（计算机软件与理论专业论文）基于无线局域网的嵌入式点阵显示控制系统设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 l e d 显示屏是随着计算机及相关的微电子、光电子技术的迅猛发展而形 成的一种电子广告媒体，已经渗透到工业、农业、交通、金融及信息广告等 各个行业，它主要用于显示字符、图像等信息。l e d 显示屏具有耗电少、成 本低、清晰度高、寿命长等优点。正是由于l e d 显示的诸多优点，在短短的 十几年中，在信息显示领域得到了广泛的应用。 本文主要介绍l e d 显示控制的相关技术和综合方案。这里用到的硬件包 括自行开发的基于a r m 9 的控制单板机和基于p r i m s e2 5 系列的u s b 无线模 块。点阵控制系统需要与上位机进行数据传输通讯，为此还编写了一套基于 l i n u x 的无线网络通讯的上位机驱动程序。整个下位机的设计可以分为以下 几个部分：硬件系统设计、操作系统移植、驱动程序编写、c p l d 固件设计 与应用程序编写等部分。在硬件系统中，处理器采用的是三星公司的a r m 9 系列中的最具性价比的一款s 3 c 2 4 1 0 x ，其外围器件主要有c i m l sl o 自c 公司 的c s 8 9 0 0 a 以太网芯片、现代公司的h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 b t ( 3 2 m x 2r a m ) 和三 星公司的k 9 f 5 6 0 8 u o c ( 6 4 m n a l l d f l a s h ) 。为了增加系统的控制能力，在本 系统中利用a t l e m 公司的可编程逻辑来扩展i o 。软件部分，主要有以太网模 块驱动、u s b 模块驱动、无线网模块驱动以及c p l d 驱动模块。其中以太网 模块是为操作系统与应用程序的调试而设计的；考虑到有些场合没有无线网 络的信号时，可以通过可移动u s b 介质导入一些静态数据到系统中；无线网 络模块是点阵屏系统与上位机主要的通讯方式，也是本系统设计创新点； c p l d 模块的主要功能是扩展a r m 的i o 控制能力，为实现大型点阵模块控 制而设计的。 全文分为五章：第1 章综合介绍嵌入式系统的基本概念、l e d 发展技术 以及l i n u x 系统的发展现状；第2 章介绍嵌入式系统开发的环境以及概述本 系统设计思想；第3 章主要介绍l i n u x 操作系统在a r m 平台上的移植；第4 章介绍了系统驱动程序的编写，包括串口、l a n 和w l a n 模块；第5 章主 要介绍应用软件的编写以及系统的实现。 关键字：嵌入式系统，l e d ，驱动程序，a r m 武汉理工大学硕士学位论文 a b s 缸a c t w 1 t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e ra n dm i c r o e l e c t r o n i c s ， p h o t o e l e c t r o nt e c h n 0 1 0 9 y ，t h el e dd i s p l a yh a sb e c o m eak i n do fe l e c t r o m i d i a w h i c hh a sb e c o m ep o p u l a ri ni n d u s t r y ，a g r i c u l t u r e ，t r a n s p o n a t i o n ，b u s i n e s sa n d a d v e r t i s e m e n t s ot h el e dd i s p l a yh a sr a p i d l yb e c o m et h ep o p u l a rp r o d u c t i o ni n t h en a td i s p l a yi nt h er e c e n td e c a d e s a n ds ot h el e d sh a sa p p l i e di ni n f b m a t i o n i n d u s t r ya b r o a d l y t h i sa r t i c l em a i n l yt a l k sa b o u tt h et e c l l l l 0 1 0 9 yo fc o m r 0 1 1 i n gt h el e d sa n di t s i n t e g r a t e d印p l i c a t i o n s i n t h e 印p l i c a t i o n t 1 1 eh a r d w a r ec o n s i s t sm e s b c ( s i n g l e _ b o a r dc o m p u t e r ) a n dt h ew i r e l e s sm o d u l ew h i c hh a sp r i m e s2 5i c a n du s bi n t e r f i a c e _ b e c a u s ei ti sn e c e s s a r vf o rc o i l l i n u n i c a t i o n sb e t w e e nt h el e d s m a t r i xs y s t e ma i l dt l l ep c s ，m ea u t h o rh a sa l s ow r i t t e ns e r i e so fd r i v e r sw h i c h b a s e do nl i n u xa n dw l a n t h ee m b e d d e ds y s t e mc o n s i s t st h e d e s i g no f h a r d w a r e ，m et r a n s p o r to so na r m ，t h ep r o g r 唧o fd r i v e r s ，t h ed e s i g no f f i m l w a r eo nc p l da n dt h e 印p l i c a t i o n s ht h eh a r d w a r es y s t e mt h ec p ui st h e s 3 c 2 4 1o xw h i c hh a st h eh i g hr a t i ob e t w e e nq u a l i t ya n dp r i c e a n di t sp e r i p h e r y h a sc s 8 9 0 0 ao nl a n ，h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 b ta n dk 9 f 5 6 0 8 u o ce t c i no r d e rt og a i n t h em o r ec o n t i d ld b i l i t y ，t h ec p l do ft h ea t l e r ac o m p a n yh a su s e dt oe x p a dt h e e x t e n di o s t h es o f t w a r em a i n l yc o n s i s t st h e nl a nd r i v e r ，t h eu s bm o d u l e ，t h e w l a na n dt h ec p l dd r i v e r s t h el a ni sd e s i g i l e df o ft h ed e b u go f 也eo sa n d t h e 印p l i c a t i o n s t h ef u n c t i o no ft h eu s bm o d u l ei st oi n p u ts o m ed a t af r o ma u s bm o b i l em e d i aw h e r et h es i g n a lo fw l a ni sn o tr e c e i v e d t h em a i nt r a n s m i t b e t w e e nm el e dm a t r i xa i l dt h ep c si sm ew l a nm o d u l e w h i c hh a ss o m e a d v a n t a g e se s p e c i a l l yu n d e rt h es c u r v i n e s se n v i r o n m e n t t h ec p l dm o d u l ei s d e s i g n e dt oe x p a l l d 廿l ec o n t r o la b i l i t yo fi o s t h ea r t i c l eh a sf l v ec h a p t e l t h ef i r s tc h a p t e rm a i n l yt a l k st h eb a s ec o n c e p t i o n o ft h ee m b e d d e ds y s t e m ，t h et e c h n o l o g yo ft h el e da i l dt h es t a t u so ft h el i n u x o s t h es e c o n dc h a p t e re x p l a i n st h e 出i v e l o p m e n te n v i r o n m e n ta i 试b u m m a r i z e s i i 武汉理工大学硕士学位论文 t h ed e s i g ni d e ao ft h es y s t e m 曲et h i r dc h a p t e ri n t r o d u c e st h e nr 印1 a 1 1 to ft h e l i n u x m ef o u r n lc h 印t e r t a l k sa b o u tt h ed r i v e r so ft h ec o m ，l a na n dw l a n a i l d t h el a s tc h 印t e rm a i n l yd i s c u s s e st h e 印p l i c a t i o n sa n dt h ei m p l e m e n to ft 1 1 e s y s t e m k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，l e d ，d r i v e r ，a r m i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章综述 1 1l e d 显示屏介绍2 5 2 6 l e d 显示屏是利用发光二极管构成的点阵模块或像素单元组成大面积 显示屏幕，它采用低电压扫描驱动，具有：耗电少、寿命长、成本低、亮度 高、故障少、视角大、可视距离远等优点。 随着计算机技术的发展，显示屏也得到了迅猛的发展，在8 0 年代初， c g a 显示方式问世了，它有3 2 0 x 2 0 0 的分辨率四种颜色，在短短的1 0 年中 显示方式经历了c g a 、e g a 、s e g a 、v g a 、s v g a 、向超高分辨率发展， 显示精度从3 2 0 x 2 0 0 发展到1 6 0 0 x 1 2 5 0 ，由四种颜色到3 2 位真彩，扫描频 率从1 5 7 k 发展到1 5 0 k 。 显示器的工作原理是接收主机发出的信号还原成光的形式显示出来，随 着发展人们需要一种大屏幕的显示设备，于是有了投影仪，但是其亮度无法 在自然光下使用，于是出现了l e d 显示器( 屏) 。 正是l e d 显示屏的诸多优点，随着l e d 材料技术和工艺的提升，l e d 显示屏以突出的优势成为平板显示的主流产品之一，并在社会经济的许多领 域得到广泛应用，主要包括： ( 1 ) 证券交易、金融信息显示。 ( 2 ) 机场航班动态信息显示。 ( 3 ) 港口、车站旅客引导信息显示。 ( 4 ) 体育场馆信息显示。 ( 5 ) 道路交通信息显示。 ( 6 ) 广告媒体新产品。 1 2l e d 显示屏发展现状 1 2 1l e d 显示屏的产业状况 经过近十年的发展，我国l e d 显示屏产业发展目前已初具规模，基本 形成了批具有一定规模的骨干企业。进入新世纪，光电子产业得到广泛的 武汉理工大学硕士学位论文 重视，一些具有实力和影响的企业把l e d 显示屏作为经营战略发展的重要 内容，涉足l e d 显示屏产业。中国加入w t o 、北京申奥成功等，成为l e d 显示屏产业发展的契机，预计在近两年内，我国的l e d 显示屏产业将会有 较大的调整和发展。 1 9 9 8 年底l e d 显示屏专委会进行了一次不完全统计，根据统计结果， 1 9 9 8 年度销售总额在1 0 0 0 万元以上的企业有2 0 多家，其销售总额达6 亿 元左右，占行业市场总额的8 5 以上；全国从事l e d 显示屏的各企业有1 0 0 余家，从业人员近6 0 0 0 人，行业年度销售总额8 亿元人民币，此前的1 9 9 6 、 1 9 9 7 年的增长速度均保持4 0 左右，1 9 9 8 年略有回落，增长速度大概在3 0 左右。1 9 9 8 年成立的中国光学光电子行业协会光电器件分会l e d 显示屏专 业委员会，集中了全国有代表性和影响的l e d 显示屏主要生产企业，成立 之初有5 5 家成员单位，目前已发展到6 7 家，基本上包括了全国l e d 显示 屏行业的主导企业。 至2 0 0 0 年度，l e d 显示屏专业委员会成员单位的年产值已逾1 l 亿元 人民币，年度销售额超过了1 0 亿元人民币。与1 9 9 9 年相比，全行业产销值 的平均增长为1 0 以上，其中个别企业的增长了近两倍，有几个企业增长 了5 0 以上，大部分企业稳中有升，也有少数是下滑的，估计，这个产值 占全国同行业的7 5 以上。从业人数近9 0 0 0 人，其中专业技术人员4 0 0 0 多人，约占全员的4 5 ，具有中高级技术职称的有2 4 0 0 多人，约占全员的 2 8 。这些人员大部分从事技术开发，就整个行业来说，具有较强的开发能 力。 我国l e d 显示民间产业在规模发展的同时，产品技术推陈出新，一直 保持比较先进的水平。9 0 年代初即具备了成熟的1 6 级灰度2 5 6 色视频控制 技术及无线遥控等国际先进技术水平，近年在全彩色l e d 显示屏、2 5 6 级 灰度视频控制技术、集群无线控制、多级群控技术等方面均有国内先进、达 到国际水平的技术和产品出现；l e d 显示屏控制专用大规模集成电路也已 由国内企业开发生产并得到应用。 目前国内主要l e d 显示民间制造厂商主要集中在华东、华北、华南区 域，大型制造商的市场范围几乎覆盖整个国内市场。国内l e d 厂商数量也 在逐年增加，目前比较上规模的( 年产值在3 0 0 万元以上) 估计有1 5 0 余家， 其中年产值上千万的有2 0 余家。而且由于国产l e d 显示屏的性价比较高， 市场占有率近1 0 0 ，国外同类产品基本没有市场。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 2l e d 显示屏中无线技术的应用 尽管l e d 技术得到迅猛的发展以及应用如此普及，但是目前的l e d 显 示屏还是存在很多的缺陷，比如工程周期长、布线复杂、维护费用高、存在 许多安全隐患等，这些缺陷在户外显示屏表现更明显，为了解决上面所存在 的一些问题，除了提高工程管理技术外，更应该注重l e d 的控制和通信技 术的研究。本文针对以上缺陷提出一种新型改进方案一基于无线局域网的 l e d 显示屏，这套方案的主要特点是点阵屏和上位机之间的通信方式采取 的是无线局域网的方式，这个方案较其他的方案有以下优点： 1 、建设速度快，工程周期短 对于无线接入的l e d 显示系统面言，主要的网络设备安装工作就是架 设天线和安装连网设备，牵扯面小而工程单纯。而且由于无线设备采用小型 化和集成化工艺，所以基站安装所需的工程量很小，工程周期短。当显示屏 需要扩容时，采取无线方案的只需安装终端即可实现即时通信。 2 、安装灵活方便 无线的l e d 显示系统可以按当时的需要容量来安装设备，甚至可以现 用现装。在地形复杂，难以埋设或架高电缆情况下，这种方案是惟一的选择。 3 、维护费用低 4 、安全性好 1 3 现代嵌入式系统概斜1 2 6 1 1 1 6 】 随着计算机技术的飞速发展和网络技术的广泛应用，从p c 时代过渡到 了以个人数字助理、手持个人电脑和信息家电为代表的3 c ( 计算机、通信、 消费电子) 一体的后p c 时代。在后p c 时代里，嵌入式系统扮演了越来越 重要的角色，被广泛应用于信息家电、移动计算机设备、网络设备和工控仿 真等领域。嵌入式系统的开发也成为今年i t 行业技术的热点。 1 3 1 嵌入式系统的定义 根据i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“控制、 监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”。这主要是从应用上加以定义 的，从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的结合体，还可以涵盖机械等附 属装置。 武汉理工大学硕士学位论文 不过，从上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的精髓。目前国内普遍 被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、 适用虚用系统对功能、可靠性、体积、成本功耗严格要求的专用计算机系统。 1 3 2 嵌入式系统的特点 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业 的具体应用相结合的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密 集、高度分散、不断创新的知识集成系统。所谓嵌入式设备，是指具有计算 机功能，但又不称为计算机的设备和器材，几乎包括了我们周围的所有电器 设备：p d a 、手机、机顶盒、汽车、微波炉、电梯、安全系统、自动售货系 统、医疗器械系统等。 l 、嵌入式系统无处不在 嵌入式计算机在应用数量上远远超过各种通用计算机，一台通用计算机 的外部设各中就包含了5 一l o 个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、 显示卡、显示器、m o d e m 等均是由嵌入式处理器控制的。在制造工业、过 程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、航空、军事、消费类产品等方面均是嵌 入式计算机的应用领域。 2 、嵌入式系统产品特征 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的。和通用计算机不同， 嵌入式系统是针对具体应用的专用系统，一般具有成本敏感性，它的硬件和 软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上 实现更高的性能。好的嵌入式系统是完成目标功能的最小系统。 3 、嵌入式设备对软件的要求 嵌入式系统处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，对嵌入式 处理器系统软件和应用软件的要求也和通用计算机有所不同： 软件固化； 软件代码高质量、高可靠性； 许多应用要求系统软件具备实时处理能力； 多任务操作系统是知识集成的平台和走向工业标准化道路的基础。 4 、嵌入式系统开发需要的开发工具和环境 嵌入式系统本身不具备自主开发能力，必须有一套开发工具和环境才能 进行开发。 4 武汉理工大学硕士学位论文 5 、嵌入式系统软件需要e o s 开发平台 对于嵌入式系统，应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行，但是 为了合理地调度多任务，利用系统资源、系统函数，以及库函数接口，用户 必须自行选配e o s ( 嵌入式操作系统) 开发平台，这样才能保证程序执行的实 时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。一个优秀的e o s 是嵌入 式系统开发成功的关键。 1 3 3 嵌入式系统的组成 嵌入式系统一般指非p c 系统，包括硬件及软件两部分。其中硬件包括 处理器微处理器、存储器及外设器件和i o 端口、图形控制器等。嵌入式软 件部分包括操作系统和应用程序，为硬件产品不可或缺的重要部分。即嵌入 式系统是软硬兼施，互惠互利，融为一体，成为产品。 从硬件角度来讲，各种各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的最核 心部分。目前，世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1 0 0 0 种，体 系结构包括m c u 、m p u 等3 0 多个系列。鉴于嵌入式系统广阔的发展前景， 很多半导体制造商都开始大规模生产嵌入式处理器，产品开发公司自主设计 处理器也越来越成为未来嵌入式领域的一大趋势，其中从单片机、d s p 到 f p g a ，品种越来越多，速度越来越快，性能越来越强，价格也越来越低。 根据现状，嵌入式处理器可以分成下面几类：( 如下图1 1 所示) 一嵌入式微控制器( m c u ) 卜嵌入式( d s p ) 控制器 匹堕堕引二二二二 h 嵌入式微处理器( 船u ) _ _ 嵌入式片上系统( s o c ) 图1 1 嵌入式系统分类 1 、嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o d r o c e s s o ru n i i - e m p u ) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。在应用中，将微处理器 装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可 以大幅度减少系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式系 统处理器虽然在功能上和标准处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁 武汉理工大学硕士学位论文 干扰、可靠性高等方面一般都做了各种增强。 和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、 可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括r o m 、r a m 、总线接口、各种 外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也很差。 2 、嵌入式微控制器( e m b e d d e dm i c o r c o m r o l l e ru i n t ，e m c u ) 嵌入式微控制器又称为单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成 到一块芯片中。嵌入式微处理器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内 部集成r o m e p r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、定时计数器、w a t c h d o 卧 i o 、串行口、脉宽调制输出、a d 、d a 、f l a s hm e m o r v 、e e p r o m 等各种 必要功能和外设。为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种 衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是样的，不同的是存储器和外设 的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多 不少，从而减少功耗和成本。 3 、嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i 印a lp r o c e s s o r ，e d s p ) d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、f f t 、谱分析等 方面d s p 算法正在大量进入嵌入式领域，d s p 应用正从在通用单片机中以 普通指令实现d s p 功能，过渡到采用嵌入式d s p 处理器。嵌入式d s p 处理 器有两个发展来源，一个d s p 处理器经过单片化，e m c 改造、增加片上外 设成为嵌入式d s p 处理器，t i 的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 等属于此范畴；二是 在通用单片机或s o c 中增加支持d s p 协处理器，例如i n t e l 的m s c 2 9 6 等。 4 、嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i d ) 随着e d a 的推广和v l s i 设计的普及化，及半导体工艺的迅速发展，在 一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是s v s t e mo n c h i p ( s o c ) 。各种通用处理器内核将作为s o c 设计公司的标准库，和许多其 它嵌入式系统外设一样，成为v l s i 设计中一种标准的器件，用标准的v h d l 等可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除个别无法集成的器件以 外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路 板将交得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 嵌入式l i n u x 介绍【1 【1 4 】【2 1 】 2 2 】 1 4 1l i n u x 发展现状 嵌入式系统的软件主要是嵌入式操作系统加上基于该操作系统的应用 程序。 嵌入式操作系统并不是一个新生事物。从2 0 世纪8 0 年代起，国际上就 有一些i t 组织、公司开始进行商用嵌入式操作系统和专用操作系统的研发， 这其中就涌现出一些著名的嵌入式操作系统。经过多年的发展，目前世界上 已经有一大批十分成熟的嵌入式操作系统。 嵌入式操作系统的种类繁多，大体上可分为两种商用型和免费型。 商用型的操作系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，但是往 往价格昂贵。免费的操作系统在价格方面具有优势，但也存在着开发困难的 不足。在本系统中所选择的操作系统是标准的l i n l l ) 【系统。以下介绍一些有 关l i n u x 的基本知识。 在所有的操作系统中，l i n u x 是发展最快、应用最广泛的。“n u x 本身 的种种特性使其成为嵌入式开发的首选。在进入市场的前两年中，嵌入式 l i n u x 的设计通过广泛的应用而获得巨大成功。随着嵌入式l i n u x 技术的成 熟，定制需要的功能尤为方便，同时支持更多平台，并从早期的试用阶段迈 进到成为嵌入式市场的主流。图1 2 是业内人士对国内l i n u x 软件市场未来 几年的预测。 图1 22 0 0 4 年一2 0 0 8 年国内l i 删x 软件市场需求总量预测 根据i d c 的报告，l i n u x 已经成为全球第二大操作系统。预计在服务器 市场上，l i n u x 在未来几年内将以每年2 5 的速度增长，中国的l i n u x 市场 武汉理工大学硕士学位论文 更是保持4 0 左右的增长速度。在l i n u x 操作系统方面，i d c 对中国在2 0 0 1 年一2 0 0 6 年的市场预测发现，其市场占有率从2 0 0 1 年的4 4 7 平稳地上升 到2 0 0 6 年的2 6 7 7 。 1 4 2l i n u x 特点 l i n u x 操作系统的软件层次主要由用户程序、操作系统服务、内核和硬 件控制四个子系统构成。 1 、用户程序( u s e r a p p l i c a t i o n ) 。根据某些用户需求或功能要求所提供的 一些应用，例如网络浏览器、f t p 服务器、t e l n e t 服务器等。 2 、操作系统服务( 0 ss e r v i c e ) 。l i n u x 操作系统提供的系统服务，比如 图形界面、命令行界面、编译器、动态库等。 3 、l i n u x 内核( l i n u xk e m e l ) 。这是l i n u x 操作系统的核心，包含了提 供给上层的虚拟硬件接口，以便于上层程序可以访问硬件资源。 4 、硬件控制器f h a f d w a r ec o n 缸l o l l e r ) 。各类硬件的驱动程序，包含处理 器、内存、硬盘、网络硬件等。 这几个子系统中最重要的部分当属n n u x 内核，l i n u x 内核的作用就是 给上层进程提供一个虚拟机器接口，而上层进程不需要知道系统中到底有哪 些硬件资源，因为l i n u x 内核已经把所有的硬件资源抽象成一系列的虚拟接 口。另外，l i n u x 操作系统还支持多任务，依靠m m u 的支持，任何一个在 系统中运行的进程都可以认为自己是系统里唯一的进程，自己可以完全地访 问和控制系统资源。而这时，内核就需要将实际的物理资源公平地分配给正 在运行的各个进程，协调它们对系统资源的访问，而且还要保护每一个进程 的安全信息。 1 4 1 3 “n u x 组成 l i n u x 内核可以看成由5 个主要的子系统组成。 进程调度系统( p r o c e s ss c h e d u l e r ) 的作用是协调和控制进程对c p u 的占 用。进程调度系统保证每一个进程都有一个公平的机会来占用c p u 的计算 资源，另外还要保证即时对某些硬件要求做出反应。 内存管理系统( m e m o r ym a l l a g e r ) 的作用简单的说就是让多个进程安全 地共享系统的内存资源。另外，内存管理系统通过虚拟内存，可以让进程访 问比实际内存大得多的内存空间。对于某些进程已经废弃的内存片断，内存 武汉理工大学硕士学位论文 管理系统也需要进行收集，并在其他进程提出要求的时候分配给它。 虚拟文件系统( r t u a lf i l es y s t e m ) 将各种硬件资源都抽象成一个统一的 文件接口，让上层软件通过这些接口访问到实际的硬件。另外，虚拟文件系 统还支持多种系统文件格式，以便和其他操作系统的文件格式兼容。 进程通信系统( i n t e r p r o c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 提供多种手段( 信号 量、管道等) 和机制来支持l i n u x 操作系统下的进程间数据通信。 网络接口系统( n e t w o r ki m e r f 赴es y s t e m ) 提供了大量的网络协议、标准 和对许多网络硬件的支持。l i n u x 操作系统的开发和发展都离不开网络，大 量网络协议都被整合到l i n u x 内核中。不过这个子系统并不是必需的，如果 l i n u x 系统不需要，完全可以在配置内核的时候把它去掉。 图1 3l i n u x 内核结构 图1 3 给出了l i n u x 内核中这几个子系统的相互关系。从图中可以看出， 整个系统的核心是进程调度子系统，其余所有的子系统都依赖于它，这是因 为这些子系统内部的进程也是需要挂起( s u s p e n d ) 和继续( r e s u m e ) 的，而这些 动作都需要靠进程调度来完成。通常，一个子系统挂起一个进程都是在等待 某一个硬件操作的完成，而一旦这个操作完成，进程就会继续执行下去。比 如当某个进程需要通过网络发送信息，那么网络接口系统发出命令后需要先 挂起进程，直到网络硬件将数据发送出去后，网络接口系统再继续执行该进 程下面的代码。其他的子系统对于调度系统的依赖也类似这样。图1 3 中 还画出了这些子系统间的其他一些依赖关系，这些关系虽然不是那么明显， 但显然也很重要。比如，进程调度系统显然需要内存管理系统来对某个进程 的内存资源进行映射；进程通信系统也需要内存管理系统支持内存共享的机 制；而虚拟文件系统需要利用网络接口系统来支持网络文件系统f n f s ) 。 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 本课题的任务和意义 在一块以a r m 9 2 0 t 为内核的m c u ( s 3 c 2 4 1 0 x ) 和一块c p l d ( e m p 7 1 2 8 ) 的平台上，开发一套基于无线局域网通信的彩色点阵显示屏控制系统。主要 工作包括设计无线网络通讯和数据处理的单板机、设计c p l d 并行数据到串 行数据的转换模块，编写基于l i n u x 的底层驱动程序，编写上位机无线数据 传输动态库程序等。这套系统在兼具本实验室现有的点阵显示系统的所有功 能基础上，改进和增加部分功能，如基于无线局域网的通讯、快速的计算能 力、u s b 移动存储介质兼容性和增强控制l e d 的能力等。这套系统不仅在 功能上大大增强，而且体积小，安装调试更方便。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章系统设计 2 1 主机平台及开发环境的建立 2 6 】 1 8 2 0 进行任何一个嵌入式项目的开发，首先要做的是搭建一套开发环境，这 套开发环境包括操作系统以及含连接器、编译器、调试器在内的软件开发工 具。 如果只有一个人进行的嵌入式开发，那可以在他的p c 上安装一套 l i n u x ，或者在w i n d o w s 下安装一套模拟l i n u x 环境的软件( 如c y g w i n ) ， 就可以了。但是如果整个研发小组由多名工程师组成，为每一个人都安装一 套l i n u x 或c y g w i n 很不现实。那样不仅麻烦，而且很难控制版本的一致性。 因此，晟好架设一台l i n u x 服务器，每个工程师从客户端使用t e l n e t ( 或s s h ) 登录到这台服务器，开发板也连接到同一个局域网内。使用服务器的l i n u x 环境下的g c c 编译生成目标代码，通过f t p 传到每个工程师的p c ，然后通 过串口或网络下载到开发板上。在这种开发模式中我们必须明确协g e t 和 h o s t 的含义，它们在交叉编译过程中使用得非常频繁。 h o s t 是一个基于i n t e lx 8 6 架构的计算机( 包括i n t e l 的p e n t i u m 4 处理 器和a m d 公司的a t h l o n 处理器等) ，我们统称为i 3 8 6 平台。 t a r g e t 是目标平台，比如在本系统中所使用的a r m 9 2 0 t 。 在本系统中，开发板使用的是s 3 c 2 4 1 0 x 处理器，t 盯g e t 是a r m 平台。 跨平台就是指从i 3 8 6 到a r m 平台。需要注意的是，编译器是存放在l i n u x 服务器上的，我们不能指望在开发板上进行编译，那里没有编译器，只负责 存放编译好可被a r m 处理器所执行的代码。 在明确了交叉编译之后，就可以开始为我们的工作做准备。在准备阶段 我们首先要在主机平台上建立开发环境： l 、准备主机平台：一般蜕来，嵌入式系统首先需要在主机平台上开发， 而且我们的绝大部分工作都需要在主机平台上完成。 2 、准备交叉编译工具。 3 、准备跟踪调试等一些主机跟目标机协同工作的工具。 图2 1 是我们开发嵌入式系统的整个工作环境： 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 1 主机平台 图2 1 嵌入式系统开发的整个工作环境 主机平台的操作系统需要使用r a d h a t 7 3 或更新版本。安装过程需要选 择安装类型为c u s t o m ，然后选择i n s t a l le v e r ”h i n g 。如果按其他安装类型来 安装系统，需要选用服务器模式安装，并要注意必须安装g c c 、b i n u t i l s 、m a k e 、 t f t p s e r v e r 、f 砸s e e r 、m i n i c o m 、t e l n e t 。 2 1 2 交叉编译工具 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 以形成可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 程序使用有所不同。我们先对g c c 连接做一些说明： 1 、1 d ( 1 i n kd e s c r i p t i o n ) 文件：1 d 文件是指出连接时内存映像格式的文 件。 2 、c t r 0 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。 3 、p i c ：p o s i t i o ni n d e p e n d e n c ec 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， 从而使得代码加载时可以进行熏新定位。 内核编译连接时，使用1 d 文件，形成可执行文件映像，所形成的代码 段既可以使用间接寻址方式( 即使用r e l o c 段进行寻址) ，也可以使用绝对寻 址方式。这样可以给编译器更多的优化空间。因为内核可能使用绝对寻址， 武汉理工大学硕士学位论文 所以内核加载到的内存地址空间必须与l d 文件中给定的内存空间完全相同。 应用程序的连接与内核连接方式不同。应用程序由内核加载，由于应用 程序的1 d 文件给出的内存空间与应用程序实际被加载的内存位置可能不同， 这样在应用程序加载的过程中需要一个重新定位的过程，即对r e l o c 段进行 修正，使得程序进行间接寻址时不至于出错。 由上述讨论，至少需要两套编译连接工具： 1 、二进制工具包b i n u t i l s g n ub i n u t i l s 工具包包括了汇编工具( g a s ) 、连接器( g l d ) 和基本 的目标文件处理工具( 如反汇编工具o b j d u m p 等) 。对b i n u t i l s 包的设置 定义了所需的目标文件的格式和字节顺序。b i n u t i l s 包中的工具都使用了二 进制文件描述符( b f d ) 库来交换数据。通过设置文件c o n f i g b f d ，可以指 定默认的二进制文件格式( 例如e l f l i t t l ee n d i a n ) 和任何工具可用的格式， 比如在c o n f i g b f d 中添加的用来指定目标二进制格式的代码： a n 1 i n u x + t a g - d e 向e c - b f d _ e l f 3 2 - l i t t l e a n nv e c t a g s e l v e c r = ”b f d e l f 3 2 b i g a i m v e ca m c o f r _ l i t t l e v e ca m c o f t b i g v e c ” 2 、c 编译器 g n u 编译器g c c 是通过使用一种叫做“寄存器转换语言”( r t l ) 的 方式实现的。假定现在有一种基本的机器描述性文件，它已经能满足大家的 需要。现在要做的仅仅是设置默认情况下使用的参数和如何将文件组合成可 执行文件的方式。g n u 的文档提供了所有需要的资料，使得用户可以为新 型的处理器的指令集合提供支持。如果要针对体系的机器建立一个新的目标 机器，那么就必须指定默认编译参数和定制系统的特定参数，比如，在 1 i 肌x a m h 中 u n d e ft a r g e t d e f a u l t 群d e f i n et a r g e t _ d e f a u l t ( a r m f l a g a p c s 3 2 l a r m f l a g n 0 一g o t ) 对于特定的目标系统，可以使用t a r g e td e f a u i t 宏作为在诅r g e t h 文件中定义编译器的开关。目标t m a k e n l e 段指定了应该构建哪一个额外的 例程和其编译的方式。 不过，目前网上都已经提供了相应的目标机器的编译器二进制代码，以 下的一些工具包是在本系统开发中采用的版本： 咖一e l f - g c c - 2 9 5 3 - 2 i 3 8 6 r p m 武汉理工大学硕士学位论文 锄- e l f - b i n u t i l s 一2 1 l 一5 i 3 8 6 r p m a m e l f - g d b - 5 o 一2 i 3 8 6 r p m g e i 啪m f s o 5 1 1 i 3 8 6 r p m n c u r s e s 4 5 o - 5 i 3 8 6 r p m 2 1 3 调试工具 除了上面提到的一些工具之外，我们还需要一系列调试工具。在l i n u x 下，我们可以采用： g d b ：调试器，它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 n r e r ：使用以太网远程调试。 另外，比较常用的是实时在线仿真系统i c e ( i n c i r c u i t e n m l a t o r ) 。它 是通过j t a 譬口调试的。在计算机辅助设计非常发达的今天，它仍是进行嵌 入式应用系统调试最有效的开发工具。高级的i c e 带有完善的跟踪功能， 可以将应用系统的实际状态变化、微控制器对状态变化的反应、以及应用系 统对控制的响应等连续记录下来以供分析，在分析中优化控制过程。 2 1 4 交互控制终端 通常情况下，l i n u x 的默认终端是串口，内核在启动时所有的信息都打 印到串口终端( 使用p r i n t k 函数打印) ，同时也可以通过串口终端与系统交 互。 l i n u x 在启动时启动了t e i n e t ( 远程登陆服务) ，操作者可以远程登陆上 系统，从而控制系统的运行。至于是否允许远程登陆可以通过烧写r o m f s 文 件系统时由用户决定是否启动远程登陆服务。 在主机平台的l i n u x 环境下，我们可以使用m i n i c o m 作为与目标机的交 互终端。 2 1 5 网络文件系统( n f s ) n f s 是n e t w o r kf i l es y s t e m ( 网络文件系统) 的缩写，最初是由s u n 公司开发出来的分布式文件系统。提供n f s 服务的一方是n f ss e r v e r ( 远 程主机) ，使用n f s 服务的一方是n f sc l i e n t ( 客户机) 。利用它，客户机 可以将远程主机提供的共享目录挂载到自己的目录上，在本地的操作如同对 武汉理工大学硕士学位论文 远程主机的操作。这样我们就可以把本机共享目录挂载到目标机上，操作目 标机就像操作本机一样方便。 n f s 有自己的协议与端口号( 2 0 4 9 ) ，它本身并没有提供传输资料的协 议，但是n f s 却能通过网络进行资料的共享。这是因为在资料传送或者其 它相关数据交互的时候，n f s 用远程过程调用( r e m o t ep r o c e d l l r ec a l l ，r p c ) 的传输协议。r p c 服务p o r t m a p 负责管理服务与相关端口映射的工作。因此， 使用n f s 服务必须先激活r p c 服务p o f t m a p ，在主机和目标机上都要实现 r p c 服务，才可以使用n