【正文】 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文 ） 2 嵌入式 系統(tǒng) 發(fā)展和現(xiàn)狀 嵌入式操作系統(tǒng) 英國電機(jī)工程師協(xié)會(huì) BIEE（ Britain Institute of Eletrical Engineers）對(duì)嵌入式系統(tǒng)的定義是：嵌入式系統(tǒng)為控制、監(jiān)視或輔助設(shè)備、機(jī)器甚至工廠運(yùn)作的裝置 [1]。 從 20 世紀(jì) 80 年代 開始， 在 嵌入式系統(tǒng) 出現(xiàn)了 “操作系統(tǒng)” 概念 ，這使得開發(fā)人員可以進(jìn)一步縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本并提高開發(fā)效率。 例如著名的 VxWorks，該系統(tǒng) 如今 被華為、 H3C、中興等眾多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 和 通信設(shè)備廠商所采用 。 而思科采用了基于 UNIX 開發(fā) 而來 的“網(wǎng)際互聯(lián)操作系統(tǒng)”（ Inter Operation System ，縮寫為 IOS）；另一家網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商 Juniper 所使用的JunOS 系統(tǒng)直接運(yùn)行于 Free BSD 內(nèi)核 之上 ，和內(nèi)核聯(lián)系緊密 。 20世紀(jì) 90 年代 之 后，隨著對(duì)實(shí)時(shí)性要求的提高 、 軟件規(guī)模不斷 增加 ，逐漸發(fā)展 出 實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，并作為一種軟件平臺(tái)逐步成為目前嵌入式操作系統(tǒng)的主流。 許多 大 公司看到了嵌入式系統(tǒng)的 無限美好 的發(fā)展前景，開始大力發(fā)展自己的嵌入式操作系統(tǒng) 如 Palm OS、 Palm WebOS、 Windows CE、嵌入式 Linux、Symbian、 Black Berry OS、 181。C/OSII、 eCOS、 uITRON 等嵌入式操作系統(tǒng) 。 [2] 21 世紀(jì)第一個(gè)十年的后半葉，出現(xiàn)了三大系統(tǒng)： 2020 年，蘋果公司發(fā)布了改變?nèi)藗兩畹?iPhone 和 iOS操作系統(tǒng)；隨后， 2020年，谷歌發(fā)布了 Andriod操作系統(tǒng)；微軟于 2020 年發(fā)布 Windows Phone 7 系統(tǒng)、 2020 年發(fā)布了 Windows Phone 8 系統(tǒng)。 這幾年里， 基于這三大 智能系統(tǒng)的智能手機(jī)、平板電腦的數(shù)量爆發(fā)式增長，提高了人們的工作效率和生活舒適度。 尤其是平板電腦，使人們對(duì)嵌入 式設(shè)備和電腦界限的劃分逐漸模糊。 除了上面的這些操作系統(tǒng)之外，三星、 Ubuntu 甚至是 Firefox 等公司都發(fā)布了自己的操作系統(tǒng)和手機(jī)。 三星、 Ubuntu 等許多公司 的系統(tǒng) 都是 是基于Linux 開發(fā)而來的，僅有少數(shù)是個(gè)例外如 FirefoxOS，該系統(tǒng)是基于 HTML5的，畢竟火狐本身就是一個(gè)瀏覽器廠商。在這場操作系統(tǒng)之爭中，如 Palm OS、WebOS 、 Windows CE、 Meego 等系統(tǒng)已經(jīng)淡出了歷史的舞臺(tái)，而 Symbian、 Black Berry OS 則在垂死掙扎。嵌入式 Linux 和 Andriod 是開源的 系統(tǒng)。開發(fā)基于南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文 ） 3 Andriod 的系統(tǒng)時(shí)，需要向其他廠商如微軟、諾基亞、三星等公司繳納專利授權(quán)費(fèi)用，而基于嵌入式 Linux 開發(fā)的系統(tǒng)就沒有這個(gè)問題，適合小型廠商和個(gè)人的商業(yè)開發(fā)。 嵌入式 Linux 和 Linux 嵌入式系統(tǒng)和通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比具有如下特點(diǎn)：可裁剪性好、系統(tǒng)內(nèi)核小、功耗低、可靠性高、實(shí)時(shí)性好等。 嵌入式 Linux 和 Linux 應(yīng)用程序 開發(fā)沒有太大區(qū)別 ， 但是 ，嵌入式 Linux 系統(tǒng)的開發(fā)過程中同純粹基于 Linux 環(huán)境下的開發(fā)流程有著 一個(gè) 本質(zhì)的不同 之處 ：前者需要在宿主機(jī) 器 上交叉編譯、交叉調(diào)試， 而在目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行被調(diào)試程序；而后者都是 在通用 計(jì)算機(jī) 上進(jìn)行本機(jī)編輯， 本機(jī)編譯、 連接、 調(diào)試 、 運(yùn)行 的 。 UNIX，作為現(xiàn)代操作系統(tǒng)的祖先，從貝爾實(shí)驗(yàn)室流傳出來。而在 UNIX 的發(fā)展過程中，產(chǎn)生的 C 語言，是貝爾實(shí)驗(yàn)室對(duì)科技發(fā)展的又一重大貢獻(xiàn)。貝爾實(shí)驗(yàn)室的母公司 —— 美國電話和電報(bào)公司（ ATamp。T），見有利可圖，就禁止免費(fèi)使用 UNIX 并推出了收費(fèi)版本 UNIX System V 。之后 UNIX 分化成了許多不同分支和發(fā)行版本，最著名就是 Free BSD UNIX。 GNU，即 GNU’ s Not UNIX 。該組織建立與 1983 年，其目標(biāo)是創(chuàng)建一套完全免費(fèi)的、自由的 UNIXlike 系統(tǒng)。該組織編寫出了一個(gè)完整操作系統(tǒng)的大部分內(nèi)容，如編譯器、系統(tǒng)管理工具、網(wǎng)絡(luò)工具、 Office 套件、多媒體和繪圖軟件，除了內(nèi)核。 Linux 由 Linus Trovalds 于 1991 年發(fā)明，是 1990 年后出現(xiàn)的新學(xué)派 Unix 陣營（也包括 FreeBSD、 NetBSD、 OpenBSD 和 Darwin）的領(lǐng)頭羊，代表了整個(gè)陣營的設(shè)計(jì)方向 [3]。 一個(gè)叫 Linus 的大二學(xué)生寫出了一個(gè)內(nèi)核，被 GNU 看中，然后就有了今天的 Linux。 Linux，最大的特色是開源 和免費(fèi)，遵循著 GPL 開發(fā)者們可以根據(jù)自身需要靈活的進(jìn)行定制化開發(fā)，因此 也產(chǎn)生了相當(dāng)多的 Linux 的發(fā)行版本。 ARM 的介紹 嵌入式處理器 與 常見的 基 X86 架構(gòu)處理器 的 PC 相比，最大的優(yōu)勢 是低功耗。此外 ， 嵌入式操作系統(tǒng)是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，著眼于調(diào)度 所有 可以使用的資源南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文 ） 4 來完成實(shí)時(shí)控制任務(wù) ， 而桌面操作系統(tǒng)如 UNIX、 Linux 和 Windows 都是分時(shí)操作系統(tǒng)。 按照處理器內(nèi)核的體系結(jié)構(gòu)，可以將嵌入式處理器分為： MIPS 處理器、ARM處理器、 PowerPC 處理器、 ColdFire/68K 處理器等。 智能手機(jī)和平板電腦的 流行 ，讓 “ ARM”這一詞語頻繁出現(xiàn)在人們的視野中，普通人都常常能到報(bào)紙、電視上見到這個(gè)詞。什么事“ ARM”？ ARM 是Advanced RISC Machines （高級(jí)精簡指令集處理機(jī)）的縮寫，表示一種知識(shí)產(chǎn)權(quán)核 。 同時(shí) “ ARM” 也是一 家 公司的名稱 ， ARM 這家公司 于 1991 年 成立 于英國劍橋 ， 該公司的特點(diǎn)是 只設(shè)計(jì)基于 ARM 架構(gòu)的處理器內(nèi)核，再將該產(chǎn)品及相關(guān)專利授權(quán)給其他半導(dǎo)體 廠商 、軟件 廠商 和 OEM 廠商公司使用或生產(chǎn)，包括Intel、 Apple、微軟、三星、 高通 、 索尼等 [4]， ARM 公司本 身沒有任何工廠。 英特爾當(dāng)前是全球 PC 處理器的主導(dǎo)者，市場份額超過了 80%。但 2020 年全球 PC 市場在過去的 10年間首次出現(xiàn)下滑 ，而 ARM 的份額逐年穩(wěn)步增長。 ARM公司與 2020 年十月 發(fā)布的 CortexA50 核心 ，面向服務(wù)器領(lǐng)域，此番旨在同Intel 爭奪 其 基于 X86 體系的 服務(wù)器 市場。 幾乎 在 同時(shí) ， AMD 宣布 基于此核心來開發(fā) 64 位 ARM 架構(gòu)的 處理器 ，這使得 AMD 成為 業(yè)界 中 不僅唯一一家具有獨(dú)立制造 CPU 和 GPU 能力的 廠商，而且 將是唯一一家能 提供 基于 X86 和 ARM 架構(gòu)的處理器芯片的 廠商。 微軟于 2020 年 10 月發(fā)布基于 ARM 架構(gòu) CPU 的 Surface Windows RT，同時(shí)也意味著視窗操作系統(tǒng)從 Windows8 開始可以在 ARM 平臺(tái)上運(yùn)行了。 ARM 處理器分為如下幾個(gè)系列： ARM ARM ARM9E、 ARM10E、 ARM1CortexA CortexA CortexA15 等。 本畢業(yè)設(shè)計(jì)基于三星 S3C2440 的 XC2400 開發(fā)板，其微處理器為 基于 ARM9 內(nèi)核 的 ARM 920T。 Qt 的介紹 Qt 是挪威 TrollTech 公司開發(fā)的跨平臺(tái) C++圖形用戶界面研發(fā)工 具。 2020年該公司被 Nokia 收購。 2020 年 Nokia 公開了 Qt 的源代碼。 2020 年， Nokia南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文 ） 5 將 Qt 售予芬蘭軟件公司 Digia，而 Qt仍將保持開源。 Digia 計(jì)劃將 Qt 推廣到Andriod、 iOS 和 Windows 8 平臺(tái)。 Qt 的一個(gè)顯著特點(diǎn)是跨平臺(tái)特性。通過對(duì)不同平臺(tái)的私有 API，如文字處理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、進(jìn)程處理、線程、數(shù)據(jù)庫訪問等進(jìn)行封裝 。 Qt 可以在多個(gè)平臺(tái)（ Unix、 Linux、 Windows、 Mac 等）上運(yùn)行，從某種意義上講， Qt 類似于Microsof 的 MFC 或 Borland 的 VCL，都是 C++的一個(gè)函數(shù)庫。不同的是它封裝不同操作系統(tǒng)的訪問細(xì)節(jié)，而且能 實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)應(yīng)用 [5]。 QT 的版本比較多，對(duì)于初學(xué)者容易搞混?，F(xiàn)分別介紹： (1)Qt/X11 ： 是 指 用 專 門 于 Linux 或者 Unix 的 版 本 。 如 ： ，它是用于 PC 機(jī) linux 平臺(tái)的 Qt源碼包。 Linux 操作系統(tǒng)中的常見的 KDE 桌面就是用 Qt/X11 開發(fā)的 ； (2)Qt Windows：是指用于 Windows 的 Qt版本 ； (3)Qteverywhere：在配置 時(shí)加上不同參數(shù)的話，選擇性地編譯用于 X86，或者用于 ARM 平臺(tái) ,如 ； (4)Qt/Embedded：即 Qt/E。其是專門用于 ARM 平臺(tái)的 Qt 版本。如 ，它是用于嵌入式 ARM 的qt源碼包。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)將在 X86 平臺(tái)上安裝面向 Qt/X11 的 Qt，軟件版本為。安裝在 /opt 目錄下，在桌面會(huì)生出Qt Creator 快捷方式，打開后進(jìn)行一些參數(shù)的設(shè)置之后即可進(jìn)行程序的開發(fā)，例如指定 qmake 的路徑。 論文所做 的 工作和結(jié)構(gòu) 論文所做的工作 本畢業(yè)設(shè)計(jì)在 Red Hat Enterprise Linux 中安裝 Qt Creator 開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)在嵌入式 Linux 下的 MP3 播放器。能 通過圖形界面 控制播放和暫停、快進(jìn)快退、上下曲、音量增減、顯示歌曲狀態(tài)信息等功能。 本課題的主要研究內(nèi)容包括： (1)了解一個(gè)嵌入式 Linux 系統(tǒng)的開發(fā)流程； 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文 ） 6 (2)開發(fā)平臺(tái)的 搭建：包括交叉編譯環(huán)境的建立、環(huán)境變量的配置等； (3)掌握 Linux內(nèi)核的移植、開源 MP3音樂播放器的移植、用 Qt開發(fā)的程序 及其 移植； (1)了解 Bootloader 的功能和作用； (2)掌握嵌入式 Linux 的 程序 開發(fā) ，以及 編譯、調(diào)試 方法和步驟。 需要解決的 關(guān)鍵 性 問題： (1)熟悉嵌入式 Linux 和其開發(fā)流程中涉及的的裁剪和移植； (2)開源播放器 MPlayer 的移植和 播放 測試； (3)用 Qt 實(shí)現(xiàn)對(duì)播放器的 圖形 界面的開發(fā)，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。 論文結(jié)構(gòu) 本論文共分六章： 論文的第 一章， 是 緒論部分。主要是對(duì)課題的研究目的及意義，課題現(xiàn)狀以及作者所做的工作進(jìn)行簡略的介紹 ； 對(duì)嵌入式操作系統(tǒng) 進(jìn)行梳理和介紹和以比較 ； 介紹 ARM 體系的基本發(fā)展和特性 ； 對(duì) Qt 進(jìn)行基本的介紹。 第二章主要介紹了本系統(tǒng)的 硬件平臺(tái) 。 首 先 是對(duì)系統(tǒng)的整體架構(gòu)進(jìn)行了介紹 ； 對(duì)系統(tǒng)的硬件電路和 功能模塊進(jìn)行了介紹。 第三章主要是搭建嵌入式開發(fā)平臺(tái) 。 介紹 RedHat、 VMware Station 及其相關(guān)的使用和技巧。 第四章主要是詳細(xì) MPlayer 的 編譯和移植 工作，以及 Qt 程序的開發(fā)和移植工作。 第五章主要 是 實(shí)驗(yàn) 結(jié)果和畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中遇到的一些問題 。 第六章 是 總結(jié)與展望，回顧了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)及其中的不足 之處 。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文 ） 7 第 二 章 系統(tǒng) 總體方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)框架概述 根據(jù)嵌入式 MP3 媒體播放器系統(tǒng)的需求分析，本文選擇了 基于 ARM 9 內(nèi)核的處理器 的開發(fā)板 作為本系統(tǒng)的 實(shí)現(xiàn)的平臺(tái) ， 下文將對(duì)其 中 硬件設(shè)備做介紹。軟件 平臺(tái)選擇嵌入式 Linux 操作系統(tǒng) 。畢業(yè) 設(shè)計(jì)中的 開發(fā)平臺(tái)是 Red Hat Enterprise Linux 操作系統(tǒng) ，其 是 安裝 在 VMware Station 虛擬 化平臺(tái) 中的，可以方便的與 Windows 操作系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享 和傳輸 。 為了搭建整個(gè)開發(fā)環(huán)境， 還需要 交叉 建立 交叉編譯環(huán)境 。播放器系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)由 下到上為 :應(yīng)用層 （ Qt 、 MPlayer） 、操作系統(tǒng)層 (Linux)、驅(qū)動(dòng)層 （音頻驅(qū)動(dòng)、液晶屏幕驅(qū)動(dòng) 等 ） 和物理層 （ ARM 芯片以及外圍電路） 。 開發(fā)板硬件介紹 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)使用 XC2440 開發(fā)板，如圖 所示：包括 S3C2440 處理器、NAND Flash、 NOR Flash、 SDRAM、 串口、 下載接口 、音頻 解碼芯片和 接口、 LCD和觸摸屏接口、 時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文 ） 8 圖 XC2440 開發(fā)板 主要硬件 及其 參數(shù) ? CPU： 主頻 為 400MHz 的 三星 S3C2440A ? 內(nèi)存： 64M Bytes SDRAM ? 閃存 : 256M Bytes Nandflash + 2M Bytes Norflash ? 板載復(fù)位電路 ? 板載電源管理芯片