（计算机软件与理论专业论文）基于windows+ce操作系统的pmp的系统设计与开发.pdf

摘要 随着数码产品的不断推陈出新，基于嵌入式操作系统的便携式媒体播放器 ( p m p ) 开发越来越受到各开发商的重视。它以其方便携带的特点，使得随时随 地看电影成为可能。本文基于w i n d o w sc e 的p m p 的设计正是这方面的尝试。 本文对便携式媒体播放器进行了系统的设计，重点是构建媒体播放器的 w i n d o w sc e 系统，即介于硬件和应用程序之间的板级支持包( b s p ) 。本文首先以 p x a 2 7 0 处理器为核心，设计了媒体播放器的硬件结构；其次，利用p l a t f o r m b u i l d e r 定制w i n d o w sc e 系统框架。接着在硬件方案和w i n d o w sc e 系统框架的基础上， 分析b s p 的结构，依次对其组成部分b o o t l o a d e r 和o a l 进行了功能和模块设计， 并研究驱动程序开发的特点和结构，设计和实现了多种设备的驱动程序。最后， 分析了w i n d o w sc e 下应用程序开发的特点。 本文基于x s c a l e 嵌入式平台和w i n d o w s c e 操作系统，最终设计出了一个p m p 系统模型，编制了该设备的板级支持包。该系统硬件正常工作，且b s p 已测试， 能够诈常运行。 关键词：嵌入式w i n d o w sc e 媒体播放器 b s p a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a lp r o d u c t s ，p o r t a b l em e d i ap l a y e r ( p m p ) b a s e do n e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mi sr e g a r d e d 私m o r ea n dm o r ei m p o r t a n t w i t hi t s p o r t a b i l i t y ，i tm a k es e e i n gf i l m sa n y t i m ea n da n y w h e r ec o m e t r u e o u rd e s i g no fp m p b a s e do nw i n c ei sj u s tat r yo f t h i ss u b j e c t t h et h e s i sd e s i g n sap m ps y s t e ma n dt h ep i v o ti st oc o n s t r u c tw i n d o w sc es y s t e m o fp m p , n a m e l yb o a r ds u p p o r tp a c k a g e ( b s p ) t h i sp a p e rf i r m l yd e s i g n st h eh a r d w a r e s t r u c t u r ef o rp m pb a s e do np x a 2 7 0p r o c e s s o r ；a n dt h e nb u i l d sw i n d o w sc es y s t e m f r a m e w o r ku s i n gi d ep l a t f o r mb u i l d e r b a s e do nh a r d w a r es o l u t i o na n dc ef r a m e w o r k ， t h ep a p e ra n a l y z e st h es t r u c t u r eo fb s pa n dd e s i g ni t sp a r t s ，b o o t l o a d e ra n do e m a d a p t a t i o nl a y e r ( o a l ) ，r c s e r c h e st h ef r a m eo fp e r i p h e r a ld e v i c ed r i v e r sa n dd e s i g n s e v e r a ld r i v e r s f i n a l l y , t h et h e s i sa n a l y z e sc h a r a c t e r i s t i co f a p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t 。 b a s e do nx s c a l ep l a t f o r ma n dw i n d o w sc eo p e r a t i n gs y s t e m ，t h i sp a p e rd e s i g n e d ap m ps y s t e mm o d e la n dp r o g r a m m e db s p t h et e s tr e s u l ti n d i c a t e st h a ti tm n s n o r m a l l y k e y w o r d ：e m b e d d e d w i n d o w sc ep o r t a b l em e d i ap l a y e rb s p 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的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中所罗列的内容以外，论文中 不包含他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：邀笠基日期2 口p6 2 t 2 o 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密的论 文在解密后遵守此规定) 本人签名：缢堡羞 导师签名： b 匈才 。f 1 一 日期望! ，兰：堡 日期 口5 ，口2 如 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 目前，随着数字技术的蓬勃发展和人们对消费产品的需求日益提高，消费电 子行业取得了突飞猛进的发展。各种便携式娱乐产品应运而生，并且不断地更新 换代。在消费数码领域，继m p 3 之后，便携式媒体播放器，应运而生。 便携式媒体播放器，即p o r t a b l em e d i ap l a y e r ( p m p ) | ”，顾名思义，就是一个 能够随身携带用来播放影音文件的设备，俗称p m p 。p m p 可以通过u s b 或1 3 9 4 端口传输文件，很方便地将视频文件下载到设备中进行播放，而且自带l c d 屏幕， 以满足随时播放视频的需要。 p m p 和m p 3 都是媒体播放器，但二者是不同时代的产品，m p 3 的出现，是 为了便携和声音播放的需要。大多数m p 3 ，都只带一个较小的屏幕。后期的一些 m p 3 ，虽然采用较为巨大的彩色屏幕，如o l e d 、n 玎等等，但主要还是为了音 乐的播放，而屏幕只是提供更好的显示效果，扩展一些简单的功能，如电子书、 浏览图片等等。 p m p 播放器改变了m p 3 的相对弱点。p m p 的出现，就是为了满足视频播放 的需要。在p m p 搔放器的衡量条件中，视频播放是主要因素。 在配置上，p m p 要比m p 3 强劲许多，通常有强大的c p u 和操作系统以及相 对较大的屏幕。在这种情况下，p m p 播放器可以扩充许多功能。除了视频播放， 音频播放以外，图片浏览，扩展摄像头，提供连接电视播放视频，从电视机录制 节目等，三维游戏等等都是很好的功能延伸。 作为一种新兴的播放器，p m p 产品可以提供了随身欣赏电影的功能，多种新 功能的融合，也让p m p 播放器更加实用。在p m p 播放器发展的路程中，将会出 现新的技术和改进，让p m p 产品更加完善。 随着人们对数码消费的要求愈来愈高，媒体播放器无疑是个人数码娱乐消费 的发展趋势。 1 2 选题意义 鉴于p m p 是未来个人影音娱乐设备的发展趋势，有非常大的市场潜能，对 p m p 进行研究和开发有重要的意义。 p m p 需要一个相当强大的解码处理芯片来完成对视频文件的解码过程，尽管 基于w i n d o w sc e 操作系统的p i m p 的系统设计与开发 专用d s p 芯片与c p u 芯片所侧重的应用不同，p m p 对芯片计算能力的要求并不 简单。不仅如此。由于p m p 播放器属于便携设备，因此还需要芯片整合许多功能 ( 如支持l c d 显示，c f 、s d 存储卡，或硬盘接口控制器等) 且能耗较低。i n t e l x s c a l e 2 l 处理器就是一款高性能的处理器，它支持l c d 显示、u s b2 0 i e e e1 3 9 4 、 硬盘接口控制功能，还可以支持m p e g 1 、m p e g - 2 、d i v x 文件解码，丽且可以 保持在7 2 0 x 4 8 0 的分辨率下3 0 帧秒的解码速度，在功能以及性能上能充分满足 便携式媒体播放器的需求。 w i n d o w sc e 操作系统是一个具有抢先式多任务功能，并具有强大通信能力 的嵌入式操作系统。w i n d o w sc e 是微软专门为信息设备、移动应用、消费类电 子产品、嵌入式应用等非p c 领域而全新设计的操作系统，它可使完整的可携式 技术与现有的w i n d o w s 桌面技术整合工作。w i n d o w sc e 是一个3 2 位，多任务， 多线程的完全抢占式的操作系统，它是专为各种有严格限制的硬件系统设计的， 它的模块化设计能使嵌入式开发者和应用程序开发者根据不同的产品进行定制。 w i n d o w sc e 支持多种外围硬件，设备和网络系统，包括键盘，触摸屏，串 型接1 3 ，以太网连接，调制解调器，通用串行总线接口设备，音频设备，并行端 1 ：3 和存储设备。它还支持一千多个通用的w i n d o w sw i n 3 2a p i ，提供实时控制， 包括u s b 支持在内的多种串行和网络通信技术。总之，它功能强并具有良好的灵 活性，非常适合于嵌入式系统，也完全能够胜任高性能用户设备的要求。 综上面各项因素，基于w i n d o w sc e 和x s c a l e 芯片开发和研究新一代媒体播 放器，就是非常有意义的。这就是本文研究的主题。 1 3 主要工作成果 本文系统地阐述基于特定操作系统w i n d o w sc e 的媒体播放器的设计，重点 在于实现媒体播放器的操作系统平台，即嵌入式开发中最为重要的环节。其中， 硬件平台和应用软件由其它开发小组完成，出于系统考虑，对这两方面也进行了 简要的分析和设计。 本文对该媒体播放器的嵌入式系统进行了分析和设计，具体工作包括： 分析嵌入式系统以及嵌入式操作系统w i n d o w sc e 的结构和特点。 结合主芯片的性能对媒体播放器的硬件进行了设计，媒体播放器的硬件设 计以嵌入式处理器p x a 2 7 0 m 为中心。 使用集成开发环境p l a t f o r mb u i l d e r 构建w i n d o w sc e 系统的方法的研究与 实践，并归纳和总结。 针对硬件平台设计板级支持包b s p0 3 0 a r ds u p p o r tp a c k a g e ) ”j ，主要包括 b o o t l o a d e r 和o a l ( o e ma d a p t i o nl a y e r ) 5 】，并归纳和总结。 第一章绪论 分析了w i n d o w sc e 驱动程序的结构特点，并实现了硬件外设驱动程序并 能正常工作，如功能键盘，7 红外遥控等。? ， 一 本论文结构： 第一章：绪论，介绍了媒体播放器以及发展现状，引出本文的研究课题，并 介绍了本论文的结构安排。 第二章：介绍并分析了嵌入式开发的特点，以及现状，重点研究了w i n d o w s c e 嵌入式实时操作系统，对其结构和特点做了阐述，是下面开发w i n d o w sc e 系统 的基础。 第三章：本章从系统组成角度，介绍采用i n t c lp x a 2 7 0 处理器的媒体播放器 的硬件组成。 第四章：结合具体的应用，研究定制c e 系统的方法，总结了具体的c e 系统 的定制方法，即利用p b 环境初步定制b s p ，再利用四类配置文件来进行高级定 制，本章中详细说明定制步骤，及各类文件中的域的含义。 第五章：板级支持包中b o o t l o a d c r 和o a l 的分析和研究，并针对我们的硬件 平台设计实现b o o t l o a d c r 和o a l 。本章中对这两部分的各主要功能模块设计进行 了详细的分析和设计。 第六章：设备驱动程序是板级支持包中的重要组成部分。本章分析了w i n d o w s c e 的驱动程序架构，实现了键盘和红外遥控的驱动程序，并对驱动程序开发加 以分析和总结。 第七章：本章分析了w i n d o w sc e 系统上的应用程序开发特点。 第八章：总结，对已实现的系统的功能做总结分析，对取得的成绩和尚存在 的问题，需要做的工作做进一步的探讨。 4 基于w i n d o w sc e 操作系统的p m p 的系统设计与开发 第二章w i n d o w sc e 嵌入式操作系统 本课题是一个嵌入式系统的开发，本文首先对嵌入式系统做一些介绍和分析， 重点介绍和分析了本项目所选用的嵌入式操作系统w i n d o w sc e 的结构和特点， 以及其实时性。 2 1 嵌入式系统 随着以计算机技术、通讯技术为主的信息技术的快速发展和互联网的广泛应 用，计算机的发展以已显示出微型化和专业化的趋势，以台式计算机为主流的时 代必将进入“后p c ”时代，嵌入式系统将在这一时期大显身手。嵌入式系统是以 应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可剪裁，适用于对功能、可靠性、成 本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。它的最大特点在于能够根据特定用 户的需求，对软硬件进行合理剪裁，具有功耗低、体积小、集成度高等特点，有 利于整个系统的小型化，提高系统的智能化和网络化程度。 嵌入式系统由嵌入式硬件和嵌入式软件组成。硬件以芯片、插座、模块、控 制器的形式放在设备内部，软件包括实时多任务操作系统和运行在操作系统之上 的应用软件。计算机软硬件技术的飞速发展，使得高性能嵌入式微处理器成为当 耵的热点，而实时多任务的嵌入式操作系统正成为这一应用中的重要核心部分。 它与当前智能控制、网络等新技术的进一步融合，对业界将产生深远的影像，也 必然会推动嵌入式系统的飞速发展。嵌入式操作系统并不是简单嵌入的系统，它 与通常意义的操作系统有一定的区别。与通用的操作系统相比，嵌入式操作系统 具有以下特征： 1 ) 占用系统资源要少。嵌入式系统所提供的资源有限，因此嵌入式操作系统 要做得小巧，以满足系统的硬件限制。 2 ) 实时性。大多数嵌入式系统工作在实时性要求很高的环境中，因此嵌入式 操作系统应把实时性作为它的一个重要元素考虑。 3 ) 高可靠性。嵌入式操作系统的结构，内部的系统构件活模块必须达到应用 所必须的可靠性。 4 ) 可定制性。在嵌入式操作系统中，根据应用需求的不同，有的系统提供各 种文件系统供用户选择，有的系统不提供文件系统以减少系统的开销。 5 ) 可配置性。由于要求嵌入式操作系统能够应用在各种各样的硬件环境，因 此嵌入式操作系统要能够针对硬件系统的变化进行配置。 第二章w i n d o w sc e 嵌入式操作系统 6 ) 可移植性。考虑到嵌入式应用产品具有产品更新快的特点，嵌入式操作系 统应该能够支持多种国际主流微处理器等硬件平台。 嵌入式操作系统的发展大体上可划分为以下三个阶段： 1 ) 无操作系统的嵌入算法阶段：这一阶段的嵌入式系统是以可编程控制器的 形式，以单芯片为核心的系统，同时具有与一定监测、伺服、指示设备相配合的 功能。 2 ) 简单监控式的实时操作系统阶段：这一阶段的嵌入式系统主要是以嵌入式 处理器为基础，以简单监控式操作系统为核心。系统的特点是处理器种类繁多， 通用性比较弱；系统开销小，效率高；一般配备系统仿真器，具有一定的兼容性 和扩展性：操作系统的用户界面不够友好。 3 ) 通用的嵌入式实时操作系统阶段：以通用型嵌入式实时操作系统为标志的 嵌入式系统。这一阶段的特点是能够运行在各种不同类型强大的处理器上；具有 强大的通用型操作系统的功能，如具备文件和目录管理、多任务、设备支持、网 络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有丰富的应用程序接口和嵌入式应用 软件。 2 2w i n d o w sc e 嵌入式实时操作系统 实时系统【6 1 是一种能在限定时间内对输入数据进行快速处理并做出响应的计 算机处理系统。根据响应的时间限定的程度，实时系统可分为硬实时系统( 也成实 时控制系统) 和软实时系统( 也称实时处理系统) 。 硬实时系统【7 】主要用于工业生产的过程控制、航天系统的跟踪及控制、武器的 制导等。这类操作系统要求的响应速度快，一般为毫秒级，甚至微妙级，工作要 求极其安全可靠、否则就有可能造成灾难性后果。另外，过载防护功能也是硬实 时系统的一个特点。 软实时系统【8 】主要用于响应速度在毫秒以上数量级的系统中。常见的有定票系 统，情报、资料检索系统等。这些系统一般配有大型数据库，对系统安全性、可 靠性和保密性要求较高。 嵌入式实时操作系统( r e a lt i m ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ) 【9 1 是一种实时的、 支持嵌入式系统应用的操作系统软件，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、通讯协议、图形界面、标准化浏览器等。i e e e 的实时u n i x 分委会认为实时操作系统应具备以下的几点： 1 ) 异步的事件响应 实时系统能在系统要求的时间内响应异步的外部事件，要求有异步加和中断处 理能力。i ，o 响应时间常受内存访问、硬盘访问和处理器总线速度所限制。 6 基于w i n d o w sc e 操作系统的p m p 的系统设计与开发 2 ) 切换时间和中断延迟确定 3 ) 优先级中断和调度 允许用户定义中断优先级和被调度的任务优先级并指定如何服务中断。 4 ) 抢占式调度 为保证响应时间，实时操作系统必须允许高优先级任务一旦准备好运行，马上 抢占低优先级任务的执行。 5 ) 内存锁定 必须具有将程序或部分程序锁定在内存的能力，锁定在内存的程序减少了为获 取该程序而访问硬盘的时间，从而保证了快速的响应时间。 6 ) 连续文件 应提供存取盘上数据的优化方法，使得存取数据时查找时间最少。通常要求把 数据存储在连续文件上。 7 ) 同步 提供同步和协调共享数据使用和时间执行的手段。 微软推出的w i n d o w sc e 操作系统是一个具有抢先式多任务功能，并具有强大 通信能力的嵌入式实时操作系统，它是专为信息设备、移动应用、消费类电子产 品、嵌入式应用等非p c 领域而全新设计的操作系统。它延伸了台式机w i n d o w s 操 作系统的外部特征，在操作系统内部用嵌入式实时操作系统的技术来实现一个 w i n 3 2a p i 的子集。在实现过程中，着重考虑了通用性和可移植性，目的是为嵌入 式软件的开发提供一个标准平台。它具有一个简捷、高效的完全抢占式的多任务 操作核心，支持强大的通讯和图形显示功能，能够适应广泛的系统要求。 2 2 1w i n d o w s c e 的结构 w i n d o w s c e 采用层状的体系结构，有层次性强、可移植性好、组件化可剪裁、 强调编程接口和支持上层应用等特点1 1 0 1 。其从下丙上可分为四层：硬件层， o e m ( o r i g i n a le q u i p m e n tm a n u f a c t u r e ，原始设备制造商) h i 硬件适配层，操作系统 服务层，应用层。其结构如图2 1 所示。 第二章w i n d o w sc e 嵌入式操作系统 图2 1w i n d o w sc e 系统结构框图 1 硬件层 w i n d o w sc e 系统所需的最小硬件配置包括w i n d o w sc e 支持的3 2 位处理器、用 于线程调度的实时时钟、用于存储运行操作系统的足够的存储器。通常，硬件平 台应可以支持其他的外设，例如串口、网卡、键盘、鼠标等。对于不同的硬件平 台，需要将c e 操作系统移植到系统内，微软为几种参考平台提供了完整的c e 定制 方案。其中基于p c 机的参考平台( c e p c ) 是微软内部用于开发和测试w i n d o w sc e 操作系统的，它可以作为开发w i n d o w sc e 应用程序和开发x 8 6 设备驱动的参考平 台。在微软w i n d o w s c e p l a t f o r m b u i l d e r n e t 中包含了通用a r m 开发平台的系统原 代码。 2 o e m 硬件适配层 o e m 硬件适配层介于系统服务层与硬件之间，用来抽象硬件功能，实现操作 系统的可移植性。o e m 硬件适配层分为o e m 适配层( o a l ) 和设备驱动开发程序两 部分。o a l 部分提供与c p u 平台有关的硬件小驱动程序，它与c p u 、中断、内存、 时钟和调试口等核心设备相关，用于屏蔽c p u 平台的细节，提供操作系统内核的 可移植性。设备驱动程序部分为w i n d o w sc e 提供设备控制，包括： l c d l e d v g a j s v g a 显示设备、鼠标、键盘和触摸屏，语音处理设备和扬声器， 串口，p c 卡接口和a t a 磁盘驱动器或其他存储卡、m o d e m 卡等等。 3 操作系统服务层 w i n d o w sc e 操作系统服务层包含t 4 个主要模块： 1 ) 内核：内核( 操作系统的核心) 提供用于管理线程、内存和资源的系统服务。 它包括： 基于w i n 3 2 进程和线程模型的抢占式、基于优先级的线程调度。动态调整线 基于w i n d o w sc e 操作系统的p 卵的系统设计与开发 程优先级的优先级继承系统可以防止优先级倒置。 可预测的线程同步机制，包括等待事件。这些机制的例子是命名互斥体、 临界区域、以及命名和未命名的事件对象。 基于动态链接库( d l l ) 的有效内存管理，动态链接库在运行时链接用户应用 程序。 平面的虚拟地址空间，包括为各个进程保留的3 2 m b i 为存。通过改变页面保 护来保护进程内存。 只读内存( r o m ) 和随机存储内存( r a m ) 的按需分页。 堆大小只受可用内存的限制。 中断处理控制，可以将中断请求( i r q ) 映射为硬件中断，并实现自己的中断 服务例程和中断服务线程。 广泛的调试支持，例如包括实时调试。 2 ) 持久存储：文件系统支持信息的持久存储。它包括： 最多9 个f a t 卷的f a t 文件系统支持； 防止数据丢失的事务文件处理： 对支持分页的设备的按需分页； f a t 文件系统映像，允许在断电或需要冷启动时保存文件系统； 可安装的块设备驱动程序。 3 ) 通讯接口：通讯接口支持大量技术。它包括： 支持串行通讯，包括红外连接； 支持i n t e m e t 客户应用程序，包括“超文本文件传输”( h 1 r p ) 和“文件传输 协议”( f t p ) 等协议； 通过i n t e m e t 访问远程文件系统的“通用i n t e m e t 文件系统”( c n 。s ) 转发器； w i n d o w ss o c k e t s ( w i n s o c k ) 1 1 的一个子集，以及对s e c u r es o c k e t s 的支持： 对无线网络的可配置“传输控制协议i n t e r n c t 协议”( t c p i p ) 传输层： 用于强壮的红外通讯的“红外线数据协会”( i r d a ) 传输层 12 】： 用于串行连接网络的“点对点协议”( p p p ) 和“串行线路接口协议”f s l i p ) ； 通过网络驱动程序接口规范( n d i s ) 支持局域网； 支持管理使用t e l e p h o n ea p i ( t a p i ) 的电话连接； 通过调制解调器对远程文件系统连接的“远程访问服务”( r a s ) 客户。 4 ) 图形、窗口和事件子系统( g r a p h i c s ，w i n d o w i n ga n d e v e n t s u b s y s t e m g w e s ) 【1 6 ，2 2 1 g w e s 模块支持显示文本和图像、接受用户输入所需的图形和窗口功能。它包 括： 支持大量窗口样式，包括层叠窗口； 第二章w i n d o w sc e 嵌入式操作系统9 大量可自定义控件； 支持键盘和输入笔输入； 结合了工具栏和菜单栏功能的命令栏： 当系统内存不足时要求用户采取行动的“内存不足”对话框； 完全的u n i c o d e 支持； 支持多平台图形设备接1 5 1 ( g r a p h i cd e v i c ei n t e r f a c e g d i ) 。 4 应用层 应用层是应用程序的集合，通过w i n 3 2a p i 来获得操作系统服务。w i n d o w sc e 同时提供了一个外壳模块，使用户可以根据自身硬件系统的需要，利用w i n d o w s c e s h e l la p i 开发自己的s h e l l ，例如在系统中定制自己的软键盘；同时提供对i n t e m e t 的开发支持。 2 2 2w i n d o w s c e 的特点 w i n d o w sc e 是一个可定制的操作系统，其特点如下： 1 ) 占用资源少 w i n d o w sc e 是专门面向嵌入式系统的。一个典型的w i n d o w sc e 设备只需4 m b 到8 m b 的r o m 。最小的w i n d o w sc e 大约5 0 0 k ，称作“m i n k e r n ”。这样的一个 操作系统可以处理所有内核任务，包括进程，线程，对象同步，读写注册表。w i n d o w s c e 之所以很小的最显著的地方是对于应用程序和设备驱动，它只支持唯一的编程 接口一w i n 3 2a p i 。w i n d o w sc e 不支持v x d 和w d m 。 2 1 易于移植 在嵌入式系统内，使用的处理器的类型要远远多于p c 机( x 8 6 占了主要部分) 。 w i n d o w sc e 的内核几乎完全是用c 语言写的，因此很容易移植到多种不同的3 2 位 微处理器中【1 3 】。w i n d o w sc e 通过o e m 适配层可以调整用于任何硬件平台。o e m 适配层是位于内核和硬件之间的底层代码。这层代码允许原始设备制造商调整 w i n d o w s c e 至j j 自己的目标平台。 3 ) 模块化结构 w i n d o w sc e 分成几个模块，四个主要的模块是内核，图形窗口事件，文件系 统和通讯模块。每个模块又分成多个组件，当定帝l j w i n d o w sc e 映像文件时，可以 选择模块中的一些组件。由于组件，处理器和硬件平台的多样性，测试所有可能 的w i n d o w sc e 组态是不可能的。微软只支持1 2 种组态方式，依次为c e l lp h o n eo r s m a r t p h o n e ，d i g i t a li m a g i n gd e v i c e ，i n d u s t r i a la u t o m a t i o nd e v i c e ，i n t e r n e t a p p l i a n c e ，m e d i aa p p l i a n c e ，p d ao rm o b i l eh a n d h e l d ，r e s i d e n t i a lg a t e w a y ，r e t a i l p o i n t o f - s a l ed e v i c e ，s e t - t o p b o x ，t i n yk e r n e l ，w e bp a d ，w i n d o w st h i nc l i e n t 。 l o 基于w i n d o w sc e 操作系统的p m p 的系统设计与开发 可以从中选择最能满足需要的方式，然后对组件进行添加和删除。为了节省内存 空间，部分w i n d o w sc e 操作系统可以放在r o m 中，组件甚至可以直接在r o m 中执 行，这个特点称为x 口( e x e c u t e i n - p l a c e ) t 1 4 1 ，对于r o m 中的压缩组件，则必须先在 r a m 中解压缩后再执行。w i n d o w sc e n e t 支持多个x i p 区，不同的r o m 段不需要 位于连续的内存中。 4 1w i n 3 2 兼容 w i n d o w sc e 重要的优点是它使用与w i n 9 8 和w i n 2 0 0 0 相同的w i n 3 2 编程模式， 只采用了适合自己需要的w i n 3 2 的子集。为了简化代码，调整和删除了一些w i n 3 2 函数。w i n d o w sc e 同时支持其他流行技术和库，例如m f c ，a t l 和嵌入式v b ，从 而可以快速开发出适用性强的应用程序。 5 ) 多种开发工具支持 w i n d o w sc e 支持的开发工具包括；e m b e d d e dv i s u a ls t u d i oc 和e m b e d d e d v i s u a ls t u d i ob ；p l a t f o r n lb u i l d e r ；仿真平台。 6 ) 多种连接方式 w i n d o w sc e 可以连接到桌式p c 进行数据同步，w i n d o w sc e 支持几种通讯方式 包括串口，并口，网线和红外线端口。w i n d o w s c e 提供了以下的a p i 实现多种通 讯方式： w i n 3 2a p i 用于基本串口通讯 t a p i 和r a s 用于高级串口通讯 t c p i p w i n s o c ka p i 网络服务器 w i n i n e ta j d p i 2 2 3w i n d o w s c e 实时性 实时性是嵌入式系统性能的重要评价标准。实时性的强弱以完成规定功能和做 出响应时间的长短来衡量。提高硬件能力可以在一定程度上提高计算机系统的实 时性，但是当硬件条件确定之后，一个实时系统的性能主要是由操作系统来决定 的。w i n d o w sc e 操作系统以前的版本提供了一些r t o s 性能，但是w i n d o w s c e n e t 的内核经过了重大的改进，其实时性得到了显著的加强。 w i n d o w sc e 的中断处理机制和线程优先级机制为实时应用提供了很大的方 便，因而适用子大多数实时系统的开发。下面从w i n d o w sc e 的中断处理和内存管 理来分析w i n d o w sc e 的实时性。 1 ) 中断处理 第二章w i n d o w sc e 嵌入式操作系统 w i n d o w sc e 允许中断嵌套和减少中断延迟。w i n d o w sc e 处理中断的方式是把 每个硬件设备的中断请求( i n t e r r u p t r e q u e s t ，1 r 0 3 和一个中断服务例程( i n t e r r u p t s e r v i c e r o u t i n e , i s r ) 联系起来。当一个中断发生并未被屏蔽时，内核调用该中断注 册的i s r 。作为内核模式中断处理部分的i s r ，设计的应尽可能短，它的基本职责 是引导内核调整和启动合适的中断服务线程( i n t e r r u p t s e r v i c e t h r e a d ，i s t ) 。在设备 驱动程序软件模块里实现的i s t 从硬件获取或向硬件传送数据和控制码，并负责确 认设备中断。对于p e n t i u m1 6 6 m h z 系统，其i s r 的延迟时间少于1 0 u s ，i s t 的延迟时 自j 少于1 0 0 u s 。中断处理过程如图2 2 所示。 返回中断i d r 墨 v ”“制可 中断i i i s t l 线程! ll ii苴毒l 图2 2 中断处理过程 w i n d o w sc e 的线程的优先级有2 5 6 个( w i n d o w sn t 为3 2 个) ，其中0 - 2 4 8 被定义 为实时优先级【1 5 j 。更多的优先级赋予开发者在控制系统调度和防止随意的应用程 序破坏系统方面有更大的自由度。w i n d o w sc e 各线程的定时系统相互独立，各线 程的时间片大小可调，最快可达至1 l m s ( w i n d o w sn t 固定为2 5 m s ) 。通过 c e g e t t l l r e a d p d o t y 和c e s e t t l l r e a d p r i o r i t y 可以获取线程优先级和改变线程优先 级，通过c e g e t t h r e a d q u a n t u m 和c e s e t t h r e a d q u a n t u m n 获取和改变线程的时间 片值。 2 ) 内存管理 w i n d o w sc e 的内存管理是基于虚拟内存方式的，由于这种体系结构实现了应 用程序之间的保护，从而提高了系统的鲁棒性；从另外的角度考虑，这种机制增 加了系统应用程序的执行，因为虚拟地址需要被转化为实地址，又要通过保护检 查。w i n d o w sc e 通过使用内存映射机制可以提高线程之间的通讯速度。 2 2 4w i n d o w sc e n e t 新特性 w i n d o w sc e n e t 是w i n d o w sc e3 0 的后继产品。w i n d o w sc e n e t 为嵌入式市 场而设计，为快速建立下一代智能移动和小内存占用的设备提供了一个健壮的实 时操作系统【拍】。w i n d o w sc e n e t 具备完整的操作系统特性集包和端对端开发环 境，它包括了创建一个基于w i n d o w sc e 的定制设备所需的一切，例如：强大的联 基于w i n d o w sc e 操作系统的p m p 的系统设计与开发 网能力、强劲的实时性和小内存体积占用以及丰富的多媒体和w e b 浏览功能。 w i n d o w sc e n e t 提供了可靠的内核操作系统服务，从而实现了跨越各种设备 的最苛刻实时嵌入设计。新增和加强的操作系统特性包括： 1 ) 占用内存小：通过对缩小操作系统内存占用的不断努力，w i n d o w s c e n e t 内核程序功能可以根据特性逐一选择，实现了c o m ，) l 的最小化应用。w i n d o w s c e n e t 支持的最小配置平台可以小到2 0 0 k b ，只带有最小的内核功能。 2 ) c p u 的广泛选择：w i n d o w sc e n e t 支持下述四个系列的微处理器和仿真技 术，从而提供了高度的处理器灵活性： a r m ：支持的处理器包括a r m 9 2 0 t ，a r m l 0 2 0 t ，s t r o n g a r m 和x s c a l e m 口s ：支持的处理器包括m i p si f 3 2w i t hf p ，m i p s1 1 3 2w i t h o u tf p ，m i p s l 6 ， m 口s 6 4w i t hf p 和m 口s 6 4w i t h o u tf p s h x ：支持的处理器包括s h 3 ，s h 一3d s p 和s h 4 x 8 6 ：支持的处理器包括4 8 6 ，5 8 6 ，g e o d e 和p e n t i u mu i i i i u i v 3 ) 企业范围的安全：网络安全的改进包括支持k e r b e r o s 安全协议( k e r b e r o s s e c u r i t yp r o t o c 0 1 ) t j 和安全套接字 芸( s e c u r es o c k e t sl a y e r ，s s r ) t 嘲，前者提供了一 个机制让两个实体在建立安全的网络连接之前相互认证身份，后者允许台w e b 服务器和w e b 客户使用加密进行安全通信。 2 3 本章小结 本章介绍了嵌入式系统的特点，组成，以及其发展现状和趋势，并重点分析 和阐述了嵌入式操作系统，尤其是对w i n d o w sc e 操作系统进行了详细具体的分 析，包括其结构，特点，和实时性的分析研究，对基于w i n d o w sc e 的嵌入式开 发有了整体的把握。 第三章便携式媒体播放器的硬件设计 第三章便携式媒体播放器的硬件设计 3 1 硬件总体方案 媒体播放器以p x a 2 7 0 处理器为核心，以硬盘作为主要的媒体文件存储器， 对音视频文件进行解码，输出r g b 格式的视频数据和a c 9 7 格式的音频数据，并 集成键盘输入，u s b 主控，t 、，输出，遥控，电源管理，内置s d 卡槽等功能。 至于视频音频的编解码，我们采用软件实现，而不是特定的硬件编解码芯片 完成，因而此部分在应用程序中开发。 微硬盘连接采用 d e 接1 ：3 ，我们使用f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ， 现场可编程门阵列) 【1 9 1 来实现i d e 控制功能，同时使用f p g a 来控制u s b 接口， t v o u t 接口。 3 1 1 媒体播放器整体框图 系统的结构设计框图如图3 1 所示。 图3 1 硬件设计框图 4 基于w i n d o w sc e 操作系统的p m p 的系统设计与开发 3 1 2 硬件系统的工作原理 1 f p g a 即现场可编程门阵列，它是在p a l 、g a l 、e p l d 等可编程器件的 基础上进一步发展的产物，它不同于专用集成电路的是，它的内部逻辑可以自定 义实现，而不是固定的功能。其内部逻辑通过硬俘描述语言h d l 编程模拟，并 最终烧录到该器件中，因而对于嵌入式开发来说，非常灵活。 由于外设较多，且c p u 不支持微硬盘所对应的i d e 接口，所以通过f p g a 来 实现i d e 控制功能，并支持u s b 和t v 输出。 2 微硬盘和s d 卡是存放大容量媒体文件的介质。我们采用a t a 2 0 g 微硬盘， 通过f p g a 来控制对硬盘的访问。s d 卡槽通过g p i o 连接到p x a 2 7 0 处理器，直 接由处理器控制。 3 便携式媒体播放器用来满足人们的生活娱乐需求，所以使得可以在电视上 观看影片是其不可或缺的功能。t v 编码器就是来完成这个作用的。本系统中采 用c h 7 0 1 3 b 来实现。用以将处理器中的数字信号编码为电视机可以接收的n t s l 或者p a l 制式的模拟信号。 4 l c d 显示屏是媒体播放器的重要组成部分，我们采用3 2 0 2 4 0 象素分辨 率的显示屏。r g b 格式的视频数据通过l c d 控制器驱动模块直接写入 f r a m e b u f f e r 进行显示。 5 a c 9 7 格式的音频数据通过a c 9 7c o d e c 进行数模转换，输出音频模拟信 号。 6 媒体播放器接收用户的键盘输入，解析命令，并做相应处理。 常用的键盘有两种类型，即编码式键盘和非编码式键盘。编码式键盘即包括 有按键检测及产生相应处理的一些必要硬件，通常有一块芯片作为其控制核心。 非编码式键盘没有这样独立的硬件。其按键检测是直接由c p u 完成，c p u 需要 周期性检测是否有按键闭合和释放，或者利用按键闭合和释放产生的中断来处理。 前者费硬件，价格较高，后者主机效率低，费时间，但价格低。在系统设计中考 虑到成本因素，并且用c p u 来接按键并不会占用c p u 较多的资源，所以选择直 接将按键接到c p u ，将其排列成矩阵结构。 其原理如图3 2 所示。 第三章便携式媒体播放嚣的硬件设计 图3 2 键盘原理图 7 f l a s h 里面存储b o o t l o a d e r 启动程序和整个c e 系统内核( 其中包括应用程 序等) 。 8 s d r a m 提供系统操作系统和应用程序运行空间，并存储系统在工作时产 生的临时数据。 9 u a r t 是一种通用串行数据总线，用于异步通信。该总线双向通信，可以 实现全双工传输和接收。在这个项目中，采用了f f u a r t 和s t u a r t 两种串口。 f f u a r t 用来做没有流控的串行调试端口，s t u a r t 用来做红外遥控接口，接收 红外信号。 1 0 j t a g j t a g (