【文章內(nèi)容簡介】 以上在基于當(dāng)今成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，對未來汽車儀表的發(fā)展方向做些簡單設(shè)想。也許，未來汽車儀表的發(fā)展將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們今天的想象。但有一點是肯定的，帶有 E(Ⅳ的數(shù)字技術(shù)在汽車儀表上的廣泛應(yīng)用，將是汽車儀表發(fā)展的必然。 汽車儀表信息技術(shù)的發(fā)展趨勢 隨著計算機技術(shù)的日漸成熟，在車輛制造行業(yè)對于儀表的數(shù)字化已經(jīng)成為 — 種 (AD， D/A等 )與數(shù)據(jù)分析、圖形用戶界 面軟件等有機結(jié)合的儀表系統(tǒng)。嵌入式數(shù)字汽車儀表具有功能及參數(shù)能自動定義、動態(tài)畫面可視性強的特點。 4 汽車儀表信息系統(tǒng)就是在搭建好汽車儀表的基礎(chǔ)上，利用基本的計算機強大的處理功能，加上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和汽車娛樂系統(tǒng)等，構(gòu)建一個功能更強大的綜合系統(tǒng)。 現(xiàn)代計算機技術(shù)不斷發(fā)展和擴展，并與無線電通信技術(shù)融合滲透，形成應(yīng)用廣泛的汽車信息技術(shù)。汽車信息技術(shù)是計算機技術(shù)與通訊技術(shù)的匯聚，即利用計算機和無線電話來做一些事情，如 Inter 登錄、網(wǎng)上沖浪、實時交通信息查詢等。現(xiàn)在人們已將汽車信息技術(shù)的定義做了一定程度的擴展，即將計 算機驅(qū)動的、與駕駛員和乘客有關(guān)聯(lián)的各種技術(shù)(如獨立匣用導(dǎo)航技術(shù)、自適應(yīng)巡航自控制技術(shù) )也收入到汽車信息技術(shù)的范疇之列。 汽車信息技術(shù)的發(fā)展，使汽車功能、駕車方式和駕車體驗發(fā)生根木的改變。汽車信息技術(shù)飛速發(fā)展將使未來駕車不再乏味。隨著汽車技術(shù)從機械向信息通訊電子和控制技術(shù)的轉(zhuǎn)交，汽車上的電子，電氣部件成本也不斷上升。 人們把電波接受器、光信號、衛(wèi)星電話、衛(wèi)星數(shù)字廣播等通訊設(shè)備以及個人計算機、信息終端、電視機、傳真機、游戲機等辦公和家庭所需的信息機器帶入車內(nèi)，這些信息處理器與地面上的信息網(wǎng)連接在一起，把汽車變成 一個移動的辦公室。 隨著信息科技的發(fā)展，未來人們完全可以實現(xiàn)車輛駕駛的全程自控 — 汽車自動駕駛。盡管要實現(xiàn)這一切還需跨越許多技術(shù)障礙，但隨著電子技術(shù)與計算機技術(shù)以及智能高速公路系統(tǒng)研究的深入進(jìn)行，可以肯定實現(xiàn)汽車自動駕駛不會太遙遠(yuǎn)。 目前，一些發(fā)達(dá)國家在這方面的工作走在了前面，如美國政府每年用在智能高速公路系統(tǒng)上的費用達(dá) 10 億美元，并在 2020 年初就完成智能高速公路計劃；日本則計劃在 2020年全面完成這項工作。 汽車信息技術(shù)的發(fā)展為美國國內(nèi)汽車市場提供了巨大的商機，同時也拓展了相關(guān)硬件、軟件和信息服務(wù)的市場空 問。據(jù)分析， 10 年內(nèi)美國銷售的汽車中將有 1/3 安裝巡航系統(tǒng)和汽車電腦。 作為汽車制造業(yè)的巨人，通用汽車公司 — 直看好汽車數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展前景，專家預(yù)計，僅此 — 項將使該公司每年獲利 4 億～ 6 億美元。信息技術(shù)在明天的汽車上將無所不在，并將成為一個反映汽車技術(shù)水準(zhǔn)的巨大“差別器”。 課題研究的背景及意義 本課題的主要研究內(nèi)容以嵌入式 ARM11 E6Core 為核心板的開發(fā)板和以 Linux/Unix 為硬件和軟件為開發(fā)環(huán)境構(gòu)建嵌入式數(shù)字汽車儀表信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)以 E6Core 芯片為核心，對汽車的各種信息狀態(tài)，如電池 電壓、車速等參數(shù)進(jìn)行采集、處理、顯示和報警提示，駕駛員根據(jù)報警提示的結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的處理，以使汽車安全正常行駛。我參與本課題中嵌入式芯片的選型，硬軟件環(huán)境的搭建，以及整個系統(tǒng)軟件的編程，調(diào)試工作。 系統(tǒng)的設(shè)計要求是： 汽車儀表綜合信息必須完成車況的數(shù)字顯示和監(jiān)測；車況的數(shù)字顯示和監(jiān)測是對車輛所有重要部件的性能和工作狀態(tài)的顯示和監(jiān)測，以保證駕駛員能夠及時了解車輛工作狀況，迅速對各種異常情況做出對應(yīng)措施。而且車輛運行狀態(tài)的監(jiān)測是保障車輛正常工作、進(jìn)行故障診斷和設(shè)備維修的基礎(chǔ)。 使車輛具有娛樂功能，可上網(wǎng)、 播放音樂、播放視頻文件等；實現(xiàn)存儲空間的擴展； 5 實現(xiàn)車輛的黑匣子功能，將汽車行駛的綜合信息、通過軟件保存； 充分考慮系統(tǒng)功能的可擴展性根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求，本系統(tǒng)的硬件和軟件均采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的設(shè)計方法，并充分考慮系統(tǒng)的擴展能力。 本章小結(jié) 汽車儀表信息系統(tǒng)是汽車儀表系統(tǒng)功能的擴展，常規(guī)儀表的顯示是汽車儀表信息系統(tǒng)最基本也是最重要的部分。本章介紹了汽車儀表的發(fā)展歷程，從最初的機械式儀表到基于電測原理的電氣式儀表，再到模擬電路電子式儀表，發(fā)展至現(xiàn)在較先進(jìn)的全數(shù)字汽車儀表，汽車儀表己走 過了 4 代。分析國內(nèi)外汽車儀表的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，綜合考慮我國汽車儀表工業(yè)發(fā)展水平同發(fā)達(dá)國家的差距，我們提出了嵌入式數(shù)字汽車儀表信息系統(tǒng)的概念。從汽車儀表的發(fā)展趨勢我們還可看出，未來的汽車儀表向多功能、集成化、智能化方向發(fā)展，這也就是汽車儀表信息系統(tǒng)。 本章還介紹了汽車信息技術(shù)的發(fā)展趨勢，分析了開發(fā)汽車儀表信息系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。最后介紹了本課題的背景意義，以及本課題所要研究的內(nèi)容，以及我在本課題中所承擔(dān)的任務(wù)。 6 第 2 章 嵌入式系統(tǒng)及其實現(xiàn) 嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、 以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是硬件和軟件的有機結(jié)合體，并以硬件的形式表現(xiàn)。嵌入式系統(tǒng)最典型的特點是與人們的日常生活緊密相關(guān)，任何一個普通人都可能擁有各類形形色色運用了嵌入式技術(shù)的電子產(chǎn)品，小到 MP3，PDA，玩具等微型數(shù)字化設(shè)備，大到信息家電、智能電器，醫(yī)療器械，各種新型嵌入式設(shè)備在數(shù)量上已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了通用計算機。嵌入式系統(tǒng)被認(rèn)為是后 PC時代，汽車電腦也屬于嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用范疇。 嵌入系統(tǒng)的特點 l、嵌入式系統(tǒng)通 常是面向特定應(yīng)用的。嵌入式 a， U 與通用型的最大不同就是嵌入式CPU 大多工作在為特定用戶群設(shè)計的系統(tǒng)中，它通常都有低功耗、體積小、集成度高等特點，能夠把通用 CPU 中許多任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計趨于小型化，移動能力大大增強，跟網(wǎng)絡(luò)的耦合也越來越緊密。 嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物。這一點就決定了它必然是 — 個技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。 嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計，量體裁衣、去除冗余，力爭 在同樣的硅片面積上實現(xiàn)更高的性能，這樣才能在具體應(yīng)用中對處理器的選擇更具有競爭力。 嵌入式系統(tǒng)和具體硬件有機地結(jié)合在一起，它的升級換代也是和具體產(chǎn)品同步進(jìn)行，因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進(jìn)入市場，具有較長的生命周期。 提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲器芯片或單片機本身中，而不是存貯于磁盤等載體中。 嵌入式系統(tǒng)本身不具備自主開發(fā)能力，即使設(shè)計完成以后用戶通常也是只能對其中的程序功能進(jìn)行修改的，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開發(fā)。 嵌入式系統(tǒng)的概念 隨著現(xiàn)代計算機 技術(shù)的飛速發(fā)展，逐漸形成了計算機系統(tǒng)的兩大分支：通用計算機系統(tǒng)和嵌入式計算機系統(tǒng)。通用計算機系統(tǒng)的硬件以標(biāo)準(zhǔn)化形態(tài)出現(xiàn)，它通過安裝不同的軟件滿足各種不同的要求。而嵌入式計算機系統(tǒng)則是根據(jù)具體應(yīng)用對象，軟件硬件采用量體裁衣方法定制的，不以一般計算機形態(tài)出現(xiàn)的專用計算機系統(tǒng)。 通用計算機系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計，采用通用的 CPU 和大容量的外部存儲設(shè)備，可進(jìn)行高速、海量的數(shù)據(jù)處理。嵌入式系統(tǒng)與通用計算機系統(tǒng)一樣，也是一種計算機系統(tǒng)，具有計算機的一般特點，擁有中央處理器、存儲設(shè)備、輸入輸出設(shè)備等。但是嵌入式系統(tǒng)不以一般 的計算機形態(tài)出現(xiàn)，它服務(wù)于所嵌入的應(yīng)用對象，其功能、可靠性、成本、尺寸及 7 功耗等方面受到應(yīng)用需求及應(yīng)用對象的制約。從嵌入式系統(tǒng)所運行的軟件看，嵌入式系統(tǒng)的軟件固化在硬件系統(tǒng)中，與硬件形成一個不可分割的整體。它所 執(zhí)行的功能也是面向特定的應(yīng)用，同一個嵌入式硬件系統(tǒng)一般很難采用更改軟件的方法用于其它領(lǐng)域。這意味著，嵌入式系統(tǒng)是一種專用的計算機系統(tǒng)，不可能像通用計算機那樣只要更改應(yīng)用軟件就可以適應(yīng)不同的應(yīng)用。從資源的使用角度看，嵌入式計算機系統(tǒng)是計算機能力和數(shù)據(jù)存儲能力等資源受限的計算機系統(tǒng)。其外形、尺寸、功能、功耗 等都受限于應(yīng)用對象的設(shè)計需求，因而不可能有一個標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計。嵌入式系統(tǒng)最大的特點也就在于此，其系統(tǒng)構(gòu)成多種多樣，需要根據(jù)具體應(yīng)用量身定制。 嵌入式系統(tǒng)的分類 根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，嵌入式系統(tǒng)有不同的分類方法。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜程度可以簡單將它分為簡單嵌入式系統(tǒng)和復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)。簡單嵌入式系統(tǒng)很早就已經(jīng)存在，這些嵌入式系統(tǒng)一般都很簡單，系統(tǒng)軟硬件復(fù)雜度都很低，例如常用的單片機系統(tǒng)。然而隨著復(fù)雜控制、汽車電子、醫(yī)療儀器、數(shù)字通信、 Inter網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和信息家電等復(fù)雜需求的出現(xiàn)，簡單的嵌入式系統(tǒng)已 無法滿足需求。為了滿足日益復(fù)雜的軟硬件需求，出現(xiàn)了以32位 SoC(SystcmonChip)為硬件核心，以嵌入式操作系統(tǒng)的使用為標(biāo)志的復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)。這類系統(tǒng)硬件集成度高，外部接口眾多，軟件功能豐富。 嵌入式系統(tǒng)的組成 從組成上看，嵌入式系統(tǒng)可分為嵌入式硬件系統(tǒng)與嵌入式軟件系統(tǒng)兩大部份，如圖 21所示。嵌入式硬件系統(tǒng)主要由嵌入式處理器及相關(guān)支撐硬件和外圍電路等組成。其中，嵌入式處理器在嵌入式硬件系統(tǒng)中處于核心地位，按照功能和用途劃分，它可以進(jìn)一步細(xì)分為以下幾種類型：嵌入式微控制器 (Embedded Microcontroller)、嵌入式微處理器 (Embedded Microprocessor)和嵌入式數(shù)字信號處理器 (Embedded Digital signal Processor)。 嵌 入 式 軟 件 系 統(tǒng) 嵌 入 式 硬 件 系 統(tǒng) 嵌入式應(yīng)用軟件 嵌入式中間軟件 嵌入式操作系統(tǒng) 嵌入式處 理器 外圍接口電路及其他硬件支持 8 圖 21 嵌入式系統(tǒng)組成 嵌入式軟件系統(tǒng)通?？蓜澐譃榍度胧讲僮飨到y(tǒng)和應(yīng)用軟件兩部份。在一些復(fù)雜的系統(tǒng)中，為簡化應(yīng)用開發(fā)，還提供了一個中間層 (嵌入式中間層 )。 在早期的嵌入式系統(tǒng)中，系統(tǒng)的復(fù)雜性較低，這時的嵌入式系統(tǒng)通常不使用操作系統(tǒng)，而是由應(yīng)用程序直接控制和管理硬件。例如現(xiàn) 在還大量存在的基于 8位單片機的系統(tǒng)，一般僅完成單一的控制功能，其功能與硬件復(fù)雜度都較低，其軟件通常都只有一個簡單的控制程序。在這類簡單系統(tǒng)中沒有使用操作系統(tǒng)的必要。隨著技術(shù)的進(jìn)步與復(fù)雜需求的出現(xiàn)，嵌入式系統(tǒng)進(jìn)入了一個新的階段。這個階段的嵌入式系統(tǒng)硬件大多采用了 32 位的嵌入式SoC 處理器，軟件系統(tǒng)則增加了嵌入式操作系統(tǒng)。 從圖 21可以看出，操作系統(tǒng)處于上層軟件與嵌入式硬件系統(tǒng)中間，在整個嵌入式系統(tǒng)中處于重要的地位，起著至關(guān)重要的作用。它負(fù)責(zé)控制與管理嵌入式硬件系統(tǒng)，將硬件的復(fù)雜性隱藏起來，為上層軟件設(shè)計提供 一個統(tǒng)一易用的應(yīng)用程序編程接口以降低應(yīng)用軟件開發(fā)的復(fù)雜性。同時，作為嵌入式系統(tǒng)軟硬件資源的管理者，它負(fù)責(zé)系統(tǒng)軟硬件資源的調(diào)度與分配，保證系統(tǒng)資源被有效合理地使用。總而言之，嵌入式操作系統(tǒng)的出現(xiàn)與使用是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展過程中的一 個重要的里程碑，它掩蓋了底層硬件的復(fù)雜性，提高了軟件的開發(fā)效率和可維護性。 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用范圍及發(fā)展趨勢 由于嵌入式系統(tǒng)具體體積小、性能好、功耗低、可靠性高以及面向行業(yè)應(yīng)用的突出特征，目前已廣泛地應(yīng)用于軍事國防、消費電子、信息家電、網(wǎng)絡(luò)通信、工業(yè)控制等領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)可以說 無所不在、無處不在，就周圍的同常生活用品而言，各種電子手表、電話、手機、 PDA、洗衣機、電視機、電飯煲、空調(diào)器都有嵌入式系統(tǒng)的存在，如果說我們生活在一個到處嵌入式的世界，是毫不夸張的。今后，嵌入式系統(tǒng)將會有以下發(fā)展趨勢： 1)經(jīng)濟性。計算機要很便宜，讓更多人買得起。 2)嵌入式開發(fā)是一項系統(tǒng)工程，因此要求嵌入式系統(tǒng)廠商不僅要提供嵌入式軟硬件系統(tǒng)本身，同時還需要提供強大的硬件開發(fā)工具和軟件包支持。 3)網(wǎng)絡(luò)化、信息化的要求隨著因特網(wǎng)技術(shù)的成熟、帶寬的加大而日益提高，使得以往單一功能的設(shè)備功能不再單一，結(jié)構(gòu)更加 復(fù)雜。 4)可靠性。能在一般環(huán)境條件下或者是苛刻的環(huán)境條件下運行。 5)精簡系統(tǒng)內(nèi)核、算法，降低功耗和軟硬件成本。 嵌入式微處理器 ARM 嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類型的嵌入式處理器。嵌入式微處理器一般具備以下 4個特點： 1)實時多任務(wù)有很強的支持能力，能完成多任務(wù)并具有較短的中斷響應(yīng)時間，從而使 9 內(nèi)部的代碼和實時內(nèi)核的執(zhí)行時間減少到最低限度。 2)有功能很強的存儲區(qū)保護功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯誤的交叉作用，需要設(shè)計強大的存儲區(qū)保護功能，同時也有利于軟 件診斷。 3)可擴展的處理器結(jié)構(gòu)，以能最迅速地滿足應(yīng)用的最高性能的嵌入式微處理器。 4)嵌入式微處理器必須功耗很低，尤其是用于便攜式的無線及移動的計算和通信設(shè)備中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此，如需要功耗只有 MW 甚至 UW 級。 ARM(Advanced 對 SC Machines)高級對 SC微處理器，是通用的 32位微處理器，是一種低功耗、高性能的產(chǎn)品，它是基于 glSC(精簡指令集計算機 )構(gòu)建的。 RISC 的英文全稱為“ Reduced Instruction Set Computing”，中文即“精簡