（计算机应用技术专业论文）税控收款机设计及实现.pdf

一姜囊， c i a s s i f i e di n d e x ： u d c ： t p 3 1 1 d i s s e r t a t i o nf b rt h em a s t e rd e g r e ei ne n g i n e e r i n g f i s c a lc a s hr e g i s t e r d es i g na n d r e a l i z a t io n c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： y 抽gl e p r o f j ia i g u o a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e 嘶n g s p e c i a l 毋： c o m p u t e ra 柙l i c a t i o nt e c l u l o l o g y d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： j u n e2 0lo u n i v e r s i 够： q i n g d a ot e c h n 0 1 0 9 i c a lu n i v e r s 时 硕士学位论文 税控收款机设计及实现 学位论文答辩日期：2df 口6 哆 指导教师签字： 杰磊田 答辩委员会成员签字： 青岛理工大学工学硕士学位论文 目录 摘要i a b s n a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 研究的背景及意义：1 1 2 税控收款机现状2 1 3 税控收款机的关键技术3 1 4 相关规范4 1 5 本论文研究的主要内容6 1 6 本章小结6 第2 章设计概述7 2 1 整体结构设计7 2 2 软件实现架构9 2 3 硬件实现架构1 0 2 4 本章小结1 2 第3 章硬件设计13 3 1芯片选择1 3 3 2 主要技术规格、使用的标准及性能参数1 4 3 3 硬件设计工具简介1 4 3 3 1o r c a d 1 5 3 3 2p a d s 16 3 4 硬件原理图设计1 7 3 4 - 1系统引导过程l8 3 4 2 电源模块设计1 9 3 4 3 硬件重起和中断模块。1 9 3 4 4 以太网模块2 1 3 4 5 掉电保护模块设计。2 3 3 5p c b 设计2 7 3 6 可靠性设计3 0 3 6 1可靠性指标分配3 0 3 6 2 可靠性薄弱环节分析。3 3 3 7 电磁兼容性设计3 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 3 7 1 系统分析3 4 3 7 2 主板设计3 4 3 7 3 防静电措施3 5 3 8 本章小结3 6 第4 章开发环境的配置3 7 4 1 集成开发环境3 7 4 2 操作系统配置3 8 4 2 1 安装交叉编译工具链3 8 4 2 2 启动t f t p 和n f s 服务3 8 4 2 3 配置和编译l i n u x 3 9 4 3 软件开发环境配置3 9 4 4 本章小结4 0 第5 章软件设计4 1 5 1驱动设计4 1 5 1 1 打印机驱动。4 1 5 1 2i c 卡驱动4 3 5 1 3 其他驱动4 4 5 2 应用层设计4 5 5 2 1 税控4 5 5 2 2商品交易51 5 3 本章小结5 2 第6 章系统测试5 3 6 1硬件检测5 3 6 2 软件测试5 4 6 2 1报税5 4 6 2 2 掉电保护5 7 6 3本章小结6 0 结论 参考文献 攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作 致谢： 6 1 6 2 6 5 6 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 嵌入式系统在2 1 世纪的应用越来越广泛，各个行业、各个系统对其性能和功 能的要求越来越高，税控收款机就是一种典型的嵌入式系统，是商业收款机功能 与税控功能的有机结合，广泛应用于餐饮业、服务业、娱乐业等行业。它能够自 主、准确的征收企业的税费，有效的防止不法企业偷税漏税，防范伪造票据等偷 税行为，从而规范税收制度，保障国家的税收。据有关部门统计，按照目前的全 国纳税户数量来说，至少还有数千万台各档次税控收款机的市场需求。国家根据 中国的国情制定了税控收款机标准g b l 8 2 4 0 ，规定了税控收款机的通用要 求、试验方法和检验规则。 本方案研发的税控收款机在满足国标要求的前提下，硬件设计考虑高性价比 和高可靠性，软件设计考虑系统的稳定性和可靠性，根据这一原则，采用“j z 4 7 3 0 硬件平台+ c e l 证u x 操作系统+ 软件”的方式来实现主要外设功能，大大降低了系 统成本，具有较高的性价比和竞争优势。本文论述了基于嵌入式系统的税控收款 机的设计及实现，分成硬件和软件两部分进行详细叙述。硬件部分：介绍了芯片 的选择、主要技术规格、使用的标准及性能参数、p c b 板的设计；重点论述了硬件 原理图的设计包括电源模块、硬件重起和中断模块、以太网模块和掉电保护模块 的设计；最后还略讲了可靠性设计和电磁兼容设计。软件部分：简要介绍了驱动 程序的设计和应用程序的设计。 该税控收款机的设计能够保证经营数据的正确生成、可靠存储和安全传递。 并可实现税务机关管理和数据核查等要求。 关键词税控收款机；c e l i n u x ；国标；j z 4 7 3 0 ；掉电保护 青岛理工大学工学硕士学位论文 i i 青岛理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t e m b e d d e ds y s t e ma p p l i c a t i o n si nt 1 1 e21s tc e n t i l m o r ea i l dm o r ew i d e l y ，v 撕o u s i n d u s t r i e sf o ri t sp 刮f 0 册锄c ea n d 矗m “o n a l 时o fe a c hs y s t e mh a v eb e c o m e i n c r e a s i n 9 1 yd e m a n d i n g ，f i s c a lc a s hr e 百s t e r i sat ) ，p i c a l 锄b e d d e ds y s t e mi sa c o m m e r c i a lc a s hr e 百s t e r 劬c t i o n sa n dm ec o m b i n a t i o no ft a ) 【c o n t r o l 劬c t i o n ，w i d e l y u s e di nf o o di n d u s t s e r v i c e s ，e i l t e n a i l l l n e n ta i l do t h e ri n d u s t r i e s nc a nb ei n d 印e i l d e n t ， a c c u r a t ec 0 1 1 e c t i o no fb u s i n e s st a x c s ，e f i e c t i v e l yp r e v e n tm ei l l i c i tb u s i n e s st a xe v a s i o n ， t a ) 【e v 掘o na n do m e ra c t sa g a i n s tc o l l l l t 酬晒tb i l l st 0r e g u l a t et l l e 切x a t i o ns y s t e m ，m e p r o t e c t i o no fn a t i o n a l 伽【e s a c c o r d i n gt os t a t i s t i c s ，t h en a t i o n a l 切x p a y 盯u 1 1 d e rt l l e c i 】【r r e i l tt 锄s ，a t1 e 嬲tt e n so fm i l l i o n so ft a ) 【c o n 协0 1 l e dc a l s hr e 西s t e re ac _ hg r a d eo ft h e m a r k e td 锄a n d s t a t eu n d e rn a t i o n a lc o n d i t i o n so fc h i n af o m u l a t e dt l l e ”f i s c a lc a s h r e 酉s t e rs t a l l d a r d ”- g b 18 2 4 0 ，p r 0 v i d e sg e n 刊r e q u i r c l n e n t sf o rf i s 谢c 础r e 百s t t e s tm e t l l o d sa n d i n s p e c t i o n1 1 l l e s t h ep r o 磐锄d e v e l o p e dt 0m e e tt l l en a t i o n a ls t a | 1 d 矾sf i s c a lc a s hr e g i s t e ri n u n d e rt h e r e q u e s t o fm eh a r d w a r e d e s i 印c o n s i d 耐i o n s ， c o s t e 日e c t i v ea i l d h i 曲- r e l i a b i l i 劬s o 脚a r ed e s i 弘c o n s i d e r a t i o n s ，s y s t e ms t a b i l 时a l l dr e l i a b i l i 劬 a u c c o r d i n g t om i s 埘n c i p l e ，也eu s eo f ”j z 4 7 3 0h 莉w a r ep l a t f o r n l + c e - l i n u x o p e r a t i n gs y s t e m + s o 触a r e ”a p p r o a c ht 0a c h i e v e 廿l em 句o rp 嘶p h e r a l 缸n c t i o n s ， s i 班i f i c a i l t l yr e d u c i n gs y s t e mc o s t ，w i mh i 曲c o s tp e 墒册a n c e 孤dc 0 m p 砸t i v e a d v a i l t a g e t 1 1 i sp 印e rd i s c u s s e st l l ef i s c a lc a s hr e g i s t e rb a s e do ne m b e d d e ds y s t e m d e s i g na i l di n l p l 锄e 1 1 t a t i o n ，h a r d w a r ea 1 1 ds o 脚a r ei n t o 俩op a r t sd e s c r i b e di nd e t a i l h a r d w a r ep a i t ：m ec h o i c eo ft h ec h i p ，m em a i nt e c h i c a ls p e c i 丘c a t i o n s ，廿1 eu s eo f s t a i l d a r d sa n dp e r f o m l a n c ep a r a m e t e r s ，p c bb o a r dd e s i g n ；f o c u s e so nm eh a r d w a r e s c h e m a t i cd e s i 印i n c l u d ep o w e rm o d u l e s ，h a r d w a r e ，埘) o o t 锄dm e m l p tm o d u l e ， e m e n l e tm o “l ea i l do u te l e c t r i c a lp r o t e c t i o nm o d u l e ；缸a 1 1 yal i t t l ea b o u tt h e r e l i a b i l i t yd e s i 印a n de m cd e s i 班s o 脚a r ec o m p o n e l l t s ：a 嘶e fi n 仃o d u c t i o n 血v e r d e s i 萨a n d 印p l i c a t i o nd e s i 印 t h ef i s c a lc a s hr e 酉s t e ri s d e s i 印e dt 0e i l s u r e 也ec o n e c t 叩e r a t i o no fd a t a i i i 青岛理工大学工学硕士学位论文 g e n e r a t e d ，r c l i a b l es t o r a g ea i l ds e c u r ed e l i v e 珥t a x 硼m o r i t i e sc a n a c h i e v em a n a g e n l e n t a n dd a t av 研6 c a 矗o nr o q u i 础n e n t s k e y w o r d s f i s c a lc a s hr e 百s t e r ；c e - l i n u ) 【；g b ；j z 4 7 3 0 ；p o w * d o 、) i r np r o t e 嘶o n 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 1 研究的背景及意义 第1 章绪论 进入2 1 世纪以来，我国的经济快速发展，导致了越来越多的企业涌现出来。 如何能高效的征收企业的税费，有效的防止不法企业偷逃税款，以及防范伪造税 务票据犯罪，从而减少国家在税收方面的损失，成为有关部门乃至整个社会近年 来越来越关心的问题，税控收款机在此背景下被提出，税控收款机是一种具有税 控功能的电子收款机，内部装有自动记录但不能更改和抹掉的计税存储器，记录 着每日的营业数据和应纳税额，能保证经营数据的正确生成、可靠存储和安全传 输，满足税务机关的管理和数据核查等要求。税控收款机采用特殊“铅封”手段 固定在机器内部，除税务人员和专职注册维修人员外任何人不能打开，从而保证 纳税人规范纳税，保证国家的税收收入。2 0 0 6 年，广东国税及湖南税控收款机 采购项目尘埃落定，九家厂商从众多投标厂商中脱颖而出，不仅标志着酝酿多年 的税控机市场终于启动，同时也为后续省份招标工作做了一个好的榜样。目前， 税控收款机市场的推进速度已成各方关注的焦点，虽然税控收款机推广的障碍已 经在政策层面基本消除，但在项目的执行层面仍然面临许多挑战，由于其涉及的 环节较多，需要税务、工商、财政和生产企业等多方组织协调和联动，才能有效 加速整个项目的推进过程。 推广税控收款机的应用意义深远，是社会主义市场经济不断发展的客观需 要；是税务机关为适应现代信息技术、电子技术不断发展的客观需要；是实现公 平税负，降低税收征收成本，提高征管效率，进一步推进税收征管改革的客观需 要；是加大税收征管力度，保护消费者权益，打击偷逃税行为以保障国家税收收 入的客观需要。 从整体市场来看，很多省份已经完成招标和采购，市场的需求已经打开，各 厂商之家的竞争也随之而来，竞争的压力也驱使一些单一产品的厂商退出市场。 随着各省开始陆续推广税控收款机的使用，残酷的市场竞争让厂商在对未来无限 憧憬和期望的同时，多了一份理性的思考，当市场泡沫逐渐散尽时，一切都将取 决于实力的比拼。未来几年，将是税控产品进入成熟和稳步发展的阶段。 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 2 税控收款机现状 税控收款机是国家金税工程带动的新兴产业。税控收款机的应用广泛，从大 型百货、大型超市到小型零售百货业、小型超市、药店、各种专卖店、餐饮、娱 乐业、旅店、服务员等都可以看到他的身影。1 9 9 4 年，金税工程试点启动。经 过十几年的积累准备，税控收款机行业目前正在迅速崛起。随着金税工程的不断 完善，中国税控产业的前景备受瞩目。2 0 0 3 年1 0 月份，业界翘盼多时的“税控 收款机国家标准”尘埃落定。 在中国依法纳税意识淡薄，偷税逃税现象依然比较严重，尤其是对财务核算 不健全的纳税人，税务机关难以实施有效监控。这种现状不但严重扰乱正常的经 济秩序，而且导致国家税收大量流失。为了进一步加强税源监控，堵塞税收漏洞， 减少税收流失，国家税务总局、财政部、信息产业部、国家质检总局2 0 0 4 年4 月联合发布了( 国家税务总局、财政部、信息产业部、国家质量监督检验检疫总 局关于推广应用税控收款机加强税源监控的通知) ( 国税发 2 0 0 4 4 4 号) ，国税发 2 0 0 4 4 4 号决定在适用的行业推行使用税控收款机。 目前中国税控收款机拥有量只有几十万台。据有关部门统计，按全国三千多 万纳税户计算，税控收款机理论市场需求量至少为三千万台，按每台三千元计算， 则全国的市场规模至少为九百亿元。【2 】 随着国民经济的发展，中国收款机市场将会迎来更加广阔的前景，中国将 会成为世界最大的收款机市场。据了解，目前，国内税控收款机的生产厂家已超 过1 0 0 家，业内人士预计，税控收款机市场的争夺战将会非常激烈，竞争的结果， 在保证质量的情况下价格和利润将会不断下降，国产收款机厂商只有上档次，上 规模，发张中国的名牌收款机，才能在竞争中立于不败之地。 经过调查后我们发现，目前虽然市场上税控收款机品种繁多，但大都有以下 不足之处： 1 所用的处理器芯片一般是8 位、1 6 位的； 2 大多没有采用操作系统； 3 存储容量比较小； 4 可使用外设比较少，比如一般不带条码扫描仪； 5 掉电保护不正常。 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 基于目前这样现状及市场前景，我们利用现有的成熟的嵌入式系统开发新 一代的税控收款机来迅速打入这一市场。 1 3 税控收款机的关键技术 随着国家对税款征收的改进，税控收款机必将强制要求使用。新税控收款机 的国家规范已经颁布，新的规范增加了对税控机的性能和功能要求，需要更大的 存储空间，更快的处理速度，更全面的功能集成，更好的运行稳定性，而且对很 多数据的处理需要更强的实时性。税控收款机设计的关键技术有： 1 掉电保护技术 。 系统防掉电设计的目的是：采用一种机制，使得系统在意外失去供电的情况 下，可以保证系统运行状态的确定性以及记录数据的完整性；当系统供电恢复后， 现场数据可以及时恢复，避免应用系统产生混乱。我们知道，在嵌入式系统设计 与开发中越来越多地应用嵌入式操作系统。由于操作系统的引入，数据的读写往 往是通过文件的方式完成，而不是直接对存储单元地址操作。用文件读写方式操 作数据，在程序的运行过程中往往将数据暂存在易失性的存储空间，如s d r a m ， 一旦系统意外失电，这些数据往往被丢失。因此，当系统意外失电时必须采取一 定的措施进行系统的掉电保护，以避免系统产生混乱。总的说来，防掉电程序的 主要思路就是：产生掉电信号，捕捉掉电信号，处理掉电信号和数据以及现场状 态的恢复。 2 i c 卡技术 i c 卡技术是继条码、磁卡等识别技术之后出现的新一代识别技术。按卡中 所镶嵌的集成电路类型的不同可分为：存储器卡、逻辑加密卡、智能卡。按与外 界传送数据的形式可分为：接触式i c 卡和非接触式i c 卡。 在税控收款机中，i c 卡主要用于存储税控加密信息，和识别收款机操作人 员身份，在使用税控收款机时需要这两卡同时存在，缺一不可。因此，采用接触 式逻辑加密卡作为工程选用的i c 卡。( 接触式i c 卡必须符合i s 0 7 8 1 6 标准) 本税控收款机，使用a 、b 两种i c 卡。a 卡记录税控收款机原始发行机构登 记的收款机编号，商业用户的税务登记号，以及缴税账号，以及信息加密私钥， 税务机构等信息。a 卡被内置于收款机之中，并有相应措施保护不被非法移动。 b 卡存储税控收款机使用者信息以及销售税务信息，该信息将作为被加密信息的 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 一部分用来产生加密信息。由于b 卡可能经常移动，故需要使用读卡器来读取其 信息。由于i c 卡在收款机工作中特殊的身份标识作用，关系到商业用户的商业 利益，因此应当具有防伪造，防复制的特点，因此在i c 卡上加上挑战码及数字 签名等功能。此外出于安全原因在采用a 、b 卡方式后，收款机必须在a 、b 卡同 时处于可读状态时方可正常工作。 3 存储技术 n o r 和n a n d 是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。n o r 的特点是芯片内 执行( x ip ，e x e c u t ei np l a c e ) ，这样应用程序可以直接在f l a s h 闪存内运行， 不必再把代码读到系统i 洲中。n o r 的传输效率很高，在l 4 m b 的小容量时具 有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。n a n d 结 构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快。 应用n a n d 的困难在于f l a s h 的管理和需要特殊的系统接口。 f l a s h 闪存是非易失存储器，可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编 程。任何f l a s h 器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行，所以大多数情 况下，在进行写入操作之前必须先执行擦除。n a n d 器件执行擦除操作是十分简 单的，而n o r 则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为o 。由于擦除 n o r 器件时是以6 4 1 2 8 k b 的块进行的，执行一个写入擦除操作的时间为5 s ， 与此相反，擦除n a n d 器件是以8 3 2 k b 的块进行的，执行相同的操作最多只需 要4 m s 。执行擦除时块尺寸的不同进一步拉大了n o r 和n a d n 之间的性能差距， 统计表明，对于给定的一套写入操作( 尤其是更新小文件时) ，更多的擦除操作必 须在基于n o r 的单元中进行。n o r 的读速度比n a n d 稍快一些；n a n d 的写入速度 比n o r 快很多；n a n d 的4 m s 擦除速度远比n o r 的5 s 快；大多数写入操作需要先 进行擦除操作；n a n d 的擦除单元更小，相应的擦除电路更少。 基于n o rf 1 a s h 和n a n df l a s h 的以上特点，本方案采用两者相结合的方式， 把l o a d e r 代码放在n o rf l a s h 中，把内核镜像和文件系统放在n a n df l a s h 中。 1 4 相关规范 2 0 0 3 年8 月5 日，国家信息化标准委员会、国税总局公布了税控收款机 国家标准( g b t1 8 2 4 0 2 2 0 0 3 ) ，其中包括六部分，分别是：机器规范、税控 i c 卡规范、税控器规范、银行卡受理规范、税控打印机规范、备编码规范。本 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 方案完全符合国标的相关规范。下面分别简单介绍一下： 第1 部分：机器规范 税控收款机应根据安全性、方便性和经济性的原则进行设计，采用以税控 i c 卡为核心的安全机制，体现便捷易维护的特点。 税控收款机设计时，应进行可靠性、维修性、安全性和电磁兼容性设计。 税控收款机应通过税控卡正确生成税控数据，税控数据分别可靠存储在税控 卡和税控存储器中；采用用户卡或其它媒体将税控数据安全传递到税务机关的税 控收款机管理系统中。 税控收款机和税控i c 卡遵循统一的技术规范，实现税控收款机及税控i c 卡的设计、生产和验收的分别实施。税控收款机管理系统将纳税人相关信息写入 税控卡中，并通过税控卡对税控收款机进行初始化处理，即建立税控卡和税控收 款机的惟一对应关系。经过初始化后的税控收款机，才可进入正常使用状态。 第2 部分：税控i c 卡规范 g b1 8 2 4 0 的本部分规定了税控i c 卡( 税控卡、用户卡、税务管理卡) 及其 应用技术规范。 本部分的使用对象主要是与税控收款机应用相关的税控i c 卡设计、制造、 检测、管理、发行以及应用系统的研制、开发、集成和维护等部门或单位，也可 以作为其他行业i c 卡应用的参考。 第3 部分：税控器规范 本部分规定了配合宿主实现税控功能的税控器的通用要求、试验方法、检验 规则等相关内容。 本部分适用于生成、存储和传输普通发票税控数据的税控器，不涉及增值税 专用发票防伪税控系统、税控燃油加油机、税控出租汽车计价器。 本部分适用于税控器的设计、生产、测试和验收，同时为产品认证提供依据。 第4 部分：银行卡受理规范 本需求书所指的税控收款机银行卡受理设备是指具有银行卡受理和税控功 能的收款机。本论文未涉及。 第5 部分：税控打印机规范 g b1 8 2 4 0 的本部分规定税控打印机的通用技术要求、试验方法、检验规则 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 等相关内容。 本部分适用于打印普通发票的税控打印机的设计、生产、测试和验收，但不 涉及增值税专用发票防伪税控系统、税控燃油加油机、税控出租汽车计价器。 本部分是制定具体产品标准的依据，同时为产品认证提供依据。 第6 部分一设备编码规范 国家标准税控收款机的本部分规定了国家标准税控收款机涉及的具 有税控功能产品的编码规。该规则应使每个编码对象获得一个唯一的、始终不 变的法定代码。【1 】 1 5 本论文研究的主要内容 本文由6 章组成： 第1 章绪论 本章首先指出了税控收款机研究的背景和意义，然后介绍了税控收款机的产 业现状和市场前景，最后指出了我们研究税控收款机的目的。 第2 章设计概要 本章对税控收款机的整体设计做了简单介绍，然后又对其硬件架构和软件架 构做了整体的描述，为下两章做铺垫。 第3 章硬件设计 本章主要阐述了基于君正j z 4 7 3 0 方案的税控收款机的硬件设计。 第4 章开发环境配置 本章主要讲述了软硬件开发平台的构建、配置 第5 章软件设计 本章主要完成了驱动程序和应用层的设计。 第6 章系统测试 本章完成了对硬件的检查和对软件的测试。 1 6 本章小结 本章首先分析了课题研究的背景和意义，然后介绍了税控收款机的现状和市 场前景一些知识，并对其进行了分析，为课题的研究提供理论基础，最后大体介 绍了本方案的相关规范和本论文的框架结构。 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 第2 章设计概述 当今嵌入式系统已广泛应用于电子通信、工业控制、信息家电、军事国防等 各个领域。在不同的应用场合，嵌入式系统呈现出的外观和形式各不相同。但通 过对其内部结构进行分析，可以发现，一个嵌入式系统一般都有嵌入式计算机系 统和执行装置组成，其中嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，有硬件层、 中间层、软件层和功能层组成。 2 1 整体结构设计 如图2 1 所示，嵌入式系统设计一般由5 个阶段构成：需求分析、体系结构 设计、硬件软件设计、系统集成和系统测试。各个阶段之间往往要求不断的反 复和修改，直至完成最终设计目标。 f ，系统需求分析：、 i 规格说明书j 1r 体系结构设计 上 ， ，0 i 执行装置设计硬件设计软件设计 系统集成 上 系统测试 1 r 产品 图2 1 嵌入式系统的设计阶段 1 系统需求分析 确定设计任务和设计目标，并提炼出设计规格说明书，作为正式设计指导和 验收的标准。系统的需求一般分功能性需求和非功能性需求两方面。功能性需求 7， 青岛理工大学工学硕士学位论文 是系统的基本功能，如输入输出信号、操作方式等；非功能需求包括系统性能、 成本、功耗、体积、重量等因素。 2 体系结构设计 描述系统如何实现所述的功能和非功能需求，包括对硬件、软件和执行装置 的功能划分以及系统的软件、硬件选型等。一个好的体系结构是设计成功与否的 关键。 3 硬件软件设计 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。应该说，嵌入式系统设计的工作大部分都集中在软件设计上， 采用面向对象技术、软件组件技术、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，发现并改进单位设 计过程中的错误。 5 系统测试 对设计好的系统进行测试，看其是否满足规格说明书中给定的功能要求。 针对系统的不同的复杂程度，目前有一些常用的系统设计方法，如瀑布设计 方法和并行设计方法等，根据设计对象复杂程度的不同，可以灵活地选着不同的 系统设计方法。 本方案应用j z 4 7 2 0 硬件平台和c e l i n u x 操作系统开发税控收款机解决方 案，该方案满足国标的规范要求，并满足完成基本商业管理业务应用的需求。在 软硬件设计上具有极大的发展空间。 本方案税控收款机，适用于满足国标( g b l 8 2 4 0 1 2 0 0 3 ) 要求的纳税业主使 用。它是具有税控功能的电子收款机，它能够保证经营数据的正确生成、可靠存 储和安全传递，并可以实现税务机关管理和数据核查等要求。 此税控收款机满足税控标准要求，由以下六个模块组成：编程、交易、税控、 报表、其他和系统诊断。 具有掉电保护功能，主要目的是确保收款机的税控数据的完整性和一致性， 即使在交易的过程中出现掉电，也不影响收款机的正常使用。 此收款机提供2 个r s 2 3 2 串口、一个钱箱接口、一个r j l l 接口、一个网口、 8 青岛理工大学工学硕士学位论文 两个u s b 口、一个p s 2 口，可以与p c 通讯或接手写板、条码扫描器、钱箱、 电话线。 本方案采用层次性设计，其结构层次图如下： 商业管理应用程序 p o s 应用规范支持性a p i 税控规范支持性a p i 掉电保护 l i m l xo s l c d键 打以 富 u s b钱 时 v f dn a n dt i dt s a m 盘 印 太行 口 箱钟 f l a s h卡卡 钥机网 口 匙 口 硬件基本系统支持 2 2 软件实现架构 图2 - 2 层次体系结构 软件层有实时多任务操作系统( r t o s ) 、文件系统、图形用户接口( g u i ) 、 网络系统及通用组件模块组成。r 1 r o s 是嵌入式应用软件的基础和开发平台。 r 1 d s 实际上是一段嵌入式目标代码中的程序，系统复位后首先执行，相当于用 户的主程序，用户的其他应用程序都建立在r t o s 之上。r t o s 是一个标准的内 核，他将c p u 时钟、中断、i o 、定时器等资源都封装起来，留给用户的是一个 标准的a p i 函数接口。 大多数i 汀o s 都是针对不同微处理器优化设计的高效实时多任务内核， r t o s 可以在不同微处理器上运行而为用户提供的a p i 接口。因此基于i 玎o s 开 发的应用程序具有非常好的可移植性。本方案采用l i n u x 操作系统，软件系统结 构图如下图： 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 软件体系结村 图2 3 软件体系结构框图 软件包括的子系统主要有： 驱动程序：l c d ，m ，键盘和钥匙，打印机，串口，网口，u s b 口，钱 箱，蜂鸣器，卷纸电机，i c 卡，n a n df l a s h ，掉电保护。 商业管理：系统总清，参数设置，收款员管理，p l u 和部门管理，外币兑 换率设置，系统时间查看和管理员密码修改、网络设置等。 商品交易：交易，退货，挂账，多种付款方式，现金收入和支出。 税控功能：初始化，报税，授权，开票，开废票，核查，分票，安装发票， 存根打印，停机，报发票，报明细。 串口通信：完成与p c 机的串口通信，能够完成税控要求传送的数据，能够 形成测试用的大批量数据和对p l u 和部门的上传。 网络功能：虚拟p o s ，网络同步下载p l u ，网络税控。 2 3 硬件实现架构 硬件层由嵌入式微处理器、存储器系统、通用设备接口i o 接口( d 、d a 、 i o 等) 组成。在一片嵌入式微处理器基础上增加电源电路、时钟电路和存储器 电路( r o m 和洲等) ，就构成了一个嵌入式核心控制模块。其中操作系统和 应用程序都可以固化在r o m 中。 嵌入式系统的硬件层是以嵌入式处理器为核心的，最初的嵌入式处理器都是 为通用目的而设计的，后来随着嵌入式系统应用的不断普及，出现了专用的集成 芯片( a s i c ) ，a s i c 是一种为具体任务而特殊设计的专业电路，如很多打印机 控制芯片就是a s i c 。由于a s i c 在设计过程中进行了专门优化，其性能、性价 1 0 一 比都非常高。采用a s i c ，可以减少系统软件和硬件设计的复杂程度，降低系统 成本。但a s i c 的前期设计费用非常高，而且a s i c 一旦设计完成，就无法升级 和扩展，因此只有在一些产量非常大的产品设计中才考虑使用a s i c 。 j z 4 7 3 0 是君正集成电路有限公司专门为蓬勃发展的中国税控收款机市场推 出的一个处理器芯片。基于超过两年的系统设计和技术支持经验，在j z 4 7 3 0 周 围集成了更多的功能部件；这使得j z 4 7 3 0 成为真正的税控收款机单芯片解决方 案。本论文方案的硬件设计以君正的j z 4 7 3 0 为处理器，然后配套各种所需的外 围电路，架构图如下： 图2 _ 4 硬件架构框图 以j z 4 7 3 0 处理器为核心的硬件系统的周围电路支持： 1 两个1 0 1 0 0 m 以太网控制器接口，支持】s l 等宽带接入； 2 两个u s b 主控器接口，支持u 盘报税； 3 一个l c d 控制器接口，支持最大分辨率到8 0 0 x 6 0 0 的各式s t n 和t f t 液晶面板； 4 微型打印机控制器，支持e p s o nu 1 1 0 i i i ，s j 气m s u n gs m p 2 0 0 0 ，s t a r m p 5 1 2 打印机： 青岛理工大学工学硕士学位论文 5 两路相互独立的i s 0 7 8 1 6 智能卡控制器，用户卡插座同时支持m e m o 巧 卡； 6 4 路1 6 5 5 0 兼容的串行接口； 7 p s 2 键盘控制器接口； 8 一个v f d 客显模块，接在s p i 总线上； 9 一个最大支持到1 6 x 1 6 的矩阵键盘，接在外部静态内存总线上； 1 0 一个最大支持到8 级的方式锁，接在外部静态内存总线上； 1 1 支持一个自带控制器的s m a nl c d 模块，接在外部静态内存总线上； 1 2 支持1 6 3 2 位s d r a m 总线。标准配置是一片1 m x l 6 b i t 4 b a l l k ( 8 m 字节) 的s d r a m ： 1 3 支持直接从n a n d 闪存启动。标准配置是一片1 6 m x 8 b i t ( 1 6 m 字节) 的 n a n d 闪存； 1 4 法拉电容提供掉电后备能源支持，处理器子系统的后备供电时间可达5 秒； 1 5 支持一片2 5 6 k 字节的n o r 闪存。提供产品开发阶段的系统核心引导， 在最终产品中将被拿掉。 2 4 本章小结 税控收款机是典型的嵌入式应用产品，整个设计过程都遵循嵌入式产品的设 计流程，本章对税控收款机的软硬件设计做了简要介绍，为后面第三、四章做了 概要描述。 1 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 第3 章硬件设计 系统基本构造由主板、税控数据板、l c d 显示器、v f d 顾客显示器、键盘、 开关电源、打印机组成，可通过r s 2 3 2 外接条码阅读器、写字板，也可与p c 机 通信，可接钱箱( 选配) 。 3 1 芯片选择 目前，市场上的嵌入式芯片种类繁多，使用最广的主要包括两类删系列 和m 口s 系列，m i p s 是开放的架构，成本低。j z 4 7 3 0 和j z 4 7 4 0 是北京君正推 出的两款高性能低功耗的m i p s 内核3 2 位嵌入式处理器，主频3 5 0 m h z ，支持 m m u ，包括1 6 k b 的i c a c h e 和1 6 k b 的d c 砒e ，同时还集成了大量的外围设 备。在君正处理器平台上可以运行l i n u x 、w i n c e 和u c o s i i 等操作系统，适合 用来开发个人数字助理( p d a ) 、便携媒体播放器( p m p ) 、卫星导航仪( g p s ) 、 数码学习机电子辞典、数码像框、电子书和智能手机等多媒体和通信设备。君 正的嵌入式处理器技术包括以下两方面的内容： 1 一个r i s c s d “d 混合指令集架构。r i s c 指令集符合工业界标准，支持 l i n u x 、w i n c e 、大量的第三方软件和开发工具。s m d 指令有效地对视频编解码 算法进行加速。 2 一个创新的微体系结构设计。在流水线设计上引入了创新元素，处理器 能够在极低的功耗下高速发射执行指令。 指令集和微体系结构的创新设计使得j z 4 7 3 0 和j z 4 7 4 0 具有以下优势： 1 高性能：在o 1 8 微米工艺下可以提供3 6 0 m h z 以上的稳定工作频率，其 他工业界内核往往在2 0 0 m h z 以内。在同样工艺下，性能提高8 0 以上。 2 多媒体性能：s i m d 指令对视频解码效率提高1 0 0 ，编码效率则提高1 5 0 以上。 3 超低功耗：功耗是工业界同类产品的3 0 ，降低7 0 的功耗。 4 超小尺寸：面积是工业界同类产品的5 0 ，节省5 0 的硅片面积。【3 】 基于以上特点我们选用君正的j z 4 7 3 0 做为所设计的税控收款机的主芯片。 1 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 3 2 主要技术规格、使用的标准及性能参数 税控收款机根据整机高可靠性、数据存储安全完整性、使用方便性和经济性 的原则进行设计，采用以税控i c 卡为核心的安全机制，体现便捷易维护的特点。 1 主要技术规格 序号项目要求 1 m c u 北京君正集成电路有限公司j z 4 7 2 0m i p s 内核 2 税控存储器 3 2 mb y t en a n df l a s h ；可存储8 年的日交易数据 3外置r s 一2 3 22 个；钱箱接口1 个；网口1 个；u s b 口2 个：p s 2 通讯接口方式 口1 个；r j l l 口1 个 4 内部实时时钟电路，内部时钟的日期不可由用户自行更改，日误 实时时钟 差5 秒。 5 断电保护主机断电后能保证税控数据1 0 年不丢失，时钟运行不少于6 0 天 6 税控功能 配合专用发票系统，完成发票的打印、管理、查询的任务 7 稽查功能税务稽查处理方便，具有现场通过稽查机进行稽查功能 82 个智能卡接口，符合i s 0 7 8 1 6 标准。支持符合国标要求的税控 i c 卡 卡