网格环境下的车载导航系统.pdf

Y 855268网格环境下的车载导航系统培养单位：电子信息工程学院 计算机科学与技术系一级学科：计算机软件与理论 二级学科：计算机软件与理论 摘要摘要当前的导航系统需要更强大的信息中心来处理大量异构的交通信息，为把 握整个城市的交通状况，需要为分布的面性能的数据存储，计算，分析和决策 支持提供有效的集成机制从而对现存的分散的数据资源进行重组。网格作为高 性能计算和互联网技术高速发展的产物，被认为具有许多交通方面的特征，如:地理分布性，资源异构性，区域自治性，内部协作性等。上海市交通信息网格 正是把握了网格的这一特点，选择网格作为智能交通系统的支撑平台，从而解 决传统的智能交通系统无法解决或不同很有效的解决的问题。本文设计并实现了一种嵌入式Linux的交通智能导航系统，它以强大的交 通信息网格为支撑，在车载终端这一嵌入式平台上为用户提供交通信息的获取、可视化、分析、输出等服务，是立足于现代网格(Grid)技术，利用正在迅速兴起 的移动计算技术，结合移动地图这一嵌入式地理信息系统的可视化应用系统。本文详细介绍了网格环境下车载导航系统的设计和实现。文章首先介绍关 于系统开发的几个关键的理论基础，包括嵌入式Linux基本内容、MiniGUI工作 机制、Bluetooth原理等。在这些理论基础之上，接着着重介绍了系统总体的设 计方案和硬件的大体结构，并研究了 Linux系统内核的移植和主要设备驱动程 序的编写。在硬件和底层软件需求搭建起来的基础之上，本文详细介绍了导航 系统应用程序的设计和关键技术，包括系统总体架构、实现的关键技术、与后 台网格的交互过程等多方面。最后给出了实验运行的效果和测试的结果，并简 短地讨论了下一步的工作。关键词：车载导航，实时路况，车辆导航，交通信息网格，嵌入式LinuxAbstractABSTRACTTodays navigation system needs more powerful information center to process enormous distributed and heterogeneous traffic information.In order to grasp the traffic situation of the whole city,the combination mechanism for combining all distributing high-powered resources of data storing,computing,analyzing and decision-making,and consequently,all isolated data resources that currently exist should be recombined.As the production of high-powered computing and fast development of Internet technology,Grid is thought to have many features that like traffic aspect,such as geography distributing,resource heterogeneity,zone self-government,interior collaboration,etc.The initial thought of Shanghai Traffic Information Grid is just based on those features of Grid.It chooses Grid to be the supporting platform of intelligent traffic system.So it solves many problems which traditional traffic system cannot solve or cannot solve effectively.This paper presents a traffic information demonstration system implemented on Embedded Linux in the environment of Traffic Information Grid.Supported by powerful background Grid Services,this system provides the end users with services such as fetching,displaying,analyzing and outputting traffic information,especially dynamic and real-time traffic information.Integrating modem Grid Technology,this system can offer dynamic or real-time information services,such as real time traffic status and dynamic shortest path scheme,which overcomes the limitation of traditional navigation systems.This paper explicitly introduces the design and implementation of our in-vehicle navigation system.Firstly,it introduces some key theoretical basement of system development,including basic content of Embedded Linux,working mechanism of MiniGUI,the principle of Bluetooth and so on.Based on these theories,this paper introduces the systems hardware architecture,and does some research of Linux kernel porting and some device drivers developing.After the buildup of hardware,OS and drivers,we discussed the design of our navigation system,from the systems Abstractsoftware architecture,key technologies and the communication mechanism with background Grid platform.At last we present the test result and some pictures for demonstration,and simply discuss further jobs that need to be done.Key Words:In-Vehicle navigation,real time traffic status,In-Vehicle Navigation,Traffic Information Grid,Embedded Linuxin第1章引言第1章引言1.1.选题背景及依据出门在外，我们每个人都离不开导航。特别是在城市变化突飞猛进，道路 建设日新月异的今天，有效的导航就像一双明亮的眼睛，帮助我们用最短的时 间，走最短的路，办最快的事。传统意义上的导航信息都是从一张纸质的地图 和一本厚重的城市黄页上获得的。用双眼在纷繁复杂的图符和文字中查寻我们 的目的地，在繁琐的索引和目录中找寻宾馆，餐饮和娱乐场所等信息，这些麻 烦和不便，甚至是令人头疼的过程我们每一个人都体会过。而且最令人懊恼的 是，往往煞费周折查询到的信息早已过期了。近年来，随着无线通讯技术，移动计算技术的发展，移动定位服务越来越 受到人们的重视。而出行作为关乎人们日常生活的重要方面，促使交通导航信 息服务成为移动定位服务最好的切入点，各种轻便智能的交通导航设备也成为 嵌入式产品发展的一个重要方向。电子导航设备的主要功能包括：电子地图显 示、实时定位、地理信息检索、路径规划与引导等。如果能够在此基础上，结 合城市黄页服务，如：旅游景点、宾馆饭店、公共服务设施等信息的查询，则 具有更强的应用价值和市场发展潜力。电子导航设备不仅使用方便，信息内容 丰富，而且可以在出行的过程中，随时随地的为用户提供帮助，因而越来越受 到行人、司机等交通的参与者的青睐。但是目前的导航系统面临诸多的挑战。首先，用户使用导航系统需购买或 安装专用的软硬件设备，不仅价格不菲，而且通用性和兼容性都较差。其次，为了提前获得出行路线的交通状况信息，优化出行策略，出行者迫切需要实时 的交通信息来避开交通堵塞。这样的实时信息服务需要有强大的信息中心的支 持。第三，导航系统的服务内容需要多元化，市场呼唤更加人性化，更加便捷 的服务模式。除了单一的交通导航服务外，出行者对于停车场空车位信息，宾 馆、饭店的预定，医院、急救中心的呼叫等服务的需求量也非常之大。但是目 前的导航系统依赖现有的技术，无力应对上述挑战。本文探讨了一种新的移动导航系统的体系结构和数据组织方法，力求为用1第1章引言户提供一个随时随地可用的导航服务平台，从中可获得全路网的实时交通状况,以及基于实时路况的动态路径规划与引导。1.1.1 导航系统导航系统是应用嵌入式技术，定位技术、地理信息技术、数据库技术、多 媒体技术和现代通讯技术的高科技综合系统。典型的导航系统所包含的主要功 能模块如图1.1所示。图1.1导航系统的主要功能模块其中，导航电子地图数据库是现代导航系统的数据基础，它包含以预定义 格式存储的数字化导航地图，为系统提供诸如路网结构，道路位置及坐标，道 路通行方向等属性信息以及公共设施等大量重要信息内容。地理信息系统引擎 是操作和查询电子地图数据库的接口，提供地图数据的空间信息和属性信息的 检索，以实现电子地图的显示、浏览、刷新、缩放等功能和相关的信息查询服 务。实时定位模块提供移动终端的实时、连续位置估计，以使系统能够正确辨 认车辆当前的行使路段、前进方向和正在接近的交叉路口。目前导航系统中应 用比较广泛的定位技术包括：无线网络定位(Network based Location)、GPS 定位(GPS based Location)和混合定位(Hybrid Location).无线网络定位 需要无线服务运营商的支持。GPS定位需要附加额外的信号接收设备，目前技术 已经比较成熟。混合定位是GPS+Network based Location。GPS被应用在需 2第1章引言要确切精度或无线定位难以获得的需求中，无线定位被应用在卫星定位不起作 用的情况下。由于定位手段本身存在的系统误差和电子地图数据的不精确，定位模块得 到的位置不能直接反映在电子地图上。地图匹配模块将定位模块输出的位置与 地图数据库提供的道路位置进行比较，并通过适当的模式匹配和识别过程对定 位进行纠偏，以确定车辆当前的行驶路段以及在路段中的准确位置。地图匹配 过程极大地改善了系统的整体定位精度，并为很多与位置相关的计算（如路径 引导等）提供可靠依据。路径规划是帮助移动用户在旅行前或旅行中选择合适的出行路线的过程，通常是依据电子地图中的交通路网信息，提供从起始点到目的地之间总旅行代 价最小的路线供用户参考。旅行代价可以是时间、距离、收费等用户关心的因 素。路径引导是帮助用户沿预定的路线前进从而顺利到达目的地的过程，它根 据地图数据库中的道路信息和由定位模块及地图匹配模块提供的当前车辆位置 信息产生适当的引导指令。由于实际应用的复杂性，具体的实现方式和技术可能不尽相同，但大多围 绕以上几个模块展开。除此之外，无线通讯模块能够进一步增强导航系统的功 能，通过无线通讯网络，导航系统之间或导航系统和交通信息系统之间能够互 相交换信息，使导航系统不再是一个封闭的个体。根据无线通讯模块扮演的角色和发挥的作用不同，目前的导航系统可分为：自主导航系统和移动导航系统两大类。所谓自主导航是指导航设备自身安装有定位装置和电子地图，能够提供行 驶中的车辆定位和静态路径引导功能，相关信息的收集、传送、处理和分析均 在导航系统中独立完成，不需要外界的其他协助就可以完成导航任务。自主导 航系统的缺点在于，作为一种嵌入式设备，它的存储能力和计算能力有限。而 复杂的道路网络路径规划任务的数据量和计算量都很大，因此不得不设法简化 数据最和避免大计算量，结果得到的往往不是最优解。其次，自主导航系统不 能提供基于实时交通状况的动态路径引导功能，给出的最优路径脱离了现实的 交通状况，往往并不实用。近年来，随着无线通讯技术，移动计算技术的发展，导航系统的主要需求 逐渐转向能够通过无线通信网络与交通信息中心进行信息交互的移动导航。移 动导航系统通过无线通讯模块与交通信息中心相连，后者负责采集、分析和处 3第1章引言理实时交通信息，并向终端发布。同时，移动导航系统可以将路径规划、地理 信息查询等大数据量和大计算量的任务交于信息中心的服务器完成，由此，终 端用户不仅可以获得实时的交通信息，辅以停车场空车位，路政建设，而且得 到的信息内容会更加详细和准确。1.1.2 导航系统涉及的关键技术导航系统所涉及的关键技术包括：智能交通系统技术（ITS）、定位技术、移动通讯技术、地理信息系统技术（GIS）,嵌入式技术、互联网与数据处理技 术等，由于这些关键技术大都为发展迅速的高新技术，所以移动导航系统的发 展也始终处在飞速发展之中。1.智能交通系统（ITS）将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、电子控制技术以 及计算机处理技术等应用于传统的道路交通系统，建立起一个安全、快速、舒 适、高效、环保的交通运输和管理系统。它可以充分发挥出现有交通基础设施 潜力，改善交通安全，提高运输效率和经济效益。2.地理信息系统（GIS）GIS是ITS应用的重要支撑平台。它是采集、处理、分析、表现和存储管理 与空间地理信息有关的空间信息系统，它与其它信息系统的主要区别是其空间 特性。GIS在各种信息处理、分析和决策支持系统中得到了广泛的应用。地理信 息系统所特有的对空间数据描述与组织的数据模型、空间数据分析算法、多尺 度多时态多种信息源的集成显示与存储管理，以及支持网络信息发布功能，都 为智能交通，车辆导航提供了技术支持。3.定位技术目前的导航系统中应用最广泛的定位技术是全球卫星定位系统（GPS）。GPS 定位技术是一种最直接、最经济、最可靠和最成熟的技术，随着卫星定位系统 技术的发展和各种政策、措施的推进，使得民用定位、测速、时间精度得到改 善。借助于GIS技术，不但可准确获得车辆的准确位置，还可得到车辆的速度、运动方向等数据，即为交通运输管理提供了动态监测的工具，也是提供导航和 引导服务的依据。4.无线通讯技术4第1章引言导航系统中涉及多种无线通讯技术，除了系统内部的无线局域网、蓝牙外,还包括系统与外界通讯的各种无线通讯技术与数字广播技术等C如今通信系统 的发展异常迅速，从有线到无线，从话音到数据、图像、从局域到广域等，有 非常多的通信方式和通信网络可用于导航系统中。如何合理的选择无线通讯手 段，使得多种通信方式既能发挥所长，又能协同工作，将为导航系统的开发提 供关键的技术支撑。5.嵌入式地理信息系统随着嵌入式系统的发展，GIS逐步进入PC发展阶段，嵌入式GIS应用不断 增加，迫切需要基础性开发平台，嵌入式GIS是满足这一市场需求的基础性软 件,利用它可以为嵌入式设备快速地开发和构建各种GIS/GPS应用系统，如PDA 上的G】S应用和卫星导航终端应用等。嵌入式GIS功能强大，性能卓越，可广 泛应用于通讯、测量、交通、军事、消防、医疗等多种领域，是开发嵌入式GIS 应用、GPS前端产品和位置服务（LBS）的理想选抨。1.2.国内外研究现状及问题短短几年的时间，各种导航系统如同雨后春笋般迅速地发展起来，特别是 在口本、美国和欧洲等信息技术领先的国家和地区，各种导航产品的销售和市 场反映逐年看好。在我国，虽然导航系统的发展远远落后与发达国家，但是也 变现出了蓬勃的生命力。目前，国内外有的一些比较成熟的导航产品主要有：1.北美车载导航系统的发展北美车载导航市场发展的服务提供商相当集中，前两大TSP为OnStar和 ATX,主要的发展集中在汽车大厂上，其中又以通用汽车为最重要的厂商。通用 汽车投资的OnStar目前为北美地区最大的TSP。拥有最大用户数的OnStar几乎 成为欧洲TSP的代名词。OnStar系统是一种远程通讯技术，包括下载系统、接受无线信号的通信服 务基站、服务中心等，服务基站可以接受客户的请求服务信号和车辆当前位置 信号，然后通过个自动回复或是服务员来提供服务。OnStar提供的服务主要 包括：自动通报安全气囊动作、远程锁定车门、远程诊断汽车故障、被盗车辆 追踪、路径向导、免提电话、因特网新闻、交通信息以及电子邮件收发等。2.欧洲车载信息服务系统的发展2.欧洲车栽信息服务系统的发展5第1章引言欧洲高级轿乍市场主要的竞争者有Alfa Romeo、Audi、BMW、Mercedes-Benz.Saab、Volvo等。各品牌车辆车载信息系统的服务内容见表1表1错误！文档中没有指定样式的文字。.1。表1错误！文档中没有指定样式的文字。.I欧洲主要车种车载终端服务项口品牌服务项目、AlfaRomeoAudiBMWM-BenzSaabVolvo导航/语音辨识/自动碰撞通知/紧急救援通知/车辆防盗/车辆追踪/远程车辆诊断远程开锁/实时交通信息/电子邮件收发/费用（含硬件）1,8003,0002,6002,1002,8002,0003.日本车栽信息朦务系统的发展2002年10月起，丰田推出了 G-Book车载信息服务错误！未找到引用源。要使用该服务，用户需通过该公司提供的通讯终端数据通讯模块（Data Communication Module,DCM）或将手机与导航仪连接，接入G-Book的网络，访问G-Book提供的服务。此外，登录用户还可以从手机、PDA及个人电脑获得 G-Book的服务（见图1.2-a）。服务范围非常广泛，包括：实时导航，信息服务，娱乐，通讯，电子商务和安全等，并且服务可以通过各种设备下载。（a）G-Book中的PDA终端（左）与专用车载终端（右）6第1章引言（b）G Book ALPHA交通阻塞预测画面中的路线（左）与所需时间（右）图1.2丰田汽车G-Book系统终端4.国内车载导航系统发展的现状与不足近年来，随着我国汽车工业的发展，我国汽车的销售量和私人购车数量逐 年上升，汽车导航产品有巨大的市场潜力和不可估量的发展前景。国外的汽车 厂商进驻中国市场时，大多依托原有的技术，并寻求国内电子地图供应商的支 持，推广安装有国内城市电子地图的车载导航产品。而国内车载导航产品的生 产与普及程度目前还很低，至今没有很成功的产品。不过目前国内一些知名的 汽车厂商，如一汽、二汽、上海大众与通用等均有在豪华轿车或普通轿车上将 导航系统作为标准配置的打算和行动。1.3.本文的研究内容自主导航系统的诸多不足制约着导航应用的普及。本文提出的基于交通信 息网格（Grid严的移动导航服务较之有更多的优势。本文设计并实现了一种基于 嵌入式Linux的交通智能导航系统，它以强大的交通信息网格网为支撑，在车载 移动终端这一嵌入式平台上为用户提供交通信息的获取、可视化、分析、输出 等服务，是立足于现代网格技术，利用正在迅速兴起的移动计算技术，结合移 动地图这一嵌入式地理信息系统的可视化应用系统.本文的选题对于有效解决目前城市发展中的交通问题具有一定的意义。目 前交通堵塞所带来的时间和经济的损失，已经成个各大中型城市发展过程中都 会遇到的棘手的问题。面对这些现实情况，出行者迫切需要一个安全、便利、快捷地到达目的地的出行信息服务，最大可能的避免拥堵和事故。导航系统直 接面对交通系统的最终用户，最能够集中体现智能交通系统中高新技术手段在 交通领域中的应用效果，使缓解交通拥堵，充分有效地利用现有道路交通资源 7第1章引言和提高交通系统效率，改善市民出行服务的最有效的措施之一,也能明显的提 升城市形象。它的重要作用和研究意义主要表现在以下方面：1）全路网的实时路况展示，可以方便用户随时随地的掌握整个城市的交通 状况，为出行提供决策依据；2）根据出行者的不同需求，为其提供不同的最优路径，如行驶最短时间、行驶最短距离等。基于实时路况的最优路径规划，帮助用户避开了交通 拥堵，以最有效的途径到达目的地；3）全区域负载均衡的路径规划，优化了交通流在整个路网上的分配，从而 有效地缓解了交通拥堵，提高交通运输效率；4）面向多种移动信息终端的信息发布，将更多的用户纳入到服务对象的范 围之内，提高的信息的覆盖面和利用率的同时也带来了更大的市场前 景。由于移动导航系统已经成为嵌入式系统和移动定位服务的代表，具有不可 限量的使用价值和市场潜力，因此本文的研究工作立足于将基础理论、工程实 施与市场需求紧密地结合起来，力求在创造技术理论价值的同时，带来经济和 社会价值。1.4.本文的章节安排本文第2章介绍关于系统开发的几个关键的理论基础，包括嵌入式Unux 基本内容、MiniGUI工作机制、Bluetooth原理等。在这些理论基础之上，第3 章着重介绍了系统总体的设计方案和硬件的大体结构，并介绍了 Linux系统内核 的移植和主要设备驱动程序的编写。在硬件和底层软件需求搭建起来的基础之 上，第4章介绍了导航系统应用程序的设计和关键技术。第5章给出了实验运 行的效果和测试的结果。8第2章系统基础理论第2章系统基础理论2.1 嵌入式Linux基本内容从计算机技术的发展来看，一个好的体系结构是系统发展的基础，而对于 嵌入式系统应用的开发，它需要从硬件到软件的一个完整地设计，才能更好的 适应系统地需求，降低成本。从嵌入式系统的出现人们就-一直致力于这方面的 研究，通用的嵌入式系统一般具有图2.1的基本结构。第5层第4层第3层第2层第1层嵌入式应用程序中间层支持库 硬件无关的操作系统内核层 硬件抽象层(HAL)硬件系统 图2.1嵌入式系统基本结构Linux是一个完整的操作系统，而且它是开放式的，世界各地有许多科研机 构在进行研究。同样，对于它的嵌入式研究和应用也在不断的进行，在图2.1的 基础上，对战入式Linuxl的基本内容作如下介绍。2.1.1 硬件抽象层硬件抽象层完全把系统软件和硬件部分隔离开来，这样就使得系统的设备 驱动程序与硬件设备无关，从而大大提高了系统的可移植性。从软硬件测试角 度来看，软硬件的测试工作都可分别基于硬件抽象层来完成，使得软硬件的测 试工作的并行进行成为可能。在抽象层的定义方面，需要规定统一的软硬件接 口标准，其设计工作需要基于系统需求来做，代码工作可由对硬件比较熟悉的 人员来完成。抽象层一般应包含相关硬件的初始化、数据的输入/输出操作、硬 9第2章系统基础理论件设备的配置操作等功能。从功能上来分，这个层次包括两个部分，它们是系 统初始化部分和硬件相关的设备驱动部分。对整个系统来说初始化过程是一个包括软、硬件初始化在内的过程，按照 启动的顺序分别为：1、纯硬件的片级初始化；2、软硬件结合的板级初始化，这个过程是一对CPU以外的其他设备和一些必要的数据结构做一些初始化：3、由操作系统完成的系统级初始化。而在初始化部分HAL主要做了前两步的工作。这部分的工作在各个硬件平台上是不一样的。对于ARM开发平台，上述内容中 的片级初始化主要有汇编代码两个文件来实现的，它们分别是实模式下的初始 化文件setup.S和保护模式下的初始化文件Head.So对于HAL在硬件相关设备驱动部分的功能，通用操作系统对设备管理的体 系结构可以如图2.2来描述。用户进程设备无关的软件（文件系统）设备 驱动 程序设备服务子程序t中断服务子程序硬件电备图2.2设备管理系统层次结构其中，设备无关部分主要是指由操作系统提供的设备管理机制，如在Linux 系统中采用文件系统来管理设备，以提供如统一的接口，设备命名，设备保护,缓冲等等功能。而硬件相关部分的设备驱动程序主要做对设备初始化。从设备 中读取数据交给内核，数据从内核送到设备，监测和处理设备出现的问题等等。2.2.2硬件无关的操作系统内核层（Linux内核）作为PC机上应用比较成功的操作系统Linux的内核，在嵌入式应用中这个 10第2章系统基础理论内核存在问题和须改良的地方。主要有操作系统的进程管理，文件系统，内存 管理和网络模块几个部分。1.进程管理部分。这部分是操作系统的核心概念所在，通常它在进行嵌入式研究时需要改变 的方面有：1)创建新进程。这部分内容在Linux中，主要以fork。系统调用来实现。然 而，根据特定的硬件环境需要对它的语义重新定义。如在i386系统中，它的语 义与完全创建一个新进程的拷贝等价，即用它创建子进程后，父子进程运行在 不同的地址空间。而在一些嵌入式Linux系统例如ucLinux中，由于硬件没有 MMU,而缺乏硬件的必要的数据保护和完整的地址映射机制，故它的语义等价 于vforkO。即父子进程运行在同一地址空间。这里体现出在不同的硬件平台的 限制下保持系统调用接口的语义完整性是困难的。有关这些系统调用的选择问 题是为了保持嵌入式应用的可移植性，在嵌入式Linux领域己经制定了几个标 准。其中,ELC是由各大公司联合基于POS1X系列标准和LSB 2.0(Linux Standard Base)而制定的。2)调度进程运行。这一部分在Linux下主要通过schedule。函数和提供一些 恰当的调度时机来实现。然而，同时也牵扯到其他许多的内容，比如核心的可 抢占性等等。2.文件系统部分。这部分的研究和开发是非常活跃的一部分内容。而在Linux系统中提供的 VFS(Virtual Filesystem switch)和 LKM(Loadable Linux Kernel Module)机制 为自己创建文件系统模块提供了必要的支持。与普通的PC不同，嵌入式环境下 对文件系统具有特殊要求：1)对于没有文件系统的嵌入式系统。有的嵌入式系统不需要文件系统，它 把内核代码和应用程序编译成一体固化在ROM中.完全取消Linux文件系统的研 究牵扯到Linux系统的引导，初始化，进程和内核链接方式和文件系统模块的 删除，其至于对VFS机制的代码实现的删除等等。这方面的改造工作，有一定 的工作量，是其技术路线是明确的，即我们可以利用核心线程的创建方法来把 任务都创建在内核中一起来加载，根据这样的路线理论上可以取消文件系统。2)嵌入式系统使用的特殊的存储设备的特殊要求，导致我们需要对原有文 件系统进行改良甚至重写。在嵌入式系统中常用的存储设备是Flash存储设备，II第2章系统基础理论这种设备分为两种:一种是NOR Flash设备，如CFI卡，另一种是NAND Flash 设备，如DiskOnChip,这两种设备在结构和技术上都有较大的差别。而且，以 前的文件系统开始就针对大容量硬盘来设计，不能满足Flash设备的要求。所以，在嵌入式Unux研究中，人们专门为这样的设备开发了一些嵌入式文件系统，比 如FFS(Flash Filesystem).同时由于嵌入式设备的电源供应是不连续的，常常容易 掉电，这对于有文件系统缓存的Linux系统是一个很大的问题，为了解决这一种 问题，人们开发了嵌入式的日志文件系统JFFS(Joumal Filesystem)。这些文件系 统都存在一些可改良的地方，比如:目前Unux上的JFFS的文件信息整理部分进 行了对整块Flash上锁的方法，这就大大影响了在此期间对Flash的读写，而事 实上，这种整理可以归结到文件系统数据块的上锁上，当然，这种基于数据块 上锁的数据整理，需要一些好的策略来保证数据整理时不会对系统响应时间有 很大的影响。3)更高安全性的文件系统开发，我们知道Linux提供了一些系统级的文件 系统安全性，即在同一系统中要访问文件系统的中的信息必须用具有相应权限(即读写(w)执行(x)的用户来访问。然而对于移动设备如PDA,很难保证系统 的单一性。最简单的，人们可以通过一定的手段绕过原有系统的认证机制用其 他同类系统的特权用户来访问用户的秘密数据。如何解决这样的问题，一个方 案是采用加密的文件系统，在这方面虽然可用loop设备做到一定的保密性，但 是使用还是不方便，特别是移动设备中，使用的简易性非常重要。所以，研究 一种既方便又安全得文件系统是必要的，然而这牵扯到一列的技术和嵌入式系 统的本身活动的限制，有待更进一步的研究和开发。3.存储管理部分。这部分内容在许多体系结构中是相对成熟和稳定的，但是，针对嵌入式系 统的特殊性，其中需要进行的工作有：1)根据特定的硬件有无MMU(内存管理单元)情况来作定制。比如基于三星 S3c2410处理器的ucLinux。ucLinux仍然采用存储器的分页管理，系统在启动时 把实际存储器进行分页。在加载应用程序时程序分页加载。但是由于没有 H11MU1管理，所以实际hucLinux采用实存储器管理策略(real memory management),这一点影响了系统工作的很多方面。事实上没有h4MU的情况在 嵌入式处理其中是比较普遍存在的。所以，用什么样的技术来屏蔽虚拟内存机 制是值得研究的问题。第2章系统基础理论2)嵌入式系统外存容量一般比较小，并不是大大高于内存，甚至比内存容 量要小，所以，原来Linux采用的内存管理策略，在这儿不再适用了。如何更好 地根据系统的体系结构来提高系统地利用率是操作系统研究一个核心任务之 一。也就是，我们要根据外存设备的特点来改良它。比如，根据NOR FLASH 接口设计的特点中，这种Flash设备可以直接被CPU随机寻址，它支持 XlP(eXecute In Place),这样，我们就不需要把一些只读数据读到内存中，而是 在设备上直接访问。又比如像NANDFLSAH,它可以被系统成块的访问，这样 我们可以把系统的只读数据块和代码以Flash作为直接的内存缓冲，以节省内存 的空间.对于这方面的改变不仅仅要改变内存布局，还牵扯到操作系统对可执行 文件的处理方式等等。4.网络模块部分。随着嵌入式系统的迅速发展，与Internet的连接是必要的，这就要求有TCP/IP 协议的支持。然而，由于嵌入式系统的特点，以及Linux原来的TCP/IP协议栈 实现上过于复杂，同时对实时性方面考虑也有欠缺。这样，对于Linux上嵌入式 TCP/IP的研究在不断的展开之中，比如对于IPv6的支持在嵌入式系统中是非常 重要的，因为每个设备一个唯一地址导致了 IPv4地址的严重不足。基于TCP/IP 网络的实时通讯技术如实时以太网也是一个重要值得研究的课题。2.2 MiniGUI工作机制嵌入式系统方面的应用程序非常之多，有一些可能不需要图形用户界面，只要保证该程序永远执行就行了，典型的例子如交换器或路由器系统。还有很 多的应用程序就必须需要图形用户界面，典型的例子像视频监控系统。在常见 的PDA等小型手持式设备上，由于硬件条件等的限制，人们看到的用户界面都 非常简单，几乎看不到在PC机上能看到的华丽美观的GUI支持。但最近出现 的Palm等手持式电脑或者在Windows CE等面向嵌入式系统的操作系统上，己 经看到了完整的图形用户界面支持。随着手持式设备的硬件条件的提高，估计 嵌入式系统对轻量级GUI的需求会越来越迫切。近来的市场需求显示，越来越 多的嵌入式系统，包括PDA、机顶盒、DVD、CD播放机、WAP手机等等系统 均要求提供全功能的Web浏览器。这包括HTML4.0的支持、JavaScript的支持，甚至包括Java虚拟机的支持。而这一切均要求有一个高性能、高可靠的GUI的 第2章系统基础理论支持。嵌入式系统一般不希望建立在庞大累赘的、非常消耗系统资源的GUI之 上如X Window112 1关键是X Window太过庞大和臃肿。嵌入式系统往往对 GUI的需求各不相同，因此GU】必须是可定制的。GUI在嵌入式系统中占据的 位置越来越重要，一般来说它们对GUI的基本要求包括下面几个方面：轻型、占用资源少。高性能。高可靠性。可配置。MiniGUI是由北京飞漫软件技术公司主持的一个自由软件项目（遵循LGPL 条款发布），其目标是为基于Linux的嵌入式系统提供一个轻量级的图形用户界 面支持系统。MiniGUI为应用程序定义了一组轻量级的窗口和图形设备接口。利 用这些接口，每个应用程序可以建立多个窗口，而且可以在这些窗口中绘制图 形，且互不影响。用户也可以利用MiniGUI建立菜单、按钮、列表框等常见的 GUI 元素。MiniGUI 由四个函数库组成：libminigui、libmywins、libmgext 以及 libvcongui libminigui是提供窗口管理和图形接口的核心函数库，也提供了大量 的标准控件；libmywin提供了一些方便而且有用的用户界面函数，比如“文件 打开”对话框；libmgext是libminigui的一个扩展库，提供了一些漂亮而且有用 的控件；libvsngui则提供了一个应用程序可用的虚拟控制台窗口，从而可以方 便地在MiniGUI环境中运行字符界面的应用程序。用户可以将MiniGUI配置成 MiniGUI-Threads 或者 MiniGUI-Lite 两种方式。运行在 MiniGUI-Threads 上的程 序可以在不同的线程中建立多个窗口，但所有的窗口在一个进程中运行。相反，运行在MiniGUI-Lite上的每个程序是单独的进程，每个进程也可以建立多个窗 口。MiniGUI-Threads适合于具有单一功能的实时系统，而MiniGUI-Lite则适合 于类似PDA、STB和瘦客户机的复杂嵌入式系统。MiniGUI最初是为了满足一个工业控制系统（计算机数控系统）的需求而设 计和开发的。这个工业控制系统是清华大学为一台数控机床设计的计算机数控 系统（CNC）。在比较DOS,Windows 98,Windows NT,Linux等系统之后，该项目 组决定选择RT-Linux作为实时操作系统，以便满足2 ms甚至更高的实时性。但 是图形用户界面是一个问题，因为X Window不适合于实时控制系统，并且当时 X Window系统的本地化也不尽人意。因此，项目组决定自己开发一套图形用户 界面支持系统，这就是MiniGUI产生的背景。显然，MiniGUI 一开始就针对实 14第2章 系统基础理论时系统而设计。因此，在设计之初就考虑到了小巧、高性能和高效率。在考虑 到其他不同于数控系统的嵌入式系统时，为了满足千变万化的需求，必须要求 GU】系统是可配置的。在CNC系统中得到成功应用之后，开发人员立即着手于 MiniGUI可配置的设计。通过Linux下的automake和autoconf接口，实现了大 量的编译配置选项，通过这些选项可指定MiniGUI库中包括哪些功能而同时不 包括哪些功能。因此，MiniGUI是一个非常适合于嵌入式系统的可定制的、小巧 的图形用户界面支持系统。2.3 Bluetooth 原理蓝牙(Bluetooth/a是一种新的短距离无线通信技术标准。它利用射频(RF)频 段在10米(根据发射功率不同，传输距离可达100米)范围内建立点到点和点到 多点的连接，承载语音和数据传输业务。Bluetooth取自10世纪丹麦国王Harald Bluetooth的