基于嵌入式S3C2440的船舶導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計

1.前言

集計算機技術(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)進入到了一個飛速發(fā)展的階段，嵌入式系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用到了航空、消費電子、信息家電、網(wǎng)絡(luò)通信等各個領(lǐng)域。ARMS3C2440ARM是嵌入式處理器是性價比較優(yōu)秀的芯片，在各個領(lǐng)域的開發(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)的開發(fā)資源。

嵌入式系統(tǒng)需要一套高度簡練、易開發(fā)、多任務(wù)，價格低廉的操作系統(tǒng)。源碼開放的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)實際應(yīng)用對標(biāo)準(zhǔn)Linux進行重新的移植、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

所設(shè)計的車載導(dǎo)航系統(tǒng)的硬件平臺以基于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位精簡指令集，具有高性價比，低功耗，高性能的特點，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），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，USB設(shè)備，SD主機/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。

3.船舶導(dǎo)航系統(tǒng)的軟件設(shè)計

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。

圖2  系統(tǒng)啟動過程

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上對即將運行于目標(biāo)機上的程序進行編譯，生成可在目標(biāo)機上可以運行的代碼格式，然后下載到目標(biāo)機中運行。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。

針對系統(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進行修改，從而完成BootLoader的移植。首先根據(jù)實際情況修改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。然后進行配置、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)實際情況對Linux進行裁剪、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構(gòu)負(fù)責(zé)維護，我們可以從這些機構(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，從站點上下載下來的內(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，就可以對內(nèi)核進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

在船舶導(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)，筆者有以下創(chuàng)新點：

（1）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，可以對程序運行情況進行觀察。

（2）由于串口下載速度較慢，BootLoader要盡可能支持網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)下載內(nèi)核和文件系統(tǒng)，加快開發(fā)進度。