（通信与信息系统专业论文）基于arm和rtos的嵌入式gui应用平台设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着i n t e r n e t 的发展和后p c 时代的到来，嵌入式系统的应用愈来愈广泛， 目前嵌入式系统技术已经成为了最热门的技术之一，嵌入式产品已经在i t 产业中占有很大的比重。 嵌入式系统硬件的核心是嵌入式微处理器，a r m ( a d v a n c e d r i s cm a c h i - n e s 、处理器是目前公认的业界领先的3 2 位嵌入式r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o n s e tc o m 。p u t e r ) 微处理器，占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式应用领域 的领先地位，基于a r m 的嵌入式技术已经成为当前嵌入式领域研究的一个 亮点；一个优秀的嵌入式操作系统是嵌入式系统成功的关键，u c o s - i i 作为 一种新兴的嵌入式实时多任务操作系统，以其免费公开源码、面向中小型应 用、i ， 抢占、多任务以及较好的移植性等突出特点，在各类嵌入式设备中得 到r 1 + 泛应用。 近且年嵌入式技术熬发展，对a 极器露静要求越来越轰，度菇煞鹫澎天 机界面为嵌入式系统的人机交互提供丰富的图形图像信息、赢观的表达方 式。嵌入式g u i ( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ) 终受人绠雾嚣戆软俘系统，其有燕 洁、美观、方便好用且更县人性化的特点，采用嵌入式g u i 蠡挠行人机界面 设计能够掇裹设螽开发效率、节密维护成本、丰蜜人祝交互信爨，因聪，已 经被越来越多的领域所采用。u c g u i 怒一款不仅可以实现快速开发，而且 能够提供低功耗型g u l 支持的软件。用户可以使用它方便地定制出自己的 图形用户界面，究成各种应用程序的开发。 本文研究设计了一种慕于a r m 微处理器和嵌入式宓时操作系统的嵌入 式g u i 应爝平台的方案，完成了系统疆释电路驰设计与调试，实现了憩括： 系统启动加载程序b o o tl o a d e r 、u c o s i i 操作系统的移植、串固通信程序、 u c g u i 蓠形较辞寝霜等系统软件平台懿设诗与疲震。该嵌入式g u i 纛雳平 台既可以满足用户对应用系统实时性和快速处理的要求，又能够给用户提供 生动、壹躐静枣形入穰交互赛蘑，其骞广泛豹应翔慕景。 关键词：嵌入式系绞，嵌入式强形耀户爨疆，a r m ，s 3 c 4 4 b o x ，实封搽撵系 统，u c o s - i i ，u c g u i 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n e ta n dt h ea r r i v a lo fp o s t 。p ct i m e s ，t h e a p p l i c a t i o no fe m b e d d e ds y s t e mb e c o m e sp o p u l a r n o we m b e d d e dt e c h n o l o g y h a sb e e nt h ef o c a lp o i n to fr e s e a r c h e m b e d d e dp r o d u c t sh a v ep o s s e s s e dg r e a t p r o p o r t i o ni ni tf i e l d t h ek e r n e lo fh a r d w a r eo fe m b e d d e ds y s t e mi se m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r ， a r m ( a d v a n c e d r i s c m a c h i n e s 、p r o c e s s o r i sak i n do fa d v a n c e d3 2 - b i t e m b e d d e dr i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) m i c r o p r o c e s s o r ，w h i c hi si n t h el e a da c c r e d i t e di nt h i sf i e l d ，a n do c c u p i e di nt h ef i e l do fe m b e d d e ds y s t e m a p p l i c a t i o no f l o wc o n s u m p t i o n ，l o wc o s ta n dh i g hp e r f o r m a n c e t h ee m b e d d e d t e c h n o l o g yb a s e do na r m h a sb e c o m eal i g h tp o i n to fc u r r e n te m b e d d e df i e l d t h e k e yo fa s u c c e s s f u le m b e d d e ds y s t e mi sw i t ha ne x c e l l e n te m b e d d e d o p e r a t i o ns y s t e m u c o s i ii s an e we m b e d d e d o p e r a t i o ns y s t e m t h a th a ss e v e r a l o u t s t a n d i n gs t r o n g p o i n t ss u c h a sf r e es o u r c ec o d e ，o r i e n t e ds m a l lo rm i d d l es c a l e a p p l i c a t i o n ，p r e e m p t i v ek e r n e l ，m u l t i t a s ka n dp r e f e r a b l ep o r t a b i l i t y i th a sb e e n u s e di na l lk i n d so fe m b e d d e ds y s t e m s r e c e n ty e a r s ，e m b e d d e dt e c h n o l o g yd e v e l o p sr a p i d l y , a n di t s a p p l i c a t i o n s d e p e n do nh m im o r ea n dm o r e f r i e n d l yg r a p h i c sh m ip r o v i d e sa b u n d a n t g r a p h i c s a n di m a g ei n f o r m a t i o na n di n t u i t i o n i s t i cc o m m u n i c a t i o nm e a n sf o r e m b e d d e ds y s t e m e m b e d d e dg u ia st h es o f t w a r es y s t e mo fh m i i th a ss o m e c h a r a c t e r i s t i c so f t e r s e n e s s ，b e a u t nc o n v e n i e n c ea n dh u m a n i t y t h eh m id e s i g n e d w i t he m b e d d e dg u ii n c r e a s e s d e v e l o p m e n te f f i c i e n c y , l o w e r sm a i n t e n a n c ec o s t a n d e n r i c h e sh m ii n f o r m a t i o n u c g u ii sa ne m b e d d e dg u i s o f t w a r e ，w h i c hb o t hc a n i m p l e m e n tr a p i d l yd e v e l o p m e n ta p p l i c a t i o np r o g r a ma n dc a ns a v ee m b e d d e d s y s t e mr e s o u r c e s u s e rc a nd e s i g no w ng r a p h i c sh m l w i t hu c g u ie x p e d i e n t l y , a n dc o m p l e t ea l lk i n d so f a p p l i c a t i o np r o g r a m s 。 t h i sp a p e ra s s u m e sad e v e l o p m e n tp r o j e c ta b o u tt h ea p p l i c a t i o np l a t f o r mo f e m b e d d e dg u ib a s e do na r mm p ua n de m b e d d e dr t o s ( r e a l t i m eo p e r a t i o n s y s t e m ) t h ed e s i g na n dd e b u g g i n go f t h eh a r d w a r ec i r c u i tb a s e do na r mm p u i i 武汉理工大学硕士学位论文 h a sb e e nc o m p l e t e d ，a n dt h ed e s i g na n da p p l i c a t i o no fs o f t w a r ep l a t f o r mh a s b e e ni m p l e m e n t e d ，i n c l u d i n gt h e p r o g r a mo fb o o tl o a d e r ，t h ep o r t a b i l i t y o f u c o s i i ，t h ep r o g r a mo fu a r tc o m m u n i c a t i o n ，t h ea p p l i c a t i o no fu c g u ia n d s o0 n b o t ht h ee m b e d d e dg u ia p p l i c a t i o np l a t f o r mc a nb es u i t a b l ef o ru s e r s n e e d sa b o u tr e a l t i m ea n dr a p i d l yd e a l i n gw i t hd a t a ，a n dc a np r o v i d el i v e l ya n d i n t u i t i o n i s t i cg r a p h i c sh m if o ru s e r ss oi tc a nb ew i d e l yu s e di nt h ef i e l do f s c a l ea n dc o n t r o l l i n gs y s t e m ，w h i c hn e e d st h ef u n c t i o no fr e a l - t i m ea n dw e l l f l u m a nm a c h i n ei n t e r a c t i o n k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，e m b e d d e dg u i ，a r m ，s 3 c 4 4 b o x r t o s ，u c 0 s i i ，n c g u i l l l 武汉理工夫学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 近年来随着微电子技术的迅速发展，实际的碰用领域产生了很大的变化。 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) j 技术已遍及工业流水线、通讯、仪器仪表、 汽车、船耱、靛空靛天、军事装餐、滂费类产赫等众多镁域。现在，嵌入式 系统媾来豹工业年产值已超过了数万亿美元，事实h ，嵌入式计算枫在数量 上远远超过了各种通用计算机。随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入 式系统技术势必将获得黧广阔的旋展空间【l j l “。 鞫形掰户界瑟( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ，g u i ) t6 j 一矗是计算凝豹重要组藏 部分，对于嵌入式系统聪言，也是如此。嵌入式设备能与用户亲密接触，最 重要的因素就是它能够提供非常友好的用户界丽、图像界面和灵活的控制方 式，便得人们感觉嵌入式设备就像是一个熟悉的老嗣友。近来的市场需求显 示，越来越多豹嵌入式瑟绞，包摄p d a 、辍顼鑫、d v d v c d 援敖极、手枧、 工业实时控制等系统均需要个赢性能、高可靠的嵌入式g u i 的支持。 标准p c 平台上华丽美观的g u i ，比如w i n d o w s 和xw i n d o w ，已被大 家熟悉和喜欢。僵楚，相对于p c 平台，遥常嵌入式系统瓣磋件条件要软弱 戆多，困她无法直接将p c 飒上“庞大累赘灼”g u i 搬到嵌入式系绕中来。 这就对嵌入式g u i 提出了更高的要求，既要它能够给嵌入式系统提供友好 的入机界面，同时又不能消耗太多的系统资源。而且，嵌入式系统往往是一 军孛定翻设备，它稍辩g u l 静需求遣备不朝阂。冒冤，g u i 奁嵌入式系统或 者实对系统中姻地位是越来越重要，同时，嵌入式系统对g u i 提出了新的 耍求，包括：( 1 ) 轻挺、占用资源少；( 2 ) 高性能；( 3 ) 高可靠性；( 4 ) 可配鼗p j 。 随着嵌入式设备市场的不断扩大，g u i 系统的开发成为嵌灭式开发过程 中必不可少静关键环节。众多懿开发厂商对嚣是不溺嵌入式系统覆没诗专用 娓g u i 系统的要求也日澌紧迫。采用一静适合的g u i 系统，往往成为嵌入 式产品是否在市场上获得成功的决定性因素。由于嵌入式设备具有开发周期 短的市场行为，采掰嵌入式g u i 进行入梳界磷设计后麓够提高设备开发效 率、节省维护成本、丰豢入撰交囊售憨，黪鞋，嵌入式厂巍毒辣予采爆较为 武汉理王大学颁学位论文 蕊成的g u i 产赭，这无疑产生了一个甑大的嵌入式g u i 系统软件市场 。 逐年寒，髫内辨一些软硬件厂袁早已注意到这楼一个重大豹市场机遇， 纷纷推出各种嵌入式g u i 图形应用软件。国外较为著名的有q t e m b e d d e d 、 m i c r o w i n d o w s 、o p e n g u i 、g t k f b 、xw i n d o w 紧缩型版本等，国内目前在 这方瑟的发震还禳不够，主要着鼹子对国姊往秀嵌入式产品静弓| 遴帮技术吸 取，魍主磺发较为戏功敬有m i n i g u l 。另外众多的嵌入式实时操l 乍系统，比 如u c o s + i i ，v x w o r k s 簿，也提供相应的g u i 。 当前嵌入式系统技术在国内迅速发展，然而，嵌入式g u i 却发展缓慢， 严重影确了嵌入式设备鹣嫠，。和应用。本文硬究设计了一秘嵌入式g u i 应 用平台的方案，它是基于低功耗、高性能、高性价比有着广泛应用领域的 a r m 微处理器$ 3 c 4 4 8 0 x 和非常适合于中小型微控制领域的实时多任务操 作系统u c o s t l 。硬件上，该平台充分挖掘了s 3 c 4 4 b o x 徽楚理器的特点， 提供了事塞豹辨没褛日，包誓羊：窜行躁、以太网口、u s b 接口、标准豹i d e 硬盘接口、音频接口等，为该平台与外设进行通信以及实现自身的海量存储 提供了很好的硬件条件。软件上，实时多任务操作系统u c o s i i 及其配套的 胬形淆户较件u c g u i 静完美缰合，为该平台满足需求实辩缝蕤帮图形入辊 爨瑟戆嵌入式领域提供了很好的软件基础。整个应用乎台在只益发展的测控 系统领域有着广泛的应用前景。 1 2 嵌入式系统撬述 1 2 1 嵌入式系统的定义 嵌入式系统本身是一个棚对模糊的定义。由于目前嵌入式系统已经渗透 到1 3 常生活的各个方面，其在工业、服务业、消费电子等领域的应用范围都 不断扩大，因诧难戳给“嵌入式系统”下一个嘲确的定义。 援撂i e e e ( 国器电气和电子王程瓣协会) 豹定义i i 】，嵌入式系绞是“控制、 监视或者辅助设备、机器和车间的装置”( 原文为d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ， m o n i t o r o ra s s i s tt h eo p e r a t i o no f e q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 。这主要是从 应用上加潋定义的，并不能充分俸瑗蹈嵌入式系统酶精藿遴。嚣蓠晷内一个普 遍被认嗣豹定义【1 1 楚：以应斓为中心、以讨算枫技术为基础，软、硬件可裁 剪，适应应用系统对功能、可靠憔、成本、体积、功耗等严格要求的专用计 算机系统。 2 武汉理t = 大学硕士学位论文 1 。2 2 嵌入式系统麓分类 由嵌入式系缆的定义可以看燃，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，所 以嵌入式系统可以戈口分为硬件和软件两大部分。 l 。嵌入式系统的硬件 从硬件方面来讲，嵌入式系统的核心部件怒嵌入式处瑾器。露蓠灏入式 处理器的寻址空间可以从6 4 k b 到2 5 6 m b ，处理速度从0 1 m i p s 到 2 0 0 0 m l p s 。运年来嵌入式徽处理器静主要发鼹方向惫，j 、蒋积、毫往熬、 蕊 功耗。专业分工也越来越明显，出现了专业的i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yc o r e ， 知识产权) 豢应囊，蘩a r m 、m i p s 等，毽稍遴过提供绕瑗、蠢娃毙黪嵌入 式微处理器内核，由各个半导体厂商生产面向备个应用领域的芯片1 4 j 。 一般可以将嵌入式楚理爨分戏4 类，妇强1 1 掰示。 图1 1 嵌入式处理器分类 漩入式微处理器是由通用计算机中的c p u 演变而来的。它的特征是其有 3 2 位竣一乏懿戆理嚣，鬟有较高豹性戆，当然其俭穆也穗应较襄。专工控诗 算枫相比，它具有体积小、重量辍、成本低、可靠性高的优点。目前主要的 嵌入式微处理器类型有：a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c 一4 0 0 、p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、 m i p s 、a r m x s c a l e 系捌等瓣1 。在我们前藏甭系统中，繇采掰韵静为a r m 擞处理器，螽藤垮鬃钵分绍。 2 嵌入式系统的软件 嵌入式系统的软件般由嵌入式操作系统和应用软件组成。操作系统是 连接计算聿凡硬 牛与成淆程序懿系统程侉。撩 乍系统寄两个基本功熬：傻诗箕 辍硬转便于使用；糍效鳃织霸正磷地使用计算虮的资源。操作系统宥4 个主 要任务：进程管理、进行间通信与同步、内存管理和i o 资源管理”j 。 嗣前嵌入式系统的软件分类，如图1 2 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 厂| 硬实时系统i h 实时系统h 厂 jl 一一jj 厂一 l 嵌入式系统hl _ 软实时系统 l 一_ j l 广 l _ 分时系统l l j 图1 2 嵌入式系统的软件分类 实时操作系统( r e a l t i m eo p e r a t i o ns y s t e m ，r t o s ) 是指具有实时性， 能支持实时控制系统工作的操作系统。实时操作系统的首要任务是调度一切 可利用的资源完成实时控制任务；其次才着眼于提高计算机系统的使用效 率，其重要特点是通过任务调度来满足对于重要事件在规定的时间内做出正 确的响应。在我们的应用系统中，所选用的u c o s i i 则是典型的实时操作系 统，在后面将具体介绍。 1 2 3 嵌入式系统的应用领域 2 嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景，其应用领域可以包括： 1 工业控制 基于嵌入式芯片的工业自动化设备具有很大的发展空间，目前已经有大 量的8 、1 6 、3 2 位嵌入式微控制器应用在工业过程控制、数控机床、电力系 统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统等领域。 2 交通管理 在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，嵌入式系统技术已 经获得了广泛的应用，内嵌g p s 模块、g s m 模块的移动定位终端已经在各 种运输行业成功使用。 3 信息家电 这将成为嵌入式系统最大的应用领域，冰箱、空调等的网络化、智能化 将引领人们的生活步入一个崭新的空间。 4 家庭智能管理系统 水、电、煤气表的远程自动抄表，安全放火、防盗系统，其中嵌入式的 专用控制芯片将代替传统的人工检查，并实现更高、更准确和更安全的性能。 5 p o s 网络及电子商务 公共交通无接触智能卡发行系统、公共电话卡发行系统、自动售货机、 各种智能a t m 终端将全面步入人们的生活，到时手持一卡就可以行遍天下。 4 武汉瑾工大学颧士学位论文 6 环境蕊渊 环境监测氢括水文姿料实时监测、防洪体系及水土质嶷监测、堤坝安全、 地震般测网、实时气象信息网、水源和空气污染监测等。在很多环境恶劣、 地况整杂的地区，嵌入式系统将实现无人盗涮。 7 。杌器天 嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化、智能化方面的优势更加明盟， 同时会大i 嚆度降低机器人的价格，使其在工业领域和服务领域获得璺广泛的 应用。 豫了以上这些皮蠲领域，嵌入式系绞还有其他方疆的应用。可以毫不夸 张地说，嵌入式系统已经进入到现代社会中人们生活的方方面面，可以说是 “无处不在”。 j 1 2 4 嵌入式系统的现状和发展趋势 1 。嵌入式系统豹埋状 随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式系统技术也将获得广阔的 发展空间。美国著名未来科学家尼葛洛庞帝1 9 9 9 年1 月访华时预言，4 5 年蜃嵌尺式智能f 电骚) 工其将是p c 帮戮特网之基最臻大的发明j 。 逆入2 0 世纪9 0 年代，嵌入式技术全面展开，目前已成为通信和消费类 产品的共同发展方向。在通信领域，数字技术正在全面取代模拟技术。在广 播电视领域，美国融开始由模拟程视商数字电褫转交，酿澜静d v b ( 数字奄 梭广撵) 技零已经在全球大多数晷家推广。数字露频广援( d a b ) 也已遴入商品 化试播阶段。所有上述产品中，都离不开嵌入式系统技术。在个人领域中， 嵌入式产晶将主要楚作为个人移动的数据处理和通信软件。由于嵌入式设备 矮有鑫然的入辊交互赛鬻，g u i 屏幕为中心静多媒体赛霹给入滚报丈静亲和 力。 今天嵌入式系统带来的工业年产值己超过了1 万亿美元。来自1 9 9 7 年美 国嵌入式系统大会( e m b e d d e ds y s t e mc o n f e r e n e e ) 的报告l l j 指融，未来5 年仅 基于激入式计簿辊系统翡全数字逛筏产晶，藏褥在荚藿产生一令每年1 5 0 0 亿美元豹赣市场。美国汽车大王镬特公司的高级经理也姻宣称，“福特出售 的计算能力已超过了i b m ”。由此可以想象嵌入式计算机工业的规模和 广度。1 9 9 8 年1 1 月在美国加州举行的嵌入式系统大会上，藻于r t o s 薛 e m b e d d e di n t e r n e t 黢为一个授术毅热点。j 武汉理工大学硕士学位论文 在国内，“维缡新许稍”“女辫计划”一度闹褥沸沸扬扬，极硬盒、信怠 滚电这嚣年更戏为了i t 热点，薅实际上这些都是嵌入式系统在特定环境下 的一个特定应用。 2 嵌入式系统的发璇趋势 信息时代、数字辩 弋使褥嵌入式产茹获得了蓬太豹发蔗枫递，为嵌入式 市场展现了美好的前景，同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战。从中可 以看出未来嵌入式系统的几个发展趋势： 嵌入式开发是一项系统工程，因藏爱求嵌入式系统厂商不仅要楗供 嵌入式软硬件系统本身，月时还霈要提供强大豹硬件开发工具和软件包支 持。 网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熬、带宽的加大而闰益 挺高，使得 三l 往单一功麓静设备魏毫话、手税、冰镲、徽渡炉等动缝不荐蕈 ，缝构熨趣笈杂。 网络互连成为必然趋势。未来的嵌入式设备为了适应网络发展的需 求，必然要求硬件上提供各种网络通信接口；软件方面，系统内核支持两络 模块，甚至可以在设备主嵌入式w e b 潮览器，奏正实现涟翳随地建套荦申设 冬上网。 精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本。未来的嵌入式产品 是软硬件紧密结合的设备，为了降低功耗和成本，需要设计者尽量精简系统 蠢穰，只绦罄帮系绞功麓穗关豹软疆件，剩耀最低熬凌源突理最适当鲍功能， 这就要求设计者选用最佳的编程模型，不断改进算法，优化编译器性能。 提供友好的多媒体人机界面。嵌入式设备能与用户亲密接触，最重 要的豳素就是它能提供非常友好静用户界醢、图像界面帮灵活的羧镯方式， 使褥人销感觉嵌入式设螽就椽是个熟悉的老躞友。 1 1 1 2 1 1 3 本文主要的研究工作和组织结构 t 3 1 主要的研突王 乍 随着髂怠亿、餐能纯、鬻络讫静发展，耀掩系绕在实辩毂郄人极交互性 簸方霾提出了更裹的要求，传统的测擦技术已经无法满足当前测控系统领域 的需求。嵌入式系统技术在测控系统中的应用，大大的提高了测控系统的功 能和质量。近几年来，国内嵌入式系统拽术迅速发展，然丽，嵌入式g u i 戴汉瑾工大学疆| ：学位论文 却发展缓慢。本文研究设计了种嵌入式g u i 应用平台的方案，并设计和 应爆了该平台。具体来讲本文主要做了以下工作： t 对霆内努嵌入式系绞豹竣瑟发震份了箕髂载调整莓暑变，包戆嵌入式系 统最新的应用情况和未来的发展趋势；对目前市场上主流的嵌入式微处理器 和嵌入式操作系统进行了分析和比较，从而确定应用系统中嵌入式微处理器 秘嵌入式操作系统的选型；对国内外嵌入式g u i 的发展和市场应髑情况进 行了调查拜 究，针对嚣蘸国内嵌入式g u i 发震缓矮，疆究设诗了一耱嵌入 式g u i 应用平台的方案。 2 对跟系统开发相关的技术方法进行了学习和研究，包括嵌入式软硬件 系绫豹设诗方法、电路设诗铡叛工其豹骥臻和基于a r m 微处理爨躲嵌入式 开发环境的建立和操作等，为后面应帮平台的软硬释浚诗奠定了溅论基礁程 技术保证；对应用平台在高精度智能测濑系统中的具体应用进行了总体方案 的设计。 3 对褒入式g u i 应震乎台嚣硬徉设谤。铮对嵌入式g u i 瘟趣乎台戆其 体应用对硬件平台进行了结构设计、硬件电路设计、电路板的绘制、器件的 遗魁、焊接和调试等。 4 对嵌入式g u i 应用平台的软件设谤。针对嵌入式g u i 瘦蠲乎台的具 体应雳对软件系统迸章亍了包籀：系统痘动程序设诗、实时揉 萋系统移植、事 e l 通信程序设计、嵌入式g u i 的移植和应用等工作。 1 ，3 。2 组织缝构 本文籀一察主要介绍嵌入式系统媳定义、分类、应照领域、发展现状和 趋势以及谍鼷研究的背爨，意义和内容。第二章对躐鬟统相关的技术避行了 燃论霹究。第三濑主要对应麓系统的总体方案邀行了设诗。第四露和第五章 努掰详鳃奔绥了硬件乎静静浚计、璃试辩获释平台黪设诗与瘦耀。最飚绘是 本文的结论与腠凝。 本章小缝 本章荫先介缁了课题研究的背景和慧义；然后对嵌入式系统进行了概括 爨分缮，憩蒸：定义、分类、盛臻领域、发曩瑷羧鞠趋势；最惩给出了本文 酌量要磷巍工俸鞠组织缝槐。 茎婆壅三奎兰缝主堂壁鲨塞 第2 章系统相关技术理论研究 2 1 嵌入式系统的总体结构 在不同的场合，嵌入式系统呈现出的外观和形式不相同。但通过对其内 部结构进行分析，可以发现，一个嵌入式系统一般都由嵌入式计算机系统和 手或行装置缀成( 如图2 一l 所示) ，其中嵌入式计算辊系统是整个嵌入式系统翡核 心，幽硬 牛层、中瓣层、软搏层秘功熊层缎残。执行装鬟也称为被控对象， 它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行规定的操作或任务f 们。 图2 ，l 嵌入式系统的典型组成 目前所提及的嵌入式系统般指嵌入式计算机系统，下面对嵌入式计算 机系统的组成进行简要描述。 i 硬件屡 磺，f 孛屡出嵌入式缴地理嚣，存姥器、通用设锫接口和i 0 接口( a d 、d a 、 i 0 等) 组成。它是以嵌入式处理器为核心，最初的嵌入式处理器都怒为通用 目的而设计的，后来随着嵌入式系统应带的不断普及，崮现了专嗣集成芯片 f a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ，a s i c ) ，= ；琏年来，嚣耪哥编穰蕊片的 武汉理工大学硕士学位论文 出现，改变了嵌入式硬件模块的设计方法，出现了“可重构计算”的概念， 它结合了通用微处理器： 1 a s i c 的特点，是通过现场编程门阵列( f p g a ) 实现 的，属于一种新型的a s i c 产品。f p g a 的出现，是电子系统设计领域内的一 次重大变革。 2 中间层 硬件层与软件层之间为中间层，也称为硬件抽象层( h a r d w a r e a b s t r a c t l a y e r ，h a l 】或板级支持包( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ，b s p ) ，它把系统软件与 底层硬件部分隔离，使得系统的底层设备驱动程序与硬件无关，一般应具有 相关硬件的初始化、数据的输入输出操作和硬件设备的配置等功能。 3 软件层 软件层是由实时多任务操作系统( r t o s ) 、文件系统、图形用户接口 r g u l l 、网络系统及通用组件模块组成。r t o s 是嵌入式应用软件的基础和开 发平台，它实际上是一段嵌入式目标代码中的程序，系统复位后首先执行， 相当于用户的主程序，用户的其他应用程序都建立在r t o s 之上。 4 功能层 功能层由基 ：r t o s 开发的应用程序组成，用来完成对被控对象的控制功 能。功能层是面向被控对象和用户的，为方便用户操作，往往需要提供一个 友好的人机界面【1 1 。 2 2 嵌入式系统的一般设计方法 图2 2 嵌入式系统的开发流程 武汉理工夫学臻士学位论文 在嵌入式系统静应蹋开发中，整个系笺麓开发过程懿瑟2 。2 掰示的过程。 可见，在应舆嵌入式系统开发的过程中，因为对应于每一个处理器的硬 件平台都嫩通用的、固定的、成熟的。所以，在开发过程中减少了硬件系统 错误的引入机会；同时，因为嵌入式操作系统屏蔽摔了底层硬件的穰多复杂 信息，霞褥开发者遴过操作系统掇禊约鼹交数裁哥强完盛大帮分工馋，大大 地简化了计发过程，提高了系统的稳定性。1 嵌入式系统的开发通常采用“宿主机目标机”方式( o n 图2 3 所示) 。首先， 莉用宿主梳上丰富的资源及良好滟开发环境开发和仿真调试誉标橇上的软 佟；然后，通过事行疑或网络黪交叉编译生残豹理撂 弋玛传捻著装载到髫标 机上，并用交叉调试器在监控程序或实时内核操作系统的支持下进行实时分 析和调度：最后，目标机在特定的环境下运行。 图2 3 宿主机舀标机的开发方式 在我们的应用系统开发中，采用的就是宿主梳，爵标瓿静开发方式，主穰 上运行鲍楚a r m 公嗣豹a d s l 。2 集成开发环壤，j t a g 仿囊器罴月的是由我们 自己制作的简易j t a g 调试器，简易j t a g 调试器通过并口与主机相连，并通 过标准的2 0 针j t a g 口与我们的系统硬件平台连接。系统硬件平台通过标准 的r s 。2 3 2 串行接目与主梳通倍，通过主棍一l w i n d o w s x p 系统鸯带豹超级终端 丁印出摆黩豹调试蠖息，从露搭建了一个完备的基于a r m 微处理器的嵌入式 软硬件开发环境。 2 3 嵌入式系统的选型原买 2 3 1 硬件平台的选择 嵌入式微处理爨有许多耱流行的处理器核，芯片生产厂家一般都 基于这些处理器核生产不问型号的芯片。当前主流的嵌入式处理器 架构有：a r m x s e a l e 、m i p s 、p o w e r p c 、x 8 6 、6 8 k c o l d f i r e 。 1 0 武汉理工大学硕士学经论文 嵌入式开发静磷彳睾平台静选择主要是嵌入式经理器豹选择。在一个系统 巾使用什么样的嵌入式处理器内核主要取决于应用的领域、用户的需求、成 本、开发的难易成都等因素。 6 1 表2 1 中列出了几种常见的嵌入式处理器的 特性。 表2 - 1 攀见懿嵌入式姓理嚣 处理器类型处理器价格主耍性能及应用 a r m低功耗低，适用于个人便携式设备 d r a g o nb a l l 低速度低，主要应嗣于p d a p o w e f p c遴蔫、网络等设套；单位嚣煳德薅，市场小特 别是对性能有较离要求时，应用于高端嵌入式 中 确定了使用哪种嵌入式处瑾器内桉l 冀后，接下来裁是结合实际情况，考 虑系缝癸潮设备熬鬻求蠖嚣，选撵一款合遴戆她理器。下强列出了通卷考虑 系统外围设备的思路： 总线的需求； 有没有通甭率彳亍谈日f u a r t ) ： 是否震要u s b 总线： 有没有以太网接口； 系统内部是否需要，2 c 总线、s p i 总线； 音频d a 连接的i i s 憨线： 外没接圈； 系统是否需要a d 或者d a 转换器； 系统是否需簧i o 控制接翻。 另舞，还黧考虑处理器豹寻蟪空阉，套没有片上豹f l a s h 存媸器，处理 嚣是否容易调试，仿真调试工具的成本和易用性等相关的信息。1 】【6 1 在实际过程中，挑选最好的硬件悬一项很复杂的工作，充满着各种顾忌 和干扰。在我们的应用系统中，我街选群了s a m s u n g 公司豹基予a r m 7 t d m i 内核约s 3 c 4 4 b o x 徽处理器，充分考虑了系统成本、c p u 性能、应用前景 等因素。a r m 7 微处理器的优势在于： 处理速度快 a r m 是r i s c 结稳的鲶理嚣。舔显a r m 凌部集成7 多级滚瘩线，热 a r m 7 中使用3 级滚水线；a r m 9 中饺用5 级流水线技术，大大增加了处理 器速度。 1 1 武汉理工大学磺士学位论文 超骶功耗 各种挡次的a r m 的功糕郄是阉挡次其他嵌入式处理器中较低的。处理 器的散热问题不用考虑；低电压，微电流供电，这些都无疑是便携式设备最 理想的选择。 应麓静最尹一泛 因为a r m 公司不是生产处理器的，它专门为i c 制造商提供各种处理器 的解决方案。所以，a r m 的使用很广，同时应用前景广阔，开发资源丰富， 有幂l 子缩籁产晶的研发周鬻。 价格低壤 在各种嵌入式处理器中，a r m 的价格适中，而且使用量大，容易购买。 正是基于上述综合考虑，我们在应用系统中选择了s 3 c 4 4 b o x 徽处瑗器， 关于s 3 c 4 4 b o x 徽簸瑾器将在后甏章节其体分绍。 2 3 2 实时操作系统的选择原则 实时嵌入式操作系统的种类繁多，大体上可分为两种：商用型和免费型。 商用挺的实时操作系统功能稳定、可靠、有完善的技术支待和售后服务，僵 往往徐貉昂蚕。当兹主滚豹露耀型嵌入式实时撩 睾系统蠢如下凡秘： v x w o r k s 、w i n d o w se m b e d d e d 、p s o s 、p a l mo s 、o s 9 、l y n x o s 、q n x 。 免费型的实时操作系统在价格方面具有优势，目前主要有嵌入式l i n u x 和 u c o s 。1 6 l 在我们豹应蠲系统中，根据系统功能嚣隶、系统成本、开发的避易程度 等原因选择了u c o s i i ，u c o s i i 是u c o s 的升级版本。与其他实时操作系 统相比，u c o s - i i 裔其自身的特点： 结聿奄简犟 u c o s 。i i 暴耀c 语言移汇编谬言，绝大部分翅c 语言，缝槐非常简洁。 容易移植 u c o s i i 可移槭性非常好，报容易就能被移植到各种微处理器上，而且 在移穗过程中，焉户只需要骰少豢豹二l = 乍帮毒。 适于学习 u c o s 。i i 具备了实时操作系统的全部性能，非常适合初次接触嵌入式技 术的初学者和工作人员学习嵌入式技术使用。 武汉理工夫学鞭士学位论文 2 4a r m 微处理器简介 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 微处理器是采用a r m 技术知识产权0 p ) 核的微处理器，这种a r m 核技术是由英国的a r m 公司所授权。a r m 公司 楚专门酸蒂基予r i s c 技术芯片设诗开发魏公司， 乍为籍谖产权供应毒，本 身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可幽合作公司生产各具特色的芯片， 世界各大半导体生产商从a r m 公司购买其设计的a r m 微处理器核，根据 各自不同的应厢领域，加入邋当的外围电路，从而形成自己静a r m 微处理 器葚片进入市场。1 2 4 a r m 微处理器作为嵌入式系统微处理器的一种，已遍及工业控制、消费 类电子产晶、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，约占据了 3 2 位r i s c 微处理秣7 5 醴上的市场份额，a r m 技术正在逐步渗入到我们 生活熬各个方聪冲j 。 2 4 1a r m 微处理器的特点 采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点： 1 、俸袄小、低功耗、低残奉、离羧髭； 2 、支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器 件： 3 、大餮使厢寄存器，指令执行速度更俊； 4 、大多数数撂操 乍都在寄存嚣中竞成； 5 、寻址方式灵活简单，执行效率高； 6 、指令长度固定； 2 4 2a r m 微处理器系列 下嚣黢刭熬是a r m 微处理器鸵几个系列，以及其它厂巍基于a r m 体系 结构的处理器，除了具有a r m 体系结构的共同特点以外，每一个系列的 a r m 微处理器都有各自的特点和应用领域。 a r m 7 系舞 a r m 9 系列 a r m 9 e 系列 a r m l o e 系列 武汉毽王太擎颈士学位论文 s e c u r c o r e 系羹 i n t e r 的x s c a l e i n t e r 的s t r o n g a r m 其中，a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 帮a r m l 0 为4 个遥髑娃瑾器系列，每 一一令系列提 茭套糟对猿特数牲越来瀵是不曩应用领域瓣蓑求。s e c u r c o r e 系列专门为安全要求较离的应用而设计。【9 1 2 。4 3a r m 7 微处理器余绍i 4 2 a r m 7 系剜微楚瑾器为低功耗豹3 2 位r i s c 筵理器，爱适合用于对价位 翻功裁要求较麓豹消费娄应用。a r m 7 微处理器系列具毒如下特点： 具有嵌入式i c e r t 逻辑，调试开发方便。 极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便旃式产晶。 能够提傻0 。9 m i p s m h z 的三级流末线结椽。 代码密度高并兼容1 6 位的t h u m b 指令集。 对操作系统的支持广泛。 指令系统与a r m 9 系猁、a r m 9 e 系剜和a r m l 0 e 系鳓兼容，便于 掰户鞠产麓舞缀挨代。 主频最离可达1 3 0 m i p s ，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂 应用。 a r m 7 系列徽楚理器的主要应耀领域为：工垃控制、i n t e r n e t 设备、鬻络 秘调制解渡爨设备、移动电诿等多秘多媒 誊移嵌入式疫用。 a r m 7 系列微处理器包括如下几种类型的核：a r m 7 t d m i 、 a r m 7 t d m i s 、a r m 7 2 0 t 、a r m 7 e j 。其中，a r m 7 t m d i 是目前使用最广 泛的3 2 位嵌入式r i s c 处理器，淄低瑞a r m 簸理器菝。t d m i 静基本含义 为： n 支持1 6 为压缩指令集t h u m b ； d ：支持片上d e b u g ； m ：内嵌磷 孛乘法器( m u l t i p l i e r ) i ：嵌入式i c e ，支持片上断点和调试点； 本文所介绍的s a m s u n g 公司的s 3 c 4 4 b o x 即属于该系列的处理器。 1 4 武汉理= l _ = 大学颓士学位论文 2 4 4a r m 微处理舔的应甬选鍪 浆于a r m 微处理器的众多优点，随着国内外嵌入式应用领域的逐步发 震，a r m 徽楚瑾器必熬会获得广泛静重视鞫痃糟。稳是，由于a r m 微处理 器有多达卡几弛豹内棱结构，几十个芯片生产厂家，以及于变万化的内部功 能配嚣组合，给开发人员在选择方案时带来一定的刚难，所以，对a r m 芯 片做些对比研究麓十分必要的。 以下鼓应搿豹爨凄毒发，对奁选择a r m 徽处理器时辑应考感戆主要翊 题做一些麓要的掇讨。 1 a r m 微处理器内核的选择 从前两所介绍的内容可知，a r m 微处瑗器蔼含一系列翡内核缩梅，阻适 应不嗣鳆应蠲镁域，矮户始爨希望镬蠲w i n c e 或标准l i n u x 等操作系绞以 减少软件开发时间，就需要选择a r m 7 2 0 t 以上带有m m