（测试计量技术及仪器专业论文）智能化多协议转换器的研究及其在车载系统中的应用.pdf

新江大学硕十学位论义 p8 7 7 0 a 摘要 随着智能化系统的发展，外围设备也极大地丰富起来。因此各种设备与嵌入 式终端系统的互联互通就显得非常重要。智能化的协议转换器不仅简化了各种智 能系统的设计流程，更使得系统的集成度大大的提高，解决了外围设备与智能终 端削协议的不匹配问题。 车载智能系统就是智能化多协议转换器的一个典型应用，其利用智能多协议 转换器丰富的外围接口，如r s 一2 3 2 、u s b 、l c d t p 、以太网等和基于这些接 口的软件支持，呵以很方便的进行应用程序的开发。本文基本实现了串n ( 包括 g p r s 、g p s 模块) 、l c d & t p 接口、u s b 接口设备的接入，完成了多协议的转 换，搭建了一个二次丌发的平台，设计结果基本达到了预期的设想。 本文将就智能化多协议转换器的设计和实现，以及在车载系统中的具体应用 进行详细地介绍。第一章介绍了本文的课题背景、嵌入式系统和车载系统的特点 及应用。第二章介绍了系统的开发环境，包括a r n l s y s 4 4 b o p 丌发板构成的硬件 环境，u c l i n u x 和m i n i g u i 共同构成的软件环境。第三章介绍了系统的总体框架 和内部模块各自的功能及实现。第四章介绍了系统的硬件构成，主要讲述了各种 外围设备的接口设计。第五章是本文最重要的一章，介绍了各种接口设备的驱动 程序的编写过程，包括串口，l c d ，触摸屏和u s b 接口的驱动，还实现了基r 串口的g p r s 和g p s 驱动。第六章介绍了m i n i g u i 的应用程序设计，其中包括 了主界面和各个模块的界面设计。第七章进行了总结，概括了文本所作的主要工 作和系统的不足以及改进方法。 关键字：a r m嵌入式系统u c l i n u xm i n i g u ig p r sg p s 浙江大学颁士学位论文 a b s t r a c t p e r i p h e r a l sg r e a t i ye n r i c h e dw i t hi n t e l l i g e n ts y s t e m sd e v e l o p m e n t t h e r e f o r e i n f o n l l a t i o ne x c h a n g i n gb e t w e e nv a “o u se q u i p m e n la n de m b e d e dt c n n i n a is y s t e m b e c o m e sv e r yi m p o r t a r i t i m e l l i g e n tp r o t o c o lc o n v e l l e r sn o to n l ys i m p l i 疗e st h ed e s i g n p m c e s so fi n t e l l i g e n ts y s t e m ，b u ta l s og r e a t l ye n h a n c e ds y s t e mi n t e g r a t i o n 。a n d r e s o l v et h ep m t o c o lm i s m a t c h e sb e 【、v e e np e r i p h e r a l sa n ds m a nt e 肌i n a l s v e h i c l e i n t e l l i g e n ls y s t e m i sa t y p i c a la p p l i c a t i o no fj n t e l l i g e n tp r o t o c o l c o n v e n e r s 1 t sv e r yc o n v e n i e n tf o ra p p l i c a t i o n sd e v e l o p m e n tb ym a k i n gu s eo ft h e “c he x t e m a li n t e r f i a c e so fs m a nm u l t ia g r e e m e n tc o n v e r t e r s ，s u c ha sr s 一2 3 2 ，u s b 。 r s 一4 8 5 ，e t h e m e t ，a n ds o n w a r es u p p o r tf o rt h e s ei m e r f a c e s t h i sp a p e rb a s i c a i l y c o m p l e t e dt | 1 ea c c e s so fs e r i a lp o r t ( i n c l u d i n gg p r s ，g p sm o d u l e s ) 、l c d & t p i n t e r f h c e ，、u s bi n t e r l 、a c ee q u i p m e n t ，a c h i e v e dm u l t i p r o t o c o lc o n v e r s i o na n dd e s i g n e d as e c o n dd e v e i o p m e n tp l a t f o n t l a uo 九h i sa c h i e v dt h ed e s i r e dr e s u l t se n v i s a g e d t h i sa n i c l ew 川m a k ead e t a i l e dp r e s e n t “o no ft h ed e s 吨na n dr e a l i z a t i o no f i n t e l l i g e n tc o n v e r t e r s ，a n dt h es p e c i ca p p l i c a t i o n si nt h ev e h i c l es y s t e m c h a p l e ri i n t r o d u c e d t h eb a c k g r o u n do ft h i st o p i c ，f e a t u r e sa n da p p l i c a t i o n so fa 1 1e m b e d d e d s y s t e m s 肌dv e h i c l e s y s t e m c h a p t e r i i i n t r o d u c e dt h e s y s t e md e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t ，i n d u d i n gah a r d w a r ed e v e l o p m e n te n v j r o n m e m a r m s y s 4 4 b o p a n da s o f t w a r ee n v i r o n m e n t u c l i n u xa n dm i n i g u i ，c h a p t e ri i id e s c r i b e dt h ef a m e w o r ko f t 1 1 ew h 0 1 es y s t e ma n dt h er e a l i z a t i o na n df u n c t i o n so fi n t e m a lm o d u l e s c h a p t e ri v i m r o d u c e ds y s 把mh a r d w a l ed e s i g no nav a f i e t yo fp e r i p h e r a l si n t e r f a c e c h a p t e rvi s t h em o s ti m p o r t a n tc h a p t e l i t sa b o u tt h ed e s i g no ft l ev a “o u se q u i p m e n id r i v e l j n c l u d i n gs e r i a lp o r t ，l c d ，t o u c hs c r e e n ，u s bd “v e l a n dg p r s 、g p sd r i v e rb a s e d o ns er j a i c h a p t e rv ii n n d d u c e dm i n i g u la p p l i c a t j o n sd e s i g n ，i n c i u d i n gt 1 1 em a i n w i n d o wa n dt h em o d u l ed e s i g n c h a p t e rv i is u m m a “z e dt h em a i nw o r ko ft h e p a p e r ，t h el i m i t a t i o no f t h es y s t e m sa n dt h ei m p r o v i n gm e t | l o d s k e y w o r d s ：a r m e m b e d e ds y s t e mu c l i n u xm n j g u lg p r sg p s 浙江大学颁士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 目前，中国汽车通讯与导航尚处于市场培育阶段，整体规模较小。相关的基 础配套设施与资源不足，实时交通信息发布和完善的导航电子地图的提供与更新 机制均缺乏实际的解决方案和途径，因而市场推进困难重重。但面对庞大的汽车 市场，汽车导航的潜力不可估量，其发展前景比较乐观。 综合信息平台是未来汽车通讯与导航产品的发展趋势。这种平台将整合汽车 通信和导航功能，成为一个可提供各种动态路况交通信息、汽车行驶信息、通信 娱乐服务的综合汽车信息系统，可以播放d v d 厂v c d c d m p 3 、接收电视、可视 化倒车监控、车载电话、互联网以及车载办公等。但由于价格的原因，此类系统 只会局限在高档汽车上。 综合信息平台的搭建是当前车载系统的一大趋势，智能化嵌入式系统在这 一领域有着巨大的发展潜力。 1 2 嵌入式系统特点及应用 嵌入式系统就是阻应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，适合 应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗要求的专用的计算机系统。 嵌入式系统中，计算机系统作为智能控制部件嵌入到整个应用系统中，通过 固化在其中的程序控制软件对系统的信息处理部件和用户交互界面加以控制，是 整个系统的控制中心。 嵌入式系统由硬件和软件构成。硬件包括微处理器、存储器、i o 端口、图 形控制器和其他外围设备。软件包括操作系统软件和应用软件两层。操作系统通 过应用程序接口为应用程序提供必要的底层支持，而应用程序则控制着嵌入式系 统的运作和行为。实际开发过程中，其区别不是绝对明显的，开发者可能对操作 系统和应用编程两方面的工作都要做。 浙江大学颁十学位论文 嵌入式系统必须研究其应用特性，针对不同的应用、产品、用户开发不同的 应用系统。其硬件和软件如处理器、存储器、外围设备和操作系统、应用程序都 要出不同的需求而定制。和通用计算机相比，嵌入式系统必须高效的设计，尽量 以最小的系统、最低的成本去实现目标功能，这样的产品才具有竞争力。 嵌入式系统具有以下特点： 体积小，继承效率高。嵌入式系统总是去除冗余，用最小的系统完成目 标功能，特别在一些手持设备中更是这样。 嵌入式系统和具体应用是有机地结合在一起的，它的升级换代也是和具 体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命 周期。 嵌入式软件的开发与硬件结合紧密，必须针对具体的硬件平台进行编写， 开发人员也必须具有相关硬件方面的知识。 软件代码必须效率高，可靠性好。因为嵌入式系统中程序运行空间有限， 实时性要求高，所以编写软件过程中必须考虑软件的运行效率，选用高 质量编译工具，同时必须严格处理异步发生的各种任务。 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存 储器芯片或微处理中，而不是存贮于磁盘等载体中。 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是 不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进 行开发。 1 3 车载智能系统介绍 车载系统采用了全球卫星定位系统g p s 、全球移动通讯系统g s m 、地理信 息系统g i s 三项关键技术，又将通信与网络技术整合在一起，全面实现了监控、 管理、通信、查询等功能，可以为车辆提供实时导航、紧急救援、定点查询、预 约跟踪、超区限制、历史回放等服务。 g p s 车载系统具有强有力的调度管理功能，是实现车辆单位、集团用户科学 调度管理、提高运营效益的有效手段。可以根据用户的需要，量身定做实时的调 浙江大学硕士学位论文 度管理系统，通过智能交通平台的接入，实现查询、发布信息、路线设计、物流 动态调配和实时管理。 g p s 车载系统同时具有强大的安防功能，称得上是目前最先进、最有效的 汽车安防产品。当车辆遭遇匪徒的盗窃时，一旦发生剪拆电线、破坏设备、触动 车辆等异常情况，就会自动产生盗窃报警；当车主突然遭遇抢劫时，可以通过劫 匪无法察觉的隐蔽开关进行紧急报警。监控中心人员接到报警后，可实现与11 0 联动，监控中心根据情况，可以采取遥控切断车内的电路、油路，以及锁车门、 发出声光报警等应急措施或根据车辆定位信息对犯罪嫌疑人进行抓捕。 现今的智能化车载系统，不仅充分利用了g p s 定位系统，而且利用g p r s 无线网络系统，智能终端系统实现智能化电子地图导航、地理信息查询、无线上 网、车辆行驶信息的记录、与远程控制系统的通信( 如接受、发送g p r s 信息， 车辆控制信息等) 、车载电视等。充分扩展了车载系统的功能，使之成为一个多 功能的智能化设备。 1 4 智能化多协议转换器在车载系统中的应用 智能终端系统在现代社会有了长足的发展，以智能车载系统为代表的一系列 产品进入到人们的视线当中。在这样一个系统中，需要完成很多工作，如智能化 电子地图语音导航、查询地理信息、无线上网、记录车辆行驶信息、与远程控制 中心交互信息等等。开发这样一个系统，功能复杂，开发周期长，很难满足当前 系统开发的要求。因此，在智能化多协议转换器上进行二次开发，利用其集成度 高，接口丰富的优势进行开发，有着极大的优势。 智能化多协议转换器集成了各种终端接口，可以方便地与各种外设连接，构 成智能化终端系统。可以应用到车载系统，智能铁路列车联控系统，智能交通系 统，电力系统监控等各方面。 智能化多阱议转换器为各种智能系统提供底层平台，只需在平台上加入有通 用接口的外设，编写相应的驱动程序，再在主机端进行相应的界面设计，即可设 计出应用于不同领域的智能系统。 浙江大学硕士学位论文 1 5 本文解决的问题和主要工作 本文所要解决的问题： 当前智能化系统已经应用到社会的各个方面，智能终端设备也随之有了较大 的发展，外围设备种类越来越多，接口控制协议越来越复杂，系统底层的丌发也 相对增多，导致丌发过程极大的减慢，并且限制系统扩展性。智能化多协议转换 器就是针对这一矛盾进行设计的，它提供了一个可以进行二次开发的综合信息平 台，简化了智能系统的设计流程，更使得系统的集成度提高，扩展性增强。 本文主要工作： 本文针对智能化多协议转换器在车载系统中的应用，详细介绍了系统软硬件 平台的搭建和应用程序的实现过程。 实现了u c l i n u x 的移植。 实现了m i j l i g u i 的移植。 编写了g p r s 、g p s 模块的驱动程序。 实现了u c l i n u x 系统下对u 盘的读写。 利用m i n i g u i 编写了针对车载系统的应用软件。 浙江大学硕士学位论文 第二章系统开发环境 2 1a r m s y s 4 4 b o p 开发系统 a r m s y s 4 4 b o p 开发板以三星公司a r m 7 芯片s 3 c 4 4 b o x 为核心的开发系 统。其资源丰富、可扩展性强、集成了各种接口设备，能够快速地将a r m 技术 应用到新产品中，十分有利于嵌入式终端系统的开发。开发平台照片如图2 1 所 玎i 。 2 1 1a r m 相关 图2 - 1a r m s y s - p 开发平台 a r m 公司自2 0 世纪8 0 年代成立至今，成为目前最成功的l p 核提供商。专 门从事r l s c 技术芯片的设计开发，本身不直接生产、销售芯片。而是靠转让和 授权生产a r m 微处理器而获利。其设计的a r m 处理器有高性能、低功耗、低 价格等众多优点，受到业界的广泛好评和青睐。 处理器的体系结构定义了基于此结构的所有处理器的指令集和编程模型。构 建不同的处理器都要遵守这种结构。每种处理器根据不同的应用目的，性能和特 5 浙江人学硕上学位论义 性各有所长吐 以下简单介绍a r m 的相关知识： 1 a 1 w 种类及型号 a r m 系列处理器始于2 0 世纪8 0 年代中期，内核分为a r m 7 、a r m 9 、a r m l ( ) 以及s t r o n g a r m 等几类，其中每一类又根据其各自包含的功能模块而各不相同。 a r m 内核中有四个功能模块可供生产厂商根据不同要求来配置生产。这四个模 块分别用t 、d 、m 和i 来表示：t ：表示t h u m b ，说明内核指令集可从1 6 位扩 充到3 2 位的a r m 指令集。d ：表示d e b u g ，说明内核中放置了用于调试的结 构，通常它为一个边界扫描链j t a g ，可使c p u 进入调试模式，从而可方便地进 行断点设置、单步调试。m ：表示m u l t i p i i e r ，是8 位乘法器。i ：表示 e m b e d d e d l c el o g i c ，用于实现断点观测及变量观测的逻辑电路部分，其中的t a p 控制器可按入到边界扫描链。 a r m 7 采用n e w m a n 结构，分为三级流水，空间统一的指令与数据c a c h e ， 平均功耗约为0 6 m w m h z ，时钟速度为6 6 m h z ，每条指令平均执行i 9 个时钟 周期。其中的a r m 7 1 0 ，a r m 7 2 0 和a r m 7 4 0 为内核自带c a c h e 的结构。 a r m 9 采用h a r v a r d 结构，直级流水处理以及指令与数据分离的c a c h e 结构， 平均功耗为o 7 m w m h z 。时钟速度为12 0 m h z 一2 0 0 m h z ，每条指令平均执行1 5 个时钟周期。同样，a r m 9 2 0 、a r m 9 4 0 和a r m 9 e 也为内核自带c a c h e 的结构。 其性能可以达到13 2 m l p s 或2 2 0 m l p s 。 a r m l 0 采用h a r v a r d 结构，六级流水处理，分离的c a c h e 结构。平均功耗 为l 0 0 0 m w ，时钟速度为3 0 0 m h z ，每条指令平均执行1 2 个周期，其中a r m l 0 2 0 为带c a c h e 的版本。 a r m l o t d m i ：与所有a r m 核在二进制级代码兼容，内带高速3 2 x 1 6 m a c ， 预留d s p 协处理器接口。其中的矢量浮点单元为七级流水结构。 s t r o n g a r m 处理器采用h a r v a r d 的五级流水结构。目前有s a l l 0 、s a l1 0 0 以及s a l l l o 等三个版本 浙江人学硕上学位论文 2 a r m 芯片的特点 内部具有大量寄存器 其寻址方式相对简单 采用固定长度的指令结构 操作大都在寄存器中进行，内存和寄存器之间通过l o a d s t o r e 交互数 据 地址可以自动增加( 减少) 来优化程序中循环 同指令中既有算术逻辑处理单元又有移位处理单元 使用l o a d s t o r e 指令批量传输数据 所有指令可根据前面指令的执行结构，决定是否执行 3 a r m 处理器模式 处理器的模式可以通过软件进行切换，也可以通过外部中断或异常处理过程 进行切换。 大部分应用程序在用户模式下执行，当处理器工作在用户模式下时，正常执 行的程序不能访问某些被保护的系统资源，也不能改变模式，除非异常 ( e x c e p t i o n ) 产生川。 当应用程序发生异常中断时，处理器进入相应的异常模式，每种异常模式都 有一组寄存器，供相应的异常处理程序使用，保证在进入异常模式时，用户模式 下的寄存器不被破坏。 系统模式不通过异常过程进入的，它和用户模式具有完全一样的寄存器。 4 a r m 7 t d m l 的特性 a r m 7 t d m i 是a r m 通用3 2 位处理器家族中的一员，其不仅具备高性能、 低耗电、小型化等通用a r m 处理器特点，还有以下特性【4 1 ： a r m 7 t d m i 使用取指、译码和执行3 级流水线，以提高处理器指令的流 动速度。 a r m 7 t d m i 使用冯诺依曼体系结构，指令和数据通过单个3 2 位数据 总线进行传输。加载、存储和交换指令用于访问存储器中的数据。 浙江大学硕士学位论文 a r m 7id m i 存储周期有4 种基本类型：空闲周期、非顺序周期、顺序周 期和协处理器存储器传送周期。 嵌入式i c e r t 逻辑为a r m 7 t d m i 核提供了在线调试功能，利用嵌入式 i c e r t 逻辑来编写断点或观察断点出现的条件。 a r m 7 t d m i 提供3 2 位a r m 和1 6 位t h u m b 双指令集。 a r m 7 t d m i 核无m m u ，成本低廉，性能稳定。 2 1 。2s 3 c 4 4 8 0 x 芯片特点 三星公司的s 3 c 4 4 b o x1 6 3 2 位r i s c 处理器为手持设备和一般应用提供了 高性价比和高性能的微控制器解决方案。为降低成本，s 3 c 4 4 b o x 提供了丰富的 内置部件，包括：8 k bc a c h e ，内部s r a m ，l c d 控制器，带自动握手的2 通道 u a r t ，4 通道d m a ，系统管理器( 片选逻辑，f p e d 0 s d r a m 控制器) ，具有 p w m 的5 通道定时器，i o 端口，r t c ，8 通道1 0 位a d c ，i l c b u s 接口，i i s b u s 接l | ，同步s 1 0 接口和p l l 倍频器引。 s 3 c 4 4 b o x 采用了a r m 7 t d m i 内核，o 2 5 u m 工艺的c m o s 标准宏单元和 存储编译器。其低功耗、精简、出色的全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感 的应用。同样s 3 c 4 4 b o x 还采用了一种新的总线结构，即s a m b a i i ( 三星a r m c p u 嵌入式微处理器总线结构) 。 1 6 3 2 位a r m & t d m ir 1 s c 处理器( 6 6 m h z ) 的设计是s 3 c 4 4 8 0 x 的最杰 出的部分，其集成了t h u m b 代码压缩器，片上的i c e 断点调试支持，和一个3 2 位的硬件乘法器。 s 3 c 4 4 b o x 的内部结构如图2 2 所示。 浙江大学硕士学位论文 图2 2s 3 c 4 4 b o x 内部结构框图 2 1 3a r m s y s p 开发板地址空间分配 s 3 c 4 4 8 0 x 处理器可以对8 个b a i l k 进行寻址，每b a l l k 最大空间为3 2 m ， 为了使处理器对各个设备的访问互不干扰，我们将不同类的设备映射到不同的 b a n k 内。在a r m s y s 4 4 8 0 p 平台上，s 3 c 4 4 b o x 的b a l l k 空间的分配如图2 3 所示【引。 图2 3 中是a r m s y s 4 4 8 0 p 的b 1 0 s 对程序空间和数据空间的分配。在程 序空间n a s h r o m 内已经固化了一段启动系统并对系统进行初始化的程序 b i o s 程序。在图2 3 中，可以看到f l a s h r o m 存储器映射在了系统的b a n k o 上，也就是说，系统上电时处理器即从f l a s h r o m 的0 x o o o o o 0 0 0 地址处取得指 令开始运行。主板上的s d r a m 器件映射在b a n k 6 上，也就是o x 0 c 0 0 0 0 0 0 地 址处。s d r a m 是易失性的可快速擦写的存储器，因此它通常作为系统的数据空 间。 日 浙江大学硕上学位论文 l x j t 66 4 # us u i 舻# c + ，u o ( j 0 he7 fc f o # 一 # 蜷锶靠赫 。 卜誊孕l j：。n 娃张t 扣姆矢祭簟蛾| 5 ”j ”o ”婴7 1 ”“j 8 驰砷j 和虹嚣序倍潮 m 。”“i 一一“；i 蚪t ； o 鼙蠢窜阐 f j * n ，“m j j l 图23 a r m s y s l l b op 程序数据宅间分配图2 4 外部设备映射分布 系统片选和起始地址： n g c s o 【o x o o o o0 0 】；f l a s h ( s s t 3 9 v f l 6 0 ) n g c s l 【0 x 0 2 0 0o o o 婚l ；1 n a _ n d f l a s h ( k 9 f 2 8 0 8 ) n g c s 2 【o x 0 4 0 0o o o o 五彩e ，久r a n o c s 3 【o x 0 6 0 0 】；s 臻l l 瑚t ( u s b 幻s t 或者是u s bd e v 王c e ) n g c s 4 【0 x 0 8 0 0o o 】：r 甄8 0 1 9 a s n g c s 5 【o x o a 0 9o o o o 】：s d ( 辅稚，m m c n g c s 6 【o x o c o oo o i g o xs d r a m ( 珏y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 ) n g c s 7 【o x o e 0 0 】像鬻 图2 4 显示了a r m s y s 4 4 8 0 一p 的外部设备在处理器b a l l k 空间上的映射分 靠。f l a s hr o m 映射在b a l l k 0 上，但它没有使用全部b a n k o 的空怛j 。b a i l k o 的 高位空间地址，由s 3 c 4 4 8 0 x 的内部特殊寄存器占用。b a n k l ，b a n k 2 ，b a n k 3 ， b a j l k 4 ，b a n k 6 分别作为n a n d n a s h ，l d e ，u s b ，以太网接口设备，s d r a m 的 映射窄问。与b a n kx 对应的片选引脚n g c sx 将作为外部设备的使能脚使用( 参 考电路原理图) 。 o 浙江人学硕十学位论文 2 1 4 板载资源 a r m s y s 4 4 b o p 开发板由以下模块构成川7 c p u ：三星s 3 c 4 4 b o x ( s a m s u n ga r m 7 t d m t ) 微处理器；外部时钟为 8 m h z ，内部倍频至6 4 m h z 。 n o r f l a s h ：选用1 6 m b i t ( 2 m 8 磷t 1 m 1 6 b i t ) s s t 3 9 v f l 6 0 或 a m 2 9 l v l 6 0 ，兼容3 2 m b i t ( 4 m 8 b i t 2 m 1 6 b i t ) s s t 3 9 v f 3 2 0 或 a m 2 9 l v 3 2 0 。 s d r a m ：兼容p c l o o ，p c l 3 3 ，基本配置采用6 4 m b i t ( 1 m 4 b a n k 1 6 b i t ) h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 ，可选配1 2 8 m b i t ( 2 m 4 b a n k 1 6 b i t ) h y 5 7 v 2 8 1 6 2 0 ， 或2 5 6 m b i t ( 4 m 4 b a n k 1 6 b i t ) h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 。 n a n d f l a s h ：基本配置采用l6 m 8 b i t 的k 9 f 2 8 0 8 ，可选配3 2 m 8 b i t 的 k 9 f 5 6 0 8 或6 4 m 8 b i t 的k 9 f 1 2 0 8 。 i i c 接口串行e e p r o m ：a t 2 4 c 0 44 k b y t e se e p r o m u a r t 接口：2 通道u a r t 接口，波特率高达1 1 5 2 0 0 b p s ，具有r s 2 3 2 电 平转换电路，可直接连接p c 机。 l c d 和触摸屏接口：采用2 6 针双排插针接口，其中包括l c d 接口和触 摸屏接口。l c d 接口利用c p u 内部的l c d 控制器扩展单色液晶屏或 2 5 6 色s d s t n 型液晶屏( 典型分辨率为6 4 0 4 8 0 、3 2 0 2 4 0 ) ，具 有对比度调节电位器和液晶电源5 v 3 3 v 选择跳线；触摸屏接口则接到 触摸屏控制a d s 7 8 4 3 电路。 l d e 及多功能扩展接l ：可挂硬盘或c o m p a c t f l a s h 卡，以及符合i d e 扩 展的外围设备，并配有i d e 工作指示灯。 j t a g 接口：采用2 0 针标准j t a g 接口。 实时时钟r t c ：配有3 v ( c r l 2 2 0 ) 纽扣电池，系统掉电后r i 、c 仍能够 保持工作。 复位电路和4 路外部中断按键。 4 个可编程l e d 指示灯，1 个蜂鸣器。 p s 2 接口：可接p s 2 键盘或鼠标。 浙江人学硕十学位论文 以太网接口：采用1 0 m 以太网控制器r t l 80 1 9 ，提供标准的r j 4 5 接口 座，可直接接入局域网。 u s b 接口：采用c y p r e s s 公司的s l 8 1 1l s 芯片具有主从两种工作模式的 u s b 控制器，遵循u s b l 1 规范。 音频接口：采用p h i l p s 公司的u d a l 3 4 l 芯片通过i l s 接口扩展出音频 输入输出端口，可直接驱动耳机或其他音频设备。 s d c a 州m m c 接口：通过s 1 0 接口扩展，兼容s d 卡和m m c 卡。 开发板供电；采用输出十5 v d c l a 开关电源。 a n n s v s p 开发板的组成结构如图2 5 所示。 图2 5a l m s y s p 组成结构框图 2 2u ci in u x 嵌入式操作系统 u c l i n u x 是近几年兴起的一个嵌入式l i n u x 的变种，丌放源代码，是一种很 受欢迎的操作系统。它与标准i i n u x 的区别就在于内存管理机制和进程调度管理 浙江大学硕十学位论文 机制。u c i i n u x 英文为m i c m c o n t r o l l i n u x ，从字面上理解它是针对微控制领域 而设计的，主要用于微控制领域的一些没有m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ) 的 系列c p u 。近来在消费类电子产品等嵌入式领域中得到了广泛的应用。 2 2 1 u c lin u x 系统分析及其特点 嵌入式l i n u x 相对于商用的e 0 s 有源码开放、成本低廉、丰富的实用软件 支持等特点，应用前景广阔。目前著名的嵌入式l i n u x 版本有r t l i n u x 、 k u t rl i n u x 和u c l i n u x 等。下面就针对我们选用的u c l i n u x 进行简要地阐述。 1 u c l i n u x 概述 u c l i n u x 是当前广泛应用的一种嵌入式l i n u x 操作系统，是一个完全符合 g n u g p l 公约的操作系统，完全开放代码，现在由l i n e o 公司支持维护。u c l i n u x 从l i n u x2 o 2 4 内核派生而来，继承了主流l i n u x 的绝大部分特性。其基本设计 思想就是去掉标准l i n u x 里的虚拟存储器功能，这样一方面减少了内核的体积， 另一方面增强了系统的实时性1 8 i 。 u c l i n u x 是专门针对没有m m u 的c p u 设计的，通常用于具有很少内存或 f l a s h 的嵌入式系统。u c l i n u x 保留了操作系统的所有特性，为硬件平台更好地 运行各种程序提供了保证。在g n u 通用公共许可证( g n ug p l ) 的保证卜- ，运 行u c l i n u x 操作系统的用户可以使用几乎所有的l i n u xa p l 函数，不会因为没有 m m u 而受到影响。u c l i n u x 在标准的l i n u x 基础上进行了适当的裁剪和优化， 形成了一个高度优化的、代码紧凑的嵌入式l i n u x ，虽然它的体积很小，u c l i n u x 仍然保留了l i n u x 的稳定、良好的移植、优秀的网络功能、完备的各种文件系统 的支持、以及标准丰富的a p i 等优点。 2 u c l i n u x 特点 u c l i n u x 专门针对无m m u 的处理器，不能使用虚拟内存管理技术。 u c l i n u x 依然使用分页内存管理结构，在启动时对实际存储器进行分 页，但实际上采用的是实存储器管理策略。 u c l i n u x 系统对内存都是直接访问的，程序中的地址都是实际的物理 浙江大学硕上学位论文 地址。 u c l i n u x 没有内存保护，各个进程共享一个运行空间。 u c l i n u x 支持多种文件系统，包括n f s 、e x t 2 、r o m f s 、j f f s 、m s d o s 及f a t l 6 3 2 等。通常采用r o m f s 文件系统，但由于其不支持动态擦 写，对需动态保存的数据采用虚拟r a m 盘或j f f s 的方法进行处理。 u c l i n u x 重写了应用程序库u c l i b c ，几乎所有g l i b c 支持的应用u c l 伯c 也可以完美的支持。 u c l i n u x 自身不提供实时性，但是可以采用r 1 二i ，i n u x 的实时解决方案。 3 u c l i n u x 内核组织结构 以“n u x 2 4 x 内核为例，介绍内核源文件的结构，源文件在 u c l l n u x d i s t 川n u x 一2 4 x 下按树型结构排列【9 】【1 叭。 a r c h ：a r c h 予目录包含了与体系结构相关的核心代码。 i n i t ：i n i t 子目录包含核心的初始化代码。 i n c 】u d e ：i n c l u d e 子目录包括编译核心所需要的大部分头文件。 k e r n e l ：主要的核心代码，此目录下的文件实现了大部分u c l i n u x 系统 的内核函数。 m n l ：m m 子目录包括所有独立于c p u 体系结构的内存管理代码。 d r i v e 融包含系统所有的设备驱动程序，每种驱动程序各自占用个 子同录。 l i b ：该目录放置核心的库代码。 n e t ：该目录包含核心与网络相关的代码 f s ：包含所有的文件系统代码和各种类型的文件操作代码 2 2 2 系统软件开发工具 1 g n u 开发套件 g n u 开发套件作为通用的l i n u x 开放套件，包括一系列的开发调试工具。 主要组件： l4 浙江大学硕士学位论丈 g c c ：编译器，可以做成交叉编译的形式，即在宿主机上开发编译目标上 可运行的二进制文件。 b i n u t i l s ：一些辅助工具，包括o b j d u m p ( 可以反编译二进制文件) ，a s ( 汇 编编译器) ，l d ( 连接器) 等等。 g d b ：调试器，可使用多种交叉调试方式，g d b _ b d m ( 背景调试工具) ， g d b s e r v e r ( 使用以太网络调试) 。 2 交叉编译调试工具 支持一种新的处理器，必须具备一些编译，汇编工具，使用这些工具可以 形成运行于这种处理器的二进制文件。对于内核使用的编译工具同应用程序使用 的有所不同。下面对g c c 连接做一些说明： 1 d ( 1 i n k d e s c r i p t i o n ) 文件：l d 文件是指出连接时内存映象格式的文件。 c n o s ：应用程序编译连接时需要的启动文件，主要是初始化应用程序栈。 p i c ：p o s i t i o n i n d e p e n d e n c e c o d e ，与位置无关的二进制格式文件，在程序段中 必须包括r e l o c 段，从而使的代码加载时可以进行重新定位。 3 可执行文件格式 首先先对。些名词作一些说明： c o f f ( c o m m o n o b j e c t n l e f o n n a t ) ：一种通用的对象文件格式 e l f ( e x c u t i v e l i n k e d f i l e ) ：一种为l i n u x 系统所采用的通用文件格式，支持 动态连接 n a t ：e l f 格式有很大的文件头，n a t 文件对文件头和一些段信息做了简化 u c l i n u x 系统使用f l a t 可执行文件格式，g c c 的编译器不能直接形成这种文 件格式，但是可以形成c o f r 或e l f 格式的可执行文件，这两种文件需要c o f f 2 n t 或e l f 2 n t 工具进行格式转化，形成n a t 文件。 浙江大学硕十学位论文 2 2 3u c l in u x 在s 3 c 4 4 8 0 x 上的移植 移植一个操作系统到新的硬件平台，比较好的办法是寻找一个架构相近并且 已经做好操作系统移植的硬件平台。然后，对原先的操作系统做一定修改。系统 源码修改的工作量取决于自行设计的硬件平台与现有的硬件平台之l 、日j 差异程度。 移植u c i i n u x 到s 3 c 4 4 8 0 x 上主要分为以下两个步骤1 m 1 ： 1 编写b o o t l o a d e r b o o t l o a d e r 就是在操作系统内核运行之前的一段程序。通过这段程序，我们 可以初始化硬件设备、建立内存空间映射图，从而将系统的软硬件环境带到个 合适的状态，以便为最终调用操作系统内核做好正确的准备。 b o o t l o a d e r 的引导流程如下： 硬件初始化 复制_ 二级中断异常矢量表 初始化各种处理器模式 复制r o 和r w ，清零z i ( 跳转到c 代码入口函数) 初始化本阶段使用到的硬件设备 建立人机界面 实现映像文件的下载和烧录工具 实现映像文件的加载和运行 2 修改u c l i n u x 源代码 u c l i n u x 中与平台有关的地方都需要依据具体硬件进行相应的改动，要修改 的系统源码主要有如下几处： 压缩内核代码起始地址的修改 处理器配置选项的修改 内核起始地址的修改 r o m 文件系统的定位修改 修改存储空间配置 浙江大学硕士学位论文 初始化节拍定时器 定义二级异常中断矢量表的起始地址 定义c p u 体系结构和交叉编译器 以太网卡寄存器地址的偏移量修改 以太网设备基址修改 2 2 4 开发环境的建立 1 交叉编译环境的建立 嵌入式系统的开发都是以装有l i n u ) ( 的p c 机作为宿主机来编译内核和用户 应用程序的，通常需要采用交叉编译的方式。交叉编译就是在一个平台上生成可 以在另一个平台上执行的代码。 在l i n u x 环境下，我们可以利用a r m e l f 二鼯c 工具进行交叉编译，生成a r m 平台下得可执行代码。具体过程如下： 将a 丌n e l f _ t o o l s 一2 0 0 3 0 3 1 4 s h 拷贝到根目录，运行安装 撑c 缸l o d7 5 5 蹦m 8 l 风o o l 扑2 饿堪毋31 4 ，妇 以将其属性改为可执行属性，然后运行： 毕s h - 嬲巍- e l 黻o o l s 心0 1 4 盘 将交叉编译器安装到了宿主机上，下面就可以用交叉编译器a n t l 一e l f _ g c c 编 译u c l i n u x 内核和用户应用程序了。 2 配置、裁剪、编译u c l i n u x 对u c l i n u x 配置和编译，要在安装了l i n u x 操作系统的p c 机上进行。推 荐采用r e d h a t 9 0 。 解压u c l i n u x 移植包 u c l i n u x a r m s y s 一2 0 0 5 叭01 t 札g z 是针对a r m s