（计算机应用技术专业论文）基于嵌入式wince60的pmp系统设计与实现.pdf

摘要 近几年来随着半导体以及微电子技术的发展，以嵌入式计算机为技术核心 的嵌入式系统得到了快速地发展。随着人们消费水平的提高，各种消费电子也 曾出不穷。在移动存储方面，容量有限的软盘逐渐被闪存所代替，目前移动硬 盘逐步成为大容量数字移动存储设备之一。多媒体消费电子领域，从最初单纯 音频播放逐步过渡到带有音视频播放的消费电子终端。 然而，单纯的移动存储或者音视频播放已不能够满足用户多样化的需求， 没有g u i 音频播放系统的缺点同益暴露。针对此种情形，本文基于3 2 位a r m 结构微处理器，设计了一款可视化好，模块化、易扩展的便携式多媒体播放器 ( p m p ) 设备。对于丌发多功能便携式电子终端提供了很好的借鉴，具有一定 的现实意义。 另外，考虑到消费电子对于人机交互界面的要求以及产品后期的换代升级， 本文引入了功能强大的w i n c e6 0 嵌入式实时操作系统实现整个平台的开发， 这是本文的一个创新点。本文手持终端设计中，基于通用性、便携性、低功耗、 可扩展的思想，采用了嵌入式的开发方法，针对多媒体移动存储终端的需求进 行了分析，设计了手持设备总体的结构。成功移植了e b o o t 和嵌入式w i n c e 到 该终端中，完成了该平台软件的搭建，并基于此平台，编写了硬盘、音频等设 备驱动程序。为了方便后期产品的换代升级，本文对e b o o t 进行了改进，以方 便系统的更新升级，这也是本文的一个创新点。驱动设计方面，1 2 c 被单独提取 出来做成一个1 2 c 的流接口驱动，以供系统其它模块芯片初始化共享，这是本 文的另一个创新点。 本文首先对课题的选题背景作了简单叙述，阐述了本课题的研究目的、意义 和国内外研究的现状：接着深入探讨了整个开发平台的构建，其中包括硬件的 搭建以及操作系统的移植、驱动程序的开发、软硬件测试方法和过程，文章最 后就设计中有待进一步深入研究和不尽完善的地方，对后续开发的内容作了展望。 关键词：p m p ，嵌入式系统，a r m ，w i n d o w se m b e d d e dc e6 0 ，设备驱动 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a st h e d e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o ra n dm i c r o e l e c t r o n i c s t e c h n o l o g y ，t h ee m b e d d e ds y s t e m sw h i c hi nt h ec o r eo fe m b e d d e dc o m p u t e r t e c h n o l o g yh a sb e e nd e v e l o p p e dr a p i d l y w i t ht h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e s c o n s u m p t i o nl e v e l ，av a r i e t yo fc o n s u m e re l e c t r o n i c sh a sw e l lu p i i lt l l em o b i l e s t o r a g ed e v i c e sf i e l d ，t h el i m i t e dc a p a c i t yo ft h ef l o p p yd i s kh a sb e e ng r a d u a l l y r e p l a c e db yf a l s hm e m o r y ，t h em o b i l eh a r dd i s kh a sc u r r e n t l yb e c o m eo n eo ft h e m o b i l em a s ss t o r a g ed e v i c e s i nt h ef i e l do fm u l t i m e d i ac o n s u m e re l e c t r o n i c s ，t h e i n i t i a ls i m p l ea u d i o p l a y e rh a sg r a d u a l l yb e e nr e p l a c e db ya u d i oa n dv i d e oc o n s u m e r e l e c t r o n i c sd e v i c e s h o w e v e r ，s i m p l em o b i l es t o r a g ef u n c t i o no rs i m p l ea u d i oa n dv e d i op l a y e rh a s n o tb ea b l et om e e tt h ed i v e r s en e e d so fu s e r s ，t h ea u d i op l a y b a c ks y s t e mn o th a v e g u i ( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ) h a v ei n c r e a s i n g l ye x p o s e dd i s a d v a n t a g e i ns u c h c a s e ，t h i sp a p e rd e s i g n e dab e u e rv i s u a l i z a t i o n ，m o d u l a r ，e x t e n s i b l e ，p o r t a b l e m u l t i m e d i ap l a y e r ( p m p ) d e v i c eb a s e do nt h es t r u c t u r e o f3 2 - b i ta r m m i c r o p r o c e s s o r i tp r o v i d eav e r yg o o dd r a wf o rd e v e l o p m e n to fm u l t i f u n c t i o n a l p o r t a b l ee l e c t r o n i cd e v i c e sa n dh a sac e r t a i np r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i na d d i t i o n ，t a k ei n t oa c c o u n tt h ec o n s u m e r e l e c t r o n i c si n t e r f a c ef o r h u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o nr e q u i r e m e n t s a sw e l la st h el a t er e p l a c e m e n tp r o d u c t u p g r a d e s ，t h i sp a p e ri n t r o d u c eap o w e r f u le m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m w i n c e6 0a st h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ed e v e l o p m e n to ft h ee n t i r ep l a t f 0 1 t 1 1 ，w h i c hi s a ni n n o v a t i v eo ft h i sa r t i c l e t h i sp a p e r i nt h ec o u r s eo ft h ed e s i g no fh a n d h e l d d e v i c e s ，b a s e do nc o m m o n a l i t y ，p o r t a b i l i t y ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，u s i n gt h e e m b e d d e dd e v e l o p m e n tm e t h o d o l o g y ，a n a l y s i st h er e q u i r e m e n to fm u l t i m e d i am o b i l e s t o r a g e t e r m i n a l sa n dw o r ko u tt h eh a n d h e l d d e v i c es t r u c t u r e s u c c e s s f u l t r a n s p l a n t a t i o n o fe - b o o ta n de m b e d d e dw i n c e o p e r a t i n gs y s t e m ，w h i c h a c c o m p l i s h e dt h es o f t w a r eb u i l d i n go ft h ep l a t f o r m ，a n db a s e do nt h i sp l a t f o r m ， r e l a t i z e dt h ed e v i c ed r i v e r ss u c ha sh a r dd r i v e ，a u d i oa n ds oo n i no r d e rt of a c i l i t a t e t h el a t e rp r o d u c tu p g r a d i n g ，t h ee - b o o ti si m p r o v e di nt h i sa r t i c l e ，w h i c hi sa l s oa n i n n o v a t i o np o i n to ft h i sa r t i c l e a td e s i g n d r i v e n 。1 2 cb e e ne x t r a c t e di n t oas e p a r a t e 1 2 cs t r e a mi n t e r f a c ed r i v e rf o rt h es y s t e mt oi n i t i a l i z et h ec h i po ft h eo t h e r m o d u l e s ， n w h i c hi sa n o t h e ri n n o v a t i o np o i n ti nt h i sa r t i c l e i nt h i sp a p e r ，f i r s tb r i e f l yd e s c r i b e dt h eb a c k g r o u n do ft h et o p i c s ，o u t l i n e dt h e p u r p o s eo ft h es t u d ys u b j e c t s t h em e a n i n ga n ds 缸i t u so fr e s e a r c ha th o m ea n da b r o a d ； f o l l o w e db yi n d e p t he x p l o r a t i o ni n t ob u i l d i n gu pt h ee n t i r e d e v e l o p m e n tp l a t f o r m ， i n c l u d i n g h a r d w a r ea n do p e r a t i n gs y s t e m t r a n s p l a n t a t i o n ，d r i v e rd e v e l o p m e n t ， h a r d w a r ea n ds o f t w a r et e s t i n gm e t h o d sa n d p r o c e s s ，i nt h ee n d ，t h ep a p e rc o n c l u d e sa l i s to fp r o b l e m so ft h er e a s r c ha n dm a k e sa p r o s p e c to ft h ef o l l o w i n gd e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：p m p ，e m b e d d e ds y s t e m ，a r m ，w i n d o w se m b e d d e dc e6 0 ，d e v i c e d r i v e r 1 i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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 贡谈均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：张璋达日期：圣竺12 ：鱼 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，：p ；学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和q 予版，允许论文被查阅 和借阅。刁：人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进：。亍检糸，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：j 雌导师( 签名) ： 武汉理l 人学硕士学僚论文 第1 章绪论 1 1 研究背景及课题来源 近年柬，随着社会经济和诗算机技术的迅猛发展，互联网不断深入千家万 户，人们的学习、工作、生活等各个方面都已遥过互联网联系在一起。在网上 搜寻大量的信息、数据、资料及图片以服务于学习和工作，这已成为人们上网 的基本需求。越来越多的数据需要人们进行随时随地的存储和使用；因此，大 容量的存储产最已成为倍受青睐的设备，移动市场表现出臣大的潜力。与此霹 时，便携持多媒体电子产品层也不穷，随着人们生活水平的提高，大存储容量 的多媒体存储终端也渐渐崭露头角。 p m p ( p o r t a b l em e d i ap l a y e r ) 全称为便携式媒体播放器，在国内市场上一般 被简称为m p 4 接放器。这是一_ 种继m p 3 播放器之后，在国内又流行起来的新型 消费电子产品。本课题源于深圳某公司多媒体移动存储研发项目，目标是为客 户公司定制基于嵌入式操作系统w i n c e 的便携式、大存储容量、低功耗、功能 易扩展的馁携式多媒体撬放器。系统采焉$ 3 c 2 4 4 3 x 嵌入式徽处理器芯片与 t o s h i b a1 8 英寸硬盘，音频解码芯片采用w m 8 9 7 6 立体声解玛芯片，集成了 键盘，l c d ，触摸屏等外部模块，产品易于功能的扩展开发，对于产品的换代 升级其有一定的商用价值。 1 2 国内外研究历史与现状 多媒体电子终端技术在国内外研究上起步较早，随着囡走外在半导体、微 电子和嵌入式等相关领域技术上的领先，圈内外的多媒体便携式终端产品的发 腱七三经达到了成熟的水平，多媒体电予消费终端产品已经较为普及。据i s u p p l i 公司预计，2 0 11 年以前中匿大陆便携式媒体播放器产量将达到1 2 2 亿部。下面 介绍一下目f j f 市场上主流的p m p 解决方案【l l ： 1 a d ib l a c k f i n 方案：该解码芯片内核采用了有a d i 与i n t e l 联合开发的新一 代的微信号结构( m s a ) ，这种微信号结构的内核是改进的双m a c 哈佛结 构，该结构在单块芯片上将传统的d s p 内核与高性能的c p u 技术结合在一 武汉理。f ：人学硕士学位论文 起，满足了数字信号处理及控制两方面的应用需求。这种解决解决方案的优 点是主频高、性能强，支持r m r m v b 直播，缺点是成本高、开发难度高。 2 君正华芯飞方案：该方案由深圳市华芯飞科技有限公司和北京君正集成电路 有限公司合作开发的p m p 解码方案，它拥有4 0 0 m h z 的运行频率，同时获 得了r e a l n e t w o r k s 公司的授权，支持r m r m v b 文件直播，能够比较流畅 她播放7 2 0 * 4 8 0 像素 3 0 f p s ，码率在8 0 0 k b p s 以内的r m r m v b 文件。该 方案的优点是成本低，功耗低，缺点是主频偏低、r m r m v b 兼容性有待提 高。 3 。瑞芯微r k 2 7 x x 方案：该方案采用d s p 内核与a r m 内核“双核联合” 的方式，芯片运行频率为4 0 0 m h z ，处理性能也从1 0 0 m i p s 升至8 0 0 m i p s 。 音频方面，可直接播放a p e 、f l a c 等无损压缩音频格式以及m p 3 、w m a 等格 式的音乐格式，具有不错的音乐回放效果。该方案的优点是功能丰富，成本低， 缺点是功耗较高。 4 。t e l e c h i p st c c 系列方案：该方案是韩图的产品，t e l e c h i p st c c 芯片支持的 音视频格式比价单一，不过其最大的优势在于能够非常方便地进行二次开发。 不过t e l e c h i p s 哭提供s d k 开发工具包，最终的产品所有想要实现的功能、操作 接口、人机界西等都必须漆播放器厂家自行编写。该方案的优点是方便进行二 次开发，缺点是本身支持的格式较少、开发困难。 通过以上介绍，可以看出这些产品主要是针对音视频播放进行了一些了优 化，然而，其在产品的外围功能模块却不够丰富，并且产品开发周期较长，对 于产品后期的维护和更新换代较为困难。 1 3 课题研究的目的及意义 该课题来源于作者参与的一个实际项目为沙特某公司开发一款便携式 多媒体播放器p m p ，主要应用于个入消费电子终端。现阶段，该产晶已经投入 量产，正在进行部分功能的完善。 本论文的创新体现在以下几点： 1 采用最新三星s 3 c 2 4 4 3 x 处理器，最高主频高达5 3 3 m h z ，这是一款 具有高性能、低成本、工韭级的r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e t c o m p u t e r ) 嵌入式处理器。 2 武汉理下人学硕士学位论文 2 国内外相当部分车载终端多采用l i n u x 操作系统，该操作系统虽然开 源免费，但是由于较差豹图形仡界面及其开发周期相对较长等因素， 无法在国内普及。因此，本项目采用w i n c e6 0 作为便携设备的操作 系统，原因在于w i n c e 的众多优点，如：实时操作系统、较短的开 发周期、支持多任务、友好的入机交互界面、良好的开发环境、支持 多种体系结构硬件、组建可灵活定制等。 3 。系统采用w m 8 9 7 6 立体声音频解码芯片处理音频数据，与以往的p m p 音频播放功能不同，在p m p 中实现了f m 音频发射功能，以方便车 载用户使耀。 4 与大多数p m p 不同，这里采用硬盘作为p m p 的主要存储分质，以满 足用户对于存储容量和成本的要求。 5 系统集成了键盘、触摸屏等用户交互模块，使得产品更具竞争力。 多媒体移动存储( p m p ) 属于个入娱乐消费电子产品，本课题的墨豹是研 发出一种多功能、大容量、性能稳定的便携式多媒体播放器。 1 4 本文主要研究内容 作者在本课题中主要完成的工作包括： 1 便携式多媒体撵放器终端的软、硬件选型。 2 启动代码b o o t l o a d e r 的移植工作。 3 w i n c e6 0 操作系统研究以及将它移植到p m p 终端上。 4 平台主要模块驱动的研究与实现。 5 系统电源管理功能以及平台测试的研究与实现。 本论文一共分为七章： 第一章介绍了便携式多媒体移动播放器的历史与现状，课题研究的来源， 嚣的、意义和研究内容。 第二章介缨嵌入式系统方西的内容，重点介绍嵌入式微处理器及嵌入式操 作系统。 第三章介绍了便携式媒体播放终端的硬件总体设计。在此基础上，详细说 嬲了每个硬件模块的设计。 第四章实现了p m p 终端平台的搭建，详细介绍了w i n c e6 0 操作系统 3 武汉理1 ：人学硕十学位论文 b o o t l o a d e r 、o a l 的移植与实现工作。 第五章介绍了w i n c e6 0 下驱动的特点，并在此基础上详细介绍了平台主 要模块驱动的实现。 第六章从降低系统功耗角度介绍了平台电源管理的实现。 第七章介绍了嵌入式系统一般的测试方法和系统测试小结。 4 武汉理l ：人学硕士学位论文 第2 章微处理器及嵌入式操作系统 2 1 微处理器 嵌入式微处理器是由通用计算机中的c p u 演变丽来的。但与计算机处理器 不同的是，在实际嵌入式瘦用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件， 去除其他冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要 求。髑前国内使用比较多的属a r m 系列微处理器，下面就a r m 微处理器进行 简要介绍。 2 2 1a r m 微处理器 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，由1 9 9 1 年成立于英国剑桥的 a r m 公司设计。然恁由世界各大半导体生产商购买a r m 微处理器核，根据各 自不同的应用需求，加入适当的外围电路，从丽形成自己的a r m 微处理器芯片。 a r m 处理器已经遍稚工业控制，消费类电子产品、通信系统和网络系统等 各类产品市场，约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额，a r m 技术 正在渗入生活的各个方面1 2 l 。a r m 微处理器露蘸包括咒个系列，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。其中a r m 9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。 具有以下特点1 3 1 1 4 j ： l 。体积小、低功耗、低成本、高性能； 2 大量使用寄存器，指令执行速度更快： 3 数据操作多数在寄存器中完成，方式灵活简单，执行效率高； 4 指令长度固定； 5 。5 级整数流水线，指令执行效率更高； 6 提供1 1m i p s m h z 的哈佛结构： 7 支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集； 8 ，支持3 2 位的高速a m b a 总线接瑟； 9 + 全性能的m m u ，支持w i n c e ，l i n u x ，p a l mo s 等多种嵌入式操作系统； 武汉理i ：人学硕十学位论文 1 0 m p u 支持实时操作系统： 11 支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力。 2 1 2 微处理器的选择 a r m 微处理器有十几种内核结构以及为数众多的内部功能配置组合，给选 型方案带来一定的复杂性。从应用的角度出发，本项目在选择a r m 微处理器时 除价格这一重要因素外，主要依据以下原则【5 】f 6 】： 1 a r m 微处理器的内核选择 a r m 微处理器包含一系列的内核结构，以适应不同的应用领域，用户如果 希望使用w i n c e 或标准l i n u x 等操作系统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 u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ) 功能的a r m 芯片。本课 题中选择的一款a r m 9 2 0 t 内核的微处理器，带有m m u 功能，从而实现对w i n c e 操作系统的支持。 2 工作频率 系统的工作频率在很大程度上决定了a r m 微处理器的处理能力。常见的a r m 7 芯片系统主时钟为2 0 m h z 1 3 3 m h z ，常见的a r m 9 的系统主时钟频率为1 0 0 m h z 5 3 3 m h z ，a l 洲l o 最高可以达到7 0 0 m h z 。另外，不同芯片对时钟的处 理不同，有的芯片只需要一个主时钟频率，有的芯片内部时钟控制器可以分别 为a r m 核和u s b 、u a r t 、d s p 、音频等功能部件提供不同频率的时钟。 3 片内外围电路的选择 除a r m 微处理器核以外，几乎所有的a r m 芯片都针对不同的应用领域， 扩展了相关功能模块，并集成在芯片之中，称之为片内外围电路，如u s b 接口、 i i c 接口、l c d 控制器、键盘接口、r t c 、a d c 和d a c 、d s p 协处理器等，设 计者应分析系统的需求，尽可能采用片内外围电路完成所需的功能，这样既可 简化系统的设计，又能够提高系统的可靠性。 另外芯片内存储器的容量、可加密性、芯片的g p i o 数量等也是要统筹考虑 的。 6 武汉理一f 犬学硕士学位论文 2 2 嵌入式操作系统 2 2 1 嵌入式操作系统简介 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、通信协议等。在嵌入式系统中采用嵌入式实时操作系统，主要 基于以下a 方面考虑l 瑚l ll ： l 。嵌入式实时操作系统提高了系统的可靠性。在嵌入式系统中，传统的前 后台系统软件设计在遇到强干扰时，容易使得运行的程序产生异常，从而造成 系统的崩溃。丽实时操作系统管理的系统，这种干扰可能只是芬| 起若干进程中 的一个被破坏，可以通过系统运行的系统监控进程对其进行修复。 2 嵌入式实时操作系统充分发挥了3 2 位微处理器的多任务潜力，使得3 2 位微处理器比8 位、1 6 位微处理器更快。 3 提高了开发效率，缩短了开发周期。嵌入式搡作系统都具有一定的实时 性，易予裁剪和伸缩，易于在不同的a r m 核的嵌入式处理器上移植。另外，嵌入 式操作系统可以使用大量高效的a r m 开发工具，极大的方便了系统开发。 2 2 2 嵌入式操作系统的选择 嵌入式操作系统在冒前的嵌入式系统中褥到了越来越广泛的应用，尤其在 功能复杂、系统庞大的系统中。当我们在设计嵌入式产品时，嵌入式操作系统 的选择至关重要。一般而言，在选择嵌入式操作系统时，可以遵循以下原n 9 j ： 1 可移植性 嵌入式开发的专用型，对操作系统的可移植性提出了较高的要求。在进行 嵌入式系统丌发时，可移植性是要重点考虑的问题。 2 实时性 不同的操馋系统，实时性差剐比较大。使篇加入实时李 丁等技术的嵌入式 l i n u x ，最坏的情况下，中断延时只有4 3 6 微秒，丽9 9 9 的情况是1 9 5 微秒。考 虑到最新的l i n u x 在实时性方面的改进。它可以适合于9 0 - 9 5 的嵌入式系统应 用。如果希望更快的实时响应，如高速的a d 转换，要求几个微秒以内的中断延 时，采用, c o s 是合适的，另外v x w o r k s 这样传统的嵌入式操作系统也可以满足 7 武汉理l ：人学硕七学位论文 这样的强实时性要求。 3 。可利用资源 操作系统的可利用资源对于快速、低成本、高质量的推出适合用户需求的 产品是一个非常厦要的方面。l i n u x 和w i n c e 都有大量的资源可以利用，这是 他们被看好的重要原因。 4 系统定制能力 信息产品不同于传统p c 的w i n t e l 结构的单纯性，用户的需求千差万别，硬 件平台也不一样，对系统的定制能力提出了较高的要求。 8 武汉理一r 人学硕士学位论文 第3 章系统需求分析与硬件设计 3 1 嵌入式系统 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是结合微处理器( 或为控制器) 的系统电 路及其专用软件，来达到系统运作效率成本的最优化。今天的移动电话、电子 游戏机、p d a 、信息家电、电动汽车等的控制核心，无不与嵌入式系统息息相 关。而在后p c 时代，家电、玩具、汽车、新一代手机、数码产品、先进的医疗 设备，甚至即将到来的智能型房屋、智能办公室更是缺少不了嵌入式系统这个 核心技术i l o l 。 根据i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“用于控制、 监视或者辅助操作机器和设备的装置”l 】。近些年来，嵌入式系统已由原来的工 业控制方面逐步过渡到了消费电子等领域，嵌入式产品已与人们的r 常生活息 息相关。可以预见在未来，嵌入式系统的应用将会更加广泛，嵌入式系统的定 义将会越来越模糊。 基于以上的嵌入式系统的定义，与通用的计算机系统相比，嵌入式系统有着 自身的不同之处1 1 2 j ： 1 嵌入式系统是将计算机技术、半导体技术及电子技术与各个行业应用 相结合的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密度、资金密度和 不断创新的知识集成系统，没有哪个公司的操作系统和处理器能够垄 断市场； 2 嵌入式系统其升级换代是具体产品同步进行的，因此嵌入式系统产品 就有较长的生命周期： 3 嵌入式系统中一般都固化在存储器芯片或微处理器本身中，而不是存 储在磁盘等载体中： 4 嵌入式系统并不具备自身进一步开发的能力。设计完成以后用户如果 需要修改程序，必须借助开发工具。 由于嵌入式系统是一种根据特定用途所专门开发的系统，它只完成预期要完 成的功能，嵌入式系统的这种特殊性决定了嵌入式开发流程的特点【1 3 】： 1 系统描述和分析：确定设计任务和设计目标，并提出设计规格说明书， 9 武汉理。i ：大学硕士学位论文 作为j 下式设计指导和验收的标准。系统需求一般分功能性需求和非功 能性需求两方面，而功能性需求是系统的基本功能。 2 选择总体方案和模块划分：总体方案的拟订主要针对设计规格说明书， 根据所掌握的知识和资料，从全局出发明确总体功能和各部分功能， 同时依据一定的指导原则和分配算法对硬件软件功能进行分析，合理 划分，从而使系统的整体性能、运行时间、能量损耗和存储能量达到 最佳状态。通常总体方案不止一个，设计者应从各方面反复比较，选 出最佳方案。 3 硬件软件协同设计：基于体系结构，对系统的软件、硬件进行详细设 计。为了缩短产品开发周期，设计往往是并行的。嵌入式系统设计的 工作大部分集中在软件设计上，模块化设计是现代软件工程经常采用 的方法。 4 系统集成：把系统的软件、硬件和执行装置集成在一起，进行调试。 发现并改进单元设计过程中的错误，为后面的系统总体设计测试创造 条件。 5 系统测试：对设计好的系统进行总体测试。测量整体性能、运行时间、 功耗等参数，看其是否满足规格说明书中给定的功能要求。 3 2 系统需求分析 3 2 1 嵌入式操作系统选择 当今主流嵌入式操作系统有v x w o r k s 、l i n u x 、w i n d o w sc e 等。其中v x w o r k s 操作系统是美国w i n d r i v e r 公司于1 9 8 3 年设计开发的一种嵌入式实时操作系统 ( r t o s ) ，其具有可裁剪内核结构；高效的任务管理；灵活的任务间通讯；微 秒级的中断处理；支持p o s i x l 0 0 3 1 b 实时扩展标准；支持多种物理介质及标准 的、完整的t c p i p 网络协议等。然而其价格昂贵，由于操作系统本身以及开发 环境都是专有的，价格一般都比较高，通常需花费1 0 万元人民币以上才能建立 起一个可用的开发环境，对每一个应用一般还要另外收取版税。一般不提供源 代码，只提供二进制代码。由于它们都是专用的操作系统，需要专门的技术人 员掌握丌发技术和维护，所以软件的开发和维护成本都非常高。另外，其支持 的硬件数量有限i l4 。l i n u x 以其源码开放以及不需支付费用等特点，目前为国内 1 0 武汉理i ：人学硕士学位论文 用的最为广泛的嵌入式操作系统，但也存在着以下不足：开发难度较高，需要 较高的技术实力；核心调试工具不全，调试不太方便，尚没有很好的用户图形 界面；与某些商业o s 一样，嵌入式l i n u x 占用较大的内存，当然，人们可以去 掉部分无用的功能来减小使用的内存，但是如果不仔细，将引起新的问题；有 些l i n u x 的应用程序需要虚拟内存，而嵌入式系统中并没有或不需要虚拟内存， 所以并非所有的l i n u x 应用程序都可以在嵌入式系统中运行【1 5 】。 综合以上几方面的考虑和如下几个原因，在本课题中选用w i n d o w sc e 操作 系统进行开发： 1 该操作系统能够全面支持多国语种，而且它继承了传统的w i n d o w s 图 形界面，便于用户操作； 2 w i n c e 操作系统由微软公司开发和维护，其提供的资源较为丰富，在 产品丌发周期上与其它操作系统相比有着较为明显的优势； 3 嵌入式产品不同于传统的p c 机，用户的需求是千差万别的，一般来说 硬件平台大都不一样，所以对系统的定制能力提出了要求。随着 w i n c e 源代码的开放，以及微软在嵌入式领域力度的加强，w i n c e 的定制能力得到了不断提升； 4 w i n c e 的丌发工具p b 为开发者提供了一个良好的集成开发环境，此 外，微软对于w i n c e 下的应用程序开发提供了强大的支持，绝大多数 桌面w i n d o w s 上的编程工具( v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 等) 开发出的 应用软件只需简单的修改和移植就可以在w i n c e 平台上继续使用； 3 2 2 微处理器的选择 嵌入式处理器的选择是嵌入式系统设计中最为关键的部分。在选择嵌入式 处理器时，要考虑的主要因素有：处理性能、技术指标、功耗、软件支持工具、 是否内置调试工具等【l 酬。根据设计要求，选择了s a ms u m g 公司的嵌入式处理器 s 3 c 2 4 4 3 x ，主要足基于以下几方面原因： 1 $ 3 c 2 4 4 3 x 处理器采用a r m 9 2 0 t 内核，实现了存储器管理单元m m u 以 支持w i n c e 操作系统： 2 c p u 最高主频达5 3 3 m h z ，支持n a n d f l a s h 4 k 启动； 3 提供了丰富的外围设备接口和功能部件： ( 1 ) 外部存储器控制器和c f a t ai f 控制器； 武汉理t 大学硕士学位论文 ( 2 ) l c d 控制器( 支持4 k 色彩s t n 和2 5 6 色彩t f t ) ； ( 3 ) 6 - c hd m a ； ( 4 ) 4 - c hu a r t ( i r d a1 0 ，6 4 - b y t et xf i f o ，6 4 - b y t er xf f f o ) 2 一c hs p i ： ( 5 ) i i c b u s 接口( 多主支持) ； ( 6 ) i i s 音频c o d e c 接i s i & a c 9 7c o d e c 接口； ( 7 ) s dh o s t 接口( 版本1 0 ) ，可兼容m m c2 1 1 版本协议； ( 8 ) 2 c hu s bh o s t 控制器1 c hu s b 设备接口( 版本1 1 ) ； ( 9 ) 4 - c hp w m 定时器1 c h 内部定时器看门狗定时器； ( 1 0 ) 1 0 c h1 0b i ta d c 和触摸屏接口； ( 1 1 ) r t c ( 具有r 历功能) ； 0 2 ) 摄像头接口； ( 1 3 ) 1 4 7 个通用i o 端e i 2 4 c h 外部中断源； ( 1 4 ) 具有n o r m a l ，i d l e ，s t o p 和s l e e p 四种电源控制模式； ( 1 5 ) 片上时钟产生器( 具有p l l ) 。 3 2 3 系统硬件总体设计 本设备主要针对便携式多媒体播放器( p m p ) ，依据客户需求，实现3 5 寸l c d 触摸屏、音频系统、用户按键、移动硬盘以及f m 音频发射模块等功能，移植 w i n c e6 0 操作系统，为上层应用程序的二次开发打好基础，详细的模块器件的 选型以及其参数说明参见下表3 1 ： 1 2 武汉理、f 丈学矮士掌整论文 淡3 - l 搂块参数说甥 处理器 s a m s u n g 梭心鞭攀最高达5 3 3 m h z s 3 c 2 4 4 3 x s d 乳 莲6 4 m 1 3 i 采爝2 片 联y 5 7 v 5 巷1 6 2 0 f t p 芯靖 f l a s h1 2 8 m b 采爝芯片三壤 鼬f l 鼬寒b 矮盎 4 0 g b 1 静s 奠l 转al 。8i n e h 硬盘 ( m k 2 0 0 6 g a l ) l c d 3 _ s 尊n m a 3 5 q v 6 5 - b 1w * k o i 2 4 b p p 琵t 液晶瓣 誊频莱臻w o l f s o n 麓w m 8 9 7 6 蒲频解鹃芯片，支持立体 声音乐攥放 f mk t 0 8 0 1 键盘璃户键盘( 5 4 )支持标准键擞所有操 擘 接链 一个电源键，一个系统囊 链键 u s b 瑟一个u s b 耀予数据黄输 d e v i c e 电源电浊容量持枫趣瀛最低可遮9 m a 1 6 5 0 m a h 3 2 + 4 主要模块硬 攀设计 3 。2 ，4 。l 存槠模块竣计 在本系统靛设诗巾，n a n df l a s h 主要鲻来襻赣b o o t l o a d e r 以及w i n c e 撩 侔系统镜豫翱糖关应黑程廖，嫒盘主要矮寒存德雕户数蒺文彳譬，薅攥稼系统及 皮耀程侉最终篙褰在s d r a m 中运行。存储模块曦鼹艨理黧如下： l 、n a n df l a s h ( k 9 f 1 g 0 8 b ) 6 4 m b ： l 妻 武汉理t 大学硕十学位论文 u 1 6 k g f i g 0 8 8 ( u ) ( o - p c b o p i b o n cn c 4 8 n cn c 4 7 n cn c 4 6 n cn c 4 5 j 一魄 玛萼 n ci ，0 7 4 4 ， n ci 0 6 4 3 ， i 姻 1 i 唬 i 0 5 4 2 ， r e i 0 4 4 1 ， u r e l 4 7 k7 箅 琵n 。c 等警 n cn 。c1 r 、 一旦 n cn c 3 7 v v 3 6 _ 昔 v s s v s s n cn cj 王 f n cn c 3 4 - - - - l ! 褥嘉萋 a j en c r= 趾上i 0 31 r ， w 毛i 0 2 3 l ， 可ii 3 0 ， n ci 0 0 1 9 n cn c 2 8 n cn c 2 7 n cn c 2 6 2 5 n cn 。c 图3 1n a n df l a s h 原理图 各主要引脚介绍如下【1 7 】： ( 1 ) 数据、地址线：r d a t a 0 ：7 】 ( 2 ) 控制线：c l e ，a l e ( 3 ) 片选：c e ，外接上拉电阻 ( 4 ) 读使能：r e ( 5 ) 写使能：w e ( 6 ) 写保护：w p ( 硬件设置为上拉高电平，没有接i o 控制脚) ( 7 ) 准备好忙：刚n b ，外接上拉电阻 2 、s d r a m ( h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 l t h p ) 3 2 m bx2 ： 目前常用的s d r a m 为8 位1 6 位的数据宽度，工作电压一般为3 3 v 。本系 统s d r a m 采用韩国h y n i x 半导体公司生产的h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 l t h p ，该芯片具 有以下特点：数据宽度为1 6 位，容量3 2 m b ，时钟频率1 3 3 m h z ，支持自动刷 新【i s l 。由于$ 3 c 2 4 4 3 处理器的数据线宽度为3 2 位，因此系统采用两片 h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 l t h p 并联扩展为一个3 2 位数据宽度的6 4 m bs d r a m 存储系统， 两片s d r a m 分别连接$ 3 c 2 4 4 3 的低1 6 位和高1 6 位。硬件接口设计如图3 2 1 4 武汉理1 ：大学硕十学位论文 所示： 。c 。c m ：订叠志 粥c a s 聪扎u ：再c ： 4 1 4 q 、i 丑r 广i1 钉 ou s 嚣 4 2d c ： 4 2d c 3 舶d c 4 舢dcj 茁dc6 6 d c ? -dcs 越dc9 甜d c 】： 工0 船d c 】1 心1c c l ： 姒：d c l 3 d c 】4 = 硷d q 】5 z 畸m 算r= 口 ： s 、0 0 姒s 、o d ：sv ：c 鱼kv ：c & u、：x v ：3 c c 工三 c 砭 k 5 s u 3 芎s ；s 笼 y i 父 v s s c 1 5 辩 广 1 4 3 、罄 甏港 n 氮t l 了俘 n s c a s r i ：s e sl 暑 n s c s o1 9 舢4 可 图3 2s d r a m 原理图 3 、小型硬盘( m k 2 0 0 6 g a l )