基于ARM和嵌入式Linux的汽车仪表盘的设计与实现.doc

题 目 基于ARM和嵌入式Linux的汽车仪表盘设计 学 院 通信与电子工程 专业班级 通信114 学生姓名 huoshoubin 指导教师 dalihui 2013年 6月 15日 摘 要随着我国国民经济建设和汽车工业现代化的快速发展，车辆对经济大战的贡献起到越来越重要的作用。汽车仪表是驾驶员获取汽车状态信息的关键设备，对汽车的安全行驶起着重要的作用。近年来，随着计算机、微电子和各种现场总线通信技术的广泛应用，汽车电子技术得到了迅猛的发展，汽车仪表盘上显示的信息不断增加，传统的机械式、电气式组合仪表越来越无法满足使用的需求。随着汽GPS导航、自动驾驶等新技术的日趋成熟，汽车仪表成为集显示、控制、通讯、娱乐为一体的汽车综合信息显示中心已经指日可待。 本文提出并设计了一种以ARM11器件为MCU，以嵌入式Linux为操作系统的车载仪表系统。该仪表盘以嵌入式微处理器为核心，对汽车的各种信息状态，如电池电压、车速等参数进行采集、处理、显示和报警提示，驾驶员根据报警提示的结果进行相应的处理，以使汽车安全正常行驶。该仪表盘在外型上不同于传统的汽车仪表，其显示端使用一个LCD显示屏代替原有的显示设备，汽车运行的所有状态信息都在该屏上显示，但为延续传统的操作习惯，将原来的车速、发动机转速等用指针显示的信息在显示屏上以模拟表的形式显示。并对越限情况和各种违规操作，在显示屏上以图形指示灯的形式闪烁显示。本文在简要介绍了汽车仪表发展趋势的基础上，重点论述了嵌入式系统的开发流程和模式，包括开发平台的搭建、驱动程序的开发、图形显示界面的开发和应用程序的设计。在嵌入式系统设计中，硬件、软件的可裁剪是其最大的特点，因此，增加功能模块（比如CAN通信模块、音频输出模块等）是嵌入式系统设计中的一个重点和难点，所以本文重点之一是放在驱动模块的设计上。同时，作为信息显示中心，信息显示要求及时、准时、有美感，因此，图形界面的开发也是重点之一。本课题所设计的汽车仪表，作为综合信息显示中心的一个雏形，可以方便地扩展GPS导航系统、汽车后视摄像系统、网络系统等模块，相信进一步的研究和开发，汽车综合信息显示中心将成为未来汽车上重要的一部分。 关键词：汽车仪表 ；嵌入式Linux； Qt/Embedded . AbstractAs Chinese national economical construction and rapid development of industrial modernization,vehicles play an increasingly important role in the period of economic development. The panel of automobile is the main instrument of automobile ,through which the driver can get the status of the automobile,and the safety of driving is greatly influenced by it. Recently,with the widely using of computer,micro-electronics and field bus communication technology,automobile electronically technology is developing fast ,and the traditional mechanical and electrical combined instrument could not meet the need any more. Especially with the development of automatic drive and satellite navigation technology ,the panel of automobile is expected to become an integrated information system with multifunction of displaying,controlling,communication and entertainment.The paper is to present and design all onboard panel system in which an ARM controller is used as CPU and Embedded Linux is used as the core of software. With the Embedded Microprocessor as its core,the panel could acquire various information of the vehicle,such as the cell voltage and the vehicle velocity. At the same time,the system can process,display and warn in the abnormal situation. Therefore,the driver could react correctly according to the alarm,which makes the car always run in a safe condition. The appearance of the system is different from the traditional panel of automobile. A LCD screen is used to replace all the traditional display equipment,and all information of the vehicle is displayed on the screen. In order to meet the driving custom of the driver,the speed of vehicle and its engine are displayed on the screen by the form of simulated pointer. The caution lights with sound signals well display on the screen in the limited or abnormal condition.After introducing the developmental trend of the panel of automobile,the paper emphatically show how to develop embedded system,including establishing embedded platform,designing device driver,displaying interface and application program. Hardware and software can be reducing or increase which is a strongpoint of embedded system.So,one key point of the paper is to design device driver As the display centre,information displaying must be in time and precise. So,designing display interface is another key point of the paper. The designed panel of automobile is a rudiment of onboard integrated information system. It can expediently append the function of GPS navigation,backlight camera and network communication and so on. Through further study,onboard integrated information system will become an important equipment in future automobile.Key words：Vehicle Instrument;Linux;Qt/Embedded. 目 录 第1章 绪 论11.1 汽车仪表系统的概述11.1.1 汽车仪表的发展历程11.1.2 国内外汽车仪表的发展现状11.1.3 汽车仪表的发展趋势21.2 汽车仪表信息技术的发展趋势31.3 课题研究的背景及意义31.4 本章小结4第2章 嵌入式系统及其实现52.1 嵌入系统的特点52.1.1 嵌入式系统的概念52.1.2 嵌入式系统的分类62.1.3 嵌入式系统的组成62.1.4嵌入式系统的应用范围及发展趋势72.2 嵌入式微处理器ARM72.3 嵌入式系统典型开发模型82.4 嵌入式操作系统的选型82.5 系统设计原则92.6 本章小结10第3章 嵌入式Linux开发环境的建立113.1 REAL6410开发板简介113.1.1 硬件资源113.1.2 软件资源123.1.3 Nand flash地址分配133.1.4 启动方式的选择143.2 建立tftp服务器143.3 交叉编译器的安装153.4 u-boot的在Real6410上的移植163.4.1 本次移植的功能实现163.4.2 建立自己的开发板项目并测试编译163.4.3 DM9000在Uboot2010.03上的移植183.4.4 Uboot支持yaffs2文件的读/写193.4.5 支持串口xmodem协议223.5 linux内核的移植233.6 cramfs文件系统的制作233.6.1 目标板233.6.2 软件准备233.6.3 制作过程243.6.4 烧写过程253.7 ubifs文件系统的制作253.7.1 配置253.7.2 编译、安装263.7.3 设置运行时的环境变量273.7.4 qtopia.tar.gz的生成273.8 系统的快速烧写283.8.1 SD启动的uboot烧写283.8.2 串口的设置303.8.3 SD卡u-boot的启动303.8.4 清空nand flash313.8.5 烧写nand flash 的u-boot313.8.6 烧写linux内核323.8.7 烧写cramfs文件系统333.8.8 烧写utifs文件系统343.8.9 运行QT4程序343.9 QT4开机自启设置35第4章 仪表盘图形界面的设计364.1 图形用户截面GUI的分析364.2 Qt/Embedded体系结构分析374.2.1 Qt/Embedded介绍374.2.2 Qt/Embedded的分层结构374.2.3 Qt/Embedded图形引擎的实现374.2.4 Qt/Embedded的窗口系统384.2.5 Qt系统的信号与槽机制394.3 仪表盘显示界面设计414.3.1 基于Qt画图类实现图形的绘制414.3.2 基于Qt画图类对图形进行处理43 结论44参考文献45致谢46第1章 绪 论1.1 汽车仪表系统的概述众所周知，仪表板是驾驶员与车辆进行信息交流的重要接口和界面，它为驾驶员提供其所需的信息。随着汽车工业的发展，现代汽车的各种机构日趋复杂，附属装置也日益增多，为了使驾驶员更多更迅速地掌握各种机构和装置的状态，以便更有效地操控车辆，使其正常地工作，汽车仪表板作为现代汽车的信息中枢显得越来越重要，并伴随着汽车电子技术的发展而快速发展。汽车仪表的发展趋势，从一个侧面反映出汽车电子化水平的快速提高。汽车仪表系统是汽车仪表信息系统的重要组成部分，也是其要实现的最基本的功能。1.1.1 汽车仪表的发展历程为了充分了解汽车仪表发展现状，准确地把握其未来发展趋势，可以按汽车仪表在工作原理上取得的重大技术创新来分，划分为4个阶段，或称为经过4代。第1代汽车仪表是基于机械作用力而工作的机械式仪表，人们习惯称这类仪表为机械机芯表；第2代汽车仪表的工作原理基于电测原理，即通过各类传感器将被测的非电量变换成电信号加以测量，通常称这类仪表为电气式仪表；第3代为模拟电路电子式汽车仪表；第4代为步进电动机式全数字汽车仪表。继全数字汽车仪表后，随着信息技术和计算机技术的不断发展，以及降低汽车仪表制造成本的要求，汽车仪表逐渐向虚拟化、智能化和网络化方向发展。1.1.2 国内外汽车仪表的发展现状汽车走过了100多年的发展历程，汽车仪表也在不断开发和发展之中。汽车仪表正在经历由第3代向第4代转型时期。第3代汽车用仪表工作原理与电气式仪表基本相同，只不过是用电子器件取代原来的电气器件。其出现的时间大致在20世纪50-60年代，随着集成电路技术突飞猛进的发展，这种仪表现在均采用各种专用集成电路(为汽车仪表专门设计的集成电路)，国内汽车仪表目前的主流产品就是这种仪表，经过20多年的发展，其结构形式经历了动圈式机芯(线圈连同指针起转动)和动磁式机芯(磁钢连同指针起转动)2个基本阶段。电子器件经历了分立器件和专用集成电路2个阶段。在整个发展过程中，国内外工程技术人员一直从未停止对其进行改进。如围绕降低成本，不断改进制作工艺，机械零件起初以金属件为主，发展N4"-天以塑料件为主，围绕提高指示精度和指针平稳性，由动圈式发展成动磁式等。虽然，每次较大改进后整体性能价格比都有所提高，但受其工作原理的限制，其线性、精度、重复性、响应速度等性能指标难以有根本的突破。现在看来，十字交叉动磁式仪表肯定是第3代汽车仪表发展的尽头，必将让位于第4代全数字式汽车仪表。汽车仪表是汽车与驾驶员进行信息交流的窗口，也是汽车高精尖技术的主要部分，各国一直在努力开发汽车仪表技术，并不断取得新的发展。目前国内汽车仪表行业在整体上仍滞后于整车的发展，“散、乱、差”的状况尚未改变，与国外相比有很大的差距，表现在产品技术水平低，造型单调，产品质量可靠性和耐久性差，制造工艺落后，产品检测不完善，数字化程度低等方面。我国的汽车仪表与国外发达国家相比，技术水平有相当大的差距。例如，当今国外发达国家普遍使用全数字式汽车仪表，而且绝大部分是步进电动机式汽车仪表，并且正积极准备向更高方向发展。而国内真正民族汽车仪表厂，还没有批量生产出该类型的仪表，只有德国VDO公司和美国德科公司在我国设厂生产。虽然国内汽车仪表界一致看好全数字式汽车仪表。但我国民族汽车仪表生产厂家从事汽车仪表设计的工程技术人员，绝大部分还不具备这方面的知识能力，自主开发还不具备技术条件。目前国内车辆仪表数字化水平还不高，绝大部分仪表还是模拟式的，而大多数模拟仪表表头的体积较大、数量多，使得显示系统拥挤不堪，影响美观；另外一些模拟仪表故障率高，增加了用户的经济负担，减小了车辆行使的安全系数。而随着电子技术的广泛应用，传统汽车仪表逐渐被微处理器为核心的电子控制数字仪表取代已成为必然趋势。汽车仪表产品的更新换代势在必行，进行技术创新，寻求和确定我国汽车仪表产品的发展方向，研制开发新代汽车仪表产品，有利于迅速提高我国汽车仪表产品的技术设计能力和生产制造水平。汽车将会越来越多地采用各种用途的电子化仪表，造型新颖别致和功能强大的电子化仪表将是今后车用仪表的发展趋势和潮流。鉴于我国汽车仪表的这种现状，而车辆仪表是驾驶员与汽车进行信息交流的重要接口和界面，是车辆安全行驶的重要保证。我们提出开发嵌入式数字仪表信息系统。1.1.3 汽车仪表的发展趋势传统仪表般是机电式模拟仪表，只能为驾驶员提供汽车运行中必要而又少量的数据信息，已远远不能满足现代汽车新技术、高速度的要求。汽车仪表的功能已不仅仅是单纯的指示，而是通过对汽车各部件参数的监测和微处理机配套，从而达到控制汽车各种运行工况的目的。在有关技术使用费用，特别是其依赖的硬件成本进一步降低的前提下，汽车仪表未来将有如下发展趋势：1汽车仪表电子化随着现代电子技术的发展，多功能高精度、高灵敏度、读数直观的电子数字显示及图像显示的仪表已不断地在汽车上应用。因此，汽车电子化仪表将逐步取代常规的机电式仪表。2采用计算机终端显示器未来汽车仪表发展趋势，就是充分应用光技术和机、电一体化技术，并突出现代信息技术和网络技术的应用，其功能将极大拓宽，指示形式将演变成计算机终端显示器。随着显示器件，如液晶显示器件的性能，特别是工作温度范围的拓宽，在价格进一步降低的前提下，汽车仪表的功能将被极大地拓宽，形式将发生根本改变，外观上就是个高清晰度的计算机显示屏。3未来汽车仪表拓宽功能从近期来看，未来汽车仪表的功能将不局限于现在的里程表、发动机转速表、机油压力表、水温表、燃油表、方向灯指示，可能增添如下功能。ECU智能化的汽车仪表能指示安全系统运行状态，如轮胎气压、制动装置、安全气囊、安全带等，这些信号传输形式，将不再是简单的开关接通和断开直流信号，而是包含反映这些安全装置工作状态的调制信号，供ECU读取，以便ECU能准确地综合判断这些安全装置的工作状态，并给出故障显示提醒驾驶员，或指导维修人员排除故障。将防盗系统纳入汽车仪表ECU的监管下如车门、后行李箱等处防盗锁指纹识别开启系统，防撬振动报警装置，防盗点火起动装置等。4电光学技术将在汽车仪表上得到广泛应用显示和内照明器件不再用白炽灯泡，而是选用高效冷光源发光器件，如LED、电子发光器件等。导光系统更多体现出光学领域的新技术，如仪表面板颜色可变等满足个性化要求设计等。CCD(Charge Coupled Dlcvioe，电荷藕合器件)摄像后视系统。现在的后视光学反光镜有可能被取消，而改用电子摄像显示后视系统，驾驶员的视野范围将更宽。在驾驶员正前方显示也更方便驾驶员读取。自动导航和定位系统可能也是未来汽车仪表上不可缺少的部分，包括全球卫星定位系统和电子地图等。具备完善的通讯系统。将来汽车上的计算机系统与公共互联网相连，以便充分共享信息资源，处理通讯作业将是汽车仪表计算机系统工作内容的一部分。汽车仪表的计算机系统具备对娱乐、空调等舒适性设备进行监测的功能，可自动控制这些设备或支持驾驶员远程操纵。以上在基于当今成熟技术的基础上，对未来汽车仪表的发展方向做些简单设想。也许，未来汽车仪表的发展将远远超出我们今天的想象。但有一点是肯定的，带有E(的数字技术在汽车仪表上的广泛应用，将是汽车仪表发展的必然。1.2 汽车仪表信息技术的发展趋势随着计算机技术的日渐成熟，在车辆制造行业对于仪表的数字化已经成为种(AD，D/A等)与数据分析、图形用户界面软件等有机结合的仪表系统。嵌入式数字汽车仪表具有功能及参数能自动定义、动态画面可视性强的特点。汽车仪表信息系统就是在搭建好汽车仪表的基础上，利用基本的计算机强大的处理功能，加上网络系统和汽车娱乐系统等，构建一个功能更强大的综合系统。现代计算机技术不断发展和扩展，并与无线电通信技术融合渗透，形成应用广泛的汽车信息技术。汽车信息技术是计算机技术与通讯技术的汇聚，即利用计算机和无线电话来做一些事情，如Internet登录、网上冲浪、实时交通信息查询等。现在人们已将汽车信息技术的定义做了一定程度的扩展，即将计算机驱动的、与驾驶员和乘客有关联的各种技术(如独立匣用导航技术、自适应巡航自控制技术)也收入到汽车信息技术的范畴之列。汽车信息技术的发展，使汽车功能、驾车方式和驾车体验发生根木的改变。汽车信息技术飞速发展将使未来驾车不再乏味。随着汽车技术从机械向信息通讯电子和控制技术的转交，汽车上的电子，电气部件成本也不断上升。人们把电波接受器、光信号、卫星电话、卫星数字广播等通讯设备以及个人计算机、信息终端、电视机、传真机、游戏机等办公和家庭所需的信息机器带入车内，这些信息处理器与地面上的信息网连接在一起，把汽车变成一个移动的办公室。随着信息科技的发展，未来人们完全可以实现车辆驾驶的全程自控汽车自动驾驶。尽管要实现这一切还需跨越许多技术障碍，但随着电子技术与计算机技术以及智能高速公路系统研究的深入进行，可以肯定实现汽车自动驾驶不会太遥远。目前，一些发达国家在这方面的工作走在了前面，如美国政府每年用在智能高速公路系统上的费用达10亿美元，并在2002年初就完成智能高速公路计划；日本则计划在2010年全面完成这项工作。汽车信息技术的发展为美国国内汽车市场提供了巨大的商机，同时也拓展了相关硬件、软件和信息服务的市场空问。据分析，10年内美国销售的汽车中将有1/3安装巡航系统和汽车电脑。作为汽车制造业的巨人，通用汽车公司直看好汽车数字化技术的发展前景，专家预计，仅此项将使该公司每年获利4亿6亿美元。信息技术在明天的汽车上将无所不在，并将成为一个反映汽车技术水准的巨大“差别器”。1.3 课题研究的背景及意义本课题的主要研究内容以嵌入式ARM11 E6Core为核心板的开发板和以Linux/Unix为硬件和软件为开发环境构建嵌入式数字汽车仪表信息系统。该系统以E6Core芯片为核心，对汽车的各种信息状态，如电池电压、车速等参数进行采集、处理、显示和报警提示，驾驶员根据报警提示的结果进行相应的处理，以使汽车安全正常行驶。我参与本课题中嵌入式芯片的选型，硬软件环境的搭建，以及整个系统软件的编程，调试工作。系统的设计要求是：1、汽车仪表综合信息必须完成车况的数字显示和监测；车况的数字显示和监测是对车辆所有重要部件的性能和工作状态的显示和监测，以保证驾驶员能够及时了解车辆工作状况，迅速对各种异常情况做出对应措施。而且车辆运行状态的监测是保障车辆正常工作、进行故障诊断和设备维修的基础。2、使车辆具有娱乐功能，可上网、播放音乐、播放视频文件等；实现存储空间的扩展；3、实现车辆的黑匣子功能，将汽车行驶的综合信息、通过软件保存；4、充分考虑系统功能的可扩展性根据系统的设计要求，本系统的硬件和软件均采用模块化、标准化、系列化的设计方法，并充分考虑系统的扩展能力。1.4 本章小结汽车仪表信息系统是汽车仪表系统功能的扩展，常规仪表的显示是汽车仪表信息系统最基本也是最重要的部分。本章介绍了汽车仪表的发展历程，从最初的机械式仪表到基于电测原理的电气式仪表，再到模拟电路电子式仪表，发展至现在较先进的全数字汽车仪表，汽车仪表己走过了4代。分析国内外汽车仪表的现状及发展趋势，综合考虑我国汽车仪表工业发展水平同发达国家的差距，我们提出了嵌入式数字汽车仪表信息系统的概念。从汽车仪表的发展趋势我们还可看出，未来的汽车仪表向多功能、集成化、智能化方向发展，这也就是汽车仪表信息系统。本章还介绍了汽车信息技术的发展趋势，分析了开发汽车仪表信息系统的关键技术。最后介绍了本课题的背景意义，以及本课题所要研究的内容，以及我在本课题中所承担的任务。第2章 嵌入式系统及其实现嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统是硬件和软件的有机结合体，并以硬件的形式表现。嵌入式系统最典型的特点是与人们的日常生活紧密相关，任何一个普通人都可能拥有各类形形色色运用了嵌入式技术的电子产品，小到MP3，PDA，玩具等微型数字化设备，大到信息家电、智能电器，医疗器械，各种新型嵌入式设备在数量上已经远远超过了通用计算机。嵌入式系统被认为是后PC时代，汽车电脑也属于嵌入式系统的应用范畴。2.1 嵌入系统的特点l、嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式a，U与通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPU中许多任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。2、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后的产物。这一点就决定了它必然是个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。3、嵌入式系统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，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。4、嵌入式系统和具体硬件有机地结合在一起，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。5、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单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。6、嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后用户通常也是只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。2.1.1 嵌入式系统的概念随着现代计算机技术的飞速发展，逐渐形成了计算机系统的两大分支：通用计算机系统和嵌入式计算机系统。通用计算机系统的硬件以标准化形态出现，它通过安装不同的软件满足各种不同的要求。而嵌入式计算机系统则是根据具体应用对象，软件硬件采用量体裁衣方法定制的，不以一般计算机形态出现的专用计算机系统。通用计算机系统采用标准化的设计，采用通用的CPU和大容量的外部存储设备，可进行高速、海量的数据处理。嵌入式系统与通用计算机系统一样，也是一种计算机系统，具有计算机的一般特点，拥有中央处理器、存储设备、输入输出设备等。但是嵌入式系统不以一般的计算机形态出现，它服务于所嵌入的应用对象，其功能、可靠性、成本、尺寸及功耗等方面受到应用需求及应用对象的制约。从嵌入式系统所运行的软件看，嵌入式系统的软件固化在硬件系统中，与硬件形成一个不可分割的整体。它所执行的功能也是面向特定的应用，同一个嵌入式硬件系统一般很难采用更改软件的方法用于其它领域。这意味着，嵌入式系统是一种专用的计算机系统，不可能像通用计算机那样只要更改应用软件就可以适应不同的应用。从资源的使用角度看，嵌入式计算机系统是计算机能力和数据存储能力等资源受限的计算机系统。其外形、尺寸、功能、功耗等都受限于应用对象的设计需求，因而不可能有一个标准化的设计。嵌入式系统最大的特点也就在于此，其系统构成多种多样，需要根据具体应用量身定制。2.1.2 嵌入式系统的分类根据不同的分类标准，嵌入式系统有不同的分类方法。根据嵌入式系统的复杂程度可以简单将它分为简单嵌入式系统和复杂嵌入式系统。简单嵌入式系统很早就已经存在，这些嵌入式系统一般都很简单，系统软硬件复杂度都很低，例如常用的单片机系统。然而随着复杂控制、汽车电子、医疗仪器、数字通信、Internet网络应用和信息家电等复杂需求的出现，简单的嵌入式系统已无法满足需求。为了满足日益复杂的软硬件需求，出现了以32位SoC(SystcmonChip)为硬件核心，以嵌入式操作系统的使用为标志的复杂嵌入式系统。这类系统硬件集成度高，外部接口众多，软件功能丰富。2.1.3 嵌入式系统的组成从组成上看，嵌入式系统可分为嵌入式硬件系统与嵌入式软件系统两大部份，如图2-1所示。嵌入式硬件系统主要由嵌入式处理器及相关支撑硬件和外围电路等组成。其中，嵌入式处理器在嵌入式硬件系统中处于核心地位，按照功能和用途划分，它可以进一步细分为以下几种类型：嵌入式微控制器(Embedded Microcontroller)、嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor)和嵌入式数字信号处理器(Embedded Digital signal Processor)。嵌入式软件系统嵌入式硬件系统嵌入式应用软件嵌入式中间软件嵌入式操作系统外围接口电路及其他硬件支持嵌入式处理器图2-1 嵌入式系统组成嵌入式软件系统通常可划分为嵌入式操作系统和应用软件两部份。在一些复杂的系统中，为简化应用开发，还提供了一个中间层(嵌入式中间层)。在早期的嵌入式系统中，系统的复杂性较低，这时的嵌入式系统通常不使用操作系统，而是由应用程序直接控制和管理硬件。例如现在还大量存在的基于8位单片机的系统，一般仅完成单一的控制功能，其功能与硬件复杂度都较低，其软件通常都只有一个简单的控制程序。在这类简单系统中没有使用操作系统的必要。随着技术的进步与复杂需求的出现，嵌入式系统进入了一个新的阶段。这个阶段的嵌入式系统硬件大多采用了32位的嵌入式SoC处理器，软件系统则增加了嵌入式操作系统。从图2-1可以看出，操作系统处于上层软件与嵌入式硬件系统中间，在整个嵌入式系统中处于重要的地位，起着至关重要的作用。它负责控制与管理嵌入式硬件系统，将硬件的复杂性隐藏起来，为上层软件设计提供一个统一易用的应用程序编程接口以降低应用软件开发的复杂性。同时，作为嵌入式系统软硬件资源的管理者，它负责系统软硬件资源的调度与分配，保证系统资源被有效合理地使用。总而言之，嵌入式操作系统的出现与使用是嵌入式系统发展过程中的一个重要的里程碑，它掩盖了底层硬件的复杂性，提高了软件的开发效率和可维护性。 2.1.4嵌入式系统的应用范围及发展趋势由于嵌入式系统具体体积小、性能好、功耗低、可靠性高以及面向行业应用的突出特征，目前已广泛地应用于军事国防、消费电子、信息家电、网络通信、工业控制等领域。嵌入式系统可以说无所不在、无处不在，就周围的同常生活用品而言，各种电子手表、电话、手机、PDA、洗衣机、电视机、电饭煲、空调器都有嵌入式系统的存在，如果说我们生活在一个到处嵌入式的世界，是毫不夸张的。今后，嵌入式系统将会有以下发展趋势：1)经济性。计算机要很便宜，让更多人买得起。2)嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。3)网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的加大而日益提高，使得以往单一功能的设备功能不再单一，结构更加复杂。4)可靠性。能在一般环境条件下或者是苛刻的环境条件下运行。5)精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本。2.2 嵌入式微处理器ARM嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器。嵌入式微处理器一般具备以下4个特点：1)实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并具有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。2)有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。3)可扩展的处理器结构，以能最迅速地满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。4)嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有MW甚至UW级。ARM(Advanced对SC Machines)高级对SC微处理器，是通用的32位微处理器，是一种低功耗、高性能的产品，它是基于glSC(精简指令集计算机)构建的。RISC的英文全称为“Reduced Instruction Set Computing”，中文即“精简指令集”，它的指令系统相对简单，它只要求硬件执行很有限且最常用的那部分指令，大部分复杂的操作则使用成熟的编译技术，由简单指令合成。ARM公司于1990年成立于英国，是由Acorn计算机公司和Apple计算机公司合资组建的一家公司。1998年，ARM公司正式启用现在的公司名，并向市场推出了ARMTTDMIS微处理器内核。短短几年之问，市场份额迅速增长，目前己占据RISC芯片77以上的市场份额。究其原因，是因为ARM系列产品具有独特的优势。首先它是基于RISC结构而构建的。相比较CISC(复杂指令集计算机)结构，RISC结构具备如下一些优势：1)RISC结构的指令数目少，指令长度固定，执行速度快，通常只需要一个周期。2)RISC结构的处理器内需要微指令翻译器，RISC结构处理器不需要。3)RISC结构采用流水线方式处理指令，大大提高指令执行效率。但是RISC结构的指令代码偏长。在一部32位的RISC计算机上，一条单指令需要4个字节的存储空间。不过ARM系列微处理器采用 “Thumb”技术解决了这个问题。正是这些特点，使得ARM微处理器能够提供比一般CISC芯片(如X86，68000)更高的性能，另外相对于其他刚SC微处理器：1)ARM内核具有业界领先的体系结构，能够实现低功耗、高性能。2)ARM系列微处理器提供各种性能和版本的产品，能够互相兼容，方便系统升级支持各种嵌入式应用。3)ARM公司授权各主要芯片生产商生产基于ARM核的微处理器芯片用户具有更多的选择，产品的性价比高保证有稳定和畅通的供货渠道。4)ARM公司及其合作伙伴提供完整的技术支持提供支持ARM内核的RTOS(Real Time Operate System)实时操作系统提供软、硬件设计和开发工具提供应用软件和标准外设嵌入式ARM芯片在结构特点上有着突出的优点，这就使得它的功能非常强大，到目前为止，ARM微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域。2.3 嵌入式系统典型开发模型嵌入式系统是一个复杂而专用的系统，在进行系统开发之前，必须明确定义系统的外部功能和内部软硬件结构；然后进行系统的设计分割，分别实现硬件规划与设计，应用软件规划与设计以及操作系统的裁剪；在操作系统裁剪和应用软件编码完成后，通常还将它们先移植到同系统结构的硬件平台上进行远程调试、功能模拟；完整无误后，最后才将操作系统和应用软件移植到自己开发的专用硬件平台上，完成系统的集成。其开发流程可如图2-2所示。系统所需功能系统分割操作系统裁剪软件规划硬件规划软件开发硬