【文章內(nèi)容簡介】 ，以 S3C2440 芯片為核心設(shè)計(jì)控制中心的軟硬件。 嵌入式Linux嵌入式linux 是將日益流行的Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行裁剪修改，使之能在嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上運(yùn)行的一種操作系統(tǒng)。嵌入式linux既繼承了Internet上無限的開放源代碼資源，又具有嵌入式操作系統(tǒng)的特性。嵌入式Linux的特點(diǎn)是版權(quán)費(fèi)免費(fèi)。購買費(fèi)用媒介成本技術(shù)支持全世界的自由軟件開發(fā)者提供支持網(wǎng)絡(luò)特性免費(fèi)，而且性能優(yōu)異，軟件移植容易，代碼開放，有許多應(yīng)用軟件支持，應(yīng)用產(chǎn)品開發(fā)周期短，新產(chǎn)品上市迅速，因?yàn)橛性S多公開的代碼可以參考和移植，實(shí)時(shí)性能RT_Linux Hardhat Linux 等嵌入式Linux支持，實(shí)時(shí)性能穩(wěn)定性好安全性好[9]。嵌入式操作系統(tǒng)有Palm OS，Windows CE，EPOC，Linux CE，QNX，ECOS，LYNX，高端嵌入式系統(tǒng)要求許多高級的功能，如圖形用戶界面和網(wǎng)絡(luò)支持。很多高端RTOS供應(yīng)商已經(jīng)提供了這些功能，但其價(jià)格也很昂貴。微軟的Windows CE也有此類功能，卻不具備大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)要求的實(shí)時(shí)性能，而且難以移植。嵌入式Linux操作系統(tǒng)以價(jià)格低廉、功能強(qiáng)大又易于移植而正在被廣泛采用，成為新興的力量，所以，眾多商家紛紛轉(zhuǎn)向了嵌入式Linux。與其他的操作系統(tǒng)相比，采用Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)有著明顯的優(yōu)勢[5]：（1）低成本開發(fā)系統(tǒng) Linux是自由的操作系統(tǒng)，它的開放源代碼使用戶獲得了最大的自由度。由于嵌入式系統(tǒng)千差萬別，往往需要針對特定的應(yīng)用修改和優(yōu)化系統(tǒng)，這樣一方面大大降低了開發(fā)的成本，另一方面又可以提高產(chǎn)品的開發(fā)效率。并且還可在Linux社區(qū)中獲得支持，用戶只需要向郵件列表發(fā)一封郵件，即可獲得作者的支持。（2）支持多種體系結(jié)構(gòu)Linux可支持X8PowerPC、ARM、XSCALE、MIPS、SH、68K、Alpha、SPARC等多種體系結(jié)構(gòu)，目前Linux已被一直到數(shù)十種硬件平臺上，幾乎所有流行的CPU Linux都支持。這對于經(jīng)費(fèi)、時(shí)間受限制的研究與開發(fā)項(xiàng)目極具吸引力?，F(xiàn)在Linux已經(jīng)可以在沒有MMU（內(nèi)存管理單元模塊）的處理器上運(yùn)行，這種沒有MMU的處理器在嵌入式領(lǐng)域中應(yīng)用得相當(dāng)普遍。這就進(jìn)一步促進(jìn)了Linux在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用。（3）大小功能可定制Linux具有獨(dú)特的內(nèi)核模塊機(jī)制，它可根據(jù)用戶的需要，實(shí)時(shí)地將某些模塊插入到內(nèi)核中或者從內(nèi)核中移除，并能根據(jù)嵌入式設(shè)備的個(gè)性需要量體裁衣。裁剪后的Linux內(nèi)核最小可達(dá)到150KB以下，尤其適合嵌入式領(lǐng)域中資源受限的情況。（4）性能優(yōu)異Linux系統(tǒng)精簡、高效和穩(wěn)定，能夠充分發(fā)揮硬件的功能，因此它比其他操作系統(tǒng)的運(yùn)行效率更高。在個(gè)人計(jì)算機(jī)上使用Linux，可以將它作為工作站。它也非常適合在嵌入式領(lǐng)域中應(yīng)用，對比其他操作系統(tǒng)，它占用的資源更少，運(yùn)行更穩(wěn)定，速度更快。（5）完善的網(wǎng)絡(luò)通信、圖形和文件管理機(jī)制Linux是首先實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧的操作系統(tǒng)，它的內(nèi)核結(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)方面是非常完整的，并提供了對包括十兆位、百兆位及千兆位的以太網(wǎng)，還有無線網(wǎng)絡(luò)、Token ring（令牌環(huán)）和光纖甚至衛(wèi)星的支持，這對現(xiàn)在依賴于網(wǎng)絡(luò)的嵌入式設(shè)備來說無疑是很好的選擇。 GSM通信技術(shù)1) GSM概述[21]GSM，全稱是Global System for Mobile Communiations，中文為:全球移動通訊系統(tǒng)，是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的移動電話標(biāo)準(zhǔn)。GSM是一種起源于歐洲的移動通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是第二代移動通信技術(shù)，其開發(fā)目的是讓全球各地可以共同使用一個(gè)移動電話網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，讓用戶使用一部手機(jī)就能行遍全球。全球超過200個(gè)國家和地區(qū)超過10億人正在使用GSM電話。GSM標(biāo)準(zhǔn)通過“漫游協(xié)定”使得移動電話在不同運(yùn)營商之間自由漫游變得平常。GSM較之它以前的標(biāo)準(zhǔn)最大的不同在于GSM使用的信令和語音信道都是數(shù)字式的，因此GSM被看作是第二代(ZG)移動電話系統(tǒng)。 2) GSM模塊中的AT指令[22]AT即Attention，AT指令集是從終端設(shè)備(Terminal Equipment，TE)或數(shù)據(jù)終端設(shè)備(Data Terminal Equipment，DTE)向終端適配器(Terminal Adapter，TA)或數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備(Data Circuit Terminal Equipment，DCE)發(fā)送的。通過TA、TE發(fā)送AT指令來控制移動臺(Mobile Station，MS)的功能，與GSM網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)進(jìn)行交互。用戶可以通過AT指令進(jìn)行呼叫、短信、電話本、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、傳真等方面的控制。用戶可以通過串口發(fā)送AT命令，即可使用GSM模塊。串行線對端的應(yīng)用設(shè)備包括終端設(shè)備TE、數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE（Data Terminal Equipment）或其他應(yīng)用設(shè)備。這些終端或應(yīng)用設(shè)備一般運(yùn)行在嵌入式系統(tǒng)里。 本章總結(jié)本章主要對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行簡單闡述。第4章 智能家居硬件平臺設(shè)計(jì) 嵌入式Linux硬件環(huán)境構(gòu)建 主機(jī)與目標(biāo)板結(jié)合的交叉開發(fā)模式開發(fā)PC機(jī)上的軟件時(shí)，可以直接在PC機(jī)上編輯、編譯、調(diào)試軟件，最終發(fā)布的軟件也在PC機(jī)上運(yùn)行。對于嵌入式開發(fā)，最初的嵌入式設(shè)備是一個(gè)空白的系統(tǒng)，需要通過主機(jī)（即PC機(jī)）為它構(gòu)建基本的軟件系統(tǒng)，并燒寫到設(shè)備中；另外，嵌入式設(shè)備的資源并不足以用來開發(fā)軟件。所以需要用到交叉開發(fā)模式：在主機(jī)上編輯、編譯軟件，然后在目標(biāo)板（即嵌入式設(shè)備）上運(yùn)行、驗(yàn)證程序。燒寫、啟動Bootloader后，就可以通過Bootloader的各類命令來下載、燒寫、運(yùn)行程序了。啟動嵌入式Linux后，也是通過執(zhí)行各種命令來啟動應(yīng)用程序的。一般通過串口來進(jìn)行輸入/輸出。所以交叉開發(fā)模式中，主機(jī)與目標(biāo)板通常需要3種連接：JTAG、串口、網(wǎng)絡(luò)，如圖41所示：圖41 交叉開發(fā)模式圖 硬件資源 ARM核心板1) CPU處理器選用Samsung S3C2440,內(nèi)核為ARM920T，主頻為400MHZ，最高533Mhz；2) SDRAM支持64M128M，DDRSDRAM；32bit數(shù)據(jù)總線；SDRAM時(shí)鐘頻率高達(dá)100MHz；可根據(jù)客戶要求更改；3) FLASH Memory支持64M1GNANDFLASH。 板載64MNandFlash,掉電非易失；可根據(jù)客戶要求更改；4) 系統(tǒng)時(shí)鐘源12M無源晶振。 核心板電路說明S3C2440A微處理器是一款由Samsung半導(dǎo)體公司為手持設(shè)備和各種多用途應(yīng)用設(shè)計(jì)的，低功耗、成度的微處理器，采用289腳FBGA封裝，包含ARM920T內(nèi)核。 其內(nèi)部包含以下功能模塊：1) 。具有16KB 一體化的Cache/MMU； 2) 具有外部存儲器控制器（SDRAM控制和片選邏輯）； 3) LCD 控制器（支持高達(dá) 4K色的 STN屏和 256K色的 TFT 型液晶屏，具有 LCD專用DMA）； 4) 4通道DMA控制器，具備外部請求腳； 5) 3通道UART（，64字節(jié)的發(fā)送 FIFO，64 字節(jié)的接收FIFO）； 6) 2通道SPI； 7) 1路多主模式的IIC總線； 8) 1路IIS音頻編解碼器接口； 9) MMC 卡協(xié)議； 10) 2路全速USB主設(shè)備，其中1路可以作為 USB 從設(shè)備（ 協(xié)議）； 11) 4路 PWM定時(shí)器/1路內(nèi)部定時(shí)器/看門狗定時(shí)器； 12) 8路10位ADC，其中4路可以作為觸摸屏接口； 13) 具有日歷功能的RTC時(shí)鐘； 14) 攝像頭接口（最大輸入支持40964096 像素，畫面縮放最大輸入支持2048 2048 ；15) 具有130路通用I/O口和24 路外部中斷源； 16) 電源控制：正常模式，慢速模式，空閑模式和掉電模式； 17) 片內(nèi)倍頻鎖相環(huán)PLL，MPLL產(chǎn)生的操作MCU的時(shí)鐘最大為400MHz@。 GPRS模塊硬件功能介紹： 1) 采用 BENQ M23G GSM/GPRS Class 10 三頻模塊，符合 ETSI GSM phase 2+,通訊功能：支持 GSM 語音，傳真，短消息及 GPRS 數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋? 2) 一個(gè) SIM卡卡座； 3) 兩個(gè)串口接口，一個(gè)是 RS232 電平，另一個(gè)是TTL電平，通過跳線選擇； 4) 音頻輸入和音頻輸出，可以進(jìn)行接聽電話； 5) 一個(gè)蜂鳴器，有帶電提醒功能； 6) 一個(gè)復(fù)位按鈕，一個(gè)啟動按鈕； 7) 一個(gè)電源指示燈，一個(gè) GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)信號燈； 8) 電源輸入直流 5～12V。 9) 外觀如圖42所示：圖42 GPRS模塊外觀圖 RFID模塊采用GIRF500讀卡模塊， 1) 其模塊特征 （1）讀寫ISO14443A協(xié)議的Mifare One卡； （2）UART串行接口，能外接RS232或RS485； （3）發(fā)光二極管驅(qū)動引腳指示模塊當(dāng)前狀態(tài)；2) 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議描述（1）模塊采用的通信協(xié)議用于計(jì)算機(jī)(PC)或別的 CPU 和模塊之間連接,標(biāo)準(zhǔn)的 RS232 接口； （2）協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)起始格式是(19200,N,8,1)：波特率 無校驗(yàn),8 位數(shù)據(jù)位,1 位結(jié)束位； （3）通信必須先由主機(jī)發(fā)送命令和數(shù)據(jù)給GiRF500, GiRF500收到并執(zhí)行命令后將命令執(zhí)行的狀態(tài)和響應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)回主機(jī)。主機(jī)需設(shè)最長1s的等待響應(yīng)時(shí)間。 3) 外觀如圖43所示：圖43 RFID模塊外觀圖 本章小結(jié)本章對主要嵌入式Linux硬件環(huán)境構(gòu)建和硬件資源進(jìn)行了具體說明。第5章 智能家居軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)環(huán)境包括兩個(gè)方面：PC機(jī)與S3C2440 ARM開發(fā)平臺。編譯環(huán)境分為兩種，一種是本機(jī)編譯，另一種是交叉編譯。本機(jī)編譯是為了讓服務(wù)器端的軟件在PC機(jī)上可以運(yùn)行，交叉編譯時(shí)為了讓客戶端的軟件可以再ARM平臺上運(yùn)行。Linux操作系統(tǒng)具有硬件和文檔支持豐富、源碼開放、內(nèi)核穩(wěn)定及網(wǎng)絡(luò)功能豐富等特點(diǎn)，成為嵌入式操作系統(tǒng)的理想選擇。基于Linux的智能家居系統(tǒng)的基本軟件平臺開發(fā)過程主要包括:引導(dǎo)程序的移植、Unix內(nèi)核的修改、配置和移植、文件系統(tǒng)的選擇及圖形界面GUI的移植、驅(qū)動程序的設(shè)計(jì)等。在完成嵌入式軟件基本平臺的搭建后，需要進(jìn)行Boa的移植，以支持WEB訪問。最后，還需要根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用的不同，編寫應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)特定的功能。智能家居系統(tǒng)的軟件架構(gòu)如圖51所示:圖51 智能家居系統(tǒng)的軟件架構(gòu)圖PC機(jī)上通過VMware Workstation 虛擬機(jī)來運(yùn)行Red Hat Enterprise Linux 5操作系統(tǒng)，選用的開發(fā)工具為Redhat自帶的Qt/Embedded。Qt是一個(gè)跨平臺應(yīng)用程序和UI開發(fā)框架。使用Qt只需一次性開發(fā)應(yīng)用程序，無須重新編寫源代碼，便可跨不同桌面和嵌入式操作系統(tǒng)部署這些應(yīng)用程序。作為系統(tǒng)加電后運(yùn)行的第一段軟件代碼，引導(dǎo)加載程序即Bootloader，完成初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間映射圖等工作，將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境創(chuàng)造合適的狀態(tài)，為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境必。在嵌入式系統(tǒng)中，Bootfoader是嚴(yán)重依賴于硬件而實(shí)現(xiàn)的。不同的處理器架構(gòu)，不同的嵌入式系統(tǒng)板級設(shè)備的配置都需要不同的Bootloader。常見的Bootloader有:vivi，UBoot，RedBoot，ARMBoot，Blob等。在本系統(tǒng)中采用UBoot。UBoot是目前功能最多、靈活性最強(qiáng)并且開發(fā)最積極的開源Bootloader，支持PowerPC、ARM、MIPS、x86等體系結(jié)構(gòu)，支持多種嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核，由DENX的wol龜 angDenk維護(hù)。移植UBoot工作就是添加開發(fā)板硬件相關(guān)的文件、配置選項(xiàng)，然后配置編譯。開始移植之前，需要先比較出硬件配置最接近的開發(fā)板，原則是，首先處理器相同，其次處理器體系結(jié)構(gòu)相同，然后是以太網(wǎng)接口等外圍接口[10]。移植UBoot的基本步驟如下：1) 獲取UBoot源碼；2) 修改UBoot目錄下的Makefile；3) 建立自己的目錄；4) 在include/configs/中建立配置頭文件，針對要進(jìn)行移植的目標(biāo)板進(jìn)行正確的配置，并測試編譯能否成功；5) 添加驅(qū)動和功能選項(xiàng)；6) UBoot編譯及下載。 Linux內(nèi)核移植Linux具有功能強(qiáng)大、高性能、穩(wěn)定性好以及源碼開放等優(yōu)勢，使其成為一種流行的嵌入式操作系統(tǒng)。同時(shí)，Linux內(nèi)核具有可裁剪性，用戶可根據(jù)特定的系統(tǒng)需求對內(nèi)核進(jìn)行配置或裁剪，恰恰滿足了嵌入式應(yīng)用的差異性需求[11]。在一種計(jì)算機(jī)環(huán)境中運(yùn)行的編譯程序，能編譯出在另外一種環(huán)境下運(yùn)行的代碼，我們就稱這種編譯器支持交叉編譯。這個(gè)編譯過程就叫交叉編譯。簡單地說，就是在一個(gè)平臺上生成另一個(gè)平臺上的可執(zhí)行代碼。 S3C24x0處理器的多種硬件板，這里我們用開發(fā)板光碟提供的 內(nèi)核為例，實(shí)現(xiàn)內(nèi)核的移植。 實(shí)驗(yàn)流程如圖52所示： 圖52 GPRS模塊外觀圖（1）準(zhǔn)備工作 建立工作目錄，下載源碼，安裝交叉工具鏈，步驟如下。 mkdir/root/build_kernel cd/root/build_kernel/ 將光碟提供的內(nèi)核 tar jxvf （2）修改頂層 Makefile 修改內(nèi)核目錄樹根下的的 Makefile，指明體系結(jié)構(gòu)是 arm，交叉編譯工具是 armangstromlinuxgnueabi。 cd /root/build_kernel/ vi Makefile 找到ARCH和CROSS_COMPILE，修改 ARCH:=arm CROSS_COMPILE:=/usr/local/arm/保存退出。（3） 修改內(nèi)核源碼，但由于不同開發(fā)板的NandFlash容量和分區(qū)信息不同，在內(nèi)核修改的時(shí)候加上對NandFlash容量和分區(qū)的支持。修改arch\arm\mach