基于嵌入式Linux车载信息显示系统的研究与设计
摘要
车载信息显示系统是司机与机车进行交流的重要设备,为司机操作以及机车的安全运行提供了可靠的保障。因此无论从理论方法还是技术实现上开展车载信息显示系统的研究与开发工作都具有重要意义。
针对车载信息显示系统的功能需求,作者提出利用RTAI来改善嵌入式Linux系统的实时性能,利用MiniGUI图形界面系统来设计车载信息显示系统的界面,然后将它们结合完成基于嵌入式Linux的车载信息显示系统的设计。
本文选择SX-340型PC/104作为车载信息显示系统的硬件平台。在此基础上,构建了适合车载信息显示系统的嵌入式Linux操作系统,包括嵌入式Linux的内核模块分析、内核的裁剪策略分析、根文件系统的构建和引导程序的设计等工作。然后分析了Linux的实时性不足的原因,并比较了Linux实时化的两种方案:第一种是直接修改Linux内核,如KURT,另外一种是双内核思想,即在Linux内核上在增加一个专门的实时内核,如RTAI、RTLinux。在本文中选择利用开源RTAI技术实现嵌入式Linux的实时性能,并对修改后的实时内核进行实时性能测试,确认实时内核能够满足车载信息显示系统的实时性要求,并在此基础上完成车载信息显示系统实时任务的设计。虽然基于Linux的台式机上有着完善的图形用户界面,但由于其程序庞大、臃肿、资源占用太大不能用于车载信息显示系统,作者利用我国自主开发的自由软件MiniGUI设计完成了车载信息显示系统的图形用户界面。最后将MiniGUI库文件和应用程序移植到嵌入式Linux系统中完成车载信息显示系统的设计。
Information displaying system on-board based on Embedded Linux is an important equipment which the drivers communicated with the train. It supplies reliable secure informations for drivers' operation and the train's safe operation. So it is clear that there is important meaning on the research of theoretic method and technological realization of the on-board display.
According to the needs of the information displaying system on-board based on Embedded Linux, the author used RTAI real-time core to improve the real time performance, and used the MiniGUI to design the man-machine interface,then combine them to finish the design of the information displaying system on-board.
In this paper, we chose PC/104SX-340 as the hard platform, and then construct Embedded Linux system, such as Linux core modules, the principles how to choose core modules, how to construct an Embedded Linux file system by using the busybox tool, how to design the bootloader program in the Embedded Linux(Grub or LILO). Then we analyse why the Linux system cannot realize the real time performance and that their support to the real time, compared two ways to realize the real-time performance in Linux system, one is that changing the Linux core directly to realize the real time performance, such as KURT, the other is that two cores idea-increasing a special core for real-time core, such as RTLinux and RTAI Linux. In this paper, the author chose the second way, used RTAI to improve the real-time performance of Embedded Linux system, after that we tested the real-time performance the RTAI Linux, and compared with the standard Linux. Then we use RTAI to design the realtime task of the Information Display System ono-board. The graphical user interface of the PC Linux is too voluminous to apply to the on-board for display, the author introduced several kinds of Embedded GUI system, such as OpenGUI, QT/Embedded, Microwindows and MiniGUI. Then analysed and compared them, the author chosed the MiniGUI which is a free software designed by Chinese and used it to finish the design of the graphical user interface of the display. Finally, we copied the MiniGUI resource files and application programs to embedded Linux system to finish the design of the Information Display System on-board based on Embedded Linux.
针对车载信息显示系统的功能需求,作者提出利用RTAI来改善嵌入式Linux系统的实时性能,利用MiniGUI图形界面系统来设计车载信息显示系统的界面,然后将它们结合完成基于嵌入式Linux的车载信息显示系统的设计。
本文选择SX-340型PC/104作为车载信息显示系统的硬件平台。在此基础上,构建了适合车载信息显示系统的嵌入式Linux操作系统,包括嵌入式Linux的内核模块分析、内核的裁剪策略分析、根文件系统的构建和引导程序的设计等工作。然后分析了Linux的实时性不足的原因,并比较了Linux实时化的两种方案:第一种是直接修改Linux内核,如KURT,另外一种是双内核思想,即在Linux内核上在增加一个专门的实时内核,如RTAI、RTLinux。在本文中选择利用开源RTAI技术实现嵌入式Linux的实时性能,并对修改后的实时内核进行实时性能测试,确认实时内核能够满足车载信息显示系统的实时性要求,并在此基础上完成车载信息显示系统实时任务的设计。虽然基于Linux的台式机上有着完善的图形用户界面,但由于其程序庞大、臃肿、资源占用太大不能用于车载信息显示系统,作者利用我国自主开发的自由软件MiniGUI设计完成了车载信息显示系统的图形用户界面。最后将MiniGUI库文件和应用程序移植到嵌入式Linux系统中完成车载信息显示系统的设计。
Information displaying system on-board based on Embedded Linux is an important equipment which the drivers communicated with the train. It supplies reliable secure informations for drivers' operation and the train's safe operation. So it is clear that there is important meaning on the research of theoretic method and technological realization of the on-board display.
According to the needs of the information displaying system on-board based on Embedded Linux, the author used RTAI real-time core to improve the real time performance, and used the MiniGUI to design the man-machine interface,then combine them to finish the design of the information displaying system on-board.
In this paper, we chose PC/104SX-340 as the hard platform, and then construct Embedded Linux system, such as Linux core modules, the principles how to choose core modules, how to construct an Embedded Linux file system by using the busybox tool, how to design the bootloader program in the Embedded Linux(Grub or LILO). Then we analyse why the Linux system cannot realize the real time performance and that their support to the real time, compared two ways to realize the real-time performance in Linux system, one is that changing the Linux core directly to realize the real time performance, such as KURT, the other is that two cores idea-increasing a special core for real-time core, such as RTLinux and RTAI Linux. In this paper, the author chose the second way, used RTAI to improve the real-time performance of Embedded Linux system, after that we tested the real-time performance the RTAI Linux, and compared with the standard Linux. Then we use RTAI to design the realtime task of the Information Display System ono-board. The graphical user interface of the PC Linux is too voluminous to apply to the on-board for display, the author introduced several kinds of Embedded GUI system, such as OpenGUI, QT/Embedded, Microwindows and MiniGUI. Then analysed and compared them, the author chosed the MiniGUI which is a free software designed by Chinese and used it to finish the design of the graphical user interface of the display. Finally, we copied the MiniGUI resource files and application programs to embedded Linux system to finish the design of the Information Display System on-board based on Embedded Linux.
引文
[1]国家《中长期铁路网规划》简介
[2]铁路“十一五”规划铁道知识.2007年第1期
[3]世界高速铁路的发展概述.铁道经济研究.2006年第1期
[4]刘峥嵘等著.嵌入式Linux应用开发详解.北京:机械工业出版社,2004年7月
[5]MiniGUI应用典型案例http://www.minigui.com/index.php?id=industrial-control-meter&L=1
[6]杨志刚著.LKJ2000型机车运行监控记录装置.北京:中国铁道出版社,2003年
[7]SX-340用户手册 hnp://www.seatech.com.cn
[8]王金辉.VxWorks嵌入式实时操作系统的原理和实现.无线电工程,2007年第37卷第1期
[9]孙琼著.嵌入式Linux应用开发详解.北京:人民邮电出版社,2006年7月
[10]任哲著.嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ原理及应用.北京:北京航空航天大学出版社,2005年
[11]Alex Lennon.Embedding Linux EMBEDDED SYSTEMS
[12]Armand Marchesin.Using Linux for Real-Time Applications.IEEE SOFTWARE 2004
[13]陈莉君等著.Linux操作系统原理与应用.北京:清华大学出版社,2006年
[14]林慧琛等著.RedHat Fedora Core 4 Linux基础教程.北京:清华大学出版社,2006年
[15]陈莉君著.Linux操作系统内核分析.北京:人民邮电出版社,2000年3月
[16]Busybox:http://www.busybox.net
[17]杨延军.用Busybox制作嵌入式Linux的文件系统.单片机与嵌入式系统应用,2005年4月
[18]吴娴.嵌入式Linux文件系统的设计与实践.苏州大学硕士学位论文,2004年
[19]李亚峰等 著.ARM嵌入式Linux系统开发从入门到精通.北京:清华大学出版社,2007年8月
[20]GNU GRUB Manual http://www.gnu.org/software/grub/
[21]Kual,Mayank,MohitNilay,Rahul.Real-Time Operating Systems
[22]Jim Huang.Approaches to Realtime Linux.http://jserv.sayya.org 2005,9
[23]KURT:http://www.kku.edu
[24]Alia Atlas,Azer Bestavros.Design and Implementation of Statistical Rate Monotonic Scheduling in KURT Linux
[25]RTLinux:http://www.fsmlabs.com
[26]http://www.rtlinux.org
[27]RTAI:http://www.rtai.org
[28]Kwei-Jay Lin,Chairman REDSonic.Inc RED-Linux:An Open Real-Time Operating System
[29]Linux常用C函数.日期时间篇http://unix-cd.com/unixcd 12/article_1400.html
[30]Linux程式设计.时间处理http://fanqiang.chinaunix.net/a4/b8/20010527/201001267.html
[31]郑莉、董渊著.C++语言程序设计.北京:清华大学出版社,2002年第2版
[32]李玉波、朱自强等著.Linux C编程.北京:清华大学出版社,2005年9月
[33]孙祥、徐流美、吴清著.MATLAB 7.0基础教程.北京:清华大学出版社,2005年
[34]Porting RTAI over Adeos
[35]Keith Shortridge,Anglo-Australian Observatory.A Guide to Install RTAI Linux.12thNov 2004
[36]Roberto Bucher,Simone Mannori,Thomas Netter.RTAI-Lab tutorial:Scilab,Comedi,and real-time control
[37]Daniel P.Bovet.How To Evaluate Hard Real-Time Systems.Firb Web Minds-Genova Nervi 2004,6
[38]Luca Abeni.Ashvin Goel.Charles Krasic.A Measure-based Analysis of the Real-Time Performance of Linux
[39]丘允阳.嵌入式GUI系统的研究与实现.电子科技大学硕士学位论文,2007年
[40]王孝平.嵌入式GUI性能评测.电子科技大学硕士学位论文,2007年
[41]Microwindows:http://microwindows.censofi.com/
[42]OpenGUI:http://www.tutok.sk/fastgl/
[43]Qt/Enbedded:http://www.trolltech.com/products/qt/embedded/
[44]周立功著.ARM嵌入式MiniGUI初步与应用开发范例.北京:北京航空航天出版社,2006年1月
[45]Minigui编程指南北京飞漫软件有限公司2003年
[46]Linux-2.4.26.tar.bz2:http://kemel.org
[47]周治钰.开发应用程序用户界面设计的基本原则.三峡大学学报,2004年
[48]张莹.应用程序用户界面的设计原则.微计算机信息.2002年第18卷第8期
[49]makefile manual:http://theory.uwinnipeg.ca/gnu/make/make_toc.html
[50]RTAIAPI:https://www.rtai.org/documentation/magma/html/api/
[2]铁路“十一五”规划铁道知识.2007年第1期
[3]世界高速铁路的发展概述.铁道经济研究.2006年第1期
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[12]Armand Marchesin.Using Linux for Real-Time Applications.IEEE SOFTWARE 2004
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[15]陈莉君著.Linux操作系统内核分析.北京:人民邮电出版社,2000年3月
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[17]杨延军.用Busybox制作嵌入式Linux的文件系统.单片机与嵌入式系统应用,2005年4月
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[25]RTLinux:http://www.fsmlabs.com
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[28]Kwei-Jay Lin,Chairman REDSonic.Inc RED-Linux:An Open Real-Time Operating System
[29]Linux常用C函数.日期时间篇http://unix-cd.com/unixcd 12/article_1400.html
[30]Linux程式设计.时间处理http://fanqiang.chinaunix.net/a4/b8/20010527/201001267.html
[31]郑莉、董渊著.C++语言程序设计.北京:清华大学出版社,2002年第2版
[32]李玉波、朱自强等著.Linux C编程.北京:清华大学出版社,2005年9月
[33]孙祥、徐流美、吴清著.MATLAB 7.0基础教程.北京:清华大学出版社,2005年
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[35]Keith Shortridge,Anglo-Australian Observatory.A Guide to Install RTAI Linux.12thNov 2004
[36]Roberto Bucher,Simone Mannori,Thomas Netter.RTAI-Lab tutorial:Scilab,Comedi,and real-time control
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[38]Luca Abeni.Ashvin Goel.Charles Krasic.A Measure-based Analysis of the Real-Time Performance of Linux
[39]丘允阳.嵌入式GUI系统的研究与实现.电子科技大学硕士学位论文,2007年
[40]王孝平.嵌入式GUI性能评测.电子科技大学硕士学位论文,2007年
[41]Microwindows:http://microwindows.censofi.com/
[42]OpenGUI:http://www.tutok.sk/fastgl/
[43]Qt/Enbedded:http://www.trolltech.com/products/qt/embedded/
[44]周立功著.ARM嵌入式MiniGUI初步与应用开发范例.北京:北京航空航天出版社,2006年1月
[45]Minigui编程指南北京飞漫软件有限公司2003年
[46]Linux-2.4.26.tar.bz2:http://kemel.org
[47]周治钰.开发应用程序用户界面设计的基本原则.三峡大学学报,2004年
[48]张莹.应用程序用户界面的设计原则.微计算机信息.2002年第18卷第8期
[49]makefile manual:http://theory.uwinnipeg.ca/gnu/make/make_toc.html
[50]RTAIAPI:https://www.rtai.org/documentation/magma/html/api/