基于uClinux的嵌入式多功能信息交互終端

信息交互終端是一種以信息交流為主要目的，為個(gè)性化用戶提供信息處理、存儲和查詢等功能的嵌入式設(shè)備。與個(gè)人電腦機(jī)相比，該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、功能專一、操作簡單。目前，信息交互終端主要應(yīng)用于銀行、移動通信和視頻會議等領(lǐng)域。

1） 銀行金融終端。銀行金融終端是一種以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行金融交易為主要功能的低端設(shè)備，能24 小時(shí)為客戶提供服務(wù)，即客戶能夠隨時(shí)通過該終端實(shí)現(xiàn)存取款、轉(zhuǎn)帳、查詢等操作。目前該類型終端已經(jīng)走入我國的大中型城市，但其應(yīng)用功能較少。

2） 移動通信終端。移動通信終端主要以手機(jī)和掌上電腦（ PDA） 為主要代表。其中手機(jī)以語音傳輸為主，兼有收發(fā)短消息、WAP （無線應(yīng)用協(xié)議） 上網(wǎng)的功能；PDA 具有個(gè)人數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)絡(luò)通訊等功能，并且攜帶方便，但價(jià)格較高。

3） 視頻會議終端。視頻會議終端以視頻通訊作為一種有效的多媒體通訊方式，已經(jīng)成為個(gè)人內(nèi)容服務(wù)和企業(yè)內(nèi)容服務(wù)的主要信息交流工具，但目前還處于初級階段。

總之，信息交互終端正在全球蓬勃發(fā)展，并成為人們生活和工作中不可缺少的信息交流工具，但由于它們應(yīng)用功能少、性價(jià)比低，造成其在信息家電等領(lǐng)域得不到廣泛應(yīng)用。目前，多種功能一體化和應(yīng)用于不同領(lǐng)域已成為信息交互終端的研究重點(diǎn)。其一，具有單一功能的信息交互只能滿足客戶的部分需求，不能滿足客戶對產(chǎn)品多功能合一的需求，因此在信息交互終端具備專一性的基礎(chǔ)上，多功能一體化已成為信息交互終端產(chǎn)品的一個(gè)主要發(fā)展方向。其二，為了滿足不同的功能需求，還要求信息交互終端具有很強(qiáng)的可定制性，便于用戶或開發(fā)人員對其個(gè)性化定制，使其能在銀行金融等之外的領(lǐng)域得到應(yīng)用。因此很有必要研究具有多種功能、信息交流強(qiáng)和可靠性高的信息交互終端。

多功能信息交互終端

作者針對傳統(tǒng)信息交互終端的不足，提出了MIIT （ multifunctional information - interactive terminalbased on uClinux） ,基于uClinux （micro cont rol linux 微控制操作系統(tǒng)） 的嵌入式多功能信息交互終端的產(chǎn)品概念。MIIT 是一種能夠以多種方式進(jìn)行信息交流，并具有滿足多種應(yīng)用需求的多種功能（如串口通訊、有線/ 無線網(wǎng)絡(luò)通訊、語音傳輸?shù)龋?,應(yīng)用于信息家電、移動通訊、工業(yè)控制、甚至軍事等領(lǐng)域的嵌入式設(shè)備。它具有：可靠的嵌入式uClinux 操作系統(tǒng)；多種功能一體化；可個(gè)性化定制，信息交流強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

MIIT 的軟硬件結(jié)構(gòu)

MIIT 的硬件結(jié)構(gòu)

MIIT 的硬件系統(tǒng)主要包括微處理器、存儲器、外部設(shè)備，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

EMPU （嵌入式微處理器） 是整個(gè)終端系統(tǒng)的核心，它主要由運(yùn)算器和控制邏輯構(gòu)成，通過控制總線、地址總線控制外部設(shè)備和存儲器之間、存儲器和存儲器之間、外部設(shè)備和外部設(shè)備之間的信息傳輸。選擇時(shí)裝配EMPU 的電路板上必須包括SDRAM（同步動態(tài)隨機(jī)存儲器） 、總線接口、各種外設(shè)接口等器件。存儲器主要是用來存儲數(shù)據(jù)，選擇時(shí)要考慮存儲數(shù)據(jù)大小，這里選用4M 的FLASH ROM （閃存） 和16M 的SDRAM。外部設(shè)備（輸入設(shè)備和輸出設(shè)備） 是MIIT與用戶及其它設(shè)備之間通訊的橋梁。其中輸入設(shè)備（如鍵盤） 將外來的數(shù)據(jù)傳輸給MIIT ,輸出設(shè)備（如微型打印機(jī)） 將MIIT 處理結(jié)果顯示或傳遞給其它設(shè)備。

MIIT 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

嵌入式軟件系統(tǒng)主要包括嵌入式操作系統(tǒng)、驅(qū)動程序、應(yīng)用程序3 部分，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。嵌入式操作系統(tǒng)是將MPU 時(shí)間、中斷、I/ O、定時(shí)器等資源包裝起來，留給用戶一個(gè)API 接口的系統(tǒng)。它主要負(fù)責(zé)進(jìn)程管理；系統(tǒng)時(shí)鐘管理；進(jìn)程間通信管理和系統(tǒng)中斷管理。MIIT 的操作系統(tǒng)采用嵌入式uClinux ,它是一個(gè)以Linux 為內(nèi)核的嵌入式操作系統(tǒng)，具有Linux 大部分優(yōu)點(diǎn)，適用于工控領(lǐng)域。驅(qū)動程序作為操作系統(tǒng)內(nèi)核與機(jī)器硬件之間的接口，對上層來說它只是調(diào)用HAL （硬件抽象層） 提供的功能，對下層來說負(fù)責(zé)對外圍設(shè)備的控制、管理和讀寫操作。

應(yīng)用程序由C 語言編寫的多種功能的程序構(gòu)成，它是系統(tǒng)應(yīng)用功能的具體體現(xiàn)，其內(nèi)部各函數(shù)之間采用函數(shù)調(diào)用的方式進(jìn)行連接。嵌入式操作系統(tǒng)、驅(qū)動程序、應(yīng)用程序這三者之間，嵌入式uClinux 是整個(gè)軟件系統(tǒng)的樞紐，它采用系統(tǒng)調(diào)用的工作模式，通過文件系統(tǒng)、進(jìn)程管理等與各種硬件驅(qū)動程序（如圖形驅(qū)動、FLASH（閃存） 驅(qū)動、串口驅(qū)動以及打印驅(qū)動等） 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通過API （application interface） 與應(yīng)用程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

MIIT 的關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技

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鍵盤的實(shí)現(xiàn)

鍵盤的實(shí)現(xiàn)有兩種方案—采用I/ O （輸入/ 輸出）口或SPI（serial peripheral interface） 口。使用I/ O 口傳輸速度較快，但占用引腳較多，實(shí)現(xiàn)16 個(gè)按鍵的矩陣式鍵盤需要9 個(gè)引腳（4 個(gè)輸入、4 個(gè)輸出和1 個(gè)中斷請求） ; 用SPI 接口傳輸速度較慢，但只需要IN、OU T、CL K、CS0 、CLR 五個(gè)引腳。在主頻為66MHz的MCF5272 （Motorola 摩托羅拉） 之上，采用SPI 口基本滿足鍵盤傳輸速度的要求。

MIIT 鍵盤硬件電路通過兩片74LS164 級聯(lián)實(shí)現(xiàn)16 個(gè)按鍵。其中，164 的輸入引腳A 要與B 相連，再接QSPI 的引腳。另外，鍵盤電路工作時(shí)必須將164的CLR 引腳設(shè)置為低電平（低電平有效） 。

實(shí)現(xiàn)MIIT 鍵盤的SPI 口工作在主模式下。SPI口數(shù)據(jù)發(fā)送操作是通過向command RAM（命令） 中寫數(shù)據(jù)觸發(fā)的，經(jīng)過8 位時(shí)鐘周期完成1 個(gè)字節(jié)的發(fā)送。鍵盤掃描碼作為輸入數(shù)據(jù)保留在transmit RAM （傳輸） 中，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后QIR（interrupt register） 自動置位，產(chǎn)生中斷。鍵盤掃描程序檢測到該中斷信息后，讀取Receive RAM（接收） 中的數(shù)據(jù)，而該數(shù)據(jù)就是t ransmit RAM 中的鍵盤掃描碼通過鍵盤電路處理后得到的鍵盤檢測值，軟件系統(tǒng)對該檢測值進(jìn)行處理后得到鍵盤相應(yīng)按鍵值。

基于uCLinux 的串口數(shù)據(jù)采集

基于uCLinux 的和停止位的設(shè)置） 、串口write 和read （讀寫） 、串口close （關(guān)閉） 等內(nèi)容。數(shù)據(jù)采集程序?qū)崿F(xiàn)上與windows操作系統(tǒng)下的串口通訊不一樣，其中有三點(diǎn)值得特別注意：

1） MIIT 只是通過串口傳輸數(shù)據(jù)，不需通過串口模擬終端通信，所以MIIT 串口采用了Raw Mode （原始模式） 方式。設(shè)置方式如下：

options. c-lflag 　& = ～ （ ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG） （ Input） ;

options. c-oflag 　& = ～OPOST（Output） ;

2） 在設(shè)置串口時(shí)，發(fā)送方和接收方的波特率、效驗(yàn)位和停止位要相同，否則雙方將不能通訊；

3） 為了防止所采集的數(shù)據(jù)出現(xiàn)亂碼，需要把串口控制字符集control characters 中的VTIME 和VMIN設(shè)置為0 和1 。0 表示打開串口后隨時(shí)接收數(shù)據(jù)；1 被當(dāng)做逾時(shí)設(shè)定值為一字元。

特定應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用程序主要包括系統(tǒng)設(shè)置、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、采集數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)通訊和打印等。應(yīng)用程序采用單任務(wù)的控制方式，軟件系統(tǒng)接到按鍵事件后執(zhí)行相關(guān)操作，如網(wǎng)絡(luò)通訊、打印等。例如，MIIT 在接到自動數(shù)據(jù)采集的按鍵命令后，執(zhí)行采集任務(wù)，然后將采集的數(shù)據(jù)交與數(shù)據(jù)庫處理，完成后等待新的按鍵事件。

結(jié)　論

采用性能可靠嵌入式uClinux 操作系統(tǒng)作為MIIT 的操作系統(tǒng)，無疑確保了程序的可靠性、簡化了多功能信息交互軟件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度。在MIIT 系統(tǒng)上關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，解決了MIIT 中的鍵盤輸入、基于Linux 串口數(shù)據(jù)采集、特定應(yīng)用程序等問題，為MIIT能夠在信息家電、工業(yè)控制等領(lǐng)域得到應(yīng)用和發(fā)展奠定了一定的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。