基于ARM的某智能彈藥無線通信模塊的設(shè)計

羅金選 袁 著 張 益

(電子科技大學(xué) 成都 611731)

1 引言

嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)架從下到上，一般分為硬件、bootloader程序，嵌入式linux設(shè)備驅(qū)動程序、嵌入式linux內(nèi)核、linux系統(tǒng)調(diào)用接口、根文件系統(tǒng)、應(yīng)用程序，其本質(zhì)上依然是計算機(jī)系統(tǒng)，但相對于傳統(tǒng)通用的PC機(jī)來說，是軟硬件可以自由裁剪，在功能、可靠性、成本、體積、能耗方面有更加嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。為了適應(yīng)某彈藥項目中各個節(jié)點在高速飛行的情況下，硬件上必須輕捷穩(wěn)定，軟件上必須完全支持該模塊利用某復(fù)雜協(xié)議進(jìn)行可靠通信和無線音視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅灾髟O(shè)計了以S3C2440 ARM為主控制器，以linux2.6為操作系統(tǒng)的嵌入式無線通信模塊，以下是該模塊從下到上設(shè)計過程中每個步驟的調(diào)試情況和最終測試結(jié)果。

2 硬件設(shè)計

該無線通信模塊的硬件框架主要包括一個S3C2440 ARM主控制器、兩片32M的SDRAM組成的64M內(nèi)存、一片2M的 NorFlash，一片512M的NandFlash，以及一個晶振、一個電源模塊、一個HJtag調(diào)試接口及一個用于選擇啟動方式的開關(guān)，也即一個ARM嵌入式系統(tǒng)可以運行的最基本條件。另外還包括一些外圍電路，主要有:4個USB接口，其中一個充當(dāng)從設(shè)備的接口，用于在bootloader的引導(dǎo)下從宿主機(jī)下載內(nèi)核和文件系統(tǒng)，另外三個充當(dāng)主設(shè)備接口，用于連接USB外部設(shè)備;3個TTL電平的9孔串口通過電平轉(zhuǎn)換之后分別連接著一個無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和一個GPS模塊，還有一個用于在調(diào)試的時候和宿主機(jī)通信;一個以太網(wǎng)接口用于在調(diào)式階段從宿主機(jī)上通過NFS協(xié)議掛載文件系統(tǒng)，和在研發(fā)階段利用TFTP或者NFS協(xié)議從宿主機(jī)上下載內(nèi)核和文件系統(tǒng);一個圖像采集模塊用于采集實時圖像，一個帶觸摸屏的LCD用于顯示采集過來的圖像和操作界面，一個VGA轉(zhuǎn)接板接口可以用于接PC機(jī)顯示屏，一個音頻接口用于聲音采集，一個蜂鳴器用于調(diào)試發(fā)聲。無線通信模塊的總體框架如圖1所示，實物如圖2所示。

3 bootloader移植

嵌入式產(chǎn)品在研發(fā)階段，bootloader除 了要引導(dǎo)操作系統(tǒng)之外，還有一個重要的原因就是必須在bootloader的引導(dǎo)下才能將linux內(nèi)核和文件系統(tǒng)從宿主機(jī)下載到目標(biāo)機(jī)的內(nèi)存，然后再由bootloader將linux內(nèi)核和文件系統(tǒng)從內(nèi)存復(fù)制到Flash(相當(dāng)于PC機(jī)的硬盤)中永久保存，在下一次系統(tǒng)啟動的時候又要由它將Flash中的linux內(nèi)核讀到RAM中去執(zhí)行，因此沒有bootloader的存在，就無法進(jìn)行后面的工作，linux內(nèi)核也就永遠(yuǎn)沒辦法啟動起來，它的作用就像PC機(jī)中的BIOS，簡單的說，bootloader就是系統(tǒng)復(fù)位之后在操作系統(tǒng)內(nèi)核運行之前運行的一小段程序，通過這一小段程序，初始化硬件設(shè)備，建立內(nèi)存空間的映射圖，將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài)，最終引導(dǎo)操作系統(tǒng)。目前比較流行的bootloader主要有德國DENX軟件工程中心開發(fā)的U-boot和韓國三星公司開發(fā)的VIVI。而U-boot是一個比較統(tǒng)通用的bootloader，支持很多不同體系架構(gòu)的處理器，如:ARM，POWERPC，X86，MIPS，XSale等，它的啟動過程通常分兩個階段，總體啟動流程圖如圖3所示。

圖3 U-boot啟動流程圖

移植第一階段代碼的主要根據(jù)是ARM的最小系統(tǒng)即根據(jù)CPU的體系結(jié)構(gòu)和SDRAM，F(xiàn)LASH芯片的型號不同來設(shè)置，屬于芯片級移植，主要是修cpu/arm920t/start.S文件，用匯編語言編寫，具體所做的事情主要有:設(shè)置CPU進(jìn)入svc模式，關(guān)閉看門狗，屏蔽所有中斷，設(shè)置CPU的速度，時鐘頻率，關(guān)閉MMU和cache，初始化SDRAM控制器，設(shè)置堆棧，清空bss數(shù)據(jù)段，至此:整個系統(tǒng)SDRAM存儲空間映射情況如圖4所示，已經(jīng)為第二階段準(zhǔn)備好一些基本的硬件環(huán)境，然后初始化Flash控制器，再從Flash中拷貝第二階段代碼到RAM空間。

圖4 U-boot內(nèi)存空間映射圖

第二階段屬于板級移植，電路板不同，代碼就不同，當(dāng)U-boot的 start.S運行到＂-start-armboot:.word start-armboot＂時，就會調(diào)用 lib-arm/board.c中的start-armboot函數(shù)，至此U-boot進(jìn)入第二階段，這一階段的代碼主要是建立起和宿主機(jī)的通信，并從宿主機(jī)上將linux內(nèi)核和文件系統(tǒng)下載到目標(biāo)機(jī)上，具體要做的事情主要有開發(fā)板的相關(guān)配置:時鐘初始化，環(huán)境變量初始化，串口控制臺初始化，配置可用的RAM，NorFlash初始化，NandFlash再次初始化，網(wǎng)卡初始化等，usb等功能的實現(xiàn)。初始化完成后就可以建立起和宿主機(jī)之間的通信，然后將linux內(nèi)核文件系統(tǒng)下載到目標(biāo)機(jī)上，并寫入Flash中永久保存。從宿主機(jī)下載內(nèi)核和文件系統(tǒng)可以采用tftp或者nfs協(xié)議下載，也可以通過USB接口下載。以下是實現(xiàn)tftp和nfs協(xié)議的U-boot成功運行之后的的啟動界面，如圖5所示。

圖5 U-boot的啟動界面

4 linux內(nèi)核移植和根文件系統(tǒng)制作

linux2.6操作系統(tǒng)幾乎支持市面上所有的嵌入式處理器，具有很好的可移植性，但是從官方網(wǎng)站下載的linux內(nèi)核是不能在即定的硬件平臺上運行的，必須根據(jù)CPU的體系結(jié)構(gòu)，和電路板的設(shè)計對linux內(nèi)核內(nèi)與硬件相關(guān)的一部分代碼做相應(yīng)的修改，然后利用已經(jīng)搭建好的交叉編譯環(huán)境編譯新的Linux內(nèi)核，再下載到板子上運行。Linux內(nèi)核移植步驟如下:

第一步:進(jìn)入內(nèi)核根目錄修改Makefile文件為

第四步:修改NandFlash分區(qū)，這里只創(chuàng)建四個分區(qū)，四個分區(qū)空間分配結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 NandFlash空間分配結(jié)果圖

第五步:執(zhí)行make menuconfig命令配置內(nèi)核，linux的配置界面如圖7所示，配置完成之后，執(zhí)行make zImage命令編譯內(nèi)核得到內(nèi)核鏡像文件。要配置的選項主要有Sysytem Type---＞

接下來需要制作根文件系統(tǒng)，yaffs2文件系統(tǒng)是根據(jù)NandFlash的存取特點，將文件組織成固定大小的數(shù)據(jù)段，對文件系統(tǒng)上所有的內(nèi)容都統(tǒng)一當(dāng)作文件來處理，每個文件都有一個頁面專門存放文件頭，所以yaffs2文件系統(tǒng)是專門為嵌入式Nand-Flash而設(shè)計的一種日志型文件系統(tǒng)，適用于大容量的存儲設(shè)備，因不支持?jǐn)?shù)據(jù)壓縮功能，所以速度快，掛載時間短，對內(nèi)存占用少，同時yaffs2自帶NAND芯片驅(qū)動，提供嵌入式系統(tǒng)直接訪問文件系統(tǒng)的API，這樣用戶既可以使用linux中的MTD與VFS訪問文件系統(tǒng)，也可以直接對文件系統(tǒng)操作，yaffs2文件系統(tǒng)的制作過程如下:

第一步:先使用命令#./patch-ker.sh c/home/my2440/linux2.6/為內(nèi)核打上yaffs2補(bǔ)丁。

第二步:配置內(nèi)核，使其支持yaffs2文件系統(tǒng)，配置完成之后重新編譯內(nèi)核，配置界面如圖7所示。

圖7 linux支持yaffs2的配置界面

第三步:首先在busybox根目錄下修改Makefile文件如下:

CROSS-COMPILE=arm-linux

ARCH=arm，然后配置編譯busybox生成文件系統(tǒng)所需要的應(yīng)用程序。

第四步:新建一個 root-2.6目錄，把編譯busybox生成的應(yīng)用程序的可執(zhí)行文件復(fù)制到該目錄下，然后用mkdir命令創(chuàng)建文件系統(tǒng)所需要的目錄:mkdir dev etc home lib mnt opt proc tmp var www，并制作好相關(guān)的配置文件。

第五步:用mkyaffs2image-128工具制作好根文件系統(tǒng)的鏡像得到 root-2.6.img文件:makyaffs2image root-2.6/root-2.6.img。圖8是下載文件系統(tǒng)和內(nèi)核鏡像到板子上linux成功掛載文件系統(tǒng)成功啟動之后的界面。

圖8 linux內(nèi)核成功啟動之后的界面

5 嵌入式linux設(shè)備驅(qū)動移植和開發(fā)

到此為止，硬件平臺可以運行起來了，但是各種外設(shè)因為還沒有驅(qū)動的支持還不能使用。接下來就是為各個外部設(shè)備的制做好驅(qū)動程序(見圖7)，屏蔽底層硬件細(xì)節(jié)，為上層應(yīng)程序提供所有操作底層硬件設(shè)備的接口函數(shù)，使得原來在通用PC機(jī)上開發(fā)的應(yīng)用程序不需要做實質(zhì)性的修改就可以移植該平臺上來，在通信模塊的開發(fā)過程中涉及了嵌入式linux僅有的三大設(shè)備驅(qū)動，但從linux2.6開始引入了platform虛擬總線機(jī)制，使得這三大完全不同類型的設(shè)備驅(qū)動都可以使用platform進(jìn)行統(tǒng)一管理和注冊，platform機(jī)制和傳統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動開發(fā)機(jī)制相比，一個明顯的優(yōu)勢在于將設(shè)備和驅(qū)動分開管理，提高了驅(qū)動和資源的獨立性，因而增強(qiáng)了設(shè)備驅(qū)動程序的可移植性和安全性。Platfrom機(jī)制本身并不復(fù)雜，由兩部分組成:platform-device和platform-driver。用platform開發(fā)底層驅(qū)動的大致流程為:定義platform-device-＞注冊platform-device-＞定義platform-driver- ＞ 注冊platform-driver。

下面以platform按鍵驅(qū)動為例說明平臺上設(shè)備驅(qū)動開發(fā)的整個過程:

第一步:定義和注冊按鍵設(shè)備，在 arch/arm/plat-s3c24xx/devs.c中添加按鍵驅(qū)動平臺設(shè)備的定義:

};中所有接口函數(shù)，然后在static int my-keysprobe(struct platform-device*dev)函數(shù)中用register-chrdev()函數(shù)注冊keys-ops結(jié)構(gòu)體;編寫platform驅(qū)動struct platform-driver my-buttons-drv={

第三步:在下面注冊或者下載 platform設(shè)備驅(qū)動

圖9 驅(qū)動編譯進(jìn)內(nèi)核界面

6 結(jié)束語

當(dāng)硬件平臺，bootloader，linux內(nèi)核和驅(qū)動都做好之后，那么一個集軟硬件于一身的完整的嵌入式系統(tǒng)平臺就基本搭建起來了，使用arm-linux-gcc重新編譯某協(xié)議程序，并下載到該模塊中，運行結(jié)果見圖10。

圖10 某通信協(xié)議運行結(jié)果

項目驗收的結(jié)果表明利用該通信模塊進(jìn)行無線通信，相對先前以通用CPU為主控制器和商用linux為操作系統(tǒng)的軟硬件平臺來說，功能一摸一樣，但硬件集成化程度有了很大的提高，體積和重量大大減小，成本大幅度降低，開發(fā)周期縮短，調(diào)試時間充足，出錯機(jī)會減少，因而更安全可靠，更符合安裝在飛行器上的要求。

［1］周立功等.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程(二)［M］.北京.北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

［2］周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)實驗教程(二)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

［3］ 陳莉君，馮銳，牛欣源譯.孫玉芳審.BOVET D P.，MARCOCESAT.深入理解linux內(nèi)核(第二版)［M］.北京:中國電力出版社，2004.

［4］俞永昌.linux設(shè)備驅(qū)動開發(fā)技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:人民郵電出版社，2008.