（计算机应用技术专业论文）基于minigui的嵌入式系统中文输入法设计.pdf

武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 摘要 中文输入法是手机的必备功能，但手机中文信息处理技术，包括嵌入有汉字处理技术在 内的手机核心模块的控制权和修改权，主要掌握在国外厂商手中。在中国人使用的数亿部手 机中，9 0 以上嵌入的汉字输入技术使用的是国外企业提供的技术和专利，手机中文输入法 市场被美国特捷通讯软件公司的t 9 输入法，摩托罗拉公司的i t a p 输入法和加拿大字源资 讯技术公司的字能三大输入法所分割，我国每年要为中文输入法的使用支付大量的外汇。目 前国内某些手机生产厂商使用自己开发的输入法，但其性能很多方面还不够理想，存在反应 慢、易用性差、联想功能差等缺陷；国内从事手机中文输入法研发的企业也不少，但这些输 入法都局限于国外平台，难以获得广泛应用。 此中文输入法的设计工作主要完成了三项工作：汉字搜索模块和智能联想模块的设计， 并将此输入法集成到了m i n i g u i 中。 在汉字搜索模块中，重点放到了搜索速度上，针对传统输入法中汉字搜索比较慢的弊端， 设计了一种新的搜索算法，可以很大程度地提高汉字查找速度。在此模块的内码表操作上， 对外提供了操作接口函数，可以对内码表方便有效地进行维护，不需要修改搜索代码。 在智能联想模块中，不但汉字联想速度有很大提高，联想汉字占用的存储空间也比较合 理。智能联想模块是一个比较独立的部分，可以不加修改她应用到采用同种字符集和编码的 输入法中，包括拼音，五笔等。联想汉字表的维护也可以通过提供的接口函数完成。 输入法具体的应用需要g u i 的支持，但是在嵌入式系统中g u i 开发的难度较大，这也 是目前国产输入法推广到实际应用中的瓶颈。由北京飞漫软件开发的m i n i g u l 已经跻身世 界三大g u i 之一，它是目前国内做得比较成功的自由软件之一，遵循g p l 条款，在嵌入式 系统应用开发中具有诸多优势，得到了广泛的应用。本输入法正是以m i n i g u i 为依托，完 成了m i n i g u i 中输入法模块的接口函数，能应用在m i n i g u i 开发的系统中。 此输入法经过测试，使用效果良好、反应速度较快、联想功能比较理想。 关键词：嵌入式系统，中文输入法，g u i 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a e t c h i n e s ei n p u tm e t h o di san e c e s s a r yf u n c t i o no fm o b i l ep h o n e s b u tc h i n e s ei n f o r m a t i o n p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ，i n c l u d i n gt h er i g h tt oa m e n dt h ec o r em o d u l eo fc h i n e s ec h a r a c t e r p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ，i sm a i n l yc o n t r o l l e db yo v e , r s e a sc o r p o r a t i o n s w i t h i nh u n d r e d so f m i u i o m o f m o b i l ep h o n e su s e di nc h i n a , m o l - et h a n9 0 o f t h e mu s e df o r e i g nt e c h n o l o g ya n do u rc o u n t r y h a v et op a yah u g en u m b e ro fm o n e yf o rc h i n e s ei n p u tm e t h o de v e r yy e a r c h i n e s ei n p u tm e t h o d i ne m b e d d e ds y s t e mi so c c u p i e db yt 9o ft h el e g i ct e l e c o m m u n i c a t i o n si na m e r i c a 、m o t o r o l a s i t a pa n de z i to f z ic o r p o r a t i o ni nc a n a d a a tp r e s e n t ，$ o n l ed o m e s t i cm o b i l ep h o n em a n u f a c t u r e r su s et h e i ro w nd e v e l o p e di a p u t m e t h o d ，b u ti t sp e r f o r m a n c ei sn o ts a t i s f a c t o r yi nm a n ya s p e c t s ，f o re x a m p l e ，s l o wr e s p o n s e ， d i f f i c u l tt ou s e w e a ka s s o c i a t i o nf u n c t i o n m a n yd o m e s t i cc o r p o r a t i o n sh a v ee n g a g e di n d e v e l o p m e n to fc h i n e s ei n p u tm e t h o d , b u tt h e s ei n p u tm e t h o d sl i m i t si nf o r e i g np l a t f o r m , w h i c h l e a dt h e md i f f i c u l tt og e n e r a l i z ei np r a c t i c a la p p l i c a t i o n t b i sd e s i g nh a sc o m p l e t e dt h et w om a i nm o d u l e so fc h i n e s ei n p u tm e t h o d ：t h em o d u l ef o r s e a r c h i n gc h i n e s ec h a r a c t e ra n dt h em o d u l eo fa s s o c i a t i o n a tl a s t ，t l a i sc h i n e s ei n l a l tm e t h o dh a s b e e ns u c c e s s f u l l yi n t e g r a t e di n t om i n i g u i i nt h ed e s i g no f t h es e a r c h i n gm o d u l e ，s p e e di se m p h a s i z e dh e r e i nv i e wo f t h ed i s a d v a n t a g e o fs e a r c h i n gm o d u l ei nt r a d i t i o n a lc h i n e s ei n p u tm e t h o d ，t h i sd e s i g nh a v ep u tf o r w a r dan e w m e t h o d ，w h i c hc a ng r e a t l yi m p r o v et h es p e e do f t h es e a r c h i n gm o d u l e t l l i sm o d u l ep r o v i d e dt h e f u n c t i o nt oa m e n dt h en e 姒t a b l e i nt h ed e s i g no ft h ea s s o c i a t i o nm o d u l e t h i sd e s i g n 啪n o to n l yi m p r o v et h es p e e do f a s s o c i a t i o nf u n c t i o n ，b u ta l s oc a nl i m i tt h em e m o r i z e ri nas m a l ls i z e f u r t h e r m o r e ，t h i sd e s i g n h a v ef u l l yc o n s i d e r e dt h ee x t e n s i o no ft h en e wi n p u tm e t h o d ，a n di tv e r yc o n v e n i e n tf o r m a i n t e n a n c ea n dr e v i s i o n n 硷a p p l i c a t i o no fc h i n e s ei n p u tm e t h o dn e e dt h es u p p o r to fg u i ，b u td e s i g ng u ii n e m b e d d e ds y s t e mi sah a r dw o r k ，a n dt h i si st h eb o t t l e n e c kf o rd o m e s t i ci n p u tm e t h o dt ou s ei n p r a c t i c a la p p l i c a t i o n m i n i ( 3 u ii sd e v e l o p e db yb e i j i n gf e y n m a ns o f t w a r et e c h n o l o g yc o ，l t d a n di ti so n eo ft h em o s tf a m o u sg u ii nt h ew o r l d m i n i g u ii ss u c c e s s f u lf r e es o f t w a r ei no u r c o u n t r ya n d i tf o l l o w i n gt h eg p lt e r m s m i n i g u ih a sg r e a ta d v a n t a g ei ne m b e d d e ds y s t e ma n di t h a sw i d e l yu s e dt o d a y i no r d e rt ol e tt h i si n p u tm e t h o dw i d e l yu s e d ，t h i si n p u tm e t h o dc o m p l e t e d t h em i m g u i si n t e r f a c ef u n c t i o no fi n p u tm e t h o dm o d u l e a n di tc a l lc o n v e n i e n tu s e di np r a c t i c a l a p p l i c a t i o n 1 1 1 i si n p u tm e t h o dh a sb e e nt e s t e d 、i mf a v o r a b l er e s u l t s i th a sr a p i ds p e e d 。b e t t e ra s s o c i a t i o n f u n c t i o n 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 第一章引言 1 1 研究背景 随着智能手持设备的快速发展，汉字的输入输出已经成为很多智能手持设备进行人机交 互不可缺少的部分，是智能手持设备的必备功能，其中以手机中汉字输入使用最为广泛。 据信息产业部统计，截至去年l o 月国内手机用户已达4 5 亿人，而我国手机产品消费量 可能是这个数字的两倍甚至更多，中文短信发送量达3 5 0 0 亿条，使用手机数字键盘输入汉 字已成为人们相互交流的基本手段。但是我国9 0 0 6 以上的手机中文输入法均使用国外技术和 专利。中国人使用的每一部手机中，包括最初的授权费和每销售一部手机后的技术提成费， 每部手机大概有1 5 3 美元要交给外国公司，其中每台手机的汉字输入技术专利费超过o 3 美元，每年为中文输入法支付的外汇达数亿元人民币【i 】。考虑到中文输入法在其他领域的应 用，比如机项盒、p a d 、手持终端、嵌入设备、工业控制设备、智能电话和信息家电等需要 通过数字键盘输入中文的场合，随着技术和需求的发展，市场空间也不在手机的中文输入法 之下。目前，嵌入式中文输入法市场被美国特捷通讯软件公司的t 9 输入法、摩托罗拉公司 的i t a p 输入法和加拿大字源资讯技术公司的字能三大输入法所分割，其中美国的t 9 输入法 占据了我国手机汉字输入法市场“大半江山”1 2 1 。 由于短信业务的迅猛发展，中文输入法已经成为影响广大消费者对手机进行选择的重要 原因之一，正是认识到这一点，越来越多的手机企业在追求手机外观、功能的同时，对输入 法的要求也越来越高。国外手机中文输入法市场除了来源于国外技术和专利外，还有两种主 要途径：手机厂商的自主研发和输入法研发企业。目前已经有一些手机厂商在使用自己开发 的输入法，但这些输入法在反应速度、易用程度等方面存在很多不足之处，尚待改进，多用 于一些低端的产品中【3 】；国内从事手机汉字输入法研发的企业也不少，但很少有成型的产品， 很难形成竞争力，这些输入法研发企业面临一个很大的瓶颈g u i ，现在的嵌入式系统应 用开发都需要g u i ( g r a p h i c su s e ri n t e r f a c e ) 的支持，输入法的具体应用需要g u i 的支持， 这制约了这些企业的发展。 目前国际上比较有竞争力的g u i 包括q l e m b e d d e d 、m i n i g u i 和m i c r o w i n d o w s ，其中 m i n i g u i 是由北京飞漫软件技术有限公司开发的，是国际上比较著名的自由软件，遵循g p l 条款发布，是一个跨操作系统、快速、稳定的轻量级图形用户界面支持系统 4 1 。本输入法以 m i n i g u i 为依托，利用m i n i g u i 中提供的输入法接口函数，让输入法能运行在利用m i n i g u i 开发的系统中。 1 2 国内外研究现状 手机输入法比p c 输入法具有更大的市场和更加丰厚的回报，但是手机输入法受到了小 键盘的限制，编码方式有要求，而且要求独特的算法和数据结构，因为这些将直接影响到手 机输入法的性能，性能是直接和用户体验相关的，是评价手机输入法的一个客观标准，手机 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 中文输入法不同与p c 中文输入法，它需要和手机软件集成，如果没有g u i 或者手机厂商的 支持，很难能获得规模应用。 无论是从技术发展的趋势还是从国家的政策导向来看，手机输入法必然走向国产化1 5 】， 但是目前手机上应用的输入法，虽然可以完成汉字输入的功能，但在使用中普遍存在以下缺 陷：拼音输入法普遍存在重码严重的问题；笔画输入按键次数太多，而且大多不符合国家规 范，没有按“横竖撇捺折”五种笔画编码，有的编码有十种笔画之多，严重违反国家规范， 如果国家标准一出台，这些输入法将全部出局，而且这些输入法大多需要学习和熟练的时间， 在当今快节奏的生活中，即使要让用户花费1 0 分钟时间去学习和记忆都是不能接受的，如 果不能用几句话说明自怎么输入，这个输入法肯定是失败的；联想功能较弱也是现在很多手 机输入法存在的问题，一次只能联想一个汉字、联想的汉字出现顺序不合理等，有些手机输 入法的联想功能仅仅限定于两个字的词语，但实际上三字和四字的词语占了常用词语近一 半。不能通过联想输入这些词语，大大降低了输入速度；输入法反应速度慢也是困扰手机的 一个方面，尤其是在低端的手机中，输入法的反应速度直接影响其使用，很多用户因为无法 忍受这种“迟钝”的输入法而拒绝使用这样的手机。 1 2 1 国外研究现状 ( 1 ) t 9 t 9 输入法以输入字符高效快捷著称，t 9 输入法全名为智能输入法，字库容量九千多字， 支持十多种语言。包括欧洲及中文繁体、简体、香港常用字等，目前诺基亚、西门子、松下、 飞利浦等公司均支持这种输入法。 t 9 输入法可以说是快速、聪明的输入法，因为它“键入更快，键入更多”：t 9 在输入 拼音的时候不需要选择字母来组成拼音，程序按算法自动组成合理的拼音，这样就大大减少 了输入时按键的次数，大大提高输入效率，早期的输入法也只有t 9 具备智能联想功能；在 笔画输入中，t 9 将简体中文字的2 4 种笔画和繁体字的4 1 种笔画按其共同点分为5 类，用 户只需按照顺序输入笔画，t 9 会从内置的语言数据库中选出匹配这些笔画的汉字。 现在的t 9 输入法功能越来越强大，附带功能越来越多。它能识别专有名词，添加了更 多的人名、地名；t 9 能充分的自我表达，t 9 内含聊天用语，表情符号和标点符号，t 9 还可 以在您使用的过程中，学习您自己的词语和俚语，使您可以充分地用自己的方式表达自我； 由于功能的不断完善，t 9 也越来越难掌握，因此t 9 试图将文本和游戏结合在一起，用户不 但可以了解到t 9 的智能文本功能，还能在玩游戏的同时，提升输入文本的技能；新的t 9 输 入法有新的突破，可以用词组发短信，它可以用笔画或者拼音直接输入词组；t 9 可以添加 词语，如果您在t 9 的词库中找不到您需要的词语，那么把它添加进去，在多次击键输入的 模式下键入这个词，然后转换回t 9 模式，下一次您需要使用这个词语的时候，t 9 就能够识 别它了。 特捷通讯有限公司除了在美国西雅图有手机中文输入研发中心外，在国内与北京大学( 智 能a b c ) 签约，成立了手机中文输入研发中心，这个机构将根据中国手机用户的特点，为市 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 场开发出更先进、更个性化的移动技术，以提升用户和手机间的互动能力，从而推动3 g 时 代移动内容和服务的应用。 ( 2 ) i t a p i t a p 输入法是摩托罗拉的独家输入法，它是在t 9 的基础上发展起来的，全名i t a p 智 能按键输入法，摩托罗拉在早期购买了特捷通讯( t e g i ec o m m u n i c a t i o n s ) 软件公司t 9 输入法 的版权，所以在输入的算法方面也跟t 9 基本相似，不过在笔划输入上i t a p 也有自己的特色， 它支持倒划笔，用户在输入过程中出现倒划笔的现象，i t a p 仍然能从字库中搜索用户所需 要的汉字，这样从某种程度上来讲也提高了笔划输入的效率。i n 世输入方式包括笔画、汉 语拼音和台湾注音，其中笔画是九画输入。摩托罗拉在美国加州设有专门的研究所，摩托罗 拉也在不断地对i t a p 输入法的字库进行更新，每半年字库更新一次，字库容量为1 3 1 5 8 ( 中 文繁体) 6 7 2 7 ( 简体中文) ，支持2 0 多种语言，汉语包括简体中文、繁体中文，支持的语言种 类比其他的输入法都多。 i t a p 采用预测技术，也具有t 9 的“键入更快，键入更多”功能，比旧有的“多键式” 输入法优秀。用户可在数据库之外随意建立新字词，例如专有名称或俗语等，目前系统储存 有3 5 0 0 0 个文字的数据库：i t a p 系统另外一个重要特征就是它能自动记录字词的使用率， 根据字母和字词的使用率来排列字词显示的先后次序，从用户“学习”其用字习惯，所以 i t a p 系统便会跟随用户个人的输入习惯，变得更加准确和个性化，假设用户经常键入某些 不常用的词语或俗语，久而久之，当该用户键入首几个字母时，i t a p 系统便会立刻按先后 次序排列出用户最经常键入的词汇以供选择，由此便大大提升了输入信息的速度，与此同时， i t a p 的学习功则能根据使用习惯显示下一字词：用户想键入“g o o dm o r n i n g ”，当键入 “g o o d ”后，“m o r n i n g ”便会被预测，从而提高了输入速度。i t a p 的文字锁定和续字功能， 大大提升了信息输入的效率。 摩托罗拉的i t a p6 0 已经进入应用阶段，但据有的m o t o 用户反映用此种输入法发送 短信有一定的速度障碍。 ( 3 ) 字能 字能( n z r r ) 输入法是由加拿大的字源资讯技术公司和爱立信公司合作研制的，这种输入 法共有2 0 9 0 2 个汉字容量，爱立信的早期型号和阿尔卡特以及部分国产手机采用这种输入法。 在拼音输入上，字能和t 9 类似，但是在笔划输入上，字能的技术则更好，尤其是用户 输入笔划不熟悉的字时，字能可用笔划查询键来进行模糊输入，这样就给了用户最大的自由 空间，所以在笔划输入方面来讲，字能更加方便。 字能输入方式中包括拼音、笔画两种中文简体输入，拼音输入法具有全拼和双拼两种， 不仅可以输入单个汉字，还可以进行词组的输入，笔画输入法将常用汉字笔画分为八类，支 持笔画和部件输入( 部件由笔画构成，包含于汉字中的构造单位，类似于汉字的偏旁部首) 。 这两种输入方式都具有联想功能。 字能输入法目前已经很少出现，它在进行拼音输入时，需要多次按键选择，较为繁琐， 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 但输入短信时反应较为快捷，词语联想非常丰富。 1 2 2 国内研究现状 目前国内嵌入式系统中的输入法很多，但占据的市场很小。国内很多产品都做到了 w i n c e 或者s y m b i a n 中，很多没有脱离m i c r o s o f t 和n o k i a ，它们一般都是做成了动态链接 库等形式。将编译好的二进制文件直接提供给用户。此类输入法都无法脱离特定的平台。 国笔输入法是一个做得比较成功的国产手机输入法，国笔输入法已经突破智能联想功能 的难关，并且比国外智能功能更强大、更易用，比如用户使用频率高的词汇会被自动记忆。 据了解，国笔输入法技术采用独刨的软件算法和中国人习惯用语、用词语法，其智能化使该 技术的拼音输入法比目前国外同类技术快2 9 0 至4 1 ，笔画输入法比国外同类技术快4 0 至5 1 ，音形组合输入法比国外拼音输入法快近7 0 。目前，国笔输入法技术通过了国家 c t c 权威技术测试，同时相继通过了微软、1 l 、康佳、多普达等著名厂商对其近百项技术 指标的严格测试。 。王码春雨”是国内另外一个做得比较成功的手机输入法。五笔字型发明人王永民经5 年研究，开发完成了包含5 项专利在内的“数字系列汉字输入法”。国家有关部门负责人说， 这是我国汉字输入领域第一套具有自主知识产权的数字输入专利技术，它用6 个数字键对应 6 种基本笔画( 一fj 、乙口) ，任何汉字、词组只需按笔顺打前4 个和后一个笔画所对应的 数字键，就可完成手机输入。王码输入法有数字、五笔、全屏、简拼等几种方式【6 】。 二笔输入法是由首届中国十大科技前沿人物高精鲸发明的，其编码原理依据汉字自身规 律，操作简单、快捷，可广泛应用于手机等任何需要键盘输入文字的产品中。二笔输入技术 采用音形编码算法，录入速度比较快，输入中文、英文、数字、标点符号皆不需切换，在同 类技术中属首创。使用这个输入法，必须掌握汉字笔顺，它两笔构成一码，在取码方面，它 分二笔音形和二笔全形两种。这种输入法容易学会，但需要花一段时间熟记不同笔画组成码 的在位键，开始时得拆分个别字的笔画。目前国内的手机汉字输入法除上述的以外还有很多， 如广西南宁活码软件有限公司的“活码”输入法、s 9 手机输入法等 7 9 1 1 9 。 国产输入法虽然品种繁多，但占据的市场太小，推广起来比较困难。国家标准预计在今 年出台，新的标准颁布后，凡是不符合国家标准的，将无法在市面上流通【1 0 j 。 1 3 研究的目的和意义 目前国产输入法研究都集中在编码等问题上，而不是算法上面，由于汉字笔画本身的多 样性决定了国产手机输入法在编码上不会有大的突破，而且国家计划制定手机输入法的相关 标准，一旦国家标准出台，很多输入法将被淘汰，不符合标准的编码方式将无法生存，大量 的研究工作都将是白费，此处研究的重点并没有放到编码上，而是在可以遇见的编码方法范 围内提高汉字输入速度，让输入法具备人性化的联想功能，而且需要方便输入法字库的维护、 更新。 推广需要考虑g u i 的支持，目前国内输入法都是以w i n c e 或者s y m b i a n 接口规范写成， 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 很少从源头来解决问题，这样的输入法只能应用在国外手机场合或者配套的软硬件环境中， 无法摆脱束缚，而且这些环境中都已经具备用户广泛接受的输入法，国产输入法想以这为切 入口几乎是不可能，相反，在g u i 中提供好的输入法应该是一种比较好的方式。 目前应用输入法的主要场合是手机，但是在不远的将来输入将会在很多方面得到广泛的 应用，比如机顶盒、p a d 、手持终端、嵌入设备、工业控制设备、智能电话和信息家电等需 要通过数字键盘输入中文的场合，随着技术和需求的发展，市场空间也不在手机上的中文输 入法之下，这些产品的开发一般都需要依赖g u i 来降低开发难度、缩短开发周期，如果g u i 能提供良好的输入法支持，这对开发人员来说无疑是一个很好的选择。在目前国产输入法面 临的困境面前，通过g u i 来扩大市场是一个有效的办法。 1 4 研究内容的重点 研究工作的重点放在输入法的在三个方面：汉字搜索模块和智能联想模块的设计，并将 此输入法按照m i n i g u i 输入法模块的接口要求，集成到了m i n i g u i 中。 在汉字搜索模块中，重点放在了效率上。汉字搜索模块的搜索速度对输入法的性能影响 较大，为了设计了一种快速的搜索算法，同时为了让这种搜索算法具有一定的通用性，能够 方便应用到其它各种编码方式中，避免在新的国家标准出台后处于废弃的尴尬局面【l o 】，需要 考虑搜索算法的维护、修改等问题。 在智能联想模块中，不仅需要提高汉字联想功能的速度，还需要考虑存储空间以及便于 词库扩充的问题。在此输入法联想模块的设计中，需要避免联想功能反应慢的输入法，同时 需要考虑到联想功能的易维护性，设计优良的联想功能模块需要能方便、快速地对词库进行 更新修改。本设计中的智能联想模块没有注重词库的大而全，但考虑到了这些方面。 通过g u i 来推广国产输入法是一种有效的途径。由北京飞漫软件开发的m i n i g u i 已经 跻身世昊三大g u i 之一，它是目前国内做得比较成功的自由软件之一，遵循g p l 条款，在 嵌入式系统应用开发中具有诸多优势，得到了广泛的应用。为了让设计的输入法得到实际的 应用，本输入法正是以m i i l i g u i 为依托，完成了m i n i g i j l 中输入法模块的接口函数，让本 输入法能应用在m i n i g u i 开发的系统中。 1 5 章节分配 本文将以实现高效输入法搜索模块和智能联想模块以及在m i n i g u i 的实现为主线，说明 了设计过程中的若干问题。 第一章介绍了嵌入式系统中中文输入法的基本状况。 第二章介绍了测试本输入法的相关硬件平台和软件环境。 第三章详细阐述了输入法的设计思想以及本输入法改进的方面。 第四章详细说明了m i n i g u i 的体系结构和本输入法在m i l l i g u i 中的实现。 第五章为总结与展望。 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章嵌入式系统平台介绍 2 1 硬件平台 本设计的硬件平台中，主芯片采用a r m 体系结构的s 3 c 2 4 1 0 x 芯片【l l 】，其引脚如图2 1 所示。 圈2 1s 3 c 2 4 1 0 x 芯片引脚分布 s 3 c 2 4 1 0 x 芯片集成了大量的功能单元，包括：1 6 k b 数据c a c h ，1 6 k b 指令c a c h ， m m u ) 内置外部存储器控制器，用于s d r a m 控制和芯片选择逻辑：l c d 控制器( 最高4 k 色s t n 和2 5 6 k 彩色t f t ) ，一个l c d 专用d m a 4 个带外部请求线的d m a ；三个通用异 步串行端口，2 通道s p i ：一个多主i i c 总线，一个h s 总线控制器；2 个u s b h o s t ，一个 u s bd e v i c e ( v e r l 1 ) ；4 个p w m 定时器和一个内部定时器；看门狗定时器；1 1 7 个通 用1 0 ；2 4 个外部中断；电源控制模式：标准、慢速、休眠、掉电；8 通道1 0 位a d c 和触 摸屏接口；带日历功能的实时时钟；芯片内置p l l ；1 6 3 2 位r i s c 体系结构，使用a r m 9 2 0 t c p u 核的强大指令集；a r m 带m m u 的先进的体系结构支持w i n c e 、e p o c 3 2 、l d 叮u x ； 指令缓存( c a c h e ) 、数据缓存、写缓冲和物理地址t a gr a m ，减小了对主存储器带宽和性 能的影响；内部先进的位控制器总线( a m b a ) ( a m b a 2 0 ，a h b a p b ) 。 s 3 c 2 4 1 0 x 芯片在系统存储管理上有自己的特色：大端d 端模式支持；地址空间中每个 b a n l ( 1 2 8 m b ，一共8 个存储器b a l 叮k ；每个b a n k 可编程为8 1 6 3 2 位数据总线；b a n k 0 到b a n k 6 为固定起始地址；b a n k 7 可编程b a n k 起始地址和大小；6 个存储器b a n k 用 于r o m 、s r a m 和其他；2 个存储器b 心张用于r o m 、s r a m 和同步d r a m ；每个存储 器b a n k 可编程存取周期；支持等待信号用以扩展总线周期；支持s d r a m 掉电模式下的 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 自刷新；支持不同类型的r o m 用于启动( n o r n a n df l a s h 、e e p r o m 和其它) 。 开发板的硬件构成主要包括了如下几个部分：p o w e rs u p p l y 、r e s e t 、r t c 等必须 资源；由s 3 c 2 4 1 0 ) ( a r mc p u ，“ms d r a m 、6 4 mn a n df l a s h 组成的核心部分；l c d 液晶显示屏；1 7 键小键盘；串口、网口等必要部分。 总体架构如图2 2 所示。 图2 2 开发板架构 液晶屏采用t f t 3 2 0 * 2 4 0 的液晶屏，键盘k e y p a d 通过i i c 接口实现。下面就开发板中 键盘、【c d 显示器等几个主要的相关部分做如下介绍： ( 1 ) p o w e rs l i p p l y 、r e s e t 、r t c 等必须资源 开发板电源电压为5 v ，经a s l l l 7 3 3 v 和a s l l l 7 一1 8 v 分别得到3 3 v 和1 8 v 的工作 电压。开发板上的芯片多数使用了3 3 v 电压，而1 8 v 是供给s 3 c 2 4 1 0 内核使用的。5 v 电 压供给l c d 电路使用，l c d 信号线驱动芯片7 4 h c 2 4 5 的电源是可选的，当使用5 v 电平的 2 5 6 色屏幕时该芯片电源使用5 v 。 图2 3 电源电路 复位电路由i m p 8 1 1 t 构成，实现对电源电压的监控和手动复位操作，产生n r e s e t 信号， 再经三极管9 0 1 2 反相后得到r e s e t 信号。n r e s e t 信号低电平有效，主要供a r m 2 4 1 0 内 核板使用，而r e s e t 信号高电平有效，供网卡芯片a x 8 8 7 9 6 使用。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 r t c 电路的电压是1 8 v ，实际是将电池电压或3 3 v 电压经过两个b a v 9 9 降压后得到的。 f 2 1 $ 3 c 2 4 1 0a r mc p u 、6 4 ms d r a m 、6 4 mn a n df l a s h 组成的核心部分 从c p u 出来的数据、地址、读写控制等信号构成局部总线。n a n df l a s h 、s d r a m 和网卡芯片a x 8 8 7 9 6 直接挂在局部总线上的。局部总线经过四片7 4 l v c h l 6 2 4 5 驱动后作为 扩展总线引到其他外设以及1 6 8 p i i l 扩展槽。另外该扩展槽上还有包括u a r t 、i i s 、i i c 、d m a 、 定时器等信号线。由于数据线是双向的，所以7 4 l v c h l 6 2 4 5 芯片必须有方向控制信号，这 里采用经过隔离后的写控制信号o e 作为数据线所在7 4 l v c h l 6 2 4 5 芯片的方向控制线。当 o e 有效时7 4 l v c h l 6 2 4 5 芯片把扩展总线上的数据传输到局部总线上；当o e 无效时反之。 当系统对局部总线上的芯片读数据时o e 一样会起作用，这样就必须对局部总线和扩展总线 进行总线仲裁，这里是外设所具有的四个片选信号n g c s l 、3 、4 、5 用7 4 h c 2 1 相与后作为 数据线所在的7 4 l v c h l 6 2 4 5 芯片的输出使能控制线，只有当系统对扩展总线进行读操作， 也就是上述四个片选之一有效时，7 4 l v c h l 6 2 4 5 才能对局部总线输出数据，否则无论o e 如 何都呈现高阻态。 图2 4s 3 c 1 4 1 0 核心部分 ( 3 ) l c d 部分 兼容多种l c d ，可采用5 寸2 5 6 色屏或8 寸1 6 b i t 真彩屏，同时预留一个2 4 b i t 接口； 从c p u 的l c d 控制器出来的信号线包括2 4 根数据线和若干控制线。对于2 5 6 色l c d 只 需要其中低8 位数据线即可。这些信号线是经过7 4 h c 2 4 5 隔离后接到l c d 模块的，接2 5 6 色屏幕时也由7 4 h c 2 4 5 芯片完成电平转换。l c d 模块除了需要控制信号和数据信号外，还 需要一个2 2 v 左右的工作电压和上千伏的背光电压。前者由m a x 6 2 9 升压后得到，后者由 一个逆变器模块提供。另外l c d 信号线驱动芯片7 4 h c 2 4 5 的电源是可选的，当使用5 v 电 平的2 5 6 色彩屏时该芯片电源使用5 v ，使用3 3 v 的1 6 位真彩屏选择3 3 v 。 翠鹫严 痹 | | j l 尊 l | i 羹一匿一 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 颦罄靖蓉 _ i i 嘲淼冒三一一t l 倒k 潞臣草“。一 燮饔鎏霪 封ii 麟司ii 葶 日曙封k 器巨；p 一 i | 乍封淼孽与叫一 图2 5l c d 电路 ( 4 ) 键盘采用1 7 键的小键盘 在此2 4 1 0 开发板中，键盘和l e d 由z l g 7 2 9 0 完成动态扫描，按键去抖等，c p u 通过 i i c 总线对键盘和l e d 进行显示和读键控制，电路中对i i c s d a 和i i c s c l 两个信号接有3 3 k 上拉电阻。如果有键按下会产生中断，z l g 7 2 9 0 占用e 州t 4 。 鞘黼 ij 一制脚脯 留謦2 冀譬 毒 i 嗡 件睡酚存 ，托 产 触嘲遴婆萨 卜t 磐 黥 謦 图2 6 键盘电路 2 2l c d 和键盘驱动程序 2 2 1l i n u x 驱动程序结构 l i n u x 设备驱动程序1 1 2 】可以分为3 个主要部分： ( 1 ) 自动配置和初始化子程序，负责检测所要驱动程序的硬件设备是否存在、能否正常 工作。如果设备正常，则进行初始化。这个部分的驱动程序只是在初始化的时候调用一次。 ( 2 ) 服务于i o 请求的子程序，又称为驱动程序的上半部分。调用这部分程序是由于系 统调用的结果。这部分的程序有一个特点：系统认为它和进行调用的进程是同一进程，只是 由用户态变为了核心态，具有进行此系统调用的用户程序的运行环境，因而可以在其中调用 s l e e p ( ) 等与程序运行环境有关的函数。 ( 3 ) 中断服务子程序，又称为驱动程序的下半部分。在l i n u x 系统中，并不是直接从中 断向量表中调用驱动程序的中断服务子程序，而是由l i n u x 系统来接收硬件中断，再由系统 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 调用中断服务子程序。中断可以在任何一个进程运行时产生，因而在中断服务中被调用时， 不能依赖于任何进程的状态，也就不能调用任何与进程运行环境有关的参数。因为设备驱动 程序一般支持统一类型的多个设备，所以在系统调用中断服务子程序的时候，都带有一个或 多个参数，以唯一表示请求服务的设备。 l i n u x 的每个设备文件都有两个设备号，一个是主设备号，标识驱动程序，第二个是从 设备号，标识同一设备驱动程序的不同硬件设备。 l i n u x 中对设备进行读写操作系统通过设备驱动程序来完成，具体到l i n u x 内核，设备 驱动程序所提供的对硬件设备的操作是由一个文件操作结构来完成的。f i l eo p e r a t i o n s 结构定 义于l i n u x f s h 中，随着内核版本的不同，这个结构也会越来越大。但其最一般的结构如下： s l n l g t m c _ o p m 矗o m m t ( * l s e e k ) ( m u e t i n o d e 。哦s t r u c t f i l e * f l i p ，o 虹缸p o s ) ； m t ( * r e a d ) ( 翻姒蛐峋d e ，s t r i c t 舭鲫，c h a r 毗近c o u m ) ； i n t ( * w r i t e ) ( s m i c ti n o d e i n o d e ，s t l u e tf i l e - m p , c o n s tc h a r c h 戤i n tc o u n t ) ： m t ( * r e a d d i r ) ( 删i n o d e * i n o d e ，s l a - u c t f i l e 蛳 s t n l m d i r e n t d i r e n t , i n t c o u n t ) ： m t ( + s e l e c t ) ( s t m c t i n o d e 4 i n o d e ，s m l c t f i l e + 矗l p ，i n t s e l _ t y p e s e l o c t _ t a b t e * w a i t ) ； m t ( * i o c t l ) ( 删i n o d e 。i n o d e ，s t r u c tf i l e 。f l i p ，t m s i g n e di n tc a llu m i g n e di n ta r g ) ； m t ( m m a p ) ( s u i l c t i n o d e r o d e , s m l c t f i l e * f i l p ) ； 缸( * o p e n ) ( 甜嘣i 盈) d e 翔) d e s u u c t f i l e f d p ) ； 。 m 。t ( * r e l e a s e ) ( s w a c ti n o d e 蹦c s 缸u c tf i l e * f i l p ) ； 妇( f s y n c ) ( m u c t i n o d e + i n o d e ，蚰 u c t f i l e 丘l p ) ； ； f i l e 结构中所有成员几乎全部都是指针函数，所以实质上就是函数跳转表。每_operations 个进程对设备的操作，都会根据m a j o r 、m i n o r 设备号，转换成对f i l e结构的访问。operations f i l e9 p e r a t i o n s 结构中操作含义如下： l s e c k ：移动文件指针的位置，只能用于可以随即存储的设备； r e a d ：进行读操作，读取c o u n t 长度的数据到b u f 中； w r i t e ：进行写操作，和r e a d 类似； r e a d d i r ：取得下一目录入口点，只有与文件系统相关的设备驱动程序才使用： s e l e c t ：进行选择操作，如果驱动程序没有提供s e l e c t 入口，s e l e c t 操作将会认为设 备已经准备好进行任何的的操作； i o c t l ：1 2 0 控制，用在增强型设备驱动中； m m a p ：用于把设备的内容映射到地址空间，一般只有块设备驱动程序使用； o p e n ： 打开设备准备进行i 0 操作； r e l e a s e ：释放操作。 驱动程序开发，主要就是根据驱动需要的功能完成f i l e 结构中的相关函数。operations 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 不需要的函数接口( 比如f s y n c 、f a s y n c 、l o c k 等) 可以直接在f i l e _ o p e r a t i o n s 结构初始化为 n u l l 。f i l e _ _ o p e r a t i o n s 变量会在系统加载时注册到系统内部，可以以模块加载( i n s m o d ) 。 当操作系统对设备访问时，会调用驱动程序注册的f i l e _ o p e r a t i o n s 结构中的函数指