基于RTEMS操作系統(tǒng)的圖形工具開發(fā)包的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、分類號(hào)密級(jí)UDC學(xué)位論文基于RTEMS操作系統(tǒng)的圖形工具開發(fā)包的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)與模塊類的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)作者姓名：孫永兵指導(dǎo)教師：鄧慶緒副教授東北大學(xué)計(jì)算機(jī)軟件與理論研究所申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士學(xué)科類別：工學(xué)學(xué)科專業(yè)名稱：計(jì)算機(jī)軟件與理論論文提交日期：論文答辯日期：學(xué)位授予日期：答辯委員會(huì)主席：評(píng)閱人:東北大學(xué)2006年2月ADissertationinComputerSoftwareandTheoryTheDesignandImplementationofGUIToolkitbasedonRTEMSDesignanddevelopmentofkeytechniquesandmoduleclasse

2、sbySunYongbingSupeivisor:AssociateProfessorDengQingxuNortheasternUniversityFebruary2006-1-獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明，所呈交的學(xué)位論文是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下完成的。論文中取得的研究成果除加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人己經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包括本人為獲得其他學(xué)位而使用過的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均己在論文中作了明確的說明并表示謝意。學(xué)位論文作者簽名：日期：學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者和指導(dǎo)教師完全了解東北大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定：即學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送

3、交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)東北大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索、交流。（如作者和導(dǎo)師同意網(wǎng)上交流，請(qǐng)?jiān)谙路胶灻?；否則視為不同意。）學(xué)位論文作者簽名：簽字日期：導(dǎo)師簽名：簽字日期：東北大學(xué)碩士學(xué)位論文Abstiact東北大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要- III- II-基于RTEMS操作系統(tǒng)的圖形工具開發(fā)包的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)與模塊類的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要本文首先介紹了嵌入式開發(fā)平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)，以及本GUIToolkit在其中的位置和作用，接下來乂對(duì)本GUIToolkit的開發(fā)環(huán)境作了簡(jiǎn)單的描述。本文在深入討論當(dāng)今嵌入式領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的兒種GUI系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)

4、構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了運(yùn)行在RTEMS實(shí)時(shí)性嵌入式操作系統(tǒng)之上的圖形用戶界面開發(fā)包（GUIToolkit）的整體分層結(jié)構(gòu)：底層接口抽象層、中間引擎層和上層應(yīng)用接口層。本文在盡可能的考慮嵌入式系統(tǒng)和工控領(lǐng)域的要求下，進(jìn)行了該GUIToolkit模塊類的功能定義和骨干類的接口實(shí)現(xiàn)。主要包括包括底層繪圖類（Gfk類）、消息隊(duì)列類（MessageQueue類）、繪圖類（Paintei類）、繪圖對(duì)象類（Pamterdevice類）、鼠標(biāo)、鍵盤事件處理類（Mouse、KeyboardHandle類）、字體管理類（FontManagement類）等。本文還詳細(xì)闡述了本GUIToolkit中實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)：事件消

5、息機(jī)制、窗口技術(shù)、顏色板查找算法、動(dòng)態(tài)曲線繪制算法和編譯規(guī)則等。其中，本GUIToolkit設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了事件消息機(jī)制，它基于RTEMS的消息管理器，以消息的完全封裝為特色，并對(duì)傳統(tǒng)C/S模式下的通信機(jī)制做了改動(dòng)。本文重點(diǎn)分析了實(shí)現(xiàn)該機(jī)制特色的關(guān)鍵設(shè)計(jì)部分，并且給出了具體實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和事件消息處理邏輯流程；它還實(shí)現(xiàn)了顏色板的最接近查找算法，并對(duì)其通過增設(shè)軟件Cache的方法做了改進(jìn)，提高查找速度：它采用了內(nèi)插法的動(dòng)態(tài)曲線繪制算法，滿足工控曲線的繪制顯示要求；本文還為GUIToolkit應(yīng)用開發(fā)制定了統(tǒng)一的編譯規(guī)則，將RTEMS操作系統(tǒng)、GUIToolkit模塊庫(kù)和GUI應(yīng)用程序編譯到指定目標(biāo)

6、硬件系統(tǒng)上的二進(jìn)制映象。在文章的最后本文給出了本GUIToolkit的最小系統(tǒng)定義和實(shí)現(xiàn)，并且進(jìn)行了性能評(píng)價(jià)。關(guān)鍵詞：GUIToolkit嵌入式GUI設(shè)計(jì)RTEMS事件消息機(jī)制顏色板查找算法編譯規(guī)則TheDesignandImplementationofGUIToolkitbasedonRTEMSDesignanddevelopmentofkeytechniquesandmoduleclassesAbstractAiloveiallstnictuieofembeddedsystemdesignplatformisfiistpresentedmthispaper.Thelocationandfi

7、inctionsofaGUIToolkitinthesystemanditsdevelopmentenvuomnentaxebrieflymtroducedOnthebasisofathoiouglireviewofwidelyusedGUIsystemsandthenmfiastmctuie,wepresentedanoveialllayeredstnictuieoftheGUIToolkitnimuiigonRTEMSreal-tuneoperatingsystem,wluchincludesthelow-endabstractmteifacelayei;theGUIenginelayer

8、andthehigh-enduserapplicationmteifacelayer.Thefiuictiondefinition,moduledefinitionandthemainclassesoftheGUItoolkitareimplementedconsideringbothembeddedsystemiequuementsandindustiialmonitoiandcontrolsystemiequuementsTheclasssetisconsistoflow-levelgraphicalclasses,MessageQueueclasses,pamterclasses,pam

9、terdeviceclasses,eventhandlerclasses,fontmanagementclasses,etc.Thekeytechniques,wluchmcludeeventmessagemechanism,windowmgtechnique,Plattesearchingalgontlmi,dynamiccurvedrawingalgontlunandcompilingmles.TheeventmessagemechanismisunplementedonthebasisofRTEMSmessagemanager.Themechanism,whichiscliaiacter

10、izedbycompleteencapsulationofmessages,isamodificationoftraditionalC/SconununicationmechanismThispapermainlydiscussedtheimplementationofsuchamechanism,andthekeydatastmctuiesandthelogicalprocessingflowarealsopresented.APlattesearclungalgontlunandasoftwafe-implementedcacheismtegiatedtoboostsearchingspe

11、edAalgoiitlmibaseddynamiccurvedrawingisadoptedtosatisfytheiequuementsofindustrialcontrolsystemsThispaperalsodefinesasetofuniformcompilmgrules,wluchcompilesRTEMSoperatingsystem,theGUItoolkitModuleLibandtheuserGUIapplicationsintoabinaryimageforthetargetplatformAmuuinumsystemdefinitionanditsimplementat

12、ionarepiesentedmthelastpartofthispaperTheperformanceoftheGUIsystemisalsoevaluated.Keywords:GUItoolkitEmbeddedGUIdesignRTEMSeventmessagemechaiusmPlattesearchingalgontluncompilingrules東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章引言東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第一童引言- -3.2.1宿主機(jī)環(huán)境24- -目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark10 獨(dú)創(chuàng)性聲明I HYPERLINK l bookmark16 摘

13、要II HYPERLINK l bookmark20 AbstractIll HYPERLINK l bookmark22 目錄1 HYPERLINK l bookmark24 第一章引言1 HYPERLINK l bookmark26 1.1嵌入式系統(tǒng)背景1 HYPERLINK l bookmark28 1.2課題來源及其描述2 HYPERLINK l bookmark30 1.3后繼章節(jié)安排3 HYPERLINK l bookmark32 第二章GUI系統(tǒng)基本概念與相關(guān)工作5 HYPERLINK l bookmark34 GUI系統(tǒng)概念及其發(fā)展歷史5 HYPERLINK l bookmar

14、k36 GUI系統(tǒng)概念5 HYPERLINK l bookmark38 GUI系統(tǒng)的發(fā)展歷史6 HYPERLINK l bookmark40 2.2嵌入式GUI系統(tǒng)簡(jiǎn)介6 HYPERLINK l bookmark42 2.3現(xiàn)存的主要的嵌入式GUI系統(tǒng)簡(jiǎn)介7 HYPERLINK l bookmark44 QT/Embedded7 HYPERLINK l bookmark60 Miciowindows9 HYPERLINK l bookmark62 MiiuGUI10 HYPERLINK l bookmark74 XWindow11 HYPERLINK l bookmark76 2.4幾種重要的

15、事件消息通信機(jī)制簡(jiǎn)介12 HYPERLINK l bookmark78 2.4.1基于管道的QCOP協(xié)議12 HYPERLINK l bookmark80 信號(hào)-槽(Signal-Slot)機(jī)制12 HYPERLINK l bookmark82 2.43SOCKET通信機(jī)制13 HYPERLINK l bookmark84 MessageQueue通信機(jī)制13 HYPERLINK l bookmark86 245共享內(nèi)存15 HYPERLINK l bookmark94 第三章GUIToolkit開發(fā)環(huán)境17 HYPERLINK l bookmark96 3.1智能儀器嵌入式開發(fā)平臺(tái)結(jié)構(gòu)17

16、HYPERLINK l bookmark98 3.1.1硬件系統(tǒng)18 HYPERLINK l bookmark100 3.1.2軟件系統(tǒng)21 HYPERLINK l bookmark102 GUIToolkit開發(fā)系統(tǒng)搭建24 HYPERLINK l bookmark106 322目標(biāo)機(jī)環(huán)境25 HYPERLINK l bookmark108 第四章關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)27 HYPERLINK l bookmark110 4.1事件消息機(jī)制設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)27 HYPERLINK l bookmark112 GUI與OS之間通信27 HYPERLINK l bookmark114 GUI內(nèi)部對(duì)象之間通

17、信的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)27內(nèi)部對(duì)象之間通信機(jī)制整體設(shè)計(jì)27消息轉(zhuǎn)換中心28消息管理維護(hù)中心31 HYPERLINK l bookmark116 GUIToolkitClient/Sevei-模式下通信的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)33 HYPERLINK l bookmark118 4.2窗口技術(shù)34 HYPERLINK l bookmark120 421創(chuàng)建彈出式窗口34 HYPERLINK l bookmark122 4.2.2多窗口技術(shù)實(shí)現(xiàn)35窗口Z序36窗口剪切算法36422.3剪切域的計(jì)算算法36新的多窗口技術(shù)探討37 HYPERLINK l bookmark124 4.3RTEMS操作系統(tǒng)支持38 HYPERL

18、INK l bookmark126 4.3.1內(nèi)核對(duì)通信機(jī)制的支持38 HYPERLINK l bookmark128 4.3.2驅(qū)動(dòng)程序的支持39 HYPERLINK l bookmark130 4.4編譯規(guī)則制定（嵌入式的特色）39 HYPERLINK l bookmark132 4.5調(diào)色板查找算法40 HYPERLINK l bookmark134 4.5.1調(diào)色板工作原理40 HYPERLINK l bookmark136 4.5.2基于軟件cache的最接近查找算法41最接近查找算法41最接近查找算法之上的軟件Cache的設(shè)計(jì)42 HYPERLINK l bookmark138 4

19、.6曲線繪制算法43 HYPERLINK l bookmark140 4.6.1內(nèi)插法原理43 HYPERLINK l bookmark142 4.6.2內(nèi)插法算法實(shí)現(xiàn)44 HYPERLINK l bookmark144 第五章GUIToolkit整體設(shè)計(jì)與原型實(shí)現(xiàn)47 HYPERLINK l bookmark146 GUIToolkit系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)47 HYPERLINK l bookmark148 GUIToolkit系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)47 HYPERLINK l bookmark150 GUIToolkit工作原理圖49 HYPERLINK l bookmark152 GUIToolkit

20、系統(tǒng)類設(shè)計(jì)和功能定義50 HYPERLINK l bookmark154 GUIToolkit類設(shè)計(jì)50 HYPERLINK l bookmark156 GUIToolkit模塊類功能定義51 HYPERLINK l bookmark158 5.3GUIToolkit消息機(jī)制實(shí)現(xiàn)規(guī)則57 HYPERLINK l bookmark160 5.4用戶接口以及交互技術(shù)57 HYPERLINK l bookmark162 5.4.1菜單技術(shù)57 HYPERLINK l bookmark164 5.4.2游標(biāo)定位技術(shù)58 HYPERLINK l bookmark166 圖示（Icon）技術(shù)59 HYPE

21、RLINK l bookmark168 5.4.4其它交互技術(shù)60 HYPERLINK l bookmark170 5.5最小系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)、調(diào)試與評(píng)價(jià)60 HYPERLINK l bookmark172 5.5.1最小系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)60 HYPERLINK l bookmark174 5.5.2系統(tǒng)調(diào)試61調(diào)試環(huán)境搭建61本GUI實(shí)現(xiàn)的最小系統(tǒng)的測(cè)試調(diào)試61 HYPERLINK l bookmark176 5.5.3最小系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)625.531性能評(píng)測(cè)要求625.532性能測(cè)試結(jié)果63 HYPERLINK l bookmark178 第六章結(jié)論與未來工作65 HYPERLINK l bookmark1

22、80 參考文獻(xiàn)67 HYPERLINK l bookmark182 致謝69 HYPERLINK l bookmark184 攻研期間論文發(fā)表情況71 HYPERLINK l bookmark186 攻研期間科研情況73東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章引言東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第一童引言- - -第一章引言1.1嵌入式系統(tǒng)背景美國(guó)著名未來學(xué)家尼葛洛龐帝99年1月訪華時(shí)預(yù)言,45年后嵌入式智能（計(jì)算機(jī)）工具將是繼PC和因特網(wǎng)之后最偉大的發(fā)明。我國(guó)著名嵌入式系統(tǒng)專家沈緒榜院士98年11月在武漢全國(guó)第11次微機(jī)學(xué)術(shù)交流會(huì)上發(fā)表的計(jì)算機(jī)的發(fā)展與技術(shù)一文中，對(duì)未來10年以嵌入式芯片為基礎(chǔ)的計(jì)算器工業(yè)進(jìn)行了科學(xué)的

23、闡述和展望1】。隨著后PC時(shí)代的到來，使得人們開始越來越多地接觸到一個(gè)新的概念隕入式產(chǎn)品。像手機(jī)、PDA（如商務(wù)通等）均屬于手持的嵌入式產(chǎn)品，VCD機(jī)、機(jī)頂盒等也屬于嵌入式產(chǎn)品，而像車載GPS系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床、網(wǎng)絡(luò)冰箱等同樣都釆用嵌入式系統(tǒng)。形式多樣的數(shù)字化設(shè)備正努力把Internet連接到人們生活各個(gè)角落，也就是說中國(guó)數(shù)字化設(shè)備的潛在消費(fèi)者數(shù)量將以億為單位。嵌入式軟件是數(shù)字化產(chǎn)品的核心。如果說PC機(jī)的發(fā)展帶動(dòng)了整個(gè)桌面軟件的發(fā)展，那么數(shù)字化產(chǎn)品的廣泛普及必將為嵌入式軟件產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展提供無窮的推動(dòng)力。嵌入式系統(tǒng)被定義為：以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠

24、性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。重要的特點(diǎn)有4個(gè)：專用性，功能強(qiáng)大，性價(jià)比高，開發(fā)周期短。嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)和各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物，這一點(diǎn)就決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。今天嵌入式系統(tǒng)帶來的工業(yè)年產(chǎn)值已超過了1萬億美元，1997年來自美國(guó)嵌入式系統(tǒng)大會(huì)（EmbeddedSystemConference）的報(bào)告扌旨出，未來5年僅基于嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全數(shù)字電視產(chǎn)品，就將在美國(guó)產(chǎn)生一個(gè)每年1500億美元的新市場(chǎng)2】。美國(guó)汽車大王福特公司的高級(jí)經(jīng)理也曾宣稱，“福特出售的，計(jì)算能力，己超過了IBM-,

25、由此可以想見嵌入式計(jì)算器工業(yè)的規(guī)模和廣度?？v觀國(guó)際相關(guān)產(chǎn)業(yè)在圖形化用戶接口設(shè)計(jì)方面的發(fā)展現(xiàn)狀，許多國(guó)際知名公司早己意識(shí)到GUI在產(chǎn)品方面產(chǎn)生的強(qiáng)大的增值功能，以及帶動(dòng)的巨大的市場(chǎng)價(jià)值，因此在公司內(nèi)部設(shè)立了相關(guān)部門專門從事GUI的研究與設(shè)計(jì)。同行業(yè)間也成立了若干機(jī)構(gòu)，以互相交流GUI設(shè)計(jì)理論與經(jīng)驗(yàn)為目的。隨著中國(guó)IT產(chǎn)業(yè)，移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)，家電產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，在產(chǎn)品的人機(jī)交互接口設(shè)計(jì)發(fā)展上日益滯后，這對(duì)于提高產(chǎn)業(yè)綜合素質(zhì)，提升與國(guó)際同行業(yè)者的競(jìng)爭(zhēng)能力等方面無疑起到了很大的制約作用。1.2課題來源及其描述隨著嵌入式技術(shù)的不斷成熟與發(fā)展，面向大中型機(jī)電設(shè)備的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷類儀器的開發(fā)己經(jīng)形成了一

26、個(gè)很大的產(chǎn)業(yè)，該類智能儀器的出現(xiàn)，已經(jīng)在大型機(jī)電設(shè)備維修和故障診斷方面帶來了一場(chǎng)革命，這就是用科學(xué)的“狀態(tài)維修”，逐漸代替非科學(xué)的周期性維修。先進(jìn)國(guó)家的大型設(shè)備都逐步釆用在線維修的方法，釆用該方法一是可以提前發(fā)現(xiàn)故障，避免重大事故和經(jīng)濟(jì)損失，二是維修變得經(jīng)濟(jì)可靠，在大型機(jī)電設(shè)備上應(yīng)用智能化狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷儀器之后，使企業(yè)可以有依據(jù)的只對(duì)有問題的設(shè)備進(jìn)行維修，而其他設(shè)備可以照常運(yùn)行，產(chǎn)生效益。我國(guó)當(dāng)前普遍釆用的維修方法是周期性維修，即到一定周期，不管設(shè)備有沒有問題，全部停機(jī)大拆。這種維修方法沒有可靠性依據(jù)，長(zhǎng)時(shí)間的大修期給企業(yè)造成的損失巨大，僅以電廠的一個(gè)機(jī)組為例，一次大修需要3個(gè)月，給電廠造

27、成的損失可達(dá)千萬。而在兩個(gè)維修期之間的這段時(shí)間，設(shè)備出現(xiàn)故障卻不能被提前發(fā)現(xiàn)，仍然不可避免的出現(xiàn)一些大型事故。面向大型設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷智能儀器的開發(fā)，在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)非常成熟，美國(guó)的CSL本特立、恩泰克、西屋等公司的產(chǎn)品在世界各地的各大工礦企業(yè)都有成功的應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的社會(huì)效益。國(guó)內(nèi)許多企業(yè)逐漸認(rèn)識(shí)到設(shè)備在線故障監(jiān)測(cè)的重要性，美國(guó)CSL本特立、恩泰克、西屋等公司的產(chǎn)品在中國(guó)都有應(yīng)用，先進(jìn)的維修理念已開始在我國(guó)工礦企業(yè)得到逐步的滲透。但是到目前為止，基于嵌入式技術(shù)的該類設(shè)備在我國(guó)仍屬空白,沒有成熟的產(chǎn)品應(yīng)用，其根本原因就是因?yàn)槲覈?guó)在開發(fā)這類產(chǎn)品時(shí)，沒有統(tǒng)一的開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)和一個(gè)共用的開發(fā)平臺(tái)，使

28、各個(gè)企業(yè)的開發(fā)技術(shù)力量分散，而且沒有可靠的功能和性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，極大的影響了該類產(chǎn)品開發(fā)的效率和可靠性，同國(guó)外產(chǎn)品相比，功能相差太大，沒有競(jìng)爭(zhēng)力，市場(chǎng)基本上被國(guó)外公司所占領(lǐng)，開發(fā)一個(gè)該類嵌入式開發(fā)系統(tǒng)己經(jīng)是勢(shì)在必行。同國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)還沒有一套針對(duì)該類智能儀器開發(fā)的嵌入式軟件開發(fā)平臺(tái)和環(huán)境，因此迫切需要一套這樣的系統(tǒng)，來整體上提高我國(guó)開發(fā)該類智能儀器的水平和開發(fā)速度。為了提高該類智能化儀器產(chǎn)品的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)效率，滿足不同儀器開發(fā)的需要，本課題主要研究嵌入式軟件開發(fā)平臺(tái)的有關(guān)內(nèi)容。本課題隸屬于國(guó)家863項(xiàng)目一面向大型機(jī)電設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)與故障診斷的智能儀器嵌入式軟件開發(fā)平臺(tái)的開發(fā)。該863項(xiàng)目己

29、經(jīng)完成了基于MotorolaColdfiie5307的底層硬件系統(tǒng)和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTEMS內(nèi)核的移值。本課題就是實(shí)現(xiàn)該嵌入式開發(fā)平臺(tái)RTEMS實(shí)時(shí)性操作系統(tǒng)上圖形用戶開發(fā)工具包(GUIToolkit)的開發(fā)，為該開發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)上層圖形用戶接口開發(fā)的支持。本圖形用戶開發(fā)工具包(GUIToolkit)的開發(fā)充分考慮到了嵌入式系統(tǒng)和工控領(lǐng)域的特點(diǎn)，主要包括GUIToolkit系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)、功能類設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)以及事件消息機(jī)制、窗口技術(shù)、用戶接口和交互技術(shù)、RTEMS接口驅(qū)動(dòng)等關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。本GUIToolkit運(yùn)行于RTEMS操作系統(tǒng)之上，提供豐富的功能模塊，完善的圖形功能，清晰的用戶開發(fā)接口（API）,

30、力求應(yīng)用本GUIToolkit開發(fā)出來的圖形用戶界面功能豐富，簡(jiǎn)潔美觀。1.3后繼章節(jié)安排本章主要對(duì)嵌入式系統(tǒng)尤其是嵌入式GUI系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，接著講述了課題來源，并對(duì)本課題進(jìn)行了概括性的描述。第二章對(duì)GUI系統(tǒng)、嵌入式GUI系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的敘述，討論了現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛的兒種入式GUI的系統(tǒng)機(jī)構(gòu)及其優(yōu)缺點(diǎn)，最后簡(jiǎn)單介紹了一下常見的兒種GUI系統(tǒng)內(nèi)部的通信方式。第三章重點(diǎn)介紹了本GUIToolkit的開發(fā)環(huán)境。首先說明的是本GUIToolkit所屬的863項(xiàng)目一嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)，以及本GUIToolkit在其中所處的位置和作用。接下來是對(duì)本GUIToolkit宿主機(jī)和目

31、標(biāo)機(jī)開發(fā)環(huán)境的說明。第四章介紹了本GUIToolkit中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。其中包括具有消息完全封裝特色的消息通信機(jī)制、多窗口技術(shù)、顏色板查找算法、動(dòng)態(tài)曲線繪制算法和編譯規(guī)則等。第五章給出了本GUIToolkit的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)描述了模塊類的功能定義和類接口的實(shí)現(xiàn)。并在最后給出了最小系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和性能評(píng)價(jià)。第六章是結(jié)論與未來工作。東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第二童GUI系統(tǒng)基本概念與相關(guān)工作- -第二章GUI系統(tǒng)基本概念與相關(guān)工作GUI系統(tǒng)概念及其發(fā)展歷史GUI系統(tǒng)概念GUIGraplucalUseiLiterface即人機(jī)交互圖形化用戶接口設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確點(diǎn)說就是屏幕產(chǎn)品的視覺體驗(yàn)和互動(dòng)操作部分。它是一

32、種結(jié)合計(jì)算機(jī)科學(xué)、美學(xué)、心理學(xué)、行為學(xué)以及各商業(yè)領(lǐng)域需求分析的人機(jī)系統(tǒng)工程，強(qiáng)調(diào)人一機(jī)一環(huán)境三者作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)的主要準(zhǔn)則如下：（1）減少用戶的認(rèn)知負(fù)擔(dān)；（2）保持界面的一致性；（3）滿足不同目標(biāo)用戶的創(chuàng)意需求；（4）用戶接口友好性；（5）圖示識(shí)別平衡性；（6）圖標(biāo)功能的一致性；（7）建立接口與用戶的互動(dòng)交流；其主要的應(yīng)用領(lǐng)域有：（1）手機(jī)通訊移動(dòng)產(chǎn)品；（2）計(jì)算機(jī)操作平臺(tái)；（3）軟件產(chǎn)品；（4）PDA產(chǎn)品；（5）數(shù)碼產(chǎn)品；（6）車載系統(tǒng)產(chǎn)品；（7）智能家電產(chǎn)品；（8）游戲產(chǎn)品；（9）產(chǎn)品的在線推廣等；縱觀國(guó)際相關(guān)產(chǎn)業(yè)在圖形化用戶接口設(shè)計(jì)方面的發(fā)展現(xiàn)狀，許多國(guó)際知.名公司早己意

33、識(shí)到GUI在產(chǎn)品方面產(chǎn)生的強(qiáng)大的增值功能，以及帶動(dòng)的巨大的市場(chǎng)價(jià)值，因此在公司內(nèi)部設(shè)立了相關(guān)部門專門從事GUI的研究與設(shè)計(jì)。同行業(yè)間也成立了若干機(jī)構(gòu)，以互相交流GUI設(shè)計(jì)理論與經(jīng)驗(yàn)為目的。隨著中國(guó)IT產(chǎn)業(yè)，移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)，家電產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，在產(chǎn)品的人機(jī)交互接口設(shè)計(jì)發(fā)展上日益滯后，這對(duì)于提高產(chǎn)業(yè)綜合素質(zhì)，提升與國(guó)際同行業(yè)者的競(jìng)爭(zhēng)能力等方面無疑起到了很大的制約作用。GUI系統(tǒng)的發(fā)展歷史圖形用戶接口（GUI）這一概念是70年代由施樂公司帕洛阿而托研究中心提出的，現(xiàn)在所說的普遍意義上的GUI便是由此產(chǎn)生的。1973施樂公司帕洛阿而托研究中心（XeioxPARC）施樂研究機(jī)構(gòu)工作小組最先構(gòu)建了WIMP（

34、窗口，圖標(biāo)，菜單和點(diǎn)選器/下拉菜單）的范例，并率先在施樂一臺(tái)實(shí)驗(yàn)性的機(jī)器上使用。接下來就要數(shù)在1980的出現(xiàn)的TliieeRiveisPerqgraplucalworkstation和在1981年出現(xiàn)的XeroxStar系統(tǒng)。1983年的VisiOn系統(tǒng)最開始是一家公司為電子制表軟件而設(shè)計(jì)的，這軟件就是具有傳奇色彩的VisiCalc,它在1983年首次介紹了在PC環(huán)境下的“窗口”和鼠標(biāo)的概念,其先于“微軟窗口”的出現(xiàn)，但VisiOn并沒有成功研制。1985年Amiga計(jì)算機(jī)公司研究出一款運(yùn)用GUI的計(jì)算機(jī)，叫hituitioiicAmigaGUI在當(dāng)時(shí)獨(dú)一無二，因?yàn)樵谀菚r(shí)候GUI還不能提供足夠

35、的控制功能，Amiga就已經(jīng)能使用彈出式的命令行接口（CLI）To同年，微軟公司正式發(fā)布了第一代窗口式多任務(wù)系統(tǒng)-Windows1.0,由于當(dāng)時(shí)硬件水平所fg,Windows1.0并沒有獲得預(yù)期的社會(huì)效果，也沒有發(fā)揮出它的優(yōu)勢(shì)。但是，該操作系統(tǒng)的推出，卻標(biāo)志著PC機(jī)進(jìn)入了圖形用戶接口的時(shí)代。1990年Windows3.0窗口系統(tǒng)的推出，以及3.2等版本的完善，標(biāo)志著圖形用戶接口系統(tǒng)應(yīng)用的真正開始，但是，這些版本都是由DOS引導(dǎo)的，還不是一個(gè)完全獨(dú)立的系統(tǒng)。1995年Windows95的問世，以其友好一致的窗口操作接口和進(jìn)一步完善的圖形用戶接口，征服了絕大多數(shù)的PC機(jī)用戶，隨后，微軟繼續(xù)推出的W

36、mdows9&Wmdows2000,WmdowsXP等版本，使得Windows系統(tǒng)更加完善，并且由此確定了Windows窗口系統(tǒng)在桌面操作系統(tǒng)上的統(tǒng)治地位。2.2嵌入式GUI系統(tǒng)簡(jiǎn)介嵌入式GUI為嵌入式系統(tǒng)提供了一種應(yīng)用于特殊場(chǎng)合的人們交互界面。它所管理的資源有屏幕、窗口、象素映像、色彩表、字體、光標(biāo)、圖形資源及輸入設(shè)備。從最終的用戶的角度來看，嵌入式窗口系統(tǒng)通過窗口、菜單、對(duì)話盒、滾動(dòng)條、圖標(biāo)及按鈕等接口對(duì)象提供了一種與系統(tǒng)進(jìn)行交互的靈活機(jī)制。從應(yīng)用程序開發(fā)者的角度來看，它提供了一系列用于構(gòu)造圖形用戶接口的編程機(jī)制，如各種庫(kù)函數(shù)、接口對(duì)象類等。通過這些編程機(jī)制，可在設(shè)備獨(dú)立的條件下開發(fā)接口友

37、好的應(yīng)用程序。在常見的PDA等小型堂上型設(shè)備上，由于硬件條件等的限制，用戶接口都非常簡(jiǎn)單，兒乎看不到在PC機(jī)上看到的華麗美觀的GUI支持。但最近隨著掌上型設(shè)備的硬件條件的提高，出現(xiàn)的Palin等掌上型計(jì)算機(jī)或者在WindowsCE等面向嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)上，己經(jīng)出現(xiàn)了完整的圖形用戶接口支持。近來的市場(chǎng)需求顯示，越來越多的嵌入式系統(tǒng)，包括PDA、機(jī)頂盒、DVD/VCD播放機(jī)、WAP手機(jī)等等系統(tǒng)均要求提供全功能的Web瀏覽器。這包括HTML4.0的支持、JavaScnpt的支持，共至包括Java虛擬機(jī)的支持。而這一切均要求有一個(gè)高性能、高可靠的GUI的支持。嵌入式工業(yè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求非

38、常高，因此對(duì)GUI的要求也更高。這些系統(tǒng)一般不希望建立在龐大累贅的、非常消耗系統(tǒng)資源的操作系統(tǒng)和GUI之上，比如Wmdows或XWindow,而對(duì)輕型GUI的需求更加突出。另外，嵌入式系統(tǒng)往往是一種定制設(shè)備，它們對(duì)GUI的需求也各不相同。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，有的系統(tǒng)只要求一些圖形功能，而有些系統(tǒng)要求完備的GUI支持。因此，GUI也必須是可定制的?？傊度胧紾UI要求簡(jiǎn)單、直觀、可靠、占用資源小且反應(yīng)快速，以適應(yīng)系統(tǒng)硬件資源有限的條件。另外，由于嵌入式系統(tǒng)硬件本身的特殊性，嵌入式GUI應(yīng)具備高度可移植性與可裁減性，以適應(yīng)不同的硬件條件和使用需求?？傮w來講，嵌入式GUI具備以下特點(diǎn)：（1）體積??；（

39、2）運(yùn)行時(shí)耗用系統(tǒng)資源小；（3）上層接口與硬件無關(guān)，高度可移植；（4）高可靠性；（5）可配置。Hl2.3現(xiàn)存的主要的嵌入式GUI系統(tǒng)簡(jiǎn)介1994年QNXr發(fā)布了第一個(gè)嵌入式微核的窗口系統(tǒng)，自此之后，隨著嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大和嵌入式技術(shù)的發(fā)展成熟，嵌入式GUI系統(tǒng)的發(fā)展也空前繁榮。目前應(yīng)用最廣泛的主要有QT/Embedded.Microwindows.MmiGUI和WinCE窗口等。QT/EmbeddedQt/Embedded是著名的Qt庫(kù)開發(fā)商Trolltech公司開發(fā)的面向嵌入式系統(tǒng)的Qt版本。因?yàn)镼t是KDE等項(xiàng)目使用的GUI支持庫(kù)，許多基于Qt的XWindow程序因此可以非常方便

40、地移植到Qt/Embedded上。Qt/Embedded同樣是Seivei/Client結(jié)構(gòu)。其體系結(jié)構(gòu)如圖2.1所示：ApplicationSourceCodeQtAPIQt/XllQt/EmbeddedXlibXWindowSeiverFrame-BufferLinuxKernel圖2.1QtEmbedded系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖習(xí)Figure2.1SystemaichitectureofQt/EmbeddedQt/Embedded延續(xù)了Qt在X上的強(qiáng)大功能，在底層摒棄了Xlib,僅采用framebuffer作為底層圖形接口。同時(shí)，將外部輸入設(shè)備抽象為keyboard和mouse輸入事件，底層接

41、口支持鍵盤、GPM鼠標(biāo)、觸摸屏以及用戶自定義的設(shè)備等。Qt/Embedded類庫(kù)完全釆用C卄封裝。豐富的控件資源和較好的可移植性是Qt/Embedded最為優(yōu)秀的一方面。它的類庫(kù)接口完全兼容于同版本的Qt-Xll,使用X下的開發(fā)工具可以直接開發(fā)基于Qt/Embedded的應(yīng)用程序QUI接口。Qt/Embedded的底層圖形引擎只能釆用fiamebuffeio這就注定了它是針對(duì)高端嵌入式圖形領(lǐng)域的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。由于該庫(kù)的代碼追求面面俱到，以增加它對(duì)多種硬設(shè)備的支持，造成了其底層代碼比較凌亂，各種補(bǔ)丁較多的問題。Qt/Embedded的結(jié)構(gòu)也過于復(fù)雜臃腫，很難進(jìn)行底層的擴(kuò)充、定制和移植，尤其是用來

42、實(shí)現(xiàn)Signal/slot機(jī)制的MOC機(jī)制。綜上所述，其主要的優(yōu)點(diǎn)有：（1）Qt/Embedded工作在Linux的fiamebuffeidnvei（幀驅(qū)動(dòng)）之上，通過QtAPI與LinuxLO設(shè)備直接交互。那些熟悉并已適應(yīng)了面向?qū)ο缶幊痰娜藛T將發(fā)現(xiàn)它是一個(gè)理想環(huán)境；（2）它具有相當(dāng)完善的圖形功能和十分強(qiáng)大的圖形引擎功能，用它開發(fā)出來的圖形用戶接口，金屬質(zhì)感強(qiáng)，精細(xì)美觀，尤其在2D、3D圖形接口開發(fā)上更是獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，這就決定了它適合應(yīng)用在對(duì)高級(jí)的圖形功能要求多的手持電子類設(shè)備上。（3）面向?qū)ο蟮捏w系結(jié)構(gòu)使代碼結(jié)構(gòu)化、可重用性好。其主要的缺點(diǎn)主要有：（1）沒有分層,層次感不強(qiáng)；（2）代碼量太大，在

43、版本2.3.x,約需要兒M左右，而現(xiàn)在的3.x.x版本，需要更多的空間，這點(diǎn)也使得QT/E在對(duì)資源精打細(xì)算的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中大受限制。不過，隨著近兒年來閃存技術(shù)的飛速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)中閃存容量越來越大，這必將帶來QT/E的飛速發(fā)展。（3）QT/E使用需要商業(yè)許可證。232MicrowindowsMicrowmdows是Centuiysoftware開發(fā)的開放源代碼的嵌入式GUI,是一個(gè)典型的基于Seivei/Clment體系結(jié)構(gòu)的GUI系統(tǒng)，基本分為三層，如圖2.2所示：Nano-XAPIIECMAAPIW窗口管理硬件抽彖層顯示設(shè)備輸入設(shè)備圖2.2Microwindows的體系結(jié)構(gòu)圖Figur

44、e2.2SystemarchitectureofNIiciowiiidowsMmigui都有C/S模式，它們之間進(jìn)行通信的時(shí)候選用的是SOCKET通信機(jī)制。從本質(zhì)上看，Socket就是進(jìn)程間通信的端點(diǎn)，每個(gè)套接字的名字是唯一的，所以其他進(jìn)程能夠找到，連接上套接口并且訪問它。一對(duì)連接的套接字構(gòu)成了進(jìn)程間交流數(shù)據(jù)的一條通信通道，這些進(jìn)程可以是完全無關(guān)的，也能改變數(shù)據(jù)。一般而言，套接口的使用需要執(zhí)行以下四個(gè)步驟：（1）分配空間和初始化；（2）套接字連接；（3）傳送數(shù)據(jù)，進(jìn)行通信；（4）關(guān)閉退出；Socket通信機(jī)制的原理圖如圖2.4所示：在服務(wù)器和客戶端啟動(dòng)，分別進(jìn)行自己的套接字初始化之后，它們各自

45、監(jiān)聽自己的消息端口；一旦接收到消息，進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理后，送到消息格式中心進(jìn)行消息格式的轉(zhuǎn)換，然后送到消息處理中心進(jìn)行處理。服務(wù)器端的消息主要是客戶連接請(qǐng)求，己連接請(qǐng)求，鍵盤、鼠標(biāo)、定時(shí)器、網(wǎng)絡(luò)等硬件事件；對(duì)于客戶端，消息主要是來自服務(wù)器的控制消息，客戶端之間通信消息和客戶端之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)南ⅰ?MessageQueue通信機(jī)制MessageQueue通信機(jī)制需要進(jìn)行消息定義、消息傳遞和消息處理的實(shí)現(xiàn)，其最重要的就是消息處理循環(huán)，這部分會(huì)在4.1節(jié)中進(jìn)行詳細(xì)闡述。基于MessageQueue的通信機(jī)制的主要原理圖如圖2.5所示：圖2.4C/S模式下Socket通信機(jī)制原理圖Figure2.4Prm

46、ciplesofSocketconununicationmechanismunderC/SmodelRTEMS系統(tǒng)內(nèi)核乙.：MlM2M3M4M5鍵盤事件處理鼠標(biāo)事件處理觸摸板事件處理LCD刷新事件處理GUIToolklr事件處理主循環(huán)圖2.5MessageQueue通信機(jī)制原理圖Figure2.5PrinciplesofMessageQueueconmiunicationmechanism245共享內(nèi)存共享內(nèi)存Servei11LJ|1tii11!1Clienti*1*1II11*1II11Clientj11圖2.6共享內(nèi)存通信機(jī)制原理圖Figure2.6PrinciplesofShareMem

47、oryconuuunicationmechanism在有大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)臅r(shí)候，釆用共享內(nèi)存的通信機(jī)制：在內(nèi)存區(qū)中劃出一塊內(nèi)存，供多個(gè)進(jìn)程進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問共亭。這種機(jī)制實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)在于多進(jìn)程之間的互斥和同步的實(shí)現(xiàn)。其工作原理如圖2.6所示。東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章GUIToolkit開發(fā)環(huán)境 -第三草GUIToolkit開發(fā)環(huán)境3智能儀器嵌入式開發(fā)平臺(tái)結(jié)構(gòu)本嵌入式開發(fā)平臺(tái)在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)上釆用雙CPU結(jié)構(gòu)的嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)，它包括以32位嵌入式CPU為中心的隕入式計(jì)算機(jī)部分和以DSP為中心的快速數(shù)據(jù)釆集處理部分。其中，嵌入式處理器主要完成任務(wù)調(diào)度、人機(jī)交互、網(wǎng)絡(luò)通訊、圖形顯示等功能；而DSP處理器將用

48、于數(shù)據(jù)的快速釆集和處理等。主CPU以ARM和Motorola的Coldflie系統(tǒng)為主，DSP以TI公司的2000系列和5000系列為主，并配以信號(hào)隔離、信號(hào)預(yù)處理和AD轉(zhuǎn)換等功能。兩個(gè)CPU（嵌入式32位CPU和DSP）之間通過主機(jī)口HPI和USB口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在多個(gè)方面進(jìn)行了低功耗考慮。設(shè)計(jì)了USB、以太網(wǎng)硬件接口以及基于GSM/GPRS和歐洲藍(lán)牙技術(shù)的無線通信接口。本嵌入式開發(fā)平臺(tái)在軟件系統(tǒng)上基于開放嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)源代碼RTEMS,進(jìn)行了RTEMS的移植性研究，完成RTEMS對(duì)Motorola多種CPU的支持；基于自主設(shè)計(jì)的coldfiie5307應(yīng)用開發(fā)板，進(jìn)行了關(guān)鍵外

49、部設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)；提供多種通訊接口驅(qū)動(dòng)模塊（以太網(wǎng)、USB、HPLGSM/GPRS和串并口等）和自主開發(fā)的圖形用戶接口開發(fā)包（GUIToolkit）o嵌入式軟件平臺(tái)的開發(fā)目標(biāo)是為故障診斷應(yīng)用搭建一個(gè)實(shí)用、有效的嵌入式故障診斷軟件運(yùn)行和開發(fā)環(huán)境，在此環(huán)境下可以方便完成基于嵌入式系統(tǒng)的各種故障診斷應(yīng)用程序開發(fā)。系統(tǒng)包括嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、BSP板包支持系統(tǒng)、GUI系統(tǒng)、故障診斷應(yīng)用專家系統(tǒng)、故障診斷應(yīng)用構(gòu)件庫(kù)等部分組成。本嵌入式開發(fā)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)圖如下：不同嵌入式環(huán)境的應(yīng)用開發(fā)GUI開發(fā)包通信協(xié)議層Rs網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)釆集板級(jí)支持包BSP數(shù)據(jù)處理CPU硬件目標(biāo)板DSPfiti件目標(biāo)板圖3.1嵌入式開發(fā)平臺(tái)系

50、統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Figure3.1SystemaichitectureoftheEmbeddedDevelopmentPlatform嵌入式開發(fā)平臺(tái)3.1.1硬件系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)是一套雙CPU結(jié)構(gòu)，它包括以32位嵌入式CPU為中心的嵌入式計(jì)算機(jī)部分和以DSP為中心的快速數(shù)據(jù)采集處理部分，如下圖所示：CAN總線嵌入式MODBUS以太網(wǎng)USB界面處理器FLASHSRAM嵌入式計(jì)算機(jī)部分RAM模塊數(shù)字信號(hào)處理DSP主機(jī)IIHPIAD信號(hào)隔離信號(hào)隔離參路緩變多路快變數(shù)據(jù)采集部分圖32嵌入式系統(tǒng)碩件平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖Figure3.2HardwaresystemarchitectureoftheEmbedde

51、dDevelopmentPlatform由嵌入式計(jì)算機(jī)部分來運(yùn)行操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各類通信、人機(jī)交互操作等功能；由以DSP為主的數(shù)據(jù)采集處理部分來實(shí)現(xiàn)多通道的快速數(shù)據(jù)釆集和處理功能，充分發(fā)揮32位嵌入式CPU和DSP的不同功能特點(diǎn)。兩個(gè)CPU（嵌入式32位CPU和DSP）之間通過主機(jī)口HPI實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。HPI是徳州儀器（TI）公司在新一代、高性能DSP芯片上配置的與主機(jī)進(jìn)行通信的主機(jī)接口。它與主機(jī)之間能實(shí)現(xiàn)并行、高速的數(shù)據(jù)傳輸。在目前TI流行的DSP芯片中都配有HPI接口。HPI將以往一些需片外實(shí)現(xiàn)的功能集成在片內(nèi)，簡(jiǎn)化了與主機(jī)的連接，同時(shí)主機(jī)可以達(dá)到很高的訪問速度。這樣的CPU通信設(shè)計(jì)方式，可

52、實(shí)現(xiàn)多個(gè)CPU之間的高速可靠通信，上述系統(tǒng)，釆用COLDFIRE5307和DSP5509之間可達(dá)到60Mbps的通信速度，采用三星ARM92410可達(dá)到120Mbps的通信速度。下面僅對(duì)上述硬件系統(tǒng)中最重要的嵌入式微處理器做簡(jiǎn)單的介紹。本系統(tǒng)中釆用的是美國(guó)Motorola公司生產(chǎn)的Coldfiie系列中型號(hào)為5307的嵌入式微處理器。Motorola公司是世界著名的處理器制造商，其CPU的特點(diǎn)是工作穩(wěn)定可靠,抗干擾能力強(qiáng)，適合工業(yè)控制庫(kù)方應(yīng)用。而Coldfue5307CPU,就是一款專為嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的高端處理器,其整合了ColdfkeV3微處理器內(nèi)核，工作頻率最高可達(dá)90M11Z,運(yùn)算能力可

53、達(dá)75MIPS,能夠保證很高的實(shí)時(shí)性1】。（1）其主要特性如下：8-Kbyteunifiedcache片上4-Kbyte高速靜態(tài)SRAM整數(shù)/小數(shù)乘-加（MAC）運(yùn)算單元除法運(yùn)算單元SDRAM控制器4通道DMA控制器兩個(gè)16位通用16位定時(shí)器兩個(gè)通用異步串行口（UART）I2C總線接口并行I/O界面（2）處理器內(nèi)核：變長(zhǎng)的簡(jiǎn)化指令集（vaiiable-lengthRISC）與版本V2指令集完全兼容4段取指令管道（IFP）和2段執(zhí)行指令管道（OEP）連接IFP和OEP的，可容納8條指令的FIFO緩沖隊(duì)列跳轉(zhuǎn)預(yù)測(cè)機(jī)制32位內(nèi)部地址總線，支持4G的線性地址空間32位數(shù)據(jù)總線16個(gè)32位的通用寄存器管

54、理員/用戶模式提供系統(tǒng)保護(hù)中斷向量基址寄存器可以復(fù)位位中斷向量表為了支持高級(jí)語言而進(jìn)行了優(yōu)化（3）乘法/小數(shù)乘一加（MAC）運(yùn)算單元為DSP應(yīng)用提供高速，復(fù)雜的算術(shù)運(yùn)算與OEP緊密相連支持16X16和32X32的乘法支持帶符號(hào)的和不帶符號(hào)的整形數(shù)據(jù)（4）8KbyteunifiedCache四信道分組互聯(lián)結(jié)構(gòu)東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章GUIToolkit開發(fā)環(huán)境- -運(yùn)作在核心處理器的頻率提供對(duì)重要數(shù)據(jù)和指令的單指令周期的訪問寫直達(dá)和寫回兩種模式4個(gè)32位輸出緩存（5）4KbvteSRAM可以映像在4G線性空間中的任何32中運(yùn)作在核心處理器的頻率提供對(duì)重要數(shù)據(jù)和指令的單指令周期（6）兩個(gè)通用異步

55、串行口（UART）全雙工方式可編程時(shí)鐘調(diào)制解調(diào)器控制信號(hào)中斷處理機(jī)制（7）兩個(gè)16位通用16位定時(shí)器8位的時(shí)鐘因子可以中斷處理器（8）I2c模塊片內(nèi)集成了E2PROM,LCD控制器，A/D轉(zhuǎn)換和小鍵盤的總線接口和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)完全兼容的I2c總線主從模式支持多個(gè)主設(shè)備優(yōu)先級(jí)可編程的中斷機(jī)制主/從模式支持多個(gè)主設(shè)備（9）系統(tǒng)接口模塊片選提供了外擴(kuò)&16和32位SRAMROM,FLASH的界面。8個(gè)完全可編程chip-select（10）16位的通用I/O接口（11）JTAG口（12）系統(tǒng)調(diào)試模塊在仿真模式下對(duì)動(dòng)態(tài)執(zhí)行提供實(shí)時(shí)追蹤C(jī)PU掛起時(shí)的背景調(diào)試模式（BDM）包括六個(gè)硬件中斷點(diǎn)寄存器在內(nèi)的實(shí)時(shí)調(diào)試

56、支持（13）片上PLL可提供的處理器/總線時(shí)鐘是66/33,66/22,66/16,90/45,90/30,90/22.5提供節(jié)電模式3.1.2軟件系統(tǒng)本嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)的軟件系統(tǒng)以RTEMS實(shí)時(shí)性嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核為核心，基于開放嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)源代碼RTEMS,進(jìn)行了RTEMS的移植性研究，包括底層固件部分和板級(jí)支持包（BSP）的開發(fā)；基于自主設(shè)計(jì)的Coldfiie5307應(yīng)用開發(fā)板，進(jìn)行了關(guān)鍵外部設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)；另外還提供多種通訊接口驅(qū)動(dòng)模塊（以太網(wǎng)、USB、HPI、GSM/GPRS和串并口等）以及本文中論述的運(yùn)行在RTEMS操作系統(tǒng)之上的自主開發(fā)的圖形用戶接口開發(fā)包（GUITool

57、kit）。嵌入式軟件平臺(tái)的開發(fā)目標(biāo)是為故障診斷應(yīng)用搭建一個(gè)實(shí)用、有效的嵌入式故障診斷軟件運(yùn)行和開發(fā)環(huán)境，在此環(huán)境下可以方便完成基于嵌入式系統(tǒng)的各種故障診斷應(yīng)用程序開發(fā)。系統(tǒng)包括嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、BSP板包支持系統(tǒng)、GUI系統(tǒng)、故障診斷應(yīng)用專家系統(tǒng)、故障診斷應(yīng)用構(gòu)件庫(kù)等部分組成下面僅對(duì)上述軟件系統(tǒng)中最重要的RTEMS實(shí)時(shí)性隕入式操作系統(tǒng)做簡(jiǎn)單的介紹。RTEMS（Real-TimeExecutiveforMultiprocessorSystems）,即實(shí)時(shí)多處理器系統(tǒng)。最初是美國(guó)軍方使用的實(shí)時(shí)導(dǎo)彈系統(tǒng)（Real-TimeExecutivefoiMissilesSystems）,后來隨著RTEMS

58、的發(fā)展，它己不僅僅在導(dǎo)彈中應(yīng)用，故乂改名為實(shí)時(shí)軍用系統(tǒng)（Real-TimeExecutiveforMilitarySystems）后來它變?yōu)橹С侄嗵幚砥鞯腃語言的應(yīng)用，才叫今天的名字?，F(xiàn)在由OAR公司負(fù)責(zé)版本的升級(jí)與維護(hù)。目前無論是航空航天、軍工，還是民用領(lǐng)域RTEMS都有著極為廣泛的應(yīng)用。RTEMS系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)RTEMS是基于優(yōu)先級(jí)可搶占的微內(nèi)核的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它的一個(gè)重要的設(shè)計(jì)特征就是在一個(gè)實(shí)時(shí)應(yīng)用的兩層中間提供一個(gè)橋。RTEMS就象一個(gè)在應(yīng)用代碼和目標(biāo)硬件中的緩沖區(qū)oRTEMS的I/O接口管理提供一個(gè)有效的工具將這些硬件依賴融合在一個(gè)系統(tǒng)中，同時(shí)為用戶的應(yīng)用提供一種通用的機(jī)制。一個(gè)設(shè)計(jì)良

59、好的的實(shí)時(shí)系統(tǒng)可以從這體系結(jié)構(gòu)中獲得好處，通過建立豐富的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用庫(kù)來可以重復(fù)使用在不同的實(shí)時(shí)應(yīng)用中。RTEMS主要的特征（1）以優(yōu)先級(jí)為基礎(chǔ)的多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)；（2）任務(wù)調(diào)度可以優(yōu)先級(jí)搶占控制；（3）支持多任務(wù)的通信和同步；（4）支持中斷管理；（5）支持動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配；ApplicationDependentSoftwareTargetHaidwaie3.3RTEMS系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Figure3.3SystemarchitectureofRTEMSOpeiatmgSystem支持多處理器；支持速率單調(diào)調(diào)度算法(RMS),可以保證任務(wù)的硬實(shí)時(shí)性；支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：IP,TCP.UDETFTP,FTPd

60、,Dialer,NTP,ICMRARP,DNS,dient,HTTPd,PPP,SNMP.具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能。提供遵循POSIX1003.1b和ITRON的API；（10）提供可重入的ANSIC庫(kù);3.RTEMS的性能指針RTEMS從設(shè)計(jì)初始就是為較少內(nèi)存與較少CPU主頻的隕入式系統(tǒng)提供可靠的實(shí)時(shí)內(nèi)核。在國(guó)際控制年會(huì)Straumaim的一篇報(bào)導(dǎo)做過如下的測(cè)試】，測(cè)試的硬件平臺(tái)是PowerPC604（300MHz）,Rtlmux,RTEMS和VxWoiks的BSP都是由Motorola提供，測(cè)試內(nèi)容包括初始化、中斷處理、普通程序（包括網(wǎng)絡(luò)程序、SPL串口等）。測(cè)試中產(chǎn)生了2,000,000次中斷