系统基于 Linux 嵌入式操作系统的图形化界面 河南工业大学

论文题目 《基于Li nux嵌入式操作系统的图形化界面的研究和实现》

学 院 信息科学与工程学院

班 级 电科1304

姓 名

学 号 2013160304

指导老师姓名王金峰

摘要

随着通讯技术的发展和3G网络的推广用户对手机的要求不在只是简单的语音、收发短信等基本功能手机办公、手机娱乐等功能受到人们的青睐。 PDA(Personal Digital Assistant)正是在这种背景下产生并且发展壮大它不仅集成了传统手机的基本功能同时兼容了笔记本电脑的诸多功能真正满足了用户需求。 PDA市场潜力巨大是个人终端技术的发展趋势。

本文以嵌入式的PDA为研究对象论述了基于嵌入式Linux和Qt/Embedded的图形界面终端的设计与实现最终搭建了适用于PDA的个性化人机交互系统。论文的主要内容包括

1通过对当前流行的几种嵌入式处理器、嵌入式操作系统、 GUI图形支持系统优缺点的讨论结合设备特点选择了以ARM9核心的S3C2410为本系统的硬件平台 2.4. 18 内核Linux和Qt为本系统的软件平台。

2建立硬件开发平台对s3C2410处理器、以及外围接口部件进行了分析介绍讲述了它们的结构及功能

3对Linux系统的内核和文件系统作了深入研究。详细分析了Linux系统bootloader的功能以及它的编译与移植Linux 内核的剪切、编译和移植Linux文件系统的制作、编译与移植, 为系统开发搭建了软件平台。

4在对Qt/Embedded系统分析的基础上分别建立了Qt在PC机上的开发调试环境和Qt在cygwin上的编译移植环境。

5在PC机Qt开发环境下开发了几个基于Qt/E的具有友好界面的应用软件。利用这几个程序构建了自己的图形化界面系统在cygwin上经过编译移植进目标板运行稳定。验证了Linux+Qt/Embedded+ C++开发环境的有效性。

最后开发的成果为一套精美高效可触摸式的人机交互系统它具有可移植性好、操作简单和易于二次开发等特性。

关键字 PDA 嵌入式处理器 嵌入式Linux Qt/Embedded 人机交互系统S3C2410

一、引言

1. 1嵌入式系统概述

国际电气和电子工程师协会(IEEE)定义嵌入式系统为 “用于控制、监视或者辅助设备、机器或者车间运行的装置(AnEmbeddedsystemis the devicesusedto control,monitor,or assist the operation of equipment,machinery orplants)”。通常来说嵌入式系统是以应用为中心以计算机技术为基础并且软硬件可裁剪适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用程序四部分组成用于实现对其它设备的控制、监视或管理等功能。

嵌入式系统有如下特点

1专用性强

为特定应用设计专用于特定的任务软硬件可裁剪满足对象系统要求的最基本软硬件配置。

2可靠性高

代码固化、存放在存储器芯片或处理器的内部存储器件中。

3功耗低、体积小、集成度高、成本低

系统的硬件和软件都进行高效设计在保证稳定、安全、可靠基础上量体裁衣去除冗余用较少的软硬件资源实现较高的性能。

1.2嵌入式人机交互系统的研究现状

人机交互是研究人、计算机之间相互作用的技术。界面是人与计算机之间交换信息的媒介和对话接口是计算机系统的重要组成部分。

人机交互的发展从人去适应计算机逐步过渡到计算机不断地适应人演变过程共经历了以下几个阶段

1早期的手工作业阶段用户程序设计员采用手工操作和依赖机器二进制代码的方法在计算机上执行操作。

2作业控制语言及交互命令语言阶段采用批处理作业语言及交互命令语言与计算机交流需要记忆大量命令熟悉键盘输入方式。

3多通道的智能人机交互阶段涵盖了用户表达意图、执行动作或感知反馈的各种信息交互如言语、手势、触觉等方面。多通道人机界面是基于视线跟踪、语音识别、手势输入、感觉反馈等的新交互技术实现科学计算可视化、虚拟现实等这些技术对计算机系统性能提出了更高的要求。它允许用户利用多个交互通道以并行、非精确方式与计算机系统进行交互 旨在提高人机交互的自然性和高效性。

1.3嵌入式人机交互系统的发展趋势

当今信息时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展契机为嵌入式市场展现了美好的前景 同时也对嵌入式研发提出了新的挑战。

1 网络化要求

随着因特网技术的成熟未来嵌入式设备为了适应网络发展必然要求硬件上提供各种网络通信接口软件方面系统内核要支持网络模块实现随时随地上网。

2 精简系统内核

设计者应尽量精简系统内核只保留和系统功能紧密相关的软硬件利用最低的资源实现最适当的功能。

3 提供友好的多媒体人机界面

嵌入式设备能与用户亲密接触最重要的因素就是它能提供非常友好的用户

界面。

1.4本课题研究意义

嵌入式系统因其体积小、可靠性高、功能强等优势 已渗透到工业、农业、教育、国防、科研以及日常生活等各个领域对各行各业的技术改造、产品更新换代、提高生产率等方面起到了极其重要的作用。 同时嵌入式Linux操作系统以其开放源代码、易于开发、功能强大、稳定、成本低等优势迅速跻身于主流嵌入式操作系统。基于嵌入式Linux操作系统的研究和应用具有巨大的学术和商业价值。

相对于桌面系统人机交互技术在嵌入式系统中的研究还处于初级阶段。嵌入式系统的终端产品在系统简洁、美观、方便好用人性化设计等方面较桌面系统还有巨大差距 因此越来越多的人投入到嵌入式GUI的的开发当中。

本课题正是探索如何在S3C2410处理器(ARM9)上搭建和移植嵌入式Linux操作系统并在移植好的操作系统上实现GUI 同时实现基于Qt/Embedded的应用软件的开发最后构造一个完整的PDA图形化系统。

二、嵌入式系统开发硬件平台构建

2. 1硬件系统设计方案

一个应用系统的设计都是面向产品的 以产品需求来定制系统。总的来说在系统硬件体系结构设计时应当遵守一定的标准具体标准包括

1先要综合了解系统各方面需求在分析之后确定合适的解决方案提出硬件的体系结构及系统外围各功能模块的实现。

(2)充分利用当前比较成熟的技术方案这样可以保证电路设计的正确性和可靠性并且可以大大缩短系统的设计时间。硬件系统采用模块化、标准化设计还应尽量选择典型的电路功能模块。

(3)因为硬件升级比软件升级相对复杂所以硬件系统体系架构应该尽量使用开放模式采用通用平台设计以降低成本和减小开发周期也便于将来对系统的改进与升级。

(4)嵌入式系统一般采用软硬件一体化的解决方案在硬件设计同时进行软件开发硬件的方案要根据软件的可行性进行考虑而软件的设计也要根据硬件的性能进行考虑这样在具体实现时整个系统就可以不断的进行分析与改进能够使系统达到最优化。

2.2系统需求分析

本系统提供了一种嵌入式PDA多种应用软件的功能。友好的人机交互接口组成系统的控制面板方便用户的操作。 网络通信和mp3解码播放等应用的实现使系统除了必需具有人机交互的控制功能外还应该具有丰富的通讯、网络接口和强大的mp3解码功能。具体需求如下

(1)宿主机与目标板的交互接口包括UART通用串口、 JTAG烧写接口等

(2)LCD模块及触摸屏

(3)必须实现通用的以太网Ethernet接口用来实现目标机的远程登录和访问

(4)强大的处理器解码性能和可靠的音频控制器实现mp3歌曲文件实时播放

(5)必须具有足够的存储器空间用来存储系统镜像和音视频文件。

2.3硬件平台

本设计使用Samsung公司S3C2410处理器的S3EB2410开发板作为硬件开发平台用它进行ARM技术评估以及嵌入式Linux系统设计。平台采用开放式架构设计便于根据应用需要进行各种功能扩展。其硬件框图如下图所示

1 内核工作电压为1.8V、存储器供电电压3.3V、外部I/O设备供电电压

3.3V

2使用外部12MHz晶振 CPU内部倍频至200MHz

3 LCD接口最大可支持4K色STN和256色TFT

4 4路PWM

5 3通道的UART串口接口

6双 USB2.0接口实现与U盘、硬盘、键盘等从设备的通讯一通道USBDEVICE

7 TSP触摸屏控制器

8 8通道10位ADC模数转换接口

9 10M以太网卡

10 IIC总线EEPROM

11 IIS数字音频输入/输出接口。

12两片32MB SDRAM作为程序运行空间。 64MB Nand Flash存储器用于存放Linux系统。

2.3电路模块设计分析

2.3. 1网络模块

S3C2410没有集成网络控制器在嵌入式平台中需增加独立的以太网控制芯片来实现网络接口本系统通过外接一片CS8900A芯片扩展了一个10M的以太网接口。 CS8900A 是美国CIRRUS LOGIC公司生产的以太网控制器 由于其优良的性能、低功耗及低廉的价格使其在10Mbps嵌入式网络应用中占有相当的比例。

上图为CS8900A的硬件连接示意图。S3C2410通过数据总线与若干控制信号和CS8900A相连接系统与外部网络通信通过以太网接口进行扩展。 以太网接口使用的是集成了网络变压器(Transformer)的RJ45网络接口 网络变压器的功能就是把PHY输出的差分信号用差模耦合的方式进行耦合滤波以增强信号并且通过电磁场的转换耦合到连接网线的另一端这样使网络传输媒介和PHY之间没有物理上直接连接隔断了信号中可能存在的直流分量实现了在不同电平下工作的设备可以传送数据。

2.3.2 LCD模块

S3C2410 内部集成了 LCD控制器逻辑单元支持黑白屏LCD、 STN-LCD、TFT-LCD等多种显示屏用来将LCD图像数据从系统内存的视频缓冲区传输到外部LCD驱动器 同时产生数据传输与显示时使用的各种时钟与控制信号。如下图所示的S3C2410的LCD控制器内部组成框图 LCD数据总线VD0~VD23用来传输16位RGB565格式数据到液晶模块显示 LCD控制线有5条VFRAME帧同步信号、 VLINE行同步信号、 VCLK位时钟信号、 LEND行结束信号、 VM输出数据使能信号。

LCD运行原理为了显示一帧图像首先在系统的帧缓冲区中存入要显示的图像数据然后让LCD控制器的DMA地址寄存器指向帧缓冲器的起始地址读出帧缓冲区的数据到LCD控制器的输入FIFO队列由于设计中采用16位方式不需要对framebuffer帧缓冲区中的数据进行转换处理直接把数据送到输出FIFO队列最后将数据送到液晶模块处理就可以驱动LCD显示图像。

2.3.3电源系统

S3C2410使用两种电压供电 内核电压1.8V、外围电压3.3V。存储系统的Flash和SDRAM、 网络控制器CS8900A、音频控制器UDA1341TS都采用典型的

3.3V的TTL电压供电而LCD需要5V电压供电从而系统中共需要1.8V、

3.3V和5V三种不同电平的电压。

被系统的电源电路如下所示

系统选用线性稳压源方案输入电源使用5V/800m A的电源适配器经过钽电容滤波后送给外围的LCD接口电路提供5V电压 同时送到LDO芯片将

5V直流变为3.3V并经过滤波在经过一个LDO芯片变为l.8V供处理器内核。

2.3.4宿主机接口

本系统用到的宿主机接口主要包括并口、 UART串口。其中开发板的J-TAG接口通过20PIN排线与仿真器相连仿真器再通过并口线与宿主机并口相连J-TAG接口在本系统中用来配合Embest IDE软件将系统的内核及文件系统烧写到Nand Flash存储器而UART串口则是系统开发时宿主机用来操作目标板的控制台接口。本系统目标板设计采用标准的20针接口 以方便连接各种标准的仿真器。其JTAG接口原理图如下

三、嵌入式系统开发软件环境构建

3. 1交叉编译环境搭建

交叉编译环境的硬件支持为

宿主机 PC一台安装 Windows 7操作系统安装cygwin软件。 PC机有串口(或是USB转串口)和并口同目标板通信。

交叉编译软件

从ht tp://www.cygwi n.com上下载cygwi n这里用1.5. 1版本在Wi ndows7 上安装。 从 ftp://ftp.uk. 1inux.org 下载交叉编译工具cross-armtools-linux. tar.bz2将其拷贝到cygwin/tmp 目录下。

运行cygwin,执行以下命令完成cygwin环境下Linux交叉编译工具安装cd/usrar -xvjf /tmp/ cross-armtools-linux. tar.bz2