摘要 基于a r m 9 和l i n u x 操作系統的y 能譜采集系統研制 作者簡介：洪天祺，男，生于1 9 8 0 年6 月，師從于成都理工大學方方教授博 導，于2 0 0 7 年6 月獲得工學碩士學位。 摘要 野外地面y 射線能譜測量主要研究地殼巖石土壤中產生的能量范圍約為 3 0 k e v 一3 0 0 0 k e v 的y 射線，這里面包含著鈾、釷、鉀等天然放射性核素信息，核 工程活動產生的大量人工放射性核素信息以及y 射線與地殼相互作用產生的相 關信息。y 射線能譜數據采集系統的研究則是整個核信息探測研究項目的基礎和 重要課題。 系統設計架構在基于a r m 9 2 0 t 核的3 2 位處理器$ 3 c 2 4 1 0 a 的硬件基礎上，移 植了嵌入式l i n u x 操作系統、0 t e m b e d d e dg u i 開發庫和y a f f s 文件系統。通過 利用$ 3 c 2 4 1 0 a 處理器快速的運算速度、豐富的外圍設備和嵌入式l i n u x 操作系 統及其豐富的軟件資源，開發基于o t e m b e d d e d 的集能譜數據采集、存儲、計算 分析功能于一體的y 能譜軟件系統，使研制的y 能譜儀器可以脫離計算機而獨立 工作，充分展現了高端3 2 位嵌入式處理器性能好的特點。 與國內外現有的y 能譜采集分析系統相比，本論文研究成果有以下特點： 1 數據采集系統以3 2 位a r m 9 2 0 t 處理器為控制核心，外圍電路帶有l c d 顯 示以及鍵盤、時鐘和存儲電路無需上位計算機，用戶就可與之進行交互工作， 獨立完成能譜數據的采集分析功能。系統具有低功耗、小型化、高性價比等特點。 2 實現了嵌入式l i n u x 操作系統在y 能譜儀器上的移植。隨著嵌入式系統 的迅速發展，嵌入式操作系統在y 能譜儀器研制中的應用不僅能夠提高系統的穩 定性，而且通過充分利用l i n u x 豐富的軟件資源，能夠快速的完成系統的定制和 開發，構建復雜y 能譜軟件系統，實現3 2 位處理器的多任務處理能力。 3 實現了基于l i n u x 的y a f f s 嵌入式文件系統在y 能譜儀器上的移植，安 全可靠的管理了y 能譜儀器的系統引導代碼、l i n u x 操作系統內核映象文件、 q t e m b e d d 開發庫、y 能譜處理程序和數據等。 4 實現了q t e m b e d d e dg u i 開發庫在y 能譜儀器上的移植，利用 q t e m b e d d e d 開發庫可以方便快速的開發復雜、直觀、易用的y 能譜處理分析 軟件。 關鍵詞：能譜測量，a r m 9 ，l i n u x ，q t e m b e d d e d ，y a f f s 成都理工大學碩十學位論文 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fts p e c t r u m a c q u i s i t i o n s y s t e mb a s e do na r m 9 a n dl i n u x a b s t r a c t t h eg a m m ar a yi nr o c k sa n ds o i li nt h ee a r t h sc r l l s ti sm a i nr e s e a r c hi nt h ef i e l d g a m m ar a ys p e c t r o m e t r ys u r v e y t h e i re n e r g yr a n g ei sm a i n l y3 0 - 3 0 0 0k e vt h e y c o n t a i na b u n d a n ti n f o r m a t i o no fn a t u r a lr a d i o a c t i v en u c l i d e s ，s u c ha su r a n i u m ， t h o r i u m ，p o t a s s i u m ，e r e ，a n d o fa r t i f i c i a lr a d i o a c t i v en u c l i d e sf r o mn u c l e a r e n g i n e e r i n ga c t i v i t y , a n do ft h er e s u l t si ni n t e r a c t i o nb e t w e e nta n de a r t h sc r u s t i n a c t u a l l yt h e r e s e a r c ho f 丫s p e c t r o m e t r yd a t ac o l l e c t i o ns y s t e mi st h eb a s i sa n d i m p o r t a n ts u b j e c to f w h o l ed e t e c t i n ga n dr e s e a r c h i n gi t e ma b o u tn u c l e a ri n f o r m a t i o n t h i s d e s i g n ，o n t h eb a s i so fs a m s u n g s $ 3 c 2 4 1 0 a1 6 3 2 一b i tr i s c m i c r o p r o c e s s o rw i t hi t sc p uc o r e ，a1 6 3 2 - b i ta r m 9 2 0 t r i s cp r o c e s s o rd e s i g n e db y a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ，l t d , m i g r a t e se m b e d d e dl i n u xo s 、q t e m b e d d e dg u i l i b r a r a ya n dy a f f sf i l e - s y s t e ma n dd e v e l o p e st h eg a m m as p e c t r as o f t w a r e 。w i t ht h e m i c r o p r o c e s s o rr a p i dc o m p u t i n ga b i l i t y , ac o m p l e t e s e to fc o m l y l o n s y s t e m p e r i p h e r a l s 、l i n u xo sa n d ag r e a to fs o f t w a r er e s o u r c e sb a s e do i ll i n u x ，d e v e l o p m e n t o ft h eg a m m as p e c t r as o f t w a r eb a s e do nq t e m b e d d e dg u il i b r a r y , w h i c hf u n c t i o n s i n c l u d ed a t aa c q u i s i t i o n 、s t o r a g e 、c o m p u t ea n da n a s y s ，t h eg a m m ai n s t r u m e n t p e r f o r m sh i g h - p e r f o r m a n c ew i t h o u tc o m p u t e r t h e r ea l es o m ea d v a n t a g e si n t h er e s e a r c hr e s u l to ft h i sp a p e rc o m p a r e dw i t ht h e n a t i o n a la n di n t e r n a t i o n a lg a m m ar a yd a t aa c q u i s i t i o na n da n a s y ss y s t e m ： 1 t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mh a st h e3 2 一b i ta r m 9 2 0 ta st h ec o n t r o l l i n gc o r e ， i n c l u d i n gl c dd i s p l a y , k e y b o a r d ，a n dc l o c ka n dm e m o r yc i r c u i t w o r k e rc o u l d c o n t r o li tt oa c c o m p l i s ht h ep r o c e s so fd a t aa c q u i s i t i o n 、c a l c u l a t i n ga n da n a l y s e w i t h o u tc o m p u t e r t h es y s t e mh a ss o m ef e a t u r e s ，s u c ha sl o wp o w e r ，m i n i a t u r i z a t i o n ， h i 曲p r o p o r t i o no f q u a l i t ya n dp r i c ea n d e t c ， 2 t h ed e s i g nr e a l i z e dt h em i g r a t i o no ft h ee m b e d d e dl i n u xo s w i t ht h e h i g h - p e r f o r m a n c e3 2b i ta r m 9 2 0 tp r o f e s s o r 、t h em i g r a t i o no fl i n u xo sa n dt h e a b o u n d a n c es o f t w a r er e s o u r c e sb a s e do ni t ，w ec a nn o to n l yi n h a n c et h es t a b l i t i yo f t h es y s t e mb u ta l s oc a nr a p i d l ya c h i e v et h ed e v e l o p m n c n to ft h eg a m m ai n s t r u m e n t a n dac o m p l i t a b l eg a m m as p e c t r as o f t w a r e ，p e r f o r mm u l t y t a s kp r o c e s ss y s t e m 3 t h ed e s i g nr e a l i z e st h em i g r a t i o no fy a f f sf i l e s y s t e mp o r t e do nl i n u x o s ，s a f e l ya n dr e l i a b l ym a n a g e sb o o t l o a d e rp r o g r a mo f t h es y s t e m 、k e r n e li m a g e f i l e a b s t r a c t o ft h el i n m xo s 、t h el i b r a r yo fq t e m b e d d e d 、t h ep r o g r a ma n dd a t ao fg a l l l n l a s p e c t r as o f t w a r e 4 t h i sd e s i g nr e a l i z e st h em i g r a t i o no f t h eq t e m b e x i d e dg u il i b r a r y w i t ht h e q t e m b e d d e dd e v e l o p m e n tk i tw ec o u l dr a p i d l yd e v e l o p es o p h i s t i c a t e d 、v i s u a la n d s i m p l yu s e d s o f t w a r ef o rg a m m as p e c t r ac o m p u t i n ga n da n a s y s k e y w o r d s ：s p e c t r o m e t r ys u r v e y ，a r m 9 tl i n u xo s ，q t e m b e d d e d ，y a f f s i i i 獨創性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的 研究成果。據我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其 他人已經發表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得盛壑堡王太堂或其他教 育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何 貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。 學位論文作者導師簽名： 方方 靴敝儲鶘。 誑毿毪7 年多月爭日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解盛壑堡王太堂有關保留、使用學位論文的規定， 有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤，允許論文被查閱和 借閱。本人授權盛壑堡王盍堂可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數 據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編學位論文。 ( 保密的學位論文在解密后適用本授權書) 學位論文作者簽名：事絲云豸復 年 多月c p 日 第一章前言 1 前言 1 1 選題依據及研究意義 研究發現：自然界中天然放射性核素發生衰變時，會放出a 、b 、 r 射線，而 其中t 射線是一種波長極短的電磁波，一定的核素放出的y 射線能量是一定的， 因此可以根據t 射線能量的差異來區分不同的放射性核素。野外1 ，射線能譜測量 正是根據此原理而出現的一種重要的核地球物理方法，它是解決地球科學、環境 科學等有關問題的主要手段之一。它可以在野外現場直接測量地表巖石土壤中的 1 ，射線全譜，獲得y 輻射總量，鈾、釷、鉀等元素含量，有關元素信息及巖性參 數。根據這些參數與不同地質體的關系，不僅可以進行鈾礦勘探，而且可以應用 于地質填圖，油氣勘測，尋找各種金屬和非金屬礦產，放射性環境本底調查和核 工程環境監測等【l i 。 研究表明；野外地面1 ，射線能譜測量主要研究地殼巖石土壤中產生的能量范 圍約為3 0 k e v - 3 0 0 0 k e v 的y 射線，這里面包含著鈾、釷、鉀等天然放射性核素信 息，核工程活動產生的大量人工放射性核素信息以及y 射線與地殼相互作用產生 的相關信息。而其中獲取和處理丫射線能譜多道數據的丫射線能譜( 簡稱t 譜) 采 集系統的研究則是其中重要的課題之一。為促進y 能譜測量技術的發展，國家多 次立項逐步將y 能譜測量在地球科學、核科學和環境科學中的應用推向深入。作 者在論文研究期間先后參與的項目有： “插秧溝極低放廢物填埋場環境地址評價”中國工程物理研究院項目； “非均勻介質中核素遷移、屏障及場址特性研究”中國工程物理研究 院項目。 隨著嵌入式電子技術、軟件技術的迅速發展，為嵌入式系統提供了硬件和軟 件上的必要條件。選擇低成本、低功耗、高性能和片上資源更豐富的處理器件， 對嵌入式處理器、存儲器、嵌入式設備等硬件資源和采集數據、應用程序、驅動 程序等數據軟件資源管理，研制復雜的核數據采集與分析系統，能更好的推動核 數據采集系統的向著高性能、高集成化、高智能化方向快速發展。 新型的低成本、低功耗、高集成度、高性能嵌入式處理器在核數據采集 系統中應用，提高了系統的計算速度，提供了更多的硬件接口，為嵌入 式系統的智能化研制提供了硬件平臺。 應用大容量、低成本、快速的嵌入式存儲器件能夠更好的滿足軟件資源、 大容量的采集數據和分析數據的存儲和訪問。 1 成都理工大學碩十學位論文 操作系統的在嵌入式系統的應用，可以對嵌入式處理器、存儲器、設備 和應用程序等眾多的硬件、軟件資源得到有效的管理和整合，為用戶和 程序開發提供接口，為系統的驅動程序、應用程序提供了規范的管理和 設計開發平臺，使y 能譜采集系統的設計具有了更為合理的構架，使儀 器具有更好的可靠性、擴展性和升級性能。 嵌入式文件系統的應用可以對操作系統、應用程序、工具軟件等軟件資 源和大容量的采集數據資源實行有效的管理、共享和保護。 嵌入式圖形界面開發庫的應用，可以便捷、快速的開發出直觀、復雜的 現場核數據采集與分析軟件系統。 1 2 國內外動態 自2 0 世紀6 0 年代以來，專業人員對地面伽瑪能譜測量進行的不斷的研究和 應用。先后提出了在鈾放射礦床勘探中進行野外伽瑪能譜測量的設想，研制出了 多種型號的野外伽瑪能譜儀器，先后有2 道、4 道、2 5 6 道、5 1 2 道和1 0 2 4 道等 譜儀。y 能譜儀器硬件平臺多選用單片機作為系統的控制核心，并擴展大容量數 據s r a m 、程序r o m 、地址譯碼鎖存等電路，筆記本微機作為上位機，接口方 式多為e c p 并口或r s - 2 3 2 c 串口；軟件上，多采用匯編語言編寫固件程序 ( f i r m w a r e ) ，上位機應用程序多在w i n d o w s 環境下采用直接驅動方式編寫，能完 成多道數據的實時采集，現場顯示，并能夠現場分析計算多道數據，給出分析結 果 2 1 。 從國內外野外伽瑪能譜測量技術的發展現狀來看，研制新一代儀器設備進行 伽瑪射線全譜測量，有實際意義，如何提高野外儀器的處理能力、數據存儲、數 據通信快速便捷、準確快速的野外分析等方面，均有大量探索和研究工作待完成。 3 1 - 1 2 4 1 目前，野外地面伽瑪射線全譜測量儀器存在的主要問題是： 野外地面伽瑪全譜儀器主要選用單片機作為處理控制核心，單指令周期 一般為幾十個微妙，儀器的性能具有很大的提示空間。 野外地面伽瑪全譜儀器的野外現場分析采用筆記本電腦作為上位機完成 復雜的能譜分析，儀器的成本、集成化、便攜性可以改進。 野外地面伽瑪全譜儀器的數據存儲的安全性、數據通信的便捷性、儀器 的運行穩定性等可以在軟件設計結構上改善，通過操作系統在譜儀上的 應用將極大的提高儀器的智能化水平。 針對上述問題，本論文著重研究了高端處理器、數據存儲與通信、操作系統 等技術在野外地面伽瑪全譜儀器上的應用，使野外地面伽瑪全譜儀器得到提高和 2 第一章前言 完善。 1 3 研制目標 作者以“插秧溝極低放廢物填埋場環境地址評價”和“非均勻介質中核素遷 移、屏障及場址特性研究”等項目為依托，研制的1 r 能譜采集系統基于a r m 9 和l i n u x 操作系統。支持豐富的硬件接口，能流暢的運行復雜譜處理軟件系統和 文件管理系統，可構建多任務實時性強、性能高、功耗低、便捷的、現場1 r 能譜 儀器，進一步提高t 能譜采集系統的性能和集成化，并使系統具有良好的可移植 性、擴展性。 硬件系統： 硬件上t 能譜采集系統基于a r m 9 的處理器作為硬件平臺的控制核心。 系統的工作頻率運行在2 0 0 m h z 。 硬件接口； 串口； s p i 鍵盤接口； 網絡通信接口； m c a ( 多道分析器) 接口。 軟件系統： 編寫嵌入式系統引導代碼b o o t l o a d e r ； 移植嵌入式操作系統； 移植嵌入式圖形界面開發庫； 移植嵌入式文件系統； 編寫和集成基于操作系統的驅動程序： s p i 鍵盤驅動程序； m c a 驅動程序； l c d 驅動程序； 網絡驅動程序； 基于嵌入式圖形界面庫的y 能譜處理分析軟件。 1 4 主要研究工作 基于3 2 位a r m 9 2 0 t 核的$ 3 c 2 4 1 0 處理器為控制核心的能譜采集系統電路 設計，包括處理器控制電路、存儲器電路、l c d 接口電路、犯a 接口電路、 鍵盤電路、時鐘電路等。 3 成都理工大學碩士學位論文 嵌入式l i n u x 操作系統在y 能譜采集系統上的移植。 基于l i n u x 的y a f f s 嵌入式文件系統在y 能譜采集系統上的移植。 系統引導代碼b o o t l o a d e r 的編寫。 q t e m b e d d e dg u i 開發庫在y 能譜采集系統上的移植，并編寫基于 q t e m b e d d e dg u i 開發庫y 能譜處理分析軟件。 嵌入式l i n u x 操作系統的硬件接口驅動程序編寫。 1 5 主要特色 數據采集系統以高端的3 2 位a r m 9 2 0 t 處理器$ 3 c 2 4 1 0 a 為控制核心，外 圍電路帶有l c d 顯示以及鍵盤、時鐘和存儲電路。無需上位計算機，用 戶就可與之進行交互工作，獨立完成能譜數據的采集、分析、存儲功能。 系統具有低功耗、小型化、高性價比等特點。 實現了嵌入式l i n u x 操作系統在y 能譜采集系統上的移植。隨著嵌入式 系統的迅速發展，嵌入式操作系統在y 能譜儀器研制中的應用不僅能夠 提高系統的穩定性，而且通過充分利用l i n u x 豐富的軟件資源，能夠快 速的完成系統的定制和開發，構建復雜y 能譜軟件系統，實現3 2 位處理 器的多任務處理能力。 實現了基于l i n u x 操作系統的y a f f s 嵌入式文件系統在y 能譜儀器上的 移植，安全可靠的管理了y 能譜儀器的系統引導代碼、l i n u x 操作系統 內核映象文件、q t e m b e d d 圖形界面開發庫、y 能譜處理程序和能譜數 據等。 實現了q t e m b e d d e dg u i ( 圖形用戶接口) 開發庫在y 能譜儀器上的移植，利用 q t e m b e d d e d 開發庫可以方便快速的開發復雜、直觀、易用的y 能譜處理分析軟 件。 4 第二章系統設計方案 2 系統設計方案 隨著嵌入式電子技術、軟件技術的迅速發展及其新成果的應用，通過應用運 算速度更快、片上資源更豐富、低功耗、低成本的處理器和應用新的軟件技術， y 能譜采集系統的性能和智能化水平將會得到快速的發展。 豐富的片上資源和外圍接口、功能更強的現場能譜采集分析軟件系統、大量 的驅動程序和采集數據的有效組織、存儲與訪問，增加了y 能譜采集系統的設 計的復雜性，對系統管理和系統的穩定運行提出了更高的要求，需要y 能譜采 集軟件系統具有更為合理的系統架構。 通過操作系統在嵌入式系統上的移植能夠管理高性能的處理器及其高集成 化的片上資源，并能使處理器的具有多任務處理能力；通過移植基于操作系統的 文件系統可以有效管理應用程序和y 能譜數據；通過基于操作系統的圖形開發 庫可以快速的開發復雜的現場y 能譜采集與分析軟件系統；通過集成基于操作 系統的軟件資源可以增強系統的功能和提高開發效率。操作系統在y 能譜采集 系統上的移植使得復雜的y 能譜采集系統的結構設計更為合理可靠，進一步提 高了y 能譜采集系統的性能、智能化、可靠性和擴展性。 系統方案硬件部分主要是嵌入式處理器和嵌入式存儲器的設計，并設計與之 對應的外圍控制接口電路( 如：m c a 接口、l c d 接口、鍵盤接口等) ；軟件部分主 要是針對處理器的片上資源和外圍控制設備管理和系統結構設計而移植嵌入式 操作系統，并移植基于嵌入式操作系統的文件系統、圖形用戶接口開發庫。 2 1 系統選型及依據 系統選型：y 能譜采集系統硬件系統和軟件系統選型包括以下五個方面： 1 嵌入式處理器選型。 2 嵌入式存儲器選型。 3 嵌入式操作系統選型。 4 嵌入式文件系統選型。 5 嵌入式g u i 開發庫選型。 選型依據：嵌入式系統是以應用為中心，軟硬件可裁減的，適用于對功能、 可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴格要求的專用計算機系統。具有軟件代碼 小、高度自動化、響應速度快等特點，特別適合于要求實時和多任務的體系。嵌 入式系統主要由嵌入式處理器、相關支撐硬件、嵌入式操作系統及應用軟件系統 5 成都理工大學碩士學位論文 等組成，它是可獨立工作的“器件”。完成系統的研制目標，系統選型除遵循嵌 入式系統便攜性、低功耗、高可靠性、成本低等要求外，還需要從理器運算速度、 片上資源、數據存儲、開發難度、開發效率、核心技術的依賴性、可定制性、可 利用資源、擴展性、穩定性、系統開發效率以及技術支持等方面考慮。 2 2 嵌入式處理器方案 2 2 1 主流微控制器介紹 目前8 0 5 1 系列芯片已達4 0 0 多種，可分成3 個主要類別：標準8 0 5 1 系列、小 型8 0 5 1 系列和擴展8 0 5 1 系列小型8 0 5 1 系列是8 0 5 1 系列芯片中低成本的類別，端 口管腳數目少。不支持片外存儲器，主要應用在低成本的消費類產品：擴展8 0 5 1 系列是8 0 5 1 芯片中加有擴展的片上設備，如c a n 總線控制器、d a c 、a d c 等，其端口 管腳數目比較多，且最近的此類芯片都支持大容量的片外存儲器，主要應用在工 業及汽車系統中口5 1 。 a r m 微處理器目前包括下面幾個系列，a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系 列、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 、s t r o n g a r m 以及其它廠商 基于a r m 體系結構的處理器，除了具有a r m 體系結構的共同特點以外，每一個系 列的a r m 微處理器都有各自的特點和應用領域。其中，a 蹦7 、a r m 9 、a r m 9 e 和a r m i o 為4 個通用處理器系列，每一個系列提供一套相對獨特的性能來滿足不同應用領 域的需求。a r m 微處理器的主要應用領域有：工業控制領域；無線通訊領域；網 絡應用；消費類電子產品；成像和安全產品。 a r m 9 t d m i 核將a r m 7 t d m i 的功能顯著提高到更高、更強的水平。a r m 9 t d m i 也支 持t h u m b 指令集，并支持片上調試。最顯著的區別是流水線從3 級增2 h 至, j 5 級。a r m 7 單周期指令的3 級流水線操作如圖2 一l 所示【2 6 】： l 取指令譯碼執行 取指令 譯碼執行 取指令譯碼執行 指令時間 圖2 - 1a r m 7 的流水線 a r m 9 處理器使用的5 級流水線，同時具有分開的指令和數據存儲器，減少了 在每個時鐘周期內必須完成的最大工作，進而允許使用更高的時鐘頻率。5 級流 水線具體如下： 6 第二章系統設計方案 取指：從存儲器中取出指令，并將其放入指令流水線。 譯碼：對指令進行譯碼。 執行：把一個操作數移位，產生a l u 的結果。 緩沖數據：如果需要，則訪問數據存儲器；否貝u a l u 的結果只是簡單地 緩沖1 個時鐘周期，以便所有指令具有同樣的流水線流程。 回寫：將指令產生的結果回寫到寄存器堆，包括任何從存儲器中讀取得 數據。 圖2 - 2 = p 較了a r m 7 的3 紀流水線和a r m 9 的5 紀流水線。 取指令譯碼執行 圖2 - 2a r m 7 和a r m 9 流水線操作對比 隨著電子工業的迅猛發展，嵌入式處理器的設計技術不斷進步和芯片制造工 藝的快速發展，使a r m 9 處理器具有以下的特點： 系統性能顯著增強，運算速度更快。 功耗和成本能夠滿足系統的需求。 處理器片上資源更豐富、集成化越來越高，體積小。 處理器擴展性增強，可以更方便的擴展和集成嵌入式設備。 能夠滿足客戶對嵌入式系統的便攜性，性能更高的需求。 2 2 2 處理器選型 單片機與a r m 處理器各項技術指標的比較如表2 1 所示【2 5 j ： 表2 - 1 單片機與a r m 處理器比較 8 0 5 1a r m 7a r m 9 數據寬度8 位、1 6 位3 2 位3 2 位 流水線機制少量有 3 級5 級 指令周期n i ls 2 5 n s 5 n s l ac o s i i 、 操作系統支持 l ic o s i il ic o s i i 、l i n u x 、w i n c e uc l i n u x 片上擴展設備c a n 總線控制、l c d 控制器、u s b 控制l c d 控制器、u s b 控制器、d a c 、 7 成都理丁大學碩十學位論文 d a c 、a d c器、d a c 、a d c a d c 成本最低低 高 功耗低低 低 高端控制與運算、消費類電子產 應用領域小型控制小型控制 品 開發難度小大大 對主流嵌入式處理器各項指標進行綜合比較分析，系統處理器選擇韓國 s a m s u n g 電子公司生產的基于a r m 9 2 0 t 內核的3 2 位r i s c 嵌入式處理器s 3 c 2 4 1 0 a ，該 款處理主要面向手持式設備、智能儀器以及高性價比、低功耗設備的應用，主流 嵌入式操作系統l i n u x 、w i n d o w sc e 、p a l mo s 、u c o s i i 等對該款處理器具有完善 的支持。 2 。3 嵌入式操作系統方案 作為嵌入式系統( 包括硬、軟件系統) 極為重要的組成部分的嵌入式操作系 統，通常包括與硬件相關的底層驅動軟件、系統內核、設備驅動接口、通信協議、 圖形界面、標準化瀏覽器等。嵌入式操作系統具有通用操作系統的基本特點，如 能夠有效管理越來越復雜的系統資源：能夠把硬件虛擬化，使得開發人員從繁忙 的驅動程序移植和維護中解脫出來；能夠提供庫函數、驅動程序、工具集以及應 用程序。與通用操作系統相比較，嵌入式操作系統在系統實時高效性、硬件的相 關依賴性、軟件固態化以及應用的專用性等方面具有較為突出的特點。隨著嵌入 式處理器性能顯著增強，片上資源集成化提高，客戶需求不斷提高，系統可靠性 提高，嵌入式操作系統在智能核儀器設計中的引入和應用顯得愈來愈重要。引入 嵌入式操作系統將使嵌入式系統具有以下意義口7 】： 1 嵌人式操作系統提高了系統的可靠性。在控制系統中，出于安全方面的 考慮，要求系統起碼不能崩潰，而且還要有自愈能力。不僅要求在硬件設計方面 提高系統的可靠性和抗干擾性，而且也應在軟件設計方面提高系統的抗干擾性， 盡可能地減少安全漏洞和不可靠的隱患。長期以來的前后臺系統軟件設計在遇到 強干擾時，使得運行的程序產生異常、出錯甚至死循環，造成了系統的崩潰。而 實時操作系統管理的系統，這種干擾可能只是引起若干進程中的一個被破壞，可 以通過系統運行的系統監控進程對其進行修復。通常情況下，這個系統監視進程 用來監視各進程運行狀況，遇到異常情況時采取一些利于系統穩定可靠的措施， 如把有問題的任務清除掉。 2 提高了開發效率，縮短了開發周期。在嵌入式操作系統環境下，開發一 8 第二章系統設計方案 個復雜的應用程序，通常可以按照軟件工程中的解耦原則將整個程序分解為多個 任務模塊。每個任務模塊的調試、修改幾乎不影響其他模塊。商業軟件一般都提 供了良好的多任務調試環境。 3 嵌入式操作系統充分發揮了3 2 位c p u 的多任務潛力。3 2 位c p u 比8 、 1 6 位c p u 快，另外它本來是為運行多用戶、多任務操作系統而設計的，特別適 于運行多任務實時系統。3 2 位c p u 采用利于提高系統可靠性和穩定性的設計， 使其更容易做到不崩潰。例如，c p u 運行狀態分為系統態和用戶態。將系統堆 棧和用戶堆棧分開，以及實時地給出c p u 的運行狀態等，允許用戶在系統設計 中從硬件和軟件兩方面對實時內核的運行實施保護。 2 3 i 主流嵌入式操作系統介紹佇7 l ( 一) p a l m o s p a l m 是3 c o m 公司的產品，其操作系統為p a l mo s 。p a l mo s 是一種3 2 位 的嵌入式操作系統。p a l m 提供了串行通信接口和紅外線傳輸接口，利用它可以 方便地與其它外部設備通信、傳輸數據；擁有開放的o s 應用程序接口，開發商 可根據需要自行開發所需的應用程序。p a l mo s 是一套具有強開放性的系統，現 在有大約數千種專用為p a l mo s 編寫的應用程序，從程序內容上看，小到個人管 理、游戲，大到行業解決方案，p a l mo s 無所不包。在豐富的軟件支持下，基于 p a l mo s 的掌上電腦功能得以不斷擴展。 ( - - ) w i n d o w sc e w i n d o w sc e 是微軟開發的一個開放的、可升級的3 2 位嵌入式操作系統，是 基于掌上型電腦類的電子設備操作。它是精簡的w i n d o w s9 5 。w i n d o w sc e 的圖 形用戶界面相當出色。其中c e 中的c 代表袖珍( c o m p a c t ) 、消費( c o n s u m e r ) 、 通信能力( c o n n e c t i v i t y ) 和伴侶( c o m p a n i o n ) ；e 代表電子產品( e l e c t r o n i c s ) 。 與w i n d o w s9 5 9 8 、w i n d o w sn t 不同的是，w i n d o w sc e 是所有源代碼全部由微 軟自行開發的嵌入式新型操作系統，其操作界面雖來源于w i n d o w s9 5 9 8 ，但 w i n d o w sc e 是基于w i i l 3 2a p i 重新開發的、新型的信息設備平臺。w i n d o w sc e 具有模塊化、結構化和基于w i n 3 2 應用程序接口以及與處理器無關等特點。 w i n d o w sc e 不僅繼承了傳統的w i n d o w $ 圖形界面，并且在w i n d o w sc e 平臺上 可以使用w i n d o w s9 5 9 8 上的編程工具( 如v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 等) 、使用 同樣的函數、使用同樣的界面網格，使絕大多數的應用軟件只需簡單的修改和移 植就可以在w i n d o w sc e 平臺上繼續使用。 ( 三) l i n u x l i n u x 是一個類似于u n i x 的操作系統。它起源于芬蘭一個名為l i n u st o r v a l d s 9 成都理t 大學碩士學位論文 的業余愛好，但是現在已經是最為流行的一款開放源代碼的操作系統。l i n u x 從 1 9 9 1 年問世到現在，短短1 0 年的時間內已發展成為一個功能強大、設計完善的 操作系統，伴隨網絡技術進步而發展起來的l i n u xo s 已成為m i c r o s o f t 公司的 d o s 和w i n d o w s9 5 9 8 的強勁對手。l i n u x 系統不僅能夠運行于p c 平臺，還在 嵌入式系統方面大放光芒，在各種嵌入式l i n u xo s 迅速發展的狀況下，l i n u xo s 逐漸形成了可與w i n d o w sc e 等e o s 進行抗衡的局面。目前正在開發的嵌入式 系統中，4 9 的項目選擇l i n u x 作為嵌入式操作系統。l i n u x 現已成為嵌入式操 作的理想選擇。 由于其源代碼公開，人們可以任意修改，以滿足自己的應用，并且查錯也很 容易。遵從g p l ( g e n e r a lp u b l i cl i c e n s e ，通用公共許可證) ，無須為每例應用交納 許可證費。有大量的應用軟件可用。其中大部分都遵從g p l ，是開放源代碼和 免費的。可以稍加修改后應用于用戶自己的系統。有大量的免費的優秀的開發 工具，且都遵從g p l ，是開放源代碼的。有龐大的開發人員群體。無需專門的 人才，只要懂u n i x l i n u x 和c 語言即可。 支持的硬件數量龐大。嵌入式l i n u x 和普通l i n u x 并無本質區別，p c 上用到 的硬件嵌入式l i n u x 幾乎都支持。而且各種硬件的驅動程序源代碼都可以得到， 為用戶編寫自己專有硬件的驅動程序帶來很大方便。 在嵌入式系統上運行l i n u x 的一個缺點是l i n u x 體系提供實時性能需要添加 實時軟件模塊。而這些模塊運行的內核空間正是操作系統實現調度策略、硬件中 斷異常和執行程序的部分。由于這些實時軟件模塊是在內核空間運行的，因此代 碼錯誤可能會破壞操作系統從而影響整個系統的可靠性，這對于實時應用將是一 個非常嚴重的弱點。三種主流嵌入式操作系統的綜合分析比較如表2 2 所示： 表2 - 2三種主流嵌入式操作系統的綜合比較 p a l m o sw i n d o w sc e3 0嵌入式l i n u x 核心占5 0 0 k b 的r o m 和 2 5 0 k b 的r a m 。整個w i n d o w s 核心從幾十k b 到 核心幾十k b ，整 c e 操作系統，包括硬件抽象層 5 0 0 k b 。整個嵌入式環境 大小個嵌入環境也不( h a l 和h a r d w a r ea b s t r a c t i o n 最小才1 0 0 k b 左右，并 大 l a y e r ) 、w i n d o s wc ek e r n e l 、 且以后還將越來越小 u s e r 、g d ! 、文件系統和數據庫， 大約共1 5 m b 用戶可以方便地開發定 可開發定可以方便地開發用戶開發定制不方便，受 制，可以自由卸裝用戶模 制定制m i c r o s o r 公司限制較多 塊。不受任何限制 1 0 第二章系統設計方案 互操作性比較強，w i n d o w sc 可 互操作性互操作性強通過o e m 的許可協議使用于其互操作性很強 它設備 不僅適應于x 8 6 芯片，并 適用于多種c p u適用于多種c p u 和多種硬件平且可以支持3 0 多種c p u 通用性 和多種硬件平臺 臺 和多種硬件平臺。開發和 使用都很容易 實_ h j 性比較好比較好很好 應用領域較廣，特 應用領域較廣。w i n d o w s c 是為 由于l i n u 內核結構及功 適用的應新一代非傳統的p c 設備而設計 能等原因，嵌入式l i n u 別適用于掌上電 應用領域非常廣泛，特別 用領域的，這些設備包括掌上電腦、手 腦的開發適于進行信息家電的開 持電腦以及用于車載電腦等 發 2 3 2 嵌入式操作系統選型 通過以上三種主流嵌入式操作系統的綜合分析比較，系統選用l i n u x 操作系 選用l i n u x 操作系統的優點在于： 精簡的內核，性能高，多任務，成熟穩定。 適用于不同的c p u ，支持多種體系結構，如x 8 6 、a r m 、m i p s 等。 能夠提供完善的嵌入式g u i ，如q t 。 提供完整的開發工具和s d k ，同時提供p c 上的開發版本。 用戶可定制，可提供圖形化的定制和配置工具。 針對嵌入式的存儲方案，提供實時版本和完善的嵌入式解決方案。 完善的中文支持，強大的技術支持，完整的文檔。 開放源碼，核心技術依賴性小，系統的開放性強。 具有豐富的軟件資源，常用嵌入式芯片的驅動集，支持大量的周邊硬件設備， 驅動豐富，便于系統的集成與開發。 廣泛的軟件開發者的支持，價格低廉，結構靈活，適用面廣。 2 4 嵌入式存儲器方案 f l a s h 存儲器在嵌入式系統中被廣泛地運用于簡單、快捷的信息存儲領域。 存儲器被看作為一種靜態存儲設備，其所有的部件都是固定的。f l a s h 存儲器按 其底層技術結構主要分為n a n d 和n o r 兩大類。i n t e l 公司于1 9 8 8 年開發出 1 1 統 成都理工大學碩士學位論文 n o rf l a s h 技術，n o rf l a s h 的最主要特點是片內執行( e x e c u t ei np l a c e ) 的功能， 應用程序可以直接在f l a s h 內運行，不必再把代碼讀到系統r a m 中。t o s h i b a 公 司在次年發表了n a n df l a s h 結構, n a n df l a s h 的特點在于它能提供極高的單 元密度，可以進行高密度存儲，并且寫入和擦除的速度非常快。表2 3 對n o r f l a s h 和n a n df l a s h 各項指標進行了綜合對比【2 8 】 表2 3n o rf l a s h 和n a n df l a s h 綜合比較 n o rf l a s hn a n df l a s h 容量小。一般2 3 2 m大。一般8 2 5 6 m 價格低存儲密度，尺寸大 價格高高存儲密度尺寸小，價格低 接口形式接并行總線，內存接口接串行總線，i o 接口 訪問形式隨機順序 一般3 2 頁，每頁5 1 2 字節+ 1 6 字 塊組織形式一般為8 1 2 8 k b 的擦除塊 節管理數據 快寫，慢讀，慢擦 快寫，快讀，快擦( 一般一個擦除 訪問速度( 一般一個擦除 塊2 毫秒) 塊i 毫秒) 壽命十萬次級 百萬次 高，位交換幾率低( 不到n a n d 低，位交換幾率高，必須采用錯誤 可靠性 f l a s h 的1 0 )探測，錯誤更正( e d c e c c ) 算法 寫入方式以字節為單位以頁為單位且次數有限。 x i p ( e x c u t ei n可以不支持，產品壞道低，出廠一般 出廠可能有壞道 p l a c e ) 沒有壞道高 易用性容易復雜。一般需要m t d 驅動支持 設計目的 作為r o m 的替代產品磁盤 2 5 嵌入式文件系統方案 嵌入式系統中需要存儲的程序和數據主要包括系統引導代碼、嵌入式操作系 統、設備驅動程序、第三方軟件資源、系統應用程序、系統應用程序數據和系統 輔助工具集等。選擇合適的嵌入式文件系統對于安全可靠管理組織嵌入式系統的 數據非常重要，嵌入式文件系統構成了嵌入式系統的重要組成部分。 嵌入式系統