（信息与通信工程专业论文）tetra数字集群系统车载终端软件平台设计与实现.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 数字集群技术从2 0 世纪9 0 年代中期在全球范围内兴起，以t e t r a 体制为主，得到 了广泛的应用并取得了良好的社会效益和经济效益。t e t r a 数字集群系统主要由区域交换 机、移动台、基站、调度台、操作维护子系统等构成。其中，移动台包括手持终端和车载 终端。 本课题旨在通过研究嵌入式技术，在以o m a p 5 9 1 2 双核处理器为核心的硬件环境下， 实现t e t r a 数字集群系统中车载终端的软件平台。充分利用o m a p 5 9 1 2 丰富的外围接口， 在嵌入式l i n u x 环境下移植t e t r a 协议，实现对语音、短信息及数据等业务的支持，并 为用户提供一个便捷、完善的显示操作界面。 本文主要的工作是实现适用于t e t r a 空中接口协议的操作系统及设备驱动程序。首 先介绍了课题的背景和意义、工作的主要内容和论文的结构安排；接着根据车载终端的硬 件平台和功能要求，进行系统需求分析，选择嵌入式m o n t av s i t al i n u x 操作系统作为软件 环境，设计了车载终端软件平台的总体方案；然后介绍了嵌入式l i n u x 环境下定制设备的 驱动程序开发以及双核通信的实现方案；在此基础上，移植m i n i g u i 界面显示系统，实现 友好、便捷的人机交互接口：论文的最后，回顾了系统测试阶段的一些问题及解决方案， 总结了联调结果，并展望了课题的进一步工作。 关键字：t e t r a 车载终端、o m a p 5 9 1 2 、嵌入式l i n u x 、设备驱动、m i l l i g u i a bs t r a c t t h ed i g i t a lt h i n k i n gs y s t e m ，s u c ha st e t r as t a n d a r d ，h a sb e e nd e v e l o p e dr a p i d l ya n d a p p l i e dw i d e l ys i n c e19 9 0 s ，a n db r o u g h tg o o de c o n o m i ca n d s o c i a lb e n e f i t t h et e t r at r t m k i n g s y s t e mc o n s i s t s o fs w i t c h e s ，b a s es t a t i o n s ，c o n t r o l l e r s ，t h eo p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c e s u b s y s t e m t h em o b i l et e r m i n a l si n c l u d e sp o r t a b l et e r m i n a l sa n d v e h i c l et e r m i n a l s i nt h i sp a p e r , w ed e v e l o pt h es o f t w a r ep l a t f o r mo ft h ev e h i c l et e r m i n a lb a s e do nt h e o m a p 5 9 1 2h a r d w a r eb o a r d ，w h i c hi su s e di nt h et e t r ad i g i t a lt r u n k i n gs y s t e m t h r o u g ht h e d e v e l o p m e n to ft h et e t r ap r o t o c o la n d t h ee m b e d d e dl i n u xo p e r a t i o ns y s t e mt r a n s p l a n t a t i o n , t h et e r m i n a l ss u p p o r tv o i c es e r v i c e ，s h o r tm e s s a g es e r v i c ea n dd a t as e r v i c e ，a n dp r o v i d eu s e r sa i n t e g r a t e da n dc o n v e n i e n to p e r a t i o ni n t e r f a c e t ob u i l ds o f t w a r ep l a t f o r mo ft h ev e h i c l et e r m i n a l si st h em a i nt a s ko ft h i sp a p e r f i r s t l yi t i n t r o d u c e st h ep r e s e n tr e s e a r c h ，t h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e ，a n dg i v e so u tt h ea c c o m p l i s h e d a c h i e v e m e n t sa n dt h eo r g a n i z a t i o ns t r u c t u r eo ft h i sp a p e r t h e ni tc h o o s e st h ee m b e d d e d m o n t a v i s t al i n u xo p e r a t i o ns y s t e m ，d e s i g n st h es o l u t i o ns c h e m ea c c o r d i n gt ot h et e r m i n a l r e q u e s t sa n a l y s i sa n dd e v e l o p s t h e p e r i p h e r a l i n t e r f a c ed r i v e r s ，i n c l u d i n gt h ed u a l - c o r e c o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 o nt h eb a s i so ft h e m ，i td e s i g n st h ev e h i c l et e r m i n a l sg r a p hu s e r i n t e r f a c e ( g u i ) s y s t e m i nt h ee n d ，t h ep a p e r r e v i e w ss o m ep r o b l e m sd u r i n gt h ed e v e l o p m e n t , s h o w st h ea c h i e v e m e n to ft h es y s t e m ，p r e s e n t ss o m es u g g e s t i o n sf o rt h eo p t i m i z a t i o no ft h e s y s t e m ss o f t w a r ea n ds o m ei m p r o v e m e n t so ft h ew h o l es y s t e m ，a n dp r o p o s e ss o m ea d v i c ef o r t h en e x tw o r k k e y w o r d s ：t e t r a v e h i c l et e r m i n a l ，o m a p 5 91 2 ，e m b e d d e dl i n u x ，d e v i c ed r i v e r , m i n i g u i 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 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。 研究生签名： 啸灶 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论 文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。 论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：毛虹导师签名： 南京邮电人学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1t e t r a 数字集群系统 第一章绪论 集群通信是指系统可用信道可为系统中全体用户共用，具有自动选择信道功能，资源 共享、费用分担、信道设备共用的多用途、高效能的无线调度通信系统。从广义上讲，包 括无线对讲系统在内的具有调度通信功能的各种无线通信系统均可纳入集群通信范畴。所 谓数字集群系统，就是采用数字通信技术的集群通信系统。 数字集群技术从2 0 世纪9 0 年代中期在全球范围内兴起，得到了广泛的应用并取得了 良好的社会效益和经济效益。在我国，随着社会活动和经济活动节奏加快、范围扩大以及 信息传输量剧增，社会作为一个有机整体，更需要各方面的协调配合，许多专业团体对可 用于广域调度指挥的集群通信网络的需求目益迫切，为我国发展集群通信系统提供了经济 和市场基础。 在国外，集群通信系统的用户是蜂窝通信用户的十分之一，在一些较发达的国家，专 用移动通信用户数甚至超过公用移动通信用户数的2 3 倍，而在我国集群通信的总用户数 还不足蜂窝通信总用户量的一个零头，所以集群通信在我国发展空间还很大。目前，国内 几家资本实力较强、运营经验较丰富的公司正参与及积极展开相应数字集群商用试验。在 “线式”集群应用，即如铁路、轻轨地铁、航运等方面，由于运营环境较宽松、投资强度较 适当及设备性能与功能与市场需求较匹配，从而以t e t r a 体制为主，已呈现出较好发展 势头。 t e t r a 数字集群通信系统【1 】是一种基于数字时分多址( t d m a ) 技术的无线集群移动 通信系统。该系统是e t s i ( 欧洲通信标准协会) 为了满足欧洲各国的专业部门对移动通信 的需要，联合使用部门、制造商、检测部门乃至政府部门，设计、制订统一标准的开放性 系统。 t e t r a 数字集群通信系统可在同一技术平台上提供指挥调度、数据传输和电话服务， 它不仅提供多群组的调度功能、短数据信息服务、分组数据服务以及数字化的全双工移动 电话服务，同时还支持功能强大的移动台脱网直通( d m o ) 方式，可实现鉴权、空中接口 加密和端对端加密。此外，t e t r a 数字集群系统还具有虚拟专网功能，可以使一个物理网 络为互不相关的多个组织机构服务。与其他体制相比，t e t r a 数字集群系统具有更丰富的 服务功能、更高的频率利用率、更好的通信质量以及灵活的组网方式，许多新的应用( 如 1 堕皇些兰至兰堡t t 塑塞兰兰堡堕兰里二皇堑里 车辆定位、图像传输、移动互鞋嘲、数据库查询等) 都已在t e t r a 中得到实现。因此， 近两年t e t r a 数字集群系统在欧洲乃至世界得到了快速的发展。与其他不同产品相比， t e t r a 系统的主要特点如f - ： 系统规模灵活，适用于专用网或公用调度网： 调度业务丰富，系统功能齐全、可按需选配； 加密方式灵活，有多种加密方式可供选用； 标准开放，各公司均可按该标准生产t e t r a 数字集群设备。 髓k 嚼盘中心 图1 - 1t e t r a 集群系统组成 由上图1 - 1 ，可以看出，t e t r a 数字集群系统主要由区域交换机、移动台、基站、调 度台、操作维护于系统等构成。移动台包括车载终端和手持机；基站包括信道机和信道控 制器。其中，手持终端一般存在体积小、功耗低及外观的需求。而本文主要研究车载终端 的软件平台开发故未对体积、功耗等方面做深入考量。 1 2 车载终端系统 数字集群系统的业务模式是保障平时使用环境下的集群调度、数据和短消息通信其 工作方式以半双工为主同时支持双工。基本业务主要是语音业务，用来完成实时调度和 电话互联，其次也包括短信息业务和数据业务。补充业务是对基本业务加以修改或补充的 2 鬻一 嚣纛 雪虱甄图 噔一 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第一章绪论 业务，补充业务不能作为一种独立的业务向用户提供，必须与基本业务相结合而提供。 语音业务，是基本业务，主要分为两种类型： a ) 调度呼叫业务：支持单工p t t 按下讲话，支持两个或多个用户之间的即时通 话，调度呼叫业务包括一对一私密呼叫和一对多的小组呼叫。 b ) 电话互联业务：即双工通话业务，支持移动用户之间以及移动用户与公共电话 网或专用交换机电话网的电话用户之间进行通信。 短消息业务，支持自系统发送给移动用户字符及数字的短消息业务，也支持移动 用户之间的短消息发送，短信息业务也是分为单发和组发。 数据业务，数据业务分为电路型数据业务和分组型数据业务，其中电路型数据又 分为高保护电路数据( 2 4 k b i t s ) 和低保护电路数据( 4 8 k b i t s ) 。 补充业务，可分为两类： a ) 一类是集群类补充业务，它是在基本业务的基础上，针对数字集群通信系统的 调度呼叫功能进行的修改或补充； 坊另一类是电话类补充业务，它是在基本业务的基础上，采用类似于p l m n 的 方式对基本业务进行的修改或补充。 为满足上述业务需求，车载终端系统需要实现车载台侧t e t r a 协议。同时，本文研 究的车载终端也要实现一般车载台功能，包括输入操作、界面显示、存储、定位等。g p s 导航功能作为扩展，暂时预留接口。因此，车载终端软件平台的基本构成如图1 2 所示， 其中硬件平台主要包含图1 3 所示的几个功能模块。 l 粼 用户操 作界面 王 王 i 嵌入式操作系统 王 i i设备驱动 丁王 l 硬件平厶1 2 图1 2 车载终端软件平台功能模块 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 电源模块射频模块话音模块 non l 输入设备i l核心处理器i 刮输出设备 nnn 手咪模块保密模块 定位模块 图1 3 车载终端主要硬件功能模块 底层硬件平台即根据需求自己制作的开发板，本文开发板以o m a p 5 9 1 2 双核处理器为 核心提供了符合课题要求的最基本的硬件环境，核心处理器包括a r m 处理器和d s p 、 f l a s h 、r a m 、网络接口、串口、u s b 接口和l c d 及触摸屏接口等。其中，a r m 处理 器用于承载操作系统，协调管理软硬件资源；d s p 处理语音压缩，并实现部分协议栈功能， 满足其较高的实时性要求；由f l a s h 总线扩展1 l 1 6 c 5 5 4 串口控制器，实现对手咪的控 制，满足用户行驶过程中的通话和控制需求，并预留串口用于g p s 模块和c d m a 模块的 控制，便于后期研究中对车载终端导航和无线通信功能的扩展。同时，键盘、触摸屏、鼠 标和l c d 显示屏是常见的嵌入式系统输入输出设备，基于车载终端特殊的应用背景，不 适于使用触摸屏及鼠标，故本文研究以键盘为主要的输入设备。 1 3 嵌入式系统 由于嵌入式系统【2 】具有体积小、性能好、功耗低、可靠性高以及面向行业应用的突出 特征，目前已广泛应用于军事国防、消费电子、信息家电、网络通信、工业控制等领域。 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及上层应用软件系 统等组成，它是集软硬件于一体的可独立工作的系统。 本文研究的车载终端系统，从软件平台来说： 操作系统方面，选用嵌入式l i n u ) 【构建操作系统平台。 在界面显示方面，借助于m i m g u i 界面开发系统，实现以各级菜单为主要形式的 用户操作界面，为用户提供了友好方便的图形操作界面。 嵌入式l i n u x 操作系统源码开放，软件资源十分丰富，内核小巧灵活，易于裁剪，其 高效性和稳定性已经在各个领域得到了事实的验证。嵌入式l i n u ) ( 支持多种体系结构，便 于在本终端平台移植。同时，l i n u x 支持e x t 2 、f a t l 6 、f a t 3 2 、r o m f s 等多种文件系统，为 开发嵌入式系统应用打下了很好的基础。 4 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第一章绪论 m i n i g u i 是一个专门面向嵌入式系统的图形用户界面支持系统，它主要具有体积小、 易维护、通用性强等优点。现在已经发展成为了一个比较成熟的跨操作系统的嵌入式图形 支持系统。 1 4 论文内容及结构 本课题旨在通过研究与车载终端软件平台密切相关的嵌入式系统开发技术，实现 t e t r a 数字集群系统中车载终端软件平台。软件平台的实现方案是：构建嵌入式l i n u x 操作系统平台，通过车载台侧t e t r a 协议实现车载电话、短信息及语音提示等功能，并 开发串口和键盘驱动以及基于m i n i g u i 的界面显示系统，达到人机交互的目的。 本人的主要工作是在以o m a p 5 9 1 2 为处理器的硬件平台上移植基于嵌入式l i n u x 的、 适用于t e t r a 协议模块实现的底层软件平台，所以本文主要研究关于车载平台的扩展模 块的驱动开发、操作系统移植以及界面开发等内容。 本文的章节安排如下： 第一章绪论介绍了本课题的背景，主要包括t e t r a 数字集群系统和车载终端，及与 车载终端密切相关的嵌入式系统，同时阐明了本文所做的主要工作与论文的组织结构。 第二章主要根据t e t r a 数字集群系统车载终端的功能需求及特征，研究其软件平台， 针对终端侧t a i 协议栈结构及特征，设计了车载终端软件平台的总体方案。 第三章叙述嵌入式系统的定义、特征及开发流程，并为本车载终端构建嵌入式系统， 包括两个重要组成硬件平台和操作系统。硬件方面，介绍了o m a p 5 9 1 2 微处理器及其 主要外围接口，系统硬件总体框架；软件方面主要就是操作系统选型。同时研究了嵌入式 l i n u x 操作系统平台的移植，包括b o o t l o a d e r 、内核及根文件系统三个部分。 第四章重点介绍了嵌入式l i n u x 系统下设备驱动程序分类和一般结构，并进行本课题 中车载终端的定制设备键盘和串口的驱动开发，最后研究了本设计中双核通信的三种 机制，详细阐述了本文所采用的实现方案。 第五章对本课题所选用界面显示系统m i n i o u i 做了详细研究，包括该系统的特征、结 构、配置、编译和移植过程，并针对开发平台特定的硬件条件设计了较合理的解决方案。 第六章主要是本论文工作的总结，回顾了软件平台开发测试中出现的一些问题及解决 方法，给出了系统实现结果，并对车载终端软件代码的优化、系统性能的提高以及进一步 工作提出了一些建议。 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一二章车载终端软件平台总体方案设计 第二章车载终端软件平台总体方案设计 2 1 车载终端功能需求 数字集群车载终端安装在车上，工作时用户通过人机接口，如键盘、显示器等输入输 出设备，或者其它外部接口如l a n 、异步串口等，实现系统功能。具体来说，需要实现以 下功能： 主叫功能 a ) 手咪键盘拨号 b ) 主机键盘拨号 c ) 手昧拨号显示 d ) 主机拨号显示 e ) 建立连接 f ) 语音处理 被叫功能 a ) 手咪主叫号码显示 b ) 主机主叫号码显示 c ) 手咪接听挂断 d ) 主机接听挂断 e ) 语音处理 定位功能 a ) 位置信息：经度、纬度等 b ) 速度信息 c ) 时间信息 m 海拔信息 存储功能 主要包括u 盘与主机的文件传递。 保密功能 a ) 话音加密 协号码加密 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章车载终端软件平台总体方案设计 c ) 用户信息加密 维护功能 a ) 系统更新、升级 b ) 程序调试 2 2 功能需求分析及解决方案 为了实现上述功能，在硬件设计上要保证实现软件所需要的硬件资源，如：c p u 处理 能力、存储器容量等。在本车载终端系统中，选用了双核处理器o m a p 5 9 1 2 、f p g a 等器 件。针对各项需求，具体研究下列几点： 针对主叫被叫功能，车载终端需实现键盘输入、l c d 显示输出、手咪等模块。本 设计中，手咪模块由异步串口扩展。同时，o m a p 5 9 1 2 独有的双核设计可以很好 的支持语音处理。 本车载终端由异步串口控制g p s 的设计实现了定位功能。 u s b 存储设备在软件上需要u s b 驱动和文件系统的支持。 通过串口引入保密模块的设计实现了功能需求中的保密功能。 网口和调试串口用于支持系统测试、更新及软件升级等。 因此，车载终端硬件平台的接口示意图如图2 1 。 ；o m a p 5 9 1 2 l 图2 1 车载终端接口示意图 o m a p 5 9 1 2 中的a r m 9 处理器上运行嵌入式l i n u x 操作系统，实现键盘输入、显示、 网络串c 1 u s b 通信、设备驱动、g u i 晃面程序、空口协议适配层和空口中l l c ( 包括l l c ) 以上的模块功能；d s p 处理器实现空口协议中的m a c 层、语音压缩解压缩等功能，其中， m a c 层的信道编解码的主要工作由f p g a 去完成；f p g a 还实现调制解调、符号帧同步、 突发生成、频率校准、功率控制等功能。 选择开放源码的嵌入式l i n u x 操作系统，软件的可扩展性和可维护性得到了保障。在 7 堕室唑皇盔兰堡圭堑壅生兰垡笙苎一 兰三童兰塾竺堂墼堡兰鱼璺堡查壅堡生 此环境下，选用专业的g u i 平台软件m i n i g u i ，提高了人机交互的友好性。 本文主要研究车载终端的软件平台方案，故下文中主要涉及软件方案设计，对硬件平 台只做简单介绍。 2 3t e t r a 空中接口t a i t a i 接口是集群移动台与基站之间的空中接口，接口协议栈如图2 2 所示。 控铜平面 业务平面 l i p li c cis m i s si im ci 话音业务 一i 氐休圹吧岍姒循来f r 恨 i p d ii c m c e i l m m i 高保护电路数据 l 移动链路实体一m l e i l 逻辑链路子层一l l c l l 介质访问子层一m a cm e d i u ma c c e s sc o n t r o l i l 物理层一p h y s i c a li n t e r f a c e l p d c m c e m m c c s m s s m c m l e p a c k e td a t a c i r c u i tm o d ec o n t r o ie n t i t y m o b i l i t ym a n a g e m e n t c a l lc o n t r o li n f o s h o r tm e s s a g e s u p p l e m e n t a r ys e r v i c e s m o b i l i t yc o n t r o i m o b i l el i n kc o n t r o le n t i t y 分组数据 电路模式控制实体 移动性管理 呼叫控制信息 短消息 附加业务 移动性控制 移动链路实体 图2 - 2t a i 协议栈 同时，本文研究的车载终端由于用于数字集群系统，故还需支持脱网直通模式下移动 台之间的空中接口协议，即d m i 接口1 5 1 。d m i 接口主要实现呼叫控制信息和短消息业务， 所以比较简单，只涉及c c 和s m 部分协议，协议开发中可以将其看做t a i 接口的一个子 集。本文所涉及的车载终端侧t e t r a 协议栈主要就是指t a i 接口【3 】【4 】【6 】。 2 4 车载终端软件平台总体方案设计 针对上述功能需求分析，及t a i 接口的分层结构，本课题研究的车载终端软件平台方 案设计如图2 3 所示。 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章车载终端软件甲台总体方案设计 a r m 铡：d s p t ! ! i 图2 3 车载终端软件总体方案 由上图可以看出，车载终端在a r m 9 处理器上实现的软件平台主要可以概括为三个层 次，由下至上分别为：设备驱动、嵌入式l i n u x 内核及应用程序。其中，针对本车载终端 系统开发移植的应用程序主要包括两大部分：g u i 界面显示和l l c 以上层t e t r a 协议。 这样设计是基于m a c 层对呼叫处理实时性要求的考虑。d s p 处理器任务比较单一，所以 可以很好的满足实时性要求较高的程序；a r m 侧由于承载操作系统及上层软件，一般实 时性能较低。这样就涉及到双核间通信的问题，这也是o m a p 5 9 1 2 平台的主要特色之一。 图中所示的d s p 驱动部分就是本车载终端采用的解决方案。 2 5 本章小结 本章研究了在t e t r a 数字集群系统这一特定应用中，车载终端需要实现的功能。并 针对功能需求和t e t r a 在车载终端侧的协议栈，设计本车载终端系统的软件平台总体方 案。下面的章节将根据该总体方案，阐述本人主要完成的工作，包括嵌入式l i n u x 操作系 统的移植、定制设备驱动的开发及界面显示系统的移植。 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章车载终端嵌入式系统构建 第三章车载终端嵌入式系统构建 3 1 嵌入式系统的定义 嵌入式系统被定义为：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。嵌入式系统的 最大特点是其所具有的目的性或针对性，即每一套嵌入式系统的开发设计都有其特殊的应 用场合与特定功能，这也是嵌入式系统与通用的计算机系统最主要的区别。另外，嵌入式 技术与实时性有着天然的联系：由于嵌入式系统是为特定的目的而设计的，且常常受到空 间、成本、存储、带宽等条件的限制，因此，它必须最大限度地在硬件上和软件上“量身 定做以提高效率，这样的结果最终导致了实时性的增强。 3 2 嵌入式系统构成和特征 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及上层应用软件系 统等组成，它是集软硬件于一体的可独立工作的系统。有以下特点： 1 ) 面向用户、面向产品、面向应用 和通用计算机不同，嵌入式系统的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力：电 磁兼容性等方面均受到应用要求的限制，如果独立于应用自行发展，则会失去市场。 2 ) 高效性、高可靠性 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率的设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的 成本下实现更强的性能，这样才能在具体应用的选择面前更具有竞争力。 在硬件方面，嵌入式系统要针对用户的具体需求，对系统配置进行裁剪和添加才能达 到理想的性能，甚至根据用户的特殊需要，设计不同的系统以面向不同的用户。 在软件方面，寻求代码高质量、高可靠性，要求程序编写和编译工具的质量要高，以 减少程序二进制代码长度、提高执行速度、节省宝贵的存储空间。 3 ) 相对稳定性 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行， 因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。嵌入式系统中的软件，一般都 固化在只读存储器中，而不是以磁盘为载体，可以随意更换，所以嵌入式系统的生命周期 1 0 南京邮电大学硕上研究生学位论文第三章车载终端嵌入式系统构建 也和嵌入式产品一样长。另外，各个行业的应用系统和产品，和通用计算机软件不同，很 少发生突然性的跳跃，嵌入式系统中的软件也因此更强调可继承性和技术衔接性，发展比 较稳定。嵌入式微处理器的发展也体现出稳定性，一个体系一般要存在8 1 0 年的时间。一 个体系结构及其相关的片上外设、开发工具、库函数、应用产品是一套复杂的知识系统， 用户和半导体厂商都不会轻易放弃一种处理器。 4 ) 软件要求固态化存储 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单 片机本身中，而不是存储于磁盘等载体中。 5 ) 系统软件( o s ) 一般要求较高的实时性 在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每 个任务及时执行的关键，单纯通过提高处理器速度是无法完成和没有效率的，这种任务调 度只能由优化编写的系统软件来完成，因此系统软件的实时性是基本要求。 3 3 嵌入式系统开发流程 基于l i n u x 的嵌入式产品的开发，在确定好产品需求之后，通常遵循如下的开发过程： 第1 步：确定硬件设备。包括处理器、存储设备、显示屏、触摸屏以及其他外设，比 如网卡、声卡等。通常，我们可以从一些方案提供商那里购买得到比较符合自己需求的硬 件开发板( 或者硬件参考设计板) ，有了这类硬件板，我们就可以根据自己的需求进一步 定制，从而缩短开发周期。 第2 步：移植操作系统并开发设备驱动程序。通常，针对一款新的硬件开发板移植 l i n u x 操作系统是技术难度较高的工作。如果我们购买由方案供应商提供的硬件开发板， 则内核和大部分设备驱动程序是现成的，我们只需要开发定制设备的驱动程序即可。 第3 步：编写自己的应用软件。利用l i n u x 开发嵌入式产品有个最大的好处，就是我 们可以在p c 环境上完成绝大多数的应用软件开发和调试工作。比如，如果您的产品需要 从某个特定的网站下载一幅图片然后显示在屏幕上，则我们可以在p c 上实现该软件，之 后移植到硬件板上即可。因为该程序涉及的主要接口：网络、显示卡等，不管在p c 上， 还是在硬件开发板上，均保持一致的接口。于是，只要在p c 上运行正确，该程序就能够 在嵌入式硬件开发板上正确运行。 第4 步：将应用软件移植到硬件板子上并进行测试及调试。这个过程主要就是将应用 软件以及应用软件所使用的函数库等，通过交叉编译器编译成目标硬件板上的程序，然后 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章车载终端嵌入式系统构建 和共享库、常用工具程序等一起，形成一个完整的文件系统映像，之后下载到硬件板上， 并在硬件板上进行应用软件的测试和调试。需要注意的是，因为嵌入式系统上的资源毕竟 有限，比如内存的可获得性、存储空间的可用性等均会影响程序的正常运行，因此，我们 需要在实际的硬件板上运行应用程序以便测试整个系统。 第5 步：通常，上述步骤符合一种迭代关系。进行到第4 步时，也许我们会发现应用 程序本身的一些问题，也许会发现驱动程序存在问题。这时，我们就要回到第2 步、第3 步修正错误并开展第二次迭代。当然，也有可能会发现我们最初选择的硬件性能和能力有 缺陷，从而会导致从第l 步重新来过。 第6 步：经过严格测试之后，整个硬件和软件系统就可以交给产品设计部门设计外观 和模具并最终到生产线上生产了。 以上就是基于嵌入式产品开发的一般过程。接下来我们重点介绍上述过程中的一些重 要概念。 3 4 车载终端嵌入式系统 3 4 1 车载终端嵌入式系统选型 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，它是嵌入式系统的重要 组成部分，除了拥有通用操作系统基本特点外，嵌入式系统操作系统在系统实时性、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优点。因此，嵌入式 操作系统的选择对于车载终端是十分必要的，可以帮助用户更快捷、更安全地操纵硬件， 运行应用程序，并且有效地管理嵌入式系统资源【引。 从2 0 世纪8 0 年代起，国际上就有一些i t 组织、公司开始进行商用嵌入式操作系统和 专业操作系统的研发。经过这么多年的发展，目前世界上已经有了一大批成熟的嵌入式操 作系统。 目前嵌入式操作系统大致可分为两类。一类是面向控制、通信等领域的实时操作系统， 另一类是面向消费电子产品的非实时操作系统。现有的著名的嵌入式操作系统包括 w i n c e 、u c o s 、嵌入式l i n u x 、p a l mo s 、v x w o r k s 、p s o s y s t e m 、s y m b i a no s 等等【7 1 。 以下分析介绍几种有代表性的嵌入式操作系统： 1 u c o s u c o s 是一种源代码公开的实时嵌入式操作系统。它的结构小巧、具有抢占式的实时 1 2 壹室堂皇奎兰堡圭堕窒竺兰垡堡奎笙三兰至塑竺堂壁全苎墨竺塑堡 内核、代码结构清晰明了、可移植性强、可固化、可裁减、支持多任务。但u c o s 只是一 个小型的操作系统，功能简单，提供给用户的只是一些a p i ( 应用程序接口) 函数接口， 后面还需要针对实际的应用需求进行功能扩展，包括底层硬件驱动、文件系统、用户图形 接口。所以它的功能过于简单，不适合于嵌入式车载终端的复杂应用。 2 v x w o r k s v x w o r k s 是由美国w i n dr i v e r 公司开发的一种类u n i x 的高性能嵌入式实时操作系 统。它是目前世界上用户数量最大的实时操作系统，具有优越的技术性能、丰富的应用软 件支持、良好的技术服务和可靠的系统稳定性。 v x w o r k s 具有很好的安全性、容错性以及系统灵活性，但系统对应用程序开发支持相 对较弱，对现在复杂的、网络化的、多处理器的嵌入式系统的许多应用需要而言，显得力 不从心。并且，它的价格昂贵，超出了车载终端项目开发的承受能力，所以也不适宜选用。 3 s y m b i a no s s y m b i a no s 是针对用于无线数据和电话服务的移动设备设计的，如手机和p d a 等， s y m b i a n 使用了e p o c 的软件架构，主要针对手机设计，因此在和手机的整合上有先天的 优势，但不适合针对车载终端的开发，且价格较高。 4 w i n d o w sc e w i n d o w sc e 是微软消费电子设备操作系统o s 的总称，它是从整体上为资源有限的 平台设计的多线程，完整优先权，多任务的操作系统，它的模块化设计让它对于从掌上电 脑到专业的工业控制器的用户电子设备进行定制。但它对硬件的要求较高，资源消耗大， 速度慢。它的另一缺点是源码非公开，价格过高，使得产品的成本急剧上升。 5 r t l i n u x 一个特殊的l i n u x 变种。其研制者们开发了一个很小的微内核，然后把整个l i n u x 操 作系统作为这个微内核上运行的一个进程，而原来就在l i n u x 上运行的进程则变成这个大 进程内部的二级进程。在实际的应用中，实时性要求很高的进程直接在微内核上运行，并 且有着比l i n u x 更高的优先级。在r t l i n u x 的影响下，又出现了一些类似但有所不同( 一 定程度上是为了避开专利) 的变种，主要有r t a i 、a d e o s 、m o n t a v i s t al i n u x 等。 综上所述，由于现有的商业操作系统价格昂贵，均不适用于作为车载终端的操作系统， 而r t l i n u x 开放源码，功能强大，移植性好，且具有丰富的开发资源，因此是本项目的理 想选择。下节中将会对嵌入式m o n t a v i s t al i n u x 的移植做一些讨论。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章车载终端嵌入式系统构建 3 4 2 车载终端硬件平台 本文采用t i 公司基于a r m 9 2 6 t 和t m s 3 2 0 c 5 5 xd s p 的双核嵌入式微处理器 o m a p 5 9 1 2 为处理器，它结合了a r m 和d s p 处理器的双重优点，在其硬件平台上开发系 统应用软件。硬件平台框架如下图3 1 所示。 图3 1 硬件平台架构 根据需要，我们选取并配置了其中的主要部分，充分发挥了o m a p 5 9 1 2 处理器的优势， 具有功能全、性能高的特点。我们的车载终端硬件配置如下： 1 ) c p u ：o m a p 5 9 1 21 9 2 m h z ； 2 ) s y n c h r o n o u sd r a m ( s d r a m ) ：3 2 m b ； 3 ) f l a s h ：6 4 m b ，采用两片3 2 m b 的n o rf l a s h ( i n t e lj s 2 8 f 2 5 6 ) ； 4 ) 液晶显示：2 8 寸2 4 0 * 3 2 0o l e d ( 有机发光显示器) ； 5 ) 以太网口( r j4 5 ) ：1 0 m 接口的网卡接口芯片l a n 9 1 c 9 6 ： 6 ) 串口u a r t ( u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e rt r a n s m i t t e r ) - 总共有三个串e l ，串口 一用于系统调试，串口二预留用于扩展保密模块，串e l - - 用于扩展g p s 模块 ( t r i m b l e ) ； 7 ) j t a g 口：由o m a p 5 9 1 2 本身提供2 0 针的j t a g 口，用于i c e ( i nc i r c u i te m u l a t o r ) 功能调试和f l a s h 芯片数据下载，以及与仿真器进行连接； 8 ) 电源：电源转换管理芯片t p s 6 5 0 10 。 1 4 南京邮电大学硕上研究生学位论文第三章车载终端嵌入式系统构建 3 4 2 1o m a p 5 9 1 2 微处理器 o m a p 5 9 1 2 微处理器，是由t i 产品中应用最为广泛的低功耗、高性能的a r m 9 2 6 f j s 与s 3 2 0 c 5 5 x d s p 内核组成的双核应用处理器。o m a p 5 9 1 2 的结构如图3 2 所示。 l h l 唰u 口矾 如h 脚 图3 2o m a p 5 9 1 2 结构图 o m a p 5 9 1 2 应用处理器双核结构的主要优势在于：由于两个独立的组件来完成应用处 理任务，其中m c u 负责支持应用操作系统并完成以控制为核心的应用处理；而d s p 则负 责完成多媒体信号( 如音频、语音和图像视频信号) 的处理。与单核结构相比，双核架构 的一个明显优势就是可以使操作系统的效率和多媒体代码的执行更加优化并延长电源寿 命；同时采用双处理器可以将总工作负荷进行合理划分，从而降低时钟工作频率，使系统 的功耗降低至最低，成功地实现了性能与功耗的最佳场合。 基于双核结构，o m a p 5 9 1 2 具有极强的运算能力和极高的处理能力，一方面，产品性 能稳定；另一方面，同其它o m a p 处理器一样，采用开放式、易于开发的软件设施，支持 广泛的操作系统，如l i n u x 、w i n d o w s 、w i n c e 、p a l mo s 、v x w o r k s 等。其高性能的软硬 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章车载终端嵌入式系统构建 件平台，能够完全满足下一代嵌入式设备应用的需要，能广泛应用于车载终端移动通信、 视频和图像处理、高级语音应用、音频处理和图像视频加速等。 o m a p 5 9 1 2 的主要特征有以下几点： 1 ) 同时支持r i s c 和d s p 的操作系统； 2 ) a r m 9 2 6 e j s ( m p u ) 核支持3 2 位或l6 位指令集： 3 ) 带有t m s 3 2 0 c 5 5 x xd s p 内核； 4 ) 2 5 6 k 字节内部共享s r a m ；存储器通信控制器( t c ) ； 5 ) 1 6 位e m i f s 可支持2 5 6 m b 的外存，1 6 位e m i f f 可访问6 4 m b 的s d r a m 、移 动s d r a m ，d d r ： 6 ) d s p 存储器管理单元( m m u ) ，可实现地址翻译和访问权限检查； 7 ) d s p 和m p u 外设； 8 ) 具有较多的公共外设：8 个通用计时器、3 个u a r t 、1 2 c 总线的主从接口、多媒 体( m m c ) 和串行数据( s d ) 接口、多通道缓冲串口( m c b s p ) 、6 4 个通用功能 的输入输出( g p i o ) 、3 2 k h z 的同步时钟； 9 ) 加密函数的硬件加速器； l o ) 供检查、调试和仿真的j t a g 口等等。 o m a p 5 9 1 2 设备包括m p u 子系统、d s p 子系统、存储器通信控制器、通用功能外设、 专用多媒体应用( m m a ) 外设以及多个外部接口。其中，m p u 子系统是这个多媒体应用 平台的核心，它可以访问系统所有的1 6 m b 的存储空间，以及作为系统i o 空间的1 2 8 k b 的d s p 子系统的存储空间。此外，m p u 和d s p 还可以共同访问一些片内s r a m 和片外存 储器接口【9 j 【l l 】。 3 4 2 2o m a p 5 9 1 2 主要外设接口 o m a p 5 9 1 2 微处理器支持丰富的外围接1 ：3 ，用于扩展串口、l c d 控制、触摸屏、键盘 扩展等。 串行接口 o m a p 5 9 1 2 微处理器支持的串口包括：3 个基于通用串行总线2 0 版本和开放式主机 控制接口1 0 a 版本的u s bf u n c t i o na n dh o s t 模块接口；3 个通用异步收发口( u a r t s ) ， 支持波特率从3 0 0 b p s - - 3 6 8 6 4 m b p s ，具有自动调节波特率的性能，调节范围在1 2 0 0 b p s 一 1 1 5 2 k p b s 之间，其中u a r t l 和u a r t 3 可用作i