（电路与系统专业论文）突发公共卫生事件应急指挥系统嵌入式手持信息终端[电路与系统专业优秀论文].pdf

突发公共卫生事件应息指挥系统嵌入式手持信息终端 突发公共卫生事件应急指挥系统 嵌入式手持信息终端 电路与系统专业 研究生刘剑波指导教9 币 王勇 摘要 随着计算机技术的发展，嵌入式系统己成为计算机领域的一个重要组成部 分。嵌入式设备几乎包括了我们周围的所有电器设备：小至掌上p d a 、电视机 顶盒，大至汽车、电梯、安全系统等等。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、工程设计、军事技 术、各类产业和商业文化艺术、娱乐业以及人们的日常生活等方方面面中。随 着国内外嵌入式产品的进一步开发和推广，嵌入式技术越来越和人们的生活紧 密相关。嵌入式系统就是以应用为中心、以计算机技术为基础的专用计算机系 统，它与通用计算机技术的最大差异是必须支持硬件裁减和软件裁减，以适应 应用系统对体积、功能、功耗、可靠性、成本等的特殊要求。 本文主要介绍针对卫生系统的需要，为解决突发公共卫生事件应急指挥中 存在的信息不畅，指挥不能及时到位的问题，而自主研发的嵌入式手持信息采 集终端。该终端实现医疗卫生信息及时的远程采集，完善了医疗卫生系统的信 息化，填补了国内相关方面的空白。 信息终端是一种手持式设备，可用于移动地控制相关设施。由于历史的原 因，目前的信息终端一般功能有限，人机界面呆板，通讯功能较弱，使用很不 方便。为此，系统硬件部分采用三星公司的a r m 9 2 0 t 核的s 3 c 2 4 1 0 芯片， 四川大学硕士学位论文 $ 3 c 2 4 1 0 最高主频可达到2 0 3 m h z ，可完全实现该系统的要求。本文在介绍了 基于该芯片的硬件平台后，又详细介绍了系统实现的必要工作，包括交叉编译 环境的建立、启动程序u - b o o t 的实现、嵌入式l i n u x 内核的裁剪与移植以及根 文件系统的实现。基于该平台的软件开发工作主要涉及基于q t e m b e d d e d 的桌 面环境q t o p i a 的修改和移植，中文手写程序和c d c 浏览器等应用程序的开发， 以及嵌入式数据库s q l i t e 技术的引入。 该终端的开发主要采用了三种先进的技术：嵌入式操作系统l i n u x 2 6 内核 的移植及相关驱动程序的开发、基于c o m 组件的嵌入式终端桌面应用程序的 开发技术和嵌入式数据库的采用。使该系统具有稳定、升级方便、数据查询快 捷等优点。 关键字：$ 3 c 2 4 1 0 、l i n u x 、q t e m b e d d e d 、q t o p i a 、组件技术、嵌入式数据 库 t i 囊发公共卫生事件应急指挥系统嵌入式手持信息终端 t h ec o m m o n a l i t yd i s e a s ei n c i d e n te m e r g e n c y c o m m a n d s y s t e me m b e d d e dh a n d h e l di n f o r m a t i o n c o l l e c t i o nt e n n i n a l c i r c u i ta n ds y s t e m p o s t g r a d u a t e ：l i uj i a n b ot u t o r ：w a n gy 0 n g a b s t r a e t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h ee m b e d d e ds y s t e mh a sb e e n b e c a m et h ei m p o r t a n ta p a r to fc o m p u t e rd o m a n i a l e m b e d d e d f a c i l i t y a l m o s t i n c l u d i n ga l lo fe l e c t r o n i cf a c i l i t y , s u c ha sp d a 、i p t v 、a u t o 、e l e v a t o r 、s e c u r i t y s y s t e me t c i nt h i s a f t e rp c e p o c hw i t hd i g i t a li n f o r m a t i o na n dn e t w o r kt e c h n o l o g y d e v e l o p i n gh i g h l y , e m b e d d e ds y s t e mh a sb e e nw i d e l yg o t c e ni n t ol o t so fa s p e c t s ， s u c ha s ：s c i e n c er e s e a r c h 、e n g i n e e r i n gd e s i g n 、m i l i t a r ya f f a i r st e c h n o l o g y 、i n d u s t r y a n dc o m m e r c ec u l t u r ea r t 、e n t e r t a i n m e n tt r a d ea n do u rd a i l yl i f e w i t ht h e d e v e l o p m e n ta n ds p r e a d i n g o fm a n yk i n d so fe m b e d d e dp r o d u c t s ，e m b e d d e d t e c h n o l o g yh a sb e e nb e c o m em o r ea n dm o r er e l a t e dw i t ho u rl i f e a ne m b e d d e d s y s t e mc a na l s ob ed e f i n e da sas i n g l ep u r p o s ec o m p u t e rc e n t e r e da sa p p l i c a t i o na n d b a s e do i lc o m p u t e rs c i e n c et e c h n o l o g y t h em o s td i f f e r e n c eb e t w e e na l le m b e d d e d s y s t e ma n dag e n e r nc o m p u t e rp l a t f o r mi st h a tt h ef o r m e rm u s ts u p p o r tt h ec u r i n go f h a r d w a r ea n ds o f t w a r et om e e tt h es p e c i a lr e q u i r e m e n t so ft h ea p p l y i n gs y s t e mf o r e m b e d d e ds y s t e m sv o l u m e ，f i m c t i o n ，r e l i a b i l i t y , a n dc o s ta n ds oo i l t h i st h e s i sm a i n l yd i s c u s s e st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h es o f t w a r ea n d h a r d w a r eo ft h ee m b e d d e dh a n d h e l di n f o r m a t i o nc o l l e c t i o nt e r m i n a l ，t h i sk i n do f i i i 四川大学硕士学位论文 e m b e d d e dt e r m i n a lw a sd e s i g n e dt os e t t l et h es l o w n e s sc o m m a n dd u r i n gt h e c o m m o n a l i t yd i s e a s ei n c i d e n te m e r g e n c yc o m m a n d i n g t h i st e r m i n a lc o m p l e t et h e t i m e l yc o l l e c t i o no ft h er e m o t em e d i c a ls a n i t a t i o ni n f o r m a t i o n ，c o n s u m l n a t i n gt h e m o d e m i z a t i o no ft h em e d i c a ls a n i t a t i o ns y s t e m ，f i l l i n gu pt h eb l a n ko fc o r r e l a t e d a s p e c ti nh o m e t h ei n f o r m a t i o nt e r m i n a li sak i n do fh a n d h e l de q u i p m e n t s ，w h i c hc a l lb eu s e d t oc o n t r o lo t h e re q u i p m e n t si na m b u l a t i o n ，b e c a u s eo fh i s t o r i c a lr e a s o n ，m o s t t e r m i n a l s f u n c t i o ni sl i m i t e d ，t h e i rh u m a ni n t e r f a c ei s b o r i n g ，a n dt h e i r c o m m u n i c a t i o nf u n c t i o ni sw e a k e r t h e r e f o r e ，t h eh a r d w a r ed e s i g n a t i o ni sc o m p o s e d o fe m b e d d e dc p u $ 3 c 2 4 10b a s e do na r m 9a r c h i t e c t u r e t h em a xm a i nf r e q u e n c y i s2 0 3 m h z ，i tc a r lm e e td i v e r s i f i e dr e q u i r e m e n to ft h i ss y s t e m a f t e ri n t r o d u c i n gt h e h a r d w a r ep l a t f o r m ，t h ep r o c e s so fp o r t i n gl i n u xt ot h i s s y s t e mi sd i s c u s s e d ， i n c l u d i n gb u i l d i n gt h e c r o s sc o m p l i e r , w r i t i n gt h es t a r t i n g c o d e ，m o d i f y i n ga n d c o n f i g u r i n g o ft h e k e r n e la n dr e a l i z i n gt h er o o t s y s t e m t h ej o bo f s o f t w a r e d e s i g n a t i o nb a s eo nt h i sp l a t f o r mi sm a i n l yf o c u s e do nt h em o d i f i c a t i o na n dp o r t i n g o fq t o p i a ，t h ed e v e l o p m e n to fc h i n e s eh a n d w r i t i n gi n p u ta n dc d cb r o w s e r ，a n dt h e p o r t i n go f e m b e d d e dd a t a b a s e s q l i t e t h r e ek i n do fa d v a n c e dt e c h n i q u e sa r eu s e di nt h i ss u b j e c t ：t h ep o r t i n go f e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e ma n dd r i v i n gp r o g r a m m i n gb a s e do ni t ，t h eu s i n go fc o m c o m p o n e n tt e c h n i q u e i ne m b e d d e dl i n u xs o f t w a r e d e v e l o p m e n t ，t h eu s eo f e m b e d d e dd a t a b a s e s q l i t e t h es y s t e mh a v et h ef e a t u r eo fn m n i n gs t a b i l i z e d 、 u p g r a d i n gc o n v e n i e n t l y 、d a t aq u e r y i n gq u i c k l y k e yw o r d s ：$ 3 c 2 4 1 0 、l i n u x 、q t e m b e d d e d 、q t o p i a , m o d u l et e c h n i q u e 、 e m b e d d e dd a t a b a s e i v 突发公共卫生事件应急指挥系统嵌八式手持信息终端 第一章绪论 1 1 项目背景 随着经济和社会的高速发展，我国城镇发展已进入快速增长时期，城镇规模 不断扩大，人口密集度很高，遭受重大社会突发事件( 恐怖活动、空难、核事故等) 、 重大自然灾害( 地震、洪水等) 、突发公共卫生事件( 例如“非典”) 威胁的形势日 益严峻。一旦突发事件发生，如果不能及时采取有效措旌对事件进行有效处理其 后果将不堪设想。 突发公共卫生事件应急指挥系统就是为了解决突发公共卫生事件应急指挥 中存在的信息沟通与协调机制不健全、指挥不能及时到位的问题，而建立起了 涵盖全省乃至全国各级各类医疗机构的卫生资源指标、工作指标和效果指标完 善的卫生信息数据库。通过公网实现基层卫生机构之间的互联互通【l 】。手持信 息终端是该系统中的一个子项目，其作用就是为乡、镇和社区医院提供一个网 络直报设备，通过它能有效及时的向中国疾病预防控制中心( c d c ) 提供现场信息 和获得各种决策支持信息，完善从国家到地方建立突发公共卫生事件监测、评 估、预瞀、反应机制。 国外一些发达国家已经建立起很完善的突发疾病预警机制，有效的降低了 由于突发疾病和传染病造成的人员伤亡。但在国内这方面的建设才刚起步，加 强这方面的研究有着很广的市场前景。 目前一些公司研发的应急指挥系统的终端大多基于台式机，成本高、体积 大、移动不灵活，仅限于固定场所的信息采集提交。因此市场迫切需要能有一 种体积小巧，功能相对简单，成本不高，并且界面友好的终端。而嵌入式系统 技术正好适应这一要求。 当前软硬件资源的成熟与完善，使得嵌入式系统的应用得到了迅猛的发展， 其应用领域涉及通讯、自动化、信息家电、生物医疗、智能管理系统等各个方 面。嵌入式设备通常具有成本低、体积小、重量轻、功耗低、稳定性好、网络 功能强大等优点。因此将嵌入式技术应用于该系统，实现实时稳定、方便灵活、 功能强大的嵌入式手持信息终端，已经成为目前嵌入式系统的研究热点。 四川大学硕士学位论文 1 2 项目研究思路 嵌入式手持信息终端的功能就是在手持信息终端的硬件平台上实现信息公 共卫生事件应急指挥系统中信息的采集和提交。这样它就应该包括四个部分： 1 、硬件平台。 2 、硬件的接口信息交互和系统升级维护离不开终端的显示和各种通 讯网络的接入等。终端需要与各种相关的各种硬件设备进行数据交互。 软件平台需要很好地将这些硬件设备驱动起来，来为上层的应用程序所 用。 3 、应用程序的支持手持信息终端上需要有多种信息处理和网络通讯 业务，如信息查询、信息传输、手写识别等。因此需要一个强大的多任 务的操作系统来对这些业务进行管理，同时向这些业务提供硬件设备的 接口，使它们能方便的使用硬件资源。 4 、人机交互界面现在随着科技发展，对设备人性化要求越来越高，因 此，有一个美观便捷的图形用户界面也是嵌入式软件平台必不可少的一部分。 通过它，用户能够很方便的使用信息终端。 图1 1 是该嵌入式平台的框架图： 图1 - 1 嵌入式平台框架示意图 1 3 论文各分主要内容 第二章介绍了嵌入式系统的概况；第三章对该终端的硬件情况作了简单介 2 突发公共卫生事件应急指挥系统嵌入式手持信息终端 绍；第四章介绍了如何建立嵌入式开发调试环境以及对引导程序u b o o t 进行分 析；第五章重点介绍内核移植和中文图形用户界面的实现；第六章介绍软件平 台各部分的实现，主要包括嵌入式c d c 浏览器、中文手写输入插件、嵌入式数 据库等。 四川大学硕士学位论文 第二章嵌入式系统研究现状及发展趋势 ： 2 1 嵌入式系统研究现状 信息时代的快速发展，3 c ( 计算机、通信、消费电子) 一体化趋势日益明 显。嵌入式系统凭借自身特点成为3 c 一体化的理想载体。目前，嵌入式系统已 经广泛应用于通讯、医疗、工业控制、网络仪表、消费电子以及航空航天等各 领域，展现出强大的生命力。 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 通常被定义为：以应用为中心，以计算机 技术为基础，软件硬件可裁剪，适用对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格 要求的专用计算机系统。广义上讲，凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可 称为嵌入式系统。从狭义上讲，我们更加强调那些使用嵌入式微处理器构成独 立系统，具有自己操作系统，具有特定功能，用于特定场合的嵌入式系统，其 主要特点有：采用嵌入式的微处理器、紧缩型操作系统、嵌入式软硬件结合紧 密以及独特的、多样化的设备外观。 随着嵌入式系统的发展，系统功能越来越复杂，利用的范围越来越广泛， 从而引入了嵌入式操作系统。嵌入式系统将操作系统和功能软件集成于计算机 硬件系统之中，简单的说就是系统的应用软件和系统的硬件一体化，具有软件 代码小、高度自动化、响应速度快等特点。 从2 0 世纪8 0 年代开始，出现了各种各样的商业用嵌入式操作系统，如 v x w o r k s 、p s o s 、p a l m o s 和w i n d o w sc e 等。但是，这些商用的操作系统虽然 功能强大，但价格昂贵，且协议栈等开发资源都是由相应的公司提供，使开发 者受制于提供操作系统的公司。 e m b e d d e dl i n u x 的出现打破了这局面。e m b e d d e dl i n u x 是一种在网络上 产生的操作系统，它的开发都是在g p l ( g n u p u b l i cl i c e n s e ) 的版本控制之下， 因此e m b e d d e dl i n u x 内核的所有源代码都是采取开放源代码的方式。e m b e d d e d l i n u x 内核是对l i n u x 内核针对不同应用进行的相应裁减，因此e m b e d d e dl i n u x 秉承l i n u x 的一些优点。下面论述l i n u x 作为嵌入式操作系统具有的优点： 可运行于多种硬件平台 l i n u x 符合i e e ep o s i x l 标准，使应用程序具有较好的可移植性。其内核 突发公具卫生事件应息指挥系统嵌入式手持信息终端 的9 0 以上的代码是用可移植性好的c 语言完成，少部分底层相关的代码由汇 编语言完成，并根据处理器类型分门别类地放在系统内核源码的 l i n u ) ( a r c h 目录中。目前，l i n u x 内核支持的有i n t e lx 8 6 、m o t o r o l a i b m p o w e rp c 等处理器体系结构，并支持嵌入式领域中广泛使用的a r m 和m o t o r o l a m c 6 8 0 0 0 系列。随着l i n u x 越来越广泛的应用于嵌入式领域，它所支持的嵌入 式微处理器必定会不断增加。l i n u x 的内核已经被成功移植到多种硬件平台上。 可裁剪、性能优异、应用软件丰富 l i n u x 的动态模块加载使l i n u x 的裁剪极为方便，高度模块化的部件使添 加非常容易。这使得开发者可以很方便的针对特定的应用来定制自己的嵌入式 l i n u x 操作系统。 l i n u x 是一个全面的多任务的真正的3 2 位操作系统。系统运行稳定，功能 强大，支持多种硬件平台，应用工具多。支持多种总线、接口和设备，支持几 乎所有的文件系统，还能提供多种完善的图形界面解决方案。 使用成本低 在嵌入式领域，嵌入式操作系统如v x w o r k s 及其开发工具t o m a d o 、w i n c e 及其相应的开发套件，它们的购买使用费是极为昂贵的。而l i n u x 是免费软件， 只要遵守g p l 的规定，就可以免费获得拷贝，并进行开发和商业发行。l i n u x 下有许多遵循g p l 规定的一系列的软件工具开发包，它们均为自由发布和使用 的代码，从功能上看并不亚于商用开发包，可以极大地降低开发成本。这一优 势是其他嵌入式操作系统无法比拟的。 强大的网络功能 l i n u x 操作系统最突出的是网络部分，基本上所有的网络协议和网络接口都 可以在l i n u x 上找到，l i n u x 内核比标准的u n i x 更加高效地处理网络协议，系 统的网络吞吐性能非常好。在全球互联成为一种不可逆转的趋势以后，具有网 络互联功能的嵌入式设备需求大增。嵌入式操作系统是否具有优异的、可裁剪 的网络功能成为应用开发商选择操作系统的标准之一。l i n u x 的网络功能强大 更重要的体现在，l i n u x 的网络功能和协议是以内核可选的模块方式提供的，它 允许用户自由地裁剪和优化。 g u i ( 图形用户界面) 开发支持 l i n u x 本身有性能优秀的xw i n d o w 系统，在xw i n d o w 系统的支持下，能 四川大学硕士学位论文 方便地进行图形用户界面的开发。xw i n d o w 系统应用于嵌入式领域时，要考虑 嵌入式系统的特殊条件，所以，针对嵌入式领域，xw i n d o w 进行必要的裁剪和 优化，产生了很多嵌入式g u i 系统，如中国的g n u 项目一m i n i g u i 等。 丰富的开发技术资源 l i n u x 是一个免费的开发软件，且源代码公开。l i n u x 有一个庞大的支持者 群体，其中许多人编写驱动程序和其他的更新程序，并且可以免费通过i n t e r n e t 进行共享。这意味着对新硬件的l i n u x 驱动程序甚至比用于其他u n i x 系统( 如 s o l a r i s ) 还来得及时。l i n u x 有非常多的文档支持。l i n u x d o c u m e n t p r o j e c t 是为 l i n u x 提供系统化文档支持的项目，在世界上许多程序员和用户的帮助下，它已 经收集了非常详细的系统文档和使用文档。所有这些，都是现有的其他嵌入式 操作系统所无法比拟。 二十一世纪无疑是一个i n t e m e t 时代，这一时代的到来正在不可避免地逐步 改变人们日常的工作、学习和生活习惯，以手持电脑、机顶盒、网络电话、住 宅间连接器等为代表的移动办公设备和家庭网络产品将在将来形成时尚，在未 来的信息社会中扮演重要的角色。嵌入式系统接入i n t e m e t 是一种必然的发展趋 势。而采用高性能的嵌入式处理器是设计嵌入式i n t e m e t 系统的关键。随着硬件 技术的不断发展，高性能的嵌入式处理器不断涌现，如a r m ，m o t o r o l a p o w e r p c ， i n t e lx 8 6 ，m i p s 等系列，这使得采用高性能的嵌入式处理器设计嵌入式i n t e m e t 成为可能。嵌入式系统连接到i n t e r n e t 上面，可以方便、低廉地将信息传送到几 乎世界上的任何一个地方。利用该技术，能够将i n t e m e t 延伸到嵌入式系统，并 实现基于i n t e m e t 的远程数据采集、远程控制、上传下载数据文件等功能。 2 2 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，目前已经具有大 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、电网设备监控、石油化工系统等领域，就传统的工业控制产品而言， 低端型往往采用的是8 位单片机，但是随着技术的发展，3 2 位、6 4 位的微处理 器逐渐成为工业控制设备的核心，在未来几年内必将获得更大的发展。 6 突发公共卫生事件应急指挥系统嵌入式手持信息终端 ( 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，嵌入式系统技术己经 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己经在各种运输 行业获得了成功的使用。目前g p s 设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭， 只需几千元，就可以随时随地找到你的位置。 ( 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、洗衣机等的网络化、 智能化将引领人们的生活步入一个崭新的空间。即使不在家里，也可以通过电 话线、网络进行远程控制。在这些设备中，嵌入式系统将大有用武之地。 ( 4 ) 家庭智能管理系统 水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，其中嵌有的专用 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。目前 在服务领域中，一些手持设备己经体现了嵌入式系统的优势。 ( 5 ) p o s 网络及电子商务 公共交通无接触智能卡( c o n t a c t l e s ss m a r tc a r d ，c s c ) 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 终端将全面走入人们的生活，到时 手持一卡就可以行遍天下。 ( 6 ) 环境监测 环境监测包括水文资料实时监测、防洪体系及水土质量监测、堤坝安全、 地震监测网、实时气象信息网、水源和空气污染监测。在很多环境恶劣、地况 复杂的地区，嵌入式系统将实现无人监测。 ( 7 ) 机器人 嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化、高智能方面优势更加明显，同时 会大幅度降低机器人的价格，是其在工业领域和服务领域获得更广泛的应用。 除了以上这些应用领域，嵌入式系统还有其他方面的应用。可以毫不夸张 地说，嵌入式系统已经进入到现代社会人们生活的方方面面，可以说是“无处 不在”，尤其是在控制方面的应用。就远程家电控制而言，除了开发出支持t c p f i p 的嵌入式系统之外，家电产品控制协议也需要制订和统一，这需要家电厂家来 做。同样的道理，所有基于网络的远程控制器件都需要与嵌入式系统之间实现 接口，然后再由嵌入式系统来控制并通过网络实现控制。所以，开发和探讨嵌 四川大学硕士学住论文 入式系统有着十分重要的意义。 2 3 嵌入式系统的发展趋势 信息时代、数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展机遇，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儿大发展趋势： ( 1 ) 嵌入式开发是一项系统工程 因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身，同时还需要 提供强大的硬件开发工具和软件包支持。目前很多厂商己经充分考虑到这一点， 在主推系统的同时，将开发环境也作为重点推广。比如三星在推广a r m 7 ，a r m 9 芯片的同时还提供开发板和板级支持包( b s p ) ，而w i n d o w sc e 在主推系统时 也提供e m b e d d e dv c h 作为开发上具，还有v x w o r k s 的t o m a d 。开发环境、 d e l t ao s 的l i m d a 编译环境等都是这一趋势的典型体现。当然，这也是市场竞 争的结果。 ( 2 ) 网络化、信息化的要求 随着因特网技术的成熟、带宽的提高而日益提高，使得以往单一功能的设 备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一，结构更加复杂。这就要求芯 片设计厂商在芯片上集成更多的功能。为了满足应用功能的升级，设计师们一 方面采用更强大的嵌入式处理器如3 2 位、6 4 位r i s c 芯片或信号处理器d s p 增强处理能力，同时增加功能接口( 如u s b ) 、扩展总线类型( 如c a n b u s ) ， 加强对多媒体、图形等的处理，逐步实施片上系统( s o c ) 的概念。软件方面， 采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来简化应用程序设计，保障软件 质量和缩短开发周期。 ( 3 ) 网络互联成为必然趋势 未来的嵌入式设备为了适应网络发展的要求，必然要求硬件上提供各种网 络通信接口。传统的单片机对于网络支持不足，而新一代的嵌入式处理器己经 开始内嵌网络接口，除了支持t c p i p 协议，有的还支持i e e e l 3 9 4 、u s b 、c a n 、 b l u e t o o t h 或i r d a 通信接口中的一种或者几种，同时也提供相应的通信组网协 议软件和物理层驱动软件。软件方面，系统内核支持网络模块，甚至可以在设 备上嵌入w e b 浏览器，真正实现随时随地用各种设备上网。 r 突发公共卫生事件应急指挥系统嵌入式手持信息终端 ( 4 ) 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内核，只保留和系统功能紧密相关的软硬件，利用最低的 资源实现最适当的功能，这就要求设计者选用最佳的编程模型和不断改进算法， 优化编译器性能。因此，软件开发人员既要有丰富的硬件知识，又需要发展先 进嵌入式软件技术，如j a v a 、w e b 和w a p 等。 ( 5 ) 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，最重要的因素就是它能提供非常友好的用 户界面、图像界面和灵活的控制方式，使得人们感觉嵌入式设备就像是一个熟 悉的老朋友。这方面的要求使得嵌入式软件设计者要在图形界面、多媒体技术 上多下功夫。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图 像都会使使用者获得自由的感受。 四川大学硕士学位论文 第三章嵌入式手持信息终端的硬件平台 3 1 嵌入式微处理器选择及特点 考虑到需要用到图形用户界面，以后可能要扩展到多媒体方面应用，终端 选用的硬件平台是a r m 9 架构的三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 芯片。$ 3 c 2 4 1 0 最高主频 可达到2 0 3 m h z ，是比较流行的手持终端选用的芯片。 3 1 1 基于a r m 架构的微处理器 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器【3 l 。嵌入式微处理器一般就具备以下4 个特点： 1 ) 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应 时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。 2 ) 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构己模 块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储 区保护功能，同时也有利于软件诊断。 3 ) 可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入 式微处理器。 4 ) 嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算 和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有m w 甚至u w 级。 嵌入式处理器的主要分为微控制器( m c u ) 、微处理器( m p u ) 、数字信号 处理器( d s p ) ，混合处理器和片上系统( s o c ) 、可编程片上系统( s o p c ) 。嵌 入式处理器的发展趋势主要是经济性提高( 成本低) 、微型化( 封装、功耗) 、 智能化( 功能强、速度高) 1 4 。 a r m ( a d v a n c e dr j s cm a c h i n e ) 是英国知识产权核( i p ) 设计公司，它 是知识产权供应商，是设计公司。a r m 公司本身不生产芯片，靠转让设计许可， 由合作伙伴公司来生产各具特色的芯片。a r m 公司的a r m 系列内核耗电少、 成本低、特有的1 6 3 2 位双指令集功能强大。基于a r m l 6 3 2 位微处理器市场 占有率目前己达到8 0 。世界上绝大多数i c 制造商都推出了自己的a r m 结构 l n 突发公共卫生事件应急指挥系统嵌八式手持信息终端 芯片：这些产品包括了i n t e l 公司的s t r o n g a r m 的系列：s a 1 1 0 、s a 1 1 0 0 、 s a 1 1 0 1 、s a 1 11 0 、s a 一1 11 l ；c i r r u sl o g i c 公司的a r m 系列：e p 7 2 0 9 、e p 7 2 1 1 、 e p 7 2 1 2 、e p 7 3 1 2 、e p 9 3 1 2 、p s 7 5 0 0 f e ；s a m s u n g 公司的a r m 系列：$ 3 c 4 4 8 0 、 $ 3 c 2 4 0 0 、$ 3 c 4 5 1 0 ；a t m e l 公司的a l t m 系列：a t 9 1 系列等等。 在所有a r m 处理器系列中，a r m 9 处理器系列应用最广，采用a r m 9 处 理器作为内核生产芯片的公司最多。 3 1 2a r m 微处理器的特点嘲 ( 1 ) 处理速度快 a r m 是s c 结构的处理器。而且a r m 内部集成了多级流水线，比 如：删7 t 中使用3 级流水线；a r m 9 中使用5 级流水线技术，大大的增加了 处理速度。 ( 2 ) 超低功耗 各种档次的a r m 的功耗都是同档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，这些都无疑为成为便携式设备的 最理想的选择。 ( 3 ) 应用前景广泛 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，上述在各种处理器，a r m 的使用最广，同时应用前景广阔， 开发资源丰富，有利于缩短产品的研发同期。 ( 4 ) 价格低廉 在各种嵌入式处理中，a r m 的价格适中，而且使用量大，比较容易够买。 ( 5 ) 可利用的软件丰富 a r m 公司一直致力于支持嵌入式系统在a r m 处理器上的开发应用，目前 几乎所有常见的嵌入式系统在a r m 内核处理器上都有成熟的应用。 3 2 终端硬件平台电路简介 以$ 3 c 2 4 1 0 为核，心，硬件组开发了嵌入式手持信息终端的硬件平台。终端 硬件平台采用一块s h a r p 的液晶显屏，能支持3 2 0 2 4 0 的图像分辨率，支持触 摸屏控制器接口；该硬件平台拥有丰富的外围接口，支持u s bh o s t 和u s b 四川大学硕士学位论文 c l i e n t 接口、串口、j t a g 口、音频输入输出口和以太网接口。平台有两块3 2 m b 的s d r a m 和一块6 4 m b 的n a n df l a s h ，因此平台拥有丰富的硬件资源以完成 各种多媒体通信应用。 核心板的p c b 电路图如图3 - 1 ： 图3 - 1 核心禳p c r 图 a 部分是该硬件平台c p u s 3 c 2 4 1 0 ；b 部分是两头3 2 m b 的s d r a m c 部分是一块6 4 m b 的n a n df l a s h 。 实际电路板如图3 2 ： 突发公共卫生事件应息指挥系统嵌八式手持信息终端 图3 - 2 实际电路板 a 就是核心板部分；b 是网1 3 电路部分，芯片采用的是c r y s t a l 公司以太网 控制芯片：c s 8 9 0 0 ；c 是拨号电路部分：d 端口是电源接口；e 端口是u s b 接 1 2 1 ：f 端口是预留的音频接口：g 端口是电话线接口；h 端口是网线接1 2 1 ；g 端 口是串口调试e l 。 3 3 小结 本章主要介绍嵌入式手持信息终端硬件平台的结构组成。本论文的工作就 是在此硬件平台的基础上进行后续系统移植及软件开发。 四川大学硕士举位论文 第四章嵌入式手持信息终端的开发调试环境构建和引导程序 移植 4 1 开发模式简介 一般l i n u x 软件开发都是以n a t i v e 方式进行的，即本机( h o s t ) 开发、调试， 本机运行的方式吼这种方式通常不适合于嵌入式系统的软件开发，因为对于 嵌入式系统的开发，没有足够的资源在本机( 即板子上的系统) 运行开发工具 和调试工具。嵌入式系统的软件开发采用一种交叉编译调试的方式。交叉编译 调试环境建立在宿主机( 即p c 机) 上，对应的开发板叫做目标板。开发时使用 宿主机上的交叉编译、汇编及连接等工具形成可执行的二进制代码( 这种可执 行代码并不能在宿主机上执行，而只能在目标板上执行) ，然后把可执行文件下 载到目标机上运行，开发示意图如图4 - l 图4 1 嵌入式l i n u x 系统开发示意图 调试时的方法很多，可以使用串口，以太网口等，具体使用哪种调试方法 可以根据目标机处理器所提供的支持作出选择。 突发公共卫生事件应息指挥系统嵌八式手持信息终端 对于嵌入式l i n u x ，宿主机上的操作系统我们选择f e d o r ac o r e4 。嵌入式开 发通常还要求宿主机配置有网络，支持n f s ( 网络文件系统协议，为交叉开发 时m o u n t 所用，即将宿主机上的一个目录和开发板上的一个目录对应起来，这 样就可以很方便的用来调试程序) ，支持t f t p 服务器( 小型f t p 协议，为下载 烧写所用，可以通过网络接口快速的将映象文件下载到开发板的s d r a m 中) 等等，然后在宿主机上建立交叉编译调试的开发环境后，就可以进行基于 $ 3 c 2 4 1 0 芯片的b o o t t l o a d 和l i n u x 操作系统的移植了。 用串口和网口将宿主机和目标扳连接起来 在宿_ ：e g l e 编辑、躺译h e l l o ，编译通过后的可执行 程序h e l l o 复制到宿主机，目录下以方便m o o r t t 执行， 避免l d o o n l 时要进入很深的目录 在宿主机上启动m l n i c o m 作为目标板的仿真终端 0 m o u n t 宿主机存放该应用程序的眉录例如： i l i o u n | - on o l o c k1 9 2 1 6 8 o 1 2 3 ：m a t 0 在m i n i t m m 下执行： e e l m a t j h e l l o 调试信息通过串口打印在宿主机的m i a i e o m 屏幕上这 样便可以进行应用程序的调试有问题时，便切换去编 辑、编译，只要不重启板子端就不必作任何操作，因为 m o u n t 豹宿主机硬盘上的应用程序会自动稷盏更新再 重新执行的就是修改后的新版本这样反复调试、更 改、编译再调试。而不必烧写板子直至程序工作豇三常 调试通过后，再编译文件系统r a m d i s k g 硪写到板子上 图4 - 2 开发流程图 在我们的开发板上进行嵌入式软件开发时，采用的是直接t a r g e t 开发模 式，其开发流程图如图4 2 所示。首先将宿主机和目标板通过调试串口相连， 在宿主p c 机上运行m i n i c o m 作为目标板的显示终端( m i n i c o m 即l i n u x 操作系 1 5 四川大学硕士学位论文 统下的串口监视终端) ，n f s 协议m o u n t 上宿主机硬盘，这样就可以直接在目标 板上进行调试应用了。 4 2 程序编译和链接 通常，程序是在一台计算机上编译，然后再分布到将要使用的其他计算机 上。当主机系统( 运行编译器的系统) 和目标系统( 产生的程序将在其上运行 的系统) 不兼容时，该过程就叫做交叉编译。 除了兼容性这个明显的好处之外，交叉编译还由于以下两个原因而非常重 要：当目标系统对其可用的编译工具没有本地设置时；当主机系统比目标系统要 快得多，或者具有多得多的可用资源时。 程序一般都要分成编译和链接两个过程。编译时，编译器需要的是语法的 正确，函数与变量的声明的正确。对于后者，通常是你需要告诉编译器头文件 的所在位置( 头文件中应该只是声明，而定义应该放在c + + 文件中) ，只要所有 的语法正确，编译器就可以编译出中问目标文件。一般来说，每个源文件都应 该对应于一个中间目标文件( 0 文件或是o b j 文件) 。 链接时，主要是链接函数和全局变量，所以，我们可以使用这些中间目标 文件( o 文件或是o b j 文件) 来链接我们的应用程序。链接器并不管函数所在的 源文件，只管函数的中间目标文件( o b j e c t 文件) ，在大多数时候，由于源文件 太多，编译生成的中间目标文件太多，而在链接时需要明显地指出中间目标文 件名，这对于编译很不方便，所以我们要给中间目标文件打个包，在w i n d o w s 下这种包叫“库文件”( l i b r a r y 文