基于Linux的嵌入式車載導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計

1.前言
HMS30C7202 嵌入式微處理器是目前性價比交優(yōu)秀的芯片，由于其優(yōu)良的性能用于替代早期的芯片，在車輛導(dǎo)航方面的開發(fā)應(yīng)用有著廣闊的應(yīng)用前景。在諸多的操作系統(tǒng)中，由于Windows CE 、Vxwork 等操作系統(tǒng)都是商業(yè)化產(chǎn)品，其價格高昂、源代碼封閉。另外，對于上層應(yīng)用開發(fā)者而言，嵌入式系統(tǒng)需要的是一套高度簡練、質(zhì)量可靠、應(yīng)用廣泛、易開發(fā)、多任務(wù)，并且價格低廉的操作系統(tǒng)。源碼開放的Linux 正好可以滿足這些要求。由于嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用多種多樣，并且標(biāo)準(zhǔn)Linux 操作系統(tǒng)比較龐大，因此，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用對標(biāo)準(zhǔn)Linux 進(jìn)行重新的移植、裁剪和配置，生成代碼緊湊、代碼量小的特定操作系統(tǒng)。
2.導(dǎo)航系統(tǒng)的硬件組成
車載導(dǎo)航系統(tǒng)的硬件平臺為HMS30C7202 的SAMSUNG 公司的32 位高性能嵌入式微處理器，以HMS30C7202 為核心，包含了LCD 液晶顯示模塊、存儲器模塊（Flash、SDRAM）、GPS 模塊、串行接口、USB 接口、IrDA 紅外通訊接口、網(wǎng)絡(luò)接口等外圍部分，其硬件構(gòu)成如圖1 所示。
HMS30C7202 嵌入式微處理器采用16/32位精簡指令集，具有高性價比，低功耗，高性能的特點(diǎn)，為掌上設(shè)備和一般類型應(yīng)用提供了小型微控制器的解決方案。為了減少總的系統(tǒng)消耗，HMS30C7202 包括了以下部分：獨(dú)立的16KB 指令緩存和16KB 數(shù)據(jù)緩存，MMU，LCD 控制器（STN/TFT），NAND Flash 啟動加載器，存儲管理器（片選邏輯與SDRAM 控制器）， 
 
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    3通道的UART ，4 通道的DMA，4 通道的脈寬調(diào)制定時器，I/O 端口，RTC 實(shí)時時鐘，8通道10位的A/D 控制器及觸摸屏接口，IIC 接口，IIS 接口，音頻接口，USB 主機(jī)，USB 設(shè)備，SD 主機(jī)/多媒體卡接口，2 通道的SPI，攝像頭接口，PLL 時鐘發(fā)生器以及電源管理等。
1 3. 基于Linux 的軟件系統(tǒng)設(shè)計
2 軟件功能與組成

系統(tǒng)的軟件包括嵌入式操作系統(tǒng)、GUI 圖形用戶界面、應(yīng)用程序三個部分，其中嵌入式操作系統(tǒng)和GUI 圖形用戶界面屬于關(guān)鍵技術(shù)，它們的好壞決定了系統(tǒng)能否得到成功的應(yīng)用。應(yīng)用程序建立在嵌入式操作系統(tǒng)和GUI 圖形用戶界面之上，上電之后啟動過程如圖2 所示。在本軟件設(shè)計中，操作系統(tǒng)采用使用廣泛的內(nèi)核源代碼開放的嵌入式Linux，GUI 圖形用戶界面采用源代碼開發(fā)的Micro windows 。

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3.2 交叉編譯環(huán)境的建立
在滿足系統(tǒng)穩(wěn)定、安全、可靠的基礎(chǔ)上，嵌入式產(chǎn)品的體積要盡可能小，從而不能夠提供足夠的資源供編譯過程使用，因此，必須建立一種交叉編譯的環(huán)境，即在高性能的宿主機(jī)上對即將運(yùn)行于目標(biāo)機(jī)上的程序進(jìn)行編譯，生成可在目標(biāo)機(jī)上可以運(yùn)行的代碼格式，然后下載到目標(biāo)機(jī)中運(yùn)行。Linux 環(huán)境下使用GNU 工具完成編譯、鏈接等過程，包括針對目標(biāo)系統(tǒng)的編譯器gcc、針對目標(biāo)系統(tǒng)的二進(jìn)制工具binutils 、針對目標(biāo)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)c 庫glibc 和針對目標(biāo)系統(tǒng)的Linux 內(nèi)核頭文件。
在linux 的根目錄下，通過命令tar Ixvf cross-2.95.3.tar.bz2 進(jìn)行解壓縮，執(zhí)行完畢之后在/usr/local/ 目錄下自動生成arm/2.95.3 目錄，進(jìn)入2.93.3 目錄下可以看到arm-linux 、bin、include 、lib 等各種目錄，說明交叉編譯工具安裝完畢，編譯環(huán)境已經(jīng)建立起來了。
3.3 引導(dǎo)程序的移植
受嵌入式系統(tǒng)資源的限制，嵌入式系統(tǒng)的引導(dǎo)程序并不像PC 機(jī)上的引導(dǎo)程序一樣是由BIOS 和位于硬盤MBR 中的引導(dǎo)程序組成，整個系統(tǒng)的引導(dǎo)加載任務(wù)主要是由一個稱為BootLoader 的引導(dǎo)程序來完成的。BootLoader 是系統(tǒng)復(fù)位后首先要執(zhí)行的代碼，主要作用是初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射等，將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài)，從而為操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的調(diào)用建立一個良好的環(huán)境。
系統(tǒng)的軟件設(shè)計中采用的引導(dǎo)程序是韓國Mizi 公司開發(fā)的BootLoader----vivi 。在嵌入式系統(tǒng)中，BootLoader 是高度依賴于硬件的，在嵌入式系統(tǒng)中建立一個通用的BootLoader 幾乎是不可能，因此對于每一種特定的平臺，都要移植一個BootLoader?？梢哉f建立一個與平臺配套的、易于使用的BootLoader ，是軟件設(shè)計的關(guān)鍵一步。
針對本系統(tǒng)的引導(dǎo)程序移植的思路是找到一個與所設(shè)計的平臺最相近的平臺的BootLoader，然后根據(jù)所設(shè)計平臺的硬件參數(shù)對BootLoader 進(jìn)行修改，從而完成BootLoader 的移植。首先根據(jù)實(shí)際情況修改vivi 工程管理文件Makefile 文件中的相關(guān)參數(shù)，包括交叉編譯器庫和頭文件路徑，交叉編譯開關(guān)選項設(shè)置，Linux 內(nèi)核代碼中的庫和頭文件路徑等。然后根據(jù)硬件平臺的參數(shù)修改相應(yīng)的配置，如處理器時鐘、存儲器初始化、通用I/O 初始化等等。然后進(jìn)行配置、編譯生成可執(zhí)行的代碼。
3.4 內(nèi)核的移植
由于嵌入式系統(tǒng)是針對特定應(yīng)用的，而且資源有限，所以標(biāo)準(zhǔn)Linux 無法應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)中，因此必須根據(jù)實(shí)際情況對Linux 進(jìn)行裁剪、配置，從而產(chǎn)生一個適用的嵌入式Linux 操作系統(tǒng)。Linux 內(nèi)核的移植包括獲取源代碼、修改設(shè)置、裁減配置和編譯。
3.4.1 獲取源代碼
Linux 內(nèi)核源代碼一般都有專門的機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)維護(hù)，我們可以從這些機(jī)構(gòu)的網(wǎng)站上下載下來使用。修改設(shè)置
嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用的針對性很強(qiáng)，從站點(diǎn)上下載下來的內(nèi)核不可能包含針對所有嵌入式系統(tǒng)的代碼，因此需要對代碼進(jìn)行修改設(shè)置，從而適合目標(biāo)平臺。一般包含下面幾步。
  ① 編寫與處理器相關(guān)的代碼。主要包括時鐘設(shè)置、中斷設(shè)置、存儲器分配及其他一些寄存器的設(shè)置等等，這些與HMS30C7202 處理器相關(guān)的代碼放在/arch/arm/mach-s3c2440 目錄下。
  ② 修改根目錄下的工程管理文件Makefile ，指定所移植的硬件平臺和交叉編譯器的路徑。
  ③ 修改/ arch/arm 目錄下的工程管理文件Makefile ，指定內(nèi)核運(yùn)行的虛擬地址，修改該目錄下的配置文件config.in，以便在執(zhí)行配置命令時能夠顯示HMS30C7202 的相關(guān)信息。
  ④在/arch/arm/def-configs 目錄下添加配置好的HMS30C7202 配置文件。在/arch/arm/boot/compressed 目錄下添加處理器的初始化代碼head-s3c2440.s 。
  ⑤ 修改/arch/arm/kernel 目錄下的工程管理文件Makefile ，確定文件類型之間的依賴關(guān)系。

3.4.2 裁減配置及編譯
修改完內(nèi)核設(shè)置后，就可以對內(nèi)核進(jìn)行裁減配置及編譯了，在配置中剪裁掉冗余的部分，使編譯生成的最終的內(nèi)核的映像文件代碼量盡可能小。執(zhí)行如下命令：
# make menuconfig
進(jìn)入配置菜單，選擇處理器類型和所需要的各種外設(shè)、協(xié)議的支持等等, 包含了LCD 、觸摸屏、串口、聲音、EXT2、FAT 和JFFS2 文件系統(tǒng)以及TCPIP 協(xié)議的支持.
# make dep
搜索Linux 編譯輸出與源代碼之間的依賴關(guān)系，并生成依賴文件。
# make zImage
編譯Linux 內(nèi)核，生成壓縮的內(nèi)核映像文件zImage 。存放在/arch/arm/boot/ 目錄下。
3.5 驅(qū)動程序的編寫
驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和底層硬件之間的接口，驅(qū)動程序為應(yīng)用程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)，通過驅(qū)動程序，應(yīng)用程序?qū)τ布牟僮骺梢韵駥ζ胀ǖ奈募僮饕粯臃奖?。?qū)動程序的主要作用是初始化和釋放硬件設(shè)備，檢測和處理硬件設(shè)備出現(xiàn)的問題，在應(yīng)用程序、內(nèi)核和底層硬件之間傳輸數(shù)據(jù)。
由于嵌入式系統(tǒng)是針對具體應(yīng)用的，因此，應(yīng)該根據(jù)具體的平臺編寫相應(yīng)設(shè)備的驅(qū)動程序，以方便應(yīng)用程序?qū)Φ讓佑布脑L問。每一個系統(tǒng)調(diào)用都對應(yīng)著file_operations 結(jié)構(gòu)的每一個成員，編寫驅(qū)動程序主要是編寫底層設(shè)備需要的各個操作函數(shù)并填充結(jié)構(gòu)file_operations ，該結(jié)構(gòu)在/include/Linux/fs.h 文件中定義。
驅(qū)動程序通過設(shè)備名、主設(shè)備號和從設(shè)備號與具體的硬件相聯(lián)系。驅(qū)動程序可以以動態(tài)或者靜態(tài)方式加載到內(nèi)核當(dāng)中，在調(diào)試階段，一般以動態(tài)的方式加載驅(qū)動程序，而在最終形成產(chǎn)品時，添加到內(nèi)核當(dāng)中，每次啟動內(nèi)核時自動加載。
3.6 根文件系統(tǒng)
一個嵌入式產(chǎn)品的穩(wěn)定運(yùn)行，除了引導(dǎo)程序、內(nèi)核之外，還必須有一個區(qū)域用來為用戶提供支持架構(gòu)和用戶使用的應(yīng)用軟件，存放數(shù)據(jù)讀寫的結(jié)果，這個區(qū)域就是根文件系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)中通常使用的根文件系統(tǒng)有：Romfs 、Cramfs 、Ramfs 、JFFS2、EXT2 等，另外根文件系統(tǒng)既可以建立在RAMDISK 上，也可以建立在Flash 上，在RAMDISK 上建立根文件系統(tǒng)Cramfs 。
4.結(jié)束語
本研究具獲得了以下創(chuàng)新：
（1）設(shè)計了以HMS30C7202 為核心的車載導(dǎo)航裝置的硬件系統(tǒng)及其LCD 液晶顯示模塊、存儲器模塊（Flash、SDRAM）、GPS 模塊、串行接口、USB 接口、IrDA 紅外通訊接口河網(wǎng)絡(luò)接口等外圍部分。
（2）建立了軟件設(shè)計的交叉編譯的環(huán)境，完成了以HMS30C7202 為核心的車載導(dǎo)航裝
置的軟件設(shè)計。本研究得出以下結(jié)論：
1 （1）在車載導(dǎo)航系統(tǒng)中采用源代碼完全開放的嵌入式Linux 完全可以代替WinCE 等商業(yè)操作系統(tǒng)，從而減低了系統(tǒng)的成本，增加了市場的競爭力。通過對系統(tǒng)的開發(fā)，筆者有以下幾點(diǎn)感觸。
2 （2）在程序中加入一些輸出語句，以便在調(diào)試過程中，在超級終端上顯示一些通過串口打印的調(diào)試信息，可以對程序運(yùn)行情況進(jìn)行觀察。
3 （3）由于串口下載速度較慢，BootLoader 要盡可能支持網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)下載內(nèi)核和文件系統(tǒng)，加快開發(fā)進(jìn)度。