r c 等。l i n u x 符合i e e e p o s i x i 标准，在其上开发 的应用程序具有较好的可移植性。 ( 5 ) 驱动丰富。l i n u x 具有常用的嵌入式芯片驱动程序，支持大量的外围硬件设备。 ( 6 ) 嵌入式l i n u x 具备一整套工具链，具有很好的开发测试工具，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i c e ( h i c i r c u i t e m u l a t o r ) 的障碍。一般的嵌入式操作系统的程序调试和跟踪都使用仿真器来 实现，而使用l i n u x 系统做原型时，可以直接用内核调试器来做操作系统的内核调试和 查错。嵌入式l i n u x 可以利用g n u 项目的c c + + 编译器g c c 来编译程序，使用g d b 源程序级调试器来调试程序。 ( 7 ) l i n u x 的高度模块化使得添加部件非常容易。 m i n i g u i 原是由魏永明主持的一个自由软件项目( 遵循g p l 条款发布，现由北京飞 漫软件技术有限公司维护并开展后续开发) 。其目标是为基于l i n u x 的实时嵌入式系统提 供一个轻量级的图形用户界面支持系统。该项目自1 9 9 8 年底开始到现在，已经非常成 熟和稳定，并且在许多实际产品或项目中得到应用。目前，m i n i g u i 的最新稳定版是1 3 3 。 1 2 东北师范大学硕士学位论文 第五章嵌入式l i n u x 平台的搭建 51 学习机硬件开发平台简介 小文软件甲台的硬件”发环境足基于安凯有限公司的开发扳慢什的开发1 一作曼博 科技其他同学完成。 f 而简单介绍一f 硬什实验下台，如罔3 1 所示 。：o 丌发板采用的处理器核心是三星公司丌发的基丁a r m 9 内核的$ 3 c 2 4 1 0 ，主频 2 0 3 m h z ，6 4 m 内存，6 4 m 的n a n d f l a s h 存储器，具有两个五线异步串f i ，1 0 m 网络接口 和i o o m 叫络接口，个u s b h o s t 和u s b d e v i c e 接口，j t a g 调试接门，i 上d 和触摸屏接 r i ( 开发过程巾没有使用的部分暂且略过) 。这个开发平台完全满足项目中与网络互联、 外接标准键盘、大容量存储、触摸屏输入等要求 52 交叉编译环境的建立 交叉编译的概念是指在个甲台k 编译而在另个平台i 运行的叫执行f 2 序。如本 文选择的a r m 平台，限于自身的运算能力，无法自己编译自己运行的程序，此时需要另 外的运算能力强人的甲台束为其编泽，如桌而p c 。即所需要宿主机( h o s t ) 柬负责进行编 译，而日标机( t a r g e t ) 负责运行，两者之问通过串几、网几或u s b 几通讯。如图 东北师范大学硕士学位论文 因此需要在主机上建立交叉编译工具链来编译目标机运行所需要的文件。嵌入式 l i n u x 针对a r m 平台专门优化了g c c 编译工具：a r m l i n u x ，并由安凯公司提供。在桌 面l i n u x ( 本文采用的是o p e n s u s e ) 系统的u s r l o c a l 目录下建立a n m 文件夹，把优龙 提供的c r o s s 一33 2 t a r b z z 文件拷贝到u s r l o c a l 路径下，使用t a r j x v f e r o s s 一33 2t a r b z z 解压，最后修改e t c b a s h r c 文件，在此文件的最后添加 “e x p o r t p h t h = u s e r 1 0 c a l a r m 33 2 h i n ：$ p a t i t ”即可完成交叉编译工具的安装， 就可以用a r m 一1 i n u x 一系列来编译程序。下_ 血就可以进行目标机文件的开发移植工作 了。 m3 2 变义编i * 环境 53b o o t l o a d e r 的移植 此b o o t l o a d e r 在系统上电之后首先完成系统堆栈的初始化、内存地址的映射、分 配中断向量表、初始化应用程序工作环境的工作，然后等待几秒钟，等待用户选择不同 的操作，包括：u s 8 下载、串口下载、烧写n a n d f l a s h 、擦除n a n d f l a s h 、设置启动参数、 设置自启动系统等。 b o o t l o a d e r 将n a n d f l a s h 分为四个分区：b o o t l o a d e r 、l i n u x k e n e l 、 c r a m f s f i l e s y s t e m 和w i n c e 。本文所设计的学习机是基于l i n u x 的无需为w i n e e 预留 分区，同时c r a m f s 文件系统是只读的，无法简单她保存用户的自定义文件和数据，因 此本文使用可读的文件系统y a f f s 。 因此将6 4 m n a n d f l a s h 重新划为：b o o t l o a d e r 、l i n u x k e n e l 和y a r f s f i l e s y s t e m 。即 东北师范大学硕士学位论文 需要对其源代码进行部分修改，即可完成本文所需的定制。如图3 3 所示。 在b o o t l o a d e r 源代码中需重新设置每个分区的大小，防止发生地址越界，造成系 统崩溃。重新设定将下载到s d r a m 中的文件烧写到n a n d f l a s h 分区的起始和终止地址， 提示用户新的文件大小的限制，在s 3 c 2 4 1 0 e s b i o s s r c n a n d c 文件中修改，其关键的 结构体数据如下所示： s t r u c t p a r t i t i o n u 3 2 0 f f s e t ： u 3 2 s i z e ： e h a r * n a m e ： s t a t i cs t r u c tp a r t i t i o nn a n d p a r t 口= 0 ，o x 0 0 0 4 0 0 0 0 ， b o o t l o a d e r ，) ，2 5 6 k o x 0 0 0 4 0 0 0 0 ，o x o o l e 0 0 0 0 ， z l m a g e ) ，1 5 m o x 0 0 2 0 0 0 0 0 ，o x 0 2 0 0 0 0 0 0 ， y a f f s ” ，6 0 m 0 ，0 ，0 ) ； 同时将有关于w i n c e 的功能暂时屏蔽，设定自启动参数为l i m u x 。即完成b o o t l o a d e r 的本地化定制。 b o o t l o a d e