基于Linux的嵌入式車載導航系統的設計

1.前言
HMS30C7202 嵌入式微處理器是目前性價比交優秀的芯片，由于其優良的性能用于替代早期的芯片，在車輛導航方面的開發應用有著廣闊的應用前景。在諸多的操作系統中，由于Windows CE 、Vxwork 等操作系統都是商業化產品，其價格高昂、源代碼封閉。另外，對于上層應用開發者而言，嵌入式系統需要的是一套高度簡練、質量可靠、應用廣泛、易開發、多任務，并且價格低廉的操作系統。源碼開放的Linux 正好可以滿足這些要求。由于嵌入式系統的應用多種多樣，并且標準Linux 操作系統比較龐大，因此，需要根據實際應用對標準Linux 進行重新的移植、裁剪和配置，生成代碼緊湊、代碼量小的特定操作系統。
2.導航系統的硬件組成
車載導航系統的硬件平臺為HMS30C7202 的SAMSUNG 公司的32 位高性能嵌入式微處理器，以HMS30C7202 為核心，包含了LCD 液晶顯示模塊、存儲器模塊（Flash、SDRAM）、GPS 模塊、串行接口、USB 接口、IrDA 紅外通訊接口、網絡接口等外圍部分，其硬件構成如圖1 所示。
HMS30C7202 嵌入式微處理器采用16/32位精簡指令集，具有高性價比，低功耗，高性能的特點，為掌上設備和一般類型應用提供了小型微控制器的解決方案。為了減少總的系統消耗，HMS30C7202 包括了以下部分：獨立的16KB 指令緩存和16KB 數據緩存，MMU，LCD 控制器（STN/TFT），NAND Flash 啟動加載器，存儲管理器（片選邏輯與SDRAM 控制器），?
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??? 3通道的UART ，4 通道的DMA，4 通道的脈寬調制定時器，I/O 端口，RTC 實時時鐘，8通道10位的A/D 控制器及觸摸屏接口，IIC 接口，IIS 接口，音頻接口，USB 主機，USB 設備，SD 主機/多媒體卡接口，2 通道的SPI，攝像頭接口，PLL 時鐘發生器以及電源管理等。

1 3. 基于Linux 的軟件系統設計
2 軟件功能與組成

系統的軟件包括嵌入式操作系統、GUI 圖形用戶界面、應用程序三個部分，其中嵌入式操作系統和GUI 圖形用戶界面屬于關鍵技術，它們的好壞決定了系統能否得到成功的應用。應用程序建立在嵌入式操作系統和GUI 圖形用戶界面之上，上電之后啟動過程如圖2 所示。在本軟件設計中，操作系統采用使用廣泛的內核源代碼開放的嵌入式Linux，GUI 圖形用戶界面采用源代碼開發的Micro windows 。

3.2 交叉編譯環境的建立
在滿足系統穩定、安全、可靠的基礎上，嵌入式產品的體積要盡可能小，從而不能夠提供足夠的資源供編譯過程使用，因此，必須建立一種交叉編譯的環境，即在高性能的宿主機上對即將運行于目標機上的程序進行編譯，生成可在目標機上可以運行的代碼格式，然后下載到目標機中運行。Linux 環境下使用GNU 工具完成編譯、鏈接等過程，包括針對目標系統的編譯器gcc、針對目標系統的二進制工具binutils 、針對目標系統的標準c 庫glibc 和針對目標系統的Linux 內核頭文件。
在linux 的根目錄下，通過命令tar Ixvf cross-2.95.3.tar.bz2 進行解壓縮，執行完畢之后在/usr/local/ 目錄下自動生成arm/2.95.3 目錄，進入2.93.3 目錄下可以看到arm-linux 、bin、include 、lib 等各種目錄，說明交叉編譯工具安裝完畢，編譯環境已經建立起來了。
3.3 引導程序的移植
受嵌入式系統資源的限制，嵌入式系統的引導程序并不像PC 機上的引導程序一樣是由BIOS 和位于硬盤MBR 中的引導程序組成，整個系統的引導加載任務主要是由一個稱為BootLoader 的引導程序來完成的。BootLoader 是系統復位后首先要執行的代碼，主要作用是初始化硬件設備、建立內存空間的映射等，將系統的軟硬件環境帶到一個合適的狀態，從而為操作系統和應用程序的調用建立一個良好的環境。
系統的軟件設計中采用的引導程序是韓國Mizi 公司開發的BootLoader----vivi 。在嵌入式系統中，BootLoader 是高度依賴于硬件的，在嵌入式系統中建立一個通用的BootLoader 幾乎是不可能，因此對于每一種特定的平臺，都要移植一個BootLoader。可以說建立一個與平臺配套的、易于使用的BootLoader ，是軟件設計的關鍵一步。
針對本系統的引導程序移植的思路是找到一個與所設計的平臺最相近的平臺的BootLoader，然后根據所設計平臺的硬件參數對BootLoader 進行修改，從而完成BootLoader 的移植。首先根據實際情況修改vivi 工程管理文件Makefile 文件中的相關參數，包括交叉編譯器庫和頭文件路徑，交叉編譯開關選項設置，Linux 內核代碼中的庫和頭文件路徑等。然后根據硬件平臺的參數修改相應的配置，如處理器時鐘、存儲器初始化、通用I/O 初始化等等。然后進行配置、編譯生成可執行的代碼。
3.4 內核的移植
由于嵌入式系統是針對特定應用的，而且資源有限，所以標準Linux 無法應用到嵌入式系統中，因此必須根據實際情況對Linux 進行裁剪、配置，從而產生一個適用的嵌入式Linux 操作系統。Linux 內核的移植包括獲取源代碼、修改設置、裁減配置和編譯。
3.4.1 獲取源代碼
Linux 內核源代碼一般都有專門的機構負責維護，我們可以從這些機構的網站上下載下來使用。修改設置
嵌入式系統的應用的針對性很強，從站點上下載下來的內核不可能包含針對所有嵌入式系統的代碼，因此需要對代碼進行修改設置，從而適合目標平臺。一般包含下面幾步。
? ① 編寫與處理器相關的代碼。主要包括時鐘設置、中斷設置、存儲器分配及其他一些寄存器的設置等等，這些與HMS30C7202 處理器相關的代碼放在/arch/arm/mach-s3c2440 目錄下。
? ② 修改根目錄下的工程管理文件Makefile ，指定所移植的硬件平臺和交叉編譯器的路徑。
? ③ 修改/ arch/arm 目錄下的工程管理文件Makefile ，指定內核運行的虛擬地址，修改該目錄下的配置文件config.in，以便在執行配置命令時能夠顯示HMS30C7202 的相關信息。
? ④在/arch/arm/def-configs 目錄下添加配置好的HMS30C7202 配置文件。在/arch/arm/boot/compressed 目錄下添加處理器的初始化代碼head-s3c2440.s 。
? ⑤ 修改/arch/arm/kernel 目錄下的工程管理文件Makefile ，確定文件類型之間的依賴關系。

3.4.2 裁減配置及編譯
修改完內核設置后，就可以對內核進行裁減配置及編譯了，在配置中剪裁掉冗余的部分，使編譯生成的最終的內核的映像文件代碼量盡可能小。執行如下命令：
# make menuconfig
進入配置菜單，選擇處理器類型和所需要的各種外設、協議的支持等等, 包含了LCD 、觸摸屏、串口、聲音、EXT2、FAT 和JFFS2 文件系統以及TCPIP 協議的支持.
# make dep
搜索Linux 編譯輸出與源代碼之間的依賴關系，并生成依賴文件。
# make zImage
編譯Linux 內核，生成壓縮的內核映像文件zImage 。存放在/arch/arm/boot/ 目錄下。
3.5 驅動程序的編寫
驅動程序是操作系統內核和底層硬件之間的接口，驅動程序為應用程序屏蔽了硬件的細節，通過驅動程序，應用程序對硬件的操作可以像對普通的文件操作一樣方便。驅動程序的主要作用是初始化和釋放硬件設備，檢測和處理硬件設備出現的問題，在應用程序、內核和底層硬件之間傳輸數據。
由于嵌入式系統是針對具體應用的，因此，應該根據具體的平臺編寫相應設備的驅動程序，以方便應用程序對底層硬件的訪問。每一個系統調用都對應著file_operations 結構的每一個成員，編寫驅動程序主要是編寫底層設備需要的各個操作函數并填充結構file_operations ，該結構在/include/Linux/fs.h 文件中定義。
驅動程序通過設備名、主設備號和從設備號與具體的硬件相聯系。驅動程序可以以動態或者靜態方式加載到內核當中，在調試階段，一般以動態的方式加載驅動程序，而在最終形成產品時，添加到內核當中，每次啟動內核時自動加載。
3.6 根文件系統
一個嵌入式產品的穩定運行，除了引導程序、內核之外，還必須有一個區域用來為用戶提供支持架構和用戶使用的應用軟件，存放數據讀寫的結果，這個區域就是根文件系統。嵌入式系統中通常使用的根文件系統有：Romfs 、Cramfs 、Ramfs 、JFFS2、EXT2 等，另外根文件系統既可以建立在RAMDISK 上，也可以建立在Flash 上，在RAMDISK 上建立根文件系統Cramfs 。
4.結束語
本研究具獲得了以下創新：
（1）設計了以HMS30C7202 為核心的車載導航裝置的硬件系統及其LCD 液晶顯示模塊、存儲器模塊（Flash、SDRAM）、GPS 模塊、串行接口、USB 接口、IrDA 紅外通訊接口河網絡接口等外圍部分。
（2）建立了軟件設計的交叉編譯的環境，完成了以HMS30C7202 為核心的車載導航裝
置的軟件設計。本研究得出以下結論：
1 （1）在車載導航系統中采用源代碼完全開放的嵌入式Linux 完全可以代替WinCE 等商業操作系統，從而減低了系統的成本，增加了市場的競爭力。通過對系統的開發，筆者有以下幾點感觸。
2 （2）在程序中加入一些輸出語句，以便在調試過程中，在超級終端上顯示一些通過串口打印的調試信息，可以對程序運行情況進行觀察。
3 （3）由于串口下載速度較慢，BootLoader 要盡可能支持網絡，通過網絡下載內核和文件系統，加快開發進度。