（机械电子工程专业论文）嵌入式平台开发及在gps中的应用——硬件设计.pdf

嵌入式平台开发及在g p s 中的应用 一硬件设计 摘要 嵌入式系统的开发已经进入3 2 位时代，在当前数字信息技术和网 络技术高速发展的后p c 时代，嵌入式系统已经广泛地渗透到科学研究、 交通运输、工程设计、军事技术、消费类电子产品以及人们的日常生活 等方面中。全球定位系统( g p s ) 的出现对人类活动产生极大影响，具 有极高的应用价值。它从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问 题，可以满足各种不同用户的需要。同时，随着智能交通管理的出现迫 切要求汽车导航设备的开发。将嵌入式系统与g p s 的结合，在不久必将 得到广泛的应用，而且具有较高的实用价值。 论文首先简要介绍了嵌入式系统和g p g 技术，接着阐述了嵌入式系 统的开发流程以及将嵌入式系统应用到g p s 车载系统中的设计方案，系 统分为硬件部分和软件部分。硬件部分包括c p u 模块、电源模块、复 位模块。时钟模块、f l a s h 模块、s d r a m 模块、j t a g 模块、e t b e r n e t 模块、l c d ( 触摸屏) 模块、串行接口模块、i i s 模块、s d 卡模块、键 盘模块等部分。软件部分包括嵌入式l i m t x 操作系统的移植及串口通信 和电子地图等应用程序的开发。在此基础上介绍了嵌入式开发平台所使 用的嵌入式微处理器j 螺m 微处理器的体系结构，以及a r m 微处理 器的应用选型；同时介绍了开发平台所使用的三星s 3 c 2 4 1 0 x 微处理器 的特点及s 3 c 2 4 1 0 x 微处理器的优势。论文进一步着重论述了嵌入式开 发平台的硬件开发环境和如何设汁高速信号印刷电路板，并给出了基于 信号宄鼯性分析的印刷电路板设计方法。最后详细论述了开发平台的电 源模块、复位模块、时钟模块、f l a s h 模块、s d r a m 模块、j t a g 模块、 e t h e m e t 模块、l c d ( 触摸屏) 模块、i i s 模块、s d 卡模块、键盘模块 的硬件开发设计。 关键字：嵌入式系统( 诤s 高速p c b 设计信号完整性 北京邮电大学硕士学位论文 d e v e l o p m 丑n to fe m b e d d e dp l a t f o r ma n dt h e a p p l t c a t i o no ng p s h a r d w a r ed e s i g n a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to ft h ee m b e d d e ds y s t e mh a se n t e r e dt h ee r a so f3 2 b i t - m a c h i n e a tt h eb o t t o mh a l fo fp ce r aw h e nt h ed i g i t a li n f o r m a t i o n t e c h n o l o g ym i dn e t w o r kt e c h n o l o g yi sd e v e l o p i n ga t ah i 曲s p e e d , t h e e m b e d d e ds y s t e mh a sb e e na l r e a d yw i d e l yu s e di ns c i e n t i f i cr e s e a r c h ， t r a n s p o r t a t i o n ，e n g i n e e r i n gd e e i g m i l i t a r yt e c b m o l o g y ，c o n s u m e rp r o d u c t a n dd a i l yl i f e ，e t c t h eg l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ( g p s ) h a sb r o u g h tag r e a t i n f l u e n c eo nt h eh u m a nl i f ea n di ti se x t r e m e l yh i g hv a l u a b l eo i la p p l i c a t i o n i th a sf u n d a m e n t a l l ys o l v e dt h ep r o b l e m so fn a v i g a t i o na n do r i e n t a t i o n ；h c a nm e e td e m a n d so fa l lk i n d so fu s e r s a tt h es a m et i m e ，t h ed e v e l o p m e n t o ft h ea u t o m o b i l en a v i g a t i o ne q u i p m e n ti s r e q u i r e du r g e n t l yw h e nt h e i n t e l l e c t u a lt r a f f i ca d m i n i s t r a t i o ni sa p p e a r e d t h ec o m b i n a t i o no fe m b e d d e d s y s t e ma n dg p s w i l lb ew i d e l yu s e di nt h ef n t u r ea n di ti sh i g h e rv a l u a b l eo n a p p l i c a t i o n a t f i r s t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e s t h ee m b e d d e d s y s t e ma n dg p s t e c h n o l o g y ，a n d t h e ni n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n tp r o c e d u r eo f t h ee m b e d d e d s y s t e ma n dh o wt od e s i g ne m b e d d e ds y s t e mo i lg p sc a r r i e ds y s t e m ，t h e s y s t e mi n c l u d e sh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r e ；h a r d w a r ei n c l u d e sp o w e rs u p p l y m o d u l e ，r e s t o r a t i o nm o d u l e ，c l o c km o d u l e ，f l a s hm o d u l e ，s d r a mm o d u l e ， j t a gm o d u l e ，e t h e r n e tm o d u l e ，l c d m o d u l e ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n m o d u l e ，i i sm o d u l e ，s dm o d u l ea n dk e y b o a r dm o d u l e _ s o f t w a r ei n c l u d e s t h et r a n s p l a n to fe m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e ma n dt h ed e v e l o p m e n to f a p p l i c a t i o np r o g r a m s ，s u c ha ss e r i a lc o m m u n i c a t i o na n de l e c t r o n i cm a p o n t h eb a s i s ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ee m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ra p p l i e do nt h i s 北赢邮电大学砸士学位论文 e m b e d d e ds y s t e m - - a r mm i c r o p r o c e s s o ra n ds 3 c 2 4 1 0 xm i c r o p r o c e s s o ro f s a m s u n g a n dt h e n t h i sp a d e ri n t r o d u c e st h eh a r d w a r ed e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n tp a r t i c u l a r l ya n dh i g hs p e e dp c b d e s i g n ，i ta l s oi n t r o d u c e st h e m e t h o do f p c bd e s i g nw h i c hi sb a s e do ns i g n a li n t e g r i t ya tl a s t , t h i sp a p e r i n t r o d u c e st h eh a r d w a r ed e s i g no f p o w e rs u p p l ym o d u l e ，r e s t o r a t i o nm o d u l e ， c l o c km o d u l e 。f l a s hm o d u l e ，s d r a mm o d u l e ，j t a gm o d u l e ，e t h e m e t r o o d u i e l c dm o d u l e ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ， i sm e d u l e ，s d m o d u l ea n dk e y b o a r dr o o d u l e k e yw o e d s ：e m b e d d e ds y s t e mg p s h i g hs p e e dp c bd e s i g n s i g n a li n t e g r i t y 独创性( 或创新性) 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中所罗列的内容以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我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。 申请学位论文与鎏料芦有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：盏叁日期：丝! ：! ! ! 塑 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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北京邮电大学。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磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校 可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保 存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文 注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：i 缢篡日期：三兰型：竺：望 导师签名：举泰望# 一目期：立碰! 至! 壁! 北京邮电大学硕士学位论文 1 1 嵌入式系统简介 第一章绪论弟一早 三否t 匕 嵌入式系统是指以应用为核心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪， 适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗严格要求的专用计算机系统【1 1 。 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 发和设计都有其特殊的应用场合与特定功能。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、带宽的条件的限制，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。 1 2 嵌入式系统的组成 嵌入式系统通常有嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入 式应用软件等几大部分组成【2 1 。 1 、嵌入式处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。嵌入式处理器与通用处理器的最大 不同点在于嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中。它通常把通用 c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于 小型化，并且有高效率、高可靠性等特征。 2 、嵌入式外围设备 这里所说的嵌入式外围设备，指在一个嵌入式硬件系统中除了中心控制部件 ( m c u ，d s p 等) 以外的完成存储、通信、保护、调试、显示等辅助功能的其它 部件。根据外围设备的功能可以分为以下3 类。 o 存储器类型：静态易失型存储器( r a m ，s ra m ) 、动态存储器( d r a m ) 、 非易失存储器( r o m ，e p r o m ，e e p r o m ，f l a s h ) 。其中，f l a s h ( 闪存) 以可擦写次数多，存储速度快，容量大及价格便宜等优点在嵌 入式领域得到广泛的应用。 接口类型：目前存在的所有接口在嵌入式领域中都有其广泛的应用。以 r s 一2 3 2 接口、s p i ( 串行外围设备接口) 、1 2 c ( 现场总线待定) 、u s b ( 通 用串行总线) 、e t h e m e t ( 以太接口) 和并口应用最为广泛。 北京邮电大学硕士学位论文 显示类型：c r t ，l c d 和触摸屏的外围显示设备。 3 、嵌入式操作系统 嵌入式操作系统可分为实时操作系统和非实时操作系统。对于时间要求非常 紧的系统可称为实时操作系统。嵌入式操作系统的引入大大提高了嵌入式系统的 功能，方便了嵌入式应用软件的设计，但同时也占用了宝贵的嵌入式资源。一般 在比较大型或需要多任务的应用场合才考虑使用嵌入式操作系统。 当今流行的嵌入式操作系统有v x w o r k s ，p s o s ，l i n u x 等。每一种嵌入式操 作系统都有自身的优越性，用户可以根据自己的实际应用选择适当的操作系统。 4 、嵌入式应用软件 嵌入式应用软件是针对特定的实际专业领域的，基于相应的嵌入式硬件平台 的，并能完成用户预期任务的计算机软件。 1 3 嵌入式系统的特点 由于嵌入式系统是应用于特定环境下执行面对专业领域的应用系统，所以不 同于通用型计算机系统应用的多样化和适用性。它与通用的计算机系统相比有以 下特点： 嵌入式系统功耗低、体积小、专用性强。嵌入式系统与p c 的最大不同就 是嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，能够把p c 中许多 由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小 型化。 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中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。 多样性，应用广泛，种类繁多。 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率的设计，系统要精简。操作系统 一般和应用软件集成在一起。 对软件代码质量要求很高，应该尽最大可能避免“死机”的发生。 嵌入式系统开发需要专门的开发工具和开发环境。 包含专用的调试电路。 1 4 嵌入式系统的发展趋势 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。目前在世界范围内嵌入式系统带来的工业年产值已超过1 万亿美元。据赛 迪呼叫中心合作开展的调查显示，目前从事嵌入式开发的软件企业占到了3 0 左 2 北京邮电大学硕士学位论文 右，计划从事开发的企业占到了1 4 。尽管还没有从事该领域开发的公司占到了 大多数，但我国国内的嵌入式软件市场已经处于整体启动阶段。 美国著名的未来学家尼葛洛庞帝在1 9 9 9 年访华时曾预言，4 至5 年后嵌入式系 统将是继p c 和i n t e r n e t 之后最伟大的发明。如今5 年过去了，现实的发展也验证 了这个预言的正确性。现在嵌入式系统正处于高速发展阶段，未来几年，这种发 展和竞争将愈演愈烈。v e n t u r ed e v e l o p m e n t 公司在2 0 0 3 年初预测，嵌入式操作 系统、捆绑工具以及相关服务的市场至r j 2 0 0 7 年将超过l o 亿美元，其中以亚太地区 的增长最为迅猛。 随着嵌入式技术的迅速发展，嵌入式技术应用越来越广泛，主要用于各种信 号处理与控制。目前已在国防、国民经济及社会生活各领域普及及应用，用于企 业、军队、办公室、实验室以及个人家庭等各种场合。如：各种武器控制、信息 家电产品、智能测量仪器、分布式控制系统、医疗电子仪器等等。以致有些学者 断言，嵌入式技术将成为后p c 时代的主宰。 未来嵌入式系统的几大发展趋势： a ) 嵌入式应用软件的开发需要强大的硬件开发工具和软件包的支持。 b ) 网络互连成为必然趋势。 c ) 支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本。 d ) 提供友好的多媒体人机界面。 1 5g p s 简介 最古老、最简单的导航方法是星历导航，人类通过观察星座的位置变化来确 定自己的方位。随着科学技术水平的不断提高，人类逐渐发明( 发现) 了许多新 的定位方法。 当今世界上应用较为普遍的卫星导航系统( g n s s ) 有3 种，它们分别是美国 的g p s 、俄罗斯的g l o n a s s 与海事卫星系统，其中以g p s 最为成熟，支持厂商最 多，是世界上应用最广的定位系统。 g p s 是英文n a v i g a t i o ns a t e l l i t et i m i n ga n dr a n g i n g g l o b a lp o s i t i o n i n g s y s t e m 的字头缩写词n a v s t a r g p s 的简称。其含义是利用卫星的测时和测距进 行导航，以构成全球卫星定位系统。该系统通过分布在轨道上的2 4 颗导航卫星 向全世界发送定位信息，地面上的任意一点在能够同时接收到4 颗卫星信息的条 件下，就可以进行自身定位。采用g p s 定位具有精度高、全天候、不受地域限制 等等优点，在定位精度、灵活性、使用成本等诸多方面与目前其他定位技术相比 具有较大的优势。 从g p s 的提出到建成，经历了2 0 年，实践证明，g p s 对人类活动影响极大， 北京邮电大学硕士学位论文 应用价值极高。它从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题，可以满足各 种不同用户的需要。对舰船而言，它能在海洋交通管制、海洋测量、石油勘探、 海洋捕鱼、浮标建立、管道和电缆铺设、海岛暗礁定位、海轮进出港引航等方面 做出贡献。对飞机而言，它可在飞机进场着陆、航线导航、空中加油、空中交通 管制等方面进行。在陆地上，可用于各种车辆的定位，以及大地测量、摄影测量， 野外考察和勘探的定位，甚至进入到人们的日常生活中。例如，汽车、旅游、探 险、狩猎等方面的定位。特别是用于精密定位的测地型接收机的出现，给大地测 量带来了革命性的变化，成为g p s 应用的重要分支。在空间技术方面，可以用于 弹道导弹的引导和定位，空间飞行器的精密定轨等。 我国对g p s 的研究可以追踪到8 0 年代，主要是在航天领域和大地测量方面。 例如中科院某研究所的报告中介绍，1 9 8 9 年引入美国a s h t e c h 接收机后完成了 长江三峡库区g p s 形变监测网的建立。 在我国交通运输、道路工程土地测量中，g p s 技术开始步入深层和普遍运用 阶段。在车辆导航方面，通过g p s 系统，在城市中建立数字化交通电台，实时 播发城市交通信息，车载设备通过g p s 进行精确定位，结合电子地图以及实时 的交通状况，自动匹配最优路径，并实行车辆的自助导航。 从国际智能交通管理和汽车电子技术展览会上看，各发达国家的主要汽车厂 商均加快了汽车导航设备的研制。g p s 技术应用于车辆导航领域日趋完善，同时 也是智能交通管理交通运输业的发展方向。 1 6 课题的提出和研究方向 从g p s 的提出到建成，经历了2 0 年，实践证明，g p s 对人类活动影响极大， 应用价值极高。它从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题，可以满足各 种不同用户的需要。将a r m 嵌入式系统和g s m 、g p s 、g i s ( 地理信息系统) 及计算机网络技术相结合，满足移动终端的管理、求助等需求，以实现对终端用 户的实时帮助( 包括地图显示、路线查询等) ，是现有电信服务业务的一个重要 延伸服务，在不久的将来会有广泛的应有前景。 本课题预计完成嵌入式a r m 开发板的制作、调试，搭建一套完整的嵌入式 开发平台，在此平台上完成操作系统移植、g u i 开发、t c p i p 实现、g i s 系统终 端电子地图的编写绘制以及利用g p s 系统信息在电子地图上的显示。 4 北京邮电大学硕士学位论文 第二章系统的设计 2 1 嵌入式系统开发的基本流程 嵌入式系统开发必须将硬件、软件、人力资源等元素结合起来。任何一个嵌 入式产品都是软硬件的结合体，是软硬件的综合开发，这是嵌入式系统开发的最 大特点。在系统开发的过程中，必须始终综合考虑各个方面的因素。面向具体应 用的嵌入式开发决定了嵌入式开发的方法、流程各有不同，下面给出一般的嵌入 式开发的具体过程【3 】。嵌入式系统开发的流程如图2 1 所示。下面具体介绍流 程图中的各个环节。 图2 - 1 嵌入式系统开发流程图 1 、系统定义与需求分析 确定系统开发最终需要达到的总目标、系统实现的可行性、系统开发所采取 的策略。估计系统完成所需的资源和成本，制定工程进度安排计划。需求分析应 5 北京邮电大学硕士学位论文 确定目标系统要具备哪些功能( 即必须要完成什么) 。用户了解他们在实际使用 中所面对的是什么问题，也知道必须要做什么，但是通常不一定能完整、准确地 表达出他们的需求，更不知道怎样利用计算机去实现他们需要的功能。需求分析 就是要求密切配合用户，经过充分的交流和考察，得出经过用户确认的、明确的 系统实现逻辑模型，以便伎设计开发人员能够确定最终的设计目标。由此确定的 系统逻辑模型是以后设计和实现的目标系统的基础，必须能够准确、完整地体现 出用户的要求。 2 、系统设计方案的初步确立 包括系统设计的初步说明文档、设计方案和设计描述文档，具体包括以下文 档：系统总体设计、系统功能划分与软硬件协同设计、处理器选择与基本接口器 件选择、操作系统选择和开发环境选择。这些文档的确立要使用系统流程图或其 他工具，描述每一种可能的系统组成，估计每一种方案的成本和效益，在充分权 衡各种方案利弊的基础上，选择一个较好的系统方案，并且制定出该系统的详细 计划。 3 、初步设计方案性价比评估与方案评审论证 在系统开始软硬件具体设计之前，需要最后确定设计方案与用户需求之间的 合理性，并对设计方案的正确性、无歧异性、安全性、可验证性、可理解性、可 修改性等多个方面进行综合评估，以确定是否进入下一步的实际实施阶段。 4 、完善初步方案及初步方案的实施 本阶段是整个设计过程中最基本的一个环节，它决定了以后软硬件设计的方 向与各自完成的目标，通常需要反复比较和权衡利弊才能最后决定。划分的结果 对软硬件的设计工作量往往有很大的影响，特别是影响软件的设计与实现，而且 对系统的性能和成本有着较大的影响。划分完系统的软硬件结构之后，就可同时 开始系统的软硬设计与系统方案的实施。 5 、软硬件集成测试 将测试完成的软件系统装入制作好的硬件系统中，进行系统的综合测试，验 证系统功能是否能被正确无误地实现。本阶段的工作在整个开发过程中最复杂、 最费时，特别需要相应的辅助工具支持，才能确保系统的正常稳定运行。 6 、系统性能测试及可靠性测试 测试最终完成的系统性能是否满足设计任务书的各项性能指标和要求。若满 足，则可将正确无误的软件固化在目标硬件中；若不能满足，则需要回到设计的 初始阶段重新进行系统设计方案的制定。 6 北京邮电大学硕士学位论文 2 2 系统结构 考虑到系统的需求，系统需要包括c p u 、存储单元、j t a g 口、l c d 模块、 触摸屏、键盘、u s b 接i s l 、网络接口、音频接1 5 1 、s d 卡接口、串行接口、复位 电路等部分。系统的结构框图如图2 2 所示 图2 2系统结构框图 本课题共分二大部分：硬件部分和软件部分；硬件部分内容主要为嵌入式 a r m 系统开发板的设计，软件部分内容包括嵌入式操作系统的移植及串口通信 和电子地图等应用程序的开发。 一、硬件各部分的功能如下： - 系统采用9 v 直流电源输入，通过d c d c 线性电源转换器，将9 v 降压 至5 v 和3 3 v 输出，再将3 3 v 电源经d c d c c 线性电源变换器降压到 1 8 v 。 - 复位电路可完成系统上电复位和在系统工作时用户按键复位； - 串行接口电路用于$ 3 c 2 4 1 0 x 系统与其他应用系统的短距离双向串行通 讯，开发平台通过串口与g p s 模块相连，接收g p s 数据，在地图上实 时显示； - f l a s h 存储器可存放己调试好的用户应用程序、嵌入式操作系统或其他 在系统掉电后需要保存的用户数据等； - s d r a m 存储器作为系统运行时的主要区域，系统及用户数据、堆栈均 7 北京邮电大学硕士学位论文 位于s d r a m 存储器中； - 1 0 m 以太网接口为系统提供以太网接入的物理通道，通过该接口，系统 可以1 0 m b p s 的速率接入以太网； - j t a g 接口可对芯片内部的所有部件进行访问，通过该接口可对系统进 行调试、编程等； s d 卡存储器可用来存储空间的扩展； - 系统总线扩展引出了数据总线、地址总线和必要的控制总线，便于用户 根据自身的特定需求，扩展外围电路； - 音频( i i s ) 接口为系统提供声音提示； - u s b 接口用来扩展u s b 接口，支持更多的u s b 设备； _ 通用i o ( g p i o ) 口提供系统和其它外围设备通信的接口； - 外部扩展总线以便将来系统功能的扩展。 系统要求实时显示地理信息，这样对处理器的要求比较高，所以处理器选用 a r m 9 系列的$ 3 c 2 4 1 0 x ，$ 3 c 2 4 1 0 x 是三星公司生产的，一款基于a r m 9 2 0 t 内核的1 6 3 2 位r i s c 嵌入式微处理器，主要面向手持式设备以及高性价比、低 功耗的场合应用。s 3 c 2 4 1 0 x 支持m m u 功能，采用5 级流水线，显著提高了性 能。$ 3 c 2 4 1 0 x 的工作频率最高能达到2 0 3 m h z ，这个工作频率能使处理器轻松 运行w i n d o w sc e 、l i n u x 等操作系统以及进行较为复杂的信息处理。同时 $ 3 c 2 4 1 0 x 内部还集成了一个l c d 控制器( 支持s t n 和t i 叮液晶屏) 和触摸屏 接口，可以支持带有触摸屏的液晶屏。 二、软件部分 1 、操作系统的设计 嵌入式l i n u x 操作系统是整个嵌入式系统软件的核心。如前面所述，嵌入式 系统在内存容量和存储容量有限的情况下，必须对l i n u x 系统进行裁减设计。将 其中的没有用的部分裁减掉。 在裁剪过程中，所涉及的主要技术有下面几种： 1 ) 内核的精简 标准l i n u x 是面向p c 机的，它集成了许多p c 机所需要的而嵌入式系统并 不需要的功能。因此，对一些可独立加载或卸载的功能块，可在编译内核时，仅 保留嵌入式系统所需的功能模块，而删除不需要的功能块。这样，重新编译过的 内核就会显著减小，同时提高运行速度。 2 ) 设备驱动程序的编写 确定了内核的基本功能后，就要为特定的设备编写驱动程序( 如l c d 驱动) ， 可按照在l i n u x 下编写驱动程序的规则进行编写。编写的设备驱动程序应当具有 8 北京邮电大学硕士学位论文 以下功能： 对设备进行初始化和释放； 完成数据从内核到硬件设备的传送和从硬件读取数据两项功能； 读取应用程序传递给设备文件的数据以及回送应用程序请求的数 据； 检测和处理设备出现的错误。 3 1 开发基于闪存的文件系统c r a m f s + 师f s 应用程序和重要数据通常以文件的形式被存放在闪存文件系统中。 c r a m f s 是个极简单经过压缩的只读文件系统，它主要应用于嵌入式系统。 不过目前c r a m f s 为一个只读的文件系统，也就是说使用c r a m f s 的话，如果 我们的嵌入式环境需要存贮暂时性的资料，就必须另外保留一个h a s h 空间作为 存贮资料之用。所以根文件系统采用c r a m f s ，将可写空间用作y a f f s 。 y a f f s ( y e ta n o t h e rf l a s hs y s t e m ) 是一种类似于j f f s j f f s 2 的专门为f l a s h 设计的嵌入式文件系统，y a f f s 被设计成工作在条件约束的n a n d 闪存上，并尽 量发挥它的最优性能。y a f f s 使用日志、错误校正，并由于n a n d 不能加强其 耐用性而进行调谐的校验技术。结果就是使用低成本n _ a n d 芯片的文件系统即快 又耐用。y a f f s 具有高移植性和能在l i n u x 、u c l i n u x 、e 1 w i n d o w sc e 下运行。 y a f f s 也是一个开源工程。 采用c r a m f s + y a f f s 的文件系统，既可以实现可读写功能，同时c a r m f s 是只读文件系统，这样在系统掉电等非法关机时可以更好地保护根文件系统，使 根文件系统更健壮。 。 实现上述几个步骤后，一个小型的l i n u x 操作系统就构造完成了。构造后的 l i n u x 包括进程管理、内存管理和文件管理等三部分。它支持多任务并行，有完 整的t c p i p 协议，同时l i n u x 内建有对以太网控制器的支持，可以通过以太网 口连到以太网上，以实现数据的下载。 将裁剪好的内核移植到所用的目标板上时，首先应将内核编译成针对该处理 器的目标代码，还要编译b o o t l o a d e r 。b o o t l o a d e r 是在操作系统内核运行之前运 行的一段小程序。通过这段小程序，可以初始化硬件设备、建立系统的内存空间 映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系 统内核准备好正确的环境。并且，b o o t l o a d e r 最终把操作系统内核映象加载到 r a m 中，并将系统控制权传递给操作系统。开发平台采用v i v ib o o t l o a d e r ，v i v i b o o t l o a d e r 是m i z ir e s e a r c h 开发的b o o t l o a d e r ，针对s a m s u n g 的a r m 9 微处 理器。 2 、应用程序的设计 9 北京邮电大学硕士学位论文 1 1 串口通信程序 编写串口通信程序，从g p s 2 0 2 0 模块读取相应的定位信息。 2 ) 电子地图程序 编写一个图形界面的电子地图显示程序。， 在嵌入式l i n u x 系统中，开发图形界面一般采用采用现有的嵌入式g u i 产 品，不会自行开发图形相关的功能函数。因为这样增加了开发的成本，而且可移 植性差，维护成本高。现有嵌入式g u i 产品有挪威t r o l l t e c h 公司的q t e m b e d d e d 和北京飞漫软件技术有限公司开发的m i n i g u i 等。这两种产品都是开源( 遵循 g n u 的g p l 条款发布) 的嵌入式g u i 产品。q t e m b e d d e d 属于高端产品，对硬 件性能要求高。m i n i g u i 属于中端产品，具有跨操作系统性，小巧，高效的特点。 因此，采用m i n i g u i 来开发电子地图的图形界面。 我主要负责基于高速信号的印刷电路板设计、硬件电路的调试及一小部分设 备驱动。详细的软件设计可以参考同课题其它成员的论文。考虑开发平台的通用 性、可扩展性，将开发平台设计成核心板和扩展板两部分，两部分通过总线相连。 核心板包括复位( r e s e t ) 模块、系统时钟( c l 0 c k ) 模块、j t a g 调试端口、 s d r a m 模块、f l a s h 模块；扩展板包括电源模块、以太网( e t h e r n e t ) 模 块、u s b 模块、液晶显示( l c d ) 及触摸屏模块、键盘( k e y b o a r d ) 模块、 串行通信( u a r t ) 模块、s d 卡模块、音频( i i s ) 模块、矩阵键盘模块、g p s 模块等模块。这样，搭建出的基于$ 3 c 2 4 1 0 x 嵌入式系统开发平台具有很强的扩 展性，在以后的嵌入式开发和研究中，根据需要设计相应的扩展板，通过总线与 核心板相连接，就可实现新的功能，这样可以节省大量的研究经费。 这部分的难点在于要深入熟悉$ 3 c 2 4 1 0 x 、j t a g 、f l a s h 、s d r a m 、l c d 、 u s b 等芯片的结构、工作原理，这样才能设计出开发平台的原理图，同时要设 计大量的芯片封装，用于p c b 板的制作。在高速信号p c b 设计时要考虑平台的 可靠性、抗干扰性。电磁干扰在电路设计中是一个值得非常注意的事情。在电路 设计中经常发生原理图都对，但实际制作出电路板却不能使用。为了减少干扰， 尽量将模拟信号和数字信号分开，注意高频信号对低频信号的干扰，同时对设计 出的电路板进行大量的仿真，将可能产生的干扰在制作p c b 版之前发现并消除 干扰，尽量避免由于干扰问题而花费大量时间查找电路的故障。 2 3 硬件设计流程 同系统设计一样，在进行硬件设计之前，也应该做个完整可行的计划，时刻 清楚目前处于什么步骤、已经完成哪些工作，这样才能保证项目周期。图2 3 是 一个通用硬件设计流程图【。 1 0 北京邮电大学硕士学位论文 图2 3 硬件设计流程图 硬件设计主要有以下5 个关键步骤： 1 ) 功能定义：产品的硬件功能定义是根据需求分析做出的。完整的功能定 义才能使设计的产品满足要求，是详细设计的依据，也是产品是否达到 设计目标的重要标志。 2 ) 原理图设计：是硬件设计的中心环节，直接影响产品的性能与成败。一 个硬件工程师的水平高低，可以从原理图的设计中反映出来。在设计之 前，要熟知本方案的特点，清楚当今电子行业的发展，用最优化的方法 解决每个问题，即性能价格比要高，不仅考虑硬件成本，也应想到软件 的消耗，硬件的设计也要符合操作系统的架构，否则也会提高开发成本。 原理图的设计应尽量做到以下几点。 标准化：选用标准的作图方式，条理清楚，可读性好，便于修改和 重复利用。 通用化：避免个性化的设计，运用主流的技术思想，多与外界沟通。 模块化：采用模块化的思想，做到各功能之间的独立性，会使结构 明确，互不影响，在一个地方出现问题不会导致连锁反应。 可扩展化：进行灵活的设计，不要过于死板，多留出一些接，口，便 于系统的功能扩展和剪裁，以满足市场的不同需求，也方便后面的 调试工作。 3 ) p c b 设计是硬件设计的难点。 随着处理器频率的不断加快，对p c b 的布局和走线要求越来越高， 现今早已不是布通就完事的时代了。而p c b 的设计直接影响整个系统的 性能。掌握好p c b 设计的步骤和要点，不仅能加快开发进度，更会增加 北京邮电大学硕士学位论文 系统的稳定性。也为软件开发创造更好的条件。在p c b 布线之前，一定 要保证原理图的正确性，p c b 的电气关系是由原理图的网络表格生成的， 错误的原理图会直接导致错误的p c b 板，可能还要重新返工，这一点相 信所有的硬件工程师都有切身体会。 p c b 设计要点 1 ) 元件封装的准备 尽量调用标准封装库中的文件； 严密按照所选器件的数据手册上的规范制作封装，不能忽略 累积误差； 注意二极管、三极管等极性元件及一些非对称元件的引脚定 义不能搞错。 2 ) 合理布局 尽量依照参考板的模式进行布局； 模块化布局； 要求模拟电路与数字电路分开； 输入模块和输出模块隔离； 去耦电容尽量靠近元件的电源地； 电源等发热单元要考虑散热，主发热元件靠近出风口，大体 积元件的放置避开风路； 元件分布均匀，避免电流过于密集； 板上的跳线或按键考虑易操作性； 元器件的排列尽量整齐美观； 考虑机械尺寸，不要超过结构所允许的范围。 3 ) p c b 分层 如果有参考板，按照参考板进行分层； 多层板安排：顶层和底层为元件面，第二层为地平面，倒数 第二层为电源层； 在不影响性能的情况下，减少p c b 层数，降低成本。 4 ) 电源考虑 系统电源入口做高频和低频滤波处理； 功率较高的器件配备大容量电容去除低频干扰； 每个器件配备0 1uf 电容过滤高频干扰； 高频器件电源管脚和电容之间串连磁珠达到更好的效果； 去耦电容的引线不能过长，特别是高频旁路电容不能带引 1 2 北京邮电大学硕士学位论文 线。 5 1 时钟考虑 时钟电路尽量靠近芯片； 晶体下方不要走线； 晶体外壳接地，增加抗电磁干扰能力； 频率大于2 0 m h z 的时钟信号有地线护送； 时钟线宽大于1 0 m i l ； 时钟输出端串连2 2 - 2 2 0q 的阻尼电阻。 6 1 高速信号 采用手工布线； 高速总线走线尽量等长，并且在靠近数据输出端串连 2 2 3 0 0q 的阻尼电阻； 高速信号远离时钟芯片和晶体； 。 高速信号远离外部输人输出端口，或地线隔离。 高速信号是p c b 设计的难点，将在后面详细阐述。 7 1 差分信号 差分信号线要平行等长； 。信号之间不能走其他信号线； 信号要求在同一层上。 8 ) 走线规范 不同层的信号垂直走线； 地线和电源层不要走线，否则要保证平面的完整性； 导线宽度不要突变； 导线变向时导角要大于9 0 度； 定位孔周围0 5 m m 范围不要走线。 4 ) 硬件调试的效率和成败完全是经验积累的结果。由于硬件研发自身的特 点，会受到许多意料不到的因素影响，会在调试当中出现许多问题，因 而占用相当长的研发周期，一定要掌握正确的调试方法提高工作效率。 示波器、稳压稳流电源、万用表是必不可少的，要想调试工作更加顺畅。 大家最好具备较好的焊接技术，那样会事半功倍。以下是在硬件调试中 使用的技巧和一些经常遇到的问题。 优先调试电源：保证系统可靠地供电； 分模块调试：可以分清模块间的问题，不至于混淆； 结合软件调试：对于复杂的接口，单纯硬件角度不易调试，结合软 北京邮电大学硕士学位论文 件从不同的角度测试，能起到更好的效果； 正确、合理地使用示波器，提高工作效率； 对比调试：有条件用评估板或功能相似的电路板做参考，比较差异 并找出问题所在； 注意硬件容易出错的故障点； 注意电源供电问题； 系统时钟受干扰或晶体震荡不正常导致系统工作故障； 复位不可靠，造成各单元未进入预期状态而出现问题； 因焊接问题引发的各种问题，如方向焊错、虚焊、错焊等； 因时序不匹配引发的通信故障，如时钟信号通过逻辑器件后产生延 时，与取写信号时序搭配不上导致读写错误。 5 ) 产品化调整：一个系统的设计样机到产品化是个漫长的过程单从硬件 的角度讲。至少要满足功能性、稳定性、可靠性、工艺性等最低要求， 因此这个步骤是必不可少的。好的硬件工程师一定要熟悉生产流程，才 能从设计阶段就避免出现不利于产品化的问题。 1 4 北京邮电大学硕二匕学位论文 第三章a r m 体系结构 3 1a r m 体系结构的特点【2 】 a r m 即a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写。a r m 公司与1 9 9 0 年成立，是一 家设计公司。a r m 是知识产权( i p ) 供应商，本身不生产芯片，靠转让设计许 可，由合作伙伴公司来生产各具特色的芯片。作为3 2 位嵌入式r i s c 微处理器 业界的领先供应商，a r m 公司商业模式的强大之处在于它在世界范围有超过1 0 0 个合作伙伴( 包括半导体工业的著名公司) ，从而保证了大量的开发工具和丰富 的第三方资源，它们共同保证了基于a r m 处理器核的设计可以很快投入市场。 a r m 处理器的3 大特点是： 鲁耗电少，成本低，功能强大； 1 6 3 2 位双指令集： 全球众多合作伙伴保证供应。 a r m 公司专注于设计。a r m 核以其高性能、体积小、低功耗、紧凑代码和 多供应源的出色结合而著名，它的r i s c 性能业界领先，以小尺寸集成，具有最 低的芯片成本，在非常低的功耗和价格下提供高性能的处理器。a r m 已成为移 动通信、手持计算机、多媒体数字消费等嵌入式解决方案的r i s c 标准。 a r m 处理器出色的性能使系统设计者可以得到完全满足其准确要求的解决 方案。借助于来自第三方开发者广泛的支持，设计者可以使用丰富的标准开发工 具和a r m 优化的应用软件。 a r m 体系结构基于精简指令集计算机( r i s c ) 原理。r i s c 指令集和相关 的译码机制比复杂指令集计算机( c i s c ) 的设计更简单。这种简单性得到了： 高指令吞吐率； 出色的实时中断响应； 体积小、性价比高的处理器宏单元。 a r m 3 2 位体系结构目前被公认为业界领先的3 2 位嵌入式r i s c 微处理器核， 所有a r m 处理器都共享这一体系结构。这可以确保当开发者转向更高性能的处 理器时，在软件开发上可获得最大的回