嵌入式linux在经济社会中的应用实例GPS系统.docx
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嵌入式linux在经济社会中的应用实例GPS系统
华东交通大学理工学院
InstituteofTechnology.
EastChinaJiaotongUniversity
课程论文
CourseThesis
题目嵌入式linux在经济社会中的应用实例—GPS系统
分院：
电信分院
专业：
通信工程
班级：
2008-2
学号：
20080210420224
学生姓名：
骆玉春
指导教师：
徐涢基
摘要
本文以S3C2410处理器的GPS手持设备开发过程为例，介绍了嵌入式Linux系统软硬件的设计与开发。
通过本文的实例，可以加深对嵌入式Linux开发流程的概念的理解，了解嵌入式Linux系统开发的基本过程。
随着全球定位系统（GPS，GlobePositioningSystem）的广泛应用，GPS手持终端设备的市场需求越来越大。
首先，分析系统工作原理，再选择合适的参考硬件平台，然后选择合适的操作系统和软件。
Linux对S3C2410处理器支持得相当好，操作系统内核和应用程序都是开放源码的。
因此，Linux可以完全按照自己的需要裁减配置系统，使得尺寸更小，而且Linux操作系统性能比Windows操作系统性能更优越。
关键词：
GPS系统；linux；系统硬件；系统软件；设计；
目录
摘要1
目录2
第一章需求分析3
1.1系统工作原理3
1.2选择参考硬件平台3
1.3选择操作系统和软件4
第二章系统硬件设计5
2.1电源电路设计5
2.2复位电路设计7
2.3时钟电路设计7
2.4SDRAM接口电路设计8
2.5Flash接口电路设计9
2.6JTAG接口电路设计12
2.7USB接口电路设计12
2.8键盘输入接口电路设计13
2.9LCD（触摸屏）接口电路设计13
2.10GPS接口电路设计13
2.11PCB设计制作14
第三章系统软件设计15
3.1U-Boot的移植15
3.2linux内核的移植16
3.3应用程序的开发移植17
第四章系统集成与部署17
参考文献21
第一章需求分析
随着全球定位系统（GPS，GlobePositioningSystem）的广泛应用，GPS手持终端设备的市场需求越来越大。
本项目要设计开发一款手持GPS工程样机。
首先，分析系统工作原理，再选择合适的参考硬件平台，然后选择合适的操作系统和软件。
1.1系统工作原理
系统首先通过GPS模块获得绝对位置数据，并将数据通过UART通信方式传给处理器，经处理器处理后得到当前地图的相对位置，并实时显示到LCD上，使用户随时知道自己的方位；键盘和触摸屏作为人机接口，进行进一步的查询工作；USB用于同微机通信，是可选功能；存储器单元用于存储数据，包括操作系统和应用程序。
1.2选择参考硬件平台
目前半导体供应商提供各种ARM/XSCAE体系结构的处理器，有些ARM926和XSCALE核的处理器都已经用来设计手机等高端移动通信设备，有些则可以用来设计中低端的PDA设备。
考虑价格因素，采用Samsung的S3C2410ARM920T处理器。
S3C2410属于中低端的处理器，适合手持设备并且国内外参考硬件平台很多，系统大部分模块在硬件平台上可以直接测试。
系统包括CPU、GPS模块、存储器单元、LCD模块、触摸屏、键盘、USB接口
等部分组成，功能框图如图1-1所示。
图1-1系统功能框图
根据项目的需求，可以适当调整硬件配置。
例如：
总共需要多少存储空间，使用什么型号的Flash等。
同时也要考虑软件支持的程度，驱动程序能否支持新的接口芯片等。
本项目的硬件参考配置如下：
1、CPU单元（S3C2410X16/32-bitARM920T内核）。
2、存储器单元（2MBNORFlash和32MBNANDFlash，64MBSDRAM）。
3、复位电路（包括上电复位和手段复位，至少保持4个时钟周期的有效低电平，保证系统的可靠复位）。
4、电源电路。
5、时钟电路（外部12MHz时钟输入，经内部PLL倍频至200MHz及32.768KHz的RTC时钟输入）。
6、实时时钟（内部RTC带日历功能）。
7、LCD接口。
8、触摸屏接口。
9、键盘接口。
10、GPS模块。
11、USB接口。
1.3选择操作系统和软件
SamsungS3C2410是最开放的开发设计平台。
它的软件和硬件设计资料可以免费从互联网上获取，并且WindowsCE和Linux两种操作系统都能支持。
在参考板上一般可以直接对WindowsCE和Linux进行测试。
Linux对S3C2410处理器支持得相当好，操作系统内核和应用程序都是开放源码的。
因此，Linux可以完全按照自己的需要裁减配置系统，使得尺寸更小，而且Linux操作系统性能比Windows操作系统性能更优越。
另外，可以避免支付Windows产品的版税。
S3C2410在Linux社区有庞大的用户群，可以获取丰富的开发调试信息。
我们选择Linux作为工程样机的操作系统。
由于图形界面要求并不复杂，可以选择QT/Embedded图形系统。
第二章系统硬件设计
2.1电源电路设计
电源电路的设计是非常重要的，特别是对于手持设备来说，如何减少系统的功耗往往成为工程师最为头疼的问题。
不过本节不会深入研究如何降低功耗，只是用一个最普通的方案实现。
电源框图如图2-1所示。
图2-1电源管理系统功能框图
电源由电池提供的2.4V电压输入，经DC/DC开关电源变换器升压至5V输出，3.3V由低压差线性电压源LDO通过＋5V调整输出得到，1.8V则由LDO通过3.3V调整输出得到，这样完成了系统供电。
我们知道电源分开关电源和线性电源，那么在嵌入式系统中我们该如何选择呢？
每种方式都有自己的优点和弱点，表2-1总结了这两种电源的优缺点。
表2-1开关电源和线性电源的优缺点
线性电源通常由一只工作在电网频率的变压器、一个桥式整流器和一只电容器组成。
变压器能够升压也能够降压，同时还与电网隔离。
交流正弦波经过桥式整流器整流后的信号，再用电容器平滑为直流电压，这是未经调节的直流电压。
为了在输出端得到调节性能较好的电压，增加了一只线性电压调节器。
这样，电压的调节性能较好，但是电源的元件数量增多了，成本也提高了，效率通常低于50%。
开关电源输出电压的调节性能很好，频率较高，可以在输入端加上通用范围的电压，而且发热少、尺寸小、重量轻。
开关电源的主要元件有脉冲宽度调制驱动器、MOSFET功率晶体管、一只变压器以及反馈电路。
效率通常高于50%，既省电，元器件的寿命也更长。
根据以上的分析，在输入输出压降幅度大、功耗高，或是要求升压的场合，往往采用开关电源方案；在压降小、功率要求不是很大的时候，使用线性电源为宜。
电源是整个系统中最重要的环节，大多数不稳定的因素或故障都是由于电源方面的设计造成的，因此必须加以重视，否则后患无穷。
本例中使用的DC/DC变换器是ST（意法半导体）公司的L6920，该产品广泛用于手持系统、移动电话、数模照相机等应用领域，原理图如图2-2所示。
L6920管脚说明如表2-2所示。
图2-2L6920电路原理图
表2-2L6920管脚说明
此外，电感电容的选取很重要，直接影响DC/DC的效率和输出波形，电感如COILCRAFTS、COILTRONICS、MURATA等公司的产品性能非常好，不过价格比较贵。
一些我国台湾产的性价比也不错，电容的选取要容易一些。
目前大陆生产的钽电容质量都还可以，如果要求不苛刻的话，完全满足要求。
线性电源LDO的电路就简单得多，这里只列出输出3.3V的电路图，如图2-3所示。
图2-3线性电源LDO的电路原理图
当今有很多优秀的电源管理系统设计厂商，如Linear、TI、ADI、ON-SEMI、ST、Semtech，Intersil、Maxim等，有很大的选择余地。
2.2复位电路设计
复位对于一个系统来说很重要，由于各个单元要进入正常工作状态，都需要可靠的复位。
正常情况下，一般有上电复位和手动复位。
如果电源电压出现波动，系统会非正常复位，这时候会发生复位时间不够从而造成一些错误甚至死机，所以复位监控电路也是必要的复位。
电路原理如图2-4所示。
图2-4复位电路原理图
我们的复位电路使用的芯片是MAX811，管脚说明如表2-3所示。
表2-3MAX811管脚说明
根据其型号的后缀，MAX811的复位电平门限有5种规格（表2-4），例如表中用的是MAX811-T，就表示电压低于3.08V时，产生复位信号。
表2-4MAX811的规格
如系统需要中有与CPU逻辑相反的复位信号，则在nRESET信号后加入非门反相输出。
2.3时钟电路设计
CPU部分需要两路时钟输入，一路是CPU工作时钟输入，另一路提供给RTC电路。
CPU工作时钟是一个有源晶振，无需外部电容，直接输出12MHz时钟信号到CPU，由CPU内部PLL倍频到200MHz，两路时钟输入如图2-5所示。
这两种是最普遍的时钟电路，在后面的CS8900A接口电路中也有时钟电路，做法是一样的。
图2-5时钟电路原理图
2.4SDRAM接口电路设计
SDRAM具有容量大、存取速度快、成本低的特点，因而广泛应用到微机处理系统中。
SDRAM主要用来存放执行代码和变量，是系统启动之后主要进行存取操作的存储器。
由于SDRAM需要定时刷新以保持存储的数据，因而要求微处理器具有刷新控制逻辑，或在系统中另外加入刷新控制逻辑电路。
S3C2410X及其他一些ARM芯片在片内具有独立的SDRAM刷新控制逻辑，可方便的与SDRAM接口。
但某些ARM芯片则没有SDRAM刷新控制逻辑，就不能直接与SDRAM接口，在进行系统设计时应注意这一点。
目前常用的SDRAM为8位/16位的数据宽度，我们可根据系统需求，构建16位或32位的SDRAM存储器系统。
本例中使用的是两片三星K4S561632C-TC75芯片构建32位的SDRAM存储器系统。
每片K4S561632C的存储容量为16组×16M位（32MB），工作电压为3.3V，常见封装为54脚TSOP，兼容LVTTL接口，支持自动刷新（Auto-Refresh）和自刷新（Self-Refresh），16位数据宽度。
其管脚说明如表2-5所示。
表2-5K4S561632C-TC75管脚说明
SDRAM连接原理图如图2-6所示。
图2-6SDRAM电路原理图
2.5Flash接口电路设计
Flash存储器是一种在系统上（In-System）进行电擦写，掉电后信息不丢失的存储器。
它具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编程（烧写）、擦除等特点，并且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作，因而在各种嵌入式系统中得到了广泛的应用。
作为一种非易失性存储器，Flash在系统中通常用于存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据等。
现在市场上两种主要的非易失闪存技术是NOR和NAND。
Intel于1988年首先开发出NORFlash技术，彻底改变了原先由EPROM和EEPROM一统天下的局面。
1989年东芝公司发表了NANDFlash结构，强调降低每比特的成本，更高的性能，并且像磁盘一样可以通过接口轻松升级。
NOR的特点是芯片内执行，这样应用程序可以直接在Flash内运行，不必再把代码读到系统RAM中。
NOR的传输效率很高，在1～4MB的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。
NAND结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快。
应用NAND的困难在于Flash的管理和需要特殊的系统接口。
Flash闪存是非易失存储器，可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。
任何Flash器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行，所以大多数情况下，在进行写入操作之前必须先执行擦除。
NAND器件执行擦除操作是十分简单的，而NOR则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为0。
两者的速度差异如下：
1、NOR的读速度比NAND稍快一些。
2、NAND的写入速度比NOR快很多。
3、NAND的4ms擦除速度远比NOR的5s快。
4、大多数写入操作需要先进行擦除操作。
5、NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路更少。
基于以上分析，我们用NORFlash存储Boot代码，NANDFlash存储操作系统和应用程序代码。
前者我们选用ST公司的M29W160（1MB×16），后者用三星的K9F5608B（32MB×8）。
M29W160的单片存储容量为16M位（2MB），工作电压为2.7V～3.6V，采用48脚TSOP封装或48脚FBGA封装，16位数据宽度，可以以8位（字节模式）或16位（字模式）数据宽度的方式工作。
M29W160仅需单3V电压即可完成在系统的编程与擦除操作，通过对其内部的命令寄存器写入标准的命令序列，可对Flash进行编程（烧写）、整片擦除、按扇区擦除以及其他操作。
此外，它还支持任意地址的块写保护，十分方便用户。
M29W160的管脚说明如表2-6所示。
表2-6M29W160的管脚说明
M29W160的实际应用原理图如图2-7所示。
图2-7M29W160电路原理图
三星公司的K9F系列NANDFlash存储器有着容量大、功耗低、成本低、电气性能好等特点是大容量Flash市场的有力竞争者。
K9F5608B的单片存储容量为256Mbit，工作电压为2.7V～3.6V，采用48脚TSOP封装或63脚TBGA封装，8位数据宽度，带有硬件数据保护功能，支持上电自动引导功能，块擦写时间为
2ms，数据存储有效时间达10年以上。
K9F5608B的管脚说明如表2-7所示。
表2-7K9F5608B的管脚说明
K9F5608B的实际应用原理图如图2-8所示。
图2-8K9F5608B的电路原理图
随着嵌入式技术的高速发展，Flash被广泛应用到各个领域，功能越来越强大，电路也日趋复杂。
不过各大存储器生产厂商采用统一的标准进行设计生产，所以常用的型号往往是完全兼容的，可以直接替代。
我们在应用Flash时，只要注意遵循数据手册的指导，按说明进行设计即可，一般不会出现问题。
2.6JTAG接口电路设计
JTAG接口对于开发调试非常重要。
对于产品来说也可以通过JTAG修复或者更新软件，所以最好预留这个接口，至少引出JTAG接口线。
JTAG接口电路原理图如图2-9所示。
图2-9JTAG电路原理图
2.7USB接口电路设计
S3C2410X提供了方便的USB1.1接口，片内包括2个USB控制器，可设置为两个主机或1主机1设备。
USB接口原理图如图2-10所示。
图2-10USB电路原理图
接口说明：
CON14工作在A-TYPE（主机）状态，跳线J35、J36的2、3脚接通时CON16有效，工作在A-TYPE（主机模式）状态，跳线J35、J36的1、2脚接通时，CON17有效，工作在B-TYPE（设备模式）状态。
2.8键盘输入接口电路设计
键盘采用中断方式连接，共6个功能键，占用6个中断源。
当有按键被按下时，会实时产生中断请求信号，通知CPU处理。
电路比较简单，如图2-11所示。
图2-11键盘输入电路原理图
2.9LCD（触摸屏）接口电路设计
S3C2410X支持TFT/STN型的LCD及触摸屏，但是不能直接与LCD相连，需要接口板驱动LCD。
S3C2410X通过50pin的插座作为LCD与触摸屏接口，至于接口板，市场上可以买到，管脚定义都是标准的。
原理图如图2-11所示。
图2-12LCD电路原理图
2.10GPS接口电路设计
本设计选用的GPS模块是HIMARK的AR2010-GM，该产品体积小、功耗低，具备标准GPS功能，技术参数如下：
定位精度5～25mCEPw/oS/A；
速率0.1m/sw/oS/A；
时间±1μsec（卫星时间）；
海拔高度max.18000m；
速度max.500m/s；
加速度max.±4g；
端口RS232串口x1，TTLx1；
速率4.8、9.6、19.2和38.4kbit/s（可选择升级至115.2kbit/s）；
输出协议NMEA0183：
GGA、GLL、GSV、GSA、RMC、VTG；
电源3VDC～9VDC；
消耗电流小于27mA；
卫星信道12-channel；
工作温度−40℃～85℃；
储存温度−55℃～100℃；
工作适度5%～95%；
AR2010-GM模块通信端口定义如表2-8所示。
表2-8AR2010-GM模块通信端口定义
虽然AR2010-GM模块的功能强大，内部结构复杂，但是与CPU的通信非常简单，采用标准UART方式，只需4根信号线即可，无需任何附加元件就能和S3C2410X连接。
2.11PCB设计制作
随着处理器频率的不断加快，对PCB的布局和走线要求越来越高，早已不是仅仅布通就可以的时代了。
当今的PCB板制造技术向高密度、高精度、细孔径、细导线、细间距、高可靠、多层化、高速传输、轻量、薄型方向发展，在生产上同时向提高生产率、降低成本、减少污染、适应多品种、小批量生产的方向发展。
对于主频高达200MHz的S3C2410X处理器来说，它的PCB设计是硬件工作中的难点，前面所有工作都集中体现在电路板上，因而PCB的设计直接影响整个系统的性能。
掌握好PCB设计的步骤和要点，不仅能加快开发进度，更会增加系统的稳定性，也为软件开发创造更好的条件。
在PCB布板之前，一定要保证原理图的正确性，PCB的电气关系是由原理图的网表生成的，错误的原理图会直接导致错误的PCB板，还要重新返工，这一点相信所有的硬件工程师都有切身体会。
第三章系统软件设计
在样机硬件设计阶段，就可以在参考硬件平台上进行软件开发。
软件开发是一个反复修改编译的过程，交叉开发环境的软件开发流程如图3-1所示。
图3-1程序开发流
当样机电路板做好以后，还需要移植到新的平台上。
因为样机是参照参考板设计的，所以大部分接口（特别是片上的设备接口）都相同。
但是可能增减个别的接口或者替换外围芯片，例如：
Flash由AMD公司的Am29LV800B替换成ST公司的M29W160（1Mbit×16），容量增加了，擦写Flash的指令也要相应修改。
软件移植包括Linux系统的3个组成部分：
U-Boot移植、内核移植和应用程序移植。
样机开发板名称假设为GPS2410，程序移植时将引用这个名称。
3.1U-Boot的移植
S3C2410的参考平台上一般使用vivi作为Linux引导程序。
如果不习惯vivi或者觉得U-Boot好用，那就把U-Boot移植到硬件板上吧。
（1）在顶层Makefile中为开发板添加新的配置选项，添加下面两行：
gps2410_config:
unconfig主机端编辑程序
@./mkconfig$（@:
_config=）armarm920tgps2410NULLs3c24x0
（2）创建一个新目录存放开发板相关的代码，并且添加文件：
board/gps2410/config.mk
board/gps2410/flash.c
board/gps2410/gps2410.c
board/gps2410/Makefile
board/gps2410/memsetup.S
board/gps2410/u-boot.lds
（3）为开发板添加新的配置文件。
可以先复制参考开发板的配置文件，再修改。
例如：
$cpinclude/configs/smdk2410.hinclude/configs/gps2410.h
（4）配置开发板。
$makegps2410_config
（5）编译U-Boot。
执行make命令，编译成功可以得到U-Boot映像。
有些错误是跟配置选项是有关系的，通常打开某些功能选项会带来一些错误。
一开始可以尽量跟参考板配置相同。
（6）添加驱动或者功能选项。
GPS2410开发板的以太网驱动仍然采用常见的CS8900以太网接口芯片。
可能变化的是以太网控制寄存器基地址，只要在include/config/gps2410.h文件中修改即可。
非常幸运，只要改一下基地址，gps2410的以太网接口就能够正常工作了。
因为Flash换成了ST公司的M29W160，所以必须修改Flash的擦写函数。
阅读Flash芯片手册或者擦写例程，确定Flash的扇区大小、块大小、块数和芯片大小，明确Flash的擦写操作指令。
然后在源程序board/gps2410/flash.c中修改。
（7）调试U-Boot源代码，直到U-Boot在开发板上能够正常启动。
这最好借助硬件仿真器来调试，至少需要烧写Flash的工具。
3.2Linux内核的移植
S3C2410属于片上系统，处理器芯片具备串口、显示等外围接口的控制器。
参考板上的设备驱动程序多数可以直接使用。
但是有些驱动程序也需要移植或者重新开发。
Linux-2.6.14的内核可以对S3C2410有基本的支持。
第1个驱动是串口控制台。
2.6内核的串口设备名称有了改变，由“ttyS”变成了“ttySAC”。
所以只要内核命令行参数相应的修改成为：
console=ttySAC0,115200。
第2个驱动是以太网接口。
GPS2410开发板的网络接口使用CS8900A芯片，但是Linux2.6内核中并没有支持S3C2410平台的驱动。
幸运的是从Linux社区搜到了针对CS8900接口的补丁，这可省了不少力气。
不然，还要认真分析一下网络驱动程序了。
第3个驱动是LCD驱动。
这个驱动程序是s3c2410的FrameBuffer驱动：
s3c2410fb，源文件是drivers/video/s3c2410fb.c。
问题是参考板和样机的LCD不是同一品牌的，有些显示参数的设置需要修改。
其他的驱动跟硬件参考平台很接近，只需要小修小改，就可以跑通了。
最后还要考虑一下MTD驱动。
MTD可以对Flash建立分区表，以便分别存储U-Boot、内核和文件系统。
3.3应用程序的开发移植
应用程序的功能包含两个方面：
一方面是实现图形用户界面，另一方面是GPS数据处理。
图形用户界面可以基于QT/Embedded实现。
使用QT/E空间可以开发一些简单便捷的图形应用程序，可以支持触摸屏和按键接口。
GPS数据是通过串口通信的，所以这部分程序主要是Linux串口编程。
另外程序还需要具体分析处理接收和发送的数据。
当然也离不开Linux基本的系统工具，使用Busybox工具集就可以了。
第四章系统集成与部署
各部分软件开发完成以后，就可以对样机进行彻底测试了。
可以先通过NFS方式测试，再部署到Flash中测试。
当然，这很可能是反复测试的过程。
对于GPS2410样机，只对功能方面做了测试，没有测试性能方面的问题。
本项目采用了RAMDISK文件系统，因为它是简单实用的。
为了尽量使文件系统最小，按照下列步骤定制
升级会员 