电子阅读器的研究与开发.docx
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电子阅读器的研究与开发
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电子科技大学硕士学位论文电子阅读器的研究与开发姓名:
邓晓鸥申请学位级别:
硕士专业:
计算机系统结构指导教师:
王忠仁20041220
电子科技大学硕十学位论文:
电子阅读器的研究与开发
摘要
随着信息技术的发展和数字化产品的普及,从消费电子到工业设备,嵌入式
系统被应用到网络、手持通信设备、国防军事和自动化控制等各个领域。
嵌入式
系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,其软硬件可配置,对功能、可靠性、
成本、体积、功耗有严格约束的一种专用系统。
它是将先进的计算机技术、半导
体技术和电子技术以及各个行业的具体应用相结合的产物。
这类系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及应用程序等四个部分组成,实现对其他设备的控制、监视、管理等功能。
随着21世纪的到来,IT业迎来了一
个崭新的以嵌入系统为核心的“后PC时代”。
作为崭新的、面向应用的计算机系统,嵌入式系统在集成了通用计算机系统的共性以外,还包含了很多适合“嵌
入式”应用的新技术;因此,嵌入式系统的广泛应用和发展潜力已使其成为21世纪的应用热点之一,其强大而灵活的可应用性得到了计算机、通信和信息等产
业的广泛认可,已经扩展到前所未有的应用领域。
研究和开发适合用户需求的嵌入式产品已经成为后PC时代推动计算机技术
发展的重要力量。
电子阅读器作为一种便携的阅读产品在众多的嵌入式应用系统中脱颖而出,它改变了人们的阅读习惯,预示着阅读无纸化时代的到来。
本文论述了一款电子阅读器的研究和开发过程。
论文首先论述了嵌入式系统
的一些特点,提出在资源有限的嵌入式平台上开发应用系统不同于在PC上开发桌面应用系统,嵌入式应用系统的开发是一个软、硬件协同开发的过程;接着分析了嵌入式应用系统的交叉开发方法,提出了在嵌入式系统开发中宿主机和目标
机的概念,着重介绍了项目采用的集成开发调试环境;按照开发流程,硬件上分析了电子阅读器的硬件结构、微控制器结构和片内周边电路,软件上重点介绍了在嵌入式硬件平台上运行的驱动程序和在PC上开发的阅读卡数据文件编辑系
统。
最后,对全文给以总结,并对以后进一步的研究做出了展望。
【关键词】嵌入式系统
嵌入式微控制器
驱动程序电子阅读器
电子科技大学硕士论文:
电子阅读器的研究与开发
Abstract
With
embedded
therapiddevelopmentoftheinformationtechnologyanddigitalproducts,
system
has
been
applied
to
network,mobile
a
device,national
defence,militaryaffairsandautomation.Embeddedsystemisconcentrads
on
specificsystemthat
application,itis
based
on
computertechnologyand
has
ri画d
restrictionWitll
softwareandhardwareinsomefields,suchasconfigurable,reliable,
a
lowcost,smallcubageandlowpower.Itiscomputer
productthatcombineto
advanced
and
technology,semiconductortechnology,electrortiealtechnology
equipment,embedded
system
many
otherspecificapplications.Theembeddedsystemisusuallymadebyembeddedmicroprocessor,peripheryoperatingand
user
customizedapplicationprograms.Allthesefourcomponentsprovidesomefunctions
thatcontrol,watchandmanagementother
equipments.Withthe
beginningofthe
on
21thcentury,ITindustryhasentriedintoPost-PCera.whichwillfocus
the
embeddedsystem.Assystemconsists
COUlnlon
on
a
newlyapplication—orientedcomputer
system,the
embedded
manynew
technology
thatwillfit
on
itsapplicationbesidesfieldshasmade
computersystem.So,therapiddevelopment
one
andwidely
embeddedsystembecome
ofthemostvaluedapplicationinthe21thcentury,it
hasbeenrecognizedbycomputer,telecommunication
andinformationindustry,and
expandedintomanyapplicationfields.
ToresearchanddevelopUSercustomized
embedded
productshavebecome
a
all
importantpower
to
impelcomputer
technology
inPost-PCera.As
portablereading
product,Ebookhasbeenshowingitsrelentinchangedpeople’Sreadingpeople
manyembeddedsystems.Ithas
era
habits,meanwhile,itindicatesthebeginningofthe
that
Canreadwithout
paper.
This
that
dissertationdescribestheresearchand
developmentofanEbook.Firstly,it
sa/ne
describesthecharacterofthe
embeddedsystem,atthe
time,italsopoints
on
out
embeddedststem
is
differentfromthedesktopapplications
PC,the
developmentoftheembedded
system
is
acourse
thatcooperatewithhardwareanddevloping
software;secondly,thispaperintroducesthemethodofhowtoembedded
an
system,meanwhile,it
pointsouttheconceptofthehostsystem
andthe
we
objectivesystem,then
itintroducesthe
integrateddevelopingenvironmentthat
use.Accordingtothedevelopingcourse,it
analysesthearchitectureofEbook
n
电子科技大学硕士论文:
电子阅读器的研究与开发
hardware,microcontrolerandotherperipheryequipment.Afterthat,itemphasizesintroducingthedriverwhichwillsystemwhichwill
rnnollrunon
On
theembededhardwareanddatafileedit
thePC,Intheend,thisdissertationdrawstheconclusion
andmakesexpectationforthefutureresearch.
[Keywords]Embededsystem
Embededmicrocontroler
Driver
Ebook
III
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明
确的说明并表示谢意。
签名:
盈堕姿
日期:
2∞争年12月2胡
关于论文使用授权的说明
本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文
的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁
盘,允许论文被查阅和借阅。
本人授权电子科技大学可以将学位论文
的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
(保密的学位论文在解密后应遵守此规定)
签名:
翌堕丝
导师签名:
丕&!
三
日期:
200:
.I.年f二月2二日
电子科技大学硕士学垡堂文:
皇子阅遂整塑婴塞皇五筮第一章引言
1.1项目背景及其意义
在当前的数字信息技术和网络技术高速发展的后PC时代,嵌入式系统已经广泛的渗透到科学研究、工程设计、军事技术、各类产业和商业文化艺术、娱乐业以及人们的日常生活等方方面面中。
随着国内外嵌入式产品如车载电脑、机顶盒等等的进一步开发和推广,嵌入式技术越来越和人们的生活紧密结合。
在PC时代,可能有人从来没有接触过计算机;但是在后PC时代,他就不能不接触到嵌入式系统,因为嵌入式系统可能存在于生活的方方面面中,从家里的洗衣机、电冰箱,到作为交通工具的自行车、小汽车,到办公室里的远程会议系统等等,都属于可以使用嵌入式技术开发和改造的产品。
中国是世界上最大的家用电子产品消费市场,随着消费结构的改变,人们对消费电器的灵活性和可控性提出了更高的要求,这些只能通过数字化和网络化来实现。
随着通信类电子产品的发展,PDA结合数字手机将成为今后个人数据通信和事务处理的最佳选择;同时,对于现代化的医疗、测控仪器和机电产品也需要专用的嵌入式系统软件的支持。
这些需求都极大地刺激了嵌入式系统的发展和
产业化的进程。
在众多的消费电器中,电予阅读器正悄悄地走进我们的生活,它是一种手持式离线阅读的专用设备。
电子书不仅能展现纸上的文字、图片内容,保持纸张的原版样式,同时还可以附带音频、视频等多媒体庆容。
电子阅读器的发展经历了三个阶段:
第一个阶段是采用login授权的方式从远程登录到存放电子书的服务器去取;第二个阶段是应用各种阅读器软件,将符合格式的书下载到PC上,用阅读器来看。
这些阅读器制作出的供下载阅读的电子书,能够保持书本原来的版式和色彩,又可以限制拷贝和打印,所以受到作者和出版社的欢迎。
但是这些阅读器软件相互之间不能兼容,另外,购书者无法脱离开PC,需要一直在PC上阅读;第三个阶段才是真正意义上的“电子书”,~个书本大小的电子图书阅读器硬件,只有几百克重,支持从网上下载电子书。
由于可以对硬件加密,所以这种方式对版权保护晟好。
电子阅读器是一种新生产物,相对于传统的出版书籍,它具有无可比拟的优越性。
首先,随着存储技术的发展,单位存储容量的成本必将降低,所以,电子书的批量制作成本也会不断减少,一旦做好母版,可以近乎零成本的无限次拷贝。
对于一些有价值的低印量图书的出版具有重要的意义:
其次,电子书勿需印刷,节约纸张,有利于环保。
电子科技大学硕士论文:
电子阅读器的研究与开发
采用嵌入式设计方案构建的电子阅读器,可提供上网学习资料搜索,下载学生所需的课本、辅导材料、课外读物等资料。
由于采用了大容量闪存卡,满足了用户对较大容量存储的需求,同时可提供个性化服务,如数据通信、字典、个人信息管理、益智游戏、数字录音、MP3播放等诸多功能。
通过这种电子课本,教师的知识传授与学生的信息获取将实现真正意义上的教育改革。
研究和开发~个功能齐全、系统稳定、价格低廉的电子阅读器,已成为嵌入式产品在令人瞩目
的教育领域应用研究的热门课题。
电子书的诞生和发展,预示着无纸化时代的来临,它将使人们在阅读方式、阅读习惯,甚至阅读文化上引发一次新的变革。
1.2课题任务
本课题来源于四川绵阳九洲集团公司委托开发的《电子阅读器》项目,该电子阅读器是应人民教育出版社的要求,为中学生提供一种价格便宜、质量可靠的电子书阅读器,用以替换现有的纸质教科书。
目前,市场上已经出现了很多不同品牌的电子阅读器,对于学生用户来说,它们都存在一些不足,主要表现在以下
三方面:
1.价格比较昂贵,一般都在2000元左右,对学生消费者来说,不太适合。
2.能耗比较高。
对于学生用的阅读器,要求长时间处于开机显示状态,使
用普通电池供电,不能维持很长时间。
3.现在所用的液晶显示屏大多存在功耗较大,阅读视角不广的问题。
本课题组就是针对以上市售阅读器的种种不足,由电子科技大学计算机科学与工程学院开放系统环境与信息系统技术实验室与四川九洲电器集团公司合作,致力于开发适合中学生使用的便携式电子阅读器。
本人在课题中主要负责电子阅读器软件中的部分模块的设计和实现,包括电子阅读器软件整体架构的分析、电子书数据文件的设计与实现、PC机与电子阅读器之间的通信软件等等,最后还参与了一些电子阅读器软件的调试工作。
文中所讨论的程序实例均来自于该项目,论文中所涉及到的程序均在测试和实际使用中得到验证。
1.3论文内容安排
第一章阐述项目背景、研究意义以及本课题所要完成的任务,最后介绍论文
内容安排。
第二章对嵌入式系统的特点和嵌入式系统的硬件、软件做了介绍。
硬件部分
电子科技大学硕士论文:
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介绍了嵌入式系统控制器和相关的外围设备。
软件部分介绍了嵌入式操作系统和
嵌入式软件的一些特性。
第三章介绍嵌入式系统的开发环境,指出嵌入式系统的开发模式以及交叉开发方法,着重介绍了本项目所使用的集成调试环境ICD33。
第四章针对电子阅读器的硬件模块,首先阐述了电子阅读器的硬件结构,接
着研究了项目使用的¥1C33209MCU的结构以及各个外围系统。
第五章对嵌入式硬件平台上的软件模块做了详细的论述,包括Flash驱动程序、串口驱动程序、LCD驱动程序、键盘驱动程序以及在驱动程序之上的嵌入
式应用程序。
第六章分析了在PC上运行的集成编辑系统的各模块,着重分析了数据文件
生成模块的设计原理和相关数据结构的设计与实现。
第七章对本文做了总结,并且提出了本项目现存的一些问题和在下一步工作
中的任务。
3
电子科技大学硕士论文:
电子阅读器趔究复开筮
第二章嵌入式系统概述
嵌入式系统(EmbededSystem)是以应用为中心,以计算机技术为基础,系
统的软硬件可剪裁,适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。
嵌入式系统主要分为两个部分:
嵌入式硬件部分和嵌入式软件部分。
嵌入式
硬件部分主要由嵌入式处理器,嵌入式外围设备等构成;嵌入式软件部分主要由
嵌入式操作系统,嵌入式开发调试环境和嵌入式应用软件构成。
2.1嵌入式系统的特点
随着信息产业和集成电路的发展,嵌入式应用的发展也得到了蓬勃和快速的发展。
其特点主要表现在两个方面:
(1)多样化,广泛化
嵌入式应用领域已应用到社会的各个领域如信息家电、工业控制、通信和
智能终端等(2)专用化,个性化
嵌入式应用很多是面向特定的应用,如实时控制、低功耗管理、可靠安全控制等,这些应用领域使得嵌入式应用具有专用性和个性特点。
嵌入式应用的多样化主要体现在嵌入式设备主控芯片和外围设备的多样化,目前,嵌入式设备的主控芯片类型包括四类:
微控制器、嵌入式处理器、DSP处理器和片上系统SOC。
嵌入式外围设备种类繁多,而且不同的嵌入式应用有不同的外挂设备,为了支持这些不同的外挂设备就必须有这些不同设备的板级支
持包BSP(boardsupportpackage)。
嵌入式系统应用最早是基于单片机的简单控制应用,因为单片机上的资源有限,因此在程序上采用的是前后台的控制设计。
随着嵌入式应用越来越复杂化,现在很多嵌入式应用又引进了嵌入式操作系统,利用嵌入式操作系统提供的特有的机制来满足嵌入式一些特定的应用,例如,多任务调度,实时控制和可靠冗余处理等。
嵌入式开发不同于桌面程序的开发,一般都是通过交叉调试模式来开发,因此对于嵌入式开发工具也有特殊的要求。
嵌入式的专用化和个性化一方面体现在嵌入式硬件有专用和个性的支持,另~方面体现在软件上要提供相应的支持。
电子科技大学硕士论文:
电子阅读器笪研究与开发
2.2嵌入式系统硬件平台
嵌入式系统的开发涉及两个方面:
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”内部的功能逻辑。
这两个部分是缺一不可的。
嵌入式系统的开发对硬件要求非常高,这与其他类型系统的开发有所不同。
许多嵌入式的开发都是针对具体的应用,针对项目中特定的硬件资源,如微处理器、Flash存储器、外围接口等。
这样,开发人员就需要熟悉系统中的硬件资源,比如涉及到一些底层编程,就需要知道系统处理器提供的指令集;要对外设驱动,就需了解外设的控制逻辑;要对Flash存储器编程,就需要知道Flash存储器编程的指令序列和编程流程等。
2.2.1嵌入式系统控制器
一个嵌入式系统的目标硬件平台主要分三部分:
处理器核心,片内外围电路,
板级外围电路。
处理器核心指的是整个芯片的核心电路即CPU的内核,如EPSON
SIC33209
的内核是S1C33000。
芯片内的外围电路是指封装在芯片内的一些电路如定时器分频电路、串行接口电路等。
板级外围电路就是与处理器芯片交互的外围电路,通常这些电路是根据处理器的特性和具体的的应用而定制的外围电路。
嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器,嵌入式处理器作为系统的控制中枢。
通过控制总线、数据总线和地址总线与各种外部接口相连。
就目前的现状而言,嵌入式处理器可以分成四大类:
嵌入式微处理器
(EMU)、微控制器(MCU)、DSP处理器和片上系统(SOC)。
(1)嵌入式微处理器(EMu)嵌入式微处理器是经过改造的通用计算机中的MPU。
在应用中,将微处理器装配在专门设计的电路板上,然后在电路板上配上必要的扩展外围电路,如存储器的扩展电路、FO的扩展电路和一些专用的接口电路等,这样就可完成嵌入式系统的一些功能。
嵌入式微处理器虽然在功能上与标准微处理器基本相同,但在降低功耗、逻辑密度、工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。
与工控计算机相比,嵌入式微处理器具有体积小、功耗低、成本低等优点,但是,在电路板上必须包括ROM、RAM、Flash、总线接口、各种外设等器件,从而降低了系统的可靠性,技术保密性也较差。
总的来说,嵌入式微处理器一般具备以下几个特点:
◆对实时多任务有很强的支持能力,能完成多任务并且有较短的中断响应
时间,从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。
◆具有功能很强的存储区保护功能。
这是由于嵌入式系统的软件结构已模
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电子阅读器的研究与开发
块化,而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用,需要设计强大的存储区
保护功能,同时也有利于软件诊断。
◆可扩展的处理器结构,以便能迅速地开发出满足应用的高性能的嵌入式
微处理器。
◆嵌入式微处理器必须功耗很低,尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此,如需要功耗只有mW甚至“
W级。
(2)微控制器(MCU)
Microcontroller(微控制器)又可简称MCU或pC,也被称为单芯片微控制
器(SingleChipMicrocontroller),将ROM、RAM、CPU、I/O集合在同一个芯
片中,为不同的应用场合做不同组合控制。
微控制器在经过这几年不断地研究,
发展,历经4位、8位,到现在的16位及32位,甚至64位。
为适应不同的应用需求,一般一个系列的微控制器具有多种衍生产品,每种衍生产品的处理器内
核都是相同的,不同的是存储器和外设的配景及封装。
这样,不同的微控制器就可以适合不同的应用场合。
与嵌入式微处理器相比,微控制器最大的特点是单片
化、端口多、体积小,从而使功耗和成本下降、可靠性提高。
微控制器的片上资源一般比较丰富,适合于控制,是目前嵌入式系统工业的主流。
(3)DSP处理器
DSP处理器即数字信号处理器,是一种具有特殊结构的微处理器。
DSP芯
片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构,具有专门的硬件乘法器,广泛采用流水线操作,提供特殊的DSP指令,可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。
根据数字信号处理的要求,DSP芯片一般具有如下的一些主要特点:
◆在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。
◆程序和数据空间分开,可以同时访问指令和数据。
◆片内具有快速RAM,通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问。
◆具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。
◆快速的中断处理和硬件的支持。
◆具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。
◆可以并行执行多个操作。
◆支持流水线操作,使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。
DSP的芯片可以按照以下的三种方式进行分类。
◆按基础特性分这是根据DSP芯片的工作时钟和指令类型来分类的。
如果DSP芯片在某时
钟频率范围内的任何频率上能正常工作,除计算速度有变化外,没有性能的下降,
电子科技大学硕士论文:
电子阅速墨笪堡窒多,£叁
这类DSP芯片一般称之为静态DSP芯片。
如果有两种或两种以上的DSP芯片,它们的指令集和相应的机器代码及管脚
结构相互兼容,则这类DSP芯片称之为一致性的DSP芯片。
◆按数据格式分
这是根据DSP芯片工作的数据格式来分类的。
数据以定点格式工作的DSP
芯片称之为定点DSP芯片。
以浮
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