（核技術(shù)及應(yīng)用專業(yè)論文）基于arm9和linux操作系統(tǒng)的γ能譜采集系統(tǒng)研制.pdf

摘要 基于a r m 9 和l i n u x 操作系統(tǒng)的y 能譜采集系統(tǒng)研制 作者簡介：洪天祺，男，生于1 9 8 0 年6 月，師從于成都理工大學(xué)方方教授博 導(dǎo)，于2 0 0 7 年6 月獲得工學(xué)碩士學(xué)位。 摘要 野外地面y 射線能譜測量主要研究地殼巖石土壤中產(chǎn)生的能量范圍約為 3 0 k e v 一3 0 0 0 k e v 的y 射線，這里面包含著鈾、釷、鉀等天然放射性核素信息，核 工程活動產(chǎn)生的大量人工放射性核素信息以及y 射線與地殼相互作用產(chǎn)生的相 關(guān)信息。y 射線能譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究則是整個核信息探測研究項目的基礎(chǔ)和 重要課題。 系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)在基于a r m 9 2 0 t 核的3 2 位處理器$ 3 c 2 4 1 0 a 的硬件基礎(chǔ)上，移 植了嵌入式l i n u x 操作系統(tǒng)、0 t e m b e d d e dg u i 開發(fā)庫和y a f f s 文件系統(tǒng)。通過 利用$ 3 c 2 4 1 0 a 處理器快速的運算速度、豐富的外圍設(shè)備和嵌入式l i n u x 操作系 統(tǒng)及其豐富的軟件資源，開發(fā)基于o t e m b e d d e d 的集能譜數(shù)據(jù)采集、存儲、計算 分析功能于一體的y 能譜軟件系統(tǒng)，使研制的y 能譜儀器可以脫離計算機(jī)而獨立 工作，充分展現(xiàn)了高端3 2 位嵌入式處理器性能好的特點。 與國內(nèi)外現(xiàn)有的y 能譜采集分析系統(tǒng)相比，本論文研究成果有以下特點： 1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以3 2 位a r m 9 2 0 t 處理器為控制核心，外圍電路帶有l(wèi) c d 顯 示以及鍵盤、時鐘和存儲電路無需上位計算機(jī)，用戶就可與之進(jìn)行交互工作， 獨立完成能譜數(shù)據(jù)的采集分析功能。系統(tǒng)具有低功耗、小型化、高性價比等特點。 2 實現(xiàn)了嵌入式l i n u x 操作系統(tǒng)在y 能譜儀器上的移植。隨著嵌入式系統(tǒng) 的迅速發(fā)展，嵌入式操作系統(tǒng)在y 能譜儀器研制中的應(yīng)用不僅能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn) 定性，而且通過充分利用l i n u x 豐富的軟件資源，能夠快速的完成系統(tǒng)的定制和 開發(fā)，構(gòu)建復(fù)雜y 能譜軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)3 2 位處理器的多任務(wù)處理能力。 3 實現(xiàn)了基于l i n u x 的y a f f s 嵌入式文件系統(tǒng)在y 能譜儀器上的移植，安 全可靠的管理了y 能譜儀器的系統(tǒng)引導(dǎo)代碼、l i n u x 操作系統(tǒng)內(nèi)核映象文件、 q t e m b e d d 開發(fā)庫、y 能譜處理程序和數(shù)據(jù)等。 4 實現(xiàn)了q t e m b e d d e dg u i 開發(fā)庫在y 能譜儀器上的移植，利用 q t e m b e d d e d 開發(fā)庫可以方便快速的開發(fā)復(fù)雜、直觀、易用的y 能譜處理分析 軟件。 關(guān)鍵詞：能譜測量，a r m 9 ，l i n u x ，q t e m b e d d e d ，y a f f s 成都理工大學(xué)碩十學(xué)位論文 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fts p e c t r u m a c q u i s i t i o n s y s t e mb a s e do na r m 9 a n dl i n u x a b s t r a c t t h eg a m m ar a yi nr o c k sa n ds o i li nt h ee a r t h sc r l l s ti sm a i nr e s e a r c hi nt h ef i e l d g a m m ar a ys p e c t r o m e t r ys u r v e y t h e i re n e r g yr a n g ei sm a i n l y3 0 - 3 0 0 0k e vt h e y c o n t a i na b u n d a n ti n f o r m a t i o no fn a t u r a lr a d i o a c t i v en u c l i d e s ，s u c ha su r a n i u m ， t h o r i u m ，p o t a s s i u m ，e r e ，a n d o fa r t i f i c i a lr a d i o a c t i v en u c l i d e sf r o mn u c l e a r e n g i n e e r i n ga c t i v i t y , a n do ft h er e s u l t si ni n t e r a c t i o nb e t w e e nta n de a r t h sc r u s t i n a c t u a l l yt h e r e s e a r c ho f 丫s p e c t r o m e t r yd a t ac o l l e c t i o ns y s t e mi st h eb a s i sa n d i m p o r t a n ts u b j e c to f w h o l ed e t e c t i n ga n dr e s e a r c h i n gi t e ma b o u tn u c l e a ri n f o r m a t i o n t h i s d e s i g n ，o n t h eb a s i so fs a m s u n g s $ 3 c 2 4 1 0 a1 6 3 2 一b i tr i s c m i c r o p r o c e s s o rw i t hi t sc p uc o r e ，a1 6 3 2 - b i ta r m 9 2 0 t r i s cp r o c e s s o rd e s i g n e db y a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ，l t d , m i g r a t e se m b e d d e dl i n u xo s 、q t e m b e d d e dg u i l i b r a r a ya n dy a f f sf i l e - s y s t e ma n dd e v e l o p e st h eg a m m as p e c t r as o f t w a r e 。w i t ht h e m i c r o p r o c e s s o rr a p i dc o m p u t i n ga b i l i t y , ac o m p l e t e s e to fc o m l y l o n s y s t e m p e r i p h e r a l s 、l i n u xo sa n d ag r e a to fs o f t w a r er e s o u r c e sb a s e do i ll i n u x ，d e v e l o p m e n t o ft h eg a m m as p e c t r as o f t w a r eb a s e do nq t e m b e d d e dg u il i b r a r y , w h i c hf u n c t i o n s i n c l u d ed a t aa c q u i s i t i o n 、s t o r a g e 、c o m p u t ea n da n a s y s ，t h eg a m m ai n s t r u m e n t p e r f o r m sh i g h - p e r f o r m a n c ew i t h o u tc o m p u t e r t h e r ea l es o m ea d v a n t a g e si n t h er e s e a r c hr e s u l to ft h i sp a p e rc o m p a r e dw i t ht h e n a t i o n a la n di n t e r n a t i o n a lg a m m ar a yd a t aa c q u i s i t i o na n da n a s y ss y s t e m ： 1 t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mh a st h e3 2 一b i ta r m 9 2 0 ta st h ec o n t r o l l i n gc o r e ， i n c l u d i n gl c dd i s p l a y , k e y b o a r d ，a n dc l o c ka n dm e m o r yc i r c u i t w o r k e rc o u l d c o n t r o li tt oa c c o m p l i s ht h ep r o c e s so fd a t aa c q u i s i t i o n 、c a l c u l a t i n ga n da n a l y s e w i t h o u tc o m p u t e r t h es y s t e mh a ss o m ef e a t u r e s ，s u c ha sl o wp o w e r ，m i n i a t u r i z a t i o n ， h i 曲p r o p o r t i o no f q u a l i t ya n dp r i c ea n d e t c ， 2 t h ed e s i g nr e a l i z e dt h em i g r a t i o no ft h ee m b e d d e dl i n u xo s w i t ht h e h i g h - p e r f o r m a n c e3 2b i ta r m 9 2 0 tp r o f e s s o r 、t h em i g r a t i o no fl i n u xo sa n dt h e a b o u n d a n c es o f t w a r er e s o u r c e sb a s e do ni t ，w ec a nn o to n l yi n h a n c et h es t a b l i t i yo f t h es y s t e mb u ta l s oc a nr a p i d l ya c h i e v et h ed e v e l o p m n c n to ft h eg a m m ai n s t r u m e n t a n dac o m p l i t a b l eg a m m as p e c t r as o f t w a r e ，p e r f o r mm u l t y t a s kp r o c e s ss y s t e m 3 t h ed e s i g nr e a l i z e st h em i g r a t i o no fy a f f sf i l e s y s t e mp o r t e do nl i n u x o s ，s a f e l ya n dr e l i a b l ym a n a g e sb o o t l o a d e rp r o g r a mo f t h es y s t e m 、k e r n e li m a g e f i l e a b s t r a c t o ft h el i n m xo s 、t h el i b r a r yo fq t e m b e d d e d 、t h ep r o g r a ma n dd a t ao fg a l l l n l a s p e c t r as o f t w a r e 4 t h i sd e s i g nr e a l i z e st h em i g r a t i o no f t h eq t e m b e x i d e dg u il i b r a r y w i t ht h e q t e m b e d d e dd e v e l o p m e n tk i tw ec o u l dr a p i d l yd e v e l o p es o p h i s t i c a t e d 、v i s u a la n d s i m p l yu s e d s o f t w a r ef o rg a m m as p e c t r ac o m p u t i n ga n da n a s y s k e y w o r d s ：s p e c t r o m e t r ys u r v e y ，a r m 9 tl i n u xo s ，q t e m b e d d e d ，y a f f s i i i 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的 研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其 他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得盛壑堡王太堂或其他教 育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何 貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。 學(xué)位論文作者導(dǎo)師簽名： 方方 靴敝儲鶘。 誑毿毪7 年多月爭日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解盛壑堡王太堂有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定， 有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和 借閱。本人授權(quán)盛壑堡王盍堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù) 據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書) 學(xué)位論文作者簽名：事絲云豸復(fù) 年 多月c p 日 第一章前言 1 前言 1 1 選題依據(jù)及研究意義 研究發(fā)現(xiàn)：自然界中天然放射性核素發(fā)生衰變時，會放出a 、b 、 r 射線，而 其中t 射線是一種波長極短的電磁波，一定的核素放出的y 射線能量是一定的， 因此可以根據(jù)t 射線能量的差異來區(qū)分不同的放射性核素。野外1 ，射線能譜測量 正是根據(jù)此原理而出現(xiàn)的一種重要的核地球物理方法，它是解決地球科學(xué)、環(huán)境 科學(xué)等有關(guān)問題的主要手段之一。它可以在野外現(xiàn)場直接測量地表巖石土壤中的 1 ，射線全譜，獲得y 輻射總量，鈾、釷、鉀等元素含量，有關(guān)元素信息及巖性參 數(shù)。根據(jù)這些參數(shù)與不同地質(zhì)體的關(guān)系，不僅可以進(jìn)行鈾礦勘探，而且可以應(yīng)用 于地質(zhì)填圖，油氣勘測，尋找各種金屬和非金屬礦產(chǎn)，放射性環(huán)境本底調(diào)查和核 工程環(huán)境監(jiān)測等【l i 。 研究表明；野外地面1 ，射線能譜測量主要研究地殼巖石土壤中產(chǎn)生的能量范 圍約為3 0 k e v - 3 0 0 0 k e v 的y 射線，這里面包含著鈾、釷、鉀等天然放射性核素信 息，核工程活動產(chǎn)生的大量人工放射性核素信息以及y 射線與地殼相互作用產(chǎn)生 的相關(guān)信息。而其中獲取和處理丫射線能譜多道數(shù)據(jù)的丫射線能譜( 簡稱t 譜) 采 集系統(tǒng)的研究則是其中重要的課題之一。為促進(jìn)y 能譜測量技術(shù)的發(fā)展，國家多 次立項逐步將y 能譜測量在地球科學(xué)、核科學(xué)和環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用推向深入。作 者在論文研究期間先后參與的項目有： “插秧溝極低放廢物填埋場環(huán)境地址評價”中國工程物理研究院項目； “非均勻介質(zhì)中核素遷移、屏障及場址特性研究”中國工程物理研究 院項目。 隨著嵌入式電子技術(shù)、軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，為嵌入式系統(tǒng)提供了硬件和軟 件上的必要條件。選擇低成本、低功耗、高性能和片上資源更豐富的處理器件， 對嵌入式處理器、存儲器、嵌入式設(shè)備等硬件資源和采集數(shù)據(jù)、應(yīng)用程序、驅(qū)動 程序等數(shù)據(jù)軟件資源管理，研制復(fù)雜的核數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，能更好的推動核 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的向著高性能、高集成化、高智能化方向快速發(fā)展。 新型的低成本、低功耗、高集成度、高性能嵌入式處理器在核數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)中應(yīng)用，提高了系統(tǒng)的計算速度，提供了更多的硬件接口，為嵌入 式系統(tǒng)的智能化研制提供了硬件平臺。 應(yīng)用大容量、低成本、快速的嵌入式存儲器件能夠更好的滿足軟件資源、 大容量的采集數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)的存儲和訪問。 1 成都理工大學(xué)碩十學(xué)位論文 操作系統(tǒng)的在嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，可以對嵌入式處理器、存儲器、設(shè)備 和應(yīng)用程序等眾多的硬件、軟件資源得到有效的管理和整合，為用戶和 程序開發(fā)提供接口，為系統(tǒng)的驅(qū)動程序、應(yīng)用程序提供了規(guī)范的管理和 設(shè)計開發(fā)平臺，使y 能譜采集系統(tǒng)的設(shè)計具有了更為合理的構(gòu)架，使儀 器具有更好的可靠性、擴(kuò)展性和升級性能。 嵌入式文件系統(tǒng)的應(yīng)用可以對操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序、工具軟件等軟件資 源和大容量的采集數(shù)據(jù)資源實行有效的管理、共享和保護(hù)。 嵌入式圖形界面開發(fā)庫的應(yīng)用，可以便捷、快速的開發(fā)出直觀、復(fù)雜的 現(xiàn)場核數(shù)據(jù)采集與分析軟件系統(tǒng)。 1 2 國內(nèi)外動態(tài) 自2 0 世紀(jì)6 0 年代以來，專業(yè)人員對地面伽瑪能譜測量進(jìn)行的不斷的研究和 應(yīng)用。先后提出了在鈾放射礦床勘探中進(jìn)行野外伽瑪能譜測量的設(shè)想，研制出了 多種型號的野外伽瑪能譜儀器，先后有2 道、4 道、2 5 6 道、5 1 2 道和1 0 2 4 道等 譜儀。y 能譜儀器硬件平臺多選用單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心，并擴(kuò)展大容量數(shù) 據(jù)s r a m 、程序r o m 、地址譯碼鎖存等電路，筆記本微機(jī)作為上位機(jī)，接口方 式多為e c p 并口或r s - 2 3 2 c 串口；軟件上，多采用匯編語言編寫固件程序 ( f i r m w a r e ) ，上位機(jī)應(yīng)用程序多在w i n d o w s 環(huán)境下采用直接驅(qū)動方式編寫，能完 成多道數(shù)據(jù)的實時采集，現(xiàn)場顯示，并能夠現(xiàn)場分析計算多道數(shù)據(jù)，給出分析結(jié) 果 2 1 。 從國內(nèi)外野外伽瑪能譜測量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀來看，研制新一代儀器設(shè)備進(jìn)行 伽瑪射線全譜測量，有實際意義，如何提高野外儀器的處理能力、數(shù)據(jù)存儲、數(shù) 據(jù)通信快速便捷、準(zhǔn)確快速的野外分析等方面，均有大量探索和研究工作待完成。 3 1 - 1 2 4 1 目前，野外地面伽瑪射線全譜測量儀器存在的主要問題是： 野外地面伽瑪全譜儀器主要選用單片機(jī)作為處理控制核心，單指令周期 一般為幾十個微妙，儀器的性能具有很大的提示空間。 野外地面伽瑪全譜儀器的野外現(xiàn)場分析采用筆記本電腦作為上位機(jī)完成 復(fù)雜的能譜分析，儀器的成本、集成化、便攜性可以改進(jìn)。 野外地面伽瑪全譜儀器的數(shù)據(jù)存儲的安全性、數(shù)據(jù)通信的便捷性、儀器 的運行穩(wěn)定性等可以在軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)上改善，通過操作系統(tǒng)在譜儀上的 應(yīng)用將極大的提高儀器的智能化水平。 針對上述問題，本論文著重研究了高端處理器、數(shù)據(jù)存儲與通信、操作系統(tǒng) 等技術(shù)在野外地面伽瑪全譜儀器上的應(yīng)用，使野外地面伽瑪全譜儀器得到提高和 2 第一章前言 完善。 1 3 研制目標(biāo) 作者以“插秧溝極低放廢物填埋場環(huán)境地址評價”和“非均勻介質(zhì)中核素遷 移、屏障及場址特性研究”等項目為依托，研制的1 r 能譜采集系統(tǒng)基于a r m 9 和l i n u x 操作系統(tǒng)。支持豐富的硬件接口，能流暢的運行復(fù)雜譜處理軟件系統(tǒng)和 文件管理系統(tǒng)，可構(gòu)建多任務(wù)實時性強(qiáng)、性能高、功耗低、便捷的、現(xiàn)場1 r 能譜 儀器，進(jìn)一步提高t 能譜采集系統(tǒng)的性能和集成化，并使系統(tǒng)具有良好的可移植 性、擴(kuò)展性。 硬件系統(tǒng)： 硬件上t 能譜采集系統(tǒng)基于a r m 9 的處理器作為硬件平臺的控制核心。 系統(tǒng)的工作頻率運行在2 0 0 m h z 。 硬件接口； 串口； s p i 鍵盤接口； 網(wǎng)絡(luò)通信接口； m c a ( 多道分析器) 接口。 軟件系統(tǒng)： 編寫嵌入式系統(tǒng)引導(dǎo)代碼b o o t l o a d e r ； 移植嵌入式操作系統(tǒng)； 移植嵌入式圖形界面開發(fā)庫； 移植嵌入式文件系統(tǒng)； 編寫和集成基于操作系統(tǒng)的驅(qū)動程序： s p i 鍵盤驅(qū)動程序； m c a 驅(qū)動程序； l c d 驅(qū)動程序； 網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序； 基于嵌入式圖形界面庫的y 能譜處理分析軟件。 1 4 主要研究工作 基于3 2 位a r m 9 2 0 t 核的$ 3 c 2 4 1 0 處理器為控制核心的能譜采集系統(tǒng)電路 設(shè)計，包括處理器控制電路、存儲器電路、l c d 接口電路、犯a 接口電路、 鍵盤電路、時鐘電路等。 3 成都理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 嵌入式l i n u x 操作系統(tǒng)在y 能譜采集系統(tǒng)上的移植。 基于l i n u x 的y a f f s 嵌入式文件系統(tǒng)在y 能譜采集系統(tǒng)上的移植。 系統(tǒng)引導(dǎo)代碼b o o t l o a d e r 的編寫。 q t e m b e d d e dg u i 開發(fā)庫在y 能譜采集系統(tǒng)上的移植，并編寫基于 q t e m b e d d e dg u i 開發(fā)庫y 能譜處理分析軟件。 嵌入式l i n u x 操作系統(tǒng)的硬件接口驅(qū)動程序編寫。 1 5 主要特色 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以高端的3 2 位a r m 9 2 0 t 處理器$ 3 c 2 4 1 0 a 為控制核心，外 圍電路帶有l(wèi) c d 顯示以及鍵盤、時鐘和存儲電路。無需上位計算機(jī)，用 戶就可與之進(jìn)行交互工作，獨立完成能譜數(shù)據(jù)的采集、分析、存儲功能。 系統(tǒng)具有低功耗、小型化、高性價比等特點。 實現(xiàn)了嵌入式l i n u x 操作系統(tǒng)在y 能譜采集系統(tǒng)上的移植。隨著嵌入式 系統(tǒng)的迅速發(fā)展，嵌入式操作系統(tǒng)在y 能譜儀器研制中的應(yīng)用不僅能夠 提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且通過充分利用l i n u x 豐富的軟件資源，能夠快 速的完成系統(tǒng)的定制和開發(fā)，構(gòu)建復(fù)雜y 能譜軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)3 2 位處理 器的多任務(wù)處理能力。 實現(xiàn)了基于l i n u x 操作系統(tǒng)的y a f f s 嵌入式文件系統(tǒng)在y 能譜儀器上的 移植，安全可靠的管理了y 能譜儀器的系統(tǒng)引導(dǎo)代碼、l i n u x 操作系統(tǒng) 內(nèi)核映象文件、q t e m b e d d 圖形界面開發(fā)庫、y 能譜處理程序和能譜數(shù) 據(jù)等。 實現(xiàn)了q t e m b e d d e dg u i ( 圖形用戶接口) 開發(fā)庫在y 能譜儀器上的移植，利用 q t e m b e d d e d 開發(fā)庫可以方便快速的開發(fā)復(fù)雜、直觀、易用的y 能譜處理分析軟 件。 4 第二章系統(tǒng)設(shè)計方案 2 系統(tǒng)設(shè)計方案 隨著嵌入式電子技術(shù)、軟件技術(shù)的迅速發(fā)展及其新成果的應(yīng)用，通過應(yīng)用運 算速度更快、片上資源更豐富、低功耗、低成本的處理器和應(yīng)用新的軟件技術(shù)， y 能譜采集系統(tǒng)的性能和智能化水平將會得到快速的發(fā)展。 豐富的片上資源和外圍接口、功能更強(qiáng)的現(xiàn)場能譜采集分析軟件系統(tǒng)、大量 的驅(qū)動程序和采集數(shù)據(jù)的有效組織、存儲與訪問，增加了y 能譜采集系統(tǒng)的設(shè) 計的復(fù)雜性，對系統(tǒng)管理和系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提出了更高的要求，需要y 能譜采 集軟件系統(tǒng)具有更為合理的系統(tǒng)架構(gòu)。 通過操作系統(tǒng)在嵌入式系統(tǒng)上的移植能夠管理高性能的處理器及其高集成 化的片上資源，并能使處理器的具有多任務(wù)處理能力；通過移植基于操作系統(tǒng)的 文件系統(tǒng)可以有效管理應(yīng)用程序和y 能譜數(shù)據(jù)；通過基于操作系統(tǒng)的圖形開發(fā) 庫可以快速的開發(fā)復(fù)雜的現(xiàn)場y 能譜采集與分析軟件系統(tǒng)；通過集成基于操作 系統(tǒng)的軟件資源可以增強(qiáng)系統(tǒng)的功能和提高開發(fā)效率。操作系統(tǒng)在y 能譜采集 系統(tǒng)上的移植使得復(fù)雜的y 能譜采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計更為合理可靠，進(jìn)一步提 高了y 能譜采集系統(tǒng)的性能、智能化、可靠性和擴(kuò)展性。 系統(tǒng)方案硬件部分主要是嵌入式處理器和嵌入式存儲器的設(shè)計，并設(shè)計與之 對應(yīng)的外圍控制接口電路( 如：m c a 接口、l c d 接口、鍵盤接口等) ；軟件部分主 要是針對處理器的片上資源和外圍控制設(shè)備管理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計而移植嵌入式 操作系統(tǒng)，并移植基于嵌入式操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)、圖形用戶接口開發(fā)庫。 2 1 系統(tǒng)選型及依據(jù) 系統(tǒng)選型：y 能譜采集系統(tǒng)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)選型包括以下五個方面： 1 嵌入式處理器選型。 2 嵌入式存儲器選型。 3 嵌入式操作系統(tǒng)選型。 4 嵌入式文件系統(tǒng)選型。 5 嵌入式g u i 開發(fā)庫選型。 選型依據(jù)：嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，軟硬件可裁減的，適用于對功能、 可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。具有軟件代碼 小、高度自動化、響應(yīng)速度快等特點，特別適合于要求實時和多任務(wù)的體系。嵌 入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、相關(guān)支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件系統(tǒng) 5 成都理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 等組成，它是可獨立工作的“器件”。完成系統(tǒng)的研制目標(biāo)，系統(tǒng)選型除遵循嵌 入式系統(tǒng)便攜性、低功耗、高可靠性、成本低等要求外，還需要從理器運算速度、 片上資源、數(shù)據(jù)存儲、開發(fā)難度、開發(fā)效率、核心技術(shù)的依賴性、可定制性、可 利用資源、擴(kuò)展性、穩(wěn)定性、系統(tǒng)開發(fā)效率以及技術(shù)支持等方面考慮。 2 2 嵌入式處理器方案 2 2 1 主流微控制器介紹 目前8 0 5 1 系列芯片已達(dá)4 0 0 多種，可分成3 個主要類別：標(biāo)準(zhǔn)8 0 5 1 系列、小 型8 0 5 1 系列和擴(kuò)展8 0 5 1 系列小型8 0 5 1 系列是8 0 5 1 系列芯片中低成本的類別，端 口管腳數(shù)目少。不支持片外存儲器，主要應(yīng)用在低成本的消費類產(chǎn)品：擴(kuò)展8 0 5 1 系列是8 0 5 1 芯片中加有擴(kuò)展的片上設(shè)備，如c a n 總線控制器、d a c 、a d c 等，其端口 管腳數(shù)目比較多，且最近的此類芯片都支持大容量的片外存儲器，主要應(yīng)用在工 業(yè)及汽車系統(tǒng)中口5 1 。 a r m 微處理器目前包括下面幾個系列，a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系 列、r m i o e 系列、s e c u r c o r e 系列、i n t e r 的x s c a l e 、s t r o n g a r m 以及其它廠商 基于a r m 體系結(jié)構(gòu)的處理器，除了具有a r m 體系結(jié)構(gòu)的共同特點以外，每一個系 列的a r m 微處理器都有各自的特點和應(yīng)用領(lǐng)域。其中，a 蹦7 、a r m 9 、a r m 9 e 和a r m i o 為4 個通用處理器系列，每一個系列提供一套相對獨特的性能來滿足不同應(yīng)用領(lǐng) 域的需求。a r m 微處理器的主要應(yīng)用領(lǐng)域有：工業(yè)控制領(lǐng)域；無線通訊領(lǐng)域；網(wǎng) 絡(luò)應(yīng)用；消費類電子產(chǎn)品；成像和安全產(chǎn)品。 a r m 9 t d m i 核將a r m 7 t d m i 的功能顯著提高到更高、更強(qiáng)的水平。a r m 9 t d m i 也支 持t h u m b 指令集，并支持片上調(diào)試。最顯著的區(qū)別是流水線從3 級增2 h 至, j 5 級。a r m 7 單周期指令的3 級流水線操作如圖2 一l 所示【2 6 】： l 取指令譯碼執(zhí)行 取指令 譯碼執(zhí)行 取指令譯碼執(zhí)行 指令時間 圖2 - 1a r m 7 的流水線 a r m 9 處理器使用的5 級流水線，同時具有分開的指令和數(shù)據(jù)存儲器，減少了 在每個時鐘周期內(nèi)必須完成的最大工作，進(jìn)而允許使用更高的時鐘頻率。5 級流 水線具體如下： 6 第二章系統(tǒng)設(shè)計方案 取指：從存儲器中取出指令，并將其放入指令流水線。 譯碼：對指令進(jìn)行譯碼。 執(zhí)行：把一個操作數(shù)移位，產(chǎn)生a l u 的結(jié)果。 緩沖數(shù)據(jù)：如果需要，則訪問數(shù)據(jù)存儲器；否貝u a l u 的結(jié)果只是簡單地 緩沖1 個時鐘周期，以便所有指令具有同樣的流水線流程。 回寫：將指令產(chǎn)生的結(jié)果回寫到寄存器堆，包括任何從存儲器中讀取得 數(shù)據(jù)。 圖2 - 2 = p 較了a r m 7 的3 紀(jì)流水線和a r m 9 的5 紀(jì)流水線。 取指令譯碼執(zhí)行 圖2 - 2a r m 7 和a r m 9 流水線操作對比 隨著電子工業(yè)的迅猛發(fā)展，嵌入式處理器的設(shè)計技術(shù)不斷進(jìn)步和芯片制造工 藝的快速發(fā)展，使a r m 9 處理器具有以下的特點： 系統(tǒng)性能顯著增強(qiáng)，運算速度更快。 功耗和成本能夠滿足系統(tǒng)的需求。 處理器片上資源更豐富、集成化越來越高，體積小。 處理器擴(kuò)展性增強(qiáng)，可以更方便的擴(kuò)展和集成嵌入式設(shè)備。 能夠滿足客戶對嵌入式系統(tǒng)的便攜性，性能更高的需求。 2 2 2 處理器選型 單片機(jī)與a r m 處理器各項技術(shù)指標(biāo)的比較如表2 1 所示【2 5 j ： 表2 - 1 單片機(jī)與a r m 處理器比較 8 0 5 1a r m 7a r m 9 數(shù)據(jù)寬度8 位、1 6 位3 2 位3 2 位 流水線機(jī)制少量有 3 級5 級 指令周期n i ls 2 5 n s 5 n s l ac o s i i 、 操作系統(tǒng)支持 l ic o s i il ic o s i i 、l i n u x 、w i n c e uc l i n u x 片上擴(kuò)展設(shè)備c a n 總線控制、l c d 控制器、u s b 控制l c d 控制器、u s b 控制器、d a c 、 7 成都理丁大學(xué)碩十學(xué)位論文 d a c 、a d c器、d a c 、a d c a d c 成本最低低 高 功耗低低 低 高端控制與運算、消費類電子產(chǎn) 應(yīng)用領(lǐng)域小型控制小型控制 品 開發(fā)難度小大大 對主流嵌入式處理器各項指標(biāo)進(jìn)行綜合比較分析，系統(tǒng)處理器選擇韓國 s a m s u n g 電子公司生產(chǎn)的基于a r m 9 2 0 t 內(nèi)核的3 2 位r i s c 嵌入式處理器s 3 c 2 4 1 0 a ，該 款處理主要面向手持式設(shè)備、智能儀器以及高性價比、低功耗設(shè)備的應(yīng)用，主流 嵌入式操作系統(tǒng)l i n u x 、w i n d o w sc e 、p a l mo s 、u c o s i i 等對該款處理器具有完善 的支持。 2 。3 嵌入式操作系統(tǒng)方案 作為嵌入式系統(tǒng)( 包括硬、軟件系統(tǒng)) 極為重要的組成部分的嵌入式操作系 統(tǒng)，通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動接口、通信協(xié)議、 圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器等。嵌入式操作系統(tǒng)具有通用操作系統(tǒng)的基本特點，如 能夠有效管理越來越復(fù)雜的系統(tǒng)資源：能夠把硬件虛擬化，使得開發(fā)人員從繁忙 的驅(qū)動程序移植和維護(hù)中解脫出來；能夠提供庫函數(shù)、驅(qū)動程序、工具集以及應(yīng) 用程序。與通用操作系統(tǒng)相比較，嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實時高效性、硬件的相 關(guān)依賴性、軟件固態(tài)化以及應(yīng)用的專用性等方面具有較為突出的特點。隨著嵌入 式處理器性能顯著增強(qiáng)，片上資源集成化提高，客戶需求不斷提高，系統(tǒng)可靠性 提高，嵌入式操作系統(tǒng)在智能核儀器設(shè)計中的引入和應(yīng)用顯得愈來愈重要。引入 嵌入式操作系統(tǒng)將使嵌入式系統(tǒng)具有以下意義口7 】： 1 嵌人式操作系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的可靠性。在控制系統(tǒng)中，出于安全方面的 考慮，要求系統(tǒng)起碼不能崩潰，而且還要有自愈能力。不僅要求在硬件設(shè)計方面 提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性，而且也應(yīng)在軟件設(shè)計方面提高系統(tǒng)的抗干擾性， 盡可能地減少安全漏洞和不可靠的隱患。長期以來的前后臺系統(tǒng)軟件設(shè)計在遇到 強(qiáng)干擾時，使得運行的程序產(chǎn)生異常、出錯甚至死循環(huán)，造成了系統(tǒng)的崩潰。而 實時操作系統(tǒng)管理的系統(tǒng)，這種干擾可能只是引起若干進(jìn)程中的一個被破壞，可 以通過系統(tǒng)運行的系統(tǒng)監(jiān)控進(jìn)程對其進(jìn)行修復(fù)。通常情況下，這個系統(tǒng)監(jiān)視進(jìn)程 用來監(jiān)視各進(jìn)程運行狀況，遇到異常情況時采取一些利于系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的措施， 如把有問題的任務(wù)清除掉。 2 提高了開發(fā)效率，縮短了開發(fā)周期。在嵌入式操作系統(tǒng)環(huán)境下，開發(fā)一 8 第二章系統(tǒng)設(shè)計方案 個復(fù)雜的應(yīng)用程序，通?？梢园凑哲浖こ讨械慕怦钤瓌t將整個程序分解為多個 任務(wù)模塊。每個任務(wù)模塊的調(diào)試、修改幾乎不影響其他模塊。商業(yè)軟件一般都提 供了良好的多任務(wù)調(diào)試環(huán)境。 3 嵌入式操作系統(tǒng)充分發(fā)揮了3 2 位c p u 的多任務(wù)潛力。3 2 位c p u 比8 、 1 6 位c p u 快，另外它本來是為運行多用戶、多任務(wù)操作系統(tǒng)而設(shè)計的，特別適 于運行多任務(wù)實時系統(tǒng)。3 2 位c p u 采用利于提高系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性的設(shè)計， 使其更容易做到不崩潰。例如，c p u 運行狀態(tài)分為系統(tǒng)態(tài)和用戶態(tài)。將系統(tǒng)堆 棧和用戶堆棧分開，以及實時地給出c p u 的運行狀態(tài)等，允許用戶在系統(tǒng)設(shè)計 中從硬件和軟件兩方面對實時內(nèi)核的運行實施保護(hù)。 2 3 i 主流嵌入式操作系統(tǒng)介紹佇7 l ( 一) p a l m o s p a l m 是3 c o m 公司的產(chǎn)品，其操作系統(tǒng)為p a l mo s 。p a l mo s 是一種3 2 位 的嵌入式操作系統(tǒng)。p a l m 提供了串行通信接口和紅外線傳輸接口，利用它可以 方便地與其它外部設(shè)備通信、傳輸數(shù)據(jù)；擁有開放的o s 應(yīng)用程序接口，開發(fā)商 可根據(jù)需要自行開發(fā)所需的應(yīng)用程序。p a l mo s 是一套具有強(qiáng)開放性的系統(tǒng)，現(xiàn) 在有大約數(shù)千種專用為p a l mo s 編寫的應(yīng)用程序，從程序內(nèi)容上看，小到個人管 理、游戲，大到行業(yè)解決方案，p a l mo s 無所不包。在豐富的軟件支持下，基于 p a l mo s 的掌上電腦功能得以不斷擴(kuò)展。 ( - - ) w i n d o w sc e w i n d o w sc e 是微軟開發(fā)的一個開放的、可升級的3 2 位嵌入式操作系統(tǒng)，是 基于掌上型電腦類的電子設(shè)備操作。它是精簡的w i n d o w s9 5 。w i n d o w sc e 的圖 形用戶界面相當(dāng)出色。其中c e 中的c 代表袖珍( c o m p a c t ) 、消費( c o n s u m e r ) 、 通信能力( c o n n e c t i v i t y ) 和伴侶( c o m p a n i o n ) ；e 代表電子產(chǎn)品( e l e c t r o n i c s ) 。 與w i n d o w s9 5 9 8 、w i n d o w sn t 不同的是，w i n d o w sc e 是所有源代碼全部由微 軟自行開發(fā)的嵌入式新型操作系統(tǒng)，其操作界面雖來源于w i n d o w s9 5 9 8 ，但 w i n d o w sc e 是基于w i i l 3 2a p i 重新開發(fā)的、新型的信息設(shè)備平臺。w i n d o w sc e 具有模塊化、結(jié)構(gòu)化和基于w i n 3 2 應(yīng)用程序接口以及與處理器無關(guān)等特點。 w i n d o w sc e 不僅繼承了傳統(tǒng)的w i n d o w $ 圖形界面，并且在w i n d o w sc e 平臺上 可以使用w i n d o w s9 5 9 8 上的編程工具( 如v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 等) 、使用 同樣的函數(shù)、使用同樣的界面網(wǎng)格，使絕大多數(shù)的應(yīng)用軟件只需簡單的修改和移 植就可以在w i n d o w sc e 平臺上繼續(xù)使用。 ( 三) l i n u x l i n u x 是一個類似于u n i x 的操作系統(tǒng)。它起源于芬蘭一個名為l i n u st o r v a l d s 9 成都理t 大學(xué)碩士學(xué)位論文 的業(yè)余愛好，但是現(xiàn)在已經(jīng)是最為流行的一款開放源代碼的操作系統(tǒng)。l i n u x 從 1 9 9 1 年問世到現(xiàn)在，短短1 0 年的時間內(nèi)已發(fā)展成為一個功能強(qiáng)大、設(shè)計完善的 操作系統(tǒng)，伴隨網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)步而發(fā)展起來的l i n u xo s 已成為m i c r o s o f t 公司的 d o s 和w i n d o w s9 5 9 8 的強(qiáng)勁對手。l i n u x 系統(tǒng)不僅能夠運行于p c 平臺，還在 嵌入式系統(tǒng)方面大放光芒，在各種嵌入式l i n u xo s 迅速發(fā)展的狀況下，l i n u xo s 逐漸形成了可與w i n d o w sc e 等e o s 進(jìn)行抗衡的局面。目前正在開發(fā)的嵌入式 系統(tǒng)中，4 9 的項目選擇l i n u x 作為嵌入式操作系統(tǒng)。l i n u x 現(xiàn)已成為嵌入式操 作的理想選擇。 由于其源代碼公開，人們可以任意修改，以滿足自己的應(yīng)用，并且查錯也很 容易。遵從g p l ( g e n e r a lp u b l i cl i c e n s e ，通用公共許可證) ，無須為每例應(yīng)用交納 許可證費。有大量的應(yīng)用軟件可用。其中大部分都遵從g p l ，是開放源代碼和 免費的?？梢陨约有薷暮髴?yīng)用于用戶自己的系統(tǒng)。有大量的免費的優(yōu)秀的開發(fā) 工具，且都遵從g p l ，是開放源代碼的。有龐大的開發(fā)人員群體。無需專門的 人才，只要懂u n i x l i n u x 和c 語言即可。 支持的硬件數(shù)量龐大。嵌入式l i n u x 和普通l i n u x 并無本質(zhì)區(qū)別，p c 上用到 的硬件嵌入式l i n u x 幾乎都支持。而且各種硬件的驅(qū)動程序源代碼都可以得到， 為用戶編寫自己專有硬件的驅(qū)動程序帶來很大方便。 在嵌入式系統(tǒng)上運行l(wèi) i n u x 的一個缺點是l i n u x 體系提供實時性能需要添加 實時軟件模塊。而這些模塊運行的內(nèi)核空間正是操作系統(tǒng)實現(xiàn)調(diào)度策略、硬件中 斷異常和執(zhí)行程序的部分。由于這些實時軟件模塊是在內(nèi)核空間運行的，因此代 碼錯誤可能會破壞操作系統(tǒng)從而影響整個系統(tǒng)的可靠性，這對于實時應(yīng)用將是一 個非常嚴(yán)重的弱點。三種主流嵌入式操作系統(tǒng)的綜合分析比較如表2 2 所示： 表2 - 2三種主流嵌入式操作系統(tǒng)的綜合比較 p a l m o sw i n d o w sc e3 0嵌入式l i n u x 核心占5 0 0 k b 的r o m 和 2 5 0 k b 的r a m 。整個w i n d o w s 核心從幾十k b 到 核心幾十k b ，整 c e 操作系統(tǒng)，包括硬件抽象層 5 0 0 k b 。整個嵌入式環(huán)境 大小個嵌入環(huán)境也不( h a l 和h a r d w a r ea b s t r a c t i o n 最小才1 0 0 k b 左右，并 大 l a y e r ) 、w i n d o s wc ek e r n e l 、 且以后還將越來越小 u s e r 、g d ! 、文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫， 大約共1 5 m b 用戶可以方便地開發(fā)定 可開發(fā)定可以方便地開發(fā)用戶開發(fā)定制不方便，受 制，可以自由卸裝用戶模 制定制m i c r o s o r 公司限制較多 塊。不受任何限制 1 0 第二章系統(tǒng)設(shè)計方案 互操作性比較強(qiáng)，w i n d o w sc 可 互操作性互操作性強(qiáng)通過o e m 的許可協(xié)議使用于其互操作性很強(qiáng) 它設(shè)備 不僅適應(yīng)于x 8 6 芯片，并 適用于多種c p u適用于多種c p u 和多種硬件平且可以支持3 0 多種c p u 通用性 和多種硬件平臺 臺 和多種硬件平臺。開發(fā)和 使用都很容易 實_ h j 性比較好比較好很好 應(yīng)用領(lǐng)域較廣，特 應(yīng)用領(lǐng)域較廣。w i n d o w s c 是為 由于l i n u 內(nèi)核結(jié)構(gòu)及功 適用的應(yīng)新一代非傳統(tǒng)的p c 設(shè)備而設(shè)計 能等原因，嵌入式l i n u 別適用于掌上電 應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，特別 用領(lǐng)域的，這些設(shè)備包括掌上電腦、手 腦的開發(fā)適于進(jìn)行信息家電的開 持電腦以及用于車載電腦等 發(fā) 2 3 2 嵌入式操作系統(tǒng)選型 通過以上三種主流嵌入式操作系統(tǒng)的綜合分析比較，系統(tǒng)選用l i n u x 操作系 選用l i n u x 操作系統(tǒng)的優(yōu)點在于： 精簡的內(nèi)核，性能高，多任務(wù)，成熟穩(wěn)定。 適用于不同的c p u ，支持多種體系結(jié)構(gòu)，如x 8 6 、a r m 、m i p s 等。 能夠提供完善的嵌入式g u i ，如q t 。 提供完整的開發(fā)工具和s d k ，同時提供p c 上的開發(fā)版本。 用戶可定制，可提供圖形化的定制和配置工具。 針對嵌入式的存儲方案，提供實時版本和完善的嵌入式解決方案。 完善的中文支持，強(qiáng)大的技術(shù)支持，完整的文檔。 開放源碼，核心技術(shù)依賴性小，系統(tǒng)的開放性強(qiáng)。 具有豐富的軟件資源，常用嵌入式芯片的驅(qū)動集，支持大量的周邊硬件設(shè)備， 驅(qū)動豐富，便于系統(tǒng)的集成與開發(fā)。 廣泛的軟件開發(fā)者的支持，價格低廉，結(jié)構(gòu)靈活，適用面廣。 2 4 嵌入式存儲器方案 f l a s h 存儲器在嵌入式系統(tǒng)中被廣泛地運用于簡單、快捷的信息存儲領(lǐng)域。 存儲器被看作為一種靜態(tài)存儲設(shè)備，其所有的部件都是固定的。f l a s h 存儲器按 其底層技術(shù)結(jié)構(gòu)主要分為n a n d 和n o r 兩大類。i n t e l 公司于1 9 8 8 年開發(fā)出 1 1 統(tǒng) 成都理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 n o rf l a s h 技術(shù)，n o rf l a s h 的最主要特點是片內(nèi)執(zhí)行( e x e c u t ei np l a c e ) 的功能， 應(yīng)用程序可以直接在f l a s h 內(nèi)運行，不必再把代碼讀到系統(tǒng)r a m 中。t o s h i b a 公 司在次年發(fā)表了n a n df l a s h 結(jié)構(gòu), n a n df l a s h 的特點在于它能提供極高的單 元密度，可以進(jìn)行高密度存儲，并且寫入和擦除的速度非?？?。表2 3 對n o r f l a s h 和n a n df l a s h 各項指標(biāo)進(jìn)行了綜合對比【2 8 】 表2 3n o rf l a s h 和n a n df l a s h 綜合比較 n o rf l a s hn a n df l a s h 容量小。一般2 3 2 m大。一般8 2 5 6 m 價格低存儲密度，尺寸大 價格高高存儲密度尺寸小，價格低 接口形式接并行總線，內(nèi)存接口接串行總線，i o 接口 訪問形式隨機(jī)順序 一般3 2 頁，每頁5 1 2 字節(jié)+ 1 6 字 塊組織形式一般為8 1 2 8 k b 的擦除塊 節(jié)管理數(shù)據(jù) 快寫，慢讀，慢擦 快寫，快讀，快擦( 一般一個擦除 訪問速度( 一般一個擦除 塊2 毫秒) 塊i 毫秒) 壽命十萬次級 百萬次 高，位交換幾率低( 不到n a n d 低，位交換幾率高，必須采用錯誤 可靠性 f l a s h 的1 0 )探測，錯誤更正( e d c e c c ) 算法 寫入方式以字節(jié)為單位以頁為單位且次數(shù)有限。 x i p ( e x c u t ei n可以不支持，產(chǎn)品壞道低，出廠一般 出廠可能有壞道 p l a c e ) 沒有壞道高 易用性容易復(fù)雜。一般需要m t d 驅(qū)動支持 設(shè)計目的 作為r o m 的替代產(chǎn)品磁盤 2 5 嵌入式文件系統(tǒng)方案 嵌入式系統(tǒng)中需要存儲的程序和數(shù)據(jù)主要包括系統(tǒng)引導(dǎo)代碼、嵌入式操作系 統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動程序、第三方軟件資源、系統(tǒng)應(yīng)用程序、系統(tǒng)應(yīng)用程序數(shù)據(jù)和系統(tǒng) 輔助工具集等。選擇合適的嵌入式文件系統(tǒng)對于安全可靠管理組織嵌入式系統(tǒng)的 數(shù)據(jù)非常重要，嵌入式文件系統(tǒng)構(gòu)成了嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分。 嵌入式系統(tǒng)