基于EP7312的嵌入式系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

1 前言

所謂嵌入式系統(tǒng)，即將應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)和計算機(jī)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(qiáng)﹑專業(yè)性強(qiáng)等特點(diǎn)。嵌入式系統(tǒng)適合應(yīng)用于人類工作與生活的各個領(lǐng)域，最為典型的應(yīng)用有機(jī)頂盒﹑數(shù)字應(yīng)用﹑WebTV﹑ATM/POS機(jī)﹑多媒體手機(jī)﹑袖珍電腦﹑車載導(dǎo)航器﹑航空電子等等。嵌入式技術(shù)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(qiáng)大的應(yīng)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(diǎn)，結(jié)合其免費(fèi)﹑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(jī)頂盒﹑WAP手機(jī)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(jī)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(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)

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(shè)備﹑移動電話和手持設(shè)備等設(shè)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(nèi)存管理單元﹑寫緩沖器模塊和8K獨(dú)立的指令數(shù)據(jù)高速緩存組成。內(nèi)存管理單元兼容WinCE和Linux。其他功能塊有內(nèi)存控制器;48KB的片上SRAM.(LCD控制器和一般應(yīng)用共用); 內(nèi)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(qū)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(jié)構(gòu)

2.2 ARM Linux

ARM Linux是一個將Linux內(nèi)核移植到各種基于ARM處理器的目標(biāo)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(biāo)系統(tǒng)成功完成了移植工作。這里所移植的Linux內(nèi)核是Linux-2.4.24,ARM Linux補(bǔ)丁是2004年2月發(fā)布的Linux-2.4.24-vrs1。在移植過程中，重點(diǎn)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(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計。

啟動程序的主要步驟為：設(shè)置入口指針，設(shè)置中斷向量，設(shè)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(shè)置內(nèi)核相關(guān)列表，呼叫內(nèi)核鏡像。需要特別注意的是在設(shè)置CPU寄存器時，r¬0 為0,r2 為檢測出的CPU型號號碼，MMU關(guān)閉，指令Catch打開，數(shù)據(jù)Catch清空后關(guān)閉。

Framebuffer是一個提供顯示內(nèi)存和顯示芯片寄存器從物理內(nèi)存映射到進(jìn)程地址空間中的設(shè)備，其驅(qū)動程序主要依靠三個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：fb_info﹑fb_var_screeninfo﹑fb_fix_screeninfo。fb_info結(jié)構(gòu)只能在內(nèi)核空間訪問，其內(nèi)部定義了struct fb_ops，結(jié)構(gòu)fb_ops的成員即framebuffer的一系列操作函數(shù)。幀緩沖設(shè)備的驅(qū)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(guān)的特性。幀緩沖驅(qū)動程序首先調(diào)用register_framebuffer注冊一個framebuffer設(shè)備，后在Linux/drivers/video/fbmem.c中登記初始化函數(shù)。所有幀緩沖驅(qū)動程序的ioctl調(diào)用由fbmem.c統(tǒng)一實現(xiàn)。[!--empirenews.page--]
 

2.3 Microwindows

Microwindows 是專門設(shè)計用于在小型設(shè)備上開發(fā)具有高品質(zhì)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(yùn)行的過程中僅需要50~250KB的內(nèi)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(yùn)行32位的內(nèi)核支持Framebuffer機(jī)制的Linux系統(tǒng)上。Microwindows的主要目標(biāo)之一就是把把圖形視窗環(huán)境引入到運(yùn)行Linux的小型設(shè)備和平臺上，提供與X Window相似的功能。

Microwindows采用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，在底層提供對屏幕，鼠標(biāo)或觸摸屏，鍵盤的驅(qū)動，是程序能夠訪問實際的硬件和其他用戶訂制設(shè)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(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境。每一層都可以根據(jù)不同的應(yīng)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(biāo)，觸摸屏，鍵盤等各定義了一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(shè)備的硬件驅(qū)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(biāo)驅(qū)動為mou-gpm.c，鍵盤驅(qū)動為kbd_tty.c。在本系統(tǒng)中并沒有從頭開始編寫鼠標(biāo)鍵盤各數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的成員函數(shù)，只對原驅(qū)動中針對特定硬件部分作了相應(yīng)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(yùn)行所需的內(nèi)存空間約2MB，使用FLTK作為GUI平臺開發(fā)，采用C++面向?qū)ο蟮脑O(shè)計。ViewML瀏覽器可以運(yùn)行于X Windows 和Microwindows系統(tǒng)之上，所以可在Linux平臺上進(jìn)行調(diào)試和改進(jìn)。這極大的方便了對瀏覽器的進(jìn)一步完善。本系統(tǒng)中對ViewML 的改進(jìn)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(jié)構(gòu)如圖2。其應(yīng)用層很小，完全用C++ FLTK(Fast Light Tool Kit)應(yīng)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(luò)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(yīng)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(yīng)用框架之間的接口。底層的網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(zhì)的網(wǎng)絡(luò)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(zhì)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(diǎn)討論本系統(tǒng)針對ViewML窗口界面的改進(jìn)。

3 ViewML窗口界面的改進(jìn)

Viewml的應(yīng)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(guān)閉;Web頁的刷新﹑前進(jìn)﹑返回等。

編寫界面部分主要應(yīng)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(gòu)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(yīng)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(yīng)鼠標(biāo)事件將圖形和相應(yīng)的事件關(guān)聯(lián)起來。[!--empirenews.page--]
 

在ViewML應(yīng)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(diào)用線程對事例隊列進(jìn)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(jìn)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(jié)果用HTML三步：Tokenizer , HTNL-Parser , HTML-Layout進(jìn)行處理

(3)把HTTP處理的結(jié)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(jié)果

隊列采用鏈表實現(xiàn)，當(dāng)需要從當(dāng)前頁面后退時，其處理流程為：

(1)捕獲鼠標(biāo)事件

(2)從隊首搜索至工作指針的下一個元素為當(dāng)前指針時，當(dāng)前指針后退

(3)將當(dāng)前指針?biāo)赶虻脑卣{(diào)用HTML引擎處理

前進(jìn)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(dāng)前HTM法略微復(fù)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(jìn)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(dāng)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(shè)備.，且FLASH或ROM等存儲介質(zhì)的價格相對于臺式機(jī)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(yīng)用需求了。

4 結(jié)束語

當(dāng)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(yùn)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(jī)的支持，增加郵件收發(fā)等。