（计算机系统结构专业论文）手持rsu底层平台的设计与实现.pdf

at h e s i sf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ri nc o m p u t e r a r c h i t e c t u r e d e s i g na n di m p i e m e n t a t i o no f t h eh a n d y - r s up l a t f o r m b yh u a n g 尉w e n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl ij i n 舀i a o n o r t h e a s t e mu n i v e r s i t y d e c e m b e r2 0 0 7 9 川82248iii叭y - 一一一 k j 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了 明确的说明并表示诚挚的谢意。 学位论文作者签名：易次 签字 日 期 ：口口8 ，厂芗 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校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。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意_ ) 学位论文作者签名：知足 导师签名：钐次 签字日期：卫伊口8 ，芗签字日期：夕缈$ 、7 乞 1i-tj ， 值ii r 尔北人学硕十学位论文 摘婴 手持r s u 底层平台的设计与实现 摘要 智能交通系统( i t s ) 是目前世界交通运输领域的前沿研究课题，它综合了信息、通信、 计算机、控制等技术，对传统交通运输系统进行深入的改造。智能交通系统的j 遁用提高 了系统资源的使用效率和系统安全性，减少了资源消耗和环境污染。 在分析智能交通系统市场需求的基础上，开展了应用于智能交通系统领域的手持式 r s u 系统的研究。本文主要研究该手持r s u 系统的底层平台的设计与实现，这也足系 统的核心部分。 本系统使朋了流行的s 3 c 2 4 l o a 微处理器作为硬件1 z 台的基础，并在此基础上扩展 了该手持r s u 系统所需的外围设备。在此硬件平台上实现了系统所需的各个功能模块， 具体有：可交互的液晶显示、触摸屏和键盘输入模块，以及i c 卡读卡器模块、摄像头 模块和存储模块等。 本系统软件平台构建在最新的l i n u ) 【内核的基础上，吸纳了l i n u x 系统的优点，完 成了r s u 系统所需的基本功能，并改进了其在嵌入式平台上的不足。通过优化系统的 启动流程、使用新的进程调度算法和中断线程化技术，提高了系统的启动速度并增强了 系统的响成能力。同时，在电源管理方面也做了一些研究，降低了设备的能耗，延长了 该手持r s u 系统的电池使用寿命。这些优化和改进，使该手持r s u 设备满足了性能上 的需求。 在完成了系统的设计和开发之后，对系统进行了测试。测试结果表明，该系统能够 很好地完成图像拍摄、o b u 的发行和检测、i c 卡的读写等功能，达到了设计要求。 关键词：手持r s u ；智能交通系统；嵌入式l i n u x ；电源管理 ，i - ，t ， ，、 iij f 东北人学硕十学位论文a b s t r a c t d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h eh a n d r s up l a t f o r m a bs t r a c t 1 1 1 t e l l i g e n tt r a n s p o n a t i o ns y s t e m ( i t s ) i st h ea d v a n c i n ge d g er e s e a r c hp r o j e c ti nt h e 仃a m ca n dt i a n s p o r t a t i o nf i e l da r 0 眦dt h ew o r l d nr o u n d su po ft h ei n f o 门m a t i o nt e c h n o l o 缈 c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y ，c o m p u t e rt e c h n o l o g y c o n 仃o lt e c h n i q u ea n ds oo n ，w h i c hd e 印l y r e f o 丌nt h e 拄a d i t i o n 拓a m ca n d 廿a n s p o r t a t i o ns y s t e m n si r n f i r o v e st 1 1 es e i c ee m c i e n c yo f t h es y s t e m sr e s o u r c e s ，t h es e c u r i t ) ro ft h es y s t e m ，a n di nt h em e a n w h i l e ，i td e c r e a s e st h e c o n s u m p t i o no ft h er e s o u r c e sa n dt h ee n v i r o n m e n tp 0 1 1 u t i o n a f t e rn l ea n a l y s i so fm a r k e td e m a n d0 nt h e1 1 s ，t h i sp 印e rh a v ei m p l e m e n t e da h a n d y - r s us y s t e m ，w h i c hi so n ep r o d u c tu s i n gi nt h ei t s a n di tm a i n l yd o e sr e s e a r c ho n t h ed e s i g na n di m p l e m e l l tt h eb a s el o w l e v e ls y s t e mo ft h eh a n d y r s u ，w h i c hi st h ec o r e p r o p o n i o no ft h eh a n d y - r s us y s t e m o nt h eh a r e w a r ep l a t f o 肌，w ec h o s et h es 3 c 2 41o am c ua st h eb a s ep l a t f o m ，a n d e x p a n ds o n l ep e r i p h e r a ld e v i c e sw h i c ha r en e e d e db yt h i sh a n d y r s us y s t e m a n db a s eo n t h i sh a r e w a r ep l a t f o i m ，w ei m p l e m e n tt 1 1 e 如c t i o nn l o d u l e sw h i c ha r en e e db yt h i sh a n d - r s u s y s t e m ，i n c l u d i n gd i s p l a y ，t o u c h s c r e e na n dk e ) ，b o a r dw h i c hu s i n gf o ri n t e r a c t i v i n gw i t hu s e r s ， a n dt h ei cc a r dr e a d e rm o d u l ef o rl l a n d l i n gt h ei cc a r d ，a l s on l ec a m e r am o d u l ew h i c hf o r t a k i n gp h o t o e s t h i sh a n d y r s ub a s ep l a t f 0 肌t a k e sa d v a n t a g eo ft h el i n u xs y s t e mt oi m p l e m e n tt h e b a s ef u c t i o n sw h i c ha r er e q u i r e db yt h eh a n d y - r s us y s t e m w h a t sm o r e ，w ed om u c hw o r k t oo v e r c o m et h es h o r t c o m i n g so ft t l el i n u xs y s t e mw h e nu s i n go nt h ee m b e d d e dp l a t f o n n w e o p t i m i z et h es t a r t n o wo ft h es y s t e m ，a p p l yt h en e wp r o c e s ss c h e d u l i n ga l g o r i t h ma n d i n t e m 叩tt h r e a d i n gt e c l l 工l o l o g y ，i m p r o v i n gp o w e rm a n a g e m e n tm o d u l e ，t h ea 1 1o ft h e s ew o r k i m p r o v e st h es y s t e m sb o o t u ps p e e da n dr e s p o n s i v ea _ b i l i 饥p r o l o n g st h es y s t m e sw o r k - t i m e a t1 a s t ，w ed om u c ht e s t0 nt h eh a n d y - r s u t h et e s tr e s u l t si n d i c a t e dt h a t ，i tp r o v i d e s t h ef u n c t i o n sr e q u i r e d b yh a n d yr s ua n dm e a n w h i l et h ep e r f o m a n c ei sp e r f e c t ，w h i c h a c h i e v e dt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：h a n d y r s u ；i t s ；e m b e d d e dl i n u x ；p o w e rm a n a g e m e n t i i i 尔北人学硕十学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s tr a c t i i i 第一章引言1 1 1 课题研究背景1 1 2 课题内容与意义2 1 3 论文组织结构2 第二章手持r s u 硬件平台3 2 1 手持r s u 微处理器选型3 2 1 1 嵌入式微处理器架构3 2 1 2 手持r s u 微处理器选择4 2 2 手持r s u 硬件平台5 2 3 外围接口模块6 2 3 1u s b 接口模块6 2 3 2s d m m c 接口模块7 2 3 1 3l c d 接口模块8 2 3 4l c d 背光控制模块8 2 3 5 非接触式i c 卡模块9 第三章手持r s u 软件平台的总体设计1 l 3 1 手持r s u 系统总体框图1 1 3 2 手持r s u 功能模块设计1 1 3 3 人机交互模块设计12 3 4 底层存储模块设计1 2 第四章手持r s u 系统软件平台的实现1 5 4 1 引导加载程序的实现1 5 4 1 1 引导加载程序原理1 5 4 1 2u - b o o t 移植1 6 4 2l i n u x 内核的移植1 7 4 2 1l i n u x 内核初始化过程分析l7 4 2 2l i n u x 内核的移植过程1 9 4 3 手持r s u 模块驱动的实现2l 4 3 1l c d 驱动的实现2 1 4 3 2 非接触式i c 卡读卡器驱动的实现2 9 4 3 3 其他模块驱动31 尔北人学颂十学位论文 日录 4 4 文件系统的构建3 2 4 4 1 构建基本的文件系统3 2 4 4 2 构建完整的文件系统3 4 4 4 3 创建文件系统映像3 5 4 5 手持r s u 性能的改进3 6 4 5 1 启动流程优化3 6 4 5 2 进程调度算法分析和改进4 0 4 5 3 中断线程化的实现4 31 4 6 手持r s u 的电源管理4 4 4 6 1 电源管理模块的实现4 4 ， 4 6 2l c d 背光控制的实现4 7 4 6 3c p u 变频的实现5 3 第五章系统测试5 5 5 1 功能测试一5 5 5 2 性能测试一5 5 5 2 1 启动时间测试5 5 5 2 2 系统响应能力测试5 6 5 3 系统功耗测试5 6 第六章结论与展望5 7 参考文献5 9 致谢6 3 东北人学硕十学位论文第章引言 第一章引言 1 1 课题研究背景 智能交通系统( h t e l l i g e l l tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，i t s ) 1 在全球发达国家正得到广泛 的j 啦用，也是目前世界交通运输领域的前沿研究课题。发达国家提出并执行了一系列研 究计划，其核心足针对日益严重的交通需求和环境保护压力，采用信息技术、通信技术、 传感器技术、系统t 程技术、人工智能、控制技术等对传统交通运输系统进行深入的改 造，从而大大提高了系统资源的使用效率，增强了系统安全性，降低了交通系统造成的 环境污染。 智能交通系统的广泛应用可以大大改善人们的出行条件，是社会发展现代化的一个 审要标志。目前许多发达国家和地区都在这个领域投入了大量的人力和物力，并形成了 以口本、美国、欧洲为代表的研究中心。 日本是在智能交通系统领域中研究最早的一个国家，也是目前使用程度最高的国 家。早在2 0 世纪7 0 年代，日本就开始了1 1 r s 领域的研究，并且由多个政府部门共同参 与、密切合作。目前，它已形成了一个完备的系统，特别在电子收费和优化调度的方面 更为突出。i t s 在美国也得到了广泛的应用，由于政府、大学、氽业等多方面的参与， 美围i t s 研究和应用的推进极为迅速，并在i t s 的主要领域成为领跑者。由于多困的共 同参与，欧洲地区的i t s 的发展趋向于一体化，在此过程中，著名的项目有 p r o m e t h e u s ( 1 9 8 6 年) 和d r j v e ( 1 9 8 9 年) 等。其中，d i w e 项目还是日前世界上交通 运输界规模最大的合作研究计划，共有1 2 个国家的7 0 0 多个单位参与，经费达5 亿欧 元1 。 作为一个发展中国家，我国的i t s 系统的研究和应刚也处于发展的过程当中。2 0 0 2 年中围城市智能交通系统示范工程启动，北京、上海、深圳等十大城市被列为研究和实 施i t s 的示范城市。目前，高速公路电子不停车收费系统( e l e c 仃o n i ct 0 1 1c o l l e c t i o n ， e t c ) 5 ，6 7 j 】、出租汽车调度与信息采集系统、高速公路联网监控系统、轨道交通自动售 检票系统等项目正在全国各大中城市大范围地应用，并且已经形成良好的发展势头。 电了不停车收费系统是1 1 r s 的一个重要的组成部分。e t c 系统主要由以下几个功能 模块构成：车辆柃测模块；车辆识别模块；图像抓拍模块；设备控制模块； 计费与协调处理模块；通信模块：数据传输模块组成。 e t c 系统由安装在车辆上的车载单元( o nb o a r du n i t ，o b u ) 与安装在收费车道的路 侧单元( r o a ds i d eu n i t ，r s u ) 系统构成。o b u 与r s u 之间进行通信，并对获得的数据 进行车型识别和有效性判断，若车辆出入信息有效，则启动扣款或记帐流程自动完成交 易，实现车辆不停车收费。 日l j e t c 系统( 包括r s u 和o b u ) 已广泛应用于公路收费，它不仅提高了车辆通行 1 。 东北人学硕十学位论文第一章j i 吉 速度，而且避免了现金收费的弊端。目前，e t c 收费系统已成为北京和广东等地高速公 路联网的主要收费模式。 1 2 课题内容与意义 基于以上的分析，开展了对手持r s u ( h a n d y - r s u ) 系统的研究与开发。日标是实现 一个手持式的r s u 产品，使之能够更好、更方便地完成普通r s u 设备的全部功能和一 些额外的功能，包括o b u 的发行和检测、i c 卡的充值收费、图像的抓拍和交警执法等。 它是r s u 的一个辅助系统，目前在市场上已得到初步的应用。该手持式r s u 是由市场1 催生的一个产品，很好的满足了市场的需求，有较大的现实意义。 本系统负责的是项目的核心部分，在硬件目标平台上，完成了对整个底层软件系统 ， 甲台的设计与实现，并在此基础上，充分利用开源和嵌入式l i n u x 【9 1 0 川的特性，做了较 大的改进。其意义主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 研究并开发了基十嵌入式l i n u ) 【的手持式r s u 设割1 2 朋】。传统的r s u 产品一般 是位置吲定的，而可移动的手持式r s u 是市场上新出现的产品，本系统为相关 产品的开发提供了很好的参考。 ( 2 ) 实现了智能系统的快速启动。目前智能系统的启动速度一般都比较慢、耗时比 较长。本系统通过软件预加载以及模块推迟加载等多种方法大大加速了系统的 启动过程，缩短了系统的启动时间。 ( 3 ) 实现了系统的快速响应。通过使用新的进程调度算法以及中断线程化等技术， 提升了系统的响应速度，改善了系统的交互能力和用户体验，满足了对本手持 r s u 的需求。 ( 4 ) 加强了电源管理的能力。能耗是手持或移动设备使用的一个非常敏感的冈素， 也是实现本手持r s u 系统的一个难题。本系统增强了l i n 畎电源管理方面的能 力，并加入了在a r m 9 上的c p u 变频处理能力和智能l c d 背光控制等，大大 延长了电池的使用寿命。 1 3 论文组织结构 本文的章节安排如下： 第一章：分析当前嵌入式系统及r s u 系统现状，介绍本系统的内容和意义。 第二章：概述手持r s u 系统的硬件平台框架。 第三章：阐述底层软件系统总体设计，并给出整个软件的架构图。 第四章：详细讨论底层软件系统各个部分的实现，包括引导加载程序、内核和文件 系统等。并着霞讨论在此基础上所做的几个方面的改进。包括快速启动、快速响应、电 源管理等。 第五章：分析系统功能测试、性能测试结果。 第六章：概括介绍本系统的实现情况，对系统开发进行总结和展颦。 东北人学侦十学位论文 第_ 学手持r s u 硬f ， 平台 第二章手持r s u 硬件平台 2 1 手持r s u 微处理器选型 2 1 1 嵌入式微处理器架构 嵌入式微处理器有许多流行的处理器架构，芯片生产厂家一般根据这些处理器的内 核生产不同型号的：签片【1 4 】。下面将介绍几种常用的嵌入式处理器的架构，以及著名制造 商生产的典型的j 薛片型号。 ( 1 )x 8 6 x 8 6 系列处理器是目前最为流行的处理器，它源于h t e l 架构的8 0 8 0 ，由此发展出 2 8 6 、3 8 6 、4 8 6 ，直到现在的p e n t i 啪4 、c o r e 2 和蝴d 的6 4 位处理器等。从嵌入式市 场来看，4 8 6 d x 是当时和a r m 、6 8 k 、m m s 和s u p e r h 齐名的五大嵌入式处理器之一。 8 0 8 6 是第一款主流的处理器。如今的c 0 r e 2 和当初的8 0 8 0 都使用相同的指令集，保持 了向后兼容性，但是限制了c p u 性能的提高。 ( 2 ) a - i u w s t r o n g 声汰m 【1 5 l 删( a d v a n c e dr j s cm a c h i n e s ) 公司是全球领先的1 6 3 2 位m s c 微处理器知识产 权设计供应商。删公司通过授权高性能、低成本、低功耗的对s c 微内核、外围设备 和系统芯片设计技术给合作伙伴，使他们能用这些技术来生产各具特色的芯片。删 已成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌入式解决方案的r j s c 标准。删处理 器有三大特点：体积小、功耗低、成本低而性能高；1 6 位3 2 位双指令集；众多的全球 合作伙伴。 ( 3 ) p o w e r p c p o w e r p c 架构的特点就是可伸缩性好，方便灵活。p o w e r p c 处理器品种很多，既有 通川的处理器，又有嵌入式控制器和内核。它的应用范同非常广泛，从高端的t 作站、 服务器到桌面计算机系统，从消费类电子产品到大型通信设备等各个方面。目f j f p o w e r p c 在电信、金融和其他许多行业具有广泛的应用。 ( 4 ) 6 8 k c 0 1 d f i r e 【1 6 1 7 】 m o t o r o l a6 8 k 是出现得比较早的款嵌入式处理器。6 8 k 采用的是c i s c 结构，与 现在的p c 指令集保持了二进制兼容。1 9 9 4 年，m o t o r 0 1 a 公司又推出了基十r i s c 结构 的6 8 刚c o l d f i r e 系列微处理器。2 0 0 4 年1 2 月，摩托罗拉半导体部从摩托罗拉公司中分 离出来，成立了独立的飞思卡尔半导体公司。目前，基于该架构的嵌入式微处理器主要 有：基于c o l d f i r ev 2 核心的m c f5 2 7 2 5 2 4 9 和基于c o l d f i r e v 2 核心的m c f 5 4 4 5 x 系 列。 ( 5 1m 口s 【1 8 】 尔北人学硕十学位论文 第二章手持r s u 硬件平台 m 口s ( m i c r o p r o c e s s o r 奶l o u th l t e r l o c k e dp i p e l i n es t a g e s ) 是一种处理器标准，它足由 m 口s 技术公司开发的。m 口s 技术公司是一家设计制造高档次嵌入式3 2 位和6 4 位处理 器的厂商，在r j s c 处理器方面占有荤要地位。m j p s 技术公司既开发m 口s 处理器核， 又自己生产基于m 口s 的3 2 位6 4 位：笛片。为了使用户更加方便地应用m 口s 处理器， m m s 公司推出了一套集成开发t 具，称为m p sd f ( h l t e g r a t e dd e v e l o p m e n t f r a m e w o r k ) ，特别适用于嵌入式系统的开发。 2 1 2 手持r s u 微处理器选择 。 基于以上的分析和系统需求，本手持r s u 系统选用了基于a 蹦的体系架构。采刚 r i s c 的a r m 微处理器有以下特剧1 5 ，1 9 】： ， ( 1 ) 体积小、功耗低、成本低、性能高； ( 2 ) 支持t h u m b ( 1 6 位) 删( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件； ( 3 ) 大量使用寄存器，指令执行速度更快； l 东北人学硕+ 学位论文 第一章手持r s u 硬件平台 内存管理器 u s b 设备控制器 定时器 a h b 总线 a r m 9 t a p b 总线 中断控制器 电源管理 总线仲裁器 乜源管理 r t c p w m 总线仲裁器 图2 1s 3 c 2 4 l o a 结构框图 f i g 2 1t 1 1 eb i o c kd i a a mo fm es 3 c 2 410 aa r c h j t e c t u r c 2 2 手持r s u 硬件平台 本系统使用一个带触摸屏的t n l c d 作为输入和显示设备与用户的交互。在存储 方面，使厢一块6 4 mn a n df l a s h 作为内核和系统文件的缺省存储介质，s d m m c 卡作 为设备的扩展存储介质。为了实现图像抓拍功能，系统中加入了一个u s b 摄像头模块。 通过c s 8 9 0 0 a 以太网芯片，为系统提供了网络连接的能力，使设备具备与服务器进行 连接，系统网络升级等功能。 s 3 c 2 4 1 0 a 具有完备的数据总线和地址总线，寻址空间达到1 g b 。在此基础上，通 过扩展外接一个r c 5 0 0 芯片，实现了o b u 上的i c 卡收费功能。 如前所述，手持r s u 最主要的功能足o b u 的发行和检测，这个功能是通过微处理 器的一个串口和个o b u 发行与检测模块连接而成的。o b u 发行与检测模块足一个模 拟信号的射频电路模块，它由s 3 c 2 4 1 0 a 处理器控制其进行发行和柃测，并通过串u 向 处理器返回结果数据。 综上，本系统的硬件平台如图2 2 所示。 东北人学硕十学位论文第_ 章手持r s u 硬件平台 2 3 外围接口模块 图2 2 硬件平台总体框图 f i g 2 2t h eb l o c kd i a g r a mo f h a r e w a r ep l a t f o r n l 本系统使用的外围设备接u 包括l c d 、u s b 、摄像头、l c d 、触摸屏、非接触式i c 卡读卡器、n a 卜df l a s h 、s 删c 、以太网、键盘输入等模块，这里详细介绍几个主 要模块。 2 3 1u s b 接口模块 u s b 的全称足u 两v e r s a ls 硎a lb u s ，即通用串行设备总线。u s b 具有热插拔，即插 即用，传输速度高，通用性强等优点，正在逐步地取代其他接口( 如串口、并u 等) 的应 用。目前u s b 有两个规范，即u s b1 1 和u s b2 o ，而u s b3 0 规范正在研发当中。 s 3 c 2 4 1 0 a 内部集成了两个u s b 主机接口和一个u s b 设备端接口。其中，有一个 u s b 主机接口是独立的，而另一个和u s b 设备端接口复用。如图2 3 所示，独立的u s b 接ud p 0 d n 0 只需要在连接的时候，加上匹配电阻和大小为5 v 的输出电压即町。而复 崩的接 jd n p l d p i 由于u s b 主机端和u s b 设备端电路的不同，需要通过一个跳线开 关来选择。 ， 东北入学颂十学位论文 第_ 章手持r s u 硬件平台 图2 3u s b 接口与s 3 c 2 4 1 0 连接图 f i g 2 3t h es k e t c hm a t po f c o n n e c t i o no f s 3 c 2 4 l o 粕du s bc o n n e c t o r 2 3 2s d m m c 接口模块 m m c ( m u l t i m e d i ac a r d ，多媒体存储卡) 由s a n d i s k 和s i e m e n s 公司在1 9 9 7 年发起。 与传统的移动存储卡相比，其最明显的外在特征是尺寸更加微缩外形尺寸只有 3 2 m m 2 4 m m x l 4 m m ，而其重量不超过2 9 。这使其成为世界上最小的半导体移动存储 卡。 亨 图2 4s d 卡与s 3 c 2 4 1 0 连接图 f i g 2 4n e s k e t c hm a po f c o n n e 甜o no f s 3 c 2 4 1 0a n ds d 朋m cc o n n e c t o r s d 卡( s e c u r ed i g i t a lm e m o 巧c a r d ) 是与m m c 卡接【j 兼容的一种基于半导体快闪记 忆器的新一代记忆设备。它由日本松下、东芝及美国s a n d i s k 公司于1 9 9 9 年8 月共同 开发研制。它在继承m m c 卡优点的基础上，具有更高的容量、更快的数据传输率和更 尔北人学硕十学位论文 第_ 章手持r s u 硬1 ， ：平台 好的安全性。 s d 卡接口电路如图2 4 所示，通过这个接u 实现了手持r s u 设备外扩存储的能力。 2 3 3l c d 接口模块 木系统使用一个3 5 英寸的t f t 液晶显示模块，它支持8 位、1 6 位和2 4 位的色深 显示，可以达到较为理想的实现效果。l c d 液晶显示器的接u 电路如图2 5 所示。 v f v s a o b o l c d v f 、 v m d e n a l b l l c d v m d i v 1 h s a 2 b 2 l c d v l v c l k a 3 b 3 l c d v c l p w r e n a 4 b 4 l c d p w r e l e n d a 5 b 5 l c d l e n a 6 b 6 g n di a 7 b 7 n e v c c v d d l c g n v d d l c d d r g n d v d o a o b 0 l c d v d 0 v d l a i b l l c d v d l v n 2 a 2 b 2 l c d v d 2 l c d v d 3 v d 3 a 3 b 3 l c d v d 4 v d 4 a 4 b 4 l c d v d 5 v d 5 a 5 b 5 l c d v 蹦 v d 6 a 6 b 6 l c d v d 7 v r ) 7 a 7 b 7 g n d n e v c c v d d l c d g n d v d d l c d d r g n d ；3 l2 v d ；36 34 f t 56 78 r d 3l c d l 9l o 7 n s l l1 2 l c d l ，n 7 1 31 4 1 51 6 ic r 】v ，d l l 1 71 8 ，d 1 2 1 92 0 l c d v ，d 1 4 2 l2 2 l c d 2 32 4 2 5 2 6 l c d v ，d 2 0 2 72 8 l c d ，d 2 2l c d 2 9 3 0 3 l3 2 l c d p w 3 33 4 3 53 6 l c d v m 1 f v s 3 7 3 8 1 c d v l f v c l k l c d v l l l 3 9 4 0 g n l 4 l4 2 4 3 4 4 4 54 6 4 7 4 8 4 9s 0 图2 5l c d 接口电路图 f i g 2 5t h ed i a g r a mo ft h el c d i n t e r f a c ec i r c u i t 由于s 3 c 2 4 1 0 a 内部集成了l c d 控制器，只要在驱动程序中设置好相心的寄存器， 就能够产生正确的时序。考虑到不同液晶的接口电甲不一致，仍然需要数据缓冲器做电 平转换。s 3 c 2 4 1 0 a 芯片引出的l c d 数据线v d o v d 2 3 ( 图中只画出了v d 0 v d 7 ) 经过 缓冲器7 4 h c t 2 4 5 驱动之后接至液晶的数据线，同步信号和时钟也被缓冲驱动后与液晶 相连。 2 3 4l c d 背光控制模块 l c d 背光控制电路如图2 6 所示。该模块的输入电压是5 v ，在丁i 压丌关调整器 m i c 2 2 8 7 y d 5 使能时( 其e n 端被置为高电平) ，输出端将得到l c d 背光所需的2 0 v 工 作电压。这是l c d 正常 二作的情况。 通过脉宽调制( p w m ) 信号使能这个升压开关调整器，可以使l c d 背光t 作在较低 的功率下。该脉宽调制信号来自s 3 c 2 4 ) ( x 的p w m 模块，通过驱动s 3 c 2 4 x x 的p w m 模块，控制脉宽调制信号高低电平的比例，使它输出所需的脉宽调制信号，便口j 以控制 1 _ ， 垒i ! 叁兰堡兰垡堡壅一一 第_ 带手持r s u 硬f f | 半台 一一： ：= ： 该升压开关调整器的输出电压。 尔北人学硕十学位论文第_ 章手持r s u 硬件平台 图2 8 手持r s u 硬件平台 f i g 2 81 1 1 eh a r e w a r ep l a t f o r mo fn l eh 粕d y r s u - l o ， 尔北人学颂十学位论文 第- 三章手持r s u 软件平台的总体设汁 第三章手持r s u 软件平台的总体设计 j 3 1 手持r s u 系统总体框图 本系统使用如图3 1 所示的软件体系【2 1 】设计，以实现系统所需的功能。这个系统的 基础是一个操作系统，它实现了多任务的调度、系统资源的分配和管理，以及各种各样 的通信协议等功能。操作系统的存在屏蔽了底层系统的复杂性，并提高了系统资源的利 用率。围绕着这个操作系统的是实现本系统所需的各个模块。其中最核心的足手持r s u 的功能模块，该模块实现了本系统的功能部件。其实现的功能有：非接触式i c 卡读卡 器、o b u 检测发行和图像拍摄。其他模块均为该功能模块的辅助模块。为了使设备的 使用和用户体验更加友好，系统配备了完善的人机交互模块。通过方便友好的人机接l j ， 只需要简单的操作，就可以操控设备的功能模块，完成目标任务。底层存储模块用于为 设备提供存储空间，其存储的内容包括设备本身的数据( 如操作系统映像义件，模块义 件等) 和h j 户产生的数据( 如图像拍摄功能模块产生的图像数据，i c 卡读卡器读出的资料 等) 。最后一个足通讯模块，该模块为设备提供了网络接入的能力，为设备的软件系统 在线升级和访问服务器提供了可能。 图3 1 手持r s u 系统的总体框图 f i g 3 1n e s k e t c hb l o c kd i a g r 扪o fh a n d y - r s u 3 2 手持r s u 功能模块设计 如上所述，手持r s u 功能模块所实现的功能有：非接触式i c 卡读卡器，o b u 榆测 和发行，以及图像拍摄。本系统使用飞利浦的m f r c 5 0 0 非接触式i c 卡读卡器：卷片。这 垒j ! 叁兰竺兰丝堡奎 第二章手持r s u 软件平台的总体设计 一 ：= ： ：= = = ：! ! ! ：竺：竺= 兰：! 个芯片通过系统总线和c p u 相连。图像拍摄功能则是通过外接摄像头，这里选择了u s b 接u 的摄像头来实现。而o b u 检测和发行功能是由一个射频模块来完成的。该模块通 过串u 和c p u 进行通信。由此得到这个功能模块的设计如图3 2 所示。 图3 2 功能模块设计图 f i g 3 21 1 1 ed e s i g nd i a 伊a mo f t h em n c t i o nm o d u i e 尔北人学硕十学位论文第二章手持r s u 软件平台的总体设计 行时生成的数据( 包括摄像头生成的图片，读取到的i c 卡资料等) 。此外，系统还为用户 预留了可用的存储空间。本系统还配备了s d ，m m c 卡作为移动存储，将系统生成的数 据存储在s d m m c 卡上并通过热插拔2 2 1 操作，便可以方便地实现数据的共享。底层存 储模块如图3 4 所示。 手持r s u 功能模块 操作系统 8g n a n d f i 私h s d ，m m c 图3 4 底层存储模块设计图 f i g 3 4t h ed e s i g n e dd i a g 舢o f t h el o w - l e v e ls t o r a g e 从图中町以看出，手持r s u 功能模块町以将新生成的数据直接写到存储模块上，或者 通过操作系统将数据从存储模块中读出来，经过处理后，再通过操作系统写回到n a n d f 1 a s h 或移动存储s d ，m m c 卡中。 垒j ! 叁兰竺十学位论文 第一三章手持r s u 软件平台的总体发计 1 4 - ， 东北人学颂十学位论文 第p q 章手持r s u 系统软件平台的实现 第四章手持r s u 系统软件平台的实现 4 1 引导加载程序的实现 4 1 1 引导加载程序原理 目前流行的操作系统引导加载程序【2 3 2 4 1 有许多种，如用于p c 系统上的g r u b 和 l i l o ，用于嵌入式系统下的通用的u - b o o t ，用于删体系结构的v i ，还有用于 c o l 曲r e 6 8 k 体系的c o l i l o 等。在嵌入式系统中，通常没有像p c 上的b i o s 那样的阎 件，所以对于嵌入式系统来说，引导加载程序就成为一个非常鼋要的系统组成部分。 引导加载程序是系统上电后运行的第一段代码。它的主要任务是将内核映像从f 1 a s h 读到s d 删，然后转到内核的入口点开始运行操作系统代码。 引导加载程序的启动过程一般分为两个阶段。第一阶段主要包含依赖于c p u 体系 结构的硬件初始化代码，这些代码通常都是用汇编语言来实现。这个阶段的任务有： 基本的硬件设备初始化( 屏蔽所有的中断、关闭处理器内部指令数据 c a c h e 等) ； 从存储介质中( 如f l a s h ，s d 卡等) ，复制引导加载程序的第二阶段代码到 r a m 中； 设置系统堆栈，为第二阶段的c 程序的运行做准备； 跳转到第二阶段的c 程序入口点。 第二阶段的代码一般由c 语言编写，以使程序具有更好的移植性。这个阶段的任 务有： 初始化串口：初始化以及使能至少一个串口，通过它完成一些调试的下 作，还町以和p c 通信； 创建内核参数列表： 启动内核镜像：根据内核镜像保存的存储介质不同，可以有两种启动方 式：从山s h 启动以及从酬启动；但是无论是哪种启动方式，对于 删体系，c p u 寄存器必须满足如下设置： r o = o ： r l = 机器类型； i 也= 启动参数标记列表在r a m 中的起始地址。 这三个寄存器的设置是在最后启动内核时，通过启动参数传递来完成的。 东北人学硕十学位论文第p q 章手持r s u 系统软彳，f ：平台的实现 4 1 2u - b o o t 移植 u