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哈尔滨理工大学工学硕士学位论文嵌入式智能家居控制系统的研究摘要 随着科学技术的发展和人们物质生活水平的不断提高，人们对生活的安全、舒适、便捷等方面的 要求越来越高。智能家居系统是利用计算机、嵌入式系统和通信网络技术将各种家用设施(如照明、安防、家电等)通过家庭网络连接到一起，从而为人们提供更为便利舒适的生活。本文的创新点及主要完成的工作如下:本文提出利用 3 2位嵌入式A R M 处理器 S 3 C 4 4 B O X作为智能家居控制系统的 控制核心，运用嵌入式处理器的高性能、接口 丰富、方便移植与扩展等优点，并且利用嵌入式操作系统的实时性强、可靠性高、资源丰富等优势，将嵌入式技术作为智能家居控制器的开发平台，使智能家居控制系统的应用开发能够变为在嵌入式平台上的二次开发，从而缩短开发周期，并且节约资源。本文通过对智能家居系统的分析，确定了总体架构设计。针对智能家居系统的特点和所要实现的基本功能，分析了智能家居控制器的基本结构，对控制器的核心电路进行了详细设计，包括对 S 3 C 4 4 B O X主控制芯片电 路，存储系统电 路以及电源和复位电路的设计。按照总体设计方案的要求，又分别对 L C D 接口电路、键盘电路以及蓝牙模块电路等其它外围接口电 路进行了设计，完成整个系统硬件平台的搭建。通过移植嵌入式实时操作系统p C/O S-I I，使系统具备了执行多任务的能力。文中 详 细介 绍了p C I O S-I I 操作系 统的特点，给出了基于p C/O S-I I 的软件结构的设计，分析了 系统的启动代码。详细阐述了智能家居控制器的软件设计，给出了软件总体结构及流程图，完成了 L C D,键盘及蓝牙模块的软件设计，实现了蓝牙点对点的互联。在最后，给出了温度测量、安防报警、信息家电等部分功能模块的方案设计.关健词智能家居:控制系统;S 3 C 4 4 B O X芯片;蓝牙技术哈尔滨理工大学T学硕士学位论文Re s e a r c h Of Em b e d d e d S m a r t Ho meC o n t r o l S y s t e mAb s t r a c t Wi t h t h e d e v e l o p m e n t o f t e c h n o l o g y a n d a d v a n c e m e n t o f p e o p l e s l i v i n gq u a l i t y,p e o p l e t u rn t o p a y m o r e a t t e n t i o n o n l i f e s s e c u r i t y,c o m f o r t,c o n v e n i e n c ee t c.S m a r t h o m e s y s t e m i s t o c o n n e c t t h e f a c i l i t i e s a n d d e v i c e s(s u c h a s l i g h t i n gs y s t e m,s a f e g u a r d s y s t e m a n d e l e c t r i c a l e q u i p m e n t s e t c)u s i n g c o m p u t e r,e m b e d d e d s y s t e m,n e t w o r k t e c h n o l o g y b y h o m e n e t w o r k,w h i c h p r o v i d e s p e o p l em o r e c o m f o r t a b l e a n d c o n v e n i e n t l i f e.T h e ma i n w o r k a n d i n n o v a t e p o i n t a r e a sf o l l o ws:We u t i l i z e t h e 3 2-b i t e m b e d d e d A R M p r o c e s s o r S 3 C 4 4 B O X a s t h ec o n t r o l l i n g c o r e o f t h e s m a r t h o m e s y s t e m i n t h i s p a p e r.I t h a s c h a r a c t e r i s t i c s o fh i g h p e r f o r m a n c e,p l e n t i f u l i n t e r f a c e s a n d c o n v e n i e n t t r a n s p l a n t a t i o n a n de x t e n s i o n.A n d a l s o w e a d o p t e m b e d d e d t e c h n o l o g y a s t h e p l a t f o r m o f t h e s m a rth o m e c o n t r o l l e r o w i n g t o i t s h i g h r e a l-t i m e a b i l i ty h i g h r e l i a b i l i ty a n d r i c hr e s o u r s e s.T h u s t h e a p p l i c a t i o n o f s m a rt h o m e s y s t e m b e c o m e s t h e s e c o n d a ryd e v e l o p m e n t o n t h e e m b e d d e d p l a t f o r m s o t h a t t h e d e v e l o p i n g p e r i o d i s c u t d o w na n d r e s o u r c e i s s a v e d.B y m e a n s o f t h e a n a l y s i s o f s m a rt h o me s y s t e m,I d e s i g n t h e g l o b a ls t r u c t u r e.A i m i n g a t c h a r a c t e r a n d f u n c t i o n o f s ma r t h o m e s y s t e m,I a n a l y s ef u n d a m e n t a l s t r u c t u r e o f s ma rt h o m e c o n t r o l l e r,d e s i g n c o r e c i r c u i t o f c o n t r o l l e r i nd e t a i l,i n c l u d i n g S 3 C 4 4 B O X c o n t r o l l e r c h i p c i r c u i t,m e m o ry s y s t e m c i r c u i t,p o w e r a n d r e s e t c i r c u i t.O n d e m a n d o f g l o b a l p r o j e c t d e s i g n,I d e s i g n L C Di n t e r f a c e c i r c u i t,k e y b o a r d c i r c u i t,B l u e t o o t h m o d u l e c i r c u i t a n d o t h e r p e r i p h e r a li n t e r f a c e s,a n d f i n i s h e s t a b l i s h i n g a l l t h e s y s t e m h a r d w a r e p l a t f o r m.B y me a n s o f p o r t i n g ju C/O S-I I e m b e d d e d r e a l t i m e o p e r a t i o n s y s t e m,i t c a nr u n m u l t i t a s k i n g p r o g r a m.T h e p a p e r i n t r o d u c e s s p e c i a l i t y o f ju C/O S-I I i n d e t a i la n d p l a n s s o f t w a r e s t r u c t u r e b a s e d o n i t a n d a n a l y s e a c t u v a t e c o d e.T h e p a p e r哈尔滨理工大学工学硕 t 学位论文c x P a nds o ns o ft w a r ed e s i gn o f s m a rth omec o n t r o l l e r，g i v e s al l t h es o ft wares t ru c t ur ea n dfl o w gr aP h，fi n i s h sth es o n w a r ed e s i gn o fL C D，址y b o ar d，B l u et o o thm o d u l e a n dac o m P l i s h s i 班 e re o nne cto f B l u e to o 宝 hP o i ntt o P o i nt.Atl as tIg i ve the d e s i g n o fP artfun c t i o n a lm o d u l e，suc h as tem P e r a t u r em o a s ure m e n t，s a n g u a rd，i n fon”a 石 O n 即P l i a n c e a n d s oon.K e y w o r d s s ma rth o me;c o n t r o l sys t e ln;S 3 C 4 4 B O Xchi P;B l u et o o thte c h n o l o gy 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文 嵌入式智能家居控制系统的研究 二 是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作 者 签 名:抽 晨日 期:2-T 7 年 少月/I 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 嵌入式智能家居控制系统的研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于 保密 口，在年解密后适用授权书。不 保 密侧。(请在以上相应方框内打,/作 者 签 名 0派导 师 签 各卷 兰 求日 期:7-.-7 年3 月I d 日日 期:回年，“W H哈尔滨理工大学工学硕士学位论文第1 章 绪论课题研究的背景 近年来 计算机、自 动控制和通信技术的发展，己 经深刻地改 变了人们的工作 方式，极大地提高了 企业的生 产效率，为社会创造了巨大的 财富，相比 之下带给个人和家庭生活的好处却十分有限，传统的居家方式并没有因信息时代的到来而产生多大变化。家电产品种类日益增多，分散控制给人们带来了极大的不 便，作为社会组成的 基本单元 家庭几乎成为 信息时代的 孤岛。在这样的背景 下，人们开始关注居住环境，注重家居环境的安全、健康、便捷和舒适，如 何有效地在家居环境中 组建家庭信息网络，将各 种家电 产品 结合成一个有机整体，并通过它对家电 设备进行集中 或异地的智能 化控制与管 理，并且能够与外界 进行信息交流，更 好地为 人们提供家居环境的各类信息，开发网络化、智能化、数字化的新型住宅。从而引发了一个极具吸引力的市场:智能家居系统。“智能家居”(s m a r t h o m e)，又称智能住宅，它利用先进的计算机技术、嵌入式系统技术、网络通讯技术和传感器技术等，将家中的各种设备(照明 系统、环境控制系统、安防系统、智能家电等)有机的连接到一起。智能家居让用户采用更方便的手段来管理家庭设 备，比如，通过无线遥控器、电话、互联网或者语音识别控制家用设备，根据场景设定设备动作，使多个设备形成联动。智能家居内 的各种设备相互间可以 通讯，不需要用户指挥也能根据不同的状态互动运行，从而在最大程度上给用户提供高效、便利、舒适与安全的居住环境和工作环境t h a t 智能家 居是近几年产生并迅速崛 起的一种新型家居住宅，而家居的智能化是其最重要最基本的内 容，它是建筑艺术、生活理念与信息技术、电 子技术等现代技术的 完善综合。它不仅己 经成为一个国家经济实力和科学技术的综合标志之一，而 且也是人类社会住宅发展的 必然趋势。但是，当 前的智能家居产品大都基于有线通信技术，系统成本高，设计周期长，维护不方便，较难适应当前的发展形 式，同时智能家居技术在我国还是刚刚 起步，许多 技术标准都还不统一，还有 很多工作需要做。因此加强 这方面的研究，如何选取合适的技术，进行合理的方案设计，进而组建一种符合我国国情的、具有 自 主知识产权的智哈尔滨理工大学工学硕士学位论文能家居系统己成为当前智能家居领域中极富挑战的课题。本设计课题就是在这种背景下，经导师细心指导后选定的。1.2 智能家居及其控制系统的发展现状1.2.1智能家居系统国外发展现状 世界 上第一幢智能 建筑于 19 84 年在美国 康涅迪格州出 现，当时只是对一座旧式大 楼进行了一定 程度的改 造，采用计算机系统对大楼的 空调、电梯、照明 等设备 进行监测和控制，并提供语音通信、电 子邮件、情报资料等方面的信息服务。从那以后，美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国 家和地区 先后提出了 各种智能家居方案。1 9 9 8 年5 月，新加坡举办了“亚洲家庭电器与电子消费 品国 际展览会”，在会上展示了 模拟的“未来之家”，推出了 新加坡模式的 家庭智能化系统。该系统提供了以 下功能:三表抄送、安防报警、可视对讲、集中化监控、家电控制、有线电视接入、电话接入、住户信息留 言、家庭智能 控制面板、智能布线箱、宽带网 接入、系统软件配置等。2000年，在新加坡有近30个社区的近5 0 00户家庭采用了 这种家庭智 能化系统;美国 则有近4 万户家庭安装了这类系统。资料显示:19 95 年，美国 一个家庭要安 装家庭自 动化设备的 平均费用在 70009 0 00 美元之间，而目 前的费用已经大大降低。就 目 前的发展趋势分析，预计今后两年内将有近 1 亿的家庭构建家庭网 络，根据美国 一家权威市 场调查机构资 料显示，2 0 03年，建设网 络化家庭所带来的 市场总 值高达 4 5 00 亿美元，其中3 7 00亿美元是智能信息家电硬件产品的价值，其余是软件和技术支持服务的费用.现在，国外的智能家居系统己日 趋成熟，预计到 2 0 10 年，50%以 上的 新房将具有一定的“智能型家居”功能。同时，由于 技术的标准化，这些新型家居将比比尔.盖茨耗资 6 0 00万美元建造的高科技别墅便宜得多 13。在智能家居发展过程中，美国一直处于领先水平。近来，以美国微软公司及摩托罗 拉公司 等为首的一批国际知名企业，先后挤身于智能家居的研究与开发中，例如:微软开发的“梦幻之家”、IBM公司开发的“家庭主 任”、摩托罗拉公司开发的“居所之门”等。3 C O M 公司也一直在通过因 特网向 用户宣传智能家 居这一概念，并正在研发家用无线网关等网络产品。此外 I n t e l 公司、日本松下电器公司、新加坡科技电子公司、韩国三星公司等知名企业也正致力于智能家居系统的研发工作。智能家居的市场己经启动，其诱人的前景和巨大的哈尔滨理工大学工学硕士学位论文市 场潜力吸引了 大批厂商争先恐后地涉足这一市场，虽然每家公司的 策略各不相同，但它们都坚持同样的信念:山那边遍地是金。1.2.2 智能家居系统国内发展现状 目 前我国正处于智能家居的萌芽发展期，政府有关 部门已 经将建设智能 化小康示范小区列入重点 发展方向，这必然促使智能化从智能大厦建设向 智能化住宅小区，乃至向家庭智能化的方向发展。去年 8月，由国家经贸委牵头成立了家庭信息网络技术委员会，信息网络技术体系研究及产品开发己经被作为国家技术创新的重点专项计划。据悉，国家将投资 巧 亿元人民币支持该项 目的实施。目 前，建设部己 批准 7个普及型网络社区，而北京市己 经计划建设 30个网络社区，总 户数 将达 3 万户。到 2 010 年，我国 将有 70%以上的家庭拥有I n t e rne t 入网设备。按照建设部的要求，到 2 010年，大中城市中 50%的住宅要实现智能化。由于智能家居系统能够为人们提供更加轻松、有序、高效的现代生活环境，因此已经成为房地产商追逐的热点。在未来，没有智能家居系统的住宅将像今天不能上网的住宅那样不合潮流.就像对任何新生事物一样，人们对智能家居的认识也存在误区，最常见的有以下几种:一是认为简单地堆砌监控设施、网络设施，便是实现了家庭信息化和智能化，如安装可视电话、可视门铃等:二是认为智能化深不可测，一打手机热水器便开了，甚至认为冰箱、微波炉等都上网。据调查，在拥有个人电脑的 美国家庭中，有 3 7%的 家庭希望拥有家庭网 络，但很少有消费者需要带电子邮件功能的冰箱、微波炉等。国内有关专家认为，在建设智能化住宅时，应从人的需求出发，不应盲目 追求大而全。建设一个社区智能网 络系统，每建筑平方米将增加造价 1 00 元左右，如果再增加一些高档、豪华的设施，所需费用将更多。且不说一些不实用的设施所造成的资金浪费，仅是社区 智能网 络的维护就需要不少的人力、财力，由 此带来的物业费 增加也是房地产开发 商应该考虑的问题。一项调查显示，在住宅智能化系统中，紧急呼叫系统的需求量最大，有近50%的购房者认为这是必备的设 施:其次是门 铃对讲系统;紧随其后的 是计算机网络系统、三表抄送系统以 及对家电 设施的 综合控制系统等1411，。在国外各大企业研发智能家居产品的同时，国内厂商也己开始智能家居产品的研发和生产，特别是一些大型 rr 企业利用自 身在资金与技术方面的优势，在低端产品 市场上占 据了 相当重要的地位。比 如:清华同 方 e 七。me 事业哈尔滨理工大学工学硕 L 学位论文部、南京普天楼宇智能有限公司、中美科龙公司等都正加紧研发智能家居系统的相关产品。虽然在今天，人们理想中的 智能 家居还是一个梦想，但是它已 经不太遥远了。.2.3智能家居控制系统的发展现状 智能化家居的发展分为 三个层次:首先是家庭电 子化(H E，H o m e Ele c t r o n ic s)。这个时期主要是 面对单独电器的阶段，电 子设备之间并 没有 很大的 联系，如电视机刚出 来的那 些时期。其次是住宅自 动化(HA，hom eA ut omation)。该时期是面向 功能的阶段，部分电器设备具有了一些简单的网络连接功能，主要是为了实现某个单一的功能，比如单一的自动抄表系统。最后是家居智能化，美国 称其为Wi se H ouse，欧洲称为 S m art H o me。智能住宅是面向系统设计的，系统通过家庭分布总线(H D s，Hom e Dis t ri b u t i ons y s t e 功)把住宅内各种与信息相关的通讯设备，家用电器和家庭保安装置都并入到网络节点中进行集中的和异地的监视控制和家庭事务处理，并保持这些家庭设施与住宅环境的协调，提供工作、学习、娱乐等各 项服务，营造出具有多功能的信息化居住空间。智能家居 控制系统提供安全、舒适的居住环境，确保人身和财产安全;空调系统调节温度、湿度、检测空气成份，提高空气质量;系统调节音响和色彩，使人们心情舒畅;合理利用阳光和大气冷热量来调节室内环境，减少能耗，能按事先设定的程序，区 分各种时段，对室内的 环境及设备进行 控制，并提供现代化的通信手段和信息服务I6jl7。从设计思想和技术角度分析，当 前国内的智能家居控制系统有两个研究方向:一是基于非 P C 平台的智能家居系统;二是基于 P C 平台的智能家居系统。总体来说，国内 智能家居产品的 研发从上世纪九十年代后期才起步，起步较晚，在整体水平上参差不齐，软件功能较差，升级能力差，系统也不易维护;大都采用了 有线通信技术，系统设 计、布线成本较高，基于无线通信技术的智能家居控制系统日 前还出 于试验阶段;很多厂商对产品的核心技术不拥有自主知识产权。哈尔滨理T大学工学硕士学位论文2.4智能家居的未来发展趋势 智能家居是信息时 代的产物，以计算机和网络技术为核心，渗透并应用到建 筑行业，它的发展趋向 于将建筑艺术与信息技术完美地结合，形成既有安全、舒适和高效等特性，又能 将科学技术与文化艺术相互融合的 综合 体。其发展 趋 势主 要体 现 在8119 1,1.向“一体化系统集成”方向发展家居智能化需满足自 动化管理、三表计量、安全防范监控、火灾 报警、对讲呼叫、设备监控等六方面内容，把六项内容的智能化功能集成，从而降低成本，是其未来发展的一个方向。2.向节能 环保方向 发展智能化的本质之一是降低成本 和提高效率，节能是降低成本的关键技术;环保是全球的要求，智能家居如何 结合现有技术降低功耗、减少对家庭和小区的环境污染，提高生活环境的质量，这些也是其未来发展必须考虑的因素。3.向 仿人智能化、网络化、人性化方向发展仿人智能化是智能控制发展的必然趋势，它是当代高科技技术和生物学技术的高度综合和升华。因此，家 居的智能化也必然向 仿人智能化方向发展;网络化是 信息 技术、通信技术和计算机技术发展的必然趋势，是智能化的一个重要条件:人性化体现了“以人为 本”的思想，是科学技术发展的目 的和最终归宿。因 此，也是智能家居未来的一个发展方向。4.向规范化、标准化方向发展我国智能家居发展较晚，新技术、新产品 层出不穷，标准和规范还在制定之中。产品的规范化、标准化方面 仍存在着许多问题:W T O 的加入 还需考虑和国际接轨的问 题;规范化、标准化是智能家居快速发展、走入国际市场的必由之路。5.向具有“中国特色”的家居智能化方向发展家居智能化系统需要大量的适合中国国 情的产品和运行软件，目 前开发的软硬件产品的 种类较少，水平较低。1.3研究的目的和意义 随着计算机 技术，通讯技术，网 络技术的快速发展，消费电 子产品正逐渐与计算机、通讯 技术密切结合在一起;同时随着人们生活质量的日 益提高，人们对家庭安 全、家居智能 化的要求也越来越高，需要将家庭安全、家庭智能化和家庭通讯与网络设施集成在一起。哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 将高科技产品 应用于住宅和 物业管理己 经成为当今商品 房的一大 卖点。随着计算机普及和信息产业的发展，人 们对居住环境的要求不断提高，智能家居越来越成为中国家居市场的主流。目前，中国已在经济发达地区如北京、深圳、广州、上海等地建立了一批智能住宅小区，而且正快速地向其他地区 辐射。建设部己 将智能化住宅小区列为国家重点发展方向。预计未来 5到 10 年可以形成主流市场。智能家居将大大改变人们的生活方式和工作方式，带动房地产业、智能化装修、小区服务中心、传统家电企业等相关产业的发展。家居数字化、建筑智能化及相关技术产品正在得到发展，智能化家居将逐步走入人们的生活。目前美国的智能建筑、智能家居一直处于国际领先地位，国内的智能家居产品大多数照搬或简单改装国外产品。由于我国家居生活与国外相差甚大，因此开发适合我国家居特色的智能家居产品显得非常重要，嵌入式家居项 目的应用前景也是非常广阔的。1.4课题来源及主要研究内容 本课题来源于哈尔滨理工大学开放 性实验项目“基于 E V 科B Oll 板的嵌入式智能家居控制系统的 研究”，针对我国的国 情和居民的生活水平，提供一个完善的、合理的、便捷的智能家居控制系统的解决方案。本课题将从理论和系统设计两个方面对智能家居控制系统的问题进行深入的研究，本文采用三星公司的 s3C 科B O X芯片，使用嵌入式实时操作系统以及先进的蓝牙无线通信技术 给出了智能家居的 一种合理的，高性能的实现。论文研究的内容主要包括:1.对与智能家居相关的嵌入式技术和蓝牙技术进行分析介绍。2.对智能家居系统的智能性进 行研究，对整个系 统进行构架和设计。3.嵌入式 操作系统的选 择与 移植。4.研究智能家居控制器的基本结构，并对智能家居控制器的软硬件进行设计，完成常用接口的设计，最终实现一些基本的智能家居控制操作。哈尔滨理S大学工学硕士学位论文第2 章 嵌入式系统及蓝牙技术2.1嵌入式系统2.1.1嵌入式系统概述 嵌入式系统是继计算机网 络技术 之后，I T领域又一个新的 技术热点和发展方向。嵌入式系统 目前己经广泛地应用于网络通信、消费电子、工业控制、国防等各个领域。随着计算机技术与通信技术的 发展，嵌入式系统的 研究与开发也有着越来越重要的实际意义。2.1.1.1嵌入 式系统的定义 嵌入式系统一般指非 P C系统，有计算机功能但又不称之为 计算机的设备或器材。它是以 应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统 对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。简单地说，嵌入式系统集系统的 应用软件与硬件于一体，类似于 P CB I O S的工作方式，具有软件代码小、高度自 动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系。嵌入式系统主要 由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是可独立工作的“器件气 嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备，如掌上P D A、移动计算设备、电视机顶盒、手机上网、数字电视、多媒体、汽车、微波炉、数字相机、家庭 自 动化系统、电梯、空调、安全系统、自 动售货机、蜂窝式电话、消费电子设备、工业自动化仪表与医疗仪器等。2.1.1.2 嵌入式系统的特点与通用计算机系统相比，嵌入式系统有其自 身特点p o i.1.面向 应用，以 应用 为中心 嵌入式系统是针对具体应用的专用系统，“面向应 用，以 应用为中心”是嵌入式计算机系 统区别与通用计算系统的最明显的特点。这里的“应用”一 般为特定的应用，特定的应用一般具有成本敏感性，它的 硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除 冗余，好的嵌入式系统是完成目 标功能的 最小系统。2.专用性强且资源有限 嵌入式系统在外围 设备的支持上没有通用计算机系统丰富，取而代之的是种类繁多的面向 特定 应用的嵌入式设备。这也使得嵌入式系统设计要求系统设计者对应用对象有透彻的理解。同时，应用环境、哈尔滨理工大学工学硕士学位论文应用方式以 及实 现功能的单一性也对其资 源规模带来较大限制。3 软硬件紧密融合 在嵌入式系统中，硬件操作需要特定软件控制，软件运行需要特定硬件环境支持.在嵌入式系统软、硬件体系结构内 部，各层次、模块之间的藕合度也要比通用计算系统强。4 多任务实时并发 大多数嵌入式计算机应用任务必须实时并发地协同工作，才能实现所需要功能。同时，应用对象不同，所要求的实时性程度也不同。诸如航空电子等应用领域要求系统具备强(硬)实时性:而在另外一些应用领域内，弱(软)实时就能满足需求，比 如嵌入式家庭网关这类系统。5.应用模式多样化应用对象的多样化，就决定了嵌入式系统的多样化。6.嵌入式软件作用更为突出 嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，对嵌入式处理器系统软件和应用软件的要求也和通用计算机有所不同，例如嵌入式软件要求固化存储、代码质量高、可靠性高、具备实时性等。随着嵌入式系统智能化程度和规模的不断提高，嵌入式软件在嵌入式系统中的作用日 益突出，嵌 入式软 件开发成本在整个系统成本中占有较大比 例，且成为影响开发周期的瓶颈。7.嵌入式系 统软件需 要 E O S开发平台 在嵌入式系统中，为了 合理地调度多任务，利用系统资源、系统函数，以 及库函数接口，用户必须使用 E O S才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。一个优秀的E O S 往往是嵌入式系统成功的 关键。2.L L 3 嵌入式系统的发展趋势 信息时代、数字时代使得嵌入式产品获得了巨 大的发展机遇，为嵌 入式市场展现了 美好的蓝图，是机遇同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战。从中可以 看出 嵌入式系统的几大发展趋势:1.芯片 功能更加强大 随 着微电 子技术的快速发展，S O C和 S O P C将成为发展趋势，这不仅能降 低成本，缩小产品体积，还将增强 产品的可靠性。同时，软件硬件的 紧密结 合，嵌入式软件与 硬件界线更加模糊，嵌入式软件时常以硬件形态存在，这种方式可提高实时性，增强可维护性。2.网络化嵌入式产品将与互联网应用相互促进，快速发展，一 嵌入式产品将成为互联网的主要终端之一，网上将出 现大量的服务于嵌入式产品的软件，并有专门服务于嵌入 式产品的内 容。网 络互联成为必然趋势。3.无线通讯产品将成为嵌入式软件的 重要应用领域 一方面，己有无线产品将借助芯片技术和嵌入式软件来提高性能，另一方面当前许多嵌入式产品都将增加无线通讯功能。因此，未来 几年，蓝牙等相关技术会与嵌入式软件相哈尔滨理工人学工学硕士学位论文互促进，共同发展，使更多的产品具有通讯功能，使更多的通讯产品更好地为用户服务。4.嵌入式操作系统会与嵌入应用软件协同发展嵌入式系统中的 重要角色包括嵌入式应用软件，嵌入式系统应用领域千差万别，只有充分重视应用软件的发展，才能满足丰富多彩的应用要求。5.硬件平台多样化 嵌入式操作系统是在多种硬件平台上发展起来的，随着嵌入式系统的广泛应用，信息交换、资 源共享机会增多，由此相关的标准问 题也将日 渐突出，如何建立相关标准成为 业界关 注的问题。日 益发展的 嵌入式技术已 经能够满足人们可随时随地利用 任何设备和手段来接收、处理和发布信息的需求，图 2-l所示是这种未来嵌入式技术发展的示意图，这些必 将进一步刺激和加速嵌入式技术的发展，造就更加广阔的 市场空间。消费电子低成本、低功耗 通信宽带、无线高校计算运算、处理任何媒体任何内容任何地点任何时间应用软件 图2-1嵌入式发展示意图F i g.2-1 E m b e d d e d d e v e l o p m e n t g r a p h2.1.2嵌入式硬件 整个嵌入式系统的 开发涉及两方面:硬件部分与软 件部分。硬件部分提供整个系统开发可见的或可触摸的“实体”，而软件部分相当于这个“实体”内哈尔滨理工大学工学硕士学位论文八日(八即l i c 皿1 侃卜训笋盯而加91 川。币 书.)O D】1 1 加 洲 1“伪j 毗 I n l e rf 习 图2.3嵌入式系统软件结构框图 F 电2 一 3 S 0 ft w ar e s 宜 nj c l u 祀。f embe d d e d syste m 设备驱动接口D D I:它负责嵌入式系统与外部设备的信息交互。操作系统 E O S:该系统 分成基本和扩展两部分。前者是操作系 统的核心，负责整个系统的任务调度、存储分配、时钟管理和中断 管理，并提供文件、G U I等基本服务;后者是为用户提供操作系统的扩展功能，包括网络、数据库等。应用程序接口 A P I:该接口 称为应用编程中间件，是为编制应用程序而提供的各种编程接口 库(U B)。它可以 针对不同 应用领域(如网络设备、P D A、机顶盒等)、不同安全要求分别构件，从而减轻应用开发者的负担。应用程序:实际的嵌入式系统应用软件，如嵌入式文本编辑、游戏、读/写卡系统等。当实际构建嵌入式系统时，并不是一定需要 E O S和应用编程接口。即使使用，也可以根据实际需要配置和剪裁。2.L 3.2 嵌入式操作系统 在大型嵌入式开发应用中，为了使嵌入式开发更方便、快捷，就需要相应地管理存储器分配、中断处理、任务间通信和定时器响应，并提供多任务处理等功能的稳定、安全的软件模块 集合，即嵌入式操作系统。嵌入式操作系统就是支持嵌入式系统工作的操作系 统，相对于一般操作系统而言的，它除具备了 一般操作系统最基本的功能，如 任务调度、同 步机制、中断处理、文件功能等外，还有以下特点:哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 I.可装卸性、开放性、可伸缩性的体系结构 2.强实时性 E O S 实时性一般较强，可用于各种设备 控制当中。3.统一的接口提供各种设备驱动接口。4.操作方便、简单提供友好的图形 G UI，图形界而，追求易学易用。5.提供 强 大 的 网络 功 能支 持 T C P/I P 协 议 及其 它 协 议，提 供T C P/U D P/I P/P P P协议支持及统 一的 MA C访问层接口，为各 种移动计算设备预留接口。6.强稳定性，弱交互性嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的干预，这就要负责系统管理的 E O S具有较强的稳定性。嵌入式操作系统的用户接口一般不提供操作命令，它通过系统调用命令向用户程序提供服务。7.固化代码在嵌入系统中，嵌入式操作系统和应用软件被固化在嵌 入式系统计算机的 R O M 中。辅助存储器在嵌入式系统中很少使用，因 此，嵌入式操作系统的文件管理功能应该能够很容易地拆卸，而用各种内存文件系统。8.良好的移植性嵌入式操作系统是嵌入式系统的灵魂，它的出现大大提高了 嵌入式系统开发的效率，减少了系统开发的总工作量，而且提高了嵌入式应用软件的可移植性。嵌入式操作系统的种类繁多，但大体上可分为商用型和免费型。目 前商用型的操作系统主要有 V x W o r k s,Wi n d o w s C E,P s o s,P a lm O S,L y n x O S,Q N X,L Y N X等，它们的 优点是功能稳定、可靠，有完 善的技术支持和售后服务，而且提供了 如图形用户界面和网 络支持等高 端嵌入式系统要求的许多高级的 功能;缺点是价格昂贵且源代码封闭，这就大 大影响了开发者的积 极性。目 前免费型的操作系统主要有 L i n u x和ja C/O S-1 1，它们在 价格方面具有 很大的 优势.比如嵌入式 L i n u x操作系统以 价格低廉、功能强大、易于移植而且程序源码全部公开等优点正在被广泛采用n n2.1.4嵌入式系统开发 嵌入式系统常用的开发模式是宿主机一目标机(H o s t-T a r g e t)模式(见图 2-4)，其中 宿主机是指完成 操作系统的裁剪和应用软件的开发的计算机(包括台 式机和工作站)，目 标机通常是指待开发的，实现对被控对象智能化控制的硬件平台。其实 现原理:在宿主机上完成软件功能，然后通过串口 或网口 将交叉编译生 成的目 标代码传输并下载到目 标机上，并在监控程序或者操作系统的支 持下利用交叉 调试器进行分析和调试，最后目 标机在特定环境下脱离宿主机单 独运行。哈尔滨理工大学工学硕上学位论文宿主申U线目标板 图2 礴宿主机一目 标 机模式 Fi gZ 确Host 一 ta 电 e l p a”e m 采用宿主机 一目 标机开发模式进行嵌入式系统开发，具有整体