機(jī)電專業(yè)畢業(yè)論文-- 基于arm的智能控制最小系統(tǒng)

1、<p>　　論文題目: 基于ARM的智能控制最小系統(tǒng) </p><p>　　專業(yè)班級(jí)： </p><p>　　姓名學(xué)號(hào)： </p><p>　　指導(dǎo)教師：

2、 </p><p>　　遞交日期： </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。嵌入式處理器的應(yīng)用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了通用處理器，幾乎在我們身邊的所有電子設(shè)備中都有嵌人式系統(tǒng)，嵌入式應(yīng)用的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了—個(gè)全新的時(shí)

3、期。在嵌入式應(yīng)用中，ARM微處理器深受廠家的歡迎。ARM微處理器將以其極好的性能和極低的功耗與高端的MIPS和PowerPC嵌入式微處理器抗衡?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在將來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，ARM微處理器仍將主宰32位嵌入式微處理器市場(chǎng)。因此學(xué)習(xí)和掌握ARM微處理器技術(shù)是非常必要的，而設(shè)計(jì)ARM微處理器最小系統(tǒng)是非常有意義的。</p><p>　　本文就基于ARM的智能控制最小系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。此次設(shè)計(jì)選用的芯片是LPC2378，利

4、用ARM新能高、能耗省、資源豐富具有較強(qiáng)的事務(wù)管理功能等特點(diǎn)，進(jìn)行了就最小系統(tǒng)的硬件和軟件的構(gòu)建。</p><p>　　硬件方面就最小系統(tǒng)方面進(jìn)行了電源模塊，復(fù)位電路模塊，JTAG電路模塊，存儲(chǔ)器模塊，時(shí)鐘電路模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)，此外就鍵盤(pán)和顯示屏進(jìn)行了補(bǔ)充設(shè)計(jì)。</p><p>　　軟件方面主要介紹了uC/OS-II。本文簡(jiǎn)單的介紹了uC/OS-II的概述和內(nèi)核分析。同時(shí)移植了uC/OS-I

5、I作為系統(tǒng)的軟件平臺(tái)，編寫(xiě)了啟動(dòng)與移植相關(guān)代碼。uC/OS-II作為開(kāi)源的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，擁有極為精簡(jiǎn)的內(nèi)核和出色的實(shí)時(shí)性與可靠性，作為控制單元的操作系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)任務(wù)進(jìn)行管理與調(diào)度，從軟件上保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。</p><p>　　關(guān)鍵詞：ARM微處理器；LPC2378；最小系統(tǒng)；嵌入式系統(tǒng)；uC/OS-II</p><p><b>　　Abstract</b&g

6、t;</p><p>　　With the development of computer technology, the embedded system has applied more and more widely. Embedded processor is used far more than the general processor, we can find them in electronic e

7、quipment almost all around us, the application of the embedded development has entered a new era. In embedded application, ARM microprocessor is welcomed by manufacturers. With its excellent performance and low consumpti

8、on the ARM microprocessor is contend with high MIPS processor and PowerPC embedded mi</p><p>　　This paper is designed the minimum intelligent control system based on the ARM. The design of the chip is the AR

9、M LPC2378, which has high energy consumption, new can provinces, rich resources has strong affairs management function characteristics, we designed the smallest system hardware and software construction.</p><p

10、>　　The Hardware design includes the power module, the reset circuit module, the JTAG circuit module, the memory module, the clock circuit module hardware design, and adds the keyboard and screen design.</p><

11、;p>　　Software mainly introduced the uC/OS-II. This paper simply introduces the summary of uC/OS-II and analysis of the kernel. While introduces the transplanting of uC/OS-II as the system software platform, write a s

12、tartup and transplantation code. UC/OS-II as a source of embedded real-time operating system, and has an extremely concise kernel and outstanding performance and reliability, as the control unit of operating system platf

13、orm and operation management of tasks, it assured the system stabili</p><p>　　Keywords: ARM microprocessor; LPC2378; Minimal systems; Embedded system; uC/OS – II</p><p><b>　　目 錄</b>

14、</p><p><b>　　摘 要</b></p><p><b>　　Abstract</b></p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題研究的背景1</p><p>　　1.2 目前主流的微處理器的簡(jiǎn)

15、介1</p><p>　　1.2.1單片機(jī)1</p><p>　　1.2.2 CPLD/FPGA2</p><p>　　1.2.3 DSP3</p><p>　　1.2.4 ARM3</p><p>　　1.2.5 MIPS4</p><p>　　1.2.6 PPC4</p&

16、gt;<p>　　1.3 ARM的特點(diǎn)5</p><p>　　1.4 研究的意義5</p><p>　　第二章 嵌入式系統(tǒng)7</p><p>　　2.1 嵌入式系統(tǒng)的定義、特點(diǎn)及組成7</p><p>　　2.1.1 嵌入式系統(tǒng)的定義7</p><p>　　2.1.2 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)7<

17、;/p><p>　　2.1.3 嵌入式系統(tǒng)的組成7</p><p>　　2.2 嵌入式操作系統(tǒng)的種類(lèi)9</p><p>　　2.3 嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用10</p><p>　　2.3.1 嵌入式操作系統(tǒng)10</p><p>　　2.3.2 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用11</p><p>　　2.

18、4 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)11</p><p>　　第三章 最小系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)13</p><p>　　3.1 最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及框圖13</p><p><b>　　3.2 電源13</b></p><p>　　3.3 時(shí)鐘單元14</p><p>　　3.3.1 內(nèi)部RC振蕩器14&l

19、t;/p><p>　　3.3.2 主振蕩器15</p><p>　　3.3.3 RTC振蕩器15</p><p>　　3.4 儲(chǔ)存單元15</p><p>　　3.4.1 片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器系統(tǒng)16</p><p>　　3.4.2 片內(nèi)靜態(tài)RAM16</p><p>　　3.4.3 外部

20、存儲(chǔ)器16</p><p>　　3.5 復(fù)位電路模塊17</p><p>　　3.6 JTAG電路模塊17</p><p>　　3.7 鍵盤(pán)和顯示器設(shè)計(jì)18</p><p>　　3.7.1 鍵盤(pán)18</p><p>　　3.7.2 圖形液晶20</p><p>　　第四章 最小系統(tǒng)的

21、軟件設(shè)計(jì)21</p><p>　　4.1 嵌入式操作系統(tǒng)與uC/OS-II21</p><p>　　4.1.1 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn)22</p><p>　　4.1.2 uC/OS-II概述24</p><p>　　4.2 uC/OS-II內(nèi)核分析26</p><p>　　4.2.1 uC/OS-II任務(wù)

22、27</p><p>　　4.2.2 uC/OS-II的任務(wù)調(diào)度與切換28</p><p>　　4.2.3 uC/OS-II的中斷與時(shí)鐘節(jié)拍28</p><p>　　4.3 uC/OS-II的移植29</p><p>　　4.3.1 uC/OS-II的體系結(jié)構(gòu)與移植準(zhǔn)備29</p><p>　　4.3.2 u

23、C/OS-II的移植內(nèi)容31</p><p>　　第五章 總結(jié)與展望38</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)40</b></p><p><b>　　致謝42</b></p><p><b>　　附錄43</b></p><p><b&

24、gt;　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1課題研究的背景</p><p>　　當(dāng)今社會(huì)，嵌入式系統(tǒng)高端發(fā)展迅速，ARM最小系統(tǒng)的研究對(duì)于高端技術(shù)的發(fā)展有著重要的意義。開(kāi)發(fā)提高ARM最小系統(tǒng)顯得尤為重要。它的性能好壞關(guān)系到高端開(kāi)發(fā)的很多性能。所以，做好最小系統(tǒng)的研究是對(duì)于ARM學(xué)習(xí)的第一步也是最重要的一步。</p><p>　　ARM主要是

25、ARM公司自1990年正式成立以來(lái)，在32位RISC（Reduced Instruction Set Computer）CPU開(kāi)發(fā)領(lǐng)域不斷取得突破，其結(jié)構(gòu)已經(jīng)從V3發(fā)展到V6。由于ARM公司自成立以來(lái)，直以IP（Intelligence Property）提供者的身份向各大半導(dǎo)體制造商出售知識(shí)產(chǎn)權(quán)，而自己從不介入芯片的生產(chǎn)銷(xiāo)售，加上其設(shè)計(jì)的芯核具有功耗低、成本低等顯著優(yōu)點(diǎn)，因此獲得眾多的半導(dǎo)體廠家和整機(jī)廠商的大力支持，在32位嵌入式應(yīng)用

26、領(lǐng)域獲得了巨大的成功，目前已經(jīng)占有75%以上32位RISC嵌入式產(chǎn)品市場(chǎng)。在低功耗、低成本的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域確立了市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)地位。</p><p>　　ARM的最小系統(tǒng)的研究現(xiàn)在還處在研究改進(jìn)階段。為了更好的為高端系統(tǒng)提供好的運(yùn)作平臺(tái)和良好性能功底，ARM最小系統(tǒng)還在更進(jìn)一步的完善中。ARM的各個(gè)型號(hào)也都在不斷的完善，力求做到最好。ARM芯片的種類(lèi)以及開(kāi)發(fā)研究也得到越來(lái)越多人的關(guān)注。目前非常流行的有ARM7TDMI，

27、StrongARM，ARM720T，ARM9TDMI，ARM922T，ARM940T，RM946T，ARM966T，ARM10TDMI等。此外，ARM芯片還獲得了許多實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（Real Time Operating System）供應(yīng)商的支持，比較知名的有：Windows CE、Linux、pSOS、VxWorks、Nucleus、EPOC、uCOS、BeOS等?，F(xiàn)在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)ARM芯片的國(guó)際大公司已經(jīng)超過(guò)50多家，我國(guó)中興通訊和華

28、為通訊等公司已經(jīng)購(gòu)買(mǎi)ARM公司芯核用于通訊專用芯片的設(shè)計(jì)[1]。</p><p>　　1.2目前主流的微處理器的簡(jiǎn)介</p><p><b>　　1.2.1單片機(jī)</b></p><p>　　（1）51系列單片機(jī)</p><p>　　51單片機(jī)目前已有多種型號(hào)，8031/8051/8751是Intel公司早期的產(chǎn)品，而

29、ATMEL公司的AT89C51、AT89S52則更實(shí)用。ATMEL公司的51系列還有AT89C2051、AT89C1051等品種，這些芯片是在AT89C51的基礎(chǔ)上將一些功能精簡(jiǎn)掉后形成的精簡(jiǎn)版。而市場(chǎng)上目前供貨比較足的芯片還要算ATMEL的51、52 芯片，HYUNDAI的GMS97 系列，WINBOND 的78e52，78e58，77e58 等。</p><p>　?。?）PIC系列單片機(jī)</p>

30、<p>　　在全球都可以看到PIC單片機(jī)從電腦的外設(shè)、家電控制、電訊通信、智能儀器、汽車(chē)電子到金融電子各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。PIC系列單片機(jī)又分：基本級(jí)系列，如PIC16C5X，適用于各種對(duì)成本要求嚴(yán)格的家電產(chǎn)品選用；中級(jí)系列，如PIC12C6XX，該級(jí)產(chǎn)品其性能很高，如內(nèi)部帶有A/D變換器、E2PROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、比較器輸出、PWM輸出、I2C和SPI等接口；PIC中級(jí)系列產(chǎn)品適用于各種高、中和低檔的電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中的高級(jí)

31、系列，如PIC17CXX 具有豐富的I/O控制功能，并可外接擴(kuò)展EPROM和RAM，適用于高、中檔的電子設(shè)備中使用。</p><p>　?。?）AVR系列單片機(jī)</p><p>　　AVR單片機(jī)是1997年由ATMEL公司研發(fā)出的增強(qiáng)型內(nèi)置Flash的RISC（Reduced Instruction Set CPU）精簡(jiǎn)指令集高速8位單片機(jī)。AVR的單片機(jī)可以廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)

32、實(shí)時(shí)控制、儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域[2]。</p><p>　　1.2.2 CPLD/FPGA</p><p>　　CPLD（Complex Programmable Logic Device）復(fù)雜可編程邏輯器件，是從PAL和GAL器件發(fā)展出來(lái)的器件，相對(duì)而言規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于大規(guī)模集成電路范圍。是一種用戶根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。其基本設(shè)計(jì)方法是借助

33、集成開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)，用原理圖、硬件描述語(yǔ)言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過(guò)下載電纜（“在系統(tǒng)”編程）將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)。</p><p>　　許多公司如今都開(kāi)發(fā)出了CPLD可編程邏輯器件。比較典型的就是Altera、Lattice、Xilinx世界三大權(quán)威公司的產(chǎn)品，這里給出常用芯片：Altera EPM7128S（PLCC84）、Lattice LC4128V（TQFP100）、Xilin

34、x XC95108 （PLCC84）[3]。</p><p>　　FPGA是英文Field－Programmable Gate Array的縮寫(xiě)，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。</p><p>　　目前F

35、PGA的品種很多，有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等[4]。</p><p><b>　　1.2.3 DSP</b></p><p>　　DSP（digital signal processor）是一種獨(dú)特的微處理器，是以數(shù)字信號(hào)來(lái)處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號(hào)，再對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行修改、

36、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬(wàn)條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是最值得稱道的兩大特色。</p><p>　　目前主流的DSP芯片主要有TI公司的TI 2000系列、TI 5000系列、TI6000系列以及ADI公司的ADI DSP系列[5]。&

37、lt;/p><p><b>　　1.2.4 ARM</b></p><p>　　ARM 即Advanced RISC Machines的縮寫(xiě)是對(duì)一類(lèi)微處理器的通稱。ARM同時(shí)還是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設(shè)計(jì)了大量高性能、廉價(jià)、耗能低的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。技術(shù)具有性能高、成本低和能耗省的特點(diǎn)。適用于多種領(lǐng)域，比如嵌入控制、消費(fèi)/教育類(lèi)多媒體、DSP和移動(dòng)式應(yīng)

38、用等[6]。</p><p>　　目前ARM的主流分以下幾類(lèi)：</p><p>　　ARM7TDMI 應(yīng)用于Game Boy Advance，Nintendo DS，iPod；</p><p>　　ARM9TDMI Armadillo，GP32，GP2X，Tapwave Zodiac（Motorola i. MX1）；</p><p>　　A

39、RM9E Nintendo DS，Nokia N-GageConexant 802.11 chips；</p><p>　　STMicroSTR91xF，ARM11 Nokia N93，Zune，Nokia N800，NOKIA E72Cortex Texas Instruments OMAP3； Broadcom is a user；Luminary Micro[3] 微控制器家族。</p>&l

40、t;p>　　1.2.5 MIPS</p><p>　　MIPS是世界上很流行的一種RISC處理器。MIPS的意思是“無(wú)內(nèi)部互鎖流水級(jí)的微處理器”（Microprocessor without interlocked piped stages），其機(jī)制是盡量利用軟件辦法避免流水線中的數(shù)據(jù)相關(guān)問(wèn)題。</p><p>　　MIPS最早是在80年代初期由斯坦福大學(xué)Hennessy教授領(lǐng)導(dǎo)的研

41、究小組研制出來(lái)的。MIPS公司的R系列就是在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的RISC工業(yè)產(chǎn)品的微處理器。這些系列產(chǎn)品為很多計(jì)算機(jī)公司采用構(gòu)成各種工作站和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。</p><p>　　2000年，MIPS公司發(fā)布了針對(duì)MIPS32 4Kc的版本以及64位MIPS 64 20Kc處理器內(nèi)核。</p><p>　　MIPS324KcT處理器是采用MIPS技術(shù)特定為片上系統(tǒng)（System-On-a-Chip）而

42、設(shè)計(jì)的高性能、低電壓 32位MIPS RISC 內(nèi)核。</p><p>　　MIPS 64 20Kc的浮點(diǎn)能力強(qiáng)，可以組成不同的系統(tǒng)，從一個(gè)處理器的Octane工作站到64個(gè)處理器的Origin 2000服務(wù)器；這種CPU更適合圖形工作站使用。MIPS最新的R12000芯片已經(jīng)在SGI的服務(wù)器中得到應(yīng)用，目前其主頻最大可達(dá)400MHz。</p><p><b>　　1.2.6 P

43、PC</b></p><p>　　PowerPC 是一種精簡(jiǎn)指令集（RISC）架構(gòu)的中央處理器（CPU），其基本的設(shè)計(jì)源自IBM（國(guó)際商用機(jī)器公司）的POWER（Performance Optimized With Enhanced） RISC；《IBM Connect 電子報(bào)》2007年8月號(hào)譯為“增強(qiáng)RISC性能優(yōu)化”架構(gòu)。二十世紀(jì)九十年代，IBM（國(guó)際商用機(jī)器公司）、Apple（蘋(píng)果公司）和Mo

44、torola（摩托羅拉）公司開(kāi)發(fā)PowerPC芯片成功，并制造出基于PowerPC的多處理器計(jì)算機(jī)。PowerPC架構(gòu)的特點(diǎn)是可伸縮性好、方便靈活。</p><p>　　PowerPC 處理器有非常強(qiáng)的嵌入式表現(xiàn)，因?yàn)樗哂袃?yōu)異的性能、較低的能量損耗以及較低的散熱量。除了象串行和以太網(wǎng)控制器那樣的集成 I/O，該嵌入式處理器與“臺(tái)式機(jī)”CPU 存在非常顯著的區(qū)別。例如，4xx 系列 PowerPC 處理器缺乏浮點(diǎn)

45、運(yùn)算，并且還使用一個(gè)受軟件控制的 TLB 進(jìn)行內(nèi)存管理，而不是象臺(tái)式機(jī)芯片中那樣采用反轉(zhuǎn)頁(yè)表[7]。</p><p>　　1.3 ARM的特點(diǎn)</p><p>　　ARM公司于1990年11月在英國(guó)劍橋成立，是專門(mén)從事基于RISC技術(shù)芯片設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的公司。作為嵌入式RISC處理器的知識(shí)產(chǎn)權(quán)IP供應(yīng)商，本身不直接從事芯片生產(chǎn)，靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計(jì)許可由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯片，世界各大半導(dǎo)體生產(chǎn)商從A

46、RM公司購(gòu)買(mǎi)其設(shè)計(jì)的ARM微處理器核，根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，在處理器核的基礎(chǔ)上進(jìn)行再設(shè)計(jì)，嵌入各種外圍和處理部件，從而形成自己的ARM微處理器芯片進(jìn)入市場(chǎng)。目前，全世界有幾十家大的半導(dǎo)體公司都使用ARM公司的授權(quán)，如ATMEL、Philips、Intel、Sansung、Sharp等，因此既使得ARM技術(shù)獲得更多的第三方工具、制造、軟件的支持，又使整個(gè)系統(tǒng)成本降低，使產(chǎn)品更容易進(jìn)入市場(chǎng)被消費(fèi)者所接受，更具有競(jìng)爭(zhēng)力。</p>

47、<p>　　ARM處理器的三大特點(diǎn)是：耗電少功能強(qiáng)、16位/32位雙指令集和眾多合作伙伴。ARM商品模式的強(qiáng)大之處在于它在世界范圍有超過(guò)100個(gè)的合作伙伴。ARM是設(shè)計(jì)公司，本身不生產(chǎn)芯片。采用轉(zhuǎn)讓許可證制度，由合作伙伴生產(chǎn)芯片。</p><p>　　當(dāng)前ARM體系結(jié)構(gòu)的擴(kuò)充包括：Thumb 16位指令集，為了改善代碼密度；DSP DSP應(yīng)用的算術(shù)運(yùn)算指令集；Jazeller允許直接執(zhí)行Java字節(jié)

48、碼。</p><p>　　ARM處理器系列提供的解決方案有：無(wú)線、消費(fèi)類(lèi)電子和圖像應(yīng)用的開(kāi)放平臺(tái)；存儲(chǔ)、自動(dòng)化、工業(yè)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)；智能卡和SIM卡的安全應(yīng)用。</p><p>　　ARM處理器本身是32位設(shè)計(jì)，但也配備16位指令集。一般來(lái)講存儲(chǔ)器比等價(jià)32位代碼節(jié)省達(dá)35％，然而保留了32位系統(tǒng)的所有優(yōu)勢(shì)[8]。</p><p><b>　　

49、1.4研究的意義</b></p><p>　　ARM（Advanced RISC Machines）是基于RSIC架構(gòu)數(shù)據(jù)寬為32位可嵌入操作系統(tǒng)的微處理器。該微處理器以其低功耗、高性能和低成本等優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、PDA、移動(dòng)通信、路由器等領(lǐng)域。利用ARM新能高、能耗省、資源豐富具有較強(qiáng)的事務(wù)管理功能等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)應(yīng)用于智能控制系統(tǒng)的ARM最小系統(tǒng)模塊進(jìn)行系統(tǒng)通信、后臺(tái)管理、界面顯示、等功能，可以

50、運(yùn)行操作系統(tǒng)等應(yīng)用程序。隨著嵌入式相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的功能越來(lái)越強(qiáng)大，應(yīng)用接口更加豐富，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要設(shè)計(jì)出特定的嵌入式最小系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)，是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。</p><p><b>　　第二章 嵌入式系統(tǒng)</b></p><p>　　嵌入式系統(tǒng)是不同于常見(jiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它不以獨(dú)立設(shè)備的物理形態(tài)出現(xiàn)，即它沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的外觀，它的部件

51、根據(jù)主體設(shè)備以及應(yīng)用的需要嵌入在設(shè)備的內(nèi)部，發(fā)揮著運(yùn)算、處理、存儲(chǔ)以及控制的作用。從體系結(jié)構(gòu)上看，嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、支撐硬件和嵌入式軟件組成。其中嵌入式處理器通常是單片機(jī)或微處理器；支撐硬件主要包括存儲(chǔ)介質(zhì)、通信部件和顯示部件等；嵌入式軟件則包括支撐硬件的驅(qū)動(dòng)程序、操作系統(tǒng)、支撐軟件以及應(yīng)用中間件等[9]。</p><p>　　2.1嵌入式系統(tǒng)的定義、特點(diǎn)及組成</p><p>

52、;　　2.1.1嵌入式系統(tǒng)的定義</p><p>　　嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件均可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。高實(shí)時(shí)性使嵌入式系統(tǒng)的基本要求，其次，還要求代碼盡可能的小，運(yùn)行速度盡可能的快，可靠性盡可能高。嵌入式系統(tǒng)試將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)和各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式

53、操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序四個(gè)部分組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。嵌入式系統(tǒng)的硬件是嵌入式系統(tǒng)軟件環(huán)境運(yùn)行的基礎(chǔ)，它提供了嵌入式系統(tǒng)軟件運(yùn)行的物理平臺(tái)和通信接口；嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式軟件則是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，提供人機(jī)交互的信息等。整個(gè)嵌入式系統(tǒng)所應(yīng)用的軟硬件技術(shù)統(tǒng)稱為嵌入式技術(shù)[1]。</p><p>　　2.1.2嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)</p><p>

54、;　　嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物。概括起來(lái)，嵌入式系統(tǒng)有以下幾個(gè)特點(diǎn)。</p><p>　?。?）嵌入式系統(tǒng)無(wú)所不在</p><p>　　嵌入式技術(shù)廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、通訊、儀器、儀表、汽車(chē)、船舶、航空、航天、軍事、消費(fèi)等各個(gè)領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)幾乎存在于我們周?chē)鞣N電器設(shè)備中，在數(shù)量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了各種通用計(jì)算機(jī)。</p>

55、<p>　?。?）嵌入式系統(tǒng)是完成專用功能的最小系統(tǒng)</p><p>　　嵌入式系統(tǒng)不僅和通常PC機(jī)上的應(yīng)用系統(tǒng)不同，就是針對(duì)不同的具體應(yīng)用而設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)之間差別也很大。嵌入式系統(tǒng)一般功能單一，用來(lái)完成某種具體應(yīng)用，在兼容性方面要求不高；但在功耗、成本、體積方面限制較多，要求硬件、軟件都要發(fā)揮最高效率，可靠性高，力爭(zhēng)以最小系統(tǒng)達(dá)到最高性能。</p><p>　?。?）嵌入式

56、系統(tǒng)對(duì)軟件的要求</p><p>　　由于嵌入式產(chǎn)品要求體積小、成本低，一般不具有硬盤(pán)等大容量存儲(chǔ)設(shè)備，嵌入式系統(tǒng)軟件一般固化在容量較小的Flash存儲(chǔ)器中。這就要求軟件代碼具有較高的質(zhì)量和可靠性，有的系統(tǒng)還要求軟件具有實(shí)時(shí)處理能力。</p><p>　?。?）嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境和開(kāi)發(fā)工具</p><p>　　由于嵌入式系統(tǒng)自身沒(méi)有足夠的資源，不具備自主開(kāi)發(fā)能力，

57、所以一般嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)模式是作為目標(biāo)機(jī)的嵌入式系統(tǒng)與作為宿主機(jī)的主機(jī)相連接，構(gòu)成交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境。另外，還需要編譯器、鏈接器等作為開(kāi)發(fā)工具[10]。</p><p>　　2.1.3 嵌入式系統(tǒng)的組成</p><p>　　既然嵌入式系統(tǒng)也是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，那么必須有硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。</p><p>　　其硬件不可避免地必須有三大部分組成，那就是中央處理器（CPU）、

58、存儲(chǔ)器以及輸入/輸出手段。它要求軟硬件結(jié)合，并融為一體而成為產(chǎn)品。芯片加軟件就成為產(chǎn)品但要有相應(yīng)的開(kāi)發(fā)工具輔助進(jìn)行開(kāi)發(fā)。</p><p>　　嵌入式系統(tǒng)是面向應(yīng)用、面向產(chǎn)品的（與桌面計(jì)算機(jī)PC不同）、因此成本因素是非常關(guān)鍵、它決定了下面的諸多選擇。</p><p><b>　?。?）硬件系統(tǒng)</b></p><p>　　據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界嵌入

59、式處理器已經(jīng)超過(guò)1000種，流行的體系結(jié)構(gòu)有30多個(gè)系列。在手機(jī)、PDA行業(yè)，大部分采用ARM核結(jié)構(gòu)為主。把嵌入式計(jì)算機(jī)分為下面幾類(lèi)：嵌入式微處理器EMPU、嵌入式微控制器MCU、嵌入式DSP處理器EDSP和嵌入式片上系統(tǒng)SOC。嵌入式處理器體系結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了從CISC到RISC和Compact ISC的轉(zhuǎn)變，常有的體系結(jié)構(gòu)有：X86、ARM、MIPS及PowerPC等。其它外設(shè)有液晶屏、觸摸屏、鍵盤(pán)控制、串行口、并口、網(wǎng)口、A/D和PCI

60、總線等。</p><p><b>　?。?）軟件系統(tǒng)</b></p><p>　　嵌入式系統(tǒng)是現(xiàn)代多學(xué)科相互融合的產(chǎn)物，它以應(yīng)用技術(shù)產(chǎn)品為核心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，是適應(yīng)應(yīng)用環(huán)境的產(chǎn)品。嵌入式系統(tǒng)無(wú)多余軟件并且軟件一般固化在ROM或FLAH芯片上，硬件也無(wú)多余RAM存儲(chǔ)容量，具有要求系統(tǒng)運(yùn)行可靠性高、成本低、體積小和功耗少等特點(diǎn)。在嵌入式系統(tǒng)中，采用OS的嵌入式系統(tǒng)一

61、般都是任務(wù)相對(duì)復(fù)雜，CPU數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為16/32/64位的高檔微控制器，有實(shí)時(shí)性要求。而4/8/16位的單片機(jī)系統(tǒng)，一般均無(wú)OS要求，控制和編程相對(duì)簡(jiǎn)單[11]。</p><p>　　2.2嵌入式操作系統(tǒng)的種類(lèi)</p><p>　　嵌入式操作系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用對(duì)象不同，大體分成下列幾類(lèi)：</p><p>　?。?）基于Windows兼容的：嵌入式Linux、WindowsC

62、E、EPOC等；</p><p>　　（2）工業(yè)與通信類(lèi)：VxWorks、PSON、QNX、VRTX、Neculeus等；</p><p>　?。?）單片機(jī)類(lèi)：iRMX、CMX、MC/OS等；</p><p>　?。?）面向Intenet類(lèi)：Palm OS、Visor、Hopem、PPSM等。</p><p>　　從操作系統(tǒng)的本身特性來(lái)說(shuō)，嵌

63、入式操作系統(tǒng)可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是面向控制、通信等領(lǐng)域的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，如WinDrive公司的VxWorks、ISI的pSOS、QNX系統(tǒng)軟件公司的QNX、ATI的Neculeus等；另一類(lèi)是面向消費(fèi)電子產(chǎn)品的非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，這類(lèi)產(chǎn)品包括個(gè)人數(shù)字助理、移動(dòng)電話、機(jī)頂盒、電子書(shū)、WebPhone等。這里重點(diǎn)介紹一下工業(yè)控制領(lǐng)域常用的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[12]。</p><p>　　實(shí)時(shí)系統(tǒng)是指能在確定的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行其功能并對(duì)

64、外部的異步事件做出響應(yīng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其操作的正確性不僅依賴于邏輯設(shè)計(jì)的正確程度，而且與操作進(jìn)行的時(shí)間有關(guān)?！霸诖_定的時(shí)間內(nèi)”是該定義的核心。也就是說(shuō)，實(shí)時(shí)系統(tǒng)是對(duì)響應(yīng)時(shí)間有嚴(yán)格要求的。在這些場(chǎng)合，如果邏輯和時(shí)序出現(xiàn)偏差將會(huì)引起嚴(yán)重后果。</p><p>　　實(shí)時(shí)系統(tǒng)有兩種類(lèi)型：軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)和硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)。軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)僅要求事件響應(yīng)是實(shí)時(shí)的，并不要求限定某一任務(wù)必須在多長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)完成；而在硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，不僅要求任務(wù)響應(yīng)要實(shí)

65、時(shí)，而且要求在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成事件的處理。通常，大多數(shù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)是兩者的結(jié)合。</p><p>　　實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可分為可搶占型和不可搶占型兩類(lèi)。</p><p>　　對(duì)于基于優(yōu)先級(jí)的系統(tǒng)而言，可搶占型實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是指內(nèi)核可以搶占正在運(yùn)行任務(wù)的CPU使用權(quán)并將使用權(quán)交給進(jìn)入就緒態(tài)的優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)。不可搶占型實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)使用某種算法并決定讓某個(gè)任務(wù)運(yùn)行后，就把CPU的控制權(quán)完全交給了該任務(wù)，直

66、到它主動(dòng)將CPU控制權(quán)還回來(lái)。</p><p>　　實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)主要用于對(duì)系統(tǒng)時(shí)間由嚴(yán)格要求的場(chǎng)合，如航空航天以及對(duì)時(shí)間有嚴(yán)格要求的工業(yè)控制場(chǎng)所。一般家用和消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品，對(duì)實(shí)時(shí)性的要求一般不高，可以采用非實(shí)時(shí)性的操作系統(tǒng)[13]。</p><p>　　2.3嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用</p><p>　　2.3.1嵌入式操作系統(tǒng)</p><p>　　

67、嵌入式操作系統(tǒng)完成系統(tǒng)初始化以及嵌入式應(yīng)用的任務(wù)調(diào)度和控制等核心功能。具有內(nèi)核較精簡(jiǎn)、可配置、與高層應(yīng)用緊密關(guān)聯(lián)等特點(diǎn)。嵌入式操作系統(tǒng)具有相對(duì)不變性。嵌入式操作系統(tǒng)具有一下特點(diǎn)。</p><p><b>　?。?）體積小</b></p><p>　　嵌入式系統(tǒng)有別于一般的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，它不具備像硬盤(pán)那樣大容量的存儲(chǔ)介質(zhì)，而大多使用閃存（Flash Memory）作為

68、存儲(chǔ)介質(zhì)。這就要求嵌入式系統(tǒng)只能運(yùn)行在有限的內(nèi)存中，不能使用虛擬內(nèi)存，中斷的使用也受到限制。因此，嵌入式操作系統(tǒng)必須結(jié)構(gòu)緊湊，體積微小。</p><p><b>　?。?）實(shí)時(shí)性</b></p><p>　　大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都是實(shí)時(shí)系統(tǒng)，而且多是強(qiáng)實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)，要求相應(yīng)的嵌入式操作系統(tǒng)也必須是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為操作系統(tǒng)的一個(gè)重要分支已成為研究

69、的一個(gè)熱點(diǎn)，主要探討實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度算法和可調(diào)度性、死鎖解除等問(wèn)題。</p><p>　　（3）特殊的開(kāi)發(fā)調(diào)試環(huán)境</p><p>　　提供完整的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境是每一個(gè)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員所期待的。一個(gè)完整的嵌入式系統(tǒng)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境一般需要提供的工具是編譯/連接器、內(nèi)核調(diào)試/跟蹤器和集成圖形界面開(kāi)發(fā)平臺(tái)。其中的集成圖形界面開(kāi)發(fā)平臺(tái)包括編輯器、調(diào)試器、軟件仿真器和監(jiān)視器等[14]。</p&g

70、t;<p>　　2.3.2嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用</p><p>　　嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用是以嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)的搭建、嵌入式操作系統(tǒng)的成功移植和運(yùn)行為前提的，這一部分運(yùn)行于嵌入式操作系統(tǒng)之上，完成特定的功能或利用操作系統(tǒng)提供的機(jī)制完成特定功能的嵌入式應(yīng)用。不同的系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)不同的嵌入式應(yīng)用程序。</p><p>　　如何簡(jiǎn)潔有效地使嵌入式系統(tǒng)能夠應(yīng)用于各種不同的應(yīng)用環(huán)境，是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展

71、中所必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。經(jīng)過(guò)不斷地發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)原有的3層結(jié)構(gòu)逐步演化成為一種4層結(jié)構(gòu)。這個(gè)新增加的中間層次叫硬件抽象層，有時(shí)也叫板級(jí)支持包，是一個(gè)介于硬件于軟件之間的中間層次。硬件抽象層通過(guò)特定的上層接口與操作系統(tǒng)進(jìn)行交互，向操作系統(tǒng)硬件直接操作。硬件抽象層的引入大大推動(dòng)了嵌入式操作系統(tǒng)的通用化[15]。</p><p>　　2.4 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　?。?）提

72、供強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)</p><p>　　為適應(yīng)嵌入式分布處理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用上網(wǎng)需求，面向21世紀(jì)的嵌入式系統(tǒng)要求配備標(biāo)準(zhǔn)的一種或多種網(wǎng)絡(luò)通信接口。針對(duì)外部聯(lián)網(wǎng)要求，嵌入設(shè)備必需配有通信接口，相應(yīng)需要TCP/IP協(xié)議簇軟件支持；由于家用電器相互關(guān)聯(lián)（如防盜報(bào)警、燈光能源控制、影視設(shè)備和信息終端交換信息）及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)儀器的協(xié)調(diào)工作等要求，新一代嵌入式設(shè)備還需具備IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通

73、信接口，同時(shí)也需要提供相應(yīng)的通信組網(wǎng)協(xié)議軟件和物理層驅(qū)動(dòng)軟件。為了支持應(yīng)用軟件的特定編程模式，如Web或無(wú)線Web編程模式，還需要相應(yīng)的瀏覽器，如HTML、WML等。</p><p>　?。?）小型化、低成本、低功耗</p><p>　　為滿足這種特性，要求嵌入式產(chǎn)品設(shè)計(jì)者相應(yīng)降低處理器的性能，限制內(nèi)存容量和復(fù)用接口芯片。這就相應(yīng)提高了對(duì)嵌入式軟件設(shè)計(jì)技術(shù)要求。如，選用最佳的編程模型和不斷

74、改進(jìn)算法，采用Java編程模式，優(yōu)化編譯器性能。因此，既要軟件人員有豐富經(jīng)驗(yàn)，更需要發(fā)展先進(jìn)嵌入式軟件技術(shù)，如Java、Web或WAP等。</p><p>　?。?）人性化的人機(jī)界面</p><p>　　嵌入式設(shè)備之所以為億萬(wàn)用戶樂(lè)于接受，重要因素之一是它們與使用者之間的親和力，自然的人機(jī)交互界面，如司機(jī)操縱高度自動(dòng)化的汽車(chē)主要還是通過(guò)習(xí)慣的方向盤(pán)、腳踏板和操縱桿。人們與信息終端交互要求以

75、GUI屏幕為中心的多媒體界面。手寫(xiě)文字輸入、語(yǔ)音撥號(hào)上網(wǎng)、收發(fā)電子郵件以及彩色圖形、圖像已取得初步成效。目前一些先進(jìn)的PDA在顯示屏幕上已實(shí)現(xiàn)漢字寫(xiě)入、短消息語(yǔ)音發(fā)布，但離掌式語(yǔ)言同步聲翻譯還有很大距離。</p><p>　?。?）完善的開(kāi)發(fā)平臺(tái)</p><p>　　隨著因特網(wǎng)技術(shù)的成熟、帶寬的提高，ICP和ASP在網(wǎng)上提供的信息內(nèi)容日趨豐富、應(yīng)用項(xiàng)目多種多樣，像電話手機(jī)、電話座機(jī)及電冰箱

76、、微波爐等嵌入式電子設(shè)備的功能不再單一，電氣結(jié)構(gòu)也更為復(fù)雜。為了滿足應(yīng)用功能的升級(jí)，設(shè)計(jì)師們一方面采用更強(qiáng)大的嵌入式處理器如32位、64位RISC芯片或信號(hào)處理器DSP增強(qiáng)處理能力；同時(shí)還采用實(shí)時(shí)多任務(wù)編程技術(shù)和交叉開(kāi)發(fā)工具技術(shù)來(lái)控制功能復(fù)雜性，簡(jiǎn)化應(yīng)用程序設(shè)計(jì)、保障軟件質(zhì)量和縮短開(kāi)發(fā)周期[16]。</p><p>　　第三章 最小系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及框

77、圖</p><p>　　最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1 最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p><b>　　3.2電源</b></p><p>　　電源為整個(gè)系統(tǒng)提供能量，是嵌入式系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)。LPC2378芯片的工作電壓為3.3V或5V，同時(shí)系統(tǒng)對(duì)電源質(zhì)量的要求較高，而其功率消耗不是很大，

78、所以不宜選擇開(kāi)關(guān)電源，而選擇低壓模擬電源。故選用電源電壓調(diào)節(jié)器為L(zhǎng)M2576。 LM2576是降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，LM2576具有非常小的電壓調(diào)整率和電流調(diào)整率，LM2576具有3A 的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，LM2576能夠輸出3.3V、5V、12V、15V 的固定電壓和電壓可調(diào)節(jié)的可調(diào)電壓輸出方式。LM2576 可以高效的取代一般的三端線性穩(wěn)壓器，LM2576能夠充分的減小散熱片的面積， LM2576在一些應(yīng)用條件下甚至可以不使用散

79、熱片。在規(guī)定的輸入電壓和輸出負(fù)載的條件下，LM2576 輸出電壓的誤差范圍為±4％；振蕩器的振蕩頻率誤差范圍為±10％；典型的待機(jī)電流為50μA，芯片內(nèi)置過(guò)流保護(hù)電路和過(guò)熱保護(hù)電路。電源電路原理圖如圖3-2所示[17]。</p><p>　　圖3-2 電源電路原理圖</p><p>　　然后是對(duì)模擬電源器件的選擇。這次選擇的是Sipex半導(dǎo)體SPX1117。SPX11

80、17的性價(jià)比比較高，具有很好的可擴(kuò)展性，可與許多產(chǎn)品直接連接。SPX1117為一個(gè)低功耗正向電壓調(diào)節(jié)器，可以用在一些高效率、小封裝的低功耗設(shè)計(jì)中。當(dāng)輸出電流減少時(shí)，靜態(tài)電流隨負(fù)載變化，并提高效率。同時(shí)使用10uF的輸出電容來(lái)保證穩(wěn)定性。</p><p>　　SPX1117具有以下特點(diǎn)：0.8A穩(wěn)定輸出電流；1A穩(wěn)定峰值電流；3端可調(diào)節(jié)（電壓可選：1.5V，1.8V，2.5V，2.85V，3.0V，3.3V及5V）

81、；低靜態(tài)電流；0.8A時(shí)低壓差為1.1V；0.1%線性調(diào)整率/0.2%負(fù)載調(diào)整率；2.2uF陶瓷電容即可保持穩(wěn)定；過(guò)流及溫度保護(hù)；多封裝：SOT-223，TO-252，TO-220及TO-263（現(xiàn)已提供無(wú)鉛封裝）。</p><p>　　模塊圖如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 SPX1117模塊圖</p><p><b>　　3.3時(shí)鐘單元

82、</b></p><p>　　LPC2300包括3個(gè)獨(dú)立的振蕩器，它們分別為主振蕩器、內(nèi)部RC振蕩器和 RTC振蕩器。每個(gè)振蕩器可根據(jù)特定的應(yīng)用要求，在多種用途中使用。 </p><p>　　3.3.1內(nèi)部RC振蕩器 </p><p>　　內(nèi)部RC振蕩器（IRC）可以用作看門(mén)狗定時(shí)器的時(shí)鐘源，和/或用作驅(qū)動(dòng)PLL以及CPU的時(shí)鐘。IRC的精度不允許使用U

83、SB接口（USB 接口需要一個(gè)更精確的時(shí)間基準(zhǔn)），標(biāo)稱的IRC頻率為4MHz。 在上電或任何芯片復(fù)位時(shí)，LPC2300 使用IRC作為時(shí)鐘源。軟件以后可切換為另一種可用的時(shí)鐘源。 </p><p>　　3.3.2主振蕩器 </p><p>　　主振蕩器可以在使用或不使用PLL的情況下用作CPU的時(shí)鐘源。主振蕩器在1MHz～24MHz的頻率下操作。該頻率可通過(guò)PLL來(lái)提高，其值可高達(dá)CPU操

84、作頻率的最大值。振蕩器輸出稱為OSCCLK。PLLCLKIN選擇用作PLL輸入的時(shí)鐘，為了便于頻率等式的書(shū)寫(xiě)及本文檔的描述，ARM處理器時(shí)鐘頻率稱為CCLK。</p><p>　　3.3.3 RTC振蕩器 </p><p>　　RTC振蕩器可用作RTC，和/或看門(mén)狗定時(shí)器的時(shí)鐘源。同時(shí)，RTC振蕩器也可用于驅(qū)動(dòng)PLL和CPU。 </p><p>　　此次系統(tǒng)同時(shí)采用

85、有源晶振和無(wú)源晶振。無(wú)源晶振我們選用XO53-NEGTC-12M。</p><p>　　XO53-NEGTC-12M的特點(diǎn)：頻率溫度穩(wěn)定度±10×10－6Max；可選三態(tài)控制功能；TTL/HCOMS兼容；體積小；盤(pán)帶包裝[18]。</p><p>　　時(shí)鐘單元電路如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-4 時(shí)鐘單元電路原理圖</p&g

86、t;<p><b>　　3.4儲(chǔ)存單元</b></p><p>　　3.4.1片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器系統(tǒng)</p><p>　　LPC2378包含了一個(gè)高達(dá)512kB的Flash存儲(chǔ)器系統(tǒng)，該存儲(chǔ)器可用于代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。Flash存儲(chǔ)器編程可以通過(guò)幾種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。可以通過(guò)串行端口進(jìn)行在系統(tǒng)編程。當(dāng)正在運(yùn)行時(shí)，應(yīng)用程序可以對(duì)Flash進(jìn)行擦除和/或編程，從而為

87、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和現(xiàn)場(chǎng)固件升級(jí)等帶來(lái)了極大的靈活性。Flash為128位寬，并且?guī)в蓄A(yù)取指和緩沖技術(shù)，使器件可以在SRAM的速率下工作。</p><p>　　3.4.2片內(nèi)靜態(tài)RAM </p><p>　　LPC2378包含了一個(gè)32kB大小的靜態(tài)RAM存儲(chǔ)器，可用于代碼和/或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。SRAM控制器包含一個(gè)回寫(xiě)緩沖區(qū)，它用于防止CPU在連續(xù)的寫(xiě)操作時(shí)停止運(yùn)行?；貙?xiě)緩沖區(qū)總是保存著軟件發(fā)送到SRA

88、M的最后數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)只有在軟件執(zhí)行另外一次寫(xiě)操作時(shí)被寫(xiě)入SRAM。在一次“熱”芯片復(fù)位后，SRAM不會(huì)反映最后一次寫(xiě)入的內(nèi)容。通過(guò)對(duì)一個(gè)單元執(zhí)行兩次相同的寫(xiě)操作可保證復(fù)位后數(shù)據(jù)的寫(xiě)入?；蛘撸部赏ㄟ^(guò)在進(jìn)入空閑或掉電模式前執(zhí)行虛寫(xiě)（dummy write）操作來(lái)保證最后的數(shù)據(jù)在復(fù)位后被寫(xiě)入到SRAM。</p><p>　　3.4.3外部存儲(chǔ)器</p><p>　　此次設(shè)計(jì)我們選用的外部存儲(chǔ)器是

89、由SST公司生產(chǎn)的SST25VF016B。它屬于串行Flash。串行Flash是用串行接口進(jìn)行連續(xù)數(shù)據(jù)存取的小尺寸、低功耗的flash memory。串行flash使用比并行flash更少的連線在一個(gè)系統(tǒng)中傳送數(shù)據(jù)。對(duì)于引腳數(shù)目少的串行flash來(lái)講它的優(yōu)勢(shì)是減少了系統(tǒng)板的空間、功耗和成本。對(duì)于容量在512Kbit到16Mbit的25系列串行flash來(lái)講，它具有SPI接口和與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行EEPROM器件引腳對(duì)引腳硬件兼容的特點(diǎn)

90、。</p><p>　　SST25VF016B的重要特征如下：操作電壓：2.7-3.6V或者3.0-3.6V讀和寫(xiě)操作；4線串行接口結(jié)構(gòu)；具有wrap-around特點(diǎn)的連續(xù)字節(jié)讀操作；低功耗：7mA（典型）；待機(jī)：8uA（典型）；靈活的擦除能力：4KByte統(tǒng)一Sector-Erase；32Kbyte或者64Kbyte Block-Erase或者Chip- Erase能力；字節(jié)編程：14us（典型）；最大操作時(shí)

91、鐘頻率可達(dá)50MHz；對(duì)于快速計(jì)算有自動(dòng)地址累加（AAI）編程；通過(guò)WP#引腳可實(shí)現(xiàn)硬件寫(xiě)保護(hù)[19]。</p><p>　　SST25VF016B與LPC2378的連接圖如圖3-5所示。</p><p>　　圖3-5 SST25VF016B與LPC2378的連接圖</p><p><b>　　3.5復(fù)位電路模塊</b></p>

92、<p>　　該電路主要完成系統(tǒng)的上電復(fù)位和系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)用戶的按鍵復(fù)位功能，有助于用戶調(diào)試程序。此處選用Sipex公司生產(chǎn)的SP706TEN型復(fù)位電路，它的工作電壓為3.3V，具有1個(gè)手動(dòng)復(fù)位輸入引腳和2個(gè)復(fù)位輸出引腳（高電平有效引腳和低電平有效引腳各1個(gè)），可以滿足不同復(fù)位信號(hào)的要求。</p><p>　　復(fù)位電路如圖3-6所示。</p><p>　　圖3-6 復(fù)位電路原理圖&

93、lt;/p><p>　　3.6 JTAG電路模塊</p><p>　　JTAG是英文Joint Test Action Group（聯(lián)合測(cè)試行為組織）的詞頭字母的簡(jiǎn)寫(xiě)，該組織成立于1985 年，是由幾家主要的電子制造商發(fā)起制訂的PCB和IC測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。JTAG 建議于1990 年被IEEE 批準(zhǔn)為IEEE1149.1-1990 測(cè)試訪問(wèn)端口和邊界掃描結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了進(jìn)行邊界掃描所需要的硬件

94、和軟件。自從1990 年批準(zhǔn)后，IEEE 分別于1993 年和1995 年對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)作了補(bǔ)充，形成了現(xiàn)在使用的IEEE1149.1a-1993 和IEEE1149.1b-1994。JTAG 主要應(yīng)用于：電路的邊界掃描測(cè)試和可編程芯片的在線系統(tǒng)編程。</p><p>　　JTAG（Joint Test Action Group－聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)小組）也是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議，主要用于芯片內(nèi)部測(cè)試及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真、調(diào)試，J

95、TAG技術(shù)是一種嵌入式測(cè)試技術(shù)。通過(guò)JTAG接口可對(duì)芯片內(nèi)部的所有部件進(jìn)行訪問(wèn)，是開(kāi)發(fā)調(diào)試嵌入式系統(tǒng)的一種簡(jiǎn)潔高效的手段。它有2種連接標(biāo)準(zhǔn)，即14針接口和20針接口。此處選擇20針接口的標(biāo)準(zhǔn)[20]。</p><p>　　JTAG接口電路如圖3-7所示。</p><p>　　圖3-7 JTAG電路原理圖</p><p>　　3.7鍵盤(pán)和顯示器設(shè)計(jì)</p>

96、;<p><b>　　3.7.1鍵盤(pán)</b></p><p>　　在ARM應(yīng)用系統(tǒng)中，鍵盤(pán)掃描只是ARM的工作之一，ARM在忙于各項(xiàng)工作任務(wù)時(shí)，如何兼顧鍵盤(pán)的輸入，則取決于鍵盤(pán)的工作方式。獨(dú)立式鍵接口設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)是電路配置靈活，軟件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。但缺點(diǎn)也很明顯，每個(gè)按鍵要占用一根口線，若按鍵數(shù)量較多，資源浪費(fèi)將比較嚴(yán)重。這方式的按鍵接口由行線和列線組成，按鍵位于行、列的交叉點(diǎn)上。這種方

97、式的點(diǎn)就是相對(duì)于獨(dú)立接口方式可以節(jié)省很多I/O資源，相對(duì)于專用芯片鍵盤(pán)可以節(jié)成本，且更為靈活。缺點(diǎn)就是需要用軟件處理消抖、重鍵等。它的行線與按鍵一個(gè)引腳相連，列線與按鍵的另一個(gè)引腳相連[1]。</p><p>　　圖3-8 鍵盤(pán)電路原理圖</p><p>　　實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)硬件構(gòu)成為4×4的行列式鍵盤(pán)，如圖3.8所示。行線通過(guò)一個(gè)電阻上拉到VCC，行線與按鍵的一個(gè)引腳相連，列線與按

98、鍵的另一個(gè)引腳相連。平列線被置成低電平，沒(méi)有按鍵被按下時(shí)，行線保持高電平；而有按鍵被按下時(shí)行線被拉成低電平，這時(shí)候控制器知道有按鍵被按下，但只能判斷出在哪一行不能判斷出在哪一列，因此接下來(lái)就要進(jìn)行鍵盤(pán)掃描，以確定具體是哪個(gè)按鍵按下。</p><p>　　鍵盤(pán)掃描的過(guò)程是首先將所有列線置為高電平，再將列線逐列置成低電平后讀取行線狀態(tài)，直到行線中出現(xiàn)低電平，這時(shí)可知哪一列是低電平；然后將18線與列線的狀態(tài)裝入鍵碼寄存

99、器，進(jìn)行按鍵譯碼，得到按下的按鍵的相應(yīng)編碼這樣就完成了按鍵掃描過(guò)程。當(dāng)然，一個(gè)完整的按鍵掃描過(guò)程還需要配合相應(yīng)鍵盤(pán)去抖動(dòng)手段才能正確地識(shí)別按鍵，不會(huì)發(fā)生重鍵和錯(cuò)誤判斷等情況。鍵盤(pán)描流程如圖3-9所示。</p><p>　　圖3-9 鍵盤(pán)掃描流程</p><p>　　3.7.2 圖形液晶</p><p>　　液晶是一種在一定溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)既不同于固態(tài)、液態(tài)，又不同于

100、氣態(tài)的特殊物質(zhì)態(tài)，它既具有各向異性的晶體所特有的雙折射性，又具有液體的流動(dòng)性。液晶顯示器件（LCD）就是利用液晶態(tài)物質(zhì)的液晶分子排列狀態(tài)在電場(chǎng)中改變而調(diào)制外界光的被動(dòng)型顯示器件。液晶顯示屏是平板顯示器件中的一種，具有低工作電壓、微功耗、無(wú)輻射、體積小等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種各樣嵌入式產(chǎn)品中。</p><p>　　在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中，如果微控制器本身帶有液晶驅(qū)動(dòng)控制功能，則可以直接對(duì)點(diǎn)陣式液晶顯示屏進(jìn)行連接控制；如

101、果微控制器本身沒(méi)有液晶驅(qū)動(dòng)控制功能，則需要外擴(kuò)液晶驅(qū)動(dòng)板來(lái)連接液晶顯示屏，或者使用點(diǎn)陣式圖形液晶顯示模塊。點(diǎn)陣式圖形液晶顯示屏是LCD的一種，能夠動(dòng)態(tài)顯示圖形、漢字以及各種符號(hào)信息，為各種電子產(chǎn)品提供了友好的人機(jī)界面。隨著STN和TFT液晶顯示屏技術(shù)的成熟發(fā)展及制造成本的不斷降低，點(diǎn)陣式圖形液晶顯示屏也就成為了嵌入式系統(tǒng)中最主要的圖形顯示設(shè)備[1]。</p><p>　　點(diǎn)陣式液晶模塊一般是采用并行接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳

102、送，此次設(shè)計(jì)我們選擇的是TG240128A。TG240128A的具體參數(shù)如下：顯示格式：240X128；型號(hào)TG240128A；外形尺寸（W*H*T）：144.0X104.0X13.0；視域尺寸：114.0X64.0；點(diǎn)尺寸：0.40X0.40；點(diǎn)間距：0.45X0.45；控制器：T6963C；背光類(lèi)型：None，LED，CCFL。</p><p>　　TG240128A與LPC2378微控制器的接口電路如圖3-

103、10所示。</p><p>　　圖3-10 TG240128A與LPC2378的接口電路</p><p>　　第四章 最小系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　完成簡(jiǎn)單功能的嵌入式系統(tǒng)一般不需要操作系統(tǒng)，如以前許多C51系列單片機(jī)組成的小系統(tǒng)就只是利用軟件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的控制環(huán)路。像這類(lèi)邏輯比較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，采用沒(méi)有內(nèi)核的方式，此時(shí)嵌入式功能軟件系統(tǒng)模塊由一個(gè)大的循環(huán)組成，

104、每次中斷打斷這個(gè)循環(huán)時(shí)，讀出并傳遞設(shè)備中的信息在中斷退出后恢復(fù)循環(huán)的運(yùn)行；而循環(huán)則在每次單項(xiàng)處理結(jié)束后查看是否收到需要處理的新設(shè)備信息。簡(jiǎn)單的應(yīng)用可以這樣構(gòu)造，但稍微復(fù)雜的情況下這種前后臺(tái)系統(tǒng)的邏輯復(fù)雜程度就會(huì)呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，導(dǎo)致系統(tǒng)邏輯基本上失去控制、修改和增加的可能性。</p><p>　　但是隨著所謂后PC時(shí)代的來(lái)臨，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)日趨復(fù)雜，嵌入式操作系統(tǒng)就必不可少了。采用操作系統(tǒng)更大的優(yōu)勢(shì)在于，它提高了開(kāi)

105、發(fā)效率，縮短了開(kāi)發(fā)周期，復(fù)雜的應(yīng)用程序可分為多個(gè)任務(wù)模塊。ARM的運(yùn)行速度大大高于8、16位的CPU，而且本來(lái)就是為運(yùn)行多用戶、多任務(wù)操作系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，特別適于運(yùn)行多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)[21]。</p><p>　　4.1嵌入式操作系統(tǒng)與uC/OS-II</p><p>　　嵌入式操作系統(tǒng)EOS（Embedded Operating System）是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件，過(guò)去它主要應(yīng)用于工業(yè)控

106、制和國(guó)防系統(tǒng)領(lǐng)域。EOS負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、調(diào)度工作，控制協(xié)調(diào)并發(fā)活動(dòng)；它必須體現(xiàn)其所在系統(tǒng)的特征，能夠通過(guò)裝卸某些模塊來(lái)達(dá)到系統(tǒng)所要求的功能。</p><p>　　在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)環(huán)境下開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)應(yīng)用程序使程序的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展變得容易，不需要大的改動(dòng)就可以增加新的功能。通過(guò)將應(yīng)用程序分割成若干獨(dú)立的任務(wù)模塊，使應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)過(guò)程大為簡(jiǎn)化；而且對(duì)實(shí)時(shí)性要求苛刻的事件都得到了快速、可靠的處理。通過(guò)

107、有效的系統(tǒng)服務(wù)，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)使得系統(tǒng)資源得到更好的利用。同時(shí)，使用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)還需要額外的ROM/RAM開(kāi)銷(xiāo)，2~5%的CPU額外負(fù)荷，以及內(nèi)核的費(fèi)用。但對(duì)于ARM來(lái)說(shuō)，這一付出是完全可以承受的[22]。</p><p>　　4.1.1嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn)</p><p>　　嵌入式操作系統(tǒng)是一種支持嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的操作系統(tǒng)軟件。它是嵌入式系統(tǒng)（包括硬、軟件系統(tǒng)）極為重要的

108、組成部分，通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動(dòng)軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口、通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器Browser等。嵌入式操作系統(tǒng)具有通用操作系統(tǒng)的基本特點(diǎn)，如能夠有效管理越來(lái)越復(fù)雜的系統(tǒng)資源；能夠把硬件虛擬化，使得開(kāi)發(fā)人員從繁忙的驅(qū)動(dòng)程序移植和維護(hù)中解脫出來(lái)；能夠提供庫(kù)函數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序以及工具集等。與通用操作系統(tǒng)相比較，嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實(shí)時(shí)高效性、硬件的相關(guān)依賴性、軟件固態(tài)化以及應(yīng)用的專用性等方面具有較為突出的特點(diǎn)。<