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用于手持设备的嵌入式计算机系统设计.pdf

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NN 微电子学与计算机 !""#年第 !$ 卷第 !" 期 ,-./012345678%&06 刘轶 韦宏利 伍卫国 &西安交通大学计算机系! 陕西 西安 O!""NP’ 摘 要$ 文 章 给 出 了 一 种 用 于 手 持 设 备 的 嵌 入 式 计 算 机 系 统 设 计 方 案! 系 统 基 于 &)*+, -*./)0%12 处 理 器 "支 持 ;=;液晶显示器#触摸屏#快捷键等多种外设和接口$运行 CD)E/FG 6H 操作系统"集成了汉字手写识别和电子地图 软件"并运行专门开发的用户程序!文中对系统的组成结构#&’( 接口#操作系统定制#应用程序结构等进行了详述! 关键词$ 嵌入式系统Q 手持 #6Q CD)E/FG 6H 9:;<=>? ;#4"RMR @ABCD? % @EF>? $&&&’($)&*!&&#+!"’"NN3"4 %&’()* +, -./&00&0 1+.234&5 67’4&. ,+5 89*0:&;0 -<3(2.&*4 :&@ SDQ C+D 8/)0,,DQ C@ C+D,0I/ &$+TU.*V+)* /L 6/VTI*+.! WD(U) XDU/;/)0 @)DY+.GD*Z! WD(U) O!""NP 6[D)U’ =/’459>4$ ;[DG TUT+. T.+G+)*G E+GD0) /L U) +V\+EE+E K/VTI*+. GZG*+V L/. [U)E[+,E +]IDTV+)*M ;[+ GZG*+V DG \UG+E /) &)*+, -*./)0%12 T./K+GG/.Q U)E [UG D)*+0.U*+E GITT/.*G L/. ;=; :6$ TU)+,Q */IK[ GK.++)Q ^+ZTUE U)E /*[+. ^D)EG /L T+.DT[+.U,G U)E &’( D)*+.LUK+GM ;[+ /T+.U*D)0 GZG*+V L/. *[+ GZG*+V DG CD)E/FG 6HM 8U)EF.D*D)0 .+K/0)D*D/) +)0D)+ L/. -DVT,DLD+E 6[D)+G+ U)E ED0D*U, VUT G/L*FU.+ L./V *[D.E3TU.*Z Y+)E/.G U.+ D)*+0.U*+E D)*/ *[+ GZG*+VM $+EDKU*+E UTT,DKU, *D/) T./0.UV DG U,G/ E+Y+,/T+EM ;[+ GZG*+V U.K[D*+K*I.+#&’( D)*+.LUK+#KIG*/VD9D)0 /L /T+.U*D)0 GZG*+V U)E UTT,DKU*D/) V/EI,+G U.+ D)*./EIK+E D) *[+ TUT+.M ?&7 @+50’$ HV\+EE+E GZG*+VQ 8U)E[+,E #6Q CD)E/FG 6H ! !" 随着计算机技术和通信技术的飞速发展!手持 型设备的使用越来越广泛" 同时为了提供更多的功 能和更好的用户界面!高性能的嵌入式处理器开始 被用在这些设备中!如 #$%#移动电话#卫星定位仪 等等" 与其他类型的嵌入式系统相比!这类系统在 系统结构 #&’( 接口 #电 源 管 理 #系 统 软 件 及 应 用 软 件设计等方面都有一些不同的要求" 文中介绍的嵌入式计算机系统是为一种手持 型卫星定位仪而设计的" 该设备基于双星定位系 统!具有电文收发和卫星定位两大功能" 设备包含 三个模块$高频模块#数字信号处理模块和计算机 模块!其中高频模块和数字信号处理模块完成卫星 信号的收发和数字信号的扩频’解扩!计算机模块则 完成整机控制#与用户接口#信息存储以及各种高 级特性!如电子地图等" 为了实现电文信息的编辑! 还要求计算机系统提供汉字手写识别输入功能" 为了实现上述手持设备对计算机系统的功能 要求!同时综合考虑性能#集成度#接口类型#操作 系统支持以及成本等因素!决定选用 &)*+, 公司专门 收稿日期- !""N’"N’4" 为 手 持 设 备 及 嵌 入 式 应 用 而 设 计 的 -*./)0%12 -%3!!!" 处理器! 其主要特性及集成的 &’( 接口包 括 $ 集 成 45 位 1&-6 %12 处 理 器 核 ! 可 工 作 在 5"7289 主频下!性能可以满足诸如手写识别#电子 地图等应用的要求%内置中断控制器#$2% 控制器# #626&% 控制器等多种外围部件! 可以大大简化电 路设计%内置可编程 :6$ 控制器!可驱动不同分辨 率的单色#-;<#;=; 液晶模块% 集成 > 个通用串行 收发器 ?@%1;A! 经过配置可支持 @-B#1-3545#红 外#-#& 等接口%优化设计的电源管理机制 !特 别 适 合于手持设备使用% 可运行 CD)E/FG 6H# 嵌入式 :D)IJ 等 多 种 操 作 系 统 " 操 作 系 统 选 择 2DK./G/L* CD)E/F 6H M!共 + 片!每片 !6*7!总容量为 8+*7!字宽 8+9:.# !通过 &?, 接口与高频及数字信号处理模块交 换数据! 同时变化较快的信号以物理 ,;) 线的方式 直接连接到处理器# !采用 +@"%8+" A#A 真彩液晶模块!内置电阻 式触摸屏# !提供两个标准的 (&+8+ 串行接口!一个连接 到手持机测试系统的测试终端!另一个可同时连接 到诊断控制台上!以便对手持机软件进行诊断调试 和在线升级# !系统设计有标准的 &,* 卡插座! 可插入 ,B 卡!实现用户身份认证以及数据的加密;解密$ 处理 器通过半双工串行接口与插座相连# !计算机模块的供电电压为 8C8D$ !"! !"#$%& !液晶模块控制接口 &.1E-F%(* &% G!!!" 处 理 器 内 置 有 可 编 程 $B= 控制器! 可以产生各种时序的液晶扫描信号$ 在目前的手持机设计中!综合考虑性能%成本"采购 等因素! 选用了 &’%(? 公司的 A#A 真彩液晶模块 $H"8IHJ=7"+!模 块 所 特 有 的 一 些 控 制 信 号 要 求 它 与该公司的专用接口芯片 $KL#B++ 配合使用!基本 的扫描信号!包括像素数据"扫描时钟 &$M?B$N’%% 行同步&$M$B$N’%帧 同 步 &$M#B$N’仍 由 处 理 器 产 生$ 接口电路结构如图 + 所示$ 触摸屏控制器采用 ?4:0:O3 公司 的 多 功 能 控 制 芯 片 PB7!+"";!8""! 它 内 置 有 触 摸 屏 所 需 的 %;= 转换器!通过串行接口总线&&,7’连接到处理器上$ !与数字信号处理模块接口 计算机模块通过 &?, 接口数字信号处理模块进 行交互!包含 I 根接口线!即 AQ=%(Q=%B$N%&R$% ,(H$ 双方通信时计算机作为主控方&S23./1’!解扩 分 机 作 为 受 控 方 &302T/’! 即 时 钟 和 片 选 信 号 均 由 计 算机生成$ 当解扩分机需要主动向计算机发送信息 时&如收到定位结果或电文时’!通过 ,(H 向计算机 提出请求! 计算机响应并生成片选和时钟信号!供 数字信号处理模块发送数据$ &?, 接口的数据传输 速率约为 L"N9O3$ !"# ’(%) 在结构上U为适应手持型用户机对体积的要求!并 且便于系统升级和扩充!计算机模块被设计成两块 板卡!一块为核心板!另一块为扩展 ,;) 板$ 核心板 包含了计算机模块中工作频率较高%设计上相对固 定的器件! 主要有中央处理器%#$%&’ ()*%(%* 和触摸屏接口!该板为 5 层布线#扩展 ,;) 板包含了 工作频率较低且随着系统改进不断变化的器件!主 要有 $B= 驱动器及供电电路% 串行接口驱动器等! 该板为 @ 层布线$ 核心板通过 =,** 插座与 ,;) 板 相连$ 值得说明的是!以上的结构设计使得核心板可 以被用于其它类型的嵌入式系统中!此时只需重新 设计 ,;) 板$ 由于核心板工作频率和集成度都远远 高于 ,;) 板!这将大大降低新系统的设计难度!并缩 短开发周期$ # *+,-./012%) #"$ *+,-34567 计算机模块选择 *:V1E3EW. X:-YEZBR C[RA @C! 作为操作系统$ 该系 统 提 供 基 于 X:-YEZ3+""";Q? 的集成化开发环境 ?02.WE1S 7\:0Y/1! 操作系统的定 制和编译都在其中进行$ 主要涉及以下一些工作( !7&?&7E21Y &\OOE1. ?2V]2F/’的开发和编译 7&? 被设计用来保证 X:-YEZ3 BR 内核及上层 软件的硬件独立性! 它位于硬件和操作系统之间! UT 微电子学与计算机 !""#年第 !$ 卷第 !" 期 实现对硬件的各种物理操作!并向操作系统内核提 供标准的接口"#$% 中主要包含硬件初始化代码#设 备驱动程序以及各种完成系统操作的回调函数$如 进入睡眠状态和唤醒%" &’()*+, -. 随系统提供了面向多种处理器及 开发板的 #$%!如基于 $/0*(1234 处理器的 2,,567/ 开发板# 基于 85/’*(59 :7*)7 处理器的 %-4;<=>>? <=>@ 系统板等等" 为专门设计的硬件建立 #$% 时! 通常是以某种相近的标准 #$% 为模板!然后针对硬 件上的差异进行适应性修改!改动的大小与两种硬 件设计在体系结构#外围部件选型#存储及 ABC 地址 等方面的差异密切相关" 对于文中所介绍的硬件设计! 选择为 2,,567/ 开发板提供的 #$% 为模板 !并做了相应改动 !主 要 包括&修改硬件初始化代码’修改液晶屏驱动程序’ 为 $%A 接口#A- 卡接口# 快捷键等特有外设编写驱 动程序等" !建立系统平台 在专门开发 的 #$% 上 建 立 一 个 新 的 系 统 平 台 $D95/E*0F%!并根据需要对各种系统模块和部件进行 裁剪!如添加控制面板组件#删除 A. 浏览器等" 选 择的模块和部件的多少在很大程度上决定了最终 生成的操作系统映像大小" !生成操作系统映像 在完成了系统模块和部件的裁剪之后!即可对 操作系统进行编译!最终将生成操作系统映像" 在 缺省情况下!操作系统映像为一个文件!文件名为 (GH6’( 或 (GH(6"" 其 中 ! 前 者 可 以 通 过 %95/E*0F #I’9)70 下载到目标系统中进行测试和调试!后者是 可直接写入 3C4 或 JK2$L 的映像文件" 依据硬件设计的不同!操作系统映像可以通过 以太网#串行口#并行口下载到目标系统中" 这首先 需要在目标系统中固化引导程序"&’()*+, -. 常用 的引导程序是 .#**/!它通过以太网下载操作系统" 由于本文所介绍的计算机模块不支持以太网接口! 操作系统映像无法直接下载! 而只能通过 MN2: 接 口直接写入 JK2$L 3C4 中" 除了 &’()*+, -. 内置的各种系统部件和应用 程序以外!还要根据需要在系统中集成第三方厂商 提供的系统或应用软件" 在本文介绍的系统中!集 成了汉王公司为 &’()*+, -.B%*OG7/%- 设计的手写 识别系统和灵图公司的电子地图软件" 总体而言!操作系统的开发和定制$包括驱动 程序的编写和调试%需要精心的编码!并需要耗费 大量的时间反复调试" 在硬件开发和测试阶段!还针对目标硬件试验 了嵌入式 K’(IP 系统的定制和编译!并取得了成功" 由于篇幅限制!文中不对此做深入介绍" !"# !"#$%& 应 用 程 序 的 开 发 在 &’()*+, -. 的 .F67))7) Q’,I59 -RR$简称 .Q-%中进行" 该环境支持 -B-RR 语言的编程#交叉编译和联机调试!为方便应用程 序的界面调试! 该环境还内置有一个软仿真器!可 以在 &’()*+, >"""BS% 系统中进行应用程序的仿真 运行" 手持机控制程序采用 - 语言编程! 包含以下 T 个功能模块& !定位模块&提供用户界面!使用户能够设置 定位参数#发送定位请求!并且记录和显示收到的 定位结果" !通信模块&提供电文编辑#修改#存储#删除# 发送功能!并记录和显示收到的电文!该模块还提 供地址簿的管理维护功能" !参数设置模块&提供各种系统参数的编辑和 存储功能" !数字信号处理接口模块&按照卫星通信协议 帧格式和计算机与数字信号处理模块间通信协议 实现通信#定位#查询等各种帧的生成和拆解" !测试终端接口模块& 按照测试终端通信协 议!从测试专用串口接收测试命令!调用数字信号 处理接口模块的接口函数!发送定位#通信#查询等 请求帧!并将收到的结果按照协议要求返回测试终 端" 图 @ 示出了应用程序的主界面和定位模块界 面" !’() $% *" Z" 微电子学与计算机 !""#年第 !$ 卷第 !" 期 !!" ()*+,- # !"# 在网络中"角色访问控制实现过程按如下的步 基于角色的访问控制机制为管理网络中大量 骤进行& 的访问权限提供了一种灵活’安全的方法! 本文在 认 证 服 务 器 接 收 到 认 证 系 统 发 送 的 认 证 请 求 6R5, 模型基础上" 提出了一种在网络系统中实现 数据包后"首先检 查 其 数 据 包 的 合 法 性 "如 果 数 据 基于角色的访问控制的机制"它既具备了 6R5, 中 包合法就提取用户帐号和口令等用于认证的信息" 对于授权工作的可操作性和可管理性"又具备了对 按着查询用户帐号数据库"完成用户帐号和口令合 用户个体权限修改的灵活性! 此机制已被应用到某 法性校验"即完成用户身份鉴定& 鉴定如果不成功" 金融系统的网络系统中"并且实现了网络访问权限 则在客户端显示验证失败& 鉴定成功后"根据该用 的分级管理! 户所属的角色分配相应的 #Q 地址"同时授予该用户 角色的访问控制权限& 其认证流程如图 J 所示& $%&’ &!’ 谭伟贤I杨力平2 计算机网络安全教程&7’ 2 北 京;国 防 工 业出版社2?""!; O!%OJ2 &?’ 6 3 30(BS>I D K ,-T(9 I G L U91(:)91( *) 0+2 6-+*?M0:*B 099*::9-().-+ V-B*+!2 #DDD ,-V/>)*.2 !NNO2 &H’ 乔颖I 须 德I 戴 国 忠2 一 种 基 于 角 色 访 问 控 制W6R5,X 的 新模型及其实现机制2 计算机研究与发展2 ?"""2 &J’ < U*..01-+-I 6 30(BS>I 3 Y0=.1+0 *) 0+2 5 /.-/-:*B :)0(B0.B @-..-+*?M0:*B 099*:: 9-().-+! E#3F! ?""! S))/; $$ 9:.92 (1:) 2 4-=$.M09$ &Z’ 刘 启 原I刘 怡2 数 据 库 与 信 息 系 统 的 安 全 &7’ 2 北 京 ;科 学出版社2?"""; OH%OO2 &O’ 黄 益 民 "平 玲 娣2一 种 基 于 角 色 访 问 控 制 扩 展 模 型 及 其 实 现 2计 算 机 研 究 与 发 展 2?""H2 &[’ 60=1 3 30(BS>IDBC0.B K,-T(*IG0+ L U*1(:)*1( 0(B ,S0.+*: D \->V0(2 6-+* 8R0:*B 599*:: ,-().-+ 7-B*+:2 #DDD ,-V/>)*.2 U*M.>0.T !NNP"?NW?X2 &P’ <0( FS-V:*(I<19]%(R.1*(2 6-+* R0:*B 599*:: U.0V*C-.] 在网络系统中"实现基于角色进行访问控制既 @-. E*)C-.] D()*./.1:*:2 #DDDI!NNP2J2 可以克服传统面向部门或权限控制过粗的缺点"又 可以改善单个用户与被访问数据间直接挂钩方式 朱 伟 男"硕士研究生& 主要研究方向为计算机网络& 翁惠玉 女" 副教授"博士& 主要研究方向为计算机安全和 地处理效率"简化访问控制管理"从而实现了网络 计算机网络& 中的用户与访问权限的灵活对应关系"同时也有效 地保证了网络的安全& !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! "./0 !$ 1# $%&’ &!’ #()*+ ,-./-.0)1-(2#()*+ 3).-(4567 358!!!" 719.-/.-9*: ! !"# 高性能嵌入式处理器将被越来越多地用于手 持型智能设备中! 文中介绍了一种专门为手持卫星 定位仪设计的嵌入式系统设计方案! 由于系统在结 构设计上将核心部件和 #$% 部件分为核心板和 #$% 板"使得核心板还可以被广泛用于其它类型的嵌入 :-.; <*=*+-/*.#: 70(>0+2 ?"""2 &?’ 719.-:-@) ,-./-.)1-(2719.-:-@) A1(B-C: ,D 2EDF G*+/2 ?""?2 &H’ 陈 章 龙I涂 时 亮 编2嵌 入 式 系 统888#()*+ 3).-(4567 结 构 与开发2 北京航空航天大学出版社2 ?""?2 &J’ K*0( K L0M.-::*2嵌入式系统构件2机械工业出版社2 ?""?2 式系统中"此时只需重新设计 #$% 板即可! 刘 轶 男"$!NOP8%"博士"副教授& 主要研究方向为计算机 网络"嵌入式系统

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