基于EP7312的嵌入式系統(tǒng)軟硬件設計

1 前言

所謂嵌入式系統(tǒng)，即將應用程序和操作系統(tǒng)和計算機硬件集成在一起的系統(tǒng)。簡而言之即軟硬件一體化。這種系統(tǒng)具有小巧靈活﹑性價比高﹑自動化高﹑實時性強﹑專業(yè)性強等特點。嵌入式系統(tǒng)適合應用于人類工作與生活的各個領域，最為典型的應用有機頂盒﹑數(shù)字應用﹑WebTV﹑ATM/POS機﹑多媒體手機﹑袖珍電腦﹑車載導航器﹑航空電子等等。嵌入式技術已經(jīng)深入人類生活和工作的方方面面，在娛樂，軍事方面也有強大的應用潛力。

全球有四大操作系統(tǒng)：WinCE﹑Palm OS﹑EPoc和Linux以穩(wěn)定﹑高效﹑易制定﹑易裁減﹑硬件支持廣泛的特點，結合其免費﹑開源的特征在嵌入式操作系統(tǒng)中的地位越來越重要。越來越多的嵌入式，包括PDA﹑機頂盒﹑WAP手機等系統(tǒng)不僅僅要求高性能高可靠性的圖形顯示界面支持，而且要求提供全功能的Web瀏覽器。包括HTML支持,JavaScripe支持，甚至包括Java虛擬機的支持。本文所介紹的系統(tǒng)是一個擁有圖形界面，支持嵌入式瀏覽器的ARM Linux系統(tǒng)。

2嵌入式系統(tǒng)結構

基于EP7312的嵌入式系統(tǒng)分為軟件和硬件兩大部分。硬件是自主開發(fā)的EB7312-B嵌入式開發(fā)系統(tǒng)。軟件由ARM Linux﹑Microwindows和ViewML三部分組成。如圖1。

圖1 嵌入式系統(tǒng)結構

2.1 EB7312-B

EB7312-B所采用的CPU是Cirrus Logic公司出品的EP7312。EP7312由一個32位精簡指令集微控制器及片上外圍所組成，是專門用于PDA﹑Internet設備﹑移動電話和手持設備等設計成超低功耗和高性能的微處理器。EB7312-B的核心邏輯部是ARM720T處理器，由ARM7TCMI CPU核模塊﹑內存管理單元﹑寫緩沖器模塊和8K獨立的指令數(shù)據(jù)高速緩存組成。內存管理單元兼容WinCE和Linux。其他功能塊有內存控制器;48KB的片上SRAM.(LCD控制器和一般應用共用); 內存32MB SDRAM，16MB Flash;兩個全雙工的UART(16550型);10M以太網(wǎng)卡CS8900A;彩色320X240 LCD，EP7312本身并不直接支持彩色LCD，它是通過微小的外部邏輯和對LCD驅動器的一個輕微的改動來實現(xiàn)對彩色的支持; 83鍵ASCII鍵盤。

圖2 ViewML體系結構

2.2 ARM Linux

ARM Linux是一個將Linux內核移植到各種基于ARM處理器的目標系統(tǒng)的項目。由Russell Kingrmk@arm.linux.org.uk主持。已經(jīng)為超過100多種不同的目標系統(tǒng)成功完成了移植工作。這里所移植的Linux內核是Linux-2.4.24,ARM Linux補丁是2004年2月發(fā)布的Linux-2.4.24-vrs1。在移植過程中，重點工作是啟動程序的實現(xiàn)和ARM Linux下針對具體的硬件環(huán)境楨緩沖設備驅動程序的設計。

啟動程序的主要步驟為：設置入口指針，設置中斷向量，設置和初始化RAM，初始化至少一個竄行端口，檢測CPU類型，初始化堆棧和寄存器，初始化存儲器系統(tǒng)，設置內核相關列表，呼叫內核鏡像。需要特別注意的是在設置CPU寄存器時，r¬0 為0,r2 為檢測出的CPU型號號碼，MMU關閉，指令Catch打開，數(shù)據(jù)Catch清空后關閉。

Framebuffer是一個提供顯示內存和顯示芯片寄存器從物理內存映射到進程地址空間中的設備，其驅動程序主要依靠三個數(shù)據(jù)結構：fb_info﹑fb_var_screeninfo﹑fb_fix_screeninfo。fb_info結構只能在內核空間訪問，其內部定義了struct fb_ops，結構fb_ops的成員即framebuffer的一系列操作函數(shù)。幀緩沖設備的驅動主要就是編寫這些接口函數(shù)。fb_var_screeninfo和fb_fix_screeninfo定義視頻板卡的硬件特性。如顯存大小﹑每行顯示位數(shù)﹑分辨率等與特定硬件相關的特性。幀緩沖驅動程序首先調用register_framebuffer注冊一個framebuffer設備，后在Linux/drivers/video/fbmem.c中登記初始化函數(shù)。所有幀緩沖驅動程序的ioctl調用由fbmem.c統(tǒng)一實現(xiàn)。[!--empirenews.page--]
 

2.3 Microwindows

Microwindows 是專門設計用于在小型設備上開發(fā)具有高品質圖形功能的開放式源碼桌面系統(tǒng)，使用較少的RAM和文件存儲空間(100K-600K)，在運行的過程中僅需要50~250KB的內存空間。Microwindows不需要任何操作系統(tǒng) 和圖形系統(tǒng)的支持，可以運行32位的內核支持Framebuffer機制的Linux系統(tǒng)上。Microwindows的主要目標之一就是把把圖形視窗環(huán)境引入到運行Linux的小型設備和平臺上，提供與X Window相似的功能。

Microwindows采用分層結構設計方法，在底層提供對屏幕，鼠標或觸摸屏，鍵盤的驅動，是程序能夠訪問實際的硬件和其他用戶訂制設備;中間層實現(xiàn)了一個可以移植的圖形引擎，這個圖形引擎實現(xiàn)畫線，填充，多邊行，剪輯和多種顏色模式;最上層實現(xiàn)了多種API以適應不同的應用環(huán)境。每一層都可以根據(jù)不同的應用需求修改代碼或重新編碼。

系統(tǒng)中最底層針對顯示屏，鼠標，觸摸屏，鍵盤等各定義了一個數(shù)據(jù)結構供圖形引擎使用，分別為struct _mwscreendevice ﹑struct _mousedevice 和struct _kbddevice ， 包含了針對指定設備的硬件驅動代碼接口。

在Microwindows中的圖形引擎支持framebuffer ,因此只要修改src/中針對基于ARM平臺的Linux的配置文件config.ads,指定使用framebuffer作為底層圖形支持引擎即可。Microwindows下支持Linux的鼠標驅動為mou-gpm.c，鍵盤驅動為kbd_tty.c。在本系統(tǒng)中并沒有從頭開始編寫鼠標鍵盤各數(shù)據(jù)結構的成員函數(shù)，只對原驅動中針對特定硬件部分作了相應改動。

2.4 ViewML

ViewML是第一個開放源代碼的，專門面對嵌入式Linux系統(tǒng)的快速發(fā)展而開發(fā)的小型瀏覽器。其代碼文件只有800KB，運行所需的內存空間約2MB，使用FLTK作為GUI平臺開發(fā)，采用C++面向對象的設計。ViewML瀏覽器可以運行于X Windows 和Microwindows系統(tǒng)之上，所以可在Linux平臺上進行調試和改進。這極大的方便了對瀏覽器的進一步完善。本系統(tǒng)中對ViewML 的改進是在基于X Windows 平臺的Microwindows系統(tǒng)上完成的。

ViewML瀏覽器的體系結構如圖2。其應用層很小，完全用C++ FLTK(Fast Light Tool Kit)應用框架編寫，提供基本的圖形用戶界面布局，同時該層還處理網(wǎng)絡和本地文件存取要求。其語法分析器和顯示引擎選用了源碼開放的KDE桌面的kfm文件管理器中的KDE 1.0 HTML窗口部件(即圖1中的KHTML View和窗口部件模塊)。該窗口管理部件工作穩(wěn)定，支持全部的HTML 3.2功能及部分JavaScript 1.1。KDE的窗口部件采用的是QT窗口部件集合，為適應嵌入式系統(tǒng)的要求，ViewML采用了輕量級圖形庫FLTK。QT兼容層提供了HTML窗口部件和FLTK應用框架之間的接口。底層的網(wǎng)絡協(xié)議采用萬維網(wǎng)協(xié)會的WWWLib庫執(zhí)行所有的異步網(wǎng)絡輸入輸出和HTTP獲得功能。

ViewML是直接針對嵌入式Linux環(huán)境的一種高品質的網(wǎng)絡瀏覽器。通過包含源代碼開放的核心部件，能夠在占用很少的RAM和ROM資源的條件下使用高質量的圖形引擎。但在實際是移植使用中發(fā)現(xiàn)了一些該瀏覽器的欠缺之處，下面重點討論本系統(tǒng)針對ViewML窗口界面的改進。

3 ViewML窗口界面的改進

Viewml的應用層很小，只提供了基本的圖形用戶界面布局。作為與用戶交互的窗口，要求有美觀性，實用性和可操作性。為了使用戶界面更為完善，本系統(tǒng)主要的工作增加對HTML文件的打開﹑保存和關閉;Web頁的刷新﹑前進﹑返回等。

編寫界面部分主要應用FLTK窗口部件，F(xiàn)LTK提供了比較豐富的控件，如：按鈕﹑滾動條﹑文本框﹑對話框﹑列表框等等。所有這些窗口部件的框架類都在FLNK(FLTK移植到Microwindows的Nano-X API上的版本)的文件夾FL中包含的100個頭文件中定義。ViewML中窗口的實現(xiàn)是通過創(chuàng)建類VMLAppWindow來構建基本的圖形用戶界面 ，其中只包括三個函數(shù)：VMLAppWindow(int x, int y, int w, int h) : PARENT_WINDOW(x,y,w,h,"ViewML Browser") { }，virtual void resize_noTIfy(int x, int y, int w, int h)， virtual int handle(int event);}在圖形界面上添加按鈕save,open,reload,forword,backward等，需在類VMLAppWindow中定義的相應函數(shù)。

extern Fl_Button *Save

extern Fl_Button *Open

extern Fl_Button *Forward;

extern Fl_Button *Backward;

extern Fl_Button *Reload;

詳情參閱頭文件Fl_Window.H，f Fl_Widget.H。編寫好圖形界面后，通過響應鼠標事件將圖形和相應的事件關聯(lián)起來。[!--empirenews.page--]
 

在ViewML應用層中原有兩個函數(shù)static int send(Fl_Widget* o, int event) ：向HTTP發(fā)送請求并將請求事例放入隊列;int VMLAppWindow::handle(int event)：調用線程對事例隊列進行處理。除了實例化上面定義的函數(shù)，在這里還加入處理網(wǎng)頁的保存，后退，前進的函數(shù)都要用到的函數(shù)int VMLAppWindow::temp(int event),其功能是臨時保存網(wǎng)頁。其處理流程為：

(1)在處理事例隊列為非空時，從隊列中取出一處理過的HTTP請求

(2)將HTTP請求結果用HTML三步：Tokenizer , HTNL-Parser , HTML-Layout進行處理

(3)把HTTP處理的結果加入臨時保存隊列中

(4)從處理事例隊列中刪除此請求結果

隊列采用鏈表實現(xiàn)，當需要從當前頁面后退時，其處理流程為：

(1)捕獲鼠標事件

(2)從隊首搜索至工作指針的下一個元素為當前指針時，當前指針后退

(3)將當前指針所指向的元素調用HTML引擎處理

前進和刷新功能實現(xiàn)流程與后退類似，這里就不贅敘了。保存當前HTM法略微復雜些，因為在保存頁面時還要同時保存頁面中的圖像文件，算法如下：

(1)輸入存盤路徑和文件名

(2)對文件名進行自動處理如加上后綴htm，創(chuàng)建一個目錄，以files為后綴存放圖形文件

(3)從臨時保存隊列中取當前指針，指針為非頭指針時取其所指向HTML文件，處理文件。

(4)將文件存入磁盤

基于嵌入式系統(tǒng)的硬件條件有限，無存儲量大的磁盤等設備.，且FLASH或ROM等存儲介質的價格相對于臺式機上使用的硬盤﹑光盤等是比較昂貴的 。所以嵌入式系統(tǒng)只能以小巧且高效來贏得市場。完善了窗口功能的系統(tǒng)完全能滿足大部分用戶的應用需求了。

4 結束語

當前通訊正在快速地成為嵌入式系統(tǒng)的一般需求。 本文主要闡述了一種新的嵌入式系統(tǒng)，支持圖形界面，支持瀏覽器。該系統(tǒng)已在自主開發(fā)的硬件平臺上成功運行了。在以后的工作中將致力于在該系統(tǒng)中增加更全面的功能，如對Java虛擬機的支持，增加郵件收發(fā)等。