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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(jìn)入到了一個(gè)飛速發(fā)展的階段，嵌入式系統已被廣泛應用到了航空、消費電子、信息家電、網(wǎng)絡(luò )通信等各個(gè)領(lǐng)域。ARMS3C2440ARM是嵌入式處理器是性?xún)r(jià)比較優(yōu)秀的芯片，在各個(gè)領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)應用有著(zhù)廣闊的應用前景�！ � 船舶導航技術(shù)也應隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)背景的改變不斷地向著(zhù)高性能穩定性的方面發(fā)展，潛入式技術(shù)，為其提供了優(yōu)質(zhì)的開(kāi)發(fā)資源�！ � 嵌入式系統需要一套高度簡(jiǎn)練、易開(kāi)發(fā)、多任務(wù)，價(jià)格低廉的操作系統。源碼開(kāi)放的Linux滿(mǎn)足這些要求。并且標準Linux操作系統比較龐大，因此，需要根據實(shí)際應用對標準Linux進(jìn)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�！ � 2.導航系統的硬件設計 所設計的車(chē)載導航系統的硬件平臺以基于A(yíng)RM902T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，其硬件構成如圖1所示。 S3C2440A嵌入式微處理器采用16/32位精簡(jiǎn)指令集，具有高性?xún)r(jià)比，低功耗，高性能的特點(diǎn)，為掌上設備和一般類(lèi)型應用提供了小型微控制器的解決方案。為了減少總的系統消耗，S3C2440A包括了以下部分：獨立的16KB指令緩存和16KB數據緩存，MMU，LCD控制器(STN/TFT)，NAND Flash啟動(dòng)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通道的脈寬調制定時(shí)器，I/O端口，RTC實(shí)時(shí)時(shí)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設備，SD主機/多媒體卡接口，2通道的SPI，攝像頭接口，PLL時(shí)鐘發(fā)生器以及電源管理等�！ � 3.船舶導航系統的軟件設計 3.1軟件功能與組成 船舶導航系統的軟件包括嵌入式操作系統、GUI圖形用戶(hù)界面、應用程序三個(gè)部分，其中嵌入式操作系統和GUI圖形用戶(hù)界面屬于關(guān)鍵技術(shù)，它們的好壞決定了系統能否得到成功的應用。應用程序建立在嵌入式操作系統和GUI圖形用戶(hù)界面之上，上電之后啟動(dòng)過(guò)程如圖2所示。在軟件設計中，操作系統采用使用廣泛的內核源代碼開(kāi)放的嵌入式Linux，GUI圖形用戶(hù)界面采用源代碼開(kāi)發(fā)的Micro windows。 圖2 系統啟動(dòng)過(guò)程 3.2 交叉編譯環(huán)境的建立 在滿(mǎn)足系統穩定、安全、可靠的基礎上，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(guò)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機上的程序進(jìn)行編譯，生成可在目標機上可以運行的代碼格式，然后下載到目標機中運行。Linux環(huán)境下使用GNU工具完成編譯、鏈接等過(guò)程，包括針對目標系統的編譯器gcc、針對目標系統的二進(jìn)制工具binutils、針對目標系統的標準c庫glibc和針對目標系統的Linux內核頭文件�！ � 在linux的根目錄下，通過(guò)命令tar Ixvf cross-2.95.3.tar.bz2進(jìn)行解壓縮，執行完畢之后在/usr/local/目錄下自動(dòng)生成arm/2.95.3目錄，進(jìn)入2.93.3目錄下可以看到arm-linux、bin、include、lib等各種目錄，說(shuō)明交叉編譯工具安裝完畢，編譯環(huán)境已經(jīng)建立起來(lái)了�！ � 3.3 引導程序的移植 受嵌入式系統資源的限制，嵌入式系統的引導程序并不像PC機上的引導程序一樣是由BIOS和位于硬盤(pán)MBR中的引導程序組成，整個(gè)系統的引導加載任務(wù)主要是由BootLoader的引導程序來(lái)完成的。BootLoader是系統復位后首先要執行的代碼，主要作用是初始化硬件設備、建立內存空間的映射等，將系統的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，從而為操作系統和應用程序的調用建立一個(gè)良好的環(huán)境�！ � 系統的軟件設計中采用的引導程序是韓國Mizi公司開(kāi)發(fā)的BootLoader----vivi。在嵌入式系統中，BootLoader是高度依賴(lài)于硬件的，在嵌入式系統中建立一個(gè)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(gè)BootLoader�！ � 針對系統的引導程序移植的思路是找到一個(gè)與所設計的平臺最相近的平臺的BootLoader，然后根據所設計平臺的硬件參數對BootLoader進(jìn)行修改，從而完成BootLoader的移植。首先根據實(shí)際情況修改vivi工程管理文件Makefile文件中的相關(guān)參數，包括交叉編譯器庫和頭文件路徑，交叉編譯開(kāi)關(guān)選項設置，Linux內核代碼中的庫和頭文件路徑等。然后根據硬件平臺的參數修改相應的配置，如處理器時(shí)鐘、存儲器初始化、通用I/O初始化。然后進(jìn)行配置、編譯生成可執行的代碼�！ � 3.4 內核的移植 由于嵌入式系統是針對特定應用的，而且資源有限，所以標準Linux無(wú)法應用到嵌入式系統中，因此必須根據實(shí)際情況對Linux進(jìn)行裁剪、配置，從而產(chǎn)生一個(gè)適用的嵌入式Linux操作系統。Linux內核的移植包括獲取源代碼、修改設置、裁減配置和編譯�！ � 3.4.1獲取源代碼 Linux內核源代碼一般都有專(zhuān)門(mén)的機構負責維護，我們可以從這些機構的網(wǎng)站上下載下來(lái)使用。修改設置 嵌入式系統的應用的針對性很強，從站點(diǎn)上下載下來(lái)的內核不可能包含針對所有嵌入式系統的代碼，因此需要對代碼進(jìn)行修改設置，從而適合目標平臺。一般包含下面幾步�！ � ① 編寫(xiě)與處理器相關(guān)的代碼。主要包括時(shí)鐘設置、中斷設置、存儲器分配及其他一些寄存器的設置等等，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，以便在執行配置命令時(shí)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(lèi)型之間的依賴(lài)關(guān)系�！ � 3.4.2裁減配置及編譯 修改完內核設置后，就可以對內核進(jìn)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核的映像文件代碼量盡可能小。執行如下命令： # make menuconfig 進(jìn)入配置菜單，選擇處理器類(lèi)型和所需要的各種外設、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(lài)關(guān)系，并生成依賴(lài)文件�！ � # make zImage 編譯Linux內核，生成壓縮的內核映像文件zImage。存放在/arch/arm/boot/目錄下�！ � 3.5 驅動(dòng)程序的編寫(xiě) 驅動(dòng)程序是操作系統內核和底層硬件之間的接口，驅動(dòng)程序為應用程序屏蔽了硬件的細節，通過(guò)驅動(dòng)程序，應用程序對硬件的操作可以像對普通的文件操作一樣方便。驅動(dòng)程序的主要作用是初始化和釋放硬件設備，檢測和處理硬件設備出現的問(wèn)題，在應用程序、內核和底層硬件之間傳輸數據�！ � 由于嵌入式系統是針對具體應用的，因此，應該根據具體的平臺編寫(xiě)相應設備的驅動(dòng)程序，以方便應用程序對底層硬件的訪(fǎng)問(wèn)。每一個(gè)系統調用都對應著(zhù)file_operations結構的每一個(gè)成員，編寫(xiě)驅動(dòng)程序主要是編寫(xiě)底層設備需要的各個(gè)操作函數并填充結構file_operations，該結構在/include/Linux/fs.h文件中定義�！ � 驅動(dòng)程序通過(guò)設備名、主設備號和從設備號與具體的硬件相聯(lián)系。驅動(dòng)程序可以以動(dòng)態(tài)或者靜態(tài)方式加載到內核當中，在調試階段，一般以動(dòng)態(tài)的方式加載驅動(dòng)程序，而在最終形成產(chǎn)品時(shí)，添加到內核當中，每次啟動(dòng)內核時(shí)自動(dòng)加載�！� 3.6 根文件系統 一個(gè)嵌入式產(chǎn)品的穩定運行，除了引導程序、內核之外，還必須有一個(gè)區域用來(lái)為用戶(hù)提供支持架構和用戶(hù)使用的應用軟件，存放數據讀寫(xiě)的結果，這個(gè)區域就是根文件系統。嵌入式系統中通常使用的根文件系統有：Romfs、Cramfs、Ramfs、JFFS2、EXT2等，另外根文件系統既可以建立在RAMDISK上，也可以建立在Flash上，在RAMDISK上建立根文件系統Cramfs�！ � 4.結束語(yǔ) 在船舶導航系統中采用源代碼完全開(kāi)放的嵌入式Linux完全可以代替WinCE等商業(yè)操作系統，從而減低了系統的成本，增加了市場(chǎng)的競爭力。通過(guò)對系統的開(kāi)發(fā)，筆者有以下創(chuàng )新點(diǎn)： (1)在程序中加入一些輸出語(yǔ)句，以便在調試過(guò)程中，在超級終端上顯示一些通過(guò)串口打印的調試信息，可以對程序運行情況進(jìn)行觀(guān)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(guò)網(wǎng)絡(luò )下載內核和文件系統，加快開(kāi)發(fā)進(jìn)度�！ � 參考文獻： [1] 田 澤.嵌入式系統開(kāi)發(fā)與應用教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005. 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