【文章內(nèi)容簡介】 應(yīng)用程序是執(zhí)行系統(tǒng)功能主要的軟件，是針對特定的實際專業(yè)領(lǐng)域的，基于相應(yīng)的嵌入式硬件平臺，同時需要完成用戶指定的預(yù)期任務(wù)的計算機(jī)軟件。它可以由一個任務(wù)來完成也可以由多個任務(wù)共同完成。嵌入式軟件的特點如下 1） 系統(tǒng)軟件的高實時性是其基本的要求 2） 多任務(wù)的實時操作系統(tǒng)成為嵌入式 應(yīng)用軟件的必須條件 3） 要求對軟件實現(xiàn)固態(tài)化存儲，因為一般完成設(shè)計的軟件程序都需要打包然 后放在操作系統(tǒng)中，需要時就運行應(yīng)用程序，一般不允許對其軟件程序進(jìn) 行修改。 4） 對代碼的要求高質(zhì)量、高可靠性。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 總體設(shè)計和軟硬件平臺的選擇 9 第三章 總體設(shè)計和軟硬件平臺的選擇 系統(tǒng)總體設(shè)計 該設(shè)計是一個單一的門禁控制系統(tǒng)，主要實現(xiàn)的是軟件控制部分的功能其系統(tǒng)組成的結(jié)構(gòu)如下圖。 圖 系統(tǒng)設(shè)計框圖 其中門禁控制器和門禁讀卡器將會是該門禁系統(tǒng)的核心部分，讀卡器讀取射頻門禁卡 上面的數(shù)據(jù)，并且對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼分析，然后將卡的信息通過 USB 發(fā)送給門禁控制器，門禁控制器再做相應(yīng)的動作，實現(xiàn)門禁控制的功能。本設(shè)計采用的是上、下位機(jī)分離的雙 CPU結(jié)構(gòu)，下位機(jī) MCU 通過 USB Slave 端口與上位機(jī) ARM USB Host 端口通信，上位機(jī)運行的是 ARMLinux 操作系統(tǒng)。本文的主要任務(wù)是 USB 轉(zhuǎn)串口驅(qū)動的移植和射頻讀卡器應(yīng)用程序的編寫 。 硬件平臺的選擇 本課題設(shè)計中的硬件部分主要是由三部分組成：門禁控制器、讀卡器、射頻門禁卡。其中門禁控制器采用了 S3C6410 處理器芯片，門禁控 制器外接基于STC12C5A60S2 單片機(jī)的射頻讀卡器，通過 USB 接口連接。 S3c6410 芯片介紹 S3c6410 是一個 16/32 位 RISC 微處理器，該處理器旨在為移動行業(yè)及一般領(lǐng)域的應(yīng)用提供一種具有成本效益、功耗低、性能高的解決方案。它為 和 3G通信服務(wù)提供優(yōu)化的硬件性能。 S3c6410 才用 64/32 位內(nèi)部總線架構(gòu)，由 AXI、AHB 和 APB 總線組成。它還包括許多強(qiáng)大的硬件加速器，并輕松支持像視頻處理，音頻處理，二維圖形，顯示操作和縮放的任務(wù)。內(nèi)部集成的一個多格式編碼器支持 MPEG4/，同時這個硬件解碼器支持實攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 總體設(shè)計和軟硬件平臺的選擇 10 時視頻會議和 NTSC、 PAL 模式的 TV輸出。具有一個三維圖形硬件加速器（簡稱3D 引擎），可以加速 OpenGL amp。 3c6410 結(jié)構(gòu)框圖如下圖： 圖 S3c6410結(jié)構(gòu)框圖 S3c6410 處理器特性主要如下： ? 基于 CPU子系統(tǒng)的 ARM1176JZFS 具有 Java 加速引擎， 16KB/16KB I/D 緩存和 16KB/16KB I/D TCM； ? 在 V時達(dá) 533 MHz， V時達(dá) 677 MHz； ? 一個 8 位 ITU 601/656 相機(jī)接口，支持 4M像素（縮放）或者 16M 像素（未縮放）； ? 多標(biāo)準(zhǔn)解碼器提供 30 幀每秒 MPEG4/視頻解碼； ? 具有 BITBLIT 和旋轉(zhuǎn)的 2D 圖形加速； ? 3D 圖形加速在 133MHz 時可達(dá) 4M 的三角形運算能力； ? AC97 音頻編解碼接口和 PCM串行音頻接口； ? 支持 1,2,4 或 8 像素 /位調(diào)色彩色顯示及 16 像素 /位無調(diào)色真彩顯示； 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 總體設(shè)計和軟硬件平臺的選擇 11 ? IIS 和 IIC 接口支持； ? 專用的 IrDA 接口支持 MIR、 FIR 及 SIR； ? 靈活配置的 GPIO 端口； ? OTG 端口支持高速傳輸（ 480 Mbps，片上收發(fā)器）； ? 端口主設(shè)備支持全速傳輸（ 12 Mbps，片上收發(fā)器）； ? SD/MMC/SDIO/CEATA 兼容卡主控制器； ? 實時時鐘，鎖相環(huán)，具有 PWM 的定時器和看門狗定時器； ? 32 通道 DMA 控制器； ? 支持 8 X 8 鍵盤矩陣； ? 先進(jìn)電源的管理適用于手機(jī)應(yīng)用； ? 存儲器子系統(tǒng) 支持 8 位或 16位數(shù)據(jù)總線的 SRAM/ROM/NOR Flash 接口； 支持 16 位數(shù)據(jù)總線的混合式 OneNAND 閃存接口； 支持 8 位數(shù)據(jù)總線的 NANDFlash 接口； 支持 32 位數(shù)據(jù)總線的 SDRAM 接口； 支持 32 位數(shù)據(jù)總線的移動 SDRAM 接口； 支持 32 位數(shù)據(jù)總線的移動 DDR 接口； MF RC500 射頻讀寫芯片 Philips 公司的 MIFARE 非接觸式智能標(biāo)簽在非接觸標(biāo)簽應(yīng)用領(lǐng)域占有全球80%的市場份額，是目前非接觸智能標(biāo)簽的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，也成為 ISO/IEC 1444322020 的工作草案。在 MIFARE 這一作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)平臺基礎(chǔ)上生產(chǎn)出來的 3000 萬張智能標(biāo)簽及 10億多次交易覆蓋全球眾多領(lǐng)域。隨著其應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，如公共交通、路橋收費、電 子機(jī)票、身份證、付費電話等，再加上應(yīng)用裝置的增加，與 MIFARE 相關(guān)的行業(yè)得到了長足的發(fā)展。 MF RC500 作為 Philips 公司的一款高度集成的讀寫器芯片，工作于 。該讀卡 IC 系列利用先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成在 下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議。工作的天線可以被直接近距離驅(qū)動（可達(dá) 100mm）通過內(nèi)部的發(fā)送部分，而不需要增加有源電路，一個堅固的解調(diào)和解碼電路構(gòu)成了接收器分，用于 ISO/IEC 14443 兼容的應(yīng)答器信號；數(shù)字部分處理 ISO/IEC 144322020 幀和錯誤檢測（奇偶校驗和 CRC）。此外，還支持用于驗證 MIGARE 系列產(chǎn)品的快速 CRYPTO1 加密算法。 MF RC500 可方便地用于各種基于 ISO/IEC 144431 標(biāo)準(zhǔn)并且要求低成本、小尺寸、高性能以及單電源的非接觸式通信的場合。MF RC500 的功能框圖圖下圖所示。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 總體設(shè)計和軟硬件平臺的選擇 12 圖 MFRC500功能框圖 由圖可知， MF RC500 內(nèi)部包括并行微控制接口、狀態(tài)和控制單元、中斷、數(shù)據(jù)處理單元、雙向 FIFO 緩沖區(qū)、安全和密碼控制單元、模擬電路接口及天線接口。MF RC500 的外部接口包括數(shù)據(jù)總線 、地址總線、控制總線（包含中斷和讀寫信號等）和電源等。 MFRC500 的并行微控制器接口自動檢測連接的 8 位并行接口的類型，它包含一個可配置的中斷輸出和一個易用的雙向 FIFO 緩沖區(qū)，為連接各種 MCU 提供了很大的靈活性，即使采用的器件的成本是非常低的也能滿足高速非接觸式通信的要求。數(shù)據(jù)處理部分執(zhí)行數(shù)據(jù)的串行 /并行轉(zhuǎn)換。支持的校驗包括 CRC 和奇偶校驗。 MF RC500 以完全透明的模式進(jìn)行操作，因此支持 ISO/IEC 144322020 的所有層。狀態(tài)和控制部分允許對器件進(jìn)行配置以適應(yīng)環(huán)境的影響，并將把性能調(diào)節(jié)到最 佳狀態(tài)。當(dāng)與 MIFARE Standard 和 MIFARE 通信時，使用高速 CRYPTO1 流密碼單元和一個可靠的非易失性密鑰存儲器。模擬電路包含一個具有阻抗非常低的橋驅(qū)動器輸出的發(fā)送部分，這使得最大操作距離可達(dá) 100mm。接收器可以檢測到并解碼非常弱的應(yīng)答信號。 MF RC500 引腳排列如下圖： 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 總體設(shè)計和軟硬件平臺的選擇 13 圖 MF RC500引腳排列圖 該器件為 32 引腳外形封裝（ Small Outline Package， SOP）。為達(dá)到 EMC 特性和信號解耦方面實現(xiàn)最佳性能期間使用了 3 個獨立的電 源。 MF RC500 同時具有出色的 RF性能并且在模擬部分和數(shù)字部分適應(yīng)不同的操作電壓。 MF RC500 的具有以下的優(yōu)良特性：高集成度模擬電路用于電子標(biāo)簽應(yīng)答的解調(diào)和解碼；緩沖輸出驅(qū)動電路使用最少數(shù)目的外部元件連接到天線；近距離操作（可達(dá) 100mm）；用于連接 石英晶體的快速內(nèi)部振蕩器緩沖區(qū)；時鐘頻率監(jiān)視；硬件復(fù)位是低功耗的；軟件實現(xiàn)掉電模式；并行微處理器接口帶有地址鎖存和 IRQ 線；微處理器并行接口類型可以自動檢測；接受 FIFO 緩沖區(qū)和易用的發(fā)送；面向位和字節(jié)的幀；唯一的序列號；支持防碰撞過程 ；片內(nèi)時鐘電路；支持MIFARE PRO 和 ISO/IEC 1444322020(透明模式且 T = “ CL” )；支持 Mifare Classic； CRYPTO1 以及具有可靠的內(nèi)部非易失性的密鑰存儲器；支持 MIFARE 有源天線；在高安全性的終端上非常適用。 軟件平臺的選擇 軟件是嵌入式系統(tǒng)的靈魂。一般包括 Boot Loader、嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式文件系統(tǒng)和應(yīng)用程序。其中，嵌入式操作系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)任務(wù)的調(diào)度、資源的分配等核心任務(wù)。 嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如下圖： 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 總體設(shè)計和軟硬件平臺的選擇 14 圖 嵌入式系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 選擇 Linux 操作系統(tǒng)的理由 在嵌入式領(lǐng)域有很多成熱的操作系統(tǒng) ,它們廣泛的應(yīng)用在各種領(lǐng)域，如 Linux、WindowsCE、 Vxworks、 pSOS 等，本設(shè)計中選擇 Linux 作為嵌入式開發(fā)的操作系統(tǒng) ,以下列舉了選擇嵌入式開發(fā)的 Linux 操作系統(tǒng)所具有的一些優(yōu)勢： （ 1） 嵌入式 Linux 有開放的源代碼。這讓程序開發(fā)者和愛好者，對 Linux 系統(tǒng)開發(fā)時可以隨意查看、修改，并且按照一定的協(xié)議，根據(jù)工程項目的要求進(jìn)行對操作系統(tǒng)的再次開發(fā)，保留非常有 的功能，那些多余的、以后添加新模塊也用不上的功能就不必要再出現(xiàn)了，實現(xiàn)了更有效果的利用存儲空間和其隨意裁剪的優(yōu)點。 （ 2） 成本低，可以不用花錢就能獲得源代碼。嵌入式 Linux 是開放源代碼的自由軟件，遵循 GPL 協(xié)議，它的源代碼可以自由獲得，使用嵌入式 Linux 開發(fā)嵌入式應(yīng)用，用于購買嵌入式操作系統(tǒng)的費用可以忽略不計。而商業(yè)操作系統(tǒng)每個拷貝售價在幾百美元到幾萬美元不等 ,如果需要操作系統(tǒng)的源代碼，則還需要另外購買。嵌入式 Linux 的開發(fā)工具也可以免費獲得。相比之下，嵌入式 Linux 這一優(yōu)點對于對成本和能耗極為敏感的嵌入 式產(chǎn)品是十分重要的。 （ 3） 網(wǎng)絡(luò)方面功能強(qiáng)大。 Linux 操作系統(tǒng)作為類 Unix 操作系統(tǒng)的典型，繼承了在服務(wù)器方面 Unix 安全可靠高效的特點，并且繼承了 Unix 支持的標(biāo)準(zhǔn)因特網(wǎng)協(xié)議，可以非常方便地搭建起一個簡易的服務(wù)器系統(tǒng)，長期運行，使得基于嵌入式的 Linux 服務(wù)器在小型服務(wù)器領(lǐng)域上有強(qiáng)的競爭優(yōu)勢。 （ 4）有優(yōu)良且豐富的開發(fā)工具。在項目開發(fā)時，不僅需要具體的實施流程圖，有一套完善的開發(fā)工具和檢測軟件也是必不可少的。正是由于在 Linux 有開源的代碼和任何人都能在遵循一定協(xié)議的情況下修改源碼，把它變得更精壯更能有效攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 總體設(shè)計和軟硬件平臺的選擇 15 的利 用硬件資源，很多資源都是能在 Linux 社區(qū)找到，同時也開發(fā)工具的機(jī)構(gòu)看到了商機(jī)，開發(fā)出了強(qiáng)大的開發(fā)工具讓很多的開發(fā)者使用。例如交叉編譯工具，它跨越了不同的平臺實現(xiàn)了在強(qiáng)大的 CPU 下編譯目的，而編譯出來的可執(zhí)行程序針對的其它硬件平臺的，這種獨創(chuàng)性的工具節(jié)省了很多過程上繁瑣的細(xì)節(jié)問題，讓開發(fā)過程變得輕松。 （ 5）在硬件方面有很多嵌入式 Linux 都能有效的支持。十多種硬件平臺都能夠成功地移植其中包括 X8 ARM、 MIPS、 PowerPC、 ALPHA 體系結(jié)構(gòu)，高開放度的源碼讓很多的開發(fā)者能在流行的 CPU 上開發(fā)，使 得 Linux 能很好支持各種主流的設(shè)備和出現(xiàn)更新的硬件技術(shù)。 （ 6）很好的可移植性。作為一種可移植的操作系統(tǒng)， Linux 絕大多數(shù)的計算機(jī)平臺上很好的運行。為不同計算機(jī)平臺之間的通信提供了便利的條件，同時傳統(tǒng)的通信接口也是 Linux 可移植性具體表現(xiàn)。 （ 7）安全可靠的系統(tǒng)。 Linux 用很多用于保護(hù)資源信息的技術(shù)措施，使其變得安全。如對文件和目錄實現(xiàn)的讀、寫權(quán)限的控制，有有效的進(jìn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實時查看內(nèi)存運行狀態(tài)， Root 權(quán)限實現(xiàn)管理員對操作系統(tǒng)最大限度的控制和操作 。 bootloader 的選擇 當(dāng) 按下 PC 的啟動電腦時， CPU 會首先運行固話在 CMOS 中的 BIOS（ Baisc Input Output System）程序。 BIOS 程序的主要任務(wù)是對各種硬件設(shè)備進(jìn)行自檢和初始化，然后運行位于硬盤 MBR（ Master Boot Recor