（计算机系统结构专业论文）cdma移动终端ui软件的设计与实现.pdf

摘要 摘要 随着信息技术的发展和数字化产品的普及，从消费电子到工业设备，嵌入式 系统被应用到网络、手持通信设备、国防军事等各个领域。嵌入式系统是以应用 为中心，以计算机技术为基础，其软硬件可配置，对功能、可靠性、成本、体积、 功耗有严格约束的一种专用系统。它是将先进的计算机技术、半导体技术和电子 技术以及各个行业的具体应用相结合的产物。 c d m a 移动终端产品的开发属于嵌入式应用开发范畴。本文简单介绍了嵌入 式处理器的应用，嵌入式操作系统，嵌入式系统开发的调试方法，移动终端的发 展近况以及本文的理论与实践背景；阐述了系统的总体结构，介绍了项目开发所 涉及的软、硬件平台以及嵌入式操作系统提供的服务和功能。 本文以移动终端系统的软件开发为研究对象，从系统分析、系统设计和系统 实现等几个方面入手，对移动终端软件的开发做了系统、全面的讨论。首先，基 于嵌入式实时操作系统r e x 的任务管理，研究了具有移动终端u i ( m m i ) 特性的 u i 模块的各项功能，并采用层次化有限状态机的理念，拟订出u i 任务的总体结构 方案。同时，设计开发了一些功能模块，包括数据结构定义，各种接口实现等。 然后，研究了以f l a s h 为存储介质，对数据的存储管理的实现；以l c d 为显示 媒介，对数据的显示管理的实现。接着研究了移动终端的多语言机制，设计并实 现了多语言文本的输入法及字符显示功能；最后，本文对c d m a 移动终端嵌入式 软件的分析、设计进行了评估与总结，并对未来的工作进行展望。 关键词：r e x 嵌入式操作系统、有限状态机、人机交互界面、输入法 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f t h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , e m b e d d e d s y s t e mh a s b e e na p p l i e dt on e t w o r k , m o b i l ed e v i c e ，n s t i o n a l d e f e n c e ，m i l i t a r ya f f a i r s e m b e d d e d s y s t e mi sas p e c i f i cs y s t e mt h a tc o n c e n t r a d so na p p l i c a t i o n ，i ti sb a s e do nc o m p u t e r t e c h n o l o g ya n d h a sr i g 讯r e s t r i c t i o nw i t hs o f t w a r ea n dh a r d w a r ei ns o m ef i e l d s ，s u c h a s , c o n f i g n r a b l e ，r e l i a b l e ，l o wc o s t ，s m a l lc u b a g ea n dl o wp o w e r i ti sap r o d u c tt h a t c o m b i n et oa d v a n c e dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , s e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g y , e l e c t r o n i c a l t e c h n o l o g ya n dm a n yo t h e rs p e c i f i ca p p l i c a t i o n s t h em o b i l et e r m i n a ld e v e l o p m e n t b e l o n g s t oe m b e d d e da p p l i c a t i o n i nt h i sp a p e r , e m b e d d e ds y s t e mw i l lb ei n t r o d u c e df i r s t l y , i n c l u d i n gt h em i c r o p r o c e s s o ri ne m b e d d e d s y s t e m ，e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m ，m e t h o do fd e b u g g i n gi ne m b e d d e ds y s t e m o ft h e e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m a r c h i t e c t u r eo ft h es y s t e mw i l lb ed i s c u s s e ds e c o n d l y ， i n c l u d i n gt h ep l a t f o r mo fh a r d w a r ea n ds o m v a r e ，t h es e r v i c eo ft h eo p e r a t i o ns y s t e m a n df u n c t i o n t h i sd i s s e r t a t i o nj u s tf o c u s e so nt h es o f t w a r e d e v e l o p m e n to ft h em o b i l e t e r m i n a l p r o d u c t i tm a k e s as u f f i c i e n td i s c u s so nt h es o f t w a r e d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o no ft h em o b i l et e r m i n a l f i r s t l yu p o nt h er e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m r e x ，w es t u d yt h em o d u l eo fu it a s k ，a d o 1 0 tt h ei n 1 e v e lf i n i t es t a t em a c h i n e m e c h a n i s m ，a n dg i v et h et o t a la r c h i t e c t u r ed e s i g no ft h eu it a s k ，a tt h es a l l l et i m e ， r e a l i z et h ef u n c t i o n a lr o u t i n e so ft h ea p p l i c a t i o n ，t h ed e f i n i t i o no fd a t as t r u c t u r e ，t h e d e s i g no fi n t e r f a c ee t c ；t h e n ，w es t u d yt h ea c c e s ss t r s t e g yd e s i g no ff l a s hd a t aa n d t h ed i s p l a yi m p l e m e n t a t i o nd e s i g no f l c d ；a n ds t u d ym u l t i l a n g u a g em e c h a n i s m ， d e s i g na n di m p l e m e n tt e x ti n p u tm e t h o da n dd i s p l a yo fm u l t i - l a n g u a g e ；f i n a l l y , i t e v a l u a t e st h ea n a l y s i sa n d d e s i g no fe m b e d d e ds o f t w a r ea n dm a k e sa s u m m a r y i ta l s o p r o s p e c t st h ef u t u r er e s e a r c ha tl a s t k e yw o r d s r e a l - t i m ee x e c u t i v eo p e r a t i n gs y s t e mf i n i t es t a t em a c h i n eu s e ri n t e r f a c e i n p u tm e t h o d i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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作了踢 确的说明并表示谢意。 签名： ：辊两楠 日期：2 0 0 年j 月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：程鱼盐导师签名：丕! 三 日期：z o o i 年7 月f 日 引言 1 1 课题研究背景及其意义 第一章引言 随着大规模集成电路和计算机技术的迅猛发展，现代社会己迈入了信息时代。 由于人类社会生活对通信技术尤其是对移动通信的需求越来越高，移动通信已经 成为各国通信技术发展的热点。 全球移动通信市场发展迅速，自九十年代中期以来，随着商用c d m a 数字无 线网络在全球的成功运营，c d m a 技术经过验证的性能引起了世界上对c d m a 作为一种蜂窝选择的广泛认可。除了提供清晰、高质量的话音服务外，c d m a 技 术也极大地提高了频谱利用率。因此，在充分考察了c d m a 技术出色的性能和潜 力后，国际电信联盟决定将c d m a 作为第三代移动通信的技术平台基础，并衍生 出c d m a 2 0 0 0 w c d m a 和t d s c d m a 等三大标准。随着3 g 牌照发放的日益 临近，通信领域的竞争将更加激烈。各大通信设备提供商纷纷加大对移动终端产 品的研发力度，不惜人力，物力和财力投入3 g 移动终端产品的研发工作。c d m a 技术是在3 g 平台上运营的关键技术，为更好地切合3 g 技术的发展潮流，c d m a 终端产品的发展也需要作出相应的调整和突破。 为了使企业能够在激烈的市场竞争中求得生存发展的空间，经济效益和技术 积累同样重要。只有在强大技术支持的基础上，企业的经济效益才能够得到保证， 企业的长远发展才会成为可能。通过自主的移动通信系统和终端的开发，企业才 会获得实际的开发经验，增加企业自身的技术实力。同时，企业更可凭借自己的 技术实力，开发出符合市场需求，具有企业自身特色的产品，进而赢得市场，占 据更大的市场份额。 对于我国的移动通信产业的发展来说，自主的移动终端产品开发，不但可以 使得国内企业具有自主开发移动终端产品的能力，更可以培养出大批的有实际经 验的技术人员，为我国的移动终端事业积累雄厚的技术实力和人力资源。另一方 面，随着移动通信技术在近年来的迅猛发展，基于嵌入式技术的移动终端系统研 发也由于其巨大的市场潜力，使得很多公司参与进来。这样，必定会带动一系列 的相关产业的发展、进步，对我国整体经济的发展起到巨大的推进作用。 现阶段，基于c d m a 2 0 0 0l x 标准( c d m a 2 0 0 0 标准的第一阶段) 网络，可研 电子科技大学硕士论文 制出固定台、公话、接入盒、监控系统、车载台和手机等移动终端产品。 1 2c o m a 移动通信发展历程 自1 9 9 3 年t i a ( 美国通信工业协会) 批准c d m a 为扩频数字蜂窝系统标准以 来，c d m a 技术得到迅速发展，呈后来居上之势。在北美地区，超过一半的用户 都在使用c d m a 移动终端，现在已经部署了c d m a 2 0 0 0 网络，为该地区用户提 供了更加优质的3 g 数据业务服务【l 】。 在亚洲地区，韩国是世界上第一个快速地部署c d m a 网络的国家，他们使韩 国国内的手机厂商在c d m a 手机生产上很快达到了规模经济的成果，并且把他们 的性能更加卓越、成本更低的手机出口到世界各地。韩国三家主要的运营商都已 经部署了c d m a 的网络，并且三家当中最大的两家s k t 和k t f 都把网络升级到 了c d m a 2 0 0 0 。日本移动通信市场刚开始发展的时候有运用非常广泛的p h s r 个 人手持电话系统) 和p d c ( 个人数字通讯) 的网络。现在日本三大运营商d o c o m o 、 v o d a f o n c 和k d d i 都己经使用了3 g 的技术，而且他们让大部分的p h s 和p d c 用户转到了3 g 的c d m a 上，自从部署了c d m a 2 0 0 0 以后，并且推出了相应的 手机和应用之后，过去几年中都新增了大量的用户，现在日本移动通信市场几乎 所有的增长都来自于3 g 技术1 2 3 1 。 从欧洲市场的角度来说，欧洲市场过去几乎是单一的g s m 技术主导的市场， 但是近年来，欧洲的一些主要运营商，比如v o d a f o n e 开始采取了一些非常重大的 步骤，朝向部署w c d m a 网络的方向前进。和记公司推出w c d m a 的服务，给 欧洲其他g s m 网络运营商施加了很大的压力，因为g s m 网络和c d m a 网络相 比效率低下，而且也没有足够的容量支持更快速服务的需求。因为他们要提供更 快速的数据服务，而且同时要提高他们的话音服务，也就是说在更低收费的水平 上继续保持话音服务的盈利，这样就要求运用新的技术，因此欧洲的g s m 运营 商纷纷转向w c d m a 。 我国1 9 9 3 年开展c d m a 蜂窝技术研究，1 9 9 4 年在天滓建立技术试验网，1 9 9 8 年具有1 4 万容量的长城c d m a 商用试验网在北京、广州、上海、西安建成，并 开始小部分商用。2 0 0 0 年1 0 月中国联通启动c d m a 网络建设，2 0 0 1 年1 2 月联 通新时空c d m a 网络建成，2 0 0 2 年1 0 月联通新时空c d m a 全国用户达到4 0 0 万，2 0 0 4 年则新增了8 8 7 万c d m a 手机用户，年底c d m a 手机用户突破了2 7 8 1 万户。联通在如此之短的时间之内，在一个2 g ( 第二代移动通信) 网络的基础上部 2 引言 署了c d m a 2 0 0 0 网络，而且与此同时推出了完整产品线的手机和应用开发商的群 体，他们的进步是非常引人注目的，同时也说明c d m a 的发展是非常迅速的1 3 j 。 c d m a 在世界各地取得了成功，其移动终端用户数量已经超过2 亿用户，其 中第三代移动通信c d m a 用户的数量超过了1 1 7 亿户，并且用户的数量在快速 增长中。 1 3 论文章节安排 本论文章节层次结构组织如下： 第一章引言，简要介绍了移动通信的发展历程，阐明了本课题产生的实 践背景和意义以及课题研究内容。 第二章嵌入式系统综述，阐述了嵌入式系统的概念、特点，系统硬件平 台和软件平台，同时也论述了嵌入式系统的开发调试方法。 第三章系统开发平台，首先阐述了系统硬件平台，然后介绍了软件开发 平台，重点研究了r e x 操作系统的任务管理及调度，以及移动终端软件 体系架构及启动流程。 第四章u i 任务的总体设计与实现，首先给出了u i 任务的总体设计，并 对设计的层次结构做了较为细致的描述，进而阐述了如何基于有限状态 机机制来进行u i 模块的任务设计，给出了实现的总体框架。 第五章数据存储及显示功能，首先介绍了f a l s h 文件存储系统，研究了 u i 任务是如何通过n v 任务提供的接口实现数据存储的，接着介绍了 l c d 屏的显示管理，研究了具体和u i 相关的显示功能是如何实现的。 第六章多语言文字输入及显示，本章主要研究了移动终端上多语言版本 的设计，以及u i 任务中输入法模块的具体实现，包括字符在l c d 屏上 的显示原理。 第七章总结和展望，总结了论文所完成的工作和做整个项目的心得，提 出了下一步研究和开发的任务。 电子科技大学硕士论文 第二章移动终端与嵌入式系统开发概述 2 1 移动终端系统 2 1 1 移动终端的基本概念 移动终端是一种采用先进通信协议、具有与许多网络供应商设备的互操作性、 自身具有无线通信等许多功能的复杂嵌入式系统。而且，所有这些都必须在一个 资源有限的软硬件平台下实现。 c d m a 移动终端是c d m a 移动通信网中用户使用的设备，类型主要有车载 台、固定台和手机等。 c d m a 移动终端除了提供通过无线接口进入c d m a 系统的常规无线通信功 能和相关处理功能外，还必须提供与使用者之间的接口。比如提供通话呼叫所需 的话筒、扬声器、显示屏和键盘；进行数据通信时还需要提供与其它一些终端之 间的接口，如与个人计算机之间的接口。 c d m a 移动终端的另外一个重要部分是u i m 卡，c d m a 系统通过u i m 卡来 识别用户，u i m 卡的应用使移动终端的应用不是固定的束缚于一个用户，同时也 为运营商的管理带来了便捷。 2 1 2 移动终端软件的功能 移动终端软件属于嵌入式实时软件，它应首先在功能和性能上满足用户需求， 其次，个性化的人机界面也是必须的。具体来说，应具有如下特点： 功能上，应满足相应移动通信的标准，如呼叫、短信等服务，还须完成诸如 文本字符的编辑、音量调节等非规定性功能。要完成这些服务和功能，当然 需要一些功能性底层模块： a ) 操作系统及其抽象层： b ) 硬件驱动与抽象模块； c ) 存储管理模块； d ) 无线通信协议栈； e ) 一些资源性模块( 如字符串、图标、日期时间格式转换模块) 。 4 移动终端与嵌入式系统开发概述 性能上，最主要的要求是软件的实时性、健壮性。实时性是以普通用户感受 不到的操作延迟为标准。健壮性则尽量将软件的故障( b u g ) 概率控制在一个很 小的范围内。 人性化设计上，要求软件界面丰富、个性化强、易操作，u i ( 人机界面模块) 的设计应以此为目标。 因此，软件开发应遵循如下原则： 1 ) 功能完备和软件的可扩展性 移动终端需要具有必备的业务和附加业务功能，而且软件功能可根据需要进 行扩展功能和配置。 2 ) 及时响应 这是对软件实时处理的要求，以普通用户能容忍的程度为限。 3 ) 健壮性 软件模块应具有较强的安全机制和容错机制。 4 ) 复用性 一种软件解决方案的确立、设计和完成需要投入巨大的人力，软件解决方案 一般要移植到同一档次的多款机型上，因此软件可复用很重要。 5 ) 易调试性 由于移动终端软件都比较庞大，而且采用的是交叉调试方法，对样的嵌入式 实时软件，调试的任务将非常艰巨。因此，良好的编码风格有助于程序的调试。 另外，通用软件上成熟的调试技巧也可用于软件的调试。 6 ) 界面人性化 人性化的界面将体现以人为本的设计理念。从技术实现上，可包扩图形界面、 用户提示音等，将给用户以亲切感，从而增加商业卖点。 2 1 3 移动终端的嵌入式特征 作为一种嵌入式应用系统，c d m a 移动终端系统具有以下的一些嵌入式系统 特征： 体积小 在智能化设备、仪器仪表、信息家电等应用场合，出于对产品的体积、成本 等因素的考虑，一般要求将计算机控制部分安装在系统内部，并且要求所占用的 空间尽可能的小。 良好的性价比 电子科技大学硕士论文 嵌入式系统要求开发周期短，性能优越，良好的性价比是在市场上取得优势 的关键，这也是嵌入式系统设计的目标之一。 存储容量小 嵌入式系统中一般没有硬盘等设备，而以r o m 和闪存f l a s h 作为存储介质， 由于闪存的价格一般比较昂贵，并且嵌入式应用要求其体积尽可能小，故其容量 一般不能很大。 实时性强 实时嵌入式系统对时间特性的要求非常严格。在一些实时应用系统中，超过 了一定的时限，即使得出了所需的结果，但效果和没有得出结果是一样的，对系 统没有作用甚至是有害的。 2 1 4 移动终端的发展趋势 随着通信产业的飞速发展，移动终端的概念也在逐渐发生变化。它的功能早 已超出了移动电话本身的定义，其应用日益多样化，对整个系统的软硬件资源要 求不断提高。除了话音通信功能外，它还具备数据通信和数据计算功能。这就要 求移动终端数据处理能力要不断增强。因此，以后的智能终端上一般都采用双 c p u 结构，围绕这两个c p u 形成移动智能终端中的两个子系统：通信子系统和 应用子系统 4 1 。其中通信子系统适应各种无线接口协议标准，选择适当的移动通 信网络，建立和维持网络连接，实现话音和数据通信。应用子系统负责管理存储 器、外围设备、外部接口等系统资源，运行应用程序，提供用户界面，此外还包 括终端的电源管理。如此强大而复杂的硬件资源势必需要系统化管理，因此单独 的智能移动终端操作系统也就成为大势所趋。它主要完成诸如进程、内存、外部 设备等系统资源的调度和管理，并为上层应用软件平台提供服务，在操作系统之 上可以执行各种各样的应用程序。无线移动终端发展到了智能终端后就产生了类 似p c 机的明确的逻辑结构。 2 2 嵌入式技术 2 2 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适应应 用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。它一般 6 移动终端与嵌入式系统开发概述 由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统及用户应用程序等几部分组 成。 嵌入式系统的定义可从以下几个方面来理解： 1 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合才 会具有生命力，才更具有优势。 2 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术以及各行业的具体 应用相结合的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分 散、不断创新的知识集成系统。 3 嵌入式系统必须能够根据应用需求对软硬件进行裁减，满足应用系统的功能、 可靠性、成本、体积等要求。 嵌入式系统主要分为两个部分：嵌入式硬件部分和嵌入式软件部分。嵌入式 硬件部分主要由嵌入式处理器、嵌入式外围设备等构成；嵌入式软件部分主要由 嵌入式操作系统，嵌入式开发调试环境和嵌入式应用软件构成。 嵌入式系统具有以下几个特征【7 l ： 1 微内核。由于嵌入式系统一般应用于小型电子装置、系统资源相对有限，所以 内核较之传统p c 机上的操作系统要小得多。比如美国高通公司开发的嵌入式操 作系统r e x ，内核不到5 k b ，而w i n d o w s 的内核则要大好几个数量级。 2 高实时性的操作系统软件是嵌入式软件的基本功能要求。而且软件要求固化存 储，以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性。 3 嵌入式软件开发要想走向标准化就必须使用多任务的操作系统。简单的嵌入式 系统的应用程序可以在没有操作系统的支持下直接在芯片上运行，但是功能复杂、 实时性强、要求高可靠的嵌入式系统就要使用多任务的操作系统。为了合理地调 度多任务，利用系统资源、系统函数以及专家库函数接口，用户必须使用 r t o s ( r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 开发平台，这样才能保证程序逻辑执行的实时 性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。 4 嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境。嵌入式开发不同于桌面应用程序 的开发，嵌入式系统本身不具备自主开发能力，一般都是通过交叉调试模式来开 发，因此对于嵌入式开发工具也有特殊的要求，特别对调试器部分。有很多硬件 平台的目标处理器提供特殊的调试模式如j t a g 等调试，因此调试器必须提供对 这些调试模式的支持。开发时往往有宿主机和目标机的概念，宿主机用于程序逻 辑的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行，来调试和下载 代码。 电子科技大学硕士论文 5 多样化，广泛化。嵌入式系统己应用到社会的各个领域。如信息家电、工业控 制、通信和智能终端等。嵌入式应用的多样化主要体现在嵌入式设备主控芯片和 外围设备的多样化，目前嵌入式设备的主控芯片类型包括四类：微控制器、嵌入 式处理器、d s p 处理器和片上系统s o c 。就嵌入式处理器而言有很多系列。如： 3 8 6 e x 、p o w c r p c 、m p c 系列、m i p s 、a r m 等。嵌入式外围设备种类繁多，而 且不同的嵌入式应用有不同的外部设备，为了支持这些不同的外部设备就必须有 这些不同设备的b s p ( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ) 。 6 面向特定应用。嵌入式系统通常是面向特定应用的，嵌入式c p u 与通用型的 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。它通常都具有 低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用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，移动能力大大增强，跟 网络的耦合也越来越紧密。 7 软件重用性。嵌入式系统应用最早是基于单片机的简单控制应用，因为单片机 上的资源有限性，因此在程序上采用的是前后台的控制设计。但这种程序设计方 式己经不能满足特定和复杂的嵌入式应用，现在很多嵌入式应用都引入了嵌入式 操作系统，利用嵌入式操作系统提供的特有的机制来满足嵌入式一些特定的应用。 如多任务运行、实时控制和可靠冗余处理。因此需要在嵌入式操作系统之上提供 一个抽象层以提供给应用软件一致的接口，保证应用软件的可移植性。同时随着 嵌入式硬件平台的多样化，也需要提供硬件抽象层以保证高层软件组件的可重用 性。 2 2 2 嵌入式系统硬件平台 整个嵌入式系统的开发涉及两方面：硬件部分与软件部分。硬件部分提供整 个系统开发可见的或可触摸的“实体”，而软件部分相当于这个“实体”内部的功 能逻辑。嵌入式系统的开发对硬件要求非常高，这与其他类型系统的开发有所不 同。许多嵌入式的开发都是针对具体的应用，针对项目中特定的硬件资源，如： 微处理器、f l a s h 、外围接口等。这样程序员就需要熟悉系统中的硬件资源，比 如涉及到一些底层编程，就需要知道系统处理器提供的指令集；要编写外设驱动， 就需了解外设的控制逻辑；要对f l a s h 编程，就需要知道f l a s h 编程的指令系 列和流程等。下面详细介绍了嵌入式系统硬件平台部分。 一个目标硬件平台主要分三部分：处理器核心，芯片内的外围电路，板级外 围电路。它的体系框图如图2 1 所示。 移动终端与嵌入式系统开发概述 图2 1 硬件平台的体系图 处理器核心指的是整个芯片的核心电路即c p u 的内核，如a r m 体系结构的 a r m 7 t d m i 内核，p o w e r p cm p c 8 6 0 处理器的e e p cc o r e 等。芯片内的外围 电路指的是封装在芯片内的些电路如看门狗电路、定时器分频电路等。板级外 围电路就是与处理器芯片交互的外围电路，通常这些电路是根据处理器的特性和 具体的应用而定制的外围电路。嵌入式操作系统基于该硬件平台，必须正确设置 和初始化阻上三个部分。 对于处理器核心部分而言，嵌入式内核必须正确设置处理器的工作模式，必 须正确使用相关寄存器等；对于芯片内的外围电路而言，嵌入式内核必须按照正 确初始化流程使能芯片内的外围电路工作；对于板级外围电路，一般由专门的b s p 来解决这些板级外设的初始化，嵌入式操作系统需要提供丰富的b s p 来支持各种 硬件平台的外设驱动。 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，嵌入式处理器作为系统 的控制中枢，通过控制总线、数据总线和地址总线与各种外部接口相连。 嵌入式微处理器是经过改造的通用计算机中的m p u 。在应用中，将微处理器 装配在专门设计的电路板上，然后在电路板上配上必要的扩展外围电路，如存储 器的扩展电路、i o 的扩展电路和一些专用的接口电路等，这样就可完成嵌入式 系统的一些功能。嵌入式微处理器虽然在功能上与标准微处理器基本相同，但在 降低功耗、逻辑密度、。工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增 强。与工控计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、功耗低、成本低等优点， 但是，在电路板上必须包括r o m ，r a m ，f l a s h 、总线接口、各种外设等器件，从 而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。 电子科技大学硕士论文 总的来说，嵌入式微处理器一般具备以下几个特点： 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的执行时间减少到最低限度。 具有功能很强的存储保护功能。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。 可扩展的处理器结构，以便能迅速地开发出满足应用的高性能的嵌入式微处 理器。 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。 嵌入式外围设备是指在一个嵌入硬件系统中，除了中心控制部件( e m u ，m c u , d s p , s o c ) 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分为以下三类： 存储器类型：静态易失型存储器( r a m ，s r a m ) 、动态易失型存储器( d r a m s ) 、 非易失型存储器( 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 以可擦写次 数多，存储速度快，容量大，价格便宜等优点在嵌入式领域中都有着广泛的应用。 接口类型：目前存在的大多数计算机接口在嵌入式领域中都有着广泛的应用， 特别是r s 2 3 2 接口、u s b 接口和以太网接口等应用较广泛。 显示器件：c r t 、l c d 和触摸屏等外围显示设备。 2 2 3 嵌入式系统软件平台 嵌入式系统软件包括嵌入式操作系统、设备驱动、软件开发工具和嵌入式应 用软件四个层次。 由于嵌入式系统都是实时性系统，所以要求嵌入式系统的软件应具有实时性、 异步事件的并发处理、应用操作系统一体化、应用程序可固化、高可靠性、高容 错性、灵活性、安全性。 在大型的嵌入式系统中，为了使开发更方便、快捷，需要相应的管理存储器 分配、中断处理、任务间通信和定时器响应，并提供多任务处理等功能的稳定、 安全的软件模块集合，即嵌入式操作系统。嵌入式操作系统是一种用途广泛的系 统软件，负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、调度，控制和协调各部件 的工作。嵌入式操作系统与一般操作系统相比，在系统实时高效性、硬件的相关 1 0 移动终端与嵌入式系统开发概述 依赖性、软件固化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。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 也占有了宝贵的系统资源。一般在比较大型或极为复杂的应用场合可考虑使用嵌 入式操作系统。 由于嵌入式系统的软件开发受到时间、空间开销的限制，常常需要在专门的 开发平台上进行软件的交叉开发。在这种独立的软件开发系统上，应配备完整的 软件开发工具，如高级语言编译器、在线调试器和在线仿真器等。嵌入式软件开 发环境是嵌入式软件开发中重要的系统软件，一般与嵌入式操作系统一起，作为 一种专用软件，其技术含量高，价格也较贵。 2 2 4 嵌入式操作系统 通用计算机具有完善的操作系统和应用程序接_ a ( a p l ) ，是计算机基本组成不 可分离的一部分，应用程序的开发以及完成后的软件都在操作系统平台上面运行， 但一般不是实时的。嵌入式系统则不同，应用程序可以没有操作系统直接在芯片 上运行。但是为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函 数接口，用户必须自行选配r t o s 开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、 可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。 实时多任务操作系统( r t o s ) 是嵌入式应用软件的基础和开发平台。它的引入 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，一般在比较大型 或复杂的应用场合要考虑使用嵌入式实时多任务操作系统。r t o s 是一段嵌入在 目标代码中的软件，用户的其它应用程序都建立在r t o s 之上。不但如此，r t o s 还是一个可靠性和可信性很高的实时内核，将c p u 时间、中断、i o 、定时器等 资源都包装起来，留给用户一个标准的a p i ，并根据各个任务的优先级，合理地 在不同任务之间分配c p u 时间。 r t o s 是针对不同处理器优化设计的高效实时多任务内核，优秀商品化的 r t o s 可以面对几十个系列的嵌入式处理器m p u 、m c u 、d s p 、s o c 等提供类 同的a p i 接口，这是r t o s 基于设备独立的应用程序开发基础。因此基于r t o s 上的c 语言程序具有极大的可移植性。据专家测算，优秀r t o s 上跨处理器平台 的程序移植只需要修改1 5 的内容。在r t o s 基础上可以编写出各种硬件驱动程 序、专家库函数、行业库函数、产品库函数，和通用性的应用程序一起，可以作 为产品销售，促进行业内的知识产权交流，因此r t o s 又是一个软件开发平台。 r t o s 最关键的部分是实时多任务内核，它的基本功能包括任务管理、定时器管 电子科技大学硕士论文 理、存储器管理、资源管理、事件管理、系统管理、消息管理、队列管理等。这 些管理功能是通过内核服务函数形式交给用户调用的，也就是r t o s 的a p i 。r t o s 的引入，解决了嵌入式软件开发标准化的难题。随着嵌入式系统中软件比重不断 上升、应用程序越来越大，对开发人员、应用程序接口、程序档案的组织管理成 为一个大的课题。引入r t o s 相当于引入了一种新的管理模式，对于开发单位和 开发人员都是一个提高。基于r t o s 开发出的程序，具有较高的可移植性，实现 百分之九十以上的设备独立，一些成熟的通用程序可以作为专家库函数产品推向 社会。嵌入式软件的函数化、产品化能够促进行业交流以及社会分工专业化，减 少重复劳动，提高知识创新的效率。嵌入式工业的基础是以应用为中心的芯片设 计和面向应用的软件开发。r t o s 进入嵌入式工业对嵌入式软件的标准化和加速 知识创新具有很重要的意义。 2 2 5 嵌入式系统的设计要求 嵌入式系统的设计不同于通用计算机系统的设计。主要体现在：嵌入式系统 的设计受限于功能和具体的应用环境，如对外部时间必须保证在规定的时间内做 出响应；有体积、重量的限制；功率消耗、散热必须符合环境要求：需要有良好 的安全性、可靠性，系统本身的成本需求等。下面是进行嵌入式系统设计时需要 重点考虑的几个因素。 实时性要求 由于嵌入式系统面向特定的用户，有的不仅要求得到正确的结果，而且对得 到结果的时间延迟也有明确的限制，如“信号处理系统”、“紧急任务处理系统” 等都是实时性要求很强的系统，因此设计时必须充分考虑到系统的实时性要求。 可靠性要求 嵌入式系统需要完成某些特定的任务或功能，严重的人为误操作、设备的损 坏等都会造成系统的瘫痪，因此对于其本身要求具有较高的可靠性。 功耗要求 嵌入式系统面向应用的特点决定了嵌入式系统必须在一定条件下满足便携的 要求，而这又对整个系统的功耗提出了要求。只有功耗低的嵌入式系统才能更加 方便持久的应用于许多领域，如移动通信设备、便携式设备等需要电池供电的设 备。 环境适应能力 嵌入式系统的工作环境往往是不可控、难预测的，而且有时还比较恶劣。特 移动终端与嵌入式系统开发概述 别是强电源、冲击源、强光源、电磁场等，都会对系统产生影响。因此在设计嵌 入式系统时应当充分考虑如何减小甚至消除各种各样的可以预料的或不可预料的 干扰。 系统成本要求 成本对于任何一个系统来说都是一个关键因素，嵌入式系统也不例外，因此 在设计嵌入式系统时应当在满足系统要求的前提下尽可能的降低成本，这样的系 统才会有竞争力。 2 2 6 嵌入式开发环境 整个嵌入式系统的开发离不开嵌入式系统的调试工具和优秀的开发平台，这 里指的嵌入式调试包括硬件调试、软件调试、模拟调试等。嵌入式开发工具包括 嵌入式编译器，链接器，调试器等。当嵌入式操作系统由一种硬件平台移植到另 一种硬件平台，相应的嵌入式开发工具也需要做相应的修改。 对于嵌入式系统的开发，调试机制是非常重要的，下面介绍在嵌入式开发中 一些常见的调试机制。 实时在线仿真系统i c eo n c i r c u i te m u l a t o r ) 在计算机辅助设计非常发达的今天，实时在线仿真系统o c e ) 仍是进行嵌入式 应用系统调试最有效的开发工具。i c e 通过实际执行，可以对应用程序进行原理 性检验，排除以人的思维难以发现的设计逻辑错误。i c e 的另一个主要功能是在 应用系统中仿真微控制器的实时执行，发现和排除由于硬件干扰等引起的异常执 行行为。此外，高级的i c e 带有完善的跟踪功能和逻辑分析，可以跟踪和分析应 用系统的实际状态变化、微控制器随状态的变换反应等。 嵌入式应用跟硬件是密切关联的，不同的嵌入式应用涉及到不同的硬件，从 而给嵌入式调试带来了不便。在不同的嵌入式硬件系统中，存在各种异变和事先 未知的变化，这就给微控制器的指令执行带来了各种不确定性，这种不确定性只 有通过i c e 的实时在线仿真才能发现，特别是在分析可靠性时要在同样条件下多 次仿真，以发现偶然出现的错误。这也正体现了实时在线仿真调试的优越性。i c e 不仅是软件硬件排错工具，同时也是提高和优化系统性能指标的工具。现在这种 集成开发系统比较多。 在我所做的项目中，主要使用的是t r a c e 3 2 一i c d ，t r a c e 3 2 一i c d 仿真器是 德国l a u t e r b a c h 公司生产的。t r a c e 3 2 i c d 系列j t a g 仿真器产品是目前支持c p u 最多、系列最完整的通用开发工具。它可通过并口、u s b 口和以太网口与主机连 电子科技大学硕士论文 接，j t a g 主频保持目前全球最高，因而代码下载速度非常快。它有独特的技术， 保证其逻辑追踪模块具有强大的调试功能。另外，t r a c e 3 2 一i c d 支持目前任何一 种编译工具和任何一种商用操作系统( r 1 o s ) ，甚至用户自己编写的r t o s ，也 能够得到相应的工具包来支持。 作为调试工具，t r a c e 3 2 i c d 具有以下基本功能： 1 单步、多步或全速执行程序； 2 在汇编和高级语言上设置程序软件或硬件断点，在任意地址或地址范围上设置 访问断点、地址描述符断点、驻留断点； 3 基于地址数据内容的事件触发，基于记时，1 己i 数器的事件触发，基于各种断点 的触发，外部触发输入输出； 4 程序执行过程的追踪记录； 5 程序性能分析，测量程序的执行时间； 6 程序的覆盖率分析； 7 r t o s 任务级调试。 m o n i t o r 调试 在嵌入式系统开发中，有一个很有特色的术语“m o n i t o r ”，它实际是一段监 控程序。这段监控程序主要完成接受宿主机传送过来的控制命令，然后对其解析， 并在目标机上执行，并把目标机的一些结果和状态反馈给宿主机。m o n i t o r 这种调 试中的监控功能可由监控程序来完成，也可由具体的硬件来完成，即将监控功能 用硬件来实现。使用硬件完成监控功能的这种调试尽管成本较高，但调试起来比 较可靠和稳定。如果用一段监控程序来监控，首先就需要将这段监控程序下载到 目标系统中，占用目标机资源。相对而言，这种监控程序调试很方便，但在调试 过程容易发生地址冲突，有时表现不稳定( 有可能用户的程序将监控程序覆盖，从 而影响监控程序的执行) 。 模拟调试 源程序模拟器是在广泛使用的、人机接口完备的工作平台上( 如小型机和 p c ) ，通过软件手段模拟目标程序在某种嵌入式处理器上执行的一种程序逻辑验 证工具。简单的模拟器可以通过指令解释方式逐条执行源程序、分配虚拟存储空 间和外设供程序员检查；高级的模拟器可以利用计算机的外部接口模拟出处理器 的i o 电气信号。不同档次和功能模拟器工具价格差距巨大。 模拟器软件独立于处理器硬件，一般与目标编译器集成在同一个环境中，是 一种有效的源程序检验和测试工具。但值得注意的是，模拟器毕竟是以一种处理 移动终端与嵌入式系统开发概述 器模拟另一种处理器方式运行，在指令执行时间、中断响应、定时器等方面很可 能与实际处理器有相当大的差别。另外，它无法像i c e 一样仿真嵌入式系统在应 用系统中的实际执行情况。 以上是对几种调试方式的介绍。嵌入式系统的调试是非常重要的，嵌入式系 统的这几种调试本身也是嵌入式系统开发特点的体现。只有掌握好嵌入式调试方 式，才能更有利于嵌入式系统的开发。 电予科技大学硕士论文 3 1 平台硬件环境 第三章系统开发平台 平台硬件环境采用美国高通公司设计的芯片组，主要由三部分组成。一部分 是m s m 3 0 0 0 主芯片，一部分是r f r 3 0 0 0 ，另一部分是r f t 3 1 0 0 。m s m 3 0 0 0 是 核心处理区，r f r 3 0 0 0 负责射频接收，r f t 3 1 0 0 负责射频发射。主处理器m s m 3 0 0 0 里又分为v o c o d e r , c o d e s d e e ，a r