0 前言

隨著信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)也將獲得廣闊的發(fā)展空間。以信息家電為代表的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代嵌入式產(chǎn)品，不僅為嵌入式市場(chǎng)展現(xiàn)了美好前景，注人了新的生命，同時(shí)也對(duì)嵌入式系統(tǒng)技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。這主要包括:支持日趨增長(zhǎng)的功能密度、靈活的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接、輕便的移動(dòng)應(yīng)用和多媒體的信息處理。

由于因特網(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(huà)手機(jī)、電話(huà)座機(jī)及電冰箱、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(mǎn)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。

ARM微處理器因其卓越的低功耗、高性能在32位嵌入式應(yīng)用中已位居世界第一，是高性能、低功耗嵌入式處理器的代名詞。為了順應(yīng)當(dāng)今世界技術(shù)革新的潮流，了解、學(xué)習(xí)和掌握嵌入式技術(shù)，就必然要學(xué)習(xí)和掌握以ARM微處理器為核心的嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境和開(kāi)發(fā)流程，這對(duì)于研究和開(kāi)發(fā)高性能微處理器、DSP以及開(kāi)發(fā)基于SOC芯片設(shè)計(jì)及應(yīng)用系統(tǒng)是非常必要的。作為電子信息專(zhuān)業(yè)的本科生很有必要了解和掌握32位嵌入式應(yīng)用的開(kāi)發(fā)技術(shù)。所以，通過(guò)對(duì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的學(xué)習(xí)和本次設(shè)計(jì)的實(shí)踐，一方面使學(xué)生具有較強(qiáng)的綜合素質(zhì)，成為具有良好的實(shí)際操作能力設(shè)計(jì)能力符合社會(huì)需求的開(kāi)拓性電子應(yīng)用人才，另一方面也可為高年級(jí)本科生提供一個(gè)可擴(kuò)展的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)。

1 STR710FZ2TB微處理器介紹

嵌入式微處理器的基礎(chǔ)是通用計(jì)算機(jī)中的CPU。在應(yīng)用中，將微處理器裝配在專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的電路板上，只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母板功能，這樣可以大幅度減小系統(tǒng)體積和功耗。為了滿(mǎn)足嵌入式應(yīng)用的特殊要求，嵌入式微處理器雖然在功能上和標(biāo)準(zhǔn)微處理器基本是一樣的，但在工作溫度和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，嵌入式處理器目前主要有Power PC, 68000, MIPS, ARM系列等。

STR710F 系列產(chǎn)品以工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的ARM7TDMI 32位RISC CPU為內(nèi)核，特別適用于需要尺寸緊湊、CPU功能強(qiáng)大的嵌入式系統(tǒng)和可升級(jí)的解決方案如用戶(hù)界面、工廠(chǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)和銷(xiāo)售點(diǎn)（POS）應(yīng)用等。該系列微控制器提供同級(jí)產(chǎn)品中最佳的閃存隨機(jī)存取時(shí)間，直接從閃存的速率高達(dá)33MHz；由于采用突發(fā)加速技術(shù)，順序代碼零等待狀態(tài)，最大存取速率50MHz，因此這個(gè)系列產(chǎn)品非常適合實(shí)時(shí)應(yīng)用。該系列配備多達(dá)10個(gè)通信接口，包括CAN、 USB、HDLC (高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制)、MMC (多媒體卡)和智能卡接口。靈活的封裝選擇包括有小型低量引腳的64引腳TQFP64和外置存儲(chǔ)器總線(xiàn)的144引腳TQFP144。該系列包括內(nèi)置USB 和CAN接口的低成本64k字節(jié)閃存版微控制器STR711和 STR712，以及內(nèi)置128或256字節(jié)程序閃存的經(jīng)典型微控制器,和對(duì)于無(wú)需USB和CAN接口的成本更低的“裸”微控制器STR715，該芯片內(nèi)置 64千字節(jié)代碼閃存、16字節(jié)數(shù)據(jù)閃存和16字節(jié)RAM，沒(méi)有USB和CAN模塊，這個(gè)成本優(yōu)化型32位微控制器采用 64引腳的TQFP64封裝，專(zhuān)門(mén)為占板尺寸小的低成本應(yīng)用而設(shè)計(jì)，例如：需要多用途和高性能處理器而不需要USB和CAN接口的工業(yè)系統(tǒng)和消費(fèi)家電。

STR710工業(yè)級(jí)微控制器以ARM7TDMI 16/32處理器為內(nèi)核，內(nèi)帶Flash、SRAM、EMI、USB、CAN、5個(gè)定時(shí)器、12位ADC、10個(gè)通信接口。

2 uC/OS-II操作系統(tǒng)介紹

嵌入式系統(tǒng)的軟件一般由嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件組成, 編譯過(guò)程是一起進(jìn)行的。而操作系統(tǒng)的軟件又與硬件緊密相關(guān), 必須與具體應(yīng)用相結(jié)合才能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì), 即必須結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)的需求進(jìn)行合理的裁剪。所以, 如果能夠建立相對(duì)通用的軟硬件基礎(chǔ), 然后在其上開(kāi)發(fā)出需要的系統(tǒng), 是一種比較好的發(fā)展模式。從某種程度上來(lái)說(shuō), 嵌入式系統(tǒng)是指能夠運(yùn)行操作系統(tǒng)的軟硬件綜合體。就實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)(operation system )而言, 它可大致分為商用嵌入式OS與源碼開(kāi)放的嵌入式OS, 前者如WindRiver公司的Vxworks、ISI公司的pSOS和Quan- tum公司的QNX 等, 后者如免費(fèi)的嵌入式Linux, 以及本文中所用到的uC/OS-II。

μC/OS-II由Micrium公司提供，是一個(gè)可移植、可固化的、可裁剪的、占先式多任務(wù)實(shí)時(shí)內(nèi)核，它提供信號(hào)量、帶互斥機(jī)制的信號(hào)量、事件標(biāo)志、消息信箱、消息隊(duì)列、內(nèi)存管理、時(shí)鐘管理、任務(wù)管理等服務(wù)，適用于多種微處理器，微控制器和數(shù)字處理芯片（已經(jīng)移植到超過(guò)100種以上的微處理器應(yīng)用中），同時(shí)，該系統(tǒng)源代碼開(kāi)放、整潔、一致，注釋詳盡，適合系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

3 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件主要由STR710F微處理器，電源、復(fù)位、時(shí)鐘電路，JTAG調(diào)試電路，基本的按鍵和LED顯示等人機(jī)接口電路和時(shí)鐘電路所組成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在硬件上，系統(tǒng)包括基于STR710FZ2TB的ARM開(kāi)發(fā)平臺(tái)和時(shí)鐘電路兩大部分，其中ARM開(kāi)發(fā)平臺(tái)由電源部分，復(fù)位電路，時(shí)鐘電路，JTAG調(diào)試電路，Boot模式配置電路，ADC接口等組成。

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電源部分電路見(jiàn)圖2所示。

                       
其中LM1117是穩(wěn)壓集成電路，輸入5V，輸出3.3V。

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復(fù)位芯片采用 IMP809S，系統(tǒng)主時(shí)鐘為16MHz，ADC接口電路可外接模擬信號(hào)或用板上模擬電壓。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 BootLoader設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)單地說(shuō)，BootLoader 就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一段小程序。通過(guò)這段小程序，我們可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。通常，Boot Loader 是嚴(yán)重地依賴(lài)于硬件而實(shí)現(xiàn)的，特別是在嵌入式世界。因此，在嵌入式世界里建立一個(gè)通用的 Boot Loader 幾乎是不可能的。另外，由于 Boot Loader 的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于 CPU 的體系結(jié)構(gòu)，因此大多數(shù) Boot Loader 都分為 stage1 和 stage2 兩大部分。依賴(lài)于 CPU 體系結(jié)構(gòu)的代碼，比如設(shè)備初始化代碼等，通常都放在 stage1 中，而且通常都用匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到短小精悍的目的。而 stage2 則通常用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣可以實(shí)現(xiàn)給復(fù)雜的功能，而且代碼會(huì)具有更好的可讀性和可移植性。

Boot Loader 的 stage1 通常包括以下步驟(以執(zhí)行的先后順序)：

硬件設(shè)備初始化。

為加載 Boot Loader 的 stage2 準(zhǔn)備 RAM 空間。

拷貝 Boot Loader 的 stage2 到 RAM 空間中。

設(shè)置好堆棧。

跳轉(zhuǎn)到 stage2 的 C 入口點(diǎn)。

Boot Loader 的 stage2 通常包括以下步驟(以執(zhí)行的先后順序)：

初始化本階段要使用到的硬件設(shè)備。

檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)存映射(memory map)。

將 kernel 映像和根文件系統(tǒng)映像從 flash 上讀到 RAM 空間中。

為內(nèi)核設(shè)置啟動(dòng)參數(shù)。

調(diào)用內(nèi)核。

3.2.2 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

本實(shí)例主要用FIQ來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)一小時(shí)計(jì)時(shí)，由于需要4個(gè)7段數(shù)碼管，考慮到I/O口的數(shù)量，所以采用動(dòng)態(tài)顯示方式。要點(diǎn)是要掌握ARM7TDMI的快速中斷原理和定時(shí)器原理，能正確地分配時(shí)鐘。程序流程圖如圖8 所示。

圖8 時(shí)鐘程序流程框圖

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4 開(kāi)發(fā)環(huán)境介紹

硬件開(kāi)發(fā)主要采用Protel 99se。軟件開(kāi)發(fā)主要采用ADS1.2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和EMBEST PowerICE For ARM仿真器。下面著重對(duì)ADS1.2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行介紹。

ADS 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境是ARM 公司推出的ARM 核微控制器集成開(kāi)發(fā)工具，英文全稱(chēng)為ARM Developer Suite，成熟版本為ADS1.2。ADS1.2 支持ARM10 之前的所有ARM 系列微控制器，支持軟件調(diào)試及JTAG 硬件仿真調(diào)試，支持匯編、C、C++源程序，具有編譯效率高、系統(tǒng)庫(kù)功能強(qiáng)等特點(diǎn)，可以在Windows98、Windows XP、Windows2000 以及RedHat Linux上運(yùn)行。

ADS 1.2 由6 個(gè)部分組成，如表1 所示

表1 ADS 1.2 的組成部分

5 結(jié)束語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)基本完成預(yù)期目標(biāo)，時(shí)鐘計(jì)時(shí)精確穩(wěn)定可靠。通過(guò)本次設(shè)計(jì)實(shí)踐，使嵌入式系統(tǒng)課程知識(shí)得到了回顧，加深了理解，基本掌握了ARM系統(tǒng)的軟硬件開(kāi)發(fā)流程，無(wú)論是；理論知識(shí)還是實(shí)際動(dòng)手能力都到了較大提高。

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