1、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用,江蘇大學(xué)計算機科學(xué)與通信工程學(xué)院 通 信 工 程 系 陳祖爵 E-mail: TEL1,嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)實例,1.基于嵌入式Linux的智能手機系統(tǒng)設(shè)計 2.基于ARM-Linux和CDMA的遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng),2,1.基于嵌入式Linux的智能手機系統(tǒng)設(shè)計,隨著手持通信設(shè)備市場的快速發(fā)展，手機的功能逐漸增多。現(xiàn)在手機已經(jīng)不只是用于語音通信的手持設(shè)備，而成為集成了短信、彩信、上網(wǎng)以及移動辦公等附加功能的嵌入式通信平臺。集成了這些功能的手機被稱為智能手機。 近年，嵌入式處理器的運行速度和功能都有了很大的提高，使得許多以前只能在PC上實現(xiàn)的應(yīng)用，現(xiàn)在

2、都可以在手持設(shè)備上實現(xiàn)。PDA發(fā)展的趨勢和潮流就是計算、通信、網(wǎng)絡(luò)、存儲、娛樂、電子商務(wù)等多功能的融合。,3,智能手機系統(tǒng)設(shè)計,目前，市面上的智能手機主要采用Microsoft公司的ocket PC、Palm OS等商用操作系統(tǒng)，但這些操作系統(tǒng)開放的程序不夠高，限制了許多第三方應(yīng)用軟件的移植。為使智能手機能夠為第三方應(yīng)用軟件提供一個更為開放的嵌入式平臺，提出一種以Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)、Motorola的MX1作為微處理器、以Wavecom的Q2403A作為射頻模塊的智能手機系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。,4,1.1 智能手機系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu),5,智能手機的主要參數(shù),CPU:ARM920T 200

3、MHz(Motorola MC9328MXL)； 顯示:AU3.5Reflective TFT LCD with LED front light 65,536色； ROM:32MB Flash； RAM:64MB SDRAM； 音效:內(nèi)置單聲道麥克風(fēng)、單聲道揚聲器、立體聲耳機插口; 觸屏：電阻式觸摸屏； SD/MMC:1個SD卡插槽，MMC Ver3, 1.0標(biāo)準(zhǔn)SDMC； USB:USB 2.0主，從口； 紅外：IrDA, 115Kpbs；,6,智能手機的主要參數(shù),串口：RS-232口； LED: 紅(在充電指示)、綠(軟件運行或電池故障指示) 電源管理:Full featured-Sipp

4、orts Run,Idle and Sleep modes 復(fù)位：設(shè)置復(fù)位開關(guān)； 電池：3.7V鋰離子電池 物理尺寸：主板尺寸為65x53x5.5mm 電源適配器：5V直流； 外部連接器:Possible integration、CF卡、Sensor、Bluetooth、SIM Card、其他,7,智能手機系統(tǒng)的硬件設(shè)計,智能手機系統(tǒng)的硬件設(shè)計如上圖所示。該設(shè)計采用Motorola公司的MX1（MC9328）高性能的32位微處理器、Wavecom公司的Q2403A無線收發(fā)模塊等實現(xiàn)智能手機的GSM通話、GPRS上網(wǎng)及其它PDA應(yīng)用等功能。,8,MC9328MX1微處理器,MC9328MX1是M

5、otorola DragonBall系列微處理器。采用節(jié)電的ARM920T核心，速度最高200MHz。集成了LCD控制器、SRAM、USB接口、一個A/D轉(zhuǎn)換器（支持觸摸屏控制）、一個MMC/SD主機端控制器。256-pin的MPPBGA封裝。,9,存儲器系統(tǒng),存儲器的物理實質(zhì)是一組或多組具備數(shù)據(jù)輸入輸出和數(shù)據(jù)存儲功能的集成電路，用于充當(dāng)設(shè)備緩存或保存固定的程序及數(shù)據(jù)。存儲器按存儲信息的功能可分為只讀存儲器ROM和隨機存儲器RAM。嵌入式系統(tǒng)中的固態(tài)存儲一般用Flash存儲器。,10,Flash Memory,16 Megabit (2 M x 8-Bit/1 M x 16-Bit) CMOS

6、 3.0 Volt-only Boot Sector Flash Memory,11,SD存儲卡電路,12,Q2403A無線收發(fā)模塊,系統(tǒng)采用WAVECOM公司的Q2403A專用無線收發(fā)模塊。是雙頻GSM模塊(EGSM900/1800MHz),其設(shè)計及開發(fā)符合ETSI GSM Phase 2+標(biāo)準(zhǔn)。具有話音、GSM電路數(shù)據(jù)/傳真、GPRS分組數(shù)據(jù)、短消息等功能。該模塊支持AT指令集,通過RS232與MX1通信。,13,Q2403A無線收發(fā)模塊功能,數(shù)據(jù)特征: Q2403A(支持class2),下載26.8kbits/s,上傳13.4kbits/s; 話音，數(shù)據(jù)/傳真，短信息功能:話音功能數(shù)據(jù)/

7、傳真功能短信息服務(wù)功能呼叫轉(zhuǎn)移呼叫限制多方通話呼叫等待及呼叫保持來電顯示顯示呼叫轉(zhuǎn)移其他功能:電話簿管理、個人信息管理（PIM）、固定撥號、實時時鐘、鬧鐘管理,14,復(fù)位電路部分原理圖,15,系統(tǒng)電源電路原理圖,16,LCD控制器功能模塊圖,17,74LVC16245驅(qū)動LCD引線,18,LCD控制器硬件連接,19,CS8900A的以太網(wǎng)接口設(shè)計,以太網(wǎng)接口電路主要由MAC控制器和物理層接口（Physical Layer，PHY）兩大部分構(gòu)成，目前常見的以太網(wǎng)接口芯片，如RTL8019、RTL8029、RTL8139、CS8900、DM9000等，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也主要包含這兩部分。本系統(tǒng)采用CS8

8、900芯片。,20,TCP/IP協(xié)議結(jié)構(gòu)分層示意圖,21,CS8900A的連接CPU部分,22,USB2.0總線接口,23,音頻電路原理圖,24,麥克風(fēng)電路原理圖,25,1.2 智能手機系統(tǒng)的軟件設(shè)計,系統(tǒng)分析和軟件設(shè)計是智能手機系統(tǒng)實現(xiàn)的難點之一，關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定性、擴展性等。因為要兼顧到GSM語音控制與其它智能手機應(yīng)用之間的互相切換及關(guān)聯(lián)關(guān)系，智能手機軟件系統(tǒng)的設(shè)計就變得相對復(fù)雜。系統(tǒng)設(shè)計將軟件分為三層結(jié)構(gòu)，如下圖所示。最下面一層為操作系統(tǒng)層，主要實現(xiàn)對Linux操作系統(tǒng)的移植，其中包括Bootloader引導(dǎo)程序、LCD等設(shè)備的驅(qū)動程序。中間層為服務(wù)程序?qū)?，該層主要包括GUI服務(wù)器以及G

9、SM/GPRS控制服務(wù)器。智能手機系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵在于各項功能應(yīng)用的實現(xiàn)。對智能手機軟件進行分層設(shè)計，有利于各個功能有機地協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)，同時也便于軟件的開發(fā)與調(diào)試。,26,智能手機系統(tǒng)的軟件層次框圖,27,1.2.1 嵌入式Linux操作系統(tǒng),Linux最初是由Linux Torvalds編寫及發(fā)布的源代碼公開、可免費使用的操作系統(tǒng)。后來，又通過Internet上成百上千的程序員的加入，使Linux成為一個幾乎支持所有主流32位CPU的操作系統(tǒng)。其特點主要有：內(nèi)核高效穩(wěn)定、公開源代碼、可移植性、可裁減、支持多任務(wù)等。 設(shè)計中采用的Linux內(nèi)核是ARM-Linux基礎(chǔ)上，編寫符合硬件設(shè)計的引導(dǎo)程序及

10、電源管理控制程序；并針對本系統(tǒng)的硬件設(shè)計，編寫了LCD、觸摸屏等硬件設(shè)計驅(qū)動程序。 智能手機基于Linux操作系統(tǒng)工作時，首先初始化CPU；然后加載各個設(shè)備驅(qū)動程序，初始化存儲器及外圍設(shè)備；最后啟動各服務(wù)程序，進入待機狀態(tài)。,28,1.2.2 服務(wù)程序的設(shè)計,智能手機系統(tǒng)中的服務(wù)程序主要有GUI Server和GSM/GPRS Server，它們是上層應(yīng)用賴以實現(xiàn)的基礎(chǔ)。 GUI Server 為使系統(tǒng)能夠很好地支持瀏覽器及MMS等界面復(fù)雜的應(yīng)用，具有良好的可擴展性，本系統(tǒng)中的GUI Server設(shè)計采用了客戶機/服務(wù)器模式，并以動態(tài)鏈接庫的形式對圖形設(shè)備接口進行封裝，具體如下圖所示。,29,

11、GUI Server程序設(shè)計框圖,30,GUI Server,服務(wù)進程與應(yīng)用進程之間采用Linux提供的消息隊列進行通信。服務(wù)進程保存系統(tǒng)GUI環(huán)境的描述信息，為應(yīng)用進程提供注冊及一些計算任務(wù)，如計算當(dāng)前剪切域內(nèi)容等。此外，還負責(zé)顯示桌面。應(yīng)用程序的啟動后，首先與服務(wù)進程建立連接并進行交互，將自身的一些描述信息發(fā)送到服務(wù)進程。 服務(wù)進程和應(yīng)用進程通過調(diào)用動態(tài)庫實現(xiàn)基本窗口顯示功能。其中窗口樹與剪切域都定義在動態(tài)庫中，對于服務(wù)進程或應(yīng)用程序而言，它們是透明的，不需要進行管理。因服務(wù)進程與客戶進程分別運行在不同的進程空間中，所以雖然在動態(tài)庫中定義了相同的數(shù)據(jù)，但它們之間不會產(chǎn)生任何沖突。,31,G

12、UI Server,設(shè)計對動態(tài)庫中封裝的函數(shù)進行了分層。其中直接針對Framebuffer進行輸出的函數(shù)位于系統(tǒng)最低層，其上是設(shè)備上下文。因每次對一個窗口輸出的時都要首先建立設(shè)備上下文，所以設(shè)備上下文總可以引用窗體結(jié)構(gòu)，自然也可以引用到窗口剪切域，在剪切域范圍內(nèi)才可以進行輸出。 圖形設(shè)備接口建立在設(shè)備上下文之上，主要包括點、線、面、文本等。如上文所述，輸出之前，首先建立設(shè)備上下文，即其輸出的目標(biāo)是設(shè)備上下文，而不是窗口。 圖形設(shè)備接口的上層是應(yīng)用開發(fā)接口即API層，桌面進程與客戶進程都通過調(diào)用API函數(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)功能。 另外，系統(tǒng)建立了輸入的抽象層，屏蔽了不同輸入設(shè)備。,32,1.2.3 GSM

13、/GPRS Server多工通信服務(wù)器軟件,GSM/GPRS Server多工通信服務(wù)器軟件是電話、短信及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的守護進程，負責(zé)響應(yīng)應(yīng)用程序轉(zhuǎn)發(fā)的用戶操作事件及從串口的獲得的無線通信模塊事件，是整個智能手機系統(tǒng)的核心。在這部分的工作中要實現(xiàn)多鏈路的數(shù)據(jù)通信、事件優(yōu)先級判別，并在執(zhí)行數(shù)據(jù)通信時，保證電話、短信的接入。具體程序設(shè)備結(jié)構(gòu)如下圖所示。,33,GSM/GPRS Server程序設(shè)計框圖,34,1.2.4 智能手機系統(tǒng)中的應(yīng)用程序設(shè)計,有了中間層的服務(wù)程序，上層應(yīng)用程序可以根據(jù)GUI Server及GSM/GPRS Server提供的接口進行移植和開發(fā)。本設(shè)計中實現(xiàn)了電話控制程序、短信收

14、發(fā)的管理及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的應(yīng)用等。下面以電話控制程序為例，介紹智能手機應(yīng)用程序的設(shè)計與實現(xiàn)。,35,電話控制程序狀態(tài)切換關(guān)系圖,36,電話控制程序狀態(tài)切換,電話控制程序設(shè)計分為三個運行態(tài)：PowerOn State(上電態(tài))、Idle State(空閑態(tài))、Execution State(執(zhí)行態(tài))。上圖表示了三個狀態(tài)之間的關(guān)系和進入各個狀態(tài)的條件。 電話控制程序在智能手機系統(tǒng)上電復(fù)位、GSM/GPRS Server啟動后，進入Power-on State(上電態(tài))。在上電態(tài)，程序首先進行初始化工作，與GSM/GPRS Server通信，獲得系統(tǒng)狀態(tài)。初始化后，即進入Idle State(空閑態(tài))。在

15、空閑態(tài)，程序循環(huán)等待GSM/GPRS Server的呼入事件及來自鍵盤的呼出事件；當(dāng)這些事件發(fā)生時，程序進入Execution State(執(zhí)行態(tài))。在執(zhí)行態(tài)，用戶進行語音通信，通話結(jié)束后，程序又回到空閑態(tài)。 如將CPU主頻進一步提高，無線通信模塊換成符合3G標(biāo)準(zhǔn)的，就可以實現(xiàn)更為廣泛的手持設(shè)備應(yīng)用。,37,2.基于ARM-Linux和CDMA的遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng),CDMA（碼分多址）無線網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋面廣，高效、低成本的特點，CDMA網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率可達200kb/s。 嵌入式遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)就是充分利用CDMA無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)的特點而搭建的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，特別適合邊遠偏僻或不具備常規(guī)網(wǎng)

16、絡(luò)傳輸條件的地方使用，例如車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)、交通路口（車牌實時監(jiān)視）及城市路燈的監(jiān)控等。,38,2.1 嵌入式Linux系統(tǒng),Linux作為一個桌面系統(tǒng)，其最大的特點是操作系統(tǒng)源代碼公開并且遵循GPL協(xié)議，內(nèi)核采用模塊化的設(shè)計，易于裁減，特別適合嵌入式系統(tǒng)的小型化要求，在嵌入式系統(tǒng)中占據(jù)了半壁江山。 監(jiān)控系統(tǒng)選用的處理器是SAMSUNG公司ARM9內(nèi)核的CPU-S3C2410，內(nèi)建有MMU(內(nèi)存管理單元)，主頻可達到200MHz，運行嵌入式Linux2.4系統(tǒng)，不但保持了嵌入式系統(tǒng)小型化、低功耗、易攜帶的特點，又充分利用了Linux系統(tǒng)的內(nèi)存、文件、線程管理功能，大大方便了程序的開發(fā)和程序中多

17、任務(wù)功能的實現(xiàn)。,39,2.2 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu),監(jiān)控系統(tǒng)一般可分為實時監(jiān)控和觸發(fā)模式監(jiān)控兩種，可以根據(jù)具體的情況設(shè)計合適的監(jiān)控方式，如果采用實時監(jiān)控，將占用較多網(wǎng)絡(luò)資源，成本相對較高，采用觸發(fā)模式的運行成本較低，這里采用觸發(fā)模式，監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見下圖。,40,嵌入式遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)示意圖,41,監(jiān)控系統(tǒng)工作原理,當(dāng)遇異常情況后，觸發(fā)監(jiān)控終端拍攝圖片，同時其內(nèi)部的嵌入式控制模塊和CDMA模塊協(xié)同運作，完成Internet的接入（包括撥號、PPP和TCP/IP協(xié)議的處理等），并把拍攝到的圖片數(shù)據(jù)經(jīng)打包后發(fā)送給控制中心主機，或發(fā)送給指定的E-mail地址，控制中心主機登錄到Internet上后運行服務(wù)器

18、端軟件就可以瀏覽由監(jiān)控點發(fā)來的圖片。,42,2.3 硬件系統(tǒng)設(shè)計,要能夠正確運行一個操作系統(tǒng)，硬件方面至少應(yīng)該包括CPU、內(nèi)存和固態(tài)存儲器、系統(tǒng)內(nèi)部總線以及外設(shè)接口，具體硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見下圖。,43,硬件配置,SAMSUNG公司的S3C2410 CPU具有3個UART、1個RTC和觸摸屏接口，還具有I2C總線、USB Host、USB Device等接口，充分滿足了系統(tǒng)的需要，而且性價比高。 由于剪裁后的Linux系統(tǒng)所占得存儲空間非常小（只有幾MB），選擇E28F128J3A150 Nor Flash作為固體存儲器，容量為16MB，通過16位數(shù)據(jù)總線與CPU交換數(shù)據(jù)，并利用其上端8MB空間（0

19、0800000H-00ffffffH）開辟了一個jffs2文件存儲系統(tǒng)，存儲系統(tǒng)的配置文件。 64MB的SDRAM為2片K4S561632C，通過32位數(shù)據(jù)總線與CPU交換數(shù)據(jù)。,44,硬件配置,通過MAX3232C電平轉(zhuǎn)換芯片和RTL8019網(wǎng)絡(luò)芯片轉(zhuǎn)換成一個RS-232接口和一個以太網(wǎng)接口，用串口線和以太網(wǎng)網(wǎng)線與PC機相連，組成可以交叉編譯的開發(fā)環(huán)境。 通過CPU上集成的USB Host接口直接與USB攝像頭連接，考慮到監(jiān)控與控制模塊接口的要求，選用USB1.1接口的紅外線攝像頭。 通過CPU上集成的UART接口直接與CDMA Modem模塊相連接，選用價格適中的AnyData公司的DTG

20、S-800 CDMA模塊。,45,2.4 軟件系統(tǒng)設(shè)計,控制終端軟件的核心是嵌入式Linux操作系統(tǒng)，一切功能的實現(xiàn)都基于Linux操作系統(tǒng)完成。需要解決的問題主要包括硬件支持、提供二次開發(fā)的環(huán)境以及小型化（裁減內(nèi)核）等。作為一個操作系統(tǒng)，Linux內(nèi)核主要負責(zé)程序的管理與調(diào)度、內(nèi)存的管理及對外設(shè)的驅(qū)動和管理等，由于Linux內(nèi)核采用模塊化的設(shè)計，很多模塊可以獨立地加載或卸載，這里只需要串口驅(qū)動、USB攝像頭接口驅(qū)動（包含USB Host，USB Core和USB Device）還有撥號網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，還要支持PPP、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其他都可以刪除掉，使系統(tǒng)運行所需要的內(nèi)核顯著減小至1Mb以內(nèi)

21、。,46,控制終端程序流程,47,程序設(shè)計,具體程序設(shè)計包括Bootloader啟動代碼、設(shè)備驅(qū)動程序（USB攝像頭接口驅(qū)動程序、串口驅(qū)動程序）、撥號、PPP及TCP/IP協(xié)議處理，監(jiān)控接收轉(zhuǎn)發(fā)控制程序等?？刂屏鞒倘缟蠄D所示。 a）系統(tǒng)加電后復(fù)位 b）Bootloader初始化CPU、SDRAM、分配地址空間等。,48,程序設(shè)計,c）Bootloader把Linux內(nèi)核的壓縮文件解壓到SDRAM中，同時把控制權(quán)從Bootloader移交到Linux。Linux的內(nèi)核有兩種運行方式?？稍贔lash存儲器上直接運行，也可以加載到內(nèi)存中運行。Flash存儲器運行方式就是把內(nèi)核的可執(zhí)行映像燒寫到Flash存儲器上，系統(tǒng)啟動時從Flash存儲器的某個地址開始運行內(nèi)核，進入SDRAM繼續(xù)運行。這種做法能減少內(nèi)存需要，實際上很多嵌入式系統(tǒng)都采用這種方法；內(nèi)存加載方式把內(nèi)核的壓縮文件存放在Flash存儲器上，系統(tǒng)啟動時自動讀取壓縮文件并在內(nèi)存中解壓，然后開始執(zhí)行，這種方式相對較復(fù)雜，但運行速度更快，這里采用這種方式。,49,程序設(shè)計,d）開始執(zhí)行SDRAM中的代碼，Linux內(nèi)核初始化