（控制理论与控制工程专业论文）基于嵌入式linux车载仪表的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 汽车仪表集中了全车的仪表，它好像一扇窗口，显示了汽车的运行状况， 在行车过程中起到了重要的作用。汽车的故障诊断、全球导航和定位系统的大 量、复杂的信息服务已开始装备到汽车上，传统的汽车仪表已经不能胜任。随 着计算机技术的不断进步、汽车电子的发展和嵌入式技术的广泛应用，汽车仪 表开始走向数字化、集中化、智能化之路。 本文根据未来车载仪表的功能需求，设计了基于a r m 7 和1 t c l i n u x 的车载仪 表系统，该系统按照嵌入式系统设计思想。硬件平台采用了三星公司的 s 3 c 4 4 b o x 作为处理器，并且扩展了c a n 通信接口电路。软件设计包括g c l i n u x 开发环境的构建、驱动程序的开发、图形用户界面的开发和嵌入式数据库移植。 仪表通过下位机各智能节点实时采集整车信息，c a n 总线将这些智能节点 连接起来，而系统的核心处理单元从c a n 总线上获取信息。将c a n 总线技术 引入到汽车仪表的设计中，实现车况数据的传输，主要是因为越来越多的电子 和电器设备被应用到汽车上，导致了汽车上的电器系统越来越复杂，随之带来 了许多问题。为了解决这些问题，汽车网络和总线技术应运而生，并得到了很 大的发展。 仪表将信息处理过后具有两种流向，一种是以图形界面的方式将信息进行 动态的显示。通过操作按键驾驶员可以切换界面来获取不同的车况信息，还可 以通过按键设置参数来控制汽车。另外就是将车况信息保存到系统中设计的嵌 入式数据库中。 研究表明，基于a r m 7 和i ，t c l i n u x 的车载仪表系统是可行的并且能够很好满 足未来汽车的需求。 关键词：车载仪表，嵌入式操作系统，图形用户界面，嵌入式数据库 武汉理t 大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t “k eaw i n d o w , v e h i c l e si n s t r u m e n td i s p l a y st h ec o n d i t i o no fa u t ow h i c hp l a y sa v e r yi m p o r t a n tr o l e i n t h ec o u r s eo ft r a v e l i n g w i t hf a u l td i a g n o s i s g l o b a l n a v i g a t i o na n dg p sa s s e m b l e do nt h ev e h i c l e t r a d i t i o n a lv e h i c l e si n s t r u m e n tc a n t a f f o r da n ym o r e b u tw i t ht h ep r o g r e s so fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h ed e v e l o p m e n to f a u t o m o t i v ee l e c t r o n i c sa n dt h ew i d e ra p p l i c a t i o no fe m b e d d e dt e c h n o l o g y t h e v e h i c l e si n s t r u m e n ti so nt h er o a d o fd i g i t a l c o n c e n 仃a t i v ea n di n t e l l e c t u a l i z e d a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n a ln e e do ft h ev e h i c l e si n s t r u m e n t t h i sd i s s e r t a t i o n d e v e l o p e das y s t e mb a s e do na r m 7a n dl a c l i n u x t h i ss y s t e mi sd e s i g n e du n d e rt h e t h i n k i n go fe m b e d d e ds y s t e m h a r d w a r ep l a t f o r mt a k es 3 c 4 4 b o xa sp r o c e s s o r p r o d u c e db ys a m s u n ga n de x t e n dc a n c o m m u n i c a t i o n si n t e r f a c ec i r c u i t s t h ed e s i g n o fs o f t w a r ei n c l u d et h ec o n s t r u c t i o no f p c l i n u xd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，t h e d e v e l o p m e n to fd r i v e r s ，g u ia n dt h ep o r t i n go fe m b e d d e dd a t a b a s e t h r o u g ht h ei n t e l l i g e n tn o d ec o l l e c t i n gr e a l t i m ei n f o r m a t i o n c a nb u sw i l l l i n ku pt h e s ei n t e l l i g e n tn o d e t h ep r o c e s s o ru n i t sa c c e s si n f o r m a t i o no nt h ec a nb u s c a nb u st e c h n o l o g yw i l lb ei n t r o d u c e di n t ot h es y s t e mi no r d e rt oa c h i e v ed a t a t r a n s m i s s i o n , m a i n l yb e c a u s eo fag r o w i n gn u m b e ro fe l e c t r o n i ca n de l e c t r i c a l e q u i p m e n th a sb e e na p p l i e dt ot h ea u t o ，r e s u l t i n gi nt h ee l e c t r i c a ls y s t e r nm o r ea n d m o r ec o m p l e x t os o l v et h e s ep r o b l e m s v e h i c l e sb u st e c h n o l o g yc a m ei n t ob e i n g , a n dh a v em a d eab i gp r o c e s s a t i e rt h ei n f o r n l a t i o nh a v eb e e np r o c e s s e d o nt h eo n eh a n dt h ei n f o r m a t i o nw i l l b ed i s p l a y e db yg r a p h i c s o nt h eo t h e rs i d e i n f o r m a t i o nw i l lb es t o r e dt ot h ed a t a b a s e t h r o u g hr e s e a r c h v e h i c l e si n s t n m l e n ts y s t e mb a s e do na r m 7a n di - t c l i n u xi s f e a s i b l ea n du s e f u l k e yw o r d s ： v e h i c l e si n s t r u m e n t ，e o s ，g u i ，e m b e d d e dd a t a b a s e 武汉理 二大学硕十学位论文 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 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：- 二荦咋e t 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，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：至函五聿导师签名： 武汉理1 ：大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着计算机技术的不断进步、汽车电子的发展和嵌入式技术的广泛应用， 汽车的故障诊断、全球导航和定位系统的大量、复杂的信息服务已开始大量装 备到汽车上，汽车电子仪表作为信息显示终端将完全能够胜任这些任务。汽车 电子仪表显示装置不仅具有能提供大量、复杂的信息的优点，而且还具有高精 度和高可靠性、一表多用的功能、外形设计自由度高、满足小型、轻量化的要 求等特点，电子仪表显示装置具有非常广阔的发展空间。 未来的汽车仪表的功能将不局限于现在的车速、里程、发动机转速、油量、 水温、方向灯指示，将会增添一些功能，比如带e c u 的汽车仪表智能化：能指 示安全系统运行状态，如轮胎气压、制动装置、安全气囊、安全带等，这些信 号传输形式，将不再是简单的开关接通和断开直流信号，而是包含反映这些安 全装置工作状态较多信息的调制信号，供e c u 读取，以便e c u 能准确地综合 判断这些安全装置的工作状态，并给出故障显示提醒驾驶员，或指导维修人员 排除故障。将防盗系统纳入汽车仪表e c u 的监管下，如车门、后行李箱等处防 盗锁指纹识别开启系统，防撬振动报警装置，防盗点火起动装置等。 “综合信息系统 将是汽车仪表的新走向，这种仪表系统以液晶显示器为 基础，车内通信与互联网相连，乘员室内各操纵件通过语音进行控制。汽车收 音机、d v d 光播放机和音响设备等构成乘员室配置部分。构成信息通信系统的 主要部件有：漫游器、移动电话、电子邮件和国际互联网终端、视频或电子游 戏中控台等。 自动导航和定位系统，它也将是未来汽车仪表上不可缺少的部分，包括全 球卫星定位系统和电子地图等。具备完善的通讯系统，将来汽车上的计算机系 统会与公共互连网相连，以便充分共享信息资源，处理通讯作业将是汽车仪表 计算机系统工作内容的一部分。此外汽车仪表的计算机系统具备对空调等舒适 性设备进行监管的功能，可以自动控制这些设备或支持驾驶员远程操纵。 武汉理工大学硕+ 学位论文 1 2 课题研究的国内外现状 嵌入式l i n u x ： 在r r 业，如果要问当今最热门的话题是什么 2 】，从事硬件开发的人会毫不 犹豫地回答：信息家电；从事软件开发的人同样也会毫不犹豫地回答：l i n u x 。 事实上，当人们在谈论p d a 、手持电脑、机顶盒时，后p c 时代就到来了，或者 说信息家电时代到来了。信息家电之所以直到现在才变得火爆，一个很重要的 原因就是l i n u x 的加入。廉价的l i n u x 资源与信息家电结合，真正宣告了信息家 电时代的到来，嵌入于信息家电( 或其他设备) 中的l i n u x 秦嵌入式l i n u x ，是国 际软件界的一个新宠。l i n u x 是个天生的网络操作系统，成熟而且稳定。l i n u x 是开放源代码的，任何人都可以修改它，或者用它开发自己的产品。l i n u x 系统 是可以定制的，系统内核最小时目前只有1 3 4 k b 。一个带有中文系统以及图形化 界面的核心程序也可以做到不足1 m b ，而且同样稳定。因此，l i n u x 作为嵌入式 系统新的选择，是非常有潜力的【3 】。 国际上有数以百计的嵌入式l i n u x 开发计划，在国内，这方面的发展也有了 较大进展。博利思软件公司在这方面做了一些有益的尝试，并于最近推出了一 个嵌入式l i n u x 操作系统p o c k e t l x 预览版( 下载网址为：w w w p o c k e t i x e o m s o f t w a r e s o f t w a r e h t m 。) 。p o c k e t l x 是一个内核基于标准l i n u x 的嵌入式操作系 统，由一个体积很小的内核及一些可以根据需要进行定制的系统模块组成。其 系统占用空间小、启动速度快、稳定性好，并具有多任务、多线程的特征。与 传统的嵌入式系统相比，p o c k e t l x 采用标准的l i n u x 结构，所有运行在标准l i n u x 下的应用软件都可平滑移植到该系统上。 嵌入式g u i ： 越来越多的嵌入式系统，包括p d a 、机顶盒、w a p 手机等系统均要求提供 全功能的w e b 浏览器。而这一切均要求有一个高性能、高可靠的g u i 的支持。 另外一个急需轻量级g u i 的是仪表和控制系统。这些系统一般建立在标准 p c 平台上，硬件条件相对嵌入式系统要好，但对实时性的要求非常高，并且比 起嵌入式系统来说，对g u i 的要求也更高。这些系统一般不希望建立在庞大累 赘的、非常消耗系统资源的操作系统和g u i 之上，比如w i n d o w s 或xw i n d o w 。 目前许多这类系统都建立在d o s 等系统上，尤其在r t - l i n u x 系统出现之后，许 多工业控制系统开始采用r t - l i n u x 作为操作系统，但g u i 任然是一个问题。x 2 武汉理工大学硕士学位论文 w i n d o w 太多庞大和臃肿。所以，这些系统对轻型g u i 的需求更加突出。 但是，必须清楚的是，嵌入式系统往往是一种定制设备，它们对g u i 的需 求也各不相同。有的系统只要求一些图形功能，而有些系统要求完备g u l 支持。 因此，g u i 也必须是可定制的。 尽管实时嵌入式系统对g u i 的需求越来越明显，但目前g u i 的实现方法各 有不同。 a 某些大型厂商有能力自己开发满足自身需要的g u i 系统。 b 某些厂商没有将g u i 作为一个软件层从应用程序中剥离，g u i 的支持逻 辑由应用程序自己来负责。 c 采用某些比较成熟的g u i 系统，比如m i n i g u i 、m i c r o w i n d o w s 或者其 它g u i 系统。 嵌入式数据库： 嵌入式数据库技术目前已经从研究领域向应用领域发展，各种嵌入式移动 数据库产品纷纷涌现。尤其是对移动数据处理和管理需求的不断提高，紧密结 合各种智能设备的嵌入式移动数据库技术已经得到了学术界、工业界、汽车电 子等各方面的重视，不断实用化。目前，嵌入式数据库的开发成为国内外嵌入 式系统开发中的一个热点，一方面，随着嵌入式设备硬件处理能力的越来越强， 对数据处理和存储的要求越来越高，并且数据库作为一个有效的工具，可以大 幅度的提高嵌入式设备的工作效率和工作能力。目前国内外在嵌入式数据库的 实现上也无非两种方案：一种是对现有的p c 体系结构中的数据库进行修改和移 植，使其满足嵌入式系统中的运用。另外一种就是从头开发，根据数据库理论 并结合嵌入式设备的特点来实现一个适合嵌入式设备使用的数据库。 目前，嵌入式数据库市场主要由三个产品分割：s q l i t e ，b i r k e l e yd b ， f i r e b i r d 嵌入服务器版，这三个数据库产品都是开源软件。 从嵌入式数据库的应用方式来看，通常可以将其分为两种类型，一种是通 用的嵌入式数据库系统，如具有分布式数据管理功能的嵌入式数据库s o li d 、开 放源码的免费嵌入式数据库b e r k e l e yd b 和s q li t e 等；另一种是针对具体的应 用对象而自行设计开发的专用嵌入式数据库系统，这种方式一般是把数据库嵌 入到应用软件作为应用程序的一部分，不具有独立性。 一般情况下，嵌入式数据库无须独立运行的数据库引擎，它由程序直接调 用相应的a p i 函数去实现对数据的存取操作。或者说，嵌入式数据库是一种具 武汉理1 ：火学硕士学位论文 备了基本数据库特性的数据文件。嵌入式数据库与其他的数据库产品的区别是， 前者是程序驱动式，而后者是引擎响应式。由于嵌入式实时数据库系统在运行 环境和运行方式上与常见的企业级数据库管理系统有很大差别，传统的企业数 据库如o r a c l e 、s y b a s e 等在实时嵌入式环境下很难发挥作用。 1 3 课题研究的目的和意义 随着各种技术的不断的发展，未来汽车仪表发展趋势，应充分应用光技术、 机电一体化技术，并突出现代化信息技术和网络技术的应用，其功能将极大的 拓宽，指示形式将演变成计算机终端显示器。 为了适应车载仪表的发展，本论文研究了基于a r m 7 和i - t c l i n u x 的车载仪表 系统。该系统具有以下优点： 1 图形化信息显示中心。仪表是驾驶员与汽车进行信息交流的重要接口和界 面。随着更好的人机交流，更多的安全性的要求体现在仪表上，便于客户了解 整车目前的状态，汽车电子控制装置必须迅速、准确地处理各种信息，并通过 车载仪表显示出来，是驾驶员及时了解并掌握汽车的运行状态，妥善处理各种 情况。 2 嵌入式数据库的应用。在嵌入式系统中，利用嵌入式数据库对数据进行操 作和管理是嵌入式系统应用发展方向，它简化了应用程序的整体开发过程，提 高了用户存取记录的效率，实现了多用户数据的共享。通过网络技术可以实现 远程监控，车辆管理中心可以随时掌握车辆行驶时的整车情况，把车辆运行情 况同企业的经营管理策略紧密结合，从而实现企业的综合自动化提高企业的信 息化水平。 与传统的车载仪表信息系统相比，基于u c l i n u x 的嵌入式车载仪表系统具 有通用性、开放性强的特点，系统扩展方便，移植起来也很强。而且不需要建 立专用的远程通信网络，通信协议公开，不需要专门的配套软件。用户只需普 通的浏览器就可以完成对现场车辆的远程监控。信息直接反映到色彩丰富的网 页上，形式可以是数据、文字、图像、表格或语音。实时数据可以自动更新， 设备的操作会有及时可见的反馈，供管理层决策。 由此可见，研究基于嵌入式的车载仪表信息系统是有一定的实际意义。 4 武汉理t 大学硕士学位论文 1 4 本课题主要研究内容 本课题主要是对嵌入式车载仪表进行研究与设计，在以a r m 7 为核心的硬 件平台下重点研究了p c l i n u x 软件开发平台的构建、用户界面的设计( 基于 m i n i g u i ) 、串e l 通信以及通用型的免费嵌入式数据库s q l i t e 。 本课题的主要研究内容为： ( 1 ) 车载仪表的总体设计； ( 2 ) 操作系统g c l i n u x 的移植：主要包括调试器的测试，交叉环境的建立， 引导程序b o o t l o a d e r 的移植，内核的剪裁，修改和编译，通过针对相应的硬件对 内核的修改和剪裁以实现对可定制； ( 3 ) 用户图形化界面的设计，主要是通m i n i g u i 来实现； ( 4 ) 嵌入式数据库的设计 1 5 本章小结 车载仪表系统一直是汽车电子研究领域里面的一个热点。本章分析了国内 外车载仪表技术的发展现状，介绍了车载仪表信息系统的发展趋势和主流技术。 经过综合考虑，研究了基于i t c l i n u x 的车载仪表系统，最后还介绍了本课题所要 研究的内容。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章系统总体设计 2 1 车载仪表功能分析 本文研究的车载仪表系统主要功能如图2 1 所示。该系统能够根据车辆系统 的需求设定相应的功能，并且会具备以下四个方面的基本功能。 a 整车工作模式显示：显示电动车汽车能量流以及各子系统的信息，可以通 过按键进行界面的切换。 b 故障诊断、故障报警：报警显示与声音报警相结合。 c 电子地图：能够显示预设区域的电子地图。 d 数据存储：通过存储卡( 例如s d 卡) ，保存汽车行驶数据，便于进行整 车性能分析，相当于移动的数据采集或黑匣子。 圆醋 厂丽面 爿 i 一j 卫爿 2 2 系统设计 图2 1 信息终端主要功能 根据车载仪表系统的功能需求分析，进行了系统总体框架的设计、处理器 的选择以及嵌入式操作系统的选择。 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 1 硬件平台 ( 1 ) 处理器的选择 硬件平台的选择主要是嵌入式处理器的选择。嵌入式微处理器有许多种流 行的处理器核，包括a r m 公司的a r m 7 ，a r m 9 ，a r m 9 e ，a r m l 0 和s e c u r c o r e ， m i p s 公司设计的3 2 位m i p s 3 2 ，i b mp o w e rp c 等。在一个系统中使用什么样 的嵌入式处理器主要取决于应用的领域、用户的需求、成本、开发的难易程度 等因素。表2 1 对常用的几种嵌入式处理器进行了比较。 表2 1 常用的嵌入式处理器 处理器类型处理器价格主要性能及应用 a r m 低功耗低，适合于个人便携式设备 d r a g o nb a l l 低速度低，主要返川于p d a 通信、网络等设备：单位附加值高，市场小， p o w e r p c 高 应用于高端嵌入式 在确定了哪种嵌入式处理器后，接下来就是结合实际情况，考虑系统外围 设备的需求情况，包括总线的需求、是否需要a d 或d a 转换器、有没有通用 串行接口、是否需要u s b 总线、有没有以太网接口、内部是否需要s p i 总线、 外设接口等。另外还要考虑处理器的寻址空间，有没有片上f l a s h 、s d r a m 存储器，处理器是否容易调试，仿真调试工具的成本和易用性等有关信息。当 然，成本也是一个关键性的因素，当注重成本时，一定要考虑产品的整体成本， 而不要只看到c p u 。有时一个快速而廉价的c p u 可能会成为这个产品的成本居 高不下的问题根源，因为往往还需要加上总线和延迟逻辑，以便使系统的各种 外设能够协同工作。作为一个系统的设计者，应该尽量制订一个合理的预算， 进行必要的系统功能分析，以便所选的硬件能够完成所需要的实时处理任务 本课题选用的是通用的a r m 7 内核处理器$ 3 c 4 4 8 0 主控芯片，该处理器是 三星公司为一般应用提供的高性价比和高性能的微控制器解决方案，它使用 a r m 7 t d m i 工作在6 6 m h z 。它成熟、稳定、可靠，解决方案和相关资料多，项 目设计中遇的问题容易得到解决。芯片价格低，功耗小，芯片内部带有以下外 设：8 k bc a c h e 、外部存储器控制器、l c d 控制器、4 个d m a 通道、2 通道u a r t ， 1 个多主1 2 c 总线控制器、1 个1 2 c 总线控制器，以及5 通道p w m 定时器和一 个内部定时器、7 1 个通用i o 口、8 个外部中断源、实时时钟、8 通道1 2 位a d c 7 武汉理 二大学硕士学位论文 等。为了使嵌入式系统具有良好的人机接口，需要给嵌入式系统配置显示装置。 $ 3 c 4 4 8 0 主控片自带的l c d 控制器为l c d 显示方案带来了方便，也大大降低 了硬件成本。a r m 7 内核处理器$ 3 c 4 4 8 0 主控芯片，还具有以下特点： 钆处理速度快，a r m 时r i s c 结构的处理器，而且a r m 内部集成了多级 流水线，大大增加了处理速度； b 有利于缩短产品的研发周期a r m 公司专门提供了处理器的解决方案， 且a r m 的使用最广，应用前景最广阔： c 价格低廉在各种嵌入式处理器中，价格适中，而且使用量大，比较容易 购买： d 超低功耗。各种档次的a r m 的功耗都是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，这些都是最理想的选择。 ( 2 ) 硬件平台设计 基于对应用的领域、用户的需求、成本、开发的难易程度等因素进行考虑， 本课题选用通用的a r m 7 内核处理器$ 3 c 4 4 8 0 主控芯片，该芯片内部集成外设 以及它具有的特点全可以满足本课题的硬件设计要求。 系统的硬件结构如图2 2 ： s d r a m f l a s h l j 厂 至口e ， 吕 互 吕臣匝 图2 - 2 硬件结构原理图 8 一 电动车设备 一 u n u n u 几 武汉理j 二大学硕士学位论文 2 2 2 软件平台 ( 1 ) 嵌入式操作系统的选择 a 嵌入式l i n u x 分类 第一类是在利用l i n u x 强大功能的前提下，使它尽可能的小，以满足许多嵌 入式系统对体积的要求，如i _ t c l i n u x ( h t t p ：l l w w w r t c l i n u x o r g ) ： 第二类是将l i n u x 开发成实时系统尤其是铡f t r m 实时系统，应用于一些关 键的控制场合，如f s m l a b s 公司( h t t p ：w w w r t l i n u x o r g ) 的r t l i n u x 、 m o n t a v i s t a ( h t t p ：w w w m v i s t a e o m ) 彭jh a r dh a tl i n u x 等； 第三类的产品就是将实时性和嵌入式方案结合起来的方案，很多公司都这 么做，并且提供集成化的开发方案，如l i n e o 、t i m e s y s 、合肥华恒等 b 为什么选择l a c l i n u x 全球每年生产的c p u 的数量在二十亿颗左右，超过8 0 应用于专用性很强 的各类嵌入式系统。其中又有相当一部分面向低端市场。为降低硬件成本及运 行功耗，有一类c p u 在设计中取消了内存管理单元( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ， 简称m m u ) 功能模块。如m o t o r o l a 公司的m 6 8 3 2 8 、m 6 8 e n 3 2 2 、m c 6 8 3 6 0 、 d r a g o n b a l l 系列如6 8 e z 3 2 8 、6 8 v z 3 2 8 ，c o l d f i r e 系列的如5 2 7 2 、5 3 0 7 ， a r m 7 t d m ia n dm c 6 8 e n 3 0 2 、e t r a x 、i n t e li 9 6 0 、p r i s m a 、a t a r 6 8 k 等等。 标准l i n u x 针对有m m u 的处理器设计。在这种处理器上，虚拟地址被送到 m m u ，把虚拟地址映射为物理地址。通过赋予每个任务不同的虚拟地址物理地 址转换映射，可支持不同任务之间的保护。 最初，运行于这类没有m m u 的c p u 之上的都是一些很简单的单任务操作 系统，或者更简单的控制程序，甚至根本就没有操作系统而直接运行应用程序。 在这种情况下，系统无法运行复杂的应用程序，或者效率很低，而且，所有的 应用程序需要重写，并要求程序员十分了解硬件特性。这些都阻碍了应用于这 类c p u 之上的嵌入式产品开发的速度。 然而，随着l a c l i n u x 的诞生，这一切都改变了。 c 什么是p , c l i n u x p , c l i n u x 是一个完全符合g n u g p l 公约的项目，完全开放代码，现由l i n e o 公司支持维护。英文单词中“表示m i c r o ，小的意思，c 表示c o n t r o l ，控制的意 9 武汉理- t 大学硕士学位论文 思，所以u c l i n u x 就是m i c r o c o n t r 0 1 l i n u x ，字面上的理解就是“微控制领域中 的l i n u x 系统 。它专门针对没有m m u 的c p u ，并专为嵌入式系统做了许多小 型化的工作，已支持前面提到的多款c p u 。官方主页在h t t p ：w w w u e l i n u x o r g 。 国内从事u c l i n u x 开发有合肥华恒科技等几家公司。 ( 2 ) 软件平台设计 随着嵌入式系统的不断发展，不同的应用系统对嵌入式软件的要求也发生 了变化。除了以往所强调的体积小、执行速度快、具有较好的可裁剪性、可移 植性和友好的图形用户界面外，有些系统还要求能对大量的实时数据进行采集 和处理。 在硬件的基础上移植嵌入式操作系统，在嵌入式操作系统的支持下移植 m i n i g u i 和数据库s q l i t e 。软件系统结构如图2 3 所示： 嵌入式应用软件 图形界面系统m i m g u i 嵌入式操作系统i t c l i n u x 2 2 3 系统总体框架 图2 - 3 软件系统结构 根据车载仪表系统的功能需求，基于s 3 c 4 4 b o x ( a r m 7u c l i n u x ) 开发系 统进行了该系统的开发工作。该系统的设计工作主要包括系统内核的开发、人 机显示界面开发、串口模块设计、c a n 总线模块设计以及嵌入式数据库设计。 这些模块的开发不仅包括模块应用程序的开发，同时要实现这些模块相关的硬 件驱动程序的编写，车载仪表系统框架如图2 4 所示： l o 武汉理t 大学硕士学位论文 r 仝竺至里! 竺 液晶显豕模块 开 串 关 内核定制模块 口 量 模 模 块 块 ， c a n 多任务开发模块 d 总 模 线 块 模 块 网络模块s d 存储模块 2 3 嵌入式g u i 匦 图2 4 车载仪表总体框架 ( 1 ) 嵌入式g u i g u i ( g r a p h i c su s e ri n t e r f a c e ) 即图形用户界面，它通过窗口、菜单等方式 来实现对程序的操作，从而免去了使用者记忆大量命令的烦恼。可以说图形用 户界面的广泛流行是当今计算机技术的重大成就之一，它极大地方便了非专业 用户的使用，“v i s u a l ”己成为当前最流行的形容词，如v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 。 通常所见的g u i 都位于p c 机上，但p c 上的g u i 并不适合嵌入式系统。 嵌入式设备有严格的资源要求，同时嵌入式系统经常有些特殊的要求，而普通 p c 上的图形窗口系统是不能满足这些要求的，比如特殊的外观效果、控制提供 给用户的函数、装载速度的提高、特殊的底层图形或输入设备，因而嵌入式系 统要有自己的g u i 。 我们可以定义：嵌入式g u i 就是在嵌入式系统中为特定的硬件设备或环境 而设计的图形用户界面系统。所以嵌入式g u i 不但要具有一般g u i 的相关特征， 武汉理j 大学硕士学位论文 而且在实际应用中，嵌入式系统对其还有如下基本要求：轻型、占用资源少、 高性能、高可靠性和可配置性。目前技术比较成熟的g u i 系统有m i n i g u i 、 q t e m b e d d e d 、m i c r o w i n d o w s 等。 ( 2 ) g u i 的选择 比较常用的有如下几种g u i 系统，紧缩的xw i n d o w 系统、m i n i g u i 、 m i c r o w i n d o w $ 、o p e n g u i 及q t e m b e d d e d 等。 比较上述几个面向嵌入式系统的g u i ，我认为目前比较成熟，同时得到最 多开发人员的有紧缩xw i n d o w 系统、m i n i g u i 、m i e r o w i n d o w s 等系统。 q t e m b e d d e d 尽管刚推出，但来势凶猛。 紧缩xw i n d o w 系统其x 服务器可以降低到8 0 0 k 的大小，但因为xw i n d o w 系统的运行还需要其他程序和库的支持，包括x 窗口管理器、x l i b 、建立在x l i b 上的g t k 和q t 等函数库，因此，紧缩的xw i n d o w 系统在运行期间所占用的 系统资源很多，加上中文显示和中文输入等本地代码之后，系统的整体尺寸和 运行时的资源消耗将进一步变大。因此，嵌入式系统的开发商往往将紧缩x w i n d o w 系统定位在机项盒等资源要求并不苛刻的嵌入式系统上。 q t e m b e d d e d 由于移植了大量的原来基于q t 的xw i n d o w 程序，提供了非 常完整的嵌入式g u i 解决方案，再加上o p e r a 浏览器，可以说是一个成熟的商 业软件。 m i n i g u i 和m i c r o w i n d o w s 均为自由软件，只是前者遵循l g p l 条款，后者 遵循m p l 条款。这连个系统的技术路线也有所不同。m i n i g u i 的策略是首先建 立在比较成熟的图形引擎之上，比如s v g a l i b 和l i b g g i ，开发重点在于窗e 1 系统、 图形接口之上；m i c r o w i n d o w s 目前的开发重点则在底层的图形引擎之上，窗口 系统和图形接口方面的功能还比较欠缺。举个例子来说，m i n i g u i 有一套用来支 持多字符集和多编码的函数接口，可以支持各种常见的字符集，包括g b 、b i g 5 、 u n i c o d e 等，而m i c r o w i n d o w s 在多字符集的支持上尚没有统一的接口。 2 4 嵌入式数据库 嵌入式数据库技术目前已经从研究领域向应用领域发展，各种嵌入式移动 数据库产品纷纷涌现。尤其是对移动数据处理和管理需求的不断提高，紧密结 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 合各种智能设备的嵌入式移动数据库技术已经得到了学术界、工业界、汽车电 子等各方面的重视，不断实用化。目前，嵌入式数据库的开发成为国内外嵌入 式系统开发中的一个热点，一方面，随着嵌入式设备硬件处理能力的越来越强， 对数据处理和存储的要求越来越高，并且数据库作为一个有效的工具，可以大 幅度的提高嵌入式设备的工作效率和工作能力。目前国内外在嵌入式数据库的 实现上也无非两种方案：一种是对现有的p c 体系结构中的数据库进行修改和移 植，使其满足嵌入式系统中的运用。另外一种就是从头开发，根据数据库理论 并结合嵌入式设备的特点来实现一个适合嵌入式设备使用的数据库。 目前，嵌入式数据库市场主要由三个产品分割：s q l i t e ，b i r k e l e yd b ， f i r e b i r d 嵌入服务器版，这三个数据库产品都是开源软件。 从嵌入式数据库的应用方式来看，通常可以将其分为两种类型，一种是通 用的嵌入式数据库系统，如具有分布式数据管理功能的嵌入式数据库s o l i d 、开 放源码的免费嵌入式数据库b e r k e l e yd b 和s q li t e 等；另一种是针对具体的应 用对象而自行设计开发的专用嵌入式数据库系统，这种方式一般是把数据库嵌 入到应用软件作为应用程序的一部分，不具有独立性。 一般情况下，嵌入式数据库无须独立运行的数据库引擎，它由程序直接调 用相应的a p i 函数去实现对数据的存取操作。或者说，嵌入式数据库是一种具 备了基本数据库特性的数据文件。嵌入式数据库与其他的数据库产品的区别是， 前者是程序驱动式，而后者是引擎响应式。出于嵌入式实时数据库系统在运行 环境和运行方式上与常见的企业级数据库管理系统有很大差别，传统的企业数 据库如o r a c l e 、s y b a s e 等在实时嵌入式环境下很难发挥作用。 2 5 本章小结 嵌入式系统是现在发展的一个大趋势，它本身所具有的诸多优点让它成为 很多入的首选。作为一个系统的设计者，应该尽量制订一个合理的预算，进行 必要的系统功能分析，以便所选的硬件及操作系统能够完成所需功能。 武汉理：r 大学硕士学位论文 第3 章基于p c l i n u x 的软件开发环境的建立 3 1 软硬件资源准备 ( 1 ) 移植l x c l i n u x 需要的硬件资源： 宿主机采用装有r e d h a t9 0 的p c 机；目标机选用评估版，评估版集成三星 公司的$ 3 c 4 4 8 0 芯片。 ( 2 ) 移植l x e l i n u x 需要的软件资源： 交叉编译工具a n t i e l f - t 0 0 1 2 0 0 3 0 3 1 4 s h ；源代码l a c l i n u x d i s t 2 0 0 4 0 4 0 8 t a r g z 。 ( 3 ) 软件平台的建立主要包括： b o o f l o a d e r 设计及移植，i - t c l i n u x 的移植，m i n i g u i 图形系统的移植。 3 2b o o t l o a d e r 的设计与移植 本系统采用的是b l o b 作为i - t c l i n u x 的引导程序。到现在为止，b l o b 已经支持 多种c p u ，用户可以根据目标板的特性进行定制。 它能实现以下功能： ( 1 ) 引导肛c l i n u x ，它可以把内核等从f l a s h 中l o a d 到r a m 中执行。 ( 2 ) 命令行下在线更新b l o b 、k e r n e l 和r a m d i s k 。 ( 3 ) 命令行下可以直接对物理寻址空间进行查看和修改。 3 2 1b l o b 的代码结构分析 b l o b 文件夹中的文件确实不少，但他的整体架构很简单，三个文件：s t a r t s ， t r a m p o l i n s ，m a i n c o 这三个文件将所有相关的功能文件都联系起来。 b l o b 代码分为两个阶段，先看这段语句： b l o b ：b l o b s t a r tb l o b - r e s t r i l l f $ d di f = b l o b s t a r to f ：$ b s = lk c o n v = s y n c 1 4 武汉理t 大学硕士学位论文 d di f = b l o b r e s to f = $ b s = lks e e k 2 1 c h m o d + x $ 其中b l o b s t a r t 就是代码执行的第一阶段，它的主角就是s t a r t s 。这段代码主 要完成对必要的硬件初始化，然后将第二阶段b l o b r e s e t 代码复制到内存指定的 地址开始处。复制完后，就由语句”l d rr 0 ，b l o b s t a r tm o vp e ，r 0 ”将控制权转给 第二阶段，b l o b r e s t 。第二阶段的主角当然就是m a i n e 了，t r a m p o l i n e s 代码其 实很简单，顾名思义，实现”蹦床的作用。b l o b 启动过程中文件跳转关系如图3 1 ： 玉面逦 一l j j s t a r t s 、一t j ， ：堕画画j 叵 儿 3 2 2b l o b 的移植 二二巫二二 图3 1b l o b 启动过程 首先要修改的s t a r t s 文件，在l e d a s m s 中，提供了l e d 的汇编的语言驱动程序。 在b l o b 还有个l e d c 文件，它和l e d a s m s 原理一样，只不过是在c 语言中调用的。 修改l e d 是为了方便初期阶段的调试。在这里根据自己的开发板进行修改。在 m e m s e t u p s 3 c 4 4 b 0 s 中，修改m e m o r yc o n f i g 中设置存储器相关的配置，并设 定s d r a m 刷新速度。进入m a i n ( ) 后，串1 2 1 传输速度在结构体b l o bs t a t u s 中设定： b l o b _ s t a t u s d o w n l o a d s p e e d = b a u d _ l 15 2 0 0 ； b l o b _ s t a t u s t e r m i n a l s p e e d = b a u d _ _ l 15 2 0 0 ； 串1 2 1 初始化相关代码在函数s 3 c 4 4 b 0s e r i a l ，该函数在init()dp s e r i a l s 3 c 4 4 b 0 c 中。至此，初级移植工作已经完成，运行c o n f i g u r e w i t h b o a r d - - m b a 4 4 b 0w i t h 1 i n u x p r e f i x = p a t h t o l i n u x s r c 进行相关配置。就可以 m a k e 进行编译了。如果编译正确，可在b l o b s r c b l o b 下得到b i n 格式的b l o b ， 将其烧写到f l a s h 即可运行。 武汉理t 大学硕七学位论文 3 3 内核的移植 1 总的来说，移植的工作就是修改u c l i n u x 底层和硬件相关的部分，让u c l i n u x 可以在指定的硬件平台上运行。整个移植过程主要包括以下几个方面： ( 1 ) 主机环境的建立 ( 2 ) 下载u c l i n u x d i s t