硕士论文-数字化会议系统的设计与实现——基于ARM9的会议终.pdf

华东师范大学 硕士学位论文 数字化会议系统的设计与实现 基于ARM9的会议终端控制 姓名 陶小婧 申请学位级别 硕士 专业 电子与通信工程 指导教师 邵时 20091101 华东师范大学硕上学位论文 论文摘要 随着计算机技术及集成电路技术的发展 嵌入式设备日渐普及 在通信 网 络 工控 医疗 电子等领域发挥着越来越重要的作用 嵌入式技术不断地渗透 到各个应用领域 使人们对各类应用提出了更高的要求 本文设计并实现了基于 嵌入式技术的全数字智能会议控制系统 从根本上改变了传统会议模式 基于嵌 入式技术的全数字智能会议控制系统课题研究的提出 是为彻底改变传统会议环 境只提供报告与笔记的低效交流模式 提升会议系统的公共交流空间 实现会议 过程中个人重点关注与观点转述的同步 主题报告与个人思考的同步 会议文本 获取与个人意见上传的同步等功能 本文通过嵌入式技术 设计了会议终端控制器代替传统的纸质席卡 会议文 本资料 使之具有会议相关信息可随机电子查看 文本上传 文本下载 会议投 票等功能 通过与后台主控机的通信功能 提高了会议控制的有效性 本文首先介绍了会议系统的研究背景和发展现状 并阐述了本文的主要研究 内容 接着对本文所采用的关键技术进行了阐述分析讨论 在完成智能会议控制 系统总体设计后 本文针对会议系统终端控制器的具体实现进行了详细讨论 包 括主流程以及接口软件的设计与嵌入式网络的设计 在此基础上完成对于后台软 件模块的实现 最后对该课题今后的研究方向与应用前景进行了展望 论文在深入研究的基础上设计并实现了基于局部会议模式的全数字智能会 议控制系统 通过在黄埔区教育中心的具体实施 初步验证了系统的可行性 关键词 A R M 9 会议系统 终端控制器 嵌入式系统 华东师范人学硕 1 学位论文 A B S T R A CT W i t ht h ec o m p u t e rt e c h n o l o g ya n di n t e g r a t e dc i r c u i tt e c h n o l o g y t h eg r o w i n g p o p u l a r i t yo fe m b e d d e dd e v i c e si nc o m m u n i c a t i o n s n e t w o r k i n g i n d u s t r i a lc o n t r o l m e d i c a l e l e c t r o n i c sa n do t h e rf i e l d s a r ep l a y i n ga ni n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l e E m b e d d e dt e c h n o l o g yc o n t i n u e st op e n e t r a t ei n t ot h ev a r i o u sa r e a so fa p p l i c a t i o n s S O t h a tp e o p l ea l lk i n d so fa p p l i c a t i o n sp u tf o r w a r dh i g h e rr e q u i r e m e n t s T h i sa r t i c l ei s d e s i g n e da n di m p l e m e n t e db a s e do ne m b e d d e dt e c h n o l o g yc o n f e r e n c ea l l d i 百t a l i n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m f u n d a m e n t a l l yc h a n g e dt h et r a d i t i o n a lp a t t e r no fm e e t i n g s B a s e do nE m b e d d e dT e c h n o l o g yC o n f e r e n c ea 1 1 一d 垮t a li n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mf o r t h er e s e a r c hp r e s e n t a t i o ni St ot h o r o u g h l yc h a n g et h et r a d i t i o n a lm e e t i n ge n v i r o n m e n t r e p o r t sa n dn o t e so n l yp r o v i d ei n e f f i c i e n tm o d eo fc o m m u n i c a t i o nt oe n h a n c et h e p u b l i cc o m m u n i c a t i o ns p a c ec o n f e r e n c i n gs y s t e m st o a c h i e v ed u r i n gt h em e e t i n g f o C U So ni n d i v i d u a l sa n dp o i n to fv i e wq u o t e ds y n c h r o n i z a t i o n t h e m a t i cr e p o r t sa n d p e r s o n a lt h i n k i n gs y n c h r o n i z a t i o n t h em e e t i n gt e x t a c c e s sa n ds y n c h r o n i z a t i o no f p e r s o n a lo p i n i o n su p l o a df u n c t i o n s I nt h i sp a p e r e m b e d d e dt e c h n o l o g y d e s i g nt h es e s s i o nt or e p l a c et h et r a d i t i o n a l p a p e r b a s e dt e r m i n a lc o n t r o l l e r Ic a r d s t h em e e t i n gt e x ti n f o r m a t i o n S Ot h a tt h e ya r e m e e t i n g r e l a t e di n f o r m a t i o n c a nb er a n d o me v i e w u p l o a dt e x t t e x td o w n l o a d m e m b e r sv o t e do no t h e rf u n c t i o n s M a i nC o n t r o l l e rw i t ht h eb a c k g r o u n do ft h e c o m m u n i c a t i o n sf u n c t i o n s i m p r o v et h ee f f e c t i v e n e s so ft h ec o n t r o lo ft h em e e t i n g T h i sa r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n do ft h ec o n f e r e n c es y s t e ma n d d e v e l o p m e n to ft h es t a t u sq u o a n dd e s c r i b e st h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so f t h i sa r t i c l e T h e no nt h ek e yt e c h n o l o g i e su s e di nt h i sP a p e rw e r ed e s c r i b e da n a l y z e da n d d i s c u s s e d U p o nc o m p l e t i o no fI n t e l l i g e n tD e s i g nc o n f e r e n c ec o n t r o ls y s t e m t h i s p a p e rf o rt h ec o n f e r e n c es y s t e mt e r m i n a lc o n t r o l l e r t h es p e c i f i ci m p l e m e n t a t i o n s d i s c u s s e di nd e t a i l i n c l u d i n gt h em a i np r o c e s s e s a n di n t e r f a c es o f t w a r ed e s i g na n d e m b e d d e dn e t w o r kd e s i g n O nt h i sb a s i s t h ec o m p l e t i o no fs o f t w a r em o d u l e sf o rt h e r e a l i z a t i o no ft h eb a c k g r o u n d A tl a s t t h es u b je c to ff u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o n sa n d a p p l i c a t i o np r o s p e c t P a p e r so nt h eb a s i so fi n d e p t hs t u d yd e s i g n e da n di m p l e m e n t e db a s e do nl o c a l p a t t e r no fc o n f e r e n c e sc o n f e r e n c ea l l d i g i t a li n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m t h r o u g ht h e H u a n g p uD i s t r i c t E d u c a t i o nC e n t e r t h ec o n c r e t ei m p l e m e n t a t i o no ft h ei n i t i a l v a l i d a t i o no ft h es y s t e mi sf e a s i b l e 1 E YW O I m A R M 9 c o n f e r e n c es y s t e m t e r m i n a lc o n t r o l l e r s e m b e d d e d s y s t e m s 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果 据我所知 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含其他个人已经发表或撰 写过的研究成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中作了明确说 明并表示谢意 作者签名 塑丛 亟 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留 使用学位论文的规定 学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版 有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅 有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版 保密的学位论文在 解密后适用本规定 学位论文作者签名 确 J 前 日期 垄彳 掣 q r f 驴 一 朋U 0 一 甲P 备 拦 签 一 c P Ay日j 别 嘲 华东师范人学硕 学位论文 1 1 研究背景 第1 章引言 随着计算机技术及集成电路技术的发展 嵌入式设备日渐普及 在通信 网 络 工控 医疗 电子等领域发挥着越来越重要的作用 嵌入式技术不断地渗透 到各个应用领域 使人们对各类应用提出了更高的要求 本文设计并实现了基于 嵌入式技术的全数字智能会议控制系统 从根本上改变了传统会议模式 会议是商务谈判 产品演示 来宾会见 政令下达等人际交流的必要手段 在科技与社会飞速发展的今天 人们对其提出的环境要求与信息交互要求越来越 高 现代会议系统不仅要实现完美的视听环境 同时要能够实现个性化过程控制 与文本信息互动 从而达到会议过程高效有序 人们不仅希望通过会议有选择的 接受自己希望获取的各种信息 同时也希望通过会议传播与表达自己对相关信息 的关注与理解 基于嵌入式技术的全数字智能会议控制系统课题研究的提出 就 是为彻底改变传统会议环境只提供报告与笔记的低效交流模式 提升会议系统的 公共交流空间 实现会议过程中个人重点关注与观点转述的同步 主题报告与个 人思考的同步 会议文本获取与个人意见上传的同步等功能 1 2 会议系统的研究现状 会议过程是一个通信过程 即通信双方 或多方 通过人的感官器官进行交 流 通信的形式可有多样 传统会议仅仅基于语音和文字交流 会议形式单一 采用多媒体技术可提升会议效率 传统的面对面会议是人和人的直接通信 通常采用 话筒 调音台 组成 基本会议平台 完全不能满足信息时代对会议系统的要求 在科技不断发展的今天 传统的会议模式亟待改革 计算机会议系统应运 而生 计算机会议系统是一种以计算机为通信媒介 C M C C o m p u t e r M e d i a t e d C o m m u n i c a t i o n 的人一人交流系统 计算机会议系统允许与会者利用计算机进行问题的讨论和交流 它集计算 机的交互性 网络通信的分布性以及多媒体信息的真实直观性为一体 是基于各 种计算机技术的集成应用系统 计算机会议系统是使用电子辅助手段的会议系 统 它有各种各样的定义 例如数据会议 音频会议 视频会议 I P 网络会议 乍东师范人学硕上学位论文 和多点会议等 计算机会议系统可分为两类 一类是局部会议系统 一类则是远程会议系统 若对象是在一个会议室里召开的会议一般是局部会议系统 它使用电子化手段检 索 显示会议资料 制作会议记录等 在局部会议系统中可将各种多媒体的方式 将信息检索显示 比如计算机 缩微胶片 录像带 书画照片等 远程会议系统 形式和种类比较多 近年来发展也相当迅速 它是通过通信的方式连接两个以上 的会议室 让它们可以在异地却同时进行会议的系统 国外对数字会议控制系统的研究开发远远早于中国 飞利浦公司在1 9 9 3 年 就推出了全数字的会议网络系统 D C N 采用了飞利浦公司专有的P r a e d i c e 音频 编解码芯片和A C N 网络通信芯片 开创了数字会议系统的先河 如今己发展到对 高清晰视频会议的开发与应用 而在国内 近年来会议系统行业的创新能力也在 不断提高 对会议系统新技术的研究越来越得到重视 其中深圳台电公司于2 0 0 4 年成功研发出了具有自主知识产权的M C A S T R E A M M u l t i C h a n n e l A u d i o S t r e a m 多通道数字音频传输技术 并推出了基于M C A S T R E A M 技术的新一代 H C S 一4 1 0 0 系列全数字会议系统 从而跻身于国际上少数几家拥有全数字会议系 统设备及其核心技术的供应商行列 但目前全数字会议系统及其核心技术只有少 数几家国外公司拥有 会议系统高端市场也因此一直被他们所垄断 1 3 论文主要研究工作 论文首先研究了嵌入式系统相关技术 在深入研究的基础上设计并实现了基 于局部会议模式的全数字智能会议控制系统 通过在黄埔区教育中心的具体实 施 初步验证了系统的可行性 1 基于A R M 9 的会议终端控制器研发 1 设计并实现基于A R M 9 的会议终端控制器硬件电路 具体包括核心板 i o 电路板以及L C D 驱动板 2 L I N U X 操作系统移植 3 实现相关接口驱动及软件控制功能 包括L C D 屏幕显示 U S B 文件上 传 下载 电子表决 请求发言 会议签到等功能 2 后台控制软件研发 实现后台计算机对话筒管理 摄像机自动跟踪 文 件传输控制 系统互联控制和网络通信等功能 2 华东师范大学硕士学位论文 1 4 论文组织结构 本文的组织结构如下 第一章是绪论部分 主要介绍了会议系统的研究背景和发展现状 并阐述了 本文的主要研究内容 第二章主要介绍了本文所采用的关键技术 包括嵌入式系统相关概念及微处 理器S A M S U N GS 3 C 2 4 1 0 同时也阐述了嵌入式L i n u x 操作系统基本要素和开发步 骤 第三章分析了智能会议控制系统总体设计 包括智能会议控制系统终端控制 器硬件软件设计及后台软件的相关模块设计 第四章介绍了会议系统终端控制器的具体实现 包括主流程 接口软件的实 现与嵌入式网络通信的实现 第五章讨论了后台软件模块的具体实现 第六章对本文进行了总结 并对该课题今后的研究方向与应用前景进行了展 望 1 5 小结 本章首先分析了智能会议控制系统的研究背景及研究意义 随后讨论了目前 的研究现状 最后概述了论文的主要工作和论文组织结构 华东师范人学硕上学位论文 2 1 概述 第2 章嵌入式系统技术研究 嵌入式系统作为软硬件可裁减的一个专用计算机系统 它以应用为中心 以 计算机技术为基础 对功能 可靠性 成本 体积和功耗有严格要求 2 1 1 嵌入式微处理器 嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心部件 早期的嵌入式系统通常使用普通 个人计算机 P C 中的通用处理器 近年来 随着大量先进的微处理器制造技术 的发展 越来越多的嵌入式系统采用嵌入式微处理器 嵌入式微处理器品种和数量繁多 比较有代表性的通用系列包括8 0 5 1 P 5 1 X A M C S 2 5 1 M C S 一9 6 1 9 6 2 9 6 C 1 6 6 1 6 7 M C 6 8 H C 0 5 11 1 2 1 6 6 8 3 0 0 数 目众多A R M 芯片等 自2 0 世纪9 0 年代以来 A R M 在3 2 位R I S CC P U 开发领域不断取得突破 其 结构已经从V l 发展到V 6 主频最高也已经达到1 G H z A R M 公司作为专门从事基 于R I S C 技术芯片设计开发的公司 是知识产权供应商 其本身不从事芯片生产 主要是靠转让设计许可 再由各合作公司生产设计各具特色的芯片 并根据不同 的应用领域 加入适当的外围电路 制作形成A R M 微处理器芯片进入市场 其中 包括世界顶级的厂商I n t e l N S T I A p p l e M o t o r l o l a M i t s u b i s h i S U N L u c e n t S a n y o A 1 t e r a T r i s c e n d A g i l e n t T o s h i b a F u j i t s u S h a r p S T 3 C O M O K I Y A M A H A A t m e l R o h m R o c k w e l l P h i i p s L u c e n l S a m s u n g H y u n d a i S o n y 和A l c a t e l 等5 6 家公司 目前 随着A R M 微处理器的不断发展 其应用 已遍及工业控制 电子产品 通信 网络及无线系统等各类产品市场 A R M 微处理器采用R I S C 架构 具有如下特点 1 A R M 采用R I S C 结构 在简化处理器结构 减少复杂功能指令的同时 提 高了处理器的速度 考虑到处理器与存储器打交道的指令执行时间远远大于在寄 存器内操作的指令执行时问 R I S C 型处理器采用了L o a d S t o r e 加载 存储 结构 即只有L o a d S t o r e 指令可与存储器打交道 其余指令都不允许进行存储 器操作 同时 为了进一步提高指令和数据的存取速度 R I S C 型处理器增加了指令 高速缓冲I C a c h e 和数据高速缓冲D C a c h e 及多处理器结构 使指令的操作尽 可能在寄存器之间进行 4 华东师范人学硕士学位论文 2 A R M 处理器本身是3 2 位设计 但在新型的A R M 体系结构中同时定义了 1 6 位的T h u m b 指令集 T h u m b 指令集比通常的8 1 6 位C I S C R I S C 处理器有更好的代码密度 而 芯片面积只增加6 3 体积小 功耗低 低成本 高性能 A R M 在体系结构上还采用了一些特别的技术 如 1 在保证高性能的前提下指令长度固定 2 所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行 从而提高指令 的执行效率 3 可用加载 存储指令批量传输数据 以提高数据的传输效率 4 可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理 5 在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率 A R M 微处理器目 前包括下面几个系列 A R M 7 系列 A R M 9 系列 A R M 9 E 系列 A R M I O E 系列 S e c u r C o r e 系列 I n t e r 的X s c a l e 及I n t e r 的s t r o n g A R M 其他厂商基于A R M 体系结构的处 理器 除了具有A R M 体系结构的共同特点以外 每一个系列的A R M 微处理器都有 各自的特点和应用领域 其中 A R M 7 A R M 9 A R M 9 E 和A R M I O 为通用处理器系列 每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求 S e c u r c o r e 系列专门为安全要求较高的应用而设计 2 1 2 嵌入式操作系统 早期的嵌入式系统一般都不采用操作系统 用户使用监控程序来使用计算 机 随着嵌入式系统的发展 计算机系统的硬件 软件资源愈来愈丰富 监控程 序已不能适应计算机应用的要求 于是在六十年代进一步发展形成了嵌入式操作 系统 O p e r a t i n gS y s t e m 具有代表性的有V x W o r k s Q N X N u c l e u s 和W i n C E 等 嵌入式操作系统包括 底层驱动软件 系统内核 设备驱动接口 通信协议 图形界面 标准化浏览器等 嵌入式操作系统内核的主要功能为 1 多任务调度 系统设计人员只需设计任务 然后通过操作系统调度实现 多任务的同时处理 2 内存管理 微内核内存管理主要是提供内存页面的申请和释放工作 在 没有操作系统的情况下 内存的申请和释放是由嵌入式应用程序本身完成 在有 操作系统的情况下 嵌入式应用程序可以根据自己的需要申请内存空间 由操作 系统统一分配 3 硬件资源管理 操作系统提供一个硬件抽象层 H a r d w a r eA b s t r a c t 华东师范人学硕 1 学位论文 L a y e r 通过驱动程序的方式方便嵌入式应用程序和硬件设备间的交互 通过 硬件抽象层 保证对硬件访问的一致性 2 2S A M S U N GS 3 C 2 4 10概述 目前 基于嵌入式技术中用到的主要是以A R M 内核为主的微处理器 本系统 所采用的 3 C 2 4 1 0 基于A R M 9 2 0 T 内核 它带有M M U 支持W i n d o w sC E 和标准L i n u x 并且在稳定性和其他方面也都有上佳表现 基于A R M 9 设计实现的高级会议控制 系统 通过网络传输 融合了视频 音频 文本传输的有效组合 突破了传统会 议系统技术只进行音频数字化的界限 对提高会议效率有着重要的意义 具有较 好的实用价值 3 C 2 4 1 0 是S A M S U N G 公司推出的1 6 3 2 位R I S C 处理器 为手持设备和一般 应用提供了低价格 低功耗 高性能小型微处理器的解决方案 3 C 2 4 1 0 A 采用 了A R M 9 2 0 T 内核 0 1 8 u m 工艺的C M O S 标准宏单元和存储单元 它的低功耗 精简和出色的全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感的应用 在时钟方面 3 C 2 4 1 0 也有突出的特点 该芯片集成了一个具有日历功能的 R T C 和具有P L L M P L L 和U P L L 的芯片时钟发生器 M P L L 产生主时钟 使处理 器工作频率高达2 0 3 M H z 这个频率能够使处理器轻松运行于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处理信息 U P L L 产生主从U S B 功能时钟 3 C 2 4 1 0 对于片内的各个部件采用了独立的电源供给方式 1 内核采用1 8 V 供电 2 存储单元采用3 3 V 独立供电 3 I O 采用独立3 3 V 供电 3 C 2 4 1 0 A 提供了丰富的内部设备 独立的1 6 K B 指令C a c h e 和1 6 K B 数据 C a c h e M M u 虚拟存储器管理 L C D 控制器 支持N A N DF l a s h 系统引导 系 统管理 片选逻辑和S D R A M 控制器 3 通道U A R T 4 通道D M A 4 通道P W M 定 时器 I O 端口 R T C 8 通道1 0 位A D C 触摸屏接口 I I C B U S 接口 U S B 主 机和U S B 设备接口 S D 主卡和M M C 卡接口 2 通道的S P I 以及内部P L L 时 钟倍频器 心制 3 C 2 4 1 0 的内部结构图如图2 1 所示 6 华东师范人学硕上学位论文 2 3l i n u x 操作系统 图2 1 3 C 2 4 1 0 内部结构图泓3 嵌入式操作系统 E m b e d d e dO p e r a ti o nS y s t e m E O S 协调和管理嵌入式系 统所有组件 并使得各个组件能够依照某个计划协同工作 L i n u x 具有很多优点 它的内核稳定 功能强大并且可裁减 这些特性都非常适合嵌入式应用 L i n u x 是以U N I X 为基础发展而成的操作系统 自1 9 9 1 年诞生至今 L i n u x 在很多方面已经赶上甚至超过了很多商用的U N I X 系统 它实现了真正的多任务 多用户环境 L i n u x 对硬件配置的要求非常低 能够在4 M B 内存的3 8 6 机器上很 好地运行 而且可以支持多种处理器芯片 此外 更为重要的是 L i n u x 是开源 的 有众多高手愿意在L i n u x 上开发程序 随时对L i n u x 的开放内核进行升级和 修补 7 华东师范人学硕 学位论文 2 3 1L I N U X 内核 L i n u x 采用的是单内核模式 主要因为单内核结构紧凑 执行速度快 采用 单内核结构模式的操作系统提供服务的流程是 应用主程序使用指定的参数执行 系统调用指令 使C P U 从用户态切换到核心态 然后系统根据参数值调用特定的 系统调用服务程序 而这些服务程序则根据需要调用底层的支持函数以完成特定 的功能 在完成了应用程序要求的服务后 操作系统又从核心态切换回用户态 回到应用程序中继续执行后续指令 L i n u x 内核主要由5 个子系统组成 进程调度 S C H E D 内存管理 虚拟文件系统 V i r t u a l F i l e S y s t e m V F S 网络接口 N E T 和进程间通信 I P C 1 进程调度 S C H E D S C H E D 控制进程对C P U 的访问 即通过利用合适的调度策略使相关进程能合 理的使用C P U 在一般情况下 当一个进程等待硬件操作完成时 在这个等待的 过程中进程被挂起 而当硬件完成操作时 进程则立即恢复执行 比如 当一个 进程需要通过网络设备发送一条消息时 网络接口要挂起此发送进程 直到硬件 成功地完成消息的发送 而当这条消息成功地被发送出去之后 网络接口会给进 程返回一个代码 用来表示发送操作的成功或失败 L i n u x 系统使用了基于优先 级的进程调度算法选择新的进程 2 内存管理 M M 删是允许多个进程安全的共享主内存区域 L i n u x 系统的内存管理支持虚拟 内存 因此在系统中运行的程序 其数据 代码和堆栈的总量是可以超过实际内 存的大小的 L i n u x 操作系统会把当前使用的程序块保留在内存中 把剩余的程 序块保留在磁盘中 必要时 操作系统可以负责在磁盘和内存间交换程序块 内 存管理 删 从逻辑上分为硬件无关和硬件相关两个部分 其中硬件无关部分用 于提供逻辑内存的对换和进程的映射 硬件相关的部分则为内存管理硬件提供了 虚拟接口 3 虚拟文件系统 V i r t u a l F il e S y s t e m V F S V F S 隐藏了各种硬件的具体细节 为所有的设备提供了统一的接口 同时也 提供了数十种不同的文件系统 V F S 可以分为设备驱动程序和逻辑文件系统 设 备驱动程序指为每一种硬件控制器所编写的设备驱动程序模块 逻辑文件系统则 是指L i n u x 系统所支持的文件系统 如e x t 2 和f a t 等 4 网络接口 N E T N E T 提供了对各种网络硬件的支持和各种网络标准的存取 网络接口一般可 分为网络驱动程序和网络协议 网络设备驱动程序用于与硬件的通信 对于每种 华东师范大学硕卜学位论文 硬件设备都有相应的设备驱动程序 网络协议部分负责实现每种可能的网络传输 协议 5 进程间通信 I P C I P C 支持进程间各种通信机制 因为每个子系统都需要挂起或恢复进程 所有其他的子系统是依赖于中心位 置的进程调度的 各个子系统之间的依赖关系如下 S C H E D 和删之间的关系是 进程调度S C H E D 与内存管理删子系统是互相依 赖的 在多道程序环境下 创建进程后程序才能运行 而创建进程首先要将 程序和数据装入内存 I P C 和删之间的关系是 进程间通信子系统I P C 也要依赖内存管理M M 支持 共享内存通信机制 这种机制不仅允许两个进程拥有自己的私有空间 而且 还可以存取共同的内存区域 V F S 和N E T 之间的关系是 虚拟文件系统V F S 利用网络接口N E T 支持N F S 即 网络文件系统 同时利用内存管理支持R A MD I S K 设备 M M 与V F S 之间的关系是 内存管理删利用虚拟文件系统V F S 支持交换 调 度程序定期调度交换进程 s w a p d 这是内存管理依赖于进程调度的唯一原 因 当一个进程存取的内存映射被换出时 内存管理会向文件系统发出请求 B 并挂起当前正在运行的进程 各子系统间的依赖关系如图2 2 所示 图2 2 各子系统间的依赖关系 箭头指向为依赖关系 除了这些依赖关系外 内核中的所有子系统还要依赖于一些包括所有子系统 都用到的过程的共同的资源 比如 打印警告或错误信息的过程 或是分配和释 放内存空间的过程 以及系统的调试例程等 9 华东师范人学硕L 学位论文 2 3 2L I N U X 系统数据结构 根据L i n u x 的操作系统组成 在L i n u x 内核的实现中 有一些与各子系统相 关的数据结构 这些数据结构在L i n u x 内核源码中频繁使用 它们也是理解L i n u x 内核源码程序的关键 这些数据结构主要如下 1 t a s k s t r u c t L i n u x 内核利用一个数据结构 t a s k s t r u c t 代表一个进程 这个代表进程 的数据结构指针形成了一个t a s k 数组 这种指针数组有时也称为指针向量 这 个t a s k 数组的大小由N RT A S K S 确定 表明L i n u x 系统中最多能同时运行的进程 数目 当建立新进程的时候 L i n u x 系统会给这个新进程分配一个t a s k s t r u c t 结构 然后将指针保存于t a s k 数组中 调度程序一直维护着一个指向当前正在 运行的进程的C u r r e n t 指针 2 m m s t r u c t 我们用一个m ms t r u c t 结构来代表每个进程的虚拟内存 该结构实际上包含 了当前执行镜像的有关信息 和一组指向v m a r e a s t r u c t 结构的指针 v ma r e as t r u c t 结构描述了虚拟内存的一个区域 3 i n o d e V F S 虚拟文件系统中的文件 目录等都是由对应的索引节点 i n o d e 代表 每个V F Si n o d e 中的内容由文件系统专属的例程提供 V F Si n o d e 只存在于内 核内存中 实际保存于V F S 的i n o d e 高速缓存中 如果两个进程用相同的进程 打开 则可以共享索引节点的数据结构 这种共享是通过两个进程中数据块指向 相同的索引节点完成的 4 b l o c k d e v s t r u c t b l o c kd e vs t r u c t 结构用于向核心登记块设备 而且还被b u f f e r c a c h e 使 用 所有此类结构都位于b l k d e v 数组中 5 d e v i c e 系统中每个网络设备都用一个设备数据结构d e v i c e 来表示 此结构被块设 备和字符设备用来向核心登记 包含设备名称和可对此设备进行的文件操作 2 3 3L I N U X 内核源码结构 L i n u x 的内核源码结构类似于抽象结构 大体分为进程管理 内存管理 文 件系统 驱动程序和网络5 个部分 L i n u x2 6 1 4 为例 其内核源码有4 4 0 M B 之多 目录组成如图2 3 所示 本 文假设L i n u x2 6 1 4 内核代码存放位置为 u s r s c r 1 i n u x 一2 6 1 4 l O 华东师范大学硕L 学位论文 L l i n u x 2 6 1 4 a r c h 处理器结构文件 i n c l u d e 头文件 i n i t 韧始化代玛 m m 存储器臀理 k e m c l 凌核核心代码 d r i v e r s 驱动程序代码 l l b 痒函数代码 觚 网络程序代码 i p c 进程通信代码 f s 文件系统代码 螂 p o 则与 3 C 2 4 1 0 低8 位数据总线 D A T A 7 D A T A O 相连 R E W E 与 C E 分别和 3 C 2 4 1 0 的n F W E n F R E 和n F C E 相连 R B 与R n B 相连 同时 要注意的是 3 C 2 4 1 0 的N C O N 配置端口必须接上拉电阻 而且为增加 稳定性 R n B 端口也需要接上拉电阻 华东师范人学硕 学位论文 3 V 图3 6N A N DF l a s h 存储系统电路图 2 S D R A MM e m o r y S D R A M 与F l a s h 存储器相比 虽然不具备掉电后仍保持数据的特性 但由于 它具有可以读 写的属性 而且存取速度也远高于F l a s h 存储器 所以在嵌入式 系统中我们使用S D R A M 用于程序的运行空间 数据和堆栈区 当L i n u x 嵌入式系 统启动时 C P U 先从复位地址O x O 处读取启动代码 完成系统初始化之后 程序 代码调入S D R A M 中运行 这样就提高了系统的运行速度 与此同时 系统 用户 堆栈和运行数据也都放在S D R A M 中 目前常用的S D R A M 数据宽度一般为8 位 1 6 位 工作电压则是3 3 V S D R A M 主要的生产厂商一般是H Y U N D A I 和W i d b o n d 等 这些厂商生产的同型器件一般都 具有相同的电气特性和封装形式 是可以通用的 本系统中所使用的S D R A M 存储 器系统芯片是H Y 5 7 V 5 6 1 6 2 0 此芯片存储容量为4 组 6 4M b i t 工作电压是3 3 V 其封装为T S O P 5 4 并兼容L V T T L 接口 支持自动刷新 a u t o r e f r e s h 和自 刷新 s e l f r e f r e s h 有1 6 位的数据宽度 其引脚功能如表3 4 所列乜引 表3 4H Y 5 7 V 5 6 1 6 2 0 的引脚功能 引脚类型功能 C L K S C L K 输入时钟 芯片时钟输入 所有的输入中C L K 的j 升沿有效 C K E s c K E 输入时钟使能 片内时钟信号控制 c s n S C S 输入片选 禁止或使能除C L K C K E 和D Q M 外的所有输入信号 B A O B A l输入 组地址选择 用于片内4 个组的选择 A 1 2 A 0 输入地址总线 行地址 A 1 2 A O 列地址 A 8 O R A S n S R A S 输入 行地址锁存 时钟沿和 R A S 有效时 锁存行地址 允许行的访问和改写 C A S n S C A S 输入 列地址锁存 时钟沿和 C A S 有效时 锁存列地址 允许列的访问 W E n W E 输入 写使能 使能写信号和允许列改写 W E 和 C A S 有效时开始锁存数据 华东师范人学硕t 学位论文 L D Q M U D Q M输入数据I 0 屏蔽 在读模式下控制输i f j 缓冲 在写模式下屏蔽输入数据 D O l 5 D Q O输入 输 l 数据总线 数据输入 输 j V D D V S S电源 地内部电路及输入缓冲器电源 地 V D D Q V S S Q电源 地 输i I 缓冲器I 乜源 地 N C 窄脚 未连接 根据L i n u x 系统的需求 一般可用1 6 位或3 2 位的S D R A M 存储器构建系统 但为了充分发挥 3 C 2 4 1 0 的3 2 位C P U 数据处理能力 本设计使用3 2 位的S D R A M 存储器系统 选用的芯片H Y 5 7 V 5 6 1 6 2 0 是1 6 位数据宽度 单片容量为3 2M B 本系统为满足L i n u x 嵌入式操作系统及各种较复杂的算法的运行要求使用了2 片3 2 位的H Y 5 7 V 5 6 1 6 2 0 并联组成了一个有6 4 M B 空间的S D R A M 存储器系统 3 2 2 2 显示模块 液晶面板主要用于显示文本及图形信息 它具有轻薄 体积小 低耗电量 无辐射危险 平面直角显示以及影像稳定不闪烁等特点 L C D 液晶显示 模块 满足了嵌入式系统日益提高的要求 因此在许多电子应用系统中常被使用作人机 界面 本文的终端控制器采用的是T F T L C D 薄膜晶体管液晶平板显示器 它 的性能优良 大规模生产特性好 自动化程度高 而且原材料成本低廉更适合与 大规模产品的开发 因此本系统选用了这种5 7 寸屏T F T L C D 作为本系统的主要 显示设备 3 C 2 4 1 0 内自带L C D 控制器 可以直接产生显示驱动信号用以驱动L C D 显示 器 作为用户一般只需要通过读写相关寄存器来完成配SJ J 矛n 显示控制 S 3 C 2 4 1 0 L C D 控制器支持S T N 和T F T 屏 对于T F T 屏 其特性如下 1 支持单色 4 级灰度 2 5 6 色的调色板显示模式 2 支持6 4 K 和I B M 色非调色板显示模式 3 支持分辨率为6 4 0 4 8 0 3 2 0 2 4 0 及其他多种规格的L C D 3 C 2 4 1 0 的L C D 控制器内部逻辑结构见图3 7 R E G B A N K 是L C D 控制器的寄存器组 用来对L C D 控制器的各项参数进行设置 而L C D C D M A 则是L C D 控制器专用的D M A 信道 负责将视频资料从系统总线 S y s t e m B u s 上取来 通过V I D P R C S 从V D 2 3 0 发送给L C D 屏 同时T I M E G E N 和L P C 3 6 0 0 负责产生L C D 屏所需要的控制时序 如V S Y N C H S Y N C V C L K V D E N 然后从V I D E O M U X 送给L C D 屏 2 4 S 婚啪B 惜 k 1 l M E G E N R E 0 8 岛D 曲 上 V 虻埯静 M U X 一L P C 3 6 0 0 h J 1 L C D C D M A 1 嬲l 一ll II 图3 7 3 C 2 4 1 0 的L C D 控制器内部逻辑结构 通常使用的L C D 控制管脚的定义如下 V C L K 像素时钟信号 V D 2 3 0 L C D 像素输出端口 V M L C D 驱动器的A C 偏置信号 S T N V D E N 数据使能信号 T F T T P S E CT F T 源驱动器数据加载脉冲信号复用端口 3 C 2 4 1 0L C D 控制器内部的寄存器可以控制L C D 控制器接口的工作模式 L C D 驱动编写的主要工作就是正确地设置所用L C D 屏的C P U 寄存器 表3 5 所示为 S 3 C 2 4 1 0 中与L C D 相对应的寄存器 给出了各个寄存器的简要描述 L C D C o N 卜5 是最重要的控制寄存器 其详细说明可以参看 3 C 2 4 1 0 处理器的文档晗4 3 表3 5S 3 C 2 4 1 0L C D 控制器相关设置 L C D 控铡嚣 L C D C o N lO X 4 D o o O O o o W刚 L C D 粉 1 L C D C o N 2O 4 D 0 0 0 4 L C D 羟l 2 L C O C O N 30 X 4 D 0 0 0 0 0 8L C D 扮刨3 L C D C O N 40 X 4 D 0 0 0 o CL C D 扮 4 L C O C O N 50 X 4 D 0 0 0 0 1 0L C 0 掺 5 S T N T F T 硝l 缓冲弘越 L C D S A D D R l0 X 4 D 0 0 0 0 1 4 致地川1 S T N 叮F T