【文章內(nèi)容簡介】 系統(tǒng)是嵌入式操作系統(tǒng)的一部分，它的任務(wù)是對邏輯文件進(jìn)行管理，其工作包括提供對邏輯文件的操作（復(fù)制、刪除、修改等 ） 接口，方便用戶操作文件和目錄。在文件系統(tǒng)內(nèi)部，根據(jù)存儲設(shè)備的特點(diǎn)，使用不同的文件組織模式來實(shí)現(xiàn)文件的邏輯結(jié)構(gòu)。此外，文件系統(tǒng)要對管理文件的安全性負(fù)責(zé)。文件系統(tǒng)不能直接控制物理設(shè)備，它是通過 FLASH 驅(qū)動實(shí)現(xiàn)控制的。目前 FLASH支持的文件系統(tǒng)技術(shù)主要有 JFFS2， YAFFS2， TrueFFS， FTL／ NTFL， RAMFS，CRAMFS 和 ROMFS 等 等。本系統(tǒng)采用的是 CRAMFS 文件系統(tǒng)和 YAFFS 文件系統(tǒng)并存，并采用 Ramdisk 在內(nèi)存中模擬硬盤分區(qū)。 CRAMFS 是針對 Linux 內(nèi)核 2． 4 之后的版本所設(shè)計(jì)的一種新型文件系統(tǒng)，是一個只讀壓縮的文件系統(tǒng)，其主要優(yōu)點(diǎn)是將文件數(shù)據(jù)以壓縮形式存儲，在需要時進(jìn)行解壓縮。一般嵌入式存儲器價格比較高，用 CRAMFS 文件系統(tǒng)比較省空間，對于 FLASH 這樣的小系統(tǒng)， CRAMFS 是十分不錯的選擇。不過也是由于文件形式是壓縮的格式，所以文件系統(tǒng)不能在 FLASH 上直接運(yùn)行。雖然可以節(jié)約不少 FLASH 空間，但是文件系統(tǒng)運(yùn)行時需要 將大量的數(shù)據(jù)復(fù)制到 RAM 中，因此消耗了 RAM 空間。 YAFFS 類似于 JFFS／ JFFS2，是專門為 NAND閃存設(shè)計(jì)的嵌入式文件系統(tǒng)，根據(jù) NAND 閃存以頁面為單位存取的特點(diǎn)，將文件組織成固定大小的數(shù)據(jù)段。利用 NAND 閃存提供的每個頁面 16 字節(jié)的備用空間來存放 ECC（ Error Correction Code） 和文件系統(tǒng)的組織信息，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)錯誤檢測和壞塊處理，也能夠提高文件系統(tǒng)的加載速度。 YAFFS 采用一種多策略混合的垃圾回收算法，結(jié)合了貪心策略的高效性和隨機(jī)選擇的平均性，達(dá)到了兼顧損耗平均和系統(tǒng)開銷的目的。 它是日志結(jié)構(gòu)的文件系統(tǒng)，提供了損耗平衡和掉電保護(hù)，可以有效地避免意外掉電對文件系統(tǒng)一致性和完整性的影響。 YAFFS 文件系統(tǒng)是按層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，分為文件系統(tǒng)管理層接口、 YAFFS 內(nèi)部實(shí)現(xiàn)層和 NAND 接口層，這樣就簡化了其與系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)，可以方便地集成到系統(tǒng)中去。與 JFFS 相比，它減少了一些功能，因此速度更快，占用內(nèi)存更少 [3]。 綜合考慮，本系統(tǒng)采用兩種文件系統(tǒng)相結(jié)合的方法，使用 CRAMFS 作為根文件 10 信息科 學(xué)與技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)，并添加對 YAFFS 文件系統(tǒng)的支持。 Ramdisk 相當(dāng)于一塊硬盤空間，可以理解為在內(nèi)存中虛擬出來一塊硬 盤，所以上面有系統(tǒng)支持的各種文件系統(tǒng) [4]。 Ramdisk 的特點(diǎn)之一就是速度快，因?yàn)樗窃?RAM中運(yùn)行的。不過由于 RAM 是掉電不保存的，所以系統(tǒng)在每次重啟時，前面的工作無法保存，所以需要在 FLASH 中劃出一個 Ramdisk 和另一個文件系統(tǒng) YAFFS，這樣，數(shù)據(jù)文件可以保存在 YAFFS 分區(qū)中。另外，本系統(tǒng)需要 MTD（ MemoryTechnology Devices，內(nèi)存技術(shù)設(shè)備 ） 的支持。 MTD 是對 FLASH 操作的接口，提供了一系列的標(biāo)準(zhǔn)接口函數(shù)，將硬件驅(qū)動和系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)分開，硬件驅(qū)動人員不用了解存儲設(shè)備的組織 方法，只需要提供標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)調(diào)用，比如讀、寫等等。 嵌入式 Linux 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) ARM 處理器簡介 ARM 嵌入式微處理器是全球領(lǐng)先的 16／ 32 位 RISC 處理器芯片知識產(chǎn)權(quán)設(shè)計(jì)供應(yīng)商 ARM（ AdvancedRISCMachines）公司的產(chǎn)品。 ARM 公司本身不直接從事芯片生產(chǎn)，而是靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計(jì)許可，由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯片。 ARM 處理器以其完整的體系結(jié)構(gòu)發(fā)展系列，極小的體積、極低的功耗、極低的成本、極高的性能，及時根據(jù)嵌入對象的不同進(jìn)行功能上的擴(kuò)展的優(yōu)勢，在眾多種類的嵌入式微處理器中脫穎而出。基于 ARM 技術(shù)的微處理器應(yīng)用占據(jù)了 32 位 RISC 微處理器 75％以上的市場份額， ARM 技術(shù)正在逐步滲入到我們生活的各個方面。采用 RISC 架構(gòu)的 ARM微處理器一般具有如下特點(diǎn) [5]： （ 1） 支持 Thumb（ 16 位 ） ／ ARM（ 32 位 ） 雙指令集，能很好的兼容 8 位／ 16位器件 ； （ 2） 大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快； （ 3） 加載／存儲結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)處理的操作只針對寄存器的內(nèi)容，而不直接對存儲器進(jìn)行操作； （ 4） 簡單的尋址模式，所有加載／存儲的地址都只由寄存器的內(nèi)容和指令域決 11 信息科 學(xué)與技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 定，執(zhí)行效率高； （ 5） 統(tǒng)一的和固 定 的指令域，簡化了指令的譯碼； （ 6） 每一條數(shù)據(jù)指令都對算術(shù)邏輯單元 （ ALU)和移位器進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)對ALU 和移位器的最大利用； （ 7） 址自動增加和自動減少的尋址模式實(shí)現(xiàn)了程序循環(huán)的優(yōu)化； （ 8） 多存儲器加載和存儲指令實(shí)現(xiàn)了最大數(shù)據(jù)吞吐量； （ 9)所有指令 的條件執(zhí)行實(shí)現(xiàn)了最快速的代碼執(zhí)行。 目前， ARM 處理器有 ARM ARM ARM9E、 ARMl0、 ARMll 和 SecurCore等系列。每個系列除了具有 ARM 體系結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)以外，都有各自的 特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域 [1]。 12 信息科 學(xué)與技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 3 3G 智能機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) 軟件開發(fā)平臺設(shè)計(jì) 3G 智能機(jī)器人的軟件開發(fā)平臺采用基于行為的控制思想，系統(tǒng)構(gòu)架遵循面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)風(fēng)格，通過各種抽象類的組合來組織代碼，條理清晰便于理解。軟件構(gòu)架層次關(guān)系如圖 31 所示。 圖 31 系統(tǒng)軟件框架 硬件通訊層：是一些直接與硬件設(shè)備通訊的對象，這里包括一個機(jī)器人主體的數(shù)據(jù)交流的串口通訊對象。視頻捕捉因?yàn)閷νㄓ嵥俾?要求很高，通過 USB 鏈接，所以其設(shè)備對象與機(jī)器人主體獨(dú)立開。工程中的硬件通訊層基類為 IBhy，這是一個抽象類，具體的硬件類都從這個基類派生，如里面的串口硬件類為 CRoSCom[6]。 指令協(xié)議層：這一層是機(jī)器人控制構(gòu)架的核心，指令協(xié)議對象將進(jìn)行機(jī)器人實(shí)體控制指令的編制以及對下位機(jī)返回的傳感器數(shù)據(jù)和機(jī)器人狀態(tài)的解析轉(zhuǎn)換。工程的指令協(xié)議層類為 CRoCmd，其成員函數(shù)包含了對機(jī)器人的所有的基本操作 [6]。 行為層：這一層是一些抽象類行為的對象，這些對象通過協(xié)議對象的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行局部的行為規(guī)劃，并操作協(xié)議對象向機(jī) 器人底層發(fā)送控制指令。這一層雖然并電腦， 3G 手機(jī)登遠(yuǎn)程終端 仲裁決策對象 機(jī)器人指令對象 視頻捕捉控制對象 硬件通信對象 視頻輸入設(shè)備實(shí)體 機(jī)器人主體設(shè)備 其他設(shè)備 13 信息科 學(xué)與技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 存了很多對象，但是同一時刻只能允許一個行為對象與協(xié)議對象連接，以避免出現(xiàn)行為混亂的情形。機(jī)器人的各種行為切換通過改變與協(xié)議層連接的行為對象來實(shí)現(xiàn)。工程中的行為層基類為 IBhavior，與硬件層一樣這只是一個抽象類，它本身包括了所有可能的傳感器信息返回函數(shù) [6]。 決策層：這一層是機(jī)器人本地的最高層，仲裁對象通過本地傳感器數(shù)據(jù)、機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)以及遠(yuǎn)程端發(fā)來的指令數(shù)據(jù)進(jìn)行各種行為組織。它既可以直接操作協(xié)議層對象發(fā)送機(jī)器人控制指令，也能通過行為對象的切換間接控制機(jī)器人的運(yùn)行。決策層在工程中并不以單獨(dú)的形式出現(xiàn)，是由一系列通訊類和行為替換操作組成。根據(jù)應(yīng)用的不同可分為單行為決策結(jié)構(gòu)，聚合式行為決策結(jié)構(gòu)以及包容式行為結(jié)構(gòu) [6]。 上面介紹了一種基于 ARM9 嵌入式系統(tǒng)的 3G 智能機(jī)器人的基本組成模塊，軟件層次的設(shè)計(jì)，這種方案較好的做到了在成本和性能上的妥善處理，改善了開發(fā)研究過程 ,同時也為其他類型的 3G 機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了一個參考，如擬人型機(jī)器人。嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的軟硬件技術(shù)， 3G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，各種應(yīng)用層出不窮將這些技術(shù)融合到機(jī)器人的設(shè)計(jì)中 ,有助于提高機(jī)器人的綜合性能。 機(jī)器人控制器硬件設(shè)計(jì) 3G 智能機(jī)器人可以在 Android 手機(jī)上安裝項(xiàng)目開發(fā)的 Android 程序，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制智能機(jī)器人。機(jī)器人利用其豐富的傳感器實(shí)時檢測周圍的環(huán)境參數(shù)，并在遇到緊急情況時主動通知用戶。機(jī)器人和手機(jī)間可以實(shí)現(xiàn)視頻、語音等多媒體通訊。用戶可以通過手機(jī)控制機(jī)器人運(yùn)動，也可以通過機(jī)器人控制家中的其它智能設(shè)備。 3G智能機(jī)器人包括傳感器技術(shù) ， RFID 射頻識別技術(shù)， Wifi 通訊技術(shù)， Android 手機(jī)開發(fā)技術(shù)，音、視頻采集、處理技術(shù)，多媒體傳輸技術(shù)， Linux 驅(qū)動編程技術(shù)，電源管理技術(shù)，電機(jī)控制技術(shù) ， Linux 網(wǎng)絡(luò)開發(fā)技術(shù)， Linux 其它應(yīng)用編程技術(shù)， ARM 開發(fā)技術(shù) [6]， 由于時間和條件的限制， 結(jié)構(gòu)還不是非常的晚上，所以 用于實(shí)際工程還需要進(jìn)行 一些功能的完善。其硬件系統(tǒng)框如 32 所示。 14 信息科 學(xué)與技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 圖 32 硬件框架圖 DFPPRK 是基于 Android 開源項(xiàng)目的全向移動機(jī)器人平臺，機(jī)器人平臺機(jī)身采用高檔拉絲氧化鋁材料制造，外觀美觀并且堅(jiān)固耐用。 DFPPRK 裝備有三個可全向運(yùn)動的輪子，能夠靈活地在家具之間穿行。自由度云臺可方便安裝攝像頭。在平臺上可添 加 PDA， MID 等主控設(shè)備即可組成可通過 WiFi 無線網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)的機(jī)器人，這樣以來便可通過計(jì)算機(jī)或是手機(jī)對環(huán)境情況進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)控。 由于時間和條件的限制， 所以 用于實(shí)際工程還需要進(jìn)行 一些功能的完善。 遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端的設(shè)計(jì) 首先在自己腦海中要把思路理清楚，然后一步一步的去實(shí)現(xiàn)，客服端主要的操作流程如圖 33。 圖 33 客服端的過程圖 服務(wù)端開啟監(jiān)聽和視頻等服務(wù) 在客服端，點(diǎn)擊按鈕，顯示基本信息 客服端顯示機(jī)器人的視頻和相關(guān)信息 客服端通過點(diǎn)擊按鈕完成對機(jī)器人和 led 控制 機(jī)器人或 led 執(zhí)行命令且返回 點(diǎn)擊退出按鈕結(jié)束 ARM9 平臺 嵌入式 Linux+Web 語音模塊 WiFi 模塊 無線通訊模塊 煙霧模塊 紅外線模 塊 SD 卡模塊 觸摸屏模塊 電機(jī)控制 模塊 云臺攝像模塊 GPRS 模塊 15 信息科 學(xué)與技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 控制客服端操作界面主要的文件是 ，這個函數(shù)里面主要用到的結(jié)構(gòu)體就是 cgimand 結(jié)構(gòu)體 [7]。 typedef struct cgi_mand { nv_set *pdata。 //傳送過來的數(shù)據(jù)指針主要是指網(wǎng)頁傳過來的數(shù)據(jù) int count。 //cgi 傳功來的數(shù)據(jù)一共有多少段 int led。 //這個 cgi 密令是要控制那個 LED int states。 //需要控制的狀態(tài)是什么電燈 int robot。 //對機(jī)器人控制的命令 }mand。 上面的結(jié)構(gòu)體就是主要的結(jié)構(gòu)體，其中 pdata 就是獲取網(wǎng)頁傳送過 來的數(shù)據(jù)，比如當(dāng)我們在網(wǎng)頁中點(diǎn)擊機(jī)器人向前走的按鈕，那么 *pdada 的值就是“ w“ ,然后就是向管道寫入向前走的命令，在管道的一端是一直在后臺運(yùn)行讀取的命令，當(dāng)我們寫入命令的時候，管道的另一端就是讀取我們寫入的值，然后就是響應(yīng)的操作。其中對機(jī)器人的控制主要有下面幾個操作： w 表示向前走； a 表示向左走； x 表示向后走； d 表示向右走； s 表示停止； q 表示左旋轉(zhuǎn)； e 表示右旋轉(zhuǎn)； z 攝像頭抬頭； c 攝像頭低頭。 這些就是代表機(jī)器人的動作，這樣動作就可以幫助我 們拍攝出來不同角度的視頻的圖片。 在 中主要的操作函數(shù)是： 16 信息科 學(xué)與技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 int get_input()； //這個函數(shù)用來獲得 cgi 數(shù)據(jù)并解析后放到 nv 數(shù)組中 int cmd_init(mand *cmd)； //將獲得的數(shù)據(jù)處理后填充 cmd 結(jié)構(gòu)體 int led_control(mand *cmd)； //將 cmd 結(jié)構(gòu)體轉(zhuǎn)化為具體的控制動作 int robot_control(mand *cmd)； //根據(jù)獲取的信息來對機(jī)器人發(fā)送不同的命令 我們按照先獲取 cgi 數(shù)據(jù)，然后填充 cmd 結(jié)構(gòu)體，然后調(diào)用 led_control 函數(shù)和 robot_control 函數(shù)這樣就可以實(shí)現(xiàn)對 led 燈、機(jī)器人的控制了。 17 信息科 學(xué)與技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) boa 服務(wù)器的搭建 boa 服務(wù)器介紹 我們通過設(shè)計(jì) WEB 服務(wù)器，使用戶能通過瀏覽器訪問設(shè)備上的 Web 服務(wù)器來遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場設(shè)備。嵌入式 Linux 下，系統(tǒng)資源是非常有限的 [8]，因此我們選擇 Web