基于嵌入式S3C2440的船舶導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.前言

集計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、微電子技術(shù)等多種技術(shù)為一體的嵌入式技術(shù)進(jìn)入到了一個(gè)飛速發(fā)展的階段，嵌入式系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用到了航空、消費(fèi)電子、信息家電、網(wǎng)絡(luò)通信等各個(gè)領(lǐng)域。ARMS3C2440ARM是嵌入式處理器是性價(jià)比較優(yōu)秀的芯片，在各個(gè)領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)應(yīng)用有著廣闊的應(yīng)用前景。

船舶導(dǎo)航技術(shù)也應(yīng)隨著科學(xué)技術(shù)背景的改變不斷地向著高性能穩(wěn)定性的方面發(fā)展，潛入式技術(shù)，為其提供了優(yōu)質(zhì)的開(kāi)發(fā)資源。

嵌入式系統(tǒng)需要一套高度簡(jiǎn)練、易開(kāi)發(fā)、多任務(wù)，價(jià)格低廉的操作系統(tǒng)。源碼開(kāi)放的Linux滿足這些要求。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(duì)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)的硬件設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的車載導(dǎo)航系統(tǒng)的硬件平臺(tái)以基于ARM902T的SAMSUNG公司的32位高性能

嵌入式微處理器S3C2440A為核心，包含了LCD液晶顯示模塊、存儲(chǔ)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。

S3C2440A嵌入式微處理器采用16/32位精簡(jiǎn)指令集，具有高性價(jià)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，S3C2440A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(dòng)加載器，存儲(chǔ)管理器（片選邏輯與SDRAM控制器），3通道的UART，4通道的DMA，4通道的脈寬調(diào)制定時(shí)器，I/O端口，RTC實(shí)時(shí)時(shí)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(shí)鐘發(fā)生器以及電源管理等。

3.船舶導(dǎo)航系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1軟件功能與組成

船舶導(dǎo)航系統(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(gè)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(dòng)過(guò)程如圖2所示。在軟件設(shè)計(jì)中，操作系統(tǒng)采用使用廣泛的內(nèi)核源代碼開(kāi)放的嵌入式Linux，GUI圖形用戶界面采用源代碼開(kāi)發(fā)的Micro windows。

圖2  系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程

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(guò)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(duì)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(guò)程，包括針對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)的編譯器gcc、針對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)的二進(jìn)制工具binutils、針對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)c庫(kù)glibc和針對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)的Linux內(nèi)核頭文件。

在linux的根目錄下，通過(guò)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(dòng)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(shuō)明交叉編譯工具安裝完畢，編譯環(huán)境已經(jīng)建立起來(lái)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(gè)系統(tǒng)的引導(dǎo)加載任務(wù)主要是由BootLoader的引導(dǎo)程序來(lái)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(gè)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(gè)良好的環(huán)境。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中采用的引導(dǎo)程序是韓國(guó)Mizi公司開(kāi)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(gè)通用的BootLoader幾乎是不可能，因此對(duì)于每一種特定的平臺(tái)，都要移植一個(gè)BootLoader。

針對(duì)系統(tǒng)的引導(dǎo)程序移植的思路是找到一個(gè)與所設(shè)計(jì)的平臺(tái)最相近的平臺(tái)的BootLoader，然后根據(jù)所設(shè)計(jì)平臺(tái)的硬件參數(shù)對(duì)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(kù)和頭文件路徑，交叉編譯開(kāi)關(guān)選項(xiàng)設(shè)置，Linux內(nèi)核代碼中的庫(kù)和頭文件路徑等。然后根據(jù)硬件平臺(tái)的參數(shù)修改相應(yīng)的配置，如處理器時(shí)鐘、存儲(chǔ)器初始化、通用I/O初始化。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(duì)特定應(yīng)用的，而且資源有限，所以標(biāo)準(zhǔn)Linux無(wú)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(duì)Linux進(jìn)行裁剪、配置，從而產(chǎn)生一個(gè)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(lái)使用。修改設(shè)置

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用的針對(duì)性很強(qiáng)，從站點(diǎn)上下載下來(lái)的內(nèi)核不可能包含針對(duì)所有嵌入式系統(tǒng)的代碼，因此需要對(duì)代碼進(jìn)行修改設(shè)置，從而適合目標(biāo)平臺(tái)。一般包含下面幾步。

① 編寫(xiě)與處理器相關(guān)的代碼。主要包括時(shí)鐘設(shè)置、中斷設(shè)置、存儲(chǔ)器分配及其他一些寄存器的設(shè)置等等，這些與S3C2440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(tái)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(shí)能夠顯示S3C2440的相關(guān)信息。

④在/arch/arm/def-configs目錄下添加配置好的S3C2440的配置文件。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(duì)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(dòng)程序的編寫(xiě)

驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和底層硬件之間的接口，驅(qū)動(dòng)程序?yàn)閼?yīng)用程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序，應(yīng)用程序?qū)τ布牟僮骺梢韵駥?duì)普通的文件操作一樣方便。驅(qū)動(dòng)程序的主要作用是初始化和釋放硬件設(shè)備，檢測(cè)和處理硬件設(shè)備出現(xiàn)的問(wèn)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(duì)具體應(yīng)用的，因此，應(yīng)該根據(jù)具體的平臺(tái)編寫(xiě)相應(yīng)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，以方便應(yīng)用程序?qū)Φ讓佑布脑L問(wèn)。每一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用都對(duì)應(yīng)著file_operations結(jié)構(gòu)的每一個(gè)成員，編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序主要是編寫(xiě)底層設(shè)備需要的各個(gè)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(dòng)程序通過(guò)設(shè)備名、主設(shè)備號(hào)和從設(shè)備號(hào)與具體的硬件相聯(lián)系。驅(qū)動(dòng)程序可以以動(dòng)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(dòng)態(tài)的方式加載驅(qū)動(dòng)程序，而在最終形成產(chǎn)品時(shí)，添加到內(nèi)核當(dāng)中，每次啟動(dòng)內(nèi)核時(shí)自動(dòng)加載。

3.6 根文件系統(tǒng)

一個(gè)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(gè)區(qū)域用來(lái)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(xiě)的結(jié)果，這個(gè)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(yǔ)

在船舶導(dǎo)航系統(tǒng)中采用源代碼完全開(kāi)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(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，筆者有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）在程序中加入一些輸出語(yǔ)句，以便在調(diào)試過(guò)程中，在超級(jí)終端上顯示一些通過(guò)串口打印的調(diào)試信息，可以對(duì)程序運(yùn)行情況進(jìn)行觀察。

（2）由于串口下載速度較慢，BootLoader要盡可能支持網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下載內(nèi)核和文件系統(tǒng)，加快開(kāi)發(fā)進(jìn)度。